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分子量为几十万到几百万的大分子扩散到催化剂内部进行反应的固定床催化技术一直是科学界研究的热点[1]。加工沥青质分子很困难，因为其分子很大，具有极性、非晶体、多级堆叠结构，同时含有大量杂原子，这些杂原子在加工过程中容易导致加氢催化剂失活[2] [3]。渣油中金属大部分集中在沥青质中，沥青质大部分以胶团形式存在，沥青质分子直径大约为4nm~5 nm[4]，形成的胶团直径大部分在20nm以上。根据反应动力学，扩散孔道与反应物之比是2~6倍时，最有利于反应物扩散，所以沥青质胶团扩散的最适宜孔道是在30nm~300nm区间。根据GPC柱子的选择，可以大致知道无规线团高分子的线团直径大约在10nm~100nm之间，在溶剂中高分子聚合物所需要的扩散孔道最佳分布也应是30nm~300nm。 在二十世纪九十年代，针对重油和大分子化合物固定床催化的需要，美国Mobil公司科学家发明了一类具有大孔容和高孔隙率的介孔分子筛材料[5]。介孔分子筛的形成机理是以表面活性剂和高分子嵌段集合物为模板剂，产生有序的无机笼型结构的一次纳米自组装过程[6]。模板剂受到尺寸和聚合度的限制，最大的高分子模板剂制备出的介孔分子筛笼的孔径仅达到30nm[7]。用高分子胶态晶体[8]，微乳液[9]和介孔蜂窝状泡沫体技术[10]合成的一类孔径在0.1~30µm的微米级笼型结构材料也是目前用于高分子扩散研究的热点。目前的现状是科学界研究的热点介孔分子筛和微米级笼型结构材料，其孔道不是以30nm~300nm为主的贯穿性孔道，以窗口为主要扩散孔道介孔笼型材料不适用渣油加氢处理。 由于环境法规的日趋严厉，燃料油排放气体的杂质含量要求越来越低，欧Ⅴ标准柴油的硫含量不超过10ppm。另外随着石油的重质化，渣油加氢处理催化剂失活过程主要是由于金属和积炭在催化剂表面沉积，金属或焦炭最可能沉积于孔口，这将堵塞孔口，或限制较大的、复杂的沥青质分子扩散到孔内[11],这使得要提高反应器的操作苛刻度（提高反应温度）来维持转化率，最终导致停工来更换催化剂[12] [13] [14]。随运转时间的延长，催化剂活性是否保持一致与其孔隙率有关，重油加氢处理催化剂孔隙率与其稳定性成比例[15]。由于目前工业应用的氧化铝载体的孔道在10nm左右，孔道的分布不利于渣油大分子的扩散，目前的渣油加氢装置运转周期都很短，结焦和金属的沉积使孔口很快堵塞，床层很快出现热点，装置运转周期结束，一般都在1-2年就需要更换催化剂。 工业上渣油加氢处理过程，广泛应用的还是用普通方法制备的氧化铝，大孔多采用物理造孔法[16]、高温焙烧法[17]和使用PH值摆动法的氢氧化铝粉体[18]。物理造孔法一般具有双峰结构，在100nm至微米级的孔道是物理添加剂得到的，不能制备特别适合沥青质胶团扩散的集中孔道，位于两个峰之间中间孔道的缺失，使大孔成为了墨水瓶型孔道。pH值摆动法得到30nm~70nm大孔的氢氧化铝，在成型的过程中，受到酸性胶溶剂及成型压力的作用，孔容和孔径将会急剧降低，大孔将变为20nm以下的不适用于沥青质胶团或高分子扩散孔道。IFP公司研制的板栗状氧化铝，采用非压力成型法，由于没有压力，20~80nm孔道可以得到部分保留[19]。高温焙烧法有损失酸性和扩孔有限的缺点，氧化铝的过度焙烧，酸性的减少，大幅度降低了脱硫活性。以上方法都无法得到30nm~300nm最适宜沥青质胶团的贯穿性扩散孔道。 反应物在催化剂孔道的扩散是孔道的类型所决定，贯穿性是非常重要的，柱状孔道是最适合扩散的贯穿性孔道，而扩散限制的墨水瓶孔道是多数笼型结构所具有的特点。最近，我们发明了一种制备纳米氧化铝载体的新方法，得到一种有利于高分子反应物扩散的框架式结构贯穿性孔道[20]。采用二次纳米自组装的方法：首先进行一次纳米自组装，用熔岩-超增溶胶团为纳米反应器[21]。将熔融的铝盐和碱增溶于反相胶束中，形成超增溶胶束。然后进行二次纳米自组装，在高温高压下，熔融的铝盐和碱在胶束中进行原位纳米自组装，中和反应的氢氧化铝沉淀立即原位与反相胶束的VB值小于1[22]的表面活性剂和有机物自组装成直径为200nm~400nm带有50%有机物的棒状氢氧化铝。200nm~400nm棒状氢氧化铝成型、焙烧，脱除表面活性剂和有机物模板剂，制备出具有大孔容、高比表面、高孔隙率，适于大分子可贯穿扩散100nm~200nm棒状氢氧化铝构架材料。孔分布30nm~300nm占总孔容的57%，和30nm~100nm占总孔容的55%，及10nm~1000nm占总孔容的58%的纳米自组装氧化铝载体。 |
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