CN102744056A - 一种负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土多相催化剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土多相催化剂,是以自制的铝柱撑蒙脱土为载体,分别用四氯化钛的乙醇溶液和偏钒酸铵的草酸溶液为浸渍液,采用过量浸渍法将钛、钒氧化物负载于所述的铝柱撑蒙脱土中,经干燥、焙烧制得。本发明载体原料易得,制备方法简单,易于操作,催化剂活性高,稳定性好。将此催化剂用于以丙烯醛、环戊酮和氨气为原料合成2,3-环戊烯并吡啶的气固相反应,获得很好的效果,催化剂价格便宜,具有很好的开发前景。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种多相催化剂的制备方法,及其在气固相反应合成2,3-环戊烯并吡啶中的应用。
(二)背景技术
2,3-环戊烯并吡啶是一种吡啶衍生物,是合成头孢匹罗的重要中间体,也被广泛应用于制备植物保护剂、合成树脂、塑料制品等。头孢匹罗作为第四代新型头孢菌素,具有广谱、高效、低毒、耐酶等特点,是已知头孢菌素中对革兰氏阳性菌抗菌活性最强的抗生素,最早于1992年以Cefrom的商品名在瑞典上市。虽然头孢匹罗在发达国家已上市使用二十年,但由于国内经济、技术等条件的限制,未能形成规模,仍处于起步阶段。
目前,合成头孢匹罗的中间体2,3-环戊烯并吡啶的制备主要通过液相有机催化合成方法。这方面的文献报道很多,但工艺过程十分复杂,具有操作难,周期长,反应条件苛刻,成本高等缺点,具有实用价值的合成方法不多,因此限制了工业化生产。
Abbiati等[J.Org.Chem.,2003,68(18),6959-6966]以环戊酮和炔丙胺为原料,乙醇为溶剂,金盐为催化剂,液相合成2,3-环戊烯并吡啶,收率70%,该法反应条件温和,但催化剂成本高。宫平等[沈阳医科大学学报,2001,18(2),102-103]以N-羟基邻苯二甲酰亚胺为起始原料,在溶剂二甲基甲酰胺(DMF)和碳酸钾作用下与3-溴丙烯反应,生成N-烯丙基氧基邻苯二甲酰胺,再与水合肼、环戊酮反应得到O-烯丙基-环戊酮肟,然后在氧气作用下热重排得到2,3-环戊烯并吡啶,收率35%。该法副产物多,分离困难。反应式如下:
于东海等[中国专利:申请号200610068419.6,2006-08-22]以2,5,6,7-四氢-2-氧代-1H-环戊烷并吡啶-3-氰基为原料,在酸性条件下水解脱羧再用POCl3氯化,最后钯碳催化氢化制得,收率约70%。该法适于批量生产,分离困难,产生废水多。反应式如下:
气固相催化反应合成2,3-环戊烯并吡啶的文献报道很少。文献[美国专利:4332940,1982-06-01;合成化学,2008,16(2),242-244]公开了使用SiO2-Al2O3或Al2O3为载体,采用浸渍法制备的含Mg、Ti、F的多相催化剂的作用下,丙烯醛、环戊酮和氨气为原料,420°C反应合成2,3-环戊烯并吡啶,收率65-69%,但催化剂极易失活,反应单程寿命一般为2-5h。反应式式如下:
以丙烯醛、环戊酮和氨气为原料,气固相合成2,3-环戊烯并吡啶的反应为齐齐巴宾反应,属于酸催化反应,催化剂的总酸量、酸位和酸强度影响催化剂的活性和寿命。催化剂的强酸中心易导致副反应的增多,促使醛在固体酸表面自身聚合,导致2,3-环戊烯并吡啶的选择性降低;而酸性太弱则催化剂活性不够,反应物的转化率低。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种负载双金属Ti、V的铝柱撑蒙脱土多相催化剂,使其能应用于气固相反应合成2,3-环戊烯并吡啶,提高2,3-环戊烯并吡啶生产效率,简化合成工艺,减少三废。本发明的催化剂制备方法具有成本低,催化性能好的优点。
本发明提供的一种气固相反应合成2,3-环戊烯并吡啶中的多相催化剂的制备方法,以钠基蒙脱土为起始原料,通过蒙脱土提纯、铝交联剂的制备、铝柱撑蒙脱土的制备和负载金属钛和钒五步法制备。
