Хімія, фізика та технологія поверхні, 2019, 10 (1), 59-66.

Каталітичні властивості In2O3-Al2O3 композицій в окиснювальному дегідруванні пропану в пропілен за участю СО2



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.01.059

M. R. Kantserova, S. M. Orlyk, P. S. Yaremov

Анотація


Пропілен є одним з основних напівпродуктів нафтохімічної промисловості. Згідно даних аналітичної компанії СМА (Chemical Market Associates Inc.) для задоволення швидко зростаючого попиту на пропілен (8×107 тонн С3Н6 на рік) світовий ринок орієнтується на «ненафтові» цільові способи його отримання, серед яких особливу увагу дослідників привертає каталітичне окиснювальне дегідрування пропану за участю м’яких окисників (СО2 та N2O). Композиції In2O3–Al2O3 є одними з найбільш активних каталізаторів для процесу одержання пропілену шляхом окиснювального дегідрування пропану в присутності CO2 (ОДП-СО2). Відомо, що текстурні характеристики композицій на основі оксиду алюмінію залежать від умов приготування [Journal of Structural Chemistry. 2011. 52: 326]. В роботі з’ясовано вплив способу приготування In2O3-Al2O3(YSZ) композицій на їх текстурні характеристики та каталітичну активність в процесі ОДП-СО2. Каталізатори приготовані шляхом співосадження гідроксидів індію і алюмінію зі спиртових розчинів нітратів цих елементів, співосадженням з наступною гідротермальною обробкою (ГТ), сухим змішуванням подрібнених нітратів індію та алюмінію, просоченням носіїв (промисловий Al2O3 та Y-стабілізований діоксид цирконію (YSZ)) водним розчином нітрату індію. Структурно - розмірні характеристики каталізаторів досліджені рентгенофазовим аналізом (Bruker AXS Advance), текстурні характеристики - об’ємним методом низькотемпературної адсорбції азоту при (–196 °С) (аналізатор пористих матеріалів Sorptomatic1990). Каталітичні експерименти проводили в проточному кварцовому реакторі при атмосферному тиску, температурі 600 °С та об’ємній швидкості газової суміші 6000 год1. Склад реакційної суміші (РС, об. %): 2.5 С3Н8, 0–15 СО2, Не – решта. Реагенти та продукти реакції аналізували ГХ (детектор по теплопровідності) з використанням колонок, наповнених Poropac Q та молекулярними ситами NaX. Активність каталізаторів в процесі ОДП-СО2 характеризували конверсією пропану, селективністю за пропіленом та виходом пропілену, швидкостями перетворення пропану та утворення пропілену, віднесеними до 1 г каталізатора (rС3Н8 (С3Н6), ммоль С3Н8 (С3Н6)·год1·г1). В присутності In2O3-Al2O3 каталізаторів найбільші селективність та вихід пропілену досягаються при вмісті 10 об. % діоксиду вуглецю в РС ОДП-СО2. Гідротермальна обробка каталізатора сприяє формуванню більш розвиненої мезопористої структури (питома поверхня та об’єм мезопор), що обумовило досягнення більшої селективності за пропіленом (51 %) на In2O3-Al2O3 (ГT) порівняно з каталізаторами, отриманими іншими методами (25–36 %). Використання YSZ як носія підвищує конверсію пропану та вихід пропілену порівняно з каталізаторами на основі оксиду алюмінію. В присутності розроблених каталізаторів In2O3-Al2O3(YSZ) досягається більша швидкість перетворення пропану (1.31–2.3 ммоль С3H8·год–1·г–1) та дещо менша швидкість утворення пропілену (0.74 ммоль С3H6·год–1·г–1) порівняно з відомими каталізаторами подібного складу In2O3-Al2O3 (rС3H8 = 1.21 ммоль С3H8·год–1·г–1, rС3H6 = 0.93 ммоль С3H6·год–1·г–1) [Journal of Catalysis. 2010. 272: 101]. Отже, каталітична активність In2O3-Al2O3(YSZ) композицій залежить як від природи носія, так і їх поруватої структури, яка визначається способом приготування.


Ключові слова


окиснювальне дегідрування пропану; СО2; пропілен; оксид індію; оксид алюмінію; мезопориста структура

Повний текст:

PDF

Посилання


1. Amghizar I., Vandewalle L.A., Van Geem K.M. Marin G.B. New trends in olefin production. Engineering. 2017. 3(2): 171. https://doi.org/10.1016/J.ENG.2017.02.006

2. Sattler J.H.B., Ruiz-Martinez J., Santillan-Jimenez E., Weckhuysen B.M. Catalytic dehydrogenation of light alkanes on metals and metal oxides. Chem. Rev. 2014. 114(20): 10613. https://doi.org/10.1021/cr5002436

3. Chen M.A., Xu J., Cao Y., He H.Y., Fan K.N., Zhuang J.H. Dehydrogenation of propane over In2O3–Al2O3 mixed oxide in the presence of carbon dioxide. J. Catal. 2010. 272(1): 101. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2010.03.007

4. Michorczyk P., Kuśtrowski P., Kolak A., Zimowsk M. Ordered mesoporous Ga2O3 and Ga2O3 Al2O3 prepared by nanocasting as effective catalysts for propane dehydrogenation in the presence of CO2. Catal. Commun. 2013. 35: 95. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2013.01.019

5. Chen M., Wu J.-L., Liu Y.-M., Cao Y., Guo L., He H.-Y., Fan K.-N. Study in support effect of In2O3/MOx (M = Al, Si, Zr) catalysts for dehydrogenation of propane in the presence of CO2. Appl. Catal. A. 2011. 407: 20. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2011.08.018

6. Moroz E.M., Shefer K.I., Zyuzin D.A., Shmakov A.N. A study of the local structure of alumina obtained by different methods. J. Struct. Chem. 2011. 52(2): 326. https://doi.org/10.1134/S0022476611020120

7. Orlyk S.N., Kantserova M.R., Shashkova T.K., Gubareni E.V., Chedryk V.I., Soloviev S.A. Structure and size effects on the catalytic properties of complex metal oxide compositions in the oxidative conversion of methane. Theor. Exp. Chem. 2013. 49(1): 22. https://doi.org/10.1007/s11237-013-9290-1

8. Hammond C. The Basics of Crystallography and Diffraction. (Oxford, New York: Oxford univ. press, 2009).

9. Sorescu M., Diamandescu L. Nanocrystalline rhombohedral In2O3 synthesized by hydrothermal and postannealing pathways. J. Mater. Sci. 2004. 39(2): 675. https://doi.org/10.1023/B:JMSC.0000011529.01603.fc

10. Węgrzyniak A., Jarczewski S., Węgrzynowicz A., Michorczyk B., Kuśtrowski P., Michorczyk P. Catalytic behavior of chromium oxide supported on nanocasting-prepared mesoporous alumina in dehydrogenation of propane. Nanomaterials. 2017. 7(9): 249. https://doi.org/10.3390/nano7090249

11. Nakagawa K., Kajita C., Okumura K., Na-oki Ikenaga, Nishitani-Gamo M., Ando T., Kobayashi T., Suzuki T. Role of carbon dioxide in the dehydrogenation of ethane over gallium-loaded catalysts. J. Catal. 2001. 203(1): 87. https://doi.org/10.1006/jcat.2001.3306




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.01.059

Copyright (©) 2019 M. R. Kantserova, S. M. Orlyk, P. S. Yaremov