本发明属于化学催化剂领域，特别涉及一种用于液相贝克曼重排制备己内酰胺的离子交换树脂催化剂的处理方法。
背景技术：
己内酰胺是一种重要的化工原料，是合成尼龙等聚合物的重要单体。己内酰胺主要是通过环己酮肟通过贝克曼重排反应制得。贝克曼重排反应是一个由酸催化的重排反应，反应物肟在酸的催化作用下重排为酰胺。能够对贝克曼重排反应起催化作用的酸包括乙酸，盐酸和乙酸酐，硫酸及固体酸等。目前工业上已内酰胺合成主要是在浓硫酸或者发烟硫酸的作用下，环己酮肟发生重排反应，然后利用氨中和反应体系中的酸生成己内酰胺及副产物硫酸铵。该反应技术较为成熟，但是会产生大量的廉价硫酸铵，经济效益较差。
为解决该问题，人们研究固体酸为催化剂的贝克曼重排反应工艺，希望降低己内酰胺的生产成本。离子交换树脂是带有官能团(有交换离子的活性基团)、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。一般的，对环己酮肟的贝克曼重排反应具有催化活性的离子交换树脂是带有磺酸基团的强酸型离子交换树脂。但是，当使用离子交换树脂作为催化剂时会生成己内酰胺低聚物，这会导致己内酰胺成本的提高。而且，随着反应的进行，树脂催化剂的孔结构会被产物堵塞，导致其活性基团被覆盖，出现失活现象。
技术实现要素：
为了解决以上技术问题，本发明提出一种用于液相贝克曼重排制备己内酰胺的离子交换树脂催化剂的处理方法。该方法首先通过部分离子交换引入金属离子，减少己内酰胺聚合物的产生，同时进行表面修饰处理，延长树脂催化剂的寿命。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种用于液相贝克曼重排制备己内酰胺的离子交换树脂催化剂的处理方法，包括下述步骤：
s1：配置金属盐溶液；
s2：将强酸型离子交换树脂浸入步骤s1所得的金属盐溶液中，开启搅拌反应一定时间；
s3：将步骤s2所得的离子交换树脂洗至中性；
s4：将步骤s3所得的离子交换树脂浸入修饰液中，开启搅拌；
s5：将步骤s4所得的离子交换树脂洗至中性，并加热烘干；
s6：将步骤s5所得的离子交换树脂及环己酮肟溶于溶剂并置于固定床反应器中，注入反应液并加热，得到产物己内酰胺；
所述步骤s1中，选取具有阻聚作用的金属盐溶液，具体选择为fe(no3)3、zn(no3)、cu(no3)2、cr(no3)3、mn(no3)3、co(no3)2、ni(no3)2、rucl3、pd(no3)2、agno3、la(no3)3和ce(no3)4中的一种或几种；金属离子总浓度为0.01～0.5mol/l，优选为0.1～0.15mol/l；
所述步骤s2中，离子交换树脂选择市售强酸型离子交换树脂nkc-9、amberlyst-15、amberlyst-16、amberlyst-35、amberlyst-36、amberlyst-39等中的一种；
所述步骤s2中，离子交换量为0.01～0.5eq/g，优选为0.15～0.25eq/g，搅拌温度为室温，搅拌时间为30min～60min；
所述步骤s4中，修饰液为十六烷基溴化吡啶、十二烷基苯磺酸钠、硅烷偶联剂、十六烷基三甲基溴化铵中的一种的水溶液，溶液浓度为0.1-6g/l，优选为1-1.5g/l；
所述步骤s4中，树脂与修饰液质量比为1:2～1:25，优选为1:10～1:15，反应温度为25～80℃，优选为60℃，反应时间为1～2h；
所述步骤s5中，烘干温度为120～140℃，烘干时间为4～8h；
所述步骤s6中，反应容器材质为316不锈钢或聚四氟乙烯；
所述步骤s6中，溶剂为二甲基亚亚砜、n,n-二甲基甲酰胺、甲苯、二甲苯、二甲基砜、环己酮一种或几种，优选为二甲基亚砜；
所述步骤s6中，离子交换树脂的使用量为100g/100ml固定床反应器，环己酮肟在溶液中的浓度为100～500g/l，优选为150～250g/l；
所述步骤s6中，反应温度为90-130℃，优选为115-120℃，停留时间为0.1-2h，优选为0.25-0.5h。
本发明的设计原理是：
本发明提出的方法中，通过对强酸型离子交换树脂进行处理提高己内酰胺的选择性及树脂催化剂的寿命。其中，离子交换树脂树脂催化剂是一种带有官能团的、具有网状结构的、不溶的高分子材料。强酸型离子交换树脂的官能团通常为磺酸根，具有强酸型，是贝克曼重排反应中的催化活性基团。
