二氧化硅负载磷钨杂多酸催化剂制备的放大研究

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本文在小试实验的基础上把H3PW12O40和H3PW12O40/SiO2制备工艺的放大以及负载稳定性作为主要研究内容。在小试最优制备工艺基础上,分别考察了放大后H3PW12O40和H3PW12O40/SiO2的制备工艺条件对H3PW12O40的收率和H3PW12O40/SiO2的催化性能的影响,从而找出H3PW12O40和H3PW12O40/SiO2的最佳制备工艺;然后用紫外分光光度计法测定负载稳定性。采用酸化-乙醚萃取法在小试基础上放大10倍制备12-磷钨杂多酸,以磷酸氢二钠的用量、加酸量、回流时间和回流温度为影响因素,磷钨杂多酸收率为考察目标设计四因素三水平的正交实验并结合单因素实验优化制备工艺条件,实验结果表明:钨酸钠250g,磷酸氢二钠40g,加酸量为160ml,在85℃的温度下中速搅拌反应2.5h,12-磷钨杂多酸的收率达到89.2%;运用IR,XRD、TG-DSC和Hammett指示剂法表征此方法制得的12-磷钨杂多酸,结果说明制得产品具有典型的Keggin结构,所带结晶水个数通常为6,且有较好的热稳定性、很强的酸性,用于混合二元酸与丁醇的酯化反应的具有很好的催化活性(可使混合二元酸的转化率达98.6%),无明显放大效应。选取回流浸渍法放大10倍制备H3PW12O40/SiO2并作为混合二元酸和丁醇间酯化反应的负载型催化剂,优化催化剂制备过程。SiO2用量固定,以H3PW12O40浓度、回流温度、回流时间、活化温度为影响因素,以混合二元酸的酯化率为考察目标设计四因素三水平的正交实验并结合单因素实验优化制备方案,得到最适宜的制备工艺条件是:SiO2100g,PW12为55g,水500ml,回流温度85℃,回流时间为3.5h,干燥温度120℃,活化温度180℃,活化时间3h;当催化剂用量为混合二元酸质量的7%,负载量为22.4%时,酯化率可达97.8%。采用IR、XRD、TG-DSC和Hammett指示剂法对负载型催化剂进行表征,结果表明H3PW12O40在载体上较好地保持了原有的Keggin结构、具有很好的分散性和很高的酸强度,热稳定性也得到提高,具有很好的催化活性和重复使用性,无显著放大效应。用紫外分光光度计法测定H3PW12O40/SiO2的制备工艺条件对负载稳定性的影响,实验结果表明:预处理制得的负载催化剂稳定性好,活性高;负载量较大时,H3PW12O40的溶脱量明显较高,其稳定性劣于负载量较小时的稳定性;采用程序升温干燥制备的催化剂具有较好的稳定性和活性,回流时间越长,脱附率相对越低,稳定性相对较好,但其活性明显降低。考察负载磷钨杂多酸催化剂的重复使用性,并对经过混合二元酸与正丁醇酯化反应失活后的催化剂进行表征,在此基础上探索催化剂失活的原因。实验表明H3PW12O40/SiO2可重复使用四次,失活的原因是重复使用数次后,活性组分从载体上脱落,同时载体表面有其他物质聚集。
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