CN110090667A - 锆金属有机骨架UiO-66催化剂的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过水热法制备锆金属有机骨架UiO‑66催化剂的制备方法,并利用该方法制备的锆金属有机骨架UiO‑66催化剂催化合成三羟甲基丙烷油酸酯的应用,以及从该应用的产物中回收锆金属有机骨架UiO‑66催化剂的方法。本发明具有酯化率高、回收简单、稳定性较好、副反应少,环保、颜色较浅,避免对设备的腐蚀性的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种合成三羟甲基丙烷油酸酯的锆金属有机骨架UiO-66催化剂及其应用,属于润滑油制备领域。
背景技术
随着机械设备制造工业的发展,越来越多的机械对润滑油性能的要求日趋苛刻,特别是在高温或低温下,从石油中提取的传统矿物润滑油已经不能满足发展的需求。此外,矿物润滑油带来的环境污染问题也日益引起了人们的关注,这就使得安全、环保且综合性能优异的合成润滑油成为科研者研究的焦点。
三羟甲基丙烷油酸酯作为一种优良的绿色合成润滑油,其制备方法一般包括酯交换和酯化两种方法。其中,通过酯交换方法制得的三羟甲基丙烷油酸酯是以脂肪酸甲酯或乙酯和三羟甲基丙烷为原料,在催化剂的作用下反应制得,但其工艺复杂,且反应效率较低。而酯化反应通常是以油酸和三羟甲基丙烷为原料,在催化剂的作用下直接反应而成,其制备工艺简单,且转化效率较高。在上述两种制备过程中,催化剂的作用是至关重要的。目前,合成三羟甲基丙烷油酸酯的催化剂主要包括液体催化剂和固体催化剂,液体催化剂主要是硫酸和对甲苯磺酸催化剂,但是液体催化剂在反应过程中副反应多,产品颜色深,回收困难,且环境污染严重,造成环境污染和设备腐蚀严重等。固体催化剂可以有效解决上述问题,但回收后的固体催化剂稳定性差,将导致三羟甲基丙烷油酸酯的平均酯化率低,制备工艺复杂,成本较高,活性低,回收后催化剂的稳定性较差。因此,制备一种高效、稳定、绿色环保的固体催化剂是目前急需解决的主要问题之一。
发明内容
本发明提供一种锆金属有机骨架UiO-66催化剂的制备方法,包括:
(1)将锆源和多元酸按0.5:1~ 2.0 : 1的摩尔比溶于80~120ml溶剂中;
(2)将溶解后的溶液置于加塞的玻璃瓶中;
(3)在100~120℃的烘箱中水热反应12~48h后自然冷却;
(4)每隔8~12h用步骤(1)中所述溶剂浸渍洗涤一次,共浸渍洗涤三次;
(5)再用去离子水洗涤至中性且无氯离子为止;
(6)最后将该固体放在80~120℃的烘箱中干燥8~12h制得。
用该制备方法制造锆金属有机骨架UiO-66催化剂可以解决酯化催化剂平均酯化率低、回收复杂、使用寿命短等问题。制备工艺简单、可大量合成、成本降低。
进一步地,根据本发明的一些实施例,步骤(1)中的所述锆源和所述多元酸按1.6:1的摩尔比溶于80ml溶剂中;步骤(3)中在120℃的烘箱中水热反应48h后自然冷却;步骤(4)中的时间间隔为8h;步骤(6)中的烘箱温度为80℃,干燥时间为12h。
进一步地,根据本发明的一些实施例,步骤(1)中所述锆源为四氯化锆或氧氯化锆或正丙醇锆。
进一步地,根据本发明的一些实施例,步骤(1)中所述多元酸为对苯二甲酸或其衍生物,或者N-甲基吡咯烷酮或其衍生物。
进一步地,根据本发明的一些实施例,步骤(1)中所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮。
进一步地,根据本发明的一些实施例,步骤(1)中所述玻璃瓶为单口烧瓶或梨形瓶或锥形瓶。
进一步地,本发明提供一种锆金属有机骨架UiO-66催化剂的应用方法,以制备三羟甲基丙烷油酸酯:将三羟甲基丙烷和油酸按质量比3.02:1加入到三口烧瓶中,同时加入所述锆金属有机骨架UiO-66催化剂进行酯化反应,反应温度为220℃,反应时间为4h,反应真空度为-0.1MPa,所述锆金属有机骨架UiO-66催化剂用量为三羟甲基丙烷和油酸总质量的2%。
锆金属有机骨架UiO-66催化剂对三羟甲基丙烷油酸酯的平均酯化率与液体催化剂相当,稳定性较好,且易回收,副反应少,颜色较浅,UiO-66固体催化剂能够避免液体催化剂在酯化反应过程中对设备的腐蚀性。
