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        聚多巴胺修飾的SBA-15負(fù)載釕催化劑催化苯部分加氫

        2019-03-05 06:08:38廖紅光肖艷娟魏義蘭李崇裔余小光
        石油化工 2019年2期
        關(guān)鍵詞:催化劑

        廖紅光,肖艷娟,魏義蘭,李崇裔,余小光,張 翔

        (湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院,湖南 株洲 412000)

        己內(nèi)酰胺是制備聚酰胺6的重要原料。環(huán)己烯水合制備己內(nèi)酰胺的新工藝避開了工業(yè)生產(chǎn)中環(huán)己烷氧化這一效率極低的關(guān)鍵步驟,具有收率高、環(huán)境友好和原子經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的環(huán)己烯制備方法不僅操作復(fù)雜、效率低,而且物耗能耗高,因此,由苯部分加氫制備環(huán)己烯成為了近二十年來的研究熱點(diǎn)[2-5]。然而,苯加氫生成環(huán)己烯的自由能變化比生成環(huán)己烷的小很多,苯加氫很難停留在生成中間產(chǎn)物環(huán)己烯的階段。如何有效地促使生成的環(huán)己烯從催化劑表面及時(shí)脫附并抑制它吸附是研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)。研究表明[3,6-9],對于Ru系催化劑的苯部分加氫過程,催化劑的高親水性是獲得高環(huán)己烯選擇性的關(guān)鍵。

        多巴胺是一種含有鄰苯二酚結(jié)構(gòu)的胺類化合物,它通過自聚或誘導(dǎo)氧化聚合作用,能在許多無機(jī)和有機(jī)材料表面形成聚多巴胺(PDA)薄膜[10-11]。PDA薄膜具有超高的親水性,能顯著改善基質(zhì)材料表面的親水性能。

        相關(guān)研究表明[6-9],硅基介孔分子篩的比表面積大、孔體積豐富、介孔結(jié)構(gòu)長程有序,是催化劑的優(yōu)良載體,但疏水性限制了它們在苯部分加氫過程中的應(yīng)用。

        本工作探索了既具有高親水性又具備長程有序介孔結(jié)構(gòu)的PDA修飾的SBA-15載體(PDASBA-15)的制備,研究了PDA-SBA-15負(fù)載Ru催化劑(Ru/PDA-SBA-15)在苯部分加氫過程中的構(gòu)效關(guān)系。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要原料

        RuCl3·xH2O:分析純,w(Ru)=37.1%,上海久岳化工有限公司;多巴胺:分析純,西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司;過碘酸鈉、無水乙酸鈉、苯、環(huán)己烷、乙醇:分析純,天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;氫氣:純度99.99%,株洲鉆石氣體有限責(zé)任公司;SBA-15分子篩:南京先豐納米材料科技有限公司。

        1.2 催化劑制備

        SBA-15白色粉末先后用乙醇和去離子水在超聲波清洗器中洗滌15 min,干燥后備用。干燥后的SBA-15粉末浸泡在2 mg/mL的多巴胺-乙酸鈉緩沖溶液中(pH=5.0),加入適量過碘酸鈉作為氧化聚合誘導(dǎo)劑,攪拌反應(yīng)1 h。反應(yīng)后的懸浮液進(jìn)行過濾,用去離子水洗滌3次,將棕黃色的濾餅在313 K條件下真空干燥過夜,得到棕黃色的PDASBA-15粉末。

        采用環(huán)己烷-水雙溶劑法制備Ru/PDASBA-15。制備步驟:將0.5 g PDA-SBA-15粉末加入24 mL環(huán)己烷中攪拌分散15 min;向分散液中逐滴加入2 mL含有0.269 6 g RuCl3·xH2O的水溶液,滴加結(jié)束后繼續(xù)攪拌10 min;傾倒出上層清液,將剩余的黑色固體在373 K下干燥12 h,得到催化劑前體;將1 g催化劑前體、30 mL去離子水加入到100 mL帶聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼高壓反應(yīng)釜中,用氫氣置換空氣3次后加壓至3.0 MPa,升溫至423 K,攪拌反應(yīng)2 h;還原反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)懸浮液過濾,水洗,真空干燥,得到Ru/PDA-SBA-15。未修飾的SBA-15負(fù)載Ru催化劑(Ru/SBA-15)用相同的方法制備。

