HZSM-5沸石催化剂酸性质和催化性能的研究 Ⅱ.高温水蒸汽处理的影响

用程序升温脱附(TPD)和红外光谱(IR)表征了经高温水蒸汽处理的HZSM-5沸石催化剂的酸性,并且考察了用于正己烷等烃类裂化反应的活性和选择性。实验结果表明,高温水蒸汽处理对催化剂的活性是不利的,如用700℃水蒸汽处理后,转化率降至10%左右。随着处理温度的升高酸性下降,处理温度在500—600℃、处理时间4—6h 时对程脱量和吸附氨中心数影响较为明显,而且对强酸部位的影响比弱酸部位更显著。文中讨论了发生裂化反应的可能的表面酸性部位。     

多级孔HZSM-5分子筛催化剂的制备及低碳烃芳构化应用

采用0.2 mol/L的NaOH溶液对HZSM-5分子筛进行了不同时间的碱改性处理, 并对分子筛的结构和酸性进行表征, 考察了碱改性对HZSM-5催化剂的低碳烃芳构化活性的影响. 结果表明, HZSM-5分子筛经碱改性后会产生少量介孔, 且随改性时间延长, 介孔数量增加, 平均孔径增大, 总酸量降低, B酸/L酸比值降低. 120 min碱改性HZSM-5催化剂的活性、 稳定性以及目标产物苯、 甲苯、 乙苯和二甲苯(统称BTEX)的选择性最高.     

Si(CH3)3Cl修饰的HZSM-5酸性及正己烷芳构化的催化性能研究

随着芳烃需求量的增加,低分子烃的芳构化受到广泛重视.由于HZSM-5的独特骨架结构及酸性,使其对低分子烃有良好芳构化性能~[1～3],但研究工作大多放在HZSM-5本身的硅铝比调变及加入某些金属(如Ga,Zn)来提高其芳构化性能~[4～7],而以非金属对其进行改性处理则很少见.本文以Si(CH_3)_3CI对HZSM-5进行CVD处理,并对其酸性及对正已烷芳构化能力进行了考察,研究了催化剂的结焦情况.     

合成气在 Fe/HZSM-5复合催化剂上转化制烃—沸石的特性和催化作用

对各种HZSM-5沸石的形选性和酸性作了表征,并在熔铁和HZSM-5沸石复合催化剂上考察了沸石对合成气制烃反应的催化作用。结果表明,沸石的形选性、酸性和催化作用因沸石的来源、质子化方法和水蒸汽处理条件的不同而异。沸石的存在提高了合成气转化率,产物碳数不大于11。沸石的特性差异对上述两者无显著影响,对产物选择性影响很大。讨论了不同强度的酸中心对裂化和芳构化的作用,并指出调变沸石酸性对提高目的产物选择性的重要性。对汽油馏份和沸石含碳沉积物的性质作了初步表征,并讨论了焦的成因。     

硅烷化处理对Mo/HZSM-5催化剂上甲烷脱氢芳构化活性的影响

 结合催化剂的活性评价及固体高分辨核磁共振谱、X射线光电子能谱和X射线荧光光谱和热重等技术,考察了硅烷化处理对Mo/HZSM-5催化剂上甲烷脱氢芳构化活性的影响. 结果表明,采用大分子有机硅烷对HZSM-5分子筛进行硅烷化处理,除去了分子筛外表面的酸性位,并使分子筛本身发生了脱铝. 硅烷化处理使Mo/HZSM-5催化剂在进行甲烷脱氢芳构化反应时催化剂上总的积碳量明显减少,从而提高了催化剂的活性.     

重氮甲烷对HZSM-5分子筛表面酸性的影响

本文利用重氮甲烷对HZSM-5分子筛表面酸进行改性,并对改性后的样品考察其表面性质和反应活性的变化。实验结果表明,改性后HZSM-5的比表面积明显降低,表面总酸量大大减少;改性前后的样品经水蒸汽处理后,其总酸量均比未经水蒸汽处理样品的高;在改性后的HZSM-5样品上,乙炔聚合反应的结焦量大大降低,甲醇脱水反应产物分布发生明显变化。     

硅烷化处理对Moo/HZSM-5催化剂上甲烷脱氢芳构化活性的影响

结合催化剂的活性评价及固体高分辨核磁共振谱、X射线光电子能谱和X射线荧光光谱和热重等技术,考察了硅烷化处理对Mo/HZSM-5催化剂上甲烷脱氢芳构化活性的影响.结果表明,采用大分子有机硅烷对HZSM-5分子筛进行硅烷化处理,除去了分子筛外表面的酸性位,并使分子筛本身发生了脱铝.硅烷化处理使Mo/HZSM-5催化剂在进行甲烷脱氢芳构化反应时催化剂上总的积碳量明显减少,从而提高了催化剂的活性.     

