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        H6P2W18O62/KH570-SiO2催化劑的制備、表征及催化合成乙酸正丁酯*

        2020-09-04 09:27:20曹小華鐘嬋娟謝寶華徐常龍占昌朝
        功能材料 2020年8期
        關(guān)鍵詞:磷鎢酸醇酸丁酯

        曹小華,鐘嬋娟,穆 晶,謝寶華,徐常龍,占昌朝

        (1.九江學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,江西 九江332005;2.江西省生態(tài)化工工程技術(shù)研究中心,江西 九江332005)

        0 引 言

        乙酸正丁酯廣泛應(yīng)用于化工、制藥等領(lǐng)域,市場需求日益增加。目前,工業(yè)上仍主要采用濃硫酸催化液相法合成乙酸正丁酯,雖然工藝成熟但存在較嚴(yán)重的設(shè)備腐蝕和環(huán)境污染。隨著生態(tài)經(jīng)濟(jì)興起,開發(fā)新型綠色高效催化劑代替濃硫酸催化酯化備受關(guān)注[1-5]。

        Dawson結(jié)構(gòu)磷鎢酸是一類性能優(yōu)異的多功能催化劑,具有催化活性高、選擇性好、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各類催化反應(yīng)[2-10]。但純磷鎢酸作為催化劑時(shí)存在著比表面積小(<10 m2/g)、易溶于極性溶劑、熱穩(wěn)定性差等不足。為此,往往將其負(fù)載在合適的載體上(例如活性炭、MCM-41、SiO2等多孔材料)以增大其比表面積,提高催化功能[5-12]。

        在眾多載體中,SiO2因其價(jià)格低廉、耐熱及耐酸性好等特征,應(yīng)用較為為廣泛[13-17]。但SiO2親水疏油,有機(jī)相中的分散性較差,影響其催化性能。γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)是一種用途廣泛的硅烷偶聯(lián)劑,可有效對SiO2表面進(jìn)行化學(xué)改性,增大其在有機(jī)相中的分散性[18-20]。本實(shí)驗(yàn)通過浸漬法制備負(fù)載型H6P2W18O62/KH570-SiO2催化劑,并用于催化乙酸與正丁醇液相合成乙酸正丁酯,取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要試劑及儀器

        γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)、正丁醇、乙酸、碳酸氫鈉、鎢酸鈉、鹽酸、磷酸、乙醚等均為分析純,中國醫(yī)藥集團(tuán)上?;瘜W(xué)試劑公司產(chǎn)品。納米二氧化硅,分析純,濰坊三佳納米有限公司。H6P2W18O62參照文獻(xiàn)[2]自制。

        DF-101S恒溫油浴磁力攪拌器(鞏義市予華儀器有限公司產(chǎn)品);水熱反應(yīng)釜KH-100(鞏義英峪儀器);TENSOR 27型傅里葉變換紅外光譜儀(布魯克光譜儀器公司產(chǎn)品),KBr壓片,分辨率4 cm-1,掃描速率0.2 cm-1/s,波數(shù)范圍500~4 000 cm-1;美國Quantachrome公司Nova 2000e型比表面積與孔徑分析儀,以N2為吸附質(zhì),在液氮溫度(77 K)下進(jìn)行測定,所有樣品在200 ℃下真空脫氣3 h,相對壓力0.005~0.3。

        1.2 催化劑的制備

        準(zhǔn)確稱量10.0g納米SiO2,加入到150 mL無水乙醇和100 mL蒸餾水的混合物中(用草酸溶液控制pH=4),再向其中加入2.0 g KH570。磁力攪拌,100 ℃下回流3 h。反應(yīng)結(jié)束后抽濾且用10 mL乙醇和蒸餾水各洗滌3次,180℃干燥2.0 h,即得KH570-SiO2載體[18]。

        將3.0 g自制H6P2W18O62溶解于40 mL蒸餾水中,60 ℃磁力攪拌下溶解。稱取10.0 g KH570-SiO2,緩慢加入到上述磷鎢酸溶液中,在80 ℃磁力攪拌下將溶液中的水分蒸干。120 ℃干燥3.0 h,研細(xì),即得30%H6P2W18O62/KH570-SiO2,記為H6P2W18O62/KH570-SiO2。

