Этилен из метана

Химическая переработка метана. Физико-химические характеристики синтезированных материалов. Установка для проведения окислительной конденсации метана. Сравнение каталитических свойств Li–W–Mn–SiO2 катализаторов в окислительной конденсации метана.

Рубрика Химия
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 11.12.2019
Размер файла 2,0 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

б. Молекулярная формула вольфрамата металла определена методом РФА.

в. Условия реакции: T = 800 °C, CH4:O2 = 3.2:1, объёмная скорость подачи сырья 25400 мл·г-1·час-1, масса катализатора 0.2 г, время испытания 5 часов

Исследовательской группой Софранко [36] было установлено, что введение ионов щелочных и щелочноземельных металлов в состав Mn/SiO2 катализатора улучшает его каталитические свойства в ОКМ. В связи с этим было сделано предположение о том, что ионы Na+ способствуют увеличению валентности поверхностных соединений марганца, повышая селективность катализатора.

Исследование свежеприготовленных Me-W-Mn/SiO2 катализаторов [18] и катализаторов после реакции показало, что удельная поверхность Li-, Na-, K-, Ba-, и Ca-содержащих катализаторов заметно снизилась по сравнению с удельной поверхностью катализаторов, промотированных ионами Fe, Co, Ni и Al. Изменение удельной поверхности может быть связано с влиянием химической природы промоторов на переход аморфного SiO2 в б-кристобалит или с образованием силикатов, так как кристаллический б-кристобалит и силикаты щелочных и щелочноземельных металлов являются материалами с низкой удельной поверхностью [18].

Исследование состава поверхности свежих катализаторов и катализаторов, проработавших 5 часов в ОКМ, выявило увеличение поверхностной концентрации Mn в составе всех исследованных катализаторов [18]. Также в составе исследованных катализаторов наблюдалась миграция ионов Li, Na, K и Ba из объёма катализатора к его поверхности и обратная миграция ионов Ca, Fe, Co, Al и Ni в объём катализатора.

Исследование поверхности свежеприготовленных образцов Na-Mn-W/SiO2 и K-Mn-W/SiO2 катализаторов выявило наличие оксида марганца и тетраэдров WO4, в то время как октаэдры WO6 на поверхности данных катализаторов отсутствуют [18]. При этом в ходе каталитического эксперимента в течение 5 часов изменения поверхностной структуры натриевого и калиевого катализаторов не наблюдалось.

На поверхности свежеприготовленного Li-W-Mn/SiO2 катализатора обнаружены тетраэдрический WO4, октаэдрический WO6 и кварц, а оксид марганца не выявлен. После испытания в ОКМ в течение 5 часов содержание тетраэдрического WO4 на поверхности литиевого катализатора сильно уменьшилось, в то время как содержание октаэдрического WO6 значительно возросло, что сопровождалось снижением конверсии CH4 и селективности по C2H4. Данный результат указывает на важность присутствия тетраэдрического WO4 в составе Me-Mn-W/SiO2 катализатора для обеспечения конверсии CH4 и селективного образования C2H4. Аналогичный эффект наблюдался на катализаторе Ba-W-Mn/SiO2 (таблица 1.2.2.1.3, строки 7 и 8) [18].

В составе Al (Ca,Fe,Co,Ni)-W-Mn/SiO2 и 3.1%W-2%Mn/SiO2 катализаторов выявлено наличие только октаэдров WO6, что соотносится с пониженной конверсией CH4 и селективностью образования продуктов C2 по сравнению с Na- и K-промотированными катализаторами.

Таким образом, тетраэдрические группы WO4 являются важным компонентом, необходимым для формирования эффективного Me-W-Mn/SiO2 катализатора ОКМ. Авторы [18] отмечают, что тетраэдрический WO4 устойчив в составе Na(K)-W-Mn/SiO2 катализаторов, в которых SiO2 находится в форме б-кристобалита, тогда как в составе Li (Ba)-W-Mn/SiO2 катализаторов, в которых SiO2 аморфный или закристаллизован в форме кварца, тетраэдрический WO4 нестабилен.

Исследование Na (K)-W-Mn/SiO2 катализаторов после испытания в ОКМ в течение 5 часов методом ИК-Фурье спектроскопии показало, что тетраэдрический WO4 стабилен в присутствии б-кристобалита [18].

Аналогичное исследование Li-W-Mn/SiO2 катализатора до и после реакции показало, что тетраэдрический WO4 слабо взаимодействует с кварцем, вследствие чего тетраэдрический WO4 в этой системе нестабилен. Результаты исследования свежего Ba-W-Mn/SiO2 катализатора указывают на сильное взаимодействие вольфрама, оксида марганца и аморфного SiO2. Однако в ходе ОКМ сила этого взаимодействия изменяется.

Результаты исследования свежих Al(Ca,Fe,Co,Ni)-W-Mn/SiO2 катализаторов методом ИК-спектроскопии позволяют предположить, что в их составе присутствует октаэдрический WO6, который слабо взаимодействует с аморфным SiO2. В условиях ОКМ октаэдрический WO6, присутствующий в составе катализатора вместе с аморфным SiO2, является нестабильным.

Важная роль тетраэдров WO4 в достижении высокой конверсии CH4 и селективности по C2 в ОКМ может заключаться в том, что тетраэдрический WO4 обладает подходящей геометрической структурой и энергетическими характеристиками для активации молекул метана в условиях ОКМ.

В соответствии с гомогенно-гетерогенным механизмом ОКМ отщепление атома водорода от молекулы метана происходит при взаимодействии метана с поверхностью катализатора с образованием необходимого переходного состояния. Согласно принципу минимальной энергии системы, молекула CH4 и поверхностные активные центры катализатора должны обладать подходящими энергетическими и геометрическими характеристиками. Длина связи W-O в Na-W-Mn/SiO2 катализаторе составляет 1.77 Е [19], а длина связи C-H в молекуле CH4 равна 1.106 Е [64]. При взаимодействии CH4 с WO4 или WO6 атомы водорода молекулы CH4 взаимодействуют с атомами O, а атомы углерода взаимодействуют с атомами W. Модели взаимодействия WO4 и WO6 с метаном с низкой энергией системы представлены на рисунке 1.2.2.1.1.

