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Neuartige Gemini-Ionenflüssigkeit zur oxidativen Entschwefelung von Gasöl

Mar 19, 2024Mar 19, 2024

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 6198 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die ionische Flüssigkeit N1,N1,N3,N3-Tetramethyl-N1,N3-diphenylpropan-1,3-diaminiumdichlorid (ILc) ist ein umweltfreundlicher Katalysator für die oxidativ-extraktive Entschwefelung von Gasöl (Schwefelgehalt = 2400 ppm). Anwesenheit von H2O2 als Oxidationsmittel. Die genaue Struktur der hergestellten IL wurde mittels FT-IR-Spektroskopie und 1H-NMR bestätigt. Die Reaktionstemperatur, die IL-Verhältnisse, die H2O2-Dosierung und die Reaktionszeit wurden untersucht, um ihre Auswirkungen auf die Entschwefelungseffizienz zu bewerten. Die thermodynamischen Parameter der Oxidationsreaktion wurden bestimmt. Eine Entschwefelungseffizienz von 84,7 % wurde nach dem extraktiven Entschwefelungsprozess unter Verwendung von Acetonitril als organischem Lösungsmittel bei einem Lösungsmittel-zu-Einsatz-Verhältnis von 1:1 (v/v) erreicht. Darüber hinaus kann die vorbereitete IL mindestens sechs Zyklen lang wiederverwendet werden, ohne dass sich ihre Entschwefelungsleistung oder chemische Struktur wesentlich ändert, was ihre hohe Wiederverwendbarkeit bestätigt.

