基于TRIZ理论的造纸黑液解聚物催化提质中催化剂的设计与应用

摘 要：该文介绍造纸黑液解聚物催化加氢脱氧制烃类液体燃料的研究现状及目前所面临的主要问题，通过列举实例详细阐述TRIZ理论如何直接与造纸黑液解聚物加氢脱氧制烃类液体燃料实验相结合，开发新型催化剂，突破现有瓶颈。针对催化效率低的问题，采用TRIZ理论中的复合材料原理、预先作用原理、压力原理对其进行解决。研究Hβ、Mo/Hβ、NiMo/Hβ 3种催化剂用于造纸黑液解聚物加氢脱氧制烃类液体燃料。测试结果证实，NiMo/Hβ催化剂表现出最优异的催化活性。基于分析过程进一步拓宽对TRIZ理论的认识，为其更好地指导科学研究发挥作用。

关键词：TRIZ原理；造纸黑液解聚物；复合材料原理；预先作用原理；压力原理

中图分类号：X793 文献标志码：A 文章编号：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理论是一套系统、相对完整、科学的理论体系[1]。TRIZ理论始于1946年的创世期，以解决发明和技术难题为目标。进入发展期后，TRIZ逐渐丰富了理论体系，引入了技术矛盾理论和发明问题解决算法等概念。在系统化和传播期，阿奇舒勒将TRIZ正式系统化为40个基本发明原理，并推广到苏联及其他国家的工业领域[2]。最终，在国际化和现代化期，TRIZ迈向国际舞台，适应不同领域需求，形成了现代TRIZ理论。现代TRIZ理论综合了创新思维方法、技术系统进化法则、技术矛盾解决原理、创新问题标准解法、发明问题解决算法TRIZ及基于工程学原理的知识库。这一综合框架为创新和问题解决提供全面方法论，包括激发创造性思考、引导技术发展、解决技术矛盾、提供通用解决方案和系统性问题分析。

国际上多个大型企业成功应用TRIZ理论，包括三星、福特、波音、中兴通讯和西门子等企业。例如，三星电子在手机产品中应用TRIZ原理，改善了屏幕分辨率和电池寿命等功能；福特汽车利用TRIZ理论解决汽车工程挑战，如提高燃油效率和安全性；波音公司应用TRIZ改进了飞机设计，提高了飞机燃油效率；中兴通讯推动了通信技术创新，包括5G技术和物联网技术；西门子公司利用TRIZ优化了工业自动化系统和医疗设备设计。这些企业通过应用TRIZ原理，开发了领先的解决方案，提高了产品性能和效率。通过TRIZ方法，这些企业成功解决了各种技术难题，提高了产品的质量、性能、可靠性，降低了研发成本，增强了市场竞争力[3]。这些案例突显了TRIZ理论在全球企业中取得的卓越成就，为解决复杂问题和推动创新提供了有效的方法和工具[4]。然而，TRIZ理论在造纸黑液解聚物催化提质方面鲜有报道。因此，本文将聚焦于研究TRIZ理论在造纸黑液解聚物加氢脱氧提质中催化剂设计与应用。

1 造纸黑液解聚物加氢脱氧现状

1.1 造纸黑液解聚物加氢脱氧概述

造纸工业以植物纤维资源为主要原料，生产过程中产生大量造纸黑液，是对环境污染严重的行业之一。能否解决好造纸工业的环境污染问题，不仅关系到造纸工业自身的生存与发展，也关系到我国生态环境质量的改善[5]。我国每年要产生大量的造纸黑液，其主要成分木质素是自然界中储量仅次于纤维素的生物质资源，也是芳烃的最大可再生来源[6]。目前，仅制浆造纸行业中，每年产生木质素副产品达5 000万t左右，然而，只有5%的木质素作为初级燃料通过燃烧用于供热和电力，大量造纸黑液的排放不仅是木质素资源的巨大浪费，同时又污染了环境。木质素凭借其独特的结构和化学性质，在生产高品质燃料和化学品方面具有巨大潜力。但天然木质素的复杂结构阻碍了其直接催化转化，且其中含有的大量氧基团，如β-O-4、α-O-4、4-O-5、β-5和β-β等，会降低燃料的热值和稳定性。因此，为实现造纸黑液的高值利用，首先要通过解聚手段将其复杂的分子结构转变为酚类小分子。

