丙酮一步法合成甲基异丁基酮用催化剂及制备方法与流程

本发明属于催化
技术领域：
，具体涉及丙酮一步法合成甲基异丁基酮用负载型催化剂及制备方法。
背景技术：
：以丙酮合成甲基异丁基酮的方法主要分为三步法和一步法，三步法即丙酮在碱催化作用下缩合得到二丙酮醇，然后在酸催化作用下二丙酮醇脱水生成异亚丙基丙酮，再在活性组分作用下加氢得到mibk，采用的催化剂分别为naoh、h2so4和cu(或ni)基催化剂，存在环境污染、工艺繁琐和腐蚀设备等问题，而丙酮一步法合成甲基异丁基酮包含缩合、脱水和加氢三步，所用催化剂需同时具备酸或碱性中心和活性金属中心的多功能催化剂，并且多功能催化剂具有易得廉价、可重复利用以及环境友好等特点。其技术的关键在于高活性和选择性的催化剂的开发。目前丙酮一步法合成甲基异丁基酮的生产工艺中广泛采用的催化剂类型主要有pd/树脂和pd/氧化物两类。pd/树脂类催化剂虽然具有适宜的酸性中心，该类催化剂虽然mibk产率较高(丙酮转化率可达40％，甲基异丁基酮选择性可达95％)，但存在催化剂稳定性差和活性组分pd易流失等问题。专利cn104588098a公开了用有机溶剂处理的氢型强酸性阳离子树脂为载体，pd为活性组分的催化剂，虽然该催化剂性能较好，但是反应条件苛刻，树脂耐高温性能差。pd/氧化物类催化剂优点是活性组分不易流失，不腐蚀设备，但存在产率低和副产物多的问题。专利102190568a公开了用有机钙盐修饰氧化铝负载钯作催化剂合成mibk，但丙酮转化率和mibk选择性较低，分别为34.2％，94.01％。水滑石(简称ldhs)是一类二维层状阴离子型粘土材料，其重要结构特点包括：层板金属阳离子种类及比例具有可调控性且呈原子水平高度分散；层间存在着阴离子平衡主体层板电荷，且ldhs层间阴离子的共轭酸性对表面酸性也有明显影响，表面酸碱性可调变，对纳米颗粒具有强吸附性和限域效应等。本发明利用ldhs酸碱可调的性质，通过调控阳离子和层间阴离子的种类及数量的方法制备集丙酮缩合、脱水和加氢三种功能于一体的多功能协同催化剂，以实现对mibk产率的提高，大幅度提高催化剂的稳定性。技术实现要素：：本发明的目的是提供一种丙酮一步法合成甲基异丁基酮用催化剂及其制备方法。本发明所提供的丙酮一步法合成甲基异丁基酮用催化剂，为一种负载型钯催化剂，其化学式为：pd/m1m2ox-a，其中pd的负载量为0.01～5％，m1m2ox代表m1m2复合金属氧化物，m1为mg2+、zn2+、co2+和ca2+中的一种或多种，m2为al3+、ti4+、fe3+和cr3+中的一种或多种，a为s、n和cl中的一种，a的质量含量为0.1～5％。上述负载型催化剂的制备方法，具体步骤如下：a.将可溶性m1、m2盐溶于去离子水中配制混合盐溶液，其中m1、m2离子总浓度为0.1～1mol/l，m1与m2摩尔比为1～5；再按照尿素摩尔量与溶液中金属离子总摩尔量之比为1～10:1的比例将尿素加入上述混合盐溶液中，于100～200℃下反应5～24h，过滤，用去离子水洗涤沉淀至上清液ph＝7～8，于40～60℃干燥6～12h，即得到碳酸根插层的水滑石，记为m1m2-co32--ldhs；所述的可溶性m1盐为mg2+、zn2+、co2+、ca2+的硝酸盐、硫酸盐和氯盐中的一种或多种，较佳的是mg(no3)2、zn(no3)2、co(no3)2和ca(no3)2中的一种或多种；可溶性m2盐为al3+、ti4+、fe3+和cr3+的硝酸盐、硫酸盐和氯盐中的一种或多种，较佳的是al(no3)3、ti(so4)2、fe(no3)3和cr(no3)3中的一种或多种。b.