Schwefelverbindungen in fossilen Brennstoffen stellen eine große Herausforderung für Erdölraffinerien dar1. Schwefeloxide (SOx), die bei der Verbrennung schwefelhaltiger fossiler Brennstoffe entstehen, tragen wesentlich zur schweren Luftverschmutzung bei, insbesondere zu saurem Regen und dunstigem Wetter2. Hydrodesulfurierung (HDS) ist ein wichtiger Prozess bei der Ölraffinierung. Es wird üblicherweise zur Ölentschwefelung eingesetzt, wobei Metallkatalysatoren eingesetzt werden, um organischen Schwefel in Kraftstoffen in Schwefelwasserstoff und verwandte Kohlenwasserstoffe umzuwandeln3,4,5. HDS wird in der Industrie häufig zur wirksamen Entfernung von Sulfiden mit niedrigem Siedepunkt und ohne sterische Behinderung wie Thioether und Mercaptane6,7 eingesetzt. Diese Technik erfordert jedoch einen hohen Wasserstoffverbrauch, teure Katalysatoren und extrem harte Reaktionsbedingungen8,9. Eine effiziente Entschwefelung kann durch mehrstufige Extraktionsentschwefelung (EDS) erreicht werden10,11; Allerdings sind die Prozesskosten aufgrund der hohen Menge des verwendeten Extraktionsmittels und der Regenerationsprobleme, die während des Prozesses auftreten können, hoch1,12,13. Für die oxidative Entschwefelung (ODS) sind große Mengen an Katalysatoren erforderlich14,15,16,17. Darüber hinaus werden durch den Verlust katalytisch aktiver Stellen während des Prozesses Regenerationsschwierigkeiten und eine schlechte Wiederholbarkeit verursacht. Daher ist es wichtig, neue Katalysatoren und Extraktionsmittel mit hoher Entschwefelungseffizienz zu entwickeln18,19,20,21. Die Oxidation aromatischer Sulfide zur Erzeugung ihrer entsprechenden Sulfone, gefolgt von deren anschließender Entfernung durch Extraktion in einem typischen ODS-Prozess15,22,23,24. H2O2 ist aufgrund seiner starken Reaktivität, geringen Kosten und Umweltverträglichkeit das am häufigsten verwendete Oxidationsmittel bei ozonabbauenden Stoffen25,26,27,28. Als Extraktionsmittel werden typischerweise brennbare und flüchtige organische Lösungsmittel verwendet, was zu weiteren Sicherheits- und Umweltproblemen führen kann. Die Entwicklung von EDS-Methoden wird durch die Anforderung eines hohen Lösungsmittel-zu-Öl-Verhältnisses und den Mangel an umweltfreundlichen Extraktionslösungsmitteln2,29,30 eingeschränkt. Als Extraktionsmedien im EDS können organische Lösungsmittel verwendet werden; Allerdings weisen sie aufgrund ihrer hohen Flüchtigkeit, geringen Selektivität gegenüber Schwefelverbindungen und hohen Toxizität erhebliche Einschränkungen auf31. Daher müssen neue umweltfreundliche, dh biologisch abbaubare, nichtflüchtige und ungiftige Extraktionslösungsmittel entwickelt werden. Die Verwendung ionischer Flüssigkeiten (ILs) für EDS ist eine umweltfreundliche Methode, die zunehmend zur Entfernung feuerfester S-Verbindungen eingesetzt wird8. ILs sind Salze mit niedrigen Schmelzpunkten, üblicherweise mit Schmelzpunkten unter 100 °C. ILs weisen einzigartige Eigenschaften wie kontrollierbare physikalisch-chemische Eigenschaften, starke thermische Stabilität, geringe Flüchtigkeit und Langzeitstabilität auf. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften werden sie als umweltfreundliche Lösungsmittel für die chemische Synthese, die Kraftstoffentschwefelung und die Biotrennung verwendet32,33. Darüber hinaus haben ILs eine hohe Fähigkeit zur Komplexbildung mit aromatischen Schwefelverbindungen und sind mit Heizölen nicht mischbar34. Zhang et al. 200435 verwendeten l-Alkyl-3-methylimidazolium [AMIM] tetrafluorborat, Hexafluorphosphat und Trimethylaminhydrochlorid (TMAC) in (AlCl3–TMAC) als ionische Flüssigkeiten. EMIMBF4 (E = Ethyl), BMIMPF6 (B = Butyl), BMIMBF4 und das schwerere AMIMPF6 zeigten bei der extraktiven Entschwefelung und Entstickung von Transportkraftstoffen eine gute Selektivität, insbesondere gegenüber aromatischen Schwefel- und Stickstoffverbindungen. Die verwendeten ionischen Flüssigkeiten lassen sich leicht durch Destillation oder Wasserverdrängung der absorbierten Moleküle regenerieren. Auch die absorbierten aromatischen S-haltigen Verbindungen können quantitativ zurückgewonnen werden. Organische Verbindungen mit einer größeren aromatischen π-Elektronendichte werden effizienter absorbiert. Aufgrund eines sterischen Effekts verringert die Alkylsubstitution an den aromatischen Ringen die Absorptionskapazität erheblich. Die Größe und Struktur von Kationen und Anionen in ILs beeinflusst deren Absorptionsfähigkeit für aromatische Verbindungen. Ohne gegenseitige Behinderung kann die Extraktion von S- und N-haltigen Verbindungen in geringen Konzentrationen erreicht werden. Typischerweise weisen AlCl3-TMAC-ILs hohe Absorptionskapazitäten für aromatische Verbindungen auf. Um Schwefelverbindungen aus Leichtölen zu entfernen, verwendeten Lo et al.36 Raumtemperatur-ILs (RTILs), also 1-Butyl-3-methylimidazoliumtetrafluorborat und 1-Butyl-3-methylimidazoliumhexafluorphosphat, durch eine Kombination aus Lösungsmittelextraktion und chemischer Oxidation . In Leichtölen können Schwefelverbindungen mithilfe von RTILs extrahiert und anschließend durch S-Oxidation (H2O2-Essigsäure) in einem Eintopfverfahren die entsprechenden Sulfone hergestellt werden. Die gleichzeitige Oxidation und Extraktion von Schwefelverbindungen aus Leichtöl erhöht die Entschwefelungsausbeute. RTILs können dann wiederverwendet und recycelt werden, ohne ihre Aktivität zu verlieren.

