桑 宇 ,繆 平 ,邢愛華 *,張妮妮 ,袁德林 ,孫 琦 ,吳玉龍
(1.北京低碳清潔能源研究所,北京 102209;2.北京石油化工學(xué)院,北京 102617;3.清華大學(xué),北京 100084)
丙烯、丁烯等低碳烯烴是重要的化工原料,目前主要通過石腦油裂解和煉油廠的副產(chǎn)物得到[1]。石油資源的需求量增長與其資源量儲量減少的矛盾突顯。在我國以相對豐富的煤炭資源制備低碳烯烴以及在煤制烯烴技術(shù)領(lǐng)域取得的突破是緩解石油路線生產(chǎn)烯烴資源短缺的有效途徑。甲醇為原料制烯烴,目前工業(yè)化了的技術(shù)路線主要有MTO工藝(主要生產(chǎn)乙烯和丙烯)和MTP工藝(主要生產(chǎn)丙烯)[2-4]。
ZSM-5分子篩特殊孔道結(jié)構(gòu) (0.53×0.56nm的10元環(huán)直孔道及0.51×0.55nm的10元環(huán)Zigzag形孔道)和適宜的酸性能,使其在MTP過程中展現(xiàn)出高的催化活性、產(chǎn)品選擇性及較好的穩(wěn)定性[5]。以ZSM-5分子篩為催化劑在MTP反應(yīng)中,存在雙循環(huán)反應(yīng)機理:烯烴循環(huán),烯烴進行甲基化/裂解反應(yīng),丙烯和丁烯主要是按照該路徑生成;芳香烴循環(huán),乙烯和芳烴是按照此路徑生成。芳烴路線易導(dǎo)致催化劑失活[6]。因此,有效抑制芳香烴循環(huán)進行可延長催化劑壽命,提高丙烯與丁烯選擇性。ZSM-5分子篩的酸分布不均、較多的強酸性位點等因素都導(dǎo)致ZSM-5分子篩在催化劑甲醇轉(zhuǎn)化反應(yīng)時芳烴循環(huán)比例增加,導(dǎo)致積炭速度加快,降低烯烴選擇性,催化劑壽命縮短[7]。因此,適宜的酸強度與酸分布可獲得較好的催化性能。
ZSM-5分子篩酸性能與骨架四配位Al的數(shù)量、表面和體相分布及在直孔道、正弦孔道或是交叉孔道的落位、水熱環(huán)境下使用時骨架Al脫除等因素有關(guān)。通過分子篩合成直接調(diào)節(jié)酸性、后處理改性,對催化劑酸性進行調(diào)節(jié),從而改善催化性能[8,9]。直接調(diào)節(jié)法包含調(diào)變硅鋁比、改變硅源及鋁源種類、改變模板劑類型、制備過程中是否加入鈉離子、制備過程中直接引入雜原子、或是異晶導(dǎo)向法引入稀土離子(通過采用含稀土的Y分子篩異晶導(dǎo)向作用,引入 Re3+、La3+和 Ce4+);后處理調(diào)節(jié)包含焙燒,水熱處理,化學(xué)處理,向分子篩中引入雜原子,晶體外表面外延生長,化學(xué)硅沉積,外表面毒化,選擇性外表面化學(xué)脫鋁[10]。采用P元素對ZSM-5分子篩進行改性時,含磷物種通過多種形式與骨架Al相互作用:減少B酸性位點;抑制脫Al、提高骨架Al的水熱穩(wěn)定性[11]。 采用 Ca,Mg 元素改性時,Ca,Mg 主要是通過選擇性毒化強酸性位點來調(diào)節(jié)酸性能;此外,Ca2+,Mg2+形成的水合離子作為平衡骨架負電荷的陽離子出現(xiàn)在骨架Al周圍,可抑制脫鋁,提高骨架Al的水熱穩(wěn)定性[6,12]。Long等[12]通過等體積浸漬法制備了負載MgO質(zhì)量分數(shù)為0.61%~8.16%的ZSM-5分子篩,發(fā)現(xiàn)負載MgO質(zhì)量分數(shù)為0.61%時,強酸性位顯著減少;隨負載量增加,強酸性位點量持續(xù)減少。當負載MgO質(zhì)量分數(shù)達到1.41%~2.92%時,弱酸性位點量達到最大。此外,無論MgO負載量為多少,弱酸與強酸位的強度幾乎不變。在蒸氣重整二甲醚制H2的反應(yīng)中,最佳的Mg改性催化劑,具有93%的H2產(chǎn)率,產(chǎn)生碳氫化合物的副反應(yīng)被明顯抑制。因此,通過改變MgO的負載量可有效地調(diào)節(jié)酸性能,使其適應(yīng)不同催化反應(yīng)的需要。
