CN1623655A - 钯—氧化铝催化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钯－氧化铝催化剂及其制备方法，它涉及一种以预先涂覆适宜量碱土金属氧化物，并经900－995℃(起始氧化铝为γ－Al₂O₃)或500－850℃(起始氧化铝为δ，θ－Al₂O₃)高温焙烧过的Al₂O₃为载体(比表面积约60－130m²/g，孔容积≥0.5ml/g，Na₂O含量＜0.05％)，以钯为主活性成分，担载量为0.15－0.24％(wt)，采用浸渍方法制备。该催化剂可在保持合理的金属钯层厚度(30－60μm)和较高催化活性的前提下将贵金属Pd降低到0.2％左右。

Description

钯-氧化铝催化剂及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种金属催化剂及其制备方法，尤其是涉及一种钯-氧化铝催化剂及其制备方法。

背景技术：

蒽醌法是目前世界上大规模生产H₂O₂的最广泛使用的方法。而氧化铝载钯或其它铂族金属催化剂则是该工艺最常用的氢化催化剂。为了不断改善催化剂的性能，降低昂贵的铂族金属的用量，长期以来人们在铂族金属(如钯)的浸渍工艺和载体的选择与改性方面做了大量的工作。

经检索可知：美国专利US 4,061,598(1977.12)公开了一种钯-氧化铝催化剂的制备方法。该专利使用γ-Al₂O₃或δ-、θ-Al₂O₃为载体，先用适量碳酸钾水溶液浸渍氧化铝载体，但保持载体表面不被润湿，然后用经精确称量的，研碎的干氯化钠钯盐与上述氧化铝载体混合30分钟后再在室温下搁置48小时。用肼水溶液还原催化剂并用去离子水洗涤催化剂至洗水pH值为7，在30℃干燥一个晚上后，在空气气氛中于550℃处理4小时。该催化剂的钯重量含量为0.3-5.0％，据称该催化剂具有优良的操作寿命和较高的活性。但由于该方法使用干法浸渍钯盐，镀钯层的牢固程度是有疑问的，同时操作工艺也较复杂。中国发明专利CN1259483A(2000.7)公布了一种以经950℃焙烧过的氧化铝或TiO₂-Al₂O₃复合氧化物为载体，以Pt、Ni、Co、Ru的盐类溶液为浸渍液，以柠檬酸、马来酸、醋酸、乳酸等作为竟争吸附剂，用浸渍法制备的催化剂以H₂-N₂气还原。该催化剂的铂重量含量为0.1-0.5％。据称该催化剂用于蒽醌法双氧水生产的蒽醌氢化工序具有高活性与高选择性等特点。中国发明专利申请申03115503.0号介绍了一种氧化铝载体经稀土金属氧化物改性的用于蒽醌加氢反应的负载型钯一氧化铝催化剂。所用的稀土物质为La、Ce、Pr、Nd、Sm的氧化物，氧化铝为经高温焙烧的δ，θ晶相。该催化剂可以在保持高活性的前提下，降低金属钯的用量。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种新型钯-氧化铝催化剂及其制备方法。该催化剂制备工艺简单，在保证较好的催化性能和寿命的前提下，贵金属含量可比同类催化剂降低30％左右。

本发明的任务是以预先涂覆碱土金属氧化物并经900-995℃(起始氧化铝为γ-Al₂O₃)或500--850℃(起始氧化铝为δ，θ-Al₂O₃)高温煅烧的氧化铝为载体，以干的氧化铝重量为基准，碱土金属氧化物涂覆量为0.1-10％wt；以钯为主活性成份，以干的氧化铝重量为基准，钯的担载量为0.15-0.24％wt，金属钯层的厚度控制在30-90μm的合理范围内，制备一种低钯含量、高活性、高选择性、长寿命的适用于目前工业上蒽醌法过氧化氢生产工艺的新型氢化催化剂。

