CN1017040B - 应用优选H+及Br-浓度生产过氧化氢的方法 - Google Patents

应用优选H+及Br-浓度生产过氧化氢的方法

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Abstract

一种在永质介质中由H2和O2制取H2O2的催化方法，包括使用H+离子和Br-离子，二者的浓度各自为约0.001M至约0.05M范围。

Description

本发明涉及改进的从氢和氧生产过氧化氢的催化方法。
以下的参考文献披露了从氢和氧生产过氧化氢的催化方法。在这种直接化合方法中，已知有一个难题，就是对大规模工业应用来讲，产品收率太低。改进的生产高浓度过氧化氢的方法对于化学工业有重大意义。
Hooper的USP3336112中披露了一种生产过氧化氢的方法，该法包括将氢和氧在水及一种过氧化物稳定剂存在下与液相中的固体催化剂相接触，所述稳定剂例如是一种螯合性过氧化氢稳定剂。
Hooper的另一项USP3361533披露了一种生产过氧化氢的方法，该法包括将氢和氧在水、一种酸和一种非酸的含氧有机化合物存在下与液相中的固体催化剂相接触。
Campbell的USP3433582中披露了一种生产过氧化氢的方法，该法包括将氢和氧与含有水及溶解的硼酸的液体介质中的固体催化剂相接触。该专利披露，其中可能还存在另一种基团，特别是卤素或假卤素。
Kim等的USP4007256中披露了一种生产过氧化氢的方法，该方法是将氢和氧在水、一种含氮有机化合物及一种强酸存在下与一种载于载体上的钯催化剂相接触。
Posplova等在俄文的Journal    of    Physical    Chemistry    35（2）：143-148（1961）披露了一种从氢和氧用钯催化合成过氧化氢的方法。用作为催化剂的有钯黑和沉积于氧化铝凝胶、钨酸酐、硅胶及骨炭上的钯。
Izumi等的USP4009252中披露了一种制备过氧化氢的方法，该法是通过氢和氧在含有铂族催化剂的水相介质中进行催化反应。本方法的特 征在于在该反应体系的气相中的氢分压和氧分压是分别保持在至少0.5大气压和至少1.0大气压。该铂族催化剂的存在量按金属计为从至少达到起催化作用的最低量至每100毫升该水相介质中不超过30毫克。
Izumi等的另一项USP4279883中披露了一种改进的制取过氧化氢的方法，该法是将氢与氧在含有过氧化氢的水相介质中的一种催化剂存在下进行反应;其改进之处在于使用这样一种水相介质，其中含有溶解的氢和上面吸附有氢的铂族催化剂。已提出炭、二氧化硅以及多种其他物质适用于作为该铂族金属的载体。
小Dalton等的USP4335092中披露了一种制备过氧化氢的方法，该法是使氢和氧与一种甲醇溶液存在下的载于载体上的钯催化剂相接触。最好该溶液含有不超过1%（重量）的甲醛，并且盐酸浓度至少为0.001N。
小Dalton等的另一USP4336238中披露一种改进的生产过氧化氢的方法，该法是将氢和氧的混合物与在一种酸性水质液体存在下的一种载于炭上的钯催化剂相接触，该酸性水质液体具备抑止过氧化氢分解的能力。其改进之处包括通过将该催化剂的加溶作用所生成的钯盐持续地从该酸性水质液体中除掉，以便延长该催化剂的使用寿命。所用的该介质包含不超过95%（体积）的一种有机溶剂。
小Dalton等的又一项USP4336239中披露了过氧化氢合成的一项改进，该方法是在含有一种含氧或含氮的有机化合物的酸性介质中使用一种载于载体上的Ⅷ族贵金属催化剂由氢和氧进行合成。其改进之处在于使用的氧/氢比率高于约3.4，催化剂用量为每100毫升介质中超过30毫克。
小Dalton等的另一项USP4379778中披露了钯-炭催化剂的改进，该催化剂是用于在具备抑止过氧化氢分解能力的一种水相液体存在下由氢和氧的混合物生产过氧化氢。其改进之处在于将该催化剂用一种醛或酮进行预处理，最好还用稀盐酸处理该催化剂。将干粉末形式的大表面积非石墨炭的基质上沉积一种可溶性钯化合物，用氢在27-200℃进行还原， 得到这种改进的催化剂。
小Dalton等的又一项USP4389390中披露了一种生产过氧化氢方法的改进，其改进方法是将氢和氧的混合物在一种具有抑止过氧化氢分解能力的酸性液体存在下与一种载于炭上的钯催化剂相接触。其改进之处在于通过将来自该酸性液体的催化剂加溶而持续地除掉所生成的钯盐，并且最好应用大表面积活性炭作为该催化剂载体和作为钯盐的吸附剂，从而能延长该催化剂的使用寿命。