将上述得到的m1m2-co32--ldhs，于400～600℃下焙烧3～12h，将得到的焙烧产物加入a'n-盐溶液中，其中焙烧产物与a'n-盐的质量比值为1：0.001～2；在氮气氛围下搅拌5～24h，离心过滤、并洗涤至上清液ph＝7～8，于60℃真空干燥，得到a'n-阴离子插层的水滑石，表示为m1m2-a'n--ldhs；a'n-代表阴离子no3-、so42-和cl-；所述的a'n-盐溶液为kno3、nano3、na2so4、(nh4)2s2o8和nacl的水溶液中的一种，其浓度为0.001～1mol/l；c.将上述a'n-阴离子插层的水滑石溶于去离子水中配制固含量为100～300g/l的悬浮液，边搅拌边滴加碱液调节ph为10～12，所述的碱液为naoh或koh中的一种，浓度为0.1～5mol/l；d.向上述悬浮液中加入可溶性pd盐溶液，按照pd与载体的质量比为0.01～5％确定pd盐溶液和悬浮液的加入量，继续搅拌2～7h，离心过滤、并洗涤至上清液ph＝7～8，于60℃干燥6～12h，得到催化剂前驱体；所述的可溶性pd盐是：pd(nh3)4cl2和na2pdcl4中的一种，较好的为na2pdcl4溶液；所述的pd盐溶液浓度为1～100mmol/l，较佳的浓度为20～50mmol/l。e.将催化剂前驱体于气氛环境中200～700℃下进行2～6h的再处理，得到pd/m1m2ox-a催化剂；所述的气氛环境为氢气、氢氮混合气环境中的一种，所述的氢氮混合气中氢气与氮气的体积比为10:10～90。对得到的样品进行如下表征：图1为实施例1制备的pd/mg3alox-cl催化剂的xrd谱图。从图1中可以看出只有mgo的特征衍射峰，而未观测到任何al2o3特征峰，这是因为al2o3以无定形形态存在，且未观察到催化剂活性组分pd的特征衍射峰，可能是由于其低的pd负载量。图2为实施例1制备的pd/mg3alox-cl催化剂的hrtem照片。从图2可看出制得的多功能负载型pd催化剂中，活性组分均匀的分散在载体表面，且平均粒径为4.2nm。图3为实施例1制备的pd/mg3alox-cl催化剂的co2程序升温脱附谱图和nh3程序升温脱附谱图，从图中可以看出，催化剂表面具有丰富的弱酸碱位点和中强酸碱位点。图4为实施例2制备的pd/mg4alox-cl催化剂在丙酮一步法合成mibk反应中丙酮转化率与mibk选择性对时间的曲线。当反应时间为5h时，丙酮转化率为38.2％，mibk选择性为82.3％。本发明的有益效果：本发明利用水滑石层间阴离子可调的特性，通过引入不同电负性的层间阴离子调控负载型催化剂的酸碱性质，制得具有适宜酸碱性中心的负载型催化剂pd/m1m2ox-a。此外由于水滑石焙烧产物对纳米颗粒的强吸附性，使pd纳米颗粒稳定存在于载体表面，具有较好的结构稳定性。所制备的多功能负载型pd催化剂在丙酮一步法合成甲基异丁基酮反应中表现出较高的丙酮转化率与甲基异丁基酮选择性，催化性能突出，可有效降低生产成本。附图说明：图1为实施例1制备的催化剂的xrd谱图。图2为实施例1制备的催化剂的hrtem照片。图3为实施例1制备的催化剂的co2程序升温脱附谱图和nh3程序升温脱附谱图。图4为实施例2制备的催化剂在丙酮一步法合成mibk反应中丙酮转化率与mibk选择性对时间的曲线。具体实施方式：实施例1a称取8.735gmg(no3)2·6h2o、4.260gal(no3)3·9h2o和6.195g尿素，加入100ml去离子水溶解，将此溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中，在150℃反应6h，反应结束后离心至上清液ph＝7，于60℃烘箱中充分干燥，得到mg3al-co32--ldhs；b将上述得到的mg3al-co32--ldhs，于450℃下焙烧5h，将3.0g焙烧产物加入25ml0.1mol/lnacl溶液中；氮气氛围下搅拌12h，离心过滤、并洗涤至上清液ph＝7～8，于60℃真空干燥，得到cl-离子插层的水滑石，表示为mg3al-cl--ldhs；c称取3.0gmg3al-cl--ldhs加入10ml去离子水，在搅拌条件下加入浓度为0.5mol/l的naoh溶液，使溶液ph＝10，加入570ul50mmol/l的na2pdcl4溶液，继续搅拌3h，离心过滤、并洗涤至上清液ph＝7，于60℃干燥6h，得到催化剂前驱体；d将催化剂前驱体于h2/n2＝1:9气氛中450℃下焙烧还原5h，得到多功能催化剂pd/mg3alo4.5-cl。