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        Pd和甲醛對(duì)Ag/C催化四氯化碳原位液相加氫脫氯性能的影響

        2013-10-22 06:22:38周秀蓮魯墨弘李明時(shí)單玉華朱建軍
        關(guān)鍵詞:助劑甲醛轉(zhuǎn)化率

        周秀蓮,魯墨弘,朱 劼,李明時(shí),單玉華,朱建軍

        (常州大學(xué) 石油化工學(xué)院,江蘇 常州213164)

        四氯化碳對(duì)臭氧層具有很強(qiáng)的破壞性。根據(jù)《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》,四氯化碳的生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)被禁止。而工業(yè)上所有甲烷氯化物(如一氯甲烷、二氯甲烷和氯仿)生產(chǎn)工藝均會(huì)副產(chǎn)四氯化碳。因此,如何有效處理和利用四氯化碳已成為該領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展必須解決的難題。目前,對(duì)四氯化碳的處理最有效的方法是通過催化加氫使之轉(zhuǎn)化為有用的化合物。一般該轉(zhuǎn)化是在貴金屬Pt、Pd或者兩者組合的催化劑上與H2反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)[1-4]。Weiss等[5]最先發(fā) 現(xiàn) Pt/Al2O3催化劑 可 以對(duì)四氯化碳進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化。Lu等[6]研究了溶劑對(duì)四氯化碳液相催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)甲醇為溶劑時(shí)最利于提高Pd/C催化劑活性。孫建芝等[7]研究了四氯化碳液相加氫制氯仿的催化劑,發(fā)現(xiàn)在Pd/C中加入助劑Ag有效抑制了甲烷的生成,提高了氯仿的選擇性。盡管催化加氫法是綠色生產(chǎn)工藝,但H2來源不易,給企業(yè)生產(chǎn)帶來了困難[8]。Pena等[9]研究了甲醇催化分解制氫,發(fā)現(xiàn)合成甲醇的催化劑可以用于甲醇催化分解制氫的反應(yīng)中,其中以Cu基催化劑為主。因此,無需外加氫源的催化加氫反應(yīng)技術(shù)引起了人們的關(guān)注,這類新的液相催化加氫反應(yīng)體系具有良好的應(yīng)用前景[10]。

        在本研究中,筆者考察了助劑對(duì)四氯化碳原位液相催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)的影響,重點(diǎn)考察了雙金屬催化劑中Pd/Ag摩爾比和助劑甲醛用量對(duì)Ag/C催化劑性能的影響,并探討了助劑的作用機(jī)制。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 催化劑制備

        采用等體積浸漬法制備Ag/C催化劑。采用共浸漬法制備雙金屬Pd-Ag催化劑,將配制好的相應(yīng)濃度的硝酸銀和氯化鈀溶液浸漬在20~40目的活性炭顆粒上,浸漬24h后,將樣品于120℃干燥12h,然后置于立式固定床中,在25mL/min H2流下,400℃還原3h。還原結(jié)束后停止加熱,冷卻至室溫,取出密封備用。制備的所有催化劑中,Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為8%。含Pd和Ag的催化劑記為Pd-Ag(x)/C,其中,x為Pd和Ag的摩爾比(x=0.01、0.03和0.05)。

        1.2 催化劑活性評(píng)價(jià)

        采用100mL有聚四氟內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜評(píng)價(jià)催化劑的催化活性。將5mL CCl4和25mL甲醇及0.3g催化劑加入反應(yīng)釜后,擰緊釜蓋和取樣閥,用N2置換反應(yīng)釜中的空氣至少3次,然后通入所需壓力的N21MPa,并開啟磁力攪拌器和控溫儀。待溫度升到130℃、壓力至2MPa,開始反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)釜用冷水迅速冷卻至室溫,然后緩慢打開排氣閥釋放反應(yīng)器內(nèi)的壓力,尾氣經(jīng)堿液吸收后放空,通過抽濾回收催化劑和反應(yīng)液。反應(yīng)過程中,每隔一段時(shí)間收集液體產(chǎn)物,采用美國(guó)VARIAN CP-3800氣相色譜儀分析產(chǎn)物組成。色譜條件:30m×0.53mm SE-30彈性石英毛細(xì)管柱,F(xiàn)ID檢測(cè),柱溫40~80℃,檢測(cè)室、氣化室溫度均為250℃,液相進(jìn)樣量0.2μL。主要液相產(chǎn)物為CH2Cl2和CHCl3,反應(yīng)過程中幾乎不產(chǎn)生CH4氣體,可采用歸一化法定量。

        1.3 甲醇/甲醛分解反應(yīng)

