CN109331821B - 一种氧化锆修饰改性海泡石负载型Ru基催化剂的制备方法及应用 - Google Patents

一种氧化锆修饰改性海泡石负载型Ru基催化剂的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氧化锆修饰改性海泡石负载型Ru基催化剂的制备方法及应用。本发明创新性地采用氧化锆修饰改性的海泡石为复合载体,结合了海泡石较大的比表面积和氧化锆亲水性能优良特性,其中海泡石原料廉价易得、来源广泛,无毒无害,将修饰改性后的海泡石应用于苯部分加氢制备环己烯的研究中,采用简单的硼氢化钠还原法,制备出Ru/ZrO2‑SEP催化剂,和传统的非负载Ru基催化剂相比,大大降低了贵金属Ru的使用量,且避免了传统的用氢氧化钠共沉淀法产生了大量碱液对环境的压力。与原矿海泡石或氧化锆作载体制备的催化剂相比,苯的转化率以及环己烯的选择性都得到了很大提高,工业应用价值得到提升。

Description

一种氧化锆修饰改性海泡石负载型Ru基催化剂的制备方法及 应用
技术领域
本发明涉及材料制备领域,特别涉及一种氧化锆修饰改性海泡石负载型Ru基催化剂的制备方法及应用。
背景技术
环己烯是一种重要有机化工中间体,它具有活泼的C=C键,能够通过传统的烯烃反应很容易转化为高附加值的环己醇、己内酰胺和己二酸。环己烯的传统生产工艺主要有卤代环己烷脱卤代氢法、环己醇脱水法和环己烷脱氢法等。因为卤代环己烷和环己醇两种原料的生产成本较高,而环己烷又是由苯完全加氢制得,所以这些传统的生产工艺存在原料成本高、工艺路线复杂、副产品多、环境污染严重等一系列问题。相比而言,苯部分加氢制备环己烯具有原料来源广泛、原子经济、反应路线简单以及操作简便等显著优点。
苯部分加氢Ru基催化剂的制备方法有很多,如浸渍法(IP)、离子交换法、共沉淀法(CP)、沉积沉淀法(DP)、双溶剂法、溶胶凝胶法、化学还原法、化学混合法、微乳液法和多元醇还原法等。制备方法的不同会影响其催化性能。其中化学还原法是一种研究比较多的催化剂还原法。Xie等发现由浸渍-化学还原法制备的Ru-B/SiO2催化剂加氢活性和环己烯的选择性均高于浸渍-H2还原法制备的催化剂,归因于前者中B对水吸附的促进作用。
海泡石因其具有较高的比表面积、良好的吸附性且价格低廉等特点,主要用于涂料、造纸、油漆、陶瓷、耐火材料、工业塑料、石墨、化妆品、食品药品等重要领域,而在催化加氢载体却报道不多,由于自然界中海泡石杂质成分多、且孔隙小的特点,我们需要对海泡石载体进行部分改性,使其成为热稳定性好,孔隙增大的催化加氢载体。
在苯部分加氢制环己烯中,Ru基催化剂用得较多,且效果较好。目前的非负载型Ru基催化剂,贵金属含量很高,虽然效果较好,但是生产制备成本高,不适用于工业化大规模生产环己烯。而Ru-M/ZrO2催化剂(M一般是助剂金属如Zn、Cu、La、Fe等),尽管催化效果也较好,但基本都是采用氢氧化钠共沉淀法制备,由于使用了大量的氢氧化钠碱液,对实验设备、环境污染等都造成了不可忽视的问题。
发明内容
针对上述技术问题,本发明提供一种氧化锆修饰改性海泡石负载型Ru基催化剂的制备方法及应用。
本发明的技术方案为:
一种氧化锆修饰改性海泡石负载型Ru基催化剂的制备方法,其特征在于,催化剂记为Ru/ZrO2-SEP,载体为改性海泡石,且改性海泡石被氧化锆所修饰;包括如下步骤:
(1)以1:15~30的固液质量比,将海泡石与盐酸溶液加入到反应器中室温搅拌2~6h,搅拌完成后抽滤并用蒸馏水洗涤置至中性,干燥得到所需要的酸改性海泡石;
(2)在酸改性的海泡石中加入六偏磷酸钠分散剂,室温搅拌使海泡石在去离子水中分散均匀,再加入氯氧化锆溶液并搅拌15~40 min;然后滴加氨水至pH为10~12,再油浴升温至90~120℃搅拌20~32h:反应停止后,过滤、洗涤、干燥,得到氯氧化锆改性的海泡石;
