WŁAŚCIWOŚCI KATALITYCZNE CR/SBA-1 W PROCESIE ODWODORNIENIA PROPANU DO PROPENU W OBECNOŚCI CO 2 WPŁYW TEKSTURY I POWIERZCHNI WŁAŚCIWEJ NOŚNIKA

Podobne dokumenty
BADANIE STABILNOŚCI PRACY KATALIZATORA VO X /SBA-15 W PROCESIE ODWODORNIENIA PROPANU DO PROPENU W OBECNOŚCI DITLENKU WĘGLA

ODWODORNIENIE PROPANU W OBECNOŚCI CO 2 DEZAKTYWACJA ODWRACALNA I NIEODWRACALNA KATALIZATORA Cr-O/MCM-41

OTMAR VOGT, JAN OGONOWSKI *, BARBARA LITAWA. Streszczenie

WPŁYW SPOSOBU PREPARATYKI NA AKTYWNOŚĆ UKŁADÓW La Mg O. THE EFFECT OF PREPARATION OF La Mg O CATALYSTS ON THEIR ACTIVITY

ODWODORNIENIE IZOBUTANU DO IZOBUTENU W OBECNOŚCI DITLENKU WĘGLA NA KATALIZATORZE WANADOWYM NANIESIONYM NA WĘGIEL AKTYWNY

Proces odwodornienia propanu do propenu w obecności CO 2. O) lub bezpośredni (utleniacz w reakcji utleniającego odwodornienia ODH, propanu: C 3

Inżynieria procesów przetwórstwa węgla, zima 15/16

SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH. RÓWNOWAGA CHEMICZNA

Węglowodory poziom podstawowy

Zbadano proces utleniającej konwersji metanu wobec mieszanek O 2 z CO 2 o składzie molowym:

Ćwiczenie 12 KATALITYCZNE ODWODORNIENIE HEPTANU

VIII Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2015/2016

X / \ Y Y Y Z / \ W W ... imię i nazwisko,nazwa szkoły, miasto

relacje ilościowe ( masowe,objętościowe i molowe ) dotyczące połączeń 1. pierwiastków w związkach chemicznych 2. związków chemicznych w reakcjach

ZADANIE 1 W temperaturze 700 K gazowa mieszanina dwutlenku węgla i wodoru reaguje z wytworzeniem pary wodnej i tlenku węgla. Stała równowagi reakcji

Repetytorium z wybranych zagadnień z chemii

PL B1. Instytut Chemii Przemysłowej im.prof.ignacego Mościckiego,Warszawa,PL BUP 07/06

Ćwiczenie 26 KATALITYCZNE ODWODNIENIE HEPTANOLU

Odwracalność przemiany chemicznej

Zagadnienia do pracy klasowej: Kinetyka, równowaga, termochemia, chemia roztworów wodnych

57 Zjazd PTChem i SITPChem Częstochowa, Promotowany miedzią niklowy katalizator do uwodornienia benzenu

Zadanie 1. [ 3 pkt.] Uzupełnij zdania, wpisując brakującą informację z odpowiednimi jednostkami.

KATALITYCZNE ODWODORNIENIE HEPTANU

Pozyskiwanie wodoru na nanostrukturalnych katalizatorach opartych o tlenki żelaza

KONKURS CHEMICZNY DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW

Zadanie: 2 (4 pkt) Napisz, uzgodnij i opisz równania reakcji, które zaszły w probówkach:

WOJEWÓDZKI KONKURS PRZEDMIOTOWY Z CHEMII... DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW - rok szkolny 2011/2012 eliminacje wojewódzkie

b) Podaj liczbę moli chloru cząsteczkowego, która całkowicie przereaguje z jednym molem glinu.

Wykład z Chemii Ogólnej i Nieorganicznej

PODSTAWOWE POJĘCIA I PRAWA CHEMICZNE

1. Stechiometria 1.1. Obliczenia składu substancji na podstawie wzoru

Katalityczne spalanie jako metoda oczyszczania gazów przemysłowych Instrukcja wykonania ćwiczenia nr 18

Materiały pomocnicze do laboratorium z przedmiotu Metody i Narzędzia Symulacji Komputerowej

Konkurs przedmiotowy z chemii dla uczniów gimnazjów 13 stycznia 2017 r. zawody II stopnia (rejonowe)

WOJEWÓDZKI KONKURS PRZEDMIOTOWY Z CHEMII DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW - rok szkolny 2016/2017 eliminacje rejonowe

WOJEWÓDZKI KONKURS PRZEDMIOTOWY Z CHEMII DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW - rok szkolny 2016/2017 eliminacje wojewódzkie

OFERTA TEMATÓW PROJEKTÓW DYPLOMOWYCH (MAGISTERSKICH) do zrealizowania w Katedrze INŻYNIERII CHEMICZNEJ I PROCESOWEJ

podstawami stechiometrii, czyli działu chemii zajmującymi są obliczeniami jest prawo zachowania masy oraz prawo stałości składu

Rzeszów, 27 listopada, 2012 r.

a) 1 mol b) 0,5 mola c) 1,7 mola d) potrzebna jest znajomość objętości zbiornika, aby można było przeprowadzić obliczenia

... imię i nazwisko,nazwa szkoły, miasto

2. Podczas spalania 2 objętości pewnego gazu z 4 objętościami H 2 otrzymano 1 objętość N 2 i 4 objętości H 2O. Jaki gaz uległ spalaniu?