进一步地,本发明提供从上述应用的产物中回收所述锆金属有机骨架UiO-66催化剂的方法,包括:
(1)将反应后的所述三羟甲基丙烷油酸酯和所述锆金属有机骨架UiO-66催化剂的混合物在大于等于8000r/min的速度下离心至少15min;
(2)将上层清液分离后,向离心管中加入10~15mL的石油醚搅拌均匀后离心;
(3)用无水乙醇至少洗涤2次;
(4)最后在烘箱中干燥8~12h。
所述锆金属有机骨架UiO-66催化剂能实现在油酯产品中的直接回收,消除了酸碱中和水洗过程造成的水污染问题。并且,所述锆金属有机骨架UiO-66催化剂回收操作过程简单方便,所述锆金属有机骨架UiO-66催化剂的回收率高,活性稳定。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“联接”、“连通”、“相连”、“连接”、“配合”应做广义理解,例如,可以是固定连接,一体地连接,也可以是可拆卸连接;可以是两个元件内部的连通;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连;“配合”可以是面与面的配合,也可以是点与面或线与面的配合,也包括孔轴的配合,对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
锆金属有机骨架UiO-66具有较出众的水热稳定性和化学稳定性的,它是一种以锆为金属中心,对苯二甲酸为有机配体通过自组装而成的具有三维网状有序孔结构的新型多孔晶体材料。这种材料具有较高的比表面积和较多的催化活性中心。本发明通过水热法制备锆金属有机骨架UiO-66催化剂并催化合成三羟甲基丙烷油酸酯。因此,本发明可以解决酯化催化剂平均酯化率低、回收复杂、使用寿命短等问题。
为实现上述目的本发明的技术方案如下:
一种锆金属有机骨架UiO-66催化剂的制备方法,其制备过程如下:
(1)将锆源和多元酸按0.5:1 ~2.0 :1的摩尔比溶于80~120ml溶剂中;
(2)将溶解后的溶液置于加塞的玻璃瓶中;
(3)在100~120℃的烘箱中水热反应12~48h后自然冷却;
(4)每隔8~12h用步骤(1)中所述溶剂浸渍洗涤一次,浸渍三次;
(5)再用去离子水洗涤至中性且无氯离子为止;
(6)最后将该固体放在80~120℃的烘箱中干燥8~12h制得。
根据本发明的一些实施例,步骤(1)中的所述锆源和所述多元酸按1.6:1的摩尔比溶于80ml溶剂中;步骤(3)中 在120℃的烘箱中水热反应48h后自然冷却;步骤(4)中的时间间隔为8h;步骤(6)中的烘箱温度为80℃,干燥时间为12h。
根据本发明的一些实施例,步骤(1)中所述的锆源为四氯化锆、氧氯化锆或正丙醇锆。
根据本发明的一些实施例,步骤(1)中所述的多元酸为对苯二甲酸或其衍生物,或者N-甲基吡咯烷酮(NMP)或衍生物。
根据本发明的一些实施例,步骤(1)中所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
根据本发明的一些实施例,步骤(1)中所述玻璃瓶为单口烧瓶、梨形瓶或锥形瓶。
本发明利用普通玻璃反应器进行水热反应制备UiO-66催化剂,且催化剂的后续处理中利用去离子水进行洗涤,制备工艺简单,成本降低。
本发明进一步提供一种利用上述方法制得的锆金属有机骨架UiO-66催化剂制备三羟甲基丙烷油酸酯的方法,制备方法如下:
将原料三羟甲基丙烷和油酸按质量比3.02:1加入到三口烧瓶中,同时加入催化剂进行酯化,其酯化反应条件如下:反应温度为220℃,反应时间为4h,反应真空度为-0.1MPa,催化剂用量为三羟甲基丙烷和油酸总质量的2%。
UiO-66固体催化剂对三羟甲基丙烷油酸酯的平均酯化率与液体催化剂相当,稳定性较好,且易回收,副反应少,颜色较浅,UiO-66固体催化剂能够避免液体催化剂在酯化反应过程中对设备的腐蚀性。
本发明进一步提供锆金属有机骨架UiO-66催化剂的回收方法,具体步骤如下:
(1)将反应后的油酯和催化剂混合产品在大于等于8000r/min的速度下离心至少15min;
