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9f磺酸树脂SiO2催化合成邻苯二甲酸二辛酯

2024-06-08 来源:好走旅游网
第23卷第4期应用化学V01.23No.42006年4月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDCHEMISTRYApr.2006全氟磺酸树脂/Si02催化合成邻苯二甲酸二辛酯罗士平。’6+陈勇6韩国防6裘兆蓉6杨绪杰8陆路德4(。南京理工大学化工学院南京210094;6江苏工业学院精细石油化工省重点实验室常州213016)摘要将回收全氟磺酸离子交换膜制成全氟磺酸树脂溶液,分别利用溶胶.凝胶法和浸渍法得到全氟磺酸树脂/Si02复合催化剂(NFH)系列和负载型全氟磺酸树脂催化剂(FZG),采用FTIR、TG、BET、SEM测试技术对其进行表征,并与SO:一/TiO:、H2SO。、PTSA和NAFIONSAC.13等的催化性能作了比较。实验结果表明,溶胶.凝胶法得到的NFH催化性能优于浸渍法得到的FZG;当邻苯二甲酸酐和异辛醇(2一乙基一己醇)摩尔比为I:3、NHF催化剂质量分数为4.4%、反应温度为170℃、反应时间为4h时,邻苯二甲酸酐转化率达97.06%,邻苯二甲酸二辛酯收率为93.57%。关键词固体酸,全氟磺酸离子交换膜,全氟磺酸树月旨/sio:复合物催化剂,邻苯二甲酸二辛酯中图分类号:0632.3;TQ426,9文献标识码:A文章编号:1000-0518(2006)04-0390-04邻苯二甲酸二辛酯(DOP)是国内外塑料助剂行业中工业化产量较大的一种助剂,是聚氯乙烯(pvc)制品、各类医用和生活塑料制品等不可缺少的主要增塑剂。目前,我国用浓硫酸作催化剂生产DOP的企业占了2/3。鉴于其设备腐蚀严重、副产物多、原材料消耗较高等缺点,研究新型固体酸催化方法合成DOP,进一步提高产品质量,减少“三废”排放,就显得非常重要…。全氟磺酸树脂是最强的树脂固体酸,由于其具有较高的热稳定性和化学惰性,近年来在烷基化、酰化、异构化、酯化、醚化和烯烃齐聚等重要的催化领域得到广泛应用旧J。但由于通常其呈致密无孔状态,比表面积很低,使得酸性中心被大量埋没而得不到有效利用,杜邦公司将全氟磺酸树脂NR50分散组装到高比表面载体SiO:中,大大增加了N1LSO酸性中心的暴露量,提高了其活性中心的利用率∞J,因而其在合成化学、石油化工等反应体系中的应用正日益受到广泛重视HqJ。全氟磺酸离子膜(PFIEP)电解制碱技术是最先进的烧碱生产方法,一般该离子膜的使用寿命为2~3年,造成离子膜性能下降的主要原因是电解过程中不纯物在膜内的沉积,而不是化学降解,因此从更换下来的膜获取全氟磺酸树脂不影响其结构。本文将回收全氟磺酸离子交换膜制成全氟磺酸树脂溶液,利用溶胶一凝胶法得到全氟磺酸树脂/SiO:复合催化剂。同时,在前期工作的基础上一J,考察其对合成邻苯二甲酸二辛酯的催化性能。1实验部分1.1试剂和仪器邻苯二甲酸酐、2一乙基己醇、对甲基苯磺酸、HCl、NaOH、KOH、乙醇均为分析纯试剂,邻苯二甲酸氢钾为基准试剂。NAFIONSAC一13(AldrichChemicalCo.)是由溶胶一凝胶法得到的含质量分数为13%的全氟磺酸树脂的SiO:复合物。全氟磺酸离子交换膜(PFIEP)为旭化成F-4000系列膜(锦州化学化工(集团)有限责任公司)。TGSDTQ600型热重分析仪(美国TA公司);MicromeriticsASAP2010型吸附仪(美国麦克公司);JASCOFT/IR620型红外光谱仪(日本分光株式会社),KBr压片;JEOLJsM_6360A型扫描电镜(日本电子株式会社)。1.2催化剂的制备将全氟磺酸树脂在一定温度和压力下制成醇的水溶液¨0’11J,醇可选用甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或它们的混合物。蒸去溶剂,可测得溶液中全氟磺酸树脂质量分数为4.8%。在70mL正硅酸四乙酯(TMOS)中,加入100mL去离子水,再加入100mL0.006mol/LHCI搅拌至2005-06—16收稿,2005-08—12修回江苏省教育厅资助项目(KJS02113)通讯联系人:罗士平,男,1964年生,博士研究生,副教授;E—mail:luoe-p999@yahoo.com.an;研究方向:物理化学和新型催化剂万 方数据第4期罗士平等:全氟磺酸树月旨/SiO:催化合成邻苯二甲酸二辛酯391溶液澄清。