CN1127468C - 以碱木素利用绿色化学法合成香兰素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及碱木素利用绿色化学法制备香兰素的工业应用过程,包括工业级木素的纯化、催化剂的成型、多相催化氧化反应、催化剂的回收与再生、有机溶剂的回收、以及香兰素的获得等步骤。本发明除具有香兰素易从反应体系中分离出来、反应后产率提高、能耗及生产成本下降等特点外,催化剂还能重复使用及生产过程对环境无污染等优势。本发明不仅有利于造纸厂的综合治理,更因原料来自于天然植物,所得的产品气味纯正,而受到了国际市场的广泛欢迎。
Description
技术领域
本发明涉及化工产品生产技术,更详细地是涉及以碱法制浆废液中的碱木素为原料采用绿色化学法合成香兰素的方法。
技术背景
环境污染是制浆造纸行业发展的最大制约因素,特别是我国碱法制浆黑液的对外排放,不仅引发严重的环境污染问题,还造成资源浪费,因为黑液中含有大量的碱木素,可分离出来用作合成香兰素的原料。
香兰素(3-甲氧基-4-羟基苯甲醛),C8H8O3,分子量152.14,无色结晶物,具有类似天然的香荚兰香气。它是食品、日用品以及香水香精调配的重要原料。
香兰素的合成主要有两种方法:一是采用乙醛酸法合成的石油化工路线,二是由造纸废液合成香兰素的资源再生路线。
目前,我国及北欧等国家以石化产品愈创木酚钠(邻甲氧基苯酚钠)同乙醛酸钠盐相互作用,随后经氧化裂解而生成香兰素。但由于产品与天然香兰素在香气方面存在一定的差异,而影响了它在国际市场上的占有率。美国和加拿大则以化学制浆废液获得的木素磺酸盐为原料,在强碱性介质中进行催化氧化反应,随后经萃取、减压蒸馏制得。这种方法不仅有利于造纸厂的综合治理,更因原料来自于天然植物,合成的产品气味纯正,而受到了国际市场的广泛欢迎。但直至现在,作为其核心技术的木素氧化工艺仍停留在以Brnsted碱为介质的均相体系中进行,这种体系存在以下几方面的不足:
(1)碱的消耗量过大及能耗过高,令生产成本大幅上升;
(2)诱导木素特定部位断键能力的缺乏,使木素的氧化断键过程不彻底,并最终导致香兰素的得率太低;
(3)产品分离困难,令实际操作复杂化;
(4)反应废液的较难处理,而存在着二次污染环境。
据了解,我国利用木素磺酸盐生产香兰素的唯一厂家——广州造纸厂就是由于上述原因,于20世纪80年代被迫停产香兰素。
技术内容
发明人经过不断探索发现,均相反应体系及其所使用的催化剂是导致以木素为原料合成香兰素的得率低、难分离、二次污染环境的主要原因。因此,引入多相反应体系,制备出具有较佳反应性能的催化剂,是一种解决该技术难题的全新思路。
为此,发明人在多相催化羟甲基化催化剂制备(CN1225293A)技术的基础上,改进了该人造沸石的制备工艺,同时利用浸渍法或离子交换法,将可使木素断键的铜或铁等过渡金属化合物固定在这种人造沸石的孔隙中,制备出碱木素多相催化氧化反应催化剂,该催化剂的制备技术已向中国知识产权局申请专利(申请号:00117349.9),从而在根本上解决了全新的碱木素多相催化氧化反应的技术难题。
碱木素多相催化氧化反应催化剂的制备方法:
(1)将KOH或NaOH和Al(OH)3溶于蒸馏水1配成溶液A;将硅溶胶与蒸馏水2配成溶液B,在25~80℃搅拌下将溶液A和溶液B混合,制成硅铝凝胶;
(2)将硅铝凝胶装入反应釜中,在90~250℃下晶化20~100小时,用蒸馏水洗涤至pH至9~11;
(3)将(2)的产物在100~120℃下烘干;
(4)用110~150℃水蒸气处理(3)的产物0.5~2小时,然后在100~120℃下烘干,最后在400~600℃下焙烧2~4小时;
