CN110387005B - 一种聚合离子液体催化剂的合成方法 - Google Patents

一种聚合离子液体催化剂的合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种聚合离子液体催化剂的合成方法，按以下步骤合成：1)将苯乙烯、乙烯基咪唑、二乙烯苯和异辛烷依次置于烧瓶中，再加入蒸馏水、聚乙烯醇与偶氮二异丁腈加入搅拌形成交联聚合物微球混合物，真空干燥得到淡黄色交联聚合物微球颗粒A；2)将交联聚合物微球颗粒A加入到乙苯中，再将1,3‑丙磺酸内酯滴加进去搅拌反应并真空过滤，将过滤后的固体产物用乙醇洗涤至滤液pH为中性并真空干燥，得到棕色聚合物微球颗粒B；再将聚合物微球颗粒B分散在三氯甲烷中，并滴加浓硫酸搅拌，用甲醇洗涤反应产物直至滤液pH为中性并真空干燥，得到聚合离子液体催化剂。本发明工艺简单，且得到的聚合离子液体催化剂耐温高、催化活性好，催化剂可循环使用。

Description

一种聚合离子液体催化剂的合成方法
技术领域
本发明涉及聚合离子液体催化剂领域，尤其涉及一种聚合离子液体催化剂的合成方法及生产方法。
背景技术
近年来，我国部分地区特别是北方地区持续出现的雾霾天气已严重威胁到民众的身心健康，引起了人们对化石油品质量和汽车尾气排放的广泛关注。相比内燃式汽油机，压燃式柴油机具有较高的热效率以及更广的应用范围，但其发展却始终受到排放问题的制约，主要是氮氧化物和微粒物的排放问题。因此，如何使柴油机在保持其经济性、动力性和可靠性的前提下，使其尾气排放满足日趋严厉的排放法规，成为当今能源与环境工作者研究的热点。十六烷值(Cetane number，CN)是表征柴油燃烧性能的一个重要参数，提高柴油的CN可以显著降低柴油的滞燃期，目前我国柴油的CN普遍较低，如何提高柴油的CN以降低柴油机颗粒物和氮氧化物的排放成为汽车节能减排的一个重要研究课题。
实践证明，在柴油中添加含氧化合物，可降低柴油机尾气中氮氧化物和颗粒物的排放。甲醇、二甲醚和甲缩醛因含氧量较高，曾作为柴油添加剂被广泛研究，但甲醇的十六烷值较低影响柴油燃烧性能，二甲醚的低溶解度和低沸点使其与柴油的调和物在常压下不稳定，需加压储存，且与柴油混溶性差，甲缩醛在降低尾气污染物排放方面表现出优异的性能，但十六烷值、粘度和沸点偏低，也并非合适的柴油添加剂。
作为一种新型含氧燃料化合物，聚甲醛二甲醚(Polyoxymethylene dimethylethers，简称DMMn)的化学式为CH3O(CH2O)nCH3，n≥1，其中DMM3-8具有较高的十六烷值(>76)和含氧量(45～51％)，并且理化性质与柴油接近以及与柴油互溶性好等优点，可直接添加到柴油中使用，不仅无需对柴油机进行改造，而且还能有效地改善柴油在发动机中的燃烧状况，提高热效率，显著降低氮氧化物和颗粒物的排放，还能明显提高柴油的润滑性，是一种极具应用前景的新型环保柴油添加剂。有研究表明，向柴油中添加10～30％的DMM3-8，可使尾气中颗粒物的排放量降低80-90％、氮氧化物排放量降低50％。当前，我国车用柴油的消耗量每年已超过1.5亿吨，若按15％比例添加，对DMM3-8年需求量将超过2250万吨，因此该产品已被列为国家重点发展的化工新产品。
聚甲醛二甲醚的合成过程是一系列的连串缩醛反应，产品分布于DMM1-DMM8，有效成分为DMM3-8。缩醛反应是一个典型的酸催化反应，目前常用的催化剂主要有硫酸、三氟甲磺酸、盐酸、氢氟酸等液体酸，由于酸具有强的腐蚀性和毒性，存在腐蚀设备、反应产物分布不合理、均相反应产物和催化剂分离困难等诸多问题。现已有采用酸性阳离子交换树脂固体酸作为催化剂生产聚甲醛二甲醚的报道。如中国专利CN107915605A、CN107915603A、CN109651098A和CN102786397A曾公开了阳离子交换树脂为催化剂生产聚甲醛二甲醚的方法，但是这些固体酸存在耐温低、催化活性差、选择性低等缺点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种聚合离子液体催化剂的合成方法，其耐温高、催化活性好。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种聚合离子液体催化剂的合成方法，按以下步骤合成：
