基于TRIZ理論的造紙黑液解聚物催化提質(zhì)中催化劑的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：該文介紹造紙黑液解聚物催化加氫脫氧制烴類(lèi)液體燃料的研究現(xiàn)狀及目前所面臨的主要問(wèn)題，通過(guò)列舉實(shí)例詳細(xì)闡述TRIZ理論如何直接與造紙黑液解聚物加氫脫氧制烴類(lèi)液體燃料實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)新型催化劑，突破現(xiàn)有瓶頸。針對(duì)催化效率低的問(wèn)題，采用TRIZ理論中的復(fù)合材料原理、預(yù)先作用原理、壓力原理對(duì)其進(jìn)行解決。研究Hβ、Mo/Hβ、NiMo/Hβ 3種催化劑用于造紙黑液解聚物加氫脫氧制烴類(lèi)液體燃料。測(cè)試結(jié)果證實(shí)，NiMo/Hβ催化劑表現(xiàn)出最優(yōu)異的催化活性。基于分析過(guò)程進(jìn)一步拓寬對(duì)TRIZ理論的認(rèn)識(shí)，為其更好地指導(dǎo)科學(xué)研究發(fā)揮作用。

關(guān)鍵詞：TRIZ原理；造紙黑液解聚物；復(fù)合材料原理；預(yù)先作用原理；壓力原理

中圖分類(lèi)號(hào)：X793 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）31-0030-04

Abstract： This paper introduces the research status and the main problems currently faced by catalytic hydrodeoxidation of paper-making black liquor depolymerized products to produce hydrocarbon liquid fuels. By enumerating examples， it illustrates in detail how TRIZ theory can be directly combined with experiments of hydrodeoxidation of paper-making black liquor depolymerized products to produce hydrocarbon liquid fuels to develop new catalysts and break through existing bottlenecks. Aiming at the problem of low catalytic efficiency， the composite material principle， pre-action principle and pressure principle in TRIZ theory are used to solve it. Three catalysts， Hβ， Mo/Hβ， and NiMo/Hβ， were studied for hydrodeoxidation of paper-making black liquor depolymerized product to produce hydrocarbon liquid fuels. Test results confirmed that NiMo/Hβ catalyst showed the most excellent catalytic activity. Based on the analysis process， the understanding of TRIZ theory is further broadened and it plays a role in better guiding scientific research.

Keywords： TRIZ principle; paper-making black liquor depolymerization; composite material principle; pre-action principle; pressure principle

TRIZ理論是一套系統(tǒng)、相對(duì)完整、科學(xué)的理論體系[1]。TRIZ理論始于1946年的創(chuàng)世期，以解決發(fā)明和技術(shù)難題為目標(biāo)。進(jìn)入發(fā)展期后，TRIZ逐漸豐富了理論體系，引入了技術(shù)矛盾理論和發(fā)明問(wèn)題解決算法等概念。在系統(tǒng)化和傳播期，阿奇舒勒將TRIZ正式系統(tǒng)化為40個(gè)基本發(fā)明原理，并推廣到蘇聯(lián)及其他國(guó)家的工業(yè)領(lǐng)域[2]。最終，在國(guó)際化和現(xiàn)代化期，TRIZ邁向國(guó)際舞臺(tái)，適應(yīng)不同領(lǐng)域需求，形成了現(xiàn)代TRIZ理論。現(xiàn)代TRIZ理論綜合了創(chuàng)新思維方法、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、技術(shù)矛盾解決原理、創(chuàng)新問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)解法、發(fā)明問(wèn)題解決算法TRIZ及基于工程學(xué)原理的知識(shí)庫(kù)。這一綜合框架為創(chuàng)新和問(wèn)題解決提供全面方法論，包括激發(fā)創(chuàng)造性思考、引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展、解決技術(shù)矛盾、提供通用解決方案和系統(tǒng)性問(wèn)題分析。

