聚丙烯催化裂解过程中平衡流化催化裂化催化剂性能的对比研究

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Benchmarking Performance of Equilibrium Fluid Catalytic Cracking Catalysts in the Catalytic Cracking of Polypropylene

塑料裂解催化剂筛选与性能评估。通过测试18种废催化剂（ECAT）及纯US-Y沸石，发现ECAT的VGO裂解活性（FST）与聚丙烯（PP）裂解性能高度相关，但外部酸位点密度无直接关联。纳米颗粒催化剂（如E16）活性更优，为资源回收提供新思路。

　　在21世纪，化学工业正面临着一个重要的转型挑战，即如何将传统上依赖化石燃料的原料替换为可持续和可回收的资源。随着对环境可持续性的关注不断提升，这一转型不仅是技术上的挑战，也是经济和生态效益的综合考量。特别是在塑料回收领域，聚烯烃类塑料（如聚乙烯和聚丙烯）因其难以回收而成为工业处理中的一个重大问题。这些塑料通常被填埋或焚烧，但它们也可以成为未来炼油厂的重要碳源。因此，寻找能够有效将这些塑料转化为化工原料的催化剂，成为当前研究的一个热点。

催化裂解是一种关键的炼油技术，其核心在于使用催化剂降低裂解反应所需的温度，同时调整产物分布，以提高有价值的产品收率。目前，这一技术主要应用于重质原油的裂解，如真空气体油（VGO）的裂解。然而，随着塑料回收技术的发展，催化裂解也被引入到塑料处理中，旨在减少裂解所需高温，并优化产物选择性。在这一背景下，研究者们开始关注工业上广泛使用的平衡催化裂解催化剂（ECAT）是否可以被重新利用，以实现塑料的高效裂解。

ECAT是炼油过程中产生的一种催化剂废弃物，通常由含有沸石、粘土和非晶态硅铝酸盐的材料组成。由于其广泛的存在和相对较低的成本，ECAT被认为是一个有潜力的塑料裂解催化剂候选材料。然而，ECAT的性能表现并不完全一致，其活性和选择性受到多种因素的影响，包括材料的组成、结构以及使用过程中的失活情况。因此，为了评估ECAT在塑料裂解中的应用潜力，有必要对不同材料的性能进行系统性的比较研究。

在本研究中，科学家们测试了多种ECAT材料，并将其与工业上常用的超稳定沸石Y（US-Y）进行对比。研究发现，尽管ECAT材料在某些方面表现出较高的外部酸性，但其在塑料裂解中的活性却显著低于US-Y。这一现象可能与ECAT材料在炼油过程中经历了金属沉积和蒸汽破坏等失活过程有关，导致其酸性位点的活性下降。此外，研究还指出，ECAT材料中的酸性位点主要来源于其基质，而非沸石本身，因此其强度可能不如US-Y中的酸性位点。这些发现表明，尽管ECAT材料在成本上具有优势，但在活性和选择性方面仍需进一步优化。

为了更准确地评估不同ECAT材料的性能，研究团队采用了多种测试方法。首先，通过热重分析（TGA）测量了塑料裂解活性，这种方法能够反映催化剂在不同负载条件下的反应速率和产物分布。其次，利用流化床模拟测试（FST）评估了ECAT材料在VGO裂解中的性能，这一测试已被工业界广泛使用，并且在本研究中被证明可以有效预测塑料裂解活性。此外，还通过脉冲反应器系统测试了ECAT材料在小分子裂解中的表现，如2,4-二甲基戊烷（DMP）的裂解活性。这些方法的综合应用为理解ECAT材料的性能提供了多维度的视角。

研究结果表明，ECAT材料在塑料裂解中的表现受到多个因素的影响。其中，催化剂的活性主要与VGO裂解活性相关，而选择性则与催化剂的结构特性密切相关。例如，ECAT材料中的一些细颗粒（fines）由于较少经历再生循环，保留了更多的强酸性位点，因此在塑料裂解中表现出较高的活性。这提示我们，即使在工业废弃物中，也可能存在具有高催化性能的材料，值得进一步探索和利用。

此外，研究还发现，虽然外部酸性位点的密度对塑料裂解活性有一定影响，但这种影响并不显著。这可能是因为外部酸性位点的强度较低，或者由于塑料分子的特性，使其在催化剂的微孔结构中难以充分接触。因此，仅依靠外部酸性位点的密度无法准确预测塑料裂解性能，需要结合其他参数进行综合评估。

在选择性方面，研究团队通过半批量反应器实验和在线气相色谱（GC）分析，评估了不同ECAT材料对产物分布的影响。结果显示，ECAT材料在塑料裂解中能够显著提高轻质产物（如丙烯和汽油）的收率，同时减少重质产物（如重油和焦炭）的生成。这一趋势与VGO裂解中的选择性趋势相似，进一步支持了ECAT材料在塑料裂解中的应用潜力。

研究还探讨了ECAT材料的污染水平对裂解性能的影响。结果表明，镍和铁的含量与塑料裂解温度之间存在一定的相关性，但这种关系并不显著，说明污染对裂解性能的影响可能较为复杂。因此，在选择ECAT材料时，除了考虑其活性和选择性，还需要关注其对污染物的耐受性。

综上所述，本研究揭示了ECAT材料在塑料裂解中的应用潜力，同时也指出了其在活性和选择性方面的局限性。通过将工业中已有的VGO裂解数据与塑料裂解数据进行对比，研究团队发现FST测试不仅能够有效评估VGO裂解活性，还能作为预测塑料裂解性能的重要指标。这一发现为未来的催化剂选择和工艺优化提供了重要的理论依据和实践指导。然而，为了更全面地评估ECAT材料的性能，还需要进一步研究其与其他参数之间的关系，如孔隙结构、表面性质以及催化剂的再生能力等。此外，随着塑料回收技术的不断发展，如何在实际工业应用中优化催化剂的性能，以实现更高的经济效益和环境效益，仍然是一个值得深入探讨的问题。