(3)将步骤(2)所得氯氧化锆改性的海泡石研磨均匀,升温至450~650℃焙烧3~5h:
(4)在步骤(4)所得焙烧后的改性海泡石中加入去离子水搅拌均匀,同时加入金属Ru的盐溶液搅拌2~6 h;
(5)在步骤(4)所得溶液中滴加硼氢化钠溶液,滴加完成后再搅拌8~30 min;
(6)将步骤(5)所得溶液过滤洗涤,至无氯离子出现(硝酸银溶液检测),干燥得到氧化锆修饰改性海泡石负载型Ru基催化剂。
进一步地,步骤(1)中,盐酸的浓度为1.5~3 mol/L。
进一步地,步骤(1)和步骤(2)中,干燥温度为80~120℃,干燥时间为12~20小时。
进一步地,步骤(3)中,升温速率为1~5℃/min。
进一步地,步骤(6)中,干燥温度为60~70℃,干燥时间为4~6 h。
上述制备方法得到的催化剂在苯部分加氢制环己烯中的应用,包括如下步骤:
将苯、Ru/ZrO2-SEP催化剂和ZnSO4.7H2O加入高温反应釜中,Ru/ZrO2-SEP催化剂的用量为苯质量的30~80%,ZnSO4.7H2O的用量为苯质量的10~50%,再加入去离子水,然后放入磁子,密封高压釜,用氮气置换釜内空气2~5次,真空泵将釜抽至真空,升温至140~150℃,并通入氢气加压到4.0~5.0MPa,反应10~30min。
本发明的有益效果在于:
本发明创新性地采用氧化锆修饰改性的海泡石为复合载体,结合了海泡石较大的比表面积和氧化锆亲水性能优良特性,其中海泡石原料廉价易得、来源广泛,无毒无害。海泡石主要应用再涂料方面,本研究将其改性修饰后,首次应用于苯部分加氢的催化剂载体中,扩大推广了海泡石的应用范围,提升了海泡石的价值,将改性修饰后的海泡石应用于苯部分加氢制备环己烯的研究中,采用简单的硼氢化钠还原法,制备出Ru/ZrO2-SEP催化剂,和传统的非负载Ru基催化剂相比,大大降低了贵金属Ru的使用量,且避免了传统的用氢氧化钠共沉淀法产生了大量碱液对环境的压力。与原矿海泡石或氧化锆作载体制备的催化剂相比,苯的转化率以及环己烯的选择性都得到了很大提高,工业应用价值得到提升。本发明提供了一种成本低、经济有效、环境友好、不腐蚀设备,应用于苯部分加氢制环己烯的催化剂。通过不同氧化锆含量改性海泡石负载金属Ru催化剂,其中15%ZrO2改性海泡石一组催化剂,在苯部分加氢条件下,当苯的转化率在55%,环己烯的选择性达能到58%。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明,但本发明并不限于此。
实施例1
称取6g的海泡石,置于200mL的单口烧瓶中,按照1:20的固液比,其中盐酸溶液的浓度为2mol/L,放入磁子,置于室温下的水浴锅中剧烈搅拌5小时,悬浊液抽滤,蒸馏水洗涤至中性,110℃干燥6个小时后得到所需要的酸改性海泡石。称取上述2g酸改性的海泡石置于100mL的单口烧瓶中,加入一定量的比例的去离子水(10ml),六偏磷酸钠(0.05g)于水浴锅中剧烈搅拌,在剧烈搅拌过程中加入不同量的氯氧化锆溶液(氧化锆的量相对于海泡石为5%、10%、15%和20%),同时缓慢滴加氨水溶液至pH为11后升高温度于100℃搅拌24h;
将以上所得混合物冷却至室温,过滤、洗涤至中性,在110℃干燥8小时,得到不同氯氧化锆含量改性的海泡石前驱体;将氯氧化锆改性的海泡石于马弗炉中以5℃/Min的升温速率升至550℃焙烧4h,从而得到不同氧化锆含量改性的海泡石载体。
