硅膠負(fù)載雜多酸吸附脫除模擬油中的氮化物

程燕茹　王克強(qiáng)　肖昌宇　張起凱　王 雷　劉 丹

遼寧石油化工大學(xué)石油化工學(xué)院

硅膠負(fù)載雜多酸吸附脫除模擬油中的氮化物

程燕茹王克強(qiáng)肖昌宇張起凱王 雷劉 丹

遼寧石油化工大學(xué)石油化工學(xué)院

摘要以硅膠為載體，利用等體積浸漬法負(fù)載3種不同雜多酸制備一種吸附劑，以喹啉的十二烷溶液為模擬油，考察酸負(fù)載量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、劑油質(zhì)量比對(duì)油品脫氮率的影響。結(jié)果表明，在酸負(fù)載量為40%(w)，反應(yīng)溫度為50 ℃，反應(yīng)時(shí)間為45 min，劑油質(zhì)量比為1∶5的條件下，吸附劑可有效吸附脫除模擬油中的氮化物，脫氮率達(dá)到90%以上。采用傅里葉紅外光譜(FT-IR)對(duì)吸附劑的物化性質(zhì)進(jìn)行了表征。

關(guān)鍵詞硅膠雜多酸載體模擬油吸附劑

我國(guó)原油多屬高氮原油[1]，氮化物易使催化劑中毒失活，從而影響石油加工過(guò)程、產(chǎn)品使用性能及儲(chǔ)存的安定性。氮化物在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生NOX，形成酸雨，并嚴(yán)重污染環(huán)境，故需對(duì)原油進(jìn)行脫氮處理[2]。目前，油品脫氮工藝主要包括加氫脫氮和非加氫脫氮[3-4]。非加氫脫氮的方法有很多，如酸精制、溶劑精制、配合法精制及組合法精制、吸附脫氮、生物脫氮和微波脫氮等[5]。而吸附脫氮因效率高、成本低，日益受到人們的歡迎[6]。

目前，吸附脫氮常用的物理吸附劑包括硅膠、樹(shù)脂及其改性體，但吸附效果不太理想；另一種為化學(xué)吸附劑，如：常規(guī)液體酸。油品與酸溶液接觸，油相中的氮化物轉(zhuǎn)移至水相中，達(dá)到對(duì)油品脫氮的目的。但該方法回收氮化物較困難，且需對(duì)廢酸進(jìn)行處理。雜多酸不同于常規(guī)液體無(wú)機(jī)酸，其腐蝕性小，多用于催化合成[7-8]及脫硫[9-10]。為了解決純雜多酸比表面積小、熱穩(wěn)定性差的問(wèn)題，本研究將雜多酸負(fù)載在硅膠上，使雜多酸酸活性位點(diǎn)得到很好的分散，是一種較為理想的脫氮吸附劑。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

實(shí)驗(yàn)儀器包括：DF-101S 型加熱磁力攪拌器、JJ500 型電子天平、WQF-510 型傅立葉變換紅外光譜儀為、LH301-1型紅外快速干燥箱。

實(shí)驗(yàn)試劑包括：十二烷、喹啉、硅膠、磷鎢酸、硅鎢酸、磷鉬酸、苯、冰乙酸、高氯酸、乙酸酐、甲基紫和鄰苯二甲酸氫鉀。

1.2實(shí)驗(yàn)原理

物理吸附是吸附劑和吸附質(zhì)之間通過(guò)分子間作用力(即范德華力)相互吸引形成的吸附現(xiàn)象。化學(xué)吸附是吸附質(zhì)和吸附劑之間通過(guò)化學(xué)鍵力相結(jié)合，被吸附的分子和吸附劑表面的原子發(fā)生化學(xué)作用，即吸附質(zhì)和吸附劑之間發(fā)生了電子轉(zhuǎn)移、原子重排或化學(xué)鍵的破壞與生成等現(xiàn)象。

