本发明涉及化学催化剂的合成技术领域，具体涉及一种醋酸铱催化剂的制备方法。
背景技术：
铱是一种具有相当延展性的银白色贵金属，其熔点2410℃、沸点4130℃，一般为面心立方晶体。通常，商品铱的形态是粉末状，即铱粉。目前，铱粉的国内市场价格在10～20万元/千克。
金属铱是合成其他含铱化合物及制备含铱催化剂的初始原料。铱和铱化合物的广泛应用就是作为各种化学反应，例如异构化反应、氢甲酰化反应或羰基化反应的催化剂的用途。目前，由铱或其化合物催化的特殊的羰基化反应已经得到重视。其中一个例子就是生成醋酸或其反应性衍生物的铱催化的甲醇羰基化反应。
醋酸铱是重要的化工催化剂，可作为甲醇羰基化制备醋酸的反应的催化剂。
醋酸铱催化剂的传统制备方法是：将金属铱粉经过一系列反应制备氯铱酸，通常是将金属铱粉与碱性氧化物在高温炉中反应，反应产物溶解在酸里，经过滤洗涤分离出未反应的铱粉，所得滤液与王水反应后再与氯化铵反应得到氯铱酸铵沉淀，过滤洗涤后得到的氯铱酸铵再与王水反应浓缩得到氯铱酸；然后再由氯铱酸经过一系列反应制备醋酸铱催化剂。此醋酸铱制备工艺过程复杂，且铱的损失较大。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种以铱粉为原料，制备过程简单，铱的损失量少的合成醋酸铱的方法。
根据本发明，提供了一种醋酸铱催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：
a)将铱粉和混碱混合并加热进行反应；
b)将步骤a)得到的反应产物冷却后洗入盐酸中，搅拌反应；
c)向步骤b)的反应物流中加入王水，继续搅拌反应，然后固液分离；
d)用碱金属氢氧化物溶液滴定步骤c)中固液分离得到的液体至碱性，产生沉淀；
e)将步骤d)产生的沉淀分离，并洗入醋酸水溶液中，加热回流反应；以及
f)将步骤e)的反应物料蒸馏浓缩，得到醋酸铱催化剂。
根据本发明，将铱粉和混碱反应后，先加入盐酸溶解反应产物，再加入王水反应产生氯铱酸，然后直接加入碱液反应，再将固体分离后与醋酸溶液反应得到醋酸铱产物。可见，本发明无需将中间产生的氯铱酸分离提纯，而直接一步到位生成醋酸铱。与现有技术相比，在本发明方法的反应过程中，也无需利用氯化铵反应得到氯铱酸铵之后，再次与王水反应才产生氯铱酸。可见，本发明提供的方法比现有方法简单，且节省试剂、减少废液的产生。此外，方法步骤的缩减对于贵金属反应而言能够带来显著的优势，因为步骤的缩减能够减少贵金属的流失量，从而提高利用率和回收率、减少损失率，故而能够节约成本。
在本发明的方法中，所使用的水优选为去离子水、蒸馏水或超纯水。
根据本发明，所述“混碱”是指碱性化合物的混合物，优选为碱金属氢氧化物和碱金属过氧化物的固体混合物。
优选地，所述碱金属氢氧化物与所述碱金属过氧化物的质量比为1:(1-5)，优选1:(2-4)，还优选1：(2.5-3.5)。根据本发明，在该比例范围中，能够使步骤a)的反应适度地进行，进而给后续的反应和处理带来积极的影响，最终获得较佳的反应效果。
进一步优选地，所述碱金属氢氧化物包括或选自氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化锂中的至少一种，优选氢氧化钠；所述碱金属过氧化物包括或选自过氧化钠、过氧化钾和过氧化锂中的至少一种，优选过氧化钠。
根据本发明的一些优选实施方案，在步骤a)中，所述铱粉的质量为混碱质量的30-50％，优选36-44％。在该用量比例范围中，能够获得较好的反应效果，铱损失率低、产物产量高。
优选地，在步骤a)中，所述反应在500-720℃、优选600-700℃的温度下进行。
进一步优选地，步骤a)经过程序升温进行反应，并优选经过如下升温程序进行反应：
i.从室温加热至160-240℃、优选200℃±10％，保持温度10-60min、优选20-40min；
ii.继续升温至460-540℃、优选500℃±5％，保持温度10-60min、优选20-40min；优选升温速率100-150℃/小时；