本发明采用的技术方案是:
一种负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土多相催化剂,其特征在于所述催化剂按照以下方法制得:
(1)蒙脱土的提纯:将钠基蒙脱土加入去离子水中,打浆配成含钠基蒙脱土的质量百分分数为3-5%的悬浮液,静置12-24h,弃去漂浮物和残渣,悬浮液离心分离、过滤,滤饼于100-120℃空气气氛下干燥4-6h,制得提纯的蒙脱土;
(2)铝交联剂的制备:将0.5~2mol/L的NaOH溶液和0.5~2mol/L的AlCl3溶液混合,控制NaOH溶液中OH-与AlCl3溶液中Al3+的摩尔比为2.0-2.5:1,将混合液在80-90℃强烈搅拌2-4h,再于35-45℃恒温老化4-10h,冷却至室温,制得铝交联剂;
(3)铝柱撑蒙脱土的制备:将步骤(1)制得的提纯的蒙脱土分散到去离子水中,在65-75℃下充分搅拌(通常搅拌1~2小时),配制成2-3wt%的蒙脱土悬浊液,将步骤(2)制备的铝交联剂滴加到蒙脱土悬浊液中,边滴加边剧烈搅拌,控制滴加速度通常在2-5mL/min,控制恒温50-70℃,滴加完后继续恒温50-70℃搅拌1~3h,停止搅拌,恒温50-70℃老化4~6h后离心分离,取固相用去离子水洗涤至无Cl-,抽滤,滤饼用挤条机挤压成型,在空气气氛下100-120℃烘干,再于450-500℃焙烧4~6小时,制得铝柱撑蒙脱土;所述铝交联剂中Al3+的物质的量与蒙脱土悬浮液中蒙脱土的质量的比例为3-5mmol/g;
(4)负载Ti的铝柱撑蒙脱土的制备:以步骤(3)中制得的铝柱撑蒙脱土为载体A,按照Ti元素的负载量以载体A的质量计为1~5wt%(优选2~5wt%),计算出与负载Ti元素相等物质的量的四氯化钛的理论量,称取理论量的四氯化钛溶解在乙醇中配成钛浸渍溶液,乙醇的体积用量为载体A的孔体积的1-5倍,将载体A完全浸没于钛浸渍溶液中,搅拌均匀,使载体A充分湿润,浸渍8-12h,然后将全部钛浸渍溶液和载体A在空气气氛下100-120℃干燥,450~500℃焙烧3~4小时,即制得负载Ti的铝柱撑蒙脱土;通常制得的铝柱撑蒙脱土的孔体积,即载体A的孔体积可根据Micromeritics ASAP2010物理吸附仪测得,本领域技术人员公知孔体积的测量方式。
(5)负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土催化剂的制备:以步骤(4)中制得的负载Ti的铝柱撑蒙脱土为载体B,按照V元素的负载量以载体B的质量计为1~4wt%,计算出与负载V元素相等物质的量的偏钒酸铵的理论量,称取理论量的偏钒酸铵溶于去离子水中,加入草酸配成钒浸渍溶液,去离子水的体积用量为载体B的孔体积的1-5倍,,钒浸渍溶液中草酸的浓度为0.15~0.90mol/L(优选0.37~0.41mol/L),将载体B完全浸没于钒浸渍溶液中,搅拌均匀,使载体B充分湿润,浸渍8-12h,然后将全部钒浸渍溶液和载体B在空气气氛下100-120℃干燥,450~500℃焙烧3~4小时,即制得所述的负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土催化剂,通常制得的负载Ti的铝柱撑蒙脱土的孔体积,即载体B的孔体积可根据Micromeritics ASAP2010物理吸附仪测得,本领域技术人员公知孔体积的测量方式。。
所述步骤(1)中,采用的钠基蒙脱土可采用各种不同的钠基蒙脱土粗矿,然后经步骤(1)自行提纯即可。优选使用中国浙江临安钠基蒙脱土,如由浙江华特公司生产的钠基蒙脱土,蒙脱土经提纯后,阳离子交换容量通常为90~-120mmol/100g之间
所述步骤(2)中,所述的NaOH溶液的浓度优选为1mol/L,AlCl3溶液的浓度优选为1mol/L。
本发明所述步骤(3)得到的铝柱撑蒙脱土的孔体积通常为0.15-0.60cm3/g。
本发明所述步骤(4)负载Ti的铝柱撑蒙脱土的孔体积通常为0.15-0.60cm3/g。
本发明所述步骤(4)中,四氯化钛为TiCl4,所述的钛浸渍溶液中四氯化钛的浓度通常为0.15~1.28mol/L。
