Investigation of non-oxidative methane conversion over granulated Mo/ZSM-5 catalysts

The relevance of the investigation is caused by the need for rational use of natural hydrocarbon gases, containing methane as the main component. Currently, plenty of these gases are burned in flares at oil production sites, that does great damage to the environment in the oil-producing regions of our country. The most promising process that allows obtaining valuable chemical products is the non-oxidative methane conversion into aromatic hydrocarbons over zeolite catalysts modified with transition metal ions. The Mo/ZSM-5 catalysts have high activity in this process. These catalysts are obtained both by impregnation and solid-phase synthesis. Development of the method of preparation of Mo/ZSM-5 catalysts using binder is of great importance for the industrial technology of processing gaseous hydrocarbons. The aim of the work is to study the effect of concentration and method of introducing a binder on physicochemical and catalytic properties of the Mo/ZSM-5 catalyst in non-oxidative methane conversion. Methods of investigation: IR spectroscopy, low-temperature adsorption of nitrogen, temperature-programmed desorption of ammonia (TPD-NH3), gas chromatography. Results. The Mo-containing catalyst based on ZSM-5 zeolite and nanosized molybdenum powder was prepared via solid-phase synthesis. The authors have studied the effect of a binder on physicochemical properties and activity of the Mo/ZSM-5 catalyst in non-oxidative conversion of methane into aromatic hydrocarbons. It was ascertained that the addition of a binder to the Mo/ZSM-5 catalyst results in a change in its texture and acid characteristics. It is shown that the activity of the Mo-containing zeolite during the non-oxidative conversion of methane into aromatic hydrocarbons is determined by the concentration of the binder in the catalyst and does not depend on the method of its introduction

Investigation of non-oxidative methane conversion over granulated Mo/ZSM-5 catalysts

Актуальность работы обусловлена необходимостью рационального использования природных углеводородных газов, основным компонентом которых является метан и которые в настоящее время в большом количестве сжигаются в факельных установках нефтепромыслов. Наиболее перспективным процессом, позволяющим получать из них ценные химические продукты, является неокислительная конверсия метана в ароматические углеводороды на цеолитных катализаторах, модифицированных ионами переходных металлов. Наибольшую активность в этом процессе проявляют Mo/ZSM-5 катализаторы, которые получают как методом пропитки, так и твердофазным синтезом. Разработка научных основ приготовления Мо/ZSM-5 катализаторов с использованием связующего вещества различной природы имеет большое значение для промышленного внедрения технологии переработки газообразных углеводородов. Цель работы: исследование влияния концентрации и способа введения связующего вещества на физико-химические и каталитические свойства Mo/ZSM-5 катализатора в процессе неокислительной конверсии метана. Методы исследования: ИК-спектроскопия, низкотемпературная адсорбция азота, температурно-программированная десорбция аммиака (ТПД-NH3), газовая хроматография. Результаты. Методом твердофазного синтеза получен Mo-содержащий катализатор на основе цеолита структурного типа ZSM-5 и наноразмерного порошка молибдена. Проведено исследование влияния связующего вещества на физико-химические свойства и активность Mo/ZSM-5 катализатора в процессе неокислительной конверсии метана в ароматические углеводороды. Установлено, что добавка связующего вещества к катализатору Mo/ZSM-5 приводит к изменению его текстурных и кислотных характеристик. Показано, что активность Mo-содержащего цеолита в процессе неокислительной конверсии метана в ароматические углеводороды определяется концентрацией связующего вещества в катализаторе и не зависит от способа его введения.The relevance of the investigation is caused by the need for rational use of natural hydrocarbon gases, containing methane as the main component. Currently, plenty of these gases are burned in flares at oil production sites, that does great damage to the environment in the oil-producing regions of our country. The most promising process that allows obtaining valuable chemical products is the non-oxidative methane conversion into aromatic hydrocarbons over zeolite catalysts modified with transition metal ions. The Mo/ZSM-5 catalysts have high activity in this process. These catalysts are obtained both by impregnation and solid-phase synthesis. Development of the method of preparation of Mo/ZSM-5 catalysts using binder is of great importance for the industrial technology of processing gaseous hydrocarbons. The aim of the work is to study the effect of concentration and method of introducing a binder on physicochemical and catalytic properties of the Mo/ZSM-5 catalyst in non-oxidative methane conversion. Methods of investigation: IR spectroscopy, low-temperature adsorption of nitrogen, temperature-programmed desorption of ammonia (TPD-NH3), gas chromatography. Results. The Mo-containing catalyst based on ZSM-5 zeolite and nanosized molybdenum powder was prepared via solid-phase synthesis. The authors have studied the effect of a binder on physicochemical properties and activity of the Mo/ZSM-5 catalyst in non-oxidative conversion of methane into aromatic hydrocarbons. It was ascertained that the addition of a binder to the Mo/ZSM-5 catalyst results in a change in its texture and acid characteristics. It is shown that the activity of the Mo-containing zeolite during the non-oxidative conversion of methane into aromatic hydrocarbons is determined by the concentration of the binder in the catalyst and does not depend on the method of its introduction

