CN106140224B - 一种以二氧化硅为载体的溴甲烷制异丁烯催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种以二氧化硅为载体的催化剂及其制备方法和引用。催化剂的制备方法，包括如下过程：（1）将表面活性剂溶于含有无机酸或有机酸的乙醇溶液中；（2）滴加硅源，于40℃‑60℃的恒温水浴中搅拌回流1h‑3h；（3）称取锌盐溶于无水乙醇中，搅拌溶解后加入步骤（2）制备的透明溶液中，搅拌0.5h‑1.5h；（4）将步骤（3）所得澄清溶液溶剂蒸发完全；（5）所得固体在、陈化、焙烧即得催化剂前体ZnO/SiO₂；（6）对催化剂前体ZnO/SiO₂进行不完全溴化处理。该催化剂用于溴甲烷制异丁烯能够显著提高异丁烯的选择性。

Description

一种以二氧化硅为载体的溴甲烷制异丁烯催化剂及其制备方 法和应用

技术领域

本发明涉及一种以二氧化硅为载体的催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

异丁烯是一种重要的基本有机化工原料，其衍生产品众多，上下游产业链复杂，消费结构呈多元化趋势。以异丁烯为原料可以制备多种高附加值的产品，如：丁基橡胶、聚异丁烯、甲基叔丁基醚、异戊二烯和有机玻璃等多种有机化工原料和精细化学产品。由于异丁烯下游产品的市场规模不断扩大，其供需矛盾将逐渐突出，特别是在石油资源日益枯竭的背景下，异丁烯的产量已成为制约下游产业发展的关键瓶颈。因此，开发非石油路线的异丁烯制备路线，已经迫在眉睫。

甲烷是天然气的主要成分，因此甲烷转化利用就成为天然气化工技术中的重要研究内容。特别是近年来，在页岩气开发利用的大背景下，如果能够实现从甲烷出发制取异丁烯，就会为获取异丁烯提供一条新的途径。但是甲烷性质稳定，不易活化，成为甲烷化工利用的瓶颈。国内外许多研究者纷纷开展甲烷活化、转化研究，这其中，甲烷经卤素官能团化后再转化的技术，有望成为解决甲烷转化技术难题的一个重要突破口。

从卤代甲烷出发可以制备许多化工产品。中国专利CN 101041609A、CN101284232A公开了一种将甲烷在氧气和HBr/H₂O的作用下转化为溴代甲烷，然后溴代甲烷进一步反应生成C3~C13混合高碳烃的方法，C5以上的烃类选择性为70%。其中，HBr在第一个反应器内用于甲烷溴化，然后在第二个反应器内释放，经回收后再用于前一步反应中，实现HBr的循环使用。王野等（CN 102527427A，Jieli He, Ting Xu, Zhihui Wang, et.al.Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 2438-2442）公开了一种卤代甲烷制丙烯的改性分子筛催化剂及其制备方法。通过使用含氟化合物修饰处理分子筛，得到一种含有合适微孔结构及酸性的催化剂，该催化剂可以有效催化卤代甲烷转化生成丙烯的反应。所制备的催化剂在溴甲烷转化制丙烯的反应中单程溴甲烷转化率为35~99%，丙烯的选择性为27~70%；在氯甲烷转化制丙烯的反应中单程氯甲烷转化率为30~99%，丙烯的选择性为15~70%。Ivan M.Lorkovic等人（Ivan M. Lorkovic, Aysen Yilmaz, Gurkan A. Yilmaz, et al.Catalysis Today, 2004, 98, 317-322）也提出用溴与天然气中的烷烃反应生成溴代烃，然后在金属氧化物催化剂上将溴代烃转化为二甲醚、甲醇和金属溴化物，金属溴化物用氧气再生后得到金属氧化物并释放出单质溴，完成了溴的循环。

目前，关于卤代甲烷转化的现有文献中目的产物主要为甲醇、二甲醚、醋酸、高碳烃类、乙烯与丙烯等等。在以较高附加值的低碳烯烃为目标产物的技术中，单一产物选择性不高，尚未发现溴甲烷高选择性合成异丁烯的相关报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种以二氧化硅为载体的催化剂及其制备方法和应用。

