CN101898140A - 磁性SO42-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂的制备方法 - Google Patents

磁性SO42-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂的制备方法,首先,凹凸棒石粘土、氧氯化锆、铁盐和亚铁盐溶解在水中形成混合浆液;然后,在机械搅拌下将碱液缓慢滴加到混合浆液中至形成黑色沉淀物,黑色沉淀物经陈化、过滤、水洗、烘干、研碎得混合粉体;最后,混合粉体硫酸酸化、抽滤、烘干、研碎、煅烧得到磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂。本发明以廉价的凹凸棒石粘土为原料,负载磁性材料和固体酸,合成方法简单,原料易得,生产成本低,所得催化剂催化活性高,具有磁性,易与产物的分离。

Description

磁性SO42-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种磁性凹土固体酸催化剂的制备方法,具体地说是一种以凹凸棒石粘土为载体,负载Fe3O4和ZrO2,经酸化、煅烧制备磁性固体酸催化剂的方法。
背景技术
传统的无机酸价格低廉、催化活性高,被广泛地应用在酸催化反应如酯化、烷基化、异构化等反应中,但是无机酸催化剂与产物难分离,且对设备腐蚀性大,难以回收,对环境也具有较大的污染。与无机酸相比,固体酸催化剂具有催化活性高、无腐蚀性、可连续生产、产物与催化剂易分离等优点,受到人们的广泛关注,已有逐步取代无机酸催化各种反应的趋势。
纳米或超细的固体酸催化剂直接使用时,反应界面大,传质阻力小,催化活性高,但是存在催化剂回收和分离的困难。工业上采用添加粘结剂将其制备成型,导致催化活性下降,影响催化效果。将固体酸催化剂与磁性材料结合制备的磁性固体酸催化剂,解决了催化剂回收和分离的难题,还可以应用在新型磁稳定流化床反应器中(CN101543786A)。磁性固体酸催化剂的制备可通过化学沉淀法先制备磁性粒子,随后再将固体酸负载在磁性粒子上(ZL001374.3;催化学报,2003,24(1),47~51);或者采用氧化铝或氧化硅包裹磁性纳米粒子后,浸渍过渡金属硫酸盐煅烧后(CN101543786A)制备磁性固体酸催化剂。
凹凸棒石粘土(凹土)具有大的比表面积、可观的微孔和热稳定性,对有机物,特别极性有机物具有较强的吸附性能,是多相催化反应潜在的催化剂和优良的催化剂载体。以凹土为载体可负载固体酸活性组分(SO4 2-/TiO2,杂多酸)制备复合固体酸催化剂(ZL200710024603.5,CN101181689),催化酯化反应。通过化学沉淀法或者浸渍、煅烧、还原的方法,磁性材料也可负载在凹凸棒石晶体上,制备出磁性凹土复合材料(Applied Surface Science,2008,255(5),2020~2025),CN101537356,CN101618349),目前尚没有将磁性材料、固体酸活性组分负载在凹土上制备磁性复合固体酸催化剂的报道。
发明内容
本发明的目的在于:提供一种磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂的制备方法,磁性材料Fe3O4、固体酸SO4 2-/ZrO2和凹土三者结合制备磁性凹土固体酸催化剂,采用该方法制备的磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂可取代硫酸催化酯化等反应,具有腐蚀性小、催化活性高、易分离的优点。
本发明的技术解决方案是:首先,凹凸棒石粘土、氧氯化锆、铁盐和亚铁盐溶解在水中形成混合浆液;然后,在机械搅拌下将碱液缓慢滴加到混合浆液中至形成黑色沉淀物,黑色沉淀物经陈化、过滤、水洗、烘干、研碎得混合粉体;最后,混合粉体硫酸酸化、抽滤、烘干、研碎、煅烧得到磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂。
该制备方法包括以下具体步骤:
(1)将一定量的凹土、氧氯化锆、亚铁盐、铁盐加入到水中,剧烈搅拌30min,形成混合浆液;其中,氧氯化锆摩尔浓度为0.05~0.4mol/L;亚铁盐为硫酸亚铁或氯化亚铁,摩尔浓度为0.26~0.52mol/L;铁盐为硫酸铁或氯化铁,摩尔浓度为0.09~0.18mol/L;凹土与氧氯化锆、亚铁盐、铁盐、水的质量比为1∶0.66~5.24∶2.86~5.78∶0.58~1.85∶40;
(2)将上述混合浆液加热至40~70℃,在搅拌下缓慢滴加碱液,调节其pH为10~12,得到黑色沉淀物,搅拌恒温陈化2~3h,随后抽滤,水洗多次至中性,110℃烘干12h,研碎至200目以下得混合粉体;其中,碱液为NaOH或KOH溶液,其摩尔浓度为0.1~1mol/L;
(3)将混合粉体在H2SO4溶液中浸泡12~24h,抽滤,110℃烘干12h,研碎至200目以下,再高温煅烧2~3h,即得到磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂;其中,H2SO4溶液的浓度为0.5~1mol/L,煅烧温度为400~500℃。
本发明以廉价的凹凸棒石粘土为原料,负载磁性材料和固体酸,合成方法简单,原料易得,生产成本低,具有较强的酸性和磁性,凹土对有机物吸附的协同作用下所得催化剂催化活性高,在外磁场作用下易与产物分离回收。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术解决方案,这些实施例不能理解为是对技术解决方案的限制。
