废沸石催化剂在聚苯乙烯废弃物加氢裂解中的热脱附与积炭沉积研究

为解决塑料废弃物污染问题，研究人员针对聚苯乙烯(PS)加氢裂解过程中沸石催化剂的积炭行为开展系统研究。通过热重分析(TGA)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和热脱附-气相色谱质谱联用(TDS-GC-MS)等技术，发现铂掺杂催化剂(1Pt0HY/1Pt0HBeta)可将积炭量从35-41%降至14-16%，揭示了反应条件对积炭形成的影响机制，为设计抗积炭催化剂提供了重要依据。

　　

全球每年产生约4亿吨塑料废弃物，聚苯乙烯(PS)作为典型的难降解塑料，其化学回收面临巨大挑战。加氢裂解技术可将PS转化为高附加值烃类燃料，但催化剂积炭导致的失活问题严重制约工艺效率。英国曼彻斯特大学(University of Manchester)的研究团队通过系统研究废沸石催化剂在PS加氢裂解中的积炭行为，揭示了关键影响因素和作用机制。

研究采用热重分析(TGA)定量测定积炭含量，傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征积炭化学组成，高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)观察铂纳米颗粒变化，并结合热脱附-气相色谱质谱联用(TDS-GC-MS)解析积炭分子结构。通过调控反应温度(300-330°C)、氢气压力(15-25 bar)、时间(15-60 min)和聚合物/催化剂比例(5:1-15:1)等参数，系统考察了不同条件下HY和HBeta沸石的积炭特性。

3.1 催化剂表征结果
氮气吸附测试显示1Pt⁰HBeta介孔体积(0.4 cm³/g)显著高于1Pt⁰HY(0.08 cm³/g)。X射线光电子能谱(XPS)证实铂以金属态(Pt⁰)存在，结合能为71.1-75.3 eV。

3.2 积炭定量分析
热重分析表明，未改性的HY和HBeta沸石积炭量分别达35%和41%，而铂掺杂催化剂(1Pt⁰HY/1Pt⁰HBeta)积炭量降至14-16%。提高反应压力(25 bar)和温度(330°C)可使积炭量进一步降低至12%。

3.3 积炭性质表征
FTIR检测到1494 cm^-1和1452 cm^-1处的芳香族C=C振动峰，证实积炭主要为芳香族化合物。循环使用4次后，催化剂表面出现2922 cm^-1处的脂肪族C-H伸缩振动，表明积炭组成趋于复杂化。

3.4 催化剂微观结构
STEM显示新鲜1Pt⁰HBeta中铂颗粒平均尺寸为1.7 nm，单次反应后增至3.1 nm，四次循环后达4.0 nm。元素映射证实积炭主要沉积在沸石孔道和铂颗粒周围。

3.5 积炭热脱附分析
TDS-GC-MS检测到积炭中79-95%为单环芳烃(苯、甲苯、乙苯等)，仅含少量茚满(15.3%)和萘(5.3%)。高温等温段(700°C)检测到更高比例的苯乙烯(28%)和α-甲基苯乙烯(15%)。

该研究首次系统阐明了PS加氢裂解过程中沸石催化剂的积炭形成机制。发现铂掺杂可显著抑制积炭，介孔结构有利于延缓催化剂失活。通过优化反应条件(高温、高压、低聚合物/催化剂比)，可将积炭量控制在12-18%范围内。积炭主要由单环芳烃组成，其形成与沸石酸强度和金属分散度密切相关。这些发现为设计高效抗积炭催化剂提供了理论依据，对推动塑料废弃物化学回收技术的工业化应用具有重要意义。研究成果发表于《Fuel Communications》，为开发可持续的塑料升级循环工艺开辟了新途径。