CN107029753A - 一种抗粉化骨架镍催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及催化剂制备领域，特别公开了一种抗粉化骨架镍催化剂的制备方法。该抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，其特征为：将金属镍、金属铝以及金属X混合，所得金属混合物熔融后经高压雾化得到合金类微球粉末，筛分备用；将合金类微球粉末用碱液溶浸活化，碱液中添加金属盐M，经溶浸后的合金类微球粉末采用去离子水多次洗涤至弱碱性到中性，即得到骨架镍催化剂，液封保存。本发明制备的骨架镍催化剂催化活性高、稳定性好、使用寿命长，其催化剂颗粒外表面结构规则、机械强度明显提高，抗粉化和耐摩擦冲击能力强，既适用于普通浆态床反应器，更能满足高混合强度的喷射环流反应器的严苛使用要求。
Description
（一）技术领域
本发明涉及催化剂制备领域，特别涉及一种抗粉化骨架镍催化剂的制备方法。
（二）背景技术
骨架镍又称为雷尼镍，是由Raney于1925年最早制备并命名，具有较高的加氢反应活性和较好的反应选择性，与传统的铂、钯、铑、钌等贵金属催化剂相比，具有制备方法简单、价格低廉等优点，因此广泛应用于石油化工领域的催化加氢反应。
由Ni、Al构成的合金主体经碱液溶浸等活化处理后形成外表面不规则的骨架形态，在结构上出现大量的裂痕和空隙。裂痕和空隙都是金属结构中比较松散和不均匀的状态，它们的存在使得金属活性中心位的生成几率和成键能力都大大增加；对于加氢反应而言，此种疏松多孔的骨架结构增加了活化氢的数量，降低了吸附氢的活泼性，可同时提高催化剂的加氢活性与选择性，对于催化性能的提升意义重大。但与此同时，该种疏松的骨架结构却降低了催化剂的机械强度。
环流反应器是在强化鼓泡反应器基础上发展而来的一种高效多相反应器，其具有结构简单、流体流动规则、环流速度快、有利于反应物的混合、传热和传质、易于工程放大的特点，因此在众多领域都得到应用。其中，喷射环流反应器作为近年来研究较多的环流反应器，其结构主要包括反应釜体、射流喷嘴以及循环泵等附件，反应物料在无机械搅拌的条件下，依靠流体的喷射和静压差作用完成强制且充分混合，具有混合强度大、传质效果好等优点，广泛应用于化工反应领域，尤其是非均相催化加氢反应，例如二硝基苯加氢还原制备邻、间、对位三种苯二胺、4-硝基/亚硝基二苯胺加氢制备4-氨基二苯胺以及硝基C酸加氢制备CLT酸等反应。而作为喷射环流反应器中使用的传统骨架镍催化剂，由于其混合强度较普通釜式反应器提升明显，催化剂颗粒外表面不规则结构需要经受的摩擦冲击外力增加，势必会加剧催化剂骨架结构的破坏粉化，在催化剂过滤回收时造成透滤损失，进而引起反应活性的降低和催化剂消耗成本的增加。
（三）发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种步骤简单、产品稳定性好、使用寿命长的抗粉化骨架镍催化剂的制备方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，包括如下步骤：
（1）将金属镍、金属铝以及金属X混合，所得金属混合物在1500-2200℃下熔融后经高压雾化得到合金类微球粉末，将其筛分备用；
（2）将合金类微球粉末用碱液溶浸活化，溶浸过程由惰性气体保护，碱液中添加金属盐M，经溶浸后的合金类微球粉末采用去离子水多次洗涤至弱碱性到中性，即得到骨架镍催化剂，液封保存。
本发明通过金属镍与金属铝、金属X的混熔、高压雾化，得到类微球型合金粉末，再通过碱液溶浸活化，将金属铝部分抽提，所得的骨架镍催化剂具有外表面结构规则、机械强度高、耐冲击摩擦、抗粉化性能强的特点，既能满足普通搅拌式浆态床反应器使用要求，更适用于高混合强度的喷射环流反应器。
本发明的更优技术方案为：
步骤（1）中，金属X为Cr、Mo、Mn、Zr中的一种，优选Cr、Mo、Zr中的一种；金属X与金属镍的质量比为0.005-0.6:1，优选0.01-0.04:1。
步骤（1）中，合金类微球粉末采用自动筛分机筛分，将其过50-300目筛，优选过80-250目筛。
