钛基催化剂的可控合成及其在燃油深度氧化脱硫中的研究

发布时间：2020-03-30 08:13

【摘要】：汽车燃油中含硫化合物的燃烧会生成SO_x,是大气的主要污染物之一,降低燃油中的硫含量可以防止汽车尾气处理装置的催化剂中毒,有助于减少车辆尾气排放造成的环境问题。因而,车用燃油中的硫含量是需要规范调控的一项重要指标。自2017年以来,我国已全面提供切合第五阶段国家标准(国V标准)的车用汽油、柴油。标准中将燃油中最大含硫量由国Ⅳ标准的50 ppm降到10 ppm,深度脱硫成为炼油工业的重要任务。目前,氧化脱硫(ODS)工艺由于其催化活性高、选择性强且对加氢脱硫中较难脱除的芳香类含硫化合物有较好的脱除效果而最受科研工作者的关注。人们正努力研究催化活性高、实验成本低和环境友好型的氧化脱硫体系,以满足车用燃油深度脱硫的目标。本文以锐钛矿型TiO_2为活性中心,设计并合成一系列钛基催化剂,采用30wt.%H_2O_2为氧化剂构建催化氧化脱硫体系,研究其对燃油中二苯并噻吩类含硫化合物的脱硫效果和变化规律,探讨催化氧化脱硫作用机理。主要研究内容分为如下三个部分:1.通过控制煅烧温度,合成了一系列分散度不同的TiO_2催化剂,并通过广角XRD、TEM、XPS、Raman等分析方法对其组成、形貌和晶型进行了分析。对所合成的不同分散度的TiO_2进行了氧化脱硫性能考察,结果发现500℃煅烧条件下合成的催化剂500-TiO_2催化氧化效果最好,在m(catalyst)=0.04 g,T=50oC,n(O)/n(S)=4的条件下,500-TiO_2催化剂对含DBT的模型油氧化脱除效率能达到99.8%,结合TEM和广角XRD等表征,发现TiO_2催化剂的催化活性与其分散度有关。催化剂在循环利用5次后催化活性仍能保持在97%之上。催化剂对不同芳香性含硫化合物的脱硫效率依次如下:DBT4-MDBT4,6-DMDBT。通过ESR表征,证明在氧化脱硫过程中会有~·O_2~-自由基生成;通过GC-MS表征,发现DBT等硫化物最终被氧化成了DBTO_2等对应的砜类物质,并根据以上结果提出了可能的催化氧化脱硫机理。2.通过水热法与煅烧相结合的方法,制备了一系列介孔核壳结构TiO_2@SiO_2催化剂,并采用FT-IR、Raman、广角XRD、小角XRD、TEM、SEM、XPS和BET等表征确定了催化剂的组成、形貌和晶型。对所合成的TiO_2@SiO_2催化剂进行了氧化脱硫活性研究,结果发现500℃煅烧条件下合成的催化剂500-TiO_2@SiO_2催化氧化脱硫效果最好,当m(catalyst)=0.1 g,n(O/S)=4,T=50oC,t=60 min时,催化剂500-TiO_2@SiO_2对DBT的脱除率达到100%,且500-TiO_2@SiO_2在循环利用5次后催化活性依然能保持在99%以上。催化剂对不同含硫底物的脱硫活性顺序为DBT4-MDBT4,6-DMDBT。结合小角XRD和BET等表征,发现TiO_2@SiO_2催化剂的催化活性与介孔结构有关。通过ESR表征,证明氧化反应过程中有~·O_2~-自由基的产生,并根据以上结果提出了可能的催化氧化脱硫机理。3.通过水热法负载与煅烧相结合的方法,将活性中心TiO_2负载到石墨碳(GC)表面,合成了一系列不同负载量的TiO_2/GC催化剂,并通过Raman、广角XRD、TEM、SEM、EDS-Mapping、XPS和TG-DSC等表征确定了催化剂的组成、形貌和晶型。考察了不同负载量TiO_2/GC的氧化脱硫活性,实验发现在m(catalyst)=0.1 g,T=50oC,n(O)/n(S)=4的条件下,10%-TiO_2/GC催化剂对DBT具有最好的脱除效率,能实现100%脱除,且10%-TiO_2/GC在循环使用5次后催化活性依然能保持在99%以上。结合Raman和TEM等表征,发现TiO_2/GC催化剂的催化氧化效率与TiO_2在石墨碳表面的分散度有关,伴随负载量的提高,活性中心TiO_2逐渐增多,提高了氧化脱硫活性,而当负载量过大后,TiO_2纳米颗粒会发生团聚,抑制脱硫活性。通过ESR表征和反应后催化剂的Raman表征,证明氧化脱硫反应过程中有~·O_2~-自由基的产生。
【图文】：

含硫化合物,芳香性

图 1.1 燃油中普遍存在的芳香性含硫化合物Fig. 1.1 Structures of the main sulfur-containing compounds in fuels

加氢脱硫,机理

图 1.2 加氢脱硫的机理图Fig. 1.2 Mechanistic pathways for the complete hydrogenation of DBT at 300oC and 10.3 MPawith the aid of a CoMo/AlOcatalyst.
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TE626.2

【参考文献】