搅拌下将其倒人100mL全氟磺酸树脂溶液和60mL0.1moL/LNaOH溶液的混合溶液中,此时溶液pH=6.9,溶液很快变成凝胶。放置过夜于95℃干燥2d,再于95℃真空干燥过夜。将玻璃状产物碾碎过筛(0.84mm)、酸化、干燥即得全氟磺酸树J]旨/SiO:复合物催化剂(NFH)。改变全氟磺酸树脂溶液用量可得不同含量全氟磺酸树脂复合物,分别用NFHl~NFH4表示。用上述类似方法形成的不含全氟磺酸树脂的SiO:与一定量全氟磺酸树脂溶液回流0.5h,用水浴蒸出溶剂,于95℃下真空干燥24h,得负载型全氟磺酸树脂催化剂(FZG)。固体酸SO:一/TiO:的制备:每克Ti02吸附1mL0.6mol/LH:SO。,在450℃时煅烧5h而得。1.3催化剂的表征和活性评价用热重分析仪测定催化剂中全氟磺酸树脂含量【41,从25℃升至800oC,升温速率为10。C/min;催化剂的孑L结构采用BET法由吸附仪测定77K时N:气吸、脱附等温线而求得。在一定温度下,将19.00g的邻苯二甲酸酐和48.56g的异辛醇(2一乙基己醇)(摩尔比为1:3,邻苯二甲酸酐为0.128m01)混合物加到装有分水器的100mL三口烧瓶中,待其受热融化后,再加入一定量的催化剂,进行反应,按GB/T6489.2—86进行酸度的测定,按GB/T6489.3-86进行酯含量的测定,以邻苯二甲酸酐转化率和邻苯二甲酸二辛酯收率表示催化性能。2结果与讨论2.1催化剂的表征用红外光谱仪分别对溶胶.凝胶法得到的全氟磺酸树且旨/SiO:复合物催化剂(NFH)、浸渍法得到的负载型全氟磺酸树脂催化剂(FZG)、全氟磺酸树脂和载体SiO:进行分析,前二者红外光谱谱图相似,相当于后二者谱图的叠加,出现的主要谱带3450、l210和1104cm叫分别属于Si—OH、C—F和si—O—Si的伸缩振动,1628cm1吸收峰是微量水所致。热重分析实验表明,SiO:的热失重主要集中在200℃前的表面水蒸发,约为4%,其后的硅醇缩合脱水质量损失约为l%。而全氟磺酸树脂虽然从280℃开始有磺酸基脱落,350℃开始分解,但其显著分解温度为400~500oC。几种催化剂的孔结构见表1。表1几种催化剂的孔结构Table1Porecharacteristicsofseveralcatalysts用扫描电镜对样品进行表面元素分析,在浸渍法得到的催化剂(FZG)表面的小颗粒上检测到氟含量为10%~16%,较大的颗粒上氟含量较少,而溶胶一凝胶法得到的系列催化剂NFH和NAFIONSAC一13表面氟含量都很少。前者说明浸渍法使得全氟磺酸树脂主要集中在载体表面,分布不均匀;后者说明溶胶一凝胶法负载能使全氟磺酸树脂完全进入多孔性SiO:之中,且分布均匀,这样可增加酸性中心的暴露量,提高活性中心的可接近程度和利用率。2.2反应条件的选择以2g复合催化剂NFH3为例,邻苯二甲酸酐和异辛醇摩尔比为1:3(邻苯二甲酸酐为0.128m01),在160、170、180oC时反应1h,酸酐转化率分别为60.45%、83.10%和91.26%,可见转化率随温度升高而增加。由于180oC以上开始有副产物生成,吸附在复合催化剂表面,所以选择反应温度为170oC。以3g复合催化剂NFH3为例,170℃、4h、邻苯二甲酸酐和异辛醇摩尔比分别为1:2、1:2.5、1:3、1:3.2时的酸酐转化率分别为90.73%、95.27%、97.06%和97.32%,可见,增加醇的量有利于酯化反应万 方数据392应用化学第23卷正向进行,且过量醇还可作为带水剂,将生成的水带出酯化系统,有利于苯酐转化,所以选择酸醇摩尔比为1:3。以3g复合催化剂NFH3为例,反应温度为170℃、邻苯二甲酸酐和异辛醇摩尔比为1:3、反应时间为1、2、3、4和5h,酸酐转化率分别为83.7l%、91.18%、94.89%、97.06%和97.95%,酯化反应为可逆反应,故选择反应时间为4h。根据以上条件实验,确定反应原料邻苯二甲酸酐和异辛醇的摩尔比为l:3、反应温度为170℃、反应时间为4h的反应条件为最佳。2.3负载方式对转化率的影响为了扩大全氟磺酸树脂催化剂比表面积,提高其酸性中心的暴露量和可接近程度,提高催化剂的机械性能,分别用浸渍法和溶胶一凝胶法将全氟磺酸树脂负载在SiO:上,得到FZG、NFH系列催化剂。