徐新龙,沈 健
(辽宁石油化工大学 石油化工学院,辽宁 抚顺 113001)
β/SBA-15复合分子筛的制备及其催化合成叔丁基苯酚的性能
徐新龙,沈 健
(辽宁石油化工大学 石油化工学院,辽宁 抚顺 113001)
采用后合成法制备了β/SBA-15复合分子筛,采用XRD、FTIR、N2吸附-脱附和NH3-TPD方法对其进行了表征,考察了酸浓度和β分子筛加入量对合成试样结构特性的影响。表征结果显示,合成的试样为含微孔和介孔的β/SBA-15复合分子筛。以盐酸浓度6 mol/L、β分子筛含量50%(w)、晶化时间48 h、晶化温度110 ℃下制得的β/SBA-15复合分子筛为催化剂用于苯酚与叔丁醇的烷基化反应,考察了物料配比、反应温度、重时空速和反应压力等工艺条件对反应的影响。实验结果表明,在适宜的工艺条件(n(苯酚)∶n(叔丁醇)=1∶2.5、反应温度140 ℃、重时空速2 h-1、反应压力0.2 MPa)下,苯酚转化率为92.77%、4-叔丁基苯酚选择性为53.17%、2,4-二叔丁基苯酚选择性为44.41%。
β/SBA-15复合分子筛催化剂;苯酚烷基化;叔丁基苯酚;叔丁醇
微孔分子筛具有酸性强、水热稳定性好等优势,但微孔分子筛的孔径小,限制了它在大分子反应中的应用。介孔分子筛孔径大,有利于大分子反应物的进入及产物的扩散,但它的酸性弱、水热稳定性差。复合分子筛结合了微孔和介孔分子筛的优点,使两者优势互补,是一种酸性强、具有可调梯度孔径的新型催化材料,近些年受到人们的广泛关注。李猛等[1]以ZSM-5分子筛降解液为硅铝源,合成了孔壁含有沸石次级结构单元的Z-SBA-15复合分子筛。林森等[2]将SBA-15分子筛浸渍于β分子筛前体溶液中制得β/SBA-15复合分子筛,表征结果显示,β分子筛前体的次级结构单元进入了SBA-15分子筛孔道,该复合分子筛在烷基化反应中具有很高的活性及很长的寿命。张瑛等[3]以不同硅铝比的β分子筛为原料,经碱液处理得到降解液,以此为硅铝源合成了类似SBA-15分子筛的复合结构材料,由N2吸附-脱附等温线计算得到该复合材料的孔壁厚度为3.97 nm,而相同条件下合成的 SBA-15分子筛的孔壁厚度为3.20 nm,说明前者的孔壁中含有β分子筛的次级结构单元。
苯酚与叔丁醇的烷基化反应是典型的付克反应,主要产物为4-叔丁基苯酚和2,4-二叔丁基苯酚(2,4- DTBP)等,它们作为化工中间体具有十分广泛的应用价值。不同催化剂应用于苯酚烷基化反应已有很多报道。刘晓飞等[4]研究了吗啉基磺酸功能化离子液体的烷基化效果,苯酚转化率达到92.4%。吴淑杰等[5]采用嫁接法合成了Al-SBA-15介孔分子筛,该分子筛具有较强的酸性,在苯酚叔丁基化反应中具有比Al-MCM-41分子筛更高的催化活性和2,4-DTBP选择性。荆俊杰等[6]合成了Y/ MCM-41复合分子筛,将其用于催化苯酚烷基化反应,苯酚转化率为62.2%,4-叔丁基苯酚选择性达86.0%。
本工作采用后合成法在合成SBA-15分子筛的过程中直接加入商用β分子筛制备了β/SBA-15复合分子筛,并将其用于苯酚与叔丁醇的烷基化反应;采用XRD、FTIR、N2吸附-脱附和NH3-TPD方法对β/SBA-15复合分子筛进行了表征,并考察了烷基化反应的工艺条件和β/SBA-15复合分子筛的稳定性。
1.1 β/SBA-15复合分子筛的制备
以嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(P123,相对分子质量5 800)为模板剂、正硅酸乙酯(TEOS)为硅源、商用β分子筛(硅铝比25,中国石油抚顺催化剂厂)为部分铝源。称取4 g的P123加入到98.0 g去离子水中,在42 ℃下搅拌1 h至完全溶解;加入一定浓度的盐酸调至酸性环境,搅拌2 h,然后加入β分子筛,继续搅拌2 h;用移液管缓慢滴加8.48 g TEOS,搅拌24 h,倒入内衬聚四氟乙烯的反应釜中,在烘箱中于110 ℃下静置晶化48 h;冷却抽滤,干燥3 h,在500 ℃下焙烧5 h,得到β/SBA-15复合分子筛。
SBA-15分子筛的制备过程与β/SBA-15复合分子筛的制备步骤一致,但不加入β分子筛,盐酸浓度为6 mol/L(体积40 mL)。