1)将4-11g的苯乙烯、3.5-10.5g的乙烯基咪唑、4-12g的二乙烯苯和10-15g的异辛烷依次置于圆底烧瓶中，再加入150毫升蒸馏水后冰浴下搅拌20-40分钟，之后将0.5-1.5g聚乙烯醇与0.4-1.0g偶氮二异丁腈加入圆底烧瓶，在80-110℃下搅拌5-8小时形成交联聚合物微球混合物，而后在90℃真空干燥12小时后得到淡黄色交联聚合物微球颗粒A；
2)称量4-12g交联聚合物微球颗粒A加入到150毫升乙苯中，再将1.5-4.5g的1,3-丙磺酸内酯滴加进去，并在100-120℃下搅拌反应12-24小时，之后进行真空过滤，将过滤后的固体产物用乙醇洗涤至滤液pH为中性，在90℃真空干燥12小时后，得到棕色聚合物微球颗粒B；再将4.0-12.0g聚合物微球颗粒B分散在150ml三氯甲烷中，并滴加2-4毫升浓硫酸，之后在30-50℃下搅拌反应12-36小时，用甲醇洗涤反应产物直至滤液pH为中性，在80℃真空干燥12小时，得到聚合离子液体催化剂。
进一步地，所述步骤1)中，在交联聚合物微球混合物真空干燥前，先将交联聚合物微球混合物冷却至室温后进行真空过滤并分别用蒸馏水和乙醇洗涤四次。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：使用了一种聚合离子液体作为催化剂，耐温高、催化活性好，催化剂可循环使用。
附图说明
图1为本发明一个实施例的聚合离子液体催化剂的电镜图；
图2为本发明一个实施例的聚合离子液体催化剂的红外光谱图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明一个实施例的一种聚合离子液体催化剂的合成方法，
实施例1：
一种聚合离子液体催化剂的合成方法，按以下步骤合成：
1)将4g的苯乙烯、3.5g的乙烯基咪唑、4g的二乙烯苯和10g的异辛烷依次置于圆底烧瓶中，再加入150毫升蒸馏水后冰浴下搅拌20分钟，之后将0.5g聚乙烯醇与0.4g偶氮二异丁腈加入圆底烧瓶，在80℃下搅拌5小时形成交联聚合物微球混合物，之后将交联聚合物微球混合物冷却至室温后进行真空过滤并分别用蒸馏水和乙醇洗涤四次，而后在90℃真空干燥12小时后得到淡黄色交联聚合物微球颗粒A；
2)称量4g交联聚合物微球颗粒A加入到150毫升乙苯中，再将1.5g的1,3-丙磺酸内酯滴加进去，并在100℃下搅拌反应12小时，之后进行真空过滤，将过滤后的固体产物用乙醇洗涤至滤液pH为中性，在90℃真空干燥12小时后，得到棕色聚合物微球颗粒B；再将4.0g聚合物微球颗粒B分散在150ml三氯甲烷中，并滴加2毫升浓硫酸，之后在30℃下搅拌反应12小时，用甲醇洗涤反应产物直至滤液pH为中性，在80℃真空干燥12小时，得到聚合离子液体催化剂。
以甲缩醛和三聚甲醛的缩醛反应为例，在100mL的不锈钢反应釜中加入物质的量为3:1的甲缩醛和三聚甲醛，再加入本实施例所得聚合离子液体催化剂，催化剂用量是反应物总质量的1.5％，用带磁力搅拌的电热套将不锈钢反应釜加热至100℃，反应压力1.0MPa，反应4h后测得三聚甲醛转化率为85％，DMM3-8选择性70.5％。
实施例2：
一种聚合离子液体催化剂的合成方法，按以下步骤合成：
