CN115608373A - 一种催化剂的制备方法及在二吗啉基二乙基醚合成中的应用 - Google Patents

一种催化剂的制备方法及在二吗啉基二乙基醚合成中的应用 Download PDF

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Abstract

本申请涉及合成技术领域,具体涉及一种催化剂的制备方法及在二吗啉基二乙基醚合成中的应用;本发明通过利用催化剂中多种金属间结合后的不同效应如尺寸效应、电子效应、晶格应变效应、结构效应等,并进一步通过载体的使用显著提高催化剂的催化活性、选择性和稳定性,促进二乙二醇与吗啉的脱水反应;结合工艺参数的设置进一步提高催化剂及合成工艺对二吗啉基二乙基醚合成反应的转化率和选择性,制备工艺简单,能耗少,污染少。

Description

一种催化剂的制备方法及在二吗啉基二乙基醚合成中的应用
技术领域
本申请涉及合成技术领域,B01J29/46,具体涉及一种催化剂的制备方法及在二吗啉基二乙基醚合成中的应用。
背景技术
二吗啉基二乙基醚(DMDEE)是一种用于聚氨酯的强发泡催化剂,由于胺基的空间位阻效应,可以保证单组分聚氨酯的长期贮存,因此在聚氨酯工业中具有广泛应用,主要被用于单组分硬脂聚氨酯泡沫体系,也可用于聚醚型和聚酯型聚氨酯软泡、半硬泡、CASE材料等等。随着DMDEE的需求量逐渐上升,关于其高效、环保、简单的喝成工艺受到了越来越多的关注。
在传统的合成工艺中采用间歇反应合成路线,步骤多,污染严重。例如采用二氯乙醚进行合成,虽然反应件温和易于控制,但是原料属于高毒物质且有挥发性,不符合绿色化学的要求,且须通过复杂的精制手段进行提纯。如何提高二吗啉基二乙基醚的转化率同时使其制备过程环保绿色已经成为了目前待解决的问题。
CN101973963B公开了一种以吗啉高沸物为原料合成2,2-二吗啉基二乙基醚的方法,该方法采用吗啉高沸物和催化剂及氨气反应,并加以产物的精馏步骤,最终可获得纯度较高的二吗啉基二乙基醚,此方法对于反应的设备和操作要求较高,操作工艺复杂,并且反应的的转化率仍然有待提高。
CN109503516A公开了一种双吗啉二乙基醚的制备方法,所采用的催化剂为氧化铜和二氧化硅,但是此催化剂的制备中需要800-1200℃的高温,焙烧时间为10-16小时,过程中需要大量的能耗,不符合绿色的化学合成工艺。
发明内容
为了解决以上技术问题,本申请首先提供了一种催化剂的制备方法,按照以下步骤进行:
(1)将第一金属盐溶液和沉淀剂溶液滴加混合,反应后过滤、洗涤、干燥、焙烧;
(2)将(1)得到的产物与载体混合后压片成型;
(3)将压片成型后的物质用第二金属盐溶液浸渍后焙烧;
(4)将焙烧后的物质还原后降温,即得催化剂。
所述催化剂为多金属催化剂,催化剂中的第一金属原子半径相对较小,第二金属原子半径相对较大,不同的尺寸的金属促进了彼此的分散,在尺寸效应下,催化剂活性位点暴露更多;不同金属间晶格的掺入会增强其电子和结构效应,也会提高在后续烧结过程中催化剂的稳定性;因此,此催化剂由于存在的诸多效应(如尺寸效应、电子效应、晶格应变效应、结构效应等)可以显著提高催化选择性和稳定性,促进二乙二醇与吗啉的脱水反应。
所述步骤(1)中第一金属盐溶液的金属阳离子为Ni2+、Cu2+、Co2+、Fe3+、Zn2+、Ba2+、Ca2+、Mn2+、Mo2+、Ti4+、Cr3+、镧系金属阳离子中的一种或几种。