(5)将过渡金属化合物溶于蒸馏水3配成溶液C后,与(4)的产物混合,静置20~48小时,用蒸馏水洗涤至pH至7~9;
(6)将(5)的产物在100~120℃下烘干,最后在400~600℃下焙烧2~4小时,得产品;所用各种组分的重量份数如下:
KOH或NaOH 1份 (溶液A)
Al(OH)3 0.5~2.0份
蒸馏水1 5.0~15.0份
硅溶胶 5.0~20.0份 (溶液B)
蒸馏水2 5.0~15.0份
过渡金属化合物 0.1~1.0份 (溶液C)
蒸馏水3 5.0~10.0份
尽管上述技术解决了碱木素催化氧化反应中所存在的关键技术难题,但它并未从根本上真正实现由传统的生产方法到绿色化学法生产香兰素的转变。特别是从环境保护的观点出发,对工业化生产过程中有关催化剂的成型、回收及活化、香兰素产品的获得,以及溶剂的回收再用等方面,均未提出相关的解决方案。
本发明的目的在于不仅提供一种碱木素利用绿色化学工艺生产香兰素的方法,还特定地给出了碱木素多相催化氧化反应后催化剂的再生利用方法。
本发明的绿色化学工艺合成香兰素的方法是这样实现:
以碱木素为原料采用绿色化学工艺制备香兰素,其工艺流程包括:工业级木素的纯化、催化剂的成型、多相催化氧化反应、催化剂的回收与再生、有机溶剂的回收、以及香兰素的获得几个步骤。
1、工业级木素的纯化
将市售的碱木素倒入盛有1,4-二氧六环有机溶剂的容器中,充分搅拌后自然沉降;将自然沉降后的含有碱木素的1,4-二氧六环溶液用过滤或倾析法除去不溶性杂质;将滤液转入减压蒸馏装置中,控制真空度为10-1~104Pa,温度为30~80℃的条件下,蒸馏出1,4-二氧六环有机溶剂;将碱木素固形物置于30~80℃的干燥箱中烘干得纯化碱木素;
2、催化剂成型:
应用中国专利(申请号:00117349.9)的技术所合成的多相催化氧化反应催化剂与Al(OH)3干胶粉按1∶1~10(重量比)的比例混合均匀;加入1%~30%的稀甲酸或醋酸溶液到混合物中,捏合均匀后烘干至松散状;将松散状的产物放入压模内,在1000~10000kg/cm2压力下成型;将成型物在80~120℃的干燥箱中烘干;将烘干物放入400~600℃的马福炉内焙烧2~8小时;将焙烧后的催化剂放于0.01~1.0M的KOH或NaOH溶液,在固液比为1∶1~10(重量与体积比)的情况下,静置16~36小时;采用过滤或倾析法将固形物分离出来;将固形物用蒸馏水洗涤至流出液的pH值为7~11范围后,在80~120℃的干燥箱中干燥;将干燥物在400~600℃的马福炉内焙烧2~8小时后,制出成型的催化剂;
3、多相催化氧化反应
将纯化的工业碱木素加入反应器中;根据碱木素的加入量,按固液比1∶1~10(重量与体积比)加入有机溶剂苯;将成型的固体催化剂按纯化的工业碱木素的加入量的1~20wt%投入到反应器中;控制反应器在温度80~160℃,氧气压力为0.1~20Mpa,时间2~8小时的条件下进行反应;将反应后的混合液转入容器中;
4、催化剂的回收与再生
利用过滤或倾析法将容器中的反应后的混合液分为固形物A与含有香兰素的有机溶剂苯溶液B两部分;将固形物A在80~120℃的干燥箱中干燥;将烘干物置于400~600℃的马福炉内焙烧2~8小时;将焙烧物按固液比1∶1~10(重量与体积比),加入0.01~1.0M的KOH或NaOH溶液后,静置16~36小时;采用过滤或倾析法将固形物分离出来;将固形物用蒸馏水洗涤至流出液的pH值为7~11范围后,在80~120℃的干燥箱中干燥4小时;将干燥物在400~600℃的马福炉内焙烧2~8小时后,再生、活化出多相催化剂;
5、有机溶剂的回收
将含有香兰素的有机溶剂苯溶液B转入减压蒸馏装置中;控制真空度为10-1~104Pa,温度为30~80℃的条件下,蒸馏回收苯;
6、香兰素产品的获得