(2)将上层清液分离后,向离心管中加入10~15mL的石油醚搅拌均匀后离心;
(3)再用无水乙醇至少洗涤2次;
(4)最后在烘箱中干燥8~12h,即可回收反应后的锆金属有机骨架催化剂。
将回收的锆金属有机骨架UiO-66催化剂按上述酯化条件重复利用5次进行活性测试。
UiO-66固体催化剂能实现在油酯产品中的直接回收,消除了酸碱中和水洗过程造成的水污染问题。并且,UiO-66催化剂回收操作过程简单方便,催化剂的回收率高,活性稳定。
以下提供的实施例对本发明作了进一步说明。
实施例1
分别称取80.00g油酸和12.58g三羟甲基丙烷加入到三口烧瓶中混合,再加入1.85g利用聚四氟乙烯反应釜合成的UiO-66固体催化剂,将所得混合物在220℃和-0.1MPa的反应条件下进行4h,自然冷却后在8000转/min的转速下离心15min,离心后的UiO-66催化剂进行回收再利用,而得到的三羟甲基丙烷油酸酯根据GB/T 5530-2005进行酸值测定,油酸的酯化率为97.22%,颜色呈淡黄色。
实施例2
分别称取80.00g油酸和12.58g三羟甲基丙烷加入到三口烧瓶中混合,将对甲苯磺酸液体催化剂加入烧瓶中,在220℃和-0.1MPa的反应条件下进行4h,自然冷却后将所得的三羟甲基丙烷油酸酯混合物根据GB/T 5530-2005进行酸值测定,油酸的酯化率为96.99%,颜色呈棕黑色。
实施例3
分别称取80.00g油酸和12.58g三羟甲基丙烷加入到三口烧瓶中混合,再加入1.85g利用无水乙醇洗涤的UiO-66固体催化剂,将所得混合物在220℃和-0.1MPa的反应条件下进行4h,自然冷却后在8000转/min的转速下离心15min,离心后的UiO-66催化剂进行回收再利用,而得到的三羟甲基丙烷油酸酯根据GB/T 5530-2005进行酸值测定,油酸的酯化率为97.22%,颜色呈淡黄色。
实施例4
分别称取80.00g油酸和12.58g三羟甲基丙烷加入到三口烧瓶中混合,再加入1.85g利用普通玻璃反应器合成的UiO-66固体催化剂,将所得混合物在220℃和-0.1MPa的反应条件下进行4h,自然冷却后在8000转/min的转速下离心15min,离心后的UiO-66催化剂进行回收再利用,而得到的三羟甲基丙烷油酸酯根据GB/T 5530-2005进行酸值测定,油酸的酯化率为97.20%,颜色呈淡黄色。
实施例5
分别称取80.00g油酸和12.58g三羟甲基丙烷加入到三口烧瓶中混合,再加入1.85g利用去离子水洗涤的UiO-66固体催化剂,将所得混合物在220℃和-0.1MPa的反应条件下进行4h,自然冷却后在8000转/min的转速下离心15min,离心后的UiO-66催化剂进行回收再利用,而得到的三羟甲基丙烷油酸酯根据GB/T 5530-2005进行酸值测定,油酸的酯化率为97.20%,颜色呈淡黄色。
将上述反应后的UiO-66固体催化剂回收循环利用五次,其酯化率如表1所示。
表1 UiO-66催化剂循环五次对产品酯化率和质量的影响
循环次数 | 一次 | 二次 | 三次 | 四次 | 五次 |
酯化率(%) | 97.2 | 97.06 | 96.37 | 97.10 | 96.50 |
产品颜色 | 淡黄色 | 淡黄色 | 淡黄色 | 淡黄色 | 淡黄色 |
上述五个实施例中,实施例1为现有技术中利用聚四氟乙烯反应釜水热法合成锆金属有机骨架UiO-66,并进一步利用该锆金属有机骨架UiO-66合成三羟甲基丙烷油酸酯;实施例2为现有技术中利用对甲苯磺酸液体催化剂合成三羟甲基丙烷油酸酯;实施例3-5为利用本发明的制备方法和回收方法得到的UiO-66固体催化剂合成三羟甲基丙烷油酸酯。通过上述实施例1-5的油酸酯化率可知,本发明提供的UiO-66固体催化剂相比于现有的利用聚四氟乙烯反应釜水热法合成锆金属有机骨架UiO-66,其制备过程简单,成本降低以及可以大量合成;同时相对于现有的液体催化剂而言,其合成三羟甲基丙烷油酸酯的平均酯化率高,活性稳定,颜色浅,环保无污染。