本发明的钯-氧化铝催化剂的制备方法是采用常温(10-45℃)浸渍法制备，其特征在于：制备过程包括下述步骤：(a)用碱土金属硝酸盐或醋酸盐溶液浸渍氧化铝载体，并在温度500-995℃(依所用氧化铝起始晶相不同而不同)将碱土金属盐类转化为氧化物；(b)把适量氯化钯和等重量氯化钠(或者取钠与钯的摩尔比为2∶1的氯化钠和氯化钯)溶于水中配成氯化钠钯(Na₂PdCl₄)水溶液，(c)将干的已预先涂覆碱土金属氧化物的氧化铝加入氯化钠钯溶液中(或将氯化钠钯溶液加入氧化铝中)；(d)分离出钯-氧化铝催化剂并用纯水洗涤催化剂至洗水用2％硝酸银溶液检不出氯离子为止；(e)水洗后的催化剂经60-120℃烘干后，再在空气气氛中于450-550℃处理约4-6小时。

本发明的特点在于碱土金属盐和氯化钠钯均采用常温湿法浸渍，载体强度和钯层牢固度均不受浸渍方法的影响。

本发明的优点在于所制得的催化剂可在保持较高蒽醌催化氢化活性的前提下，合理地减少了Pd层厚度，将催化剂的Pd含量从目前常规的0.3％wt降到约0.2％wt，大大降低了Pd用量，节省了成本。

具体实施方式：

以预先涂覆碱土金属氧化物并经900-995℃(起始氧化铝为γ-Al₂O₃)或500--850℃(起始氧化铝为δ，θ-Al₂O₃)高温煅烧的氧化铝为载体，其BET表面积为60-130m²/g，平均孔半径为10-14nm，Na₂O含量＜0.05％。以干的氧化铝重量为基准，碱土金属氧化物涂覆量为0.1-10％wt；以钯为主活性成份，以干的氧化铝重量为基准，钯的担载量为0.15-0.24％wt，金属钯层的厚度控制在30-90μm的合理范围内，制备一种低钯含量、高活性、高选择性、长寿命的适用于目前工业上蒽醌法过氧化氢生产工艺的新型氢化催化剂。

本发明的催化剂的制备方法是采用常温(10-45℃)浸渍法制备，其特征在于制备过程包括下述步骤：(a)用碱土金属硝酸盐或醋酸盐溶液浸渍氧化铝载体，并在温度500-995℃(依所用氧化铝起始晶相不同而不同)将碱土金属盐类转化为氧化物；(b)把适量氯化钯和等重量氯化钠(或者取钠与钯的摩尔比为2∶1的氯化钠和氯化钯)溶于水配成氯化钠钯(Na₂PdCl₄)水溶液，浸渍液的温度约为10～45℃；(c)将一定量干的已预先涂覆碱土金属氧化物，BET表面积为60-130m²/g的氧化铝加入氯化钠钯溶液中、或将氯化钠钯溶液加入氧化铝中；浸渍时氯化钠钯水溶液的温度为10～45℃。(d)分离出催化剂并用纯水洗涤催化剂至洗水用2％硝酸银溶液检不出氯离子为止；(e)水洗后的催化剂经60-120℃烘干后，再在空气气氛中于450-550℃处理约4-6小时；(f)催化剂用含氢气体或水合肼水溶液或碱性甲醛溶液还原。若用水合肼或碱性甲醛溶液还原时，必须有后继的洗涤步骤，直至洗水的pH值为7。

本发明所用的氧化铝载体可以是γ-Al₂O₃、δ-Al₂O₃、θ-Al₂O₃、或δ-、θ-混合相氧化铝，其BET表面积为60-130m²/g，平均孔半径约为10-14nm。

本发明的碱土金属氧化物的前体为Mg、Ca、Sr、Ba的硝酸盐、醋酸盐，或它们混合物的硝酸盐、醋酸盐，最好是Ba、Ca的硝酸盐、醋酸盐，更好是Ca的的硝酸盐或醋酸盐。

可溶性碱土金属盐类可以先浸渍在δ-Al₂O₃、θ-Al₂O₃、或δ-、θ-混合相氧化铝上，然后在约500-850℃温度下煅烧成为碱土金属氧化物；也可以先浸渍在γ-Al₂O₃上，然后在氧化铝高温(900--995℃)转相时成为碱土金属氧化物。