iii.继续升温至610-720℃、优选650-700℃，保持2-3.5h、优选2.5-3h。
优选地，升温程序i的升温速率50-100℃/小时。
优选地，升温程序ii的升温速率100-150℃/小时。
优选地，升温程序iii的升温速率50-100℃/小时。
通过采用上述的反应升温程序，能够使反应平稳快速地进行，既节约了反应时间又能获得较好的反应结果。
在步骤a)中，优选将铱粉和混碱的混合物放在坩埚上，然后将坩埚至于高温炉、如马弗炉中加热反应。
根据本发明，步骤步骤b)中，所述盐酸的浓度为11.0-12.5mol/L，优选所述盐酸为浓盐酸。
优选地，盐酸的用量为所述混碱质量的5-15倍。
优选地，步骤b)中所述反应的温度为66-84℃、优选70-80℃；优选反应时间1-3小时。
通过先加入适量的浓盐酸，能够使铱粉与混碱的反应产物尽可能地被溶解，然后再加入王水使所述反应产物进一步地充分溶解，并且加入王水还能够稳定铱的价态，同时还能减少王水的用量。因此，步骤b)和c)的设置对于反应结果具有重要意义。
在本发明的优选实施方案中，在步骤c)中，王水的用量为所述混碱质量的2-5倍。优选地，步骤c)中所述反应的温度为76-94℃、优选80-90℃；优选反应的时间为1-2小时。
优选地，在步骤c)中，在充分反应后，适当冷却后再进行固液分离。优选用少量去离子水洗涤固体。所述固体即为未反应的铱粉，可以循环使用。
因此，在本发明的优选实施方案中，本发明提供的方法还包括：将步骤c)中固液分离得到的固体用水洗涤，并回收。
在本发明的优选实施方案中，还将步骤c)中固液分离得到的液体进行蒸馏，以回收酸，然后再将浓缩液用碱金属氢氧化物溶液滴定至碱性，产生沉淀。
优选地，在步骤d)中，所述碱金属氢氧化物溶液的浓度为20-40wt％、优选20-30wt％；所述碱金属氢氧化物优选为氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化锂中的至少一种。
优选地，步骤d)中的液体被滴定至pH值8.6-10.3，优选9-10。此时产生大量的蓝色沉淀，优选热过滤，即步骤e)中的分离优选为热过滤的方式。得到的固体优选用去离子水洗涤，过滤；所述去离子水的用量优选为混碱质量的15-25倍，优选洗涤3次。将热过滤和洗涤产生的滤液合并，测定混合滤液中的铱含量，即为损失的少量铱，可计算本发明方法中的铱的损失率。
在本发明的优选实施方案中，在步骤e)中，所述醋酸水溶液含水5-20wt％，优选8-14wt％。优选地，所述醋酸水溶液的用量为步骤a)所加入铱粉质量的20-40倍，优选26-34倍。还优选地，步骤e)中所述反应的时间为15-36小时，优选20-28小时。在该步骤中，待固体全部溶解后，即为醋酸铱的冰醋酸溶液，通过减压蒸馏浓缩到一定浓度后，即制得醋酸铱催化剂。
在步骤f)中，可以根据需要，将步骤d)的反应物料蒸馏浓缩至一定浓度，例如蒸馏至醋酸铱溶液中的铱含量为50wt％以上，得到所需的醋酸铱产品。
在本发明中，“固液分离”优选为过滤，如减压过滤、真空过滤等。
本发明提供的醋酸铱的制备方法具有显著的优势：合成过程简单，铱粉单程转化率高，目标产物产量高，铱的损失率低，如＜0.3％。众所周知，铱粉是十分昂贵的贵金属，因此铱粉的充分利用、减少损失率具有十分突出的经济利益。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步解释说明，但应理解，本发明的范围不限于此。
实施例1
将铱粉4.5克与混碱12克充分混合后加入坩埚中。混碱为质量比为1:3的氢氧化钠和过氧化钠的固体混合物。将坩埚放入马弗炉中，按照如下升温程序进行反应：
从常温以80℃/小时的升温速率升温到200℃，保持温度半小时，然后以120℃/小时的升温速率升温到500℃，保持温度半小时，然后以80℃/小时的升温速率升温到650℃，保持2.5小时，然后自然冷却降温。
将反应产物洗入100毫升浓盐酸中，在70～80℃下搅拌2小时。再加入王水30毫升，在80～90℃下搅拌1.5小时，将反应产物充分溶解。
