介孔M-SBA-16(M=Cu，Ti)分子筛的制备、表征和在燃料油脱硫中的应用研究

摘要

随着人们环境保护意识的增强，世界各国对燃料油的质量都有了更加严格的要求，生产和使用清洁燃料油已成为人们共同关心的问题。清洁燃料油生产技术的研究已成为石油炼制与化工领域的热点之一，尤其是车用燃料油的超深度脱硫技术研究更是人们关注的焦点。因此，有关燃料油的深度脱硫技术研究具有重要的学术意义及实际应用前景。本文研究了杂原子取代的介孔材料SBA-16的合成及其在燃料油脱硫方面的应用性能，取得了具有创新性的成果。 SBA-16是具有笼状介孔结构的规整二氧化硅材料，它的发现是多孔材料合成方面的一项重大成就，其三维（3D）笼状介孔结构的存在，使得这些材料成为一种有潜力的催化剂、纳米反应器和理想的吸附剂载体。这些材料具有高比表面积、大孔径等特点，但是其活性位的缺少限制了它们的应用。因此，将过渡金属离子引入到SBA-16分子筛的骨架上以提高活性位引起了人们的广泛关注。由于SBA-16一般是在强酸性环境中合成的，大量的金属离子会溶于酸性介质并在洗涤的过程中流失，因此在合成过程中直接将金属离子引入SBA-16的三维笼中比较困难。本文采用三种不同的方法解决这一难题，成功的将大量的Cu，Ti原子引入到SBA-16的骨架中。由于Cu可以与二苯并噻吩等有机硫化物形成π键，因此Cu可以作为吸附脱硫和加氢脱硫的活性组分，而Ti则是氧化脱硫的活性组分。 M-SBA-16材料可采用调节pH的方法制备。利用调节pH的方法可以将更多量的金属离子M引入到介孔二氧化硅骨架上，但此过程持续时间长（两步水热合成）且操作复杂，并且在二次水热处理时，pH的提高会影响介孔材料的规整度，目前还没有高Cu含量Cu-SBA-16的合成报道。为了解决这一问题，我们对合成方法进行了改进，采用先在强酸性介质中水热合成得到SBA-16的基本结构，然后调节pH至某一固定值，搅拌，直接过滤以防进进一步水热处理对SBA-16微结构的破坏作用。与传统强酸直接合成法相比，这种方法可以将大量的Cu引入到SBA-16骨架中。XRF，XRD，HRTEM，N2吸附/脱附，FT-IR，UV、SEM分析表征结果表明：用本方法成功地将Cu引入到了二氧化硅骨架上，合成的Cu-SBA-16结构规整，并具有高比表面积、孔容、平均孔径和孔壁厚度。由于其具有高的比表面积，可将其用于吸附脱除油品中的有机硫化物DBT。将1g在pH=5时制备的Cu-SBA-16吸附剂装入5×300mm吸附柱中，实验测得在20℃和流出速度4mL h-1时，该吸附柱的初始流出吸附量和饱和吸附量分别为0.265和0.281 mmol S/gram，可以将21ml含硫550ppm的模拟油中的硫降低至1.0 ppm以下。实验结果表明，吸附剂再生一次后，其饱和吸附量由0.281降低到0.241mmol S/gram，其吸附活性比初始活性降低了14.2%。 另外，我们设计了一种新的“内调节pH”法合成了Si/Cu比（mole）分别为22，43，61的Cu/SBA-16。利用六次甲基四胺（HMTA）为pH调节剂（Cu/HMTA=1：1），（实验发现HMTA在材料的合成中具有非常重要的作用），在水热过程中它可以慢慢释放出NH3，从而使溶胶内部的pH增大，这一现象的产生可以避免多余碱生成，能够将较多的Cu引入到材料的骨架结构中。XRF，XRD，HRTEM，N2吸附/脱附，FT-IR，UV，及SEM等分析结果表明，本方法制备的Cu-SBA-16具有均一的球形形貌，高的比表面积，大的孔径和孔容，厚的孔壁和规整的介孔结构。另外，HMTA也起到配体的作用，FT-IR分析表明，它与Cu形成的配合物有利于将Cu引入骨架。所以，这种方法可以将较多的金属离子引入骨架结构中，可以提高材料的吸附性能。将Si/Cu-43的Cu-SBA-16吸附剂1g装入5×300mm吸附柱中，实验测得在20℃和流出速度6mL h-1时，该吸附柱的初始流出吸附量和饱和吸附量分别为0.486和0.544 mmol S/g，可以将40ml含硫550ppm的模拟油中的硫降低至1 ppm以下。吸附剂再生实验结果表明，其饱和吸附量由0.544降低到0.371mmol S/g，其吸附活性比初始活性降低了31.8%。 最后，我们采用溶剂挥发自组装方法直接合成了高Ti含量的SBA-16（Ti-MSM）材料，通过XRD，FTIR，TG-DTA，N2吸附/脱附，SEM，HRTEM和XPS分析，表明该材料具有高水热稳定性，孔壁厚（10.43-10.68 nm），比表面高（642-691㎡/g），具有均匀的介孔结构，并且成功地将Ti引入了二氧化硅基体的四面体结构中。另外，氮吸附结果表明，随着Ti含量的增加，物质结构越来越规整，所以Ti在介孔结构的合成中起到了决定性作用。 这种材料在氧化脱硫方面也表现出了高的催化性能，在60℃，H2O2/S（mole）=10，25ml模拟油中加入催化剂100mg，用甲醇作为极性溶剂，反应1h和4h后，可将模拟油中的硫从500ppm降低至8ppm和1 ppm，脱出率分别为98.3%和99.8%。催化剂循环使用4次后，其活性没有降低。另外，Ti-MSM催化剂在FCC柴油氧化脱硫实验中也表现出高催化活性，25ml FCC柴油中加入200mg催化剂，在60℃，H2O2/S（mole）=10，反应180 min，可以将FCC中的硫含量从974 ppm降至72 ppm，脱硫率高达92.6%。

