CN113070101A - 用于分解甲醛的催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents
用于分解甲醛的催化剂及其制备方法与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于分解甲醛的催化剂及其制备方法与应用。所述制备方法包括:使包含1,4‑二氰基苯和有机酸的第一混合反应体系于20~200℃发生聚合反应0.2~3.0h,获得第一固形物;将所述第一固形物与碳酸盐溶液和/或碳酸氢盐溶液充分接触反应,获得共价三嗪骨架;以及,使包含钌配合物、所述共价三嗪骨架和溶剂的第二混合反应体系于20~100℃反应1~24h,获得用于分解甲醛的催化剂,其中所述钌配合物包括二氯(p‑甲基异丙苯)钌(II)二聚体。本发明制备的用于分解甲醛的催化剂可以实现常温下甲醛的清除,其产物为二氧化碳和氢气,且可以同时去除水中和空气中的甲醛分子。
Description
技术领域
本发明属于催化剂技术领域,具体涉及一种用于分解甲醛的催化剂及其制备方法与应用。
背景技术
甲醛是一种无色气体,有强烈的刺激性气味,易溶于水和乙醇,是具有刺激气味的无色液体,有毒,具有挥发性。甲醛的存在对我们来说是一把双刃剑,一方面甲醛在生活中受到广泛应用,例如实验室内用甲醛做氧化剂,用福尔马林浸泡标本以保存等。但需要注意的是,甲醛对环境及人的健康危害是不容忽视的,作为室内装修的添加物和废气废水的排放物,甲醛成为一种常见的致癌物质。目前主要通过物理吸附法和化学催化氧化法去除甲醛。物理吸附剂有活性炭等,但是这些吸附剂的吸附能力有限,大大限制了其发展。当前化学催化氧化法可以通过催化剂将甲醛直接氧化为CO2,理论上更为直接有效。然而,这些化学催化剂需要较高的工作温度,极大的妨碍了其实际应用。因此,开发常温下去除甲醛的新技术十分紧迫。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于分解甲醛的催化剂及其制备方法与应用,以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的,本发明采用的技术方案包括:
本发明实施例提供了一种用于分解甲醛的催化剂的制备方法,其包括:
使包含1,4-二氰基苯和有机酸的第一混合反应体系于20~200℃发生聚合反应0.2~3.0h,获得第一固形物;
将所述第一固形物与碳酸盐溶液和/或碳酸氢盐溶液充分接触反应,获得共价三嗪骨架;
以及,使包含钌配合物、所述共价三嗪骨架和溶剂的第二混合反应体系于20~100℃反应1~24h,获得用于分解甲醛的催化剂,其中所述钌配合物包括二氯(p-甲基异丙苯)钌(II)二聚体(记为[Ru(p-Cymene)Cl2]2)。
本发明实施例还提供了由前述方法制备的用于分解甲醛的催化剂,所述催化剂包括多孔载体,以及负载于所述多孔载体表面的作为活性组分的金属配合物,所述多孔载体包括共价三嗪骨架,所述金属配合物包括钌配合物。
本发明实施例还提供了前述的用于分解甲醛的催化剂于催化分解甲醛中的用途。
本发明实施例还提供了一种催化分解甲醛的方法,其包括:
提供前述的用于分解甲醛的催化剂;
使包含甲醛、水和所述催化剂的第三混合反应体系于10~90℃发生反应,获得二氧化碳和氢气。
本发明实施例还提供了一种甲醛净化装置,包括反应装置,所述反应装置至少用于容纳包含甲醛和水的液相体系和/或气相体系,所述反应装置中设置有如前述的用于分解甲醛的催化剂。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
(1)本发明制备的用于分解甲醛的催化剂可以实现常温下甲醛的清除;
(2)本发明制备的用于分解甲醛的催化剂催化分解甲醛的产物为二氧化碳和氢气,催化活性高,且Ru元素的利用率达到100%;同时催化分解甲醛的产物中不含甲醇,无有害物质产生;
(3)本发明制备的用于分解甲醛的催化剂同时可以去除水中和空气中的甲醛分子。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一典型实施方案中用于分解甲醛的催化剂的制备过程示意图;