本发明所述步骤(5)中,偏钒酸铵为NH4VO3,所述的钒浸渍溶液偏钒酸铵浓度通常为0.14~0.97mol/L。
本法所述的负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土多相催化剂可用于催化气固相反应合成2,3-环戊烯并吡啶,具体的,所述应用的方法为:采用固定床常压气固相催化方法,在常压固定床催化反应装置的反应管中装入所述负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土多相催化剂,向反应管内通入原料气丙烯醛、环戊酮和氨气,以氮气为载气,空速1000-2500h-1,原料丙烯醛与环戊酮与氨的物质的量之比为(1-2):1:(1-3),于320~450℃下反应6~72小时,合成气经冷凝得到混合物,混合物经蒸馏分离,得到2,3-环戊烯并吡啶。
本发明提供的催化剂的载体原料易得,制备方法简单,易于操作,催化剂活性高,稳定性好。将此催化剂用于以丙烯醛、环戊酮和氨气为原料合成2,3-环戊烯并吡啶的气固相反应,获得很好的效果,催化剂价格便宜,具有很好的开发前景。
(四)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述,但本发明的保护范围并不仅限于此:
实施例1:
(1)蒙脱土(MMT)的提纯:取40g中国浙江临安钠基蒙脱土(浙江华特公司)用1293mL去离子水打浆配成质量分数为3%的悬浮液,静置20h,弃去漂浮物和残渣,悬浮液离心分离、过滤,滤饼在110°C空气氛下干燥4h,制得提纯的蒙脱土(MMT)26.8g。
(2)铝交联剂的制备:将150mL、1mol/L的NaOH溶液和75mL、1mol/L的AlCl3溶液混合,控制溶液中OH-与Al3+的摩尔比为2.0:1,将混合液在80°C强烈搅拌2h,40°C恒温老化6h,冷却至室温,制得铝交联剂。
(3)铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)的制备:将25g提纯的蒙脱土(MMT)分散到1225mL去离子水中,在65℃下搅拌1h,配制成2wt.%的蒙脱土悬浊液。按Al3+的毫摩尔数(mmol)与蒙脱土的质量(g)比为3:1,将步骤(2)制备的铝交联剂滴加到2wt.%的蒙脱土悬浊液中,边滴加边强烈搅拌,控制滴加时间1h,控制恒温50°C,滴加完后继续恒温50°C搅拌1h,然后停止搅拌,恒温50°C老化4h后离心分离,取固相用去离子水洗涤至无Cl-,抽滤,滤饼用挤条机挤压成型,在空气气氛下,110°C烘干,500°C焙烧4小时,制得铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)。
(4)负载Ti的铝柱撑蒙脱土(2%Ti-Al-MMT)的制备:根据Micromeritics ASAP2010物理吸附仪测得铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)的孔体积为0.21cm3/g,则20g铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)的孔体积为4.2cm3,设定每20g铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)需加入乙醇的体积为孔体积的4倍,则推算出浸渍溶剂乙醇为16.8mL。设定钛担载量为2wt.%,推算出需加入TiCl4为1.6132g。将1.6132g TiCl4加入16.8mL乙醇中,搅拌,得到透明的溶液(浓度为0.51mol/L),加入20g铝柱撑蒙脱土,搅拌均匀,使充分湿润,浸渍8h,然后将全部溶液和铝柱撑蒙脱土在空气氛下110℃干燥,450℃焙烧3小时,即得所述的负载2%Ti的铝柱撑蒙脱土(2%Ti-Al-MMT)。
