CN106861775A - 一种co合成草酸二甲酯失活催化剂的活化再生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CO合成草酸二甲酯失活催化剂的活化再生方法，主要包括以下步骤：将失活催化剂在高温高压下碱洗，除掉催化剂表面附着的有机物；再用扩孔剂溶液浸泡，后于400～700℃焙烧，以除掉催化剂表面附着的积碳及疏通催化剂堵塞的孔道；再用氮气和氯化氢混合气体吹扫，使团聚长大的活性Pd物种重新分散；再用碱液浸泡使重新分散后的Pd物种固定到载体上；最后用催化剂经湿法和干法两步还原，将氧化钯还原为钯。采用本发明方法对失活催化剂活化处理后，团聚烧结的活性Pd物种得到了有效分散，催化剂的活性能够恢复到原来的96％左右。本发明方法工艺简单易操作，并且成本低，实现了贵金属催化剂的循环利用。

Description

一种CO合成草酸二甲酯失活催化剂的活化再生方法
技术领域
本发明提供了一种CO偶联合成草酸二甲酯失活催化剂的活化再生方法，属于失活催化剂的活化再生技术领域。
背景技术
一氧化碳气相催化偶联合成草酸二甲酯是当前碳一化学的一个重要研究课题，其工艺技术的成功实施能够改变我国乙二醇的传统生产模式，有效推动我国煤制乙二醇工业的发展。目前工业化装置上应用的催化剂都是以Pd作为活性组分。由于一氧化碳气相催化偶联合成草酸二甲酯是一个剧烈的放热反应，在工业化装置上，如果反应操作条件控制不当，极易引起催化剂床层发生飞温。在高温条件下，催化剂有可能会发生一系列变化，如表面会沉积大量的碳物种，活性组分Pd粒子很容易发生团聚和烧结，起催化作用的零价Pd很容易被氧化成二价且很难再恢复到零价等。碳物种的沉积、活性组分Pd物种的团聚烧结及其高温氧化导致了催化剂活性的下降甚至活性完全丧失。由于Pd是一种贵金属，其价格比较昂贵，如果因为催化剂中毒后其催化活性下降甚至完全丧失而直接将催化剂丢弃，这不仅会大大加重企业的生产成本，而且也会对环境造成一定的污染。
专利CN104190441B公开了一种煤制乙二醇过程失活钯催化剂的在线再生方法，在不同温度下，分别向反应器中通入水蒸气以除掉催化剂表面附着的部分有机物和无机物，通入N2以疏通载体孔道，通入O2以除去催化剂上的积碳，并使已团聚的还原态钯氧化、分散，通入H2对活性组分进行还原和再分散。该法活化后的催化剂样品活性只能恢复到原来的85％左右。
专利CN105618161A公开了一种CO原料气脱氢用催化剂活化再生方法，该法主要包括：将催化剂进行氧化重整脱掉表面附着的积碳，再进行酸处理脱掉催化剂表面渗入的Fe杂质，最后进行氧化氯化处理使催化剂表面团聚的贵金属颗粒再分散。通过该法活化处理后的催化剂样品其活性只能恢复到新鲜催化剂的85％左右。
因此，需要发明一种高效低成本的CO气相催化偶联合成草酸二甲酯失活催化剂的活化再生方法，这不仅能够延长催化剂的使用寿命，而且能够有效降低企业的运营成本和减轻环境负担，对促进我国煤制乙二醇工业的发展具有重要的经济意义。
发明内容
本发明提供了一种一氧化碳催化偶联合成草酸二甲酯所用催化剂失活后的活化再生方法，目的是为了提供一种工艺步骤简单、成本低的再生工艺来实现贵金属催化剂的循环利用，间接降低催化剂的生产成本。
本发明所述CO气相催化偶联合成草酸二甲酯失活催化剂的活化再生方法，该失活催化剂以α-Al2O3为载体，Pd物种为活性组分。该活化再生工艺主要包括以下步骤：
A.将飞温失活催化剂置于高压反应釜中，并向反应釜中加入强碱溶液，于150～200℃烘箱中恒温保持4～10h，目的是除掉飞温失活催化剂表面附着的有机物。待温度降至室温后，抽滤并用蒸馏水洗涤数次直到滤液的pH＝7。
所述强碱溶液为浓度1～8mol/L的氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氨水、六亚甲基四胺中的任意一种或两种组合；其中强碱溶液与失活催化剂的体积比2:1。