        1.3 催化劑表征

        采用美國Quantachrome公司NOVA-2200e型自動(dòng)物理吸附儀在77 K下測定N2吸附-脫附等溫線,試樣預(yù)先在473 K下處理4 h。比表面積采用BET法計(jì)算,孔體積和孔徑分布采用BJH等效圓柱模型分析。采用日本株式會(huì)社理學(xué)公司D/Max 2550 VB+18 kW型X射線衍射儀進(jìn)行物相組成測試,Cu 靶Kα射線(λ=0.154 18 nm),石墨單色器,管電壓40 kV,管電流30 mA或300 mA。2θ為5°~90°,掃描速率為1(°)/min。采用日本株式會(huì)社理學(xué)公司JEM-2100型透射電子顯微鏡觀察試樣的表面形貌和各組分的分散狀態(tài),工作電壓為200 kV。試樣先在無水乙醇中超聲處理15 min,然后滴到覆有碳膜的銅網(wǎng)上,經(jīng)真空干燥后進(jìn)行分析。

        親水指數(shù)按GB/T 6287—1986[12]規(guī)定的分子篩靜態(tài)吸附法測量。水的靜態(tài)吸附操作過程為:準(zhǔn)確稱量定量試樣,平鋪在稱量瓶底部,再將稱量瓶放置在添加了飽和氯化鈉溶液的干燥器中,靜態(tài)吸附48 h后,根據(jù)試樣吸附前后的質(zhì)量差計(jì)算飽和吸水量。苯的靜態(tài)吸附操作過程與水的類似,只是干燥器中添加的是苯并且是在真空條件下進(jìn)行吸附測試。親水指數(shù)定義為單位質(zhì)量試樣單位面積上吸附的水與苯的質(zhì)量的比值。每個(gè)試樣平行測定5次,結(jié)果取平均值。

        靜態(tài)水接觸角采用FIBRO公司的PGX+型便攜式接觸角測定儀測定。首先將試樣在相同的條件下進(jìn)行干燥,然后用天津市科器高新技術(shù)公司的769YP-15A&24B型粉末壓片機(jī)將試樣壓制成片,再置于接觸角儀置物臺(tái)上進(jìn)行靜態(tài)接觸角測定。接觸角測定儀內(nèi)置的空壓泵每次自動(dòng)泵出的水滴體積為0.5 μL,液滴精確度為± 0.2 μL。每種試樣分別制備5個(gè)壓片樣,平行測定5次,結(jié)果取平均值。

        1.4 催化劑性能評價(jià)

        苯部分加氫反應(yīng)在帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行,將0.2 g 催化劑、10 mL苯、30 mL去離子水加入到反應(yīng)器中,密封高壓釜,用氫氣置換釜內(nèi)空氣4次,然后將反應(yīng)釜置于油浴中。當(dāng)升溫至423 K后,通入氫氣加壓到4 MPa,開啟磁力攪拌,反應(yīng)計(jì)時(shí)開始。反應(yīng)后,用氯苯萃取出油相產(chǎn)物,萃取液中各物質(zhì)的含量用日本島津公司GC-14C型氣相色譜儀(色譜柱型號(hào)為DB-1701)以內(nèi)標(biāo)法分析產(chǎn)物中各組分的含量,并計(jì)算苯的轉(zhuǎn)化率、環(huán)己烯的選擇性和收率。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 催化劑的表征

