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二氧化碳加氢一步法制低碳烯烃催化剂的研究

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第31卷第3期 辽 宁 石 油 化 工 大 学 学 报 VoI.3l NO.3 2011年9月 JOURNAL 0F I IA()NING SHIHUA UNIVERSITY Sep.2o1] 文章编号:1672—6952(2011)03—0004—04 二氧化碳加氢一步法制低碳烯烃催化剂的研究 田世超,韩丽丽,侯俊琦,卞婉莹,田晓光,李永超,连丕勇 (辽宁石油化工大学化学与材料科学学院,辽宁抚顺113001) 摘 要: 采用水热合成法制备了CuO—ZnO/sAPO一34复合催化剂,以CuO—ZnO为甲醇合成催化剂,以 SAPO一34分子筛为甲醇脱水催化剂,研究了催化二氧化碳加氢一步法制备低碳烯烃的方法。通过XRD、TEM、 SEM、IR和固定床反应活性评价,系统地考察了复合催化剂的物化性质和催化反应性能。在反应温度270℃、压力 3.5 MPa、 (H2): (CO2)一4:1、体积空速为1 600 h_。的反应条件下,该催化剂表现出较好的活性和选择性。C() 的转化率可达到18.71 ,乙烯、丙烯的产率分别达到9.27 和4.76 。 关键词: 二氧化碳; 催化加氢; 低碳烯烃; CuO—ZnO/sAPO一34复合催化剂 中图分类号:TQ426.94;0643.36 文献标识码:A doi:10.3696/j.issn.1672—6952.2011.03.002 Catalysts for Synthesis of I ight Alkenes From Carbon Dioxide Through H ydr0genation With()ne—Step Method TIAN Shi—chao,HAN Li—li,HOU Jun—qi,BIAN Wan—ying, TIAN Xiao—guang,LI Yong—chao,LIAN Pi—yong (School of Chemistry and Materials Science,Liaoning Shihua University,Fushun Liaoning 113001,P.R.China) Received 27 May 2011;revised 13 Juric 2011;accepted 30 Jurge 2011 Abstract: CuO—ZnO/SAPO一34 composite catalyst was prepared by hydrothermal method,and applied in catalytic hydrogenation of carbon dioxide to light olefins in one—step process.CuO—ZnO was used tO synthesis methanol from C()2, while SAP0—34 molecular sieve take the catalytic role of methanol dehydration tO light olefins.The properties and catalytic activity of composite catalyst were investigated by XRD,TEM,SEM,IR and fixed bed response evaluation.When the reaction condition is reaction temperature 270℃,the reaction pressure 3.5 MPa,molar ratio of hydrogen/carbon dioxide 4,volumetric space velocity 1 600 h~,the catalyst shows good activity and selectivity.The conversion rate of C()2 can reach 18.7l ,and the yields of ethylene and propylene can reach 9.27 and 4.76 . Key words: Carbon dioxide;Hydrogenation;Light alkenes;Cu0一ZnO/SAPO一34 composite catalyst *Corresponding author.Te1.:+86—13941352958;e--mail:lpy0812@sohu.com CO 是地球上最丰富、廉价的碳资源之一,也 性的催化剂。