脉冲焦耳加热反应器中催化剂酸性与微观结构对聚乙烯解构生成低碳烯烃选择性的影响

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：The Role of Catalyst Acidity and Microstructure on Light Olefin Selectivity in Polyethylene Deconstruction in Short Contact Time Pulse Joule-heated Reactors

本研究发现，在短接触时间脉冲焦耳加热（RPH）反应器中，通过调控HZSM-5分子筛的硅铝比（SAR）、拓扑结构和多级孔道，可显著提高聚乙烯（PE）解构生成乙烯（C2=）和丙烯（C3=）的选择性（达35%），同时利用共进蒸汽和构建多级孔道有效抑制结焦（coking），为塑料废物闭环回收提供了新策略。

　　

亮点

材料

低密度聚乙烯（LDPE）（分子量M_w= 4 kDa）、乙醇（EtOH）、甲苯和二氯甲烷（DCM）购自西格玛奥德里奇（Sigma-Aldrich）。硅铝比（SAR）为23（CBV2314）、30（CBV3024E，铵NH₄⁺型）、80（CBV8014，铵NH₄⁺型）、280（CBV28014，铵NH₄⁺型）和1000（ZD97037，铵NH₄⁺型）的HZSM-5分子筛购自Zeolyst International。Y型分子筛（HY）（硅铝比=30，CBV720，氢H⁺型）、Beta型分子筛（BEA）（硅铝比=25，CP814E，铵NH₄⁺型）、丝光沸石（Mordenite）（硅铝比=20，CBV21A，铵NH₄⁺型）、镁碱沸石（Ferrierite）也用于本研究。

HZSM-5硅铝比的影响

基于我们先前的工作，我们选择HZSM-5作为初始催化剂，该工作表明HZSM-5（SAR=30）对低碳烯烃具有高选择性。我们假设小孔分子筛会减缓产物的扩散，从而增加其在孔道内的停留时间，并可能促使其进一步裂解成小分子烯烃。本研究探讨了这一基本概念。此外，我们最近证明，基于酸性的裂解催化剂对焦耳加热（JH）过程中的温度波动表现出更强的耐受性。

结论

在这项工作中，我们系统地改变了固体酸的硅铝比、拓扑结构和孔隙率，以确定用于LDPE脉冲焦耳加热（RPH）的最佳催化剂。我们观察到，较低的硅铝比促进了乙烯和丙烯的选择性，但代价是由于二次反应导致结焦量增加。通过改变分子筛的拓扑结构，我们发现具有较大孔道的分子筛产生较重的产物。相反，小孔分子筛对低碳烯烃（C₂-C₄）表现出高选择性，但伴随着显著的结焦。为了在保持高选择性的同时减轻结焦，我们合成了HZSM-5纳米片和多级孔道分子筛（MFI, FAU, CHA）。这些催化剂实现了约35%的乙烯选择性，比先前的催化热解研究提高了一倍。此外，共进蒸汽和引入多级孔道减少了结焦形成并增强了催化剂稳定性。