        催化劑的N2吸附-脫附等溫線與BJH孔徑分布曲線見圖1。根據(jù)IUPAC分類標(biāo)準(zhǔn),由圖1a可知,Ru/SBA-15與 Ru/PDA-SBA-15的吸附-脫附等溫線都為Ⅳ型,且呈現(xiàn)出H1型滯后環(huán),表明兩種催化劑都具有均一有序的介孔結(jié)構(gòu)。由圖1b可知,Ru/SBA-15的孔徑分布非常集中,平均孔徑為6.6 nm;Ru/PDA-SBA-15的孔徑分布相對較為分散,平均孔徑為5.8 nm。

        催化劑的比表面積、孔徑和孔體積見表1。由表1可知,在PDA的修飾作用下,Ru/PDA-SBA-15的比表面積、平均孔徑和孔體積較Ru/SBA-15的小。

        Ru/SBA-15與Ru/PDA-SBA-15催化劑的XRD譜圖見圖2。

        圖1 催化劑的N2吸附-脫附等溫線(a)與BJH孔徑分布曲線(b)Fig.1 N2 adsorption-desorption isotherms(a) and BJH pore size distribution curves(b) of the catalysts.PDA:polydopamine.

        表1 催化劑的比表面積、孔徑和孔體積Table 1 Specific surface area,pore size and pore volume of the catalysts

        圖2 兩種催化劑的SAXS譜圖(a)和WAXD譜圖(b)Fig.2 SAXS patterns(a) and WAXD patterns(b) of two catalysts.

        由圖2a可知,兩種催化劑均在2θ為0.8°,1.5°,1.8°附近出現(xiàn)了衍射峰,分別對應(yīng)SBA-15的(100),(110)和(200)晶面。這表明兩種催化劑都具有典型的二維六角結(jié)構(gòu),它們的骨架結(jié)構(gòu)保持著良好的有序性;PDA的修飾和Ru活性位的負(fù)載沒有破壞SBA-15的有序介孔結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度。由圖2b可知,Ru/SBA-15在2θ為44.0°附近出現(xiàn)了對應(yīng)Ru(101)晶面的比較彌散的衍射峰,而Ru/PDA-SBA-15中的Ru衍射峰強(qiáng)度明顯增大。這表明Ru在SBA-15表面有較高的分散度和較小的粒徑,可能的原因是Ru/SBA-15擁有更大的比表面積和孔體積,有利于Ru的分散。然而,Ru/PDA-SBA-15的Ru衍射峰仍然較為彌散,且沒有其他Ru晶面的衍射峰出現(xiàn),說明活性組分Ru在PDA-SBA-15表面的分散情況也比較均勻。

        Ru/SBA-15與Ru/PDA-SBA-15催化劑的TEM照片見圖3。

        圖3 Ru/SBA-15(a)與Ru/PDA-SBA-15(b,c)催化劑的TEM照片F(xiàn)ig.3 TEM images of Ru/SBA-15(a) and Ru/PDA-SBA-15(b , c) catalysts.

        由圖3可知,兩種催化劑均表現(xiàn)出規(guī)整的介孔結(jié)構(gòu),這與N2吸附-脫附和XRD的表征結(jié)果一致;Ru顆粒(圖中的黑點(diǎn))在SBA-15和PDASBA-15表面都呈現(xiàn)出均勻分散的狀態(tài),Ru分散度都較高;但Ru/SBA-15中Ru的分散度更高,Ru的粒徑更小,這與XRD的表征結(jié)果是吻合的。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,Ru/PDA-SBA-15中Ru的粒徑為2~5 nm。

        試樣的水/苯靜態(tài)吸附和靜態(tài)水接觸角表征結(jié)果見表2,靜態(tài)水接觸角見圖4。由表2可知,SBA-15和Ru/SBA-15的親水指數(shù)基本相同,都略大于1;Ru/PDA-SBA-15的親水指數(shù)為4.620 5,明顯大于Ru/SBA-15(1.032 5)。由表2和圖4還可知,未經(jīng)PDA修飾的Ru/SBA-15的接觸角(69.50°)遠(yuǎn)大于Ru/PDA-SBA-15的接觸角(10.70°)。一般來說,接觸角越小、親水指數(shù)越大,親水性越高。這說明PDA的引入能顯著提高催化劑的親水性。

        表2 試樣的水/苯靜態(tài)吸附和靜態(tài)水接觸角表征結(jié)果Table 2 Characterization results of water/benzene static adsorption and static water contact angles for the samples

        圖4 各試樣的靜態(tài)水接觸角Fig.4 Static water contact angle images of different samples.