Kuratorium Oświaty w Lublinie

Produkty Chemiczne Część węglowa

WYDZIAŁ CHEMICZNY POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ. Laboratorium LABORATORIUM Z TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

Za poprawną metodę Za poprawne obliczenia wraz z podaniem zmiany ph

Sprawdzian 1. CHEMIA. Przed próbną maturą (poziom rozszerzony) Czas pracy: 90 minut Maksymalna liczba punktów: 30. Imię i nazwisko ...

Tematy i zakres treści z chemii - zakres rozszerzony, dla klas 2 LO2 i 3 TZA/archt. kraj.

Autoreferat pracy doktorskiej. Badania porowatości krystalicznych materiałów mikroporowatych z zastosowaniem termodesorpcji węglowodorów

CHEMIA. Wymagania szczegółowe. Wymagania ogólne

Jakościowa i ilościowa analiza mieszaniny alkoholi techniką chromatografii gazowej

a) jeżeli przedstawiona reakcja jest reakcją egzotermiczną, to jej prawidłowy przebieg jest przedstawiony na wykresie za pomocą linii...

Ilościowa analiza mieszaniny alkoholi techniką GC/FID

Plan i kartoteka testu sprawdzającego wiadomości i umiejętności uczniów

1. Zaproponuj doświadczenie pozwalające oszacować szybkość reakcji hydrolizy octanu etylu w środowisku obojętnym

Przykładowe zadania z rozdziałów 1 5 (Mol, Stechiometria wzorów i równań chemicznych, Wydajność reakcji i inne)

Katalityczne spalanie jako metoda oczyszczania gazów przemysłowych Instrukcja wykonania ćwiczenia nr 18

imię i nazwisko, nazwa szkoły, miejscowość Zadania I etapu Konkursu Chemicznego Trzech Wydziałów PŁ V edycja

Małopolski Konkurs Chemiczny dla Gimnazjalistów

VI Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2013/2014

liczba kwantowa, n kwantowa, l Wanad 3 2 [Ar] 3d 3 4s 2

WĘGLOWODORY POWTÓRZENIE WIADOMOŚCI

Polskie Normy opracowane przez Komitet Techniczny nr 277 ds. Gazownictwa

Fragmenty Działu 7 z Tomu 1 REAKCJE UTLENIANIA I REDUKCJI

Obliczenia stechiometryczne, bilansowanie równań reakcji redoks

ARKUSZ 1 POWTÓRZENIE DO EGZAMINU Z CHEMII

Część I ZADANIA PROBLEMOWE (26 punktów)

III Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2010/2011. ETAP I r. Godz Zadanie 1

... Nazwisko, imię zawodnika; Klasa Liczba punktów. ... Nazwa szkoły, miejscowość. I Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2008/09

Konkurs Chemiczny dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych rok szkolny 2013/2014

Cz. I Stechiometria - Zadania do samodzielnego wykonania

STRESZCZENIE ROZPRAWY DOKTORSKIEJ

1. Określ, w którą stronę przesunie się równowaga reakcji syntezy pary wodnej z pierwiastków przy zwiększeniu objętości zbiornika reakcyjnego:

2.1. Charakterystyka badanego sorbentu oraz ekstrahentów

ADSORPCJA BŁĘKITU METYLENOWEGO I JODU NA WYBRANYCH WĘGLACH AKTYWNYCH

TEST PRZYROSTU KOMPETENCJI Z CHEMII DLA KLAS II

Zadanie 1. Zadanie: Odpowiedź: ΔU = 2, J

CIEPŁO (Q) jedna z form przekazu energii między układami termodynamicznymi. Proces przekazu energii za pośrednictwem oddziaływania termicznego

Kuratorium Oświaty w Lublinie ZESTAW ZADAŃ KONKURSOWYCH Z CHEMII DLA UCZNIÓW GIMNAZJUM ROK SZKOLNY 2013/2014

PRZYKŁADOWE ZADANIA WĘGLOWODORY

Kuratorium Oświaty w Lublinie ZESTAW ZADAŃ KONKURSOWYCH Z CHEMII DLA UCZNIÓW GIMNAZJUM ROK SZKOLNY 2016/2017 ETAP TRZECI

Moduł: Chemia. Fundamenty. Liczba godzin. Nr rozdziału Tytuł. Temat lekcji. Rozdział 1. Przewodnik po chemii (12 godzin)

XXIV KONKURS CHEMICZNY DLA GIMNAZJALISTÓW ROK SZKOLNY 2016/2017

8. MANGANOMETRIA. 8. Manganometria

WNIOSEK REKRUTACYJNY NA ZAJĘCIA KÓŁKO OLIMPIJSKIE Z CHEMII - poziom PG

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH. ILOŚCIOWE ZBADANIE SZYBKOŚCI ROZPADU NADTLENKU WODORU.

