СВЧ активация реакций каталитического окисления субстратов C1-C2 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.15, кандидат химических наук Синев, Илья Михайлович

• Синев, Илья Михайлович
• кандидат химических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат химических наук Синев, Илья Михайлович

1.1 История вопроса

1.2 Физические основы взаимодействия СВЧ поля с веществом

1.2.1 Эффекты и механизмы диэлектрического нагрева конденсированных веществ.

1.2.1.1 Диэлектрическая поляризация

1.2.1.2 Потери проводимости

1.2.2 использование СВЧ эффектов в катализе

1.2.2.2 Нетермические эффекты

1.3 Перспективные направления исследований в области использования СВЧ поля в катализе газофазных процессов

1.3.1 Окислительная конденсация метана

1.3.2 Парциальное окисление и иные процессы конверсии углеводородов

1.3.3 Процессы удаления соединений серы и азота

1.4. Предварительные выводы

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1 Приготовление катализаторов

2.2 Экспериментальная установка

2.3 Описание каталитического эксперимента

2.3.1 Окислительное дегидрирование этана

2.3.2 Удаление из воздуха метанола и серосодержащих летучих органических веществ

2.4 Исследования свойств структуры и поверхности катализаторов

ГЛАВА 3. IN SITU С ВЧ АКТИВАЦИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ДЕГИДРИРОВАНИЯ ЭТАНА

3.1 Взаимодействие катализаторов с СВЧ полем.

3.2 Сравнительное исследование каталитических свойств при СВЧ и термической активации

3.3 влияние СВЧ возбуждения на фазовый состав У-содержащих оксидов

3.4 Состояние поверхностных ионов (по данным РФЭС)

3.5 Однофазный VMo оксид.

Заключение диссертации по теме «Катализ», Синев, Илья Михайлович

Основные результаты и выводы

1. Создана экспериментальная установка, позволяющая надежно контролировать параметры каталитического процесса (мощность подведенного и отраженного излучения, температура в слое катализатора, состав продуктов), протекающего при воздействии микроволнового излучения. Главным элементом установки является высокодобротный цилиндрический резонатор, рабочий частотный диапазон которого лежит в интервале 3.4-3.8 ГГц. Использование резонатора с высокой добротностью позволяет использовать источники СВЧ поля низкой мощности, что в свою очередь снижает общее энергопотребление системы.

2. Интенсивность и характер взаимодействия СВЧ поля с У-содержащими оксидными системами зависит от их химического и фазового состава. Однофазный УМо-оксид слабо взаимодействует с микроволновым излучением. Наиболее вероятным механизмом воздействия микроволнового излучения на изученную в работе группу У-содержащих оксидов является межфазная поляризация (механизм Максвелла-Вагнера).

3. При воздействии СВЧ поля на многофазные смешанные УМо(КПэ)-оксиды возникают метастабильные состояния, нереализуемые при обычном термическом нагреве. Кинетические параметры окислительного дегидрирования этана на этих системах в условиях термического и микроволнового нагрева различаются.

4. При комбинированной очистке воздуха от следовых количеств серосодержащих соединений и метанола на нанесенных на цеолит металлах платиновой группы, образование серосодержащих отложений приводит к падению активности в окислении метанола, без существенного снижения активности в окислении серосодержащих органических веществ.

5. При оптимальном сочетании мощности СВЧ и скорости потока воздуха, содержащего следовые количества органических загрязнителей, возможно их эффективное удаление в адсорбционно-каталитическом цикле в энергосберегающем режиме. Эффективными адсорбентами для этого могут служить как цеолиты, так и активированные угли.