催化加氢脱氧是实现造纸黑液解聚物转化为高品质燃料或化学品的有效途径。目前，造纸黑液解聚物加氢脱氧研究侧重于催化剂开发。通过使用特定催化剂以在一定反应条件下（如高压和适宜温度），引导造纸黑液解聚物在氢气氛围中发生加氢并失去氧原子。通过改性催化剂进一步提升催化剂性能，并优化实验反应条件，研究致力于提高反应效率、产物选择性和产率，旨在推动造纸黑液解聚物转化为高附加值产物的可持续发展，进一步拓展了催化剂在生物质转化领域的应用。

1.2 造纸黑液解聚物加氢脱氧存在的问题

目前，国内外学者的研究主要集中在催化剂开发方面，但是面临着诸多挑战。造纸黑液解聚物加氢脱氧过程中，催化剂作用是实现造纸黑液解聚物中含氧基团（如羟基、甲氧基、醚键等）的定向脱除。Prasomsri报道了3种含氧基团的解离能遵循着“羟基大于甲氧基大于醚键”这一趋势。因此，造纸黑液解聚物加氢脱氧过程中的主要挑战是去除CAromatic-OH基团中的氧原子[7]。

此外，苯环在氢化过程中可能转化为脂环烃，这一变化反映了在工艺中出现的较高氢气压力和较低的反应温度。尽管提高氢气压力有助于提升反应的转化率，但其对芳烃的选择性并非简单的线性关系。氢气压力对加氢脱氧产物分布的影响可视为降低酚类去氧化的障碍，而苯环部分氢化程度可减轻酚类的去氧化及氢化障碍[8]。在较高温度下，苯环结构得以保留，但当温度过高时，酚类衍生物会快速去氧并聚合成多环芳烃，导致催化剂由于焦炭沉积而失活[9-10]。因此，针对造纸黑液解聚物加氢脱氧升级为芳烃的挑战，包括定向裂解含氧基团（例如-OCH3、-OH）及保持苯环的完整性。目前研究方向是建立一个同时具备高稳定性和高催化活性的催化体系，以实现对芳香烃的高选择性转化。

为应对上述挑战，需要通过TRIZ理论进行深入探究并创新，开发具有高活性、高选择性、高稳定性的催化剂，并考虑成本和可持续性等因素。

2 基于TRIZ理论的催化剂设计与应用

针对上述催化剂的问题，本文将TRIZ理论用于其中，运用复合材料原理、预先作用原理及压力原理分析问题并得出解决方案。进一步通过测试来验证此方法的可行性，在此基础上对所得结果进行优化分析。

2.1 复合材料原理

复合材料原理是通过组合2个或2个以上不同的材料，以创造出具有卓越性能和特性的新型材料。这原则旨在通过材料的合理组合，发挥各材料的优势，弥补彼此的缺点，实现材料性能的综合提升。

利用TRIZ中复合材料原理对催化剂进行改进可以采取以下方法。通过组合不同材料形成复合催化剂，充分利用各种材料的优势，提高催化剂的整体性能。设计分层结构或控制界面，以调节反应物分子的吸附、扩散、反应特性，从而提高反应的选择性和催化剂的稳定性。同时，引入耐高温、耐腐蚀等特性的材料，增强催化剂在恶劣环境下的稳定性。在造纸黑液解聚物加氢脱氧实验中使用不同的材料复合制成催化剂，采取单金属复合的Mo/Hβ和双金属复合的NiMo/Hβ催化剂2种实验方案。

2.2 预先作用原理

预先作用原理是提前引入元素以改变系统条件，使系统在特定情境下更容易达到期望的反应。这一原理可应用于工程设计、制造和产品性能优化。通过提前设置因素，改变系统动力学行为，使其更适应特定工作需求。

