一种磁性核壳介孔催化剂的制备方法及在氧化脱硫的用途与流程

本发明属于燃油脱硫领域，涉及一种磁性核壳介孔催化剂的制备方法及其在氧化脱硫中的用途。

背景技术：

汽油和柴油是汽车工业中的主要燃油，随着汽车工业的不断发展，人们对燃油的需求也越来越大。燃油中的含硫化合物在燃烧之后形成硫氧化物sox排放到大气中，会形成酸雨，导致土壤酸化和植物建筑物的腐蚀，严重污染环境。另外，大量的sox会导致汽车尾气处理装置中的催化剂中毒，从而使汽车尾气中的一氧化碳、氮氧化物和颗粒物排放量增大，进一步危害生态环境和人类健康。因此，生产低硫清洁燃油是对石油加工行业提出的新的要求，燃油的深度脱硫研究已经成为世界范围内亟待解决的重要问题。

目前工业上的柴油脱硫工艺主要用加氢脱硫技术(hds)，这种脱硫技术对于苯并噻吩类硫化物，尤其是二苯并噻吩以及它的衍生物，加氢脱硫方法很难将它们除去；并且加氢脱硫的条件苛刻，需要高温高压、氢气消耗量大等条件，增加脱硫难度。所以寻找一种可以替代hds的脱硫工艺显得尤为迫切。氧化脱硫(ods)是指利用氧化剂将燃油中的硫化物转为相应的砜类物质而从体系中分离的一类脱硫技术。氧化脱硫通常可以在常温常压下进行，对设备要求相对较低，且脱硫过程不需要消耗氢气，尤其是可以对加氢脱硫难以脱除的噻吩类含硫化合物具有较高的脱除效果。近年来，随着研究深入，氧化脱硫技术已经可以实现对油品的超深度脱硫目标，是被公认为具有很大应用前景的脱硫技术之一。

介孔材料具有较大的表面积，可调节的孔径和孔型等特点。是一种很好的载体，在其上负载活性成分。开发出负载型核壳介孔材料催化剂，另外考虑到催化剂的分离情况，磁性材料近年来也被应用各种催化系统中。磁性核壳介孔催化剂是一种很好的多项催化剂因其比表面积大，易分离。已报道的材料有hpw/mcm-41,fe/sio2等。金属氧化物活化双氧水用于氧化脱硫目前也是研究的热点之一。主要包括v2o5,moo3,wo3等。但是活化空气用于氧化脱硫研究相对较少。

技术实现要素：

本发明提供了磁性核壳介孔结构负载wox在催化氧化降低燃油中硫含量的方法，通过催化剂的设计，使催化剂的载体为磁性核壳介孔结构，所述催化剂的活性中心为钨氧化物，氧化剂为空气或氧气，反应时增大与底物和氧化剂的接触，反应后实现催化剂的易分离。本催化剂具有均相催化剂的高活性和多相催化剂易分离的优点。

一种磁性核壳介孔催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)fe3o4的合成：

室温下，称取乙酰丙酮铁、苯甲醇、油酸以及油胺，搅拌混合后，置于高压反应釜中，180℃下反应10h，室温冷却后，将所得的黑色固体洗涤、干燥后分散到环己烷中备用。

所述乙酰丙酮铁、苯甲醇、油酸和油胺的用量比例为：0.53g：15ml：2.3ml：2.3ml。

(2)fe3o4@sio2的合成：

室温下，称取聚乙二醇十六烷基醚[brij56]放入圆底烧瓶中，再分别加入环己烷和步骤(1)所得的fe3o4分散液，最后加入水和氨水，然后机械搅拌使其混合均匀，在50℃下边搅拌边逐滴加入硅酸四乙酯[teos]，反应8h后洗涤，烘干，得到fe3o4@sio2。

所述[brij56]、环己烷、fe3o4分散液、水、氨水、[teos]的质量体积比为：2g：8.5ml：1.2ml：0.12ml：0.45ml：0.4ml。

所述fe3o4分散液的浓度为0.01296g/ml，氨水的质量百分浓度为25-28％。

(3)fe3o4@sio2@msio2的合成：

室温下，称取十六烷基三甲基氯化铵[ctab]放入圆底烧瓶中，再分别加入，无水乙醇和水的混合液和步骤(2)所得的fe3o4@sio2固体，最后加入氨水，然后超声半小时后，在室温下机械搅拌边逐滴加入硅酸四乙酯[teos]，反应8h后洗涤，烘干，在马弗炉里进行400℃煅烧4h，得到fe3o4@sio2@msio2。