國(guó)際上多個(gè)大型企業(yè)成功應(yīng)用TRIZ理論，包括三星、福特、波音、中興通訊和西門(mén)子等企業(yè)。例如，三星電子在手機(jī)產(chǎn)品中應(yīng)用TRIZ原理，改善了屏幕分辨率和電池壽命等功能；福特汽車(chē)?yán)肨RIZ理論解決汽車(chē)工程挑戰(zhàn)，如提高燃油效率和安全性；波音公司應(yīng)用TRIZ改進(jìn)了飛機(jī)設(shè)計(jì)，提高了飛機(jī)燃油效率；中興通訊推動(dòng)了通信技術(shù)創(chuàng)新，包括5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；西門(mén)子公司利用TRIZ優(yōu)化了工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)。這些企業(yè)通過(guò)應(yīng)用TRIZ原理，開(kāi)發(fā)了領(lǐng)先的解決方案，提高了產(chǎn)品性能和效率。通過(guò)TRIZ方法，這些企業(yè)成功解決了各種技術(shù)難題，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、可靠性，降低了研發(fā)成本，增強(qiáng)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[3]。這些案例突顯了TRIZ理論在全球企業(yè)中取得的卓越成就，為解決復(fù)雜問(wèn)題和推動(dòng)創(chuàng)新提供了有效的方法和工具[4]。然而，TRIZ理論在造紙黑液解聚物催化提質(zhì)方面鮮有報(bào)道。因此，本文將聚焦于研究TRIZ理論在造紙黑液解聚物加氫脫氧提質(zhì)中催化劑設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 造紙黑液解聚物加氫脫氧現(xiàn)狀

1.1 造紙黑液解聚物加氫脫氧概述

造紙工業(yè)以植物纖維資源為主要原料，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量造紙黑液，是對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重的行業(yè)之一。能否解決好造紙工業(yè)的環(huán)境污染問(wèn)題，不僅關(guān)系到造紙工業(yè)自身的生存與發(fā)展，也關(guān)系到我國(guó)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善[5]。我國(guó)每年要產(chǎn)生大量的造紙黑液，其主要成分木質(zhì)素是自然界中儲(chǔ)量?jī)H次于纖維素的生物質(zhì)資源，也是芳烴的最大可再生來(lái)源[6]。目前，僅制漿造紙行業(yè)中，每年產(chǎn)生木質(zhì)素副產(chǎn)品達(dá)5 000萬(wàn)t左右，然而，只有5%的木質(zhì)素作為初級(jí)燃料通過(guò)燃燒用于供熱和電力，大量造紙黑液的排放不僅是木質(zhì)素資源的巨大浪費(fèi)，同時(shí)又污染了環(huán)境。木質(zhì)素憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，在生產(chǎn)高品質(zhì)燃料和化學(xué)品方面具有巨大潛力。但天然木質(zhì)素的復(fù)雜結(jié)構(gòu)阻礙了其直接催化轉(zhuǎn)化，且其中含有的大量氧基團(tuán)，如β-O-4、α-O-4、4-O-5、β-5和β-β等，會(huì)降低燃料的熱值和穩(wěn)定性。因此，為實(shí)現(xiàn)造紙黑液的高值利用，首先要通過(guò)解聚手段將其復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉宇?lèi)小分子。

催化加氫脫氧是實(shí)現(xiàn)造紙黑液解聚物轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)燃料或化學(xué)品的有效途徑。目前，造紙黑液解聚物加氫脫氧研究側(cè)重于催化劑開(kāi)發(fā)。通過(guò)使用特定催化劑以在一定反應(yīng)條件下（如高壓和適宜溫度），引導(dǎo)造紙黑液解聚物在氫氣氛圍中發(fā)生加氫并失去氧原子。通過(guò)改性催化劑進(jìn)一步提升催化劑性能，并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)反應(yīng)條件，研究致力于提高反應(yīng)效率、產(chǎn)物選擇性和產(chǎn)率，旨在推動(dòng)造紙黑液解聚物轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)物的可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)一步拓展了催化劑在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.2 造紙黑液解聚物加氫脫氧存在的問(wèn)題

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在催化劑開(kāi)發(fā)方面，但是面臨著諸多挑戰(zhàn)。造紙黑液解聚物加氫脫氧過(guò)程中，催化劑作用是實(shí)現(xiàn)造紙黑液解聚物中含氧基團(tuán)（如羥基、甲氧基、醚鍵等）的定向脫除。Prasomsri報(bào)道了3種含氧基團(tuán)的解離能遵循著“羥基大于甲氧基大于醚鍵”這一趨勢(shì)。因此，造紙黑液解聚物加氫脫氧過(guò)程中的主要挑戰(zhàn)是去除CAromatic-OH基團(tuán)中的氧原子[7]。