4.5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные эксперименты с метанолом в качестве модельного соединения показали, что возможно полное удаление следовых количеств летучих органических веществ (ЛОВ) из воздуха в циклическом адсорбционно-каталитическом процессе, нагрев в котором осуществляется СВЧ полем. При этом, при использовании в качестве адсорбентов материалов, прозрачных для электромагнитного поля заданной частоты, повышение эффективности процесса возможно при их дополнительном нагреве (например, путем помещения перед слоем адсорбента материала, эффективно поглощающего микроволновое излучение). При использовании в качестве адсорбентов углеродных материалов эффективность процесса повышается за счет более эффективного поглощения энергии СВЧ поля непосредственно адсорбентом. В последнем случае, однако, возможен обратный эффект - за счет слишком быстрого нагрева скорость десорбции ЛОВ из слоя адсорбента превышает скорость последующего окисления на слое катализатора, что, в конечном счете, приводит к уменьшению эффективности очистки воздуха. Процесс требует оптимизации, которая возможна, в том числе, за счет подбора таких параметров, как мощность подаваемого микроволнового излучения, время воздействия и удельная скорость газовой смеси. Как было показано на примере комбинации угля БАУ-2 (в качестве адсорбента) с катализатором ГТТ (катализатор окисления), при оптимальном сочетании перечисленных параметров, возможно полное удаление следовых количеств ЛОВ из воздуха.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Синев, Илья Михайлович, 2008 год

1. СВЧ энергетика. Т1 Генерирование, передача, выпрямление. Ред. Э. Окресса. Москва, Мир 1971

2. В. Ondrushka, Chem. Eng. Technol. 27, 2, 2004

3. M. L. Levinson, US Patent 3 585 258, 1965

4. R. N. Gedye, F.E. Smith, K. Westaway, H. Ali, I. Baiderisa, L. Laberge, J. Rousell, Tetrahedron Letters, 27, 279, 1986

5. R.J. Giguere, T.L. Brays, S.M. Duncan, G. Majetich, Tetrahedron Letters, 27, 4945, 1986

6. J. K. S. Wan, US Patent 4 345 983, 1982.

7. J. K. S. Wan, J. F. Kriz, US Patent 4 545 879, 1985.

8. J.K.S. Wan, Res. Chem. Intermed., 19, 147, 1993

9. C.S. Cundy, Collect. Czech. Chem. Commun, 63, p. 1699, 1998

10. J.K.S. Wan, K. Wolf, R.D. Heyding, Catal. Energy. Sei, 561, 1984

11. К. Wolf, H.K. Choi, J.K. S. Wan, Ausstra. J. Res., 3, 53, 1986

12. J.K.S. Wan, M. Tse, H. Husby, J. Microwave Power Electromagnetic Energy, 25, 32,1990

13. J.K.S. Wan, M. Tse, Depew, Res. Chem. Intermed., 13, 221, 1990

14. G. Bamwenda, M.C. Depew, J.K.S. Wan, Res. Chem. Intermed., 16, 241, 1991

15. G. Bamwenda, E. Moore, J.K.S. Wan, Res. Chem. Intermed., 17, 243, 1992

16. M.S. Ioffe, S.D. Pollington, J.K.S. Wan, J. Catal., 151, 349, 1995

17. G. Bamwenda, M.C. Depew, J.K.S. Wan, Res. Chem. Intermed., 19, 553, 1993

18. T.RJ. Dinesen, M. Tse, M.C. Depew, J.K.S. Wan, Res Chem Inetrmed, 15, 113, 1991

19. K.L. Cameron, M.C. Depew, J.K.S. Wan, Res Chem Intermed, 16, 57, 1991

20. M.C. Depew, S. Lem, J.K.S. Wan, Res. Chem. Intermed., 16, 213, 1991

21. J.K.S. Wan, T.A. Koch, Res. Chem. Intermed., 20, 29, 1994

22. W.L. Perry, J.D. Katz, D. Rees, M.T. Paffet, A.K. Datye, J. Catal., 171, 431, 1997

23. W.L. Perry, D.W. Cooke, J.D. Katz, Catal. Lett., 47, 1, 1997

24. J.R. Thomas Jr., Amer. Ceram. Soc., 397, 1997

25. J.R. Thomas Jr., Catal. Lett., 49, 137, 1997

26. X. Zhang, D.O. Hayard, D.M.P. Mingos, Chem. Commun, 975, 1999

27. Foundations and Industrial Application of Microwave and Radio Frequency Fields (Eds.: G. Roussy, J.A. Pierce), Wiley & Sons, New York 1995

