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CN105344341B - 一种用于合成碳酸二甲酯的固体催化剂的制备方法 - Google Patents

一种用于合成碳酸二甲酯的固体催化剂的制备方法 Download PDF

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华松杰
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Abstract

本发明涉及一种用于合成碳酸二甲酯的固体催化剂的制备方法,该方法以氧化石墨烯为载体,以硝酸镁为活性组分前驱体,通过浸渍、烘干和焙烧即可获得用于碳酸乙烯酯与甲醇酯交换合成碳酸二甲酯的固体催化剂。该方法操作简单,得到的固体催化剂不仅效率高,成本低,而且在反应后经过滤即可继续循环使用,寿命长,无污染。将该催化剂用于酯交换的合成碳酸二甲酯,碳酸二甲酯的收率最高可达87.1%,选择性为99.3%。

Description

一种用于合成碳酸二甲酯的固体催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及固体催化剂的制备领域,特别涉及一种用于合成碳酸二甲酯的固体催化剂的制备方法。
背景技术
碳酸二甲酯(Dimethyl Carbonate,DMC),常温时是一种无色透明的液体,难溶于水,但可以与醇、醚、酮等几乎所有的有机溶剂混溶。DMC毒性很低,在1992年就被欧洲列为无毒产品,是一种符合现代清洁工艺要求的环保型化工原料,因此DMC的合成技术受到了国内外化工界的广泛重视。
DMC最初的生产方法为光气法,于1918年开发成功,但是光气的毒性和腐蚀性限制了这一方法的应用,特别是随着环保受全世界重视程度的日益提高,光气法已被淘汰。20世纪80年代初,意大利的EniChem公司实现了以CuCl为催化剂的由甲醇氧化羰基化合成DMC工艺的商业化,这是第一个实现工业化的非光气合成DMC的工艺,也是应用最广的工艺。此工艺的缺陷在于高转化率时催化剂的失活现象严重,因此其单程转化率仅为20%。在20世纪90年代,DMC合成工艺的研究得到了迅速的发展,日本的Ube对EniChem公司甲醇氧化羰基化合成DMC的工艺进行了改进,转化率几乎达到了100%,此工艺已实现了工业化,但该工艺以CO为原料,CO是一种有毒的气体,因此CO引起的安全问题限制该工艺的应用。
美国Texaco公司开发了先由环氧乙烷与二氧化碳反应生成碳酸乙烯酯,再与甲醇经过酯交换生产DMC的工艺,此工艺联产乙二醇,于1992年实现了工业化。采用环氧乙烷和二氧化碳为原料在催化剂作用下合成碳酸乙烯酯,再使碳酸乙烯酯与甲醇进行酯交换反应得到碳酸二甲酯并副产乙二醇是目前国内采用较多的碳酸二甲酯工业化生产方法。
酯交换反应合成碳酸二甲酯催化体系,根据催化体系不同又可以分为均相催化反应和非均相催化反应,目前国内外合成DMC主要是通过均相催化反应体系,反应所用的催化剂有,碱金属氧化物、碱金属氢氧化物、碱金属醇盐、碱金属碳酸盐、碱金属草酸盐、卤化季铵盐和有机碱等。碱金属氧化物、氢氧化物、碳酸盐和草酸盐虽然都表现出较好的催化性能,但是由于其比表面积小,在反应体系中分散性差,因此催化效率较低,催化剂用量普遍较大;季铵盐和有机碱不仅价格昂贵,而且在反应后的分离有困难,容易造成催化剂流失,不仅增加生产成本,而且还造成产品纯度降低。工业上通过碳酸乙烯酯和甲醇合成碳酸二甲酯所用的催化剂为甲醇钠,甲醇钠催化剂的使用,存在许多缺点,可以概括如下:(1)催化剂的用量大,现在工业上每生产1吨碳酸二甲酯,需要质量百分含量25-30%的甲醇钠80-110kg左右;(2)催化剂失效后产生大量的废渣,造成环境污染;(3)催化系统中固体的析出影响系统连续生产的稳定性,堵塞管道和设备,严重影响生产的连续性;(4)合成工艺复杂,为了把催化剂废渣从反应物料体系中移出,防止精馏时固体废料析出,附着在换热器列管内壁表面和附着在填料上,从反应精馏塔塔釜出来的重组分要加入脱盐水和通入二氧化碳,以便使剩余的催化剂甲醇钠失效变为氢氧化钠然后和二氧化碳反应变为无机盐碳酸钠,然后通过过滤器过滤掉碳酸钠,这使得生产工艺非常复杂;(5)催化剂不能回用,由于催化剂失效后生成碳酸钠无机盐,不再有催化作用。
