CN109603796A - 一种固体碱催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体碱催化剂,所述固体碱催化剂的结构以镁铝复合金属氧化物为载体,所述载体上负载有活性组分;其中,所述活性组分选自固体碱。该固体碱催化剂具有高的稳定性、长的使用寿命,同时,该固体催化剂低温催化活性高,反应时间短。本发明还公开了该固体碱催化剂的制备方法和应用。
Description
技术领域
本发明涉及催化领域。更具体地,涉及一种固体碱催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
碳酸二甲酯是一类符合现代“清洁工艺”要求的环保型有机化工原料,由于具有低毒性、高溶解性、优异的环保性能和良好的反应性能,广泛应用于羰基化和甲基化试剂、汽油添加剂、合成聚碳酸酯(PC)的原料、涂料溶剂以及锂电池电解液等快速发展行业,具有广阔市场,是当今化工领域热门的“绿色”化工产品。
传统工艺中采用环状碳酸酯和醇进行酯交换反应来生产碳酸酯类化合物。反应常用的催化剂主要是均相碱催化剂,适当催化剂已公开于US5359118,比如氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾、甲醇钠、乙醇钠等。其中氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾等催化剂选择性高,但不易回收,严重腐蚀设备,对环境造成很大的污染;而甲醇钠、乙醇钠等催化剂虽然使得产品纯度高,副产物少,但是其成本较高且稳定性不好,甲醇钠对氧气敏感,易燃,溶于甲醇、乙醇,遇水分解成甲醇和氢氧化钠,在126.6℃以上的空气中分解。众所周知,与均相碱催化剂相比,固体碱催化剂具有不腐蚀设备、环境污染小、易于回收等优点,是酯交换法合成碳酸二甲酯的反应中最具开发前景的催化剂体系。然而目前使用的固体碱催化剂使用温度较高,低温催化活性较差,而且反应时间也较长,不能满足先进技术对催化剂的要求。
因此,需要提供一种新的固体碱催化剂,以解决上述存在的技术问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种固体碱催化剂,该固体碱催化剂具有高的稳定性、长的使用寿命,同时,该固体催化剂低温催化活性高,反应时间短,可用于催化合成碳酸酯,在催化合成碳酸二甲酯的反应中在较低温度下具有高的低温催化活性和产物选择性,同时反应收率高,且产物联产乙二醇。
本发明的第二个目的在于提供一种固体碱催化剂的制备方法。
本发明的第三个目的在于提供一种固体碱催化剂的应用。
为达到上述第一个目的,本发明提供一种固体碱催化剂,所述固体碱催化剂的结构以镁铝复合金属氧化物为载体,所述载体上负载有活性组分;其中,所述活性组分选自固体碱。
在一个优选示例中,所述固体碱选自铝酸钠和钨酸钠中的一种或两种。
在一个优选示例中,所述固体碱催化剂中,活性组分所占的质量百分含量为5-30%。
在一个优选示例中,所述固体碱催化剂中,镁铝复合金属氧化物所占的质量百分含量为70-95%。
为达到上述第二个目的,本发明提供一种固体碱催化剂的制备方法,该方法包括如下步骤:在所述镁铝水滑石上负载活性组分,焙烧,得到所述固体碱催化剂。
通过将活性组分负载在镁铝水滑石上,再通过焙烧,使得活性组分之间的相互作用更强,形成了新的活性位,不仅使催化剂在较低温下就有很高的活性和选择性,而且减少活性组分流失,提高催化剂稳定性,延长催化剂使用寿命。
在一个优选示例中,该镁铝水滑石的化学通式为[Mg2+ 1-xAl3+ x(OH-)2]x+[(CO3 2-)x/2·nH2O]x-,其中,0.2<x<0.33,0.1<n<10。
在一个优选示例中,所述镁铝水滑石的制备方法包括如下步骤:
分别配制二价可溶性镁盐和三价可溶性铝盐形成的混合盐溶液、碱和可溶性无机盐形成的混合碱性溶液;
在连续加热及搅拌的条件下,将所述混合盐溶液与混合碱性溶液混合至生成沉淀及沉淀完全,将所述浆液晶化,再水洗、干燥,得所述镁铝水滑石。
在一个优选示例中,所述二价可溶性镁盐选自镁的硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐、氯化盐中的一种或几种。
在一个优选示例中,所述三价可溶性铝盐选自铝的硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐、氯化盐中的一种或几种。