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT TECHNIKI CIEPLNEJ I MECHANIKI PŁYWNÓW ZAKŁAD SPALANIA I DETONACJI Raport wewnętrzny

PODSTAWY STECHIOMETRII

Ćwiczenie IX KATALITYCZNY ROZKŁAD WODY UTLENIONEJ

Zadanie: 1 (3 pkt) Metanoamina (metyloamina) rozpuszcza się w wodzie, a także reaguje z nią.

1. Podstawowe prawa i pojęcia chemiczne

Instrukcja dla uczestnika. II etap Konkursu. U z u p e ł n i j s w o j e d a n e p r z e d r o z p o c z ę c i e m r o z w i ą z y w a n i a z a d a ń

MODEL ODPOWIEDZI I SCHEMAT PUNKTOWANIA

Ćwiczenia audytoryjne z Chemii fizycznej 1 Zalecane zadania kolokwium 1. (2018/19)

CHEMIA NIEORGANICZNA. Andrzej Kotarba Zakład Chemii Nieorganicznej Wydział Chemii I piętro p. 138 WYKŁAD -1

Zadanie 1. Zadanie: Odpowiedź: ΔU = 2, J

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH: PROCESY ESTRYFIKACJI NA PRZYKŁADZIE OTRZYMYWANIA WYBRANYCH PLASTYFIKATORÓW

Kryteria oceniania z chemii kl VII

WZBOGACANIE BIOGAZU W METAN W KASKADZIE MODUŁÓW MEMBRANOWYCH

Podstawowe prawa opisujące właściwości gazów zostały wyprowadzone dla gazu modelowego, nazywanego gazem doskonałym (idealnym).

Transkrypt:

MARTA NIEMCZYK-WRZESZCZ, PIOTR MICHORCZYK WŁAŚCIWOŚCI KATALITYCZNE CR/SBA-1 W PROCESIE ODWODORNIENIA PROPANU DO PROPENU W OBECNOŚCI CO 2 WPŁYW TEKSTURY I POWIERZCHNI WŁAŚCIWEJ NOŚNIKA CATALYTIC PERFORMANCE OF CR/SBA-1 IN THE DEHYDROGENATION OF PROPANE TO PROPENE IN THE PRESENCE OF CO 2 AN EFFECT OF TEXTURE AND SPECIFIC SURFACE AREA OF SUPPORT Streszczenie Abstract Na bazie materiałów SBA-1 otrzymano serie katalizatorów chromowych zawierających 5% mas. Cr. Katalizatory scharakteryzowano różnymi metodami fizykochemicznymi. Aktywność katalityczną układów zbadano w procesie odwodornienia propanu do propenu w obecności CO 2. Badania wykazały, że aktywność badanych katalizatorów rośnie ze wzrostem powierzchni właściwej nośnika SBA-1. Z kolei tekstura ma niewielki wpływ na właściwości katalityczne (objętość porów i ich średni wymiar). Słowa kluczowe: katalizatory chromowe, SBA-1, odwodornienie, propen, ditlenek węgla On the basis of the SBA-1 materials, series of chromium catalysts containing 5wt% Cr were obtained. The catalysts were characterized by various physicochemical techniques. The catalytic performance was investigated in the dehydrogenation of propane process in the presence of CO 2. Studies have shown that the catalytic activity increases with the increase of specific surface area of support. The total pore volume and pore size (texture) of the support have insignificant influence on the catalytic properties. Keywords: chromium catalysts, SBA-1, dehydrogenation, propene, carbon dioxide Dr inż. Piotr Michorczyk, mgr inż. Marta Niemczyk-Wrzeszcz, Instytut Chemii i Technologii Organicznej, Wydział Inżynierii i Technologii Chemicznej, Politechnika Krakowska.

