CN102513128B - 一种降解1,2-二氯乙烷的催化剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降解1，2-二氯乙烷的催化剂，该催化剂的制备方法如下：利用容积沉积法使金属钯前驱体中的钯离子以沉淀的形式沉积在载体γ-氧化铝表面上，分离出负载载体并干燥，在氢气氛围中于300℃～400℃下使钯离子还原为金属钯，还原后移至金属铜前驱体溶液中，在氢气的作用下使铜离子在金属钯的表面上还原成金属铜，形成钯铜合金，干燥即得。本发明的催化剂表面上所形成的钯铜合金，能有效地促进1，2-二氯乙烷的选择性还原效果，提高产物乙烯的选择性，充分实现污染物1，2-二氯乙烷的资源化。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护领域，特别涉及一种提高1，2-二氯乙烷资源化效率所用的催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
去除含氯有机物的方法主要包括焚烧、催化燃烧、催化加氢和生物降解等。其中使用较多的是直接焚烧，因为处理工艺简单。但是，它主要针对含量较高的废气，且容易生成二次污染物，还需要高能耗。在此基础上逐渐发展了催化燃烧技术，可以节能同时避免二次污染物生成。而催化燃烧对污染物的资源化利用考虑不足。从可持续发展的角度出发，催化加氢脱氯技术日趋受到重视。催化加氢脱氯既避免二次污染，又可实现资源化的目的，因此是处理氯代有机物的最有潜力的技术。尤其是对较高浓度的氯代有机物污染气具有较好的经济价值。
催化加氢脱氯技术中的重要环节是催化剂的选择。用于氯代有机化合物催化脱氯的催化剂主要有单金属型催化剂和复合型催化剂。单金属型催化剂主要为Pd，Pt等贵金属负载催化剂，具有较高的活性，主要产物为饱和烃。这类催化剂有两个缺点，一方面对于工业生产而言，饱和烃经济价值不如不饱和烃高；另一方面容易发生催化剂中毒现象。复合型催化剂是在单金属催化剂的基础上掺入第二种金属，如Cu，Ag，Ru，Sn等，一方面可以形成相对应的双金属合金，有利于提高更高经济价值的不饱和烃的选择性；另一方面可以减少氯化氢在Pd、Pt等贵金属表面的吸附，从而提高催化剂抗中毒能力。
但是采用传统的法，将钯、铜通过共浸渍的方法负载到载体表面上，这样会形成大量的钯晶体和铜晶体，聚集在一起的钯晶体会将1，2-二氯乙烷直 接还原成乙烷，乙烯选择性较低，使得1，2-二氯乙烷资源化效率低。
发明内容
本发明的目的是针对1，2-二氯乙烷的催化还原产物经济价值高的乙烯选择性较低的问题，提供一种能提高乙烯选择性以提高1，2-二氯乙烷资源化效率的催化剂。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种降解1，2-二氯乙烷的催化剂，该催化剂的制备方法如下：利用容积沉积法使金属钯前驱体中的钯离子以沉淀的形式沉积在载体γ-氧化铝表面上，分离出负载载体并干燥，在氢气氛围中于300℃～400℃下使钯离子还原为金属钯，还原后移至金属铜前驱体溶液中，在氢气的作用下使铜离子在金属钯的表面上还原成金属铜，形成钯铜合金，干燥即得。
本发明所述的容积沉积法是一种本领域中通用的方法，本发明对其步骤并无具体要求。一种优选的方案中容积沉积法采用下述步骤：将载体γ-氧化铝加入金属钯前驱体溶液中，在搅拌下逐渐加入氢氧化钠溶液直至体系的pH值达7.2～7.8，使钯离子以氢氧化钯的形式沉积在载体γ-氧化铝表面上。其中在小试中氢氧化钠的加入是在不断搅拌条件下，逐滴滴入以逐步提高溶液的碱性。
本发明的催化剂的组成和质量百分比含量为：金属钯含量0.5％～1.5％、金属铜含量0.5％～3％，其余为载体。
本发明所述的金属钯前驱体是指可溶于水的钯盐，具体可是硝酸钯或氯化钯等中的一种。本发明对金属钯前驱体溶液中钯离子的浓度并无特定要求，由于容积沉积法可以使金属钯前驱体溶液中的钯离子绝大部分或全部沉积在载体上，故只需根据催化剂组成中的金属钯的含量控制金属钯前驱体溶液中钯离子的总量即可。
本发明中，氢气氛围中使钯离子还原为金属钯的反应时间优选为2～6小时，进一步优选4～6小时。