使用未处理的离子交换树脂产物中常有己内酰胺低聚物出现，这导致己内酰胺收率降低，成品成本上升。本领域一般在反应溶液中加入苯醌阻聚剂，但需要分离操作；而fe3+等过渡金属离子有阻聚作用，将其通过离子交换植入树脂催化剂中，能够发挥其阻聚作用，减少低聚物的产生。
离子交换树脂有含有多孔结构，反应过程中反应产物会沉积在催化剂空洞内，使孔隙被堵塞，催化剂活性位被覆盖，最终导致催化剂活性减低甚至失活。本专利发明人创造性的选择使用十二烷基苯磺酸钠等处理树脂表面，能够在树脂表面附着非极性脂肪烃链，改变树脂表面极性，通过少量牺牲催化剂催化活性使产物不再附着在催化剂表面，提高了催化剂寿命。
相对于市售离子交换树脂，本发明提出的处理方法具有以下优势：
1.本发明处理后的离子交换树脂具有更高的己内酰胺的选择性，副产物少；
2.本发明处理后的离子交换树脂寿命长，不需要经常性的活化处理，降低生产操作强度，降低成品成本；
3.本发明处理方法步骤简单，产品规格可控，易于工业放大；
4.本发明处理方法的原料简单、价格低廉。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明创造。实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的适用范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例中，用于制备己内酰胺的强酸型离子交换树脂的处理方法，具体步骤如下：
(1)配置金属离子水溶液，cu(no3)2溶液浓度为0.1mol/；
(2)将1000gnkc-9离子交换树脂投入1l金属离子水溶液中，搅拌1h后取出，洗涤至中性；
(3)配置十二烷基苯磺酸钠水溶液，浓度为0.1g/l；
(4)将1000g步骤(2)所得的树脂催化剂浸入10l步骤(3)所得的处理液中，在60℃温度下搅拌2h，然后将树脂催化剂洗涤至中性，在120℃下烘干4h；
(5)配置环己酮肟的二甲基亚砜溶液，环己酮肟的浓度为150g/l；
(6)将步骤(4)所得的树脂催化剂100g置于100ml固定床中，加热并保持反应器温度为90℃，将步骤(5)所得的环己酮肟溶液通过固定床的停留时间为15min；
(7)将步骤(6)得到的产物进行气相色谱分析。
测试结果如表1所示。
实施例2
本发明实施例中，所述强酸型离子交换树脂的处理方法，具体步骤如下：
(1)配置金属离子水溶液，zn(no3)2溶液浓度为0.1mol/；
(2)将1000gamberlyst-15离子交换树脂投入1.5l金属离子水溶液中，搅拌1h后取出，洗涤至中性；
(3)配置十二烷基苯磺酸钠水溶液，浓度为1.5g/l；
(4)将1000g步骤(2)所得的树脂催化剂浸入2l步骤(3)所得的处理液中，在60℃温度下搅拌2h，然后将树脂催化剂洗涤至中性，在120℃下烘干4h；
(5)配置环己酮肟的甲苯溶液，环己酮肟的浓度为500g/l；
(6)将步骤(4)所得的树脂催化剂100g置于100ml固定床中，加热并保持反应器温度为115℃，将步骤(5)所得的环己酮肟溶液通过固定床的停留时间为15min；
(7)将步骤(6)得到的产物进行气相色谱分析。
测试结果如表1所示。
实施例3
本发明实施例中，所述强酸型离子交换树脂的处理方法，具体步骤如下：
(1)配置金属离子水溶液，rucl3溶液浓度为0.01mol/；
(2)将1000gnkc-9离子交换树脂投入1l金属离子水溶液中，搅拌1h后取出，洗涤至中性；
(3)配置十六烷基三甲基溴化铵水溶液，浓度为1g/l；
(4)将1000g步骤(2)所得的树脂催化剂浸入10l步骤(3)所得的处理液中，在60℃温度下搅拌2h，然后将树脂催化剂洗涤至中性，在120℃下烘干4h；
(5)配置环己酮肟的甲苯溶液，环己酮肟的浓度为250g/l；
(6)将步骤(4)所得的树脂催化剂100g置于固定床中，加热并保持反应器温度为100℃，将步骤(5)所得的环己酮肟溶液通过固定床的停留时间为15min；
(7)将步骤(6)得到的产物进行气相色谱分析。
测试结果如表1所示。
实施例4
