范立,沈健
(遼寧石油化工大學(xué)石化學(xué)院,遼寧撫順 113001)
羅永剛等[1]的研究表明,銳鈦礦型TiO2吸附脫硫方面表現(xiàn)出較好的性能。目前,各種方法制備的銳鈦礦TiO2比表面積一般較小,吸附能力較低,而且不易回收,嚴(yán)重制約了其在工業(yè)上的應(yīng)用[2-4]。介孔分子篩SBA-15孔道規(guī)整,孔徑和比表面積較大,水熱穩(wěn)定性良好,可用于吸附分離的載體。馬晶等[3]利用孔道內(nèi)水解法制備了TiO2-SBA-15。張書翠等[2]利用COOH/SBA-15表面羧基與鈦酸四丁酯的配合作用將鈦酸四丁酯錨定,通過溶劑熱處理制備出分散度較好的TiO2-SBA-15。朱金華等[5]利用水熱合成法,將鈦源與乙酰丙酮作用后的產(chǎn)物作為鈦的前驅(qū)體合成TiO2-SBA-15。目前,該材料幾乎只被用在紫外光催化的研究中,在燃料油的吸附脫硫應(yīng)用中鮮有報(bào)道。
本文采用等體積浸漬法與過量浸漬法制備TiO2-SBA-15,并利用靜態(tài)吸附的探針反應(yīng)來評價(jià)兩種樣品的吸附脫硫性能。
鈦酸四丁酯,化學(xué)純;模板劑(P123)、濃鹽酸、正硅酸乙酯(TEOS)、無水乙醇均為分析純;去離子水;催 化 裂 化 汽 油 (含 硫 量 100 μg/g,密 度0.738 g/mL);純硅 SBA-15,自制[6]。
Rigaku D/MAX-1AX型X射線衍射儀;Micromeritics ASAP 2010型物理吸附儀;Magna IR 550型紅外光譜儀;WK-2D微庫倫儀。
1.2.1 過量浸漬法 用移液管分別量取0.425,0.638,0.85,1.062 mL 鈦酸四丁酯于4 個50 mL 的燒杯中,各加入20 mL無水乙醇,攪拌至其完全溶解,分別加入1 g SBA-15,室溫下攪拌至無水乙醇完全揮發(fā),再置于馬弗爐中500℃下焙燒3 h,分別制得樣品A1、A2、A3、A4(負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%,15%,20%,25%)。
1.2.2 等體積浸漬法 取1 g SBA-15介孔分子篩于20 mL燒杯中。用移液管量取0.85 mL鈦酸四丁酯于10 mL的燒杯中,加入5 mL的無水乙醇(SBA-15飽和吸附量約為5 mL/g),攪拌至其完全溶解,用膠頭滴管將鈦酸四丁酯的乙醇溶液逐滴滴加到SBA-15的燒杯中,室溫下至無水乙醇完全揮發(fā),再置于馬弗爐中500℃下焙燒3 h,制得樣品B1。
以撫順石油二廠催化裂化汽油為原料,按劑油比(質(zhì)量比)1∶40稱取原料,置于帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的密閉鋼罐中,140℃帶有磁力攪拌的油浴條件下,吸附4 h后用離心法使固液分離,采樣待測。計(jì)算吸附平衡時樣品脫硫率及吸附劑的硫容量,用以評價(jià)吸附劑的脫硫性能。
式中 x——硫的脫除率,%;
wo、wt——反應(yīng)前、后樣品中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù),mg/kg。
吸附劑硫容量計(jì)算公式如下:
式中 ξ——吸附劑硫容量,mg/g;
wo、wt——反應(yīng)前、后樣品中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù),mg/kg;
M油——汽油質(zhì)量,g;
M劑——吸附劑質(zhì)量,g。
2.1.1 樣品A3、B1的 FTIR 表征 圖1、圖2為純SBA-15和Ti-SBA-15(A3、B1)紅外圖譜。
圖1 A3、B1的FTIR圖譜Fig.1 FTIR spectra of SBA-15 and TiO2-SBA-15 samples
由圖1可知,460 cm-1附近的吸收峰為Si—O—Si的彎曲振動峰;600 cm-1附近的吸收峰歸屬于O—H鍵的振動;800 cm-1附近的吸收峰可歸屬于Si—O—Si鍵的對稱伸縮振動[7];1 080 cm-1附近強(qiáng)的吸收峰對應(yīng)于SBA-15骨架中硅氧四面體的反對稱伸縮振動[6]。相比于純SBA-15紅外譜圖可以發(fā)現(xiàn),TiO2-SBA-15(20%過量浸漬法)、TiO2-SBA-15(20%等體積浸漬)在460 cm-1附近吸收峰強(qiáng)度呈遞增趨勢,且在500~600 cm-1的小峰消失,出現(xiàn)一個新的振動吸收峰,分別歸屬于Si—O—Si鍵的彎曲振動峰與Ti—O—Ti鍵的振動吸收峰重疊和Ti—O—Ti的振動吸收峰;960 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰可能是 Si—OH[8]和 Ti—O—Si的吸收峰發(fā)生了交迭。