本发明的钯-氧化铝催化剂的主要活性物质金属钯的前体为氯化钠钯。

本发明催化剂的干燥除水可以采用任何常规方法，但处理温度最好不要超过200℃。

实施例1：

称取30gγ-Al₂O₃为载体，其形状和尺寸为φ3×5-20(mm)柱状，杂质Na₂O＜0.05％wt，比表面积约为116m²/g，置于一个250ml的玻璃烧杯中。把18ml浓度为0.8271mol/L的Mg(NO₃)₂水溶液倒入上述氧化铝中并搅拌使其吸收均匀。将吸收Mg(NO₃)₂水溶液后的氧化铝置于烘箱中于约80-120℃脱水约60分钟，然后移送到高温炉中在大气气氛下，于900～995℃煅烧～10小时后降至室温，以氧化铝载体重量为基准，载体上的MgO附载量约为2％wt。

将经上述处理后的氧化铝载体置于一个250ml的玻璃烧杯中，倒入70ml浓度为0.00851mol/L、温度为室温(22℃)的Na₂PdCl₄溶液，在缓慢搅拌下浸渍60分钟，滤出催化剂并沥干后，用去离子水洗至洗水用2％AgNO₃溶液检不出氯离子为止。滤出催化剂并沥干，经80-150℃烘干约2小时并在高温炉中于450-550℃、空气气氛中焙烧约4小时后，冷却至室温，即制得所需的催化剂，以氧化铝载体重量为基准，其金属钯重量含量为0.201％，催化剂钯层厚度为90μm 。

催化剂采用微型固定床反应器进行评价(见《福州大学学报(自然科学版)》2000年第4期)。反应温度50℃，压力为常压，搅拌速度为1400r/min，氢气源采用氢氮比为3∶1的氢氮混合气，催化剂装量为40ml(约20g)，活性测试前催化剂在反应器中用氢氮混合气在60-80℃原位常压还原20小时。本实验使用的工作液成份为：2-乙基蒽醌(EAQ)含量130g/L，溶剂采用磷酸三辛酯(TOP)和重芳烃的混合物，比例为25/75，工作液用量为240ml。由于本实验头2个小时内反应生成的H₂O₂与反应时间成线性关系，故可用零级反应动力学模型来描述催化反速度，以零级反应速度常数的大小来比较催化剂的活性高低。催化剂上Pd层厚度使用电子探针显微分析(EPMA)方法测定。

催化剂活性评价结果见表1。

实施例2

重复实施例1的过程，只是将碱土金属盐类溶液改用18ml浓度为0.2976mol/L的Ca(CH₃COO)₂水溶液。以氧化铝载体重量为基准，载体上CaO的重量含量为约1％，金属钯重量含量为0.205％，催化剂上钯层厚度为55μm。

该催化剂活性采用与实施例1相同的条件评价，评价结果见表1。

实施例3

称取30g粒径为φ3±0.2mm，杂质Na₂O＜0.05％wt，比表面积约为105m²/g的球形γ-Al₂O₃，置于250ml玻璃烧杯中。把30ml浓度为0.1930mol/L的Sr(NO₃)₂水溶液倒入上述氧化铝中并搅拌使其吸收均匀。将吸收Sr(NO₃)₂水溶液后的氧化铝置于烘箱中于约80-120℃脱水约60分钟，然后移送到高温炉中在大气气氛下，于900～995℃煅烧约8小时后降至室温，以氧化铝载体重量为基准，氧化铝上的SrO附载量约为2％wt。

将经上述处理后的氧化铝载体置于一个250ml的玻璃烧杯中，倒入70ml浓度为0.00851mol/L、温度为室温(20℃)的Na₂PdCl₄溶液，在搅拌下，浸渍约60分钟，滤出催化剂并沥干后，用流动的去离子水洗至洗水用2％AgNO₃溶液检不出氯离子为止。滤出催化剂并沥干，经80-150℃烘干2小时并在高温炉中于450-550℃、空气气氛中焙烧约4小时后，冷却至室温，即制得所需的催化剂，以氧化铝载体重量为基准，其金属钯重量含量为0.1995％，催化剂钯层厚度为60μm。

本例催化剂的评价装置、方法与条件跟实施例1相同。活性评价结果见表1。

实施例4

重复实施例3的过程，只是将碱土金属盐类溶液改用30ml浓度为0.0652mol/L的Ba(NO₃)₂水溶液。以氧化铝载体重量为基准，氧化铝上的BaO附载量约为1％wt，催化剂的金属钯重量含量为0.201％，催化剂的钯层厚度为35μm。