一种以二氧化硅为载体的催化剂的制备方法，包括如下过程：（1）将表面活性剂溶于含有无机酸或有机酸的乙醇溶液中，在40℃-60℃的恒温水浴中搅拌回流；（2）滴加硅源，继续于40℃-60℃的恒温水浴中搅拌回流1h-3h；（3）称取锌盐溶于无水乙醇中，搅拌溶解后加入步骤（2）制备的透明溶液中，搅拌0.5h-1.5h；（4）将步骤（3）所得澄清溶液于30℃-50℃放置12h-24h至溶剂蒸发完全；（5）所得固体在60℃-80℃陈化12h-24h，再以1℃/min-3℃/min的升温速率于500℃-600℃焙烧4h-8h，即得催化剂前体ZnO/SiO₂；（6）对催化剂前体ZnO/SiO₂进行不完全溴化处理（不完全溴化处理指将部分氧化锌溴化为溴化锌）。

上述制备方法步骤（1）中，所述表面活性剂为P123（聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物）、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种，优选P123；无机酸为浓盐酸或浓硝酸，优选浓盐酸；有机酸为柠檬酸、酒石酸、苹果酸或草酸中的一种或多种，优选柠檬酸；按每克表面活性剂中加入20mL-50mL乙醇溶液的比例混合，当加入无机酸时，乙醇与无机酸的体积比为30-60，当加入有机酸时，乙醇与有机酸的质量比为5-15。

上述制备方法步骤（2）中，所述硅源为正硅酸四甲酯、正硅酸四乙酯、硅溶胶或硅酸中的一种或多种，优选正硅酸四乙酯，硅源中硅元素与步骤（1）中表面活性剂的质量比为0.2-0.5:1。

上述制备方法步骤（3）中，所述锌盐为无机盐，优选为硝酸盐、盐酸盐中的一种或几种，锌元素与步骤（2）中硅元素的摩尔比为0.04-0.9:1，优选为0.05-0.6:1，进一步优选为0.07-0.3:1，所述无水乙醇与步骤（1）中乙醇溶液的体积比为0.1-0.5:1。

上述制备方法步骤（6）中，所述溴化处理，是指采用气相含溴化合物对负载氧化锌的样品进行处理。含溴化合物是指溴甲烷、二溴甲烷、三溴甲烷中的一种或几种，优选为溴甲烷。还可以采用气相含溴化合物与惰性气体的混合气体进行溴化处理，采用混合气体溴化处理时，溴代甲烷体积浓度不小于20%，优选为不小于30%。具体溴化过程如下：将负载氧化锌的样品置于连续流动固定床反应器中，惰性气氛下升温至150℃-400℃，优选为180℃-350℃，更优选为200℃-300℃，通入气相含溴化合物气体，气体空速为50h^-1-1000 h^-1，优选为100h^-1-500h^-1；处理时可以在常压进行，也可以在一定压力下进行，体系压力为0.1MPa-0.5MPa（绝压），优选为0.1MPa-0.3MPa（绝压），处理时间为0.5h-8h，优选1h-4h。

上述制备方法步骤（6）中，所涉及的惰性气体为氮气、氩气、氦气等在本发明所涉及条件下不发生化学反应的气体，优选为氮气。

一种采用上述方法制备的以二氧化硅为载体的催化剂，所述催化剂含有氧化锌、溴化锌及二氧化硅载体，按催化剂重量含量计，氧化锌含量为0.5%-20%，优选为1%-15%，进一步优选为1%-9%，溴化锌含量为10%-50%，优选为15%-45%，进一步优选为18%-39%，二氧化硅载体含量为40%-90%，优选为50%-85%，进一步优选为55%-80%。

本发明催化剂中，450℃以下总酸量（NH3-TPD）为0.5mmol/g-1.3mmol/g，优选0.6mmol/g-1.2mmol/g，进一步优选0.7mmol-1.1mmol/g，250℃-350℃的酸含量占450℃以下总酸量的20%-90%，优选30%-80%，进一步优选40%-80%。

