生物燃料加氢脱氧催化剂研究进展

2017-12-15 08:39:15徐海升
生物质化学工程 2017年6期
关键词:贵金属结果表明组分

徐海升, 王 豪, 王 博

(西安石油大学 化学化工学院, 陕西 西安 710065)

综述评论—生物质能源

生物燃料加氢脱氧催化剂研究进展

徐海升, 王 豪, 王 博

(西安石油大学 化学化工学院, 陕西 西安 710065)

综述了近几年国内外生物燃料加氢脱氧催化剂方面的研究现状及进展。贵金属催化剂较传统催化剂具有更强的反应活性,但价格昂贵,贵金属回收也增大了加氢脱氧工艺的成本;过渡金属负载型催化剂虽价格便宜,但易失活;硫化物催化剂虽然具有较高的活性,但制备过程需要预硫化,制备过程复杂;碳、氮化物催化剂价格便宜,且具有与贵金属相似的电子结构和催化活性,被称为“准铂催化剂”;磷化物催化剂作为最具潜力的加氢脱氧催化剂具有较高研究价值。

加氢脱氧;生物燃料;催化剂

随着经济发展对燃料需求的逐渐增加,化石燃料储量不断减少,环保问题日益加剧。生物燃料具有可持续性和可再生的特点[1-3],因此,人们慢慢将注意力集中于通过生物质热解或液化制备生物燃料。然而,由此制得的生物燃料中有多种含氧化合物(如酚、醛和酮),且其组成随反应条件和原料类型的变化而变化[4-6]。这些含氧物导致生物燃料总体品质较差,如黏度高、热值低、热稳定性差、腐蚀性强,且在储存和运输过程中易聚合,因此生物燃料不能直接作为传统燃料替换品或补充物使用,而加氢脱氧(HDO)技术是除去生物燃料中含氧化合物的有效方式之一。目前,该技术的最大挑战是如何提高目标产物的选择性、降低氢消耗,其核心是开发活性高、选择性好的催化剂。鉴于此,笔者对研究较多、反映较好的HDO催化剂进行系统综述,并对未来发展趋势进行展望。

1 贵金属催化剂

贵金属是一类重要的催化材料,常用的贵金属催化剂包括Pt、Ru、Pd、Rh、Os、Ir等贵金属非负载型催化剂以及贵金属负载型催化剂。贵金属催化剂稳定性好,强度适中,可以形成“中间活性化合物”,具有良好的催化活性和选择性,现已广泛应用于石油化工、医药、航天和环境保护等领域[7]。

Wang等[8]利用SBA-15载体,以H2PtCl6·6H2O、Pd(C2H3O2)2和RuCl3·3H2O作为前驱体,通过浸渍法合成了Pt/SBA-15、Pd/SBA-15和Ru/SBA-15贵金属负载型催化剂,并将其用于氧芴(DBF)的HDO反应。结果表明:DBF在200 ℃下进行芳香环加氢,在280 ℃的较高温度下,主要表现出氢化中间体的脱氧行为,负载型钌催化剂催化含氧中间体脱氧性能较好,能够获得更多的烃。

Wang等[9]研究了Pt/Al2O3/SiO2、Pt/ZrO2/SiO2、Pt/SiO2等铂负载型催化剂对DBF的HDO性能。结果表明:负载型Pt催化剂对DBF的HDO活性顺序为:Pt/Al2O3/SiO2gt;Pt/ZrO2/SiO2gt;Pt/SiO2。Pt纳米粒子越小、分布越广其加氢活性越强,同时Al2O3、ZrO2等组分的加入,增加了载体的酸性位点数量,使得Pt/Al2O3/SiO2、Pt/ZrO2/SiO2催化剂的HDO性能比未加入酸性载体的Pt/SiO2催化剂显著增强。