称取1克的上述氧化锆改性海泡石载体,置于50mL的单口烧瓶中,用10mL的去离子水浸渍,放在25℃的恒温水浴锅中剧烈搅拌备用。称取0.1034克RuCl3.xH2O置于小烧杯中,加入2mL的去离子水溶解。将溶解后的溶液加入到剧烈搅拌的氧化锆改性海泡石悬浮液中,搅拌4个小时,然后滴加硼氢化钠溶液(按照物质量的比Ru:NaBH4=1:4),滴加完后再搅拌10min,将所得混合液过滤洗涤至无氯离子(硝酸银检测),于真空干燥箱65℃干燥5小时得到目标催化剂。
称取0.08克上述8%Ru/5%ZrO2-SEP催化剂置于高温反应釜100mL内衬中,加入10mL的去离子水、5ml的苯和1.67克的ZnSO4.7H2O,放入磁子,密封高压釜,用氢气置换釜内空气4次,真空泵将釜抽至真空,当升到设定的150℃反应温度后,通入氢气加压到4MPa,开启磁力搅拌,反应计时开始。反应后,提取反应上清液,上清液中各物质的含量用气相色谱分析。苯的转化率为53%,环己烯的选择性为36%。
实施例2
称取0.08克上述8%Ru/10%ZrO2-SEP催化剂置于高温反应釜100mL内衬中,加入10mL的去离子水、5ml的苯和1.67克的ZnSO4.7H2O,放入磁子,密封高压釜,用氢气置换釜内空气4次,真空泵将釜抽至真空,当升到设定的150℃反应温度后,通入氢气加压到4MPa,开启磁力搅拌,反应计时开始。反应后,提取反应上清液,上清液中各物质的含量用气相色谱分析。苯的转化率为49%,环己烯的选择性为46%。
实施例3
称取0.08克上述8%Ru/15%ZrO2-SEP催化剂置于高温反应釜100mL内衬中,加入10mL的去离子水、5ml的苯和1.67克的ZnSO4.7H2O,放入磁子,密封高压釜,用氢气置换釜内空气4次,真空泵将釜抽至真空,当升到设定的150℃反应温度后,通入氢气加压到4MPa,开启磁力搅拌,反应计时开始。反应后,提取反应上清液,上清液中各物质的含量用气相色谱分析。苯的转化率为55%,环己烯的选择性为58%。
对比例1
称取6g的海泡石,置于200mL的单口烧瓶中,按照1:20的固液比,其中盐酸溶液的浓度为2mol/L,放入磁子,置于室温下的水浴锅中剧烈搅拌5小时,悬浊液抽滤,蒸馏水洗涤置中性,110℃干燥6个小时后得到所需要的酸改性海泡石。
称取1克的上述酸改性海泡石载体,置于50mL的单口烧瓶中,用10mL的去离子水浸渍,放在25℃的恒温水浴锅中剧烈搅拌备用。称取0.1034克RuCl3.xH2O置于小烧杯中,加入2mL的去离子水溶解。将溶解后的溶液加入到剧烈搅拌的改性海泡石悬浮液中,搅拌4个小时,然后滴加硼氢化钠溶液(按照物质量的比Ru:NaBH4=1:4),滴加完后再搅拌10min,将所得混合液过滤洗涤至无氯离子(硝酸银检测),于真空干燥箱65℃干燥5小时得到目标催化剂。
称取0.08克上述8%Ru/SEP催化剂置于高温反应釜100mL内衬中,加入10mL的去离子水、5ml的苯和1.67克的ZnSO4.7H2O,放入磁子,密封高压釜,用氢气置换釜内空气4次,真空泵将釜抽至真空,当升到设定的150℃反应温度后,通入氢气加压到4MPa,开启磁力搅拌,反应计时开始。反应后,提取反应上清液,上清液中各物质的含量用气相色谱分析。苯的转化率为57%,环己烯的选择性为12%。
对比例2
称取5g的ZrOCl2.8H2O,置于100mL的单口烧瓶中,加入去离子配成浓度为0.2mol/L的锆盐溶液,同时滴加氨水溶液至pH为11后升高温度于100℃搅拌24h;
将以上所得溶液冷却至室温,过滤、洗涤至中性,在110℃干燥8小时,得到氢氧化锆前驱体;将上述固体于马弗炉中以5℃/Min的升温速率升至550℃焙烧4h,从而得到氧化锆。