上述以二氧化硅为载体的催化剂在制异丁烯中的应用，包括对催化剂进行氢气还原活化，使催化剂中的卤素含量为还原前催化剂中卤素总含量的20%-90%，然后使卤代甲烷与上述氢气还原活化后的催化剂接触，以制备异丁烯。

上述应用中，所述氢气还原活化的条件使得催化剂中的卤素含量优选为还原前催化剂中卤素总含量的30%-80%，进一步优选40%-80%。

上述应用中，所述氢气还原活化的方式包括在惰性气氛下将催化剂升温至300℃-600℃；然后通入空速为200h^-1-2000h^-1的氢气或氢气与惰性气体的混合气体，在0.1MPa-0.5MPa保持2h-16h，混合气体中氢气体积百分含量为10%-95%；优选地，升温至350℃-550℃；然后通入空速为500h^-1-1000h^-1的氢气或氢气与惰性气体的混合气体，在0.1MPa-0.3MPa保持4h-8h，所述混合气体中氢气体积百分含量为30%-90%。

上述应用中，所述卤代甲烷可以为一卤代甲烷、二卤代甲烷、三卤代甲烷中的一种或多种，优选为溴甲烷、二溴甲烷、三溴甲烷中的一种或多种。

上述应用中，所述接触的条件包括反应温度为150℃-350℃；反应压力为0.1MPa-5MPa；空速为50h^-1-1000h^-1；更优选地，反应温度为180℃-300℃更优选为200-270℃；反应压力为0.1MPa-3MPa；空速为200h^-1-500h^-1。

上述应用中的一种具体实施方式，包括惰性气氛下将催化剂升温至300℃-600℃，优选为350℃-550℃；然后通入空速为200h^-1-2000h^-1，优选为500h^-1-1000h^-1的氢气或氢气与惰性气体的混合气体，在0.1MPa-0.5MPa（绝压），优选为0.1MPa-0.3MPa（绝压）处理2h-16h，优选为4h-8h后，降至反应温度通入卤代甲烷进行反应。所述混合气中氢气体积百分含量为10%-95%，优选为30%-90%，更优选为50%-90%。

上述应用中，原料也可以为卤代甲烷与惰性气体的混合气体，混合气体中卤代甲烷的体积浓度为10%-90%，优选为30%-80%。

上述应用中所涉及的惰性气体为氮气、氩气、氦气等在本发明所涉及条件下不发生化学反应的气体，优选为氮气。

上述应用中，卤代甲烷制异丁烯反应可以在现有任何形式反应器中进行，如固定床、流化床、固定流化床、移动床，浆态床或沸腾床等形式的反应器，优选为固定床、流化床反应器。

与现有技术相比，本发明制备的催化剂可以将溴甲烷高选择性的转化为异丁烯。按本发明方法进行溴甲烷转化制异丁烯反应，溴甲烷转化率85%以上，异丁烯选择性85%以上。本发明涉及溴甲烷转化制异丁烯催化剂制备方法简单，易于工业化。本发明溴甲烷转化制异丁烯方法具有反应条件温和、产物选择性高等优点，容易实现工业化，应用前景非常广阔。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明的技术内容和效果，但不因此限制本发明。

以下实施例及比较例中酸量测定采用NH₃-TPD法，采用的仪器型号为美国MICROMERITICS公司AutoChem 2920化学吸附仪，具体测定过程如下：将样品在450℃用氦气吹扫1小时后降温至150℃，引入氨与氦气的混合气体，氨体积含量10%，脉冲吸附五次达到平衡；氦气吹扫2小时，然后以10℃/分钟的升温速度程序升温进行氨脱附至450℃；脱附后的氨采用TCD检测器检测，定量计算催化剂表面酸量。