步骤（2）中，碱液为质量浓度为10-40%的氢氧化钠或氢氧化钾溶液，优选质量浓度为25-35%的氢氧化钾溶液；碱液中添加的金属盐M为Zr(NO3)4、K2CrO4、K2MoO4、K2MnO4中的一种，优选K2CrO4、K2MoO4、Zr(NO3)4中的一种；金属盐M与碱液的质量比为0.05-0.3:1，优选0.1-0.2:1。
步骤（2）中，惰性气体为氮气、氩气和氦气中的一种或多种，优选氩气、氦气或者两者的混合气氛。
本发明制备的骨架镍催化剂催化活性高、稳定性好、使用寿命长，与普通骨架镍催化剂相比，其催化剂颗粒外表面结构规则、机械强度明显提高，抗粉化和耐摩擦冲击能力强，既适用于普通浆态床反应器，更能满足高混合强度的喷射环流反应器的严苛使用要求。
（四）具体实施方式
实施例1：
一种抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）将金属Ni、金属Al以及金属Zr按比例混合，金属Zr与金属Ni的质量比为0.01:1；将所得金属混合物在1500℃下混合熔融后经高压雾化得到合金类微球粉末，并采用自动筛分机将合金粉末进行筛分，筛分出80-120目的合金类微球粉末以供催化剂活化使用。
（2）经步骤（1）得到的合金类微球粉末采用质量浓度为25%的氢氧化钾溶液溶浸活化，溶浸过程由氮气保护，氢氧化钾溶液中按比例添加金属盐Zr(NO3)4；Zr(NO3)4与氢氧化钾溶液的质量比为0.1:1；经溶浸后的合金粉采用去离子水多次洗涤至弱碱性到中性，即得到骨架镍催化剂，液封保存。催化剂经ICP-AES和激光粒度分析，Ni含量约为87.1%，Al约占12.1%，Zr含量为0.8%，催化剂粉末平均粒径约为88μm。
采用间二硝基苯加氢反应对制备的抗粉化骨架镍催化剂活性及稳定性进行评价：评价实验采用50L微型喷射环流反应器进行，以乙醇作为反应体系溶剂，催化剂投加量为总反应物料量的3%，循环液速为1.5L/s，评价实验连续运行72hr。加氢液采出后采用气相色谱分析，间二硝基苯总转化率高于99.8%；使用后的催化剂卸出，经ICP-AES和激光粒度分析，Ni含量约为87.2%，Al约占12%，Zr含量为0.8%，催化剂粉末平均粒径约为86μm，对比新鲜催化剂表征数据无明显变化，说明催化剂活性组分无明显溶脱流失，且催化剂粉末颗粒无明显粉化现象，机械强度好。
对比实验：
取普通商品化骨架镍催化剂，经ICP-AES和激光粒度分析，Ni含量约为90.2%，Al约占9.8%，催化剂粉末平均粒径约为68μm。
采用间二硝基苯加氢反应对该骨架镍催化剂活性及稳定性进行评价：评价实验同样采用50L微型喷射环流反应器进行，以乙醇作为反应体系溶剂，催化剂投加量为总反应物料量的3%，循环液速为1.5L/s，评价实验连续运行72hr。加氢液采出后采用气相色谱分析，间二硝基苯总转化率高于99.6%；使用后的催化剂卸出，经ICP-AES和激光粒度分析，Ni含量约为92.6%，Al约占7.4%，催化剂粉末平均粒径约为51μm，对比新鲜催化剂Al有一定程度的流失，且平均粒径减小，说明催化剂出现了一定程度的粉化现象。
实施例2：
一种抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）将金属Ni、金属Al以及金属Cr按比例混合，金属Cr与金属Ni的质量比为0.025:1；将所得金属混合物在2200℃下混合熔融后经高压雾化得到合金类微球粉末，并采用自动筛分机将合金粉末进行筛分，筛分出100-150目的合金类微球粉末以供催化剂活化使用。
（2）经步骤（1）得到的合金类微球粉末采用质量浓度为35%的氢氧化钾溶液溶浸活化，溶浸过程由氩气保护，氢氧化钾溶液中按比例添加金属盐K2CrO4，K2CrO4与氢氧化钾溶液的质量比为0.2:1；经溶浸后的合金粉采用去离子水多次洗涤至弱碱性到中性，即得到骨架镍催化剂，液封保存。催化剂经ICP-AES和激光粒度分析，Ni含量约为89.8%，Al约占7.9%，Cr含量为2.3%，催化剂粉末平均粒径约为69μm。
以对二硝基苯加氢反应为模型反应对制备的抗粉化骨架镍催化剂活性及稳定性进行评价：评价实验采用100L小型喷射环流反应器进行，以乙醇作为反应体系溶剂，催化剂投加量为总反应物料量的5%，循环液速为2.8L/s，评价实验连续运行48hr。加氢液采出后采用气相色谱分析，对二硝基苯总转化率高于99.7%；使用后的催化剂卸出，经ICP-AES和激光粒度分析，Ni含量约为89.9%，Al约占7.8%，Cr含量约为2.3%，催化剂粉末平均粒径约为67μm，对比新鲜催化剂表征数据无明显变化，说明催化剂机械强度较好，稳定性较高，使用过程中活性组分无明显溶脱流失，且催化剂粉末颗粒无明显粉化现象。