28. T.T. Meek, Journal of Material Science Letters, 6, p. 638, 1987

29. K.A. Alberty, Physical Chemistry, 7th ed,; Wiley: New York, 1987; p 326

30. W.R. Tinga, Electromagn. Energy Rev., 1,1, 1988

31. R.N Gedye, F.E. Smith, K.G. Westaway, Can. J. Chem. 17, 66, 1988

32. S.L. McGill, J.W. Walkiewicz, J. Microwave Power Electromagn. Energy Symp. Summ., 175, 1987

33. A.R. von Hippel, Dielectric Materials and Applications; Massachusetts Institute of Technology: Cambridge, MA, 1954

34. P. Debye, Polar Molecules; Chemical Catalog: New York, 1929

35. H. Fröhlich, Theory of Dielectrics, Oxford University Press: London, 1958

36. C.J.F. Böttcher, Theory of Electric Polarization, Elsevier Biomedical: Amsterdam, Netherlands, 1952

37. R.J. Meakins, Trans. Faraday Soc., 51, 953, 1055

38. C.P. Smyth, Dielectric Behavior and Structure, McGraw-Hill: New York, 1955

39. R.J. Meakins, Trans. Phys. Soc., 52, 320, 1956

40. K.W. Wagner, Arch. Elektrotech, 2, 371, 1914

41. W.C. Sun, P.M. Guy, J.H. Rossomando, E.G.E. Jahngen, J. Org. Chem., 53, 4414, 1988

42. E.G.E. Jahngen, R.R. Lentz, P.S. Pesheck, P.H. Sackett, J. Org. Chem, 55, 3406, 1990

43. D.M.P. Mingos, D.R. Baghurst, Chem. Soc. Rev., 20, 1, 1991

44. D.A.C. Stuerga, K. Gonon, M. Lallemant, Tetrahedron, 42(28), 6229, 1993

45. D. Stuerga, P. Gaillard, Tetrahedron, 52(15), 5505, 1996

46. A.Y. Klimov, B.S. Balzhinimaev, L.L. Makarshin, V.l. Zaikovskii, V.N. Parmon, Kinet. Catal, 39, 511, 1998

47. G. Roussy, J.M. Thiebaut, M.S. Mdejaram, Catal. Lett., 21, 133, 1993

48. G. Roussy, L. Seyfried, F. Garin, G. Marie, J. Catal., 148, 281, 1994

49. G. Roussy, E. Marshal, J.M. Thiebaut, A. Kiennemann, Fuel Processing Tech., 12, 542, 2000

50. G. Roussy, E. Marchale, J.M. Thiebaut, F. Ename-Obiang, Measure Sei Technol. 2000,12, 542

51. B.C. Арутюнов, O.B. Крылов, Окислительные превращения метана, Москва: Наука, 1998

52. G. Bond, R.B. Moyes, D.A. Whan, Catal. Today, 17, 427, 1993

53. G. Roussy, J.M. Thiebaut, M. Souiri, E. Marchale, A. Kiennemann, Catal. Today, 21,349, 1994

54. G. Roussy, E. Marchai, J.M. Thiebaut, A. Kiennemann, G. Maire, Fuel Processing Technoly, 50, 261, 1997

55. T. Ito, T. Tashiro, M. Kawasaki, Т. Watanabe, К. Toi, FI. Kobayashi, J. Phys. Chem., 95, 4476, 1991

56. T. Ito, J. Wang, C. Lin, J.U. Lunsford, J. Am. Chem. Soc, 107, 5062, 1985

57. C.-L. Chen, P.-J. Hong, S.S. Dai, J. Chem. Soc. Faraday Trans, 91, 1179, 1997

58. C.-L. Chen, P.-J. Hong, S.S. Dai, G.H. Zhu, Chin. Chem. Lett., 6, 1003, 1995

59. C.-L. Chen, P.-J. Hong, S.S. Dai, C.C. Zhang, React. Kinet. Catal. Lett, 61, 181, 1997

60. A.S. Bhalla, R. Guo, R. Roy, Mat. Res. Innovat., 3, 2000

