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        金屬離子改性NaY分子篩催化合成檸檬酸三丁酯

        2014-04-03 02:02:04單佳慧曹宇鋒喻紅梅丁欣宇
        精細石油化工進展 2014年2期
        關(guān)鍵詞:丁酯正丁醇酯化

        單佳慧,曹宇鋒,喻紅梅,丁欣宇

        (南通大學化學化工學院,江蘇南通 226019)

        隨著塑料制品的廣泛應用,塑料加工中的重要添加劑——增塑劑的安全性越來越引起人們的關(guān)注。無毒增塑劑的開發(fā)和使用是大勢所趨。檸檬酸三丁酯(TBC)是性能優(yōu)良、用途廣泛的無毒增塑劑,被美國食品和藥品管理局(FDA)批準用于藥品包裝、醫(yī)療器具、兒童玩具和個人衛(wèi)生用品等方面[1]。

        近幾年,關(guān)于合成檸檬酸三丁酯的催化劑報道較多,如離子交換樹脂、對甲基苯磺酸、固體超強酸和離子液體等[2-5]。離子交換樹脂具有可連續(xù)化生產(chǎn)、選擇性高和對設備腐蝕小等優(yōu)點,但溶劑可溶脹樹脂,從而降低催化性能。對甲苯磺酸作催化劑在后處理及環(huán)境污染方面存在一定的問題。其他催化劑存在制備工藝復雜,成本較高等問題,在工業(yè)應用中受到一定的限制。分子篩催化合成檸檬酸三丁酯是一個重要的研究方向。

        目前,采用金屬離子改性的NaY分子篩催化合成TBC報道很少。筆者采用液相離子交換法制備了CuY、CeY和FeY分子篩,并用于TBC的催化合成。

        1 實驗部分

        1.1 試劑與儀器

        NaY分子篩(硅鋁比為2.34),上海欣年石化助劑有限公司;酚酞指示劑,上海精細化工科技有限公司;一水合檸檬酸、正丁醇、硝酸鈰、硝酸銅、硝酸鐵等均為分析純,西隴化工股份有限公司。

        D8 Advance X射線粉末衍射儀,德國Bruker公司;Thermo Nicolet 370 FT-IR紅外光譜儀,美國Nicolet公司;WZS-1型阿貝折光儀,上海光學儀器廠。

        1.2 催化劑的制備

        稱取10 g NaY分子篩3份,分別置于100 mL,0.1 mol/L的硝酸銅,硝酸鈰,硝酸鐵的水溶液中,室溫下進行離子交換24 h,真空抽濾、洗滌,110 ℃干燥12 h。此離子交換過程重復操作2次,馬弗爐中450 ℃焙燒6 h,分別制得CuY、CeY和FeY分子篩,所得試樣保存在密閉的干燥器中備用。

        1.3 酯化反應

        在裝有回流冷凝管、分水器、攪拌器及溫度計的三口燒瓶中,按一定比例加入檸檬酸和正丁醇,攪拌加熱,待檸檬酸完全溶解后加入分子篩催化劑,計時,取樣測定初始酸值(GB/1668—1981)??刂品磻獪囟龋扛粢欢〞r間測酸值。結(jié)束反應,冷卻過濾分離出催化劑,蒸餾回收過量的正丁醇,再經(jīng)堿洗、水洗、脫水,減壓蒸餾得檸檬酸三丁酯。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 催化劑的XRD譜圖

        對制備的催化劑試樣用德國Bruker公司的D8 Advance X射線粉末衍射儀分析,圖1 為NaY、CuY、CeY和FeY分子篩的XRD譜圖。從圖1可以看出,負載金屬后的分子篩與NaY晶相相似,只是分子篩衍射峰的相對強度略有減弱,表明離子交換和焙燒過程未對NaY的骨架結(jié)構(gòu)造成破壞,離子交換改性的分子篩仍然保留著NaY分子篩的基本結(jié)構(gòu)。

        圖1 分子篩的XRD譜圖

        2.2 催化劑的選擇

        催化劑用量為檸檬酸質(zhì)量的3 %,酸醇物質(zhì)的量比為1∶4,回流條件下反應5 h,NaY、CuY、CeY和FeY對TBC的催化效果見圖2。

        圖2 催化劑對酯化率的影響

        從圖2可以看出,在其他反應條件相同時,CeY對TBC的催化活性最高,可能是因為Ce提高了分子篩表面的酸性。因此,酯化反應選CeY作酯化反應的催化劑。

        2.3 酯化反應條件優(yōu)化

        2.3.1酸醇物質(zhì)的量比對反應的影響

        理論上檸檬酸與正丁醇的物質(zhì)的量比為1∶3,但由于酯化反應為可逆反應,反應不易進行完全。根據(jù)化學平衡移動原理,醇過量可提高檸檬酸的轉(zhuǎn)化率,使化學平衡向有利于產(chǎn)物生成的方向進行。催化劑用量為檸檬酸質(zhì)量的3 %,回流條件下反應5 h,在此條件下考察了酸醇物質(zhì)的量比對酯化反應的影響,其結(jié)果見圖3。