机械混合法制备β+SBA-15分子筛:将β分子筛和制得的SBA-15分子筛按质量比1∶1在坩埚中研磨0.5 h,制得β+SBA-15分子筛。
1.2 表征方法
采用Rigaku公司D/MAX-1AX型X射线衍射仪测定试样的晶相结构,Cu Kα射线,λ=0.150 64 nm,管电压40 kV,管电流40 mA。采用Nicolet 公司Magna IR 550 型傅里叶变换红外光谱仪确定试样的骨架结构,分辨率4 cm-1,测量范围400~4 000 cm-1。采用Micromeritics公司ASAP 2010型物理吸附仪进行N2吸附-脱附表征,实验前试样在383 K、真空条件下预处理16 h,以高纯N2作吸附质,于液氮温度下使用BET法进行测定,多点校正,采用BET方程计算比表面积、DFT方法计算孔分布。采用天津先权仪器有限公司TP-5000-Ⅱ型吸附仪进行NH3-TPD表征,载气N2的流量为40 mL/min,以10 ℃/min的速率由120 ℃升温至600 ℃,在600℃下恒温30 min后降至120 ℃,保持温度恒定,吸附NH330 min后用N2吹扫2 h,再以10 ℃/min的速率升温至500 ℃,同步记录NH3-TPD谱图。
1.3 催化剂的评价
催化剂的评价采用微型固定床反应器。将0.7 g催化剂装填在240 mm×8 mm的不锈钢反应管的中部,两端装填一定粒度的石英砂,以一定配比的苯酚与叔丁醇混合物为原料,在一定温度下反应,反应稳定3 h后每隔2 h取样分析。采用HP公司4890型气相色谱仪和浙大智达N2000型色谱工作站进行产物分析和数据处理。分析条件:FID检测;载气为N2;检测器温度280 ℃;OV-1015石英毛细管柱(0.25 mm×30 m),柱温270 ℃,初温30 ℃,升温速率10 ℃ /min。
2.1 XRD表征结果
不同酸浓度下制备的β/SBA-15复合分子筛的XRD谱图见图1。由图1可知,试样在小角区均出现了归属于典型二维六方介孔结构的3个晶面(100),(110),(200)的特征峰;同时在广角区2θ=7.7°,22.45°处出现了β分子筛的特征峰[7]。SBA-15分子筛和β/SBA-15复合分子筛的XRD谱图见图2。由图2可见,β/SBA-15复合分子筛的(110)晶面衍射峰的强度高于SBA-15分子筛,说明β分子筛的次级结构单元进入了介孔分子筛SBA-15的孔壁,形成了Al—O—Si骨架,使其长程有序性变好,产生了较好的协同作用[1]。XRD表征结果显示,合成的试样为β/SBA-15复合分子筛。
图1 不同酸浓度下制备的β/SBA-15复合分子筛的XRD谱图Fig.7 XRD patterns of β/SBA-15 composite molecular sieves prepared with different concentration of acid. Preparation conditions:w(β)=50%(based on β/SBA-15 composite molecular sieves,the same below). c(HCl)/(mol·L-1):a 3;b 6;c 9
图2 SBA-15分子筛和β/SBA-15分子筛的XRD谱图Fig.2 XRD patterns of the SBA-15 molecular sieve and β/SBA-15 composite molecular sieve.Preparation conditions of β/SBA-15:w(β)=50%,c(HCl)=6 mol/L. a β/SBA-15;b SBA-15
2.2 N2吸附-脱附表征结果
β/SBA-15复合分子筛的N2吸附-脱附等温线见图3。
图3 β/SBA-15复合分子筛的N2吸附-脱附等温线Fig.3 N2adsorption-desorption isotherms of the β/SBA-15 composite molecular sieve.Preparation conditions of β/SBA-15 referred to Fig.2.
