新工科背景下工业催化专业实验教学改革探索

"新工科"概念的提出给高素质创新型人才的培养提出了新的要求。文章结合工业催化专业实验课的教学改革措施、教学实践经验和教学成果,分析了该课程教学在培养创新型卓越工程人才、促进传统工科专业教学的转型和改革、训练和提升学生的实践能力和应变能力方面取得的成效,可为类似实践课程的本科教学提供借鉴。

Fe基催化剂上二氧化碳加氢制C2＋烃的研究进展

将二氧化碳(CO_2)催化加氢转化为具有高附加值的烃类化合物,既可减缓大气中CO_2浓度的攀升速度,又符合可持续发展战略,对环境和社会均具有重要意义。本文综述了Fe基催化剂上CO_2加氢制C_2+烃的研究进展,着重介绍了反应路径及机理、催化剂研制及反应器设计,展望了CO_2制烃的研究前景。

纳米铁基催化剂在CO2加氢制烃中的性能

使用尿素沉淀凝胶、机械混合和等体积浸渍相结合的方法, 制备了一系列的纳米尺寸FeK-M/γ-Al2O3(M=Cd,Cu)催化剂, 采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、N2物理吸附、X射线衍射(XRD)光谱和H2程序升温还原(H2-TPR)仪对催化剂进行表征, 并在小型固定床反应器上考察其对 CO2加氢反应的催化性能. 结果表明:3 MPa, 400℃, 3600 h-1, H2/CO2摩尔比为3的条件下, 15%(w, 下同)Fe10%K/γ-Al2O3催化剂可稳定运行100h 以上, CO2转化率为51.3%, C2+烃类的选择性达62.6%. Fe含量降至2.5%时, C2+烃类的选择性仍能达到60.0%. 随着 K 含量由 0%增加至 10%, 低碳烯烃选择性增加, 烯烷比增加至 3.6. Cd 和 Cu 助剂可促进 Fe 物种的还原, 改善目的产物的分布, 其中Cu的加入使低碳产物烯烷比增至5.4, Cd的加入使C5+产物选择性增加了12%.

改性β沸石催化剂用于多异丙苯与苯烷基转移的研究

在小型固定床反应器上采用β沸石催化剂催化多异丙苯和苯的烷基转移反应,研究了不同改性β沸石催化剂对烷基转移反应的影响。结果表明,改性β沸石催化剂中催化剂A-1的烷基转移性能最好。在此基础上,考察了温度对改性催化剂催化性能的影响,随着温度的提高,多异丙苯的转化率迅速增加,但正丙苯含量也相对较高。因此,烷基转移反应应选择适宜的温度。

几种盐酸酸洗缓蚀剂对铝的缓蚀性能研究

采用失重法研究了几种酸洗缓蚀剂对铝在盐酸介质中的缓蚀性能,探讨了缓蚀机理.实验结 果表明,SH-904、兰-826、兰-5的缓蚀效率按大小排序为SH-904>兰-826〉兰-5;其最低添 加量SH-904和兰-826均为1‰,兰-5则为0.25‰.

过氧化氢异丙苯生产环氧丙烷和过氧化二异丙苯的研究

用水热晶化法合成了Ti-MCM-41分子筛,并对其进行甲基硅烷化改性。用X射线衍射、傅里叶变换红外光谱和紫外漫反射光谱等手段对其结构进行了表征,在过氧化氢异丙苯做氧化剂催化环氧化丙烯制环氧丙烷的反应中,考察了催化剂的环氧化性能。结果表明:甲基硅烷化增强了Ti-MCM-41分子筛的表面疏水性,但分子筛的介孔特征仍然保持,改性后催化剂的活性提高,环氧丙烷的选择性可达92.1%。反应产物中的α,α-二甲基苄醇用于过氧化二异丙苯合成,可得过氧化二异丙苯产率71.2%。

MCM-22分子筛用于苯与丙烯烷基化反应的研究

采用两种改性剂对MCM-22分子筛改性处理,并对其在低温、低苯烯比(摩尔比)条件下的催化性能进行评价。结果表明,在140℃、苯烯比为1.52时,改性剂A处理的MCM-22分子筛有较好的催化活性和稳定性,苯的平均转化率达44.0%,在反应100h时,催化剂活性依然很高,且其产物中的正丙苯含量维持在170μg/g以下。