本发明所述的金属铜前驱体是指可溶于水的铜盐，具体可以是硝酸铜或 氯化铜等中的一种。本发明对金属铜前驱体溶液中铜离子的浓度并无特定要求，由于还原反应可以使金属铜前驱体溶液中的铜离子绝大部分或全部沉积在载体上，故只需根据催化剂组成中的金属铜的含量控制金属铜前驱体溶液中铜离子的总量即可；在一种方案中，Cu2+浓度可以范围控制在0.1～0.3mol/L。
本发明中在氢气的作用下使铜离子还原成金属铜的步骤，具体是边曝氢气边不断搅拌溶液，使反应充分进行。该反应可直接在常温(20～30℃)下进行。铜离子还原成金属铜的时间可以根据反应的进度进行控制，一般在1～3小时范围内，当然也可以根据反应体系中铜离子的反应进度进行相应调节。
本发明的载体可采用现有技术中的各种γ-氧化铝，一种优选的方案是该载体由氧化铝在550℃～650℃下焙烧2～6h进行活化后制得。
本发明中所述的干燥，对具体所采用的设备和步骤并无具体要求，其可适应于本领域中的各种干燥操作。一种优选的方案是在真空干燥箱中进行烘干。
本发明提供了一种降解1，2-二氯乙烷的催化剂的制备方法，具体为：利用容积沉积法使金属钯前驱体中的钯离子以沉淀的形式沉积在载体γ-氧化铝表面上，分离出负载载体并干燥，在氢气氛围中于300℃～400℃下使钯离子还原为金属钯，还原后移至金属铜前驱体中，在氢气的作用下使铜离子在金属钯的表面上还原成金属铜，形成钯铜合金，干燥即得。本方法优选的各步骤、原料及条件如上所述。
本发明的催化剂，先将钯离子以氢氧化钯的形式沉积在载体γ-氧化铝表面，不仅提高了钯在载体表面上的分散度，而且降低了钯颗粒粒径，然后利用还原法将铜离子在钯颗粒表面上还原成金属铜，最终形成钯铜合金。实验证实，在催化反应过程中，钯铜合金能有效地通过协同作用，将1，2-二氯乙烷选择性地还原成乙烯，较大程度上提高了乙烯的选择性，降低了乙烷的选择性。
本发明还提供了一种降解1，2-二氯乙烷的方法：采用上述降解1，2-二氯乙烷的催化剂，在200～400℃下催化还原由氮氢背景气负载1，2-二氯乙烷的 混合气体。其中氮氢背景气为氢气和氮气；所述氢气流速优选为2～6mL·min-1，氮气流速优选为30～40mL·min-1。
上述方法证实，相比较传统方法制备的催化剂，本发明的催化剂对乙烯的选择性有较大的提高。在相同反应条件下，利用传统方法制备的催化剂对1，2-二氯乙烷进行催化还原反应，乙烯的选择性最高只能达到80％，而利用本发明制备的催化剂进行催化还原反应，产物乙烯的选择性能达到92％以上，而且稳定性较好。本发明与现有技术相比，具有显著的优点。
本发明的方法钯是通过容积沉积法的方法负载到载体表面上，形成的钯颗粒粒径较小，分散度较高，为下一步铜的负载提高了较大的附着表面，铜离子于氢气氛围中在钯表面还原成单质铜，从而形成了钯铜合金，避免了钯聚集体的出现，因而有效地减少了乙烷的产生，提高了乙烯的选择性。将本发明催化剂用于催化还原1，2-二氯乙烷，能有效的提高产物乙烯的选择性，由于乙烯的经济价值大于乙烷，故本发明的催化剂能有效地提高1，2-二氯乙烷的资源化效率，具有良好的经济和环境效益。
具体实施方式
下面用实施例来进一步说明本发明，但本发明并不受其限制。
实施例1
将商品氧化铝在600℃下焙烧4h，活化后得到γ-氧化铝。
准确称取上述1gγ-氧化铝载体，加入溶解有0.01g钯离子的硝酸钯水溶液中，在搅拌下逐滴滴入氢氧化钠溶液以逐步提高溶液的碱性，直至体系的pH值达7.4～7.5，使钯离子充分反应后以氢氧化钯的形式沉积在载体γ-氧化铝表面上；过滤后进干燥箱干燥烘干，然后在氢气氛围中于300℃温度下还原4小时，转移至含0.02g铜离子硝酸铜溶液中，边曝氢气边不断搅拌溶液，使铜离子在金属钯的表面上还原成金属铜，形成钯铜合金，最后送入真空干燥箱烘干，得到催化剂，金属钯质量含量1％，金属铜的质量含量2％，以Cat1表示。
同时利用传统法制备含等量的钯铜催化剂：准确称取1gγ-氧化铝载体， 将其投加到含有0.01g钯离子的钯前驱体硝酸钯和含0.02g铜离子硝酸铜的混合溶液中，水浴加热至80℃并不断搅拌上述混合物直至蒸干，将所得粉末在450℃温度下灼烧4h得到催化剂，以Cat2表示。