高温水蒸汽处理对HZSM-5分子筛上乙烯、苯烷基化反应性能的影响

本文用色谱法考察了直接法合成并经不同条件高温水蒸汽处理过的HZSM-5分子筛催化剂对乙烯的作用;用微反研究了这些样品用于苯和乙烯烷基化反应的催化性能;考察了这些性能与表面酸性质的关系并对水蒸汽处理条件和烷基化反应条件的选择进行了讨论.     

不同碱处理制备多级孔HZSM-5催化剂及噻吩烷基化性能研究

用Na₂CO₃、TPAOH和TPA⁺/CO₃^2-混合碱分别处理HZSM-5分子筛,采用FT-IR、XRD、XRF、N₂吸附脱附、SEM、NH₃-TPD及Py-FTIR表征手段对各类碱处理前后的HZSM-5分子筛进行表征。结果表明,3种类型的碱处理HZSM-5分子筛后,均能形成微孔-介孔多级孔道的HZSM-5(A)催化剂,并能调变催化剂的酸性,其中,TPA⁺/CO₃^2-混合碱处理得到的HZSM-5(TPA⁺/CO₃^2-)催化剂,比表面积最大,介孔数量最多。在小型固定床反应器上,考察了HZSM-5和HZSM-5(A)催化剂的噻吩烷基化性能,结果表明,HZSM-5(TPA⁺/CO₃^2-)催化剂因为具有适当的多级孔孔道和较多的B酸中心而表现出较高的噻吩转化率和1-己烯对噻吩的选择性。     

晶粒大小对ZSM-5分子筛甲醇制低碳烯烃催化性能的影响

对三种HZSM-5分子筛进行Ca改性,获得两组酸性接近的催化剂,考察了晶粒大小对甲醇制低碳烯烃(MTO)反应的影响。通过进一步与Na改性的比较,探讨了Ca在催化反应中的作用。采用扫描电镜(SEM)测定晶粒大小及形貌,氨气程序升温脱附(NH3-TPD)及吡啶红外吸附(Py-IR)表征催化剂的酸性。MTO催化性能测定结果表明,HZSM-5的低碳烯烃选择性较低且下降较快,催化活性降低也快;Ca改性降低酸性,提高了低碳烯烃选择性和催化稳定性;晶粒大小主要影响催化稳定性,小晶粒分子筛催化剂稳定性更好。高Ca含量改性效果更好;钠改性也提高了低碳烯烃选择性,但其稳定性较差。对于HZSM-5和Ca/HZSM-5,小晶粒的催化剂具有较好的催化稳定性。提出Ca参与了催化反应,MTO是一个酸碱协同作用的催化过程。     

HZSM-5沸石的酸性和芳构化活性研究

较系统地研究了质子化方法、硅铝比、焙烧温度和水热处理条件对HZSM-5沸石的酸性和芳构化活性的影响,比较了不同方法合成的ZSM-5芳构化性能。结果表明:用直接法合成的ZSM-5氢型的芳构化活性较高,且Si/Al 越低,芳构化活性越高。质子化方法对HZSM-5芳构化活性影响不大。B酸量和L酸量均随HZSM-5的Si/Al降低而增加,酸性羟基的稳定性则随Si/Al增加而提高。红外光谱上以1547cm~(-1)表征的B酸量和以3610cm~(-1)表征的羟基量随HZSM-5的焙烧温度升高而近似平行地下降。L 酸量则随焙烧温度升高开始增加,然后迅速下降。水热处理在一定的温度和水汽量范围内,对HZSM-5的酸强度分布和芳构化活性影响不大,超过这个范围,酸性和活性迅速降低。Si-OH-Al 基酸强度不均匀,将最强B酸与芳构化活性相关联,表明最强B酸位是HZSM-5芳构化的活性中心。     

量子化学方法研究HZSM-5沸石结构酸性(Ⅳ)

本文采用CNDO/2半经验量子化学的方法对HZSM-5沸石基本结构单元—四、五、六元环的电荷分布进行了计算.得到了HZSM-5沸石分子筛酸性结构参数α0.因其质子酸度可用活度表示,而活度系数fH~ =Kα0.我们取K=32,求出HZSM-5沸石分子筛在不同硅铝比时的活度,结果与实验值相一致.从而为理论上计算HZSM-5沸石分子筛的酸性提供了一个参考方法.     