        1.3 催化合成乙酸正丁酯

        向100 mL圓底燒瓶中依次加入5.8 mL冰乙酸、18.4 mL正丁醇到及0.4 g催化劑。然后裝上油水分離器(隨時(shí)放出反應(yīng)生成的水),磁力攪拌,油浴加熱,控溫120 ℃反應(yīng)2.0 h。

        按GB/T 1668-2008法計(jì)算酯化率[7]。即反應(yīng)完成后,待溶液靜置冷卻至室溫,取上層清液測定其混合溶液中酸的含量。取反應(yīng)前后的混合液各0.5 mL于錐形瓶中,加10 mL的蒸餾水稀釋,在充分搖勻后,加入2滴酚酞試劑。用新配制的0.1 mol/L NaOH溶液滴定,兩次滴定消耗的NaOH溶液的體積分別為V1和V2,按下式計(jì)算酯化率

        2 結(jié)果與討論

        2.1 催化劑的表征結(jié)果

        2.1.1 FT-IR表征結(jié)果

        圖1為負(fù)載前后催化劑的FT-IR譜圖。可見,H6P2W18O62和H6P2W18O62/KH570-SiO2在1 100~700 cm-1內(nèi)均出現(xiàn)Dawson結(jié)構(gòu)吸收峰,分別為P—O(1 090.7 cm-1)、WO(965.7 cm-1)、W-O(911.2、789.6 cm-1)的伸縮振動峰[2],說明KH570-SiO2負(fù)載后磷鎢酸仍然保持著Dawson結(jié)構(gòu)。H6P2W18O62/KH570-SiO2在1 150 cm-1附近出現(xiàn)很寬的峰,與SiO2的特征峰(Si-O-Si的伸縮振動峰為1 095 cm-1)不同[5],可能是因?yàn)镠6P2W18O62和KH570之間發(fā)生了化學(xué)吸附[14],導(dǎo)致吸收峰紅移。另外在1 700 cm-1附近出現(xiàn)弱的吸收峰,這是水分子的彎曲振動峰,說明H6P2W18O62中帶有結(jié)晶水[2]。

        圖1 H6P2W18O62、H6P2W18O62/KH570-SiO2的紅外譜圖Fig 1 FT-IR spectra of the H6P2W18O62 and H6P2W18O62/KH570-SiO2

        2.1.2 EDS表征結(jié)果

        圖2為負(fù)載前后催化劑的EDS譜圖??芍琀6P2W18O62/KH570-SiO2主要含C、O、W、P、Si等5種元素,進(jìn)一步計(jì)算可得其中n(W)/n(P)約為9,與Dawson結(jié)構(gòu)磷鎢酸H6P2W18O62中W、P元素的理論比例值接近,說明KH570-SiO2負(fù)載后磷鎢酸仍然保持Dawson結(jié)構(gòu)。

        圖2 H6P2W18O62、H6P2W18O62/KH570-SiO2的EDS譜圖Fig 2 EDS spectra of the H6P2W18O62 and H6P2W18O62/KH570-SiO2

        2.1.3 SEM表征結(jié)果

        圖3為負(fù)載前后催化劑的SEM照片??梢奡iO2(圖3(a))團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重,甚至出現(xiàn)柱狀堆積現(xiàn)象,這可能是因?yàn)镾iO2表面與空氣中水分子作用構(gòu)成羥基,羥基又以物理吸附的形式不斷繼續(xù)吸附水分子等極性物質(zhì)[14]。KH570-SiO2(圖3(b))的團(tuán)聚體比SiO2的團(tuán)聚體明顯減少,可能是由于KH570通過化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)在SiO2的表面上形成了一層無害有機(jī)物,阻隔了SiO2表面羥基的產(chǎn)生,利用有機(jī)物的空間位阻作用對表面羥基層產(chǎn)生屏蔽作用,從而有效減少了SiO2的團(tuán)聚[18-20]。與H6P2W18O62(圖3(c))呈規(guī)則酵母狀不同,H6P2W18O62/KH570-SiO2局部出現(xiàn)晶體聚集,H6P2W18O62比較均勻地負(fù)載在KH570-SiO2上。

