宋守強(qiáng),李黎聲,李明罡,張鳳美,舒興田
(1.中海油研究總院,北京100027;2.中國石化 石油化工科學(xué)研究院,北京100083)
乙烯和丙烯是現(xiàn)代石油化學(xué)工業(yè)的重要基礎(chǔ)原料,增產(chǎn)乙烯和丙烯技術(shù)以及原料可替代技術(shù)始終是世界各大石油公司和研究機(jī)構(gòu)長期關(guān)注與研發(fā)的熱點(diǎn)[1-6]。我國能源賦存特點(diǎn)相對“富煤、貧油和少氣”,發(fā)展現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)和煤制烯烴技術(shù)有著迫切需要。目前,在國內(nèi)煤制烯烴領(lǐng)域已經(jīng)形成中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的DMTO技術(shù)、中國石化上海石油化工研究院的SMTO技術(shù)以及國外UOP/Hydro的MTO技術(shù)共存局面,均以SAPO-34分子篩作為催化劑。關(guān)于SAPO-34分子篩催化劑的性能[7-12]、制備[13-15]、MTO 反應(yīng)條件[16-19]及反應(yīng)機(jī)理[20-22]的研究報道已經(jīng)有許多,但是關(guān)于SAPO-34分子篩磷改性和機(jī)理以及對MTO反應(yīng)性能影響的研究報道較少[23]。
筆者選取Si含量和晶粒大小不同的2種H-SAPO-34分子篩,結(jié)合飽和浸漬和水熱處理負(fù)載不同數(shù)量的磷氧化物,對其進(jìn)行磷改性??疾旆肿雍Y的物相、孔結(jié)構(gòu)和酸性以及結(jié)構(gòu)元素配位隨磷負(fù)載量的變化,分析磷改性作用機(jī)理,采用脈沖微反實(shí)驗(yàn)技術(shù)評價磷改性對催化劑催化甲醇轉(zhuǎn)化性能的影響。
2個SAPO-34分子篩樣品,n(Si)/n(Si+Al+P)為0.120的樣品來自湖南建長石化有限責(zé)任公司,n(Si)/n(Si+Al+P)為0.086的樣品來自中國石化石油化工科學(xué)研究院;磷酸氫二銨((NH4)2HPO4),分析純,北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司產(chǎn)品;甲醇(CH3OH),一級色譜純,天津市四友生物醫(yī)學(xué)技術(shù)有限公司產(chǎn)品。
SAPO-34分子篩合成原料中不含Na等堿金屬離子,所以原粉在570℃焙燒2h脫除模板劑后即為H型分子篩H-SAPO-34。以H-SAPO-34分子篩為基準(zhǔn),即其n(P)/n(Si)=0。按照磷負(fù)載量(即n(P)/n(Si))分 別 為 0.33、0.67、1.00、1.33 和1.67的比例,稱取所需 (NH4)2HPO4固體并配制成一定濃度水溶液,與H-SAPO-34分子篩進(jìn)行飽和浸漬。在烘箱中120℃烘干處理4~12h,之后置于水熱老化裝置中在550℃和100%水蒸氣氣氛下水熱處理2h,即得到磷改性的H-SAPO-34分子篩樣品。n(Si)/n(Si+Al+P)為0.120和0.086的 H-SAPO-34分子篩的樣品編號分別為S1、S2,所對應(yīng)的磷改性樣品編號依次為P-S1-1~P-S1-4和P-S2-1~P-S2-5。
所得分子篩樣品經(jīng)壓片和篩分,取20~40目顆粒用于反應(yīng)評價。