由图3可见,在较低的相对压力(p/p0)范围内,曲线属于典型的Ⅰ型微孔吸附曲线,等温线从原点开始就急剧上升,表明微孔被完全充满;在0.10<p/p0<0.60区间,吸附曲线缓慢上升,这是N2在孔道表面的吸附从单分子层吸附逐渐过渡到多层吸附所致;在0.60<p/p0<0.85区间,出现滞后环,属于典型的Ⅳ型介孔吸附曲线,这是孔内产生毛细管凝聚所致,说明试样是既含微孔又含介孔的复合分子筛,且突跃程度较大、斜率较高,说明试样的孔分布均匀。
试样的孔结构性质见表1。由表1可见,随β分子筛含量的增加,复合分子筛的孔体积逐渐减小,说明有更多的β分子筛次级结构单元堵塞了孔道,导致孔体积减小;β/SBA-15复合分子筛的平均孔径先增大后减小,且当β分子筛的含量为50%(w)时平均孔径比SBA-15分子筛增大了
1.21 nm,可能是β分子筛的次级结构单元进入介孔骨架导致其平均孔径变大。根据布拉格衍射方程计算出β/SBA-15复合分子筛的孔壁厚度分别为6.72,6.97,6.63 nm,均高于SBA-15分子筛的孔壁厚度(6.21 nm),β分子筛的次级结构单元具有一定的空间体积效应及硬度,孔壁厚度增厚说明β分子筛的次级结构单元已组装进入复合分子筛中[8]。
2.3 FTIR表征结果
试样的FTIR谱图见图4。由图4可看出,SBA-15分子筛在463,799,1 082,1 631 cm-1附近的吸收峰分别归属于SiO4四面体的弯曲、对称、不对称和反对称伸缩振动[9-11],均属于SiO4四面体的特征吸收峰;β分子筛在523 cm-1和574 cm-1处的吸收峰归属于β分子筛的双四元环的振动,623 cm-1处的吸收峰归属于五元环的振动[2];β/SBA-15复合分子筛在574 cm-1处出现明显的吸收峰,而原SBA-15分子筛在962 cm-1处的吸收峰消失,Wang等[12]认为962 cm-1处的吸收峰归属于SBA-15分子筛表面非缩聚Si—OH基的振动。这说明β分子筛的次级结构单元进入到复合分子筛的骨架表面,消耗了表面的Si—OH基,且β/SBA-15复合分子筛在468,803,1 092,3 437 cm-1处的吸收峰相比于SBA-15分子筛均向高波数偏移,这可能是微-介孔四面体骨架连接处受外部骨架空间效应影响所致[13]。
表1 试样的孔结构性质Table 1 Pore structure properties of the samples
图4 试样的FTIR谱图Fig.4 FTIR spectra of the samples.Preparation conditions of β/SBA-15 referred to Fig.2.a β;b SBA-15;c β/SBA-15
2.4 NH3-TPD表征结果
试样的NH3-TPD曲线见图5。
图5 试样的NH3-TPD曲线Fig.5 NH3-TPD curves of the β/SBA-15 sample and Hβ molecular sieve. Preparation conditions of β/SBA-15 referred to Fig.2. a Hβ;b β/SBA-15
由图5可知,Hβ分子筛在200 ℃左右的低温脱附峰对应于弱酸位,420 ℃左右的高温脱附峰对应于强酸位;与Hβ分子筛相比,β/SBA-15复合分子筛的低温脱附峰向低温方向移动,且在370 ℃附近出现了中强酸位的脱附峰。盐酸脱出了β分子筛中的骨架铝,使β/SBA-15复合分子筛的酸强度有所下降,但弱酸位脱附峰的面积明显大于Hβ分子筛,总酸量增加,且中强酸比例增大,这是由于β分子筛的次级结构单元进入复合分子筛骨架发生协同作用改变了自身的酸性。
2.5 不同催化剂的活性
不同催化剂上苯酚烷基化反应的转化率及产物分布见表2。由表2可知,3种催化剂上苯酚转化率差别不大,但2,4- DTBP的选择性有明显差异,β分子筛和β+SBA-15分子筛上2,4- DTBP的选择性分别为22.51%和25.24%,而β/SBA-15复合分子筛上2,4-DTBP的选择性达到了44.41%,明显高于前两者。这是因为β分子筛的次级结构单元进入SBA-15分子筛孔壁中,相当于大孔道中具有了均匀的酸性位,对于2,4-DTBP大分子的生成十分有利;而机械混合得到的β+SBA-15分子筛虽然也有大孔径,但β分子筛与SBA-15介孔分子筛是简单的堆砌排列,酸性位仍在微孔内,SBA-15分子筛属于纯硅分子筛,孔道内不具有酸性位,大孔道优势不能体现出来,其实质依然是微孔分子筛起主要作用,所以2,4-DTBP选择性低于β/SBA-15复合分子筛,接近β分子筛,这也进一步证实了合成的β/SBA-15复合分子筛试样不同于机械混合试样。与Al-SBA-15分子筛[5]相比,β/SBA-15复合分子筛除催化活性高外,在相同工艺条件下,2,4-DTBP选择性也高13.11%。
表2 不同催化剂上苯酚烷基化反应的转化率及产物分布Table 2 Conversion and product distribution of the alkylation of phenol over different catalysts
2.6 苯酚烷基化工艺条件的考察
以盐酸浓度6 mol/L、β分子筛含量50%(w)、晶化时间48 h、晶化温度110 ℃下制得的β/SBA-15复合分子筛为催化剂,在固定床反应器上考察了苯酚烷基化反应的工艺条件。
2.6.1 物料配比
物料配比对转化率及选择性的影响见图6。
