硫酸型固体酸催化剂的研究概况
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第42卷第1期 2014年1月 广州化工 Vol_42 No.1 Guangzhou Chemical Industry Jan.2014 况术 硫酸型固体酸催化剂的研究概 潘律,于荟 210048) (南京化工职业技术学院,江苏 南京摘 要:硫酸型固体酸催化剂作为一种新型固体酸催化材料,具有无卤素离子、无污染无腐蚀、易于反应物分离以及在高 温仍保持活性和稳定性等优点。本文着重介绍了固体酸催化剂的概况和研究进展,最后阐述了硫酸型固体酸催化剂目前存在的问 题。 关键词:硫酸;固体酸催化剂;催化 中图分类号:TQ032.4 文献标志码:A 文章编号:1001—9677(2014)01—0021—03 Study on the Sulfuric Acid Type Solid Acid Catalyst PAN Lv,YU Hui (Nanjing College of Chemical Technology,Jiangsu Nanjing 210048,China) Abstract:As a new type of solid acid catalyst materil,sulafuric acid type solid acid catlysat had the advantages of no halogen ions,no—pollution and no—corrosion,easy separation of reaction,remain active and stability at high temperature.The research and development of solid acid catalysts were introduced,and the existing problems of sulfuric acid type solid acid catalyst were described. Key words:sulphuric acid;solid acid catlyst;cataalysis 20世纪9O年代,人们开始逐渐关注绿色化学这一新技术 的研究和开发,该技术的重要性急需大力开发环境友好催化剂 和催化工艺,因此绿色化学引起各界的高度关注 。在如 的固体杂多酸和负载型杂多酸催化剂,Keggin结构中x为中心 原子(如P ,S 等),M为Mo”或w 等金属原子; (6)A1C1 与磺酸型离子交换树脂形成的络合物固体超强 酸。 今,浓硫酸的使用由于工艺连续化生产困难、催化剂回收利用 困难、对设备腐蚀严重以及废水污染等问题,越来越受到限 制。因此,人们急需开发新的能代替液体酸的硫酸型固体酸催 化剂进行应用,达到绿色化学的标准。 在这些固体超强酸中,第(1)类固体超强酸,A1C1 等 Lewis酸与载体间的结合主要靠化学和物理吸附而未形成化学 键,在使用过程中活性组分易脱离载体失去超强酸性。第(2)、 (4)、(6)类固体超强酸多含卤离子,极易腐蚀设备。第(5)类 固体超强酸的酸强度较于第(3)类SO 一/M O 类固体超强酸又 较弱”J。而第(3)类SO 一/M O 型固体超强酸具有无卤素离 1 固体酸催化剂的概况 超强酸(superacid)是指比100%硫酸酸强度更强的酸, 酸强度用Hammett指示剂的酸度函数Hn表示,已知100%硫酸 的H。=一11.93,H。小于一11.93的酸称为超强酸 ,H0值越 子、无污染无腐蚀、易于反应物分离以及在高温仍保持活性和 稳定性等优点,具有较高催化活性和选择性。它具有替代现行 液体酸催化剂的潜力,实现环境友好催化新工艺,从而成为超 强酸催化领域的研究热点之一。 小,该超强酸的酸强度越强。固体超强酸是近年来开发的一种 新型催化材料,酸强度比100%硫酸更强 ,近年来,随着固 体酸催化剂研究的不断深入,人们把固体酸催化剂细分为以下 六种 : 2 so:一/M O 型固体超强酸研究进展 1979年,Hino 第一次合成了SO;一/ZrO 超强酸催化剂, 该催化剂酸强度超过100%H:SO 一万倍,催化活性得到大大 提高,是一种很有潜力的新型催化剂,受到人们广泛关注。 (1)负载型固体超强酸,主要指把液体超强酸负载于金属 氧化物等载体上,如A1C1 /聚苯乙烯等; (2)无机盐复配的固体超强酸,如A1C1,一CuC1 等; (3)硫酸根离子改性金属氧化物,如SO 一/TiO ,SO 一/ 2.1 SO:一促进氧化物的固体超强酸 1982年,Arata和Hino 对SO 一/Fe203和SO 一/TiO2的酸 强度进行研究,结果证明该类催化剂是固体超强酸。1984到 1991年,他们又对更多氧化物进行研究 …,结果发现更多的 ZrO2等; (4)氟代磺酸化离子交换树脂(Naiton—H); (5)杂多酸催化剂,主要指具有 ̄ggin结构(}王8一 X M。:0 ) 基金项目:江苏省高等学校大学生创新创业训练项目(20132920012Y)。 作者简介:潘律(1992一),男,南京化工职业技术学院学生。 通信作者:于荟(1985一),女,讲师,从事固体酸催化剂研究,已发表研究论文6篇。 22 广州化工 2014年1月 固体超强酸SO 一/SnO2,SO 一/SiO2,SO;一/A120 和SO 一/ HfO ,同时还发现Fe、Ti、zr、Hf、si和Sn氧化物在进行浸渍 时必须是无定型多孔结构,经焙烧后,这些氧化物将转化为结 O R——g ;:::苎R一4——0H+H+ 8—0H R R 一 晶状态。陈丹云… 制备了SO 一/SnO 硅藻土型固体酸,该该 催化剂兼具多元氧化物型固体酸和硫酸酸化改性天然粘土固体 酸催化剂的优点,催化活性高、成本低廉、制备方法简单并可 H-OH —寻== 1一o _c一0H;= R 一0一l … 一‘)H 一…寻一 一。一一 OH R 。一+n 适当回收循环使用。侯琳熙 利用浸渍水解法在大孔SiO,载 !一 ; R.一0一IIO c—R 体上组装固体酸制备出大孔径SO:一/ZrO 一SiO 复合固体酸催 化剂,结果表明,该催化剂中ZrO 以纳米薄层方式均匀的沉 积在SiO 薄层表面,对酯化反应的催化酯化率达97%。李丰 亚 制备了SO 一/ZrO:一TiO 固体酸催化剂,结果表明,该固 体酸催化剂酸强度(H。)在0.8~6.8之间,骨架结构为TiO, 图2酸催化剂的酯化机理 Fig.2 The esterification mechanism of acid catalyst 2.3采用SO:一/M O 型固体超强酸进行酯化 SO;一/M O 型固体超强酸容易制备和保存,特别是它与液 锐钛矿型晶体且呈不规则微米块状结构。SO:一/M O 型固体超 强酸的酸强度与所促进的金属氧化物有关 ,其中SO 一/ZrO, 的超强酸性最强,而MgO、CaO、CuO、NiO、ZnO、CdO、 La2O3、MnO2、ThO 和Bi:O,等氧化物则不能由sol一的诱导 产生超强酸性。 2.2 SO 一/M O 型固体超强酸酸中心模型及催化机 理 固体超强酸催化剂,其活性中心是B酸中心(质子酸中心) 和L酸中心(Lewis酸中心),是对某些化学过程是B酸中心起 主导作用,而另一些是L酸中心起主要作用,或是二者发生协 同作用。超强酸按其化学本质而言,是B酸和L酸按某种方式 复合而形成的一种新型酸。氧化物表面上的S为高氧化态 (S+6)时,催化剂才表现出超强酸性,这是形成超强酸中心的 必要条件;S处于低氧化态时,将不能作为超强酸。在结构上, 硫酸根与金属氧化物表面的金属离子相结合 ,这种结合方式 主要有三种配位形态:单配位、螯合式双配位和桥式双配位。 对于SO:一/M 0 型固体超强酸研究表明,催化剂超强酸 中心的形成主要是源于SO 一在表面配位吸附,高活性的超强 酸表面上的活性中心结构可能是包含一个充当L酸中心的金属 阳离子M和一个有机硫酸根的配位结构。离子型的S=O键转 变成共价键形式的S=O键,而正是由于该共价双键具有诱导 效应,使金属离子具有很强的吸电子能力。由于S=O键具有 很强的吸电子诱导效应,使M—O键上电子云发生强烈偏移, 从而加强了金属阳离子的L酸性,而表现出超强酸性质 , 同时更易使H:O发生解离吸附产生质子酸中心。