尚蘊(yùn)山,李 民,韋 慧,袁德林,劉 華,劉 意,邢愛華
(1.北京低碳清潔能源研究院,北京 102211;2.神華包頭煤化工有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 包頭 014060)
金屬氧化物-分子篩(OX-ZEO)雙功能催化劑用于催化合成氣(CO+H2)一步法直接制取低碳烯烴(乙烯、丙烯及丁烯)近年來受到了廣泛關(guān)注[1-5]。該技術(shù)路線將傳統(tǒng)的甲醇合成與甲醇制烯烴(MTO)反應(yīng)耦合,從原理上突破了費(fèi)托合成產(chǎn)物服從Anderson-Schulz-Flory(ASF)分布的限制,低碳烯烴選擇性達(dá)到80%以上[6-8],是一條極具發(fā)展前景的低碳烯烴生產(chǎn)技術(shù)路線。
雙功能催化劑上的反應(yīng)過程是一個(gè)串聯(lián)反應(yīng):CO在金屬氧化物活性位上活化,接著加氫生成含氧中間體,然后該中間體進(jìn)入相鄰分子篩的孔道轉(zhuǎn)化生成乙烯、丙烯等目標(biāo)產(chǎn)物[5,9]。金屬氧化物不僅可以促使合成氣形成含氧化合物中間體,同時(shí)也可以催化烯烴等中間體加氫生成烷烴,這使得金屬氧化物與分子篩之間的距離(也稱“緊密程度”)對(duì)CO轉(zhuǎn)化率以及產(chǎn)物選擇性均有顯著的影響[10-13]。CHENG等[9]發(fā)現(xiàn),C2=~C4=選擇性隨著金屬氧化物與分子篩之間“親密性”的增加而逐漸降低。JⅠAO等[14]研究發(fā)現(xiàn),將金屬氧化物與分子篩以20~40 目顆粒均勻混合時(shí),CO轉(zhuǎn)化率約為17%,C2=~C4=選擇性為80%;如果采用上下分層裝填或者多層交替裝填,CO轉(zhuǎn)化率為4%~10%,C2=~C4=選擇性為54%~65%。ZE?EVⅠ?等[15]研究發(fā)現(xiàn),雙功能催化劑活性位點(diǎn)的過度緊密接觸反而不利于烴類的加氫裂化。綜上所述,金屬氧化物與分子篩之間“親密性”越高,對(duì)中間體生成的拉動(dòng)效應(yīng)越強(qiáng),對(duì)CO的轉(zhuǎn)化越有利。目前,大部分關(guān)于“親密性”的研究是通過設(shè)計(jì)不同混合模型以在大范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行調(diào)控,如分層裝填,顆?;旌涎b填等;而小范圍內(nèi)調(diào)控“親密性”,探究其對(duì)反應(yīng)性能的影響鮮見系統(tǒng)性報(bào)道,特別是介觀尺寸粉末混合下金屬氧化物與分子篩“親密性”的研究最為少見。
ZnCr2O4基催化劑是一種常用的低碳醇合成催化劑[2,16]。近年來,由于其在烯烴、芳烴生成反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于CO/CO2加氫直接制烯烴、芳烴等反應(yīng)中[2]。目前,關(guān)于ZnCr2O4在合成氣直接制取低碳烯烴/芳烴方面的研究主要集中在反應(yīng)機(jī)理探索、改性或與不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分子篩組合以及高選擇性獲得不同目標(biāo)產(chǎn)物[1-2]這3方面。FU等[17]研究表明,在ZnCr2O4/ZSM-5催化的合成氣一步法制芳烴反應(yīng)中,CO轉(zhuǎn)化率、芳烴選擇性以及芳烴時(shí)空收率隨著ZnCr2O4的晶粒尺寸的降低而增加。鮮有學(xué)者將ZnCr2O4的沉淀參數(shù)與雙功能催化劑性能進(jìn)行關(guān)聯(lián)。本研究通過調(diào)節(jié)共沉淀法制備ZnCr2O4過程中的沉淀pH,制備不同粒徑、聚集態(tài)的ZnCr2O4,采用XRD、H2-TPR、N2吸/脫附和EDS等表征方式研究沉淀pH對(duì)金屬氧化物粒徑、晶相等物化性質(zhì)以及金屬氧化物與分子篩“親密性”的影響,采用小型固定床微型反應(yīng)器評(píng)價(jià)雙功能催化劑的反應(yīng)性能,研究沉淀pH對(duì)雙功能催化劑上CO轉(zhuǎn)化率、C2=~C4=選擇性的影響規(guī)律。
