CN106492844A - 一种无定形纳米二硫化钼催化剂的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无定形纳米二硫化钼催化剂的制备方法及应用,配制等质量的四硫代钼酸铵水溶液和还原性水溶液,加入等质量的表面活性剂、助表面活性剂和有机相分别配制成微乳液体系,然后将两种微乳液体系缓慢混合,在一定温度下陈化反应一定时间,所得产物经过离心、洗涤、干燥后,得到无定形纳米二硫化钼催化剂。所制备的纳米二硫化钼催化剂为无定形结构,在重油中具有良好的分散性和稳定性,在重油悬浮床加氢反应过程中分解为二硫化钼单片层。本发明提供的无定形纳米二硫化钼催化剂在原油、常压渣油、减压渣油、煤焦油、脱沥青油、油砂沥青、沥青、煤焦油沥青中的一种或几种混合物的悬浮床加氢反应中表现了极高的催化加氢活性和抑焦性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种无定形纳米二硫化钼催化剂的制备方法,及其在劣质重油、渣油悬浮床加氢过程中的应用,属于纳米材料的合成及催化应用领域。
背景技术
随着优质原油不断消耗,原油品质重质化、高硫化和高酸化的趋势愈来愈明显。此外,石油炼制过程中还产生了大量渣油,约占原油的30~50wt%。如何对大量的劣质原油和炼化渣油进行有效加工利用是石化行业目前面临的难题之一。悬浮床加氢工艺是使用劣质原油、页岩油、油砂沥青、炼化渣油制备液体燃料油的先进工艺技术。悬浮床加氢工艺最为突出的特点是使用非负载的分散型催化剂,分散型催化剂在原料油中高度分散,一次通过反应器后不回收。因此,用于悬浮床加氢工艺的分散型催化剂要求具有活性高、分散性好、稳定性高、用量小、成本低等特点。
二硫化钼是一种具有类石墨烯结构的二维层状材料,在催化、润滑、微电子、半导体等领域具有广泛的应用。二硫化钼可作为石油加工的加氢催化剂,广泛应用于加氢处理、加氢裂化、加氢脱硫、加氢脱氮、加氢脱金属等处理过程。当将其用于重油悬浮床加氢工艺时,应采用非负载型二硫化钼。目前二硫化钼的制备方法主要有高温硫化法、前驱体分解法、溶剂热法、电化学沉积法、模板法等。但是这些制备方法比较复杂,制备得到的二硫化钼催化剂一般具有分散度差、成本高的缺点。
CN200710013466.5公开了一种用于劣质重油、渣油悬浮床加氢裂化的液溶胶催化剂,该液溶胶催化剂由粒径为0.1μm~100μm之间的过渡金属Fe、Co、Ni、Cr、Cu、Mn、Mo、W硫化物颗粒均匀分散在水相中构成,金属活性组分含量为2~25%。该催化剂是将过渡金属可溶性盐在水相中与单齿配体或有机多齿配体形成配合物,然后进行硫化反应得到的。
CN201410494946.8公开了一种表面双亲纳米二硫化钼加氢催化剂及其制备方法与应用。该发明将钼源、硫源、还原剂、离子液体和去离子水按照一定的顺序和方法配制成初始反应混合物,然后在密封的高压反应釜里水热条件下晶化,晶化产物经过过滤、洗涤、干燥后得到表面双亲纳米二硫化钼加氢催化剂。所制备的纳米二硫化钼加氢催化剂在劣质重油、渣油的悬浮床加氢、加氢脱硫、加氢脱氮、芳烃加氢等反应中表现出较好的催化活性。但该发明所制备的纳米二硫化钼加氢催化剂的粒径较大,在重油原料中的分散度较差。
CN201010185621.3公开了一种纳米级片状二硫化钼的制备方法,该方法以四硫代钼酸铵为原料,以草酸为还原剂,将二者的水溶液在加热搅拌下反应,将反应产物进一步于氮气保护下高温加热,最终得到纳米级片状二硫化钼。但该发明制备的纳米级片状二硫化钼具有明显的聚并现象,大量纳米片状结构聚并堆叠形成宏观块体结构。