圖2 A3、B1的FTIR譜Fig.2 FTIR spectra of SBA-15 and TiO2-SBA-15 samples
由圖2可知,2 800 cm-1附近的吸收峰強(qiáng)度減弱,說明SBA-15表面的自由硅羥基被取代,TiO2已載于SBA-15的表面。
2.1.2 樣品A3、B1的 XRD 表征 圖3為純 SBA-15及TiO2-SBA-15(A3、B1)的小角度XRD圖譜。
圖3 SBA-15和TiO2-SBA-15的小角XRDFig.3 Small angle XRD patterns of SBA-15 and TiO2-SBA-15
由圖3可知,負(fù)載TiO2后,樣品仍在(100)出現(xiàn)較明顯的衍射峰,說明TiO2-SBA-15的介孔結(jié)構(gòu)仍然存在,但其強(qiáng)度有所減弱。樣品A3與B1活性組分負(fù)載量均為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),B1衍射峰的強(qiáng)度要弱于A3,且在(110)及(200)處特征峰幾乎消失,說明樣品B1的孔道結(jié)構(gòu)的有序度、介孔結(jié)構(gòu)的長程有序性受影響程度大于樣品A3。
圖4為樣品A3與B1大角度XRD圖譜。
圖4 SBA-15和TiO2-SBA-15的廣角XRDFig.4 Wide-angle XRD patterns of SBA-15 and TiO2-SBA-15
由圖4可知,20~60°一個較強(qiáng)衍射峰和2個較弱衍射峰分別對應(yīng)于銳鈦礦的(101)、(200)、(105)晶面的衍射峰[9-10],說明樣品表面的TiO2均為銳鈦礦型。A3的3個衍射峰強(qiáng)度要高于B1,且B1在(200)、(105)晶面的衍射峰幾乎消失,這種現(xiàn)象有兩個可能原因,一是A3中孔道內(nèi)TiO2多于B1,B1載體表面的TiO2多于A3;二是A3中TiO2在載體表面及孔道內(nèi)分散較好,團(tuán)聚程度低于B1,但具體哪種原因,要結(jié)合其他表征內(nèi)容分析。
2.1.3 樣品 A3、B1的 BET表征 純 SBA-15和TiO2-SBA-15(A3、B1)的BET參數(shù)見表1。
表1 SBA-15和TiO2-SBA-15的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural and physic-chemical properties of SBA-15 and TiO2-SBA-15
由表1可知,SBA-15介孔分子篩的比表面積為821 m2/g,TiO2的引入導(dǎo)致樣品的比表面積減小,孔容、孔徑的變化趨勢與比表面積變化一致。A3的微孔表面積最大,達(dá)120.29 m2/g,微孔孔容最大達(dá)0.053 6 cm3/g;A3的總比表面積略大于B1,孔徑和孔容略小于B1,這種結(jié)果是由于A3中TiO2在載體的表面及孔道內(nèi)分布較均勻,使得孔壁增厚,孔徑減小,原來的介孔負(fù)載后減小為微孔,所以導(dǎo)致微孔表面積、孔容數(shù)值上大于純SBA-15,而B1中TiO2的分散度較差,微孔被堵塞,導(dǎo)致裸露的表面積小于A3,平均孔徑及孔容大于A3。結(jié)合大角度XRD分析,TiO2于載體表面的分散度A3好于B1。
等體積浸漬與過量浸漬的理論依據(jù)都是毛細(xì)管作用,浸漬液通過毛細(xì)管產(chǎn)生的壓強(qiáng)差將其吸入孔道內(nèi),浸漬液流動的過程中,活性組分被載體吸附而留在其表面,而有時這種吸附是不均勻的,過量浸漬法的浸漬液溶劑較多,活性組分與載體間不斷地進(jìn)行吸附和脫附(進(jìn)入溶劑中),慢慢達(dá)到平衡,最終得到負(fù)載均勻的催化劑,而等體積浸漬由于浸漬液較少,很容易造成活性組分分散不均勻,且在實(shí)際操作中經(jīng)常會碰到浸漬液可能很難與載體完全混合的情況。綜上所述,采用過量浸漬法制備的吸附劑活性組分分散較為均勻。
2.1.4 樣品 A1、A2、A3的 XRD 表征 圖 5為純SBA-15 及TiO2-SBA-15(A1、A2、A3)的 XRD 圖譜。
