负载型钼基催化剂催化(CO/H2S/H2)制备甲硫醇的研究

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甲硫醇又名硫氢甲烷,化学性质非常活泼,易与其他物质反应生成含硫物质,是一种重要的有机中间体和化工原料。目前,甲硫醇的生产主要采用甲醇-硫化氢合成路线,但此方法存在原料成本高,甲硫醇产率低和副产物甲硫醚会对环境造成危害等缺点。相对于CH3OH-H2S路线,通过简单的原料如高硫合成气(或CO/H2/H2S混合气)一步法制备甲硫醇将更具吸引力和发展前景。还原性工业烟气中含有大量的碳(CO/CO2)、硫物种(H2S/COS),其直接排放会造成全球气候变暖和酸雨等环境问题。目前针对还原性工业烟气中碳、硫物种的资源化利用并不充分,主要先通过分离碳、硫物种,再分别对其进行单独资源化处理。本文通过模拟还原性工业烟气,以混合气(CO/H2/H2S)为原料,在钼基催化剂作用下制备甲硫醇。不仅能消除还原性硫物种对环境的影响并实现其高值资源化,而且可获得市场急需化工产品甲硫醇和有利于碳减排。本文以MoO3作为活性组分,采用等体积浸渍法制备用于合成甲硫醇的催化剂。对碱助剂、第二助剂、载体、制备过程和总负载量进行筛选优化;采用TEM、N2-吸脱附、H2-TPR和XRD等手段对催化剂进行表征,讨论催化剂的构效关联;对最优反应条件进行探索,分析产物分布,并提出可能的反应网络;对催化剂的稳定性进行试验。主要结果归纳如下:(1)只有加入碱助剂的钼基催化剂才具备合成甲硫醇的能力。最佳的碱助剂为K2CO3,且当K/Mo摩尔比为2时,采用共浸渍法制备的钼基催化剂具有最佳的催化活性。H2-TPR表征说明,碱助剂的加入使催化剂的低温耗氢峰发生分裂,载体SBA-15表面的八面体钼物种向四面体转化。XRD表征显示,随着K/Mo摩尔比的增大,K2O和MoO3在SBA-15表面形成的多钼物种逐渐向有利于甲硫醇合成的单钼物种转化。(2)在K-Mo/SBA-15催化剂里加入第二助剂过渡金属(Fe、Co和Ni)硝酸盐,催化剂的活性有了明显提高,但甲硫醇的选择性有所降低。加入过渡金属的催化剂对甲硫醇的选择性大小顺序为:Co>Ni>Fe。当n(K/Mo/Co)=2:1:0.35时,采用共浸渍法制备的K-Mo-Co/SBA-15催化剂具有最高的活性。(3)四种载体制备的K-Mo-Co催化剂对CO转化率的大小顺序为:SBA-15>微球硅胶>MSAMS-2>SiO2;对CH3SH的选择性大小顺序为:SBA-15>MSAMS-2>微球硅胶>SiO2。选择SBA-15作为本文制备钼基催化剂的最佳载体。(4)催化剂的最佳预处理条件为:活化温度为400℃,硫化温度为280℃,硫化时间为6h。混合气(CO/H2S/H2)在负载型钼基催化剂作用下制备甲硫醇的最佳反应条件为:300℃,n(CO/H2S/H2)=1/1/2,0.2MPa,1000h-1。反应的主要产物为CH3SH、CO2、CH4、COS和H2O,并生成了少量的C2H4和C2H6。研究反应网络发现,COS是合成CH3SH的中间产物,且为一级产物,COS经过加氢后生成CH3SH和H2O。主要副产物CO2主要来源于水煤气变换反应;COS的分解反应生成了少量的CS2;CH3SH进一步与H2反应生成了痕量的C2H4和C2H6。K-Mo-Co/SBA-15催化剂的稳定性试验发现其具有较好的稳定性。
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