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磁性纳米固体超强酸的合成及催化性能研究

梅长松  
【摘要】: 目前,在工业化生产中,对于酯化反应多采用浓硫酸、磷酸等无机酸或金属卤化物,如AlCl_3、SnCl_4、TiCl_4等作为催化剂。而这些传统催化剂存在易腐蚀设备、污染环境、副反应多、产物选择性低等弊端。SO_4~(2-)/ZrO_2型固体超强酸克服了这些缺点并对酯化反应表现出较高的反应活性和较好的产物选择性。尤其是近年来纳米技术的应用,使得纳米级SO_4~(2-)/ZrO_2型固体超强酸催化剂得到了人们的广泛关注。纳米级SO_4~(2-)/ZrO_2型固体超强酸催化剂具有很高的比表面积和催化活性,但在液相反应中催化剂与产物的分离及回收存在困难,如果将其成型后使用不仅会失去纳米粒子的比表面积,同时还存在着反应界面小,传质阻力大等缺点。本文提出了合成出磁性固体超强酸催化剂的新思想,并应用于酯化反应中,取得了一定的成果。 本文首先采用化学共沉淀法制备了高度分散的磁性(Co_(0.5)Fe_(2.5)O_4)超细颗粒悬浮液,并通过液相沉淀法制备出ZrO_2-Co_(0.5)Fe_(2.5)O_4纳米磁性固体酸,以此作为基体,用硫酸铵溶液进行浸泡得到磁性纳米固体超强酸SO_4~(2-)/ZrO_2-Co_(0.5)Fe_(2.5)O_4。通过XRD、TEM、DTA、IR等手段对磁性固体超强酸催化剂的晶体结构、粒径大小、晶化温度等进行了表征,结果表明制备的磁性固体超强酸粒径保持在30nm~50nm之间,磁性基质的引入延迟了ZrO_2四方晶相向单斜晶相的转变,提高了晶化温度,有利于四方晶相(四方晶相ZrO_2为催化剂的主要活性组分)的生成和完善。 用磁性纳米固体超强酸SO_4~(2-)/ZrO_2-Co_(0.5)Fe_(2.5)O_4作为酯化反应的催化剂,以催化醋酸丁酯的合成反应为主要对象,考察了磁性固体超强酸催化剂的焙烧温度、焙烧时间、磁性基质引入量、浸渍液浓度等因素对催化活性的影响。确定了在我们进行的实验条件下,反应的最佳时间3h,酸醇比1:2(mol),催化剂用量1.2(wt)%,带水剂占反应物总量9(wt)%,催化剂活化温度600℃, 哈尔滨工程大学硕士学位论文 活化时间 3 h,浸渍液则H4h 浓度 0.5 thOVI,催化剂中磁性基质含量 2.44(mo)%。实验表明,磁性固体超强酸催化剂的催化活性可达97%以上, 反应的选择性为 100%,说明此催化剂是良好的酯化催化剂。实验中考察了 催化剂的寿命和回收率,催化剂在催化反应 6次后催化活性达 sl.69%,经活 化后其催化活性为96二5%,基本恢复了催化活性,说明催化剂具有较高的寿 命和完全可以回收再利用。磁性固体超强酸催化剂回收率在85%以上,比未 加磁的固体超强酸回收率提高了36.6%,说明我们制备的磁性催化剂可以利 用磁场进行回收,同时可与产物进行分离,达到了本文的预期目的,这在纳 米催化剂的应用上具有重要意义。


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