實(shí) 驗(yàn) 所 用 試 劑Zn(NO3)2?6H2O(分 析 純)、Cr(NO3)3?9H2O(分析純)和(NH4)2CO3(分析純)均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司;擬薄水鋁石(Al2O3,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%,鋁源)購自中鋁山東公司;三乙胺(99.0%,模板劑)和H3PO4(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%,磷源)購自阿拉丁試劑(上海)有限公司;硅溶膠(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%,硅源)購自青島海洋化工廠;石英砂(20~40 目)購自天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司。H2(99.99%)、合成氣(φ(CO) = 45%,φ(H2) = 45%,φ(N2) = 10%)均購自北京氦普公司。
采 用 共 沉 淀 法 制 備ZnCr2O4:0.375 mol Zn(NO3)2·6H2O和 0.500 mol的Cr(NO3)3·9H2O溶于去離子水中,制備成濃度為0.5 mol/L混合溶液M。再稱取1.100 mol的(NH4)2CO3固體分別配制濃度為0.45 mol/L、0.50 mol/L、0.60 mol/L 和 0.63 mol/L 的水溶液(沉淀劑B),將混合溶液M與沉淀劑B通過蠕動(dòng)泵同時(shí)滴加到配有機(jī)械攪拌和pH計(jì)的三口瓶中,水浴保持沉淀溫度在70 °C,通過控制沉淀劑的滴加速度,控制沉淀pH分別為5.5~6.0、6.0~6.5、6.5~7.0 以及 7.5~8.5。滴加完成后,70 °C下繼續(xù)老化3 h;抽濾,濾餅用去離子水洗滌至中性后轉(zhuǎn)移到干燥箱中,90 °C干燥 12 h制得前軀體,根據(jù)沉淀pH的不同,分別命名前軀體為P-5.5、P-6.0、P-6.5和P-7.5。將上述前軀體轉(zhuǎn)移至馬弗爐中,350 °C焙燒4 h制得金屬氧化物,根據(jù)沉淀pH的不同,分別命名金屬氧化物為S-5.5、S-6.0、S-6.5 和S-7.5。
SAPO-34分子篩參考文獻(xiàn)[18]中的方法(水熱法)制備:H3PO4、擬薄水鋁石、硅溶膠和三乙胺(TEA)按照n(Al2O3):n(P2O5):n(SiO2):n(TEA):n(H2O) =1.00:0.95:0.10:3.50:75.00配料。所制備的SAPO-34分子篩在馬弗爐中 650 °C焙燒 5 h,制得H-SAPO-34分子篩。
雙功能催化劑制備方法:將H-SAPO-34分子篩粉末與ZnCr2O4粉末按照質(zhì)量比1:1在研缽中充分研磨混合均勻,壓片、破碎,篩分20~40 目顆粒,制得雙功能催化劑,根據(jù)復(fù)配的金屬氧化物不同,命名為BS-x,如與S-5.5制備的雙功能催化劑為BS-5.5。
X射線粉末衍射(XRD)表征在Bruker D8 Advance型衍射儀上進(jìn)行。測試條件:X射線輻射源為Cu Kα(γ= 0.154184 nm),管電壓 40 kV,管電流 40 mA,采集步長為 4 (°)/min,采集范圍為 5°~90°。
SEM測試在美國FEⅠ公司Nova Nano SEM 450型掃描電鏡儀上進(jìn)行。掃描電壓3 kV。同時(shí)使用Super Oxford X-Max 100 TLE分析系統(tǒng)記錄EDS光譜,掃描電壓 20 kV。
