低溫等離子體作用下甲苯加氫反應(yīng)的研究.pdf

1、低溫等離子體又叫非平衡態(tài)等離子體，具有很高的化學(xué)活性，在低溫條件下就可以產(chǎn)生大量的激發(fā)態(tài)原子、自由基、離子等活性物種，使某些需要在高溫下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)能在較低的溫度下進(jìn)行。目前等離子體化學(xué)已經(jīng)在有機(jī)合成、催化劑制備、高分子化學(xué)、環(huán)境保護(hù)等方面有了一定的研究進(jìn)展。本文通過對甲苯加氫工藝的探索，設(shè)計(jì)出合適的等離子體反應(yīng)器，在非催化條件下考察了各種因素對甲苯加氫反應(yīng)的影響，并初步推測了等離子體甲苯加氫的反應(yīng)歷程。然后在催化劑Ni/SiO2存在

2、的條件下，進(jìn)行甲苯等離子體-催化協(xié)同加氫反應(yīng)，考察了甲苯等離子體-催化協(xié)同加氫反應(yīng)條件對反應(yīng)的影響，確定了等離子體催化甲苯加氫制備甲基環(huán)己烷的較優(yōu)工藝條件。
　　 首先，根據(jù)介質(zhì)阻擋放電的原理以及甲苯加氫反應(yīng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了管-管式等離子體反應(yīng)器和板-板式等離子體反應(yīng)器，通過實(shí)驗(yàn)確定了甲苯加氫使用的等離子體反應(yīng)器為板-板式等離子體反應(yīng)器。在設(shè)計(jì)中考察了等離子體反應(yīng)器電極材料、絕緣介質(zhì)、放電間隙、電極大小等因素。
　　 在非

3、催化條件下進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，考察了放電電壓、物料配比、停留時間對反應(yīng)的影響。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推測了等離子體環(huán)境下甲苯加氫的反應(yīng)歷程。研究表明，在等離子體甲苯加氫反應(yīng)中，高能電子通過碰撞，使氣體電離，電離后的氣體進(jìn)行結(jié)合形成產(chǎn)物。由于氣體在放電過程中會產(chǎn)生大量的正、負(fù)離子、自由基等活性物種，反應(yīng)歷程較為復(fù)雜。根據(jù)氣-質(zhì)色譜分析及紅外和熱分析的結(jié)果，初步推測出等離子體條件下的甲苯加氫反應(yīng)經(jīng)歷了三種反應(yīng)歷程:(1)加成反應(yīng)，即甲苯上的雙鍵進(jìn)行加

4、氫反應(yīng)形成完全加氫產(chǎn)物如甲基環(huán)己烷，以及極少量的不完全加氫產(chǎn)物如甲基環(huán)己烯;(2)取代反應(yīng)，即甲苯上的氫原子被其他基團(tuán)所取代，形成一些多苯環(huán)類物質(zhì);(3)碳-碳鍵斷裂，形成一些非芳香性類物質(zhì)，如丙烷、丁烷、庚烷等一些烴類及其他化合物。
　　 利用浸漬法制備了甲苯加氫催化劑Ni/SiO2，在等離子體放電條件下進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，考察了催化劑裝填方式、催化劑裝填量、催化劑活性組分含量、放電電壓、停留時間對加氫反應(yīng)的影響，確定了較優(yōu)的反應(yīng)

5、條件為:催化劑裝填方式為“一段式”，催化劑裝填量為0.3g，固載在0.1g玻璃纖維上，催化劑活性金屬組分含量為17％，放電電壓8.4kV，電極直徑為6mm，氣體配比VH2/C7H8=31，停留時間為21s。在此條件下，甲苯的轉(zhuǎn)化率是78.92％，甲基環(huán)己烷的收率和選擇性分別是58.15％和73.68％。
　　 此外，用氣相色譜-質(zhì)譜儀分析儀對等離子體作用下甲苯加氫反應(yīng)的氣體產(chǎn)物進(jìn)行了定性分析，用紅外光譜儀和熱分析儀器對固體產(chǎn)物進(jìn)

6、行推測，用氣相色譜儀面積歸一化分析法對甲苯加氫反應(yīng)的產(chǎn)品進(jìn)行了定量分析。對制備出的催化劑的性能進(jìn)行了表征。依據(jù)BET多點(diǎn)吸附-脫附原理，用NOVA4200e比表面積及孔隙度分析儀測得了自制催化劑的氮?dú)馕?脫附等溫線，得到Ni/SiO2催化劑的比表面、孔徑、孔體積分別是185.53m2·g-1，19.08nm，630×10-3cm3·g-1。用掃描電鏡分析了所制備Ni/SiO2催化劑的表面特征，催化劑活性組分在載體表面分布比較均勻。