实施例1

称取20gP123，溶于含有2mL浓盐酸的600mL乙醇溶液中，在50℃恒温水浴中搅拌回流0.5h；滴加200mmolTEOS，继续在50℃恒温水浴中搅拌回流2h；称取4.7g氯化锌溶于100mL无水乙醇中，搅拌溶解后加入上述制备的透明溶液中，室温下搅拌1h，所得澄清溶液移入玻璃培养皿中，于40℃放置20h至溶剂蒸发完全；所得固体于70℃陈化18h后，以1℃/min的升温速率于550℃焙烧6h，即得催化剂前体ZnO/SiO₂。

将催化剂前体置于连续流动固定床反应器中，使用溴甲烷与氮气的混合气体处理催化剂前体，溴甲烷体积浓度为80%，处理条件为250℃，0.2MPa（绝压），300h^-1，时间2h，制得溴甲烷制异丁烯催化剂，记为C-1。得到催化剂重量组成为ZnBr₂以溴化物计重量含量为27%，ZnO以氧化物计重量含量为6%，催化剂中450℃以下总酸量为0.93mmol/g，250℃-350℃的酸含量占450℃以下总酸量的53.87%。

溴甲烷转化制异丁烯反应在连续流动微型固定床反应器中进行。催化剂装量5g，催化剂在使用前使用氢气与氮气的混合气活化，还原条件为400℃，0.3MPa（绝压），800h^-1，还原时间4h，还原后催化剂中的卤素含量为还原前催化剂中卤素总含量的71.23%。活化结束后，降至反应温度，通入原料气，原料气为溴甲烷与氮气混合气体，其中溴甲烷体积含量为70%，反应温度为230℃，反应压力为2MPa（绝压），空速为200h^-1。反应稳定一小时后，采样分析。反应结果见表1。

实施例2

称取20gP123，溶于含有2mL浓盐酸的600mL乙醇溶液中，在50℃恒温水浴中搅拌回流0.5h；滴加200mmolTEOS，继续在50℃恒温水浴中搅拌回流2h；称取9.8g硝酸锌溶于100mL无水乙醇中，搅拌溶解后加入上述制备的透明溶液中，室温下搅拌1h，所得澄清溶液移入玻璃培养皿中，于40℃放置20h至溶剂蒸发完全；所得固体于70℃陈化18h后，以1℃/min的升温速率于550℃焙烧6h，即得催化剂前体ZnO/SiO₂。

将催化剂前体置于连续流动固定床反应器中，使用溴甲烷与氮气的混合气体处理催化剂前体，溴甲烷体积浓度为80%，处理条件为250℃，0.2MPa（绝压），300h^-1，时间2h，制得溴甲烷制异丁烯催化剂，记为C-2。得到催化剂重量组成为ZnBr₂以溴化物计重量含量为30%，ZnO以氧化物计重量含量为4%，催化剂中450℃以下总酸量为0.96mmol/g，250℃-350℃的酸含量占450℃以下总酸量的60.32%。

溴甲烷转化制异丁烯反应在连续流动微型固定床反应器中进行。催化剂装量5g，原料气为溴甲烷与氮气混合气体，其中溴甲烷体积含量为50%，反应温度为230℃，反应压力为1MPa（绝压），空速为500h^-1，通入原料气前催化剂在氢气气氛下活化，还原条件为400℃，0.2MPa（绝压），1000h^-1，还原时间4h，还原后催化剂中的卤素含量为还原前催化剂中卤素总含量的63.25%。反应稳定一小时后，采样分析。反应结果见表1。

实施例3

称取20gP123，溶于含有2mL浓盐酸的600mL乙醇溶液中，在60℃恒温水浴中搅拌回流0.5h；滴加200mmolTEOS，继续在60℃恒温水浴中搅拌回流1h；称取4.3g氯化锌溶于100mL无水乙醇中，搅拌溶解后加入上述制备的透明溶液中，室温下搅拌0.5h，所得澄清溶液移入玻璃培养皿中，于50℃放置12h至溶剂蒸发完全；所得固体于80℃陈化12h后，以3℃/min的升温速率于600℃焙烧4h，即得催化剂前体ZnO/SiO₂。