Рисунок 1.2.2.1.1 Схема модели переходного комплекса CH4 с тетраэдрами WO4 (A) и октаэдрами WO6 (Б) [18]

Атомы водорода Ha и Hb молекулы CH4 взаимодействуют с различными атомами кислорода Oa и Ob в WO4 или WO6. Расчетные параметры структуры моделей представлены в таблице 1.2.2.1.4.

Таблица 1.2.2.1.4

Структурные параметры модели переходного комплекса тетраэдрического WO4 и октаэдрического WO6 с тетраэдрической молекулой CH4

Координация вольфрама

Длина связи, Е

Угол связи, град

W-O,[19]

C-H, [64]

W···C, [19]

Ha···Oa···Hb, [19]

Oa···Hb···Ob, [19]

тетраэдрический WO4

1.770

1.106

0.959

138

137

октаэдрический WO6

1.770

1.106

1.391

128

151

Расчетная длина связи W···C между атомом W тетраэдра WO4 и атомом C молекулы CH4 (0.959 Е) меньше, чем длина связи между атомом W октаэдра WO6 и атомом C в молекуле CH4 (1.391 Е). Также на рисунке 1.2.2.1.1, A угол связи Ha-Oa-Hb (138є) практически равен углу связи Oa-Hb-Ob (137є). Однако, в переходном состоянии, сформированном WO6 и CH4(рисунок 1.2.2.1.1, B), углы связей Ha-Oa-Hb (128є) и Oa-Hb-Ob (151є) значительно различаются, свидетельствуя об их напряженности в составе переходного комплекса. Следовательно, данный переходный комплекс характеризуется более высокой энергией.

Таким образом, переходное состояние WO4, взаимодействующего с CH4, представляется более устойчивым по сравнению с переходным состоянием WO6 и CH4. Чем больше тетраэдров WO4 присутствует в катализаторе, тем более высокую активность и селективность в ОКМ можно от него ожидать. Этим можно объяснить тот факт, что Na-W-Mn/SiO2 катализатор обладают более высокой активностью и селективностью по сравнению с Ca-, Fe-, Ni-, Co-, и Al-модифицированными каталитическими системами.

В работе [16] исследовано влияние количества марганца в составе Na-W-Mn/SiO2 катализатора на его каталитические свойства в ОКМ. В таблице 1.2.2.1.5 представлены результаты исследования каталитических свойств 0.8%Na-3.1%W-z%Mn/SiO2 (z = 0 - 24 %) катализаторов с различным содержанием марганца.

Видно, что не содержащий марганец 0.8%Na-3.1%W/SiO2 катализатор, показал низкие значения конверсии CH4 и селективности образования C2H4, но высокую селективность образования C2H6, CO и CO2 (таблица 1.2.2.1.5, строка 1). Введение в состав катализатора 0.5 % масс Mn приводит к значительному повышению конверсии метана и селективности образования этилена. Na-W-Mn/SiO2 катализаторы, содержащие в своем составе 1 и 2 % масс Mn показали самые высокие значения конверсии CH4 и селективности образования C2 (таблица 1.2.2.1.5, строки 3 и 4). Однако при содержании Mn в составе катализатора более 3 % масс конверсия CH4 и селективность образования C2Н4 снижаются, причем прекращается и образование CO, вместо которого образуется только CO2. Данные результаты свидетельствуют о важном влиянии концентрации Mn в составе Na-W-Mn/SiO2 катализатора на его каталитические свойства в ОКМ.

Таблица 1.2.2.1.5

Результаты ОКМ в присутствии 0.8%Na-3.1%W-Mn/SiO2 (массовые проценты), катализаторов, содержащих в своем составе различное количество Mn * [16]

Катализатор

КонверсияCH4, %

Селективность, %

Выход, %

C2H4

C2H6

CO

CO2

C2+

COx

0.8%Na-3.1%W/SiO2

8.8

21.8

32.7

19.3

26.2

4.8

4.0

0.8%Na-3.1%W-0.5%Mn/SiO2

27.0

37.0

26.8

12.6

23.5

17.2

9.7

0.8%Na-3.1%W-1%Mn/SiO2

30.2

39.6

23.8

14.9

21.8

19.1

11.1

0.8%Na-3.1%W-2%Mn/SiO2

29.7

39.3

23.9

12.9

23.9

18.8

10.9

0.8%Na-3.1%W-3%Mn/SiO2

20.1

31.2

32.8

14.8

21.1

12.9

7.2

0.8%Na-3.1%W-6%Mn/SiO2

14.7

32.3

42.1

0

25.7

10.9

3.8

0.8%Na-3.1%W-12%Mn/SiO2

13.2

29.5

41.3

0

29.2

9.3

3.9

0.8%Na-3.1%W-24%Mn/SiO2

13.2

27.4

39.0

0

33.6

8.8

4.4

* Условия реакции: T = 800 °C, CH4:O2 = 3:1, объёмная скорость 36000 час-1, масса катализатора 0.1 г.

В работе [15] представлены результаты исследования каталитических свойств в ОКМ материалов на основе SiO2, модифицированных Mn и (или) солями натрия с различными кислородсодержащими анионами: WO42-, MoO42-, SO42-, PO43-, P2O74-, CO32- и SiO32-. Результаты каталитических экспериментов представлены в таблице 1.2.2.1.6.

Таблица 1.2.2.1.6

Показатели ОКМ в присутствии различных катализаторов на основе SiO2 а[15]

Катализатор

КонверсияCH4, %

Селективность, %

ВыходC2, %

C2H4+C2H6

C2H4

COx

Mn/SiO2

20.6

28.0

15.0

72.0

5.8

Na2WO4-Mn/SiO2

35.5

54.0

41.0

42.8

19.2

Na2MoO4-Mn/SiO2

30.7

45.7

31.0

52.8

14.0

Na2SO4-Mn/SiO2

35.7

56.4

41.1

42.4

20.1

Na3PO4-Mn/SiO2

31.0

50.5

38.6

48.7

15.7

Na4P2O7-Mn/SiO2

33.5

52.5

36.9

47.2

17.6

Na2CO3-Mn/SiO2

8.9

49.6

19.0

50.3

4.4

Na2SiO3-Mn/SiO2

9.4

44.9

21.7

55.2

4.2

Na2WO4/SiO2

15.2

62.4

33.0

33.3

9.5

Na2MoO4/SiO2

14.0

59.3

21.5

38.7

8.3

Na2SO4/SiO2

4.0

44.4

6.3

54.9

1.8

Na3PO4/SiO2

5.0

39.5

6.5

58.5

2.0

Na4P2O7/SiO2

5.1

34.3

13.3

65.0

1.7

Na2CO3/SiO2

3.2

-

-

-

-

Na2SiO3/SiO2

3.1

-

-

-

-

Mn-SO4/SiO2 б

20.9

29.7

17.7

68.6

6.2

а. T = 800 °C, CH4:O2:N2 = 2.5:1:2.5, объёмная скорость подачи газа = 33000 мл·гкат.-1·час-1, масса катализатора 0.2 г.

