CN102133535A - 硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂的制备方法 - Google Patents
硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂的制备方法，以一水硫酸氢钠与凹凸棒黏土为原料，通过溶液浸渍法和热分散法分别制备复合固体酸催化剂。溶液浸渍法步骤为：搅拌条件下将硫酸氢钠溶液和凹凸棒黏土间歇加入圆柱形玻璃容器中，加料结束后浸渍一定的时间；再将混和物引入干燥器或抽滤后送入干燥器，搅拌加热至混和物干燥，得复合催化剂；热分散法步骤为：搅拌条件下将一水硫酸氢钠和凹凸棒黏土间歇加入圆柱形玻璃容器中，升温至硫酸氢钠熔点以上；加料结束后搅拌至混和物由粘稠状变成粉末状后停止，得复合催化剂。本发明既充分利用了廉价的凹凸棒黏土资源，又提高了催化效果，而且复合固体酸催化剂不易结块，便于成型、存储、运输和工业应用。
Description
技术领域
本发明涉及复合固体酸催化剂的制备方法，具体涉及一种以凹凸棒黏土为载体运用溶液浸渍法和热分散法分别制备硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂，并将其应用于醇脱水与酯化反应中。
背景技术
硫酸氢钠是强离子型化合物，也是稳定的晶体，价廉易得，由于它易溶于水，水溶液呈强酸性，不溶于有机酸和醇的反应体系，因而可替代硫酸作为催化醇脱水反应、羧酸与醇的酯化反应及催化缩合反应等。该催化剂具有反应后处理工艺简单，产物与催化剂直接分离，对设备腐蚀和环境污染比硫酸小，而且贮存、运输也比硫酸方便等优点。然而在实际应用中存在以下缺点：（1）直接使用硫酸氢钠作为催化剂时，由于硫酸氢钠的熔点只有58.5℃，然而一般醇脱水、酯化等酸催化的反应温度都在此温度之上，因此，硫酸氢钠以熔融状态存在，此时流体粘度较大，容易发生盐的包覆现象，使可以催化的活性位点减少，这导致化学反应速率的降低，同时还增加了催化剂的用量。（2）虽然生成的有机产物可与催化剂直接分离，但是在更换催化剂时，残留的盐催化剂结块及其在反应器与管道壁面包覆现象都非常严重，甚至堵塞管道，这些残留催化剂又难以在常温下清除，影响下一周期的反应，提高了生产成本。（3）一水硫酸氢钠长时间放置时容易结块，而且一水硫酸氢钠固体酸催化剂不容易成型，造成装卸困难且耗时，阻碍其工业应用。
凹凸棒石黏土（简称凹土）是一种层链状结构的镁铝硅酸盐黏土矿物，属于典型的天然一维纳米矿物。凹土因其独特的纤维状或棒状晶体形态和层链状晶体结构赋予其很大的比表面积，化学稳定性好，具有不同寻常的胶体和吸附性能，凹土层板表面富含羟基而带负电荷，而且凹土具有发达的介孔和大孔孔道，这为其表面改性提供了众多的活性点，这也是其它常规吸附剂如活性炭和硅胶所不具备的。天然纳米凹土在我国储量巨大，仅江苏省淮安市盱眙县已探明凹土矿资源储量1.03亿吨，占全世界已探明凹土储量的44％，占全国已探明凹土储量的73％，远景储量达11.7亿吨，其价格比常规催化剂载体如活性炭和硅胶要低的多，而且开发利用过程能耗较低，是一种具有独特结构的天然廉价吸附剂。为此，如何把低附加值的天然凹土资源开发成具有高附加值的凹土复合催化材料，对凹土基功能复合材料为基础的催化、吸附及其分离技术研究，都具有重要的科学意义。因此，加强科学研究，开发功能化高端产品，实现凹土资源的科学开发和高效利用，符合国家和地方政府的产业和技术政策，也是推动地方资源优势转化为地方经济优势的必然要求。
发明内容
本发明的目的是：提供硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂的制备方法，以凹土为载体，运用溶液浸渍和热分散两类方法负载强离子型化合物硫酸氢钠，这既充分利用了廉价的凹土资源，又提高了固体酸催化剂的催化效果，并减少了催化剂用量；另外，复合固体酸催化剂不易结块，便于成型、存储和运输，拓宽了硫酸氢钠固体酸催化剂的工业应用范围，满足可持续发展要求。
本发明的技术解决方案是：复合固体酸催化剂以一水硫酸氢钠与凹土为原料，通过溶液浸渍法和热分散法分别制备硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂，该催化剂可应用于醇脱水与酯化反应中。
其中，采用溶液浸渍法制备复合固体酸催化剂的方法包括以下步骤：首先，配制不同摩尔浓度的硫酸氢钠溶液；其次，搅拌条件下按照一定的质量配比将硫酸氢钠溶液和凹土间歇加入圆柱形玻璃容器中，加料结束后浸渍一定的时间；最后，从容器底部将混和物引入干燥器中，直接搅拌加热至混和物干燥，或者将混和物抽滤后送入干燥器中再搅拌加热至混和物干燥，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
其中，采用热分散法制备复合固体酸催化剂的方法包括以下步骤：搅拌条件下按照一定的质量配比将一水硫酸氢钠和凹土间歇加入圆柱形玻璃容器中，并升温至硫酸氢钠熔点以上；加料结束后继续搅拌至混和物由粘稠状变成粉末状后停止，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
其中，上述两类方法中，凹土与硫酸氢钠的质量比例为1:0.5-1:6，优选1:2-1:4。