1)将7g的苯乙烯、7g的乙烯基咪唑、8g的二乙烯苯和12g的异辛烷依次置于圆底烧瓶中，再加入150毫升蒸馏水后冰浴下搅拌30分钟，之后将1.0g聚乙烯醇与0.8g偶氮二异丁腈加入圆底烧瓶，在90℃下搅拌6小时形成交联聚合物微球混合物，之后将交联聚合物微球混合物冷却至室温后进行真空过滤并分别用蒸馏水和乙醇洗涤四次，而后在90℃真空干燥12小时后得到淡黄色交联聚合物微球颗粒A；
2)称量8g交联聚合物微球颗粒A加入到150毫升乙苯中，再将6.0g的1,3-丙磺酸内酯滴加进去，并在110℃下搅拌反应18小时，之后进行真空过滤，将过滤后的固体产物用乙醇洗涤至滤液pH为中性，在90℃真空干燥12小时后，得到棕色聚合物微球颗粒B；再将8.0g聚合物微球颗粒B分散在150ml三氯甲烷中，并滴加3毫升浓硫酸，之后在40℃下搅拌反应24小时，用甲醇洗涤反应产物直至滤液pH为中性，在80℃真空干燥12小时，得到聚合离子液体催化剂。
以甲缩醛和三聚甲醛的缩醛反应为例，在100mL的不锈钢反应釜中加入物质的量为3:1的甲缩醛和三聚甲醛，再加入本实施例所得聚合离子液体催化剂，催化剂用量是反应物总质量的2.5％，用带磁力搅拌的电热套将不锈钢反应釜加热至110℃，反应压力1.0MPa，反应6h后测得三聚甲醛转化率为89％，DMM3-8选择性78.5％。
实施例3：
一种聚合离子液体催化剂的合成方法，按以下步骤合成：
1)将11g的苯乙烯、10.5g的乙烯基咪唑、12g的二乙烯苯和15g的异辛烷依次置于圆底烧瓶中，再加入150毫升蒸馏水后冰浴下搅拌40分钟，之后将1.5g聚乙烯醇与1.0g偶氮二异丁腈加入圆底烧瓶，在110℃下搅拌8小时形成交联聚合物微球混合物，之后将交联聚合物微球混合物冷却至室温后进行真空过滤并分别用蒸馏水和乙醇洗涤四次，而后在90℃真空干燥12小时后得到淡黄色交联聚合物微球颗粒A；
2)称量12g交联聚合物微球颗粒A加入到150毫升乙苯中，再将4.5g的1,3-丙磺酸内酯滴加进去，并在120℃下搅拌反应24小时，之后进行真空过滤，将过滤后的固体产物用乙醇洗涤至滤液pH为中性，在90℃真空干燥12小时后，得到棕色聚合物微球颗粒B；再将12.0g聚合物微球颗粒B分散在150ml三氯甲烷中，并滴加2-4毫升浓硫酸，之后在50℃下搅拌反应36小时，用甲醇洗涤反应产物直至滤液pH为中性，在80℃真空干燥12小时，得到聚合离子液体催化剂。
以甲缩醛和三聚甲醛的缩醛反应为例，在100mL的不锈钢反应釜中加入物质的量为3:1的甲缩醛和三聚甲醛，再加入本实施例所得聚合离子液体催化剂，催化剂用量是反应物总质量的3.5％，用带磁力搅拌的电热套将不锈钢反应釜加热至120℃，反应压力1.0MPa，反应8h后测得三聚甲醛转化率为93％，DMM3-8选择性84.5％。
如图1的电镜图所示，聚合离子液体催化剂为交联聚合物微球，且粒径均匀，平均直径约500μm，且具有光滑表面的微球结构。
如图2所示，图2的红外光谱图中横坐标为波数(cm-1)，纵坐标为透射率，聚合离子液体催化剂中波数为1598和1490cm-1的峰是关于咪唑环中C＝C与C＝N的伸缩振动，这表明乙烯基咪唑已固载到交联共聚物微球上，1172和1030cm-1的峰是磺酸基团和硫酸根基团中S＝O不对称和对称伸缩振动，这表明磺酸基团和硫酸根基团已固载于交联聚合物微球上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种聚合离子液体催化剂的用途，其特征在于：应用于催化甲缩醛和三聚甲醛发生缩醛反应制备聚甲醛二甲醚；
所述聚合离子液体催化剂以下按步骤合成：
