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合成气转化为低碳烯烃Fe活性炭催化剂制备及性能表征
作者:管理员    发布于:2016-10-31 09:58:44    文字:【】【】【

  近年来,随着世界经济发展对能源需求的日益增加,石油资源日益减少,如何能更科学、更合理地利用地球资源已成为人类亟待解决的课题。由合成气制取低碳烯烃为从非石油资源转化为基本有机化工原料提供了一条理想的途径。此前,有人用氧化物(Si2,AI2O3)和活性炭作载体制备F― T合成催化剂114,其中以活性炭作为载体的催化剂催化效果佳,但是并没有系统地阐述不同铁盐和载体活性炭的种类以及助剂K盐的类型对催化性能的影响,也曾有报道用激光热解法结合固相反应直接制取以a―Fe、Fe3C为主体的超微粒子催化剂,并已取得了很好的催化效果,但此催化剂的成本昂贵,产业化难。本项目研制了一种以草酸铁为铁盐、椰壳炭为载体的新型Fe/活性炭催化剂,经过研究发现采用此种方法虽然在催化剂晶体结构与激光热解法制得的略有差异,但在与合成气反应后仍可得到催化的主活性组分FexCy,而且该催化剂也具有良好的催化性能,同时具有成本经济的特点,具备了广阔的开发前景。

  1实验部分1.催化剂制备分别选用在超声波震荡条件下用酸洗、水洗经干燥处理后的GH101型(椰壳炭)和GH81型(果壳炭)粉同铁盐(包括:硝酸铁、柠檬酸铁、草酸铁),并加入助剂Cu、Mn、Si、K兀素的盐溶液,再加入定量的分散剂,真空浸渍,蒸干。在流动N2保护下经过高温处理后制得催化剂备用。虽然与激光热解法制备的Fe基超微粒子催化剂相比,不能在反应前直接制备出Fe3C晶体结构,但是在反应过程中与CO反应也生成Fe5C2和Fe7C3晶体化活性的催化物种FexCy,高度还原的化学环境有利于低碳烯烃的生成。

  经高温锻烧所得Fe―Mn―K/活性炭催化剂主要由(FeMn)O立方点阵(三强峰的d值分别位于0.219nm、0.252nm和0.154nm)组成,这种结构是Mn嵌入FeO结构中或者是Fe嵌入MnO结构当中形成的,因此这种结构与其表现出的高催化活性和对低碳烯烃的高选择性的特性是一致的。由于K的含量低,单层高度分散在催化剂中,因此观察不到IK2.2Cu、Mn、Si和K助剂对Fe/活性炭催化剂的催化性能的影响―Si/活性炭催化剂,在相同反应条件下考察助剂对催化性能的影响,结果列于和以及表3中。

  96以上。而Fe―Si/活性炭的7催化剂的CO转化率只有83,达到稳定的时间较长大约6~7h.在催化选择性方面,从中发现5 Fe―Mn―K/活性炭催化剂的C2=~C4=选择性高,其次是6Fe―Cu―Mn―K/活性炭催化剂、2 Fe―Cu―K/活性炭催化剂,而7Fe―Si/活性炭催化剂差。四种催化剂的烃分布比较表明(见表3、6催化剂比其它催化剂明显增加了C2H4的选择性,同时大大降低了C2~C4的烷烃的生成。含Cu的2、6催化剂与其它催化剂相比可以更好的抑制CH4的生成,但也减少了Cr~C7选择性。对产物中CO2选择性的比较发现,2为为40.06,尽管助剂Cu与Mn相比,可以减少CO2的生成,但是降低的程度不大,结合低碳烯烃的选择性K/活性炭催化剂的催化效果好。

  对Cu、Mn、K、Si四种助剂的比较发现,尽管Si作为结构助剂,可以起到加固催化剂结构的作用,但无论是对催化剂的催化活性,还是对催化剂的选择性都大大的降低。Cu作为一种电子型助剂,将其加入铁/活性炭催化剂中可以促进氧化铁在氢气还原过程中还原为金作为一种结构型助剂,从Fe―Mn―K/活性炭的晶体结构发现,Fe和Mn主要以(Fe Mn)O这种镶嵌式结构的存在,增加Fe/活性炭催化剂的表面积,提高铁的分散度。其中,MnO对Fe的隔开作甩减少了高碳烃的生成,在K的协同作用下,表现出对低碳烯烃的良好选择性。由此可见,与其他助剂制备的催化剂相比,Fe―Mn―K/活性炭催化剂具有较高的催化活性和对低碳烯烃的更加良好选择性。

  2.3K对Fe―Mn―K/活性炭催化剂的颠化性能的影响通过8Fe―Mn/活性炭与5和9Fe―Mn―K/活性炭催化剂催化性能的比较,考察了K助剂对催化性能的影响。同时也测试了不同的K盐,乙酸钾制备的5与K2CO3制备的9催化剂的催化性能的差异。结果列于和以及表4中。

  从中可以看出含K元素的5、9催化剂的催化活性极为相近,CO转化率都达到了97以上,而8 Fe―Mn/活性炭催化剂的催化活性稍低,CO转化率为93.5.说明Fe―Mn―K/活性炭中的K对催化~C4=选择性接近0几乎没有烯烃产生,说明K元素对提高烯烃选择性的影响很大。而不同的K盐对催化剂的选择性也有影响,其中K盐为K2CO3的9催化剂对C2= ~C4=选择性好,可达到68以上(见表3),对C3H6选择性可达到了30同时与K盐为乙酸钾5催化剂相比减少了CH4的生成。由此可见,在Fe―Mn/活性炭催化剂中加入K有利于低碳烯烃的生成。产物中的C2选择性,分别为5为27.65、9为29.51,可见用乙酸钾制备5与K2CO3制备9催化剂在C2选择性方面几乎相同,可见K盐对产物中C2选择性影响不大。由于K是电子型助剂,它的加入能降低铁的电子亲和能,还大大抑制了低碳烯烃的烷基化,从而提高催化活性和选择性。K2CO3与乙酸钾相比,可以使催化剂表面的碱性增强,而碱性催化剂适宜于烯烃的生成,同时降低甲烷含量。

  表3不同助剂的Fe/活性炭催化剂的催化性能比较一因此,Fe―Mn―K/活性炭无论在催化活性,还是在催化选择性方面都优于其它Fe/活性炭催化剂。用此法得到的催化剂在催化性能上完全可以和以激光热解法得到的催化剂相当。

  3结论表4―Mn-K/活性炭催化性能影响对反应前及反应过程中催化体相结构的XRD测Fe、Fe34以及Cu0组成,经与合成气反应转变为―Fe、FesC2、、Fe7C3、CuO和Mn―K/活性炭催化剂的晶体结构主要以Fe嵌入MnO当中形成的(FeMn)O结构存在。经与合成气反应得出的a―Fe、FexCy以及(Fe,Mn)O与激光热解法制备的催化剂的的晶体结构相似。以Mn、Cu、Si、K为助催化剂制备的Fe/活性炭系列催化剂具有催化活性高的特点。在1.5MPa、320°C、空速600h1条件下对催化性能进行了评价,结果表明Fe―Mn―K/活性炭催化剂(K为K2CO3)的催化效果佳,⑴转化率达到97.4以上,C「~C4=选择性达到68以上。

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