任何提及“一个实施例”、“实施例”、“示意性实施例”等意指结合该实施例描述的具体构件、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处的该示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且,当结合任何实施例描述具体构件、结构或者特点时,所主张的是,结合其他的实施例实现这样的构件、结构或者特点均落在本领域技术人员的范围之内。
尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述,但是必须理解,本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例,这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内。具体而言,在前述公开以及权利要求的范围之内,可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进,而不会脱离本发明的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进,其范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.锆金属有机骨架UiO-66催化剂的制备方法,其特征在于,包括:
(1)将锆源和多元酸按0.5:1 ~ 2.0 : 1的摩尔比溶于80~120ml溶剂中;
(2)将溶解后的溶液置于加塞的玻璃瓶中;
(3)在100~120℃的烘箱中水热反应12~48h后自然冷却;
(4)每隔8~12h用步骤(1)中所述溶剂浸渍洗涤一次,共浸渍洗涤三次;
(5)用去离子水洗涤至中性且无氯离子为止;
(6)在80~120℃的烘箱中干燥8~12h。
2.根据权利要求1所述的锆金属有机骨架UiO-66催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中的所述锆源和所述多元酸按1.6:1的摩尔比溶于80ml溶剂中;步骤(3)中在120℃的烘箱中水热反应48h后自然冷却;步骤(4)中的时间间隔为8h;步骤(6)中的烘箱温度为80℃,干燥时间为12h。
3.根据权利要求2所述的锆金属有机骨架UiO-66催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述锆源为四氯化锆或氧氯化锆或正丙醇锆。
4.根据权利要求1所述的锆金属有机骨架UiO-66催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述多元酸为对苯二甲酸或其衍生物,或者N-甲基吡咯烷酮或其衍生物。
5.根据权利要求1所述的锆金属有机骨架UiO-66催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮。
6.根据权利要求1所述的锆金属有机骨架UiO-66催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述玻璃瓶为单口烧瓶或梨形瓶或锥形瓶。
7.根据权利要求1-6中任一所述的制备方法制成的锆金属有机骨架UiO-66催化剂的应用,其特征在于:将三羟甲基丙烷和油酸按质量比3.02:1加入到三口烧瓶中,同时加入所述锆金属有机骨架UiO-66催化剂进行酯化反应,反应温度为220℃,反应时间为4h,反应真空度为-0.1MPa,所述锆金属有机骨架UiO-66催化剂用量为三羟甲基丙烷和油酸总质量的2%,以制备三羟甲基丙烷油酸酯。
8.根据权利要求7所述的应用回收所述锆金属有机骨架UiO-66催化剂的方法,其特征在于,包括:
(1)将反应后的所述三羟甲基丙烷油酸酯和所述锆金属有机骨架UiO-66催化剂的混合物在大于等于8000r/min的速度下离心至少15min;
(2)将上层清液分离后,向离心管中加入10~15mL石油醚搅拌均匀后离心;
(3)用无水乙醇至少洗涤2次;
(4)在烘箱中干燥8~12h。
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