因此,本发明的目的在于开发操作简单,产品与催化剂分离方便,所得产品纯度高,催化剂回收及复用性能好的合成碳酸二甲酯的方法。然而,到目前为止,以氧化石墨烯为载体制备负载型催化剂合成碳酸二甲酯还没有文献报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对目前酯交换合成DMC过程中出现的催化剂使用量大且催化剂分离回收困难,产品DMC的收率较低等问题,提供一种操作简单,产品与催化剂分离方便,所得产品纯度高,催化剂回收及复用性能好的合成碳酸二甲酯的方法。
为了解决上述问题,本发明提供一种用于合成DMC的固体催化剂及其制备方法,可以实现固体催化剂在碳酸乙烯酯与甲醇酯交换反应中的高催化活性、高选择性,而且催化剂回收及循环利用简单,反应成本大大降低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
催化剂的制备方法:
(1)将一定量的氧化石墨烯加入去离子水中,氧化石墨烯的与去离子水的质量比为1:10~1:20,室温条件下超声分散30~60分钟,功率120~240W;
(2)将硝酸镁加入步骤(1)所得的物质中,并在室温下磁力搅拌12h,其中硝酸镁与氧化石墨烯的质量比为1:10~1:20;
(3)将步骤(2)所得物质在水浴中蒸干,随后转移到烘箱中烘干,随后转移到管式炉中,在氮气气氛或氩气气氛下升温至400-450℃,并在此温度下保持3h-6h,随后降至室温。
其中载体氧化石墨烯按下述方法制备:
在冰水浴中,将5g鳞片石墨和2.5g硝酸钠与115mL的浓硫酸混合均匀,搅拌中缓慢加入15gKMnO4,保持2℃以下持续反应1h,将其转移至35℃水浴反应30min,逐步加入250mL去离子水,温度升至98℃继续反应1h后,可明显观察到混合物由棕褐色变成亮黄色。进一步连续加水稀释,并用质量分数30%的H2O2溶液处理。将上述溶液抽滤,用5%HCl溶液洗涤至中性,将滤饼放入烘箱中80℃充分干燥即得氧化石墨。取0.1g氧化石墨放入50mL去离子水中,超声处理1.5h(180W,60Hz),随后进行抽滤,将滤饼放入真空烘箱中40℃(10Pa)干燥6h即得所需的氧化石墨烯。
本发明以氧化石墨烯为载体,以硝酸镁为前驱体成功地制备了一种氧化石墨烯负载氧化镁催化剂。与传统的催化剂载体分子筛或活性炭相比,氧化石墨烯成本低廉,是作为催化剂载体非常理想的材料。此外,氧化石墨烯作为催化剂载体具有传质阻力小的优点,因为它仅仅为平面的两维结构,这些是分子筛或活性炭等材料所无法比拟的;另外,氧化石墨烯上大量的羧基官能团可以与金属镁离子形成配位键,不仅使得在浸渍过程中氧化镁均匀的分散于在载体表面,而且还能够很好的固定氧化镁,从而避免了活性组分的流失。本发明方法简单,成本低,固载效果好,催化剂活性高,是一种制备负载型催化剂的有效方法,成功克服了传统方法的弊端。
将本发明的固体催化剂应用于碳酸乙烯酯与甲醇的酯交换反应合成碳酸二甲酯,取得到了很好的效果。在反应过程中催化剂不仅催化活性高,而且在反应后经过简单过滤即可回收继续循环利用,寿命长,无任何污染,还大大降低了催化剂的制备成本。
具体实施方式
本发明将就以下实施例作进一步说明,但应了解的是,这些实施例仅为例示说明之用,而不应被解释为本发明实施的限制。
实施例1