        甲醇或甲醛的分解反應(yīng)在高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行。將物料及0.3g Ag/C催化劑加入反應(yīng)釜后,先用N2置換反應(yīng)釜中的空氣至少3次,再用Ar置換反應(yīng)釜中的N2至少3次,然后通入所需壓力的Ar 1MPa,并開啟磁力攪拌器和控溫儀。待升到溫度130℃、壓力2MPa,開始反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)釜與質(zhì)譜儀連接,先開啟質(zhì)譜儀走基線,載氣為Ar。待基線穩(wěn)定后,關(guān)閉Ar,打開釜的排氣閥,使釜內(nèi)氣體進(jìn)入質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測(cè)。待氣體檢測(cè)完畢后,關(guān)閉排氣閥,打開載氣Ar。

        1.4 催化劑的表征

        采用日本理學(xué)D/max 2500PC粉末X-射線衍射儀分析樣品的晶相。Cu靶/石墨單色器,步進(jìn)掃描,Ni濾波,管電壓40kV,管電流80mV。

        采用英國(guó)Thmu公司Multilab2000型X射線光電子能譜儀測(cè)定催化劑的表面組成和元素的化合態(tài)。光源為Mg-Kα,通過能20eV,以C1s(284.6eV)峰來校準(zhǔn)其他元素的XPS峰。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 甲醇分解反應(yīng)產(chǎn)物

        考察了甲醇在Ag/C催化劑作用下的分解反應(yīng),通過質(zhì)譜檢測(cè)CO2、CO、和H2。反應(yīng)9h后釜內(nèi)產(chǎn)物的質(zhì)譜檢測(cè)結(jié)果示于圖1。

        從圖1可以看出,在釜內(nèi)氣體進(jìn)入質(zhì)譜儀0.01min后開始檢測(cè)到釜內(nèi)氣體信號(hào),Ar濃度沒有反應(yīng)前走基線時(shí)的濃度高,因此Ar響應(yīng)值略微下降。而H2響應(yīng)值較基線顯著上升了2個(gè)數(shù)量級(jí),說明反應(yīng)生成了大量的H2,同時(shí)也檢測(cè)到了CO2和CO。因此,可以證明在Ag/C催化劑和所給反應(yīng)條件下,甲醇可以發(fā)生自身分解反應(yīng),產(chǎn)生H2,從而可作為加氫反應(yīng)的氫源。甲醇的分解反應(yīng)如式(1)所示。

        圖1 質(zhì)譜檢測(cè)的甲醇分解反應(yīng)結(jié)果Fig.1 The result of decomposition reaction of methanol detected by MS

        2.2 助催化劑Pd對(duì)Ag/C催化劑性能的影響

        在Ag/C催化劑中加入不同量的Pd制備成Pd-Ag(x)/C催化劑(x=n(Pd)/n(Ag)),考察其在CCl4原位液相催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)中的催化活性。CCl4轉(zhuǎn)化率及各產(chǎn)物選擇性隨反應(yīng)時(shí)間的變化示于圖2。

        從圖2可以看出,在空白實(shí)驗(yàn)中,即不加催化劑、其余條件保持不變的情況下,9h后CCl4轉(zhuǎn)化率為36.6%。這可能是因?yàn)樵谠摲磻?yīng)條件下,CCl4與甲醇反應(yīng)生成HCl,反應(yīng)釜雖然使用了四氟內(nèi)襯,不能保證完全與釜內(nèi)壁隔絕,HCl蒸氣會(huì)對(duì)反應(yīng)釜產(chǎn)生一定的腐蝕,形成的Fe2+溶解在反應(yīng)液中,F(xiàn)e2+和Fe可能為還原劑[11],將CCl4還原脫氯生成CH2Cl2和 CHCl3。Deng等[12]通過加入能與 Fe2+形成絡(luò)合物的試劑證實(shí),參與還原反應(yīng)的Fe2+的數(shù)量有限。此外,如果沒有有效的催化劑,很難產(chǎn)生活性氫,且與空白實(shí)驗(yàn)相比,使用催化劑后CCl4轉(zhuǎn)化率大幅提高,因此,可以忽略Fe對(duì)反應(yīng)的影響。故以下內(nèi)容中無特別要求,省略與空白實(shí)驗(yàn)的對(duì)比,且每組CCl4的轉(zhuǎn)化率中均包含F(xiàn)e對(duì)于CCl4的轉(zhuǎn)化率的貢獻(xiàn)。

        圖2 Pd-Ag(x)/C催化CCl4液相轉(zhuǎn)化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率(X)和產(chǎn)物選擇性(s)隨反應(yīng)時(shí)間的變化Fig.2 Conversion(X)and product selectivity(s)vs reaction time of CCl4liquid phase conversion reaction over Pd-Ag(x)/C catalyst