61. X.J. Bi, P.J. Hong, X.-G. Xie, S.S. Dai, React. Kinet. Catal. Lett., 66, 381, 1999

62. C.-L. Chen, P.-J. Hong, S.S. Dai, C.C. Zhang, React. Kinet. Catal. Lett, 61, 175, 1997

63. P.J. Gellings, H.J.M. Bouwmeester, Catal. Today, 58, 1, 2000

64. S.A. Freemann, J.H. Booske, R.T. Cooper, В. Meng, J. Kieffer, B.J. Reardon, Ceram. Trans., 36, 123, 1991

65. J.D. Katz, R.D. Blake, V.M. Kenkre, Ceram. Trans., 21, 95, 1991

66. D.J. Driscoll, J.H. Lunsford, Journal of Physical Chemistry, 89(21), 4415-4418, 1985

67. D.J. Driscoll, W. Martir, J.X. Wang, J.H. Lunsford, Journal of American Chemical Society, 107(1), 58-63, 1985

68. T. Fang, C.T. Yeh, Journal of Catalysis, 69(1), 227-229, 1981

69. J.K.S. Wan, M.Y. Tse, M.C. Depew, US Patent 5 215 634, 1993

70. X.-J. Bi, X.G. Xie, A.H. Duan, P.J. Hong, S.S. Dai, Chi. Chem. Lett., 9, 775, 1998

71. X.-J. Bi, X.G. Xie, P.J. Hong, S.S. Dai, React. Kinet. Catal. Lett., 66, 381, 1999

72. Y. Liu, Y. Lu, P. Liu, R. Gao, Y. Yin, Appl. Catal. A: General, 170, 207, 1998

73. Y. Liu, Y. Lu, S.M. Liu, Y. Yin, Catal. Today, 51, 147, 1999

74. Y. Kong, C.Y. Cha, Energy Fuels, 9, 971, 1995

75. C.Y. Cha, Y. Kong, Carbon, 33, 1141, 1995

76. C.Y. Cha, US Patent 5 246 554, 1993

77. C.Y. Cha, US Patent 5 256 265, 1993

78. C.Y. Cha, US Patent 5 269 892, 1993

79. Y.F. Chang, A. Sanjurjo, J.G. McCarthy, G. Krishnan, B. Woods, Catal. Letters, 57, 187, 1999

80. X. Wang, T. Zhang, C. Xu, X. Sun, D Liang, L. Ling, Chem. Commun., 279, 2000

81. H. Will, Ph.D. Thesis, University of Jena, Jena, Germany, 2003

82. T. Thomas Ma, US Patent 5 180 559, 1993

83. Z. Yang, J. Zhang, X. Cao, Q. Liu, Z. Xu, Z. Zou, Appl. Catal. B: Enviromental, 129,2001

84. J.H.Scofield, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 8(2), 129-137, 1976

85. Г. В. Исагулянц, И.П. Беломестных, Г. Форбек, Й. Перрегаард, Российский Химический Журнал, 74(2), 68-69, 2000

86. R.K. Graselli, Catalysis Today, 49, рр 141-153, 1999

87. М. A. Banares, Catalysis Today, 51, рр 319-348, 1999

88. М.Ю. Синев, В.Н. Корчак, О.В. Крылов. Кинетика и катализ, т.ЗО, №4, сс. 860-864, 1989

89. S.A.R. Mulla, O.V. Buevskaya, M. Baerns, Journal of Catalysis, 197, 43-48, 2001

90. E.V. Kondratenko, O. Buevskaya, M. Baerns, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 158, 199-208, 2000

91. C. Trionfetti, Ph.D. thesis, University of Twente

92. M.Yu. Sinev, Journal of Catalysis, 216(1-2), 468-476, 2003

93. M.Yu. Sinev, Research on Chemical Intermediates, v.32, No.3-4, pp.205-215

94. М.Ю. Синев, В.Ю. Бычков. Кинетика и катализ, т.34, №2, сс. 309-313, 1993

95. V.P. Vislovskiy, Т.Е. Suleimanov, M.Yu. Sinev, Yu.P. Tulenin, L.Ya. Margolis, Y. Cortés Corberán. Catalysis Today, v.61, No. 1-4, pp. 287-293