        圖3 酸醇物質(zhì)的量比對酯化率的影響

        由圖3可見,隨著正丁醇用量的增加,酯化率隨之增加;當酸醇物質(zhì)的量比達到1∶4時酯化率最高;繼續(xù)增加正丁醇的用量,酯化率反而下降??赡苁侨芤褐袡幟仕峒按呋瘎┑臐舛冉档退拢涣硗獯歼^量太多也會增加正丁醇的回收成本,因此確定最適宜的酸醇物質(zhì)的量比為1∶4。

        2.3.2催化劑用量對反應的影響

        固定酸醇物質(zhì)的量比1∶4,回流條件下反應5 h,考察催化劑用量對酯化反應的影響,其結(jié)果見圖4。

        圖4 催化劑用量對酯化率的影響

        由圖4可知,在一定范圍內(nèi),酯化率隨催化劑用量的增加而增加。酯化反應速率一般受催化劑的影響較大,催化劑量少,催化活性中心少,單位時間內(nèi)酯化率降低;隨著催化劑用量的增大,反應速率加快,單位時間酯化率提高,當催化劑用量增加到3%后,反應5 h酯化率變化不再明顯,因此催化劑用量選為檸檬酸質(zhì)量的3 %為宜。

        2.3.3反應時間對反應的影響

        固定催化劑用量為檸檬酸質(zhì)量的3%,酸醇物質(zhì)的量比為1∶4,回流條件下反應,考察反應時間對酯化反應的影響,結(jié)果見圖5。

        圖5 反應時間對酯化率的影響

        由圖5可見,延長反應時間可提高酯化率,反應5 h酯化率達到97.3%;繼續(xù)延長反應時間,酯化率變化不再明顯,并且反應時間過長,產(chǎn)品顏色變深,這可能是副反應所致,同時還增加能耗。因此,較適宜的反應時間為5 h。

        2.3.4催化劑穩(wěn)定性考察

        穩(wěn)定性是催化劑的重要指標。將反應結(jié)束后過濾所得的催化劑用無水乙醇簡單洗滌,在105 ℃干燥2 h,按最佳工藝條件,即酸醇物質(zhì)的量比為1∶4,催化劑用量為檸檬酸質(zhì)量的3%,回流條件下反應5 h,進行催化劑重復性試驗,考察催化劑重復使用對酯化率的影響,結(jié)果見圖6。

        圖6 催化劑重復使用對酯化率的影響

        由圖6可知,在最佳工藝條件下,催化劑第4次使用時,酯化率為92.4%,催化效果仍然較好;第5次使用時,酯化率下降比較明顯,一方面可能是回收時催化劑有損失;另一方面可能是催化劑多次使用后表面被污染,導致活性中心減少,從而降低催化活性。結(jié)果表明CeY分子篩催化劑對于酯化反應有較高的穩(wěn)定性。

        3.1 產(chǎn)品分析表征

        3.1.1產(chǎn)物的紅外光譜

        圖7 產(chǎn)物的紅外圖譜

        3.1.2產(chǎn)物的折光率

        經(jīng)測定,產(chǎn)物的折光率nD20為1.443 5,與文獻值1.44~1.45相符。

        4 結(jié)論

        1)將NaY用液相離子交換法制得改性的CuY、CeY和FeY分子篩,考察了這3種分子篩催化合成檸檬酸三丁酯的效果,結(jié)果表明,CeY的催化活性最高。

        2)CeY分子篩催化合成檸檬酸三丁酯的最佳反應條件為:酸醇物質(zhì)的量比為1∶4,催化劑用量為檸檬酸質(zhì)量的3 %,回流條件下反應5 h,酯化率可達97.3 %。

        3)CeY分子篩催化劑回收方便,可多次重復使用,有較高的催化穩(wěn)定性。

        [1]蔣平平,周永芳.環(huán)保增塑劑[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2009.

        [2]郭鑫,張敏卿.大孔強酸性陽離子交換樹脂催化合成檸檬酸三丁酯[J].化工進展,2010,29(4):673-676.

        [3]羅煒,朱銀邦,王丹,等.檸檬酸三丁酯的合成研究[J].南京師大學報:自然科學版,2010,33(01):59-62.

        [4]丁欣宇,景曉輝,施磊.S2O8-/ZrO2-SiO2催化合成檸檬酸三丁酯[J].精細石油化工進展,2004,5(12):40-42.

        [5]李工,徐恒,劉維橋,等.新型環(huán)己亞胺類離子液體的合成及其催化酯化反應性能[J].化工進展,2012,31(4):901-906.

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