取0.2g氧化石墨烯加入到2mL去离子水中,随后在室温下超声30分钟,超声功率200W;再将0.03g硝酸镁加入上述溶液中,室温搅拌12h;将所得物质在70℃水浴中蒸干,随后转移到烘箱中并在100℃条件下烘干6h;随后转移到管式炉中,在氮气下以10℃/min的速度升温至450℃,并在此温度下保持3h,随后降至室温,即得催化剂A。
实施例2
取0.2g氧化石墨烯加入到2mL去离子水中,随后在室温下超声60分钟,超声功率120W;再将0.03g硝酸镁加入上述溶液中,室温搅拌12h;将所得物质在70℃水浴中蒸干,随后转移到烘箱中并在100℃条件下烘干6h;随后转移到管式炉中,在氮气下以10℃/min的速度升温至450℃,并在此温度下保持3h,随后降至室温,即得催化剂B。
实施例3
取0.2g氧化石墨烯加入到4mL去离子水中,随后在室温下超声60分钟,超声功率240W;再将0.04g硝酸镁加入上述溶液中,室温搅拌12h;将所得物质在70℃水浴中蒸干,随后转移到烘箱中并在100℃条件下烘干6h;随后转移到管式炉中,在氮气下以10℃/min的速度升温至450℃,并在此温度下保持3h,随后降至室温,即得催化剂C。
实施例4
取0.2g氧化石墨烯加入到4mL去离子水中,随后在室温下超声60分钟,超声功率240W;再将0.02g硝酸镁加入上述溶液中,室温搅拌12h;将所得物质在70℃水浴中蒸干,随后转移到烘箱中并在100℃条件下烘干6h;随后转移到管式炉中,在氮气下以10℃/min的速度升温至450℃,并在此温度下保持3h,随后降至室温,即得催化剂D。
对比例1
本对比例以氧化石墨烯为催化剂,记为催化剂E。
将上述催化剂分别用于碳酸乙烯酯与甲醇的反应,反应条件为:
碳酸乙烯酯与甲醇的摩尔比为1:10,催化剂的用量为碳酸乙烯酯质量的1%,反应温度为70℃,反应时间为4h。
反应产物采用气相色谱分析,色谱分析的条件为:OV-101毛细管色谱柱,气化室与检测器温度250℃,柱温箱温度80~180℃程序升温,确定产物的收率和选择性,具体结果如表1所示。
表1催化剂的催化活性
催化剂 碳酸二甲酯选择性(%) 碳酸二甲酯收率(%)
A 98.7 79.3
B 99.1 81.1
C 99.3 87.1
D 98.2 75.2
E 99.5 2.4
从表1可以看出,将本发明的催化剂应用于酯交换反应中,催化剂均有较高的活性。
采用过滤的方法将反应液中的催化剂回收,经干燥后重复使用,催化剂C在碳酸乙烯酯与甲醇的酯交换反应中的重复使用结果如表2所示。
表2催化剂的重复实验结果
循环次数 碳酸二甲酯选择性(%) 碳酸二甲酯收率(%)
1 99.3 87.1
2 99.1 87.0
3 98.8 86.9
从表2可以看出,该催化剂经过三次回收利用之后,碳酸二甲酯的选择性及收率基本稳定,说明该催化剂可以重复利用而不降低其催化活性,具有很好的效果。
以上述依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (1)

1.一种用于合成碳酸二甲酯的固体催化剂的制备方法,其特征在于该方法是以氧化石墨烯为载体,以硝酸镁为前驱体,通过浸渍、烘干、焙烧的方法将氧化镁负载于氧化石墨烯上,该方法具体是按照下述步骤进行的:
(1)将一定量的氧化石墨烯加入去离子水中,氧化石墨烯与去离子水的质量比为1:10~1:20,室温条件下超声分散30~60分钟,功率120~240W;
(2)将硝酸镁加入步骤(1)所得的物质中,并在室温下磁力搅拌12h,其中硝酸镁与氧化石墨烯的质量比为1:10~1:20;
(3)将步骤(2)所得物质在水浴中蒸干,随后转移到烘箱中烘干,随后转移到管式炉中,在氮气气氛或氩气气氛下升温至400~450℃,并在此温度下保持3h~6h,随后降至室温。
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