Исследование текстурных характеристик катализов молибдена и марганца

АННОТАЦИЯ

В работе изучены физико-химические и текстурные характеристики катализатора, созданного для каталитической реакции оксиконденсации метана. Каталитическая система, полученная с помощью рентгенофазового анализа, была аморфной. На рентгенограмме наблюдается широкое диффузное поле и пиковое малоугловое поле, характерное для аморфных материалов. Это подтверждает, что каталитическая система имеет мезопористую структуру. Рентгеноспектральный анализ показывает, что состав катализатора не изменился после реакции, то есть содержание в нем Na₂MoO₄, Mn₂O₃, ZrO₂ оставалось неизменным даже после использования и регенерации. т.е. содержание осталось неизменным даже после его использования и регенерации. В результате экспериментов изучены текстурные характеристики катализатора с высокими каталитическими свойствами (Mn₂O₃)_x * (Na₂MoO₄)_y * (ZrO₂)_z.

ABSTRACT

The physicochemical and texture characteristics of the catalyst created for the catalytic oxycondensation reaction of methane were studied in the study. The catalytic system obtained by X-ray phase analysis was confirmed to be amorphous. On the radiograph, a wide diffuse field and a peak low-angle field characteristic of amorphous materials are observed. This confirms that the catalytic system has a meso-porous structure. X-ray spectral analysis shows that the composition of the catalyst did not change after the reaction, ie the content of Na₂MoO₄, Mn₂O₃, ZrO₂remained unchanged even after its use and regeneration. As a result of the experiments, the texture characteristics of a catalyst with high catalytic properties (Mn₂O₃)_x * (Na₂MoO₄)_y * (ZrO₂)_z were studied.

Ключевые слова: катализатор, рентгенофазовый анализ, рентгеновские лучи, ИК-спектр, дифрактограмма, электронная микрофотография.

Keywords: catalyst, X-ray phase analysis, X-ray, IR spectrum, diffractogram, electron microphotogram.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время рациональное использование природного газа, нефтяных газов, факелов и других газов, в первую очередь метана, является глобальной проблемой. В настоящее время около 5% добываемого природного газа подвергается химической переработке [1-3]. Остальное используется как топливо. Однако метан и нефтяные газы могут быть использованы для производства жидкого топлива, ароматических углеводородов, особенно этилбензола, пара-ксилола, этилена и других ценных продуктов, используемых при производстве синтетического волокна лавсана [4-5]. Современные методы получения ценных продуктов переработки метана являются дорогостоящими. Одностадийная обработка метана экономически эффективна. Одним из таких методов является каталитическая переработка метана, то есть получение этилена за одну стадию каталитической оксиконденсацией. Для осуществления этого процесса требуется создание катализаторов нового поколения с высокой селективностью и активностью [6-8].

На сегодняшний день наиболее перспективным методом получения этилена является процесс каталитической оксиконденсации метана, который не внедрен в промышленность из-за отсутствия стабильного катализатора с высокой эффективностью [9-11]. Поэтому для получения этилена из природного газа с максимальной эффективностью большое внимание уделяется выбору высокоэффективных катализаторов и созданию энерго- и ресурсосберегающих технологий. В последнее время во всем мире большое внимание уделяется созданию селективных высокоактивных катализаторов при разработке безотходных или малоотходных, энергосберегающих и ресурсосберегающих технологий [12-13]. Высокое потребление энергии - одна из основных проблем во многих химических отраслях. Кроме того, необходимо создание технологий, позволяющих одновременно комплексно использовать тепловые ресурсы (нефть, уголь, природный газ) - и как сырье, и как источник энергии при производстве продуктов химического синтеза.

Целью работы является изучение физико-химических и текстурных характеристик катализатора, выбранного для каталитической реакции оксиконденсации метана.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Путем изменения способа приготовления катализатора синтеза C₂-углеводородов и добавления к нему солей различных d-элементов в качестве промотора. Катализатор готовили двумя способами: осаждением и абсорбцией.

Для приготовления катализатора методом осаждения использовали водные растворы ацетата марганца и молибдата натрия. Связующее (кремний) - оксид кремния мы приготовили добавлением серной кислоты к водному раствору силиката натрия. Осадок фильтровали, сушили при 1300 ° C и запекали в печи при 800-11000 ° C в течение 5 часов. Для приготовления катализатора методом поглощения серную кислоту сначала добавляли к водному раствору силиката натрия. Осадок фильтровали, сушили при 1300 ° C и обжигали при 800-13000 ° C. Затем добавляли водные растворы солей ацетата марганца и молибдата натрия. Через 3 ч полученный катализатор сушили и обжигали при 800–13 000 ° С. Затем к полученной массе добавляли необходимое количество раствора нитрата цирконила. Затем катализатор фильтровали, сушили и сжигали в указанной выше последовательности.

Морфологию катализаторов изучали на приборе VegallLMU (Чехия) с помощью волновой электронной микроскопии (ZEM). Также пористая структура была установлена на основании анализа кривых адсорбции, полученных методом термосорбции азота. Площадь поверхности каталитической системы определяли методом SsolBET, а объем микро- и мезоцитов - методом BJH.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рентгенограмме наблюдается широкое диффузное поле и пиковое малоугловое поле, характерное для аморфных материалов. Это подтверждает, что каталитическая система имеет мезопористую структуру.

Каталитическая система, полученная в результате химических реакций, была аморфной.