B.将步骤A得到催化剂样品浸泡于扩孔剂的溶液中，浸泡8-16h后过滤，置于400～700℃的马弗炉中焙烧2～6h，其中扩孔剂溶液与失活催化剂的体积比为1:1。目的是通过高温焙烧除去催化剂表面的积碳，同时借助扩孔剂的作用来疏通失活催化剂堵塞的孔道。
所述扩孔剂溶液为葡萄糖、聚乙二醇、壳聚糖、PVP、聚乙烯醇溶液中的一种或任意两种的组合，扩孔剂溶液浓度为0.5～3mol/L；较佳的是聚乙二醇、葡萄糖。
C.将步骤B焙烧后的催化剂装填于带有加热套的石英管中，并向石英管中通入氮气和氯化氢混合气体，气体的空速为200～600h-1，控制石英管的加热温度为100～200℃，连续通气4～8h，使失活催化剂中团聚长大的活性Pd物种重新分散为粒径较小的Pd物种。
所述混合气体中氮气和氯化氢的体积比为1:1～4:1；
D.将步骤C处理后的催化剂用碱液浸泡2～4小时，抽滤、蒸馏水洗涤直至滤液pH＝7，使重新分散后的活性组分Pd固定到载体上；其中碱液与失活催化剂的体积比为1:1。
所述碱液为质量分数2～10％的氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钠和碳酸氢钠的混合液中的任意一种；
E.将步骤D得到的催化剂样品先进行湿法还原，即在等体积的还原溶液中常温浸泡6～12h；然后再在纯氢或CO气体，空速为500-3000h-1，其中较佳的是1000-2000h-1，150～250℃条件下干法还原2～6h，以将催化剂上的氧化钯还原为单质钯，即得到再生后的催化剂。
所述的还原溶液是质量分数为10～30％的甲醛溶液、硼氢化钠溶液、抗坏血酸溶液、水合肼溶液、硼氢化钾溶液中的任意一种，其中较佳的是甲酸溶液或硼氢化钠溶液。
为了证明本发明方法的有益效果，对活化再生前后的催化剂样品进行了透射电镜和XPS表征。图1的透射电镜结果表明再生前催化剂样品中的活性组分Pd物种颗粒明显长大，其平均粒径为14nm左右，而通过本发明方法活化后，活性组分Pd物种重新得到了有效分散，其平均粒径为5nm左右。
本发明与现有的活化再生技术相比，有益效果是：
(1)通过高温高压碱洗，可以洗掉催化剂表面附着的有机物；
(2)高温焙烧可以有效除去催化剂表面的积碳，同时借助于扩孔剂可以有效疏通催化剂的内部孔道；
(3)通过氯化氢气体的高温吹扫可以使团聚长大的活性Pd物种重新分散为较小粒径的Pd物种；
(4)通过碱液浸泡可以使重新分散的活性组分Pd牢牢固定到载体上；
(5)通过湿法和干法两步还原可以充分将二价Pd还原为零价Pd；
(6)该活化再生工艺简单，易操作，能够实现放大生产。失活催化剂经活化再生后，其活性能够恢复到原来的96％左右，对促进煤炭资源的清洁高效利用具有重要的经济意义。
附图说明
图1为再生前后催化剂样品的透射电镜照片。(a)为实施例1再生前的催化剂样品；(b)为实施例1再生后的催化剂样品。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明一氧化碳气相催化偶联合成草酸二甲酯失活催化剂活化再生方法进行详细说明，但是本发明并不限于以下具体实施例。
实施例1
将10mL失活催化剂和20mL 5mol/L的氢氧化钠溶液置于200mL反应釜中，于180℃烘箱中恒温保持5h，待温度降至室温后将催化剂抽滤水洗直至滤液pH＝7。将经过碱洗的失活催化剂于10mL浓度为2mol/L的聚乙二醇溶液中浸泡3h，抽滤后将催化剂置于600℃马弗炉中焙烧4h。将焙烧后的催化剂装填于带有加热套的内径为20mm的石英管中，控制加热温度为150℃，通过转子流量计向石英管中通入50mL/min N2和50mL/min HCl，通气处理5h后，再将催化剂置于10mL质量分数20％的氢氧化钠溶液中浸泡2h，抽滤、蒸馏水洗涤至滤液pH＝7，再用10mL质量分数为30％的甲醛溶液浸泡12h，再将催化剂置于反应管中180℃条件下通入纯氢气，空速2000h-1条件下还原4h后，即得到活化后催化剂样品。
实施例2