б. SO42- анион введен с использованием (NH4)2SO4 в качестве прекурсора.

Mn/SiO2 катализатор активен в ОКМ (конверсия метана 20.6 %), но селективность образования углеводородов C2 не превышает 28 %. Селективность же образования COx достигает 72 %. Катализатор, содержащий Na2WO4, значительно более активен в ОКМ, обеспечивая 35.5 % конверсию CH4, 54 % селективность образования углеводородов C2 и 15 - 41 % селективность по этилену. Катализатор, содержащий Na2MoO4, показал 30.7 % конверсию CH4, 45.7 % селективность образования C2, что превышает показатели Mn/SiO2 катализатора, но они ниже соответствующих показателей Na2WO4-Mn/SiO2 катализатора. При введении Na2SO4 в состав Mn/SiO2 катализатора наблюдается заметное увеличение конверсии CH4 и селективности образования C2. Катализатор Na2SO4-Mn/SiO2 показал 35.7 % конверсию CH4 и 56.4 % селективность по продуктам C2, что выше по сравнению с Na2WO4-Mn/SiO2 катализатором. Схожий промотирующий эффект наблюдается при введении в состав катализатора анионов PO43- и P2O74-. Конверсия CH4 и селективность C2 при этом возрастает до 31 % и 50.5 % на Na3PO4-Mn/SiO2 катализаторе, 33.5 % и 52.5 % на Na4P2O7-Mn/SiO2 катализаторе. Результаты [15] показывают, что неметалл содержащие кислородсодержащие анионы усиливают действие Mn/SiO2 катализатора в ОКМ, так же как и анионы WO42-. Добавка Na2CO3 и Na2SiO3 к Mn/SiO2 вызвала заметное снижение активности катализатора в ОКМ. Конверсия CH4 на двух катализаторах была примерно на 10 % ниже, чем на Mn/SiO2. Это означает, что карбонатный и силикатный анионы не являются подходящими добавками к Mn/SiO2 катализатору. Также наблюдалось негативное влияние Na2CO3 на активность Na2WO4-Mn/SiO2 катализатора при промотировании[61].

Для объяснения модифицирующей роли анионов натриевых солей в составе вышеописанных катализаторов авторы [15] исследовали образцы, состоящие из SiO2 с нанесенными натриевыми солями, и сравнили их каталитические свойства в ОКМ. Катализаторы Na2WO4/SiO2 и Na2MoO4/SiO2 соответственно показали селективность по C2 62.4 % и 59.3 % при конверсию метана 15.2 % и 14.0 %. В отличие от металл-кислородсодержащих анионов, нанесенные на SiO2, натриевые соли, в состав кислородсодержащих анионов которых не входят металлы - SO42-, PO43- и P2O74-, показали очень низкую активность в ОКМ: конверсия CH4 составила порядка 5 %. При этом образцы, содержащие анионы CO32- и SiO32-, почти неактивны в ОКМ.

В составе Mn/SiO2 катализатора выявлено наличие аморфного SiO2[17] и Mn3O4[365]. В составе Na/SiO2 материала SiO2 существует только в виде кристаллической фазы б-кристобалита. В Na2WO4-Mn/SiO2 катализаторе присутствуют б-кристобалит и Mn2O3[16]. Аналогично, фазы б-кристобалита и Mn2O3 присутствуют в составе катализаторов, содержащих натриевые соли с анионами MoO42-, SO42-, PO43- и P2O74-. Но в составе Na4P2O7-Mn/SiO2 катализатора преимущественно выявлена фаза Na3PO4, а не Na4P2O7, что указывает на разложение Na4P2O7 до Na3PO4 в ходе приготовления катализатора. В катализаторах, приготовленных с использованием Na2CO3 и Na2SiO3, присутствует только б-кристобалит и не обнаружены фазы Mn2O3, Na2CO3 и Na2SiO3.

Исследования [15] также показали, введение натриевых солей в состав Mn/SiO2 катализатора (Na2WO4-Mn/SiO2 и Na2SO4-Mn/SiO2) вне зависимости от природы аниона приводит к кристаллизации аморфного SiO2 в форме б-кристобалита, что, в свою очередь, повышает селективность образования этилена в 2 - 3 раза, тогда как селективность образования этана остается неизменной. Также при промотировании Mn/SiO2 солями натрия в зависимости от природы кислородсодержащих анионов происходит переход Mn3O4 в Mn2O3 или Mn4+. При использовании натриевых солей, содержащих кислотные анионы WO42-, MoO42-, SO42-, PO43- и P2O74-, в составе катализаторов преимущественно образуется Mn2O3, а получившиеся катализаторы характеризуются улучшенным каталитическим действием в ОКМ по сравнению с Mn/SiO2. Натриевые соли, содержащие в своем составе анионы CO32- и SiO32- способствуют образованию Mn4+ на поверхности соответствующих катализаторов, обладающих низкой активностью в ОКМ. Эти данные показывают, что Mn2O3 в составе катализаторов, содержащих анионы WO42-, MoO42-, SO42-, PO43- и P2O74- может выступать в качестве активного центра катализатора или прямо способствовать образованию активных центров ОКМ.

Несмотря на большое количество исследований, природа активных центров катализаторов на основе Mn до конца не ясна. Например, авторы [36] наблюдали исчезновение Mn3O4 в составе Mn/SiO2 катализатора при промотировании его ионами натрия и отнесли это на счет взаимодействия марганца с натрием. Авторы [61] предположили важность наличия Na-O-Mn групп в составе нанесенного Na2WO4-Mn катализатора, тогда как авторы работ [18,57] подчеркивают важную роль W-содержащих центров и тетраэдров WO4 в процессе активации метана. При исследовании схожих катализаторов авторы [19] уделяют особое внимание взаимодействию между октаэдрическими MnO6 и тетраэдрическими WO4 группами. В работе [15] указано на связь между образованием активных центров и фазой Mn2O3 в составе катализаторов.