Xi等[10]使用Pt/NbOPO4多功能催化剂研究了山梨醇HDO制烷烃的反应。结果表明:整个过程的反应路径包括脱水、氢解和C—C裂解3部分。山梨醇经脱水反应得到异山梨醇,异山梨醇再经开环和HDO过程形成己烷。Pt/NbOPO4催化剂非常稳定,在固定床反应器中反应5 d后产物分布没有变化,在250 ℃、4.0 MPa 氢压下显示出最高活性。

Srifa等[11]采用浸渍法将Co、Ni、Pd和Pt负载在γ-Al2O3载体上制成一系列催化剂,并将其应用于棕榈油精制绿色柴油实验。结果表明:催化剂的活性优劣取决于负载金属组分在γ-Al2O3上的粒径大小及分散程度。在负载量相同的前提下,脱氧产品的收率大小顺序为Cogt;Pdgt;Ptgt;Ni。使用Ni、Pd、Pt催化剂时,脱羰作用较HDO作用显著,而使用Co催化剂时,HDO作用与脱羰、脱羧作用相近。

Oh等[12]比较了Pt/C催化剂和Ru/C催化剂对高压釜中生物油HDO反应的催化性能。结果发现:生物油经HDO反应后转化为气体、焦炭、轻油和重油。HDO反应受催化剂和反应温度等因素影响较大。随着温度的升高,生物油在Pt/C催化下进一步分解成气体,在Ru/C催化下重油可能被进一步裂解成轻油。在不同类型的催化剂作用下,生物油的理化性质如含水量、黏度、酸度、含氧量和高热值性得到改善。比较而言,Pt/C催化剂比Ru/C催化剂更稳定。

Zhong等[13]将Pt/TiO2、Pt/Al2O3应用于催化GUA的HDO过程,反应过程见图1。结果发现,Pt/TiO2催化剂在300 ℃、7.1 MPa条件下对GUA的HDO反应具有较高的活性,转化率可达100 %。为了避免在反应过程中后期产生过度的活性位点,能够更好地比较Pt/TiO2、Pt/Al2O3催化剂对GUA的HDO的催化性能,将反应条件改为285 ℃、4.0 MPa,发现Pt/Al2O3催化剂对生成环己烷反应的活性和选择性要高于Pt/TiO2催化剂,但是随着反应的进行失活较快。

图1 Pt/TiO2选择性催化愈创木酚HDO合成环己烷路线Fig. 1 Synthetic route of the selective HDO of GUA to cyclohexane on Pt/TiO2 catalyst

贵金属的d电子轨道都未填满,表面易吸附反应物,且强度适中,有利于形成中间“活性化合物”,具有较高的催化活性,因此几乎全部的贵金属都可用作催化剂,同时贵金属还具有优异的理化性能,如耐高温、抗氧化、耐腐蚀等。然而,贵金属本身价格昂贵,且在利用后需要回收,不仅需要增加回收工艺,更增加了成本,限制了贵金属催化剂在工业上的使用。

2 过渡金属催化剂

过渡金属催化剂是一类过渡金属与不同分子或基团生成的过渡金属络合物,可用作均相催化氢化反应、烃基羰基化反应、氢甲酰化反应等的催化剂,在生物燃料精制中有很大的优势[14]。

2.1 金属负载型催化剂

金属负载型催化剂是常用的一类催化剂,通过将金属负载在载体上制得。单一的过渡金属负载型催化剂催化活性低、稳定性差,对于加氢脱氧产物的选择性较低,而少量的第二活性组分可以大大提高催化剂的活性和选择性,因此根据原料性质及应达目标可选择合适的金属组分进行搭配,常见的主要有Mo-Co、Mo-Ni、W-Ni、Mo-Ni-Co、W-Mo-Ni、W-Mo-Ni-Co等。

王雪峰等[15]考察了Ni-M/γ-Al2O3(M=Co、Cu、Fe、La)双金属催化剂对醇、酸、酮等有机含氧化合物(丁醇、丁酸、丁酮)的HDO性能。结果表明:在Ni基催化剂中加入第二活性组分有利于提高催化剂的加氢脱氧活性,但对不同含氧有机物存在差别。Co、La能显著提高醇类化合物的加氢脱氧活性,Fe能明显改善有机酸的加氢脱氧活性,而Cu则更有利于促进酮类化合物的加氢脱氧活性。