将催化剂前体置于连续流动固定床反应器中，使用溴甲烷与氮气的混合气体处理催化剂前体，溴甲烷体积浓度为80%，处理条件为250℃，0.2MPa（绝压），300h^-1，时间2h，制得溴甲烷制异丁烯催化剂，记为C-3。得到催化剂重量组成为ZnBr₂以溴化物计重量含量为33%，ZnO以氧化物计重量含量为2%，催化剂中450℃以下总酸量为0.97mmol/g，250℃-350℃的酸含量占450℃以下总酸量的65.05%。

溴甲烷转化制异丁烯反应在连续流动微型固定床反应器中进行。催化剂装量5g，原料气为溴甲烷与氮气混合气体，其中溴甲烷体积含量为70%，反应温度为230℃，反应压力为2MPa（绝压），空速为200h^-1。通入原料气前，催化剂在氢气与氮气的混合气氛下活化，混合气体中氢气体积含量为80%，还原条件为450℃，0.3MPa（绝压），800h^-1，还原时间4h，还原后催化剂中的卤素含量为还原前催化剂中卤素总含量的50.82%。反应稳定一小时后，采样分析。反应结果见表1。

实施例4

称取20g十六烷基三甲基溴化铵，溶于含有2mL浓盐酸的600mL乙醇溶液中，在50℃恒温水浴中搅拌回流0.5h；滴加200mmolTEOS，继续在50℃恒温水浴中搅拌回流2h；称取4.5g氯化锌溶于100mL无水乙醇中，搅拌溶解后加入上述制备的透明溶液中，室温下搅拌1h，所得澄清溶液移入玻璃培养皿中，于40℃放置20h至溶剂蒸发完全；所得固体于70℃陈化18h后，以1℃/min的升温速率于550℃焙烧6h，即得催化剂前体ZnO/SiO₂。

将催化剂前体置于连续流动固定床反应器中，使用溴甲烷与氮气的混合气体处理催化剂前体，溴甲烷体积浓度为80%，处理条件为250℃，0.2MPa（绝压），300h^-1，时间2h，制得溴甲烷制异丁烯催化剂，记为C-4。得到催化剂重量组成为ZnBr₂以溴化物计重量含量为30%，ZnO以氧化物计重量含量为4%，催化剂中450℃以下总酸量为0.92mmol/g，250℃-350℃的酸含量占450℃以下总酸量的57.48%。

溴甲烷转化制异丁烯反应在连续流动微型固定床反应器中进行。催化剂装量5g，原料气为溴甲烷与氮气混合气体，其中溴甲烷体积含量为80%，反应温度为200℃，反应压力为3MPa（绝压），空速为350h^-1。通入原料气前，催化剂在氢气与氮气的混合气氛下活化，混合气体中氢气体积含量为50%，还原条件为500℃，0.1MPa（绝压），500h^-1，还原时间4h，还原后催化剂中的卤素含量为还原前催化剂中卤素总含量的48.79%。反应稳定一小时后，采样分析。反应结果见表1。

实施例5

称取20gP123，溶于含有45g柠檬酸的600mL乙醇溶液中，在50℃恒温水浴中搅拌回流0.5h；滴加200mmolTEOS，继续在50℃恒温水浴中搅拌回流2h；称取4.5g氯化锌溶于100mL无水乙醇中，搅拌溶解后加入上述制备的透明溶液中，室温下搅拌1h，所得澄清溶液移入玻璃培养皿中，于40℃放置20h至溶剂蒸发完全；所得固体于70℃陈化18h后，以1℃/min的升温速率于550℃焙烧6h，即得催化剂前体ZnO/SiO₂。

将催化剂前体置于连续流动固定床反应器中，使用溴甲烷与氮气的混合气体处理催化剂前体，溴甲烷体积浓度为80%，处理条件为250℃，0.2MPa（绝压），300h^-1，时间2h，制得溴甲烷制异丁烯催化剂，记为C-5。得到催化剂重量组成为ZnBr₂以溴化物计重量含量为30%，ZnO以氧化物计重量含量为4%，催化剂中450℃以下总酸量为0.99mmol/g，250℃-350℃的酸含量占450℃以下总酸量的65.23%。

