نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

بررسی تأثیر غلظت منگنز و نیکل در سنتز کاتالیست نانوساختار MnNiAPSO-34 برای تبدیل متانول به الفین های سبک

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
پریسا صادقپور 1
محمد حقیقی 2
1 تبریز، شهر جدید سهند، دانشگاه صنعتی سهند، دانشکده مهندسی شیمی، صندوق پستی 1996 ـ 51335
2 تبریز، شهر جدید سهند، دانشگاه صنعتی سهند، مرکز تحقیقات راکتور و کاتالیست، صندوق پستی 1996 ـ 51335
چکیده
غربال مولکولی نانوساختار SAPO-34 ، بهترین عملکرد را در تولید الفین های‌ سبک به خود اختصاص داده است. همچنین به دلیل اهمیت فرایندMTO پژوهش‌ های گوناگونی برای بهبود ویژگی‌ های کاتالیست SAPO-34 انجام گرفته است.از این رو مطالعه و بررسی سنتز این کاتالیست در کنترل ساختار و بهبود ویژگی‌ های آن مؤثر می‌ باشد. استفاده از فلزهای گوناگون از جمله فلزهای واسطه با ایجاد سایت‌ های اسیدی جدید، اسیدیته کاتالیست را اصلاح کرده و سبب افزایش طول عمر این کاتالیست‌ ها می شوند. از این رو، در این پژوهش به منظور بهبود عملکرد کاتالیست‌ ها، زئولیت‌های  SAPO-34با توزیع غلظت‌ های متفاوتی از بهبوددهنده‌ های Mnو Niدر ساختار کاتالیست‌ها تهیه شدند. کاتالیست ‌های Mn0.05Ni0.1APSO-34 وMn0.1Ni0.05APSO-34 با ماده الگوساز DEA به روش هیدروترمال تهیه شده و ویژگی‌ ها و فعالیت آن ‌ها مورد ارزیابی قرار گرفت. پس از مرحله‌ های سنتز، ویژگی ‌های کاتالیست‌ ها توسط آنالیزهایXRD، FESEM، EDX، BET و FTIR ارزیابی شده و آزمون‌ های راکتوری برای بررسی ویژگی‌ های کاتالیستی به منظور استفاده در فرایند MTO انجام شد.نتیجه‌ های به دست آمده از آنالیزهای XRDو FESEMنشان داد که کاتالیست‌ های Mn0.05Ni0.1APSO-34 وMn0.1Ni0.05APSO-34 به ترتیب دارای بلورهایی با اندازه در حدود 5/44 و 2/47 نانومتر و ذره‌ هایی در حدود 15 و 2/12 میکرومتر شده ‌اند. از نتیجه‌ های آنالیز BET سطح ویژه بالایی برای کاتالیست تهیه شده با غلظت بالایی از Mnدیده شد. نتیجه‌ های به دست آمده از آزمون‌های راکتوری نشان داد که میزان تبدیل متانول در بازه‌ی دمایی بررسی شده برای همه کاتالیست‌ها حدود 100% به ‌دست می ‌آید.همچنین کاتالیستMn0.1Ni0.05APSO-34 نسبت به نمونه Mn0.05Ni0.1APSO-34 از پایداری و فعالیت بالاتری برخوردار بود. به طوری که این کاتالیستبا داشتن سطح ویژه بالا بعد از گذشت 6 ساعت انتخاب‌ پذیری 78% نسبت به الفین‌ های سبک داشت.
کلیدواژه‌ها
MnNiAPSO-34
غلظت فلز
متانول
الفین های سبک
موضوعات
[1] De Wispelaere K., et al., Complete Low-Barrier Side-Chain Route for Olefin Formation During Methanol Conversion in H-SAPO-34, Journal of Catalysis, 305(0): 76-80 (2013).
[2] Álvaro-Muñoz T., Márquez-Álvarez C., Sastre E., Effect of Silicon Content on the Catalytic Behavior of Chabazite Type Silicoaluminophosphate in the Transformation of Methanol to Short Chain Olefins, Catalysis Today, 213(0): 219-225 (2013).
[3] Álvaro-Muñoz T., Márquez-Álvarez C., Sastre E., Enhanced Stability in the Methanol-to-Olefins Process Shown by SAPO-34 Catalysts Synthesized in Biphasic Medium, Catalysis Today, 215(0): 208-215 (2013).