110 1. Wstęp Propen jest jednym z najszerzej stosowanych alkenów w praktyce przemysłowej. Powodem tak dużego zapotrzebowania na propen jest szeroki wachlarz jego zastosowań. Przede wszystkim jest monomerem w przemyśle polimerowym oraz substratem w syntezie ważnych półproduktów, np. izopropanolu, izopropylobeznenu, tlenku propenu [1, 2]. Aktualnie głównymi źródłami propenu są piroliza olefinowa i kraking katalityczny [3 5]. Ciągle rosnące zapotrzebowanie na propen powoduje, że instalacje te przestają zaspokajać potrzeby rynku. Obserwuje się więc wzrost zainteresowania procesami, w których głównym otrzymywanym produktem jest propen, jak np. kometateza, odwodornienie propanu czy procesy bazujące na metanolu (MTO-Methanol-To-Olefines i MTP- Methanol-To-Propene) [2, 6, 7]. Rosnące zapotrzebowanie na propen wymusza również badania o charakterze podstawowym, których celem jest opracowanie nowych metod jego otrzymywania z alternatywnych surowców oraz poprawa wydajności propenu w obecnie stosowanych technologiach. Katalityczne odwodornienie propanu w obecności CO 2 rozważane jest jako modyfikacja tradycyjnego procesu odwodornienia. Dodatek CO 2 nie tylko obniża prężność cząstkową reagentów, ale także wiąże powstały w reakcji wodór, powodując tym samym przesunięcie równowagi reakcji odwodornienia w kierunku produktów (wiązanie wodoru w reakcji RWGS: H 2 + CO 2 = CO + H 2 O). Dodatkowo reutlenia on zredukowaną powierzchnię katalizatora, bierze udział w reakcji zgazowania depozytu węglowego (C + CO 2 = 2CO), a także jest nośnikiem ciepła w tym endotermicznym procesie. Ponadto w reakcji odwodornienia z CO 2 powstaje mieszanina CO i H 2, czyli gaz syntezowy, cenny substrat wielu procesów [7 10]. Stosowanie CO 2 w procesie odwodornienia wymaga jednak znalezienia aktywnego i selektywnego katalizatora. Jak dotąd najlepsze wyniki uzyskano dla katalizatorów chromowych. Badania takich układów wykazały, że aktywne tlenki chromu naniesione na różne nośniki w obecności CO 2 wykazują odmienne właściwości katalityczne [5, 8, 11]. Nową grupą materiałów będących obecnie w sferze badań jako nośniki katalityczne w procesie odwodornienia propanu do propenu są materiały mezoporowate krzemionkowe, np. SBA-1. Należą one do grupy materiałów kubicznych posiadających połączone, otwarte kanały zorientowane w trzech kierunkach. Charakteryzują się bardzo dużą powierzchnią właściwą powyżej 1000 m 2 /g, a także większą wytrzymałością mechaniczną niż materiały mezoporowate o budowie heksagonalnej np. MCM-41, SBA-3 [7, 12]. Celem niniejszej pracy jest zbadanie właściwości katalitycznych tlenku chromu naniesionego na mezopororowate nośniki SBA-1, które otrzymano, stosując jako surfaktanty IV-rzędowe sole amoniowe (Bromki N,N,N-trietylo-N-alkiloamoniowe) zawierające łańcuch alkilowy (hydrofobowy) o liczbie atomów węgla od C 14 do C 18. 2. Metodyka badań 2.1. Preparatyka katalizatorów Środki powierzchniowoczynne stosowane jako szablony kształtotwórcze do syntezy materiałów SBA-1 otrzymano na podstawie zmodyfikowanej procedury opisanej przez Kima i Ryoo w pracy [13]. W tym celu zmieszano ze sobą 0,088 mola trietyloaminy, 0,17 mola