以下四篇刊物披露了在一种有机组分存在下在制取过氧化氢中固有的危险性。Swern在Organic    Peroxides，Wiley-Interscience，New    York，P.26（1970）披露了从醛和过氧化氢制备过氧化合物。此资料披露了当处置和制备酮的过氧化物时，必须十分小心，因为其中一些非常容易发生猛烈爆炸。Schumb等在Hydrogen    Peroxide，Reinhold    Publish-ing    Corporation，P.179（1955）中描述了在过氧化氢浓溶液中含有甲醇、乙醇或甘油时的爆炸特性。Halle在Chemical    Engineering    News，62（27）：4（1984）中描述了有机过氧化物的潜在危险性。Schwoegler在Chemical    and    Engineering    News，63（1）：6（1985）中描述了丙酮过氧化物对振动的敏感性。
Gosser的USP4681751中披露了一种制取过氧化氢的方法，该法是用氢和氧并使用在吸附性炭上载有具有效催化性能含量的Pd，并应用一种水质反应介质和加压的压力。
由Gosser和Schwartz具名的1986年11月19日提交的美国专利申请系列号932，360中披露了一种改进的制取过氧化氢的方法，该方法是在氢离子和溴离子存在下，并且其摩尔比为至少约2∶1的情况下进行该反应。
本发明涉及一种制取过氧化氢的改进的催化方法，该法是将氢和氧在含有铂、钯或铂/钯复合催化剂及HBr的水质介质存在下进行直接化合。更具体讲，其改进之处在于所用的H+离子和Br-离子其浓度各自为 从约0.001M至约0.05M，并使该方法达到关于H+和Br-浓度的最优化。其中的H+和Br-可以直接以氢溴酸形式直接供应，或者用氢溴酸之外的其他强酸和一种溴化物盐相结合来间接供应。
在说明书附图中显示H2O2重量百分数（纵坐标）与H+及Br-浓度（横坐标）的对应关系。
本发明提供一种改进的从氢和氧制造过氧化氢的催化方法。业已发现，应用含H+离子和Br-离子并且其浓度各自在约0.001-0.05M之间的水相反应介质，并在其中含有具有效催化作用量的钯、铂或两者的混合物，可以达到高的产品收率。由于达到高的产品收率，本方法可以用于大规模工业生产。
本发明的方法是应用具有效催化作用量的钯、铂或两者的混合物。该特定金属的形式并非十分重要。可应用钯和/或铂的盐类以金属离子的形式或以金属本体的形式利用这些金属。该特定的金属还可以载于载体上的催化剂形式使用，亦可任选从一种金属胶体所制备的载于载体上的催化剂。适用的载体包括各种形式的炭、二氧化硅、氧化铝或离子交换树脂。较好是钯对铂的比率高于约20%（重量），最好是高于约50%（重量）。在其一实施方案中，该特定金属是以一种金属胶体的形式使用。
无论该催化剂是预先制成的或是就在该水质反应介质中所制备，该介质中将含有H+离子和Br-离子。溴离子来源例如可以是HBr、可溶性金属溴化物或在反应条件下能水解或还原而产生溴化物离子的化合物。
在该反应介质中，H+和溴化物离子浓度各自是在0.001-0.05M范围。溴化物离子对金属（Pd和/或Pt）的摩尔比率一般从约10-4∶1至约104∶1，较好是从约102∶1至约10-3∶1，最好是10∶1至约10-2∶1。
在该反应介质中，还可存在氯化物离子或其他可相容的卤化物离子，但最好除溴离子之外的其他卤化物离子的浓度不要高于溴离子浓度。最好卤化物离子的总浓度不要高于约10-1M，以便制出总卤化物含量低的过 氧化氢产品。
H+和Br-可以以氢溴酸形式直接供应，或是由一种强酸（除HBr之外）和一种溴化物盐相组合来间接供应。适用的酸包括盐酸、磷酸、硫酸、硝酸以及高氯酸。也可使用pK低于8的其他质子酸，但条件是它们必须与该反应介质的其他组分是相容的。
一般来讲，本方法操作时O2相对于H2的分压可以在约2∶1至20∶1或更高。最好采用20∶1或更高的比率，以防止连续操作过程中发生爆炸。虽然也可以用低于2∶1的比率，但会使过氧化氢的浓度下降。
本方法可在-50℃至90℃温度进行，最好是约0°至50℃。可以采用更低温度，但以不会引起液体结冰为度。视所用反应物的类型和浓度之不同，可采用低于-10℃的温度。在反应温合物中含有约45%（重量）的过氧化氢时，许可在-50℃操作而不致结冰。业已发现，只要反应体系中不含会促进过氧化氢分解的杂质，也可采用较高温度。
