Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hàm Lượng Oxit Sắt Đến Hoạt Tính Xúc Tác Cracking Phân Đoạn Dầu Nặng

Cracking xúc tác là quá trình biến đổi các phân tử hydrocacbon lớn thành các phân tử nhỏ hơn, có giá trị cao hơn như xăng, diesel và LPG. Đối với dầu nặng, quá trình này đặc biệt quan trọng vì giúp nâng cấp các phân đoạn có giá trị thấp thành các sản phẩm có giá trị kinh tế cao hơn. Việc tối ưu hóa quá trình cracking xúc tác dầu nặng không chỉ giúp tăng sản lượng các sản phẩm mong muốn mà còn giảm thiểu lượng sản phẩm phụ không mong muốn.

Oxit sắt, đặc biệt là Fe2O3, FeO và Fe3O4, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực xúc tác. Trong xúc tác cracking, oxit sắt có thể đóng vai trò là thành phần hoạt tính hoặc chất hỗ trợ, ảnh hưởng đến tính axit, khả năng oxy hóa khử và độ bền của xúc tác. Việc kiểm soát hàm lượng oxit sắt và phân bố của nó trên chất mang là yếu tố quan trọng để đạt được hiệu quả xúc tác tối ưu. Theo nghiên cứu của Huỳnh Thanh Danh, việc sử dụng oxit sắt trên các chất mang khác nhau sẽ đem lại các hoạt tính xúc tác khác nhau.

Một trong những hạn chế của xúc tác oxit sắt là hoạt tính cracking thấp hơn so với các xúc tác truyền thống như zeolit. Hoạt tính xúc tác của oxit sắt phụ thuộc nhiều vào hàm lượng, cấu trúc và sự phân tán của nó trên chất mang. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất cracking. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tính chất xúc tác của oxit sắt có thể bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các tạp chất hoặc sự thay đổi điều kiện phản ứng.

Độ ổn định xúc tác là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình cracking. Xúc tác oxit sắt có thể bị khử hoạt tính do nhiều nguyên nhân, bao gồm cốc hóa, thay đổi cấu trúc và sự mất mát oxit sắt khỏi chất mang. Việc cải thiện độ ổn định xúc tác của oxit sắt là rất quan trọng để kéo dài tuổi thọ của xúc tác và giảm chi phí sản xuất.

Các xúc tác cracking được điều chế bằng phương pháp tẩm ướt, sử dụng dung dịch sắt nitrat làm tiền chất oxit sắt. Hàm lượng oxit sắt được thay đổi bằng cách điều chỉnh nồng độ dung dịch sắt nitrat. Các chất mang khác nhau (Al2O3, FCC và SBA-15) được sử dụng để so sánh ảnh hưởng của chất mang đến hoạt tính xúc tác. Sau khi tẩm ướt, các xúc tác được sấy khô và nung ở nhiệt độ cao để chuyển sắt nitrat thành oxit sắt.

Hoạt tính xúc tác cracking của các xúc tác được đánh giá bằng thiết bị MAT5000. Phản ứng cracking được thực hiện ở các nhiệt độ và áp suất khác nhau để khảo sát ảnh hưởng của điều kiện phản ứng đến hiệu suất cracking. Các sản phẩm phản ứng được phân tích bằng máy sắc ký khí (GC) để xác định thành phần và hiệu suất cracking. Các kết quả này cung cấp thông tin quan trọng về tính chất xúc tác của các xúc tác oxit sắt.

Nghiên cứu cho thấy sự thay đổi hàm lượng oxit sắt ảnh hưởng đến hiệu suất cracking và thành phần sản phẩm. Hàm lượng oxit sắt quá thấp sẽ không đủ để tạo ra hoạt tính xúc tác cần thiết, trong khi hàm lượng oxit sắt quá cao có thể gây ra sự cốc hóa và giảm diện tích bề mặt. Thành phần sản phẩm cũng thay đổi theo hàm lượng oxit sắt, với sự gia tăng hàm lượng các sản phẩm nhẹ (xăng, LPG) khi hàm lượng oxit sắt được tối ưu hóa.

Kết quả phân tích XRD và BET cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa hàm lượng oxit sắt, cấu trúc và tính chất xúc tác của xúc tác. Sự phân tán tốt của oxit sắt trên chất mang là rất quan trọng để đạt được hoạt tính xúc tác cao. Diện tích bề mặt và độ xốp của xúc tác cũng ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận của các phân tử dầu nặng đến các tâm hoạt tính. Các xúc tác với cấu trúc mao quản trật tự (SBA-15) cho thấy khả năng khuếch tán tốt hơn, dẫn đến hiệu suất cracking cao hơn.

Dầu FO là một phân đoạn dầu nặng có giá trị thấp. Xúc tác cracking oxit sắt có tiềm năng chuyển đổi dầu FO thành các sản phẩm có giá trị cao hơn như xăng, diesel và LPG. Việc sử dụng xúc tác oxit sắt có thể giúp giảm lượng lưu huỳnh và các tạp chất khác trong dầu FO, cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu tác động đến môi trường.

Xúc tác cracking oxit sắt có thể được sử dụng để cải thiện chất lượng dầu DO, tăng chỉ số cetan và giảm hàm lượng các hợp chất thơm đa vòng (PAHs). Việc sử dụng xúc tác oxit sắt có thể giúp sản xuất dầu DO đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng ngày càng khắt khe và giảm thiểu tác động đến sức khỏe con người.

Việc nghiên cứu sâu hơn về cơ chế cracking trên xúc tác oxit sắt là rất quan trọng để hiểu rõ vai trò của oxit sắt trong quá trình phản ứng. Các nghiên cứu về cơ chế cracking có thể giúp xác định các tâm hoạt tính và các bước phản ứng quan trọng, từ đó giúp thiết kế các xúc tác hiệu quả hơn. Các phương pháp phân tích bề mặt và phân tích động học có thể được sử dụng để nghiên cứu cơ chế cracking.

Việc kết hợp oxit sắt với các vật liệu nano có thể tạo ra các xúc tác cracking có diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và sự phân tán tốt của các tâm hoạt tính. Các vật liệu nano như zeolit, mesoporous silica và carbon nanotubes có thể được sử dụng làm chất mang để cải thiện hiệu suất và độ bền của xúc tác oxit sắt.