本文采用低溫水熱晶化法,制備了納米ZSM-5分子篩團聚體,并改變MgO量,對其進行改性,考察了不同MgO量對ZSM-5分子篩結(jié)構(gòu)、酸性能的影響,并考察了物化性能變化對其催化甲醇轉(zhuǎn)化制丙烯與丁烯(MTPB)反應(yīng)的影響。
將質(zhì)量分數(shù)為25%的TPAOH水溶液,氫氧化鈉,鋁酸鈉,30%硅溶膠和水按一定順序混合,攪拌24h形成凝膠,凝膠中各物質(zhì)的物質(zhì)的量比為:100SiO2:Al2O3:10TPAOH:3.8Na2O:1350H2O。 將 老 化24h后的凝膠轉(zhuǎn)移到水熱晶化釜中,在125℃及自身壓力下動態(tài)晶化72h。晶化完成后,將固體產(chǎn)物進行抽濾洗滌,干燥,在空氣氣氛下以5℃/min升溫至300℃焙燒4h,再以5℃/min繼續(xù)升溫至550℃焙燒8h,得到鈉型納米ZSM-5分子篩團聚體。采用0.5M的硝酸銨溶液在80℃下3次離子交換,80℃干燥12h,在空氣氣氛下400℃焙燒10h,得到氫型納米ZSM-5分子篩團聚體。樣品在530℃下、100%水蒸汽氣氛下水熱處理17h。樣品命名為ZSM-5。
將不同量的溶解在10mL水中,將5g氫型納米ZSM-5分子篩團聚體加入到上述溶液,混合物在80℃攪拌2h。 滴加NH3·H2O,調(diào)節(jié)pH值到9。MgO改性后的樣品在80℃下干燥12h,空氣氣氛下以5℃/min的速率升溫至300℃并保持4h,再以5℃/min的速率升溫至550℃,焙燒8h。焙燒后的樣品在530℃下、100%水蒸汽氣氛下水熱處理17h。Mg與Al的物質(zhì)的量比分別為0.05,0.1和0.2,樣品分別命名為5%Mg/Al-ZSM-5,10%Mg/Al-ZSM-5和20%Mg/Al-ZSM-5。
XRD測試在Bruker公司D8 ADVANCE型X射線衍射儀上進行,Cu Kα射線,工作電壓為40kV,工作電流為40mA。
SEM測試在FEI公司Nova NanoSEM 450型掃描電鏡儀上進行。
XRF測試在Rigaku公司ZSX PrimusⅡ型X射線熒光儀上進行。
N2物理吸附測試在Micromeritics公司3-FLEX型物理吸附儀上進行。樣品在300℃及真空下處理3h。在相對壓力為0.007~0.02的范圍內(nèi)使用BET模型計算得到總比表面積(Stotal),使用t-plot方法計算得到微孔體積(Vmicro)和外比表面積(Sexter),采用相對壓力為0.99的單點脫附孔體積得到總孔體積(Vtotal),微孔比表面積(Smicro)通過總比表面積減去外比表面積得到,介孔體積(Vmeso)通過總孔體積減去微孔體積得到,使用NLDFT模型計算得到孔徑分布(D)。
NH3-TPD測試在Micromeritics公司AutoChemⅡ2920/AutoChem HP 2950型化學(xué)吸附儀上進行。0.2g樣品在He氣氛中550℃下熱處理0.5h,然后,降溫到100℃,隨后,通入φ(NH3)為10%的 NH3-He混合氣,樣品進行80min的NH3吸附,再用He吹掃20min以去除物理吸附的NH3,最后,在He氣氛中以10℃/min速率從100℃升溫到600℃進行程序升溫NH3脫附。
