復(fù)合固體超強(qiáng)酸S/Fe2O3/Al2O3/ZnO/ZrO2催化劑的制備及其催化性能

趙強(qiáng)，孟雙明，郭永，王俊麗，樊月琴

(山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山西大同 037009)

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，人們對香精、香料的類型及需求不斷加大［1-2］?？s酮的用途主要有糖類物質(zhì)的合成、有機(jī)合成的羰基保護(hù)、有機(jī)合成的中間體和目標(biāo)產(chǎn)物、特殊的反應(yīng)溶劑［3-5］。傳統(tǒng)的合成方法是由酮和醇類在無機(jī)酸或有機(jī)酸催化下縮合而成，優(yōu)點(diǎn)是:產(chǎn)品收率高，催化劑價(jià)格便宜;缺點(diǎn)是產(chǎn)物的純度低，副產(chǎn)物比較多，產(chǎn)生的三廢多。因此，應(yīng)該選擇更好的催化劑。

固體超強(qiáng)酸是對環(huán)境友好的催化劑材料［6-10］，具有制備簡單、耐高溫、不怕水、污染少，設(shè)備無腐蝕、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)的固體超強(qiáng)酸日益?zhèn)涫苋藗兊年P(guān)注。本文重點(diǎn)研究催化合成苯乙酮乙二醇縮酮的固體超強(qiáng)酸S/Fe2O3/Al2O3/ZnO2/ZrO2催化劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

苯乙酮、乙二醇、甲苯、無水硫酸鎂、氨水、硫酸、Fe(NO3)3·9H2O、Al(NO3)3·9H2O、Zn(Ac)2·2H2O、ZrOCl2·8H2O均為分析純。

D/max2500型衍射儀。

1.2 催化劑制備

將 NH3·H2O 滴入 Fe(NO3)3、Al(NO3)3、Zn(Ac)2和ZrOCl2的混合水溶液中，調(diào)節(jié)pH值至9～10，對其進(jìn)行老化、洗滌、干燥，得到混合沉淀。緩慢滴加H2SO4(0.5 mol/L)，浸漬4 h，在120 ℃下干燥6 h，700℃焙燒3 h，得到復(fù)合固體超強(qiáng)酸催化劑S/Fe2O3/Al2O3/ZnO2/ZrO2。

1.3 縮酮反應(yīng)

三頸瓶中按照比例加入苯乙酮、乙二醇、帶水劑甲苯、催化劑，加熱100～120℃回流反應(yīng)，到幾乎無水分出為止，停止反應(yīng)。過濾除去催化劑。濾液用飽和食鹽水水洗至中性，用無水硫酸鎂干燥。常壓下回收甲苯，減壓蒸餾下收集73～75℃ (0.13 kPa)的餾分，即得產(chǎn)品，以苯乙酮為基準(zhǔn)計(jì)算產(chǎn)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 固體酸超強(qiáng)酸催化劑的XRD分析

催化劑的XRD見圖1。

圖1 不同制備溫度下的S/Fe2O3/Al2O3/ZnO2/ZrO2的XRD譜圖Fig.1 XRD pattern of S/Fe2O3/Al2O3/ZnO2/ZrO2 in different preparing temperaturea.550 ℃;b.600 ℃;c.650 ℃;d.700 ℃

由圖1可知，隨著焙燒溫度的升高，晶化開始并緩慢趨于完善，ZnO、Al2O3對Fe2O3和ZrO2的晶化具有促進(jìn)作用，至700℃時(shí)晶化較為完善，此時(shí)Fe2O3和 ZrO2具有較高晶相峰，催化劑 SFe2O3/Al2O3/ZnO2/ZrO2酸性趨于最強(qiáng)。

2.2 催化劑活性評價(jià)

2.2.1 反應(yīng)物摩爾比對產(chǎn)率的影響 苯乙酮用量為0.2 mol，催化劑用量為反應(yīng)物料總質(zhì)量的1.5%，加入20 mL甲苯作帶水劑，回流溫度120℃，反應(yīng)60 min的條件下，考察醇酮比對產(chǎn)品收率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 反應(yīng)物摩爾比對產(chǎn)率的影響Fig.2 Effect of molar ratio of reactants on the yield

