CN107456992A - 球形沸石介孔复合材料和负载型催化剂及其制备方法和应用及油酸异丙酯制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及催化剂领域，具体涉及一种球形沸石介孔复合材料和负载型催化剂及其制备方法和应用及油酸异丙酯的制备方法。其中，公开了一种球形沸石介孔复合材料及其制备方法，由该方法制备的球形沸石介孔复合材料，含有该球形沸石介孔复合材料的负载型催化剂，该负载型催化剂的制备方法，由该方法制备的负载型催化剂，该负载型催化剂在酯化反应中的应用。其中，所述复合材料含有沸石和具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料。采用本发明提供的复合材料作为载体制成的负载型催化剂在油酸异丙酯制备过程中可以显著提高反应原料的转化率。
Description
技术领域
本发明涉及催化剂领域，具体涉及一种球形沸石介孔复合材料，该球形沸石介孔复合材料的制备方法，由该方法制备的球形沸石介孔复合材料，含有该球形沸石介孔复合材料的负载型催化剂，该负载型催化剂的制备方法，由该方法制备的负载型催化剂，该负载型催化剂在酯化反应中的应用，以及使用该负载型催化剂制备油酸异丙酯的方法。
背景技术
油酸异丙酯为透明油状液体，可与动、植物油互溶，其分散系数大，铺展性好，能在皮肤上形成薄层液膜，具有护肤作用。随着化学工业的迅速发展，对油酸异丙酯的需求不断增加。一般情况下，油酸异丙酯由油酸和异丙醇在催化剂的作用下通过酯化反应而制得。传统的用于油酸和异丙醇酯化反应的催化剂为液体有机酸，但因其腐蚀作用大、引发的副反应多、反应后产物分离复杂以及废液处理困难等缺陷而导致其使用受到一定的限制。随着全球对催化工艺绿色化重视程度的增加，固体酸催化工艺取代液体酸催化工艺已势在必行。
在现有的负载型催化剂中，介孔分子筛材料作为载体。介孔分子筛材料具有孔道有序、孔径可调、比表面积和孔容较大等优点，使得采用这些介孔分子筛材料作为载体制成的负载型催化剂在有机催化反应中的制备工艺中表现出很多优点，例如，催化活性高、副反应少、后处理简单等，然而，大的比表面积和高的孔容使得这些介孔分子筛材料具有较强的吸水、吸潮能力，从而会导致这些负载型催化剂在催化反应过程中发生团聚，进而降低油酸异丙酯制备工艺中油酸的转化率。因此，进一步开发出一种新型的用于制备油酸异丙酯的催化剂成为迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服采用现有的介孔分子筛材料制成的负载型催化剂在制备油酸异丙酯过程中反应原料转化率较低的缺陷，提供一种适合用作载体的球形沸石介孔复合材料，该球形沸石介孔复合材料的制备方法，由该方法制备的球形沸石介孔复合材料，含有该球形沸石介孔复合材料的负载型催化剂，该负载型催化剂的制备方法，由该方法制备的负载型催化剂，该负载型催化剂在酯化反应中的应用，以及使用该负载型催化剂制备油酸异丙酯的方法。
为了达到上述目的，本发明的发明人通过研究后发现，在具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料中引入沸石，使沸石进入介孔分子筛材料的孔道内，并且将该介孔复合材料制成不易发生团聚的球形，这样既能保留介孔分子筛材料的高比表面积、大孔容、大孔径以及具有一维孔道三孔分布结构等特点，又可减少介孔分子筛材料的团聚，增加其流动性；同时，由于在介孔分子筛材料中引入粘结剂，使得球体强度加大，作为载体可以反复多次使用，从而可以大大降低使用成本。此外，采用该介孔复合材料制成的负载型催化剂在用于制备油酸异丙酯时可以明显提高反应原料的转化率。
为此，本发明提供了一种球形沸石介孔复合材料，其中，该球形沸石介孔复合材料含有沸石和具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料，而且该球形沸石介孔复合材料的平均粒径为30-60微米，比表面积为100-600平方米/克，孔体积为0.5-1.5毫升/克，孔径呈三峰分布，且三峰分别对应第一最可几孔径、第二最可几孔径和第三最可几孔径，所述第一最可几孔径为1-5纳米，所述第二最可几孔径为6-10纳米，所述第三最可几孔径为35-45纳米。
本发明还提供了一种制备球形沸石介孔复合材料的方法，该方法包括以下步骤：
(1)提供具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料或者制备具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的滤饼，作为组分a；
(2)提供硅胶或者制备硅胶的滤饼，作为组分b；
(3)将所述组分a、所述组分b、沸石和粘结剂在球磨罐中进行混合和球磨，并将球磨后得到的固体粉末用水制浆，然后将得到的浆料进行喷雾干燥；
其中，上述步骤使得所述球形沸石介孔复合材料的平均粒径为30-60微米，比表面积为100-600平方米/克，孔体积为0.5-1.5毫升/克，孔径呈三峰分布，且三峰分别对应第一最可几孔径、第二最可几孔径和第三最可几孔径，所述第一最可几孔径为1-5纳米，所述第二最可几孔径为6-10纳米，所述第三最可几孔径为35-45纳米。
