功能化离子液体支载分子筛膜反应器的制备及其催化缩酮反应研究

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无机膜与催化反应结合而构成的膜催化反应过程被认为是催化学科的未来三大发展方向之一,因而膜反应器在化工催化领域具有广阔的应用前景。但是由于催化剂与无机膜耦合等问题,使得催化膜反应器的设计,模拟及推广应用等方面仍困难重重。催化剂在膜上的设计方式一直是催化膜反应器能否高效进行的关键因素,寻找高催化活性的绿色酸性催化剂以替代硫酸等无机液体酸也是催化膜反应器研究的重点和需要解决的难题。由于缩酮反应是工业应用广阔和研究积累较为厚实的一类反应过程,本论文拟以此为研究体系,围绕上述问题,开发基于离子液体催化缩酮反应的膜反应器新工艺,不仅达到反应-分离的目的,而且还可以改造传统缩酮生产工艺和节能减排的效果。本论文针对绿色化生产环己酮乙二醇缩酮膜催化过程进行了三方面的研究:第一部分是不同阳离子结构的酸性离子液体的设计及其催化性能研究。论文考察了不同酸性离子液体在缩酮反应中的催化性能和动力学参数。研究发现离子液体的催化活性随离子液体的酸性提高而增强;其次,拟均相模型能较好地描述离子液体催化缩酮反应动力学行为。优选的反应温度在50°C左右,离子液体用量为环己酮质量的0.5%,酮醇摩尔比1.5:1,离子液体[Hpy][HSO4]重复性能考察表明离子液体在重复使用五次后其催化活性并没有明显降低。第二部分是合成MOR分子筛化学负载含SO3H官能团的离子液体高效催化剂BAIL@MOR并用于催化缩酮反应研究。研究结果表明该催化剂具有很好的催化活性,与均相离子液体[BSmim][HSO4]和H2SO4的催化活性相当,最佳反应条件是反应温度为50°C,催化剂用量为环己酮质量的0.5%(该用量与第一部分实验催化剂离子液体用量相当),酮醇摩尔比为1:1。此外,通过X射线粉末衍射、扫描电镜、氮气吸附脱附、红外、热重等表征了催化剂的结构。第三部分是将酸性离子液体负载到MOR分子筛膜上制得催化膜反应器用于合成环己酮乙二醇缩酮。实验对比发现,MOR膜负载离子液体能明显提高其催化效率,在反应6h后环己酮的转化率能达到60%左右,比MOR膜(15%)提高了近45%,渗透侧的分析得到该催化膜的通量为0.2kg m-2h-1,分离因子为660。此外,通过X射线粉末衍射和扫描电镜证明离子液体成功负载到MOR膜上。
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