溴甲烷转化制异丁烯反应在连续流动微型固定床反应器中进行。催化剂装量5g，原料气为溴甲烷与氮气混合气体，其中溴甲烷体积含量为70%，反应温度为230℃，反应压力为2MPa（绝压），空速为200h^-1。通入原料气前，催化剂在氢气与氮气的混合气氛下活化，混合气体中氢气体积含量为80%，还原条件为450℃，0.3MPa（绝压），800h^-1，还原时间4h，还原后催化剂中的卤素含量为还原前催化剂中卤素总含量的48.12%。反应稳定一小时后，采样分析。反应结果见表1。

实施例6

称取20g十六烷基三甲基溴化铵，溶于含有45g柠檬酸的600mL乙醇溶液中，在50℃恒温水浴中搅拌回流0.5h；滴加200mmolTEOS，继续在50℃恒温水浴中搅拌回流2h；称取4.5g氯化锌溶于100mL无水乙醇中，搅拌溶解后加入上述制备的透明溶液中，室温下搅拌1h，所得澄清溶液移入玻璃培养皿中，于40℃放置20h至溶剂蒸发完全；所得固体于70℃陈化18h后，以1℃/min的升温速率于550℃焙烧6h，即得催化剂前体ZnO/SiO₂。

将催化剂前体置于连续流动固定床反应器中，使用溴甲烷与氮气的混合气体处理催化剂前体，溴甲烷体积浓度为80%，处理条件为250℃，0.2MPa（绝压），300h^-1，时间2h，制得溴甲烷制异丁烯催化剂，记为C-6。得到催化剂重量组成为ZnBr₂以溴化物计重量含量为30%，ZnO以氧化物计重量含量为4%，催化剂中450℃以下总酸量为0.95mmol/g，250℃-350℃的酸含量占450℃以下总酸量的61.37%。

溴甲烷转化制异丁烯反应在连续流动微型固定床反应器中进行。催化剂装量5g，原料气为溴甲烷与氮气混合气体，其中溴甲烷体积含量为70%，反应温度为230℃，反应压力为2MPa（绝压），空速为200h^-1。通入原料气前，催化剂在氢气与氮气的混合气氛下活化，混合气体中氢气体积含量为80%，还原条件为450℃，0.3MPa（绝压），800h^-1，还原时间4h，还原后催化剂中的卤素含量为还原前催化剂中卤素总含量的39.67%。反应稳定一小时后，采样分析。反应结果见表1。

比较例1

称取20gP123，溶于含有2mL浓盐酸的600mL乙醇溶液中，在50℃恒温水浴中搅拌回流0.5h；滴加200mmolTEOS，继续在50℃恒温水浴中搅拌回流2h；称取9.8g硝酸锌溶于100mL无水乙醇中，搅拌溶解后加入上述制备的透明溶液中，室温下搅拌1h，所得澄清溶液移入玻璃培养皿中，于40℃放置20h至溶剂蒸发完全；所得固体于70℃陈化18h后，以1℃/min的升温速率于550℃焙烧6h，即得催化剂前体ZnO/SiO₂。

将催化剂前体置于连续流动固定床反应器中，使用溴甲烷与氮气的混合气体处理催化剂前体，溴甲烷体积浓度为80%，处理条件为250℃，0.2MPa（绝压），300h^-1，时间2h，制得溴甲烷制异丁烯催化剂，记为D-1。得到催化剂重量组成为ZnBr₂以溴化物计重量含量为30%，ZnO以氧化物计重量含量为4%，催化剂中450℃以下总酸量为0.96mmol/g，250℃-350℃的酸含量占450℃以下总酸量的60.32%。

溴甲烷转化制异丁烯反应在连续流动微型固定床反应器中进行。催化剂装量5g，原料气为溴甲烷与氮气混合气体，其中溴甲烷体积含量为70%，反应温度为230℃，反应压力为2MPa（绝压），空速为200h^-1。反应稳定一小时后，采样分析。反应结果见表1。