图2a-图2b是本发明实施例1制备的用于分解甲醛的催化剂的XPS图谱;
图3是本发明实施例1制备的用于分解甲醛的催化剂的透射电镜图;
图4是本发明实施例1制备的用于分解甲醛的催化剂的红外光谱图;
图5是本发明实施例6中甲醛水溶液催化分解产生气体过程;
图6是本发明实施例4中甲醛气体催化分解示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷,本案发明人经长期研究和大量实践,得以提出本发明的技术方案,下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的一个方面提供了一种用于分解甲醛的催化剂的制备方法,其包括:
使包含1,4-二氰基苯和有机酸的第一混合反应体系于20~200℃发生聚合反应0.2~3.0h,获得第一固形物;
将所述第一固形物与碳酸盐溶液和/或碳酸氢盐溶液充分接触反应,获得共价三嗪骨架;
以及,使包含钌配合物、所述共价三嗪骨架和溶剂的第二混合反应体系于20~100℃反应1~24h,获得用于分解甲醛的催化剂,其中所述钌配合物包括二氯(p-甲基异丙苯)钌(II)二聚体。
在一些较为具体的实施方案中,所述制备方法具体包括:将1,4-二氰基苯与有机酸混合并于20~100℃搅拌溶解形成所述第一混合反应体系,之后发生所述聚合反应,再将所述混合反应体系的温度升至20~100℃继续反应0.2~3.0h,获得第一固形物。
进一步的,所述有机酸包括三氟甲磺酸,且不限于此。
进一步的,所述第一固形物为包含有机酸的黄色固体。
进一步的,所述1,4-二氰基苯与有机酸的摩尔比为1∶0.5~2。
在一些较为具体的实施方案中,所述制备方法具体包括:将所述第一固形物与碳酸盐溶液和/或碳酸氢盐溶液充分混合并超声反应1~24h,获得共价三嗪骨架。
进一步的,所述碳酸盐溶液和/或碳酸氢盐溶液的浓度为0.5~2.0mol/L。
进一步的,所述碳酸盐溶液和/或碳酸氢盐溶液中的碳酸盐和/或碳酸氢盐包括碳酸氢钠,且不限于此。
在一些较为具体的实施方案中,所述钌配合物与共价三嗪骨架的质量比为1∶50~200。
进一步的,所述溶剂包括乙醇水溶液,且不限于此。
在一些更为具体的实施方案中,所述用于分解甲醛的催化剂的制备方法具体包括(所述催化剂的制备过程如图1所示):
(1)共价三嗪框架制备:首先在玻璃烧瓶中加适量1,4-二氰基苯,然后再加入三氟甲磺酸形成1,4-二氰基苯悬浮液,用橡胶塞子密封烧瓶,其中三氟甲磺酸被用作1,4-二氰基苯的催化剂和溶剂,之后将1,4-二氰基苯悬浮液用磁性搅拌棒在适当温度下搅拌,将1,4-二氰基苯缓慢溶解在三氟甲磺酸中,然后1,4-二氰基苯在强酸三氟甲磺酸的作用下催化聚合,使得反应液变粘,在反应液失去流动性以后,将玻璃烧瓶再适当加热,得到包含三氟甲磺酸的黄色固体,将包含三氟甲磺酸的黄色固体在碳酸氢钠溶液中超声搅拌,在三氟甲磺酸和碳酸氢钠的反应过程中会产生二氧化碳,气体会导致共价三嗪骨架产生孔结构,获得共价三嗪骨架(CFT),其中共价三嗪骨架(CTF)可用于钌配合物的固载化;
(2)催化剂的合成:将适量的二氯(p-甲基异丙苯)钌(II)二聚体(简称[Ru(p-Cymene)Cl2]2)溶解在适当温度的乙醇-水溶液中,然后移取1.5g共价三嗪骨架粉末到溶液形成CTF悬浮液,将CTF悬浮液在适当温度下搅拌24h,[Ru(p-Cymene)Cl2]2可与CTF中的三嗪基团配位,形成固定化钌催化剂,即用于分解甲醛的催化剂。
本发明实施例的另一个方面还提供了由前述方法制备的用于分解甲醛的催化剂,所述催化剂包括多孔载体,以及负载于所述多孔载体表面的作为活性组分的金属配合物,所述多孔载体包括共价三嗪骨架,所述金属配合物包括钌配合物。
进一步的,所述催化剂中Ru元素以配合物的形式存在。
进一步的,所述金属配合物通过所含金属离子与所述多孔载体中所含N元素间的配位作用负载于所述多孔载体表面,亦即所述共价三嗪骨架含有N元素,可以跟一些金属离子配位。
进一步的,所述催化剂中金属配合物的负载量为0.5~4.0wt%。