采用Philips公司Analytical型X射線衍射儀對分子篩樣品進(jìn)行物相分析;Cu靶,Kα輻射,Ni濾波片,超能探測器,管電壓30kV,管電流40mA。采用Rigaku公司3271E型X射線熒光光譜儀測定分子篩樣品的元素含量。采用Micromeritics公司ASAP2400型靜態(tài)N2吸附儀測定分子篩樣品的比表面積和孔體積;試樣先在550℃下真空脫氣4h,冷卻后進(jìn)行N2吸附-脫附實(shí)驗(yàn),按照BET公式計算比表面積,相對壓力為0.98時吸附N2的體積作為試樣的孔體積。采用Micromeritics公司AutochemⅡ2920程序升溫脫附儀測定分子篩樣品的酸性;催化劑裝量0.2g,He流量25mL/min,以20℃/min升溫至600℃,吹掃60min驅(qū)除催化劑表面吸附的雜質(zhì),然后降溫至100℃,換成NH3-He混合氣(NH3體積分?jǐn)?shù)為10.02%)吸附30min,再繼續(xù)以He氣吹掃90min至基線平穩(wěn),以脫附物理吸附NH3,再以10℃/min升溫至600℃進(jìn)行脫附,保持30min,脫附結(jié)束;采用TCD檢測器檢測NH3濃度變化,積分得到總酸量,通過模擬分峰確定強(qiáng)、弱酸脫附溫度和酸量。
采用Varian INOVA300型核磁共振波譜儀測定分子篩樣品的29Si NMR、27Al NMR和31P NMR譜;固體雙共振探頭,φ6mm ZrO2轉(zhuǎn)子。29Si NMR的共振頻譜為59.588MHz,魔角轉(zhuǎn)速為3kHz,采樣時間0.02s,脈寬1.5μs(對應(yīng)20°扳倒角),循環(huán)延遲時間3s,掃描次數(shù)3000次,以Si(CH3)4為標(biāo)樣;27Al NMR的共振頻率為78.162MHz,魔角轉(zhuǎn)速為5kHz,采樣時間0.02s,脈寬0.3μs(對應(yīng)18°扳倒角),循環(huán)延遲時間1.0s,掃描次數(shù)6000次, 以 1mol/L 的 Al(H2O)3+6為標(biāo)樣;31P NMR的共振頻率為124.424MHz,魔角轉(zhuǎn)速為5kHz,采樣時間0.02s,脈寬1.2μs(對應(yīng)30°扳倒角),循環(huán)延遲時間1.0s,掃描次數(shù)3000次,以85%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的H3PO4為標(biāo)樣。
MTO脈沖微反評價裝置由石英管反應(yīng)器(300mm×φ8mm×2mm)、電加熱爐、溫控儀、氣相色譜儀、積分儀和氣路系統(tǒng)構(gòu)成。
反應(yīng)管中裝填分子篩顆粒0.1g,采用微量注射器進(jìn)樣,每次甲醇進(jìn)樣體積0.5μL。改變反應(yīng)溫度考察分子篩催化劑對甲醇轉(zhuǎn)化的催化活性,每個溫度至少重復(fù)2次實(shí)驗(yàn),取絕對誤差不大于1%的2次數(shù)據(jù)作為評價結(jié)果。
采用配有Porapak Q填充柱(2500mm×φ3mm×0.25mm)和氫焰離子化(FID)檢測器的氣相色譜儀測定反應(yīng)產(chǎn)物組成。經(jīng)標(biāo)定確認(rèn)的產(chǎn)物有CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6,以及芳烴中的C6H6、C6H5CH3、C6H4(CH3)2。C4烴、C5烴、C6+烴按碳數(shù)分離。采用峰面積歸一法對產(chǎn)物定量,并通過質(zhì)量校正因子、摩爾校正因子和烴碳數(shù)校正因子校正后計算甲醇轉(zhuǎn)化率及各烴產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
2.1.1 對物相及相對結(jié)晶度的影響
圖1為H-SAPO-34分子篩樣品S1和S2的形貌,磷改性后樣品的元素組成和相對結(jié)晶度列于表1。由圖1看到,S1和S2均為立方晶體,但具有不同晶粒尺寸。樣品S1的晶粒尺寸范圍為5~10μm,樣品S2的晶粒尺寸范圍為3~6μm,晶體表面存在一些缺陷孔,晶體中還夾雜少量無定型顆粒。
由表1可知,隨著n(P)/n(Si)增加,磷改性樣品中的Si和Al的摩爾分?jǐn)?shù)降低,P的摩爾分?jǐn)?shù)增加。樣品S1經(jīng)磷改性后相對結(jié)晶度隨n(P)/n(Si)增加而有規(guī)律降低;樣品S2經(jīng)磷改性后情況不同,盡管相對結(jié)晶度下降,但是當(dāng)n(P)/n(Si)在0.33~1.00范圍基本保持不變。