H2程序升溫還原(H2-TPR)實(shí)驗(yàn)在AutoChem HP 2950 型吸附儀儀上進(jìn)行。將 100 mg樣品裝入U(xiǎn)型石英管中,在 150 °C下用N2吹掃 90 min,然后冷卻至 50 °C,加上冷阱,轉(zhuǎn)換氣路為 5%H2/Ar(25 mL/min),穩(wěn)定后,開始還原,以 10 °C/min由 50 °C加熱到 800 °C,記錄TCD信號(hào)。
N2吸/脫附在美國麥克儀器公司ASAP2460型物理吸附儀上進(jìn)行測試。測試前樣品在300 °C真空下處理3 h,采用BET模型計(jì)算得到總比表面積。采用t-plot方法,計(jì)算相對(duì)壓力為0.99的單點(diǎn)脫附孔體積得到總孔體積,孔徑分布使用BJH模型。
采用小型固定床微型反應(yīng)器(?12 mm × 20 mm)進(jìn)行合成氣一步法制烯烴反應(yīng)評(píng)價(jià)。將1.0 g雙功能催化劑(20~40 目,2.0 g石英砂稀釋)裝入內(nèi)徑為8 mm的石英管中,置于反應(yīng)管中,上端使用耐高溫“O”型圈密封。首先將雙功能催化劑進(jìn)行預(yù)處理(400 °C,99.99%H2還原 8 h,流速 15 mL/min),預(yù)處理結(jié)束后,保持溫度不變,氣切換為合成氣,使用前經(jīng)過活性炭(粒徑5 mm)的凈化罐脫除氣體中羰基鐵、羰基鎳等雜質(zhì),待系統(tǒng)壓力升至2 MPa,記錄反應(yīng)開始時(shí)間點(diǎn)。
反應(yīng)尾氣管線-自動(dòng)切換閥-氣相色譜之間的所有管線均配有電加熱伴熱,保證所有組分以氣態(tài)的形式進(jìn)入色譜,伴熱帶溫度為160 °C。采用安捷倫7890B氣相色譜進(jìn)行全組分在線分析,烴類經(jīng)HP-PLOT Q(50.00 m × 0.53 mm)毛細(xì)管色譜柱進(jìn)行分離,F(xiàn)ⅠD檢測器檢測;CO、CO2和N2經(jīng)過q柱和 5A分子篩柱串聯(lián)進(jìn)行分離,TCD檢測器檢測。所有尾氣產(chǎn)物均采用外標(biāo)法測量,產(chǎn)物分析根據(jù)下列公式進(jìn)行[17]:
式中,XCO為CO轉(zhuǎn)化率,%;xCO,in和xCO,out分別為進(jìn)口和出口CO物質(zhì)的量分?jǐn)?shù),%。
式中,Si為各產(chǎn)物的選擇性,%;ai是烴類分子的碳原子數(shù);xi,out是烴類分子在色譜中物質(zhì)的量分?jǐn)?shù),%。
圖1為不同沉淀pH共沉淀法制備的前軀體(圖1(a))和金屬氧化物(圖1(b))的XRD譜圖。
圖1 不同沉淀pH下制備的前軀體(a)和金屬氧化物(b)的XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of precursors (a) and metal oxides (b) prepared at different precipitation pH
不同沉淀pH下制備的前軀體為類水滑石衍射峰,衍射峰強(qiáng)度均較低,推斷沉淀過程屬于非晶沉淀。350 °C焙燒后,S-5.5 在 2θ為 30.3°、35.7°、43.4°、57.5°和63.1°的衍射峰歸屬于ZnCr2O4的特征峰外(PDF#22—1107)[20],2θ為 23.92°、25.02°和 34.88°有明顯的Cr2O3衍射峰(PDF#38—1479)[21]。這表明沉淀pH在5.5~6.0時(shí),由于沉淀劑劑量不足,導(dǎo)致Zn2+、Cr3+和Al3+無法充分的共沉淀,部分Cr3+發(fā)生異步沉淀。在S-6.0、S-6.5和S-7.5這3種樣品的XRD衍射峰中無其它雜晶相衍射峰,均為典型的ZnCr2O4尖晶石結(jié)構(gòu)。根據(jù)文獻(xiàn)[22]報(bào)道,共沉淀法制備催化劑的過程中,通常酸性溶液過飽和度低,會(huì)形成組分分布不均的大顆粒沉淀;而堿性溶液過飽和度高,形成的沉淀組分分布均勻、顆粒小。