1)将4-11g的苯乙烯、3.5-10.5g的乙烯基咪唑、4-12g的二乙烯苯和10-15g的异辛烷依次置于圆底烧瓶中，再加入150毫升蒸馏水后冰浴下搅拌20-40分钟，之后将0.5-1.5g聚乙烯醇与0.4-1.0g偶氮二异丁腈加入圆底烧瓶，在80-110℃下搅拌5-8小时形成交联聚合物微球混合物，而后在90℃真空干燥12小时后得到淡黄色交联聚合物微球颗粒A；
2)称量4-12g交联聚合物微球颗粒A加入到150毫升乙苯中，再将1.5-4.5g的1,3-丙磺酸内酯滴加进去，并在100-120℃下搅拌反应12-24小时，之后进行真空过滤，将过滤后的固体产物用乙醇洗涤至滤液pH为中性，在90℃真空干燥12小时后，得到棕色聚合物微球颗粒B；再将4.0-12.0g聚合物微球颗粒B分散在150ml三氯甲烷中，并滴加2-4毫升浓硫酸，之后在30-50℃下搅拌反应12-36小时，用甲醇洗涤反应产物直至滤液pH为中性，在80℃真空干燥12小时，得到聚合离子液体催化剂。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述缩醛反应为，在100mL的不锈钢反应釜中加入物质的量为3:1的甲缩醛和三聚甲醛，再加入所述聚合离子液体催化剂，催化剂用量是反应物总质量的1.5％，用带磁力搅拌的电热套将不锈钢反应釜加热至100℃，反应压力1.0MPa，反应4h。
3.根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述缩醛反应为，在100mL的不锈钢反应釜中加入物质的量为3:1的甲缩醛和三聚甲醛，再加入所述聚合离子液体催化剂，催化剂用量是反应物总质量的2.5％，用带磁力搅拌的电热套将不锈钢反应釜加热至110℃，反应压力1.0MPa，反应6h。
4.根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述缩醛反应为，在100mL的不锈钢反应釜中加入物质的量为3:1的甲缩醛和三聚甲醛，再加入所述聚合离子液体催化剂，催化剂用量是反应物总质量的3.5％，用带磁力搅拌的电热套将不锈钢反应釜加热至120℃，反应压力1.0MPa，反应8h。
5.根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述聚甲醛二甲醚的化学式为CH3O(CH2O)nCH3，其中n≥1。
6.根据权利要求5所述的用途，其特征在于：所述n＝1-8。
7.根据权利要求6所述的用途，其特征在于：所述n＝3-8。
8.根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述步骤1)中，在交联聚合物微球混合物真空干燥前，先将交联聚合物微球混合物冷却至室温后进行真空过滤并分别用蒸馏水和乙醇洗涤四次。
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Application publication date: 20191029

Assignee: Xiamen yaolei Hongfei Environmental Protection Technology Co.,Ltd.

Assignor: Fujian Normal University of Technology

Contract record no.: X2023350000287

Denomination of invention: A Synthesis Method of Polymeric Ionic Liquid Catalyst

Granted publication date: 20220712

License type: Common License

Record date: 20230616

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