将蒸馏回收苯后的固体转入减压蒸馏塔中,控制真空度为10-1~104Pa,操作回流比为2~8,减压蒸出第一馏份;按照上述的操作条件继续蒸馏,所收集的第二馏份即为香兰素产品;
本发明可称为绿色化学法是基于以下几方面的事实:
(1)原料来自于碱法制浆黑液中的碱木素,不仅可消除造纸厂长期以来存在的严重污染源问题,更是天然资源的一种高值利用方式。
(2)催化剂成型不仅使它与反应相能够良好分离,还能重复使用,极大程度地消除了二次污染环境的可能。
(3)有机溶剂的回收使用,令“零排放”成为现实。
(4)利用天然资源制取的产品,不仅有利于人类健康,更是真正的环境友好产品。
本发明提供的绿色化学工艺生产香兰素的方法,与过去的均相方法生产香兰素的工艺相比,不仅可以提高碱木素转化为香兰素的得率,催化剂的成型及其回收再生使用、有机溶剂的回收也为生产成本的大幅下降提供了条件。
下面通过实例对本发明作更详细的说明。
实施例1
(一)纯化工业级碱木素
将市场上销售的碱木素20克倒入盛有200毫升1,4-二氧六环有机溶剂的容器中,充分搅拌后自然沉降;
将自然沉降后的含有碱木素的1,4-二氧六环溶液利用过滤法除去不溶性杂质;
将过滤后的滤液转入减压蒸馏装置中,控制真空度为103Pa,温度为60℃的条件下,蒸馏出1,4-二氧六环有机溶剂;
取出减压蒸馏装置中的碱木素固体,置于80℃的干燥箱中烘干;
(二)催化剂的成型
用中国专利(申请号:00117349.9)合成的多相催化氧化反应催化剂10克与10克Al(OH)3混合均匀;
加入10%的稀甲酸溶液60毫升到上述的混合物中,搅拌均匀后烘干至松散状固体;
将松散状固体放入条状压模内,在2000kg/cm2压力下压模成条状型;
将条状型在80℃的干燥箱中烘干;
将烘干条状物放入500℃的马福炉内焙烧5小时;
将0.05M的NaOH溶液100毫升加入到装有焙烧后的条状物的烧杯中静置30小时;
采用过滤法分离出静置后溶液中固体;
用蒸馏水洗涤过滤出的固体至流出液的pH值为8,在80℃的干燥箱中干燥;
将干燥后的固体在450℃的马福炉内焙烧5小时后,制成条状催化剂;
(三)碱木素的多相催化氧化反应过程
将(一)中纯化的工业碱木素10克加入到反应器中;
加入100毫升有机溶剂苯到反应器中;
将1克条状的固体催化剂投入到反应器中;
将反应器密封后,通入氧气至反应器内部压力为10Mpa,将反应器的温度升至为120℃恒温后,反应3小时;
多相催化氧化反应结束后,将反应液转入容器中备用;
(四)催化剂的回收与再生
利用过滤法将(三)中反应后的混合液分为固形物A与苯溶液B两部分;
将固形物A在80℃的干燥箱中干燥;
将烘干物置于450℃的马福炉内焙烧3小时;
将焙烧物称重后,按固液比1∶3,加入0.05M的NaOH溶液后,静置30小时;
采用过滤法将静置后的固形物分离出来;
将分离出的固形物用蒸馏水洗涤至流出液的pH值为8,在100℃的干燥箱中干燥;
将烘干物在500℃的马福炉内焙烧5小时后得催化剂,该多相催化剂即可再次用于碱木素的多相催化氧化反应中。
(五)有机溶剂的回收
将(四)中的B溶液转入减压蒸馏装置中;
控制真空度为103Pa,温度为60℃,蒸馏回收有机溶剂苯;
(六)香兰素产品的获得
将(五)中蒸馏回收苯后的固体转入减压蒸馏塔中,控制真空度为103Pa,操作回流比为3,减压蒸出第一馏份后;收集的第二馏份即为香兰素产品;
实施例2
(一)纯化工业级碱木素
将市场上销售的碱木素20克倒入盛有150毫升1,4-二氧六环有机溶剂的容器中,充分搅拌后自然沉降;
将自然沉降后的含有碱木素的1,4-二氧六环溶液利用倾析法除去不溶性杂质;
将过滤后的滤液转入减压蒸馏装置中,控制真空度为102Pa,温度为40℃的条件下,蒸馏出1,4-二氧六环有机溶剂;
