CN105944759B - 一种负载型杂多酸离子液体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种负载型杂多酸离子液体的制备方法及在燃油氧化脱硫中的应用,属于材料制备及催化反应技术领域。本发明中通过调节咪唑阳离子中的碳链长度和离子液体与载体的比例来调控负载型离子液体的形貌和结构。制备过程中依次将多酸型离子液体、水、钛酸四丁酯和氨水混合,持续搅拌混合物使其充分水解,然后将混合物装入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中进行水热处理,产物经过滤、洗涤、干燥、研磨、煅烧后得到产物。本发明工艺操作简单,可一步法合成且形貌可控,可将离子液体充分分散在载体表面,降低催化氧化脱硫中离子液体的用量,且反应过程中条件温和,双氧水用量低,可进一步降低脱硫成本,催化剂脱硫效率高且可以循环使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种负载型杂多酸离子液体的制备方法及在燃油氧化脱硫中的应用,属于材料制备及催化反应技术领域。
技术背景
目前,柴油和汽油(统称为燃油)是汽车工业中的主要能源,燃油中的含硫化合物在燃烧之后会生成硫的氧化物(SOx),在大气环境中形成酸雨,腐蚀树木和建筑物,造成严重的环境污染,解决这一问题的关键是除去燃油中的含硫化合物。目前工业上广泛采取的燃油脱硫方法是加氢脱硫法(HDS),该法可以高效脱除燃油中的无机硫化物和脂肪族含硫化合物,但对于芳香族硫化物如苯并噻吩(BT)、二苯并噻吩(DBT)及其衍生物的脱除效果不佳。因此,世界各国的研究机构都在探索高效脱除燃油中的噻吩类硫化物的方法,其中氧化脱硫法(ODS)是公认的能在温和条件下高效脱除这类化合物的方法之一,开发环保高效的催化体系是氧化脱硫研究的关键。
离子液体作为一种绿色溶剂已经成功应用于氧化脱硫体系,经过改性设计的功能化离子液体可以充当氧化脱硫的高效催化剂,在低温常压下可以实现对燃油的深度脱硫。但是,作为催化剂的离子液体用量通常比较大,且需要消耗大量的氧化剂,在反应后离子液体难以从均相体系中分离回收,导致循环使用效果较差。解决这一问题的方法之一是制备负载型离子液体,开发一种合适的载体担载离子液体,可以得到固相催化剂,解决离子液体用量大和反应后难分离的问题。目前文献中报道的载体如SBA-15,MCM-41,硅胶等或存在合成步骤复杂、需多步合成,或是存在载体无定型等问题。因此,开发一种能一步法合成且能有效控制载体形貌的方法制备负载型离子液体催化剂具有重要意义。
迄今为止,尚未有报道利用水热合成法一步合成二氧化钛微球负载多酸离子液体催化剂,所得催化剂为固相,结构性质稳定,脱硫效率高,循环使用性能好,具有良好的工业应用前景。
发明内容
本发明目的是提供一种一步法合成二氧化钛微球负载杂多酸离子液体的制备方法。本发明的另一个目的在于提供了上述负载型催化剂在催化氧化脱硫领域的应用。
本发明通过以下步骤实现:
(1)制备多酸型离子液体:
按照摩尔比为4:1的比例将[Cnmim]Cl(n=4,8,12,16)和H4SiW12O40的水溶液混合,充分搅拌后过滤,多次洗涤固体直至滤液中检测不到Cl-为止,得到产物[Cnmim]4SiW12O40(简写为CnSiW,n=4,8,12,16)(Chem.Eng.J.,2015,280,256–264)。
(2)一步法制备负载型离子液体:
将CnSiW溶解在乙腈中,然后依次加入去离子水,钛酸四丁酯以及氨水,根据钨钛的摩尔比来调节各组分的加入量,待混合物充分搅拌后转移至内衬为聚四氟乙烯的反应釜中进行水热处理,将得到的产物洗涤干燥,然后在空气气氛下煅烧,所得到的负载型离子液体催化剂表示为m-CnSiW-TiO2。
所述负载型离子液体催化剂中,离子液体阳离子碳链长度n=4,8,12,16。
所述负载型离子液体催化剂中,钨和钛的摩尔比m=0.05–0.25。
所述负载型离子液体催化剂的制备方法中,钛酸四丁酯与去离子水的摩尔比为1:100–1:200。
调节氨水加入量,控制混合物的pH值为8–10。
混合物搅拌时间为1–3h。
水热处理温度为100–120℃,时间为12–48h。