Из работы [15] видно, что натриевые соли с различными кислородсодержащими анионами, заметно отличаются составом активных центров и результативностью в ОКМ. Однако в литературе этому аспекту уделено мало внимания. Группой Ли подробно изучена только роль аниона WO42- в составе Na2WO4-Mn/SiO2 катализатора [16, 18, 57] и сделан вывод о функционировании WO42- в качестве активного центра ОКМ [16, 57]. Группа Лансфорда предположила, что анион WO42- повышает стабильность катализатора, активными центрами которого являются Mn-O-Si[61]. Это согласуется с данными [15], согласно которым, хотя вольфрамат натрия Na2WO4 после нанесения на SiO2 и активен в ОКМ, но в стабильном катализаторе Na2WO4-Mn/SiO2 после продолжительного участия в ОКМ практически отсутствуютW-содержащие центры [19]. Такой результат ставит под сомнение ключевую роль WO42- как активного центра ОКМ [19], хотя не исключает ее полностью.

Обобщение результатов работы [15] показывает, что различия в катализе ОКМ обусловлены не разной активностью кислородсодержащих анионов, а различными формами существования Mn в составе катализаторов, определяемыми природой анионов. Для формирования эффективного катализатора ОКМ предпочтительно присутствие в его составе Mn2O3, а не Mn3O4 или Mn4+[15]. В дальнейшем на примере Mn-SO4/SiO2 катализатора было замечено, что анионы в отсутствие Na+ не улучшают действие катализаторов на основе Mn/SiO2. Активность и селективность образования C2 на не промотированном катионами Na+ катализаторе Mn-SO4/SiO2, примерно такие же, как на Mn/SiO2, но уступают результатам Na2SO4-Mn/SiO2 катализатора. Похожее явление наблюдалось и для системы Na2WO4-Mn/SiO2[17]. Это свидетельствует о том, что сосуществование ионов натрия и кислородсодержащих анионов способствует промотированию катализатора ОКМ.

В работе [14] сопоставлена селективность образования продуктов C2 в ОКМ на Na2WO4-MeOx/SiO2 (Me = V, Cr, Mn, Fe, Co, Zn) катализаторах с их морфологией, структурными и окислительно-восстановительными свойствами.

Установлено, что конверсия метана возрастает в ряду V ~ Cr ~ Zn<Fe ~ Co<Mn, а селективность образования продуктов C2 увеличивается в ряду V~Cr<<Fe~Co~Zn<Mn. Выявлено взаимодействие между SiO2 матрицей и оксидами V и Cr, понижающее активность и селективность катализатора в ОКМ. В то же время, оксид кремния и Mn, Fe, Co и Zn взаимодействуют с вольфраматом натрия, образуя селективный катализатор ОКМ. Исследование катализаторов показало наличие взаимодействий между переходными металлами и между металлами и силикатной матрицей, обусловленных присутствием ионов натрия, а также зависящих от природы переходного металла, которая, в свою очередь, влияет на действие катализатора в ОКМ. Авторы [14] предполагают, что основная роль натрия в составе катализатора состоит в сдерживании взаимодействия между переходным металлом и вольфраматом. Данное взаимодействие усиливает окислительно-восстановительные свойства катализатора, которые связаны с природой переходных металлов и определяют селективность катализатора. РФА свежепрокаленных Na2WO4/SiO2 и Na2WO4-MeOx/SiO2 катализаторов показал, что основная фаза в их составе - б-кристобалит. На основе интенсивности главного пика б-кристобалита произведено сравнение кристалличность различных образцов [14]. Показано, что оксиды переходных металлов, такие, как оксид марганца, не влияют на кристаллизацию оксида кремния в составе катализаторов даже при увеличении времени прокаливания катализатора, что свидетельствует об отсутствии взаимодействия между оксидом переходного металла и силикатной матрицей катализатора в отсутствии вольфрамата натрия. Различные оксиды переходных металлов - компоненты катализаторов влияют на формирование различных фаз Na2WO4-MOx/SiO2 катализаторов. Образование фаз б-кристобалита и Na2WO4 почти одинаковой кристалличности, определенной по интенсивности пиков, наблюдаются в составе катализаторов, содержащих оксиды таких переходных металлов как Mn, Fe, Co и Zn[14]. Меньшая кристалличность фазы Na2WO4 наблюдается в составе катализаторов, содержащих оксиды таких переходных металлов как V и Cr. Взаимодействия металл - металл и металл - силикатная матрица, ответственные за образование активного и селективного катализатора, возникают в ходе спекания и кристаллизации катализаторов в присутствии вольфрамата натрия и оксида переходного металла. Оксиды V и Cr подавляют кристаллизацию фазы вольфрамата. Это свидетельствует о различном влиянии оксидов переходных металлов на взаимодействие металл - металл, вольфрамат - силикатная матрица и металл - силикатная матрица. Эти взаимодействия влияют на свойства матрицы катализатора, морфологию его поверхности и окислительно-восстановительные свойства.

При проведении ОКМ на Na2WO4/SiO2 и Na2WO4-MeOx/SiO2 (Me = V, Cr, Mn, Fe, Co и Zn) катализаторах [14] наблюдается низкая конверсия метана на катализаторах, содержащих оксиды V, Cr и Zn (10, 10 и 9 % моль соответственно). Однако более низкая селективность образования C2 в сравнении с катализаторами, содержащими оксид Zn(63 %), наблюдается на катализаторах, содержащих оксиды V и Cr (12 % и 24 % соответственно). Хотя на катализаторах, содержащих оксиды Co и Zn, наблюдается схожая селективность (63 % и 60 % соответственно), конверсия метана на катализаторе, содержащим оксид Co выше, чем на катализаторе, содержащем оксид Zn (16 и 9 % моль соответственно). [14].