图6 物料配比对转化率及选择性的影响Fig.6 Inf uences of reactant ratio on the conversion and selectivities. Reaction conditions:140 ℃,WHSV=2 h-1,0.2 MPa.Phenol conversion;Selectivity to 4-TBP;Selectivity to 2,4-DTBP
由图6可知,随叔丁醇用量的增加,苯酚转化率和2,4-DTBP的选择性均先增大后减小,当n(苯酚)∶n(叔丁醇)=1∶2.5时达到最大值。苯酚与叔丁醇烷基化反应是平行-顺序反应,随叔丁醇用量的增加,会有更多的苯酚与叔丁醇反应生成一叔丁基苯酚,一叔丁基苯酚再进一步反应生成2,4-DTBP,使苯酚转化率和2,4-DTBP选择性增大;但叔丁醇用量过大,会造成分子间脱水生成副产物,影响反应效果且不经济。因此,适合的物料配比为n(苯酚)∶n(叔丁醇)=1∶2.5。
2.6.2 反应温度
反应温度对转化率及选择性的影响见图7。由图7可见,随反应温度的升高,苯酚转化率和2,4-DTBP选择性均先增大后减小,温度为140 ℃时达到最大值。在相对较低的温度范围内,升温有利于烷基化反应的进行,此时烷基化反应受动力学控制,所以升高反应温度,苯酚转化率提高;继续升高反应温度,转化率反而降低,这是因为该反应是可逆放热反应,当达到化学平衡后,反应受热力学控制,脱烷基化成为主要反应,使苯酚转化率降低、2,4-DTBP选择性下降。因此,适宜的反应温度为140 ℃。
图7 反应温度对转化率及选择性的影响Fig.7 Inf uences of reaction temperature on the conversion and selectivities.Reaction conditions:n(phenol)∶n(tert-butyl alcohol)=1∶2.5,WHSV=2 h-1,0.2 MPa.Phenol conversion;Selectivity to 4-TBP;Selectivity to 2,4-DTBP
2.6.3 重时空速
重时空速对转化率及选择性的影响见图8。由图8可见,重时空速不大于2 h-1时,随重时空速的增大,苯酚转化率和2,4-DTBP选择性变化幅度不大;当重时空速大于2 h-1时,苯酚转化率和2,4-DTBP选择性开始下降。这是因为重时空速增大,反应物与催化剂的接触时间变短,导致苯酚转化率降低;而单烷基化反应速率较快,多烷基化反应速率相对较慢,故2,4-DTBP选择性下降。综合考虑,适宜的重时空速为2 h-1。
2.6.4 反应压力
反应压力对转化率及选择性的影响见图9。由图9可知,随反应压力的增大,苯酚转化率和2,4-DTBP选择性均先增大后减小,当反应压力为0.3 MPa时,苯酚转化率最大;当反应压力为0.2 MPa时,2,4-DTBP选择性最大。反应体系压力增大,一方面使叔丁醇由气相转化为液相,增加了反应物间的传质;另一方面延长了反应物的停留时间,使反应深度加深。继续增大反应压力至0.4 MPa时,苯酚转化率下降,不利于反应的进行。综合考虑,适宜的反应压力为0.2 MPa。
图8 重时空速对转化率及选择性的影响Fig.8 Inf uences of WHSV on the conversion and selectivities. Reaction conditions:n(phenol)∶n(tert-butyl alcohol)=1∶2.5,140 ℃,0.2 MPa.Phenol conversion;Selectivity to 4-TBP;Selectivity to 2,4-DTBP
图9 反应压力对转化率及选择性的影响Fig.9 Inf uences of reaction pressure on the conversion and selectivities.Reaction conditions:n(phenol)∶n(tert-butyl alcohol)=1∶2.5,140 ℃,WHSV=2 h-1.Phenol conversion;Selectivity to 4-TBP;Selectivity to 2,4-DTBP
2.7 催化剂的稳定性
β/SBA-15催化剂的稳定性见图10。由图10可见,在72 h内苯酚转化率略有下降,但变化不大,催化剂基本保持着较高的活性;反应时间延长至72 h后,苯酚转化率下降但仍较高;反应120 h后,苯酚转化率明显下降。随反应时间的延长,反应过程中逐渐生成了大分子的高聚合有机物,覆盖了催化剂的酸性位,使催化剂慢慢结焦,酸性降低,且持续高温下复合分子筛的骨架有所坍塌,结构有序性下降,酸性位改变,导致苯酚转化率和2,4-DTBP选择性均下降。
图10 β/SBA-15催化剂的稳定性Fig.10 Stability of the β/SBA-15 catalyst.Reaction conditions:n(phenol)∶n(tert-butyl alcohol)=1∶2.5,140 ℃,0.2 MPa,WHSV=2 h-1.Phenol conversion;Selectivity to 4-TBP;Selectivity to 2,4-DTBP
1)β/SBA-15复合分子筛在苯酚叔丁基化反应中比微孔分子筛具有更高的催化活性。这是因为具有酸性位的β分子筛的次级结构单元引入到了介孔分子筛中,β分子筛的次级结构单元与SBA-15分子筛的介孔结构产生了协同作用。
2)以盐酸浓度6 mol/L、β分子筛含量50%(w)、晶化时间48 h、晶化温度110 ℃下制得的β/ SBA-15复合分子筛为催化剂,苯酚与叔丁醇烷基化反应的最佳工艺条件为:n(苯酚)∶n(叔丁醇)=1∶2.5、反应温度140 ℃、重时空速2 h-1、反应压力0.2 MPa。在此工艺条件下,苯酚转化率为92.77%、4-叔丁基苯酚选择性为53.17%、2,4-DTBP选择性为44.41%。