测得其中pd的质量百分含量为0.1％，cl质量百分含量为3％。实施例2a称取9.23gmg(no3)2·6h2o、3.370gal(no3)3·9h2o和6.195g尿素，加入100ml去离子水溶解，将此溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中，在150℃反应6h，反应结束后离心至上清液ph＝7，于60℃烘箱中充分干燥，得到mg4al-co32--ldhs；b、c和d同实施例1，得到多功能催化剂pd/mg4alo5.5-cl，其中pd的质量百分含量为0.1％，cl质量百分含量为3％。实施例3a称取8.375gmg(no3)2·6h2o、4.260gal(no3)3·9h2o和6.195g尿素，加入100ml去离子水溶解，将此溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中，在150℃反应6h，反应结束后离心至上清液ph＝7，于60℃烘箱中充分干燥，得到mg3al-co32--ldhs；b将上述得到的mg3al-co32--ldhs样品于500℃下焙烧5h，将其加入10ml0.07mol/l(nh4)2s2o8溶液中，其中焙烧产物的质量为3.0g；氮气氛围下搅拌10h，离心过滤、并洗涤至上清液ph＝7，于60℃真空干燥：得到so42-离子插层的水滑石mg3al-so42--ldhs。c称取3.0gmg3al-so42--ldhs加入10ml去离子水，在搅拌条件下加入浓度为0.2mol/l的naoh溶液，使溶液ph＝11，加入564ul50mmol/l的na2pdcl4溶液，继续搅拌2h，离心过滤、并洗涤至上清液ph＝7，于60℃干燥6h，得到催化剂前驱体；d将催化剂前驱体于h2/n2＝1:9气氛中450℃下焙烧还原5h，得到多功能催化剂pd/mg3alo4.5-s，其中pd的质量百分含量为0.1％，s质量百分含量为1.5％。对制备的pd/mg3alox-s催化剂进行x射线荧光光谱分析，结果见表1，可看出催化剂中s的质量百分含量与投料量相近，在误差允许范围内，可认为该催化剂制备过程中s无损失。表1元素含量(％)pdmgalsopd/mg3alo4.5-s0.139.6815.781.5042.94实施例4a称取4.361gmg(no3)2·6h2o、4.080gti(so4)2和3.5g尿素，加入100ml去离子水溶解，将此溶液转移至聚四氟乙烯应釜中，在150℃反应6h，反应结束后离心至上清液ph＝7，于60℃烘箱中充分干燥，得到mgti-co32--ldhs；b将上述得到的mgti-co32--ldhs，于500℃下焙烧5h，将其加入15ml0.1mol/lna2so4溶液中，其中焙烧产物的质量为2.0g；氮气氛围下搅拌24h，离心过滤、并洗涤至上清液ph＝7，于60℃真空干燥，得到so42-离子插层的水滑石，表示为mgti-so42--ldhs；c称取2.0gmgti-so42--ldhs加入5ml去离子水，在搅拌条件下加入浓度为0.3mol/l的naoh溶液，使溶液ph＝11，加入940ul40mmol/l的na2pdcl4溶液，继续搅拌3h，离心过滤、并洗涤至上清液ph＝7，于60℃干燥6h，得到催化剂前驱体；d将催化剂前驱体于h2/n2＝1:9气氛中450℃下焙烧还原8h，得到多功能催化剂pd/mgtio3-s，其中pd的质量百分含量为0.2％，n质量百分含量为2.4％。