對(duì)于模擬油中的堿性氮化物(喹啉)，雜多酸是通過(guò)酸堿反應(yīng)形成難溶于水的離子締合物而脫除的。同時(shí)，硅膠孔道結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大，是一種高活性多孔固體吸附物質(zhì)，可以吸附脫除油品中的氮化物。硅膠負(fù)載雜多酸吸附脫除油品中的氮化物既存在物理吸附也存在化學(xué)吸附。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用的模擬油由十二烷與喹啉按一定比例混合而成，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 300 μg/g。將吸附劑和模擬油按一定劑油質(zhì)量比放到設(shè)定溫度的磁力攪拌器中進(jìn)行吸附反應(yīng)，達(dá)到指定時(shí)間后進(jìn)行油水分離，利用非水滴定法測(cè)定吸附后油品的氮含量，并計(jì)算脫氮率。

1.4負(fù)載型雜多酸的制備

將硅膠研磨為250~420 μm的粉末，放入馬弗爐內(nèi)在400 ℃下活化3 h，稱(chēng)取不同質(zhì)量的磷鉬酸、磷鎢酸、硅鎢酸，配成不同濃度的酸溶液，將一定量活化后的硅膠放到雜多酸水溶液中，浸漬 24 h后，將浸漬液放入干燥箱內(nèi)100 ℃下烘干。

1.5負(fù)載型雜多酸的表征

圖1中硅膠的紅外光譜圖顯示，在802.2 cm-1、472.4 cm-1、1 108.8 cm-1處分別為Si-O-Si的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰、搖擺振動(dòng)峰和Si-O-Si的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰，在3 434.6 cm-1處出現(xiàn)了Si-OH的特征峰。硅鎢酸的紅外光譜圖顯示在539.9 cm-1、784.8 cm-1、927.5 cm-1和981.5 cm-1處出現(xiàn)了4個(gè)特征峰。其中，784.8 cm-1、927.5 cm-1、981.5 cm-1處分別為W-O-W的骨架振動(dòng)峰、Si-O反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰和W=O端氧振動(dòng)峰。硅膠負(fù)載硅鎢酸在472.4 cm-1、800.3 cm-1、925.6 cm-1和1 105.0 cm-1處出現(xiàn)特征峰。

圖2中磷鎢酸的紅外光譜圖顯示在524.5 cm-1、595.8 cm-1、800.3 cm-1、889.0 cm-1、985.4 cm-1、1 079.9 cm-1處出現(xiàn)特征峰。其中，800.3 cm-1、1 079.9 cm-1、985.4cm-1處分別為 W-O-W 的骨架振動(dòng)峰、P-O反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰和 W=O 端氧振動(dòng)峰。硅膠負(fù)載磷鎢酸在1 081.8 cm-1，983.5 cm-1， 894.8 cm-1， 808.0 cm-1， 595.8 cm-1和524.5 cm-1處出現(xiàn)特征峰。

圖3中磷鉬酸的紅外光譜圖在804.1 cm-1、869.7 cm-1、960.3 cm-1、1 064.5 cm-1處出現(xiàn)特征峰。其中，1 064.5 cm-1、960.3 cm-1、869.7cm-1處分別為P-O反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰、Mo=O端氧振動(dòng)吸收峰和Mo-O-Mo共氧橋振動(dòng)峰。硅膠負(fù)載磷鉬酸在796.4 cm-1、879.3 cm-1、962.3 cm-1、1 116.5 cm-1處出現(xiàn)特征峰。從圖3中可以看出，負(fù)載后雜多酸的特征峰和純雜多酸特征峰基本一致，雖有少許位移，且強(qiáng)度有所減弱，但仍可說(shuō)明硅膠成功負(fù)載了Keggin型雜多酸。