(5)负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土(2%Ti-1%V-Al-MMT)的制备:以步骤(4)中制得的负载2%Ti的铝柱撑蒙脱土(2%Ti-Al-MMT)为载体,用过量浸渍法制备负载Ti、V催化剂。根据Micromeritics ASAP2010物理吸附仪测得负载2%Ti的铝柱撑蒙脱土(2%Ti-Al-MMT)的孔体积为0.19cm3/g,则20g负载2%Ti的铝柱撑蒙脱土(2%Ti-Al-MMT)的孔体积为3.8cm3,设定每20g负载2%Ti的铝柱撑蒙脱土(2%Ti-Al-MMT)需加入去离子水的体积为孔体积的5倍,则推算出浸渍溶剂去离子水为19.0mL。设定钒担载量为1wt.%,推算出需加入偏钒酸铵为0.4634g,二水草酸为0.99g。将0.4634g偏钒酸铵和0.99g草酸加入19.0mL去离子水中,搅拌,得到透明的溶液(偏钒酸铵浓度为0.21mol/L,草酸浓度为0.41mol/L),加入20g负载2%Ti的铝柱撑蒙脱土(2%Ti-Al-MMT),搅拌均匀,使充分湿润,浸渍8h,然后将全部溶液和负载2%Ti的铝柱撑蒙脱土在空气氛下110℃干燥,450℃焙烧3小时,即得所述的负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土(2%Ti-1%V-Al-MMT)。
(6)气固相反应合成2,3-环戊烯并吡啶:在常压固定床催化反应装置(反应管内径Φ25mm,长30cm的不锈钢管,内插入热电偶测温)中装入20g在步骤(5)中制备的负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土(2%Ti-1%V-Al-MMT),向反应管内通入原料气丙烯醛、环戊酮和氨气,载气氮气。环戊酮流量为0.2ml/min,氮气为500ml/min,空速1137.7h-1,原料丙烯醛与环戊酮与氨的摩尔比为1.2:1:1.5,在催化剂条件下,于330℃下反应6h,合成气经冷凝得到混合物,混合物经蒸馏分离,得到2,3-环戊烯并吡啶,经GC分析,2,3-环戊烯并吡啶选择性为80.3%,收率为52.3%。
实施例2:
参照上述的制备步骤
(1)蒙脱土(MMT)的提纯:取40g中国浙江临安钠基蒙脱土(浙江华特公司)用960mL去离子水打浆配成质量分数为4%的悬浮液,静置18h,弃去漂浮物和残渣,悬浮液离心分离、过滤,滤饼在110°C空气氛下干燥5h,制得提纯的蒙脱土(MMT)25.6g。
(2)铝交联剂的制备:将210mL、1mol/L的NaOH溶液和100mL、1mol/L的AlCl3溶液混合,控制溶液中OH-与Al3+的摩尔比为2.1:1,将混合液在85°C强烈搅拌3h,40°C恒温老化6h,冷却至室温,制得铝交联剂。
(3)铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)的制备:将25g提纯的蒙脱土(MMT)分散到1225mL去离子水中,在70°C下搅拌1h,配制成2wt.%的蒙脱土悬浊液。按Al3+的毫摩尔数(mmol)与蒙脱土的质量(g)比为4:1,将步骤(2)中制备的铝交联剂滴加到蒙脱土悬浊液中,边滴加边强烈搅拌,控制滴加时间2h,控制恒温60°C,滴加完后继续恒温60°C搅拌1h,然后停止搅拌,恒温60°C老化4h后离心分离,用去离子水洗涤至无Cl-,抽滤,滤饼用挤条机挤压成型,在空气气氛下,110°C烘干,500°C焙烧4小时,制得铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)。