В ряду Na2WO4/SiO2 и Na2WO4-MOx/SiO2 (M = V, Cr, Mn, Fe, Co или Zn) содержащий оксид марганца Na2WO4-MnOx/SiO2 катализатор обладает наилучшими каталитическими свойствами в ОКМ. Взаимодействия между оксидом кремния и вольфраматом, а также оксидом переходного металла и вольфраматом, проявляющиеся при кристаллизации катализатора, являются важными параметрами, определяющими селективность катализатора. Кристаллизация катализатора сопровождается различными взаимодействиями, как между металлическими компонентами, так и взаимодействиями металл - силикатная матрица. Сильное взаимодействие между V и Cr и оксидом кремния в составе Na2WO4-VOx/SiO2 и Na2WO4-CrOx/SiO2 катализаторов ослабляет их каталитическое действие в ОКМ.

Наилучшим катализатором ОКМ является материал, содержащий оксид Mn, который умеренно взаимодействует с вольфраматом [14]. Считается, что умеренные межметаллические взаимодействия определяют окислительно-восстановительные свойства оксида марганца, вольфрамата и эффективную активацию кислорода, что в конечном счете определяет каталитические свойства Na2WO4-MnOx/SiO2 материалов. Более высокий выход углеводородов C2 на Na2WO4-MnOx/SiO2 катализаторе - 23 % (32 % конверсия метана и 70 % селективность образования продуктов C2) достигнут при использовании воздуха в качестве окислителя вместо кислорода (16 % выход C2 при 20 % конверсии метана и 80 % селективности по C2).

Авторами [1] был впервые применен новый подход - метод твердофазного синтеза - для получения оксидно-кремниевых композитных материалов общей формулы: Me-W-Mn-SiO2, (Me = Li, Na, K, Rb, Cs), являющихся высокоэффективными катализаторами ОКМ. Состав синтезированных материалов представлен в таблице 1.2.2.1.7.. Были подробно изучены физико-химические и каталитические свойства данных композитов.

Таблица 1.2.2.1.7

Новые оксидные композитные материалы - катализаторы ОКМ*

Катализатор

Массовый состав катализаторов, % масс

1

Li-W-Mn-SiO2

0.2% Li -03.2% W - 02.0% Mn - 94.6% SiO2

2

Na-W-Mn-SiO2

000.8% Na - 03.2% W - 02.0% Mn - 94.0% SiO2

3

K-W-Mn-SiO2

001.3% K - 03.2% W - 02.0% Mn - 93.5% SiO2

4

Rb-W-Mn-SiO2

002.9% Rb - 03.1% W -02.0% Mn -92.0% SiO2

5

Cs-W-Mn-SiO2

004.4% Cs -03.1% W - 01.9% Mn - 90.6% SiO2

6

W-Mn-SiO2

003.2% W - 02.0% Mn - 94.8% SiO2

7

Li-W-Mn-SiO2

4.4% Li -58.3% W -37.3% Mn- 00.0% SiO2

*Мольное соотношение Me:W:Mn:Si = 2:1:2.14:91

Удельная поверхность Me-W-Mn-SiO2 катализаторов, приготовленных твердофазным методом, не превышала 1 м2•г-1, что типично для керамических материалов.

Фазовый состав этих материалов, допированных щелочными металлами, по данным РФА (таблица 1.2.2.1.8.) преимущественно представлен кристаллическим SiO2, существующим в двух полиморфных модификациях. В Li(Na)-W-Mn-SiO2 катализаторах SiO2 присутствует в форме кварца и кристобалита. В K(Rb,Cs)-W-Mn-SiO2 катализаторах SiO2 находится в форме кристобалита и тридимита. В композите W-Mn-SiO2, не допированном щелочным металлом, SiO2 не кристаллизовался, оставаясь аморфным. Установлено, что кристобалит является доминирующей фазой SiO2 в составе всех образцов, кроме Li-W-Mn-SiO2и W-Mn-SiO2. В ходе ОКМ кристобалит, содержащийся в свежеприготовленном Li-W-Mn-SiO2 катализаторе, в значительной мере переходит в кварц, а кристобалит в составе свежеприготовленного K-W-Mn-SiO2 катализатора частично превращается в тридимит.

Таблица 1.2.2.1.8

Фазовый состав Me-W-Mn-SiO2 катализаторов

Катализатор

Фазовый состав

Li-W-Mn-SiO2свежеприготовленный

SiO2, кристобалит: тетрагональный P41212 (92), a=4.975?, c=6.933?;

SiO2, кварц: гексагональный P3221 (154), a=4.913?, c=5.403?;

Li2WO4: тетрагональный I41/amd (141); Mn3O4: тетрагональный I41/amd (141)

Li-W-Mn-SiO2после реакции ОКМ

SiO2, кристобалит: тетрагональный P41212 (92), a=4.9778?, c=6.9458?;

SiO2, кварц: гексагональный P3221 (154), a=4.919?, c=5.413?;

Mn2O3: кубический Ia3 (206); Li2WO4: ромбоэдрический R-3 (148)

Na-W-Mn-SiO2свежеприготовленный

SiO2, кристобалит: тетрагональный P41212 (92), a=4.974?, c=6.947?;

SiO2, кварц: гексагональный C2221;Na2WO4: кубический Fd3m (227);

Mn2O3: кубический Ia3 (206)

K-W-Mn-SiO2свежеприготовленный

SiO2, кристобалит: тетрагональный P41212 (92), a=4.978?, c=6.953?;

SiO2, тридимит: орторомбический C2221, a=8.65?, b=4.96?, c=8.13?;

K2WO4: гексагональный P-3m1 (164); KMn8O16: моноклинный I2/m (12)

K-W-Mn-SiO2после реакции ОКМ

SiO2, кристобалит: тетрагональный P41212 (92), a=4.978?, c=6.953?;

SiO2, тридимит: орторомбический C2221, a=8.78?, b=4.95?, c=8.11?;

K2WO4: гексагональный P-3m1 (164); KMnO4: орторомбический Pnma (62);

Mn2O3: кубический Ia3 (206)

Rb-W-Mn-SiO2свежеприготовленный

SiO2, кристобалит: тетрагональный P41212 (92), a=4.973?, c=6.924?;

SiO2, тридимит: орторомбический C2221, a=8.14?, b=4.96?, c=8.3?;

Mn2O3: кубический Ia3 (206); Rb2WO4: орторомбический Pmcn (62)