In dieser Arbeit wurde N1,N3-Dibenzyl-N1,N1,N3,N3-tetramethylpropan-1,3-diaminiumchlorid hergestellt und seine Struktur mithilfe verschiedener Charakterisierungstechniken wie Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FT-IR) und bestätigt 1H-Kernspinresonanz (1H-NMR). In der ODS von Gasöl wurde die entwickelte IL als Katalysator für das Auftreten von H2O2 als Oxidationsmittel verwendet und die optimale IL-Zusammensetzung bestimmt. Die optimalen Bedingungen des Entschwefelungsprozesses wurden durch Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Betriebsparameter, einschließlich Reaktionszeit, Temperatur, Volumenverhältnis von IL zu Gasöl und Oxidationsmitteldosierung, auf den Prozess ermittelt. Die Effizienz von IL bei der Schwefelentfernung aus Gasöl und seine Recyclingfähigkeit wurden ebenfalls untersucht und die thermodynamischen Parameter der ODS-Reaktion bestimmt.

Benzylchlorid (99 %), N,N,N,N-Tetramethyl-1,3-propandiamin und H2O2 (50 Gew.-%) wurden von Sigma Aldrich bezogen. Ethylalkohol und Acetonitril (HPLC-Qualität) wurden von Morgan bzw. Merck Chemicals bezogen. Alle Chemikalien hatten analytische Qualität und wurden ohne weitere Behandlungen direkt verwendet. Gasöl wurde von einem Ölraffinerieunternehmen in Kairo, Ägypten, gesammelt.

N,N,N,N-Tetramethyl-1,3-propandiamin (0,01 Mol) wurde in Acetonitril gelöst. Dann wurde Benzylchlorid (0,02 Mol) zugegeben, wonach die Mischung 2 Stunden lang bei 80 °C unter Rückfluss erhitzt wurde. Die Produktkristallisation wurde dreimal mit Ethanol mit einer Ausbeute von 80 % bei einem Schmelzpunkt von 70 °C durchgeführt. Abbildung 1 zeigt eine Zusammenfassung des Vorbereitungsprozesses. Die Struktur der synthetisierten Verbindung wurde durch FT-IR-Spektroskopieanalyse mit KBr-Pellets auf Perkin Elmer im Egyptian Petroleum Research Institute bestätigt. Die 1H-NMR-Spektroskopie wurde in Dimethylsulfoxid (DMSO) unter Verwendung eines Varian Gemini-200 MHz-Systems durchgeführt.

Herstellung der ionischen Flüssigkeit.

Die Experimente wurden bei Atmosphärendruck in einem geschlossenen Rundkolben mit Magnetrührer und Thermometer durchgeführt. Gasöl (25 ml) wurde mit unterschiedlichen Volumina H2O2 (5–20 ml) verwendet, um deren Auswirkungen auf den Prozess zu untersuchen. In ähnlicher Weise wurde die Auswirkung einer ILc-Dosis von 0,1–0,5 g, eines Reaktionstemperaturbereichs von 30–80 °C und einer Reaktionszeit von 30–240 Minuten auf die Entschwefelungseffizienz untersucht. Nach jeder Behandlung wurde die Phasentrennung mithilfe von zwei Schichten, einer wässrigen Schicht und einer Ölschicht, in einem Scheidetrichter37 erreicht, und die behandelte Ölphase wurde mit Acetonitril im Verhältnis 1:1 (v/v) extrahiert.

Die Öl- und Lösungsmittelphasen wurden getrennt und die Entschwefelungseffizienz (R) wurde unter Verwendung von Gleichung berechnet. (1).

Dabei sind Ci (ppm) und Cf (ppm) die anfängliche bzw. endgültige Schwefelkonzentration im Gasöl.