实施例1:
将1g凹土、0.66g氧氯化锆、1.17gFeCl3、5.78gFeSO4·8H2O加入到40mlH2O中,机械搅拌30min,形成混合浆液,其中Fe2+、Fe3+、氧氯化锆的摩尔浓度分别为0.52、0.18、0.05mol/L;随后将混合浆液加热到40℃,缓慢滴加0.1mol/LNaOH溶液,使其pH为10,继续搅拌恒温陈化3h,随后抽滤,水洗至中性,110℃烘干12h,研碎至200目以下得混合粉体;混合粉体用0.5mol/LH2SO4溶液浸泡24h,随后抽滤,110℃烘干12h,研碎至200目以下,再400℃煅烧3h,即得到磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂。
将冰醋酸(0.5mol)、正丁醇(0.55mol)和0.6上述磁性凹土固体酸催化剂加入到三口烧瓶中,装上回流冷凝管和分水器,油浴加热升温至120℃,机械搅拌下反应90min,分出反应生成的水,待反应完毕,得到的反应液采用磁分离,取清液用酸值滴定法确定醋酸转化率,计算出乙酸正丁酯的酯化率为81.86%。
实施例2:
将1g凹土、1.31g氧氯化锆、1.85gFe2(SO4)3·9H2O、3.82gFeCl2·4H2O加入到40mlH2O中,机械搅拌30min,形成混合浆液,其中Fe2+、Fe3+、氧氯化锆的摩尔浓度分别为0.48、0.165、0.1mol/L;随后将混合浆液加热到50℃,缓慢滴加0.5mol/LNaOH溶液,使其pH为11,继续搅拌恒温陈化2.5h,随后抽滤,水洗至中性,110℃烘干12h,研碎至200目以下得混合粉体;混合粉体用0.6mol/LH2SO4溶液浸泡20h,随后抽滤,110℃烘干12h,研碎至200目以下,再450℃煅烧2.5h,即得到磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂。
将上述催化剂应用于实施例1反应体系中,在相同反应条件下,乙酸正丁酯的酯化率为87.08%。
实施例3:
将1g凹土、2.56g氧氯化锆、0.87gFeCl3、4.34gFeSO4·8H2O加入到40mlH2O中,机械搅拌30min,形成混合浆液,其中Fe2+、Fe3+、氧氯化锆的摩尔浓度分别为0.39、0.134、0.2mol/L;随后将混合浆液加热到55℃,缓慢滴加1mol/LNaOH溶液,使其pH为12,继续搅拌恒温陈化2h,随后抽滤,水洗至中性,110℃烘干12h,研碎至200目以下得混合粉体;混合粉体用0.7mol/LH2SO4溶液浸泡16h,随后抽滤,110℃烘干18h,研碎至200目以下,再500℃煅烧2h,即得到磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂。
将上述催化剂应用于实施例1反应体系中,在相同反应条件下,乙酸正丁酯的酯化率为89.26%。
实施例4:
将1g凹土、3.87g氧氯化锆、1.69gFe2(SO4)3·9H2O、5gFeSO4·8H2O加入到40mlH2O中,机械搅拌30min,形成混合浆液,其中Fe2+、Fe3+、氧氯化锆的摩尔浓度分别为0.45、0.15、0.3mol/L;随后将混合浆液加热到60℃,缓慢滴加0.1mol/LKOH溶液,使其pH为10,继续搅拌恒温陈化3h,随后抽滤,水洗至中性,110℃烘干12h,研碎至200目以下得混合粉体;混合粉体用0.8mol/LH2SO4溶液浸泡16h,随后抽滤,110℃烘干12h,研碎至200目以下,再400℃煅烧3h,即得到磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂。
将上述催化剂应用于实施例1反应体系中,在相同反应条件下,乙酸正丁酯的酯化率为86.41%。
实施例5:
将1g凹土、3.93g氧氯化锆、0.65gFeCl3、2.86gFeCl2·4H2O加入到40mlH2O中,机械搅拌30min,形成混合浆液,其中Fe2+、Fe3+、氧氯化锆的摩尔浓度分别为0.36、0.1、0.35mol/L;随后将混合浆液加热到65℃,缓慢滴加0.5mol/LKOH溶液,使其pH为11,继续搅拌恒温陈化2.5h,随后抽滤,水洗至中性,110℃烘干12h,研碎至200目以下得混合粉体;混合粉体用0.9mol/LH2SO4溶液浸泡14h,随后抽滤,110℃烘干12h,研碎至200目以下,再450℃煅烧2.5h,即得到磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂。
将上述催化剂应用于实施例1反应体系中,在相同反应条件下,乙酸正丁酯的酯化率为85.73%。
实施例6:
将1g凹土、5.24g氧氯化锆、0.58gFeCl3、2.92gFeSO4·8H2O加入到40mlH2O中,机械搅拌30min,形成混合浆液,其中Fe2+、Fe3+、氧氯化锆的摩尔浓度分别为0.26、0.09、0.4mol/L;随后将混合浆液加热到70℃,缓慢滴加1mol/LKOH溶液,使其pH为12,继续搅拌恒温陈化2h,随后抽滤,水洗至中性,110℃烘干12h,研碎至200目以下得混合粉体;混合粉体用1mol/LH2SO4溶液浸泡12h,随后抽滤,110℃烘干12h,研碎至200目以下,再500℃煅烧2h,即得到磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂。
将上述催化剂应用于实施例1反应体系中,在相同反应条件下,乙酸正丁酯的酯化率为84.88%。