bromku alkilowego, 250 cm 3 etanolu. Wrzącą mieszaninę ogrzewano przez 72 h pod chłodnicą zwrotną. Następnie całość odparowano do sucha, produkt oczyszczono poprzez wysolenie z roztworu chloroformu za pomocą octanu etylu. Do syntezy kolejnych surfaktantów zastosowano bromki: 1-bromotetradekanu (Alfa-Aesar, 97%) i 1-bromoheksadekanu (Aldrich, 97%), 1-bromooktadekanu (Aldrich, 96%). Nośniki SBA-1 syntezowane były według przepisu Hartmana i współbadaczy [14]. Przebieg syntezy był następujący: 9,4 10,6 g surfaktantu zmieszano z 566 cm 3 kwasu solnego i 1157 cm 3 wody destylowanej. Mieszaninę schłodzono do temperatury 273 K, a następnie dodano 27,9 cm 3 TEOS. Całość mieszano przez 5 h w temperaturze 273 K, poczym całość szybko ogrzano (w czasie 0,5 h) do temperatury 373 K, którą utrzymywano przez 1 h celem utrwalenia struktury kubicznej materiału. Powstały biały osad odsączono i suszono w temperaturze 337 K przez 12 h. Wysuszony materiał poddano procesowi kalcynacji w atmosferze powietrza. Każdorazowo próbkę ogrzewano z narostem 1 K/min do finalnej temperatury 823 K, którą utrzymywano przez 10 h. Układy chromowe na bazie materiałów mezoporowatych otrzymano stosując metodę impregnacji pierwszej wilgotności [15]. W tym celu 1 g materiału SBA-1 impregnowano 4 cm 3 roztworu Cr(NO 3 ) 3 o tak dobranym stężeniu, że po kalcynacji nominalna zawartość chromu we wszystkich materiałach wynosiła 5% mas. Każdorazowo po impregnacji materiały suszono, a następnie kalcynowano w temperaturze 823 K. Otrzymane katalizatory oznaczono w następujący sposób: 5Cr/SBA-1t, 5Cr/SBA-1h i 5Cr/SBA-1o, gdzie pierwsza cyfra i ostatnia litera w zapisie oznaczają odpowiednio procentową zawartość chromu i bromek alkilowy użyty do syntezy surfaktantu 1. 2.2. Badania katalityczne Proces odwodornienia prowadzony był metodą ciągłą w kwarcowym mikroreaktorze przepływowym pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze 823 K. Produkty analizowano on-line stosując chromatograf gazowy GC Agilent 6890N, który wyposażony był w dwie kolumny pakowane (Hayesep Q i sita molekularne 5A) oraz detektor TCD. Surowcem była mieszanka gazowa o składzie molowym: CO 2 /C 3 H 8 /He = 5/1/9. Całkowite objętościowe natężenie przepływu wynosiło 30 cm 3 /minutę. Masa katalizatora wynosiła 200 mg, a wielkość ziaren mieściła się w zakresie 0,2 0,3 mm. Każdorazowo przed procesem katalizator odgazowywano w przepływie suchego helu przez 30 min w temperaturze 823 K. Stropień konwersji propanu (C), wydajność propenu (Y) oraz selektywności do węglowodorów uzyskane w procesie odwodornienia propanu w obecności CO 2 (S i ) obliczono na podstawie poniżej przedstawionych ogólnych równaniach: C = N N ai a n i i= 1 s ai a n n i + 100% S = s i= 1 s i= 1 i a i a i ni ni as = as 100% Y 100% ai a n N ai i + n + a n n s i s N s i= 1 s 111 1 t bromek N,N,N-trietylo-N-tetradecyloamoniowy, h bromek N,N,N-trietylo-N-heksadecyloamoniowy, o bromek N,N,N-trietylo-N-oktadecyloamoniowy.

112 gdzie: N liczba produktów, a i liczba atomów węgla w cząsteczce produktu i, a s liczba atomów węgla w cząsteczce substratu s, n i liczba cząsteczek produktu i, n s liczba cząsteczek nieprzereagowanego substratu. W obliczeniach nie uwzględniono tworzącego się w trakcie procesu depozytu węglowego, który oznaczono w próbkach katalizatorów po procesie. Wyniki oznaczeń wskazują, że masa propanu, który przereagował do depozytu węglowego, nie przekracza 0,5% wprowadzonego do reaktora w trakcie procesu. 2.3. Badania fizykochemiczne Pomiary niskotemperaturowej adsorpcji azotu przeprowadzono w temperaturze 77 K stosując aparat ASAP 2020 firmy Micromeritics. Powierzchnię właściwą materiałów SBA-1 wyznaczono metodą BET. Pomiary wykonano w zakresie ciśnień względnych P/P o = 0,05 0,15. Rozkład porów w materiale SBA-1 został obliczony za pomocą metody BJH z krzywej desorpcji. Objętość porów została określona na podstawie objętości zaadsorbowanego azotu przy ciśnieniu względnym w zakresie P/P o = 0,95 0,98. Temperaturowo programowaną redukcję katalizatorów chromowych wodorem (TPR- -H2) przeprowadzono w kwarcowym reaktorze przepływowym połączonym z chromatografem gazowym wyposażonym w detektor TCD. Do testów zastosowano mieszaninę redukującą N 2 /H 2 (95/5% obj., Air Liquide) o całkowitym objętościowym natężeniu przepływu wynoszącym 30 cm 3 /min. Masa katalizatora wynosiła 100 mg, a wielkość ziaren mieściła się w zakresie 0,2 0,3 mm. Przed badaniem TPR próbki poddano procesowi odgazowania (temperatura 823 K, 30 K/min, czas odgazowania 30 minut w przepływie He 30 cm 3 /min). Po odgazowaniu reaktor ochłodzono do temperatury pokojowej, a następnie po zamianie helu na mieszankę redukującą badane katalizatory ponownie ogrzewano do temperatury 923 K przy liniowym naroście temperaturowym 10 K/min. 3. Wyniki i dyskusja 3.1. Charakterystyka fizykochemiczna nośników Przed naniesieniem chromu na powierzchnię mezoporowatych nośników, scharakteryzowano ich właściwości sorpcyjne. Izotermy adsorpcji i desorpcji otrzymanych materiałów przedstawiono na rysunku 1, z kolei wyznaczone na ich podstawie powierzchnie właściwe (S BET ), całkowite objętości porów (V c ) i średnie wartości średnicy porów (D p ) zestawiono w tabeli 1. Można zauważyć, że wszystkie izotermy adsorpcji i desorpcji dla otrzymanych nośników są podobne. Zgodnie z przyjętą klasyfikacją IUPAC dotyczącą materiałów porowatych, kształt uzyskanych izoterm można zaklasyfikować do typu IV, który jest charakterystyczny dla ciał stałych posiadających mezopory. Ponadto izotermy adsorpcji-desorpcji nie tworzą pętli histerezy, co, jak wskazują Srinivasu i Vinu [16] oraz Balasubramanian i współbadacze [17], jest cechą charakterystyczną SBA-1 wynikającą z niewielkich rozmiarów mezoporów.