进一步的,所述多孔载体所含孔洞的孔径为1~10nm,比表面积为50~200m2/g。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的用于分解甲醛的催化剂于催化分解甲醛中的用途。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种催化分解甲醛的方法,其包括:
提供前述的用于分解甲醛的催化剂;
使包含甲醛、水和所述催化剂的第三混合反应体系于10~90℃发生反应,获得二氧化碳和氢气。
在一些较为具体的实施方案中,所述方法具体包括:
使包含甲醛和水的液相体系与所述催化剂形成所述第三混合反应体系并发生反应,获得二氧化碳和氢气。
在一些较为具体的实施方案中,所述方法具体包括:
使包含甲醛和水的气相体系与所述催化剂形成所述第三混合反应体系并发生反应,获得二氧化碳和氢气。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种甲醛净化装置,包括反应装置,所述反应装置至少用于容纳包含甲醛和水的液相体系和/或气相体系,所述反应装置中设置有前述的用于分解甲醛的催化剂。
本发明制备的用于分解甲醛的催化剂是非均相催化剂,同时解决了催化剂中钌配合物失活的缺陷,本发明中催化分解甲醛的反应过程属于化学催化,不属于光催化,反应底物为空气中的水蒸气和甲醛,产物为二氧化碳和水,不产生有害物质甲醇。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明,本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下面所用的实施例中所采用的实验材料,如无特殊说明,均可由常规的生化试剂公司购买得到。
实施例1
(1)首先在玻璃烧瓶中加2g的1,4-二氰基苯,再加入5mL三氟甲磺酸形成1,4-二氰基苯悬浮液,用橡胶塞子密封烧瓶,其中三氟甲磺酸被用作1,4-二氰基苯的催化剂和溶剂;
将1,4-二氰基苯悬浮液用磁性搅拌棒在60℃下搅拌,使1,4-二氰基苯缓慢溶解在三氟甲磺酸中,之后1,4-二氰基苯在三氟甲磺酸催化作用下发生聚合,反应液变粘,然后在反应液失去流动性以后,将玻璃烧瓶在110℃加热2h,瓶内生成包含有三氟甲磺酸的黄色固体;
将包含有三氟甲磺酸的黄色固体在碳酸氢钠溶液中超声搅拌,三氟甲磺酸和碳酸氢钠反应过程中会产生二氧化碳,气体会导致共价三嗪骨架产生孔结构,获得共价三嗪骨架(CFT);
(2)将100mg的二氯(p-甲基异丙苯)钌(II)二聚体(简称[Ru(p-Cymene)Cl2]2)溶解于60℃的乙醇-水溶液中,然后移取1.5g共价三嗪骨架粉末到溶液中形成CTF悬浮液,再将CTF悬浮液用磁力搅拌棒在60℃下搅拌24h,[Ru(p-Cymene)Cl2]2与CTFs中的三嗪基团配位,形成固定化钌催化剂,即用于分解甲醛的催化剂。
性能表征:本实施例1制备的催化剂的XPS如图2a-图2b所示,催化剂的透射电镜图如图3所示;催化剂的红外光谱图如图4所示。
实施例2
(1)首先在玻璃烧瓶中加1,4-二氰基苯,再加入三氟甲磺酸形成1,4-二氰基苯悬浮液(其中1,4-二氰基苯与三氟甲磺酸的摩尔比为1∶1),用橡胶塞子密封烧瓶,其中三氟甲磺酸被用作1,4-二氰基苯的催化剂和溶剂;
将1,4-二氰基苯悬浮液用磁性搅拌棒在60℃下搅拌,使1,4-二氰基苯缓慢溶解在三氟甲磺酸中,之后1,4-二氰基苯在三氟甲磺酸催化作用下发生聚合,反应液变粘,然后在反应液失去流动性以后,将玻璃烧瓶在110℃加热2h,瓶内生成包含有三氟甲磺酸的黄色固体;
将包含有三氟甲磺酸的黄色固体在碳酸氢钠溶液中超声搅拌,三氟甲磺酸和碳酸氢钠反应过程中会产生二氧化碳,气体会导致共价三嗪骨架产生孔结构,获得共价三嗪骨架(CFT);
(2)将二氯(p-甲基异丙苯)钌(II)二聚体(简称[Ru(p-Cymene)Cl2]2)溶解于60℃的乙醇-水溶液中,然后移取共价三嗪骨架粉末到溶液中形成CTF悬浮液(其中[Ru(p-Cymene)Cl2]2与共价三嗪骨架粉末的质量比为1∶100),再将CTF悬浮液用磁力搅拌棒在60℃下搅拌24h,[Ru(p-Cymene)Cl2]2与CTFs中的三嗪基团配位,形成固定化钌催化剂,即用于分解甲醛的催化剂。