目前,以CO 为原料合成低碳烯烃的 是导致温室效应的主要原因,而石化能源日渐紧缺, 催化剂的报道Ⅲ4 还不多见,本实验中合成的复合 这就迫使人们去寻求解决问题的途径。如何充分利 催化剂在以往文献中还未见报道。本实验采用 用CO 近年来已引起世界各国的广泛关注口 ]。 CuO—ZnO/SAPO一34复合催化剂,通过催化二氧 本实验旨在研发一种二氧化碳加氢一步法(一 化碳加氢一步法制备低碳烯烃,其中CuO—Zn()作 步法是指两种反应在一种复合催化剂上一步完成) 为甲醇合成催化剂,SAP()一34分子筛作为甲醇脱 制低碳烯烃的多功能催化剂及工艺。二氧化碳加氢 水催化剂。反应气首先在活性中心Cu()一ZnO上 制低碳烯烃反应的关键是研究开发高选择性、高活 进行反应,生成的甲醇扩散到SAPO一34分子筛的 活性中心上进行反应。上一步反应的生成物作为下 收稿日期:2011~O5—27 一步反应的反应物,不但可以通过不断打破各步反 作者简介:田世超(1987一),男,辽宁铁岭市,在读硕士。 基金项目:辽宁省教育厅资助项目(2008T109)。 应的化学反应平衡促使反应一直向生成物的方向进 *通讯联系人。 行,提高二氧化碳的转化率和乙烯、丙烯的选择性, 还可以防止催化剂结焦失活,延长复合催化剂的使 第3期 田世超等.二氧化碳加氢一步法制低碳烯烃催化剂的研究 用寿命。此外,两个反应可同时在固定床反应器上 进行,可减少设备资金投入,缩短工艺流程,经济上 具有更好的可行性。 本研究采用的催化评价装置为自制的固定床反 应器。 2 结果与讨论 1 实验部分 1.1原料及试剂 2.1 催化剂制备条件的考察 2.1.1 (SiO )/n(Al 0。)的考察SAPO一34分 硝酸铜,分析纯,沈阳试剂一厂生产;硝酸锌,分 子筛的 (SiO。)/n(A1 O。)对复合催化剂的活性及 选择性的影响如图1所示。由图1可知:在本实验 的研究范围内,随着sAPO一34分子筛的 (siO )/ n(A1zO。)由0.2增大到0.8,CO 的转化率先升高 析纯,天津市博迪化工有限公司生产;尿素,分析纯, 沈阳市新化试剂厂生产;正磷酸,分析纯,沈阳东兴 试剂厂生产;拟薄水铝石,工业纯,山东淄博铝业公 司生产;硅溶胶,工业纯,沈阳新光脱膜剂厂生产;二 乙胺,分析纯,天津市百世化工有限公司生产;氢气, 工业纯,抚顺氧气厂提供;二氧化碳,工业纯,抚顺氧 气厂提供。 1.2复合催化剂的制备 1.2.1 CuO~ZnO催化剂的制备 以尿素为沉淀 剂,利用均匀沉淀法制备CuO—ZnO催化剂。具体 步骤如下: 将三口瓶置于95。C的恒温水浴中,加一定量的 去离子水,搅拌下将物质的量浓度一定的硝酸铜、硝 酸锌和尿素溶液并流滴入,充分搅拌,然后进行老 化、抽滤、洗涤、干燥、焙烧,制成CuO—ZnO催化 剂。 1.2.2 CuO—ZnO/SAPO一34催化剂的制备 本 实验采用水热合成法制备催化剂,具体步骤如下: 取一定量的拟薄水铝石溶于水配成溶液A,搅 拌下将磷酸缓慢滴人溶液A中形成溶液B,继续搅 拌将硅溶胶缓慢滴到溶液B中形成溶液C,然后将 品种SAPO一34和所制备的CuO—ZnO催化剂加 入到溶液C中,最后加入二乙胺,继续搅拌30 min, 装入反应釜,在180℃下晶化72 h,晶化完成后抽 滤、洗涤、干燥、焙烧,即得到CuO—ZnO/SAPO一 34催化剂。 1.3 复合催化剂的评价 样品的物相分析采用日本理学2038型X射线 衍射仪测定,用CuKa射线在室温下测得。测定条 件为:管电压40 kV、管电流100 mA、扫描范围5。