圖2為4種金屬氧化物的SEM照片,S-5.5和S-7.5的二次粒子均為不規(guī)則形狀堆積的粒子,粒子大小不一,尺寸范圍在1~100 μm,推測這些顆粒主要通過物理研磨形成。S-6.0為顆粒聚集的顆粒,二次粒子的粒徑為10~20 μm。S-6.5不同形狀的多孔團(tuán)聚體,顆粒內(nèi)含有豐富的介孔和大孔結(jié)構(gòu)。
圖2 4種金屬氧化物的SEM照片((a)~(d))及其局部放大圖((e)~(h))Fig.2 SEM images ((a)~(d)) and local enlargements ((e)~(h)) of four metal oxides
圖3為4種金屬氧化物的N2吸/脫附實(shí)驗(yàn)結(jié)果。S-5.5 在p/p0= 0.42 處出現(xiàn)了明顯的H2 型滯后環(huán),而S-6.0、S-6.5 和S-7.5 均在p/p0= 0.45 處出現(xiàn)了H3 型滯后環(huán)。S-6.5在p/p0= 0.80后出現(xiàn)吸附曲線的突變說明體系中存在較大的晶間中孔。孔徑分布顯示,S-5.5在 4.5 nm處有一個(gè)峰;S-6.0則在 6.4 nm和36.8 nm處呈現(xiàn)兩個(gè)明顯的峰;S-7.5的孔徑分布主要在4.3 nm處,42.0 nm處還顯示出一個(gè)相對(duì)較弱的寬峰。
圖3 4種金屬氧化物的N2吸/脫附曲線(a)和孔徑分布(b)Fig.3 N2 adsorption/desorption isotherms (a) and pore diameter distribution (b) of four metal oxides
表1為4種金屬氧化物的N2低溫物理吸附數(shù)據(jù)。隨著沉淀pH的增加,金屬氧化物的比表面積逐漸增加,S-5.5、S-6.0、S-6.5和S-7.5的比表面積依次為 103 m2/g、168 m2/g、173 m2/g和 185 m2/g,這與XRD計(jì)算得出的晶粒尺寸變化規(guī)律相一致,晶粒越小,比表面積越大。S-5.5、S-6.0、S-6.5和S-7.5的總孔容依次為 0.09 cm3/g、0.38 cm3/g、0.47 cm3/g和 0.29 cm3/g。金屬氧化物平均粒徑(根據(jù)謝樂公式計(jì)算)隨著沉淀pH的增加,金屬氧化物的粒徑由15.88 nm(S-5.5)逐漸減小至8.98 nm(S-7.5)。由此可知,沉淀pH顯著影響金屬氧化物的織構(gòu)性質(zhì)。文獻(xiàn)研究[22]發(fā)現(xiàn),沉淀的形成一般經(jīng)過晶核形成和粒子長大或聚集兩個(gè)過程。當(dāng)晶核生成速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶核增長速率時(shí),大量的晶核會(huì)聚集成細(xì)小的無定形顆粒,形成非晶形沉淀甚至膠體(非晶沉淀),這種沉淀脫水焙燒后會(huì)形成緊密聚集的金屬氧化物。相反,當(dāng)成核速率與粒子增長速率匹配時(shí),金屬氧化物粒子在吸附團(tuán)聚的過程中會(huì)形成多孔結(jié)構(gòu),脫水后這些孔結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)保留。
表1 4種金屬氧化物的織構(gòu)性質(zhì)和晶粒尺寸Table 1 Texture properties and pore diameter of four metal oxides
圖4為4種金屬氧化物的H2-TPR吸/脫附曲線。