目前,纳米二硫化钼催化剂的制备方法比较复杂,一般经过高温处理以提高其结晶度,但高温处理的同时纳米二硫化钼催化剂会发生明显的聚并现象,当将其用于重油悬浮床加氢反应时会降低其在重油原料中的分散度,从而影响其加氢催化活性和抑焦性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无定形纳米二硫化钼催化剂的制备方法,以及其在劣质重油、渣油悬浮床加氢过程中的应用。本发明的无定形纳米二硫化钼催化剂采用微乳液法制备得到,具有与原料油相容性好、分散度高、合成工艺简单等优点,用于劣质重油、渣油悬浮床加氢反应中表现出极高的催化加氢活性和抑焦性能。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种无定形纳米二硫化钼催化剂的制备方法,采用微乳液法制备,具体包括以下步骤:(1)配制等质量的四硫代钼酸铵水溶液和还原性水溶液;(2)向上述四硫代钼酸铵水溶液和还原性水溶液中加入等质量的表面活性剂、助表面活性剂和有机相,配制得到四硫代钼酸铵微乳液体系和还原剂微乳液体系;(3)将上述两种微乳液体系缓慢混合,在一定温度下陈化反应一定时间;(4)反应结束后,离心分离出产物,使用去离子水与乙醇混合溶液洗涤,干燥后得到无定形纳米二硫化钼催化剂。
上述制备方法中,步骤(1)所述的四硫代钼酸铵水溶液浓度为0.02~0.1mol/L;还原性水溶液中还原剂浓度为0.1~0.25mol/L,pH为0.2~1.5。
上述制备方法中,步骤(1)所述的还原剂为草酸、酒石酸、柠檬酸、盐酸羟胺中的一种或几种。
上述制备方法中,步骤(2)所述的表面活性剂为Triton X-100、Triton X-114、Tween-60、Tween-80、Span-40、Span-60、Span-80中的一种或几种;所述的助表面活性剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇中的一种或几种;所述的有机相为苯、甲苯、环己烷、正庚烷、石脑油、直馏柴油中的一种或几种。
上述制备方法中,按照质量比,步骤(2)所述的四硫代钼酸铵水溶液:(表面活性剂+助表面活性剂+有机相)=0.05~0.55:1;还原性水溶液:(表面活性剂+助表面活性剂+有机相)=0.05~0.55:1;表面活性剂:助表面活性剂=0.8~6:1;有机相:(表面活性剂+助表面活性剂)=0.4~5:1。
上述制备方法中,步骤(3)中陈化温度为20~60℃,陈化时间为2~96h。
根据上述制备方法制备得到的无定形纳米二硫化钼催化剂,其特征在于:无定形纳米二硫化钼催化剂为粒径位于40~200nm的不规则颗粒,颗粒中不含有二硫化钼晶体的特征片层结构;无定形纳米二硫化钼催化剂的XRD谱图中没有出现尖锐的强衍射峰,在2θ=12°~17°处出现宽泛而微弱的二硫化钼(002)晶面的特征衍射峰,在2θ=34°~45°处出现宽泛而微弱的二硫化钼(103)晶面的特征衍射峰。
根据上述制备方法制备得到的无定形纳米二硫化钼催化剂,其特征在于:无定形纳米二硫化钼催化剂在劣质重油、渣油悬浮床加氢反应过程中发生分解,以长度为2~20nm的单层二硫化钼结构分散于产物中。
本发明制备的无定形纳米二硫化钼催化剂在微乳液体系中合成,催化剂颗粒表面吸附有表面活性剂,有效的提高了无定形纳米二硫化钼催化剂在重油原料中的分散性和稳定性;此外,无定形纳米二硫化钼催化剂用于劣质重油、渣油悬浮床加氢反应中,在高温条件下,无定形结构逐渐向二硫化钼特有的二维片层结构转变,同时在与重油大分子间的相互作用下,无定形纳米二硫化钼催化剂分解为长度2~20nm的单层二硫化钼,表现出极高的催化加氢活性和抑焦性能。