(4)负载Ti的铝柱撑蒙脱土(3%Ti-Al-MMT)的制备:根据Micromeritics ASAP2010物理吸附仪测得铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)的孔体积为0.40cm3/g,则20g铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)的孔体积为8cm3,设定每20g铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)需加入乙醇的体积为孔体积的2.5倍,则推算出浸渍溶剂乙醇为20mL。设定钛担载量为3wt.%,推算出需加入TiCl4为2.4447g。将2.4447g TiCl4加入20mL乙醇中,搅拌,得到透明的溶液(浓度为0.64mol/L),加入20g铝柱撑蒙脱土,搅拌均匀,使充分湿润,浸渍10h,然后将全部溶液和铝柱撑蒙脱土在空气氛下110℃干燥,450℃焙烧4小时,即得所述的负载Ti的铝柱撑蒙脱土(3%Ti-Al-MMT)。
(5)负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土(3%Ti-2%V-Al-MMT)的制备:以步骤(4)中制得的负载3%Ti的铝柱撑蒙脱土(3%Ti-Al-MMT)为载体,用过量浸渍法制备负载Ti、V催化剂。根据Micromeritics ASAP2010物理吸附仪测得负载3%Ti的铝柱撑蒙脱土(3%Ti-Al-MMT)的孔体积为0.35cm3/g,则20g负载3%Ti的铝柱撑蒙脱土(3%Ti-Al-MMT)的孔体积为7cm3,设定每20g负载3%Ti的铝柱撑蒙脱土(3%Ti-Al-MMT)需加入去离子水的体积为孔体积的3倍,则推算出浸渍溶剂去离子水为21mL。设定钒担载量为2wt.%,推算出需加入偏钒酸铵为0.9363g,二水草酸为0.99g。将0.9363g偏钒酸铵和0.99g草酸加入21mL去离子水中,搅拌,得到透明的溶液(偏钒酸铵浓度为0.38mol/L,草酸浓度为0.37mol/L),加入20g负载3%Ti的铝柱撑蒙脱土(3%Ti-Al-MMT),搅拌均匀,使充分湿润,浸渍10h,然后将全部溶液和负载3%Ti的铝柱撑蒙脱土在空气氛下110℃干燥,450℃焙烧3小时,即得所述的负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土(3%Ti-2%V-Al-MMT)。
(6)气固相反应合成2,3-环戊烯并吡啶:在常压固定床催化反应装置(反应管内径Φ25mm,长30cm的不锈钢管,内插入热电偶测温)中装入20g在步骤(5)中制备的负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土(3%Ti-2%V-Al-MMT),向反应管内通入原料气丙烯醛、环戊酮和氨气,载气氮气。环戊酮流量为0.2ml/min,氮气为600ml/min,空速1470.9h-1,原料丙烯醛与环戊酮与氨的摩尔比为1.5:1:3,在催化剂条件下,于380℃下反应72h,合成气经冷凝得到混合物,混合物经蒸馏分离,得到2,3-环戊烯并吡啶,经GC分析,2,3-环戊烯并吡啶选择性为85.8%,收率为70.7%。
实施例3:
参照上述的制备步骤
(1)蒙脱土(MMT)的提纯:取40g中国浙江临安钠基蒙脱土(浙江华特公司)用760mL去离子水打浆配成质量分数为5%的悬浮液,静置20h,弃去漂浮物和残渣,悬浮液离心分离、过滤,滤饼在120°C空气氛下干燥5h,制得提纯的蒙脱土(MMT)26g。
(2)铝交联剂的制备:将248mL、1mol/L的NaOH溶液和113mL、1mol/L的AlCl3溶液混合,控制溶液中OH-与Al3+的摩尔比为2.2:1,将混合液在90°C强烈搅拌4h,35°C恒温老化10h,冷却至室温,制得铝交联剂。
(3)铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)的制备:将25g提纯的蒙脱土(MMT)分散到975mL去离子水中,在70°C下搅拌1h,配制成2.5wt.%的蒙脱土悬浊液。按Al3+的毫摩尔数(mmol)与蒙脱土的质量(g)比为4.5:1,将步骤(2)中制备的铝交联剂滴加到蒙脱土悬浊液中,边滴加边强烈搅拌,控制滴加时间2h,控制恒温65°C,滴加完后继续恒温65°C搅拌1h,然后停止搅拌,恒温65°C老化4h后离心分离,用去离子水洗涤至无Cl-,抽滤,滤饼用挤条机挤压成型,在空气气氛下,110°C烘干,500°C焙烧5小时,制得铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)。
