CATalyst transformations and LIFEtime by in-situ techniques and modelling (CATLIFE)

I mange industrielle katalyse- og separasjonsprosesser er krystallinske mikroporøse materialer (zeolitter), med et nettverk av porer på nanostørrelse, viktige. På åttitallet viderutviklet silisiumaluminiumfosfor varianter av disse (kalt SAPO materialer) med mange interessante egenskaper hvor noen viktige anvendelser er: omdanning av metanol til eten og propene til bruk i plastproduksjon (industrianlegg bygget i Kina), i forskjellige katalytiske omdanninger av større hydrokarboner, som katalysatorer for reduksjon av NOx utslipp. Med de mange strukturelle variasjonene og modifikasjonene vil det helt sikkert også bli utviklet nye bruksområder. Selv om mange mikroporøse materialer fungerer godt faller ytelsen ved lengre tids bruk ved at store organiske molekyler (koks) dekker overflatene så det ikke er mulig med flere reaksjoner, og at det skjer strukturelle forandringer som ødelegger selve katalysatorkrystallen. Disse deaktiveringsmekanismene har det derfor vært viktige å studere for å kunne komme opp med nye og forbedrede materialer eller prosessbetingelser som reduserer fallet i ytelse. I dette prosjektet har vi brukt spesielle Røntgen og Kjernemagnetisk Resonans (NMR) teknikker sammen med modelleringsarbeider for å skjønne krystallvekst og hovedtrekkene når katalysatorkrystallene ødelegges under bruk. Blant katalysatorene vi har studert har det vært store forskjeller i stabilitet og dette har gjort det mulig å få innsikt i kritiske parametere for deres stabilitet. Det kan se ut som om selve topologien, dvs. krystallstrukturen, er styrende for stabiliteten siden de kjemiske bindingene stort sett er de samme for alle systemer. For en av katalysatorene klarte vi å følge hvordan strukturen forandret seg når den ble eksponert for vann (som disse materialene alltid vil oppleve i forskjellig grad). Først ble porene fylt med vannmolekyler og etterhvert oppstod det et stort strekk i mange kjemiske bindinger som deretter brøt fullstendig sammen. For mere robuste strukturer ser vi en snillere og mer gradvis dekomponering som kun fører til blokkering av endel av porene og ikke et fullstendig sammenbrudd. Selve kjemien i materialene vil det nok være vanskelig å gjøre noe med, men ved å skjønne hovedtrekk i stabiliteten til disse materialene vil man kunne operere en kjemisk prosess slik at katalysatorene ikke bryter sammen så lett og dermed oppnå økonomiske fordeler.

Microporous materials have many applications within catalysis and separation processes and with the discovery of the related silicoaluminophosphate (SAPO) molecular sieve materials in the eighties new possibilities opened up as e.g. olefins could be produ ced efficiently from methanol using the SAPO version of the chabazite mineral. In the nineties UOP and Norsk Hydro (now INEOS) developed the H-SAPO-34 based MTO process. The MTO process is probably the most known process using a SAPO catalyst system, but e.g. the SAPO-37 catalyst has been used for many different reactions where isomerization of n-decane and isobutene/2-butene alkylation are two examples. In addition to various conversion routes for hydrocarbons by SAPO catalysts, the SAPO-34 catalyst has also been investigated as a deNOx catalyst and more applications of SAPO catalysts are likely to emerge in the future. However, in all industrial catalytic processes catalysts deactivate and microporous materials typically do that by coking and/or structu ral degeneration and large efforts have been put in to improve and understand long term performance. Along this line, the CATLIFE project has catalyst performance and long term stability as key topics. The CATLIFE project will apply in-situ XRD and in-sit u NMR together with long term deactivation studies in a parallel fixed bed reactor unit and modelling studies to improve the understanding of the chemical processes taking place when the SAPO catalysts degrade during reactive conditions. A successful proj ect will reveal structure-activity relationships throughout the lifetime of the catalysts resulting in possible improved catalyst formulations and more realistic material deactivation models.