催化学报

催化学报 ›› 2016, Vol. 37 ›› Issue (12): 2098-2105.DOI: 10.1016/S1872-2067(16)62558-5

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功能化含磷钼酸介孔硅材料的制备及其在深度氧化脱硫中的应用

田永胜a, 王光辉a, 龙娟a,b, 崔佳伟a, 金伟a, 曾丹林a   

  1. a 武汉科技大学化学与化工学院湖北省煤转化与新型炭材料重点实验室, 湖北武汉 430081;
    b 武汉华德环保工程技术有限公司, 湖北武汉 430080
  • 收稿日期:2016-07-22 修回日期:2016-09-18 出版日期:2016-12-27 发布日期:2016-12-27
  • 通讯作者: Guanghui Wang
  • 基金资助:

    国家自然科学基金（21473126）.

Ultra-deep oxidative desulfurization of fuel with H2O2 catalyzed by phosphomolybdic acid supported on silica

Yongsheng Tiana, Guanghui Wanga, Juan Longa,b, Jiawei Cuia, Wei Jina, Danlin Zenga   

  1. a Hubei Key Laboratory of Coal Conversion and New Carbon Material, School of Chemistry and Chemical Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, Hubei, China;
    b Wuhan Huade Ecotek Corporation, Wuhan 430080, Hubei, China
  • Received:2016-07-22 Revised:2016-09-18 Online:2016-12-27 Published:2016-12-27
  • Contact: Guanghui Wang
  • Supported by:

    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21473126).

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摘要：

随着全球工业的快速发展，化石燃料的消耗量日益增加，从而导致有毒污染物的排放量随之增加.燃料油中的含硫化合物燃烧后会形成SOx.SOx排放到大气中会形成酸雨污染环境.因此，超清洁燃料的生产迫在眉睫.目前主要的脱硫工艺为加氢脱硫（HDS）.HDS能够有效脱除燃油中的硫醚、硫醇和二硫化物等含硫化物，但对于芳香族硫化物及其衍生物（如苯并噻吩、二苯并噻吩和4，6-二甲基二苯并噻吩等）的脱除效果较差，而且HDS需要在高温、高压且有合适催化剂存在的条件下进行反应.因此，开发操作简单、反应条件温和、能够高效脱除芳香族硫化物及其衍生物的脱硫工艺已成为目前研究的热点.
催化氧化脱硫（CODS）能够在温和条件下高选择性脱除芳香族硫化物及其衍生物，作为HDS的有效补充，在深度脱硫领域的应用得到了广泛认可.目前适用于CODS的催化剂有分子筛、甲酸、过氧化物酶、氧化钼和杂多酸等.其中，含钼（VI）催化剂在CODS中表现出良好的性能，得到了广泛的研究和应用.在CODS中，催化剂载体同样起着重要作用.从实际应用角度出发，无定形二氧化硅在制备过程及经济性方面存在着不可替代的优势.到目前为止，无定形SiO2负载磷钼酸（HPMo）作为CODS催化剂的研究鲜有报道.
本课题组以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为介孔模板剂，以正硅酸四乙酯（TEOS）为硅源，通过沉淀法直接合成了功能化含HPMo介孔复合材料HPMo-SiO2.采用XRD，FT-IR，31P-NMR和XPS等测试手段对所制备的材料进行了表征.结果表明，作为催化活性位点的钼以磷钼酸的形式存在，磷钼酸的Keggen结构在负载过程中没有遭到破坏，并且活性磷钼酸能够均匀分散在二氧化硅载体上.HPMo-SiO2的比表面积为365.0 m2/g，总孔容为1.237 cm3/g，平均孔径为12.91 nm.
本文系统研究了模型油脱硫反应条件、催化剂循环使用次数及催化反应动力学.结果表明，HPMo-SiO2具有高效的脱硫活性，在反应温度为55 ℃，催化剂与模型油质量比为0.7%，反应时间为10 min的条件下，二苯并噻吩（DBT）脱除率可达100%；在反应温度为60 ℃，催化剂与模型油质量比为1.0%，反应时间为30 min的条件下，苯并噻吩（BT）脱除率可达100%.同等反应条件下，DBT的反应活性大于BT.DBT及BT的氧化脱除反应均符合表观一级动力学模型，且DBT脱除反应的表观活化能小于BT脱除反应.所制备的催化剂经过10次循环使用，DBT脱除率仍可以达到95.2%（BT为95.7%），说明所制备的HPMo-SiO2催化剂具有高活性和强稳定性.通过气质联用及微库仑仪对反应产物进行了分析，结果表明，BT和DBT的氧化产物分别为苯并噻吩砜（BTO2）和二苯并噻吩砜（DBTO2），且氧化产物全部被催化剂吸附，油品中没有含硫化合物的存在，因此不需要后续的氧化产物分离操作，提高了整个脱硫工艺的经济性，并且有效减少了分离操作带来的油品损失.

关键词: 介孔二氧化硅, 磷钼酸, 氧化脱硫, 苯并噻吩, 二苯并噻吩

Abstract:

A highly active catalyst of phosphomolybdic acid (HPMo) was prepared and applied in the catalytic oxidative desulfurization (CODS) system. The catalyst was characterized by FT-IR, XRD, XPS and superconducting NMR. The influences of m(catalyst)/m(oil), V(H2O2)/V(oil), reaction temperature and reaction time on the fractional conversion of benzothiophene (BT) and dibenzothiophene (DBT) were investigated. GC-MS and micro-coulometric methods were employed to investigate the reaction. The catalyst has high desulfurization activity in the removal of BT and DBT under mild conditions. The recycling experiments indicated that DBT and BT removal could still reach 95.2% and 95.7% after 10 cycles.

Key words: Mesoporous silica, Phosphomolybdic acid, Oxidative desulfurization, Benzothiophene, Dibenzothiophene