Für die Analyse wurden in unterschiedlichen Zeitintervallen (30–240 min) Proben in der oberen Ölphase entnommen. Ein Viskosimeter (Stabinger, Modell SVM 3001, Anton Paar) wurde zur Bestimmung der dynamischen Viskosität, der kinematischen Viskosität und der Dichte der Proben vor und nach der Behandlung gemäß ASTM D 7042, ASTM D 445 bzw. ASTM D 4052 verwendet . Die Gesamtschwefelkonzentration von Gasöl wurde mit einem Schwefelanalysator gemäß der Standardtestmethode für Schwefel in Erdöl und Erdölprodukten durch energiedispersive Röntgenfluoreszenzspektrometrie (ASTM D 4294) bestimmt.

Abbildung 2 zeigt die verschiedenen Phasen der Herstellung der ionischen Flüssigkeit ILc und des Entschwefelungsprozesses in der vorliegenden Arbeit.

Darstellung der experimentellen Schritte bei der Herstellung der ionischen Flüssigkeit ILc und dem Entschwefelungsprozess.

Das Hauptziel dieser Studie ist die Entfernung von Schwefelverbindungen, die normalerweise an die aromatischen Verbindungen in Erdölfraktionen gebunden sind, aus Gasöl durch eine neue IL unter Verwendung eines extraktiv-katalytischen ODS-Verfahrens. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Gasöls wurden gemäß den ASTM-Standardtestmethoden untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die Infrarotspektren des in dieser Studie hergestellten gereinigten ILc sind in Abb. 3 dargestellt. Die charakteristischen FT-IR-Banden von Abb. 3 sind in Tabelle 2 aufgeführt. Wir haben festgestellt, dass das Auftreten einer ILc-Bande bei 3001 und 3050 auf Aromatic zurückzuführen sein könnte (–CH–)-Gruppen. Der Peak bei etwa 2969 cm−1 ist auf aliphatische (–CH–) Gruppen zurückzuführen. Der Peak bei 1634 cm−1 wird der Streckschwingung von C=C Aromatic zugeordnet. Zusätzlich erscheint der Peak bei 1220 cm−1 und wird C–N zugeordnet. Schließlich zeigt die FT-IR-Analyse das Vorhandensein der IR-Banden an, die mit den chemischen Strukturen des neuen ILc zusammenhängen.

FT-IR-Spektren des vorbereiteten ILc.

Die chemische Struktur des neu untersuchten ILc wurde durch 1H-NMR-Spektroskopie bestimmt. Die in Abb. 4 dargestellten detaillierten Spektren stimmten mit der entworfenen Struktur überein. Tabelle 3 listet die Änderungen der chemischen Verschiebungen für verschiedene Arten von Protonen im neu untersuchten ILc auf. Aromatische Protonen (A, B und C) erschienen bei (9,07, 7,81 bzw. 7,73). Aliphatische Protonen (D, E, F und G) erscheinen bei (4,75, 3,40, 3,38 und 3,10). In den 1H-Spektren konnten keine Verunreinigungen beobachtet werden.

1H-NMR-Spektren des hergestellten ILc.