本发明还提供了由上述方法制备的球形沸石介孔复合材料。
本发明还提供了一种负载型催化剂，该催化剂含有载体和负载在所述载体上的对甲苯磺酸，其中，所述载体为根据本发明的所述球形沸石介孔复合材料。
本发明还提供了一种制备负载型催化剂的方法，该方法包括：将载体、对甲苯磺酸和水混合均匀，并将得到的混合物进行喷雾干燥，其中，所述载体为根据本发明的所述球形沸石介孔复合材料。
本发明还提供了由上述方法制备的负载型催化剂。
本发明还提供了上述负载型催化剂在酯化反应中的应用。
本发明还提供了一种油酸异丙酯的制备方法，该方法包括：在催化剂的存在下，在酯化反应的条件下，使油酸和异丙醇接触，以得到油酸异丙酯，其中，所述催化剂为本发明所述的负载型催化剂。
本发明提供的球形沸石介孔复合材料结合了具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料、沸石以及球形载体的优点，使得该球形沸石介孔复合材料适合用作负载型催化剂的载体，特别是适合用作在油酸异丙酯制备过程中使用的负载型催化剂的载体。
在本发明所述的负载型催化剂中，作为载体的球形沸石介孔复合材料具有介孔分子筛材料的多孔结构的特点，而且还负载有对甲苯磺酸，使得该负载型催化剂既具有负载型催化剂的优点如催化活性高、副反应少、后处理简单等，使得该负载型催化剂在用于油酸异丙酯制备过程中时不仅不会导致设备腐蚀，而且还可以显著提高反应原料的转化率。
另外，当通过喷雾干燥的方法制备所述负载型催化剂时，所述负载型催化剂可以进行多次重复利用，并且在重复利用过程中仍然可以获得较高的反应原料转化率。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明的所述球形沸石介孔复合材料的X-射线衍射谱图；
图2是根据本发明的所述球形沸石介孔复合材料的微观形貌的SEM扫描电镜图；
图3是根据本发明的所述球形沸石介孔复合材料的孔径分布图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供了一种球形沸石介孔复合材料，其中，该球形沸石介孔复合材料含有沸石和具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料，而且该球形沸石介孔复合材料的平均粒径为30-60微米，比表面积为100-600平方米/克，孔体积为0.5-1.5毫升/克，孔径呈三峰分布，且三峰分别对应第一最可几孔径、第二最可几孔径和第三最可几孔径，所述第一最可几孔径为1-5纳米，所述第二最可几孔径为6-10纳米，所述第三最可几孔径为35-45纳米。
根据本发明的所述球形沸石介孔复合材料具有一维孔道三孔分布结构，其颗粒的平均粒径采用激光粒度分布仪测得，比表面积、孔体积和最可几孔径根据氮气吸附法测得。在本发明中，所述平均粒径即为平均颗粒直径。
根据本发明的所述球形沸石介孔复合材料，通过将球形沸石介孔复合材料的颗粒尺寸控制在上述范围之内，可以确保所述球形沸石介孔复合材料不易发生团聚，并且将其用作载体制成的负载型催化剂可以提高油酸异丙酯制备过程中的反应原料转化率。当所述球形沸石介孔复合材料的比表面积小于100平方米/克和/或孔体积小于0.5毫升/克时，将其用作载体制成的负载型催化剂的催化活性会显著降低；当所述球形沸石介孔复合材料的比表面积大于600平方米/克和/或孔体积大于1.5毫升/克时，将其用作载体制成的负载型催化剂在油酸异丙酯制备过程中容易发生团聚，从而影响油酸异丙酯制备过程中的反应原料转化率。
优选地，所述球形沸石介孔复合材料的平均粒径为35-55微米，比表面积为120-300平方米/克，孔体积为0.6-1.2毫升/克，所述第一最可几孔径为2-4纳米，所述第二最可几孔径为6-8纳米，所述第三最可几孔径为36-42纳米。
更优选地，所述球形沸石介孔复合材料的平均粒径为48-51微米，比表面积为150-190平方米/克，孔体积为0.7-1.0毫升/克，所述第一最可几孔径为2.5-3.7纳米，所述第二最可几孔径为6-7.5纳米，所述第三最可几孔径为37-41纳米。
根据本发明，相对于100重量份的所述具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料，所述沸石的含量为1-100重量份，优选为25-100重量份。
在本发明中，所述球形沸石介孔复合材料还可以含有通过硅胶引入的二氧化硅。“通过硅胶引入的二氧化硅”是指在所述球形沸石介孔复合材料的制备过程中，由硅胶作为制备原料带入最终制备的球形沸石介孔复合材料中的二氧化硅组分。在所述球形沸石介孔复合材料中，相对于100重量份的所述具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料，所述通过硅胶引入的二氧化硅的含量可以为1-200重量份，优选为50-150重量份，更优选为75-150重量份。
在本发明中，所述具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料可以为本领域常规使用的介孔分子筛材料，而且可以根据常规的方法制备得到。