Cs-W-Mn-SiO2свежеприготовленный

SiO2, кристобалит: тетрагональный P41212 (92), a=4.975?, c=6.997?;

SiO2, тридимит: орторомбический C2221, a=8.5?, b=4.98?, c=8.12?;

Mn2O3: кубический Ia3 (206); WO3: моноклинный P21/n (14);

Cs2WO4: орторомбическийPmcn (62)

W-Mn-SiO2свежеприготовленный

MnWO4: моноклинный P2/c (13); Mn2O3: кубический Ia3 (206);

WO3: моноклинный P21/n (14)

В составе допированных щелочными металлами катализаторов ОКМ вольфрам присутствует в виде вольфраматов щелочных металлов, а в Cs-W-Mn-SiO2 катализаторе также в виде WO3. В составе не содержащего щелочных металлов W-Mn-SiO2 катализатора обнаружены фазы WO3, MnWO4 и Mn2O3. Mn в свежеприготовленном Li-содержащем образце находится в виде Mn3O4, тогда как в свежеприготовленных Na-, Rb- и Cs-содержащих образцах, а также Li-содержащем катализаторе после ОКМ Mn присутствует в виде Mn2O3. В составе свежеприготовленного K-W-Mn-SiO2 катализатора Mn образует KMn8O16, который в процессе катализа превращается в KMnO4 и Mn2O3.

Полученные авторами [1] результаты отличаются от аналогичных данных по фазовому составу Na- и K-содержащих катализаторов, приготовленных методом пропитки силикагеля, в которых обнаружены только фазы кристобалита, Mn2O3, Na2WO4 или K2WO4. Эти данные, а также наличие различных фаз SiO2 в синтезированных ими твердофазным методом Li(Na,K,Rb,Cs)-W-Mn-SiO2 катализаторах, указывает на влияние метода синтеза на фазовый состав контактов. Необычный фазовый состав новых катализаторов может быть связан с высокой степенью гомогенизации смеси прекурсоров в ходе твердофазного синтеза, что способствует равномерной кристаллизации SiO2 и других соединений во всем объёме материала. При использовании традиционного метода пропитки кристаллизация SiO2 и соединений активных добавок преимущественно происходит на поверхности гранул силикагеля.

Состав поверхности Me-W-Mn-SiO2 катализаторов (% моль) до и после ОКМ исследован методом РФЭС (таблица 1.2.2.1.9.). На поверхности всех образцов преобладает SiO2, концентрация Mn составляет 0.07 - 0.25 %, а W - 0.6 - 1.1 %. В ходе ОКМ наблюдается увеличение поверхностной концентрации Mn и уменьшение концентрации W, что может влиять на стабильность контакта в ОКМ. [1] В составе свежеприготовленных катализаторов поверхностная концентрация ионов щелочных металлов возрастает от 3.1 до 7.4 % при переходе от Na к Cs, а в случае Li-содержащего образца имеет аномально высокое значение - 17.5 %, которое не изменилось даже после 100 часов работы в ОКМ. В то же время, в Na-содержащем образце концентрация Na после 40 часов в ОКМ увеличилась с 3.1 до 4.6 %, а в K-содержащем образце концентрация K, наоборот, снизилась с 3.9 до 0.9 % после 35 часов ОКМ. Для Li-содержащего образца отмечено сравнительно небольшое уменьшение поверхностной концентрации W - с 0.62 до 0.47 %, тогда как в Na-содержащем образце концентрация W уменьшилась с 0.92 до 0.38 %, а в K-содержащем образце - c 0.87 до 0.03 %. Все эти данные указывают на высокую стабильность именно Li-W-Mn-SiO2 катализатора в условиях ОКМ.

Таблица 1.2.2.1.9

Состав поверхности Me-W-Mn-SiO2 катализаторов по данным РФЭС

Катализатор

Щелочнойметалл а

W (4f)

Mn (2p)

Si (2p)

O (1s) (SiO2)

O (1s) (MOx)б

Eсв,эВ в

Спов,% мольг

Eсв,эВ в

Спов,% мольг

Eсв,эВ в

Спов,% мольг

Eсв,эВ в

Спов,% мольг

Eсв,эВ в

Спов,% мольг

Eсв,эВ в

Спов,% мольг

Li-W-Mn-SiO2**

50.1

17.5

35.6

0.62

640.9

0.11

103.6

29.3

532.3

48.5

530.0

4.0

Li-W-Mn-SiO2**

49.0

17.5

35.6

0.47

640.3

0.36

103.3

28.1

532.1

46.1

529.7

7.5

Na-W-Mn-SiO2**

1070.2

3.1

35.5

0.92

640.4

0.25

103.5

34.8

532.3

54.5

530.3

6.5

Na-W-Mn-SiO2**

1070.6

4.6

35.4

0.38

640.9

0.59

103.3

35.2

532.0

52.7

529.8

6.6

K-W-Mn-SiO2**

292.7

3.9

35.2

0.87

639.6

0.13

103.3

34.7

532.1

54.5

529.6

5.9

K-W-Mn-SiO2**

293.0

0.9

35.8

0.03

641.0

0.44

103.6

36.1

532.4

56.3

529.8

6.2

Rb-W-Mn-SiO2**

110.3

5.1

35.4

1.11

640.0

0.07

103.3

33.1

532.1

51.3

529.9

9.3

Cs-W-Mn-SiO2**

724.1

7.4

35.5

0.81

639.0

0.12

103.4

33.4

532.0

47.2

529.8

11.1

W-Mn-SiO2**

-

-

35.7

0.57

640.4

0.09

103.6

36.5

532.4

60.3

-

-

а Na (1s), K (2p), Li (1s), Cs (3d), Rb (3d)

бMOx - оксиды металлов, кроме SiO2

вEсв - энергия связи, эВ

гCпов - поверхностная концентрация, % моль

* Катализатор до реакции ОКМ

** Катализатор после реакции ОКМ

Морфология Li-W-Mn-SiO2катализатора и состав поверхности до и после использования в ОКМ по данным растровой электронной микроскопии и EDAX показаны на рисунке 1.2.2.1.2.Видно, что морфология катализатора после ОКМ не меняется.