[4] Stocker M., Methanol-to-Hydrocarbons: Catalytic Materials and Their Behavior, Microporous and Mesoporous Materials, 29(1): 3-48 (1999).
[5] Vafaeian Y., Haghighi M., Aghamohammadi S., Ultrasound Assisted Dispersion of Different Amount of Ni over ZSM-5 Used as Nanostructured Catalyst for Hydrogen Production via CO2 Reforming of Methane, Energy Conversion and Management, 76: 1093-1103 (2013).
[6] Sajjadi S.M. et al., Hydrogen Production via CO2-Reforming of Methane over Cu and Co Doped Ni/Al2O3 Nanocatalyst: Impregnation vs. Sol-Gel Method and Effect of Process Conditions and Promoter, Journal of Sol-Gel Science and Technology, 67(3): 601-617 (2013).
[7] Rahemi N. et al., Plasma Assisted Synthesis and Physicochemical Characterizations of Ni–Co/Al2O3 Nanocatalyst Used in Dry Reforming of Methane, Plasma Chemistry and Plasma Processing, 33(4): 663-680 (2013).
[8] Aghamohammadi S., Haghighi M., Karimipour S., A Comparative Synthesis and Physicochemical Characterizations of Ni/Al2O3-MgO Nanocatalyst via Sequential Impregnation and Sol-Gel Methods Used for CO2 Reforming of Methane, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 13(7): p. 4872-4882 (2013).
[9] Wu L. et al., Effect of SAPO-34 Molecular Sieve Morphology on Methanol to Olefins Performance, Chinese Journal of Catalysis, 34(7): 1348-1356 (2013).
[10] Wang C.-M., Wang Y.-D., Xie Z.-K., Insights Into the Reaction Mechanism of Methanol-to-Olefins Conversion in HSAPO-34 from First Principles: Are Olefins Themselves  the Dominating Hydrocarbon Pool Species?, Journal of Catalysis, 301(0): 8-19 (2013).
[11] Liu Z. et al., New Progress in R&D of Lower Olefin Synthesis, Fuel Processing Technology, 62(2): 161-172 (2000).
[12] Ahmed S., Methanol to Olefins Conversion Over Metal Containing MFI-Type Zeolites, Journal of Porous Materials, 19(1): 111-117 (2012). 
[13] Wang T., Lu X., Yan Y., Synthesis of SAPO-34 from Metakaolin: Crystallization Mechanism of SAPO-34 and Transformation Processes of Metakaolin, Microporous and Mesoporous Materials, 168(0): 155-163 (2013).
[14] Taghipour N. et al., The Effect 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, 99(0): 184-190 (2013).
[15] Askari S., Halladj R., Effects of Ultrasound-Related Variables on Sonochemically Synthesized SAPO-34 Nanoparticles. Journal of Solid State Chemistry, 201(0): 85-92 (2013).
[16]      Zhuang Y.-Q. et al., CFD–DEM Modeling of Gas–Solid Flow and Catalytic MTO Reaction in a Fluidized Bed Reactor, Computers & Chemical Engineering, 60(0): 1-16 (2014).
[17] Park J.W. et al., Effects of Cage Shape and Size of 8-Membered Ring Molecular Sieves on Their Deactivation in Methanol-to-Olefin (MTO) Reactions, Applied Catalysis A: General, 339(1): 36-44 (2008).
[18] Ashraf Talesh S.S. et al., Comparative Study of Carbon Dioxide and Methane Adsorption by Synthesized Fine Particles of SAPO-34 Molecular Sieve, Iran. J. Chem. Chem. Eng.(IJCCE), 29(3): 37-45 (2010).
[19] Fatourehchi N. et al., Preparation of SAPO-34 Catalyst and Presentation of a Kinetic Model for Methanol to Olefin Process (MTO). Chemical Engineering Research and Design, 89(6): 811-816 (2011).
[20] Chen D., Moljord K., Holmen A., A Methanol to Olefins Review: Diffusion, Coke Formation and Deactivation on SAPO type catalysts. Microporous and Mesoporous Materials, 3: 23-39 (2012).
[21] Hu H., Ying W., Fang D., Reaction and Deactivation Kinetics of Methanol-to-Olefins Process Based on a Special TGA Reactor, Journal of Natural Gas Chemistry, 19(4): 409-416 (2010).