Zhong等[13]通过浸渍法制得Ni-Mo/γ-Al2O3和Co-Mo/γ-Al2O3催化剂,并研究其对愈创木酚(GUA)制备环己烷的加氢脱氧性能。Ni-Mo/γ-Al2O3催化剂催化性能优异,GUA转化率高达96 %,脱氧率达94.3 %,而使用Co-Mo/γ-Al2O3催化剂时,GUA转化率仅73 %,脱氧率也仅有88.1 %。结果表明:Ni组分的引入大大提高了催化剂的活性,相比Co组分更有利于对GUA的HDO反应。

Phan等[16]合成了不同载体(γ-Al2O3、CeO2、SBA-15)负载的Ni-Mo催化剂,在250 ℃和H2压力为5.0 MPa的条件下将其用于GUA的HDO反应。以SBA-15为载体的催化剂存在高度分散的活性位,有利于对反应物的吸附及反应,GUA转化率高达90 %,脱氧率达67.5 %。由于CeO2载体会与Mo位点相互作用产生新的Ce-Mo组分,大大增强了Ni-Mo/CeO2催化剂的HDO活性,脱氧率可达20 %,而γ-Al2O3载体与Mo组分的作用强度远小于CeO2,脱氧率仅有18.5 %。因此,Ni-Mo/SBA-15和Ni-Mo/CeO2催化剂的活性都要好于Ni-Mo/γ-Al2O3催化剂。

工业上通过添加其他活性组分或金属助剂、优化载体性质以增强过渡金属负载型催化剂性能,这种催化剂廉价易得,且在生物油的深度加氢过程中取得了不错的效果。

2.2 金属硫化物催化剂

过渡金属硫化物是一类重要的催化材料,在催化加氢、合成醇、还原SO2等反应中有着广泛的应用[17]。Ji等[18]通过浸渍法制备纳米晶黄铁矿(FeS2)负载型催化剂,并将其用于二苄基醚HDO制备苯的实验。结果表明:纳米晶黄铁矿负载于SBA-15、SiO2、AC和Al2O3上制成的催化剂对二苄醚HDO制备甲苯具有较高的催化活性,并且表现出相对较好的循环利用性能。

与传统负载型硫化物催化剂相比,非负载型硫化物催化剂活性组分含量更高,对实现油品的深度脱硫、脱氮、脱氧更为有利[19]。Wang等[20]使用七钼酸铵和硫脲作为原料通过水热法制备了非负载型MoS2催化剂,并研究了加入十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的MoS2催化剂上对甲酚的HDO反应性能。实验表明:在对甲酚13.5 g,催化剂0.60 g,表面活性剂0.30 g,压力4.0 MPa,反应时间4 h 的条件下,MoS2催化剂表现出较高的活性。

Grilc等[21]研究了使用非负载型MoS2、MoO2、Mo2C和WS2等催化分解木质纤维素。结果表明:MoS2催化剂具有最高的HDO活性和选择性,而WS2、Mo2C和MoO2催化剂HDO活性较差,且对水的敏感度高,易被氧化。

随着工业的发展,人们逐渐认识到金属硫化物作为催化材料的重要性,在催化方面的应用日趋受到人们的重视。然而,金属硫化物的使用会对环境造成一定的危害。因此,大规模使用金属硫化物催化剂,还需要催化剂工艺的改进与环保技术的提高相协同。

2.3 金属磷化物催化剂

过渡金属磷化物具有独特的结构和性质。几乎所有的过渡金属都可以形成磷化物,过渡金属磷化物可作为加氢脱硫(HDS)、加氢脱氮(HDN)和HDO催化剂,具有良好的活性。金属和磷的比例可以灵活调节,为制备新组成催化剂提供了良机[22]。

