燃油的仿生氧化脱硫及功能化炭材料吸附脱硫

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针对燃油中含硫化合物燃烧后造成的污染问题,世界各国相继出台了日益严格的环保法规。工业上采用的传统加氢脱硫技术,难以除去燃油中的苯并噻吩(BT)、二苯并噻吩(DBT)等含硫化合物。鉴于此,研究人员开发了包括吸附脱硫、氧化脱硫、萃取脱硫等在内的新脱硫技术。  本文首先结合离子液体萃取脱硫与氧化脱硫的优势,考察了仿生催化剂铁卟啉在萃取催化氧化脱硫过程中的催化性能;并进一步在温和条件下制备得到改性铁卟啉,提高了铁卟啉的催化氧化脱硫性能。利用电子自旋共振光谱(EPR)、气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)以及原位红外(In situ FT-IR)等表征方法,对萃取催化氧化脱硫过程的机理进行了探讨,揭示其可能的活性中间体的形成机制,实现催化活性的调控。最后设计、制备得到了硫氮共掺杂功能化多孔炭,并初步考察其常温、常压下的吸附脱硫性能。本文主要研究结果如下:  (1)考察了以离子液体为萃取剂,铁卟啉为催化剂,H2O2为氧化剂体系对模型油中含硫化合物的催化氧化脱除性能。研究发现,铁卟啉在离子液体[Bmim]PF6中展现出良好的催化氧化脱硫性能与循环稳定性。在最优条件下:T=60℃,n(H2O2)/n(DBT)=4,n(DBT)/n(Catalyst)=100∶1,V(IL)/V(oil)=2∶5,最佳脱硫体系(Fe(Ⅲ)(p-CH3TPP)Cl和[Bmim]PF6)可实现模型油中DBT的完全脱除。通过EPR光谱研究发现,可能的机理为:氧化过程中产生了两种活性中间体[(Porp)FeⅢ-OOH]和[(Porp)FeⅣ(O)+],氧化含硫化合物(DBT)为相应的砜。同时,离子液体的阴阳离子具有稳定中间体的作用。在最优条件下,该体系中不同含硫化合物的脱硫选择性顺序为:DBT>4,6-DMDBT>BT。  (2)在温和条件下,通过轴向配体交换制备得到了改性铁卟啉FeⅢTPP(PF6)、FeⅢTPP(BF4),以进一步提高离子液体[Bmim]PF6耦合铁卟啉体系的催化氧化脱硫性能。结果表明,在T=60℃,n(H2O2)/n(DBT)=3,n(DBT)/n(Catalyst)=100∶1,V(IL)/V(oil)=2∶5时,FeⅢTPP(PF6)与[Bmim]PF6(FeⅢTPP(BF4)与[Bmim]PF6)体系对DBT模型油的脱硫率可达99.6%(98.8%),明显高于未改性铁卟啉体系(相同条件DBT脱除率为93.2%)。通过研究其氧化机理过程,明确了铁卟啉轴向阴离子配体对催化氧化脱硫性能的影响:轴向阴离子配体场越弱,与中心金属的结合能力也越弱;在氢键作用下,轴向阴离子配体与中心金属的结合更易断裂;因此,可通过轴向配体交换调控铁卟啉的催化活性。形成的两种活性中间体[(Porp)FeⅢ-OOH]和[(Porp)FeⅣ(O)+]参与反应(双重氧化),促进氧化含硫化合物反应的发生。FeⅢTPP(PF6)与[Bmim]PF6体系展现出良好的循环稳定性,循环使用6次而催化活性无明显下降。  (3)以硫脲、对氰基苯酚以及甲醛为原料制备得到了含硫、氮聚苯并噁嗪基多孔炭材料(NSPCs),并考察了其在温和条件下的吸附脱硫性能。在常温常压下,恒温振荡20h,样品NSPC-2的DBT平衡吸附量可达58.1mg S/g(平衡浓度308.5μg/mL),且表现出良好的选择性。通过对三种拟合方式的参数分析发现,此吸附脱硫过程更适合Langmuir-Freundlich(L-F)方程。  多孔炭材料的微孔结构以及表面的含杂原子酸性官能团,对有机硫化物的吸附量以及选择性具有非常重要的影响。研究发现NSPC-2对不同含硫化合物的吸附能力顺序为4,6-DMDBT>DBT>BT,进一步考察了NSPC-2的循环性能,发现循环使用5次以后DBT平衡吸附量仍可达45mg S/g。
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