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原油重质化、劣质化趋势的不断加剧和环保法规的日益严格,推动了石油加氢工艺技术的发展。传统的金属硫化物加氢精制催化剂已不能满足油品深度脱硫的要求,为此需要开发更高效的新型加氢精制催化剂和催化工艺,以实现油品的深度加氢精制和燃料油的优质、清洁生产,从根本上解决机动车尾气排放产生的空气污染问题。过渡金属碳化物因其独特的电子结构和优良的催化性能成为新型催化剂研究领域的一个热点,正在引起国内外学者的广泛关注。开展过渡金属碳化钼催化剂的合成、表征和加氢脱硫性能研究具有重要的理论和实际意义。
本文采用程序升温还原碳化反应合成了碳化钼催化剂,用TG-DTA、XRD、XPS、NH<,3>-TPD、SEM、BET等技术对碳化钼催化剂的合成机理、晶相结构、表面性质、形貌特征及表面、孔径分布进行了表征;以噻吩、二苯并噻吩及柴油为反应原料考察了合成的碳化钼催化剂的加氢脱硫性能,探索了活化预处理条件及助剂对碳化钼催化剂加氢脱硫性能的影响,研究了二苯并噻吩在碳化钼催化剂上的加氢脱硫反应途径。结果表明:
MoO<,3>在CH<,4>/H<,2>气氛中经MoO<,3>→MoO<,2>→MoO<,x>C<,y>→Mo<,2>C过程被还原碳化为β-Mo<,2>C,适宜的程序升温速率为1℃min<-1>,还原碳化终点温度在675℃左右,比表面积达到了10.7m<2>.g<-1>,高出MoO<,3> 2.7倍;Ni-Mo双金属混合氧化物经NiO-MoO<,3>→Ni-MoO<,x>C<,y>→Ni→Mo<,2>C过程被还原碳化为Ni-Mo<,2>C,Ni以金属细颗粒的形态均匀分散在生成的Mo<,2>C中,适宜的还原碳化温度为625℃,以Ni/Mo原子比为0.3的碳化钼催化剂的比表面积最大;Co-Mo双金属混合氧化物按CoO→MoO<,3>→CoO→MoO<,2>→Co-MoO<,x>C<,y>→Co-Mo<,2>C过程被还原碳化为Co-Mo<,2>C,Co以金属细颗粒的形态均匀分散在生成的Mo<,2>C中,相应的还原碳化温度为650℃。Co助剂对碳化钼比表面积的促进作用比Ni小。制备碳化钼时的钝化反应过程只是表面被钝化,形成对碳化钼具有保护作用的表面钝化氧物种,该物种在H<,2>气氛中400℃时可被还原除去。
Mo<,2>C呈现出形状规整,大小相对均一的片状颗粒,其前体MoO<,3>的颗粒形状不规则,大小不均一。适量Ni、Co的加入,能起到抑制Mo<,2>C颗粒生长的作用,增大Mo<,2>C的比表面积,Co的促进作用略逊于相应的Ni。Mo<,2>C表面存在着两种价态的钼物种,即Mo<2+>的Mo-C和Mo<δ+>的Mo-O物种。还原碳化温度升高,制备的碳化钼催化剂表面积炭增多,由于积炭的覆盖和保护作用,使得Mo<,2>C表面Mo<2+>物种含量增大,Mo<δ+>物种含量明显减少。Ni、Co助剂的加入,引起Mo<,2>C催化剂表面Mo<2+>物种含量增大,Mo<δ+>物种含量下降。
MoO<,3>/γ-Al<,2>O<,3>在CH<,4>/H<,2>气氛中还原碳化的起始失重温度比相应的MoO<,3>降低了约148℃,碳化产物Mo<,2>C/γ-Al<,2>O<,3>中有-Al-O-Mo-C-结构的物种存在。Ni助剂的加入可降低MoO<,3>/γ-Al<,2>O<,3>在CH<,4>/H<,2>气氛中的还原碳化始、终点温度,Co助剂的加入引起了MoO<,3>/γ-Al<,2>O<,3>催化剂在CH<,4>/H<,2>气氛中还原碳化起点温度升高,对终点温度影响不大。还原碳化反应可以改善金属活性组分在载体表面的分散性能,有利于提高Mo<,2>C/γ-Al<,2>O<,3>催化剂的比表面积。碳化钼催化剂表面以弱酸为主,酸量较少。
Mo<,2>C催化剂具有较高的噻吩HDS活性,但受还原碳化反应条件影响较大。Ni、Co助剂对M02C噻吩HDS活性有明显的促进作用,其添加量以Ni/Mo原子比0.3和Co/Mo原子比0.2左右为宜,此时Ni和Mo以及Co和Mo之间的协同效应最好,催化剂的噻吩HDS活性最佳,Co助剂的促进作用低于Ni。共浸渍法制备的Ni-Mo<,2>C/γ-Al<,2>O<,3>催化剂上,Ni和Mo之间的协同效应最好,Ni的助催化作用最为显著。Co的添加方式对Mo<,2>C/γ-Al<,2>O<,3>噻吩HDS活性的影响规律与Ni相似。
二苯并噻吩在Mo<,2>C/γ-Al<,2>O<,3>催化剂上的加氢脱硫有两个平行的反应途径,即直接氢解脱硫途径和加氢脱硫途径,以直接氢解脱硫为主。随HDS反应温度升高,加氢脱硫反应比例有所增大,但仍以直接氢解脱硫为主。Ni、Co、P助剂的加入有利于Mo<,2>C/γ-Al<,2>O<,3>催化剂二苯并噻吩HDS联苯选择性的提高,Ni、Co助剂在低温反应时的促进作用较好,P助剂在高温反应时促进作用更为明显。
在加氢脱硫反应中,碳化钼催化剂具有较好的结构稳定性,反应后的Mo<,2>C表面可检测到微量的硫物种,其存在不会影响催化剂的二苯并噻吩加氢脱硫性能。碳化钼催化剂的柴油加氢脱硫活性高于相应的硫化钼催化剂,Ni、Co、P的加入可以明显提高Mo<,2>C/γ-Al<,2>O<,3>催化剂柴油加氢脱硫活性。