取出减压蒸馏装置中的碱木素固体,置于60℃的干燥箱中烘干;
(二)催化剂的成型
用中国专利(申请号:00117349.9)合成的多相催化氧化反应催化剂10克与20克Al(OH)3混合均匀;
加入20%的稀乙酸溶液100毫升到上述的混合物中,搅拌均匀后烘干至松散状固体;
将松散状固体放入条状压模内,在4000kg/cm2压力下压模成条状型;
将条状型在100℃的干燥箱中烘干;
将烘干条状物放入550℃的马福炉内焙烧3小时;
将0.4M的KOH溶液60毫升加入到装有焙烧后的条状物的烧杯中静置24小时;
采用过滤法分离出静置后溶液中固体;
用蒸馏水洗涤过滤出的固体至流出液的pH值为10,在100℃的干燥箱中烘干;
将干燥后的固体在550℃的马福炉内焙烧3小时后,制成条状催化剂;
(三)碱木素的多相催化氧化反应过程
将(一)中纯化的工业碱木素10克加入到反应器中;
加入80毫升有机溶剂苯到反应器中;
将2克条状的固体催化剂投入到反应器中;
将反应器密封后,通入氧气至反应器内部压力为5Mpa,将反应器的温度升至为140℃恒温后,反应4小时;
多相催化氧化反应结束后,将反应液转入容器中备用;
(四)催化剂的回收与再生
利用过滤法将(三)中反应后的混合液分为固形物A与苯溶液B两部分;
将固形物A在100℃的干燥箱中干燥;
将烘干物置于550℃的马福炉内焙烧3小时;
将焙烧物称重后,按固液比1∶5,加入0.4M的KOH溶液后,静置24小时;
采用过滤法将静置后的固形物分离出来;
将分离出的固形物用蒸馏水洗涤至流出液的pH值为10,在100℃的干燥箱中干燥;
将烘干物在550℃的马福炉内焙烧3小时后得催化剂,该多相催化剂即可再次用于碱木素的多相催化氧化反应中。
(五)有机溶剂的回收
将(四)中的B溶液转入减压蒸馏装置中;
控制真空度为102Pa,温度为40℃,蒸馏回收有机溶剂苯;
(六)香兰素产品的获得
将(五)中蒸馏回收苯后的固体转入减压精馏塔中,控制真空度为102Pa,操作回流比为5,减压蒸出第一馏份后;收集的第二馏份即为香兰素产品;
实施例3
(一)纯化工业级碱木素
将市场上销售的碱木素20克倒入盛有100毫升1,4-二氧六环有机溶剂的容器中,充分搅拌后自然沉降;
将自然沉降后的含有碱木素的1,4-二氧六环溶液利用过滤法除去不溶性杂质;
将过滤后的滤液转入减压蒸馏装置中,控制真空度为102Pa,温度为40℃的条件下,蒸馏出1,4-二氧六环有机溶剂;
取出减压蒸馏装置中的碱木素固体,置于60℃的干燥箱中烘干;
(二)催化剂的成型
用中国专利(申请号:00117349.9)合成的多相催化氧化反应催化剂10克与30克Al(OH)3混合均匀;
加入30%的稀甲酸溶液150毫升到上述的混合物中,搅拌均匀后烘干至松散状固体;
将松散状固体放入条状压模内,在8000kg/cm2压力下压模成条状型;
将条状型在120℃的干燥箱中烘干;
将烘干条状物放入600℃的马福炉内焙烧2小时;
将0.8M的NaOH溶液40毫升加入到装有焙烧后的条状物的烧杯中静置24小时;
采用过滤法分离出静置后溶液中固体;
用蒸馏水洗涤过滤出的固体至流出液的pH值为11,在120℃的干燥箱中干燥;
将干燥后的固体在600℃的马福炉内焙烧2小时后,制成条状催化剂;
(三)碱木素的多相催化氧化反应过程
将(一)中纯化的工业碱木素10克加入到反应器中;
加入100毫升有机溶剂苯到反应器中;
将1克条状的固体催化剂投入到反应器中;
将反应器密封后,通入氧气至反应器内部压力为1Mpa,将反应器的温度升至为160℃恒温后,反应4小时;
多相催化氧化反应结束后,将反应液转入容器中备用;
(四)催化剂的回收与再生
利用过滤法将(三)中反应后的混合液分为固形物A与苯溶液B两部分;