此外，苯環(huán)在氫化過(guò)程中可能轉(zhuǎn)化為脂環(huán)烴，這一變化反映了在工藝中出現(xiàn)的較高氫氣壓力和較低的反應(yīng)溫度。盡管提高氫氣壓力有助于提升反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，但其對(duì)芳烴的選擇性并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。氫氣壓力對(duì)加氫脫氧產(chǎn)物分布的影響可視為降低酚類(lèi)去氧化的障礙，而苯環(huán)部分氫化程度可減輕酚類(lèi)的去氧化及氫化障礙[8]。在較高溫度下，苯環(huán)結(jié)構(gòu)得以保留，但當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，酚類(lèi)衍生物會(huì)快速去氧并聚合成多環(huán)芳烴，導(dǎo)致催化劑由于焦炭沉積而失活[9-10]。因此，針對(duì)造紙黑液解聚物加氫脫氧升級(jí)為芳烴的挑戰(zhàn)，包括定向裂解含氧基團(tuán)（例如-OCH3、-OH）及保持苯環(huán)的完整性。目前研究方向是建立一個(gè)同時(shí)具備高穩(wěn)定性和高催化活性的催化體系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)芳香烴的高選擇性轉(zhuǎn)化。

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，需要通過(guò)TRIZ理論進(jìn)行深入探究并創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)具有高活性、高選擇性、高穩(wěn)定性的催化劑，并考慮成本和可持續(xù)性等因素。

2 基于TRIZ理論的催化劑設(shè)計(jì)與應(yīng)用

針對(duì)上述催化劑的問(wèn)題，本文將TRIZ理論用于其中，運(yùn)用復(fù)合材料原理、預(yù)先作用原理及壓力原理分析問(wèn)題并得出解決方案。進(jìn)一步通過(guò)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證此方法的可行性，在此基礎(chǔ)上對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.1 復(fù)合材料原理

復(fù)合材料原理是通過(guò)組合2個(gè)或2個(gè)以上不同的材料，以創(chuàng)造出具有卓越性能和特性的新型材料。這原則旨在通過(guò)材料的合理組合，發(fā)揮各材料的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)彼此的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)材料性能的綜合提升。

利用TRIZ中復(fù)合材料原理對(duì)催化劑進(jìn)行改進(jìn)可以采取以下方法。通過(guò)組合不同材料形成復(fù)合催化劑，充分利用各種材料的優(yōu)勢(shì)，提高催化劑的整體性能。設(shè)計(jì)分層結(jié)構(gòu)或控制界面，以調(diào)節(jié)反應(yīng)物分子的吸附、擴(kuò)散、反應(yīng)特性，從而提高反應(yīng)的選擇性和催化劑的穩(wěn)定性。同時(shí)，引入耐高溫、耐腐蝕等特性的材料，增強(qiáng)催化劑在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性。在造紙黑液解聚物加氫脫氧實(shí)驗(yàn)中使用不同的材料復(fù)合制成催化劑，采取單金屬?gòu)?fù)合的Mo/Hβ和雙金屬?gòu)?fù)合的NiMo/Hβ催化劑2種實(shí)驗(yàn)方案。

2.2 預(yù)先作用原理

預(yù)先作用原理是提前引入元素以改變系統(tǒng)條件，使系統(tǒng)在特定情境下更容易達(dá)到期望的反應(yīng)。這一原理可應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、制造和產(chǎn)品性能優(yōu)化。通過(guò)提前設(shè)置因素，改變系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為，使其更適應(yīng)特定工作需求。

在催化劑改進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)用預(yù)先作用原理可以提前解決可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)，增強(qiáng)催化劑的性能和穩(wěn)定性。預(yù)防失活，通過(guò)引入抗氧化、抗毒物吸附的功能基團(tuán)延緩或減少催化劑的失活；提前補(bǔ)償反應(yīng)條件變化，設(shè)計(jì)具有自調(diào)節(jié)功能的催化劑以保持高效性；提前修復(fù)催化劑，設(shè)計(jì)具有自修復(fù)功能的催化劑以延長(zhǎng)使用壽命；提前預(yù)測(cè)產(chǎn)品分布，利用模擬和預(yù)測(cè)技術(shù)優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件以提高產(chǎn)物選擇性和產(chǎn)率；提前預(yù)防污染，采取措施預(yù)防外部污染物的影響。通過(guò)綜合應(yīng)用這些措施，可以有效地提高催化劑的性能和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)芳烴的高選擇性轉(zhuǎn)化。