根据上述无定形纳米二硫化钼催化剂在劣质重油、渣油悬浮床加氢反应中的应用,所述劣质重油、渣油包括原油、常压渣油、减压渣油、煤焦油、脱沥青油、油砂沥青、沥青、煤焦油沥青中的一种或几种。
附图说明
图1是本发明制得的无定形纳米二硫化钼催化剂的X射线衍射(XRD)谱图。
图2是实施例1制备的无定形纳米二硫化钼催化剂的TEM照片。
图3是实施例1制备的无定形纳米二硫化钼催化剂的HRTEM照片。
图4是实施例4制备的无定形纳米二硫化钼催化剂的TEM照片。
图5是实施例4制备的无定形纳米二硫化钼催化剂的HRTEM照片。
图6是实施例7中无定形纳米二硫化钼催化剂在产物中分布情况的TEM照片。
图7是实施例12中无定形纳米二硫化钼催化剂在产物中分布情况的TEM照片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明,但本发明并不局限于以下的实施例。
实施例1
配制30g浓度为0.05mol/L的四硫代钼酸铵水溶液;配制30g浓度为0.12mol/L、pH为0.4的草酸水溶液;向上述四硫代钼酸铵水溶液和草酸水溶液中分别加入42.2g TritonX-100、18.6g正丁醇和34.5g甲苯,混合均匀,分别配成得到透明的四硫代钼酸铵微乳液体系和草酸微乳液体系;将上述两种微乳液体系缓慢混合,在45℃下陈化88h;陈化结束后,离心分离出黑色固体产物,使用去离子水与乙醇混合溶液洗涤3次,干燥后得到无定形纳米二硫化钼催化剂。图2和图3是制得的无定形纳米二硫化钼催化剂的TEM和HRTEM照片,显示所得产物为粒径50~150nm的不规则颗粒,没有出现二硫化钼晶体的特征片层结构,表明所制备产物为无定形结构。
实施例2
配制30g浓度为0.06mol/L的四硫代钼酸铵水溶液;配制30g浓度为0.15mol/L、pH为1.3的盐酸羟胺水溶液;向上述四硫代钼酸铵水溶液和盐酸羟胺水溶液中分别加入58.7gTween-80、16.2g异丙醇和43.1g正庚烷,混合均匀,分别配成得到透明的四硫代钼酸铵微乳液体系和盐酸羟胺微乳液体系;将上述两种微乳液体系缓慢混合,在60℃下陈化30h;陈化结束后,离心分离出黑色固体产物,使用去离子水与乙醇混合溶液洗涤3次,干燥后得到无定形纳米二硫化钼催化剂。所制备的产品为粒径为60~130nm的无定形、不规则颗粒。
实施例3
配制25g浓度为0.03mol/L的四硫代钼酸铵水溶液;配制25g浓度为0.10mol/L、pH为0.3的酒石酸水溶液;向上述四硫代钼酸铵水溶液和盐酸羟胺水溶液中分别加入25.6gTriton X-100、29.1g正戊醇和47.4g环己烷,混合均匀,分别配成得到透明的四硫代钼酸铵微乳液体系和酒石酸微乳液体系;将上述两种微乳液体系缓慢混合,在30℃下陈化48h;陈化结束后,离心分离出黑色固体产物,使用去离子水与乙醇混合溶液洗涤3次,干燥后得到无定形纳米二硫化钼催化剂。所制备的产品为粒径为50~160nm的无定形、不规则颗粒。
实施例4
配制30g浓度为0.05mol/L的四硫代钼酸铵水溶液;配制30g浓度为0.18mol/L、pH为0.2的柠檬酸水溶液;向上述四硫代钼酸铵水溶液和柠檬酸水溶液中分别加入75.1gSpan-60、62.8g正丙醇和152.9g正庚烷,混合均匀,分别配成得到透明的四硫代钼酸铵微乳液体系和柠檬酸微乳液体系;将上述两种微乳液体系缓慢混合,在50℃下陈化96h;陈化结束后,离心分离出黑色固体产物,使用去离子水与乙醇混合溶液洗涤3次,干燥后得到无定形纳米二硫化钼催化剂。所制备的产品为粒径为40~140nm的无定形、不规则颗粒。