根据上述催化 剂超强酸显示的原因推测认为,SOj吸附形成的超强酸中心 结构模型主要有两种形式¨1j,即Lewis酸中心和Bronsted酸中 心,其结构如图1。 ~ 图1 sol一/M O 型固体超强酸中心结构模型 Fig.1 Structure model of so:一/M 0 solid superacid center 由于SO 一/M 0 型固体超强酸既含有B酸中心,又含有L 酸中心,两者协同作用下能产生超强酸性,故可以用来代替浓 硫酸进行催化酯化反应。在酸的催化下,酯化反应一般是按酰 氧键断裂的反应历程进行的,羧酸在强酸的催化下,首先与 H 形成佯盐,使羰基中的碳原子带正电荷而易和醇氧原子结 合成键。反应历程如下: 体酸和含卤素的固体超强酸相比,具有活性高、选择性好、不 腐蚀设备、不污染环境和可以在高达500℃下使用等特点,引 起了人们的广泛兴趣,是一类很有潜力的新型催化材料。 国内外对固体酸替代硫酸作为酯化催化剂做了大量研究。 Ramu 在合成棕榈酸甲酯的过程中发现,单斜晶氧化锆和结 晶的氧化钨降低了催化剂表面的酸性,从而降低了酯化活性, 而相对应的四方晶氧化锆和无定形的氧化钨表现出最高的酯化 活性。Moghaddam等 发现,固体酸催化剂能够分别使邻苯二 甲酸酐与2一辛醇和癸二酸与乙醇的酯化反应在20和80 arin迅 速达到平衡。张琦等 运用机械混合法和浸渍法制备了SO:一/ SiO 一TiO:固体酸催化剂并应用于乙醇和乙酸的酯化反应中考 察它的催化活性。蒋金龙 运用沉淀法制备了SO:一/SiO /凹土 纳米固体酸催化剂,并催化合成乙酸正丁酯,结果表明该催化 剂具有很高的活性,酯化率达90.34%,重复使用4次该催化 剂的催化活性基本保持稳定。陈颖等 采用共沉淀法和浸渍法 在不同条件下制备了稀土SO 一/ZrO 系列固体酸催化剂,并采 用废油脂与甲醇的酯交换反应评价了催化剂活性,脂肪酸甲酯 产率达到64.68%。 由于SO 一/M 0 型固体超强酸具有诸多优点,将它应用 于酯化反应可望解决硫酸作为催化剂存在的设备腐蚀、副反应 多、工艺复杂和污染环境等一些弊端,达到提高效率、降低能 耗、减少三废污染的目的。 3 so;一/M O 型固体超强酸目前存在问题 固体超强酸对酯化反应具有一定的活性,且选择性高,但 是固体酸催化剂取代硫酸进行催化酯化尚存在一些问题。 首先,固体酸催化剂活性较硫酸低,工业上常用的液体酸 催化剂,现有的固体超强酸总酸量往往少一个数量级以上,致使 其酸中心密度即单位元质量催化剂上活性中心的数量(nmaol・g ) 太低,因而生产能力低,从而导致催化剂用量加大,生产成本 较高;其次,与其它多相催化反应一样,催化剂表面易发生积 碳而丧失活性,催化剂寿命较短,虽然可以通过再生得以恢复 活性,但再生过程工序较多;另外,水的存在对催化剂活性有 较大的影响。对比吸水前后的催化剂,在酯化反应中其寿命和 活性差别很大。 4结论 环境友好的硫酸型固体酸催化剂是新一代的固体酸催化材 料,随着其使用范围的日益增大,正逐渐取代传统的均相无机 酸催化剂。随着近年来我国对硫酸型固体酸催化剂研究进展的 加快,今后将逐渐实现工业化并给我国相关行业带来更大的经 济效益,而且会创造良好的社会效益,具有重大的现实意义。 第42卷第1期 潘律,等:硫酸型固体酸催化剂的研究概况 23 [11]陈丹云,邹雪艳,何建英.SO;一/SnO2一硅藻土型固体酸的制备及 参考文献 Hill C L.Polyoxometlataes—multicomponent molecular vehicles to 其对正丁酸与异戊醇的催化酯化[J].应用化学,2010,27(7): 797—800. probe fundamental issues and practical problems[J].Chem Rev, 1998,98(1):1—2. n J F.Structure of the molecule of 12一phosphotungstic acid [2] Keggi[J].Nature,1993,131:908—909. 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