微反应器内沸石与ZIF-8膜的制备及其催化Knoevenagel缩合反应性能研究

摘要

化工过程的微型化是近些年来化工技术领域的一大趋势。作为微化工技术研究的核心，微反应器依靠其强化传质传热、操作安全连续、容易工业放大等优势，在连续催化反应和有机合成等领域获得了广泛的研究。而其中微反应器内催化剂的固定装填问题及构建高效稳定的催化微反应器是关键和难点之一。本文针对不同微反应器的特点，通过不同的组装策略和方法，在微反应器内制备厚度可调的沸石及ZIF-8膜层，构建的膜微反应器应用于催化Knoevenagel缩合反应评价其性能。主要研究内容和结果如下:
　　(1)针对毛细石英管微通道长径比大的特点和常规静态釜内无法制备连续沸石膜层的难点，采用连续流动的合成策略制备了均匀连续的NaX沸石膜层。通过优化合成条件，研究调控膜厚度的规律，结果表明:改变膜合成时间，可方便调控制备不同厚度的沸石膜层。该方法操作简单，为毛细管内制备沸石膜催化层或载体层并构建膜微反应器提供了新思路。NaX沸石膜经Cs+交换形成CsNaX沸石膜催化微反应器，应用于催化苯甲醛与氰基乙酸乙酯的Knoevenagel缩合反应，在优化条件下可获得目标产物接近100％的收率。而且通过在反应体系内引入强吸水性的离子液体IL-BMIC作为水吸收剂，避免反应产生的水对CsNaX催化层的中毒，可使膜催化微反应器稳定运行50 h以上而未见明显失活，解决了沸石催化层的水热失活问题。该过程可实现反应的连续生产，具有潜在的应用开发前景。
　　(2)以毛细石英管作为微通道反应器，针对石英表面惰性、ZIF-8难成核生长成膜的问题，分别采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)辅助和ZnO诱导成核生长两种策略，研究优化流动合成法制备均匀连续的ZIF-8膜。在优化的合成条件下，膜层的厚度可通过膜合成时间来调控，为MOFs膜微反应器的构建提供了新途径。基于疏水性ZIF-8的催化功能，将构建的ZIF-8膜微反应器应用于催化苯甲醛与氰基乙酸乙酯的Knoevenagel缩合反应，在温和的反应条件下可获得目标产物接近100％的收率。与CsNaX沸石膜微反应器相比，ZIF-8膜微反应器表现出温和条件下更高效的催化性能。
　　(3)在多通道片式不锈钢微反应器内，采用常规合成釜内静态法制备了ZIF-8/NaA复合膜。针对不锈钢微通道粗糙的表面形貌和大孔结构，首先采用晶种诱导法制备了均匀连续的NaA沸石层作为中间过渡层，填补载体的大孔使其表面趋于平整;然后通过化学生长制备ZnO层作为功能层诱导制备了连续均匀的ZIF-8膜催化层，ZIF-8沿着NaA沸石膜表面生长形成了ZIF-8/NaA复合膜结构。将此ZIF-8/NaA复合膜微反应器应用于催化苯甲醛与氰基乙酸乙酯的Knoevenagel缩合反应，在温和条件下获得目标产物接近100％的收率，ZIF-8本身的疏水性可防止反应产生的水中毒，催化活性至少保持50h而未出现明显失活，表现出优良的催化活性和稳定性。该过程为MOFs膜催化微反应器的应用提供了很好的开发前景。
　　(4)在多通道的片式不锈钢微反应器内，基于不锈钢的粗糙表面及导电性，采用物理沉积法和电化学方法沉积ZnO层作为载体修饰和诱导生长双功能层制备了均匀连续的ZIF-8膜层。通过研究沉积不同形态ZnO层、膜合成时间、膜合成液浓度以及活化步骤对制备ZIF-8膜形貌的影响规律，获得了一种在不锈钢微通道内直接制备ZIF-8膜的最佳工艺。将此构建的ZIF-8膜催化微反应器应用于催化苯甲醛与氰基乙酸乙酯的Knoevenagel缩合反应，在温和条件可获得接近100％的目标产物收率，表现出优良的催化活性和稳定性。同ZIF-8/NaA复合膜微反应器相比，该构建方法表现出制备工艺更为简便的优势。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 现代化工与微化工技术

