甲烷低溫部分氧化催化劑制備及催化性能研究.pdf

1、天然氣資源儲量豐富,被認(rèn)為是21世紀(jì)能夠取代煤和石油的主要能源及化工原料,其消費(fèi)也呈現(xiàn)出逐年高速增長的趨勢。大部分天然氣田位于邊遠(yuǎn)地區(qū)或者海底,而氣體介質(zhì)的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸成本較高。油田伴生氣由于利用成本高而采用焚燒放空的方式進(jìn)行處理,既浪費(fèi)能源又污染環(huán)境。天然氣和油田伴生氣的成分均為甲烷,將甲烷直接原位轉(zhuǎn)化為便于運(yùn)輸?shù)囊后w燃料(如甲醇),對充分利用邊遠(yuǎn)地區(qū)及油田伴生氣具有重要的意義。目前,甲烷直接催化氧化制甲醇主要集中于氣固多相催化氧化及液

2、相催化氧化,氣固多相催化氧化體系轉(zhuǎn)化率及選擇性難以同時提高,液相催化氧化體系強(qiáng)酸介質(zhì)對設(shè)備腐蝕高,均難以進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。本文以金屬負(fù)載的分子篩為催化劑,H2O2為氧化劑,在水介質(zhì)中進(jìn)行甲烷部分氧化反應(yīng),以期望能開發(fā)出新型的液相催化反應(yīng)介質(zhì)及其相應(yīng)的催化劑。
　　本文以研制甲烷在水介質(zhì)中低溫氧化催化劑為目的,采用液相離子交換法制備了Fe/ZSM-5和Fe-Cu/ZSM-5催化劑,利用SEM、BET、ICP、XRD、XPS等方法對

3、催化劑的組成結(jié)構(gòu)及表面負(fù)載狀況進(jìn)行表征分析,并研究了其在水介質(zhì)中催化甲烷低溫氧化反應(yīng)的催化性能。
　　(1)以HZSM-5分子篩為載體,制備了Fe/ZSM-5催化劑,活性組分Fe以Fe2O3的形式高度均勻的分散在載體ZSM-5表面及其孔道內(nèi),在硝酸鐵濃度為0.015M時,Fe的負(fù)載量為1.51％。Fe/ZSM-5催化劑進(jìn)行一次反應(yīng)后,活性組分Fe的含量有所損失。在反應(yīng)溫度為50℃,反應(yīng)壓力為30bar,催化劑投加量為0.1g,1M

4、的H2O2溶液30mL,反應(yīng)時間為3h,攪拌速率為500rpm的最佳反應(yīng)條件下,甲烷轉(zhuǎn)化率為2.28%,甲醇產(chǎn)量可達(dá)33.20μmol。
　　(2)以HZSM-5分子篩為載體,制備了Fe和Cu共同負(fù)載的Fe-Cu/ZSM-5催化劑,Fe和Cu分別以Fe2O3和CuO的形式高度均勻的分散在載體ZSM-5表面及其孔道內(nèi),在硝酸鐵和硝酸銅的濃度分別為0.015M和0.01M時,Fe和Cu的負(fù)載量分別為1.05%和0.92%。在優(yōu)化后的反