基本信息
- 項目名稱：
- 低溫稀溶液法制備鈦基固體超強酸及其性能研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 固體超強酸是指固體的表面酸強度大于100%硫酸的酸類，具有催化效率高、選擇性好、催化劑易分離、無腐蝕性、制備方法簡便等優(yōu)點，具有取代傳統(tǒng)液體強酸的廣闊前景。本實驗運用一種改進的沉淀法制備了鈦基固體超強酸，并研究了熱效應和溫度升高對催化劑性能的影響，同時對催化劑的制備工藝進行了優(yōu)化，通過酯化反應驗證，我們得到了一種催化性能優(yōu)良、使用壽命較高的固體超強酸催化劑。
- 詳細介紹：
- 固體超強酸是指固體的表面酸強度大于100% 硫酸的酸類，由于100%的硫酸的酸強度用哈默特酸函數(shù)H0表示為-11.9，所以固體酸的H0<-11.9就是固體超強酸。超強酸可以分為液體超強酸和固體超強酸兩大類，液體超強酸存在催化劑分離困難、水和熱穩(wěn)定性差、腐蝕設備、污染環(huán)境及再生困難等缺點。與傳統(tǒng)液體酸催化劑（如硫酸）相比，固體超強酸具有催化效率高、反應選擇性好、可在高溫下重復使用、催化劑易分離、無腐蝕性、制備方法簡便等優(yōu)點，具有取代傳統(tǒng)液體強酸的廣闊前景。但是，固體超強酸也具有一個致密的缺陷，即其使用壽命較低，這一點成為制約固體超強酸實現(xiàn)工業(yè)化應用的一個重要原因。當前眾多的實驗室研究并沒有在提高固體超強酸的使用壽命方面取得實質(zhì)性的突破。 本實驗針對以四氯化鈦原料鹽制備鈦基固體超強酸催化劑中的強烈的放熱問題，使用低溫稀溶液沉淀技術消除熱效應，制備了水合的氫氧化鈦沉淀基體，經(jīng)硫酸浸漬酸化處理后得到了催化性能良好的鈦基固體超強酸催化劑。同時對硫酸濃度、焙燒溫度等制備工藝條件進行了考察，適宜的制備條件是：硫酸濃度為1.2mol/L，焙燒溫度為530℃。在酯化反應中，低溫稀溶液法制備的鈦基固體超強酸的催化性能明顯高于室溫制備得到的鈦基固體超強酸。在相同的反應條件下，前者重復使用10次的最大催化活性和平均催化活性分別為97.84%和94.635%，明顯高于后者的91.84%和88.875%。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 為提高鈦基固體超強酸催化劑在酯化反應中的催化活性及其使用壽命，對傳統(tǒng)沉淀法加以改進，采用低溫稀溶液法，消除四氯化鈦水解熱效應對鈦基固體超強酸催化劑的不利影響，并優(yōu)化控制制備過程中的重要工藝條件。
科學性、先進性及獨特之處
- 對比研究傳統(tǒng)沉淀法、低溫稀釋法所得到的沉淀基體和催化劑，最大限度消除水解熱效應的影響,并采用單一變量法優(yōu)化催化劑的其他制備條件；利用乙酸和正丁醇的酯化反應為探針反應，以乙酸轉(zhuǎn)化率為性能指標，測試催化劑的催化活性。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 使用低溫稀溶液法，可以顯著提高鈦基固體超強酸的催化性能，在催化合成乙酸正丁酯的反應中，使用該法得到的鈦基固體超強酸的催化性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的沉淀法，并且其使用壽命得到了一定的改善。因其具有催化反應條件溫和、容易與產(chǎn)品分離、不腐蝕設備、不污染環(huán)境、可重復使用、可再生利用等眾多明顯的優(yōu)點，具有取代傳統(tǒng)液體強酸的廣闊前景。
學術論文摘要
- 針對以四氯化鈦原料鹽制備鈦基固體超強酸催化劑中的強烈的放熱問題，使用低溫稀溶液沉淀技術消除熱效應，制備了水合的氫氧化鈦沉淀基體，經(jīng)硫酸浸漬酸化處理后得到了催化性能良好的鈦基固體超強酸催化劑。同時對硫酸濃度、焙燒溫度等制備工藝條件進行了考察，適宜的制備條件是：硫酸濃度為1.2mol/L，焙燒溫度為530℃。在酯化反應中，低溫稀溶液法制備的鈦基固體超強酸的催化性能明顯高于室溫制備得到的鈦基固體超強酸。在相同的反應條件下，前者重復使用10次的最大催化活性和平均催化活性分別為97.84%和94.635%，明顯高于后者的91.84%和88.875%。
獲獎情況
- 無
鑒定結果
- 無
參考文獻
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同類課題研究水平概述
- 固體超強酸因其使用壽命較低，這一點成為制約固體超強酸實現(xiàn)工業(yè)化應用的一個重要原因。當前眾多的實驗室研究并沒有在提高固體超強酸的使用壽命方面取得實質(zhì)性的突破。 金屬氧化物固體超強酸由于其原料來源方便、制備方法簡單、生成成本低等原因而成為固體超強酸中的一個研究熱點。 金屬氧化物固體超強酸在有機酸、醇的酯化反應中，均展示了較高的催化活性。眾多的研究表明，酯化反應需要中等強度的超強酸中心，所以具有中等強度超強酸中心的鈦基固體超強酸成為酯化反應優(yōu)先選擇的催化劑。 目前，此類催化劑的研究內(nèi)容涉及到了：催化劑的制備、酸性測試、表面組成、晶體結構和結晶度、比表面積和孔結構等諸多方面。其中，催化劑的制備方法的研究是重中之重。 催化劑的性能優(yōu)劣決定于催化劑的制備過程。到目前為止，為了提高催化劑的使用壽命，從沉淀法[10]到溶膠凝膠法[11]，從單一氧化物催化劑到摻雜改性的多元催化劑[12]，從硫酸根促進劑到過硫酸根等陰離子促進劑[13]，從微孔[14]到介孔[15]，其著眼點都是改良催化劑的制備過程。 相對于其他的制備方法來說，沉淀法具有簡單易行、成本低等明顯的優(yōu)勢。 已有研究表明[16]，影響沉淀性質(zhì)的因素眾多，而沉淀的性質(zhì)將最終影響所制備固體超強酸催化劑的催化性能。由于四氯化鈦原料鹽遇水時發(fā)生強烈的水解反應，同時會放出大量的熱量，從而使得制備體系的溫度升高，從而對所制備的沉淀的性質(zhì)產(chǎn)生明顯影響。 針對使用四氯化鈦原料鹽要遇到的強烈的熱效應和溫度升高現(xiàn)象，一些研究者提出了低溫沉淀法[17]，所制備的催化劑的性能要優(yōu)于常溫沉淀法。但這些研究，存在一些明顯的不足：（1）對這種熱效應和溫度升高，缺乏定量的實驗測定數(shù)據(jù)；（2）沒有考慮到低溫下其他工藝條件的選擇和優(yōu)化問題。 基于以上考慮，我們選擇乙酸正丁醇的酯化反應作為模型反應，提出一種改進的沉淀法制備鈦基固體超強酸催化劑-低溫稀溶液法，最大限度地消除四氯化鈦的水解熱效應和在氨水中沉淀反應的熱效應對沉淀的影響。同時對硫酸濃度、焙燒溫度等制備工藝條件進行了優(yōu)化。最終能制備得到催化性能優(yōu)良、尤其是其使用壽命得到大幅度提高的鈦基固體超強酸催化劑。