进一步地,所述第一金属盐溶液中金属盐为Ni(NO3)2、NiCl2、Cu(NO3)2、CuCl2、Co(NO3)2、CoCl2、Fe(NO3)3、FeCl3、Zn(NO3)2、ZnCl2、Ba(NO3)2、BaCl2、Ca(NO3)2、CaCl2、Mn(NO3)2、MnCl2、Mo(NO3)2、Ti(NO3)4、La(NO3)3、La(NO3)3、Ce(NO3)3、CeCl3、Cr(NO3)3、CrCl3中的一种或几种。
更进一步地,所述第一金属盐溶液中金属盐为Ni(NO3)2、Cu(NO3)2、Co(NO3)2、Fe(NO3)3、Zn(NO3)2、Ba(NO3)2、Ca(NO3)2、Mn(NO3)2、Mo(NO3)2、Ti(NO3)4、La(NO3)3、La(NO3)3、Ce(NO3)3、Cr(NO3)3中的一种或几种。
进一步地,所述第二金属盐溶液为贵金属盐溶液。
更进一步地,所述第二金属盐溶液中金属盐为AgNO3、Rh(NO3)2、Pt(NO3)2、PtCl2、Pd(NO3)2、PdCl2、Ru(NO3)3、RuCl3中的任一种或多种。
在一种优选地的实施方式中,当所述第一金属盐溶液中金属盐为Ni(NO3)2、Cu(NO3)2、Cr(NO3)3时,所述第二金属盐溶液中金属盐为Pt(NO3)2时所制备的催化剂对合成反应的催化效果最高,所合成的粗产物中DMDEE含量最高,为76.04%。
进一步地,所述沉淀剂溶液为Na2CO3溶液、NaHCO3溶液、NaOH溶液、K2CO3溶液、KHCO3溶液、KOH溶液、NH4OH溶液、(NH4)2CO3溶液、NH4HCO3溶液中的一种或几种。
更进一步地,所述沉淀剂溶液为Na2CO3溶液、NaHCO3溶液、NH4OH溶液中的一种或几种。
优选地,所述沉淀剂溶液为Na2CO3溶液。
进一步地,所述步骤(1)中第一金属盐溶液与沉淀剂溶液的混合温度为25-80℃。
优选地,所述步骤(1)中第一金属盐溶液与沉淀剂溶液的混合温度为80℃。
进一步地,所述步骤(1)中焙烧温度为350-600℃,焙烧时间为5-12h。
优选地,所述步骤(1)中焙烧温度为480℃,焙烧时间为10h。
所述载体为硅化合物,多孔碳,分子筛中的一种或几种。以上载体中具有大量的空隙和较大的比表面积,可为第一金属和第二金属提供晶体的生长位点,更好地分散多金属;另外这些载体巨大的比表面积也可在DMDEE的合成过程中吸附二乙二醇和吗啉,加快催化反应的进行。
进一步地,所述步骤(2)中产物与载体质量比为4:1-1:1。
本申请中发现:当所述步骤(2)中产物与载体的质量比为1:1.5时,此方法制备出的催化剂对二乙二醇和吗啉的催化反应并不理想,其粗产物中DMDEE的含量为38%,推测是在一定程度上,载体可作为催化剂活性离子的载体骨架,支撑催化剂的晶格生长,分散并增加其活性位点,增加催化剂的强度,进一步提高催化剂的催化能力和稳定性。但当其用量过多时,第一金属和第二金属在载体表面的分散作用太强,降低了彼此间的晶格效应和结构效应。
进一步地,所述载体为硅化合物。
优选地,载体为二氧化硅。
进一步地,所述步骤(3)中焙烧温度为400-550℃,焙烧时间为6-12h。
优选地,所述步骤(3)中焙烧温度为450℃,焙烧时间为8h。
进一步地,所述步骤(4)中还原温度为200-500℃。
优选地,所述步骤(4)中还原温度为400℃,还原所用气体为H2
进一步地,所述步骤(4)还原过程结束后对产物进行降温,降温采用气体进行吹扫;所述气体为惰性气体和空气的混合。
更进一步地,所述惰性气体为氮气和氩气中的一种。
进一步地,步骤(4)中制得的催化剂中,按其所占催化剂的质量百分比计,所述第一金属的含量为30%-80%,第二金属的含量为0.1%-1%。