113 Ilość zaadsorbowanego azotu (cm 3 STP/g) Ciśnienie względne (p/p o ) Rys. 1. Izotermy adsorpcji i desorpcji azotu w temperaturze 77 K dla nośników SBA-1t ( ) SBA-1h ( ) i SBA-1o ( ). Puste symbole krzywa desorpcji, wypełnione symbole adsorpcji Fig. 1. N 2 adsorption desorption isotherms for supports SBA-1t ( ) SBA-1h ( ) i SBA-1o ( ) at 77 K. The empty symbols desorption isotherms, the full symbols adsorption isotherms Charakterystyka materiałów 5Cr/SBA-1x Tabela 1 Nośnik Szablon kształtotwórczy Powierzchnia właściwa [m 2 /g] Całkowita objętość porów [cm 3 /g] Średni wymiar porów [nm.] SBA-1t 1140 0,36 2,3 Bromek N-tetradecylo-N,N,N-trietyloamoniowy SBA-1h 1219 0,68 2,6 Bromek N-heksadecylo-N,N,N-trietyloamoniowy SBA-1o 1194 0,94 2,8 Bromek N-oktadecylo-N,N,N-trietyloamoniowy Również cechą charakterystyczną SBA-1 jest to, że na izotermach adsorpcji-desorpcji nie ma wyraźnego przejścia pomiędzy zakresami ciśnień względnych (P/P o ), przy których zachodzi wielowarstwowa adsorpcja azotu i kondensacja kapilarna.

114 Z danych zestawionych w tabeli 1 wynika, że katalizatory otrzymane przy zastosowaniu różnych szablonów kształtotwórczych charakteryzują się różną średnicą porów i różną powierzchnią właściwą. Największą powierzchnie właściwą posiada SBA-1h (1219 m 2 /g). Nieco mniejszą ma nośnik SBA-1o, natomiast najmniejszą SBA-1t. Nie obserwuje się jednak wyraźnego powiązania pomiędzy średnicą porów, a powierzchnią właściwą materiałów. Można natomiast zaobserwować zależność pomiędzy długością fragmentu hydrofobowego surfaktantu, a średnim wymiarem porów nośnika i ich całkowitą objętością (tabela 1). Kierunek zmian jest zgodny z założeniami, tzn. ze wzrostem długości łańcucha hydrofobowego cząsteczki surfaktantu rośnie rozmiar porów i ich objętość. Wydłużenie łańcucha hydrofobowego z 14 do 18 atomów węgla powoduje zwiększenie wielkości porów o ok 0,5 nm. i objętości porów o 0,58 cm 3 /g. 3.2. Redukowalność katalizatorów Na rysunku 2 przedstawiono wyniki badań TPR-H 2 dla katalizatorów zawierających 5% mas. chromu. Pomiary wykonano dla kalcynowanych próbek katalizatorów. Sygnał TCD (j.u.) Temperatura (K) Rys. 2. Profile TPR-H 2 dla świeżych katalizatorów chromowych naniesionych na nośniki SBA-1 otrzymane przy użyciu różnych szablonów kształtotwórczych Fig. 2. Profiles of H 2 -TPR of fresh chromium catalysts on SBA-1 supports synthesized using various templates Na wszystkich profilach H 2 -TPR jest obecny jeden pik z maksimum zlokalizowanym przy ok. 700 K, który jest charakterystyczny dla redukcji Cr 6+ związanego z nośnikiem do form Cr 3+ i Cr 2+. Na krzywych nie ma dodatkowego maksimum niskotemperaturowego (w zakresie 550 600 K), które zaobserwowaliśmy poprzednio w przypadku katalizatorów Cr/SBA-1 otrzymywanych metodą bezpośrednią przy zawartościach chromu 4% mas. i większej [18]. Zazwyczaj obecność maksimum niskotemperaturowego przypisuje się redukcji Cr 6+ na powierzchni krystalitów α-cr 2 O 3. Zatem obecność niskotemperaturowego maksimum świadczyłaby o obecności krystalicznego α-cr 2 O 3, który charakteryzuje się niewielką