吡啶吸附的傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜測試在Bruker公司的VERTEX 70型傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀及廈門拓斯儀器裝備開發(fā)有限公司的高真空測試系統(tǒng)上進行。首先,樣品在500℃下熱處理0.5h。之后,降到室溫,吡啶吸附1h,隨后,抽真空0.5h。最后,樣品在真空環(huán)境下分別在100℃、200℃和350℃保持0.5h,圖譜在每個溫度點都被采集。
采用固定床反應(yīng)器進行MTPB反應(yīng),焙燒活化后的分子篩經(jīng)壓片、篩分為20~40目樣品,1g分子篩與5g、20~40目的石英砂均勻混合后裝入反應(yīng)器中。反應(yīng)原料為質(zhì)量分數(shù)80%的甲醇,反應(yīng)壓力為常壓,反應(yīng)溫度為480℃,甲醇質(zhì)量空速為3h-1。
樣品在150mL/min的N2氣氛中加熱到480℃并穩(wěn)定0.5h,通入甲醇原料。反應(yīng)產(chǎn)物由Agilent公司7890A型氣相色譜進行分析,色譜柱分別為HPPLOT Al2O3/KCl柱 (50m×0.53mm×15μm) 以分離C1-C6碳氫化合物,HP-PLOT Q 柱 (30m×320μm×20μm)以分離醇類和醚類,6'×1/8"Hayesep Q 柱和10'×1/8"13X 分子篩柱以分離 CO,CO2,H2,N2等永久性氣體,檢測器分別為2臺FID檢測器和1臺TCD檢測器。
圖1 不同MgO量改性的納米ZSM-5分子篩團聚體XRD圖譜
從XRD圖中可以看出,未改性的ZSM-5分別在 7.9o,8.9o,23.1o,23.3o和 23.9o處有五個最強的特征峰,與JCPDS卡No.44-0003相對應(yīng),表明生成了MFI結(jié)構(gòu)的ZSM-5。不同MgO量改性后的樣品,ZSM-5特征峰的強度依然很高,表明ZSM-5的骨架結(jié)構(gòu)被很好地保留。所有改性的樣品,沒有MgO的特征峰(42.5o)出現(xiàn),也沒有MgAl2O4等混合氧化物的特征峰存在[12]。毋庸置疑,在550℃的焙燒溫度下,鎂物種會以MgO的形式存在[13,14]。Mg用量占分子篩中Al原子的5%~20%之間時,MgO高度分散在ZSM-5分子篩中。
圖2 納米ZSM-5分子篩團聚體SEM圖
從SEM圖(圖2)中可以看出,ZSM-5顆粒形貌呈現(xiàn)為類球形,是由平均晶粒尺寸約為90nm的小晶粒堆積成的大顆粒,大顆粒尺寸不均勻,平均尺寸約為1.3μm。由于MgO改性量較少,不會影響ZSM-5顆粒的形貌及尺寸特征。
表1 不同MgO量改性樣品SiO2/Al2O3物質(zhì)的量比及MgO含量(XRF)
采用XRF對Mg改性前后的分子篩進行元素組成分析,結(jié)果如表所示。Mg改性后分子篩的n(SiO2)/n(Al2O3)略有增加,這可能是由于鎂改性的過程中加入Mg(NO3)2溶液后產(chǎn)生酸性環(huán)境使分子篩發(fā)生輕微脫鋁所致。不同鎂量改性的樣品 (5%Mg/Al-ZSM-5,10%Mg/Al-ZSM-5 和 20%Mg/Al-ZSM-5),w(MgO)分別為0.065%,0.093%和0.201%,比相應(yīng)的設(shè)計值0.066%,0.132%和0.263%都有所減少,且隨著鎂改性量的增加,測量值與設(shè)計值差距越大。此外,n(Mg)/n(Al)分別為 0.05,0.07 和 0.14,比相應(yīng)的設(shè)計值0.05,0.10和0.20隨著鎂改性量的增加差距增加。這可能是由于隨著改性的鎂量增加,未進入分子篩微孔孔道、介孔孔道的鎂量增加,可能與分子篩沒有任何作用的游離Mg2+與氨水作用,生成氫氧化鎂,焙燒后形成獨立于分子篩的MgO,由于其量較低,XRD檢測不到MgO的特征峰。