其中，上述溶液浸渍法中，所述的加入容器中硫酸氢钠溶液的摩尔浓度为0.2-3.0 mol·L-1，优选1.5-2.5 mol·L-1。
其中，上述溶液浸渍法中，所述的浸渍温度为15-80℃，优选20-40℃，加料结束后搅拌并保温浸渍30-240 min。
其中，上述热分散法中，所述的热分散温度为59-150℃，当凹土和一水硫酸氢钠混和物由粘稠状变成粉末状后停止，冷却至室温。
本发明具有以下优点：
1、该方法以凹土为载体制备硫酸氢钠复合固体酸催化剂，这既充分利用了廉价的凹土资源，又提高了凹土的附加值，投资较低且易操作，满足可持续发展要求。
2、该方法一方面利用了凹土发达的介孔和大孔孔道，增加了硫酸氢钠催化剂均匀分散的场所，强化了化学反应的传质过程；另一方面，利用了凹土层板表面富含羟基而带负电荷的这一特性，增加了活性负载位点。这两方面因素提高了硫酸氢钠在凹土上的负载率及其催化效果，减少了反应的催化剂用量。
3、该方法利用了凹土具有较好的吸水性能，使得复合固体酸催化剂应用于醇脱水或酯化平衡反应体系中时，可促使平衡反应向正向进行。
4、该方法避免了盐催化剂结块及其在容器与管道壁面包覆和堵塞的问题，使反应后续分离过程更加方便和高效；此外，复合固体酸催化剂只需要简单处理就可以循环使用，节约了生产成本，而且不存在环境污染问题。
5、该方法制备的复合固体酸催化剂在长时间放置时不易结块，便于存储、运输和直接使用。
6、该方法制备的复合固体酸催化剂易于成型，而且成型过程中所用辅料少，产品强度高，生产工艺简单，使催化剂易于在各种类型的反应器中装卸，从而拓宽了硫酸氢钠催化剂的应用范围。
附图说明
图1为复合固体酸催化剂的XRD图。
图中：1#、2#、3#、4#、5#和6#分别是一水硫酸氢钠、凹土、实施例2的复合固体酸催化剂、实施例4的复合固体酸催化剂、实施例10的复合固体酸催化剂与实施例13的复合固体酸催化剂的XRD图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1：首先，配制0.2 mol·L-1的硫酸氢钠溶液；其次，搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和416.8 mL 0.2 mol·L-1的硫酸氢钠溶液间歇加入温度为15℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后再浸渍30 min；最后，从容器底部将混和物引入干燥器中，直接搅拌加热至混和物干燥，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例2：首先，配制0.5 mol·L-1的硫酸氢钠溶液；其次，搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和333.4 mL 0.5 mol·L-1的硫酸氢钠溶液间歇加入温度为20℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后再浸渍60 min；最后，从容器底部将混和物抽滤后再搅拌加热至混和物干燥，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例3：首先，配制1.0 mol·L-1的硫酸氢钠溶液；其次，搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和250.0 mL 1.0 mol·L-1的硫酸氢钠溶液间歇加入温度为30℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后再浸渍90 min；最后，从容器底部将混和物引入干燥器中，直接搅拌加热至混和物干燥，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例4：首先，配制1.5 mol·L-1的硫酸氢钠溶液；其次，搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和222.2 mL 1.5 mol·L-1的硫酸氢钠溶液间歇加入温度为40℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后再浸渍120 min；最后，从容器底部将混和物抽滤后再搅拌加热至混和物干燥，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例5：首先，配制2.0 mol·L-1的硫酸氢钠溶液；其次，搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和250.0 mL 2.0 mol·L-1的硫酸氢钠溶液间歇加入温度为50℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后再浸渍150 min；最后，从容器底部将混和物引入干燥器中，直接搅拌加热至混和物干燥，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例6：首先，配制2.2 mol·L-1的硫酸氢钠溶液；其次，搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和303.0 