实施例5
配制20g浓度为0.10mol/L的四硫代钼酸铵水溶液;配制20g浓度为0.25mol/L、pH为0.8的盐酸羟胺水溶液;向上述四硫代钼酸铵水溶液和盐酸羟胺水溶液中分别加入60.1gSpan-80、43.9g正丁醇和88.9g甲苯,混合均匀,分别配成得到透明的四硫代钼酸铵微乳液体系和盐酸羟胺微乳液体系;将上述两种微乳液体系缓慢混合,在60℃下陈化20h;陈化结束后,离心分离出黑色固体产物,使用去离子水与乙醇混合溶液洗涤3次,干燥后得到无定形纳米二硫化钼催化剂。所制备的产品为粒径为40~120nm的无定形、不规则颗粒。
实施例6
配制30g浓度为0.02mol/L的四硫代钼酸铵水溶液;配制30g浓度为0.10mol/L、pH为0.8的草酸水溶液;向上述四硫代钼酸铵水溶液和草酸水溶液中分别加入47.2g Span-60、36.8g正戊醇和83.1g石脑油,混合均匀,分别配成得到透明的四硫代钼酸铵微乳液体系和草酸微乳液体系;将上述两种微乳液体系缓慢混合,在40℃下陈化50h;陈化结束后,离心分离出黑色固体产物,使用去离子水与乙醇混合溶液洗涤3次,干燥后得到无定形纳米二硫化钼催化剂。所制备的产品为粒径为60~130nm的无定形、不规则颗粒。
图1是所制得的无定形纳米二硫化钼催化剂的XRD谱图,谱图中没有出现尖锐的强衍射峰,在2θ=12°~17°处出现宽泛而微弱的二硫化钼(002)晶面的特征衍射峰,在2θ=34°~45°处出现宽泛而微弱的二硫化钼(103)晶面的特征衍射峰,进一步说明所制备的纳米二硫化钼催化剂为无定形结构。
实施例7-14
以下实施例使用的重油原料为克拉玛依超稠油减压渣油和Athabasca油砂沥青,具体组成与性质见表1。实施例7-12采用悬浮床加氢工艺,以克拉玛依超稠油减压渣油、Athabasca油砂沥青或二者1:1混合原料油为原料,分别测试了实施例1-6所制备无定形纳米二硫化钼催化剂的催化活性和抑焦性能,测试结果见表2。实施例13采用中国专利CN201410494946.8所述的表面双亲纳米二硫化钼加氢催化剂,实施例14采用中国专利CN201210097518.2所述的采用微乳液体系制备的纳米二硫化钼,测试了这两种二硫化钼催化剂在重油悬浮床加氢反应中的催化活性和抑焦性能,测试结果见表2。
表1 克拉玛依超稠油减压渣油和Athabasca油砂沥青的组成与性质
表2中评价结果可以看出,本发明提供的无定形纳米二硫化钼催化剂在劣质重油悬浮床加氢反应中具有极高的催化加氢活性和抑焦性能。在催化剂用量低于200ppm的情况下,劣质重油、渣油的转化率大于85%,产物中轻油收率不低于75%,甲苯不溶物收率低于0.4%。
表2 重油悬浮床加氢测试评价结果
图6和图7是无定形纳米二硫化钼催化剂在重油悬浮床加氢反应产物中分布情况的TEM照片。反应后,本发明所述的无定形二硫化钼催化剂以长度2~20nm的单层结构分散于产物中,为重油催化加氢反应提供了极为丰富的催化活性位点。对应的,中国专利CN201410494946.8所述的表面双亲纳米二硫化钼加氢催化剂为粒径200nm左右的具有一定六方晶系结构的二硫化钼颗粒,按照实施例13的条件反应后,表面双亲纳米二硫化钼加氢催化剂仍以原来的形貌、尺寸分布在产物中。中国专利CN201210097518.2所述的采用微乳液体系制备的纳米二硫化钼为直径60~90nm的六方晶系二硫化钼球形颗粒,按照实施例14的条件反应后,纳米二硫化钼催化剂聚并为微米级的二硫化钼颗粒分散在产物中。