性能表征:本实施例1制备的用于分解甲醛的催化剂的XPS如图2a-图2b所示,催化剂的透射电镜图如图3所示;催化剂的红外光谱图如图4所示。
实施例3
(1)首先在玻璃烧瓶中加1,4-二氰基苯,再加入三氟甲磺酸形成1,4-二氰基苯悬浮液(其中1,4-二氰基苯与三氟甲磺酸的摩尔比为1∶0.5),用橡胶塞子密封烧瓶,其中三氟甲磺酸被用作1,4-二氰基苯的催化剂和溶剂;
将1,4-二氰基苯悬浮液用磁性搅拌棒在100℃下搅拌,使1,4-二氰基苯缓慢溶解在三氟甲磺酸中,之后1,4-二氰基苯在三氟甲磺酸催化作用下发生聚合,反应液变粘,然后在反应液失去流动性以后,将玻璃烧瓶在20℃加热3h,瓶内生成包含有三氟甲磺酸的黄色固体;
将包含有三氟甲磺酸的黄色固体在碳酸氢钠溶液中超声搅拌,三氟甲磺酸和碳酸氢钠反应过程中会产生二氧化碳,气体会导致共价三嗪骨架产生孔结构,获得共价三嗪骨架(CFT);
(2)将[Ru(p-Cymene)Cl2]2溶解于70℃的乙醇-水溶液中,然后移取共价三嗪骨架粉末到溶液中形成CTF悬浮液(其中[Ru(p-Cymene)Cl2]2与共价三嗪骨架粉末的质量比为1∶50),再将CTF悬浮液用磁力搅拌棒在100℃下搅拌1h,[Ru(p-Cymene)Cl2]2与CTF中的三嗪基团配位,形成固定化钌催化剂,即用于分解甲醛的催化剂。
实施例4
(1)首先在玻璃烧瓶中加1,4-二氰基苯,再加入三氟甲磺酸形成1,4-二氰基苯悬浮液(其中1,4-二氰基苯与三氟甲磺酸的摩尔比为1∶2),用橡胶塞子密封烧瓶,其中三氟甲磺酸被用作1,4-二氰基苯的催化剂和溶剂;
将1,4-二氰基苯悬浮液用磁性搅拌棒在20℃下搅拌,使1,4-二氰基苯缓慢溶解在三氟甲磺酸中,之后1,4-二氰基苯在三氟甲磺酸催化作用下发生聚合,反应液变粘,然后在反应液失去流动性以后,将玻璃烧瓶在200℃加热0.2h,瓶内生成包含有三氟甲磺酸的黄色固体;
将包含有三氟甲磺酸的黄色固体在碳酸氢钠溶液中超声搅拌,三氟甲磺酸和碳酸氢钠反应过程中会产生二氧化碳,气体会导致共价三嗪骨架产生孔结构,获得共价三嗪骨架(CFT);
(2)将[Ru(p-Cymene)Cl2]2溶解于20℃的乙醇-水溶液中,然后移取共价三嗪骨架粉末到溶液中形成CTF悬浮液(其中[Ru(p-Cymene)Cl2]2与共价三嗪骨架粉末的质量比为1∶200),再将CTF悬浮液用磁力搅拌棒在20℃下搅拌20h,[Ru(p-Cymene)Cl2]2与CTF中的三嗪基团配位,形成固定化钌催化剂,即用于分解甲醛的催化剂。
实施例5
(1)首先在玻璃烧瓶中加1,4-二氰基苯,再加入三氟甲磺酸形成1,4-二氰基苯悬浮液(其中1,4-二氰基苯与三氟甲磺酸的摩尔比为1∶1.5),用橡胶塞子密封烧瓶,其中三氟甲磺酸被用作1,4-二氰基苯的催化剂和溶剂;
将1,4-二氰基苯悬浮液用磁性搅拌棒在90℃下搅拌,使1,4-二氰基苯缓慢溶解在三氟甲磺酸中,之后1,4-二氰基苯在三氟甲磺酸催化作用下发生聚合,反应液变粘,然后在反应液失去流动性以后,将玻璃烧瓶在90℃加热0.5h,瓶内生成包含有三氟甲磺酸的黄色固体;
将包含有三氟甲磺酸的黄色固体在碳酸氢钠溶液中超声搅拌,三氟甲磺酸和碳酸氢钠反应过程中会产生二氧化碳,气体会导致共价三嗪骨架产生孔结构,获得共价三嗪骨架(CFT);
(2)将[Ru(p-Cymene)Cl2]2溶解于90℃的乙醇-水溶液中,然后移取共价三嗪骨架粉末到溶液中形成CTF悬浮液(其中[Ru(p-Cymene)Cl2]2与共价三嗪骨架粉末的质量比为1∶150),再将CTF悬浮液用磁力搅拌棒在90℃下搅拌20h,[Ru(p-Cymene)Cl2]2与CTF中的三嗪基团配位,形成固定化钌催化剂,即用于分解甲醛的催化剂。
实施例6
甲醛水溶液催化分解:配置浓度为1mol/L的甲醛溶液,在25℃搅拌加热。称取0.1g,放入甲醛溶液中。甲醛会缓慢分解,产生气体,产生气体速度如=图5所示。
实施例7