反应物料适当冷却后过滤，滤饼用少量去离子水洗涤，滤饼即为未反应的铱粉，干燥后称重为0.39克，可以循环利用。将所有滤液集中在一起，蒸馏回收酸。然后，将浓缩液在70～80℃搅拌情况下，用30％的氢氧化钾溶液滴定至pH值9.3，此时产生大量蓝色沉淀。趁热过滤，滤饼每次用200毫升的去离子水洗涤3次，过滤；将该热过滤的滤液和洗涤滤液合并，用ICP(电感耦合等离子体质谱，安捷伦7500cx，下同)分析铱含量，结果为滤液中含铱0.0095克。
将滤饼洗入含水10％的150毫升冰醋酸中，在回流状态下加热反应24小时，待固体全部溶解后，即为醋酸铱的冰醋酸溶液，通过减压蒸馏浓缩到醋酸铱溶液中的铱含量例如为50wt％以上，即制得醋酸铱催化剂。
经计算，铱的转化率为91.3％，铱的损失率为0.21％。
实施例2
将铱粉5.0克与混碱12克充分混合后加入坩埚中。混碱为质量比为1:4的氢氧化钠和过氧化钠的固体混合物。将坩埚放入马弗炉中，按照如下升温程序进行反应：
从常温以80℃/小时的升温速率升温到200℃，保持温度半小时，然后以120℃/小时的升温速率升温到500℃，保持温度半小时，然后以80℃/小时的升温速率升温到680℃，保持2.5小时，然后自然冷却降温。
将反应产物洗入100毫升浓盐酸中，在70～80℃下搅拌2小时。再加入王水30毫升，在80～90℃下搅拌1.5小时，将反应产物充分溶解。
反应物料适当冷却后过滤，滤饼用少量去离子水洗涤，滤饼即为未反应的铱粉，干燥后称重为0.45克，可以循环利用。将所有滤液集中在一起，蒸馏回收酸。然后浓缩液在70～80℃搅拌情况下，用30％的氢氧化钠溶液滴定至pH值9.6，此时产生大量蓝色沉淀。趁热过滤，滤饼每次用200毫升的去离子水洗涤3次，过滤；将该热过滤的滤液和洗涤滤液合并，用ICP分析铱含量，结果为滤液中含铱 0.0098克。
将滤饼洗入含水14％的150毫升冰醋酸中，在回流状态下加热反应20小时，待固体全部溶解后，即为醋酸铱的冰醋酸溶液，通过减压蒸馏浓缩到醋酸铱溶液中的铱含量为50wt％以上，即制得醋酸铱催化剂。
经计算，铱的转化率为91.0％，铱的损失率为0.20％。
实施例3
将铱粉4.0克与混碱12克充分混合后加入坩埚中。混碱为质量比为1:2.5的氢氧化钾和过氧化钾的固体混合物。将坩埚放入马弗炉中，按照如下升温程序进行反应：
从常温以60℃/小时的升温速率升温到200℃，保持温度20min，然后以120℃/小时的升温速率升温到500℃，保持温度40min，然后以90℃/小时的升温速率升温到700℃，保持3小时，然后自然冷却降温。
将反应产物洗入120毫升浓盐酸中，在80℃下搅拌3小时。再加入王水40毫升，在80～90℃下搅拌1.5小时，将反应产物充分溶解。
反应物料适当冷却后过滤，滤饼用少量去离子水洗涤，滤饼即为未反应的铱粉，干燥后称重为0.37克，可以循环利用。将所有滤液集中在一起，蒸馏回收酸。然后浓缩液在70～80℃搅拌情况下，用25％的氢氧化钠溶液滴定至pH值9～10，此时产生大量蓝色沉淀。趁热过滤，滤饼每次用200毫升的去离子水洗涤3次，过滤；将该热过滤的滤液和洗涤滤液合并，用ICP分析铱含量，结果为滤液中含铱0.0088克。
将滤饼洗入含水14％的150毫升冰醋酸中，在回流状态下加热反应20小时，待固体全部溶解后，即为醋酸铱的冰醋酸溶液，通过减压蒸馏浓缩到醋酸铱溶液中的铱含量为50wt％以上，即制得醋酸铱催化剂。
经计算，铱的转化率为90.7％，铱的损失率为0.22％。
可见，本发明提供的醋酸铱制备方法，步骤简单、铱转化率高且损失率少，具有可观的工业应用前景。
虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、不同具体实施方式的各部分、和列举的各种特征可被组合或全部或部分互换。在上述的各个具体实施方式中，那些参考另一个具体实施方式的实施方式可适当地与其它实施方式组合，这是将由本领域技术人员所能理解的。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。