2結(jié)果與討論

2.1負(fù)載量的影響

在反應(yīng)時(shí)間為45 min，反應(yīng)溫度為50 ℃，劑油質(zhì)量比為1∶5的條件下，考察3種負(fù)載型雜多酸在不同酸負(fù)載量下的吸附效果，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，硅膠負(fù)載3種不同雜多酸的油品脫氮率均隨著負(fù)載量的增大呈先上升后降低的趨勢(shì)。硅膠負(fù)載3種不同雜多酸均在酸負(fù)載量為40%時(shí)，油品脫氮率達(dá)到最大。硅膠負(fù)載40%磷鉬酸時(shí)，脫氮率為96.7%；硅膠負(fù)載40%硅鎢酸時(shí)，油品脫氮率為93.1%；硅膠負(fù)載40%磷鎢酸的油品脫氮率最低，為92.0%。酸負(fù)載量小于40%時(shí)，隨著酸負(fù)載量的增大，單位質(zhì)量硅膠負(fù)載的雜多酸增加，吸附劑酸活性位點(diǎn)增多，脫氮率上升。雖然雜多酸的加入增加了硅膠表面的酸活性位點(diǎn)，使吸附劑的吸附能力增強(qiáng)，但當(dāng)酸負(fù)載量超過(guò)40%時(shí)，雜多酸在硅膠孔道內(nèi)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，堵塞硅膠孔道，雜多酸酸活性位點(diǎn)不能得到有效分散，從而影響了吸附劑的吸附效果，導(dǎo)致脫氮率下降。因此，選擇40%為最佳酸負(fù)載量。在同樣的酸負(fù)載量下，硅膠負(fù)載磷鉬酸的吸附容量最大，脫氮率最高，故在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選擇硅膠負(fù)載磷鉬酸為吸附劑。

2.2劑油質(zhì)量比的影響

以硅膠負(fù)載磷鉬酸為吸附劑，在反應(yīng)時(shí)間為45 min，反應(yīng)溫度為50 ℃的條件下，以硅膠負(fù)載30%磷鉬酸、硅膠負(fù)載40%磷鉬酸和空白硅膠為吸附劑，考察不同劑油質(zhì)量比對(duì)油品脫氮率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，吸附劑分別為未負(fù)載雜多酸的空白硅膠、硅膠負(fù)載30%磷鉬酸和硅膠負(fù)載40%磷鉬酸的模擬油脫氮率均隨著劑油質(zhì)量比的增大而增大。當(dāng)劑油質(zhì)量比為1∶5時(shí)，達(dá)到吸附平衡，繼續(xù)增大劑油質(zhì)量比，脫氮率基本保持不變。劑油質(zhì)量比較小時(shí)，吸附劑達(dá)到其飽和吸附量，模擬油中的氮化物不能被完全吸附，堿性氮化物含量較高。隨著劑油質(zhì)量比的增大，吸附劑用量增加，總的吸附活性中心增多，脫氮率上升。但當(dāng)吸附劑的用量增加到足以吸附脫除模擬油中全部氮化物時(shí)，由于達(dá)到了吸附平衡，繼續(xù)增加吸附劑的用量，油品脫氮率基本保持不變。因此，選擇1∶5為最佳劑油質(zhì)量比。

2.3反應(yīng)溫度的影響

以硅膠負(fù)載磷鉬酸為吸附劑，在反應(yīng)時(shí)間為45 min，劑油質(zhì)量比為1∶5，酸負(fù)載量為40%的條件下，考察不同反應(yīng)溫度對(duì)油品脫氮率和油收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

2.4反應(yīng)時(shí)間的影響

以硅膠負(fù)載磷鉬酸為吸附劑，在反應(yīng)溫度為50 ℃，劑油質(zhì)量比為1∶5，酸負(fù)載量為40%的條件下，考察不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)油品脫氮率和油收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7可知，油品脫氮率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，油品收率基本不變。吸附前45 min，油品脫氮率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，45 min時(shí)達(dá)到最大值96.7%，此時(shí)油收率為98.4%。繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，脫氮率基本保持不變。由于在吸附反應(yīng)的初級(jí)階段，吸附推動(dòng)力大于阻力，即吸附速率大于脫附速率。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，吸附劑的吸附量逐漸增大，脫氮率升高，在45 min時(shí)達(dá)到吸附平衡。繼續(xù)延長(zhǎng)吸附時(shí)間，油品脫氮率基本保持不變。因此，選擇45 min為最佳吸附時(shí)間。

3結(jié) 論

(1) 采用傅里葉紅外光譜(FT-IR)對(duì)自制吸附劑進(jìn)行表征，檢測(cè)結(jié)果表明負(fù)載后的雜多酸仍保持純雜多酸的基本結(jié)構(gòu)，具有明顯的Keggin結(jié)構(gòu)特征峰，表明硅膠已經(jīng)成功地負(fù)載了雜多酸。

(2) 硅膠負(fù)載雜多酸可有效吸附脫除模擬油中的堿性氮化物，硅膠負(fù)載雜多酸既解決了單獨(dú)使用硅膠吸附的低脫氮率問(wèn)題，又解決了因純雜多酸比表面積小不能充分與氮化物接觸的問(wèn)題，是一種理想的脫氮吸附劑。

