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        載體焙燒溫度對Ni/Al2O3催化劑辛烯醛加氫性能的影響

        2021-11-03 08:18:34?;劢?/span>魯樹亮王國清
        石油化工 2021年10期
        關(guān)鍵詞:晶相分散度辛烯

        牛慧江,魯樹亮,王國清

        (中國石化 北京化工研究院,北京 100013)

        現(xiàn)代石油化學(xué)工業(yè)中90%以上的化學(xué)反應(yīng)需要通過催化劑來實(shí)現(xiàn),其中,應(yīng)用最廣泛的催化劑或催化劑載體是Al2O3[1]。Al2O3具有多孔性、高分散性、比表面積大等優(yōu)點(diǎn),在加氫精制、加氫裂化、催化重整制芳烴、催化燃燒、乙烯環(huán)氧化和汽車尾氣控制等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。Al2O3存在多種晶相,可以通過對Al2O3進(jìn)行不同溫度的焙燒實(shí)現(xiàn)晶相的改變,不同晶相Al2O3的性質(zhì)也有很大差別,主要表現(xiàn)在化學(xué)成分、純度、結(jié)構(gòu)、形態(tài)等方面[3-4]。還可以通過摻雜La,Ce,B,Si等金屬元素或非金屬元素[5-7]、酸改性[8]、水熱改性[9]等方法來改善Al2O3的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,以適應(yīng)不同反應(yīng)的要求。

        Al2O3載體可以通過浸漬法、沉淀法、水熱法、溶膠凝膠法、離子交換法等方法來負(fù)載多種金屬活性組分,包括Pd,Pt,Rh,Ru等貴金屬和Fe,Ni,Co,Mo,Zr,V 等非貴金屬及其氧化物[10-15]。在辛烯醛液相加氫反應(yīng)中,不同金屬活性組分的催化活性順序?yàn)椋篘i>Co>Ru>Cu>Pd>Rh>Fe[16]。此外,催化劑的活性還受Al2O3載體的成型方法、焙燒氣氛、捏合條件等因素的影響[17-19]。2-乙基-己烯醛,即辛烯醛,是一種α,β不飽和醛,分子中含有C=C雙鍵和C=O雙鍵,可與氫氣發(fā)生反應(yīng)。根據(jù)加氫選擇性的不同,反應(yīng)可生成辛醛、辛烯醇或辛醇三種物質(zhì)[20]。這三種物質(zhì)都是重要的有機(jī)化工原料,廣泛用于食品、醫(yī)藥、涂料等領(lǐng)域。

        本工作以Ni為活性組分、不同焙燒溫度的Al2O3為載體,制備了Ni/Al2O3催化劑。采用XRD、N2吸脫-脫附、H2-TPR、H2脈沖化學(xué)吸附等方法對載體和催化劑進(jìn)行了表征;在相同Ni負(fù)載量下,考察了載體的焙燒溫度對辛烯醛液相加氫反應(yīng)的影響。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要試劑

        Al2O3:中國石化北京化工研究院自制,SiO2含量1.5%(w);Ni(NO3)2·6H2O:純度98%(w),北京伊諾凱科技有限公司;乙醇:分析純,西隴科學(xué)股份有限公司;2-乙基-己烯醛:純度94%(w),艾覽(上海)化工科技有限公司。

        1.2 催化劑的制備

        載體處理:將Al2O3分別在650,900,1 000,1 100 ℃下焙燒,所得載體記為Al2O3-1,Al2O3-2,Al2O3-3,Al2O3-4。

        催化劑的制備:將Ni(NO3)2·6H2O與去離子水以質(zhì)量比3.5∶1的比例配制Ni(NO3)2溶液,按Ni的負(fù)載量為5%(w)進(jìn)行浸漬,浸漬后在120℃下烘2 h,再在400 ℃下焙燒3 h,最后在400 ℃氫氣氛圍下還原8 h,得到Ni/Al2O3催化劑。

        1.3 催化劑的表征

        采用Philips公司X Pert MPD型X射線粉末衍射儀進(jìn)行XRD表征,CuKα射線,掃描步長0.013 13°,掃描范圍2θ=5°~90°,管電壓40 kV,管電流40 mA。

        采用Micromeritics公司TriStar Ⅱ 3020 Version 2.00型物理吸附儀進(jìn)行N2吸脫-脫附表征,采用BJH法計(jì)算載體的平均孔徑和孔體積,采用BET法來計(jì)算載體的比表面積。

