Твердые продукты термокаталитической деструкции полиэтилена

Размещено на http://www.allbest.ru/

Твердые продукты термокаталитической деструкции полиэтилена

Фурда Любовь Владимировна,

Рыльцова Ирина Геннадиевна

Лебедева Ольга Евгеньевна

Кафедра общей химии. Белгородский государственный университет.

Аннотация

Показано, что в процессе деструкции полиэтилена на поверхности алюмосиликатных катализаторов образуется слой рентгеноаморфных продуктов уплотнения, содержащих углерод в своем составе. Характеристики продуктов уплотнения - максимальная температура окисления и теплотворная способность - зависят от состава алюмосиликатного катализатора.

С каждым годом возрастает количество бытовых и промышленных полимерных отходов, сжигание и захоронение которых ведет к серьезным экологическим проблемам. Один из способов решения данной проблемы - это использование полимерных отходов в качестве вторичного сырья для химической промышленности. Термокаталитическая деструкция полиэтилена и полипропилена позволяет получать широкий набор продуктов, наиболее ценными из которых считаются жидкие углеводороды [1-4]. Однако в процессе каталитического разложения всегда образуются и твердые продукты, которые изучены в меньшей степени. Так, в работе [4] показано, что твердым продуктом разложения смеси полиэтилена с гидроксидом железа является аморфный углерод. Очевидно, что накопление твердых продуктов в виде отложений на поверхности катализатора, ведет к дезактивации последнего. деструкция полиэтилен углерод

Ранее нами были опубликованы данные о каталитической деструкции полиэтилена в присутствии алюмосиликатных катализаторов и жидких продуктах данного процесса [5]. В настоящей работе детально изучены полученные в процессе деструкции твердые продукты конверсии полиэтилена.

Экспериментальная часть

В качестве катализаторов деструкции полиэтилена использовали аморфные алюмосиликаты (АС) с различным содержанием алюминия, которые синтезировали методом соосаждения компо-нентов из раствора, осуществляя совместный гидролиз спиртового раствора тетраэтоксисилана и водного раствора нитрата алюминия.

Каталитическое разложение полиэтилена проводили в установке проточного типа в токе аргона при температуре 400 єС. Степень превращения полиэтилена оценивали по массовому выходу жидких и твердых углеводородных продуктов. Методика приготовления катализаторов и проведения каталити-ческого эксперимента подробно описана в [5].

Выполнен рентгенофазовый анализ образцов отработанных катализаторов (дифрактометр ДРОН-03, шаг сканирования по 2и-0.5о, излучение - CuKб), а также их анализ методом сканирующей элект-ронной микроскопии на микроскопе Quanta 200 3D. Для некоторых образцов проведен рентгеновский энергодисперсионный анализ с помощью приставки к указанному микроскопу.

Термогравиметрический и дифференциальный термический анализ выполнен на дериватографе SDT Q600. Нагревание образца осуществлялось на воздухе со скоростью 10 градусов в минуту.

Результаты и их обсуждение

После окончания каталитического эксперимента наблюдалось две разновидности твердых продуктов: высшие углеводороды, которые при высокой температуре способны вытекать из реактора и застывать при охлаждении, и твердый черный налет, покрывавший катализаторы. Поскольку среди жидких продуктов деструкции полиэтилена было зафикси-ровано значительное количество предельных углеводородов, естественно предположить, что протекает, в числе прочих, реакции диспропорционирования, и на катализаторах отклады-ваются продукты, обедненные водородом - углерод или конденсированные полиаромати-ческие углеводороды. Будем далее именовать эти продукты продуктами уплотнения (ПУ). Рентгенофазовый анализ подтвердил аморфный характер этих отложений.

Энергодисперсионный анализ образцов показал наличие углерода в составе поверхност-ного слоя отработанного алюмосиликатного катализатора. В то же время на электронных микрофотографиях (рис. 1) не удалось обнаружить каких-либо изменений морфологии частиц отработанных катализаторов по сравнению с исходными.

Рис. 1. Микрофотография СЭМ алюмосиликата с содержанием алюминия 5.8% масс., покрытого ПУ

Рис. 2. Кривые ТГА-ДСК для образца алюмосиликата с содержанием алюминия 5.8% масс. покрытого слоем ПУ

Таблица. Данные анализа отработанных образцов алюмосиликатных катализаторов методом ТГА-ДСК

Кривые ТГА-ДСК однотипны для всех изученных образцов отработанных катализа-торов (рис. 2). На кривых наблюдаются два интервала, связанные с потерей массы. В температурном интервале 110-400 єС происходит, по всей вероятности, дегидратация и дегидроксилирование алюмосиликата. Этот участок кривых одинаков для отработанных катализаторов и для исходных образцов алюмосиликатов, не содержащих ПУ. Значительная потеря массы в интервале температур 450-650 оС, сопровождающаяся существенным экзотер-мическим эффектом, регистрируется только для отработанных катализаторов и отвечает процессу окисления ПУ на поверхности образцов. В таблице представлены характеристики этого процесса для всех изученных образцов. Из приведенных в таблице данных видно, что максимальная температура окисления ПУ для различных алюмосиликатов неодинакова. Воз-можно, это различие связано с составом ПУ, например, с различным соотношением Н/С в продуктах уплотнения, полученных в присутствии разных алюмосиликатов. Косвенным подтверждением неодинакового состава ПУ является и различие в их теплотворной способ-ности (таблица).

Рис. 3. Изменение максимальной температуры окисления ПУ для катализаторов различного состава

В целом характеристики ПУ для алюмосиликатов различного состава изменяются неза-кономерно. Наблюдается лишь тенденция к повышению максимальной температуры окисле-ния ПУ при увеличении содержания алюминия в образце алюмосиликатного катализатора (рис. 3). Это может быть вызвано изменением кислотности алюмосиликатов, влияющей, в свою очередь, на состав продуктов каталитической деструкции.

В процессе деструкции полиэтилена на поверхности алюмосиликатных катализаторов образуется слой рентгеноаморфных продуктов уплотнения, содержащих углерод в своем составе. Продукты уплотнения окисляются кислородом воздуха при 500-600 оС. Харак-теристики продуктов уплотнения - максимальная температура окисления и теплотворная способность - зависят от содержания алюмосиликата в катализаторе.

Литература

[1] Serrano D.P., Aguado J., Escola J.M. Catalytic cracking of a polyolefin mixture over different acid solid catalysts. Industrial & engineering chemistry research. 2000. Vol.39. №5. P.1177-1184

[2] Manos G., Yusof I.Y., Nicolas H., Gangas N.H., Papayannakos N. Tertiary recycling of polyethylene to hydrocarbon fuel by catalytic cracking over aluminum pillared clays. Energy & fuels. 2002. Vol.16. №2. P.485-489.

[3] Manos G., Yusof I.Y., Papayannakos N., Gangas N.H. Catalytic cracking of polyethylene over clay catalysts. Comparison with an ultrastable Y zeolite. Industrial & engineering chemistry research. 2001. Vol.40. №10. P.2220-2225.

[4] Максимова Н.И., Криворучко О.П., Сидельников В.Н. Изучение состава жидких и твердых продуктов термического и термокаталитического разложения полиэтилена, поливинилового спирта и полистирола. Ж. прикл. химии. 1998. Т.71. №8. С.1315-1320.

[5] Фурда Л.В., Рыльцова И.Г., Лебедева О.Е. Каталитическая деструкция полиэтилена в присутствии синтетических алюмосиликатов. Ж. прикл. химии. 2008. Т.81. Вып.9. С.1555-1558.

Размещено на Allbest.ru