        2.2 催化性能

        在前期的研究中[9],考察了氫氣壓力、反應(yīng)溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、水苯體積比、催化劑用量等對苯部分加氫制備環(huán)己烯的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,最佳的反應(yīng)條件:氫氣壓力為4 MPa,反應(yīng)溫度為423 K,攪拌轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,水苯體積比為3∶1,催化劑用量為0.2 g。Ru/SBA-15和Ru/PDA-SBA-15在最佳反應(yīng)條件下催化苯部分加氫反應(yīng)的性能見圖5。由圖5可知,環(huán)己烯的選擇性隨著苯轉(zhuǎn)化率的提高而呈逐漸降低的趨勢,環(huán)己烯收率則先升高后下降。然而,Ru/PDA-SBA-15較Ru/SBA-15表現(xiàn)出更高的環(huán)己烯選擇性。在基本相同的苯轉(zhuǎn)化率范圍內(nèi),Ru/PDA-SBA-15上環(huán)己烯的選擇性保持在82.0%以上,最高的環(huán)己烯收率為51.8%;而Ru/SBA-15上環(huán)己烯的選擇性在反應(yīng)5 h后降到了32.3%,最高的環(huán)己烯收率只有34.1%。采用Ru/PDA-SBA-15催化劑,當(dāng)苯的轉(zhuǎn)化率為63.2%時(shí),環(huán)己烯的收率達(dá)到最高,為51.8%。Ru/PDA-SBA-15的高環(huán)己烯選擇性,得益于PDA對催化劑親水性的修飾效果。Ru/PDA-SBA-15的親水指數(shù)是Ru/SBA-15的4倍以上,接觸角較Ru/SBA-15降低了58.8°。因此,PDA的修飾作用能顯著地提高催化劑的親水性。在以水為溶劑的苯部分加氫制備環(huán)己烯的過程中,高親水性的催化劑表面可以形成一層穩(wěn)定的水膜,利用在反應(yīng)溫度條件下環(huán)己烯在水中溶解度遠(yuǎn)小于苯的特點(diǎn),水膜的穩(wěn)定存在有利于生成的環(huán)己烯及時(shí)從催化劑表面脫附并抑制環(huán)己烯被再吸附,從而避免了環(huán)己烯深度加氫生成環(huán)己烷[3]。多巴胺擁有豐富的羥基和胺基,通過氧化聚合作用沉積在SBA-15的表面,是其親水性修飾作用的主要原因[10-11]。

        圖5 Ru/SBA-15(a)和Ru/PDA-SBA-15(b)在最佳反應(yīng)條件下催化苯部分加氫反應(yīng)的性能Fig.5 Hydrogenation performance of benzene over Ru/SBA-15(a) and Ru/PDA-SBA-15(b) catalysts under best reaction conditions.Reaction conditions:1 000 r/min,4.0 MPa,423 K,deionized water dosage 30 mL,benzene dosage 10 mL,catalyst dosage 0.2 g.