将10mL失活催化剂和20mL 4mol/L的六亚甲基四胺溶液置于200mL反应釜中，于200℃烘箱中恒温保持6h，待温度降至室温后将催化剂抽滤水洗直至滤液pH＝7。将经过碱洗的失活催化剂于10mL浓度为4mol/L的葡萄糖溶液中浸泡3h，抽滤后将催化剂置于500℃马弗炉中焙烧6h。将焙烧后的催化剂装填于带有加热套的内径为20mm的石英管中，控制加热温度为180℃，通过转子流量计向石英管中通入30mL/min N2和70mL/min HCl，通气处理3h后，再将催化剂置于10mL质量分数10％的氢氧化钠和碳酸氢钠的混合溶液中浸泡3h，浸泡完毕后将催化剂抽滤蒸馏水洗涤至滤液pH＝7后，催化剂再用10mL质量分数为15％的硼氢化钠溶液浸泡12h，然后再将催化剂置于反应管中150℃条件下通入纯一氧化碳，空速2000h-1条件下还原2h后，即得到活化后催化剂样品。
催化剂应用性能评价
分别量取2mL新鲜催化剂、失活催化剂和实施例1～2活化后的催化剂样品，置于内径为10mm的不锈钢反应管中，再引入20mL/min亚硝酸甲酯，30mL/min一氧化碳，50mL/min氮气，反应空速为3000h-1，控制加热温度为135℃，反应产物经气象色谱分析，催化剂性能评价结果列于表1中。
表1
从表1可以看出失活后的催化剂对CO气相偶联反应基本没有催化活性，而采用本发明方法对失活催化剂进行活化处理后，其催化活性都能够得到一定程度恢复，最高可恢复到新鲜催化剂的96％左右。

Claims (3)

1.一种CO合成草酸二甲酯失活催化剂的活化再生方法，具体步骤如下：
A.将失活催化剂置于高压反应釜中，并向反应釜中加入强碱溶液，于150～200℃烘箱中恒温保持4～10h，待温度降至室温后，抽滤并用蒸馏水洗涤数次直到滤液的pH＝7；
所述强碱溶液为浓度1～8mol/L的氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氨水、六亚甲基四胺中的任意一种或两种组合；其中强碱溶液与失活催化剂的体积比2:1；
B.将步骤A得到催化剂样品浸泡于溶解有扩孔剂的溶液中，浸泡8-16h后过滤，置于400～700℃的马弗炉中焙烧2～6h，以除去催化剂表面的积碳，同时借助扩孔剂的作用来疏通失活催化剂堵塞的孔道；
所述扩孔剂溶液是浓度为0.5～3mol/L葡萄糖、聚乙二醇、壳聚糖、PVP、聚乙烯醇溶液中的一种或任意两种的组合；其中扩孔剂溶液与失活催化剂的体积比为1:1；
C.将步骤B焙烧后的催化剂装填于带有加热套的石英管中，并向石英管中通入氮气和氯化氢混合气体，气体的空速为200～600h-1，控制石英管的加热温度为100～200℃，连续通气4～8h，使失活催化剂中团聚长大的活性Pd物种重新分散为粒径较小的Pd物种；
所述混合气体中氮气和氯化氢的体积比为1:1～4:1；
D.将步骤C处理后的催化剂用碱液浸泡2～4小时，抽滤、蒸馏水洗涤直至滤液pH＝7，使重新分散后的活性组分Pd固定到载体上；其中碱液与失活催化剂的体积比为1:1；
所述碱液为质量分数2～10％的氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钠和碳酸氢钠的混合液中的任意一种；
E.将步骤D得到的催化剂样品先进行湿法还原，即在等体积的还原溶液中常温浸泡6～12h；然后再在纯氢或CO气体，空速500-3000h-1，150～250℃条件下干法还原2～6h，以将催化剂上的氧化钯还原为单质钯，即得到再生后的催化剂；
所述的还原溶液是甲醛溶液、硼氢化钠溶液、抗坏血酸溶液、水合肼溶液、硼氢化钾溶液中的任意一种，其质量分数为10～30％。
2.根据权利要求1所述的CO合成草酸二甲酯失活催化剂的活化再生方法，其特征在于步骤B所述的扩孔剂溶液为聚乙二醇、葡萄糖。
3.根据权利要求1所述的CO合成草酸二甲酯失活催化剂的活化再生方法，其特征在于步骤E所述的还原溶液是甲醛溶液或硼氢化钠溶液；所述的空速为1000-2000h-1。
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