[發明專利]一種碳水化合物類生物質二段法還原鐵化合物為鐵單質的方法

有效

• 申請號: 202010586828.5
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111647705B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 金放鳴;成炯;鐘恒
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C21B13/14
• 分類號: C21B13/14;B22F9/20;C07G99/00
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

本發明涉及一種碳水化合物類生物質二段法還原鐵化合物為鐵單質的方法，包括：一段反應：將碳水化合物類生物質在100℃～180℃條件下催化加氫30～120分鐘，得到中間產物；二段反應：在中間產物中加入鐵化合物、堿，在200℃～400℃反應10～120分鐘，得到單質鐵以及氫氣和小分子有機酸；反應結束后將產物分離，回收氣相氫氣用于一段反應的生物質催化加氫，固相水洗分離得到鐵單質和小分子有機酸。與現有技術相比，本發明在溫和條件下，利用碳水化合物類生物質為原料將鐵化合物還原為鐵單質，為開發利用可再生的生物質資源取代化石能源的新一代低溫煉鐵變革技術提供了基礎，有望解決傳統煉鐵工業高耗能、重污染、高碳排放等問題。

技術領域

本發明涉及一種利用碳水化合物類生物質為原料，兩步法還原鐵的化合物為鐵單質的方法，屬化工與生物質廢棄物資源化技術領域。

背景技術

鐵是現代工業的基礎，人類進步所必不可少的金屬材料。現行的煉鐵技術采用化石能源還原鐵礦石(C+Fe_xO_y→Fe⁰+CO₂)，導致不可避免的高CO₂排放，高耗能(1000度以上高溫)。根據國際能源署(IEA)公布的數據，煉鐵行業排放的CO₂占制造業碳排放總量的27％。因此，改善傳統的煉鐵技術工藝，尋找新的煉鐵的途徑已經成為世界許多國家研究的重要攻關課題之一。我國是世界上第一產鐵大國，由鋼鐵行業帶來的能源與環境問題尤為嚴重。我國也是溫室氣體排放總量居世界第一位的國家，CO₂減排面臨巨大壓力，更加迫切需要開拓新型的低碳、環境友好、尤其是探索能徹底擺脫CO₂高排放困境的綠色煉鐵技術。為了尋求低耗、低CO₂排放，低環境污染的制鐵技術，長期以來國內外專家學者進行了大量的研究，并已提出了諸多的改善方法。但這些研究關注點聚焦在傳統工藝的改善，能源利用率改善等，并未從根本上解決煉鐵過程的高能耗、高排放的問題。

生物質資源是地球上最豐富的可再生資源。傳統的生物質利用技術主要包括鍋爐燃燒、氣化、干餾、熱裂解及發酵技術等，用于供熱、發電或生產木焦油和可燃氣以及一些化工原料。但傳統的生物質資源利用主要聚焦在能源利用，并存在效率低、污染氣體排放等問題，因此亟需開發更高價值的新型生物質利用技術。碳水化合物類生物質分布廣、含量多，廣泛存在于秸稈、谷物殼等農業廢棄物與廢棄紙張、甘蔗渣等城市生活垃圾中，是理想的生物質資源。同時，碳水化合物類生物質具有豐富的還原性官能團，但由于碳水化合物遇熱不穩定，易脫水碳化從而失去還原作用。因此，如何保護與利用這些還原性官能團是高價值利用碳水化合物生物質的關鍵。如果能妙用這些官能團直接還原鐵化合物，可望開拓一種生物質代替化石能源的顛覆性煉鐵技術。至今尚未見碳水化合物低溫還原鐵化合物為鐵單質的報道。

甲酸、乙酸、乳酸等小分子有機酸是極為重要的化工產品，傳統由化石能源或發酵制得。甲酸一種安全便捷的儲氫能源材料，其在化學合成及能源可持續儲存領域具有極高的應用前景；乙酸是重要的化工平臺產品；乳酸及其鹽類和衍生物被廣泛應用于食品、釀造、醫藥、皮革、卷煙、化工和印染等多種傳統行業，在未來的發展中，乳酸作為可降解高分子材料聚乳酸的單體，更是一種有著巨大潛在價值的產品。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種碳水化合物類生物質二段法還原鐵化合物為鐵單質的方法，該方法具有低能耗、無碳排放，反應條件溫和、無污染以及和利用生物質資源等特點。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種碳水化合物類生物質二段法還原鐵化合物為鐵單質的方法，包括：

一段反應：

將碳水化合物類生物質在100℃～180℃條件下催化加氫30～120分鐘，得到不易碳化、相對安定的中間產物；催化加氫用的氫氣來源于外加氫源和/或第二段反應中回收的氫氣，氫氣的加入量與生物質物質的量之比為1.2:1～1.8:1；

二段反應：