~ 50。、扫描速度5(。)/min。 采用Perkin—Elmer公司的Spectrum GX型 傅立叶变换红外光谱仪进行红外光谱测试。测试条 件为:KBr压片法,光谱分辨率4 cm一、测量范围 4 000~400 ClTI、扫描信号累加64次、OPD速度 0.2 cm/s,增益为1。 采用JEM一2010(HR)型分析透射电镜,通过 Tecnai G2 F30型场发射枪穿透式电子显微镜进行 测量。 后略有下降,当 (SiO )/n(A1 O。)为0.4时,CO 的转化率达到最大值;乙烯的收率由8.07 增大到 9.1 7 后,又呈下降的趋势;丙烯的收率在 (SiO2)/n(A1 O。)为0.4时达到最大值4.66 。 ^ 静 n(SiO2)/n( o3) (a)活性 .= 二== 删 摹 , T ^ 掣 _ 转 蚓 ~— ~~… : ~~~~ 一…一 n(SiO2)/n(AI203) (b)选择性 图1 (SiO )/ (Al O。)对复合催化剂的 活性及选择性的影响 2.1.2 m(CuO—ZnO)/m(SAPO一34)的考察 m(CuO—ZnO):m(SAPO一34)对复合催化 剂活性及选择性的影响如图2所示。由图2可知, 随着m(CuO—ZnO):m(SAPO一34)由1:2增大 到4:1,c0 的转化率及乙烯、丙烯的产率均呈上 升趋势,而乙烯和丙烯的选择性随着m(CuO— ZnO)/ (SAPO一34)的增大均呈现先增大后减小 的趋势,当m(CuO—ZnO): (SAPO一34)一2:1 时,选择性达到最大值。 2.1.3 m(CuO)/m(ZnO)的考察 以m(CuO): (ZnO)一1:2和m(CuO):m(ZnO)一2:1的催 辽宁石油化工大学学报 第31卷 化剂进行催化反应时,CO 的转化率以及乙烯、丙 烯的选择性偏低;分别采用IT/(CuO):m(ZnO)一 1:1和m(CuO):m(ZnO)一3:2的催化剂时,二 者的催化性能差别不大,乙烯、丙烯的选择性基本一 致,但采用m(CuO):m(ZnO)一1:1的催化剂时, CO 的转化率比采用m(CuO):m(ZnO)一3:2的 催化剂时略高。 因此,按n(SiO 2)/n(Al2O。)为0.4、m(CuO— ZnO) m(SAPO一34)=2:1、m(CuO)0 m(Zn0) 一1:1制得的催化剂具有最好的性能。 m(CuO—ZnO)/m(SAPO一34) (a)活性 掣 彗 m(CuO—ZnO)/m(SAPO-34) (b)选择性 图2 m(CuO—ZnO)/m(SAPO一34)对复合催化剂 的活性及选择性的影响 2.2催化剂的表征 2.2.1 催化剂的XRD分析 CuO—ZnO催化剂 及Cuo—ZnO/SAPO一34催化剂的XRD谱图如 图3所示。 0 10 2O 30 40 5O 20/(。) (a)Cu0一ZnO催化剂 1O 20 30 40 50 60 70 20/(。) (b)CuO—ZnO/sAPO一34催化剂 图3 Cu0一Zn0催化剂及CuO—ZnO/SAP【J一34 催化剂的XRD谱图 由图3可见,在复合催化剂CuO—zn()/sAP() 34谱图中存在CuO(20—35.6。、39.1。、49.O。)、 ZnO(20=31.8。、34.5。、36.3。、47.5。、56.7。、62.9。、 68.1。)及SAPO一3 4分子筛(20:9.2。、1 5.9。、 2 0.6。)三种物相的特征衍射峰,其中Cu()(2 一 35.6。)与ZnO(20—36.3。)的特征衍射峰发生相互 重叠,可知合成的复合催化剂中CuO—ZnO、SAP() 一34同时存在。 2.2.2 红外吸收光谱分析 采用水热合成方法制 备的CuO—znO/sAPO一34催化剂的红外谱图如 图4所示。 4.0 j. j.【J 2. Z.1 J 1. 1.{J 0. ×10—3/cnl一1 图4 采用水热合成方法制备的 Cu0一ZnO/SAPO--34的红外谱图 由图4可以看出,采用水热合成方法制备的复 合催化剂的红外特征吸收峰的位置及数目。CuO 在3 435、586 cm 处出现吸收峰,ZnO在512、455 cm 附近出现吸收峰。