До ОКМ

После ОКМ

Рисунок 1.2.2.1.2 Распределение W и Mn (светлые пятна) на поверхности Li-W-Mn-SiO2 катализатора до и после ОКМ по данным EDAX

Визуально наблюдается локальная неоднородность распределения W и Mn на поверхности, характерная и для образцов, допированных другими щелочными металлами. Можно наблюдать снижение концентрации W и увеличение концентрации Mn, что согласуется с данными РФЭС. Li методом EDAXне детектируется, а в случае K- и Rb-содержащих образцов удалось визуально наблюдать практически полное исчезновение щелочных металлов с поверхности катализаторов после ОКМ, что так же согласуется с данными РФЭС для K-содержащего образца (таблица 1.2.2.1.9.). Также для K- и Rb-содержащих образцов удается визуально наблюдать снижение поверхностной концентрации W и увеличение концентрации Mn.[1]

Стабильность состава поверхности Me-W-Mn-SiO2 катализаторов может быть связана с влиянием природы ионов щелочного металла на лабильность ионов в матрице изученных контактов. В Li-W-Mn-SiO2 катализаторе ионы Li способствуют кристаллизации SiO2 преимущественно в форме термодинамически более стабильной фазы кварца. Высокая стабильность матрицы позволяет сохранять высокую поверхностную концентрацию Li и предотвращает заметное снижение концентрации W на поверхности катализатора (таблица 1.2.2.1.9, рисунок 1.2.2.1.3). В то же время, в K-W-Mn-SiO2 катализаторе кристаллизация SiO2 завершается формированием менее стабильных фаз кристобалита и тридимита, в которых возможна эффективная миграция ионов K и W с поверхности в объём катализатора.

Li-W-Mn-SiO2

K-W-Mn-SiO2

Li W Mn

K W Mn

Свежеприготовленный катализатор

Катализатор после ОКМ

Рисунок 1.2.2.1.3 Изменение концентрации (% моль) металлических компонентов на поверхности катализаторов Li-W-Mn-SiO2 и K-W-Mn-SiO2 после ОКМ по данным РФЭС

Результаты ОКМ с использованием приготовленных методом твердофазного синтеза Me-Mn-W-SiO2 катализаторов были сопоставлены со свойствами специально синтезированного традиционным методом пропитки Na-W-Mn/SiO2 катализатора на основе силикагеля марки КСКГ и результатами «холостого» опыта без загрузки катализатора. Катализатор, полученный методом пропитки, позволил получить продукты C2+ с выходом до 21 %. В эксперименте без катализатора выход продуктов C2+ не превышал 6 %, что значительно ниже, чем при использовании катализаторов.[1]

В присутствии приготовленных твердофазным синтезом Li(Na,K,Rb,Cs)-Mn-W-SiO2 катализаторов в оптимальных условиях ОКМ конверсия CH4 достигает 40 - 45 % при селективности по C2+ 52 - 66 % (рис. 4).

Влияние условий проведения ОКМ на активность и селективность исследованных катализаторов иллюстрируют данные табл. 5. Видно, что ниже 800 °C конверсия CH4 не превышает 10 % так же, как и при проведении эксперимента без использования катализатора.

Выше 800 °C ОКМ протекает эффективнее, однако значительный экзотермический эффект осложняет поддержание постоянной температуры в слое катализатора. При низких значениях конверсии CH4 наблюдается высокая селективность по C2+, но при этом снижается выход продуктов C2+.

Li-W-Mn W-Mn-SiO2Li-W-Mn-SiO2 Na-W-Mn-SiO2 K-W-Mn-SiO2 Rb-W-Mn-SiO2 Cs-W-Mn-SiO2

без SiO2 без щел. мет.

Рисунок 1.2.2.1.4 Сравнение лучших результатов в ОКМ оксидных композитных материалов, полученных твердофазным синтезом. CH4/O2 = 2 - 3; W = 50 - 60 л·гкат-1·ч-1; T = 840 - 900 °C

На W-Mn-SiO2 катализаторе, не содержащем щелочных металлов, SiO2 в составе которого аморфен, конверсия CH4, селективность и выход C2+ не превысили, соответственно, 29 %, 58 % и 14 %, что указывает на важность присутствия щелочных металлов и наличия кристаллического SiO2 для эффективного протекания ОКМ. Не содержащий SiO2 катализатор Li-W-Mn, также оказался малоэффективен в реакции ОКМ: при 900 °C и CH4/O2 = 2.3 конверсия CH4 не превышала 18 %, селективность по C2+ - 65 % и выход C2+ - 11 %. Эти данные показывают, что SiO2, содержащийся в катализаторах, не следует рассматривать лишь в качестве инертной матрицы: присутствие кристаллического SiO2 необходимо для функционирования Me-W-Mn-SiO2, как активных катализаторов ОКМ. Сделанный вывод подтверждается результатами ОКМ с использованием Li-W-Mn-SiO2 катализатора.

Таблица 1.2.2.1.10

Результаты ОКМ в присутствии Me-W-Mn-SiO2 катализаторов, приготовленных методом твердофазного синтеза

Катализатор,

W*

CH4/O2

T, °C

Конверсия, %

Селективность, %

Выход, %

CH4

O2

C2H4

C2H6

C2+

CO2

CO

COx

C2+

COx

1

W-Mn-SiO2, 57 л•гкат-1•час-1.

2.1

849

13

18

27

30

58

11

31

42

8

5

2

2.1

884

22

32

33

19

55

12

33

45

12

10

3

2.1

914

29

50

33

13

49

13

38

51

14

15

4

Li-W-Mn-SiO2, 58 л•гкат-1•час-1.

2.1

742

1

3

16

64

80

12

8

20

1

< 1

5

2.0

801

11

17

30

50

82

8

10

18

9

2

6

2.1

854

45

92

36

12

53

15

32

47

24

21

7

2.2

885

46

94

36

10

51

15

34

49

23

23

8

2.1

897

45

97

33

9

46

16

38

54

21

24

9

2.3

932

44

98

32

8

45

16

39

55

20

24

10

2.1 ¦

903

31

84

46

8

63

6

31

37

20

11

11

3.2

897

34

94

42

14

61

11

28

39

21

13

12

3.2

926

33

96

41

13

60

10

30

40

20

13

13

4.0

882

30

89

46

17

69

9

22

31

20

9

14

4.0

915

27

95

44

14

65

10

26

35

18

10

15

Na-W-Mn-SiO2, 55 л•гкат-1•час-1.

