В их недавних экспериментах изучались частицы так называемого каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем (FCC), которые используются для разрушения длинноцепочечных углеводородов в сырой нефти на более мелкие и более ценные углеводороды, такие как бензин.
«Основная проблема заключается в том, что эти катализаторы быстро стареют и теряют свою активность, поэтому в реакторную систему необходимо добавлять тонны свежих катализаторов каждый день», — сказал ведущий исследователь Флориан Мейрер, доцент кафедры неорганической химии и катализа в Утрехтском университете. Нидерланды. «Мы пытаемся понять, как происходит старение, и мы работаем с компаниями, производящими эти катализаторы FCC, чтобы сделать процесс более эффективным."
В экспериментах с использованием рентгеновских лучей на Стэнфордском источнике синхротронного излучения (SSRL) SLAC, учреждении Министерства энергетики США, исследователи изучали катализаторы FCC разного возраста, чтобы лучше понять эффекты старения. Они смогли сфотографировать целые частицы катализатора с высоким разрешением, чтобы они также могли увидеть внутреннюю структуру катализатора — например, сделать панорамный пейзажный снимок, на котором вы можете увеличить масштаб, чтобы увидеть муравьев.
«Мы смогли локализовать металлические яды, которые являются основной причиной старения катализатора, а также определить, как они влияют на материалы», — сказал Берт Векхейзен, профессор неорганической химии и катализа в Утрехтском университете. "Это изучалось в прошлом, но не в этом разрешении и не на уровне отдельных частиц. В этом красота того, что мы сделали."
Лить свет на металлы
Проблема старения катализатора широко распространена и требует больших затрат. Во всем мире около 400 реакторных систем перерабатывают сырую нефть в бензин, и каждая система требует от 10 до 40 тонн свежих катализаторов FCC ежедневно.
Сырая нефть загрязнена металлами, в основном железом, никелем и ванадием. Эти металлы накапливаются в катализаторах во время рафинирования и в конечном итоге дезактивируют их.
Это особенно актуально для сырой нефти низкого качества, которая является крупнейшим доступным запасом нефти.
«Более дешевая нефть часто более загрязнена металлическими ядами», — сказал Векхайзен. «Если мы хотим использовать дешевую нефть в качестве сырья, мы должны улучшить катализаторы FCC, чтобы сделать их более устойчивыми к металлическим ядам."
В исследовании SSRL исследовательская группа сделала серию двумерных изображений частиц катализатора под разными углами и использовала программное обеспечение, которое они разработали, чтобы объединить их в трехмерные изображения целых частиц.
Эти изображения показывают трехмерное распределение железа и никеля в катализаторах разного возраста.
«Эта техника« мозаичного изображения »- основная причина, по которой мы проводим наши эксперименты в SSRL, — сказал Мейрер.
Проектирование лучших "катализаторных магистралей"
Исследователи определили, что металлы быстро накапливаются на внешней поверхности катализатора, не позволяя молекулам сырой нефти проходить через поры катализатора и проникать глубже в его все еще активное ядро. Они также показали, что некоторые частицы катализатора слипаются в кластеры, что нарушает текучесть катализаторов и снижает выход производства бензина.
Исследователи из Утрехта уже работают с компаниями над изменением конструкции этих катализаторов FCC.
"Все наши выводы касаются макропор, которые похожи на магистрали для сырой нефти, проходящей через катализаторы.
Речь идет о блокировке вдоль шоссе 101 или 280, а не о маленьких улочках в Сан-Франциско », — пояснил Векхайзен. "Можем ли мы спроектировать более качественные поры катализатора или магистрали??"
В исследовательскую группу также входили Сэм Калираи из Утрехта и Дариус Моррис, Иджин Лю и Джой С. Эндрюс в SSRL.
Это исследование было поддержано программой NWO Gravitation, Нидерландским центром многомасштабного каталитического преобразования энергии, Нидерландской исследовательской школой по комбинированному катализу и передовым грантом Европейского исследовательского совета.