ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОГО ВЛИЯНИЯ ПОСТСИНТЕТИЧЕСКОЙ ЩЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ И МОДИФИЦИРОВАНИЯ НИКЕЛЕМ ЦЕОЛИТА ТИПА MFI НА ДИНАМИКУ ЕГО ДЕЗАКТИВАЦИИ В ПРОЦЕССЕ ОБЛАГОРАЖИВАНИЯ ПРЯМОГОННОГО БЕНЗИНА
Аннотация
Для определения совместного влияния постсинтетических обработок на каталитические свойства цеолита типа MFI (другие названия ZSM-5 или пентасил) в процессе облагораживания прямогонной бензиновой фракции нефти синтезирован цеолит MFI и на его основе получен образец, обработанный щелочным раствором, а также никельсодержащий образец после щелочной обработки цеолита. Модифицирование наноразмерным порошком никеля обработанного щелочным раствором порошка цеолита проведено методом сухого механического смешения исходных порошков в вибромельнице. Исследована активность и динамика дезактивации полученных цеолитных катализаторов в процессе облагораживания прямогонной бензиновой фракции нефти. Наряду с определением характеристик целевых продуктов реакции – высокооктановых бензинов, проведен анализ образующихся газообразных углеводородов и определено количество углеродных продуктов уплотнения. Показано, что проведение постсинтетических обработок цеолита оказывает положительное влияние на качественный состав и выход катализатов, снижает скорость дезактивации цеолитных катализаторов. Постсинтетическая щелочная обработка цеолита MFI существенно уменьшает его ароматизирующую и крекирующую активности, в результате чего увеличивается выход высокооктановых бензинов с улучшенными экологическими характеристиками. Введение нанопорошка никеля в обработанный раствором щелочи цеолит дополнительно усиливает эту тенденцию. Проведение постсинтетических обработок цеолита повышает время стабильной работы полученных цеолитных систем в процессе облагораживания прямогонного бензина и снижает количество образующихся углеродных продуктов уплотнения. Методом просвечивающей электронной микроскопии определено состояние, расположение и размеры цеолитного носителя, частиц никеля и углеродных продуктов уплотнения. Показано, что окислительная регенерация зауглероженного катализатора позволяет практически полностью удалить образующиеся углеродные отложения с поверхности как активного компонента, так и цеолитного носителя.
Для цитирования:
Величкина Л.М., Герасимов Е.Ю., Восмериков А.В. Исследование совместного влияния постсинтетической щелочной обработки и модифицирования никелем цеолита типа MFI на динамику его дезактивации в процессе облагораживания прямогонного бензина. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 8. С. 103-112. DOI: 10.6060/ivkkt.20246708.10t.
Литература
Li Y., Yu J. Emerging applications of zeolites in catalysis, separation and host–guest assembly. Nat. Rev. Mater. 2021. V. 6. P. 1156–1174. DOI: 10.1038/s41578-021-00347-3.
Weckhuysen B.M., Yu J. Recent advances in zeolite chemistry and catalysis. Chem. Soc. Rev. 2015. V. 44. P. 7022–7024. DOI: 10.1039/C5CS90100F.
Derbe T., Temesgen T.S., Bitew M. A Short Review on Synthesis, Characterization, and Applications of Zeolites. Adv. Mater. Sci. Eng. 2021. V. 202. P. 1–17. DOI: 10.1155/2021/6637898.
Peng P., Gao X-H., Yan Z-F., Mintova S. Diffusion and catalyst efficiency in hierarchical zeolite catalysts. Natl. Sci. Rev. 2020. V. 7. N 11. P. 1726–1742. DOI: 10.1093/nsr/nwaa184.
Hartmann M., Thommes M., Schwieger M. Hierarchi-cally-Ordered Zeolites: A Critical Assessment. Adv. Ma-ter. Interfaces. 2021. V. 8. N 4. P. 1–38. DOI: 10.1002/admi.202001841.
Le T.T., Le T.X., Chawla A., Rimer J.D. Impact of acid site speciation and spatial gradients on zeolite catalysis. J. Catal. 2020. V. 391. P. 56–68. DOI: 10.1016/j.jcat.2020.08.008.
Moshoeshoe M., Nadiye-Tabbiruka M.S., Obuseng V. A Review of the Chemistry, Structure, Properties and Applications of Zeolites. Am. J. Mater. Sci. 2017. V. 7. N 5. P. 196–221. DOI: 10.5923/j.materials.20170705.12.