        從圖2還可見,微量Pd的加入明顯提高了Ag/C催化劑的活性。隨著x的增加,即Pd-Ag(x)/C催化劑中Pd含量的增加,催化活性逐漸增加;但當(dāng)x增加為0.05時(shí),催化活性反而下降。反應(yīng)2h時(shí),采用Ag/C催化劑的CCl4轉(zhuǎn)化率為44.1%;采用Pd-Ag(0.01)/C、Pd-Ag(0.03)/C和 Pd-Ag(0.05)催 化 劑 時(shí), 轉(zhuǎn) 化 率 分 別 為 64.3%、82.4% 和77.0%。Pd的加入對(duì)產(chǎn)物選擇性沒有影響,CH2Cl2和CHCl3選擇性之比值保持在6/4左右。這是因?yàn)榧状荚赑d-Ag(x)/C催化劑的作用下發(fā)生分解,催化劑表面形成活性物Ag-H,同時(shí)也形成了活性物[Pd0-H];隨著Pd含量的增加,活性物[Pd0-H]在催化劑表面富集得越來越多,使得催化劑的活性增強(qiáng)。但是當(dāng)Pd負(fù)載量過大,分布在載體上的金屬粒子變大,甚至發(fā)生團(tuán)聚,從而降低金屬活性中心的利用率,同時(shí)也影響了Ag的活性,使得產(chǎn)生的活性氫減少。因此Pd-Ag(0.03)/C為該反應(yīng)的最適宜催化劑。

        2.3 液體助劑對(duì)CCl4原位液相加氫脫氯反應(yīng)的影響

        2.3.1 甲醛溶液加入量的影響

        由于甲醛為強(qiáng)還原劑,選擇甲醛溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%~40%)為助劑,控制加入反應(yīng)體系的液體的總體積為30mL,考察了甲醛溶液加入量對(duì)Ag/C催化CCl4液相轉(zhuǎn)化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性的影響,結(jié)果如圖3所示。

        圖3 甲醛溶液加入量對(duì)Ag/C催化CCl4液相轉(zhuǎn)化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率(x)和產(chǎn)物選擇性(s)的影響Fig.3 Effect of formaldehyde solution addition on conversion and product selectivity(s)of CCl4liquid phase catalytic conversion(x)reaction over Ag/C catalyst

        由圖3可以看出,在反應(yīng)體系中加入甲醛溶液,CCl4轉(zhuǎn)化率明顯增加。隨著甲醛溶液加入量的增加,CCl4轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。反應(yīng)2h時(shí),不加甲醛溶液,CCl4轉(zhuǎn)化率為44.1%;加入2、5和10mL甲醛溶液后,轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到83.4%、84.9%和77.0%。由此可見,當(dāng)加入2mL甲醛溶液,CCl4轉(zhuǎn)化率就增加了近1倍;隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),甲醛溶液的加入量為5mL時(shí),CCl4轉(zhuǎn)化率較2mL時(shí)略高。當(dāng)甲醛溶液加入量為10mL時(shí),CCl4轉(zhuǎn)化率反而有所下降,這是因?yàn)榧兹┤芤哼^多時(shí),水量就多,導(dǎo)致體系分層,從而抑制了反應(yīng)的進(jìn)行。張?zhí)煊赖龋?3]曾利用甲醛還原法代替催化加氫法,將硝基還原為胺基。向反應(yīng)體系中加入甲醛溶液作為助劑,一方面甲醛在催化劑作用下,可發(fā)生分解產(chǎn)生H2;另一方面因其具有較強(qiáng)的還原性[14-15],可加快催化劑表面形成的Ag-Cl物種還原為Ag的進(jìn)程,使得催化劑表面的Ag-H物種增多。

        由圖3還可以看出,甲醛溶液的加入使產(chǎn)物的選擇性有明顯的改變。不加甲醛時(shí),CH2Cl2和CHCl3同時(shí)生成,且其選擇性隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)基本保持穩(wěn)定,分別在60%和40%左右。加入甲醛后,CH2Cl2和CHCl3也是同時(shí)生成,但隨著甲醛量的增加,CH2Cl2選擇性明顯增加,而CHCl3選擇性顯現(xiàn)下降的趨勢(shì);隨著反應(yīng)進(jìn)行,CH2Cl2選擇性緩慢下降,CHCl3選擇性緩慢上升。甲醛溶液加入量為5mL和10mL時(shí),CH2Cl2和CHCl3選擇性變化不大。