表2为全氟磺酸树脂膜(PFIEP)、浸渍法得到的催化剂(FzG)、溶胶一凝胶法得到的催化剂(NFH)和NAFIONSAC一13的酸酐转化率和酯收率。表中可见,随着全氟磺酸树脂膜用量增加,反应物接触酸位增加,因而酸酐转化率也明显升高。尽管全氟磺酸树脂膜酸量为0.870mmol/g,而NFH3中酸量仅为o.120mmol/g,但含有0.15g全氟磺酸树脂的NFH3的催化效果已同0.5g全氟磺酸树脂膜相同,说明采用溶胶.凝胶法负载全氟磺酸树脂达到了提高其酸位可接近程度和提高催化剂的机械性能等预期目的。浸渍法催化剂FZG的负载量高于溶胶一凝胶法负载催化剂NFH3,催化效果却较差,说明酸性中心没有有效地得到暴露【】引,且与载体结合较差,易流失归】。对于同样是溶胶。凝胶法负载的NFH3和NAFIONSAC一13而言,一方面它们的催化效果要高于同样量的全氟磺酸树脂膜本身;另一方面NFH3的效果比NAFIONSAC一13好,除了负载量稍有不同外,比表面等孔结构的差异也是影响因素之一。表2负载方式对酸收率的影响Table2EffectofloadingmethodontheproductyieldCatalyst。点≥。曲山兰盎0%湍芸PFIEPc划删NFH3。。塞≥。曲。。釜盎o。f∥%。Y。ieⅣld%of0.15O.130.20O.5090.6095.1886.32time:485.8293.4595.4890.1293.0687.62NAn0NSAC一13FZGO.2281.60Reactiontemperature:170℃,reactionh,n(phthalicanhydride):n(2一ethylhexan01)=1:3.2.4负载量对转化率的影响表3是溶胶.凝胶法得到的不同负载量系列催化剂NFH的酸酐转化率和酯收率。随着催化剂用量的增加,酸酐转化率和酯收率均上升,但当负载量超过0.15g后,酸酐转化率和酯收率有所下降,可能是负载量的增加使多孔SiO:网络的连续性受到破坏及孔道堵塞造成的㈨,这与孔结构数据基本吻合。表3负载量对酯收率的影响Table3EffectofloadingcapacityontheproductyieldReactiontemperature:170℃,reactiontime:4h,n(phthalicanhydride):n(2-ethylhexan01)=1:3.2.5与其他催化剂比较表4是不同催化剂的酸酐转化率和酯收率。浓H:SO。和对甲基苯磺酸(PTSA)作催化剂时的酸酐转化率虽高,但酯收率不高,产品色泽较深,后处理麻烦。而全氟磺酸树脂复合催化剂NFH3与固体酸催化剂so;一/TiO:相比,虽然产品色泽都为浅黄色,但酯收率却高得多。万方数据 第4期罗士平等:全氟磺酸树脂/SiO:催化合成邻苯二甲酸二辛酯393表4不同催化剂对酯收率的影响Table4Effectofthecatalystontheproductyieldc岫st玳at蜊/%…Conpntnalle”a留nnyan.ofae/,%裂DUV/芸%%cat如tm(Cw。t)/%p…lltn粤alma粤nnyan.ofoe/,%型UUV/芸so,一/Ti024.495.3189.30PI弓A0.498.8289.40H2S040.410085.11NFH34.497.0693.57Reactiontemperature:170℃.Reactiontime:4h,n(phthalieanhydride):n(2一ethylhexan01)=1:3.另外,对全氟磺酸树脂复合催化剂NFH3进行了5次实验,以3gNFH3为例,在邻苯二甲酸酐和异辛醇摩尔比为1:3(其中邻苯二甲酸酐为0.128m01)、170℃、4h时酸酐转化率分别为97.06%、96.92%、96.77%、95.42%和93.48%,说明经过多次使用后,需要酸化再生。