称取1克的上述氧化锆载体,置于50mL的单口烧瓶中,用10mL的去离子水浸渍,放在25℃的恒温水浴锅中剧烈搅拌备用。称取0.1034克RuCl3.xH2O置于小烧杯中,加入2mL的去离子水溶解。将溶解后的溶液加入到剧烈搅拌的氧化锆悬浮液中,搅拌4个小时,然后滴加硼氢化钠溶液(按照物质量的比Ru:NaBH4=1:4),滴加完后再搅拌10min,将所得混合液过滤洗涤至无氯离子(硝酸银检测),于真空干燥箱65℃干燥5小时得到目标催化剂。
称取0.08克上述8%Ru/ZrO2催化剂置于高温反应釜100mL内衬中,加入10mL的去离子水、5ml的苯和1.67克的ZnSO4.7H2O,放入磁子,密封高压釜,用氢气置换釜内空气4次,真空泵将釜抽至真空,当升到设定的150℃反应温度后,通入氢气加压到4MPa,开启磁力搅拌,反应计时开始。反应后,提取反应上清液,上清液中各物质的含量用气相色谱分析。苯的转化率为31%,环己烯的选择性为32%。

Claims (6)

1.一种氧化锆修饰改性海泡石负载型Ru基催化剂的制备方法,其特征在于,所述催化剂记为Ru/ZrO2-SEP,载体为改性海泡石,且改性海泡石被氧化锆所修饰;所述催化剂用于苯部分加氢制环己烯中;所述的制备方法包括如下步骤:
(1)以1:15~30的固液质量比,将海泡石与盐酸溶液加入到反应器中室温搅拌2~6 h,搅拌完成后抽滤并用蒸馏水洗涤置至中性,干燥得到所需要的酸改性海泡石;
(2)在酸改性的海泡石中加入六偏磷酸钠分散剂,室温搅拌使海泡石在去离子水中分散均匀,再加入氯氧化锆溶液并搅拌15~40 min;然后滴加氨水至pH为10~12,再油浴升温至90~120℃搅拌20~32h:反应停止后,过滤、洗涤、干燥,得到氯氧化锆改性的海泡石;
(3)将步骤(2)所得氯氧化锆改性的海泡石研磨均匀,升温至450~650℃焙烧3~5h:
(4)在步骤(4)所得焙烧后的改性海泡石中加入去离子水搅拌均匀,同时加入金属Ru的盐溶液搅拌2~6 h;
(5)在步骤(4)所得溶液中滴加硼氢化钠溶液,滴加完成后再搅拌8~30 min;
(6)将步骤(5)所得溶液过滤洗涤,至无氯离子出现,干燥得到氧化锆修饰改性海泡石负载型Ru基催化剂。
2.根据权利要求1所述的氧化锆修饰改性海泡石负载型Ru基催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,盐酸的浓度为1.5~3 mol/L。
3.根据权利要求1所述的氧化锆修饰改性海泡石负载型Ru基催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)和步骤(2)中,干燥温度为80~120℃,干燥时间为12~20小时。
4.根据权利要求1所述的氧化锆修饰改性海泡石负载型Ru基催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,升温速率为1~5℃/min。
5.根据权利要求1所述的氧化锆修饰改性海泡石负载型Ru基催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(6)中,干燥温度为60~70℃,干燥时间为4~6 h。
6.权利要求1至5任一项所述的制备方法得到的催化剂在苯部分加氢制环己烯中的应用,其特征在于,包括如下步骤:
将苯、Ru/ZrO2-SEP催化剂和ZnSO4.7H2O加入高温反应釜中,Ru/ZrO2-SEP催化剂的用量为苯质量的30~70%,ZnSO4.7H2O的用量为苯质量的10~50%,再加入去离子水,然后放入磁子,密封高压釜,用氢气置换釜内空气2~5次,真空泵将釜抽至真空,升温至140~150℃,并通入氢气加压到4.0~5.0MPa,反应10~30min。
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