该催化剂活性采用与实施例1相同的条件评价，评价结果见表1。

比较例

20g市售球形Pd/Al₂O₃催化剂，颗粒直径约为3mm，以氧化铝载体重量为基准，金属钯含量为0.284％wt，催化剂钯层厚度为130μm。催化剂活性在与实施例1相同的条件下进行评价，该催化剂活性采用与实施例1相同的条件评价，评价结果见表1。

表1.由不同碱土金属氧化物助催的钯-氧化铝催化剂的蒽醌氢化活性

催化剂	碱土金属种类	碱土金属氧化物含量wt％	Pdwt％	反应速度常数mmolH2O2/h.L
					例1(柱形)例2(柱形)例3(球形)例4(球形)比较例(球形)	MgCaSrBa-	2.01.01.01.00	0.2010.2050.2000.2010.284	95.4111.4109.3125.692.1

Claims (9)

1.一种钯-氧化铝催化剂，其特征在于：以预先涂覆碱土金属氧化物，并且当起始氧化铝为γ-Al₂O₃经过900-995℃高温煅烧、或当起始氧化铝为δ，θ-Al₂O₃经过500--850℃高温煅烧的氧化铝为载体，以干的氧化铝载体重量为基准，碱土金属氧化物涂覆量为0.1～10％wt；以金属钯为主活性成份，以干的氧化铝载体重量为基准，钯的担载量为0.15-0.24％wt；金属钯层厚度为30--90μm。

2.按照权利要求1所述的钯-氧化铝催化剂，其特征在于：高温煅烧后的氧化铝的BET表面积为60-130m²/g，平均孔半径为10-14nm，Na₂O含量＜0.05％，以干的载体氧化铝重量为基准，碱土金属氧化物涂覆量最好是0.1～5％wt，更好是0.1～3％wt。

3.一种钯-氧化铝催化剂的制备方法，其特征在于：制备过程包括下述步骤：(a)用碱土金属硝酸盐或碱土金属醋酸盐溶液浸渍氧化铝载体，并在温度500-995℃将碱土金属盐类转化为氧化物；(b)把适量氯化钯和等重量氯化钠、或者取钠与钯的摩尔比为2的氯化钠和氯化钯溶于水中制成氯化钠钯水溶液；(c)将干的已预先涂覆碱土金属氧化物的氧化铝加入氯化钠钯溶液中、或将氯化钠钯溶液加入氧化铝中；(d)分离出钯-氧化铝催化剂并用纯水洗涤催化剂至洗水用2％硝酸银溶液检不出氯离子为止；(e)水洗后的催化剂经60-120℃烘干后，再在空气气氛中于450-550℃处理约4-6小时。

4.按照权利要求3所述的钯-氧化铝催化剂的制备方法，其特征在于：所用的氧化铝载体可以是γ-Al₂O₃、δ-Al₂O₃、θ-Al₂O₃、或δ-、θ-混合相氧化铝，其BET表面积为60-130m²/g，平均孔半径约为10-14nm。

5.按照权利要求3所述的钯-氧化铝催化剂的制备方法，其特征在于：浸渍时氯化钠钯水溶液的温度为10～45℃。

6.按照权利要求3所述的钯-氧化铝催化剂的制备方法，其特征在于：碱土金属氧化物的前体为单一碱土金属Mg、Ca、Sr、Ba的硝酸盐、醋酸盐或它们混合物的硝酸盐、醋酸盐。

7.按照权利要求6所述的钯-氧化铝催化剂的制备方法，其特征在于：所用的碱土金属氧化物的前体最好是Ba、Ca的硝酸盐、醋酸盐，更好是Ca的的硝酸盐或醋酸盐。

8.按照权利要求4所述的钯-氧化铝催化剂的制备方法，其特征在于：可溶性碱土金属盐类可以先浸渍在δ-Al₂O₃、θ-Al₂O₃、或δ-、θ-混合相氧化铝上，然后在约500-850℃温度下煅烧成为碱土金属氧化物；也可以先浸渍在γ-Al₂O₃上，然后在氧化铝高温(900--995℃)转相时成为碱土金属氧化物。

9.按照权利要求2所述的钯-氧化铝催化剂的制备方法，其特征在于：催化剂可以用含氢气体气相还原或使用其它还原剂水相还原，当催化剂采用水相还原时，可用水合肼水溶液或用碱性甲醛溶液作为还原剂。