Nghiên cứu tổng hợp và biến tính SBA-15 làm xúc tác cracking dầu nặng hiệu quả

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

ĐẶT VẤN ĐỀ. ĐẶT VẤN ĐỀ

1. CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU MAO QUẢN TRUNG BÌNH TRẬT TỰ

1.1. Giới thiệu vật liệu MQTBTT

1.2. Phân loại vật liệu MQTBTT

1.3. Cơ chế hình thành vật liệu MQTBTT

1.4. VẬT LIỆU MQTBTT SBA-15

1.4.1. Giới thiệu vật liệu MQTBTT SBA-15

1.4.2. Tổng hợp và đặc trưng

1.4.3. Biến tính vật liệu mao quản trung bình

1.4.4. Ứng dụng của vật liệu MQTBTT SBA-15

1.4.5. Điều chế vật liệu mới

1.5. TỔNG QUAN VỀ XÚC TÁC Al-SBA-15 VÀ SO42-/Zr-SBA-15 TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.5.1. Trên thế giới

1.6. QUÁ TRÌNH CRACKING

1.6.1. Quá trình cracking xúc tác

1.6.2. Bản chất và cơ chế của quá trình cracking xúc tác

1.6.3. Xúc tác của quá trình cracking

1.7. Quá trình cracking oxy hóa

1.7.1. Tổng quan về xúc tác cho quá trình cracking dầu nặng trên thế giới và ở Việt Nam

1.7.1.1. Trên thế giới

1.8. TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC TRÊN CƠ SỞ SBA-15

1.8.1. Tổng hợp vật liệu

1.8.2. Tổng hợp vật liệu SBA-15

1.8.3. Tổng hợp xúc tác hệ Al-SBA-15

1.8.4. Tổng hợp xúc tác hệ SO42-/Zr-SBA-15

1.8.5. Tổng hợp xúc tác hệ Zr-Fe-SBA-15 và Al-Zr-Fe-SBA-15

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Các phương pháp đặc trưng cấu trúc vật liệu

2.1.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD)

2.1.2. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ N2

2.1.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích năng lượng tán xạ tia X (EDX)

2.1.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

2.1.5. Phương pháp khử hấp phụ NH3 theo chương trình nhiệt độ (TPD-NH3)

2.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

2.3. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến (UV-Vis)

2.4. Phương pháp phân tích nhiệt

2.5. Phương pháp phổ quang điện tử tia X (XPS)

2.6. Hệ thống nghiên cứu đánh giá hoạt tính xúc tác cracking MAT 5000 – Zeton – Canada

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU XÚC TÁC

3.1.1. Tổng hợp và đặc trưng cấu trúc vật liệu nền SBA-15

3.1.2. Tổng hợp và đặc trưng vật liệu MQTB Al-SBA-15

3.1.3. Ảnh hưởng của phương pháp tổng hợp vật liệu (trực tiếp, gián tiếp) đến cấu trúc và tính axit của xúc tác

3.1.4. Ảnh hưởng của dung môi đến quá trình tổng hợp

3.1.5. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân muối Al-iso

3.1.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung mẫu

3.1.7. Tổng hợp và đặc trưng vật liệu MQTB Al-SBA-15 với các tỷ lệ Al/Si khác nhau

3.1.8. Đánh giá hoạt tính xúc tác Al-SBA-15 tổng hợp gián tiếp trên phản ứng cracking cumen

3.1.9. Tổng hợp và đặc trưng vật liệu MQTB SZ-SBA-15

3.1.10. Ảnh hưởng của pH

3.1.11. Tổng hợp xúc tác Zr-SBA-15 bằng các chất điều chỉnh pH khác nhau

3.1.12. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung mẫu

3.1.13. Tổng hợp trực tiếp xúc tác SZ-SBA-15 với các tỷ lệ Zr/Si khác nhau

3.1.14. Tổng hợp gián tiếp xúc tác SZ-SBA-15 với các tỷ lệ Zr/Si khác nhau

3.1.15. Đánh giá hoạt tính xúc tác SZ-SBA-15-TT và SZ-SBA-15-GT bằng phản ứng cracking cumen

3.1.16. Tổng hợp và đặc trưng vật liệu MQTB Zr-Fe-SBA-15 và Al-Zr-Fe-SBA-15

3.2. ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH VÀ ĐỘ CHỌN LỌC CỦA XÚC TÁC Al-SBA-15 VÀ SZ-SBA-15 BẰNG PHẢN ỨNG CRACKING PHÂN ĐOẠN DẦU NẶNG

3.2.1. Xúc tác Al-Zr-Fe-SBA-15

3.3. ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH, ĐỘ CHỌN LỌC CỦA XÚC TÁC Al-Zr-Fe-SBA-15 BẰNG PHẢN ỨNG CRACKING OXY HÓA PHÂN ĐOẠN DẦU NẶNG

3.3.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình oxidative cracking trên xúc tác Al-Zr-Fe-SBA-15

3.3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

3.3.1.2. Ảnh hưởng của tốc độ không gian nạp liệu

3.3.1.3. Ảnh hưởng của lưu lượng hơi nước

3.3.1.4. Ảnh hưởng của hàm lượng Al2O3

3.3.1.5. Khảo sát độ bền của xúc tác tối ưu

4. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

I. Tổng quan về vật liệu SBA 15 và ứng dụng trong xúc tác cracking

SBA-15 là vật liệu mao quản trung bình trật tự, được nghiên cứu rộng rãi nhờ cấu trúc mao quản đồng đều và diện tích bề mặt lớn. Vật liệu này có tiềm năng lớn trong việc làm xúc tác cracking do khả năng tương tác tốt với các phân tử lớn. Tổng hợp SBA-15 thường sử dụng chất định hướng cấu trúc P123, tạo ra cấu trúc mao quản 2D hexagon. Biến tính SBA-15 bằng cách đưa các nguyên tố như Al, Zr, Fe vào khung silicat giúp cải thiện tính axit và độ bền nhiệt, phù hợp cho quá trình cracking dầu nặng. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và biến tính để nâng cao hiệu quả xúc tác.