本发明实施例中，所述强酸型离子交换树脂的处理方法，具体步骤如下：
(1)配置金属离子水溶液，fe(no3)3溶液浓度为0.1mol/；
(2)将1000gamberlyst-39离子交换树脂投入1l金属离子水溶液中，搅拌1h后取出，洗涤至中性；
(3)配置十六烷基三甲基溴化铵水溶液，浓度为1g/l；
(4)将1000g步骤(2)所得的树脂催化剂浸入20l步骤(3)所得的处理液中，在60℃温度下搅拌2h，然后将树脂催化剂洗涤至中性，在120℃下烘干4h；
(5)配置环己酮肟的二甲基亚砜溶液，环己酮肟的浓度为250g/l；
(6)将步骤(4)所得的树脂催化剂100g置于固定床中，加热并保持反应器温度为110℃，将步骤(5)所得的环己酮肟溶液通过固定床的停留时间为30min；
(7)将步骤(6)得到的产物进行气相色谱分析。
测试结果如表1所示。
实施例5
本发明实施例中，所述强酸型离子交换树脂的处理方法，具体步骤如下：
(1)配置金属离子水溶液，fe(no3)3溶液浓度为0.5mol/；
(2)将1000gamberlyst-15离子交换树脂投入1l金属离子水溶液中，搅拌1h后取出，洗涤至中性；
(3)配置十六烷基三甲基溴化铵水溶液，浓度为1g/l；
(4)将1000g步骤(2)所得的树脂催化剂浸入12l步骤(3)所得的处理液中，在60℃温度下搅拌2h，然后将树脂催化剂洗涤至中性，在120℃下烘干4h；
(5)配置环己酮肟的二甲基砜溶液，环己酮肟的浓度为500g/l；
(6)将步骤(4)所得的树脂催化剂100g置于固定床中，加热并保持反应器温度为130℃，将步骤(5)所得的环己酮肟溶液通过固定床的停留时间为6min；
(7)将步骤(6)得到的产物进行气相色谱分析。
测试结果如表1所示。
实施例6
本发明实施例中，所述强酸型离子交换树脂的处理方法，具体步骤如下：
(1)配置金属离子水溶液，fe(no3)3、mn(no3)3溶液浓度分别为0.12mol/、0.08mol/l；
(2)将1000gamberlyst-15离子交换树脂投入0.5l金属离子水溶液中，搅拌1h后取出，洗涤至中性；
(3)配置十六烷基溴化吡啶水溶液，浓度为1.2g/l；
(4)将1000g步骤(2)所得的树脂催化剂浸入10l步骤(3)所得的处理液中，在60℃温度下搅拌2h，然后将树脂催化剂洗涤至中性，在120℃下烘干4h；
(5)配置环己酮肟的n,n-二甲基甲酰胺溶液，环己酮肟的浓度为250g/l；
(6)将步骤(4)所得的树脂催化剂100g置于固定床中，加热并保持反应器温度为120℃，将步骤(5)所得的环己酮肟溶液通过固定床的停留时间为60min；
(7)将步骤(6)得到的产物进行气相色谱分析。
测试结果如表1所示。
实施例7
本发明实施例中，所述强酸型离子交换树脂的处理方法，具体步骤如下：
(1)配置金属离子水溶液，co(no3)32、ni(no3)2溶液浓度分别为0.05mol/、0.05mol/l；
(2)将1000gamberlyst-15离子交换树脂投入1l金属离子水溶液中，搅拌1h后取出，洗涤至中性；
(3)配置十六烷基溴化吡啶水溶液，浓度为6g/l；
(4)将1000g步骤(2)所得的树脂催化剂浸入25l步骤(3)所得的处理液中，在60℃温度下搅拌2h，然后将树脂催化剂洗涤至中性，在120℃下烘干4h；
(5)配置环己酮肟的甲苯溶液，环己酮肟的浓度为100g/l；
(6)将步骤(4)所得的树脂催化剂100g置于固定床中，加热并保持反应器温度为110℃，将步骤(5)所得的环己酮肟溶液通过固定床的停留时间为30min；
(7)将步骤(6)得到的产物进行气相色谱分析。
测试结果如表1所示。
对比例1
使用市售nkc-9离子交换树脂，不经处理直接使用，评价方式同实施例1。
测试结果如表1所示。
对比例2
同实施例1，区别在于不使用金属离子改性。
测试结果如表1所示。
对比例3
同实施例1，区别在于不使用表面处理液处理。
测试结果如表1所示。
表1：实施例及对比例数据
实施例的结果表明，使用本发明方法处理的离子交换树脂，其己内酰胺的选择性及催化剂耐久性较未处理的树脂均有明显的提高。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。