参考文献1JIANGPing—Ping(蒋平平),LUGuan-Zhong(卢冠忠).ChemIndEngP愕(化工进展)[J],2002,21(5):32820lal】GA,IyerPs,PrakashGKS.Synthesis[J],1986,(7):5133HarmerMA,FarnethWE,SunQ.,AmChemSoc[J],1996,118(33):77084HeidekumA,HarmerMA,HoelderichWF.JCatal[J],1999,188(1):2305WANGHai(王海),XUBo—Qing(徐柏庆),WANGJian—Wu(王建武),et8f.PetrochemTech(石油化工)[J],2002,31(6):4276FrancescoFrusteri,LorenzoSpadaro,ClaudiaEspro,eta1.JNatGasChem[J],2002,11(3~4):1807IstvanLedneczki,AridMolnrr.SynthCommun[J],2004,34(20):36838KonstantinYuKohunov,StrphaneWalspurger,JeanSommer,eta1.ChemCommun[J],2004,(15):17549LUOShi—Ping(罗士平),GUODeng—Feng(郭登峰),QIUZhao—Rong(裘兆蓉),et02.ChinJApplChem(应用化学)[J],2004,21(10):10720GrotWG,PaCF.US4433082[P],19841WANGHal(王海),WANGJian—Wu(王建武),XUBo-Qing(徐柏庆),eta1.ChinJApplChem(应用化学)[J],2001,18(10):7982TorokB,KiricsiI,MolnarA,eta1.J伪删[J],2000,193(1):132PerfluorosulfonieAcidResin/SilicaCompositeCatalystfortheSynthesisofDioctylPhthalateLUOShi.Pin98,6+,CHENYon96,HANGuo—Fan96,QIUZhao—Ron96,YANGXu—Jie。,LULu—De。(。SchoolofChemicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Na彬ng210094;6JiangsuProvincialKeyLaboratoryofFineChemicalEngineering,JiangsuPolytechnicUniversity,Changzhou213016)AbstractTheusedperfluorosulfonicacidion—exchangemembranewastreatedinasolventtorecycletheperfluorosulfonicacidresin.Theperfluorosulfonicacidresin/silicacompositecatalystswerepreparedbythesol—gelmethodandtheimpregnationmethod,respectively,andcharacterizedbyFI'IR,TG,BET,andSEM.Forcomparison,catalystssuchasanimpregnatedperfluorosulfonicacidresin/Si02,NationSAC一13,sO:一/Ti02solidacidandP—toluenesulfonicacidwerealsostudied.Thecompositecatalystsobtainedwereusedintheesterificationofphthalicanhydridewith2-ethylhexan01.Theresultsshowthatundertheconditionsofn(phthalicanhydride):n(2一ethylhexan01)=1:3,4.4%(massfraction)catalyst,170℃and4h,dioctylphthalatecouldbeobtainedinayieldof97.06%.Keywordssolidacid,perfluorosulfonicacidion—exchangemembrane,perfluorosulfonicacidresin/silicacon—positecatalyst,dioctylphthalate万 方数据

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