[22] Hartmann M., Kevan L., Substitution of Transition Metal Ions Into Aluminophosphates and Silicoaluminophosphates: Characterization and Relation to Catalysis, Research on Chemical Intermediates, 28(7): 625-695 (2002).
[23] Sena F.C. et al., Influence of Framework Composition Over SAPO-34 and MeAPSO-34 Acidity, Applied Catalysis A: General, 406(1): 59-62 (2011).
[24] Sadeghpour P., Haghighi M., Synthesis of Nanostructured MnNiAPSO-34 Catalyst: Catalytic Properties and Performance, Journal of Advanced Materials and Processing, 2(2): 49-66 (2014).
[25] Rajic N.Z., Open-Framework Aluminophosphates: Synthesis, Characterization and Transition Metal Modifications, Journal of the Serbian Chemical Society, 70(3): 371-391 (2005).
[26] Kang, M., Methanol Conversion on Metal-Incorporated SAPO-34s (MeAPSO-34s). Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 160(2):  437-444 (2000).
[27] Emrani P., Fatemi S., Ashraf T.S., Effect of Synthesis Parameters on Phase Purity, Crystallinity and Particle Size of SAPO-34, Iran. J. Chem. Chem. Eng. (IJCCE), 30(4): 29-36 (2011). 
[28] Van Niekerk M.J., Fletcher J.C.Q., O'Connor C.T., Effect of Catalyst Modification on the Conversion of Methanol to Light Olefins over SAPO-34, Applied Catalysis A: General, 138(1): 135-145 (1996).
[29] Wei Y. et al., Synthesis, Characterization and Catalytic Performance of Metal-Incorporated SAPO-34 for Chloromethane Transformation to Light Olefins, Catalysis today, 131(1): 262-269 (2008).
[30] Sadeghpour P., Haghighi M., DEA/TEAOH Templated Synthesis and Characterization of Nanostructured NiAPSO-34 Particles: Effect of Single and Mixed Templates on Catalyst Properties and Performance in the Methanol to Olefin Reaction, Particuology, 19: 69-81 (2014).
[31] Dubois D.R. et al., Conversion of Methanol to Olefins Over Cobalt-, Manganese-and Nickel-Incorporated SAPO-34 Molecular Sieves, Fuel Processing Technology, 83(1): 203-218 (2003).
[32] Ye L. et al., Effect of Different TEAOH/DEA Combinations on SAPO-34’s Synthesis and Catalytic Performance, Journal of Porous Materials, 18(2): 225-232 (2011).
[33] Liu G. et al., Synthesis of SAPO-34 Templated by Diethylamine: Crystallization Process and Si Distribution in the Crystals, Microporous and Mesoporous Materials, 114(1): 416-423 (2008).
[34] Inui T., Kang M., Reliable Procedure for the Synthesis of Ni-SAPO-34 as a Highly Selective Catalyst for Methanol to Ethylene Conversion, Applied Catalysis A: General, 164(1–2): 211-223 (1997).
[35] Salmasi M., Fatemi S., Taheri Najafabadi A., Improvement of Light Olefins Selectivity and Catalyst Lifetime in MTO Reaction; using Ni and Mg-Modified SAPO-34 Synthesized by Combination of Two Templates, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 17(4): 755-761 (2011).
[36] Hadadzadeh H. et al., A Novel Method for Preparation of Alumina-Supported Rhenium-Cesium Catalyst, Re-Cs/γ-Al2O3, Iran. J. Chem. Chem. Eng. (IJCCE), 27(3): 37-43 (2008).
[37] Alwahabi S.M., Froment G.F., Single Event Kinetic Modeling of the Methanol-to-Olefins Process on SAPO-34, Industrial & Engineering Chemistry Research, 43(17): 5098-5111 (2004).
[38] Gunawardena D.A., Fernando S.D., Thermodynamic Equilibrium Analysis of Methanol Conversion to Hydrocarbons Using Cantera Methodology, Journal of Thermodynamics, 12: 64-73 (2012).
[39] Wei Y. et al., Study of Mn Incorporation into SAPO Framework: Synthesis, Characterization and Catalysis in Chloromethane Conversion to Light Olefins, Microporous and Mesoporous Materials, 90(1): 188-197 (2006).