        圖3 SiO2、KH-570-SiO2、H6P2W18O62、H6P2W18O62/KH570-SiO2的SEM圖Fig 3 SEM images of SiO2,KH-570-SiO2,H6P2W18O62 and H6P2W18O62/KH570-SiO2

        2.1.4 BET測試結(jié)果

        表1給出了負(fù)載前后催化劑BET測試結(jié)果。可見,H6P2W18O62/KH570-SiO2比表面積(122.40 m2/g)相比H6P2W18O62比表面積(1.75 m2/g)顯著增大。KH570-SiO2負(fù)載可有效克服H6P2W18O62比表面積小、易溶解流失、難回收等不足,提高催化活性和重復(fù)使用性能。

        表1 H6P2W18O62、H6P2W18O62/KH570-SiO2的BET表征結(jié)果Table 1 Table 1 results of BET for H6P2W18O62 and H6P2W18O62/KH570-SiO2

        2.2 酯化條件優(yōu)化

        2.2.1 催化劑用量及醇酸摩爾比對酯化率的影響

        催化劑用量對酯化率的影響見圖4。酯化率隨催化劑用量的增加先增加后減少,當(dāng)催化劑用量為0.4 g時(shí)酯化率達(dá)到最大值。催化劑用量過少時(shí),酸催化中心不夠,酯化反應(yīng)較慢;用量過多時(shí),酸強(qiáng)度過大,催化副反應(yīng)發(fā)生(如生成丁醚、丁烯等),酯化率也隨之降低[2]。故此,催化劑適宜用量為0.4 g(占原料總質(zhì)量的1.92%)。

        圖4 催化劑用量對酯化率的影響Fig 4 Effect of catalyst amount on yield of n-butyl acetate

        醇酸摩爾比對酯化率的影響見圖5。酯化反應(yīng)為可逆反應(yīng),增加醇或酸用量均有利于提高酯化率。乙酸過量會降低乙酸與磷鎢酸形成的中間絡(luò)合物(活化能較低)的濃度,抑制催化活性[5]。而正丁醇可作為帶水劑及時(shí)分離反應(yīng)體系中的水,使酯化反應(yīng)右移提高酯化率[6]。因此,本實(shí)驗(yàn)利用醇過量。隨著醇酸摩爾比的增大酯化率不斷增大,當(dāng)醇酸摩爾比為2∶1時(shí)酯化率最高。但繼續(xù)增大醇酸摩爾比,過量的正丁醇降低了催化劑與乙酸的濃度,反應(yīng)速率降低,酯化率反而減少[6]??梢?,適宜醇/酸摩爾比為2∶1。

        圖5 醇酸摩爾比對酯化率的影響Fig 5 Effect of the molar ratio of reactants on yield of n-butyl acetate

        2.2.2 反應(yīng)時(shí)間及溫度對酯化率的影響

        反應(yīng)時(shí)間及溫度對酯化率的影響分別見圖6、7。反應(yīng)初期,反應(yīng)物濃度較大,反應(yīng)速率較快,酯化率隨反應(yīng)時(shí)間延長不斷增加。當(dāng)反應(yīng)至2.0 h時(shí),酯化率最高。繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間,因反應(yīng)物濃度減小,而吸附在催化劑表面的副產(chǎn)物越多,且該反應(yīng)為可逆反應(yīng),對反應(yīng)越不利,酯化率降低[2]。因此,適宜反應(yīng)時(shí)間為2.0 h。

        圖6 反應(yīng)時(shí)間對酯化率的影響Fig 6 Effect of reaction time on yield of n-butyl acetate

        酯化反應(yīng)為吸熱反應(yīng),隨著溫度的升高,反應(yīng)速率不斷加快,酯化率隨之增加,120 ℃時(shí)酯化率最高。而繼續(xù)升溫,酯化率反而逐漸降低。這可能因?yàn)榉磻?yīng)溫度太高導(dǎo)致催化劑失活或者副產(chǎn)物太多,產(chǎn)物顏色加深,影響產(chǎn)品質(zhì)量和收率[7]。說明120 ℃為適宜反應(yīng)溫度。

        圖7 反應(yīng)溫度對酯化率的影響Fig 7 Effect of reaction tempereture on yield of n-butyl acetate