目录

文摘

英文文摘

声明

Chapter 1 General Introduction

1.1. Mesoporous Material

1.1.1 M41S Family of mesoporous materials

1.1.2 Discovery of SBAs Mesoporous Materials

1.1.3 SBA-15 Mesoporous material

1.1.4 SBA- 16 Mesoporous material

1.2 Desulfudzation

1.2.1 Types of fuel and source of sulfur

1.2.2 Procedures used for Desulfurization

1.3 Oxidation Desulfurization

1.4 Adsorption Dcsulfurization

1.4.1 Mechanistic Pathways for Adsorption Desulfurization

1.4.2 Advancement in Adsorption Desulfurization

1.5 Research Objective

Chapter 2 Experiments

2.1 Chemicals

2.2 Methods

2.2.1 Methods used for Cu-SBA-16 prepared by pH adjustment method

2.2.2 Methods used for Cu-SBA-16 prepared by internal pH Modification method

2.2.3 Methods for Ti containing SBA-16 type material

2.3. Characterization Techniques

2.3.1. X-ray Diffraction (XRD)

2.3.2. X-ray Fluorescence Diffraction(XRD)

2.3.3. Scanning electron microscopy (SEM)

2.3.4. Transmission Electron Microscopy (TEM)

2.3.5. High-Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM)

2.3.6. Fourier Transform Infrared analysis (FT-IR)

2.3.7. Ultraviolet-visible spectroscopy

2.3.8 . Nitrogen adsorption--desorption isotherms

2.3.9. Thermogravimetric and Differential Thermogravimetric analysis(TG-DTA)

2.3.10. X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS)

Chapter 3 Preparation of Cu containing SBA-16 mesoporous material by modified pH adjustment method and its application for adsorption of Dibenzothiophene

Introduction

3.1. Characterization of Cu-SBA-16 by Different Techniques

3.2. Formation Mechanism of Cu-SBA-16

3.3. Adsorption Desulfurization Mechanism

3.4. Adsorption Desulfurization Results

Summary

Chapter 4 Direct synthesis of Cu-SBA-16 by internal pH modification method and its performance for adsorption of dibenzothiophene

Introduction

4.1. Characterization of Copper containing SBA- 16

4.2. Formation Mechanism of Cu(x)SBA- 16 and role of HMTA

4.3. Adsorption activity of Cu-SBA- 16

Summary

Chapter 5 Direct synthesis of Ti containing SBA-16 type mesoporous material by evaporation-induced Self-assembly method and its catalytic performance for Oxidative Desulfurization

Introduction

5.1. Characterization of Catalysts

5.2. Catalytic Activity of Ti-MSM

5.2.1. Catalytic activity for model oil

5.2.2. Catalytic activity of Ti-MSM for FCC diesel oil

Summary

Chapter 6 Conclusion

6.1. Conclusion

6.2.Future Development

References

ACKNOWLEDGEMENT

Published and Completed Artieles

Resume of author and supervisor