        在苯部分加氫合成環(huán)己烯的工業(yè)化過程中,評價(jià)催化劑性能的兩個(gè)重要指標(biāo)為γ40和S40[13]。γ40指當(dāng)苯的轉(zhuǎn)化率為40%時(shí),每克Ru催化劑每小時(shí)催化苯轉(zhuǎn)化的質(zhì)量。S40指在苯的轉(zhuǎn)化率為40%時(shí)環(huán)己烯的選擇性。本研究中Ru/PDA-SBA-15的γ40和S40分別為1 056 h-1和91.5%。與已經(jīng)報(bào)道的文獻(xiàn)相比[7,9,13-15],Ru/PDA-SBA-15 在催化苯轉(zhuǎn)化40%左右時(shí),表現(xiàn)出最高的反應(yīng)活性和出色的環(huán)己烯選擇性。由圖5還可知,Ru/PDA-SBA-15的活性明顯低于Ru/SBA-15。反應(yīng)1 min時(shí),Ru/SBA-15催化苯加氫的轉(zhuǎn)化率達(dá)到了21.5%,而Ru/PDA-SBA-15催化苯達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率需要反應(yīng)5 min。在5 min內(nèi),Ru/SBA-15催化苯加氫的轉(zhuǎn)化率達(dá)到了57.9%,而Ru/PDA-SBA-15催化苯達(dá)到基本相同的轉(zhuǎn)化率則需要約15 min。有研究表明[16],催化劑的性能與活性組分的粒徑、分散度及載體結(jié)構(gòu)有關(guān),這些因素可以調(diào)節(jié)反應(yīng)物在催化劑表面的吸附與活化以及產(chǎn)物從催化劑表面的脫附。因此,Ru/PDA-SBA-15的活性較低,可能是由于Ru的分散度相對較低、粒徑相對較大,導(dǎo)致局部氫氣濃度更低。Suppino等[17]研究表明,有機(jī)添加劑中的N原子可能與催化劑中的Ru位點(diǎn)結(jié)合,與苯的吸附形成競爭關(guān)系,從而降低催化劑的活性。因此,Ru/PDA-SBA-15的低活性也可能與PDA中N原子與催化劑中Ru活性位點(diǎn)的結(jié)合有關(guān)。在催化劑中引入的PDA,在調(diào)節(jié)催化劑Ru活性位點(diǎn)的分散度與數(shù)量、Ru粒徑方面也起到了重要的作用。綜上可知,一方面,PDA的修飾作用使得PDA-SBA-15的比表面積降低,導(dǎo)致Ru位點(diǎn)的分散度有所下降,同時(shí)覆蓋了部分表面的Ru位點(diǎn),使得Ru/PDA-SBA-15的活性降低,進(jìn)而減少了環(huán)己烯進(jìn)一步加氫的機(jī)會(huì);另一方面,PDA的修飾作用并沒有破壞SBA-15的長程有序介孔結(jié)構(gòu),這有利于環(huán)己烯從催化劑表面及時(shí)脫附。這二者都有利于Ru/PDA-SBA-15催化苯部分加氫獲得更高的環(huán)己烯選擇性。

        Ru/PDA-SBA-15的循環(huán)使用實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知,Ru/PDA-SBA-15在循環(huán)使用3次后,苯的轉(zhuǎn)化率仍維持在62.1%以上,環(huán)己烯的收率維持在50.0%以上。因此,該催化劑在苯部分加氫制備環(huán)己烯的反應(yīng)中具備較好的穩(wěn)定性。

        表3 Ru/PDA-SBA-15的循環(huán)使用實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experiment results of recycling of Ru/PDA-SBA-15

        3 結(jié)論

        1)以過碘酸鈉為氧化聚合誘導(dǎo)劑,在微酸性條件下(pH=5.0)合成了PDA-SBA-15。采用環(huán)己烷-水雙溶劑法,制備了Ru/PDA-SBA-15。

        2)經(jīng)PDA修飾的SBA-15,具有更高的親水性、相對較低的比表面積和Ru分散度,并維持了長程有序的規(guī)整介孔結(jié)構(gòu)特征。

        3)在最優(yōu)的反應(yīng)條件下,Ru/PDA-SBA-15催化苯轉(zhuǎn)化63.2%時(shí),獲得了51.8%的環(huán)己烯收率,催化劑在循環(huán)使用3次后仍能維持穩(wěn)定的催化性能。

        參 考 文 獻(xiàn)

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