        2.2.3 催化劑的穩(wěn)定性和重復(fù)使用性能

        在優(yōu)化條件下,進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn),酯化率分別為96.5%、96.7%、96.1%,說明催化劑性能穩(wěn)定,催化酯化工藝運(yùn)行平穩(wěn)。待反應(yīng)結(jié)束時(shí),冷卻反應(yīng)液,抽濾回收催化劑,并于120 ℃干燥3.0 h,再直接用于催化優(yōu)化條件下的酯化實(shí)驗(yàn)。

        催化劑重復(fù)使用5次,酯化率分別為96.4%、92.5%、90.3%、89.1%、88.2%。隨著催化劑重復(fù)利用次數(shù)的增加,酯化率均有一定降低。這是因?yàn)榉磻?yīng)體系中磷鎢酸易溶解,物理吸附的磷鎢酸溶解流失,導(dǎo)致使催化劑表面的酸性降低,催化性能下降[5]。同時(shí)吸附在催化劑表面上的副產(chǎn)物不斷增加,掩蓋了酸性中心,同樣導(dǎo)致催化性能下降[7]。如回收催化劑不經(jīng)干燥直接用用于催化酯化,則重復(fù)使用至3次,酯化率即降至69.3%,充分說明催化劑表面吸附了大量有機(jī)物。催化劑重復(fù)使用至第5次,酯化率仍可保持在88.2%,說明KH570-SiO2與H6P2W18O62發(fā)生化學(xué)吸附,催化劑具有較好的重復(fù)使用性能。

        2.2.4 不同催化劑對酯化率的影響

        不同催化劑催化合成乙酸正丁酯實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2??梢姡琄H570-SiO2基本沒有催化性能,雖然H6P2W18O62作催化劑時(shí)酯化率高于H6P2W18O62/KH570-SiO2,但其易溶于極性溶劑而造成溶解流失,難以重復(fù)使用。H6P2W18O62/KH570-SiO2催化活性高于H6P2W18O62/SiO。這是因?yàn)镾iO2具有親水疏油的性質(zhì),H6P2W18O62/SiO2難以在有機(jī)相中高度分散,影響其催化酯化活性。而改性后KH570-SiO2在有機(jī)相中的相容性得到提高,分散性得到改善[18-20],因此H6P2W18O62/KH570-SiO2作催化劑時(shí)酯化率和重復(fù)使用性能得到提高。

        表2 不同催化劑對酯化率的影響Table 2 Effect of different catalysts on esterification rate

        H6P2W18O62/KH570-SiO2與40%AlPW12O40@C、30%H6P2W18O62/USY、H6P2W18O62/SiO2相比,具有更優(yōu)異的催化活性和重復(fù)使用性能,更廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

        3 KH570改性SiO2機(jī)理探索

        圖8為KH570改性SiO2機(jī)理。可見:在合適的偶聯(lián)劑用量下,偶聯(lián)劑與納米SiO2表面的-OH 發(fā)生縮聚形成緊密的化學(xué)鍵,從而防止了納米SiO2之間的團(tuán)聚,使得改性后的SiO2的粒徑顯著減小,比表面積增大;使得SiO2在有機(jī)相中的相容性得到提高,分散性得到增強(qiáng)[18-20]。H6P2W18O62可與KH570-SiO2表面的-OH可與發(fā)生鍵合,形成化學(xué)吸附較牢固地吸附在載體上[14-15]。

        圖8 KH570改性SiO2機(jī)理Fig 8 Mechanism of modification of SiO2 by KH570

        4 結(jié) 論

        (1)通過浸漬法制備出H6P2W18O62/KH570-SiO2催化劑,并對其進(jìn)行FT-IR、EDS、SEM、及BET等表征。FT-IR及EDS表征結(jié)果表明,負(fù)載后磷鎢酸仍然保持著Dawson結(jié)構(gòu)。SEM表征結(jié)果表明,H6P2W18O62均勻的分散在KH570-SiO2上。BET測試說明,負(fù)載后催化劑比表面積顯著增加。

        (2)在適宜的酯化條件下,即w(H6P2W18O62/KH570-SiO2)=1.9%(基于反應(yīng)物質(zhì)量),n(正丁醇)/n(乙酸)=2.0/1.0,120℃反應(yīng)2.0 h,乙酸正丁酯收率可達(dá)96.4%。催化劑重復(fù)使用5次,酯收率仍有88.2%。

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