活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭催化劑對燃料的氧化脫硫

　　空燃料、瓦斯油和汽油等含有有機硫化合物的燃料消耗量顯著增加,并且是空氣污染的主要原因)。這些有機硫化合物以多種形式存在，如硫化物、硫醇和噻吩及其衍生物，這些衍生物可被描述為通過燃燒過程中的硫氧化物(SOx)排放對環境造成高度危害。脫硫工藝需要使用各種過渡金屬氧化物催化劑，如鈦、銅、鈷、錳、鐵、鎢、鉬、釩等和活性炭催化劑載體。本研究采用濕法浸漬活性炭制備鉬基催化劑，研究了負載氧化鎳作為促進劑的效果以及催化劑用量和初始硫濃度的影響。

　　活性炭催化劑和模型燃料制備

　　原材料催化劑載體為專用活性炭催化劑載體，七鉬酸銨純度為99%，硝酸鎳純度為99%。該催化劑通過用鎳和氧化鉬從它們的前體如下濕浸漬活性炭來制備，鉬負載為15wt.%，同時負載鎳(2、4和6%重量)以研究鎳含量作為催化劑促進劑的影響。對于從活性炭中浸漬10克，添加兩種浸漬溶液，然后通過共浸漬法負載在活性炭表面上以沉淀鈷和鉬的氧化物。浸漬過的活性炭在110℃下干燥2小時，然后在400℃下煅燒4小時。制備的催化劑的元素映射如圖1所示。模型燃料(溶解在正庚烷中的二苯并噻吩)是通過使用三種不同的二苯并噻吩濃度(400、600和800ppm)制備的。

　　圖1：6%NiMo活性炭催化劑的EDX光譜，分析證實存在約82%的活性炭、5.7%的鎳和14.5%的鉬。

　　催化劑活性結果

　　單獨研究變量的影響和研究系統的優化如圖2所示，二苯并噻吩轉化率隨著初始硫濃度從200ppm增加到接近700ppm而增加，初始硫濃度進一步增加二苯并噻吩轉化率減少，這可能是因為在固定數量的催化劑中存在有限數量的活性位點，其中這些有限的活性位點不足以轉化二苯并噻吩。轉化率通過增加活性炭催化劑用量來提高，這增加了與氧化劑的量，另一方面，當活性炭催化劑用量增加時，將提供更多負責二苯并噻吩轉化的活性位點提供更多二苯并噻吩分子和催化劑活性相之間的表面相互作用機會。活性炭負載鎳重量百分比對二苯并噻吩轉化率的影響隨著鎳重量百分比的增加而降低，因為鎳負載量的增加會導致活性較低的表面物種形成，這可能會導致鎳物種堵塞一些活性金屬礦。

　　圖2：研究變量對二苯并噻吩轉化率的影響，轉化率隨著活性炭催化劑用量和初始硫濃度的增加而增加，隨著Ni負載量的增加而降低(上圖)。對于活性炭催化劑用量、Ni負載量和初始硫濃度，在0.5g、6%和700ppm時，最佳二苯并噻吩轉化率分別為75.74%(下圖)。

　　催化機制

　　為了更好地理解H2O2/CH3COOH體系在NiO-MoO3活性炭催化劑存在下的氧化脫硫機理，假設存在NiO作為助催化劑，而MoO3作為活性相，反應由MoO3引發，涉及過氧化氫的水解裂解產生強氧化劑(活性羥基自由基(OH•)，這些活性自由基攻擊乙酸產生過乙酸，為二苯并噻吩提供氧氣生產二苯并(含有S=O)并進一步攻擊產生二苯并噻吩(含有O=S=O)。

　　圖3：NiO-MoO3活性炭催化劑存在下H2O2/CH3COOH氧化體系對二苯并噻吩的氧化脫硫機理。

　　活性炭催化劑對燃料的氧化脫硫的這項研究中，溶解在正庚烷中的二苯并噻吩的氧化脫硫是使用負載在活性炭和H2O2上的氧化鉬-氧化鎳完成的。該研究包括對通過組合設計排列的三個參數的影響的調查。研究的變量是催化劑用量、Ni負載百分比和初始硫濃度。結果表明，二苯并噻吩轉化率(除硫效率)在23-71%之間，并且符合秒級多項式。這些結果與許多先前的研究一致，但考慮最多的一點是使用氧化鎳來增強鉬基催化活性。相反，使用氧化鎳會導致脫硫效率下降，這可能意味著活性炭催化劑的失活迅速發生。對于活性炭催化劑用量，在0.5g、6%和700ppm時，最佳二苯并噻吩轉化率為75.74%。

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