大批量制备FeOOH纳米粒子及其对新疆伊犁煤液化性能的研究

A simple hydrolysis process has been employed to synthesize FeOOH nanoparticles at an ultra-large-scale via iron salts as raw materials. Meanwhile, citric acid, oleic acid or oleic amine are used as assistant agents to adjust the morphology and size of the FeOOH nanoparticles during the fabrication process. A novel solid-liquid separation technique has been developed by using humic acid as the flocculation agent. The factors affecting the morphology, size and phase of the nanoparticles have been studied. The influence of the physical and chemical compositions of the products on the direct coal liquefaction (DCL) reaction are investigated. This novel approach may be applied to the large-scale fabrication of some other oxide nanoparticles. The results are important in the synthetic methodology and the solid-liquid separation technique. The project demonstrated that the method has characteristics of low cost, simple equipment, the large-scale fabrication and environmentally-friendly and has some potential use for the future industrial applications. The results will establish a theoretical basis for the design and control synthesis of new generation catalytic materials for DCL.

提出了一种以铁盐为原料，以简单的水解工艺合成FeOOH纳米粒子的方法。反应中，以柠檬酸、油酸或者油胺等表面活性剂调控FeOOH纳米粒子的尺寸、形貌和表面性质。开发了一种采用腐植酸作为絮凝剂的固液分离技术。探讨了产物的物理与化学组成对新疆伊犁煤直接液化性能的影响。该方法还有望应用到其他纳米粒子的大批量合成，在合成方法学和固液分离技术方面具有重要意义。这种用于煤直接液化的铁基催化剂具有大批量、操作简便、廉价和环境友好等特征，在未来的工业中有重要潜在应用。研究结果将为新一代煤液化纳米催化材料的设计与控制合成提供理论基础。

煤炭液化技术是将固体的煤炭转化为液体燃料、化工原料和产品的先进洁净煤技术。煤的直接液化技术是将固体煤在高温高压下与氢反应，将其降解和加氢从而转化为液体油类的工艺，又称加氢液化。催化剂是煤直接液化过程的核心技术之一，对于降低反应苛刻程度，提高反应效率，降低煤直接液化成本，提高其经济竞争力有着非常重要的作用。铁基催化剂也被称作“一次性可丢弃型催化剂”，由于其低廉的成本和较高的催化活性，在过去的几十年中成为最广泛研究和使用的煤液化催化剂材料。因此，有必要研究开发纳米铁基催化剂的大批量制备和快速分离技术。.研究内容包括（1）大批量制备条件下（500克/批次以上），FeOOH纳米粒子的尺寸与形貌调控研究。（2）大批量制备条件下（500克/批次以上），FeOOH纳米粒子分离与再分散技术研究。（3）FeOOH纳米粒子的煤液化催化性能研究。（4）FeOOH纳米粒子的煤液化催化机理研究。.重要结果和关键数据如下：本课题组开发了一种简单的水解法大批量制备了亲水性和疏水性β-FeOOH 纳米粒子，研究了其煤直接液化催化效果。结果显示，其转化率、油产率和液化率分别达到了 86.4 wt%、57.7 wt%和 69.0 wt%（空白）；88.3 wt% 、66.7 wt%和 73.7 wt%（亲水性 β-FeOOH）；92.6 wt% 、73.8wt%和 80.8 wt%（疏水性FeOOH）。实验结果表明，通过铁盐水解和油酸包覆能实现亲水性 β-FeOOH 纳米粒子的大批量制备和疏水改性，并且产物对催化煤直接液化展现了较好的液化效果。此外，由于该合成方案反应条件温和、操作简单和易于放大，故具有良好的工业应用前景。.科学意义：课题组提出了一种在水溶液体系中常压和低温调控制备纳米FeOOH和快速分离的方法。该方法具有工艺简单、条件温和、成本廉价和易于放大的优点。本研究课题在学术意义上，该合成方法具有一定的普适性，可以用于其他纳米材料的制备与分离，在纳米材料合成方法学上具有重要意义。合成的FeOOH纳米粒子可以显著提高新疆伊犁煤直接液化的油产率和转化率，对于煤直接液化的研究与应用具有重要意义。本课题所关注的是纳米FeOOH的控制合成、批量制备和分离技术及其煤直接液化催化性能的应用，因而其研究具有重要的科学价值。