Der Einfluss der Temperatur auf die Entschwefelungseffizienz ist ein entscheidender Faktor bei der Bestimmung des Potenzials des synthetisierten ILc. Typischerweise beschleunigt eine Erhöhung der Temperatur die Zersetzung von H2O2 in Wasser, wodurch entstehende Sauerstoffatome oder (OH)-Ionen entstehen, die Schwefelverbindungen in unterschiedlichem Ausmaß oxidieren. Um den Einfluss der Reaktionstemperatur auf die Entschwefelungseffizienz zu untersuchen, wurden Experimente bei 30 °C, 50 °C, 60 °C, 70 °C und 80 °C durchgeführt (Abb. 5 und Tabelle S1). Der Temperaturanstieg von 30 auf 80 °C ging mit einem Rückgang der Ausbeute von 97,31 auf 91,5 Gew.-% einher (Abb. 5a). Dichte und Brechungsindizes nahmen ab (Abb. 5b, c)39, und andererseits stiegen die Dieselindizes aufgrund der Zunahme der aromatischen Rückgewinnungen (Abb. 5e). Die Aromaten- und Schwefelrückgewinnung zeigten unterschiedliche Steigerungsgrade. Bei einer Betriebstemperatur von 30 °C konnte die Entschwefelungseffizienz nur 47,54 % erreichen, was darauf hindeutet, dass der ILc die Reaktion bei relativ niedriger Temperatur nicht effizient katalysieren konnte. Als die Temperatur jedoch auf 50 °C, 60 °C und 70 °C anstieg, stieg die Entschwefelungseffizienz deutlich auf 61,58 %, 70,42 % bzw. 84,58 % (Abb. 5d). Die Schwefelentfernung wurde durch die unproduktive Zersetzung von H2O2 bei erhöhten Temperaturen eingeschränkt. Der Verlust von H2O2 aufgrund seiner Zersetzung in H2O und O2 bei hohen Temperaturen40 kann die effektive Bildung aktiver Oxidationsspezies einschränken. In ähnlicher Weise behinderte die durch die thermische Zersetzung von H2O2 erzeugte H2O-Verunreinigung die katalytische Aktivität von ILc, was zu einer Verringerung der Entschwefelungseffizienz führte41. Daher verbesserte sich die Entschwefelungseffizienz nicht wesentlich, wenn die Temperatur von 70 auf 80 °C stieg. Daher wurde die optimale Reaktionstemperatur auf 70 °C gewählt.

Einfluss der Temperatur auf Ausbeute, Dichte, Brechungsindex, Entschwefelungseffizienz und Dieselindex von mit ILc behandeltem Gasöl.

Die Selektivität des Oxidationsprozesses bestimmt den Nutzen des Entschwefelungssystems. Die Schwefelverbindungen sollen schnell und selektiv oxidiert werden. Somit wurde die Oxidationszeit des Gasöls bestimmt. Um die Mindestreaktionszeit für die vollständige Entschwefelung von Schwefelverbindungen bei 70 °C zu bestimmen, wurde die Leistung des ODS-Prozesses mit ILc zu verschiedenen Zeiten (0,5, 1, 2, 3 und 4 Stunden) bewertet. Abbildung 6 und Tabelle S2 zeigen die Entschwefelungseffizienzen und die damit verbundenen Speziesausbeuten, Dichten, Brechungsindizes und Dieselindizes des oxidierten Gasöls. Für diesen Test wurden H2O2 (10 ml) und ILc (0,5 g) bei einer Oxidationstemperatur von 70 °C verwendet, was der im vorherigen Schritt gewählten optimalen Temperatur entspricht. Die in Abb. 6 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die Verlängerung der Reaktionszeit von 0,5 auf 3 Stunden mit einem kontinuierlichen starken Rückgang der Ausbeute, der Brechungsindizes und der Dichte verbunden war (Abb. 6a – c). Damit einher ging ein kontinuierlicher Anstieg der Entschwefelungseffizienz und der Dieselkennzahlen (Abb. 6d, e). Dies kann auf die kontinuierliche Verlängerung der Reaktionszeit zurückgeführt werden, wodurch die π-π-Wechselwirkung zwischen den ILc-Molekülen und Schwefelverbindungen in den Reaktionsmedien zunehmen kann. Dies verbesserte die Extraktion der Schwefelverbindungen und ermöglichte es dem Oxidationsmittel (H2O2), die vorherigen Spezies im Medium zu erzeugen, um den ODS-Prozess abzuschließen. Eine weitere Verlängerung der Reaktionszeit auf 4 Stunden zeigte keine signifikante Steigerung der Entschwefelungseffizienz oder der damit verbundenen Eigenschaften. Daher wurden 3 Stunden als geeignete Reaktionszeit angesehen.

Einfluss der Reaktionszeit auf Ausbeute, Dichte, Brechungsindex, Entschwefelungseffizienz und Dieselindex von mit ILc behandeltem Gasöl.