碱改性ZSM-5分子筛及脱硫性能的研究

用4 mol·L-1Na2CO3溶液处理ZSM-5分子筛[HZSM-5(C)],处理后的分子筛采用n(TPAOH)∶n(Si O2)=0.2∶1的TPAOH溶液进行二次晶化[HZSM-5(C-T)]。制备了Ni-Mo/HZSM-5(原粉)、Ni-Mo/HZSM-5(C)和Ni-Mo/HZSM-5(C-T)催化剂。在小型连续固定床反应器上,考察了Ni-Mo/HZSM-5,Ni-Mo/HZSM-5(C)和Ni-Mo/HZSM-5(C-T)催化剂的硫醚化反应性能。结果表明:Na2CO3处理形成了微-介孔多级孔HZSM-5分子筛,提高了硫醇转化率;TPAOH二次晶化,修复了分子筛的孔道,增加了介孔的数量,进一步提高了硫醇的转化率。考察了TPAOH二次晶化前后,HZSM-5分子筛的热稳定性和水热稳定性。结果表明:Na2CO3处理降低了HZSM-5分子筛的热稳定性和水热稳定性,而TPAOH二次晶化,提高了HZSM-5分子筛的热稳定性和水热稳定性。     

双功能WC/HZSM-5催化剂上正己烷芳构化反应性能

以HZSM-5(SiO2/Al2O3=38)为载体,偏钨酸铵为钨源制备了双功能催化剂WC/HZSM-5,考察了其催化正己烷芳构化反应性能,并采用X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线能量散射谱和程序升温氨脱附等手段对催化剂进行了表征,探讨了制备方法和WC含量对WC/HZSM-5催化剂性能的影响.结果表明,采用原位还原碳化法制备的WC/HZSM-5(RC)催化剂上正己烷芳构化反应性能优于浸渍法制备的WC/HZSM-5(IP).5%WC/HZSM-5(RC)样品在反应初始阶段芳烃选择性为10.28%,而HZSM-5上的仅为2.56%.WC/HZSM-5(RC)催化剂上反应产物中轻质芳烃(苯、甲苯和二甲苯)含量增加,重质芳烃C9+含量降低,其催化性能优于Pt/HZSM-5催化剂.产物分布的变化可能是由于WC与分子筛间的协同作用所致.     

MgO改性HZSM-5型分子筛对合成LPG的影响

以Mg(NO3)2.6H2O乙醇溶液等体积浸渍分子筛HZSM-5进行改性,与自制的甲醇催化剂(MeLi)机械混合制得合成液化石油气(LPG)双功能催化剂。通过NH3-TPD对改性HZSM-5分子筛酸性表征,在固定床单管反应器上,研究MgO在催化剂中含量对一步法合成LPG的影响,并对催化剂进行寿命实验。结果表明,随着MgO在催化剂中含量的升高,HZSM-5的强酸强度随之降低;MgO在HZSM-5中质量分数在0.25%~1.00%时,催化剂的效果最佳。改性HZSM-5作为脱水催化剂,可提高目标产物的含量,同时大幅度提升催化剂的寿命及稳定性。     