其中,1 633 cm 处可归结 为催化剂表面吸附水的羟基振动峰,从l 300 cm 到400 cm 主要是SAP()一34分子筛的骨架振动 谱带。 2.2.3 透射电子显微镜分析 本实验合成的复合 催化剂是以具有合成甲醇功能的CuO—ZnO为品 核,以具有甲醇脱水制低碳烯烃功能的SAP()一34 分子筛为壳的双功能催化剂。为了进行对比,分别 对CuO—ZnO催化齐0、CuO—ZnO/SAP()一34复 合催化剂进行了透射电镜分析(TEM),TEM图如 图5所示。 第3期 田世超等.二氧化碳加氢一步法制低碳烯烃催化剂的研究 筛由于孔道较长,内扩散的行程长,不利于提高分子 筛催化剂的表面活性及乙烯、丙烯的选择性,这是导 致本研究反应物转化率较低的一个原因。 2.2.4扫描电镜分析 复合催化剂的SEM图如 图6所示。从图6可以看出,在催化剂表面含有较 少的CuO—ZnO催化剂分布;结合图5还可以看 出,CuO—ZnO被SAPO一34包裹在其内部。 (a)CuO—Zn0 图6复合催化剂的SEM图 2.3 复合催化剂的活性及选择性 本实验考察了通过水热合成方法制备的复合催 (b)CuO—ZnO/SAPO一34 化剂的活性及选择性。实验在反应温度为270℃、 图5 Cu0一ZnO及Cu0一ZnO/SAPO一34的TEM图 压力为3.5 MPa、空速为1 6 0 0 h_。、Y/(H2): 由图5可以看出,CuO—ZnO催化剂颗粒与复 n(CO。)一4:1的条件下进行,实验结果见表1。 合催化剂颗粒的外形明显不同,在SAPO一34分子 由表1可以看出,采用水热合成法制得的复合 筛内部包裹了CuO—ZnO催化剂。复合催化剂颗 催化剂,CO。的转化率可达到18.71 ,乙烯、丙烯 粒的大小约为2/,m,颗粒粒径较大,大粒径的分子 的产率分别为9.27 和4.76 。 表1 通过水热合成方法制备的复合催化剂的活性及选择性 据黄有梅等 报道,以Fe。/ZAM一5为催化 了二氧化碳加氢一步法制低碳烯烃用CuO—ZnO/ 齐0,在 (Ar): (H2): (CO 2)一91:6:3、1 000 sAPO一34复合催化剂。 h 的条件下进行反应时,CO。的转化率为16.3 。 (2)在 (SiO2)/n(A12 0 3)为0.4、m(CuO— 据索掌怀等 报道,以5 的Fe/ZrO 一B为催化剂 ZnO)。m(SAPO一34)===2:1、m(CuO) m(ZnO) 时,CO 的转化率为14 ,乙烯的选择性为18.8 。 一1:1的条件下所制得的催化剂具有最好的性能。 由此可以看出,通过水热合成法合成的复合催 (3)在反应温度为2 7 0℃、压力为3.5 MPa、 化剂CuO—ZnO/SAPO一34的催化二氧化碳的转 n(H 2): (CO 2)=4:1、体积空速1 600 h 的反应 化率较文献中报道的转化率要高。 条件下,采用水热合成法制得的复合催化剂进行反 应时,CO:的转化率可达18.71 9/6,乙烯、丙烯的产 3 结束语 率分别为9.27 9/6和4.76 ,比文献报道的催化剂的 (1)本实验以尿素为沉淀剂,利用均匀沉淀法先 CO 的转化率要高。 制备CuO—ZnO催化剂,然后采用水热合成法制备 (下转第11页) 第3期 关转飞等.GJY一08菌株产木聚糖酶的固体发酵条件的研究 11 3 结束语 (1)综合试验结果,确定最佳的固体发酵条件 是:发酵时间为4 d,pH值为4.5,温度为3 0℃, 粮食危机、提高玉米秸秆废弃物资源的利用水平具 有十分重要的意义。 表1 玉米秸秆与水的质量比对产酶的影响 (麦麸):m(玉米秸秆)为7:3,氮源为尿素,接种 量为3 mL, (玉米秸秆):m(水)为1:2。 (2)玉米秸秆的高效利用,可极大地减少因燃烧 造成的环境污染。玉米秸秆是廉价的生产原料,它 可降低生产成本。利用微生物进行玉米秸秆发酵生 产木聚糖酶是当前的一个研究热点,它对缓解世界 参 考 文 献 [1] 沈进军,王建军,朱逸涵,等.木聚糖酶高产菌株的筛选及产酶条件[J].亚热带农业研究,2010,6(2):116—120. 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