(4)负载Ti的铝柱撑蒙脱土(4%Ti-Al-MMT)的制备:根据Micromeritics ASAP2010物理吸附仪测得铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)的孔体积为0.38cm3/g,则20g铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)的孔体积为7.6cm3,设定每20g铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)需加入乙醇的体积为孔体积的2.5倍,则推算出浸渍溶剂乙醇为19mL。设定钛担载量为4wt.%,推算出需加入TiCl4为3.2936g。将3.2936g TiCl4加入19mL乙醇中,搅拌,得到透明的溶液(浓度为0.91mol/L),加入20g铝柱撑蒙脱土,搅拌均匀,使充分湿润,浸渍12h,然后将全部溶液和铝柱撑蒙脱土在空气氛下110℃干燥,500℃焙烧4小时,即得所述的负载Ti的铝柱撑蒙脱土(4%Ti-Al-MMT)。
(5)负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土(4%Ti-3%V-Al-MMT)的制备:以步骤(4)中制得的负载4%Ti的铝柱撑蒙脱土(4%Ti-Al-MMT)为载体,用过量浸渍法制备负载Ti、V催化剂。根据Micromeritics ASAP2010物理吸附仪测得负载4%Ti的铝柱撑蒙脱土(4%Ti-Al-MMT)的孔体积为0.32cm3/g,则20g负载4%Ti的铝柱撑蒙脱土(4%Ti-Al-MMT)的孔体积为6.4cm3,设定每20g负载4%Ti的铝柱撑蒙脱土(4%Ti-Al-MMT)需加入去离子水的体积为孔体积的3倍,则推算出浸渍溶剂去离子水为19.2mL。设定钒担载量为3wt.%,推算出需加入偏钒酸铵为1.4189g,二水草酸为0.99g。将1.4189g偏钒酸铵和0.99g草酸加入19.2mL去离子水中,搅拌,得到透明的溶液(偏钒酸铵浓度为0.63mol/L,草酸浓度为0.41mol/L),加入20g负载4%Ti的铝柱撑蒙脱土(4%Ti-Al-MMT),搅拌均匀,使充分湿润,浸渍12h,然后将全部溶液和负载4%Ti的铝柱撑蒙脱土在空气氛下110℃干燥,500℃焙烧4小时,即得所述的负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土(4%Ti-3%V-Al-MMT)。
(6)气固相反应合成2,3-环戊烯并吡啶:在常压固定床催化反应装置(反应管内径Φ25mm,长30cm的不锈钢管,内插入热电偶测温)中装入20g在步骤(5)中制备的负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土(4%Ti-3%V-Al-MMT),向反应管内通入原料气丙烯醛、环戊酮和氨气,载气氮气。环戊酮流量为0.2ml/min,氮气为800ml/min,空速1670.0h-1,原料丙烯醛与环戊酮与氨的摩尔比为1.5:1:2,在催化剂条件下,于420℃下反应60h,合成气经冷凝得到混合物,混合物经蒸馏分离,得到2,3-环戊烯并吡啶,经GC分析,2,3-环戊烯并吡啶选择性为82.1%,收率为62.6%。
实施例4:
参照上述的制备步骤
(1)蒙脱土(MMT)的提纯:取40g中国浙江临安钠基蒙脱土(浙江华特公司)用760mL去离子水打浆配成质量分数为5%的悬浮液,静置18h,弃去漂浮物和残渣,悬浮液离心分离、过滤,滤饼在120°C空气氛下干燥5h,制得提纯的蒙脱土(MMT)26.8g。
(2)铝交联剂的制备:将210mL、1mol/L的NaOH溶液和88mL、1mol/L的AlCl3溶液混合,控制溶液中OH-与Al3+的摩尔比为2.4:1,将混合液在85°C强烈搅拌3h,45°C恒温老化8h,冷却至室温,制得铝交联剂。
