石油的脫硫化(Desulfurization of Petroleum)

石油的脫硫化(Desulfurization of Petroleum)
國立臺灣大學化學系學士生陳佳翰/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

石油的脫硫化，是在天然氣、汽油、燃油或石化原料（例如：異丙苯）已分餾出之後、要加工或燃燒之前，將其中的含硫化合物去除之的前處理。

石油是由古生物動物遺骸，在高溫高壓下長時間轉化形成，而動物體組成多為蛋白質，故石油含硫量大，其重量百分比有0.5~6%。若未經處理而直接作為燃料使用，則會排放出大量酸性氣體，如二氧化硫等，造成酸雨危害環境。

圖一、含硫燃油的燃燒。

除造成酸雨危害之外，未經脫硫處理的石化原料，在後續的加工過程中易使催化劑失活、變質。例如以沸石(zeolite)裂解重油時，硫醇與硫醚會放出硫分子；硫分子會附著在沸石表面，阻擋反應物與催化劑接觸，造成沸石失活、裂解效率驟降。

圖二、含硫燃油的裂解。

另外，若催化劑是為金屬或金屬氧化物，則在過程中，也易與硫反應形成金屬硫化物而變質。以乙苯(ethyl benzene)脫氫化製苯乙烯(styrene)為例，其催化劑為Fe₂O₃-Cr₂O₃/KOH；若乙苯原料含硫醇、硫醚或固態硫過多時，則Fe₂O₃會與其反應形成Fe₂S₃、FeS等而被毒化(poisoning)。

為了避免上述情形發生，科學家研究出一系列的脫硫技術，其中發展最成熟且已工業化應用的有「加氫脫硫法（hydro-desulfurization，簡 稱HDS）」與「氧化脫硫法（oxo-desulfurization，又稱oxidation desulfurization，簡稱ODS）」兩種。加氫脫硫法是以摻雜微量Co、Ni、W金屬的MoS₂或RuS₂作為催化劑，使硫醇與硫醚分子被外加的氫氣還原成烷類與硫化氫，反應產生出的氣體再通過有機胺，以中和的方式除去硫化氫。此法的缺點在於需外加大量氫氣，成本較高；而工業界所使用的氫氣多以水蒸氣重組法(steam reforming)製備，故使用此法會伴隨著大量CO₂的產生，相當不環保。

圖三、加氫脫硫法。

相較於加氫脫硫法，氧化脫硫法是以含Ni²⁺或Cu²⁺的TiO₂或是含Ag的SiO₂作為觸媒，以光催化或加熱 (70~150℃) 方式使硫醚分子被空氣氧化成碸(sulfone,)，之後再加熱使得碸斷鍵重排形成烷類與二氧化硫，反應產生出的氣體再通過生石灰，以中和吸附的方式除去二氧化硫。此方法只需外加空氣而非氫氣，就成本上 比加氫脫硫法便宜，但由於在碸斷鍵重排一步驟中有外加高溫(~500℃)，會有部分烷類進行熱裂解(thermal cracking)而形成副產物乙烯(ethylene, C₂H₄)的缺點。

圖四、氧化脫硫法。

參考資料：
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6. 圖片來源：國立臺灣大學化學系陳佳翰。