Abbildung 7 und Tabelle S3 zeigen die Auswirkung der ILc-Dosierung auf den Prozess des Extraktions-ODS-Prozesses und die daraus resultierenden relevanten Änderungen in der Ausbeute, den physikalischen Eigenschaften, der Entschwefelungseffizienz und den Dieselindizes des produzierten Gasöls. Während dieses Schritts wurden vier Dosen ILc (0,1, 0,3, 0,5 und 1 g) verwendet. Die in den vorherigen Schritten ausgewählten optimalen Bedingungen, dh Reaktionstemperatur = 70 °C und Reaktionszeit = 3 h, wurden im aktuellen Test mit H2O2 (10 ml) verwendet. Die Erhöhung der ILc-Dosierung kann eine effiziente Strategie zur Verbesserung der Entschwefelungseffizienz sein. Die Entschwefelungseffizienz stieg deutlich von 70,53 auf 73,73 % (Abb. 7d), wenn die ILc-Dosierung von 0,1 auf 0,5 g erhöht wurde. Da ILc sowohl als Katalysator als auch als Extraktionsmittel verwendet wurde, könnte die Erhöhung der ILc-Dosierung die Extraktionseffizienz verbessern und die katalytisch aktiven Zentren vergrößern, was die Schwefelentfernung erheblich verbessert. Dennoch wurden keine signifikanten Unterschiede in den Eigenschaften des produzierten Gasöls bei höherer ILc-Dosierung (1 g) beobachtet. Das heißt, es wurden nahezu die gleichen Prozentsätze der Entschwefelungseffizienz beobachtet. Aus wirtschaftlicher Sicht wurde daher eine niedrigere ILc-Dosierung (0,5 g) als optimale Dosierung für industrielle Anwendungen angesehen.

Einfluss der ILc-Dosierung auf Ausbeute, Dichte, Brechungsindex, Entschwefelungseffizienz und Dieselindex von mit ILc behandeltem Gasöl.

H2O2 ist ein starkes, umweltfreundliches und kostengünstiges Oxidationsmittel. Die Auswirkungen der Verwendung von H2O2 wurden ebenfalls getestet (Abb. 8 und Tabelle S4). Die Experimente in dieser Phase wurden unter den oben ausgewählten optimalen Bedingungen durchgeführt (ILc-Dosierung = 0,5 g, Reaktionszeit = 3 h und Oxidationstemperatur = 70 °C). In diesem Schritt wurden vier H2O2-Dosierungen (5, 10, 15 und 20 ml) bewertet. Abbildung 8 zeigt, dass bei einer Erhöhung der Oxidationsmitteldosis von 5 auf 10 ml die Ausbeute (Abb. 8a) deutlich abnahm, was eine deutliche Verbesserung der Brechungsindizes und der Dichte zeigt (Abb. 8b, c). Dies ging mit einem gleichzeitigen Anstieg der Entschwefelungseffizienz (Abb. 8d) und der Dieselindizes (Abb. 8e) einher, bis bei einer Erhöhung der H2O2-Dosis von 10 auf 15 und dann auf 20 ml annähernd feste Werte festgestellt wurden. Dies bestätigt, dass der übermäßige Einsatz von H2O2 nicht wünschenswert ist, da er zur Verdünnung von ILc führt und die Kosten erhöht. Daher wurde in dieser Studie eine H2O2-Dosis von 10 ml als optimale Dosis gewählt.

Einfluss der H2O2-Dosierung auf Ausbeute, Dichte, Brechungsindex, Entschwefelungseffizienz und Dieselindex von Gasöl mit ILc.

Die thermodynamischen Parameter der ODS-Reaktion wurden wie folgt geschätzt:

Die Standard-Entropieänderung (ΔS°, J/(mol K)), die Standard-Enthalpieänderung (ΔH°, kJ/mol) und die Standard-Änderung der freien Energie (ΔG°, kJ/mol)42 wurden unter Verwendung der Gleichungen berechnet. (2) und (3).

Dabei ist T die absolute Temperatur (K), Kd der Verteilungskoeffizient (L/g) und R die perfekte Gaskonstante = 8,314 J/mol K.

Die thermodynamischen Parameter der Reaktion können mit den Gleichungen berechnet werden. ((2) und (3)), die Ergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt und Abb. 9 zeigt das thermodynamische Verhalten der oxidativen Entschwefelungsreaktion.