本发明还提供了一种制备球形沸石介孔复合材料的方法，该方法包括以下步骤：
(1)提供具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料或者制备具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的滤饼，作为组分a；
(2)提供硅胶或者制备硅胶的滤饼，作为组分b；
(3)将所述组分a、所述组分b和沸石在球磨罐中进行混合和球磨，并将球磨后得到的固体粉末用水制浆，然后将得到的浆料进行喷雾干燥；
其中，上述步骤使得所述球形沸石介孔复合材料的平均粒径为30-60微米，比表面积为100-600平方米/克，孔体积为0.5-1.5毫升/克，孔径呈三峰分布，且三峰分别对应第一最可几孔径、第二最可几孔径和第三最可几孔径，所述第一最可几孔径为1-5纳米，所述第二最可几孔径为6-10纳米，所述第三最可几孔径为35-45纳米。
优选地，所述球形沸石介孔复合材料的平均粒径为35-55微米，比表面积为120-300平方米/克，孔体积为0.6-1.2毫升/克，所述第一最可几孔径为2-4纳米，所述第二最可几孔径为6-8纳米，所述第三最可几孔径为36-42纳米。
更优选地，所述球形沸石介孔复合材料的平均粒径为48-51微米，比表面积为150-190平方米/克，孔体积为0.7-1.0毫升/克，所述第一最可几孔径为2.5-3.7纳米，所述第二最可几孔径为6-7.5纳米，所述第三最可几孔径为37-41纳米。
在步骤(1)中，制备具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的滤饼的过程可以包括：在酸性水溶液中，在三甲基戊烷和乙醇的存在下，将模板剂与硅源进行接触，并将接触后得到的混合物进行晶化和过滤。
所述模板剂、乙醇、三甲基戊烷和四甲氧基硅烷的摩尔比可以为1：100-500：200-500：50-200，优选为1：180-400：250-400：70-150。
所述模板剂可以为本领域常规使用的各种模板剂。优选地，所述模板剂为三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯，该模板剂可以通过商购得到(例如，可以购自Aldrich公司，商品名为P123，分子式为EO20PO70EO20)，也可以通过现有的各种方法制备得到。当所述模板剂为聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯时，所述模板剂的摩尔数根据聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯的平均分子量计算得到。
所述酸性水溶液可以为本领域常规使用的各种酸性水溶液，其pH值可以为1-6，优选为3-5。更优选地，所述酸性水溶液为pH值为1-6的乙酸和乙酸钠缓冲溶液。
在步骤(1)中，所述接触的条件可以包括：温度为10-60℃，时间为10-72小时，pH值为1-7；优选地，温度为15-40℃，时间为10-20小时，pH值为3.5-5.5。为了更有利于各物质间的均匀混合，所述接触优选在搅拌条件下进行。所述酸性溶液的用量优选使得接触反应体系的pH值为1-7。
在步骤(1)中，所述晶化的条件可以包括：温度为30-150℃，时间为10-72小时。优选情况下，所述晶化的条件包括：温度为40-100℃，时间为10-48小时。所述晶化通过水热晶化法来实施。
在上述制备具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的滤饼的过程中，通过过滤以获得滤饼的过程可以包括：在过滤之后，用去离子水反复洗涤(洗涤次数可以为2-10)，然后进行抽滤。
在步骤(1)中，“提供具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料”可以是直接称取或选取具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的产品，也可以是制备具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料。所述具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的制备方法可以根据常规的方法实施，例如，其制备方法可以包括：根据上述方法制备具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的滤饼，然后将所得滤饼干燥，并将干燥后得到的产物中的模板剂脱除。所述脱除模板剂的条件可以包括：温度为300-600℃，时间为10-80小时。
在步骤(2)中，制备硅胶的滤饼的过程可以包括：将水玻璃与无机酸和多元醇进行接触，并将接触后得到的混合物进行过滤。
水玻璃与无机酸和多元醇接触的条件没有特别的限定，可以根据制备硅胶的常规工艺中适当地确定。优选情况下，水玻璃与无机酸和多元醇接触的条件可以包括：温度为10-60℃，优选为20-40℃；时间为1-5小时，优选为1.5-3小时；pH值为2-4。
为了更有利于各物质间的均匀混合，水玻璃与无机酸和多元醇接触反应的过程优选在搅拌条件下进行。