(3)铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)的制备:将25g提纯的蒙脱土(MMT)分散到975mL去离子水中,在75°C下搅拌1h,配制成2.5wt.%的蒙脱土悬浊液。按Al3+的毫摩尔数(mmol)与蒙脱土的质量(g)比为3.5:1,将步骤(2)中制备的铝交联剂滴加到蒙脱土悬浊液中,边滴加边强烈搅拌,控制滴加时间2h,控制恒温60°C,滴加完后继续恒温60°C搅拌1h,然后停止搅拌,恒温60°C老化4h后离心分离,用去离子水洗涤至无Cl-,抽滤,滤饼用挤条机挤压成型,在空气气氛下110°C烘干,450°C焙烧6小时,制得铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)。
(4)负载Ti的铝柱撑蒙脱土(5%Ti-Al-MMT)的制备:根据Micromeritics ASAP2010物理吸附仪测得铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)的孔体积为0.48cm3/g,则20g铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)的孔体积为9.6cm3,设定每20g铝柱撑蒙脱土(Al-MMT)需加入乙醇的体积为孔体积的2倍,则推算出浸渍溶剂乙醇为19.2mL。设定钛担载量为5wt.%,推算出需加入TiCl4为4.1603g。将4.1603g TiCl4加入19.2mL乙醇中,搅拌,得到透明的溶液(浓度为1.14mol/L),加入20g铝柱撑蒙脱土,搅拌均匀,使充分湿润,浸渍12h,然后将全部溶液和铝柱撑蒙脱土在空气氛下110℃干燥,450℃焙烧4小时,即得所述的负载Ti的铝柱撑蒙脱土(5%Ti-Al-MMT)。
(5)负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土(5%Ti-4%V-Al-MMT)的制备:以步骤(4)中制得的负载5%Ti的铝柱撑蒙脱土(5%Ti-Al-MMT)为载体,用过量浸渍法制备负载Ti、V催化剂。根据Micromeritics ASAP2010物理吸附仪测得负载5%Ti的铝柱撑蒙脱土(5%Ti-Al-MMT)的孔体积为0.4cm3/g,则20g负载4%Ti的铝柱撑蒙脱土(5%Ti-Al-MMT)的孔体积为8cm3,设定每20g负载4%Ti的铝柱撑蒙脱土(5%Ti-Al-MMT)需加入去离子水的体积为孔体积的2.5倍,则推算出浸渍溶剂去离子水为20mL。设定钒担载量为4wt.%,推算出需加入偏钒酸铵为1.9116g,二水草酸为0.99g。将1.9116g偏钒酸铵和0.99g草酸加入20mL去离子水中,搅拌,得到透明的溶液(偏钒酸铵浓度为0.82mol/L,草酸浓度为0.39mol/L),加入20g负载5%Ti的铝柱撑蒙脱土(5%Ti-Al-MMT),搅拌均匀,使充分湿润,浸渍10h,然后将全部溶液和负载5%Ti的铝柱撑蒙脱土在空气氛下110℃干燥,450℃焙烧3小时,即得所述的负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土(5%Ti-4%V-Al-MMT)。
(6)气固相反应合成2,3-环戊烯并吡啶:在常压固定床催化反应装置(反应管内径Φ25mm,长30cm的不锈钢管,内插入热电偶测温)中装入20g在步骤(5)中制备的负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土(5%Ti-4%V-Al-MMT),向反应管内通入原料气丙烯醛、环戊酮和氨气,载气氮气。环戊酮流量为0.2ml/min,氮气为1000ml/min,空速1839.9h-1,原料丙烯醛与环戊酮与氨的摩尔比为1:1:1,在催化剂条件下,于450℃下反应48h,合成气经冷凝得到混合物,混合物经蒸馏分离,得到2,3-环戊烯并吡啶,经GC分析,2,3-环戊烯并吡啶选择性为68.5%,收率为486%。
