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    卓悅環保新材料(上海)有限公司 Novel Environmental Protection New Materials (Shanghai) Co., Ltd.
    靈感啟動材料革命

    分子篩催化劑的性能及應用

    發布時間: 2018-06-15
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    分子篩催化劑具有活性高,選擇性好,穩定性和抗毒能力強等優點。因此,近幾十年來,它作為一種化工新材料發展得很快,應用也日益廣泛。特別是在石油的煉制和石油化工方面作為工業催化劑發揮了很重要的作用。本文介紹了分子篩催化劑的組成及應用前景,并對分子篩的性能做了詳盡深入的概述和歸納,同時對新型分子篩做了簡單的介紹。

    ??????目前已發現的天然沸石有四十多種人工合成的多達一二百種。沸石的最基本的結構為:硅氧四面體和鋁氧四面體,按照分子篩中硅鋁比的不同,可以分為A型(1.5~2),X型(2.1~3.0),Y型(31~6.0),絲光沸石(9~11),ZSM-5等。分子篩中硅鋁的不同,使得其結構不同,而分子篩的結構決定性質。不同硅鋁比的分子篩,其耐酸性和熱穩定性不同,一般,硅鋁比越大,其耐酸性和熱穩定性越好。分子篩屬于酸性催化劑,硅鋁比的不同,其分子篩表面的酸性不同,直接影響其催化活性。

    1? 分子篩的性能

    ????? 一切固體物質的表面都有吸附作用,只有多孔物質或具有很大表面積的物質,才有明顯的吸附的效應,才是良好的吸附劑。常用的固體吸附劑有:活性炭,硅膠,活性氧化鋁和分子篩等都有很大的表面積。其中沸石分子篩在吸附分離方面有十分重要的地位,它除了有很高的吸附量外,還有獨特的擇型選擇吸附性能。這是由于它具有規整的微孔結構,這些均勻排列的孔道和尺寸固定的孔徑,決定了能進入沸石分子篩內部的分子的大小。

    1.1? 選擇性吸附

    ????? (1)分子篩的孔結構決定了,只有那些直徑比較小的分子才能通過沸石孔道而被分子篩吸附,而構型龐大的分子則由于不能進入沸石孔穴而不能被分子篩吸附。

    ????? (2)分子篩陽離子和帶負電荷的硅鋁骨架本身就是一種極性物質,因此分子篩也可以根據分子的極性,不飽和度及極化率進行吸附。對于非極性分子,隨著極化率的增大,分子篩的吸附量增大。而硅膠和活性炭對不飽和分子沒有選擇性吸附作用。

    1.2? 分子篩的高效吸附性能

    ????? 沸石分子篩對H2O,NH3,CO2等極性分子有很高的親和力。而且,在低蒸汽壓下,分子篩有顯著的吸附能力。分子篩是唯一可用的高溫吸附劑,在高于200攝氏度的高溫下,分子篩仍具有一定的吸附能力,而此時活性氧化鋁和硅膠已沒有任何吸附作用。

    1.3? 分子篩的離子交換性能

    ????? 分子篩在人工合成時,通常為鈉型。但是鈉型的分子篩性能不太好。為了改善分子篩的性能,采用離子交換法,用其他陽離子代替鈉離子。通過這種離子交換,大大改變了分子篩的性能,并使分子篩成為廣泛應用的催化劑。分子篩的陽離子交換一般在水溶液中進行。

    1.4? 分子篩的催化性能

    ????? 分子篩晶體具有均勻的孔結構,很大的表面積,且表面極性很高,分子篩骨架結構的穩定性也很高。這些結構性質,使分子篩不僅成為優良的吸附劑,而且成為良好的催化劑和催化載體。在沸石分子篩結構內部進行催化反應,始于20世紀50年代后期Mobil公司的實驗室。該發現標志著分子篩研究的開端。由于分子篩結構中有均勻的小內孔,催化劑反應的選擇性常取決于分子與孔徑的大小。這種選擇性稱為擇形催化選擇性。擇形選擇催化共有四種不同的形式。

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    (1)反應物的擇形催化

    ????? 反應混合物中的某些能反應的分子,只有直徑小于內孔徑的分子才能進入內孔,在催化劑部位進行催化反應。反應物的擇形催化在煉油工業中已獲得多方面的應用,油品分子篩脫蠟,重油加氫裂化等均是。

    ????? (2)產物的擇形催化

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    產物混合物中的某些分子過大,難以從分子篩催化劑的內孔中擴散出來,這些未擴散出來的大分子或者異構成線度較小的異構體擴散出來,或者裂解成較小的分子,乃至不斷地裂解,脫氫,最終以炭的形式沉積于孔內和孔口,導致催化劑失活。

    ????? (3)過渡狀態限制的擇形催化

    ????? 某些反應需要比較大的空間,才能形成相應的過渡狀態,這就構成了限制過渡態的擇形催化。ZSM-5催化劑常用這種過渡態選擇性的催化反應??梢杂盟呋牡头肿訜N類的異構化反應,裂化反應,二甲苯的烷基轉移反應等。ZSM-5催化劑可以阻止結焦,具有比其他分子篩或無定形催化劑更長的壽命,這對工業生產十分有利。