96. E.V. Kondratenko, M.Yu. Sinev. Applied Catalysis A: General, v.325, No.2, pp. 353-361,2007

97. M.Yu. Sinev, "Modeling of Oxidative Transformations of Lower Alkanes over Heterogeneous Catalysts" Russian Journal of Physical Chemistry B, v.l No.4, pp. 329350, 2007

98. Thorsteinson E. M., Wilson Т. P, Young F. G., Kasai P. H. J. of Catal. 1978. V. 52. No 5. P. 116

99. J. N. Al-Saeedi, V.K. Vasudaen, V.V. Guliants, Catal. Comm., 4, pp 537-542, 2003.

100. W. Ueda, K. Oshihara, Appl. Catal. A., 200(1-2), pp 135-143, 2000

101. J. N. Al-Saeedi, V.V. Guliants, O. Guerrero-Perez, M.A. Bañares, J. Catal., 215(1), pp 108-115,2003.

102. K. Asakura, K. Nakatani, T. Kubota, Y. Iwasawa, Journal of Catalysis, 194(2), pp 309-317, 2000

103. M.Yu. Sinev. J. Catal., v.216, No.1-2, pp.468-476

104. Kaidong Chen, Shuibo Xie, Alexis T. Bell, Enrique Iglesia, Journal of Catalysis, 198(2), 232-242, 2001

105. Andrei Khodakov, Bryan Olthof, Alexis T. Bell, Enrique Iglesia, Journal of Catalysis, 181(2), 205-216, 1999

106. E.A. Mamedov, V. Cortés Corberán. Appl. Catal. A, 127 (1995) 1 40

107. S. Albonetti, F. Cavani, F. Trifiró. Cat. Rev., v.38, pp. 413-438, 1996.

108. V.P. Vislovskiy, V.Yu. Bychkov, M.Yu. Sinev, N.T. Shamilov, P. Ruiz, Z. Schay. Catalysis Today, v.61, No.1-4, pp.325-331

109. Справочник Химика, том 1, стр. 325-326, Государственное научно-техническое издательство химической литературы, Москва-Ленинград, 1963

110. Г.А. Зенковец, Л.М. Плясова, Д.В. Тарасова, И. П. Оленькова // Изв. АН СССР Неорг. Материалы, т. 15, №2, сс. 313-316, 1979

111. V.M. Bondareva, T.V. Andrushkevich, G.I. Aleshina., React. Kinet. Catal. Lett, v.87, pp. 377-386, 2006.

112. W. Ueda D. Vitry, T. Katou, Catal Today, 99 (1-2), pp 43-49, 2005

113. D. Vitry, Y. Morikawa, J.L. Dubois, W. Ueda, Appl. Catal. A, 251 (2), pp 411424, 2003

114. E.C. Moretti Practical Solutions for Reducing Volatile Organic Compounds and Hazardous Air Pollutants, American Institute of Chemical Engineers, USA, 2001.

115. D. Ciuparu, M.R. Lyubovsky, E. Altman, L.D. Pfefferle and A. Datye // Catal. Reviews 2002. Vol.44. P. 593.

116. J.R. Kastner, K.C. Das, Q. Buquoi and N.D. Melear // Environmental Sci. Techn. 2003. Vol.37. P. 2568.

117. P. Gelin, M. Primet, Applied Catalysis B: Environmental, 39(1), pp 1-37, 2002

118. R.K. Sharma, B. Zhou, S. Tong, K.T. Chuang, Ind. Eng. Chem. Res., 34(12), pp 4310-4317, 1995

119. D.T. Thompson // Topics Catal. 2006. Vol.38. P. 231

120. Masatake Haruta and Masakazu Daté // Appl. Catal. A: General. 2001. Vol.222. P. 427.

121. P. Gelin, M. Primet, Applied Catalysis B: Environmental, 39(1), pp 1-37, 2002

122. M.M. Дубинин. Физико-химические основы сорбционной техники, Госхимтехиздат, М.-Л., 1932

123. Н.В. Кельцев. Основы адсорбционной техники, М.: Химия, 1976

124. В.Л. Колин, Г.И. Багров, Г.А. Мусакин, В.П. Семенов. В кн.: "Кинетика и динамика физической адсорбции". Ред.: М.М. Дубинин, Л.В. Радушкевич, М.: Наука, 1973, сс. 98-102