所述水玻璃为硅酸钠的水溶液，其浓度可以为10-50重量％，优选为12-30重量％。
所述无机酸可以为本领域常规使用的各种无机酸，例如，可以为硫酸、硝酸和盐酸中的至少一种。所述无机酸可以以纯态的形式使用，也可以以其水溶液的形式使用。所述无机酸的用量优选使得水玻璃与无机酸的接触反应体系的pH值为2-4。
在步骤(2)中，所述多元醇可以为乙二醇、丙二醇和丙三醇中的至少一种，优选为乙二醇和/或丙三醇，更优选为丙三醇。
在步骤(2)中，所述水玻璃、无机酸和多元醇的重量比可以为3-8：1-3：1，优选为3-7：1-2：1，更优选为4-6：1：1。
在步骤(2)中，“提供硅胶”可以是直接称取或选取硅胶产品，也可以是制备硅胶。制备硅胶的方法可以根据常规的方法实施，例如可以包括：根据上述方法制备硅胶的滤饼，然后将所得滤饼干燥。
在步骤(3)中，相对于100重量份的所述组分a，所述组分b的用量为1-200重量份，优选为50-150重量份，更优选为75-150重量份；所述沸石的用量为1-100重量份，优选为25-100重量份；所述粘结剂的用量为10-100重量份，优选为10-80重量份，更优选为10-40重量份。
优选地，所述粘结剂为聚乙烯醇和/或聚乙二醇，最优选为聚乙烯醇。
在步骤(3)中，所述球磨可以在球磨机中进行，所述球磨机中球磨罐的内壁优选为玛瑙内衬，球磨机中的磨球的直径可以为2-3mm；磨球的数量可以根据球磨罐的大小进行合理地选择，对于大小为50-150mL的球磨罐，通常可以使用1个磨球；所述磨球的材质可以是玛瑙、陶瓷等，优选为玛瑙。所述球磨的条件可以包括：磨球的转速为200-800r/min，球磨罐内的温度为15-100℃，球磨的时间为0.1-100h；优选地，磨球的转速为300-500r/min，球磨罐内的温度为40-80℃，球磨的时间为0.5-10h。
在步骤(3)中，将球磨后得到的固体粉末用水制浆的过程可以在25-60℃的下进行。在制浆过程中，固体粉末与水的用量的重量比可以为1：0.1-2，优选为1：0.3-1，更优选为1：0.5-1。
在步骤(3)中，所述喷雾干燥可以根据常规的方式实施，例如可以在雾化器中进行。所述喷雾干燥的条件可以包括：温度为100-300℃，旋转的转速可以为10000-15000r/min；优选情况下，所述喷雾干燥的条件包括：温度为150-250℃，旋转的转速为11000-13000r/min。
在步骤(3)中，当所述组分a为具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的滤饼，所述组分b为硅胶的滤饼时，也即当步骤(1)为制备具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的滤饼的过程，步骤(2)为制备硅胶的滤饼的过程时，所述球形沸石介孔复合材料的制备方法还可以包括：在步骤(3)的喷雾干燥之后，从喷雾干燥得到的产物中脱除模板剂。所述脱除模板剂的条件可以包括：温度为300-600℃，时间为10-80小时；优选的情况下，温度为450-550℃，时间为15-70小时。
本发明还提供了由上述方法制备的球形沸石介孔复合材料。
本发明还提供了一种负载型催化剂，该催化剂含有载体和负载在所述载体上的对甲苯磺酸，其中，所述载体为本发明提供的上述球形沸石介孔复合材料。
在所述负载型催化剂中，所述载体和对甲苯磺酸的含量没有特别的限定，可以根据本领域常规的负载型催化剂进行适当地确定，例如，以所述负载型催化剂的总重量为基准，对甲苯磺酸的含量可以为1-50重量％，优选为5-50重量％；所述载体的含量为50-99重量％，优选为50-95重量％。
在本发明中，所述负载型催化剂可以根据本领域常规使用的各种方法制备，只需要将对甲苯磺酸负载在所述载体上即可。
在一种优选实施方式中，为了使制备的负载型催化剂可以进行重复利用，并且在重复利用过程中仍然可以获得较高的反应原料转化率，制备负载型催化剂的方法包括：将载体、对甲苯磺酸和水混合均匀，并将得到的混合物进行喷雾干燥，其中，所述载体为本发明提供的上述球形沸石介孔复合材料。
在上述制备负载型催化剂的过程中，以所述载体和对甲苯磺酸的总用量为基准，对甲苯磺酸的用量可以为1-50重量％，优选为5-50重量％；所述载体的用量可以为50-99重量％，优选为50-95重量％。
所述喷雾干燥可以根据常规的方式实施，例如可以在雾化器中进行。所述喷雾干燥的条件可以包括：温度为100-300℃，旋转的转速可以为10000-15000r/min；优选情况下，所述喷雾干燥的条件包括：温度为150-250℃，旋转的转速为11000-13000r/min。
本发明还提供了由上述喷雾干燥法制备的负载型催化剂。
本发明还提供了上述负载型催化剂在酯化反应中的应用。
本发明还提供了一种油酸异丙酯的制备方法，该方法包括：在催化剂的存在下，在酯化反应的条件下，使油酸和异丙醇接触，以得到油酸异丙酯，其中，所述催化剂为本发明所述的负载型催化剂。
在所述油酸异丙酯的制备方法中，油酸和异丙醇的用量没有特别的限定，只要能够反应得到油酸异丙酯即可，但为了提高原料的利用率，优选情况下，油酸和异丙醇的摩尔比为1：0.5-10，优选为1：1-5。