    ????? (4)分子交通控制的擇形催化

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    在具有兩種不同形狀和大小的孔道分子篩中,反應物分子可以很容易地通過一種孔道進入到催化劑的活性部位,進行催化反應,而產物分子則從另一孔道擴散出去,盡可能減少逆擴散,從而增大反應速率。擇形選擇性催化的最大實用價值,在于利用其表征孔結構的不同。這種催化在煉油工藝和石油化工中也有廣泛的應用。而不能消除諧振。但中性點經小電阻接地后能快速切除故障線路,過電壓持續時間很短,危險性也大為減弱。顯然小電阻接地的運行方式,加劇了斷路器的負擔,現在采用的真空斷路器緩解這一問題;且不能保證供電的連續性,但可以通過環網或雙電源實現對用戶正常供電。

    ????? 小電阻接地運行的關鍵問題是電阻值的選取,電阻值的選取應考慮過電壓與緣的配合,接地電流水平,繼電保護的靈敏度,對通訊的干擾及中性點設備的動穩定。過電壓一般限制在2.5UX,當流過電阻的電流大于等于1.5倍的電容電流時就可以實現對過電壓的限制。根據I E E E標準,單相接地電流應在100~1000A,我國具體情況一般為400~1000A。對通訊線路的干擾主要表現為導致通訊質量下降的雜音干擾和威脅人身與設備安全的電磁危險,即故障線路在通訊線上的感應電壓,一般UL≤650V。運行經驗表明單相接地電流小于1000A時對通訊線路的干擾不大。通常小電阻值的選取可以由單相接地電流來整定,由其他相關限制條件校驗。一般電阻值為10Ω~20Ω。小電阻接地方式的實現:新建站低壓側直接采用Y型接線,有中性點;對舊站中性點接地方式改造中,在低壓Δ接線上,就需外加接地變壓器造成一個中性點,以加裝Y0/Δ型變壓器或曲折變壓器即Z型來實現人造中性點。圖2為曲折接線接地變的小電阻接地方式。小電阻材料選擇:一般為鑄鐵或合金,合金因結構緊湊,在系統中運行較多。對配電網中性點采用低電阻接地的運行方式時,首先應在以電纜為主的配電網中實施,應加速對少量架空線改為電纜或絕緣導線;對電纜配電網改造工程中,應構建成環網,確保在某一段線路發生故障時,能及時將它切除,或采用雙電源以保證全部用戶的正常供電。通過分析小電阻接地運行方式的特點可以看出,它使接地電流加大,具有對繼電保護反應靈敏和運行維護方便等特點,對于供電可靠性相對較差的不足可以采用其它措施加以解決,安全性降低的問題,我們通常通過選取合適的電阻值保證接地點的電壓限制在安全范圍內。因此這種運行方式是配電網的發展方向,如北京配電網已經有80%的接地方式采用小電阻接地,上海、深圳、廣州、珠海也廣泛采用此種方式。

    2? 幾種新型分子篩的應用

    2.1? 雜原子ZSM-5分子篩的應用

    (1)甲醇轉化為烴類產物。HZSM-5分子篩的酸性強,不易高選擇性地使用甲醇轉化為低碳烯烴,而許多雜原分子篩則容易達到。

    (2)低碳烯烴的轉化。低碳烯烴在HZSM-5以及一些改性形式上能有效地轉化為富含輕質烯烴的液體產品。

    (3)F-T合成:在合成氣轉化為汽油的過程中,改性ZSM-5雜原子分子篩及雜原子分子篩和復合雜原子分子篩具有優良的催化作用。

    2.2? MCM-41分子

    ????? MCM-41分子篩具有較大的比表面積,較大的孔徑和一定的穩定性。該分子篩不僅可以負載堿性金屬氧化物制備固體堿,還可以進行氨化處理得到高氮含量和高比表面積的氮氧化硅有序介孔分子篩。雜多酸負載在MCM-41分子篩上,不僅能在液相氧化和酸催化反應中將催化劑從反應介質中分離出來,還能夠為這類均相催化反應的多相化創造應有條件,使生產工藝簡化。

    2.3? SBA-15分子篩

    ????? SBA-15分子篩比表面積大,孔道直徑分布均一,孔徑可以調變,水熱穩定性好。研究表明,SBA-15分子篩負載MgO后可以制得含較多中強堿位的固體堿,負載MgO對全硅SBA-15介孔結構的影響大于對含鋁SBA-15的影響。因此鋁的存在有助于引進堿性載體時主體結構的穩定,有助于堿位的形成,這種分子篩有望成為固體堿催化劑。但是其表面酸性較低,對SBA-15分子篩進行雜多酸改性可以得到具有較大表面積和催化活性高的新型催化劑。研究表明,SBA-15分子篩表現出比普通沸石更高的催化性能和穩定性,其原因在于它的高比表面積和中孔性能,還能在催化反應過程中產生強酸中心。因此這種分子篩受到了廣泛的關注。

    3 ?結語

    ????? 沸石分子篩因其特殊的結構和優異的催化性能在許多有機反應中表現出良好的反應活性和選擇性,因此廣泛應用于石化工業中。最近幾年來,隨著人們對環保意識的逐漸增強,采用綠色合成和負載合成方法已成為分子篩合成的重要方向。特別是新型分子篩的合成和應用,相信在未來的幾十年內,沸石分子篩在工業生產中具有更加廣闊的應用前景。


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