P改性对HZSM-5酸性及P-HZSM-5/CuO-ZnO-Al_2O_3混合催化剂二甲醚水蒸气重整制氢的影响（英文）

近年来,氢能作为清洁可再生新型能源越来越受到人们关注.然而,氢气储存和运输困难,制约了其广泛利用.因此,寻找一种高效的原位在线制氢技术成为解决这一难题的重要方案之一.二甲醚作为氢的载体,具有高H/C比、高能量密度、无毒和无致癌性等优点,而且二甲醚的物理性质与液化石油气(LPG)相类似,燃烧时不会产生污染性气体,且工业上已实现大规模生产.通过重整技术,可以使二甲醚有效地转化为H2.目前的重整技术主要包括部分氧化重整、自热重整、干重整以及水蒸气重整(SR).其中二甲醚水蒸气重整(DMESR)技术具有很高的氢气产率,被认为是一种非常有前途的在线制氢技术.二甲醚水蒸气重整反应分两步进行,第一步是固体酸催化剂催化的二甲醚水解反应,第二步是金属催化剂催化的甲醇水蒸气重整反应.其中二甲醚水解反应是整个反应的控速步骤.γ-Al2O3作为一种最常用的固体酸催化剂,因其在二甲醚水蒸气重整反应中的良好活性和稳定性,以及很少的副反应等优点,得到了国内外研究者的普遍青睐.但是,γ-Al2O3催化二甲醚水解反应的温度较高(300–400oC),极易导致用于重整的铜基催化剂烧结和失活.与γ-Al2O3相比,H型分子筛催化剂(如HZSM-5)酸性较强,酸性位较多,催化二甲醚水解反应的温度要低得多(300oC).然而HZSM-5含有的强酸位在二甲醚水蒸气重整过程中极易导致催化剂因积碳而失活.因此,有必要对HZSM-5分子筛进行改性,去除不必要的强酸位,以降低积碳,提高催化剂的活性和稳定性.本文利用HZSM-5良好的离子交换能力,在不改变分子筛骨架结构的前提下,通过一种简单的浸渍法制备了一系列不同P含量的P改性HZSM-5催化剂,并分别将其与传统的CuO-ZnO-Al2O3催化剂机械混合用于二甲醚水蒸气重整制氢.详细研究了P改性对HZSM-5分子筛酸性以及P-HZSM-5/CuO-ZnO-Al2O3混合催化剂二甲醚水蒸气重整制氢活性的影响.与未改性的HZSM-5相比,P改性的HZSM-5催化剂在重整反应中表现出更高的CO2选择性和更好的催化稳定性.通过N2吸附-脱附、X射线衍射(XRD)、程序升温氧化(TPO)、氨程序升温脱附(NH3-TPD)、吡啶红外光谱(IR)和31P魔角旋转核磁共振光谱(MASNMR)等技术对催化剂进行了表征.NH3-TPD结果表明,P改性可以显著影响HZSM-5的酸量和酸强度;随着P含量的增加,催化剂的强酸位密度明显降低,而弱酸量变化不大;当P含量达到5%时,催化剂的强酸量几乎消失;进一步增加P含量,催化剂的弱酸量也迅速减少.TPO等分析结果表明,积碳是导致催化剂失活的主要原因.5%P改性的HZSM-5催化剂由于其强酸位的消失,在催化反应中表现出更好的稳定性(与未改性的HZSM-5相比).IR结果显示,随着P含量的增加,催化剂的L酸量迅速减少,而B酸量变化相对缓慢.结合31PMASNMR,NH3-TPD及IR表征结果,提出了P改性对HZSM-5酸性修饰的可能机理.     

二维HZSM-5纳米片的合成及催化苯与稀乙烯烷基化制乙苯

采用晶种导向的方法, 以四丙基溴化铵为模板剂, 乙胺为矿化剂, 硅溶胶为硅源, 氯化铝为铝源, 60 nm Silicate-1为晶种, 于水热条件下合成了具有不同b轴厚度及硅铝比的二维 HZSM-5纳米片. 采用不同碱源对分子筛进行碱处理, 其中经NaOH处理以及NaOH与四丙基氢氧化铵(TPAOH)联合处理得到了二维多级孔HZSM-5纳米片. 利用X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)、 Ar吸附-脱附、 氨-程序升温脱附(NH₃-TPD)、 X射线荧光光谱(XRF)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对催化剂的结构和酸性进行了表征, 考察了硅铝比和b轴厚度对催化苯与稀乙烯烷基化反应的影响. 研究结果表明, 在360 ℃, 1.4 MPa, 苯烯比为6, 乙烯体积分数为15%, 乙烯质量空速(WHSV)为1.5 h^-1的反应条件下, 随着硅铝原子比从80提高至200, 苯的转化率略有下降, 乙基选择性保持在99.2%以上, 但甲苯及二甲苯选择性分别从0.11%和0.09%均下降至0.05%. 将不同b轴厚度的HZSM-5纳米片催化剂在苯烯比为1的条件下进行实验发现, 硅铝比为160的大晶粒HZSM-5催化剂失活严重, 反应50 h时苯的转化率从34.6%下降至8%, 二甲苯选择性达到0.37%; 而b轴厚度为100 nm的二维 HZSM-5纳米片作为催化剂时苯的转化率稳定在44.0%, 乙基选择性为94.8%, 二甲苯选择性下降至0.22%, 并在100 h内保持反应性能不变.     