Griffin等[23]通过浸渍法制备了Ni2P/SiO2和Rh2P/SiO2催化剂,并研究了在350 ℃、0.5 MPa下对GUA的HDO催化性能。结果表明:在快速催化热解条件下,相比于其他催化剂(Ni/SiO2、Pt/SiO2、Rh/SiO2等),纳米Rh2P/SiO2催化剂对芳环中的羟基脱氧效果最佳,对苯甲醚和苯表现出相对较高的选择性。

Wu等[25]研究了初始磷含量对Ni2P催化性能和理化性质的影响,还研究了含磷催化剂对愈创木酚HDO的催化作用。结果表明:不同Ni/P摩尔比的催化剂对愈创木酚HDO反应的催化性能不同。以SiO2负载的Ni2P(nNi/P=1)、Ni12P5(nNi/P=2)和Ni3P(nNi/P=3)催化剂为例,其在短暂反应时间内,HDO活性顺序为Ni3P/SiO2gt; Ni2P/SiO2gt; Ni12P5/SiO2。GUA转化的产物选择性显示,Ni2P/SiO2催化剂促进脱甲氧基化(DMO)和直接脱氧(DDO)过程,生成苯酚和苯;Ni12P5/SiO2和Ni3P/SiO2增强了GUA的脱甲基化(DME)和甲基转移(TRA)过程,生成1, 2-二甲氧基苯、3-甲基儿茶酚和3-甲基愈创木酚。相比之下,nNi/P=1的催化剂具有最高的失活速率,而nNi/P=3的催化剂失活速率最低。

过渡金属磷化物催化剂在HDO反应方面表现出较传统催化剂更优异的催化活性及反应性能,是最有可能替代贵金属和金属硫化物催化剂的新型材料。过渡金属磷化物催化剂用于生物燃料HDO生产运输燃料将成为一个非常活跃的研究领域。

2.4 金属碳、氮化物催化剂

金属碳、氮化物通常具有相当高的熔点及硬度,其热稳定性和机械稳定性极好,对小分子无机气体表现出较强的吸附能力,同时具有相似于母体金属的电、磁性质,因此在HDO催化剂研究中颇受关注[26]。

Kim等[27]使用Hummer法制备了还原氧化石墨烯(RGO),并以其为载体制备Mo2C/RGO催化剂,在350 ℃、压力5.0 MPa条件下进行油酸的HDO实验。结果表明:Mo2C/RGO催化剂表现出较高的饱和碳氢化合物收率,这是因为活性组分Mo2C纳米粒子均匀分布于载体上,而不是简单的吸附,较大的孔径和特殊的孔隙结构使得活性组分能够被输送到反应各处,以RGO为载体的催化剂表现出的催化性能优于以活性炭为载体的催化剂。

Qin等[28]制备了碳纳米管(CNF)载体负载的Mo2C催化剂,并研究了其对植物油(棕榈油和玉米油)HDO反应的催化性能。结果表明:Mo2C/CNF催化剂具有较好的重复性,循环多次使用反应依然能够保持较高的转化率和收率,是潜在的贵金属催化剂替代品。

Peter等[29]通过对苯酚和正辛醇的HDO实验研究了Mo2C/ZrO2催化剂的活性和稳定性。结果表明:该催化剂对直接脱氧具有良好的选择性,在温度高于280 ℃时,正辛醇转化为辛烯和辛烷,辛烯的选择性为25 %;温度高于320 ℃时,苯酚直接HDO生成苯,并可以进一步生成环己烷,但是因为反应过程中有水生成, Mo2C/ZrO2催化剂易被快速氧化而失活。

Stefan等[30]通过对油酸的HDO实验比较了W2C/CNF和Mo2C/CNF的催化性能。结果表明:W2C/CNF具有较低的失活速率,且对烯族产物的选择性高于Mo2C/CNF;而Mo2C/CNF稳定性强,不易被氧化,且具有较高的加氢活性,催化产物中烯族较少,更适合用作生物燃料HDO催化剂。

