اثر نسبت Si/Al روی خواص فیزیکی – شیمیایی LaAPSO-34 نانوساختار جهت استفاده در تبدیل متانول به الفین‌های سبک

الموضوعات : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

ابوالفضل آموزگار ¹ (کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی سهند، شهر جدید سهند، تبریز، ایران.)
محمد حقیقی ² (مرکز تحقیقات راکتور و کاتالیست، دانشگاه صنعتی سهند، شهر جدید سهند، تبریز، ایران.)

تاريخ الإرسال : 13 الجمعة , شعبان, 1437 تاريخ التأكيد : 13 الجمعة , شعبان, 1437 تاريخ الإصدار : 11 الثلاثاء , ربيع الأول, 1437

الکلمات المفتاحية: LaAPSO-34, اثر Si/Al, متانول, الفین‌های سبک, MTO,

ملخص المقالة :

نسبت Si/Al از جمله پارامترهای موثر بر خواص فیزیکی-شیمیایی کاتالیست­های نانوساختار LaAPSO-34 می باشد. استفاده از نسبت بهینه Si/Al در این غربال مولکولی کارایی آنها را تا حدچشمگیری در فرایند تبدیل متانول به الفین­های سبک افزایش داده است. کاتالیست­های نانوساختار LaAPSO-34 با نسبت­های گوناگون Si/Al به روش هیدروترمال سنتز و با آنالیزهایXRD، FESEM، EDX، BET و FTIR تعیین خصوصیات شدند. نتایج آنالیز XRD نشان دادند که در نسبت­های پایین Si/Al شبکه کریستالی رشد چشمگیری نداشت، اما با افزایش این نسبت، بلورینگی افزایش یافت. تصاویر FESEM نشان داد با افزایش نسبت Si/Al ذرات مکعبی شکل چابازیت به صورت کامل ایجاد شده، اما در نسبت­های بالای Si/Al صافی سطح ذرات کاتالیستی کاهش یافت. آنالیز EDX حضور عناصر سازنده این زئولیت را تایید کرد و پراکندگی یکنواخت اجزا را نشان داد. نتایج بدست آمده از آنالیزBET نشان دادند که با افزایش نسبت Si/Al از 1/0 به 3/0 سطح ویژه در کاتالیست­های نانوساختار LaAPSO-34 افزایش یافته است. پیک های ناشی از آنالیز FTIR گروههای عاملی ساختار چابازیت را در نسبت­های گوناگون Si/Al تایید نمود. نتایج ارزیابی عملکرد کاتالیست­ها نشان دادند که با افزایش دمای واکنش مقدار تبدیل متانول افزایش یافته است. با افزایش نسبت Si/Al از 1/0 به 3/0 کارایی کاتالیست­های نانوساختار LaAPSO-34 بهبود یافت و مدت زمان بیش­تری طول کشید تا کاتالیست غیرفعال شود.

المصادر:

1-         J.S. Plotkin, The Changing Dynamics of Olefin Supply/Demand, Catalysis Today, Vol. 106, pp. 10-14, 2005.

2-         R. Wei, C. Li, C. Yang, and H. Shan, Effects of Ammonium Exchange and Si/Al Ratio on the Conversion of Methanol to Propylene Over a Novel and Large Partical Size ZSM-5, Journal of Natural Gas Chemistry, Vol. 20, pp. 261-265, 2011.

3-         A. Gronvold, K. Moljord, T. Dypvik, and A. Holmen, Conversion of Methanol to Lower Alkenes on Molecular Sieve Type Catalysts, vol. 81, Elsevier, 1994.

4-         J. Liang, H. Li, S. Zhao, W. Guo, R. Wang, and M. Ying, Characteristics and Performance of SAPO-34 Catalyst for Methanol-to-Olefin Conversion, Applied Catalysis, Vol. 64, pp. 31-40, 1990.

5-         D. Chen, H.P. Rebo, A. Gronvold, K. Moljord, and A. Holmen, Methanol Conversion to Light Olefins Over SAPO-34: Kinetic Modeling of Coke Formation, Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 35-36, pp. 121-135, 2000.

6-         W. Shen, X. Li, Y. Wei, P. Tian, F. Deng, X. Han, and X. Bao, A Study of the Acidity of SAPO-34 by Solid-State NMR Spectroscopy, Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 158, pp. 19-25, 2012.