Thermodynamisches Verhalten der oxidativen Entschwefelungsreaktion.

Wie in Tabelle 4 gezeigt, sind die Werte von ΔH°, ΔS° und ΔG° positiv, was darauf hindeutet, dass die Reaktion mit steigender Temperatur endotherm verläuft. Dadurch nahmen die Effizienz der Oxidation und die Zufälligkeit der Reaktion zu, und die Reaktion verlief nicht spontan. Aufgrund der niedrigen Werte der freien Standardenergie kann die Reaktion problemlos ablaufen43.

Aus ökologischer und wirtschaftlicher Sicht sind die ILc-Regeneration und das Recycling lebenswichtige Prozesse. Um die Recyclingleistung von ILc zu überprüfen, wurden wiederholte Versuche zur Entfernung von Schwefelverbindungen aus schwerem Gasöl unter optimalen Bedingungen durchgeführt. Nach der Wiederholung jedes Zyklus wurde im Reaktor ein zweiphasiges System beobachtet. Die obere Phase wurde vorsichtig durch Dekantieren aus dem System entfernt und die ILc-Phase wurde unter Vakuum getrocknet, um restliches Wasser und H2O2 zu entfernen. Anschließend wurde der Reaktor für den nächsten Zyklus mit frischem Gasöl und H2O2 befüllt.

Nach sechs wiederholten Zyklen sank die Entschwefelungseffizienz lediglich von 84,71 auf 83,97 % (Abb. 10). Dieser leichte Rückgang könnte auf einen von zwei Faktoren zurückzuführen sein. Erstens sind Spurenverluste von ILc während der Trenn- und Trocknungsprozesse unvermeidbar. Zweitens konzentrierten sich die Oxidationsprodukte der Schwefelverbindungen im System und bedeckten die Oberfläche von ILc, wodurch dessen Phasentransferfähigkeiten verringert wurden. Basierend auf diesen Ergebnissen zeigt ILc jedoch eine gute Recyclingfähigkeit durch einen kostengünstigen Regenerationsansatz und könnte für industrielle Anwendungen geeignet sein. Darüber hinaus wurden FT-IR-Analysen von frischem und recyceltem ILc (Abb. 11) durchgeführt, um die Stabilität von ILc während des Entschwefelungsprozesses zu untersuchen. Es war kein Unterschied zwischen Vorher und Nachher der Reaktionen erkennbar.

Einfluss der Recyclingzeiten des vorbereiteten ILc auf die Entschwefelungseffizienz.

FT-IR-Analyse von (a) frischem ILc und (b) recyceltem ILc.

Gasöl wird durch einen sehr effektiven und selektiven Prozess unter Verwendung der von Gimini entwickelten ionischen Flüssigkeit ILc als Katalysator entschwefelt (Abb. 12). Dass das ILc zwei positive aktive Zentren enthält, die sich mit zwei Molekülen Wasserstoffperoxid verbinden und aktive Spezies erzeugen, die ihre vorteilhafte Rolle bei der Vervollständigung des Oxidationsprozesses erfüllen. Die Wirkung von ILc erhöht die Geschwindigkeit der Zersetzung von H2O2 zu 2OH*, das instabil ist und einen O-H-Bindungsbruch unter Bildung von H2O* und O* durchläuft, die aufgrund ihrer niedrigen Aktivierungsenergie die aktivsten Spezies für eine ODS-Reaktion sind. Die Wirksamkeit des Entschwefelungsprozesses wird maßgeblich durch die π-π-Wechselwirkungen zwischen den aromatischen Schwefelverbindungen und dem aromatischen ILc44 beeinflusst.

Entschwefelungsmechanismus.