        盡管甲醛溶液的加入量為5mL時(shí),CCl4轉(zhuǎn)化率較加入量2mL時(shí)略高,但CH2Cl2選擇性明顯提高。因此,選擇甲醛溶液量為5mL進(jìn)行下一步研究。

        2.3.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

        石小玉[16]研究發(fā)現(xiàn),少量的水對(duì)CCl4的轉(zhuǎn)化反應(yīng)有促進(jìn)作用。由于甲醛溶液中含有大量的水,為了驗(yàn)證甲醛對(duì)反應(yīng)的促進(jìn)作用,筆者選用三聚甲醛(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%)作為助劑。本反應(yīng)體系為酸性體系,而三聚甲醛在酸的作用下,可重新分解成甲醛,它是甲醛的一種特殊商品形式。經(jīng)計(jì)算,5mL上述甲醛溶液中水的體積為2.7mL,甲醛的摩爾量與2.1g三聚甲醛中甲醛的摩爾量相當(dāng)??疾炝?.7 mL水和2.1g三聚甲醛單獨(dú)存在下對(duì)CCl4催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性的影響,結(jié)果如圖4所示。

        圖4 甲醛和水對(duì)CCl4催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性的影響Fig.4 Effect of formaldehyde and H2O on conversion and product selectivity of CCl4liquid phase catalytic conversion reaction

        由圖4可以看出,甲醛加入對(duì)CCl4轉(zhuǎn)化率的影響較大。反應(yīng)1h時(shí),不加任何助劑,CCl4轉(zhuǎn)化率為24.4%;加入助劑H2O、甲醛溶液和三聚甲醛,對(duì)應(yīng) 的 CCl4轉(zhuǎn) 化 率 分 別 為 42.6%、69.1% 和87.6%。單獨(dú)加入2.7mL H2O后,CCl4轉(zhuǎn)化率上升,與石小玉[16]的研究結(jié)果相吻合。與H2O相比,加入甲醛溶液后,CCl4轉(zhuǎn)化率明顯上升,說明甲醛溶液中甲醛對(duì)該反應(yīng)的促進(jìn)作用比H2O明顯。而加入三聚甲醛比加入甲醛溶液時(shí)的CCl4轉(zhuǎn)化率更高,這可能因?yàn)槿奂兹┘尤敕磻?yīng)體系后就被分解為甲醛,其甲醛量與甲醛溶液中的甲醛量相等,但甲醛溶液會(huì)帶入過量的水,對(duì)反應(yīng)不利。這一驗(yàn)證結(jié)果更加證實(shí)了甲醛對(duì)CCl4催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)的促進(jìn)作用。

        由圖4還可以看出,與不加任何助劑相比,2.7mL H2O的加入對(duì)產(chǎn)物的選擇性沒有明顯影響,CH2Cl2選擇性保持在60%左右,CHCl3選擇性保持在40%左右。當(dāng)向體系中加入甲醛溶液后,CH2Cl2選擇性明顯提高,CHCl3選擇性明顯下降;隨著反應(yīng)的進(jìn)行,CH2Cl2選擇性呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),由96.1%下降到76.3%;CHCl3選擇性呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),由3.9%上升至22.8%。向體系中加入三聚甲醛,CH2Cl2選擇性最高,保持在90%左右,CHCl3選擇性保持在10%左右。說明甲醛的加入明顯改變了CCl4液相催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)的產(chǎn)物分布。

        2.4 CCl4液相催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)中甲醛作用機(jī)制的初步探討

        2.4.1 反應(yīng)前后Ag/C催化劑的晶相結(jié)構(gòu)和Ag價(jià)態(tài)的變化

        對(duì)加有甲醛溶液的CCl4液相催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)前后的Ag/C催化劑進(jìn)行了XRD表征,結(jié)果如圖5所示。

        圖5 加有甲醛溶液的CCl4液相催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)前后Ag/C催化劑的XRD和XPS譜Fig.5 XRD and XPS patterns of Ag/C catalyst after CCl4liquid phase catalytic conversion reaction with formaldehyde solution added