        采用Micromeritics公司AutoChem 2920型化學(xué)吸附儀進(jìn)行H2-TPR表征。催化劑在120 ℃高純氬氣下預(yù)處理30 min,降溫至45 ℃,切換氣體為氫氣體積分?jǐn)?shù)為10%的氫氦混合氣,以10 ℃/min的速率升溫至800 ℃,記錄試樣的程序升溫還原曲線。

        采用Micromeritics公司AutoChem 2920型化學(xué)吸附儀進(jìn)行H2脈沖化學(xué)吸附表征。通入氫氣體積分?jǐn)?shù)為10%的氫氦混合氣,以10 ℃/min的速率升溫至480 ℃,恒溫2 h,對催化劑進(jìn)行還原;切換高純氬氣,持續(xù)2 h,降溫至45 ℃,等待10 min至基線穩(wěn)定,切換氣體為氫氣體積分?jǐn)?shù)為10%的氫氦混合氣進(jìn)行H2脈沖吸附,至脈沖峰保持不變,記錄H2的吸附量并計(jì)算金屬分散度。

        1.4 加氫反應(yīng)

        2-乙基-己烯醛催化加氫反應(yīng)在300 mL高壓反應(yīng)釜(美國Parr公司)中進(jìn)行。在高壓反應(yīng)釜中依次加入5 g催化劑、5 g 2-乙基-己烯醛、95 g乙醇。密封后充放氮?dú)?次置換反應(yīng)釜中的空氣,充放氫氣3次置換反應(yīng)釜中的氮?dú)猓淙霘錃庵?.0 MPa,設(shè)定反應(yīng)溫度為100 ℃,攪拌速率為200 r/min,反應(yīng)5 h,反應(yīng)結(jié)束后降溫、泄壓、取樣。采用Agilent公司7890A型氣相色譜對產(chǎn)物進(jìn)行分析,DB-WAX毛細(xì)管柱(60 m×0.320 mm×0.50 nm),F(xiàn)ID檢測,進(jìn)樣口溫度260 ℃,柱溫200 ℃,檢測器溫度260 ℃,進(jìn)樣分流比30∶1。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 XRD表征結(jié)果

        Al2O3載體的XRD譜圖見圖1。從圖1可看出,Al2O3-1和Al2O3-2的主要衍射峰位于2θ=37.59°,45.84°,67.00°處,是典型的γ-Al2O3。Al2O3-3的主要衍射峰位于 2θ=45.62°,46.48°,66.95°處,主要是δ-Al2O3。Al2O3-4的主要衍射峰位于2θ=32.89°,36.95°,67.28°處,主要為 θ-Al2O3[21]。上述結(jié)果說明,載體在650~1 100 ℃下焙燒后晶相從 γ-Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)?θ-Al2O3。與文獻(xiàn)[21]中的氧化鋁相比,該載體具有更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性,可能是因?yàn)檩d體中添加了 SiO2[22]。

        圖1 Al2O3載體的 XRD 譜圖Fig.1 XRD patterns of Al2O3 supports.

        2.2 N2吸脫-附表征結(jié)果

        Al2O3載體的N2吸附-脫附等溫線和孔徑分布見圖2。從圖2可看出,4種載體的等溫線均為Ⅳ型,且等溫線上有明顯的回滯環(huán),回滯環(huán)的類型為H4型,當(dāng)相對壓力接近1.0時未出現(xiàn)明顯的飽和吸附平臺,表明載體存在明顯的介孔結(jié)構(gòu),且孔結(jié)構(gòu)不規(guī)整[23-25]。從載體的孔徑分布來看,Al2O3-1的孔徑分布范圍為2~150 nm,最可幾孔徑約為28 nm;Al2O3-2的孔徑分布范圍為2~135 nm,最可幾孔徑約為42 nm;Al2O3-3的孔徑分布范圍為2~135 nm,最可幾孔徑約為68 nm;Al2O3-4的孔徑分布范圍為2~134 nm,最可幾孔徑約為85 nm。

        圖2 Al2O3載體的N2吸附-脫附等溫線和孔徑分布Fig.2 N2 adsorption-desorption isotherms and pore size distributions of Al2O3 supports.

