二次晶化法改性TS-1分子筛及其催化氯丙烯环氧化性能

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环氧氯丙烷(ECH),是一种重要的有机合成中间体。目前工业生产环氧氯丙烷的方法主要有氯丙烯法和醋酸烯丙酯法,二者都存在设备腐蚀严重,副产物多,对环境污染很大这些问题。因此急待开发出安全清洁而又高效生产ECH的技术。TS-1分子筛是上世纪80年代开发的新型分子筛催化剂,其在以双氧水为氧化剂的低温氧化反应中具有特殊的催化性能,且反应条件温和,选择性高,副产品为水。用钛硅分子筛TS-1催化氯丙烯的环氧化制备环氧氯丙烷是一个环境友好过程,但大多研究是以有机原料合成的TS-1为催化剂,由于其合成成本高、颗粒很小难于与产物分离而负载成型的催化剂的活性又急剧下降从而限制了它在工业上的应用。本文采用无机钛硅原料体系合成钛硅分子筛TS-1,在大幅度降低催化剂成本的同时,可制备颗粒较大的催化剂,宜于固液分离。但无机TS-1分子筛的催化活性比有机TS-1分子筛差,因而对无机钛硅分子筛TS-1进行二次晶化修饰改性来提高其催化活性。以氯丙烯环氧化反应为探针反应考察了二次晶化的温度、时间、溶液的pH值及溶液中阴、阳离子对二次晶化改性TS-1效果的影响。采用二次晶化优化条件下修饰改性后的TS-1分子筛催化剂对氯丙烯环氧化反应进行催化评价,考察了反应温度(T)、反应时间(t)、催化剂用量、原料氯丙烯(ALC)与双氧水(H2O2)的摩尔比以及溶剂甲醇用量等条件对该反应结果的影响。最后还考察了二次晶化修饰改性后TS-1分子筛的重复利用和再生性能。试验结果表明二次晶化的优化条件是在170℃,在pH值为12左右的稀氨水溶液中水热改性24 h以上,经过二次晶化改性后无机钛硅分子筛TS-1的催化活性和产物选择性可与经典法制备的有机TS-1相当。结合催化反应结果和对TS-1的XRD、IR、SEM和氮吸附等表征结果可知,二次晶化使无机TS-1活性大幅提升的原因是:一次晶化后的非骨架钛在二次晶化的水热高温、中碱环境下活化成某种“可溶性钛”重新进入TS-1骨架,使二次晶化后TS-1催化剂的钛活性位点增多。使用二次晶化修饰改性后的TS-1催化氯丙烯环氧化反应,在优化条件下,即T=30℃,t=40min,TS-1占物料质量百分数为2.96%,n(ALC)/n(H2O2)=1.2,同时n(CH3OH)/n(ALC)=5.2时,双氧水转化率(XH2O2)可达99%以上,双氧水有效利用率(UH2O2)达到97%以上,同时产物单程收率(YECH)最高可达96%以上。对二次晶化修饰改性后的TS-1的重复利用性和再生性能研究表明,焙烧再生能使TS-1复活,复活后的TS-1的催化活性稍有下降,但TS-1的催化活性下降并不影响其对产物的选择性,因而可通过略微增加TS-1催化剂的用量来弥补催化反应后TS-1催化剂的活性下降。
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