高浓度纺丝废水的超滤试验研究

高浓度乳化纺丝油剂性质极其稳定,采用芬顿氧化——膜分离技术联合工艺处理该油剂废水,通过正交实验找出最佳氧化破乳条件。经过芬顿氧化——高效纤维束过滤——活性炭吸附后,COD和浊度的去除率分别达到97%和95%,超滤后COD和浊度的去除率分别达到98%和99%。

丁烯催化裂解反应中的C—H键型副反应和化学平衡问题

用小型固定床反应器以及氨气程序升温脱附(NH3-TPD)和吡啶吸附红外光谱(Py-IR)研究了醚后碳四液化气中的丁烯在改性纳米ZSM-5沸石催化剂上的催化裂解反应.结果表明,丁烯催化裂解反应的丙烯选择性主要受氢转移和脱氢反应制约.这些C—H键型反应生成烷烃和芳烃副产物,并导致催化剂积炭.低温有利于氢转移(尤其异丁烯的氢转移反应),高温有利于脱氢.脱氢反应需要强酸中心,但氢转移反应在弱酸中心上也能进行.因此,通过改性降低催化剂的酸度虽然可以有效抑制C—H键型副反应,甚至消除脱氢副反应,却不能完全阻止氢转移副反应.在450℃以上的高温下,产物丙烯生成丁烯和乙烯的歧化反应,以及正丁烯向异丁烯的异构化反应导致了丁烯转化率的降低.

纳米HZSM-5沸石酸度的调节及对液化气裂解反应的影响

通过对纳米HZSM-5沸石进行钠离子浸渍改性和在小型常压固定床反应器中开展碳四液化气催化裂解制丙烯反应研究,探讨了催化剂酸度对反应选择性的影响.结果表明,钠离子改性能够选择性地去除纳米HZSM-5沸石表面的强酸中心,而对弱酸中心则基本无影响.在用钠离子改性基本上消除催化剂强酸中心的情况下,混合碳四液化气的催化裂解反应主要发生在丁烯分子上,丙烯的最高选择性可达60%,丙烯和乙烯的总选择性可达80%.

甲醇制烃(MTH)反应热力学研究

对甲醇制烃反应体系进行了热力学分析,计算了不同温度下各反应的焓变、吉布斯自由能变和反应平衡常数,采用平衡常数联立方程法估算了甲醇转化生成C2-C10烃的热力学平衡组成.计算结果表明:甲醇制烃为强放热反应,1 mol甲醇转化最大放热量约为90 kJ/mol;甲醇制烃体系中除甲醇脱水之外,大部分反应均可视为不可逆过程;高温低压不利于烷烃生成物,有利于芳烃和烯烃生成物.对计算结果与实验结果进行了比较,数据变化趋势较为一致.计算结果表明,甲醇制烃体系不受热力学的控制,催化剂的选择和反应条件的选择至关重要.

碳四液化气在离子浸渍改性纳米HZSM-5沸石上的转化反应研究

在小型常压固定床反应器中研究了不同离子浸渍改性对纳米ZSM-5固体酸催化剂上丁烷和丁烯转化的影响.结果表明,混和碳四中异丁烷比正丁烷易转化,丁烯异构体的转化与其在原料中的含量有关.在贫烯烃原料中,丁烯倾向于生成.在富丁烯原料中,丁烯倾向于转化.但在两种情况下,产物中各丁烯含量大体上按异丁烯、顺反-丁烯-2和丁烯-1顺序递减.采用锌离子改性时异丁烷转化率提高、正丁烷转化率降低.锌离子改性有利于芳烃选择性,但是副产物甲烷和乙烷的产率也较高;铁离子改性对丁烷和丁烯的转化影响不大,但能减少甲烷和乙烷的生成,并提高芳烃选择性;与锌改性相比,锌钠双离子改性降低了异丁烷、正丁烷和丁烯-1的转化率,减少了芳烃产率,但能明显促进丙烯和丁烯的生成.上述结果为碳四液化气综合利用提供了有益信息.