圖1 H-SAPO-34分子篩樣品的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of H-SAPO-34samples
表1 磷負(fù)載量(n(P)/n(Si))對磷改性H-SAPO-34分子篩元素組成和相對結(jié)晶度的影響Table 1 The effects of n(P)/n(Si)on relative crystallinity and element composition of P-modified H-SAPO-34samples
H-SAPO-34分子篩樣品S1、S2和磷改性后樣品的XRD譜示于圖2。由圖2可見,各樣品在2θ為26°和31°左右均出現(xiàn)SAPO-34分子篩的特征雙峰[24]。S1經(jīng)磷改性后,隨著n(P)/n(Si)增加,其特征衍射峰強(qiáng)度下降;S2經(jīng)過磷改性后,其特征衍射峰強(qiáng)度在n(P)/n(Si)為0.33~1.00范圍內(nèi)基本沒有變化,當(dāng)n(P)/n(Si)較大時,在2θ為20.4°和21.5°處出現(xiàn)磷酸鋁鹽的鱗石英特征衍射峰,表明有AlPO4鹽鱗石英相析出,分子篩結(jié)構(gòu)部分被破壞。
圖2 不同磷負(fù)載量(n(P)/n(Si))的磷改性 H-SAPO-34分子篩的XRD譜Fig.2 XRD patterns of P-modified H-SAPO-34with different n(P)/n(Si)
2.1.2 對孔結(jié)構(gòu)的影響
H-SAPO-34分子篩樣品S1、S2和其磷改性后樣品的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表2,它們的N2吸附-脫附等溫線和孔徑分布曲線示于圖3。由表2可知,與S2高達(dá)59m2/g的外表面積相比,S1的外表面積很小,只有5m2/g,總孔體積也較小。在n(P)/n(Si)均為0.33時,磷改性樣品P-S1-1的外表面積可忽略不計,而磷改性樣品P-S2-1的外表面積仍高達(dá)23m2/g;當(dāng)n(P)/n(Si)為1.00時,S2磷改性樣品的外表面積仍可達(dá)6m2/g。從孔體積降幅看,S2磷改性樣品的降幅均大于S1磷改性樣品的降幅。
表2 H-SAPO-34分子篩樣品S1、S2和其磷改性后樣品的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 The pore structure parameters of S1and S2and their P-modified samples
由圖3(a)、(b)可知,對于S1及其磷改性樣品,N2吸附-脫附等溫線所對應(yīng)的孔體積隨著樣品的n(P)/n(Si)增加而減小,n(P)/n(Si)為0.67和1.00樣品的孔體積相近,相對結(jié)晶度也相近;對于S2及其磷改性樣品,n(P)/n(Si)為0.33樣品的孔體積比n(P)/n(Si)=0的樣品大幅度減小,對應(yīng)相對結(jié)晶度也大幅度下降,n(P)/n(Si)在0.33~1.00之間的樣品的孔體積相近,相對結(jié)晶度也幾乎無變化,但n(P)/n(Si)為1.33和1.67樣品的孔體積均顯著降低,相對結(jié)晶度降幅也很大。
由圖3(a′)、(b′)可知,對于S1及其磷改性樣品,磷改性樣品在孔徑范圍4~20nm少量孔的消失體現(xiàn)了磷氧化物的填充效應(yīng)。對于S2及其磷改性樣品,隨著n(P)/n(Si)的增加,樣品在孔徑范圍4~20nm納米孔的孔體積有規(guī)律減少,既體現(xiàn)了填充效應(yīng),又反映出磷氧化物在分子篩外表面均勻分布的特征;當(dāng)孔徑分布曲線接近重合時,孔體積和外表面積也明顯變小(見表2)。