Claims (10)
1.一种无定形纳米二硫化钼催化剂的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)配制等质量的四硫代钼酸铵水溶液和还原性水溶液;
(2)向上述四硫代钼酸铵水溶液和还原性水溶液中加入等质量的表面活性剂、助表面活性剂和有机相,配制得到四硫代钼酸铵微乳液体系和还原剂微乳液体系;
(3)将上述两种微乳液体系缓慢混合,在一定温度下陈化反应一定时间;
(4)反应结束后,离心分离出产物,使用去离子水与乙醇混合溶液洗涤,干燥后得到无定形纳米二硫化钼催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种无定形纳米二硫化钼催化剂的制备方法,其特征在于步骤(1)所述的四硫代钼酸铵水溶液浓度为0.02~0.1mol/L;还原性水溶液中还原剂浓度为0.1~0.25mol/L,pH为0.2~1.5。
3.根据权利要求1或2所述的一种无定形纳米二硫化钼催化剂的制备方法,其特征在于步骤(1)所述的还原剂为草酸、酒石酸、柠檬酸、盐酸羟胺中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种无定形纳米二硫化钼催化剂的制备方法,其特征在于步骤(2)所述的表面活性剂为Triton X-100、Triton X-114、Tween-60、Tween-80、Span-40、Span-60、Span-80中的一种或几种;所述的助表面活性剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇中的一种或几种;所述的有机相为苯、甲苯、环己烷、正庚烷、石脑油、直馏柴油中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种无定形纳米二硫化钼催化剂的制备方法,其特征在于,按照质量比,步骤(2)所述的四硫代钼酸铵水溶液:(表面活性剂+助表面活性剂+有机相)=0.05~0.55:1;还原性水溶液:(表面活性剂+助表面活性剂+有机相)=0.05~0.55:1;表面活性剂:助表面活性剂=0.8~6:1;有机相:(表面活性剂+助表面活性剂)=0.4~5:1。
6.根据权利要求1所述的一种无定形纳米二硫化钼催化剂的制备方法,其特征在于步骤(3)中陈化温度为20~60℃,陈化时间为2~96h。
7.一种根据权利要求1-6所述的无定形纳米二硫化钼催化剂的制备方法制备得到的无定形纳米二硫化钼催化剂。
8.根据权利要求7所述的无定形纳米二硫化钼催化剂,其特征在于:无定形纳米二硫化钼催化剂为粒径位于40~200nm的不规则颗粒,颗粒中不含有二硫化钼晶体的特征片层结构;无定形纳米二硫化钼催化剂的XRD谱图中没有出现尖锐的强衍射峰,在2θ=12°~17°处出现宽泛而微弱的二硫化钼(002)晶面的特征衍射峰,在2θ=34°~45°处出现宽泛而微弱的二硫化钼(103)晶面的特征衍射峰。
9.根据权利要求7或8所述的无定形纳米二硫化钼催化剂,其特征在于,无定形纳米二硫化钼催化剂在劣质重油、渣油悬浮床加氢反应过程中发生分解,以长度为2~20nm的单层二硫化钼结构分散于产物中。
10.权利要求7-9所述的无定形纳米二硫化钼催化剂在劣质重油、渣油悬浮床加氢反应中的应用,所述劣质重油、渣油包括原油、常压渣油、减压渣油、煤焦油、脱沥青油、油砂沥青、沥青、煤焦油沥青中的一种或几种。
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