        由圖5可以看出,反應(yīng)前Ag/C催化劑在2θ為38.1°、44.3°、64.5°和 77.8°處出現(xiàn)了比較明顯的Ag的特征衍射峰。不加甲醛溶液反應(yīng)9h后的Ag/C催化劑的XRD譜中出現(xiàn)AgCl的特征衍射峰[17]。經(jīng)計(jì)算,0.3g Ag/C催化劑中含0.22mmol的Ag,5μL CCl4含0.21mmol的Cl。也就是說5μL CCl4幾乎可以將0.3g Ag/C催化劑的Ag全部轉(zhuǎn)化為AgCl;當(dāng)將CCl4的量放大到1000倍,即5mL時(shí),反應(yīng)9h,CCl4轉(zhuǎn)化率仍在90%左右(見圖2),說明該催化反應(yīng)還是能進(jìn)行下去。筆者直接制備了與Ag/C催化劑中Ag的摩爾量相等的AgCl/C的催化劑,其反應(yīng)活性與Ag/C相當(dāng)。筆者猜想在無甲醛的反應(yīng)體系中,Ag/C催化劑表面經(jīng)歷了由活性組分Ag轉(zhuǎn)變?yōu)锳gCl,然后又被還原為Ag的循環(huán)往復(fù)的過程,從而保證了催化劑的活性。

        反應(yīng)體系中加入甲醛溶液反應(yīng)后的Ag/C催化劑均具有AgCl的特征衍射峰,同時(shí)在2θ為38.1°處出現(xiàn)Ag(111)晶面的衍射峰,且隨著甲醛溶液量的增加,該衍射峰逐漸增強(qiáng)。這說明在反應(yīng)體系中,甲醛的加入可能加速了催化劑表面Ag-Cl物種還原為Ag的循環(huán)過程,從而保證了催化劑的活性。

        反應(yīng)前后Ag/C催化劑的XPS譜見圖5。由于XPS對(duì)Ag不敏感,因此不能精確地從化學(xué)位移來判斷Ag的價(jià)態(tài)。從圖5可見,反應(yīng)前的Ag/C催化劑只有1種價(jià)態(tài)的Ag,根據(jù)其結(jié)合能并結(jié)合圖5 XRD表征結(jié)果可以認(rèn)為,是0價(jià)態(tài)的金屬Ag。反應(yīng)后的Ag/C催化劑明顯存在2種不同價(jià)態(tài)的Ag,結(jié)合圖5XRD表征結(jié)果可以認(rèn)為,它們是Ag0和Ag+1。由此筆者推測(cè),在反應(yīng)過程中,Ag0總是存在,由它催化甲醇的分解,產(chǎn)生反應(yīng)所需的活性氫(Ag-H)。

        2.4.2 甲醛分解反應(yīng)

        考察了甲醛溶液在Ag/C催化劑作用下的自身分解反應(yīng),通過質(zhì)譜檢測(cè)H2,結(jié)果示于圖6。

        圖6為Ar氛圍中,甲醛在Ag/C催化劑作用下發(fā)生分解反應(yīng),反應(yīng)9h后釜內(nèi)產(chǎn)物經(jīng)質(zhì)譜檢測(cè)的結(jié)果。從圖6可以看出,甲醛分解反應(yīng)產(chǎn)生的氣體極少,因此Ar響應(yīng)值幾乎不變;H2(實(shí)線表示)響應(yīng)值上升了0.5個(gè)數(shù)量級(jí),與空氣中H2(虛線表示)的響應(yīng)值相當(dāng)。與甲醇分解反應(yīng)檢測(cè)的氣體信號(hào)相比(見圖1),可以認(rèn)為在催化劑和所給反應(yīng)條件下,甲醛分解反應(yīng)中幾乎不產(chǎn)生H2。

        圖6 質(zhì)譜檢測(cè)的甲醛自身分解反應(yīng)結(jié)果Fig.6 The result of decomposition reaction of formaldehyde detected by MS

        綜上可知,反應(yīng)體系的活化氫主要由甲醇提供,甲醛主要起加速催化劑表面Ag-Cl物種還原為活性物種Ag的作用。

        3 結(jié) 論

        (1)采用Pd摻雜的Ag/C催化劑,不改變CCl4轉(zhuǎn)化反應(yīng)的產(chǎn)物分布,但明顯提高了Ag催化劑的活性,以n(Pd)/n(Ag)為0.03的Pd-Ag/C催化劑的活性最高。

        (2)助劑甲醛溶液的加入明顯提高了Ag/C催化劑催化CCl4轉(zhuǎn)化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和CH2Cl2的選擇性,以甲醛溶液為5mL時(shí)轉(zhuǎn)化率和CH2Cl2的選擇性最高,同時(shí)證實(shí)甲醛溶液中的甲醛對(duì)反應(yīng)的促進(jìn)作用明顯大于水的促進(jìn)作用。

        (3)助劑三聚甲醛的加入明顯提高了Ag/C催化劑催化CCl4轉(zhuǎn)化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和CH2Cl2的選擇性。三聚甲醛在酸的作用下,可分解成甲醛,起到甲醛的作用。甲醛在該體系中主要起加速催化劑表面Ag-Cl物種還原為Ag的作用。

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