圖3 H-SAPO-34分子篩樣品S1、S2和其磷改性后樣品的N2吸附-脫附等溫線和孔徑分布曲線Fig.3 N2adsorption-desorption isotherms and BJH pore size distribution profiles of S1and S2and their P-modified samples
2.1.3 對酸性的影響
H-SAPO-34分子篩樣品S1、S2和其磷改性后樣品的酸性列于表3。由表3可知,對于S1及其磷改性樣品,隨著n(P)/n(Si)增加,強(qiáng)酸酸量逐漸下降,強(qiáng)酸所對應(yīng)的脫附溫度也降低。S2及其磷改性樣品卻出現(xiàn)異樣現(xiàn)象,在n(P)/n(Si)為0.33時,強(qiáng)酸和弱酸的酸量均比S2增加12%左右,而且對應(yīng)強(qiáng)酸的脫附溫度提高18℃以上;n(P)/n(Si)在0.33~1.00范圍增加時,強(qiáng)酸和弱酸的酸量緩慢下降,酸量仍較高。
2.1.4 對29Si、27Al、31P NMR譜的影響
H-SAPO-34分子篩樣品S1、S2及其磷改性樣品的27Al、31P和29Si NMR譜如圖4所示。
H-SAPO-34分子篩的27Al、31P和29Si NMR譜的共振峰和化學(xué)位移均與吸水或脫水狀態(tài)有關(guān)。由于極易吸水,常見H-SAPO-34樣品的NMR譜均在吸水狀態(tài)時測得;吸水狀態(tài)時27Al NMR譜在化學(xué)位移42和-13處各有一峰,當(dāng)脫水后,化學(xué)位移-13附近的共振峰消失,化學(xué)位移42處的共振峰移至34[25-28];吸水狀態(tài)時29Si NMR譜在化學(xué)位移-90[28-29]左右存在一寬化共振峰,經(jīng)焙燒脫水后峰形變尖銳;吸水狀態(tài)時31P NMR譜在化學(xué)位移-27附近存在主共振峰,在-15附近存在肩峰,經(jīng)焙燒脫水后肩峰消失,主化學(xué)位移共振峰變尖銳,對稱性提高[26]。
表3 H-SAPO-34分子篩樣品S1、S2和其磷改性后樣品的酸性參數(shù)Table 3 Acidity parameters of S1and S2and their P-modified samples
圖4 H-SAPO-34分子篩樣品S1、S2及其磷改性樣品的27 Al、31P和29Si NMR譜Fig.4 29Si,27 Al,31P NMR spectra of S1and S2and their P-modified samples
Buchholz等[27]認(rèn)為,H-SAPO-34分子篩骨架中四配位骨架 Al(Al(OSi)n(OP)4-nHn(n=0,1))共振峰的化學(xué)位移為34,當(dāng)Si—OH—Al橋羥基與3個水分子發(fā)生物理吸附或氫鍵結(jié)合時,化學(xué)位移共振峰移至42,當(dāng)橋羥基斷裂并與3個水分子配位形成六配位骨架Al時,化學(xué)位移為-13。四配位骨架P的共振峰化學(xué)位移為-27,當(dāng)P—O—Al鍵中Al原子和吸附水形成六配位Al時,Al的化學(xué)位移也是-13,當(dāng)P—O—Al斷裂,P與2分子水鍵合形成五配位P時,P的化學(xué)位移為-15,這時的Al吸附3分子水形成六配位Al,化學(xué)位移為-13。因此,在H-SAPO-34分子篩處于吸水狀態(tài)時,六配位Al的比例很高,配位情況也較復(fù)雜。
從圖4(a1)和(b1)可以看出,隨著n(P)/n(Si)增加,磷改性樣品的27Al NMR譜在化學(xué)位移-13處的共振峰強(qiáng)度和峰面積逐漸縮小,化學(xué)位移42處的主共振峰強(qiáng)度和峰面積不斷增加,表明負(fù)載的磷氧化物在分子篩表面與Si—OH—Al橋羥基以及P—O—Al基中的Al發(fā)生作用,形成新的磷氧鋁配位結(jié)構(gòu)。以S2磷改性樣品為例,當(dāng)n(P)/n(Si)為1.67時,化學(xué)位移42處的共振峰降至化學(xué)位移40左右,與磷酸鋁鱗石英相生成有直接關(guān)系。