7-         L. Xu, A. Du, Y. Wei, Y. Wang, Z. Yu, Y. He, X. Zhang, and Z. Liu, Synthesis of SAPO-34 with Only Si(4Al) Species: Effect of Si Contents on Si Incorporation Mechanism and Si Coordination Environment of SAPO-34, Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 115, pp. 332-337, 2008.

8-         T. Alvaro-Munoz, C. Marquez-Alvarez, and E. Sastre, Effect of silicon content on the catalytic Behavior of Chabazite type Silicoaluminophosphate in the Transformation of Methanol to Short Chain Olefins, Catalysis Today, Vol. 213, pp. 219–225, 2013.

9-         J. Tan, Z. Liu, X. Bao, X. Liu, X. Han, C. He, and R. Zhai, Crystallization and Si Incorporation Mechanisms of SAPO-34, Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 53, pp. 97-108, 2002.

10-       R. Vomscheid, M. Briend, M.-J. Peltre, D. Barthomeuf, and P.P. Man, Reversible Interaction of NH3 with the Framework of Template-Free Zeolite-Type SAPO-34, Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions, Vol. 91, pp. 3281-3284, 1995.

11-       I.M. Dahl, and S. Kolboe, On the Reaction Mechanism for Hydrocarbon Formation from Methanol Over SAPO-34: 2. Isotopic Labeling Studies of the Co-reaction of Propene and Methanol, Journal of Catalysis, Vol. 161, pp. 304-309, 1996.

12-       B.L. Su, A. Lamy, S. Dzwigaj, M. Briend, and D. Barthomeuf, Oxidizing and Reducing properties of SAPO-37 Molecular Sieve: Comparison with Acidity and Catalysis, Applied Catalysis, Vol. 75, pp. 311-320, 1991.

13-       Y. Wei, Y. He, D. Zhang, L. Xu, S. Meng, Z. Liu, and B.-L. Su, Study of Mn incorporation into SAPO framework: Synthesis, Characterization and Catalysis in Chloromethane Conversion to light Olefins, Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 90, pp. 188-197, 2006.

14-       B.I. Palella, M. Cadoni, A. Frache, H.O. Pastore, R. Pirone, G. Russo, S. Coluccia, and L. Marchese, on the Hydrothermal Stability of CuAPSO-34 Microporous Catalysts for N₂O Decomposition: a Comparison with CuZSM-5, Journal of Catalysis, Vol. 217, pp. 100-106, 2003.

15-       L. Wang, W. Li, G. Qi, and D. Weng, Location and Nature of Cu Species in Cu/SAPO-34 for Selective Catalytic reduction of NO with NH₃, Journal of Catalysis, Vol. 289, pp. 21-29, 2012.

16-       M. Kang, Methanol Conversion on Metal-Incorporated SAPO-34s (MeAPSO-34s), Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, Vol. 160, pp. 437-444, 2000.

17-       I.M. Dahl, and S. Kolboe, On the Reaction Mechanism for Hydrocarbon Formation from Methanol over SAPO-34: I. Isotopic Labeling Studies of the Co-Reaction of Ethene and Methanol, Journal of Catalysis, Vol. 149, pp. 458-464, 1994.

18-       M. Kang, and C.-T. Lee, Synthesis of Ga-Incorporated SAPO-34s (GaAPSO-34) and Their Catalytic Performance on Methanol Conversion, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, Vol. 150, pp. 213-222, 1999.

19-       P.L. De Cola, R. Gläser, and J. Weitkamp, Non-Oxidative Propane Dehydrogenation over Pt–Zn-Containing Zeolites, Applied Catalysis A: General, Vol. 306, pp. 85-97, 2006.

20-       A.M. Prakash, and S. Unnikrishnan, Synthesis of SAPO-34: High Silicon Incorporation in the Presence of Morpholine as Template, Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions, Vol. 90, pp. 2291-2296, 1994.

21-       M. Hartmann, and L. Kevan, Substitution of transition metal ions into aluminophosphates and Silicoaluminophosphates: Characterization and Relation to Catalysis, Research on Chemical Intermediates, Vol. 28, pp. 625-695, 2002.

22-       L. Marchese, A. Frache, G. Gatti, S. Coluccia, L. Lisi, G. Ruoppolo, G. Russo, and H.O. Pastore, Acid SAPO-34 Catalysts for Oxidative Dehydrogenation of Ethane, Journal of Catalysis, Vol. 208, pp. 479-484, 2002.