P改性对HZSM-5酸性及P-HZSM-5/CuO-ZnO-Al2O3混合催化剂二甲醚水蒸气重整制氢的影响

近年来,氢能作为清洁可再生新型能源越来越受到人们关注.然而,氢气储存和运输困难,制约了其广泛利用.因此,寻找一种高效的原位在线制氢技术成为解决这一难题的重要方案之一.二甲醚作为氢的载体,具有高H/C比、高能量密度、无毒和无致癌性等优点,而且二甲醚的物理性质与液化石油气(LPG)相类似,燃烧时不会产生污染性气体,且工业上已实现大规模生产.通过重整技术,可以使二甲醚有效地转化为H2.目前的重整技术主要包括部分氧化重整、自热重整、干重整以及水蒸气重整(SR).其中二甲醚水蒸气重整(DME SR)技术具有很高的氢气产率,被认为是一种非常有前途的在线制氢技术.
　　二甲醚水蒸气重整反应分两步进行,第一步是固体酸催化剂催化的二甲醚水解反应,第二步是金属催化剂催化的甲醇水蒸气重整反应.其中二甲醚水解反应是整个反应的控速步骤.g-Al2O3作为一种最常用的固体酸催化剂,因其在二甲醚水蒸气重整反应中的良好活性和稳定性,以及很少的副反应等优点,得到了国内外研究者的普遍青睐.但是,g-Al2O3催化二甲醚水解反应的温度较高(300–400 oC),极易导致用于重整的铜基催化剂烧结和失活.与g-Al2O3相比, H型分子筛催化剂(如HZSM-5)酸性较强,酸性位较多,催化二甲醚水解反应的温度要低得多(<300 oC).然而HZSM-5含有的强酸位在二甲醚水蒸气重整过程中极易导致催化剂因积碳而失活.因此,有必要对HZSM-5分子筛进行改性,去除不必要的强酸位,以降低积碳,提高催化剂的活性和稳定性.
　　本文利用HZSM-5良好的离子交换能力,在不改变分子筛骨架结构的前提下,通过一种简单的浸渍法制备了一系列不同P含量的P改性HZSM-5催化剂,并分别将其与传统的CuO-ZnO-Al2O3催化剂机械混合用于二甲醚水蒸气重整制氢.详细研究了P改性对HZSM-5分子筛酸性以及P-HZSM-5/CuO-ZnO-Al2O3混合催化剂二甲醚水蒸气重整制氢活性的影响.与未改性的HZSM-5相比, P改性的HZSM-5催化剂在重整反应中表现出更高的CO2选择性和更好的催化稳定性.通过N2吸附-脱附、X射线衍射(XRD)、程序升温氧化(TPO)、氨程序升温脱附(NH3-TPD)、吡啶红外光谱(IR)和31P魔角旋转核磁共振光谱(MAS NMR)等技术对催化剂进行了表征. NH3-TPD结果表明, P改性可以显著影响HZSM-5的酸量和酸强度;随着P含量的增加,催化剂的强酸位密度明显降低,而弱酸量变化不大;当P含量达到5%时,催化剂的强酸量几乎消失;进一步增加P含量,催化剂的弱酸量也迅速减少. TPO等分析结果表明,积碳是导致催化剂失活的主要原因.5%P改性的HZSM-5催化剂由于其强酸位的消失,在催化反应中表现出更好的稳定性(与未改性的HZSM-5相比). IR结果显示,随着P含量的增加,催化剂的L酸量迅速减少,而B酸量变化相对缓慢.结合31P MAS NMR, NH3-TPD及IR表征结果,提出了P改性对HZSM-5酸性修饰的可能机理.     

金属改性P/HZSM-5分子筛催化乙醇芳构化

以P/HZSM-5分子筛为基础, 通过浸渍法制备了Cr、Co、Cu、Zn等金属改性的M-P/HZSM-5分子筛. 采用X射线衍射(XRD), 比表面积(BET)和氨气程序升温(NH₃-TPD)等方法对其进行了表征, 并考察了其催化乙醇芳构化的活性. 结果表明, 改性后的ZSM-5分子筛保持原有的骨架结构, 但比表面积降低, 酸性分布发生变化; Cu-P/HZSM-5分子筛有较高催化活性. P和Cu的负载量分别为3%和5%, 先浸渍P再浸渍Cu, 反应温度400 °C, 质量空速(WHSV)为1.0 h^-1时轻质芳烃(BTX)收率可达到57.6%.     

HZSM-5/SAPO-11复合分子筛的制备、 表征及在异丁烷芳构化反应中的催化性能

将经聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)预处理的HZSM-5分子筛置于SAPO-11分子筛的合成母液中, 在水热体系中原位制备了一系列HZSM-5/SAPO-11复合分子筛, 并对分子筛的结构、 形貌及酸性进行了表征, 考察了其在异丁烷芳构化反应中的催化性能. 结果表明, 所得复合分子筛由HZSM-5表面包覆约20 nm的SAPO-11微晶组成, 且通过调变SAPO-11的Si含量可以有效调变复合分子筛的酸性, 提高芳构化强弱酸协同催化作用, 有效抑制裂解副反应. 结合异丁烷芳构化转化率及液体收率结果可知, 当SAPO-11合成溶胶中硅铝摩尔比为0.6时, HZSM-5/SAPO-11复合分子筛的芳构化活性及稳定性最佳.