第一金属对H具有良好的快速吸附和活化性能,但半径和电子结构上的相似性使第一金属在制备中可能会造成部分活性位点的遮蔽;通过掺入第二金属以通过不同的效应提高金属催化剂分散性、催化活性和稳定性,但是第二金属量掺入过多时,催化化剂的结构稳定性反而会降低,并且第二金属为贵金属,价格比较昂贵,大量使用也会使生产成本大幅提高,为了在保证一定成本的基础上获得较好的催化剂的催化效果,控制催化剂中第一金属的含量为30%-80%,第二金属的含量为0.1%-1%。
本发明的第二个方面提供了按照上述制备方法得到的催化剂在二吗啉基二乙基醚合成中的应用。
所述二吗啉基二乙基醚的合成原料为二乙二醇与吗啉,两者摩尔比为1:(2-6)。
进一步地,所述二吗啉基二乙基醚的合成过程中,合成反应温度为160-280℃,合成反应压力为0.5-10MPa。
在一种优选的实施方式中,当合成反应温度为230℃,合成反应压力为1MPa时,合成反应粗产物中二吗啉基二乙基醚的含量最高。
有益效果:
本发明通过利用催化剂中多种金属间结合后的不同效应如尺寸效应、电子效应、晶格应变效应、结构效应等,并进一步通过载体的使用显著提高催化剂的催化活性、选择性和稳定性,促进二乙二醇与吗啉的脱水反应;结合工艺参数的设置进一步提高催化剂及合成工艺对二吗啉基二乙基醚合成反应的转化率和选择性,制备工艺简单,能耗少,污染少。
具体实施方式
实施例
实施例1
本发明首先提供了一种催化剂的制备方法:
(1)在80℃下,将沉淀剂溶液和第一金属盐溶液同时滴加到沉降罐中,控制pH在7左右,过滤,滤饼用去离子水洗涤,110℃干燥12h后,在480℃焙烧10h。
所述第一金属盐溶液配制:称取400g Ni(NO3)2·6H2O,200gCu(NO3)2·6H2O,40gCr(NO3)3·9H2O,20mL 50%Mn(NO3)2溶液,20mL 50%Ba(NO3)2溶液,加入4000mL去离子水溶解,备用。
所述沉淀剂溶液配制:称取1600g Na2CO3于8000mL去离子水中,备用。
(2)称取(1)的产物200g,二氧化硅粉末80g,混合均匀后压片成型。
(3)将150mL第二金属盐溶液滴加到(2)的产物中进行浸渍,之后在110℃下干燥过夜,450℃下焙烧8h。
所述第二金属盐溶液配制:称取10g Pt(NO3)2,加入500mL去离子水溶解,备用。
(4)将100mL焙烧过后的产物放入直径为30mm的管式反应器中,通入氢气,压力2bar,流量为100L/h,400℃还原12h。
本发明第二方面提供了一种催化剂在二吗啉基二乙基醚合成中的应用:
将二乙二醇和吗啉分别以60g/h和100g/h速度通入到上述步骤(4)的反应器中,压力为1MPa,反应温度为230℃,即得反应粗产物。
反应粗产物(除水外):吗啉3.89%,N-甲基吗啉0.16%,N-乙基吗啉0.88%,二乙二醇2.96%,羟乙基单吗啉乙基醚6.84%,二吗啉基乙烷6.81%,DMDEE 75.12%,其他3.34%。
实施例2
本发明首先提供了一种催化剂的制备方法:
(1)在65℃下,将沉淀剂溶液和第一金属盐溶液同时滴加到沉降罐中,控制pH在7左右,过滤,滤饼用去离子水洗涤,110℃干燥12h后,在580℃焙烧6h。
所述第一金属盐溶液配制:称取400g Ni(NO3)2·6H2O,200gCu(NO3)2·6H2O,70gCr(NO3)3·9H2O加入4000mL去离子水溶解,备用。
所述沉淀剂溶液配制:称取1600g Na2CO3于8000mL去离子水中,备用。
(2)称取(1)的产物320g,二氧化硅粉末80g,混合均匀后压片成型。