将浓度为1mol/L的甲醛溶液使用超声雾化设备进行汽化处理,将这种汽化的甲醛用1L/分钟流速的氮气吹扫至装有1g实施例1制备的固定化钌催化剂的石英管中。检测石英管另外一端的气体成分,可以检测到氢气和二氧化碳。
此外,本案发明人还参照前述实施例,以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验,并均获得了较为理想的结果。
应当理解,本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制,凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,根据本发明的技术方案做出的技术变形,均落于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于分解甲醛的催化剂的制备方法,其特征在于包括:
使包含1,4-二氰基苯和有机酸的第一混合反应体系于20~200℃℃发生聚合反应0.2~3.0h,获得第一固形物;
将所述第一固形物与碳酸盐溶液和/或碳酸氢盐溶液充分接触反应,获得共价三嗪骨架;
以及,使包含钌配合物、所述共价三嗪骨架和溶剂的第二混合反应体系于20~100℃反应1~24h,获得用于分解甲醛的催化剂,其中所述钌配合物包括二氯(p-甲基异丙苯)钌(II)二聚体。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于具体包括:将1,4-二氰基苯与有机酸混合并于20~100℃搅拌溶解形成所述第一混合反应体系,之后发生所述聚合反应,再将所述混合反应体系的温度升至20~200℃继续反应0.2~3.0h,获得第一固形物;
优选的,所述有机酸包括三氟甲磺酸;优选的,所述第一固形物为包含有机酸的黄色固体;优选的,所述1,4-二氰基苯与有机酸的摩尔比为1∶0.5~2。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于具体包括:将所述第一固形物与碳酸盐溶液和/或碳酸氢盐溶液充分混合并超声反应1~24h,获得共价三嗪骨架;
优选的,所述碳酸盐溶液和/或碳酸氢盐溶液的浓度为0.5~2.0mol/L;
优选的,所述碳酸盐溶液和/或碳酸氢盐溶液中的碳酸盐和/或碳酸氢盐包括碳酸氢钠。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述钌配合物与共价三嗪骨架的质量比为1∶50~200;
和/或,所述溶剂包括乙醇水溶液。
5.由权利要求1-4中任一项所述方法制备的用于分解甲醛的催化剂,所述催化剂包括多孔载体,以及负载于所述多孔载体表面的作为活性组分的金属配合物,所述多孔载体包括共价三嗪骨架,所述金属配合物包括钌配合物。
6.根据权利要求5所述的用于分解甲醛的催化剂,其特征在于:所述金属配合物通过所含金属离子与所述多孔载体中所含N元素间的配位作用负载于所述多孔载体表面;
和/或,所述催化剂中金属配合物的负载量为0.5~4.0wt%;
和/或,所述多孔载体所含孔洞的孔径为1~10nm,比表面积为50~200m2/g。
7.权利要求5或6所述的用于分解甲醛的催化剂于催化分解甲醛中的用途。
8.一种催化分解甲醛的方法,其特征在于包括:
提供如权利要求5或6所述的用于分解甲醛的催化剂;
使包含甲醛、水和所述催化剂的第三混合反应体系于10~90℃发生反应,获得二氧化碳和氢气。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于具体包括:
使包含甲醛和水的液相体系与所述催化剂形成所述第三混合反应体系并发生反应,获得二氧化碳和氢气;
和/或,所述方法具体包括:使包含甲醛和水的气相体系与所述催化剂形成所述第三混合反应体系并发生反应,获得二氧化碳和氢气。
10.一种甲醛净化装置,包括反应装置,所述反应装置至少用于容纳包含甲醛和水的液相体系和/或气相体系,其特征在于:所述反应装置中设置有如权利要求5或6所述的用于分解甲醛的催化剂。
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