将固形物A在120℃的干燥箱中干燥;
将烘干物置于600℃的马福炉内焙烧2小时;
将焙烧物称重后,按固液比1∶8,加入0.1M的KOH溶液后,静置24小时;
采用过滤法将静置后的固形物分离出来;
将分离出的固形物用蒸馏水洗涤至流出液的pH值为11,在120℃的干燥箱中干燥;
将烘干物在600℃的马福炉内焙烧2小时后得催化剂,该多相催化剂即可再次用于碱木素的多相催化氧化反应中。
(五)有机溶剂的回收
将(四)中的B溶液转入减压蒸馏装置中;
控制真空度为102Pa,温度为40℃,蒸馏回收有机溶剂苯;
(六)香兰素产品的获得
将(五)中蒸馏回收苯后的固体转入减压精馏塔中,控制真空度为102Pa,操作回流比为8,减压蒸出第一馏份后;收集的第二馏份即为香兰素产品;
Claims (1)
1、以碱木素为原料采用绿色化学法制备香兰素的方法,其特征在于该工艺流程包括:工业级木素的纯化、催化剂的成型、多相催化氧化反应、催化剂的回收与再生、有机溶剂的回收、以及香兰素的获得几个步骤:
工业级木素的纯化
将市售的碱木素倒入盛有1,4-二氧六环有机溶剂的容器中,充分搅拌后自然沉降;将自然沉降后的含有碱木素的1,4-二氧六环溶液用过滤或倾析法除去不溶性杂质;将滤液转入减压蒸馏装置中,控制真空度为10-1~104Pa,温度为30~80℃的条件下,蒸馏出1,4-二氧六环有机溶剂;将碱木素固形物置于30~80℃的干燥箱中烘干得纯化碱木素;
催化剂成型:
应用多相催化氧化反应催化剂与Al(OH)3干胶粉按1∶1~10(重量比)的比例混合均匀;加入1%~30%的稀甲酸或醋酸溶液到混合物中,捏合均匀后烘干至松散状;将松散状的产物放入压模内,在1000~10000kg/cm2压力下成型;将成型物在80~120℃的干燥箱中烘干;将烘干物放入400~600℃的马福炉内焙烧2~8小时;将焙烧的催化剂放于0.01~1.0M的KOH或NaOH溶液中,在固液比为1∶1~10(重量与体积比)的情况下,静置16~36小时;采用过滤或倾析法将固形物分离出来;将固形物用蒸馏水洗涤至流出液的pH值为7~11范围后,在80~120℃的干燥箱中干燥;将干燥物在400~600℃的马福炉内焙烧2~8小时后,制出成型的催化剂;
多相催化氧化反应
将纯化的工业碱木素加入反应器中;根据碱木素的加入量,按固液比1∶1~10(重量与体积比)加入有机溶剂苯;将成型的固体催化剂按纯化的工业碱木素的加入量的1~20wt%投入到反应器中;控制反应器在温度80~160℃,氧气压力为0.1~20Mpa,时间2~8小时的条件下进行反应;将反应后的混合液转入容器中;
催化剂的回收与再生
利用过滤或倾析法将容器中的反应后的混合液分为固形物A与含有香兰素的有机溶剂苯溶液B两部分;将固形物A在80~120℃的干燥箱中干燥;将烘干物置于400~600℃的马福炉内焙烧2~8小时;将焙烧物按固液比1∶1~10(重量与体积比),加入0.01~1.0M的KOH或NaOH溶液后,静置16~36小时;采用过滤或倾析法将固形物分离出来;将固形物用蒸馏水洗涤至流出液的pH值为7~11范围后,在80~120℃的干燥箱中干燥4小时;将干燥物在400~600℃的马福炉内焙烧2~8小时后,再生、活化出多相催化剂;
有机溶剂的回收
将含有香兰素的有机溶剂苯溶液B转入减压蒸馏装置中;控制真空度为10-1~104Pa,温度为30~80℃的条件下,蒸馏回收苯;
香兰素产品的获得
将蒸馏回收苯后的固体转入减压精馏塔中,控制真空度为10-1~104Pa,操作回流比为2~8,减压蒸出第一馏份;继续上述的操作条件,所收集的第二馏份即为香兰素产品。
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