比较例2

称取20gP123，溶于含有2mL浓盐酸的600mL乙醇溶液中，在50℃恒温水浴中搅拌回流0.5h；滴加200mmolTEOS，继续在50℃恒温水浴中搅拌回流2h；称取9.8g硝酸锌溶于100mL无水乙醇中，搅拌溶解后加入上述制备的透明溶液中，室温下搅拌1h，所得澄清溶液移入玻璃培养皿中，于40℃放置20h至溶剂蒸发完全；所得固体于70℃陈化18h后，以1℃/min的升温速率于550℃焙烧6h，即得催化剂ZnO/SiO₂，记为D-2。得到催化剂重量组成为ZnO以氧化物计重量含量为18%，催化剂中450℃以下总酸量为0.41mmol/g，250℃-350℃的酸含量占450℃以下总酸量的40.3%。

溴甲烷转化制异丁烯反应在连续流动微型固定床反应器中进行。催化剂装量5g，原料气为溴甲烷与氮气混合气体，其中溴甲烷体积含量为50%，反应温度为230℃，反应压力为1MPa（绝压），空速为500h^-1，通入原料气前催化剂在氢气气氛下活化，还原条件为400℃，0.2MPa（绝压），1000h^-1，还原时间4h。反应稳定一小时后，采样分析。反应结果见表1。

比较例3

称取20gP123，溶于含有2mL浓盐酸的600mL乙醇溶液中，在50℃恒温水浴中搅拌回流0.5h；滴加200mmolTEOS，继续在50℃恒温水浴中搅拌回流2h；称取7.4g溴化锌溶于100mL无水乙醇中，搅拌溶解后加入上述制备的透明溶液中，室温下搅拌1h，所得澄清溶液移入玻璃培养皿中，于40℃放置20h至溶剂蒸发完全；所得固体于70℃陈化18h后，以1℃/min的升温速率于550℃焙烧6h，即得催化剂ZnBr₂/SiO₂，记为D-3。得到催化剂重量组成为ZnBr₂以溴化物计重量含量为30%，催化剂中450℃以下总酸量为0.98mmol/g，250℃-350℃的酸含量占450℃以下总酸量的65.6%。

溴甲烷转化制异丁烯反应在连续流动微型固定床反应器中进行。催化剂装量5g，原料气为溴甲烷与氮气混合气体，其中溴甲烷体积含量为50%，反应温度为230℃，反应压力为1MPa（绝压），空速为500h^-1，通入原料气前催化剂在氢气气氛下活化，还原条件为400℃，0.2MPa（绝压），1000h^-1，还原时间4h，还原后催化剂中的卤素含量为还原前催化剂中卤素总含量的92.11%。反应稳定一小时后，采样分析。反应结果见表1。

表1 催化剂反应性能

Claims (20)

1.一种以二氧化硅为载体的溴甲烷制异丁烯催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下过程：

（1）将表面活性剂溶于含有无机酸或有机酸的乙醇溶液中，在40℃-60℃的恒温水浴中搅拌回流；

（2）滴加硅源，继续于40℃-60℃的恒温水浴中搅拌回流1h-3h；

（3）称取锌盐溶于无水乙醇中，搅拌溶解后加入步骤（2）制备的透明溶液中，搅拌0.5h-1.5h；

（4）将步骤（3）所得澄清溶液于30℃-50℃放置12h-24h至溶剂蒸发完全；

（5）步骤（4）所得固体在60℃-80℃陈化12h-24h，再以1℃/min-3℃/min的升温速率于500℃-600℃焙烧4h-8h，即得催化剂前体ZnO/SiO₂；