所述催化剂的用量也没有特别的限定，可以根据常规的油酸异丙酯制备工艺进行适当地确定。优选情况下，相对于100重量份的油酸，所述催化剂的用量为1-15重量份，更优选为2-14重量份。
在所述油酸异丙酯制备过程中，为了更有利于酯化反应的进行，所述反应温度可以为25-200℃，优选为100-150℃；反应时间可以为0.5-20小时，优选为2-15小时。
所述油酸异丙酯的制备方法还可以包括在酯化反应结束后，对最终的反应混合物进行抽滤分离，并将抽滤分离得到的固体产物在25-200℃下真空干燥1-24小时；优选在50-150℃下真空干燥6-10小时，以回收催化剂。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
在以下实施例和对比例中，聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯购自Aldrich公司，简写为P123，分子式为EO20PO70EO20，在美国化学文摘的登记号为9003-11-6的物质，平均分子量Mn为5800。
以下实施例和对比例中，X射线衍射分析在购自德国Bruker AXS公司的型号为D8Advance的X射线衍射仪上进行；扫描电镜分析在购自美国FEI公司的型号为XL-30的扫描电子显微镜上进行；孔结构参数分析在购自美国康塔公司的型号为Autosorb-1的氮气吸脱附仪上进行，其中，进行测试之前，将样品在200℃脱气4小时；反应产物液相成分的分析在购自英国Agilent公司7890A/5973N气质联用仪上进行。
以下实验实施例和实验对比例中，油酸的转化率和油酸异丙酯的选择性根据以下公式计算得到。
油酸的转化率(％)＝(油酸的用量-反应产物中油酸的含量)÷油酸的用量×100％
油酸异丙酯的选择性(％)＝油酸异丙酯的实际产量÷油酸异丙酯的理论产量×100％
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例用于说明本发明的球形沸石介孔复合材料和负载型催化剂以及它们的制备方法。
(1)制备球形沸石介孔复合材料
将1.0g(0.0002mol)三嵌段共聚物表面活性剂P123和1.69g(0.037mol)乙醇加入到28mL、pH值为4的乙酸和乙酸钠缓冲液中，在15℃下搅拌至P123完全溶解，之后向得到的溶液中加入6g(0.053mol)三甲基戊烷，在15℃下搅拌8h，再向其中加入2.13g(0.014mol)四甲氧基硅烷，在15℃、pH值为4.5的条件下搅拌20h，然后将得到的溶液转移至反应釜中，在60℃下晶化24h，接着进行过滤和并用去离子水洗涤4次，然后抽滤得到具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的滤饼A1。
将浓度为15重量％的水玻璃和浓度为12重量％的硫酸溶液和丙三醇以重量比为5：1：1进行混合并在30℃下接触反应2h，接着用浓度为98重量％的硫酸调整pH值至3，然后对得到的反应物料进行抽滤，并用蒸馏水洗涤至钠离子含量为0.02重量％，得到硅胶的滤饼B1。
将上述制备的10g滤饼A1、10g滤饼B1和10g沸石和5g粘结剂聚乙烯醇(PVA)一起放入100mL球磨罐中(其中，球磨罐和磨球的材质均为玛瑙，磨球的直径为3mm，数量为1个，转速为400r/min)。封闭球磨罐，在球磨罐内温度为60℃下球磨1小时，得到30g固体粉末；将该固体粉末溶解在30g去离子水中，在200℃下在转速为12000r/min下喷雾干燥；将喷雾干燥后得到的产物在马弗炉中在500℃下煅烧24h，脱除模板剂，得到28g具有一维孔道三孔分布结构的球形沸石介孔复合材料C1。
(2)制备负载型催化剂
在25℃下，将上述步骤(1)中制备的30g球形沸石介孔复合材料C1与对甲苯磺酸一起放入去离子水中，搅拌至溶解，且球形沸石介孔复合材料C1与对甲苯磺酸的重量比为50：50，去离子水与对甲苯磺酸的摩尔比为25：1，在200℃下在转速为12000r/min下喷雾干燥，得到负载型催化剂Cat-1。
用XRD、扫描电镜和美国康塔公司Atsorb-1型仪器来对该负载型对甲苯磺酸催化剂进行表征。
图1是X-射线衍射图谱，为球形沸石介孔复合材料C1的XRD谱图，横坐标为2θ，纵坐标为强度。由XRD谱图中出现的小角度谱峰可知，球形沸石介孔复合材料C1具有介孔材料所特有的一维孔道三孔分布结构。
图2是球形沸石介孔复合材料C1的微观形貌的SEM扫描电镜图。由图可知，球形沸石介孔复合材料C1的微观形貌为颗粒直径为30-60μm的介孔球。
图3是球形沸石介孔复合材料C1的孔径分布曲线。
球形沸石介孔复合材料C1和负载型催化剂Cat-1的孔结构参数如下表1所示。
表1
*：依次分别为第一最可几孔径、第二最可几孔径和第三最可几孔径，它们之间用逗号隔开。
由上表1的数据可以看出，球形沸石介孔复合材料在负载对甲苯磺酸之后，比表面积和孔体积均有所减小，这说明在负载反应过程中对甲苯磺酸进入到球形沸石介孔复合材料的内部。
对比例1
根据实施例1的方法制备球形沸石介孔复合材料和负载型催化剂，所不同的，在制备用作载体的介孔复合材料的过程中不加入沸石，从而分别制得介孔复合材料D1和负载型催化剂Cat-D-1。