1．2 微反应器

1．2．1 微反应器概况

1．2．2 微反应器的特征

1．2．3 微反应器的潜在优势

1．2．4 微反应器的应用

1．3 微反应器内的催化层制备技术

1．3．1 微反应器通道内多孔功能涂层制备策略

1．3．2 微反应器内沸石、MOFs及其膜功能涂层制备技术

1．4 本文主要研究思路

2 毛细石英管微通道内NaX沸石膜制备及其Knoevenagel缩合反应性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料及试剂

2．2．2 NaX沸石晶种的制备

2．2．3 毛细石英管微通道内NaX沸石膜的制备

2．2．4 NaX沸石晶种及其膜的表征

2．2．5 毛细石英管微通道内NaX沸石膜Knoevenagel缩合反应性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 毛细石英管微通道内NaX沸石晶种层的制备表征

2．3．2 毛细石英管微通道内制备NaX沸石膜的条件优化与膜厚调控

2．3．3 毛细石英管微通道内NaX沸石膜Knoevenagel缩合反应性能评价

2．4 本章小结

3 毛细石英管微通道内ZIF-8膜制备及Knoevenagel缩合反应性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料及试剂

3．2．2 毛细石英管微通道内APTES辅助原位流动制备ZIF-8膜

3．2．3 毛细石英管微通道内ZnO诱导辅助流动制备ZIF-8膜

3．2．4 毛细石英管微通道内ZnO棒及ZIF-8膜的表征

3．2．5 毛细石英管微通道内ZIF-8膜的Knoevenagel缩合反应性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 毛细石英管微通道内APTES辅助原位流动制备ZIF-8膜的条件优化与膜厚调控

3．3．2 毛细石英管微通道内ZnO诱导辅助流动制备ZIF-8膜的条件优化与膜厚调控

3．3．3 毛细石英管微通道内ZIF-8膜的Knoevenagel缩合反应性能评价

3．4 本章小结

4 不锈钢微通道内ZIF-8／NaA复合膜制备及Knoevenagel缩合反应性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料及试剂

4．2．2 不锈钢微通道内NaA沸石膜的制备

4．2．3 不锈钢微通道内ZIF-8／NaA复合膜的制备

4．2．4 不锈钢微通道内NaA沸石膜及ZIF-8膜的表征

4．2．5 不锈钢微通道内ZIF-8／NaA复合膜的Knoevenagel缩合反应性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 不锈钢微通道内NaA沸石膜的形成及其对ZIF-8膜制备的影响

4．3．2 NaA沸石膜修饰的不锈钢微通道内制备ZIF-8膜的影响条件

4．3．3 不锈钢微通道内ZIF-8／NaA复合膜的Knoevenagel缩合反应性能评价

4．4 本章小结

5 不锈钢微通道内ZnO诱导ZIF-8膜制备及其Knoevenagel缩合反应性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验原料及试剂

5．2．2 不锈钢微通道内不同形态ZnO层的制备

5．2．3 不锈钢微通道内ZnO诱导ZIF-8膜的制备

5．2．4 不锈钢微通道内不同形态ZnO层及ZIF-8膜的表征

5．2．5 不锈钢微通道内ZnO诱导制备ZIF-8膜的Knoevenagel缩合反应性能测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 不锈钢微通道内制备方法及条件对ZnO层及ZIF-8膜形貌的影响

5．3．2 不锈钢微通道内不同形态ZnO层诱导制备ZIF-8膜的影响条件

5．3．3 不锈钢微通道内ZnO诱导制备ZIF-8膜的Knoevenagel缩合反应性能评价

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介