Sepúlveda等[31]通过对愈创木酚的HDO实验研究了Mo2N/Pica、Mo2N/Norit、Mo2N/Cudu(Pica、Norit、Cudu为3种不同类型的活性炭载体)催化剂的催化性能,见图2。结果表明:Mo2N在Norit载体上的分散度最高,因此具有最高的催化活性。不仅如此,其对酚类化合物的选择性也很高。Mo2N/Pica催化剂和Mo2N/Cudu催化剂在自身结构和化学组成上,都对Mo2N的活性位点没有产生太大影响,因此,它们的催化性能相对低劣。

图2 愈创木酚的HDO反应路线Fig. 2 HDO reaction scheme of guaiacol conversion

过渡金属碳、氮化物是一类金属间充性化合物,其表面性质和催化性能类似于Pt和Rh等贵金属元素,被誉为“准铂催化剂”,具有优异的加氢性能,作为一种新型的加氢催化新材料已引起广泛关注[32]。

2.5 金属氧化物催化剂

除以上介绍的催化剂外,过渡金属氧化物在催化领域中也有重要地位,它作为主催化剂、助催化剂和载体被广泛用于氧化还原型机理的催化反应,主族元素的氧化物多用于酸碱型机理的催化反应,包括氧化、脱氢、加氢、氧化脱氢、氨化氧化、氧氯化等反应。Schimming等[33]研究了CeO2-ZrO2催化剂在GUA的HDO制苯反应中的催化性能,见图3。结果表明,配对氧空位对愈创木酚的HDO似乎有效地产生了影响。在该催化剂作用下,愈创木酚经过3种路径生成苯,中间产物主要是苯酚,副产物主要是甲基苯酚。

图3 催化愈创木酚HDO路线Fig. 3 Reaction pathways for the catalytic HDO of GUA

3 结语与展望

生物燃料作为化石燃料最有潜力的替代品,随着人们对其研究的日益深入,开发高效加氢脱氧(HDO)催化剂成为研究的重点。现阶段已取得了一定的进展,通过对含氧模型化合物加氢脱氧过程的研究,已经了解单一的酚类、醚类、酯类等物质加氢脱氧过程中涉及到的多种催化剂性能,但仍需继续加强研究,主要有:开发高性能载体,通过改进载体制备方法或对载体改性,或采用复合载体以调控载体孔结构等,从而改善HDO催化剂的活性,降低加氢过程的苛刻度;探寻新的活性组分及合适的助剂,如过渡金属碳化物(MoC2)、磷化物以及纳米 MoS2等作为活性组分,La、Ce 等稀土金属作为催化剂的助剂等,以便活性组分多元化;进一步改善催化剂的水热稳定性,以减小高温、高压环境下HDO反应生成的水对催化活性的影响。

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Advance Research on Hydrodeoxygenation Catalysts of Biofuel

XU Haisheng, WANG Hao, WANG Bo

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)

The research progresses on the hydrodeoxygenation catalysts of biofuels were reviewed. Precious metal catalyst had stronger reactivity than the traditional catalyst, but it was expensive and precious metal recovery also increased the cost of hydrodeoxygenation process; transition metal catalyst was cheap, but easy to inactivate; sulfide catalyst had high activity,but the preparation process required pre-vulcanization and the preparation process was complex; carbon and nitride catalysts were inexpensive and had electronic structures and catalytic activity similar to precious metals, known as “quasi-platinum catalysts”; phosphide catalysts as the most promising hydrogen deoxidation catalyst had high research value.

hydrodeoxygenation;biofuel;catalyst

TQ35;TQ032.41

A

1673-5854(2017)06- 0055- 07

10.3969/j.issn.1673-5854.2017.06.010

2016-11- 09

西安石油大学博士科研启动项目(2011BS015);西安石油大学研究生创新与实践能力培养立项项目(YCS16211026)

徐海升(1974— ),男,陕西周至人,副教授,博士,主要从事工业催化方面的教学和研究工作;E-mailxhs74@

xsyu.edu.cn。

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