Claims (5)

1.磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂的制备方法,其特征在于该制备方法包括以下步骤:首先,凹凸棒石粘土、氧氯化锆、铁盐和亚铁盐溶解在水中形成混合浆液;然后,在机械搅拌下将碱液缓慢滴加到混合浆液中至形成黑色沉淀物,黑色沉淀物经陈化、过滤、水洗、烘干、研碎得混合粉体;最后,混合粉体硫酸酸化、抽滤、烘干、研碎、煅烧得到磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂。
2.根据权利要求1所述的磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂的制备方法,其特征在于该制备方法包括以下具体步骤:
(1)将一定量的凹凸棒石粘土、氧氯化锆、亚铁盐、铁盐加入到水中,剧烈搅拌30min,形成混合浆液;
(2)将上述混合浆液加热至40~70℃,在搅拌下缓慢滴加碱液,调节其pH为10~12,得到黑色沉淀物,搅拌恒温陈化2~3h,随后抽滤,水洗多次至中性,110℃烘干12h,研碎至200目以下得混合粉体;
(3)将混合粉体在H2SO4溶液中浸泡12~24h,抽滤,110℃烘干12h,研碎至200目以下,再高温煅烧2~3h,即得到磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂。
3.按照权利要求2所述的磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂的制备方法,其特征在于:其中,氧氯化锆摩尔浓度为0.05~0.4mol/L;亚铁盐为硫酸亚铁或氯化亚铁,摩尔浓度为0.26~0.52mol/L;铁盐为硫酸铁或氯化铁,摩尔浓度为0.09~0.18mol/L;凹土与氧氯化锆、亚铁盐、铁盐、水的质量比为1∶0.66~5.24∶2.86~5.78∶0.58~1.85∶40。
4.按照权利要求2所述的磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂的制备方法,其特征在于:其中,碱液为NaOH或KOH溶液,其摩尔浓度为0.1~1mol/L。
5.按照权利要求2所述的磁性SO4 2-/ZrO2/Fe3O4/凹土固体酸催化剂的制备方法,其特征在于:其中,H2SO4溶液的浓度为0.5~1mol/L,煅烧温度为400~500℃。
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