圖4 4種金屬氧化物的H2-TPR曲線Fig.4 H2-TPR curves of four metal oxides
200~320 °C之間有一個(gè)明顯的還原峰,歸屬于Cr6+→Cr3+的還原過程;ZnCr2O4尖晶石Cr3+在焙燒過程中會(huì)被過度氧化而形成Cr6+[23]。除此之外,S-5.5和S-6.0在465 °C處還顯示出一個(gè)小的還原峰,歸屬于Cr3+→Cr2+的還原峰,而S-6.5和S-7.5并沒有該還原峰,這表明,沉淀pH在5.5~6.5時(shí),制備的金屬氧化物中夾雜了少量的Cr2O3,這與S-5.5樣品的XRD譜圖中發(fā)現(xiàn)存在Cr2O3相吻合,而S-6.0的XRD譜圖中無Cr2O3的衍射峰,這可能是由于提高沉淀pH生成的Cr2O3相反而較少。除此之外,隨著沉淀pH的增加,所得樣品的還原峰中心溫度逐漸向低溫方向移動(dòng),這是由于催化劑中的晶粒減小,比表面積增大(表1),使得催化劑更容易被還原[24]。
在相同的反應(yīng)條件下,考察雙功能催化劑在合成氣一步法制烯烴反應(yīng)行為,評(píng)價(jià)結(jié)果如圖5所示。由圖5 可知,反應(yīng)條件為 400 °C、2 MPa,GHSV= 6000~7500 mL/(h?g)時(shí),4 種雙功能催化劑的CO轉(zhuǎn)化率明顯不同,BS-6.5上具有最高的CO轉(zhuǎn)化率,約為25.00%。由N2吸/脫附結(jié)果可知,S-6.5的比表面積大于S-5.5和S-6.0,更大的比表面積有利于暴露更多的活性位點(diǎn),有利于CO轉(zhuǎn)化。然而,BS-6.5上CO轉(zhuǎn)化率卻高于具有更大比表面積BS-7.5,這一“反?!爆F(xiàn)象可以從金屬氧化物與分子篩的“親密性”角度解釋。盡管本文中ZnCr2O4與SAPO-34分子篩均采用粉末混合,但是由于ZnCr2O4的聚集態(tài)、分散性不同,導(dǎo)致粉末混合過程與兩組分的混合程度也不同,即“親密性”也不同。
圖5 4種雙功能催化劑的CO轉(zhuǎn)化率對(duì)比Fig.5 Comparison of CO conversion rate of four bifunctional catalysts
為此,通過測定雙功能催化劑表面的元素分布(EDS),選擇SAPO-34(P和Si)與ZnCr2O4(Zn和Cr)專有的元素來描述雙功能催化劑的“親密性”,結(jié)果如圖6所示。4種雙功能催化劑顆粒表面的元素分布存在明顯差異,BS-5.5和BS-7.5表面的Zn存在明顯的“集中”現(xiàn)象,而BS-6.5表面的Zn分散性明顯高于其他3個(gè)樣品,該結(jié)果反映出BS-6.5中,SAPO-34分子篩與ZnCr2O4具有最好“親密性”。為此推測,由于S-6.5疏松的結(jié)構(gòu)使其在物理混合過程中容易“破碎”成更小的粒子,使其與SAPO-34分子篩充分混合,二者具有更好的“親密性”;而S-7.5由于質(zhì)地堅(jiān)硬,在混合過程中難以通過物理研磨而破碎為更小的粒子,導(dǎo)致金屬氧化物與分子篩之間的距離增加,“親密性”降低。從熱力學(xué)角度講,金屬氧化物與分子篩“親密性”越高,越有利于中間體進(jìn)入分子篩孔道,消除高溫下CHxO(x= 2,4)生成的熱力學(xué)障礙,促進(jìn)CO轉(zhuǎn)化[10]。而CHxO中間體如果不能及時(shí)進(jìn)入分子篩孔道,在擴(kuò)散過程中會(huì)加氫生成甲烷[23]。當(dāng)GHSV降低至 6000 mL/(h?g)時(shí),CO轉(zhuǎn)化率均增加,BS-6.5上依然顯示了最高的CO轉(zhuǎn)化率,約為27.00%。
圖6 4種雙功能催化劑的EDS譜圖與元素分布Fig.6 EDS mapping and element distribution of four bifunctional catalysts