在一个优选示例中,所述碱选自氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或两种。
在一个优选示例中,所述可溶性无机盐选自无机钾盐或无机钠盐。
在一个优选示例中,所述无机钾盐选自碳酸钾、硝酸钾和氯化钾中的一种或几种。
在又一个更优选地示例中,所述无机钠盐选自碳酸钠、硝酸钠和氯化钠中的一种或几种。
在一个优选示例中,所述二价可溶性镁盐中的镁离子浓度为0.5-2.0mol/L。
在一个优选示例中,所述二价可溶性镁盐中的镁离子与三价可溶性铝盐中的铝离子的摩尔比为2-5:1。
在一个优选示例中,所述碱的浓度为0.5-3.5mol/L。
在一个优选示例中,所述碱与可溶性无机盐的摩尔比为2-4:1。
在一个优选示例中,所述晶化的温度为100-140℃,时间为2-24h。
在一个优选示例中,所述混合的过程中控制pH在9-12,温度为30-90℃。
在一个优选示例中,在所述镁铝水滑石上负载活性组分的方法包括:向所述活性组分的水溶液中加入所述镁铝水滑石,进行浸渍,再干燥,即完成负载。浸渍过程中可进行搅拌,使得混合更均匀,优选等体积浸渍,活性组分的水溶液中活性组分的质量分数优选为5-30%。
在一个更优选地示例中,所述干燥的条件为:于30-90℃温度下,真空干燥5-48h。
在一个优选示例中,所述焙烧的条件为:于室温升温至400-600℃,保温,再降温至室温。
在一个优选示例中,所述升温速率为1-20℃/min。
在一个优选示例中,所述焙烧时间为1-12h。
为达到上述第三个目的,本发明提供一种固体碱催化剂在催化合成碳酸酯中的应用。
优选地,所述碳酸酯为碳酸二甲酯或碳酸二乙酯。
本发明中提供的该固体碱催化剂在催化合成碳酸酯,尤其是在催化合成碳酸二甲酯和碳酸二乙酯的反应中在较低温度下具有高的低温催化活性和产物选择性,解决了非均相酯交换中催化剂反应条件苛刻的问题。
本发明的有益效果如下:
本发明中提供的固体碱催化剂稳定性好,在酯交换法合成碳酸酯(如碳酸二甲酯、碳酸二乙酯),尤其是碳酸二甲酯的反应中,在较低温度条件下就有较高的催化活性和产物选择性,碳酸二甲酯的收率高且反应联产乙二醇。
本发明中提供的固体碱催化剂的制备方法简单,成本低,易操作,且制备过程中催化剂易与产物分离,避免污染产品,可多次重复使用。
本发明中提供的固体碱催化剂在催化合成碳酸酯中的应用,固体碱催化剂可在低温下催化反应进行,且催化活性高,反应收率高。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出实施例1制备得到的镁铝水滑石前体的XRD谱图。
图2示出实施例1制备得到的镁铝水滑石前体的SEM图。
图3示出实施例1制备得到的固体碱催化剂的XRD谱图。
图4示出实施例1制备得到的固体碱催化剂的SEM图。
图5示出实施例5制备得到的固体碱催化剂的XRD谱图。
图6示出实施例5制备得到的固体碱催化剂的SEM图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
固体碱催化剂的制备方法,包括如下步骤:
用去离子水配制100mL的硝酸镁和硝酸铝的混合水盐溶液,其中,镁离子浓度为0.6mol/L,铝离子浓度为0.2mol/L;配制80mL的氢氧化钠和碳酸钠的混合碱溶液,其中,氢氧化钠浓度为2.0mol/L,碳酸钠浓度为0.5mol/L。分别将上述混合盐溶液和碱溶液搅拌1h后,逐滴滴入75℃的三口烧瓶中,控制pH为9-10,充分搅拌1.5h,将浆液移入至200mL含聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,在100℃下晶化4h,将所得浆液水洗至pH值范围7-8之间,然后在90℃下干燥24h,研磨,即制备得到镁铝水滑石前体,其XRD谱图和SEM图分别如图1和图2所示。将铝酸钠配制成质量分数为10%的水溶液,加入镁铝水滑石前体,进行等体积浸渍,搅拌4h后,于80℃下真空干燥箱中干燥12h,再放入马弗炉中焙烧,以2℃/min的速率,升温至400℃,并在该温度下焙烧6h,焙烧完后自然降温至室温,焙烧产物即镁铝复合金属氧化物负载铝酸钠的固体碱催化剂a,其中,铝酸钠的质量百分含量为10%,其XRD谱图和SEM图分别如图3和图4所示。
实施例2
固体碱催化剂的制备方法,包括如下步骤:
用去离子水配制100mL的硝酸镁和硝酸铝的混合水盐溶液,其中,镁离子浓度为0.6mol/L,铝离子浓度为0.2mol/L;配制80mL的氢氧化钠和碳酸钠的混合碱溶液,其中,氢氧化钠浓度为2.0mol/L,碳酸钠浓度为0.5mol/L。分别将上述混合盐溶液和碱溶液搅拌1h后,逐滴滴入75℃的三口烧瓶中,控制pH为9-10,充分搅拌1.5h,将浆液移入至200mL含聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,在140℃下晶化4h,将所得浆液水洗至pH值范围7-8之间,然后在90℃下干燥24h,研磨,即制备得到镁铝水滑石前体。将铝酸钠配制成质量分数为10%的水溶液,加入镁铝水滑石前体,进行等体积浸渍,搅拌4h后,于90℃下真空干燥箱中干燥12h,再放入马弗炉中焙烧,以2℃/min的速率,升温至400℃,并在该温度下焙烧6h,焙烧完后自然降温至室温,焙烧产物即镁铝复合金属氧化物负载铝酸钠的固体碱催化剂b,其中,铝酸钠的质量百分含量为10%,该固体碱催化剂结构与实施例1中固体碱催化剂结构相似。
实施例3
固体碱催化剂的制备方法,包括如下步骤:
用去离子水配制100mL的硝酸镁和硝酸铝的混合水盐溶液,其中,镁离子浓度为1.2mol/L,铝离子浓度为0.24mol/L;配制80mL的氢氧化钠和碳酸钠的混合碱溶液,其中,氢氧化钠浓度为2.0mol/L,碳酸钠浓度为0.5mol/L。分别将上述混合盐溶液和碱溶液搅拌1h后,逐滴滴入75℃的三口烧瓶中,控制pH为9-10,充分搅拌1.5h,将浆液移入至200mL含聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,在120℃下晶化4h,将所得浆液用去离子水洗涤至pH值范围7-8之间,然后在90℃下干燥24h,研磨,即制备得到镁铝水滑石前体。将铝酸钠配制成质量分数为10%的水溶液,加入镁铝水滑石前体,进行等体积浸渍,搅拌4h后,于90℃下真空干燥箱中干燥12h,再放入马弗炉中焙烧,以2℃/min的速率,升温至400℃,并在该温度下焙烧6h,焙烧完后自然降温至室温,焙烧产物即镁铝复合金属氧化物负载铝酸钠的固体碱催化剂c,其中,铝酸钠的质量百分含量为10%,该固体碱催化剂结构与实施例1中固体碱催化剂结构相似。
实施例4
固体碱催化剂的制备方法,包括如下步骤:
用去离子水配制100mL的硝酸镁和硝酸铝的混合水盐溶液,其中,镁离子浓度为1.2mol/L,铝离子浓度为0.3mol/L;配制80mL的氢氧化钠和碳酸钠的混合碱溶液,其中,氢氧化钠浓度为2.0mol/L,碳酸钠浓度为0.5mol/L。分别将上述混合盐溶液和碱溶液搅拌1h后,逐滴滴入75℃的三口烧瓶中,控制pH为9-10,充分搅拌1.5h,将浆液移入至200mL含聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,在120℃下下晶化4h,将所得浆液水洗至pH值范围7-8之间,然后在90℃下干燥24h,研磨,即制备得到镁铝水滑石前体。将铝酸钠配制成质量分数为10%的水溶液,加入镁铝水滑石前体,进行等体积浸渍,搅拌4h后,于90℃下真空干燥箱中干燥12h,再放入马弗炉中焙烧,以2℃/min的速率,升温至400℃,并在该温度下焙烧6h,焙烧完后自然降温至室温,焙烧产物即镁铝复合金属氧化物负载铝酸钠的固体碱催化剂d,其中,铝酸钠的质量百分含量为10%,该固体碱催化剂结构与实施例1中固体碱催化剂结构相似。
实施例5
固体碱催化剂的制备方法,包括如下步骤:
用去离子水配制100mL的硝酸镁和硝酸铝的混合水盐溶液,其中,镁离子浓度为1.2mol/L,铝离子浓度为0.3mol/L;配制80mL的氢氧化钠和碳酸钠的混合碱溶液,其中,氢氧化钠浓度为2.0mol/L,碳酸钠浓度为0.5mol/L。分别将上述混合盐溶液和碱溶液搅拌1h后,逐滴滴入75℃的三口烧瓶中,控制pH为9-11,充分搅拌1.5h,将浆液移入至200mL含聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,在120℃下晶化4h,将所得浆液水洗至pH值范围7-8之间,然后在90℃下干燥24h,研磨,即制备得到镁铝水滑石前体。将钨酸钠配制成质量分数为10%的水溶液,加入镁铝水滑石前体,进行等体积浸渍,搅拌4h后,于90℃下真空干燥箱中干燥12h,再放入马弗炉中焙烧,以2℃/min的速率,升温至400℃,并在该温度下焙烧6h,焙烧完后自然降温至室温,焙烧产物即镁铝复合金属氧化物负载钨酸钠的固体碱催化剂e,其中,钨酸钠的质量百分含量为10%,其XRD谱图和SEM图分别如图5和图6所示。