准确称取0.1g催化剂Cat1和Cat2，经压片、20-40目过筛后的样品装在内径为6mm的石英反应管中，在氢气气氛下400℃还原2h。降至反应温度250℃，切换至反应气氛。反应气包括氮氢混合背景气与自挥发1，2-二氯乙烷，背景气通过质量流量计控制气体流速为41mL·min-1，其中氢气流速为6mL·min-1，氮气流速为35mL·min-1，以保证反应体系中的氢处于过量状态。1，2-二氯乙烷使用注射泵(兰格TJ-IA型)和微量进样针(Hamilton1mL进样针)进样，进样针在注射泵的控制下，向装置均匀注入1，2-二氯乙烷，将其推入氮氢混合的背景气中。反应气体连续流过催化剂床层，反应尾气经气相色谱在线检测。所用气相色谱是北京仪器分析厂的3420气相色谱仪，采用Porapak Q填充柱分离1，2-二氯乙烷、乙烷和乙烯，并分析生成物乙烯与乙烷的比例。
在相同反应条件下，利用Cat2催化剂对1，2-二氯乙烷进行催化还原反应，乙烯的选择性为80％，而利用Cat1催化剂进行催化还原反应，产物乙烯的选择性为92％(产物中乙烯的摩尔量是乙烷的11.5～11.8倍)。
实施例2
制备方法和反应条件同实施例1，仅把氢气氛围中将钯离子还原为金属钯的反应温度调为400℃，利用该法制备的催化剂进行同实施例1的催化还原反应，产物乙烯的选择性能达到95％，利用传统方法制备的催化剂进行相同的反应，产物乙烯的选择性为82％。
实施例3
制备方法和反应条件同实施例1，仅改变制备催化剂时各前驱体溶液中所投加的钯、铜离子含量，最终使催化剂钯质量百分含量为1.1％，铜百分含 量为2.5％。利用该法制备的催化剂进行同实施例1的催化还原反应，产物乙烯的选择性能达到96％，而利用传统方法制备的催化剂进行的相同的反应，产物乙烯的选择性为84％。
Claims (7)
1.一种降解1,2-二氯乙烷的催化剂，其特征在于该催化剂的制备方法如下：利用容积沉积法使金属钯前驱体中的钯离子以沉淀的形式沉积在载体γ-氧化铝表面上，分离出负载载体并干燥，在氢气氛围中于300℃～400℃下使钯离子还原为金属钯，还原后移至金属铜前驱体溶液中，在氢气的作用下使铜离子在金属钯的表面上还原成金属铜，形成钯铜合金，干燥即得：该催化剂中金属钯的质量含量为0.5%~1.5%，金属铜的质量含量为0.5%~3%；
其中所述容积沉积法为：将载体γ-氧化铝加入金属钯前驱体溶液中，在搅拌下逐渐加入氢氧化钠溶液直至体系的pH值达7.2～7.8，使钯离子以氢氧化钯的形式沉积在载体γ-氧化铝表面上；所述金属钯前驱体为硝酸钯或氯化钯中的一种；所述金属铜前驱体为硝酸铜或氯化铜中的一种。
2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于在氢气氛围中使钯离子还原为金属钯的反应时间为4～6小时。
3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于所述载体γ-氧化铝由氧化铝在550 ℃～650℃下焙烧2～6 h进行活化后制得。
4.一种权利要求1所述的降解1,2-二氯乙烷的催化剂的制备方法，其特征在于利用容积沉积法使金属钯前驱体中的钯离子以沉淀的形式沉积在载体γ-氧化铝表面上，分离出负载载体并干燥，在氢气氛围中于300℃～400℃下使钯离子还原为金属钯，还原后移至金属铜前驱体中，在氢气的作用下使铜离子在金属钯的表面上还原成金属铜，形成钯铜合金，干燥即得。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于该催化剂中金属钯的质量含量为0.5%~1.5%，金属铜的质量含量为0.5%~3%；所述金属钯前驱体为硝酸钯或氯化钯中的一种；所述金属铜前驱体为硝酸铜或氯化铜中的一种。
6.一种降解1,2-二氯乙烷的方法，其特征在于采用权利要求1中所述的催化剂，在200～400℃下催化还原由氮氢背景气负载1,2-二氯乙烷的混合气体。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述氮氢背景气为氢气和氮气；所述氢气流速为2～6mL·min-1，氮气流速为30～40 mL·min-1。
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