(3)将150mL第二金属盐溶液滴加到(2)的产物中进行浸渍,之后在110℃下干燥过夜,550℃下焙烧6h。
所述第二金属盐溶液配制:称取10gPt(NO3)2,加入500mL去离子水溶解,备用。
(4)将100mL焙烧过后的产物放入直径为30mm的管式反应器中,通入氢气,压力2bar,流量为100L/h,250℃还原16h。
本发明第二方面提供了一种催化剂在二吗啉基二乙基醚合成中的应用:
将二乙二醇和吗啉分别以60g/h和100g/h速度通入到上述步骤(4)的反应器中,压力为5MPa,反应温度为160℃,即得反应粗产物。
反应粗产物(除水外):含吗啉4.59%,N-甲基吗啉0.34%,N-乙基吗啉0.10%,二乙二醇2.57%,羟乙基单吗啉乙基醚7.31%,二吗啉基乙烷6.13%,DMDEE 74.49%,其他2.56%。
实施例3
本发明首先提供了一种催化剂的制备方法:
(1)在80℃下,将沉淀剂溶液和第一金属盐溶液同时滴加到沉降罐中,控制pH在7左右,过滤,滤饼用去离子水洗涤,110℃干燥12h后,在480℃焙烧10h。
所述第一金属盐溶液配制:称取400g Ni(NO3)2·6H2O,200gCu(NO3)2·6H2O,70gCr(NO3)3·9H2O加入4000mL去离子水溶解,备用。
所述沉淀剂溶液配制:称取1600g Na2CO3于8000mL去离子水中,备用。
(2)称取(1)的产物200g,二氧化硅粉末80g,混合均匀后压片成型。
(3)将150mL第二金属盐溶液滴加到(2)的产物中进行浸渍,之后在110℃下干燥过夜,450℃下焙烧8h。
所述第二金属盐溶液配制:称取10g Pt(NO3)2,加入500mL去离子水溶解,备用;
(4)将100mL焙烧过后的产物放入直径为30mm的管式反应器中,通入氢气,压力2bar,流量为100L/h,400℃还原12h。
本发明第二方面提供了一种催化剂在二吗啉基二乙基醚合成中的应用:
将二乙二醇和吗啉分别以60g/h和100g/h速度通入到上述步骤(4)的反应器中,压力为1MPa,反应温度为230℃,即得反应粗产物。
反应粗产物(除水外):含吗啉4.28%,N-甲基吗啉0.09%,N-乙基吗啉0.89%,二乙二醇2.41%,羟乙基单吗啉乙基醚6.92%,二吗啉基乙烷6.14%,DMDEE 76.04%,其他3.23%。
对比例1
所述催化剂中不添加第二金属盐溶液,所述步骤(2)压片成型后不经浸渍直接进行步骤(4)还原。其他与实施例3一致。
反应粗产物(除水外):吗啉17.52%,N-甲基吗啉0.13%,N-乙基吗啉1.59%,二乙二醇5.38%,羟乙基单吗啉乙基醚11.03%,二吗啉基乙烷4.61%,DMDEE 55.86%,其他3.88%。
对比例2
所述步骤(2)中产物200g,二氧化硅粉末300g;所述步骤(3)中第二金属盐溶液为300mL。其他与实施例3一致。
反应粗产物(除水外):吗啉30%,N-甲基吗啉0.08%,N-乙基吗啉0.88%,二乙二醇10%,羟乙基单吗啉乙基醚17%,二吗啉基乙烷2.54%,DMDEE 38%,其他1.5%。
对比例3
所述催化剂在二吗啉基二乙基醚合成中的应用中,二乙二醇与吗啉的摩尔比为1:1,反应温度为140℃,合成反应压力为15MPa。其他与实施例3一致。
反应粗产物(除水外):吗啉12.30%,N-甲基吗啉1.21%,N-乙基吗啉3.70%,二乙二醇4.53%,羟乙基单吗啉乙基醚5.89%,二吗啉基乙烷7.64%,DMDEE 59%,其他4.9%。