对比例2
根据实施例1的方法制备球形沸石介孔复合材料和负载型催化剂，所不同的，在制备负载型催化剂的过程中，用相同重量的棒状介孔二氧化硅SBA-15(购自吉林大学高科技股份有限公司)代替具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的滤饼A1，从而分别制得介孔复合材料D2和负载型催化剂Cat-D-2。
对比例3
根据实施例1的方法制备球形沸石介孔复合材料和负载型催化剂，所不同的是，在制备用作载体的介孔复合材料的过程中球磨罐的材质为聚四氟乙烯，磨球材质为玛瑙。从而分别制得介孔复合材料D3和负载型催化剂Cat-D-3。
对比例4
根据实施例1的方法制备球形沸石介孔复合材料和负载型催化剂，所不同的，在制备负载型催化剂的过程中没有喷雾干燥的步骤，而仅通过浸渍的方法将对甲苯磺酸负载在球形沸石介孔复合材料上，从而制得负载型催化剂Cat-D-4。
实施例2
本实施例用于说明本发明的球形沸石介孔复合材料和负载型催化剂以及它们的制备方法。
(1)制备球形沸石介孔复合材料
将1.0g(0.0002mol)三嵌段共聚物表面活性剂P123和1.84g(0.04mol)乙醇加入到28mL、pH值为5的乙酸和乙酸钠缓冲液中，在15℃下搅拌至P123完全溶解，之后向得到的溶液中加入9.12g(0.08mol)三甲基戊烷，在15℃下搅拌8h，再向其中加入3.04g(0.02mol)四甲氧基硅烷，在25℃、pH值为5.5的条件下搅拌15h，然后将得到的溶液转移至反应釜中，在100℃下晶化10h，接着进行过滤和并用去离子水洗涤4次，然后抽滤得到具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的滤饼A2。
将浓度为15重量％的水玻璃和浓度为12重量％的硫酸溶液和丙三醇以重量比为4：1：1进行混合并在40℃下接触反应1.5h，接着用浓度为98重量％的硫酸调整pH值至2，然后对得到的反应物料进行抽滤，并用蒸馏水洗涤至钠离子含量为0.02重量％，得到硅胶的滤饼B2。
将上述制备的20g滤饼A2、15g滤饼B2和15g沸石和2g粘结剂PVA一起放入100mL球磨罐中(其中，球磨罐和磨球的材质均为玛瑙，磨球的直径为3mm，数量为1个，转速为300r/min)。封闭球磨罐，在球磨罐内温度为80℃下球磨0.5h，得到50g固体粉末；将该固体粉末溶解在36g去离子水中，在250℃下在转速为11000r/min下喷雾干燥；将喷雾干燥后得到的产物在马弗炉中在550℃下煅烧15h，脱除模板剂，得到30g球形沸石介孔复合材料C2。
(2)制备负载型催化剂
在25℃下，将上述步骤(1)中制备的20g球形沸石介孔复合材料C2与对甲苯磺酸一起放入去离子水中，搅拌至溶解，且球形沸石介孔复合材料C2与对甲苯磺酸的重量比为95：5，去离子水与对甲苯磺酸的摩尔比为25：1，在150℃下在转速为13000r/min下喷雾干燥，得到负载型催化剂Cat-2。
表2
*：依次分别为第一最可几孔径、第二最可几孔径和第三最可几孔径，它们之间用逗号隔开。
由上表2的数据可以看出，球形沸石介孔复合材料在负载对甲苯磺酸之后，比表面积和孔体积均有所减小，这说明在负载反应过程中对甲苯磺酸进入到球形沸石介孔复合材料的内部。
实施例3
本实施例用于说明本发明的球形沸石介孔复合材料和负载型催化剂以及它们的制备方法。
(1)制备球形沸石介孔复合材料
将1.0g(0.0002mol)三嵌段共聚物表面活性剂P123和3.68g(0.08mol)乙醇加入到28mL、pH值为3的乙酸和乙酸钠缓冲液中，在15℃下搅拌至P123完全溶解，之后向得到的溶液中加入5.7g(0.05mol)三甲基戊烷，在15℃下搅拌8h，再向其中加入4.56g(0.03mol)四甲氧基硅烷，在40℃、pH值为3.5的条件下搅拌10h，然后将得到的溶液转移至反应釜中，在40℃下晶化48h，接着进行过滤和并用去离子水洗涤4次，然后抽滤得到具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的滤饼A3。
将浓度为15重量％的水玻璃和浓度为12重量％的硫酸溶液和丙三醇以重量比为6：1：1进行混合并在20℃下接触反应3h，接着用浓度为98重量％的硫酸调整pH值至4，然后对得到的反应物料进行抽滤，并用蒸馏水洗涤至钠离子含量为0.02重量％，得到硅胶的滤饼B3。
将上述制备的20g滤饼A3、30g滤饼B3和5g沸石和8g粘结剂PVA一起放入100mL球磨罐中(其中，球磨罐和磨球的材质均为玛瑙，磨球的直径为3mm，数量为1个，转速为500r/min)。封闭球磨罐，在球磨罐内温度为40℃下球磨10h，得到55g固体粉末；将该固体粉末溶解在30g去离子水中，在150℃下在转速为13000r/min下喷雾干燥；将喷雾干燥后得到的产物在马弗炉中在450℃下煅烧70h，脱除模板剂，得到33g球形沸石介孔复合材料C3。
(2)制备负载型催化剂