115 aktywnością katalityczną. Brak tego maksimum redukcyjnego świadczyć może o większej dyspersji chromu uzyskanej prostą techniką impregnacji w porównaniu z metodą bezpośredniej syntezy katalizatora Cr/SBA-1, w której prekursor chromowy wprowadzany jest na etapie syntezy nośnika SBA-1. W tabeli 2 przedstawiono ilościowe wyniki badań TPR-H 2. Porównując uzyskane wartości z danymi dotyczącymi tekstury katalizatorów (tabela 1), można zauważyć korelację pomiędzy powierzchnią właściwą nośnika a liczbą mikromoli przereagowanego wodoru podczas redukcji katalizatora. Im większa jest powierzchnia właściwa, tym większa jest liczba mikromoli przereagowanego wodoru oraz większy jest stosunek molowy H 2 /Cr. Wyniki te pozostają w zgodzie z naszymi wcześniejszymi badaniami, na podstawie których dowiedliśmy, że liczba redukowalnych form chromu (takich które mogą reagować z wodorem) rośnie ze wzrostem powierzchni właściwej materiału [15]. W czwartej kolumnie tabeli 2 obliczono liczbę mikromoli Cr 6+ w świeżym katalizatorze (liczba redukowalnych form chromowych). Wartość tą wyznaczono na podstawie stechiometrii reakcji (2CrO 3 + 3H 2 = Cr 2 O 3 + 3H 2 O) przy założeniu, że redukcji wodorem ulega wyłącznie chrom w postaci Cr 6+, oraz że zredukowany chrom znajduje się na 3+ stopniu utlenienia. Uzyskane wyniki wskazują, że w badanej serii katalizatorów Cr/SBA-1 o identycznej architekturze porów i metodzie syntezy liczba redukowalnych centrów chromowych rośnie ze wzrostem powierzchni właściwej. Na liczbę redukowalnych centrów wydaje się nie mieć wpływu rozmiar porów i ich objętość. Wyniki badań TPR-H 2 dla materiałów 5Cr/SBA-1x Tabela 2 Katalizator µmol H 2 /g kat. H 2 /Cr [mmol/mmol] Cr 6+ µmol/g kat. Cr 6+ µmol/m 2 5Cr/SBA-1t 767 1,17 509 0,446 5Cr/SBA-1h 817 1,24 545 0,447 5Cr/SBA-1o 763 1,16 511 0,427 3.3. Właściwości katalityczne Jak już wspomniano, nośniki zsyntezowane na bazie różnych środków powierzchniowoczynnych różnią się teksturą i powierzchnią właściwą. Badania katalityczne przedstawione w niniejszym rozdziale miały na celu sprawdzenie czy wspomniane różnice w właściwościach nośników wpływają na ich właściwości katalityczne. W tabeli 3 zestawiono początkowe stopnie konwersji propanu i ditlenku węgla, selektywności do produktów węglowodorowych oraz wydajności propenu, które uzyskano w procesie odwodornienia propanu do propenu w obecności CO 2 w temperaturze 823 K. Najlepsze właściwości katalityczne posiada katalizator 5Cr/SBA-1h. Jakkolwiek różnice w uzyskanych stopniach konwersji propanu, wydajnościach propenu i selektywnościach do propenu są nieznaczne. Niewielkie wahania w właściwościach katalitycznych można przypisać różnicom w liczbie redukowalnych centrów chromowych (tabela 2). Z literatury wynika, że w pierwszych minutach procesu odwodornienia propanu redukowalne formy chromu obecne w kalcynowanym katalizatorze (głównie Cr 6+ ) ulegają redukcji w wyniku czego powstają zdyspergowane koordynacyjnie