由圖5可知,負(fù)載TiO2后,樣品仍在(100)出現(xiàn)較明顯的衍射峰,說明TiO2的引入,并未改變SBA-15的介孔結(jié)構(gòu),但其強(qiáng)度有所減弱,且隨著負(fù)載量的增加,樣品(110)和(200)的衍射逐漸不明顯,表明TiO2在一定程度上降低了SBA-15的有序度,同時TiO2-SBA-15的衍射峰向大角度方向移動,說明TiO2進(jìn)入載體的孔道內(nèi),使孔壁加厚,孔徑減小。TiO2含量在20%以下都能較好地保持分子篩的介孔結(jié)構(gòu)。
圖5 不同負(fù)載量的TiO2-SBA-15樣品的XRD譜圖Fig.5 XRD patterns of TiO2-SBA-15 samples with different loadings
2.1.5 樣品A1、A2、A3的 BET表征 樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。
表2 不同負(fù)載量的TiO2-SBA-15樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structure parameters of TiO2-SBA-15 samples with different loadings
由表2可知,與SBA-15相比,TiO2-SBA-15的比表面積、孔容和孔徑都有所降低,且隨負(fù)載量的增加,降勢增大。這是因?yàn)門iO2進(jìn)入到介孔分子篩孔道中,附在孔道壁上導(dǎo)致催化劑孔徑減小。但負(fù)載后的SBA-15比表面積仍然較大,有利于硫化物的吸附脫除。
2.2.1 制備方法與TiO2負(fù)載量對脫硫效果的影響
劑油比1∶40,吸附溫度為140℃,吸附時間4 h,考察各吸附劑的脫硫性能,結(jié)果見圖6。原料油及產(chǎn)品硫含量的定量分析采用微庫倫儀測定。
圖6 不同吸附劑的脫硫性能Fig.6 The desulfurization performance of different samples
由圖6可知,隨TiO2負(fù)載量的增加,原料汽油脫硫率及吸附劑硫容先升高后降低,20%效果最好。在SBA-15的介孔結(jié)構(gòu)沒被破壞之前,吸附活性位的增加有利于硫化物的脫除,結(jié)合表征結(jié)果,負(fù)載量達(dá)20%已經(jīng)影響載體的介孔結(jié)構(gòu),繼續(xù)增加負(fù)載量,將破壞SBA-15的介孔結(jié)構(gòu),導(dǎo)致脫硫率降低,故負(fù)載量為25%的A4脫硫效果下降。A3的脫硫效果好于B1,兩者的TiO2負(fù)載量同為20%,但A3比表面積較大,TiO2的分散度較好,暴露的活性位點(diǎn)較多,與硫化物的結(jié)合率較高,所以脫硫效果較好。
2.2.2 焙燒溫度對脫硫率的影響 A3為吸附劑,吸附時間4 h,吸附溫度140℃,劑油比1∶40,考察焙燒溫度對脫硫率的影響,結(jié)果見圖7。
圖7 焙燒溫度對脫硫率的影響Fig.7 Effect of calcination temperature on rate of desulfurization
由圖7可知,隨著焙燒溫度的增加,脫硫率先增大后減小,在500℃達(dá)到最大值。這是由于當(dāng)焙燒溫度較低時,鈦酸四丁酯未能完全分解,造成吸附活性位點(diǎn)少,分子篩孔道堵塞,脫硫率較低;500℃時,鈦酸四丁酯分解,生成銳鈦型TiO2,吸附脫硫率達(dá)到最高;當(dāng)焙燒溫度為600℃時,TiO2晶型開始從銳鈦型轉(zhuǎn)變成金紅石型[12],不利于吸附,所以脫硫率下降。
將失活的吸附劑在500℃焙燒4 h,冷卻至室溫。在吸附時間4 h,吸附溫度140℃,劑油比1∶40條件下進(jìn)行吸附,考察吸附劑的再生次數(shù)對脫硫率的影響,結(jié)果見圖8。
圖8 吸附劑的再生性能Fig.8 Regeneration of the absorbent
由圖8可知,經(jīng)3次再生后,原料汽油的脫硫率及樣品的硫容量略有下降。原因是部分活性組分是通過較弱的物理吸附作用與載體的結(jié)合,這部分活性組分易脫落。同時經(jīng)高溫焙燒,被吸附的硫化物燃燒氣化,使吸附劑得到再生。
(1)通過浸漬法制備出的TiO2-SBA-15好于等體積浸漬法,TiO2-SBA-15是理想的脫硫吸附劑。
(2)過量浸漬法制備TiO2-SBA-15吸附劑的最佳制備條件是:焙燒溫度為500℃,TiO2負(fù)載量為20%。
(3)經(jīng)3次再生的吸附劑的脫硫效果仍較好,脫硫率達(dá)35%左右,吸附劑具有較好的穩(wěn)定性。
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