Рисунок1. Рентгеновский снимок аморфного катализатора, содержащего (Mn₂O₃)_x * (Na₂MoO₄)_y * (ZrO₂)_z

Рентгеноспектральный анализ показывает, что состав катализатора не изменился после реакции, т.е. содержание Na₂MoO₄, Mn₂O₃, ZrO₂ осталось неизменным даже после его использования и регенерации.

На рисунке 2 дифрактограммамезопористого аморфного катализатора, содержащего  (Mn₂O₃)_x * (Na₂MoO₄)_y * (ZrO₂)_z, согласуется с теоретическими рентгенограммами, рассчитанными по результатам рентгеноструктурного анализа.

Рисунок 2. Экспериментальная дифрактограмма катализатора, содержащего Mn₂O₃)_x * (Na₂MoO₄)_y * (ZrO₂)_z. рассчитанная на основе данных отжига (черный, внизу) и структурных данных (вверху)

На рис. 3 представлена электронная микрофотография катализатора, содержащего(Mn₂O₃)_x * (Na₂MoO₄)_y * (ZrO₂)_z.

Рисунок 3. Электронные микрофотографии катализатора, содержащего Mn₂O₃)_x * (Na₂MoO₄)_y * (ZrO₂)_z.

Рисунок 4. Электронная микрофотография катализатора после 240 часов работы при 750^oC

В результате экспериментов изучены текстурные характеристики катализатора с высокими каталитическими свойствами (Mn₂O₃)_x * (Na₂MoO₄)_y * (ZrO₂)_z.

Таблица 1.

 (Mn₂O₃)_x * (Na₂MoO₄)_y * (ZrO₂)_zТекстурные свойства катализатора

Рисунок 5. ИК-спектрыкокса, образующегося в пустомреакторе (1), (KCI)_x * (Mn₂O₃)_y * (ZrO₂)_z (2), (Mn₂O₃)_x ∙ (Na₂MoO₄)_y ∙ (ZrO₂)_z (3)

ВЫВОД

Таким образом, по результатам рентгенофазового анализа было определено, что наблюдаются широкое диффузное поле и пиковое малоугловое поле, характерные для аморфных материалов. Это подтверждает, что каталитическая система имеет мезопористую структуру.

Рентгеноспектральный анализ показывает, что состав катализатора не изменился, то есть содержание Na₂MoO₄, Mn₂O₃, ZrO₂ в его составе не изменилось даже после использования и регенерации.

Список литературы:

1. Sh. B. Rakhmatov., N. I. Fayzullayev.  Coke Formation of Catalyst on the Ethylene Preparation from the Oxycondensation of Methane and its Regeneration// International Journal of Advanced Science and Technology. Vol. 29, No. 03, (2020), pp. 7875 – 7884
2. N. S. Tursunova., N. I. Fayzullaev. Kinetics of the Reaction of Oxidative Dimerization of Methane//International Journal of Control and Automation Vol. 13, No. 2, (2020), pp. 440 – 446
3. N.I.Fayzullaev., N.S.Tursunova. Termodynamic Basis of Methane Oxidation Dimerization Reaction and Process Approval// International Journal of Advanced Science and Technology Vol. 29, No. 5, (2020), pp. 6522 – 6531.
4. N.I.Fayzullaev., Sh.B.Raxmatov. Kinetics and Mechanisms of OxycondensationReaction in Methane Molybden-Marganets-Zirconium Catalysis//International Journal of Psychosocial Rehabilitation, Vol. 24, Issue 04, 2020. ISSN: 1475-7192.
5. Турсунова Н.С., Файзуллаев Н.И., Насимов Х.М. Метанни каталитик димерланиш реакцияси ёрдамида этилен олиш  // СамДУ илмий ахборотномаси 2017. № 5 (105) 130- бет
6. Турсунова Н.С., Файзуллаев Н.И. Kinetics of the Reaction of Oxidative Dimerization of Methane // International Journal of Control and Automation 2020.Vol.13 № 2. Pp. 440-446
7. Турсунова Н.С., Файзуллаев Н.И. Метаннидимерлашреакциясинингкинетикаси // Фан ватехнологиялартараккиётижурнали. 2020. №2, 38-45 бет
8. Турсунова Н.С., Файзуллаев Н.И. Кинетика каталитической реакции димеризации метана с марганец и молибден содержающим катализатором // Universum: Химия и биология. №12(66). 05.12.2019 1йил
9. Файзуллаев Н.И., Турсунова Н.С. Марганец сақловчи катализаторларда метандан этилен олиш // Кимё ва кимё-технологияси илмий журнали Тошкент-2018. 1-сон, 24-29 бетлар.
10.  Fayzullayev N.I., Raxmatov SH.B. Metanni katalitik oksikondensatlash reakto-rining texnologik parametrlari // “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий – техникавий журнал. -2018. №4. -80-89-бетлар.
11.  Shukurov B.Sh., Raxmatov Sh.B., Fayzullayev N.I. Kaolindan yuqori kremniyli seolitlar olish. // СамДУ илмий ахборотномаси. -2018. -N5. 106-111-бетлар.
12.  Raxmatov Sh.B., Fayzullayev N.I. Metanni katalitik oksikondensatlash// СамДУ илмий ахборотномаси. -2018. –N3. 97-104-бетлар.
13. Fayzullayev N. I., RakhmatovSh.B. Кinetics and mechanism of the reaction of the catalytic oxycondensation reaction of methane//Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. – 2019. № 5–6. 62-69 рр.