mL 2.2 mol·L-1的硫酸氢钠溶液间歇加入温度为60℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后再浸渍180 min；最后，从容器底部将混和物抽滤后再搅拌加热至混和物干燥，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例7：首先，配制2.5 mol·L-1的硫酸氢钠溶液；其次，搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和333.3 mL 2.5 mol·L-1的硫酸氢钠溶液间歇加入温度为70℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后再浸渍210 min；最后，从容器底部将混和物引入干燥器中，直接搅拌加热至混和物干燥，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例8：首先，配制3.0 mol·L-1的硫酸氢钠溶液；其次，搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和333.3 mL 3.0 mol·L-1的硫酸氢钠溶液间歇加入温度为80℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后再浸渍240 min；最后，从容器底部将混和物抽滤后再搅拌加热至混和物干燥，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例9：搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和11.5 g一水硫酸氢钠间歇加入59℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后继续搅拌至混和物由粘稠状变成粉末状后停止，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例10：搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和23.0 g一水硫酸氢钠间歇加入65℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后继续搅拌至混和物由粘稠状变成粉末状后停止，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例11：搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和34.5 g一水硫酸氢钠间歇加入75℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后继续搅拌至混和物由粘稠状变成粉末状后停止，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例12：搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和46.0 g一水硫酸氢钠间歇加入90℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后继续搅拌至混和物由粘稠状变成粉末状后停止，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例13：搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和69.0 g一水硫酸氢钠间歇加入105℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后继续搅拌至混和物由粘稠状变成粉末状后停止，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例14：搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和92.0 g一水硫酸氢钠间歇加入120℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后继续搅拌至混和物由粘稠状变成粉末状后停止，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例15：搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和115.0 g一水硫酸氢钠间歇加入135℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后继续搅拌至混和物由粘稠状变成粉末状后停止，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例16：搅拌条件下将20.0 g凹凸棒黏土和138.0 g一水硫酸氢钠间歇加入150℃的圆柱形玻璃容器中，加料结束后继续搅拌至混和物由粘稠状变成粉末状后停止，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