实施例3：
一种抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）将金属Ni、金属Al以及金属Mo按比例混合，金属Mo与金属Ni的质量比为0.04:1；将所得金属混合物在2000℃下混合熔融后经高压雾化得到合金类微球粉末，并采用自动筛分机将合金粉末进行筛分，筛分出200-250目的合金类微球粉末以供催化剂活化使用。
（2）经步骤（1）得到的合金类微球粉末采用质量浓度为30%的氢氧化钾溶液溶浸活化，溶浸过程由氦气保护，氢氧化钾溶液中按比例添加金属盐K2MnO4；K2MnO4与氢氧化钾溶液的质量比为0.15:1；经溶浸后的合金粉采用去离子水多次洗涤至弱碱性到中性，即得到骨架镍催化剂，液封保存。新鲜催化剂经ICP-AES、N2物理吸附和激光粒度分析，Ni含量约为86.1%，Al约占10.4%，Mo含量为3.5%，比表面积约152m²/g，催化剂粉末平均粒径约为35.2μm。
采用含有4-硝基二苯胺和4-亚硝基二苯胺的缩合液加氢反应对制备的抗粉化骨架镍催化剂活性及稳定性进行评价：评价实验采用50L微型喷射环流反应器进行，以甲醇作为反应体系溶剂，催化剂投加量为总反应物料量的6%，循环液速为1.8L/s，评价实验连续运行100hr。加氢还原液采出后采用高效液相色谱分析，反应物4-硝基二苯胺和4-亚硝基二苯胺总转化率高于99.8%，产物4-氨基二苯胺收率高于98%；使用后的催化剂卸出，经分析，Ni含量约为86.3%，Al约占10.3%，Mo含量约为3.4%，比表面积约147m²/g，催化剂粉末平均粒径约为34.9μm，对比新鲜催化剂表征数据无明显降低，说明催化剂活性组分无明显溶脱流失，且催化剂粉末颗粒抗粉化效果较好。
实施例4：
一种抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）将金属Ni、金属Al以及金属Mn按比例混合，金属Mn与金属Ni的质量比为0.005:1；将所得金属混合物在1800℃下混合熔融后经高压雾化得到合金类微球粉末，并采用自动筛分机将合金粉末进行筛分，筛分出50-100目的合金类微球粉末以供催化剂活化使用。
（2）经步骤（1）得到的合金类微球粉末采用质量浓度为10%的氢氧化钠溶液溶浸活化，溶浸过程由氮气和氩气混合气氛保护，氢氧化钠溶液中按比例添加金属盐K2MnO4。金属盐K2MnO4与氢氧化钠溶液的质量比为0.05:1；经溶浸后的合金粉采用去离子水多次洗涤至弱碱性到中性，即得到骨架镍催化剂，液封保存。新鲜催化剂经ICP-AES、N2物理吸附和激光粒度分析，Ni含量约为84.1%，Al约占15.2%，Mn含量为0.7%，比表面积约105m²/g，催化剂粉末平均粒径约为114μm。
采用硝基C酸（2-硝基-4-甲基-5-氯苯磺酸）加氢反应对制备的抗粉化骨架镍催化剂活性及稳定性进行评价：评价实验采用80L小型喷射环流反应器进行，以去离子水作为反应体系溶剂，采用NaOH调节反应体系pH至7.5，催化剂投加量为总反应物料量的1%，循环液速为2.5L/s，评价实验连续运行50hr。加氢还原液采出后采用高效液相色谱分析，反应物硝基C酸总转化率高于99.5%，产物CLT酸收率高于96%；使用后的催化剂卸出，经分析，Ni含量约为84.2%，Al约占15.1%，Mn含量约为0.7%，比表面积约102m²/g，催化剂粉末平均粒径约为110μm，对比新鲜催化剂表征数据无明显降低，说明催化剂活性组分无明显溶脱流失，且催化剂粉末颗粒抗粉化效果较好。
实施例5：
一种抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）将金属Ni、金属Al以及金属Zr按比例混合，金属Zr与金属Ni的质量比为0.06：1；将所得金属混合物在2100℃下混合熔融后经高压雾化得到合金类微球粉末，并采用自动筛分机将合金粉末进行筛分，筛分出200-300目的合金类微球粉末以供催化剂活化使用。