所述[ctab]、水、无水乙醇、fe3o4@sio2固体、氨水、[teos]的用量比例为：0.26g：81ml：37.5ml：0.3ml：0.75ml：0.5ml。

所述氨水的质量百分浓度为25-28％。

(4)用浸渍法合成fe3o4@sio2@msio2@wox：

室温下，称取fe3o4@sio2@msio2和含钨前驱体加到乙腈中，搅拌反应，反应结束后，室温下挥发溶剂，然后置于马弗炉中煅烧，得到fe3o4@sio2@msio2@wox。

步骤(4)中，所述含钨前驱体为磷钨酸、钨酸铵、钨酸钠或含钨离子液体。

步骤(4)中，所述fe3o4@sio2@msio2上：含钨前驱体：乙腈的用量比例为：0.07g：0.0191g：10ml。

步骤(4)中，所述钨前驱体的负载量是5-50％。

步骤(4)中，搅拌反应的时间为3h；所述煅烧温度为500℃，煅烧时间为4h。

将本发明制备的磁性核壳介孔催化剂用于氧化燃油脱硫的用途。

具体用法为：将本发明制备的催化剂fe3o4@sio2@msio2@wox置于模型油中，通入空气或氧气，一定温度下搅拌反应，反应结束后分离出上层油相即是脱硫后的油品。用气相色谱法测定油中的硫含量，计算脱硫率。

所述催化剂fe3o4@sio2@msio2@wox中，wox可活化空气。

所述催化剂和模型油的用量比例为0.005-0.02g：20ml，模型油中含有脂肪族硫化物或芳香族硫化物，含硫量是10-1000ppm。

所述空气或氧气的流速为50-200ml/min。

所述反应中，搅拌速度为800-1500rpm，反应温度为110-150℃，反应时间是3-10h。

脱硫率计算公式：

上述方法制备的催化剂可用于催化氧化脱除油品中脂肪族硫化物与芳香族硫化物，如二苯并噻吩(dbt)，4-甲基二苯并噻吩(4-dmdbt)，4,6-二甲基二苯并噻吩(4,6-dmdbt)，其中，二苯并噻吩(dbt)的氧化反应可用下面方程式来表示：

本发明的有益效果为：

(1)本发明制备的催化剂采用空气或氧气作为氧化剂，硫的脱除效率高，在最优工艺条件下，脱硫效率可达到99.90％。

(2)本发明反应条件温和，不需要加压设备，操作简单。

(3)本发明反应结束后易于分离，分离是通过外加磁场或者磁铁即可分离，分离方便，催化剂便于循环对人和环境无影响。

附图说明

图1是fe3o4@sio2@msio2透射电镜图。从图中可以看出确实合出了磁性核壳介孔结构.

图2是催化剂的xrd图。从已发表的文献中得知，2θ＝23°,34°,41°,49°(pdf#43-1035)的特征峰表明wox的存在，得到了需要的催化剂。

图3是fe3o4@sio2(a),fe3o4@sio2@msio2(b),fe3o4@sio2@msio2@wox(c)的vsm图。从图中可以看出三种物质都具有超顺磁性，这使得它们在外部磁场下易于分离。它们的饱和磁化强度分别为6.71,2.31和2.30emu/g,fe3o4@sio2@msio2以及fe3o4@sio2@msio2@wox相比fe3o4@sio2磁性大幅降低可能是由于sio2的包裹。

图4催化剂在乙醇中的分散液(a)，催化剂利用磁铁分离的照片(b)。

具体实施方式

本发明用以下实施例说明，但本发明并不限于下述实施例，在不脱离前后所述宗旨的范围下，变化实施都包含在本发明的技术范围内。

催化剂的制备：

①室温下，称取0.53g乙酰丙酮铁加入到烧杯中，然后向烧杯中加入15ml的苯甲醇和2.3ml油酸以及2.3ml油胺，搅拌约30min后，置于高压反应釜中，180℃下反应10h。室温冷却后，将所得的黑色固体用无水乙醇洗三次，干燥后分散到环己烷中备用。

②称取2g[brij56]放入50ml圆底烧瓶中，再分别加入8.5ml环己烷和1.2mlfe3o4分散液，最后加入0.12ml水和0.45ml氨水，然后机械搅拌30min使其混合均匀，在50℃下边搅拌边逐滴加入0.4ml[teos]，反应8h后用无水乙醇洗三次，烘干。