        載體的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。從表1可看出,隨著焙燒溫度的升高,載體的平均孔徑增大,比表面積和孔體積減小,這可能是由于焙燒溫度的升高導(dǎo)致部分微孔和介孔融合,大孔數(shù)量增多,最可幾孔徑變大,但孔的總數(shù)量減少,孔體積和比表面積降低。

        表1 載體的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Pore structure parameters of supports

        2.3 H2脈沖化學(xué)吸附表征結(jié)果

        催化劑的H2脈沖化學(xué)吸附結(jié)果見表2。從表2可看出,隨著載體焙燒溫度的升高,H2的吸附量和金屬分散度先增大后減小,在1 000 ℃時達(dá)到最大值。載體焙燒溫度為650 ℃和900 ℃時,載體的最可幾孔徑較小,微孔和介孔多、大孔少,在負(fù)載Ni的過程中可能會造成孔結(jié)構(gòu)的堵塞,導(dǎo)致H2與金屬的接觸面積很小,吸附量偏低、金屬分散度偏小。當(dāng)載體的焙燒溫度大于等于1 000 ℃時,載體的最可幾孔徑變大,大孔增多,5%(w)的負(fù)載量不足以造成孔結(jié)構(gòu)的堵塞,H2的吸附量大幅提升,金屬分散度也隨之變大。當(dāng)焙燒溫度從1 000 ℃升至1 100 ℃后,載體的比表面積降低,H2的吸附量和金屬分散度小幅降低。

        表2 催化劑的H2脈沖吸附結(jié)果Table 2 H2 adsorption results of the catalysts

        2.4 H2-TPR表征結(jié)果

        催化劑的H2-TPR曲線見圖3。從圖3可看出,催化劑的還原峰集中在350~650 ℃之間,Ni/Al2O3-1,Ni/Al2O3-2,Ni/Al2O3-3,Ni/Al2O3-4還原峰的頂點(diǎn)溫度分別為554,537,506,517 ℃。Ni/Al2O3-3的頂點(diǎn)還原溫度最低,相對較易被還原,與金屬分散度的表征結(jié)果基本吻合。

        圖3 催化劑的H2-TPR曲線Fig.3 H2-TPR curves of the catalysts.

        2.5 催化加氫反應(yīng)結(jié)果

        在反應(yīng)溫度100 ℃、反應(yīng)初始壓力3.0 MPa、反應(yīng)時間5 h的條件下,對催化劑進(jìn)行評價,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可看出,Ni/Al2O3催化劑的活性隨焙燒溫度的升高先增大后略下降,2-乙基-己烯醛的轉(zhuǎn)化率逐漸增大,在焙燒溫度大于等于1 000 ℃時,轉(zhuǎn)化率可達(dá)100%,催化劑催化辛烯醛加氫的活性大小順序?yàn)椋篘i/Al2O3-3> Ni/Al2O3-4> Ni/Al2O3-2>Ni/Al2O3-1。

        表3 催化劑的催化性能Table 3 Catalytic performance of the catalysts

        從表征結(jié)果可知,Ni/Al2O3-2和Ni/Al2O3-1催化劑的載體均為γ- Al2O3,催化劑的H2吸附量也基本相同。但在辛烯醛液相加氫反應(yīng)中,Ni/Al2O3-2的活性高于Ni/Al2O3-1,這是因?yàn)锳l2O3-2的孔徑大于Al2O3-1,在反應(yīng)過程中,Ni/Al2O3-2的傳質(zhì)好于Ni/Al2O3-1,使反應(yīng)活性增強(qiáng)。Ni/Al2O3-3的活性與Ni/Al2O3-2相比,出現(xiàn)了跳躍式提升,這是由兩個因素引起的:一是Al2O3-3載體的孔徑更大,傳質(zhì)效率更高;二是載體在1 000 ℃焙燒后,載體的晶相從γ相轉(zhuǎn)變?yōu)棣南啵d體與Ni金屬的相互作用力減弱,H2吸附能力增強(qiáng),使催化劑的活性出現(xiàn)大幅提升。

        3 結(jié)論

        1)成型的Al2O3載體具有較大的介孔,隨著焙燒溫度的升高,微孔和介孔減少,大孔增多,平均孔徑增大,孔體積和比表面積減小。Ni/Al2O3催化劑在H2吸附量、金屬分散度、還原頂點(diǎn)溫度上有明顯的差異,隨著焙燒溫度的升高,H2吸附量、金屬分散度和還原頂點(diǎn)溫度均先增大后略微減小。

        2)載體焙燒溫度對Ni/Al2O3催化劑的辛烯醛液相加氫性能有顯著的影響,主要原因?yàn)椋狠d體焙燒溫度影響載體的晶相,不同晶相Al2O3與Ni組分的相互作用力不同,從而影響催化劑的活性;載體的焙燒溫度影響催化劑的孔結(jié)構(gòu),隨焙燒溫度的升高,平均孔徑增大,有利于反應(yīng)中傳質(zhì)的進(jìn)行,提高了催化劑的活性。

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