由圖2可知，增加反應(yīng)物乙二醇的用量有利于提高收率，當(dāng) n(苯乙酮)∶n(乙二醇)=1∶1.2時(shí)收率最大。這是因?yàn)榉磻?yīng)物乙二醇量少時(shí)反應(yīng)不完全，縮酮收率低;乙二醇量太大時(shí)，容易發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致主反應(yīng)收率下降。因此，確定苯乙酮用量為0.2 mol，n(苯乙酮)∶n(乙二醇)=1∶1.2。

2.2.2 反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)率的影響 苯乙酮用量為0.2 mol，n(苯乙酮)∶n(乙二醇)=1∶1.2，催化劑用量為反應(yīng)物料總質(zhì)量的1.5%，回流溫度120℃，反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)率的影響見圖3。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)率的影響Fig.3 Effect of the reaction time on yield

由圖3可知，增加反應(yīng)時(shí)間，酯化率逐漸增加，反應(yīng)時(shí)間60 min時(shí)，產(chǎn)率為94.8%;繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間，酯化率增加幅度不大。這是由于反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí)，反應(yīng)已基本完成。

2.2.3 帶水劑用量對產(chǎn)率的影響 采用甲苯作帶水劑，苯乙酮用量為 0.2 mol，n(苯乙酮):n(乙二醇)=1∶1.2，催化劑用量為反應(yīng)物料總質(zhì)量的1.5%，回流溫度120℃，反應(yīng)時(shí)間為60 min的條件下，考察帶水劑甲苯的用量對產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 帶水劑用量對產(chǎn)率的影響Fig.4 Effect of amount of the water-entering agent on yield

由圖4可知，帶水劑用量是影響產(chǎn)率高低的重要因素。帶水劑用量少時(shí)，反應(yīng)生成的水不能夠及時(shí)轉(zhuǎn)出，且隨著反應(yīng)溫度的升高，副反應(yīng)隨之發(fā)生，使縮酮產(chǎn)率下降;帶水劑用量多時(shí)，反應(yīng)物的濃度和催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都發(fā)生降低，會降低反應(yīng)溫度，反應(yīng)速度發(fā)生減慢和反應(yīng)時(shí)間增長，使得產(chǎn)率降低。本實(shí)驗(yàn)較適宜的甲苯用量為20 mL。

2.2.4 催化劑用量對產(chǎn)率的影響 采用甲苯作帶水劑，苯乙酮用量為 0.2 mol，n(苯乙酮)∶n(乙二醇)=1∶1.2，回流溫度 120 ℃，反應(yīng)時(shí)間為 60 min的條件下，考察催化劑用量對產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 催化劑用量對產(chǎn)率的影響Fig.5 Effect of amount of catalyst on yield

由圖5可知，催化劑用量為反應(yīng)物料總質(zhì)量的1.5%，產(chǎn)品收率最高。催化劑用量少時(shí)，反應(yīng)不能進(jìn)行完全;用量太多時(shí)，則導(dǎo)致副反應(yīng)增多，降低產(chǎn)品收率。

2.2.5 催化劑的重復(fù)使用性能 采用甲苯作帶水劑，苯乙酮用量為0.2 mol，n(苯乙酮)∶n(乙二醇)=1∶1.2，催化劑用量為反應(yīng)物料總質(zhì)量的1.5%，回流溫度120℃，反應(yīng)時(shí)間為60 min的條件下，考察催化劑的重復(fù)使用次數(shù)對產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 催化劑的重復(fù)使用次數(shù)對產(chǎn)率的影響Fig.6 The effect of recycling times of catalyst on the ratio of esterification with catalysts

由圖6可知，催化劑通過再生后繼續(xù)使用，對酯化率的影響不是太大，重復(fù)使用5次以后，活性僅下降約4%左右，仍保持很高的酯化率。因此，催化劑重復(fù)使用性能良好。

3 結(jié)論

(2)催化劑催化合成苯乙酮乙二醇縮酮的最優(yōu)條件是:在 n(苯乙酮)∶n(乙二醇)=1∶1.2，苯乙酮物質(zhì)的量為0.2 mol，催化劑的量是反應(yīng)物料總質(zhì)量的1.5%，帶水劑甲苯量為 20 mL，反應(yīng)溫度為120℃，反應(yīng)時(shí)間為60 min的條件下，苯乙酮乙二醇縮酮的收率可達(dá)98.8%.

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