实施例6-10
碳酸二甲酯的制备:
分别将实施例1-5制备得到的固体碱催化剂用于催化碳酸乙烯酯与甲醇酯反应合成碳酸二甲酯,反应条件为:65℃,4h,甲醇与碳酸乙烯酯摩尔比10,催化剂用量5%(相对于碳酸乙烯酯质量),反应时间4h;产物由气相色谱(安捷伦7890B)氢火焰离子检测器分析,产物为碳酸二甲酯和乙二醇,主要副产物为二乙二醇和乙二醇单甲醚。不同催化剂样品的碳酸乙烯酯与甲醇酯交换反应结果见表1。
表1不同催化剂样品的碳酸乙烯酯与甲醇酯交换反应结果
实施例11
碳酸二乙酯的制备:
将实施例1制备得到的固体碱催化剂用于催化碳酸乙烯酯与乙醇酯反应合成碳酸二乙酯,反应条件为:150℃,4h,乙醇与碳酸乙烯酯摩尔比10,催化剂用量5%(相对于碳酸乙烯酯质量),反应时间4h;产物由气相色谱(安捷伦7890B)氢火焰离子检测器分析,产物为碳酸二乙酯和乙二醇,主要副产物为2-乙氧基乙基碳酸乙酯和二(2-乙氧基乙基)碳酸酯。酯交换反应结果见表2。
表2实施例11中碳酸乙烯酯与乙醇酯交换反应结果
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种固体碱催化剂,其特征在于,所述固体碱催化剂的结构以镁铝复合金属氧化物为载体,所述载体上负载有活性组分;其中,所述活性组分选自固体碱。
2.根据权利要求1所述的固体碱催化剂,其特征在于,所述固体碱选自铝酸钠和钨酸钠中的一种或两种;
优选地,所述固体碱催化剂中,活性组分所占的质量百分含量为5-30%。
3.如权利要求1-2任一项所述的固体碱催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:在所述镁铝水滑石上负载活性组分,焙烧,得到所述固体碱催化剂。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述镁铝水滑石的化学通式为[Mg2+ 1- xAl3+ x(OH-)2]x+[(CO3 2-)x/2·nH2O]x-,其中,0.2<x<0.33,0.1<n<10;
优选地,所述镁铝水滑石的制备方法包括如下步骤:
分别配制二价可溶性镁盐和三价可溶性铝盐形成的混合盐溶液、碱和可溶性无机盐形成的混合碱性溶液;
在连续加热及搅拌的条件下,将所述混合盐溶液与混合碱性溶液混合至生成沉淀及沉淀完全,将所述浆液晶化,再水洗、干燥,得所述镁铝水滑石。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述二价可溶性镁盐选自镁的硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐、氯化盐中的一种或几种;
优选地,所述三价可溶性铝盐选自铝的硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐、氯化盐中的一种或几种;
优选地,所述碱选自氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或两种;
优选地,所述可溶性无机盐选自无机钾盐或无机钠盐。
6.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述二价可溶性镁盐中的镁离子与三价可溶性铝盐中的铝离子的摩尔比为2-5:1;
优选地,所述碱与可溶性无机盐的摩尔比为2-4:1;
优选地,所述晶化的温度为100-140℃,时间为2-24h。
7.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,在所述镁铝水滑石上负载活性组分的方法包括:向所述活性组分的水溶液中加入所述镁铝水滑石,进行浸渍,再干燥,即完成负载;优选地,所述干燥的条件为:于30-90℃温度下,真空干燥5-48h。
8.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述焙烧的条件为:于室温升温至400-600℃,保温,再降温至室温;优选地,所述升温速率为1-20℃/min。
9.如权利要求1-2任一项所述的固体碱催化剂在催化合成碳酸酯中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于,所述碳酸酯为碳酸二甲酯或碳酸二乙酯。
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