所述Ni(NO3)2·6H2O购买自山东德盛新材料有限公司,98%纯度;Cu(NO3)2·6H2O购买自上海程欣实业有限公司,99%纯度;Cr(NO3)3·9H2O购买自山西鑫玉峰科技有限公司;Mn(NO3)2、Na2CO3、Pt(NO3)2均购买自上海易恩化学技术有限公司,货号分别为R000531、R015026、R054754;二氧化硅购自西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司,S5631;二乙二醇和吗啉购买自上海阿拉丁生化科技股份有限公司,货号分别为D11083、M10906。
测试方法:利用气相色谱分析法分析催化反应粗产物成分及含量。实施例所对应产物中DMDEE的百分含量见表1。
表1
样品序号 粗产物中DMDEE的百分含量
实施例1 75.12%
实施例2 74.49%
实施例3 76.04%
对比例1 55.86%
对比例2 38%
对比例3 59%

Claims (10)

1.一种催化剂的制备方法,其特征在于,按以下步骤:
(1)将第一金属盐溶液和沉淀剂溶液滴加混合,反应后过滤、洗涤、干燥、焙烧;
(2)将(1)得到的产物与载体混合后压片成型;
(3)将压片成型后的物质用第二金属盐溶液浸渍后焙烧;
(4)将焙烧后的物质还原后降温,即得催化剂;
所述步骤(1)中第一金属盐溶液的金属阳离子为Ni2+、Cu2+、Co2+、Fe3+、Zn2+、Ba2+、Ca2+、Mn2+、Mo2+、Ti4+、Cr3+、镧系金属阳离子中的一种或几种;所述第二金属盐溶液为贵金属的盐溶液。
2.根据权利要求1所述的一种催化剂的制备方法,其特征在于,所述第二金属盐溶液中金属盐为AgNO3、Rh(NO3)2、Pt(NO3)2、PtCl2、Pd(NO3)2、PdCl2、Ru(NO3)3、RuCl3中的任一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中焙烧温度为350-600℃,焙烧时间为5-12h。
4.根据权利要求1所述的一种催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中产物与载体质量比为4:1-1:1。
5.根据权利要求1所述的一种催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中焙烧温度为400-550℃,焙烧时间为6-12h。
6.根据权利要求1所述的一种催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中还原温度为200-500℃。
7.根据权利要求1所述的一种催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(4)中制得的催化剂中,按其所占催化剂的质量百分比计,所述第一金属的含量为30%-80%,第二金属的含量为0.1%-1%。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种催化剂在二吗啉基二乙基醚合成中的应用,其特征在于,二吗啉基二乙基醚的合成反应中二乙二醇与吗啉的摩尔比为1:(2-6)。
9.根据权利要求8所述的一种催化剂在二吗啉基二乙基醚合成中的应用,其特征在于,所述合成反应的温度为160-280℃。
10.根据权利要求8所述的一种催化剂在二吗啉基二乙基醚合成中的应用,其特征在于,所述合成反应的压力为0.5-10MPa。
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