Các kết quả so sánh hoạt tính xúc tác trong phản ứng oxi hóa hoàn toàn benzen đã cho thấy vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 chế tạo bằng phương pháp không bịt mao quản (mẫu Ag-Z5S15-KBMQ) đã tỏ ra vượt trội về hoạt tính xúc tác so với các mẫu vật liệu còn lại. Các kết quả đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác cho thấy mẫu Ag-Z5S15-KBMQ là vật liệu xúc tác hội tụ đầy đủ các tính chất phù hợp cho phản ứng oxi hóa hoàn toàn benzen.
Hoạt tính xúc tác của mẫu Ag-Z5S15-KBMQ cho phản ứng oxi hóa hoàn toàn benzen với sự thay đổi tốc độ không gian WHSV từ 30.000 mlh-1g(cat)-1 đến 70.000 mlh-1g(cat)-1 được thể hiện trên hình 3.37.
Dữ liệu nhận được cho thấy ở WHSV = 30.000 mlh-1g(cat)-1, đồ thị nhận
Hi ệu su ất t hu s ản ph ẩm C O2 ( %)
126
được là một đường nằm ngang. Theo sự tăng nhiệt độ của phản ứng, phản ứng luôn đạt hiệu suất thu CO2 là 100%. Kết quả này cho thấy ở giá trị WHSV này, lượng SSOS tạo ra so với lượng tác nhân phản ứng benzen đi vào chênh lệch nên các phân tử benzen có thể bị oxy hóa hoàn toàn trên các tâm xúc tác.
Tuy nhiên, ở giá trị WHSV cao hơn (40.000 mlh-1g(cat)-1), đồ thị nhận được có chiều hướng giảm nhẹ hiệu suất thu sản phẩm CO2 khi nhiệt độ phan ứng tăng trên 350oC. Khi thực hiện phản ứng ở các WHSV cao hơn nữa, các đồ thị đều cho thấy một sự giảm hiệu suất thu CO2 của phản ứng rõ rệt khi tăng WHSV. Tuy nhiên, điểm dễ dàng nhận thấy ở đây là các đồ thị đều có chung một đặc điểm đó là sự xuất hiện của điểm cực trị của hiệu suất thu sản phẩm CO2 khi tăng nhiệt độ phản ứng ở các giá trị WHSV cao. Điểm cực trị nhiệt độ xuất hiện thống nhất ở 350oC trên tất cả các đường cong.
Hình 3.37: Hoạt tính xúc tác của mẫu Ag-Z5S15-KBMQ trong phản ứng oxi hóa hoàn toàn benzen theo sự thay đổi WHSV và nhiệt độ
Sự xuất hiện điểm cực trị có thể được giải thích qua phân tích đã nêu trên về khả năng lưu giữ benzen trên vật liệu ZSM-5/SBA-15 ảnh hưởng đến phản ứng
0 20 40 60 80 100 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Hi ệu su ất thu sản p h ẩm CO 2 , % Nhiệt độ, oC WHSV=30000 ml.h-1.g(cat)-1 WHSV=40000 ml.h-1.g(cat)-1 WHSV=50000 ml.h-1.g(cat)-1 WHSV=60000 ml.h-1.g(cat)-1 WHSV=70000 ml.h-1.g(cat)-1
127
oxy hóa. Ở các giá trị WHSV cao từ 40.000 mlh-1g(cat)-1 trở lên, tương quan giữa lượng SSOS hoạt tính tạo thành và lượng benzen đi vào có sự thay đổi so với ở WHSV = 30.000 mlh-1g(cat)-1. Ở nhiệt độ 350oC, benzen bắt đầu quá trình giải hấp mạnh mẽ nhất trên các tâm xúc tác [106]. Cùng lúc đó, sự hấp phụ phân ly của oxy lên các tâm bạc tạo thành các SSOS cũng mạnh mẽ nhất. Và ở thời điểm đó, phản ứng oxi hóa benzen xảy ra nhanh nhất.
Sự giảm hoạt tính xúc tác khi tăng nhiệt độ trên 350oC có thể được giải thích do ở các nhiệt độ cao hơn, mặc dù lượng SSOS tạo ra có thể nhiều hơn, nhưng do lượng oxy là cố định, thêm vào đó benzen khó hấp phụ vào tâm Na+, lượng benzen giải hấp cũng ít dần, dẫn tới làm giảm khả năng tiếp xúc của benzen với các SSOS hoạt tính và làm giảm khả năng oxy hóa của xúc tác. Kết quả này cũng cho thấy 350oC là nhiệt độ tại đó vật liệu nano Ag-Z5S15-KBMQ có khả năng làm việc tốt nhất cho phản ứng oxy hóa benzen.
Sự giảm hoạt tính xúc tác khi tăng tốc độ không gian WHSV có thể có hai cách giải thích dựa trên thời gian lưu của nguyên liệu trong lớp xúc tác hoặc số lượng SSOS tạo thành ở một nhiệt độ nhất định. Khi tăng WHSV, do thể tích xúc tác không thay đổi, dẫn tới làm giảm thời gian lưu của nguyên liệu trong lớp xúc tác và làm giảm khả năng chuyển hóa nguyên liệu.
Một cách giải thích khác cũng có thể được đưa ra. Ở WHSV = 30.000 mlh-1g(cat)-1 và một thời gian phản ứng cố định, lượng SSOS tạo
ra lớn hơn hoặc bằng so với lượng benzen nguyên liệu đi vào phản ứng và do đó phản ứng đạt hiệu quả tốt nhất. Khi tăng WHSV, trong một thời gian cố định, lượng benzen và oxy nguyên liệu tăng lên. Tuy nhiên, do lượng tâm bạc trên vật liệu cố định nên ở một nhiệt độ cố định và trong một khoảng thời gian cố định, số lượng SSOS tạo ra không thay đổi. Khi tăng lượng benzen đầu vào, tương quan giữa lượng benzen và oxy bị thay đổi và làm hiệu suất thu sản phẩm CO2 giảm xuống.
128