中空纤维MFI分子筛催化膜用于甲烷脱氢芳构化反应的基础研究

Dehydroaromatization of methane can convert methane to liquid aromatic hydrocarbons directly, which paves a new way for highly efficient utilization of natural gas. It would be critical to improve the catalytic conversion and stability for practical applications. In this project, a novel hollow fiber supported zeolite catalytic membrane is constructed for dehydroaromatization of methane. The coupling of hydrogen separation and catalytic reaction could promote reaction equilibrium shift and improve conversion efficiency. To increase packing density of membrane module, hollow fiber structure will be adopted to prepare catalytic membranes. MFI zeolite membrane with pore modification will be acted as the separating layer, which can ensure high hydrogen selectivity and separation stability. Hierarchical pores zeolite catalyst will be used for construct the catalytic layer, which can promote diffusion of aromatic hydrocarbons and improve catalytic stability. The tight combination of the separating layer and the catalytic layer is expected to quickly separate hydrogen from reaction system. The preparation technique of hollow fiber supported zeolite catalytic membrane will be investigated so that membrane microstructure and catalytic active sites could be tuned controllably. The reaction characteristics of dehydroaromatization of methane will be investigated after that. Further investigation will be conducted on the relationship between hierarchical pore structure and catalytic performance. Reaction kinetics of dehydroaromatization of methane and reaction enhanced mechanism will be explored as well. A mathematical model for describing membrane reactor will be developed to reveal relationship between dehydroaromatization of methane and hydrogen separation, which could guide design of catalytic membrane and process optimization.

甲烷脱氢芳构化能够将甲烷直接转化为液态芳烃产品，为天然气的高效利用开辟新途径。如何提高反应转化率和稳定性，是该反应能否推向实际应用的关键。本项目拟构筑新型中空纤维分子筛催化膜用于甲烷脱氢芳构化，通过氢气分离和催化反应的耦合，促进反应平衡移动，提高反应转化效率。催化膜拟采用中空纤维结构，以提高膜组件装填密度；分离层采用孔道调变的MFI分子筛膜，以保证高氢选择性和分离稳定性；催化层采用多级孔分子筛催化剂，以促进芳烃产物的扩散并提高催化剂稳定性；通过分离层与催化层的紧密结合，期望快速分离氢产物。项目拟开展中空纤维分子筛催化膜制备方法研究，实现催化膜的微结构和催化活性组分的可控调变；探索甲烷脱氢芳构化膜反应规律，揭示催化膜多级孔结构与催化性能之间的关系；研究甲烷脱氢芳构化反应动力学并揭示反应强化机理，构建膜反应器数学模型并揭示甲烷脱氢芳构化反应与氢分离的匹配关系，为催化膜的设计和过程优化提供指导。

甲烷脱氢芳构化能够将甲烷直接转化为液态芳烃产品，为天然气的高效利用开辟新途径。如何提高反应转化率和稳定性，是该反应能否推向实际应用的关键。本项目构筑了新型中空纤维分子筛催化膜用于甲烷脱氢芳构化，期望通过氢气分离和催化反应的耦合，促进反应平衡移动，提高反应转化效率。项目围绕中空纤维分子筛催化膜的设计开发、甲烷芳构化膜反应机理以及膜催化过程开展研究，并取得重要进展。在分子筛催化膜的设计开发方面，研制出具有不同微观结构的四通道氧化铝中空纤维载体，并在此基础上设计制备了适用于甲烷芳构化反应的的，高性能中空纤维MFI、DDR分子筛透氢膜；开发了两种分别适合高温和低温反应的高活性Mo/HZSM-5和Zn/HZSM-5催化剂，并构筑了高性能的甲烷芳构化反应中空纤维复合催化膜。在膜反应机理方面，研究了催化剂与膜材料的相互协同作用，利用H2在膜孔道中的及时移除，强化了反应性能。在膜催化过程优化方面，研究了催化剂颗粒反应动力学并建立了膜反应器数学模型对膜反应过程条件进行了优化。项目执行期间，共发表文章24篇，其中SCI收录论文15篇。申请中国发明专利3件。项目负责人2019年获国家高层次人才项目资助、2018年所领衔的“无机膜团队”获批科技部重点领域创新团队、以第一完成人获2019年度江苏省科学技术奖一等奖、2018年获中国石油和化学工业联合会青年科技突出贡献奖，现担任Advanced Membranes期刊副主编、《膜科学与技术》、《山东化工》编委会委员、江苏省化学化工协会第十二届理事会理事、中建安装集团有限公司特聘专家。项目研究期间项目组成员参加国内外学术会议12次。项目培养研究生8名，博士后1名。其中，在读博士生1人，毕业博士生2人，在读硕士生2人，毕业硕士生3人。