（6）对步骤（5）催化剂前体ZnO/SiO₂进行不完全溴化处理使催化剂中氧化锌重量含量为0.5%-20%，溴化锌重量含量为10%-39%。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中所述表面活性剂为聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种；无机酸为浓盐酸或浓硝酸；有机酸为柠檬酸、酒石酸、苹果酸或草酸中的一种或多种；按每克表面活性剂中加入20mL-50mL乙醇溶液的比例混合，当加入无机酸时，乙醇与无机酸的体积比为30-60，当加入有机酸时，乙醇与有机酸的质量比为5-15。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中所述表面活性剂为聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物；无机酸为浓盐酸；有机酸为柠檬酸。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中硅源为正硅酸四甲酯、正硅酸四乙酯、硅溶胶或硅酸中的一种或多种，硅源中硅元素与步骤（1）中表面活性剂的质量比为0.2-0.5:1。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中所述锌盐为无机盐，锌元素与步骤（2）中硅元素的摩尔比为0.04-0.9:1，所述无水乙醇与步骤（1）中乙醇溶液的体积比为0.1-0.5:1。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤（3）中所述锌盐为硝酸盐、盐酸盐中的一种或二种混合，锌元素与步骤（2）中硅元素的摩尔比为0.05-0.6:1。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（6）中所述溴化处理是指采用气相含溴化合物对催化剂前体ZnO/SiO₂进行处理。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：含溴化合物是指溴甲烷、二溴甲烷、三溴甲烷中的一种或几种。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：采用气相含溴化合物与惰性气体的混合气体进行溴化处理，溴代甲烷体积浓度不小于20%。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：具体溴化过程如下：将催化剂前体ZnO/SiO₂置于连续流动固定床反应器中，惰性气氛下升温至150℃-400℃，通入气相含溴化合物气体，气体空速为50h^-1-1000 h^-1；体系压力为0.1MPa-0.5MPa，处理时间为0.5h-8h。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：惰性气氛下升温至180℃-350℃，通入气相含溴化合物气体，气体空速为100h^-1-500h^-1；体系压力为0.1MPa-0.3MPa，处理时间为1h-4h。

12.一种采用权利要求1至11任一方法制备的催化剂，其特征在于：所述催化剂含有氧化锌、溴化锌及二氧化硅载体，按催化剂重量含量计，氧化锌含量为0.5%-20%，溴化锌含量为10%-39%，二氧化硅载体含量为50%-85%。

13.根据权利要求12所述的催化剂，其特征在于：催化剂中450℃以下总酸量为0.5mmol/g-1.3mmol/g， 250℃-350℃的酸含量占450℃以下总酸量的20%-90%。

14.权利要求12所述催化剂在制备异丁烯中的应用，其特征在于：包括对催化剂进行氢气还原活化，使催化剂中的卤素含量为还原前催化剂中卤素总含量的20%-90%，然后使溴甲烷与氢气还原活化后的催化剂接触，以制备异丁烯。

15.根据权利14所述催化剂的应用，其特征在于：所述氢气还原活化的条件使得催化剂中的卤素含量为还原前催化剂中卤素总含量的30%-80%。

16.根据权利14所述催化剂的应用，其特征在于：所述氢气还原活化的方式包括在惰性气氛下将催化剂升温至300℃-600℃；然后通入空速为200h^-1-2000h^-1的氢气或氢气与惰性气体的混合气体，在0.1MPa-0.5MPa保持2h-16h，混合气体中氢气体积百分含量为10%-95%。

17.根据权利要求16所述的应用，其特征在于：升温至350℃-550℃；然后通入空速为500h^-1-1000h^-1的氢气或氢气与惰性气体的混合气体，在0.1MPa-0.3MPa保持4h-8h，所述混合气体中氢气体积百分含量为30%-90%。

18.根据权利要求14所述的应用，其特征在于：所述接触的条件包括反应温度为150℃-350℃；反应压力为0.1MPa-5MPa；空速为50h^-1-1000h^-1。

19.根据权利要求18所述的应用，其特征在于：反应温度为180℃-300℃；反应压力为0.1MPa-3MPa；空速为200h^-1-500h^-1。

20.根据权利要求14所述的应用，其特征在于：溴甲烷制异丁烯反应在固定床、流化床、移动床或浆态床反应器中进行。