含铜类复合氧化物催化环己醇脱氢反应性能的研究

摘要

环己酮是一种重要的有机化工中间体，用于生产己内酰胺(CPL)、己二酸(AA)等;并有良好的乳化能力，常用作油漆、清漆和虫胶的溶剂;环己酮也是制药和精细化学品助剂合成的重要中间体。其中，由其合成的己内酰胺和己二酸是合成纤维尼龙-6和尼龙-66的重要原料。所以，环己醇、环己酮行业的发展依托于己内酰胺和己二酸行业的发展，前景较为广阔。
　　环己醇脱氢制备环己酮是工业上重要的反应，除了脱氢主反应外，还存在脱水和芳构化等副反应。铜基催化剂在环己醇脱氢制备环己酮的反应中显示了较好的催化性能，和传统催化剂相比具有反应温度低，副产物少等特点，因此成为近年来人们研究的重点。
　　本课题在含铜类复合氧化物催化剂合成的基础上，制备了不同的铜基催化剂，并将其应用于环己醇脱氢反应，分别从主活性组分、催化剂载体、各组分间配比、催化剂制备过程中加入表面活性剂方面入手，考察了其对环己醇脱氢反应催化性能的影响。同时也考察了还原条件对铜基催化剂表面结构和催化性能的影响。
　　采用共沉淀法中的恒定pH法合成了Zn-Al2O3催化剂、Cu-Al2O3催化剂、Cu-Zn-Al2O3催化剂，并考察了它们各自催化环己醇脱氢反应的催化活性，催化活性顺序为:Cu-Zn-Al2O3＞Cu-Al2O3＞Zn-Al2O3，实验数据表明Cu-Al2O3催化剂、Cu-Zn-Al2O3催化剂的催化活性高于Zn-Al2O3催化剂，主要因为在这三种催化剂中，主活性组分有金属Cu和金属Zn，但是金属Zn必须得在较高温度下才显示出活性，一般为360℃～450℃。因此，环己醇脱氢制备环己酮选用金属Cu作主活性组分。
　　采用共沉淀法中的恒定pH法和浸渍法合成了不同载体的铜基催化剂Cu-γ-Al2O3、Cu-SiO2、Cu-Zn-Al2O3，催化活性顺序:Cu-Zn-Al2O3＞Cu-γ-Al2O3＞Cu-SiO2， Cu-γ-Al2O3催化剂、Cu-SiO2催化剂的催化活性较低主要是由于Cu组分的分散度较差，导致还原和反应过程中部分Cu组分发生烧结现象以及催化剂在反应过程中生成少量的积碳，最终导致Cu组分活性降低。然而Cu-Zn-Al2O3催化剂在催化过程中显示了较好的催化活性，主要是因为Cu-Zn-Al2O3催化剂中的Cu组分的分散度较高且具有较好的热稳定性，使得Cu-Zn-Al2O3催化剂的催化活性和稳定性提高。因此，环己醇脱氢催化剂宜选择加入适量的助剂Zn和Al分别作分散剂和载体。
　　采用共沉淀法中的恒定pH法合成了结构规整，结晶度高且配比不同的CuZnAl-HTLcs，以其为前躯体焙烧后制得衍生复合氧化物，并应用于环己醇脱氢反应，催化活性顺序为Cu1.00Zn1.00Al1.00＞Cu1.25Zn1.00Al1.00＞Cu1.75Zn1.00Al1.00(≈Cu1.50Zn1.00Al1.00)＞Cu0.75Zn1.00Al1.00＞ Cu0.50Zn1.00Al1.00,结果表明n(Cu)/n(Zn)/n(Al)=1∶1∶1的Cu-Zn-Al2O3催化剂的催化活性较好，在反应温度为260℃时，环己醇的转化率达65.76％，环己酮的选择性达99.48％。Cu-Zn-Al2O3催化剂以Cu为主活性组分，Cu、Zn之间具有一定的协同作用，Cu含量不同，Cu、Zn之间的协同作用和分散度均有区别。故当n(Cu)/n(Zn）/n(Al）=1∶1∶1时，催化活性较好。
　　采用恒定pH值共沉淀法合成配比为的n(Cu)/n(Zn)/n(Al)=1∶1∶1的Cu-Zn-Al2O3催化剂，详细考察了还原条件对催化剂结构及其催化环己醇脱氢反应性能的影响，结果表明，Cu-Zn-Al2O3催化剂较适宜的还原条件为还原温度260℃，还原时间2h。且Cu-Zn-Al2O3催化剂在反应温度250℃，液体进样量0.5mL·min-1，具有较好的活性和选择性，即环己醇转化率达67.59％，环己酮的选择性达99.53％。
　　共沉淀法制备CuZnAl-HTLcs的过程中，根据月桂酸的临界胶束浓度，加入适量的表面活性剂月桂酸，先合成月桂酸和溶液中的金属离子的摩尔比不同的催化剂、再合成n(Cu+Zn)/(Cu+Zn+Al)比值不同的催化剂，并分别考察它们的催化活性，实验数据表明在n(lauric acid)/n(Cu+Zn+Al)=7∶100、n(Cu+Zn)/n(Cu+Zn+Al)=3∶10条件下，Cu-Zn-Al2O3催化剂的催化活性较好，环己醇的转化率可达71.15％，环己酮的选择性达99.26％。反应物转化率的提高主要是因为加入一定量的月桂酸后，使得Cu-Zn-Al2O3催化剂的比表面积有较大的提高，促进了主活性组分在催化剂表面的分散度，增大了催化剂和反应物环己醇的接触面积，使得充分反应。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 环己酮的主要生产方法