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)預(yù)先作用原理設(shè)計(jì)一套催化劑預(yù)處理方案，將催化劑進(jìn)行活化處理，提高其在反應(yīng)過(guò)程中的效率。先對(duì)Hβ型分子篩進(jìn)行空氣氛圍下的煅燒活化?；罨^(guò)程分為3步：第1步，從室溫開(kāi)始升溫至380 ℃；第2步，在380 ℃下保持1 h；第3步，再升溫至580 ℃并保持2 h，整個(gè)活化過(guò)程中，升溫速率均為10 ℃/min，如圖1所示。

2.3 壓力原理

壓力原理著眼于利用外部壓力來(lái)促進(jìn)催化反應(yīng)，從而提高反應(yīng)速率和產(chǎn)物收率[11]。通過(guò)增加壓力，可以增加反應(yīng)物之間的碰撞頻率和能量，加快反應(yīng)速率，并在一定程度上改善催化劑的催化效率。根據(jù)壓力原理，調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件使其在產(chǎn)品產(chǎn)出的同時(shí)，降低實(shí)驗(yàn)條件，從而提高催化性能。大多數(shù)加氫脫氧實(shí)驗(yàn)在高溫高壓條件下進(jìn)行，而高溫高壓條件下對(duì)反應(yīng)設(shè)備提出更高的要求，致使設(shè)備價(jià)格高昂，且整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程成本偏高。本實(shí)驗(yàn)選用控制壓力的方式，在常壓條件下實(shí)現(xiàn)造紙黑液解聚物的催化提質(zhì)。

2.4 方案評(píng)估

根據(jù)復(fù)合材料原理、預(yù)先作用原理、壓力原理的分析可以得出方案見(jiàn)表1。

綜上所述，提出了采用Mo/Hβ、NiMo/Hβ催化劑研究造紙黑液解聚物催化加氫脫氧制烴類(lèi)液體燃料的實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行結(jié)果分析，通過(guò)對(duì)比篩選出催化活性最佳的催化劑。

表1 各類(lèi)解決方案評(píng)估表

2.5 性能測(cè)試

通過(guò)采用固定床反應(yīng)器開(kāi)展在環(huán)境壓力下3組造紙黑液解聚物催化加氫脫氧實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。與Hβ、Mo/Hβ催化劑相比，雙金屬催化劑NiMo/Hβ表現(xiàn)出最優(yōu)的催化活性。NiMo/Hβ作用下反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率、芳烴產(chǎn)率、芳烴相對(duì)含量分別比Hβ、Mo/Hβ提高了34%和28%、27%和25%、44%和31%。結(jié)果表明，采用金屬負(fù)載可以提升催化劑對(duì)造紙黑液解聚物的催化活性，其中與單金屬負(fù)載相比，雙金屬負(fù)載更具有優(yōu)勢(shì)。測(cè)試結(jié)果證實(shí)了TRIZ理論在指導(dǎo)造紙黑液解聚物加氫脫氧催化劑制備過(guò)程中的實(shí)用性。

（a） 反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率

（b） 芳烴產(chǎn)率

（c） 芳烴相對(duì)含量

圖2 加氫脫氧測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過(guò)應(yīng)用TRIZ理論，對(duì)造紙黑液解聚物加氫脫氧實(shí)驗(yàn)催化劑制備方案進(jìn)行了深入的分析和改進(jìn)。通過(guò)運(yùn)用TRIZ基本理論中的復(fù)合材料原理、預(yù)先作用原理、壓力原理，成功解決了催化效率低的問(wèn)題。采用單金屬負(fù)載和雙金屬負(fù)載的方式，有效提升了轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)了芳烴高選擇性制備，催化劑均表現(xiàn)出良好的效能，同時(shí)溫和的反應(yīng)條件更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，研究證實(shí)了TRIZ理論在指導(dǎo)造紙黑液解聚物加氫脫氧實(shí)驗(yàn)催化劑制備過(guò)程中的有效性，拓寬了TRIZ理論的適用領(lǐng)域。未來(lái)，進(jìn)一步探索不同的催化劑設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化反應(yīng)條件，提高轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)品選擇性，還可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模擬等方法，深入理解反應(yīng)機(jī)理，為造紙黑液解聚加氫脫氧制芳烴領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供更多的創(chuàng)新思路和技術(shù)支持。

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