Unsere ionische Gemini-Flüssigkeit ILc hat eine höhere katalytische Leistung als ihre monokationische Version. Dieser Unterschied kann mit der Tatsache zusammenhängen, dass ionische Gemini-Flüssigkeiten zwei Grundstellen haben, während monokationische ionische Flüssigkeiten nur eine haben. Gemini-Ionenflüssigkeiten haben zwei Grundstellen, die nahe beieinander liegen und gut zusammenarbeiten, um die katalytische Effizienz zu erhöhen. Da ionische Gemini-Flüssigkeiten stärkere basische Zentren aufweisen als monokationische ILc, verläuft der Oxidationsprozess schneller. Aufgrund ihrer stärkeren und konzentrierteren basischen Bindungsstellen weisen sie eine größere Stabilität und eine stärkere Alkalität auf.

In Tabelle 5 wurde die Leistung des neu eingeführten N1,N1,N3,N3-Tetramethyl-N1,N3-diphenylpropan-1,3-diaminiumdichlorids mit bestimmten zuvor genannten ILs für weitere Bolzen verglichen.

Zusätzlich zu den angegebenen Faktoren wäre auch die Art des Katalysators selbst wirksam. In Tabelle 5 wird das neue ILc mit vorhandenen Arten ionischer Flüssigkeiten verglichen, die in derselben Anwendung – dem oxidativen Entschwefelungsprozess – eingesetzt werden, um seine hervorragende katalytische Leistung zu demonstrieren. Infolgedessen schnitt die ionische Flüssigkeit ILc von Gemini hinsichtlich der Ergebnisse und der Effizienz besser ab als die anderen beschriebenen Arten ionischer Flüssigkeiten. Daher wird für den oxidativen Entschwefelungsprozess der ILc mit der besten und wettbewerbsfähigsten Leistung (84,7 %) für echtes Gasöl (2400 ppm Schwefelgehalt) ausgewählt. Dies liegt an der Verwendung einer sehr geringen Menge des Katalysatorverhältnisses – Öl:ILc = 1:0,02 – und das ILc trug zu einer enormen Reduzierung der Menge des Oxidationsmittels – H2O2:Öl = 0,4:1 – bei Das Verfahren ist bei der Anwendung im industriellen Bereich sehr kostengünstig.

In dieser Studie wurde ein neuartiges Gemini-IL (N1,N1,N3,N3-Tetramethyl-N1,N3-diphenylpropan-1,3-diaminiumdichlorid) erfolgreich synthetisiert und mithilfe von 1H-NMR- und FT-IR-Spektroskopie charakterisiert. Anschließend wurde es als Katalysator in der ODS von echtem Gasöl mit einem Schwefelgehalt von 2400 ppm verwendet. Das N1,N1,N3,N3-Tetramethyl-N1,N3-diphenylpropan-1,3-diaminiumdichlorid IL zeigte unter optimalen Bedingungen eine hohe Entschwefelungseffizienz von 84,7 % (H2O2:Öl = 0,4:1, IL:Öl = 0,02: 1, Reaktionstemperatur = 70 °C und Reaktionszeit = 3 h). Basierend auf der thermodynamischen Analyse des ODS-Prozesses deuten die Werte von ΔH° darauf hin, dass die Reaktion mit zunehmender Temperatur endotherm ist. Die IL kann direkt wiederverwendet werden und zeigte sechs Mal eine gute Recyclingfähigkeit.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel (und seinen ergänzenden Informationsdateien) enthalten.

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Raffinationsabteilung, Ägyptisches Erdölforschungsinstitut (EPRI), 1 Ahmed El-Zomor St., Nasr City, Kairo, 11727, Ägypten

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Chemieabteilung, Fakultät für Naturwissenschaften, Al-Azhar-Universität, Nasr City, Kairo, 11884, Ägypten

Ashraf M. Ashmawy

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Korrespondenz mit Hamida Y. Mostafa.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Mohammed, HA, Mostafa, HY, El-Aty, DMA et al. Neuartige Gemini-Ionenflüssigkeit zur oxidativen Entschwefelung von Gasöl. Sci Rep 13, 6198 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32539-y

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Eingegangen: 24. November 2022

Angenommen: 29. März 2023

Veröffentlicht: 16. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32539-y

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