表2 不同MgO量改性ZSM-5分子篩樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)
從表2給出的結(jié)構(gòu)參數(shù)可知,在n(Mg)/n(Al)分別為0.05,0.1和0.2的范圍內(nèi),鎂改性樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化不大,SBET從435.5m2/g減小至424.1m2/g,Vtotal從 0.252cm3/g 增加至 0.256cm3/g;Smicro從365.5m2/g減小至 341.7m2/g,Vmicro從 0.137cm3/g減少至0.130cm3/g,這可能是由于隨著Mg(NO3)2溶液濃度的增加,進入分子篩微孔孔道中的Mg2+幾率增加,Mg2+形成水合離子在微孔占據(jù)的孔體積比H+的水合離子大,導(dǎo)致微孔體積和表面積下降;Smeso從70.0m2/g增加至86.5m2/g,Vmeso從 0.115cm3/g增加至0.126cm3/g,這可能是由于隨著Mg(NO3)2溶液濃度的增加,進入ZSM-5分子篩顆粒中由90nm晶粒堆積形成的介孔的鎂物種增加,焙燒后生成MgO物種導(dǎo)致介孔孔體積和表面積降低。
圖3 不同MgO量改性的納米ZSM-5分子篩團聚體NH3-TPD圖
未改性及不同鎂量改性ZSM-5分子篩的酸性表征結(jié)果如圖3所示。所有樣品都具有兩個NH3脫附峰,其中158~167℃的低溫峰對應(yīng)的是從弱酸性位點脫附的NH3,312~354℃的高溫峰對應(yīng)的是從強酸性位點脫附的NH3[15]。除5%Mg/Al-ZSM-5的弱酸和強酸中心的強度有所降低外,10%Mg/Al-ZSM-5和20%Mg/Al-ZSM-5的弱酸中心和強酸中心強度與未改性分子篩接近。
表3 不同MgO量改性樣品NH3-TPD酸性
從表3可知,未改性ZSM-5的弱酸及強酸比例都接近50%。鎂改性后,隨著鎂量增加弱酸性位點所占比例增加,而強酸性位點所占比例減少。這與之前的一些關(guān)于MgO改性ZSM-5分子篩是減少其強酸性位點的有效方法相一致[16,17]。鎂改性樣品中弱酸性位點的增加是由于Mg2+取代硅鋁橋羥基中的H+形成Mg(OH)+的L酸性位點造成的[18]。
在不同溫度下,隨改性鎂用量的變化,分子篩的B酸和L酸量變化規(guī)律如圖4所示,其中,1540cm-1左右的特征峰歸屬于吡啶與B酸性位點作用形成的峰,1450cm-1左右的特征峰歸屬于吡啶與L酸性位點作用形成的峰[19]。100℃時所得的酸量分別是總B酸量及總L酸量,200℃時所得的酸量分別是中強和強B酸量及中強和強L酸量,350℃時所得的酸量分別是強B酸量及強L酸量。
鎂改性后ZSM-5分子篩的弱、中等、強L酸量均增加。20%Mg/Al-ZSM-5的弱L酸和強L酸增加最多,且其總L酸量最多。對于中等強度L酸性位增加最多的是10%Mg/Al-ZSM-5。與未改性ZSM-5相比,10%Mg/Al-ZSM-5的總B酸量略有增加,5%Mg/Al-ZSM-5和20%Mg/Al-ZSM-5的總B酸均降低。5%Mg/Al-ZSM-5和10%Mg/Al-ZSM-5的弱B酸和中等B酸位比未改性分子篩略有增加,但強B酸位均少于未改性樣品。