1．1．2 环己醇脱氢反应简介

1．1．3 环己醇脱氢反应的研究现状

1．1．4 环己醇脱氢催化剂

1．2 铜基催化剂的制备方法

1．2．1 浸渍法

1．2．2 沉淀法

1．2．3 离子交换法

1．2．4 溶胶-凝胶法

1．3 环己醇脱氢制备环己酮的反应机理

1．4 环己醇脱氢制备环己酮的副反应

1．5 抑制环己醇副反应的方法

1．6 表面活性剂在催化方面的应用

1．7 本文的主要研究意义及内容

第二章 实验部分

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器

2．3 实验方法

2．3．1 催化剂的制备方法

2．3．2 实验装置示意图

2．4 催化剂催化活性的评价

2．5 催化剂的表征

2．6 环己醇脱氢反应的实验数据处理

2．6．1 脱氢产物分析及数据处理

第三章 催化剂的确定

3．1 催化剂的合成

3．1．1 共沉淀法

3．1．2 浸渍法

3．2 金属复合氧化物催化剂催化环己醇的活性金属元素的确定

3．3 金属复合氧化物催化剂载体的确定

3．4 小结

第四章 不同配比的Cu-Zn-Al2O3催化剂催化活性的研究

4．1 催化剂制备

4．2 催化剂物化性能的表征

4．3 Cu-Zn-Al2O3催化剂上环己醇脱氢催化活性评价

4．4 小结

第五章 还原条件对Cu-Zn-Al2O3催化剂催化活性影响的研究

5．1 Cu-Zn-Al2O3催化剂的合成

5．2 Cu-Zn-Al2O3催化剂的表征

5．2．1 Cu-Zn-Al2O3催化剂的织构性质

5．2．2 Cu-Zn-Al2O3催化剂的H2-TPR表征

5．2．3 XRD表征结果

5．2．4 Cu-Zn-Al2O3催化剂的CO2-TPD表征

5．3 Cu-Zn-Al2O3催化剂的环己醇脱氢催化活性的研究

5．3．1 还原条件对环己醇脱氢活性的影响

5．4 Cu-Zn-Al2O3催化剂稳定性的研究

5．5 小结

第六章 添加表面活性剂月桂酸后Cu-Zn-Al2O3催化剂催化活性的研究

6．1 催化剂的制备

6．2 环己醇脱氢反应性能的研究

6．2．1 表面活性剂月桂酸含量的确定

6．2．2 催化剂Cu-Zn-Al2O3中n(Cu+Zn)／(Cu+Zn+Al)比例的确定及其催化性能的研究

6．3 小结

第七章 结论与建议

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表学术论文