产物干燥温度为100–120℃,时间为1–5h。
在空气气氛下煅烧指:在程序升温马弗炉中煅烧,温度为200–400℃,升温速率为5–10℃/min,煅烧时间为120min。
常规的合成负载型离子液体催化剂的方法是,先合成载体,再通过浸渍法来负载;而本发明是在合成载体的同时加入离子液体,实现一步法负载,优化了催化剂的制备过程,通过调节离子液体的阳离子碳链长度和离子液体用量来调控载体形貌并调节分散度,而水热处理有利于载体二氧化钛微球的形成,同时促进离子液体和载体之间的结合更加牢固,有利于催化剂的回收及循环使用。
利用红外光谱仪(FT-IR)、比表面分析仪(BET)、扫描电子显微镜(SEM)等对产物进行形貌和结构分析,以DBT为典型含硫化合物配置模型油,将上述合成负载型离子液体作催化剂应用于氧化脱硫反应。通过气相色谱(GC)检测反应后的DBT剩余量来评估催化剂的催化性能。反应结束后通过气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)来检测反应产物,验证脱硫机理。
附图说明
图1为所制备的负载型离子液体的红外光谱分析,从图中可以看到离子液体的keggin结构及TiO2的特征峰,说明离子液体被成功负载到了二氧化钛载体上(a):0.05-C16SiW-TiO2,(b):0.1-C16SiW-TiO2,(c):0.2-C16SiW-TiO2,(d):0.1-C4SiW-TiO2,(e):0.1-C8SiW-TiO2。
图2为所制备的负载型离子液体的SEM照片和X射线能谱图(EDS),可以看出离子液体负载在载体二氧化钛微球表面,且钨和钛的摩尔比及阳离子碳链长度对产物的形貌和分散度有显著影响,其中钨钛摩尔比为0.1时得到的催化剂离子液体的负载量和分散度最合适;离子液体阳离子为[C16mim]+时有利于诱导合成形貌规整的二氧化钛微球,EDS谱图中可以检查到负载型催化剂所包含的各种元素,进一步说明了离子液体负载在了载体上;(A):0.05-C16SiW-TiO2,(B):0.1-C16SiW-TiO2,(C):0.2-C16SiW-TiO2,(D):0.1-C4SiW-TiO2,(E):0.1-C8SiW-TiO2,(F)0.1-C16SiW-TiO2。
图3为所制备的负载型离子液体催化剂应用氧化脱硫(以DBT为模型油)的性能考察结果,可以看出实施例1所制备的催化剂脱硫效果最佳,脱硫率达到95.3%,而此时双氧水的仅为化学计量比下的用量(氧硫摩尔比为2),说明该体系能高效利用双氧水氧化脱硫;(A):0.05-C16SiW-TiO2,(B):0.1-C16SiW-TiO2,(C):0.2-C16SiW-TiO2,(D):0.1-C4SiW-TiO2,(E):0.1-C8SiW-TiO2。
图4为负载型离子液体作催化剂的循环使用性能,可以发现无论氧化剂用量是否充足,催化剂均具有良好循环使用性能。
图5为氧化脱硫反应后的油相和溶剂相的GC-MS谱图,可以看出油相中仅有少量未脱除了DBT,没有其他物质存在;在下层溶剂相中,当氧化剂用量不足时,有部分萃取的DBT检出,且可以检测到DBT亚砜(DBTO)和DBT砜(DBTO2)两种产物,说明DBT的氧化是分两步进行的,当氧化剂用量充足时,仅能检测到DBTO2的存在,说明DBT被已被完全氧化,最终产物为DBTO2;(A):上层油相,(B):下层溶剂相。
具体实施方式
实施例1负载型离子液体0.1-C16SiW-TiO2的制备
取0.34gC16SiW离子液体溶解在5mL乙腈中,搅拌条件下加入去28.85mL去离子水,再加入3.37g钛酸四丁酯和0.58mL氨水,控制此时反应体系的pH为9,充分搅拌3h后将混合液体转移至内衬为聚四氟乙烯的反应釜中,放入烘箱中100℃水热24h。将所得产物充分洗涤抽滤,在120℃下干燥3h,然后将所得固体研磨成粉末,将粉末在程序升温马弗炉中空气气氛下以5℃/min升温至300℃,并保持120min,即可得到钨钛摩尔比为0.1的负载型离子液体0.1-C16SiW-TiO2。
实施例2负载型离子液体0.05-C16SiW-TiO2的制备