(3) 本實(shí)驗(yàn)最佳條件是硅膠負(fù)載磷鉬酸為吸附劑，酸負(fù)載量為40%，劑油質(zhì)量比為1∶5，反應(yīng)溫度為50 ℃，反應(yīng)時(shí)間為45 min。在此條件下模擬油脫氮率達(dá)到96.7%，油收率為98.4%。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 譚漢森, 方向晨. 重油餾分加氫脫氮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的研究[J]. 石油學(xué)報(bào), 1992, 8(1): 1-9.

[2] 馬麗娜, 馬守濤, 劉麗瑩, 等. 焦化蠟油絡(luò)合脫氮-催化裂化組合工藝研究[J]. 石油與天然氣化工, 2011, 40(6): 571-573.

[3] 劉洪濤. 潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油非加氫脫氮技術(shù)研究開(kāi)發(fā)進(jìn)展[J]. 潤(rùn)滑油, 2002,17(1): 34-38.

[4] 顏家保, 鄒雄, 夏明桂. 催化裂化柴油中堿性氮化物的脫除[J]. 石油煉制與化工, 2005, 36(3): 25-28.

[5] 陳文燕, 陳永立, 張海兵, 等. 石油產(chǎn)品非加氫脫氮技術(shù)對(duì)比分析[J]. 新疆石油天然氣, 2010, 6(1): 74-77.

[6] 紀(jì)緒強(qiáng), 趙杉林, 郭文玲, 等. 柴油非加氫脫氮技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 化工科技, 2006, 14(4): 57-61.

[7] LI G, WANG G, GAO Y, et al. Catalytic oxidation of toluene tobenzaldehyde over keggin-type heteropolyacid compounds[J]. Fine Chem, 2010, 28(1): 85-93.

[8] 徐明波, 龔 君, 楊水金.硅膠負(fù)載硅鎢酸催化合成丁醛乙二醇縮醛[J]. 湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2011, 31(3): 21-24.

[9] 李新華, 董圓圓, 韓芹, 等. 磷鉬釩雜多酸的制備及氧化脫硫性能的研究[J]. 工業(yè)催化, 2006, 14(增刊l): 402-404.

[10] LI C, JIANG Z, GAO J, et al. Ultra-deep desulfurization of diesel: Oxidation with a recoverable catalyst assembled in emulsion[J]. Chemistry-A European Journal, 2004, 10(9): 2277-2280.

Adsorption and removal of the nitride in simulated oil with silica-supported heteropoly acid

Cheng Yanru, Wang Keqiang, Xiao Changyu, Zhang Qikai, Wang Lei, Liu Dan

(CollegeofPetrochemicalEngineering,LiaoningShihuaUniversity,Fushun113001,China)

Abstract:Using silica gel as a carrier, three different kinds of heteropolyacids were loaded to prepare a kind of adsorbent by equal volume impregnation method. Using the mixed solution of quinoline and dodecane as simulated oil, the influence of heteropolyacid loading, reaction time, reaction temperature, and mass ratio of adsorbent to oil on denitrification rate of oil were studied. The results showed that under the conditions of the acid loading of 40%, the reaction temperature of 50 ℃, the reaction time of 45 minutes, and the mass ratio of adsorbent to oil of 1∶5, the nitride in the oil can be effectively removed with the presence of adsorbent, and the denitrification rate of oil is more than 90%. The physical and chemical properties of the adsorbent were characterized by FT-IR.

Key words:silica gel, heteropolyacids, carrier, simulated oil, adsorbent

收稿日期：2014-06-17；編輯：溫冬云

中圖分類(lèi)號(hào)：TE624.4+31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2015.02.001

作者簡(jiǎn)介：程燕茹(1991-)，女，天津人，遼寧石油化工大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事清潔燃料生產(chǎn)技術(shù)的研究。E-mail:cyr15041396883@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“環(huán)境友好型功能化離子液體的合成及其催化氧化深度脫硫”(21103077)；遼寧省自然科學(xué)基金“金屬有機(jī)骨架(MOF)材料在清潔燃料選擇性吸附脫硫中的應(yīng)用研究”(201102120)。