③称取0.3gfe3o4@sio2，0.26gctab加入到水和无水乙醇中，后加入氨水，然后超声半小时后，在室温下机械搅拌边逐滴加入硅酸四乙酯0.5ml[teos]，反应8h后洗涤，烘干，在马弗炉里进行煅烧处理。

④用浸渍法将磷钨酸负载到fe3o4@sio2@msio2上，即：称取0.0191g磷钨酸和0.07gfe3o4@sio2@msio2加到10ml乙腈中反应3h，室温下挥发溶剂，然后放入到马弗炉对该物质进行500℃的煅烧处理4h，保存备用。

油品的配制：将二苯并噻吩(dbt)，4-甲基二苯并噻吩(4-mdbt)和4,6-二甲基二苯并噻吩(4，6-dmdbt)分别溶解在十氢萘烷中，dbt配成的油品硫含量10-1000ppm、4-dmbt配成的油品硫含量10-1000ppm、4,6-dmdbt配成的油品硫含量10-1000ppm。

实施例1

向三个100ml圆底烧瓶中加入20mldbt、4-mdbt和4,6-dmdbt模型油(油品的含硫量是500ppm)，接着加入0.01g上述制备的催化剂(500℃条件下煅烧，升温速率2℃/min，磷钨酸负载量20％)、l00ml/mino2，在120℃下以1000rpm磁力搅拌8h，分离出模型油，采用gc-fid(内标法)分别检测油中dbt、4-mdbt和4,6-dmdbt的含量，通过计算硫的脱除率分别为99.90％、96.50％、94.40％。

实施例2

向三个100ml圆底烧瓶中加入20mldbt模型油(油品的含硫量是500ppm)，接着加入0.01g上述制备的催化剂(500℃条件下煅烧，升温速率2℃/min，磷钨酸负载量20％)、l00ml/mino2，分别在110℃、120℃、150℃下以1000rpm磁力搅拌8h，分离出模型油，采用gc-fid分别(内标法)检测油中dbt的含量，通过计算硫的脱除率分别为41.20％、99.90％、99.90％。

实施例3

向三个100ml圆底烧瓶中加入20mldbt模型油(油品的含硫量是500ppm)，接着加入0.01g上述制备的催化剂(500℃条件下煅烧，升温速率2℃/min，磷钨酸负载量20％)、l00ml/mino2，在120℃下分别以800rpm、1000rpm和1500rpm磁力搅拌8h，分离出模型油，采用gc-fid(内标法)检测油中dbt的含量，通过计算硫的脱除率分别为98.80％、99.90％和99.90％。

实施例4

向三个100ml圆底烧瓶中加入20mldbt模型油(油品的含硫量是500ppm)，接着加入0.01g上述制备的催化剂(500℃条件下煅烧，升温速率2℃/min，磷钨酸负载量20％)和流速分别为50ml/min、l00ml/min、200ml/mino2，在120℃下分别以1000rpm磁力搅拌8h，分离出模型油，采用gc-fid(内标法)检测油中dbt的含量，通过计算硫的脱除率分别为95.60％、99.90％和99.70％。

实施例5

向三个100ml圆底烧瓶中加入20mldbt模型油(油品的含硫量是500ppm)，接着加入0.01g上述制备的催化剂(500℃条件下煅烧，升温速率2℃/min，磷钨酸负载量20％)、l00ml/mino2，在120℃下以1000rpm分别磁力搅拌4h、8h和10h，分离出模型油，采用gc-fid(内标法)检测油中dbt的含量，通过计算硫的脱除率分别为95.20％、99.90％和99.90％。

图1是fe3o4@sio2@msio2透射电镜图。从图1中可以看出确实合出了磁性核壳介孔结构.

图2是催化剂的xrd图。从图2得知，2θ＝23°,34°,41°,49°(pdf#43-1035)的特征峰表明wox的存在，得到了需要的催化剂。

图3是fe3o4@sio2(a),fe3o4@sio2@msio2(b),fe3o4@sio2@msio2@wox(c)的vsm图。从图3中可以看出三种物质都具有超顺磁性，这使得它们在外部磁场下易于分离，如图4，它们的饱和磁化强度分别为6.71,2.31和2.30emu/g,fe3o4@sio2@msio2以及fe3o4@sio2@msio2@wox相比fe3o4@sio2磁性大幅降低可能是由于sio2的包裹。