取0.17gC16SiW离子液体溶解在5mL乙腈中,搅拌条件下加入去28.85mL去离子水,再加入3.37g钛酸四丁酯和0.58mL氨水,控制此时反应体系的pH为9,充分搅拌3h后将混合液体转移至内衬为聚四氟乙烯的反应釜中,放入烘箱中100℃水热24h。将所得产物充分洗涤抽滤,在120℃下干燥3h,然后将所得固体研磨成粉末,将粉末在程序升温马弗炉中空气气氛下以5℃/min升温至300℃,并保持120min,即可钨钛摩尔比为0.05的负载型离子液体0.05-C16SiW-TiO2。
实施例3负载型离子液体的氧化脱硫性能考察
将实施例1所得的负载型离子液体0.1-C16SiW-TiO2应用于催化氧化脱除模型油中的含硫化合物,具体用量为:0.01g负载型离子液体催化剂,1mL溶剂[Bmim]BF4,双氧水用量满足n(O/S)=2,加入自制含DBT 500ppm的模型油5mL,在50℃恒温水浴条件下搅拌反应,加入双氧水后开始计时,反应1h后停止。另取一组同样的反应,其中n(O/S)=3,反应0.5h。用GC检测未被氧化脱除的DBT的量,再通过公式来计算出脱硫率(用S%表示),可以发现n(O/S)=2,反应1h后S%为95.3%;n(O/S)=3,反应0.5h后S%达到100%。且该负载型离子液体的具有较好的循环使用性能,结果见图4。
脱硫率计算公式为:S%=(C0-Ct)/C0×100。其中C0(ppm)表示模型油的起始硫含量,Ct(ppm)表示在反应t(min)时模型油的硫含量。
实施例4负载型离子液体氧化脱硫机理研究
将实施例3反应后的模型油相和溶剂相分别进行GC-MS检测,结果如图5所示。当n(O/S)=2时,脱硫反应并未完全进行,油相中有部分残留的DBT检出,没有检测到其他物质,在溶剂相可以检测到部分萃取的DBT及DBT的氧化产物,说明DBT被氧化后直接被萃取到了溶剂相,氧化产物为DBTO和DBTO2。当n(O/S)=3时,反应完全进行,溶剂相仅能测到DBTO2的存在,说明当氧化剂充足时,DBT能被完全氧化,DBTO为中间产物。
Claims (10)
1.一种负载型杂多酸离子液体,其特征在于:所述负载型杂多酸离子液体为m-CnSiW-TiO2,n=4,8,12,16;CnSiW为离子液体[Cnmim]4SiW12O40,离子液体[Cnmim]4SiW12O40负载在载体二氧化钛微球表面;通过调节离子液体的阳离子碳链长度和离子液体用量来调控载体形貌并调节分散度。
2.如权利要求1所述的一种负载型杂多酸离子液体,其特征在于:所述负载型杂多酸离子液体中,钨和钛的摩尔比m=0.05–0.25。
3.如权利要求2所述的一种负载型杂多酸离子液体,其特征在于:钨和钛的摩尔比m=0.1,离子液体的负载量和分散度最合适。
4.如权利要求1所述的一种负载型杂多酸离子液体,其特征在于:n=16,有利于诱导合成形貌规整的二氧化钛微球。
5.如权利要求1所述的一种负载型杂多酸离子液体的制备方法,其特征在于:将离子液体[Cnmim]4SiW12O40溶解在乙腈中,然后依次加入去离子水,钛酸四丁酯以及氨水,根据钨钛的摩尔比来调节各组分的加入量,待混合物充分搅拌后转移至内衬为聚四氟乙烯的反应釜中进行水热处理,将得到的产物洗涤干燥,然后在空气气氛下煅烧,所得到的负载型离子液体催化剂表示为m-CnSiW-TiO2。
6.如权利要求5所述的一种负载型杂多酸离子液体的制备方法,其特征在于:所述负载型离子液体催化剂的制备方法中,钛酸四丁酯与去离子水的摩尔比为1:100–1:200。
7.如权利要求5所述的一种负载型杂多酸离子液体的制备方法,其特征在于:调节氨水加入量,控制混合物的pH值为8–10。
8.如权利要求5所述的一种负载型杂多酸离子液体的制备方法,其特征在于:混合物搅拌时间为1–3h;水热处理温度为100–120℃,时间为12–48h。
9.如权利要求5所述的一种负载型杂多酸离子液体的制备方法,其特征在于:产物干燥温度为100–120℃,时间为1–5h;在空气气氛下煅烧指:在程序升温马弗炉中煅烧,温度为300℃,升温速率为5–10℃/min,煅烧时间为120min。
10.如权利要求1、2、3或4所述的一种负载型杂多酸离子液体在脱除燃油中噻吩类硫化物中的用途。
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