圖4 不同MgO量改性的納米ZSM-5分子篩團聚體在(A)100℃,(B)200℃和(C)350℃下的吡啶紅外圖
圖5 甲醇轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時間的變化規(guī)律
甲醇轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時間的變化規(guī)律如圖5所示。從圖中可以看出,所有樣品的初始甲醇轉(zhuǎn)化率都為100%,隨著反應(yīng)的進行甲醇轉(zhuǎn)化率呈下降趨勢。未改性的ZSM-5分子篩具有最長的壽命,轉(zhuǎn)化率為99%以上的時間為160h;對于鎂改性的樣品,隨著鎂量的增加,壽命先增加后減少,5%Mg/Al-ZSM-5、10%Mg/Al-ZSM-5和 20%Mg/Al-ZSM-5的壽命分別為67h,96h和55h。
圖6 壽命與中等強度以上酸性的對應(yīng)關(guān)系
壽命與200℃吡啶脫附定量的中等以上強度的B酸、B/L酸性關(guān)系如圖6所示。圖中結(jié)果表明,與未改性樣品相比,除10%Mg/Al-ZSM-5中等以上強度B酸性位增加外,其余兩個樣品的B酸性均有降低。對MgO改性的樣品而言,與5%Mg/Al-ZSM-5與20%Mg/Al-ZSM-5相比,10%Mg/Al-ZSM-5的B酸位最多,故其壽命最長。
與未改性樣品相比,盡管10%Mg/Al-ZSM-5的B酸中心高于前者,但其壽命不如前者長。圖6中的結(jié)果表明,影響分子篩壽命的除了B酸性位的多少外,L酸中心也發(fā)揮著作用。當B酸活性位數(shù)量接近時,中等強度以上L酸量越少的分子篩壽命越長,即B/L值越高,分子篩壽命越長。
圖7 丙烯與丁烯總選擇性隨反應(yīng)時間的變化規(guī)律
丙烯與丁烯總選擇性隨反應(yīng)時間的變化規(guī)律如圖7所示。從圖中可以看出,10%Mg/Al-ZSM-5在轉(zhuǎn)化率為99%以上的時間里都具有最高的丙烯與丁烯總選擇性。在反應(yīng)進行50h之前,5%Mg/Al-ZSM-5與ZSM-5的丙烯與丁烯總選擇性接近,但前者在50h以后逐漸降低,而未改性分子篩的產(chǎn)品選擇性在相當長的時間內(nèi)維持穩(wěn)定。20%Mg/Al-ZSM-5的丙烯與丁烯總選擇性隨時間延長快速降低。
圖8 反應(yīng)進行48h時的丙烯與丁烯總選擇性與中等強度以上酸性的對應(yīng)關(guān)系
反應(yīng)進行48h時,所有樣品的轉(zhuǎn)化率都在99%以上,且48h以前丙烯與丁烯總選擇性相對平穩(wěn),所以選48h的丙烯與丁烯總選擇性與中等強度以上酸性進行關(guān)聯(lián)。反應(yīng)進行48h時,丙烯與丁烯總選擇性與200℃吡啶脫附定量的中等強度以上B酸量和B/L的對應(yīng)關(guān)系如圖8所示。從圖中可以看出,隨中強和強B酸量增加,丙烯與丁烯總選擇性增加。圖8中的結(jié)果表明,隨著B/L值增加,產(chǎn)品選擇性逐漸增加,這是由于其B酸活性中心也同時增加所致;B酸中心進一步增加,B/L值降低,丙烯、丁烯選擇性之和進一步增加,結(jié)合圖4(B)和(C)可知,提高中等強度B酸中心數(shù)量有利于提高目標產(chǎn)品選擇性。
圖9 丙烷選擇性隨反應(yīng)時間的變化規(guī)律
丙烷選擇性隨反應(yīng)時間的變化規(guī)律如圖9所示。從圖中可以看出,鎂改性后,樣品的丙烷選擇性減少,隨著鎂量的增加,丙烷選擇性先增加后減少,20%Mg/Al-ZSM-5的丙烷選擇性最低。