本方法最好在加压条件下进行。优选压力范围为约200磅/平方英寸表压（1.48兆帕）至4000磅/平方英寸表压（17.7兆帕），由于采用较高压力，可提高过氧化氢浓度。对于过氧化氢生成的最适宜压力为约400磅/平方英寸表压（2.86兆帕）至2500磅/平方英寸表压（17.34兆帕）。在半分批式操作中，各气体是连续进入反应器并从反应器放出，当在约10兆帕压力和进料O2/H2比率为约4∶1时，过氧化氢浓度可达约30%。
使用基本上全水质介质（有机物组分不超过约2%（重量））的优点之一，就是不存在由于过氧化氢浓度高和存在有机共溶剂所带来的爆炸危险。另一项优点是避免了大量的有机物循环物料流。其他优点包括减少由于有机过氧化物积聚所带来的爆炸危险，并免除由于有机物质分解所引起的催化剂失活。
在最优实施方案中，是采用连续操作法，总压力约1000磅/平方英 寸表压（7.0兆帕），O2/H2进料比率约3∶1，HBr浓度约0.01M，温度约20℃，并提供气-液密切接触。
由以下实例和附图阐明应用本发明所达到的最优化，该附图是以图形表示各实例的结果。
所用设备是标称400毫升、内衬玻璃的压热釜，带有内衬的空釜的净空间约350毫升。压热釜安装在金属护板内的一个振摇台上，附有气体进出装置和从护板之外监控压力及温度的装置。每次实验时，先称玻璃内衬的重量后再开始。加入催化剂（20毫克5%Pd/C）和20克水质酸，再次称玻璃内衬的重量。将内衬放入压热釜中，将釜放在振摇台上的冷却夹套中。通入氩气（约1000磅/平方英寸）用以检漏。将压力减小至约5磅/平方英寸绝对压，然后通入约360磅/平方英寸绝对压的H2和约1650磅/平方英寸绝对压的O2。约15分钟后，再加入O2将总压恢复至约2000磅/平方英寸绝对压。开始振摇并持续约3小时。放出剩余的气体，用氩气将该容器充至50磅/平方英寸表压并放空，如此重复3次以除掉最后剩余的H2/O2混合物。然后从压热釜中取出该内衬并且再称重。取一部分反应混合物用高锰酸钾溶液滴定。从滴定求得的H2O2%（重量）和内衬增重可以计算其选择性，表示为所生成H2O2摩尔数除以水摩尔数和生成H2O2摩尔数的总和。将此值乘以100，即为表中的百分数值。该表中还列出每次实验的其他记录，并以图形示于附图中。
表、
温度 压力差 增重 H2O2选择性 H+，Br-
（℃）    （磅/平方英寸）    （克）    %（重量）    （%）    N
12-17    516    4.8    0.0    0    0.0001
12-16    445    5.3    2.7    7    0.00025
15-16    440    5.4    4.6    13    0.0005
13-18    456    6.0    13.0    41    0.001
14-20    454    6.4    14.9    46    0.002
13-16    499    6.4    17.9    60    0.01
8-10    267    4.3    13.7    65    ～.1＊
10-11    244    3.7    12.1    65    ～.2＊
9-12    230    3.7    11.8    62    ～.2＊
11-13    441    6.4    16.8    54    ～.005＊
＊应用H2SO4和NaBr提供H+和Br-。
这些结果表明，采用H+和Br-并且其浓度各为约0.01M时，达到最优H2O2选择性。

Claims (3)

1、一种制取过氧化氢的方法，包括在一种水质反应介质中使氢与氧接触，所用温度为-50°至90℃，所述反应介质中所含有机物组分不超过2%(重量)，并存在有一种含铂、钯或二者混合物的催化剂，还存在有H+离子和Br-离子，所述离子的浓度各自为0.001M至0.05M。
2、权利要求1的方法，其中的铂、钯或二者的混合物是载在一种载体上，该载体是选自炭、二氧化硅和氧化铝。
3、权利要求1的方法，其中的H+离子和Br-离子的浓度各自为0.01M。
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