Исследование алюмосиликатных наноматериалов в качестве компонентов катализаторов гидропроцессов

Данный проект посвящен разработке научных основ для применения новых материалов на основе алюмосиликатных нанотрубок и упорядоченных мезопористых оксидов кремния в качестве компонентов катализаторов современных гидрокаталитических процессов (гидроочистка нефтяных фракций и гидрирование бензола). В последнее время одной из наиболее важных тенденций, наблюдаемых в нефтедобывающей промышленности, является снижение темпов добычи сырой нефти в связи с истощением ее действующих месторождений. Сокращение запасов, сопровождающееся ростом спроса на товарные нефтепродукты, привело к существенному росту доли высокосернистых нефтей, а также нефтяных фракций вторичного происхождения в общей структуре перерабатываемого сырья, что обуславливает необходимость увеличения глубины нефтепереработки и нагрузку на гидрокаталитические процессы нефтепереработки. Вместе с тем, в современном обществе наблюдается тенденция постоянного ужесточения экологических требований к моторным топливам. Так, начиная с середины 2016 года все производимые и реализуемые на территории РФ моторные топлива должны соответствовать 5 классу (содержание серы не более 10 ppm, содержание ароматических соединений в товарном бензине не более 35 %мас. при содержании бензола не более 1 %мас.) в соответствии с Техническим регламентом таможенного союза ТР ТС 013/2011, что ставит перед нефтеперерабатывающей промышленностью серьезные экономические и технологические задачи. Все это приводит к необходимости совершенствования существующих технологий (модернизация аппаратуры, оптимизация технологических условий) и разработке новых высокоэффективных каталитических систем, обеспечивающих получение нефтепродуктов, удовлетворяющих экологическим и техническим стандартам. Наибольшее внимание, при этом, уделяется гидрокаталитическим процессам (гидрирование, гидродеароматизация, гидроочистка, гидрокрекинг и др.) – наиболее крупнотоннажным процессам нефтепереработки, направленным на производство высококачественных компонентов товарных топлив. Так, гидроочистка позволяет удалять из сырьевых нефтяных фракций нежелательные компоненты (главным образом, серосодержащие соединения) вплоть до «ультранизких» значений. Селективное гидрирование бензола – призвано обеспечить снижение его содержания без существенных потерь октанового числа и снижения выхода получаемых компонентов товарных бензинов. Актуальность проекта определяется тем, что создание новых эффективных катализаторов процессов гидропереработки нефтяного сырья позволит получать товарные бензин и дизельное топливо, удовлетворяющие самым высоким современным экологическим требованиям. Традиционными носителями катализаторов процессов гидропереработки нефтяного сырья выступают оксид алюминия и цеолиты. Последние широко используются в качестве компонентов гетерогенных катализаторов в нефтяной промышленности ввиду их высокой активности в реакциях, протекающих на кислотных центрах, а также благодаря молекулярно-ситовому эффекту. В случае гидроочистки нефтяного сырья с высоким содержанием «тяжелых» углеводородов (полинафтены, поликонденсированные ароматические соединения, бензо-, дибензотиофены и их алкил-замещенные производные и др.), при использовании традиционных катализаторов могут возникать стерические и диффузионные ограничения, затрудняющие доступ громоздких молекул субстратов к активным центрам катализатора. С этой точки зрения перспективными носителями катализаторов являются мезопористые оксиды кремния (крупнопористые аналоги цеолитов). Катализаторы на основе таких материалов характеризуются высокой удельной поверхностью и оптимальным размером пор для минимизации эффектов диффузии и массопереноса. Кроме того, текстурные характеристики мезопористых силикатов можно изменять в процессе синтеза путем выбора темплата, определяющего, вместе с тем, структуру пор и каналов. Существенным недостатком таких материалов является их низкие механическая прочность и термическая стабильность. Научная новизна проекта состоит в использовании алюмосиликатных нанотрубок галлуазита, позволяющих улучшить указанные характеристики путем введения их в структуру мезопористых материалов. Галлуазит представляет собой природные двухслойные нанотрубки с внутренним диаметром 15-20 нм и длиной порядка 0,5-1,0 мкм, состоящие из слоев оксидов алюминия и кремния. Наличие последнего в структуре галлуазита также позволит увеличить кислотность материалов на его основе, что необходимо для протекания кислотно-катализируемых реакций изомеризации с последующим гидрированием. Вместе с тем, материалы на основе галлуазитных нанотрубок являются перспективными компонентами катализаторов гидрирования бензола. Ввиду их структурных особенностей (внешняя и внутренняя поверхность образованы тетраэдрами кремния и алюминия соответственно), обусловливающих различия в заряде внешней поверхности и внутренней полости, открываются широкие возможности для их направленной функционализации и селективного закрепления нано частиц металлов, что позволяет управлять избирательностью действия катализаторов, увеличить стабильность. Кроме того, природные нанотрубки на порядок дешевле своих синтетических аналогов, что обусловливает перспективы их применения с экономической точки зрения. Полученные фундаментальные знания могут лечь в основу новых технологий приготовления катализаторов гидропроцессов.