表4 在200℃脫附溫度下不同MgO量改性樣品吡啶紅外酸性
從表4中可以看出,鎂改性后,L酸量增加。隨著分子篩的B/L值增加,丙烷選擇性提高。B酸量增加,且B/L值越高,越易于丙烯發(fā)生氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成丙烷。
圖10 甲烷選擇性隨反應(yīng)時間的變化規(guī)律
甲烷選擇性隨反應(yīng)時間的變化規(guī)律如圖10所示。從圖中可以看出,鎂改性后,樣品的甲烷選擇性增加,甲烷選擇性順序為20%Mg/Al-ZSM-5>5%Mg/Al-ZSM-5>10%Mg/Al-ZSM-5>ZSM-5。 甲烷通過以下三種途徑逐漸生成:一是表面甲氧基與甲醇或二甲醚的反應(yīng),二是甲醇的甲烷化反應(yīng),三是某些芳烴的脫甲基反應(yīng)[20]。隨著反應(yīng)的進行,催化劑積炭量逐漸增加,芳烴脫甲烷反應(yīng)趨勢增強。
圖11 乙烷選擇性隨反應(yīng)時間的變化規(guī)律
乙烷選擇性隨反應(yīng)時間的變化規(guī)律如圖11所示。從圖中可以看出,鎂改性后,樣品的乙烷選擇性增加,乙烷選擇性順序為20%Mg/Al-ZSM-5>5%Mg/Al-ZSM-5>10%Mg/Al-ZSM-5>ZSM-5。 乙烷主要是通過稠環(huán)芳香烴等積炭前驅(qū)體側(cè)鏈斷裂生成[20],稠環(huán)芳烴物種增加會使乙烷選擇性提高。
圖12 氫氣選擇性隨反應(yīng)時間的變化規(guī)律
氫氣選擇性隨反應(yīng)時間的變化規(guī)律如圖12所示。從圖中可以看出,鎂改性后,樣品的氫氣選擇性增加,氫氣選擇性順序為20%Mg/Al-ZSM-5>5%Mg/Al-ZSM-5>10%Mg/Al-ZSM-5>ZSM-5。 氫氣主要來源于芳構(gòu)化反應(yīng),芳構(gòu)化反應(yīng)增加有利于氫氣選擇性提高。
表5 改性前后分子篩的B酸和L酸量(吡啶紅外表征結(jié)果)
從表5中可以看出,吡啶脫附溫度為200~350℃對應(yīng)的是中等強度酸中心,L/B值越大,甲烷,乙烷及氫氣的選擇性越高。吡啶脫附溫度為350℃對應(yīng)的是強酸中心,L/B越大,甲烷,乙烷及氫氣的選擇性越高。表明中等強度以上的L酸越多,越有利于脫氫芳構(gòu)化、甲醇或二甲醚熱裂解、芳烴側(cè)鏈斷裂生成甲烷,乙烷等反應(yīng)。
制備了一系列不同鎂量改性的納米ZSM-5分子篩團聚體,探討了其對結(jié)構(gòu),酸性能與MTPB催化性能的影響,得到以下結(jié)論:
(1)在產(chǎn)品中體相n(Mg)/n(Al)為 0.05~0.14的鎂改性量范圍內(nèi),MgO高度分散在晶型結(jié)構(gòu)較好的由90nm的小晶粒堆積成的平均尺寸約為1.3μm大顆粒的ZSM-5中。
(2)未改性的ZSM-5,弱酸及強酸所占的比例都接近50%。鎂改性后,弱酸性位點所占比例增加,而強酸性位點所占比例減少。與未改性ZSM-5相比,鎂改性使各個強度的L酸量都有所增加,5%Mg/Al-ZSM-5和10%Mg/Al-ZSM-5的弱B酸和中等強度B酸有所增加,三個Mg改性樣品的強B酸量均有所下降。
(3)未改性ZSM-5分子篩同時具有較多中等以上強度B酸位及高B/L特性,其壽命最長;10%Mg/Al-ZSM-5的中等強度B酸中心數(shù)量最多,丙烯和丁烯選擇性之和最高;中等強度以上L/B酸增加,導(dǎo)致甲烷,乙烷及氫氣的選擇性增加。
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