（2）经步骤（1）得到的合金类微球粉末采用质量浓度为40%的氢氧化钠溶液溶浸活化，溶浸过程由氩气和氦气的混合气氛保护，氢氧化钠溶液中按比例添加金属盐Zr(NO3)4，金属盐Zr(NO3)4与氢氧化钠溶液的质量比为0.3:1；经溶浸后的合金粉采用去离子水多次洗涤至弱碱性到中性，即得到骨架镍催化剂，液封保存。新鲜催化剂经ICP-AES、N2物理吸附和激光粒度分析，Ni含量约为88.3%，Al约占6.4%， Zr含量为5.3%，比表面积约195m²/g，催化剂粉末平均粒径约为35μm。
采用邻二硝基苯加氢还原反应对制备的抗粉化骨架镍催化剂活性及稳定性进行评价：评价实验采用10L机械搅拌式反应釜进行，以甲醇作为反应体系溶剂，催化剂投加量为总反应物料量的2%，搅拌转速500-600rpm，反应时间5hr。加氢还原液采出后采用气相色谱分析，反应物邻二硝基苯转化率高于99.9%，产物邻苯二胺收率高于99.1%；使用后的催化剂卸出，经分析，Ni含量约为88.5%，Al约占6.3%，Zr含量为5.2%，比表面积约184m²/g，催化剂粉末平均粒径约为34μm，对比新鲜催化剂表征数据基本一致，说明催化剂活性组分无明显溶脱流失，且催化剂粉末颗粒抗粉化效果较好。
Claims (9)
1.一种抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，其特征为，包括如下步骤：（1）将金属镍、金属铝以及金属X混合，所得金属混合物在1500-2200℃下熔融后经高压雾化得到合金类微球粉末，将其筛分备用；（2）将合金类微球粉末用碱液溶浸活化，溶浸过程由惰性气体保护，碱液中添加金属盐M，经溶浸后的合金类微球粉末采用去离子水洗涤至弱碱性到中性，即得到骨架镍催化剂，液封保存。
2.根据权利要求1所述的抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，金属X为Cr、Mo、Mn、Zr中的一种；金属X与金属镍的质量比为0.005-0.06:1。
3.根据权利要求1所述的抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，合金类微球粉末采用自动筛分机进行筛分，将其过50-300目筛。
4.根据权利要求1所述的抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，碱液为质量浓度为10-40%的氢氧化钠或氢氧化钾溶液，碱液中添加的金属盐M为K2CrO4、K2MoO4、K2MnO4、Zr(NO3)4中的一种，金属盐M与碱液的质量比为0.05-0.3:1。
5.根据权利要求1所述的抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，惰性气体为氮气、氩气和氦气中的一种或多种。
6.根据权利要求2所述的抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，金属X为Cr、Mo 、Zr中的一种；金属X与金属镍的质量比为0.01-0.04:1。
7.根据权利要求3所述的抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，合金类微球粉末采用自动筛分机进行筛分，将其过80-250目筛。
8.根据权利要求4所述的抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，碱液为质量浓度为25-35%的氢氧化钾溶液，碱液中添加的金属盐M为K2CrO4、K2MoO4、Zr(NO3)4中的一种，金属盐M与碱液的质量比为0.1-0.2:1。
9.根据权利要求1所述的抗粉化骨架镍催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，惰性气体为氩气、氦气或者两者的混合气氛。
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2017
- 2017-06-06 CN CN201710418071.7A patent/CN107029753A/zh active Pending
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