在25℃下，将上述步骤(1)中制备的20g球形沸石介孔复合材料C3与对甲苯磺酸一起放入去离子水中，搅拌至溶解，且球形沸石介孔复合材料C3与对甲苯磺酸的重量比为85：15，去离子水与对甲苯磺酸的摩尔比为25：1，在250℃下在转速为11000r/min下喷雾干燥，得到负载型催化剂Cat-3。
球形沸石介孔复合材料C3和负载型催化剂Cat-3的孔结构参数如下表3所示。
表3
*：依次分别为第一最可几孔径、第二最可几孔径和第三最可几孔径，它们之间用逗号隔开。
由上表3的数据可以看出，球形沸石介孔复合材料在负载对甲苯磺酸之后，比表面积和孔体积均有所减小，这说明在负载反应过程中对甲苯磺酸进入到球形沸石介孔复合材料的内部。
实验实施例1
本实施例用于说明本发明提供的所述负载型催化剂的应用以及油酸异丙酯的制备方法。
将实施例1制备的负载型催化剂Cat-1在150℃下真空干燥6h，冷却至室温后，称取0.5g，在三口瓶中依次加入油酸6g(0.02mol)，异丙醇2.8g(0.047mol)，Cat-1 0.5g，加热至75℃，反应0.5h后，离心分离，利用气相色谱分析反应产物液成分，油酸转化率100％，油酸异丙酯选择性99％，固体催化剂Cat-1在150℃下真空干燥6h，冷却至室温后，回收后再利用。
实验实施例2-3和实验对比例1-4
根据实验实施例1的方法制备油酸异丙酯，所不同的是，分别用实施例2-3和对比例1-4制备的负载型催化剂代替所述负载型催化剂Cat-1。结果，各自计算得到的油酸的转化率和油酸异丙酯选择性数据如下表4所示。
表4
| 催化剂 | 油酸的转化率 | 油酸异丙酯选择性 | |
| 实验实施例1 | Cat-1 | 100％ | 99％ |
| 实验实施例2 | Cat-2 | 98％ | 99％ |
| 实验实施例3 | Cat-3 | 97％ | 98％ |
| 实验对比例1 | Cat-D-1 | 92％ | 97％ |
| 实验对比例2 | Cat-D-2 | 89％ | 95％ |
| 实验对比例3 | Cat-D-3 | 88％ | 96％ |
| 实验对比例4 | Cat-D-4 | 90％ | 94％ |
实验实施例4-6和实验对比例5-8
根据实验实施例1的方法制备油酸异丙酯，所不同的是，分别用从实验实施例1-3和实验对比例1-4回收的催化剂代替所述负载型催化剂Cat-1。结果，各自计算得到的油酸的转化率和油酸异丙酯选择性数据如下表5所示。
表5
| 催化剂 | 油酸的转化率 | 油酸异丙酯选择性 | |
| 实验实施例4 | 回收的Cat-1 | 95％ | 99％ |
| 实验实施例5 | 回收的Cat-2 | 90％ | 99％ |
| 实验实施例6 | 回收的Cat-3 | 85％ | 99％ |
| 实验对比例5 | 回收的Cat-D-1 | 80％ | 93％ |
| 实验对比例6 | 回收的Cat-D-2 | 82％ | 92％ |
| 实验对比例7 | 回收的Cat-D-3 | 87％ | 93％ |
| 实验对比例8 | 回收的Cat-D-4 | 65％ | 91％ |
由上述表4和5的数据可以看出，采用本发明的所述球形沸石介孔复合材料作为载体制成的负载型催化剂在油酸异丙酯制备过程中可以显著提高反应原料的转化率。而且，当通过喷雾干燥的方法制备所述负载型催化剂时，所述负载型催化剂可以进行重复利用，并且在重复利用过程中仍然可以获得较高的反应原料转化率。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (19)
1.一种球形沸石介孔复合材料，其特征在于，该球形沸石介孔复合材料含有沸石和具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料，而且该球形沸石介孔复合材料的平均粒径为30-60微米，比表面积为100-600平方米/克，孔体积为0.5-1.5毫升/克，孔径呈三峰分布，且三峰分别对应第一最可几孔径、第二最可几孔径和第三最可几孔径，所述第一最可几孔径为1-5纳米，所述第二最可几孔径为6-10纳米，所述第三最可几孔径为35-45纳米。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其中，相对于100重量份的所述具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料，所述沸石的含量为1-100重量份，优选为25-100重量份。
3.一种制备球形沸石介孔复合材料的方法，该方法包括以下步骤：
(1)提供具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料或者制备具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的滤饼，作为组分a；
(2)提供硅胶或者制备硅胶的滤饼，作为组分b；
(3)将所述组分a、所述组分b、沸石和粘结剂在球磨罐中进行混合和球磨，并将球磨后得到的固体粉末用水制浆，然后将得到的浆料进行喷雾干燥；