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(编辑 王 萍)
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锦西石化1×106t/a催化二套装置新建烟气脱硫单元投运。该套装置应用美国埃克森美孚公司WGS湿法洗涤烟气净化技术。该系统运行平稳,环保效果显著。
这套装置脱硫率在95%以上,二氧化硫浓度小于100 mg/m3,烟尘浓度小于50 mg/m3,优于国家减排指标,可有效改善空气质量。 WGS湿法洗涤烟气净化技术是美国埃克森美孚公司为中国石油提供的独家技术。这项技术使装置运行具有较高的安全性,三级分液可有效降低烟气中携带的游离水,事故工况对催化装置无影响,在技术、投资、运行成本等方面具有更大优势。
日本住友化学公司开发出新型聚丙烯复合材料
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Addit Polym,2014 - 03
DuPont公司推出了一系列为高效回收难以分离的本来不相容的聚合物混合物而配制的新型相容剂。该DuPont Entira EP系列相容剂的首例产品由乙烯共聚物组成,在市场上可以买到,它非常适用于聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)的混合废物流。
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Preparation of β/SBA-15 Composite Molecular Sieves and
Their Catalytic Performances of the Synthesis of tert-Butyl Phenol
Xu Xinlong,Shen Jian
(College of Petrochemical Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun Liaoning 113001,China)
β/SBA-15 composite molecular sieves were prepared by after-synthesis method and characterized by means of XRD,FTIR,N2adsorption-desorption and NH3-TPD. The effects of acid concentration and β molecular sieve content on the structure of the synthesized samples were investigated. The characterization results verified that the synthesized samples were the composite molecular sieves β/SBA-15 with micropores and mesopores. The β/SBA-15 composite molecular sieves were used in the alkylation of phenol and tert-butyl alcohol to tert-butyl phenol,which were synthesized under conditions of HCl concentration 6 mol/L,β molecular sieve content 50%(w),crystallization time 48 h,and crystallization temperature 110 ℃. The inf uences of reactant ratio,reaction temperature,WHSV and reaction pressure on the alkylation were investigated. Under the suitable conditions of n(phenol)∶n(tert-butyl alcohol) 1∶2.5,reaction temperature 140 ℃,WHSV 2 h-1and reaction pressure 0.2 MPa,the conversion of phenol,and the selectivities to 4-tert-butyl phenol and 2,4-di-tert-butyl phenol were 92.77%,53.17% and 44.41%, respectively.
β/SBA-15 composite molecular sieve catalyst;phenol alkylation;tert-butyl phenol;tert-butyl alcohol
1000 - 8144(2014)07 - 0767 - 07
TQ 426.6
A
2014 - 02 - 19;[修改稿日期] 2014 - 04 - 01。
徐新龙(1988—),男,辽宁省营口市人,硕士生,电话 18242331285,电邮 xuxinlong.hi@163.com。联系人:沈健,电话 13942372218,电邮 sj6673120@yahoo.com.cn。