2.0

902

45

97

36

14

53

21

26

47

24

21

16

2.7

878

39

96

34

6

50

23

27

50

19

19

17

3.0

899

44

96

36

13

52

21

27

48

23

21

18

3.0

909

44

97


Подобные документы

  • Этапы первичной переработки природного газа, его состав и принципиальная схема паровоздушной конверсии метана. Схема химических превращений, физико-химические основы, термодинамика и кинетика процесса, сущность и преимущество каталитической конверсии.

    курсовая работа [1011,5 K], добавлен 11.03.2009

  • Особенности строения предельных углеводородов, их изомерия и номенклатура. Гомологический ряд алканов неразветвленное строения. Получение метана в лабораторных условиях, его физические и химические свойства. Области применения метана как природного газа.

    презентация [113,5 K], добавлен 22.12.2013

  • Метан — бесцветный газ без запаха, первый член гомологического ряда насыщенных углеводородов; получение и химические свойства. Процесс высокотемпературной конверсии метана для производства метанола; определение углеродного эквивалента исходного газа.

    курсовая работа [87,3 K], добавлен 12.12.2012

  • Наиболее важный представитель органических веществ в атмосфере. Природа естественных и антропогенных источников метана. Доли отдельных источников в общем потоке метана в атмосферу. Повышение температуры атмосферы.

    реферат [160,6 K], добавлен 25.10.2006

  • Конверсия метана природного газа с водяным паром — основной промышленный способ производства водорода. Виды каталитических конверсий. Схема устройства трубчатого контактного аппарата. Принципиальная технологическая схема конверсии метана природного газа.

    курсовая работа [3,2 M], добавлен 20.11.2012

  • Описание синтез-газа – смеси оксида углерода с водородом в различных соотношениях. Капитальные и эксплуатационные затраты на его производство. Парциальное окисление метана и условия синтеза. Автотермический риформинг метана или нефти (АТР, ATR).

    презентация [1,3 M], добавлен 12.08.2015

  • Ацетилен - бесцветный газ со слабым сладковатым запахом. Изучение процесса производства ацетилена различными способами: электрокрекингом (из метана), термическим крекингом (из жидкого пропана), термоокислительным пиролизом метана и из реакционных газов.

    реферат [12,6 M], добавлен 28.02.2011

  • Гомологический ряд метана. Строение молекулы метана. Углы между всеми связями. Физические свойства алканов. Лабораторные способы получения. Получение из солей карбоновых кислот. Тип гибридизации атомов углерода в алканах. Структурная изомерия алканов.

    презентация [1,5 M], добавлен 08.10.2014

  • Окислительная димеризация метана. Механизм каталитической активации метана. Получение органических соединений окислительным метилированием. Окислительные превращения органических соединений, содержащих метильную группу, в присутствии катализатора.

    диссертация [990,2 K], добавлен 11.10.2013

  • Технологическая схема производства аммиака и получения синтез-газа. Эксергетический анализ основных стадий паровоздушной конверсии метана. Термодинамический анализ процесса горения в трубчатой печи. Определение эксергетического КПД шахтного реактора.

    дипломная работа [1,3 M], добавлен 05.11.2012

  • Создание катализаторов для процессов углекислотной и пароуглекислотной конверсии биогаза. Подбор параметров процессов для получения синтез-газа с регулируемым соотношением Н2/СО. Определение условий проведения взаимодействия метана с углекислотным газом.

    дипломная работа [1,2 M], добавлен 01.11.2014

  • Изучение физических и химических свойств метана, этана и циклопропана. Использование в быту и промышленности хранилища газообразных и жидких углеводородов. Определение массы бесцветного газа, находящегося в подземном резервуаре геометрической формы.

    контрольная работа [100,4 K], добавлен 29.06.2014

  • Предмет органической химии. Понятие о химических реакциях. Номенклатура органических соединений. Характеристика и способы получения алканов. Ковалентные химические связи в молекуле метана. Химические свойства галогеналканов. Структурная изомерия алкенов.

    контрольная работа [1,4 M], добавлен 01.07.2013

  • Получение этилена дегидратацией этанола над оксидом алюминия. Получение ацетилена и опыты с ним, утилизация обесцвеченного раствора KMnO4 и бромной воды. Получение веществ в процессе нагревания спирта и серной кислоты, обесцвечивающих бромную воду.

    лабораторная работа [1,4 M], добавлен 02.11.2009

  • Строение предельных углеводородов, их физические и химические свойства. Гомологический ряд метана. Изомерия и номенклатура предельных углеводородов. Декарбоксилирование натриевых солей карбоновых кислот. Выделение углеводородов из природного сырья.

    презентация [46,7 K], добавлен 28.11.2011

  • Классификация методов дегазации воды и теоретические основы процесса удаления углекислоты, сероводорода и кислорода. Установка обескислороживания с помощью ионообменника с палладием. Технология удаления метана из подземных вод вакуумным способом.

    реферат [562,3 K], добавлен 09.03.2011

  • Особенности строения предельных углеводородов. Номенклатура углеводородов ряда метана. Химические свойства предельных углеводородов, их применение. Структурные формулы циклопарафинов (циклоалканов), их изображение в виде правильных многоугольников.

    контрольная работа [151,2 K], добавлен 24.09.2010

  • Структура молекулы, связи атомов и свойства ацетиленов как химических веществ. Особенности получения алкинов термолизом метана и гидрированием углерода в промышленности и реакцией элиминирования в лаборатории. Реакции алкинов с участием тройной связи.

    контрольная работа [244,8 K], добавлен 05.08.2013

  • Товарные и определяющие технологию свойства ацетилена. Сырьевые источники получения. Перспективы использования различного сырья. Промышленные способы получения. Физико-химический процесс получения ацетилена методом термоокисленного пиролиза метана.

    контрольная работа [329,9 K], добавлен 30.03.2008

  • Механизм каталитического окисления метана до формальдегида. Анализ свойств композитов на основе железа в изучаемой реакции. Проведение исследования метода потенциометрического титрования. Сущность приспособления действий хлорсодержащих активаторов.

    дипломная работа [1,5 M], добавлен 05.07.2017

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.