实施例17：在干燥的100 mL烧瓶中加入30.0 g环己醇和一定量的复合固体酸催化剂，放入油浴中，装上一短的分馏柱和温度计，接上冷凝管，接受瓶浸在冷水中冷却；开动电磁搅拌，缓慢加热至沸，控制分馏柱顶部的馏出温度为77-90℃，馏出液为带水的混浊液，至无液体馏出时，停止蒸馏；馏出液用精食盐饱和，得透明溶液，有机层用无水氯化钙干燥后常压蒸馏收集80-86℃馏分，收率达到90.1%。
实施例18：在干燥的100 mL烧瓶中加入0.4 mol肉桂酸、1.2 mol无水乙醇和一定量的复合固体酸催化剂，放入油浴中，装上回流冷凝管和温度计，开动电磁搅拌，加热，回流反应2h，反应结束后，冷却，过滤出催化剂，分液漏斗分液后，无水氯化钙干燥20 h，减压蒸馏，收集128～132℃/1.2 kPa的馏分，得无色油状有香味的液体，酯收率达94.3%。
说明：实施例1～8为溶液浸渍法，实施例9～16为热分散法；其中，实施例1和9凹凸棒黏土和硫酸氢钠的质量比为1:0.5；实施例2和10凹凸棒黏土和硫酸氢钠的质量比为1:1；实施例3和11凹凸棒黏土和硫酸氢钠的质量比为1:1.5；实施例4和12凹凸棒黏土和硫酸氢钠的质量比为1:2；实施例5和13凹凸棒黏土和硫酸氢钠的质量比为1:3；实施例6和14凹凸棒黏土和硫酸氢钠的质量比为1:4；实施例7和15凹凸棒黏土和硫酸氢钠的质量比为1:5；实施例8和16凹凸棒黏土和硫酸氢钠的质量比为1:6。
Claims (10)
1.硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂的制备方法，其特征在于：复合固体酸催化剂以一水硫酸氢钠与凹凸棒黏土为原料，通过溶液浸渍法和热分散法分别制备硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂，该催化剂可应用于醇脱水与酯化反应中。
2.根据权利要求1所述的硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂的制备方法，其特征在于采用溶液浸渍法制备复合固体酸催化剂的方法包括以下步骤：首先，配制不同摩尔浓度的硫酸氢钠溶液；其次，搅拌条件下按照一定的质量配比将硫酸氢钠溶液和凹凸棒黏土间歇加入圆柱形玻璃容器中，加料结束后保温浸渍一定的时间；最后，从容器底部将混和物引入干燥器中，直接搅拌加热至混和物干燥，或者将混和物抽滤后再送入干燥器中搅拌加热至混和物干燥，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
3.根据权利要求1所述的硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂的制备方法，其特征在于采用热分散法制备复合固体酸催化剂的方法包括以下步骤：搅拌条件下按照一定的质量配比将一水硫酸氢钠和凹凸棒黏土间歇加入圆柱形玻璃容器中，并升温至硫酸氢钠熔点以上；加料结束后继续搅拌至混和物由粘稠状变成粉末状后停止，冷却至室温，得到硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂。
4.根据权利要求2或3所述的硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂的制备方法，其特征在于：其中，上述两类方法中，凹凸棒黏土与硫酸氢钠的质量比例为1:0.5-1:6。
5.根据权利要求4所述的硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂的制备方法，其特征在于：凹凸棒黏土与硫酸氢钠的质量比例为1:2-1:4。
6.根据权利要求2所述的硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂的制备方法，其特征在于：其中，上述溶液浸渍法中，所述的加入容器中硫酸氢钠溶液的摩尔浓度为0.2-3.0 mol·L-1。
7.根据权利要求6所述的硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂的制备方法，其特征在于：加入容器中硫酸氢钠溶液的摩尔浓度为1.5-2.5 mol·L-1。
8.根据权利要求2所述的硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂的制备方法，其特征在于：其中，上述溶液浸渍法中，所述的浸渍温度为15-80℃，加料结束后搅拌并保温浸渍30-240 min。
9.根据权利要求8所述的硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂的制备方法，其特征在于：上述溶液浸渍法中所述的浸渍温度为20-40℃。
10.根据权利要求3所述的硫酸氢钠/凹凸棒黏土复合固体酸催化剂的制备方法，其特征在于：其中，上述热分散法中，所述的热分散温度为59-150℃，当凹凸棒黏土和一水硫酸氢钠混和物由粘稠状变成粉末状后停止，冷却至室温。
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