Granular hierarchically porous Mo-containing ZSM-5 zeolites with different level of acidity in non-oxidative conversion of methane to aromatic hydrocarbons

Актуальность проведенного исследования связана с получением активных и селективных катализаторов для процессов переработки природного и нефтяного попутного газов, основным компонентом которых является метан, в ценные химические продукты. Наибольший интерес представляет процесс неокислительной конверсии метана в ароматические углеводороды на цеолитсодержащих катализаторах, модифицированных металлами. Цель: сравнительное исследование физико-химических и каталитических свойств в процессе неокислительной конверсии метана в ароматические углеводороды Мо-содержащих катализаторов на основе гранулированных цеолитов ZSM-5 высокой степени кристалличности с иерархической пористой структурой до и после деалюминирования водным раствором лимонной кислоты. Объекты: Mo/ZSM-5 катализаторы неокислительной конверсии метана. Методы: рентгенофлуоресцентный анализ, РФА, СЭМ, низкотемпературная адсорбция азота, температурно-программированная десорбция аммиака (ТПД-NH3), газовая хроматография. Результаты. Приведены результаты исследования физико-химических и каталитических свойств в процессе неокислительной конверсии метана в ароматические углеводороды гранулированных Мо-содержащих цеолитных катализаторов различной кислотности с иерархической пористой структурой. Показано, что катализаторы, полученные на основе гранулированного цеолита ZSM-5 высокой степени кристалличности с иерархической пористой структурой, являются более эффективными в процессе неокислительной конверсии метана по сравнению с катализатором, приготовленным традиционным способом со связующим материалом. Установлено, что наибольшая конверсия метана и максимальный выход ароматических углеводородов составляют 18,3 и 14,4 %, соответственно, и достигаются на каталитической системе, приготовленной нанесением 4 % мас. MoО3 на деалюминированный в результате обработки 0,3 N раствором лимонной кислоты гранулированный цеолит ZSM-5 высокой степени кристалличности с иерархической пористой структурой.The relevance of the work is related to the development of active and selective catalysts for processing natural and petroleum associated gases, the main component of which is methane, into valuable chemical products. Methane non-oxidative conversion into aromatic hydrocarbons on zeolite-containing catalysts modified with metals is of the greatest interest. The aim of this work is comparative study of physicochemical and catalytic properties in methane non-oxidative conversion into aromatic hydrocarbons of Mo-containing catalysts based on granular zeolites ZSM-5 of a high degree of crystallinity with a hierarchical porous structure before and after dealuminating with aqueous solution of citric acid. Methods: X-ray fluorescence analysis, XRF, SEM, nitrogen low-temperature adsorption, temperature-programmed desorption of ammonia (TPD-NH3), gas chromatography. Results. The paper presents the results of the investigation of physicochemical and catalytic properties of granular hierarchically porous Mo-containing ZSM-5 zeolites with different level of acidity in the course of non-oxidative conversion of methane to aromatic hydrocarbons. It is shown that catalysts based on a granular high crystalline ZSM-5 zeolite with a hierarchical porous structure are more effective in the nonoxidative conversion of methane compared to a catalyst prepared by a traditional method with a binder. It was found out that the highest methane conversion and the maximum yield of aromatic hydrocarbons are 18,3 and 14,4 %, respectively. These results are achieved over a catalytic system prepared by applying 4 wt. % of MoO3 on a granular hierarchically porous ZSM-5 zeolite of high crystallinity dealuminated by the treatment with 0,3 N citric acid solution. The maximum total selectivity of formation of aromatic hydrocarbons is observed on the Mo/ZSM-5mmm catalyst. At the same time, the selectivity of aromatic hydrocarbons on the catalysts Mo/ZSM-5mmm and Mo/ZSM-5mm/CA differ slightly