1.1. Tổng hợp SBA 15

Quá trình tổng hợp SBA-15 bắt đầu với việc hòa tan chất định hướng cấu trúc P123 trong dung dịch axit, sau đó thêm TEOS làm nguồn silic. Hỗn hợp được khuấy ở nhiệt độ phòng, sau đó thủy nhiệt ở 100°C trong 24 giờ. Sản phẩm được rửa sạch và nung ở 550°C để loại bỏ chất định hướng. Kết quả thu được là vật liệu SBA-15 với cấu trúc mao quản trật tự, diện tích bề mặt lớn (800-1000 m²/g) và kích thước mao quản khoảng 6-10 nm.

1.2. Biến tính SBA 15

Biến tính SBA-15 được thực hiện bằng cách đưa các nguyên tố như Al, Zr, Fe vào khung silicat thông qua phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp. Phương pháp trực tiếp thêm muối kim loại vào hỗn hợp tổng hợp, trong khi phương pháp gián tiếp sử dụng quá trình hấp phụ sau tổng hợp. Kết quả cho thấy vật liệu biến tính có tính axit mạnh hơn và độ bền nhiệt cao hơn, phù hợp cho quá trình cracking dầu nặng.

II. Nghiên cứu xúc tác cracking dầu nặng

Xúc tác cracking dựa trên SBA-15 biến tính được đánh giá thông qua các phản ứng cracking cumen và cracking dầu nặng. Kết quả cho thấy xúc tác Al-SBA-15 và SZ-SBA-15 có hoạt tính cao, độ chọn lọc tốt và giảm thiểu sự hình thành cốc. Hiệu quả xúc tác được cải thiện đáng kể khi tối ưu hóa tỷ lệ Al/Si và Zr/Si, cũng như điều kiện phản ứng như nhiệt độ và tốc độ nạp liệu.

2.1. Đánh giá hoạt tính xúc tác

Hoạt tính của xúc tác Al-SBA-15 và SZ-SBA-15 được đánh giá thông qua phản ứng cracking cumen. Kết quả cho thấy xúc tác Al-SBA-15 tổng hợp gián tiếp có độ chuyển hóa cao hơn so với phương pháp trực tiếp. Xúc tác SZ-SBA-15 cũng thể hiện hoạt tính cao, đặc biệt khi tỷ lệ Zr/Si được tối ưu hóa. Các thông số như nhiệt độ phản ứng và tốc độ nạp liệu cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả xúc tác.

2.2. Ứng dụng trong cracking dầu nặng

Xúc tác Al-SBA-15 và SZ-SBA-15 được áp dụng trong quá trình cracking dầu nặng ở nhiệt độ 450-500°C. Kết quả cho thấy độ chuyển hóa dầu nặng thành các sản phẩm nhẹ như xăng và khí đạt hiệu suất cao, đồng thời giảm thiểu sự hình thành cốc. Xúc tác Al-Zr-Fe-SBA-15 cũng được nghiên cứu và cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu quả xúc tác và độ bền của xúc tác.

III. Kết quả và đóng góp của nghiên cứu

Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp và biến tính SBA-15 để tạo ra các vật liệu xúc tác hiệu quả cho quá trình cracking dầu nặng. Xúc tác Al-SBA-15 và SZ-SBA-15 thể hiện hoạt tính cao, độ chọn lọc tốt và giảm thiểu sự hình thành cốc. Nghiên cứu cũng đưa ra các phương pháp tối ưu hóa quy trình tổng hợp và biến tính, cũng như điều kiện phản ứng để nâng cao hiệu quả xúc tác. Những kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghiệp, giúp cải thiện hiệu suất chế biến dầu nặng và giảm thiểu tác động môi trường.

3.1. Đóng góp mới

Nghiên cứu đã đưa ra phương pháp tổng hợp và biến tính SBA-15 hiệu quả, tạo ra các vật liệu xúc tác có hoạt tính và độ bền cao. Xúc tác Al-SBA-15 và SZ-SBA-15 được tối ưu hóa về tỷ lệ Al/Si và Zr/Si, cũng như điều kiện phản ứng, mang lại hiệu quả xúc tác vượt trội trong quá trình cracking dầu nặng.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có tiềm năng ứng dụng lớn trong công nghiệp lọc dầu, giúp cải thiện hiệu suất chế biến dầu nặng thành các sản phẩm nhẹ có giá trị cao. Xúc tác Al-SBA-15 và SZ-SBA-15 có thể được sử dụng trong các nhà máy lọc dầu để tăng hiệu suất sản xuất xăng và giảm thiểu tác động môi trường.

Luận văn thạc sĩ: Tổng hợp và biến tính vật liệu SBA-15 ứng dụng làm xúc tác cho quá trình cracking dầu nặng