Kirgina M., Belinskaya N., Altynov A., Bogdanov I., Temirbolat A. Transformations of stable gas condensate hydrocarbons into high-octane gasoline components over ZSM-5 zeolite catalyst. J. Nat. Gas Sci. Eng. 2020. V. 84. 103605. DOI: 10.1016/j.jngse.2020.103605.
Velichkina L.M., Barbashin Ya.E., Gerasimov E.Yu., Vosmerikov A.V. Influence of iron-containing additives on the physico-chemical properties of zeolite catalysts and the nature of coke deposits formed during the refin-ing of straightrun gasoline. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 11. P. 67–75 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236611.1t.
Korobitsyna L.L., Velichkina L.M., Budaev Zh.B., Sholidodov M.R. Investigation of the influence of the method for obtaining zeolite of the structural type MFI on its catalytic activity in the processing of hydrocarbon raw materials. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 11. P. 50–57 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236611.4t.
Vosmerikov A.A., Vosmerikova L.N., Vosmerikov A.V. Acidic and catalytic properties of Mg-containing zeolite catalyst in the propane conversion to olefinic hydrocarbons. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 11. P. 42-49 (in Rus-sian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236611.2t.
Echevsky G.V., Echevskaya O.G. Coking Mechanism and the Distribution of Agglomeration Products in High-Silica MFI-Type Zeolites. Chem. Sustain. Dev. 2023. V. 31. N 1. P. 20–31. DOI: 10.15372/CSD2023435.
Ostrovskii N.M. Coking of catalysts: mechanisms, models, and influence. Kinet. Catal.. 2022. V. 63. N 1. P. 52–66. DOI: 10.1134/S0023158422010062.
Wennmacher J.T.C., Mahmoudi S., Rzepka P., Lee S.S., Gruene T., Paunovic V., Bokhoven J.A. Electron Diffraction Enables the Mapping of Coke in ZSM‐5 Mi-cropores Formed during Methanol‐to‐Hydrocarbons Con-version. Angew. Chem. Int. Ed. 2022. V. 61. N 29. e202205413. DOI: 10.1002/anie.202205413.
Goetze J., Weckhuysen B.M. Spatiotemporal coke for-mation over zeolite ZSM-5 during the methanol-to-olefins process as studied with operando UV-vis spectroscopy: a comparison between H-ZSM-5 and Mg-ZSM-5. Catal. Sci. Technol. 2018. V. 8. P. 1632–1644. DOI: 10.1039/C7CY02459B.
Sadowska K., Góra-Marek K., Drozdek M., Kuśtrowski P., Datka J., Martínez Triguero J., Rey F. Desilication of highly siliceous zeolite ZSM-5 with NaOH and NaOH/tetrabutylamine hydroxide. Microporous Mesoporous Mater. 2013. V. 168. P. 195–205. DOI: 10.1016/j.micromeso.2012.09.033.
Ghavipour M., Behbahani R.M., Moradi G.R., Soleimanimehr A. Methanol dehydration over alkali-modified H-ZSM-5; effect of temperature and water dilu-tion on products distribution. Fuel. 2013. V. 113. P. 310–317. DOI: 10.1016/j.fuel.2013.05.089.
Zhao L., Gao J., Xu C., Shen B. Alkalitreatment of ZSM-5 zeolites with different SiO2/Al2O3 ratios and light olefin production by heavy oil cracking. Fuel Energy Ab-str. 2011. V. 92. N 3. P. 414–420. DOI: 10.1016/j.fuproc.2010.10.003.
Groen J.C., Moulijn J.A., Pérez-Ramírez J. Desilication: on the controlled generation of mesoporosity in MFI zeolites. J. Mater. Chem. 2006. V. 16. P. 2121–2131. DOI: 10.1039/B517510K.
Ivanova I.I., Kasyanov I.A., Maerle A.A., Zaikovskii V.I. Mechanistic study of zeolites recrystallization into micro-mesoporous materials. Microporous Mesoporous Mater. 2014. V. 189. P. 163–172. DOI: 10.1016/j.micromeso.2013.11.001.
Bjoёrgen M., Joensen F., Holm M.S., Olsbye U. Methanol to gasoline over zeolite H-ZSM-5: Improved catalyst performance by treatment with NaOH. Appl. Catal. A: Gen. 2008. V. 345. N 1. P. 43–50. DOI: 10.1016/j.apcata.2008.04.020.