Claims (4)
1.一种负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土多相催化剂,其特征在于所述催化剂按照以下方法制得:
(1)蒙脱土的提纯:将钠基蒙脱土加入去离子水中,打浆配成含钠基蒙脱土质量百分分数为3-5%的悬浮液,静置12-24h,弃去漂浮物和残渣,悬浮液离心分离、过滤,滤饼在100-120℃空气气氛下干燥4-6h,制得提纯的蒙脱土;
(2)铝交联剂的制备:将0.5~2mol/L的NaOH溶液和0.5~2mol/L的AlCl3溶液混合,控制NaOH溶液中OH-与AlCl3溶液中Al3+的摩尔比为2.0-2.5:1,将混合液在80-90℃强烈搅拌2-4h,再于35-45℃恒温老化4-10h,冷却至室温,制得铝交联剂;
(3)铝柱撑蒙脱土的制备:将步骤(1)制得的提纯的蒙脱土分散到去离子水中,在65-75℃下充分搅拌,配制成2-3wt%的蒙脱土悬浊液,将步骤(2)制备的铝交联剂滴加到蒙脱土悬浊液中,边滴加边剧烈搅拌,控制滴加速度在2-5mL/min,控制恒温50-70℃,滴加完后继续恒温50-70℃搅拌1~3h,停止搅拌,恒温50-70℃老化4~6h后离心分离,取固相用去离子水洗涤至无Cl-,抽滤,滤饼用挤条机挤压成型,在空气气氛下100-120℃烘干,再于450-500℃焙烧4~6小时,制得铝柱撑蒙脱土;所述铝交联剂中Al3+的物质的量与蒙脱土悬浮液中蒙脱土的质量的比例为3-5mmol/g;
(4)负载Ti的铝柱撑蒙脱土的制备:以步骤(3)中制得的铝柱撑蒙脱土为载体A,按照Ti元素的负载量以载体A的质量计为1~5wt%,计算出与负载Ti元素相等物质的量的四氯化钛的理论量,称取理论量的四氯化钛溶解在乙醇中配成钛浸渍溶液,乙醇的体积用量为测得的载体A的孔体积的1-5倍,将载体A完全浸没于钛浸渍溶液中,搅拌均匀,使载体A充分湿润,浸渍8-12h,然后将全部钛浸渍溶液和载体A在空气气氛下100-120℃干燥,450~500℃焙烧3~4小时,即制得负载Ti的铝柱撑蒙脱土;
(5)负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土催化剂的制备:以步骤(4)中制得的负载Ti的铝柱撑蒙脱土为载体B,按照V元素的负载量以载体B的质量计为1~4wt%,计算出与负载V元素相等物质的量的偏钒酸铵的理论量,称取理论量的偏钒酸铵溶于去离子水中,加入草酸配成钒浸渍溶液,去离子水的体积用量为测得的载体B的孔体积的1-5倍,钒浸渍溶液中草酸的浓度为0.15~0.90mol/L,将载体B完全浸没于钒浸渍溶液中,搅拌均匀,使载体B充分湿润,浸渍8-12h,然后将全部钒浸渍溶液和载体B在空气气氛下100-120℃干燥,450~500℃焙烧3~4小时,即制得所述的负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土催化剂。
2.如权利要求1所述的负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土多相催化剂,其特征在于所述步骤(2)中,所述的NaOH溶液的浓度为1mol/L,AlCl3溶液的浓度为1mol/L。
3.如权利要求1所述的负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土多相催化剂用于催化气固相反应合成2,3-环戊烯并吡啶。
4.如权利要求3所述的应用,其特征在于所述应用的方法为:采用固定床常压气固相催化方法,在常压固定床催化反应装置的反应管中装入所述负载Ti、V的铝柱撑蒙脱土多相催化剂,向反应管内通入原料气丙烯醛、环戊酮和氨气,以氮气为载气,空速1000-2500h-1,原料丙烯醛与环戊酮与氨的物质的量之比为(1-2):1:(1-3),于320~450℃下反应6~72小时,合成气经冷凝得到混合物,混合物经蒸馏分离,得到2,3-环戊烯并吡啶。
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