其中，上述步骤使得所述球形沸石介孔复合材料的平均粒径为30-60微米，比表面积为100-600平方米/克，孔体积为0.5-1.5毫升/克，孔径呈三峰分布，且三峰分别对应第一最可几孔径、第二最可几孔径和第三最可几孔径，所述第一最可几孔径为1-5纳米，所述第二最可几孔径为6-10纳米，所述第三最可几孔径为35-45纳米。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在步骤(3)中，相对于100重量份的所述组分a的用量，所述组分b的用量为1-200重量份，优选为75-150重量份；所述沸石的用量为1-100重量份，优选为25-100重量份；所述粘结剂的用量为10-100重量份，优选为10-80重量份；
优选地，所述粘结剂为聚乙烯醇和/或聚乙二醇，更优选为聚乙烯醇。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，在步骤(1)中，制备一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的滤饼的过程包括：在酸性水溶液中，在三甲基戊烷和乙醇的存在下，将模板剂与硅源进行接触，并将接触后得到的混合物进行晶化和过滤。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，模板剂、乙醇、三甲基戊烷和硅源的摩尔比为1：100-500：200-500：50-200，优选为1：180-400：250-400：70-150；
优选地，所述模板剂为三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯；所述硅源为四甲氧基硅烷；所述酸性水溶液为pH值为1-6的乙酸和乙酸钠缓冲溶液；
优选地，所述接触的条件包括：温度为10-60℃，时间为10-72小时，pH值为1-7；所述晶化的条件包括：温度为30-150℃，时间为10-72小时。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，在步骤(2)中，制备硅胶的滤饼的过程包括：在无机酸存在下，将水玻璃与多元醇进行接触，并将接触后得到的混合物进行过滤。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述接触的条件包括：温度为10-60℃，时间为1-5小时，pH值为2-4；所述无机酸为硫酸、硝酸和盐酸中的至少一种；所述多元醇为乙二醇、丙二醇和丙三醇中的至少一种，优选为乙二醇和/或丙三醇；
优选地，所述水玻璃、无机酸和多元醇的重量比为3-8：1-3：1。
9.根据权利要求3所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述球磨的条件包括：磨球的转速为200-800r/min，球磨罐内的温度为15-100℃，球磨的时间为0.1-100小时；
优选地，所述球磨罐为玛瑙球磨罐；
优选地，所述喷雾干燥的条件包括：温度100-300℃，转速为10000-15000r/min。
10.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述组分a为具有一维孔道三孔分布结构的介孔分子筛材料的滤饼，所述组分b为硅胶的滤饼；
优选地，所述球形沸石介孔复合材料的制备方法还包括：在步骤(3)的喷雾干燥过程之后，从喷雾干燥得到的产物中脱除模板剂；
更优选地，所述脱除模板剂的条件包括：温度为300-600℃，时间为10-80小时。
11.由权利要求3-10中任意一项所述的方法制备的球形沸石介孔复合材料。
12.一种负载型催化剂，该催化剂含有载体和负载在所述载体上的对甲苯磺酸，其特征在于，所述载体为权利要求1-2和11中任意一项所述的球形沸石介孔复合材料。
13.根据权利要求12所述的负载型催化剂，其中，以所述负载型催化剂的总重量为基准，所述对甲苯磺酸的含量为1-50重量％，优选为5-50重量％；所述载体的含量为50-99重量％，优选为50-95重量％。
14.一种负载型催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括：将载体、对甲苯磺酸和水混合均匀，并将得到的混合物进行喷雾干燥，其中，所述载体为权利要求1-2和11中任意一项所述的球形沸石介孔复合材料。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，以所述载体和对甲苯磺酸的总用量为基准，对甲苯磺酸的用量为1-50重量％，优选为5-50重量％；所述载体的用量为50-99重量％，优选为50-95重量％。
16.由权利要求14或15所述的方法制备的负载型催化剂。
17.权利要求12-13和16中任意一项所述的负载型催化剂在酯化反应中的应用。
18.一种油酸异丙酯的制备方法，其中，该方法包括：在催化剂的存在下，在酯化反应的条件下，使油酸和异丙醇接触，以得到油酸异丙酯，其特征在于，所述催化剂为权利要求12-13和16中任意一项所述的负载型催化剂。
19.根据权利要求18所述的制备方法，其中，油酸和异丙醇的摩尔比为1：0.5-10；优选地，相对于100重量份的油酸，所述催化剂的用量为1-15重量份，更优选为2-14重量份。
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