從圖4(a2)和(b2)可以看出,隨著n(P)/n(Si)的增加,磷改性樣品的31P NMR譜中肩峰的峰強(qiáng)度和峰面積比例均降低,表明負(fù)載的磷氧化物在分子篩表面和P—O—Al基中的P發(fā)生作用,形成新的磷氧配位結(jié)構(gòu);主共振峰化學(xué)位移由-27移至-29~-30.5,峰強(qiáng)度和峰面積比例升高。化學(xué)位移-32±2處的P共振峰與骨架鋁Al—O—P結(jié)構(gòu)的二級配位環(huán)境[30]有關(guān),進(jìn)一步表明負(fù)載的磷氧化物和表面P配位成鍵。
從圖4(a3)和(b3)可以看出,隨著n(P)/n(Si)增加,S1、S2磷改性樣品的29Si NMR譜除了主化學(xué)位移-90的峰外,在-110附近有新峰出現(xiàn),表明在SAPO-34分子篩局部結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)Si(OSi)4無定形相[28-29],樣品S1在n(P)/n(Si)為0.33時已十分明顯,而樣品S2在n(P)/n(Si)大于1.0時才比較顯著,與表面Si—OH—Al的密度有關(guān)。由此表明,磷改性不僅會破壞H-SAPO-34分子篩的骨架結(jié)構(gòu),還會促進(jìn)磷酸鋁AlPO4鱗石英相和Si(OSi)4無定形相析出。
通過以上對H-SAPO-34分子篩磷改性研究發(fā)現(xiàn),n(P)/n(Si)對2組 H-SAPO-34分子篩性質(zhì)的影響存在差異,如低硅小晶粒樣品S2在n(P)/n(Si)為0.33~1.00范圍時出現(xiàn)相對結(jié)晶度不下降和酸量異常升高現(xiàn)象。為此,探討H-SAPO-34分子篩磷改性的作用機(jī)理。
由于樣品S2的外表面積較大以及Si含量較低,分子篩晶體外表面暴露的Si—OH—Al結(jié)構(gòu)的密度較低,P—O—Al結(jié)構(gòu)的密度大,所以表面骨架Al和骨架P的數(shù)量多,表面骨架Si的數(shù)量相對較少。當(dāng)n(P)/n(Si)為0.33時,出現(xiàn)相對結(jié)晶度大幅降低和酸量異常增加現(xiàn)象,表明負(fù)載的磷氧化物和表面的骨架Al和骨架P鍵合。當(dāng)磷氧化物和表面骨架Al鍵合時,將造成表面Si—OH—Al結(jié)構(gòu)和P—O—Al結(jié)構(gòu)破壞并引起相對結(jié)晶度降低;當(dāng)部分磷氧化物和表面骨架P鍵合時會形成縮聚磷酸,引起酸量異常升高。
n(P)/n(Si)在0.33~1.00時,相對結(jié)晶度不變化,而且酸量仍較高,表明磷改性H-SAPO-34表面的骨架Al和骨架P的PO4配位沒有達(dá)到飽和,沒有引起結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞。但是,當(dāng)繼續(xù)增加n(P)/n(Si)時,將促進(jìn)骨架Al的骨架鍵斷裂并以磷酸鋁鹽AlPO4鱗石英相析出,同時也促進(jìn)骨架Si的骨架鍵斷裂并以Si(OSi)4無定形相析出。
以上分析表明,在高溫水熱條件下,磷氧化物能夠均勻分布在H-SAPO-34分子篩晶體的外表面,并隨機(jī)與表面的P—O—Al鍵和Si—OH—Al鍵的骨架元素發(fā)生作用。當(dāng)磷氧化物和分子篩表面的骨架Al和骨架P發(fā)生配位,有破壞骨架鍵的作用,并引起相對結(jié)晶度、比表面積、孔體積以及酸量降低。隨著n(P)/n(Si)增加,骨架 Al的磷氧化物配位數(shù)增加,促進(jìn)了磷酸鋁鱗石英相的生成,以及分子篩表面局部骨架脫硅遷移和析出Si(OSi)4無定形相。
