磁性固体超强酸的制备及催化合成乙酸正丁酯

摘要

固体超强酸(Solid superacid)是一类同时含有Lewis酸中心和Bronsted酸中心的固体，在反应中体现出接受电子和给予质子的能力。在催化烷烃异构化、醇酸酯化、石油裂化加成、芳烃烷基化、芳烃酰基化、烯烃聚合等化工生产中受到极大关注。其弥补了液体酸易产生较多的副反应、严重的污染环境、热稳定性差、易腐蚀设备等众多不足；但催化剂在反应中存在着活性组分易流失、比表面积小、酸强度低，且反应后催化剂难以实现快速分离的问题。因此本研究通过引入其它氧化物；同时引入磁性材料制备多元复合氧化物的磁性纳米固体超强酸(Magnetic solid superacid)，并用于乙酸正丁酯的合成，并深入考察了其催化性能，获得最佳的操作参数和反应动力学参数，为工业化放大提供理论参考。反应结束后通过引入外加磁场将反应体系与催化剂迅速分离，不仅解决了固体酸活性组分易流失、比表面积小、酸强度低的问题，而且快速解决了反应体系难以与催化剂分离的问题。
　　本文以八水氯氧化锆为锆源，六水氯化铝为铝源，纳米铁酸镍粉体为磁核，沉淀剂为质量分数25％的氨水，分散剂为聚乙二醇，利用沉淀浸渍法原理制备出磁性纳米固体超强酸。利用XRD、FTIR、氮气吸附脱附、SEM、TEM、VSM、NH3-TPD等手段进行了表征。结果表明，催化剂结构呈现纳米级，有高达313m2/g的比表面积，表现了超顺磁性和超强酸特性。以催化合成乙酸正丁酯来评价催化剂的催化性能，通过考察醇酸摩尔配比、催化剂用量、反应时间、重复使用性能等操作参数，确定最佳合成工艺条件为：n(乙酸)=0.2mol，n(乙酸):n(正丁醇)=1:1.8，催化剂用量为0.026g/g(乙酸和正丁醇)，反应2h酯化率高达93%以上。且该催化剂可高效分离和多次重复使用，磁性固体超强酸在外加磁场下回收率达96.8%，是一种新型友好的绿色催化剂。
　　通过对乙酸和正丁醇酯化反应的动力学研究，忽略内外扩散的条件下，反应的指前因子k0为1.37×106（mol-1·L/min），反应的活化能Ea为59.65kJ/mol。磁性固体超强酸催化乙酸正丁酯的反应属于二级不可逆反应。

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第一章 绪论

1.1 固体酸催化剂的定义

1.2 固体超强酸的研究概况

1.3 乙酸正丁酯的研究概况

1.4 课题研究的目的意义和内容

第二章 磁性固体超强酸催化剂的制备与表征

2.1 实验部分

2.2 催化剂分析检测方法

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 磁性固体超强酸催化乙酸正丁酯工艺研究

3.1 实验部分

3.2 实验装置

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 磁性固体超强酸催化乙酸正丁酯反应动力学研究

4.1 实验药品及仪器

4.2 实验原理

4.3 实验步骤

4.4 反应过程分析

4.5 乙酸正丁酯的动力学方程

4.6 本章小结

第五章 结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