Shahid A., Lopez-Orozco S., Marthala V.R., Hartmann M., Schwieger W. Direct oxidation of benzene to phenol over hierarchical ZSM-5 zeolites prepared by sequential post synthesis modification. Microporous Mesoporous Mater. 2017. V. 237. P. 151–159. DOI: 10.1016/j.micromeso.2016.09.012.
Ponomareva O.A., Kasyanov I.A., Knyazeva E.E. Konnov S.V., Ivanov I.I. Effect of the degree of zeolite recrystallization into micro–mesoporous materials on their catalytic properties in petroleum refining and petroleum chemistry processes. Pet. Chem. 2016. V. 56. P. 819–826. DOI: 10.1134/S0965544116090188.
Velichkina L.M., Barbashin Y.Е., Vosmerikov А.V. Effect of alkaline treatment on physicochemical and cata-lytic properties of ZSM 5 zeolite during conversion of straight-run gasoline oil fraction. J. Sib. Fed. Univ. Chem. 2022. V. 15. N 4. P. 486–495. DOI: 10.17516/1998-2836-0311.
Sharifi K., Halladj R., Royaee S.J. An overview on the effects of metal promoters and acidity of ZSM-5 in per-formance of the aromatization of liquid hydrocarbons. Rev. Adv. Mater. Sci. 2020. V. 59. P. 188–206. DOI: 10.1515/rams-2020-0037.
Velichkina L.M., Kanashevich D.A., Vosmerikov А.V. Effect of ZSM-5 Zeolite Modification with Nickel on Its Activity and Stability in the Isomerization of С5–С8 Alkanes of the Virgin Gasoline Fraction of Petroleum. Chemistry for Sustainable Development [Khimiya v Interesah Ustoichivogo Razvitiya]. 2015. V. 23. N 4. P. 327–338 (in Russian). DOI: 10.15372/KhUR20150401.
Velichkina L.M., Zaikovskii V.I., Barbashin Ya.E., Ryabova N.V., Perevezentsev S.A., Vosmerikov A.V. Changes in the Physicochemical Properties of Nickel-Containing ZSM-5 Zeolite under Mechanical Treatment. Chemistry for Sustainable Development [Khimiya v In-teresah Ustoichivogo Razvitiya]. 2020. V. 28. N 4. P. 366–374. DOI: 10.15372/CSD2020242.
Wei Q., Zhang P., Liu X., Huang W., Fan X., Yan Y., Zhang R., Wang L., Zhou Y. Synthesis of Ni-Modified ZSM-5 Zeolites and Their Catalytic Performance in n-Octane Hydroconversion. Front. Chem. 2020. V. 8. 586445. DOI: 10.3389/fchem.2020.586445.
Mirzaliyeva S.E., Mamedova A.Z., Shirinova S.M., Mammadov S.E., Akhmedova N.F. Acid and catalytic properties of bimetallic catalysts on the basis of ZSM-5 type zeolite in the refining of straightrun gasoline. Nefte-gaz. Delo. 2019. N 4. P. 155–172 (in Russian). DOI: 10.17122/ogbus-2019-4-155-172.
Maia A.J., Louis B., Lau L., Pereira M.M. Ni-ZSM-5 catalysts: Detailed characterization of metal sites for proper catalyst design. J. Catal. 2010. V. 269. P. 103–109. DOI: 10.1016/j.jcat.2009.10.021.
Wang T., Li Y., Zhang W., Li F., Fan L., Fu J., Liu X., Lyu Y. Role of Acid Centers over Ni/ZSM-5 Catalysts for Hydrodeoxygenation of Methyl Laurate to Biojet Fuels. Ind. Eng. Chem. Res. 2023. V. 62. N 40. P. 16513–16520. DOI: 10.1021/acs.iecr.3c02328.
Muratov D.G., Kozhitov L.V., Zaporotskova I.V., Sonkin V.S., Boroznina N.P., Popkova A.V., Boroznin S.V., Shadrinov A.V. Synthesis and properties of nanoparticles, alloys and composite nanomaterials based on transi-tion metals. Volgograd: Izd-vo VolGU. 2017. 644 p. (in Russian).
Korobitsyna L.L., Kapokova L.G., Vosmerikov A.V., Velichkina L.M., Ryabova N.V. Synthesis and properties of highmodulus zeolites. Theor. Found. Chem. Eng. 2011. V. 45. N 4. P. 500–504. DOI: 10.1134/S0040579510051185.
GOST 32513-2013. Automotive fuels. Unleaded petrol. Specifications [Electronic resource]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200108179 (accessed 18.01.2024) (in Russian).