4種雙功能催化劑的產(chǎn)物選擇性如圖7所示(反應(yīng)條件為 400 °C,2 MPa),為便于比較,圖中同時(shí)給出了CO和CO2轉(zhuǎn)化率變化情況。BS-6.0上CO轉(zhuǎn)化率21.98%,C2=~C4=選擇性75.71%,在所有樣品中最高。而BS-6.5具有最高CO轉(zhuǎn)化率25.00%,但是C2=~C4=選擇性則為74.04%。從EDS譜圖可知,BS-6.5中ZnCr2O4與SAPO-34分子篩具有更好的“親密性”,金屬氧化物與分子篩之間的距離最短,但是并未表現(xiàn)出最高的C2=~C4=選擇性。這可能是由于ZnCr2O4與SAPO-34分子篩之間越近,在分子篩周圍的金屬氧化物表面解離的活性H就會(huì)更容易溢流到分子篩孔道內(nèi),增強(qiáng)分子篩的酸性,進(jìn)而增強(qiáng)分子篩的裂解能力,從選擇性的角度,可能并非二者越近越好。關(guān)于這一點(diǎn),研究人員在Co/SiO2與Pd/Beta雙功能體系以及Pt-Y分子篩-Al2O3雙功能體系中均發(fā)現(xiàn)并非兩活性組分距離越近越好[15,24-25],例如顆?;旌系腃o/SiO2與Pd/Beta反而比粉末混合時(shí)表現(xiàn)出更高的異構(gòu)烷烴選擇性[25]。
當(dāng)反應(yīng)空速由7500 mL/(h?g)降低到6000 mL/(h?g)時(shí),4種雙功能催化劑上的C2=~C4=選擇性為75.25%~76.30%,C2=~C4=選擇性之間的差異縮?。▓D7(b))。綜上所述,沉淀pH主要影響雙功能催化劑兩活性組分之間的“親密性”,進(jìn)而影響CO的轉(zhuǎn)化率,而對(duì)C2=~C4=選擇性的影響相對(duì)較小。
圖7 4 種雙功能催化劑的產(chǎn)物選擇性對(duì)比:GHSV = 7500 mL/(h·g) (a),GHSV = 6000 mL/(h·g) (b)Fig.7 Comparison of product selectivity of four bifunctional catalysts: GHSV = 7500 mL/(h ·g) (a), GHSV = 6000 mL/(h ·g) (b)
本文研究了共沉淀法制備ZnCr2O4過程中沉淀pH對(duì)ZnCr2O4結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、孔結(jié)構(gòu)以及團(tuán)聚形態(tài)等物化性質(zhì)的影響,然后與SAPO-34分子篩復(fù)合制備了一系列ZnCr2O4/SAPO-34雙功能催化劑,評(píng)價(jià)了其對(duì)合成氣一步法制烯烴反應(yīng)性能的影響,得到以下結(jié)論。
(1)調(diào)節(jié)沉淀pH對(duì)ZnCr2O4的晶相、晶粒尺寸、團(tuán)聚態(tài)、比表面積以及還原溫度等產(chǎn)生了顯著影響。隨著沉淀pH的增加,金屬氧化物粒徑逐漸減小,比表面積逐漸增加。
(2)諸多因素中,沉淀pH對(duì)金屬氧化物的團(tuán)聚態(tài)的影響是造成雙功能催化劑活性中心“親密性”差異的主要因素。在pH = 6.5~7.0條件下制得的ZnCr2O4與SAPO-34分子篩混合更加充分,二者之間距離最短,耦合相應(yīng)最強(qiáng),因此雙功能催化劑在合成氣一步法制烯烴反應(yīng)中具有最高的CO轉(zhuǎn)化率(25.00%),C2=~C4=選擇性為74.05%。
后續(xù)研究需要進(jìn)一步考察雙功能催化劑在實(shí)際還原和反應(yīng)過程中的ZnCr2O4結(jié)構(gòu)變化、元素遷移等情況,探究金屬氧化物表明氧空位濃度變化、表面元素比例、化學(xué)態(tài)等與CO轉(zhuǎn)化率、C2=~C4=選擇性影響機(jī)制,建立更加完整的反應(yīng)構(gòu)效關(guān)系。