23-       N. Taghipour, J. Towfighi, A. Mohamadalizadeh, L. Shirazi, and S. Sheibani, The Eeffect of key Factors on thermal Catalytic Cracking of Naphtha over Ce–La/SAPO-34 Catalyst by Statistical Design of Experiments, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Vol. 99, pp. 184-190, 2013.

24-       Y. Zhang, Y. Zhou, H. Liu, Y. Wang, Y. Xu, and P. Wu, Effect of La addition on Catalytic Performance of PtSnNa/ZSM-5 Catalyst for Propane Dehydrogenation, Applied Catalysis A: General, Vol. 333, pp. 202-210, 2007.

25-       E. Dumitriu, A. Azzouz, V. Hulea, D. Lutic, and H. Kessler, Synthesis, Characterization and Catalytic Activity of SAPO-34 Obtained with Piperidine as Templating Agent, Microporous Materials, Vol. 10, pp. 1-12, 1997.

26-       S. Lin, J. Li, R. Sharma, J. Yu, and R. Xu, Fabrication of SAPO-34 Crystals with Different Morphologies by Microwave Heating, Topics in Catalysis, Vol. 53, pp. 1304-1310, 2010.

27-       T. Alvaro-Munoz, C. Marquez-Alvarez, and E. Sastre, Aluminium Chloride: A New Aluminium Source to Prepare SAPO-34 Catalysts with Enhanced Stability in the MTO Process, Applied Catalysis A: General, Vol. 472, pp. 72-79, 2014.

28-       A. Izadbakhsh, F. Farhadi, F. Khorasheh, S. Sahebdelfar, M. Asadi, and Y.Z. Feng, Effect of SAPO-34's Composition on its Physico-Chemical Properties and Deactivation in MTO Process, Applied Catalysis A: General, Vol. 364, pp. 48-56, 2009.

29-       T. Wang, X. Lu, and Y. Yan, Synthesis of SAPO-34 from Metakaolin: Crystallization Mechanism of SAPO-34 and Transformation Processes of Metakaolin, Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 168, pp. 155-163, 2013.

30-       E. Kim, M. Lee, H. Baik, D.-Y. Han, J.-M. Ha, and J. Choi, On the Synthesis and Characterization of All-Silica CHA Zeolite Particles, Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 184, pp. 47-54, 2014.

31-       S.R. Venna, M.A. Carreon, Microwave Assisted Phase Transformation of Silicoaluminophosphate Zeolite Crystals, Journal of Materials Chemistry, Vol. 19, pp. 3138-3140, 2009.

32-       M. Salmasi, S. Fatemi, S.J. Hashemi, MTO Reaction over SAPO-34 Catalysts Synthesized by Combination of TEAOH and Morpholine Templates and Different Silica Sources, Scientia Iranica, Vol. 19, pp. 1632–1637, 2012.

33-       S.A. Zubkov, L.M. Kustov, V.B. Kazansky, I. Girnus, R. Fricke, Investigation of Hydroxyl Groups in Crystalline Silicoaluminophosphate SAPO-34 by Diffuse Reflectance Infrared Spectroscopy, Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions, Vol. 87, pp. 897-900, 1991.

34-       F. Jin, Y. Li, A FTIR and TPD Examination of the Distributive Properties of Acid Sites on ZSM-5 Zeolite with Pyridine as a Probe Molecule, Catalysis Today, Vol. 145, pp. 101-107, 2009.

35-       Y. Wei, D. Zhang, Y. He, L. Xu, Y. Yang, B.-L. Su, Z. Liu, Catalytic performance of Chloromethane Transformation for Light Olefins Production over SAPO-34 with Different Si Content, Catalysis Letters, Vol. 114, pp. 30-35, 2007.

36-       K. Hemelsoet, A. Ghysels, D. Mores, K. De Wispelaere, V. Van Speybroeck, B.M. Weckhuysen, M. Waroquier, Experimental and Theoretical IR Study of Methanol and Ethanol Conversion Over H-SAPO-34, Catalysis Today, Vol. 177, pp. 12-24, 2011.

37-       S. Aghamohammadi, M. Haghighi, M. Charghand, Methanol conversion to light olefins Over Nanostructured CeAPSO-34 Catalyst: Thermodynamic Analysis of Overall Reactions and Effect of Template Type on Catalytic Properties and Performance, Materials Research Bulletin, Vol. 50, pp. 462-475, 2014.

38-       F.J. Keil, Methanol-to-Hydrocarbons: Process Technology, Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 29, pp. 49-66, 1999.