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固体超强酸SO_4~(2-)/TiO_2的改性及其催化合成柠檬酸三丁酯的研究

孙长勇

  本论文中作者以柠檬酸和正丁醇合成柠檬酸三丁酯(TBC),考察了柠檬酸三丁酯的酯化合成体系,系统研究了固体超强酸催化剂SO_4~(2-)/TiO_2在柠檬酸与正丁醇酯化反应中的催化性能,通过稀土元素Tm的负载来改性制得催化性能优异的Tm-SO_4~(2-)/TiO_2催化剂,并且通过催化剂的活性评价和物化性能表征来研究催化剂结构与性能的关系,为固体超强酸催化合成TBC的工业化提供了有益依据。作者首先对TBC的酯化体系进行了考察,分别在无催化剂、浓硫酸、自制固体超强酸催化剂SO_4~(2-)/TiO_2催化下,研究了柠檬酸三丁酯合成反应中酸转化率、出水量与反应时间的关系,并在固体超强酸催化剂催化下通过单因素实验对酸醇比、催化剂用量等酯化反应条件进行了优化。作者以固体超强酸SO_4~(2-)/TiO_2作催化剂合成柠檬酸三丁酯,研究该催化剂在柠檬酸与正丁醇酯化反应中的催化活性和稳定性,考察了SO_4~(2-)促进剂种类与用量、焙烧温度对催化剂结构、性能的影响。结果表明,在TBC的合成反应中,对于SO_4~(2-)/TiO_2催化剂,选用(NH_4)_2SO_4作SO_4~(2-)促进剂较H_2SO_4为优;(NH_4)_2SO_4的适宜用量为20%,此时所制得的催化剂具有较高的催化活性。综合考虑催化剂的活性与选择性,最佳的焙烧温度应为600℃,此时反应的转化率为92.7%,催化选择性为99%,酯产率达92.3%。催化剂的物相结构与反应的选择性密切相关,锐钛矿TiO_2(A)晶相的形成与完善是催化剂针对此酯化体系选择性提高的关键。在此酯化合成体系中催化剂SO_4~(2-)/TiO_2的稳定性不理想,其失活是由于SO_4~(2-)流失和积碳的共同作用。为了改善催化剂的性能,作者将Tm负载到SO_4~(2-)/TiO_2中制得新型催化剂Tm-SO_4~(2-)/TiO_2。Tm的负载使催化剂的催化活性有所提高,对催化剂的选择性没有显著影响,极大地提高了催化剂的稳定性。(NH_4)_2SO_4的用量20%、Tm的加量3%、焙烧温度600℃条件下制得的Tm-SO_4~(2-)/TiO_2催化剂具有优异的催化性能,使得合成TBC反应的转化率为94.4%,催化选择性为99.2%,酯产率达93.6%,重复使用5次后催化活性几乎没有变化,仍高达93.1%。Hammett指示剂法与Py-TPD法的结果表明,催化剂Tm-SO_4~(2-)/TiO_2属于固体超强酸,Tm的负载使催化剂表面酸强度有不同程度的减弱,强酸中心的脱附温度下降。XRD测试结果表明,Tm的负载对催化剂的物相结构没有显著影响,催化剂Tm-SO_4~(2-)/TiO_2在400℃以上焙烧均出现锐矿TiO_2(A)晶相,至600℃晶化趋于完善,更高的焙烧温度导致金红石型TiO_2(R)晶相的形成。热分析结果表明,Tm的负载具有稳定SO_4~(2-)的作用,使其流失变得较为困难,而且显著降低了催化剂表面的积碳量,从而延长汕头大学工学硕I7学位论义一了催化剂的寿命,提高了催化剂的稳定性。IR测试结果表明,催化剂表面SO。‘一是以整合状双配位方式吸附在金属离于上的,同时存在无机双齿鳌合物和有机硫酸酯两种SO。‘“结构,但共价键型的有机硫酸酯结构占优势。Tin的负载使S-O键的键级降低,由一种高共价性双键变为共价性较低的双键,这使得S二O键的诱导作用减弱,形成的酸中心强度降低。Tin主要起对非桥氧的积聚作用,一定程度上稳定了 SO。‘,提高了催化剂的稳定性。……   
[关键词]:柠檬酸三丁酯;催化酯化;固体超强酸SO_4~(2-)/TiO_2;改性;固体超强酸 Tm-SO_4~(2-)/TiO_2
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:汕头大学2001年