在催化剂改进过程中，应用预先作用原理可以提前解决可能出现的挑战，增强催化剂的性能和稳定性。预防失活，通过引入抗氧化、抗毒物吸附的功能基团延缓或减少催化剂的失活；提前补偿反应条件变化，设计具有自调节功能的催化剂以保持高效性；提前修复催化剂，设计具有自修复功能的催化剂以延长使用寿命；提前预测产品分布，利用模拟和预测技术优化催化剂结构和反应条件以提高产物选择性和产率；提前预防污染，采取措施预防外部污染物的影响。通过综合应用这些措施，可以有效地提高催化剂的性能和稳定性，实现对芳烃的高选择性转化。

本实验根据预先作用原理设计一套催化剂预处理方案，将催化剂进行活化处理，提高其在反应过程中的效率。先对Hβ型分子筛进行空气氛围下的煅烧活化。活化过程分为3步：第1步，从室温开始升温至380 ℃；第2步，在380 ℃下保持1 h；第3步，再升温至580 ℃并保持2 h，整个活化过程中，升温速率均为10 ℃/min，如图1所示。

2.3 压力原理

压力原理着眼于利用外部压力来促进催化反应，从而提高反应速率和产物收率[11]。通过增加压力，可以增加反应物之间的碰撞频率和能量，加快反应速率，并在一定程度上改善催化剂的催化效率。根据压力原理，调整实验条件使其在产品产出的同时，降低实验条件，从而提高催化性能。大多数加氢脱氧实验在高温高压条件下进行，而高温高压条件下对反应设备提出更高的要求，致使设备价格高昂，且整个实验流程成本偏高。本实验选用控制压力的方式，在常压条件下实现造纸黑液解聚物的催化提质。

2.4 方案评估

根据复合材料原理、预先作用原理、压力原理的分析可以得出方案见表1。

综上所述，提出了采用Mo/Hβ、NiMo/Hβ催化剂研究造纸黑液解聚物催化加氢脱氧制烃类液体燃料的实验方案，并进行结果分析，通过对比筛选出催化活性最佳的催化剂。

表1 各类解决方案评估表

2.5 性能测试

通过采用固定床反应器开展在环境压力下3组造纸黑液解聚物催化加氢脱氧实验，实验结果如图2所示。与Hβ、Mo/Hβ催化剂相比，双金属催化剂NiMo/Hβ表现出最优的催化活性。NiMo/Hβ作用下反应物转化率、芳烃产率、芳烃相对含量分别比Hβ、Mo/Hβ提高了34%和28%、27%和25%、44%和31%。结果表明，采用金属负载可以提升催化剂对造纸黑液解聚物的催化活性，其中与单金属负载相比，双金属负载更具有优势。测试结果证实了TRIZ理论在指导造纸黑液解聚物加氢脱氧催化剂制备过程中的实用性。

（a） 反应物转化率

（b） 芳烃产率

（c） 芳烃相对含量

图2 加氢脱氧测试结果

3 结论

本文通过应用TRIZ理论，对造纸黑液解聚物加氢脱氧实验催化剂制备方案进行了深入的分析和改进。通过运用TRIZ基本理论中的复合材料原理、预先作用原理、压力原理，成功解决了催化效率低的问题。采用单金属负载和双金属负载的方式，有效提升了转化效率，实现了芳烃高选择性制备，催化剂均表现出良好的效能，同时温和的反应条件更具有经济优势，研究证实了TRIZ理论在指导造纸黑液解聚物加氢脱氧实验催化剂制备过程中的有效性，拓宽了TRIZ理论的适用领域。未来，进一步探索不同的催化剂设计方案，优化反应条件，提高转化效率和产品选择性，还可以结合实验和计算模拟等方法，深入理解反应机理，为造纸黑液解聚加氢脱氧制芳烃领域的研究和应用提供更多的创新思路和技术支持。

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