实施例5a称取4.367gmg(no3)2·6h2o、4.014gca(no3)2、4.26gal(no3)3·9h2o和6.195g尿素，加入100ml去离子水溶解，将此溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中，在130℃反应8h，反应结束后离心至上清液ph＝7，于60℃烘箱中充分干燥，得到ca1.5mg1.5al-co32--ldhs；b将上述得到的ca1.5mg1.5al-co32--ldhs，于550℃下焙烧5h，将其加入20ml0.1mol/lna2so4溶液中，其中焙烧产物的质量为2.0g；氮气氛围下搅拌18h，离心过滤、并洗涤至上清液ph＝7，于60℃真空干燥，得到so42-离子插层的水滑石，表示为ca1.5mg1.5al-so42--ldhs；c称取2.0gca1.5mg1.5al-so42--ldhs加入5ml去离子水，在搅拌条件下加入浓度为0.1mol/l的koh溶液，使溶液ph＝12，加入375ul50mmol/l的pd(nh3)4cl2溶液，继续搅拌5h，离心过滤、并洗涤至上清液ph＝7，于80℃干燥12h，得到催化剂前驱体；d将催化剂前驱体于h2/n2＝1:9气氛中450℃下焙烧还原6h，得到多功能催化剂pd/ca1.5mg1.5alo4.5-s，其中pd的质量百分含量为0.1％，s质量百分含量为3.2％。实施例6a称取8.735gmg(no3)2·6h2o、1.319gti(so4)2、2.130g的al(no3)3·9h2o和6.195g尿素，加入100ml去离子水溶解，将此溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中，在130℃反应8h，反应结束后离心至上清液ph＝7，于60℃烘箱中充分干燥，得到mg3al0.5ti0.5-co32--ldhs；b将上述得到的mg3al0.5ti0.5-co32--ldhs，于450℃下焙烧5h，将其加入10ml0.12mol/lnano3溶液中，其中焙烧产物的质量为2.0g；氮气氛围下搅拌24h，离心过滤、并洗涤至上清液ph＝7，于60℃真空干燥，得到no3-离子插层的水滑石，表示为mg3al0.5ti0.5-no3--ldhs；c称取2.0gmg3al0.5ti0.5-no3--ldhs加入5ml去离子水，在搅拌条件下加入浓度为0.1mol/l的koh溶液，使溶液ph＝11，加入940ul20mmol/l的pd(nh3)4cl2溶液，继续搅拌5h，离心过滤、并洗涤至上清液ph＝7，于80℃干燥12h，得到催化剂前驱体；d将催化剂前驱体于h2/n2＝1:9气氛中450℃下焙烧还原8h，得到多功能催化剂pd/mg3al0.5ti0.5o4.75-n，其中pd的质量百分含量为0.1％，n质量百分含量为0.8％。应用例将实施例1-6中制备的负载型钯催化剂应用于丙酮一步法合成甲基异丁基酮反应，进行活性评价实验：将10ml纯度为99.5％的丙酮溶液和1.35g催化剂加入到25ml高压反应釜中，密闭完全后，室温下用h2/n2＝1:3混合气进行排气10次，然后充入h2/n2＝1:3混合气2mpa，转速为220r/min，搅拌加热至120℃，充入高纯氢2.8mpa，恒温反应5小时，反应结束后，用冰浴使反应釜迅速冷却至室温，减少反应物和产物的挥发，通过有机相膜过滤，实现反应液与催化剂的分离，反应液中反应物、产物的含量通过气相色谱进行分析，数据处理方式为内标法。催化剂的催化性能结果列于表2，采用本发明催化剂，丙酮转化率最高可达51.5％，甲基异丁基酮选择性最高可达93.7％，其产率比文献报道高出15％，可有效降低生产成本。表2当前第1页12