在反應(yīng)溫度450、500℃下對S1、S2及其磷改性樣品進(jìn)行甲醇脈沖微反評價。結(jié)果顯示,各樣品催化MTO反應(yīng)的甲醇轉(zhuǎn)化率均為100%,說明在該實(shí)驗(yàn)條件下不能區(qū)分n(P)/n(Si)對分子篩樣品催化 MTO反應(yīng)活性的影響,但n(P)/n(Si)影響反應(yīng)產(chǎn)物烴的碳數(shù)分布和烴類產(chǎn)物選擇性。
2.3.1 對反應(yīng)產(chǎn)物烴的碳數(shù)分布的影響
在不同反應(yīng)溫度下,磷改性H-SAPO-34分子篩催化MTO反應(yīng)產(chǎn)物烴的碳數(shù)分布隨分子篩中n(P)/n(Si)的變化示于圖5。
由圖5可知,在不同反應(yīng)溫度下,無論是以S1還是S2的磷改性樣品為催化劑,C2和C3烴都是MTO的重要烴產(chǎn)物;隨著n(P)/n(Si)增加,產(chǎn)物中C4、C5烴的含量有所下降,C2烴的含量明顯增加,表明H-SAPO-34分子篩經(jīng)磷改性后進(jìn)一步提高了其對產(chǎn)物的擇形性。
2.3.2 對烴類產(chǎn)物選擇性的影響
以反應(yīng)溫度500℃時S2及其磷改性樣品催化MTO反應(yīng)所得烴類產(chǎn)物選擇性變化說明磷改性效果,結(jié)果列于表4。
圖5 不同反應(yīng)溫度下不同n(P)/n(Si)磷改性H-SAPO-34分子篩催化MTO產(chǎn)物烴的碳數(shù)分布Fig.5 The carbon number distributions of hydrocarbon products from MTO over P-modified H-SAPO-34with different n(P)/n(Si)at different temperatures
表4 S2及其磷改性樣品催化MTO反應(yīng)所得烴類產(chǎn)物選擇性Table 4 Hydrocarbon selectivity in MTO over S2and its P-modified samples
由表4可知,隨著n(P)/n(Si)增加,、+的選擇性提高,C4和C5選擇性下降,但是選擇性和/(+)也降低,表明磷改性在提高擇形性的同時,也會影響反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散性能,加劇了氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)發(fā)生。在反應(yīng)溫度500℃時,適宜的n(P)/n(Si)在0.33~1.33范圍,n(P)/n(Si)為1.33時,對C、C+C烯烴的選擇性最高,分別達(dá)43.20%和81.45%,與磷改性前相比分別提高了8.1和3.9百分點(diǎn)。
(1)在對H-SAPO-34進(jìn)行磷改性時,高溫水蒸氣作用可以使磷氧化物均勻分布在H-SAPO-34分子篩晶體的外表面,并隨機(jī)與外表面的骨架Al和骨架P發(fā)生化學(xué)配位,造成骨架P—O—Al鍵和Si—OH—Al鍵斷裂,并引起晶體表面結(jié)構(gòu)破壞和相對結(jié)晶度下降。提高磷負(fù)載量促進(jìn)了磷酸鋁鹽AlPO4鱗石英相生成和無定型相Si(OSi)4析出,并伴隨孔結(jié)構(gòu)破壞和酸量減少。
(2)H-SAPO-34分子篩經(jīng)過適度磷改性后用于甲醇制烯烴(MTO)反應(yīng),產(chǎn)物中C4、C5烴的含量有所下降,C2烴的含量明顯增加,擇形性提高;乙烯選擇性提高,但是由于堵孔效應(yīng)導(dǎo)致氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)增加,丙烯選擇性降低,進(jìn)一步證明磷改性有修飾分子篩外表面孔口的作用。
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