116 niewysycone formy chromowe na 2+ i 3+ stopniu utleniania, które uważa się obecnie za centra aktywne. Nie zaobserwowano natomiast znaczącego wpływu średnicy porów na właściwości katalityczne badanych układów. Właściwości katalityczne katalizatorów chromowych w temperaturze 823 K wyznaczone po 10 min od rozpoczęcia procesu Tabela 3 Katalizator Stopień konwersji [%] Selektywność [%] Wydajność [%] C 3 H 8 CO 2 C 3 H 6 C 2 H 6 C 2 H 4 CH 4 C 3 H 6 5Cr/SBA-1t 36,0 6,8 86,1 2,8 3,6 7,5 31,0 5Cr/SBA-1h 37,1 6,5 85,8 3,2 3,4 7,6 31,8 5Cr/SBA-1o 35,7 6,8 86,4 2,6 3,8 7,2 30,8 Na rysunku 3 przedstawiono odpowiednio zmianę stopnia konwersji propanu i selektywności do propenu w funkcji czasu prowadzenia procesu w temperaturze 823 K. Stopień konwersji propanu [%] Stopień konwersji propanu [%] Czas [min] Czas [min] Rys. 3. Zmiana stopnia konwersji propanu (A) i selektywności do propenu (B) w czasie procesu w obecności katalizatorów 5Cr/SBA-1t ( ), 5Cr/SBA-1h ( ) i 5Cr/SBA-1o ( ) Fig. 3. Variation of propane conversion (A) and selectivity to propene (B) during the process in the presence of 5Cr/SBA-1t ( ), 5Cr/SBA-1h ( ) i 5Cr/SBA-1o ( ) catalysts Można zauważyć, że wszystkie katalizatory ulegają stopniowej dezaktywacji w trakcie procesu. Stopień konwersji propanu zmniejsza się stopniowo w czasie, natomiast selektywność do propenu rośnie z ok 86% po 10 minutach od rozpoczęcia procesu do ok. 92% po 460 minutach. Głównym powodem dezaktywacji katalizatora jest odkładanie się depozytu węglowego. Jakkolwiek, nasze wcześniejsze badania wskazują, że w niewielkim stopniu zachodzi również nieodwracalna dezaktywacja spowodowana niekorzystnym wpływem temperatury na trwałość mezoporowatego nośnika i dyspersję chromu [19].

117 Ponadto, podobnie jak w przypadku wyników analiz TPR-H 2, średnica porów i ich objętość nie wpływają na początkowe właściwości katalityczne (tab. 3) oraz na szybkość dezaktywacji (rys. 3). Głównym czynnikiem wpływającym na właściwości katalityczne jest powierzchnia właściwa nośnika, która determinuje liczbę redukowalnych centrów chromowych. 4. Wnioski Badania katalizatorów 5Cr/SBA-1x syntezowanych z użyciem IV-rzędowych soli amoniowych jako szablonów kształtotwórczych wykazały, że na ich właściwości katalityczne w procesie odwodornienia propanu do propenu ma wpływ powierzchnia właściwa nośnika. Ze wzrostem powierzchni rośnie liczba redukowalnych centrów chromowych, a tym samym aktywność katalityczna. Natomiast zmiany tekstury nośnika (w zakresie analizowanym) nie wpływają na właściwości katalityczne. Literatura [1] Nexant, Propylene Technology: The Next Generation, 2007. [2] UOP (www.uop.com, dostęp 12.09.2010). [3] S i l b e r o v a B., F a t h i M., H o l m e n A., Applied Catalysis A: General; 2004, 276, 17-2.8 [4] C h e n M., X u J., L i u Y.-M., C a o Y., H e H.-Y., Z h u a n g J.-H., Applied Catalysis A: General, 2010, 377, 35-41. [5] Z h a n g X., Yu e Y., G a o Z., Catalysts Letters, 2002, 83, 19-25. [6] Pakhomov N.A., Kashkin V.N., Nemykina E.I., Molchanov V.V., N a d t o c h i y V.I., N o s k o v A.S., Chemical Engineering Journal, 2009, 154, 185-188. [7] M i c h o r c z y k P., O g o n o w s k i J. G a j e k T., Przemysł Chemiczny, 2008, 87, 307-310 [8] Nakagawa K., Kajita C., Ikenaga N., Nishitani-Gamo M., Andod T., S u z u k i T., Catalysis Today, 2003, 84, 149-157. [9] M i c h o r c z y k P., O g o n o w s k i J., Applied Catalysis A: General, 2003, 251, 425-433. [10] Michorczyk P., Ogonowski J., Kuśtrowski P., Chmielarz L., Applied Catalysis A: General, 2008, 349, 62-69. [11] T a k a h a r a I., C h a n g W.-C., M i m u r a N., S a i t o M., Catalysis Today, 1998, 45, 55-59. [12] Z h a o X., Wa n g X., Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2007, 261, 225-231. [13] K i m M.J., R y o o R., Chemistry of Materials, 1999, 11, 487-491. [14] Hartmann M., Vinu A., Elangovan S.P., Murugesan V., Böhlmann W., Chemical communications, 2002, 11, 1238-1239. [15] M i c h o r c z y k P., O g o n o w s k i J., Z e ń c z a k K., Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2011, 349, 1-12.

118 [16] S r i n i v a s u P., V i n u A., Chemistry A European Journal, 2008, 14, 3553-3561. [17] Balasubramanian V., Anand C., Pal R., Mori T., Bohlmann W., A r i g a K., T y a g i A., V i n u A., Microporous and Mesoporous Materials, 2009, 121, 18-25. [18] M i c h o r c z y k P., O g o n o w s k i J., N i e m c z y k M., Applied Catalysis A: General, 2010, 374, 142-149. [19] M i c h o r c z y k P., O g o n o w s k i J., Czasopismo Techniczne, z. 1-Ch/2009, 51-56.