乳酸制備丙烯酸用金屬離子改性4A分子篩研究

曾 翎，姜華昌，龔 倩

隨著石油、煤炭等能源日漸枯竭，人們對(duì)可再生資源非常關(guān)注，而生物質(zhì)資源以其現(xiàn)代技術(shù)的高效利用成為備受關(guān)注的亮點(diǎn)［1］。丙烯酸因?yàn)榫哂袃?yōu)異的聚合和酯化能力而成為重要的化工基礎(chǔ)原料。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)工業(yè)采用丙烷或丙烯部分氧化制備丙烯酸［2］。最近的研究發(fā)現(xiàn)，用發(fā)酵產(chǎn)品乳酸脫水制備丙烯酸的可能性已經(jīng)引起人們極大的興趣。由生物質(zhì)經(jīng)發(fā)酵得到乳酸，再經(jīng)脫水制成丙烯酸或其衍生物，是將來最有可能取代丙烷或丙烯部分氧化法的丙烯酸合成路線之一［3－7］。乳酸脫水制成丙烯酸，其反應(yīng)溫度較高，副反應(yīng)也較多，因此選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎刂品磻?yīng)條件，改變反應(yīng)途徑等，對(duì)提高反應(yīng)的選擇性很重要。本研究要探討負(fù)載金屬離子對(duì)4 A分子篩催化劑的改性制備方法，并考察改變?nèi)樗崴庵苽浔┧岬臈l件對(duì)催化性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 改性催化劑的制備

4 A分子篩的預(yù)處理：先將4 A分子篩置于研缽中研碎，再過20目篩，稱取一定量在馬福爐中550℃下煅燒6 h進(jìn)行脫附。再將4 A分子篩平均分成4組分別浸漬于一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硝酸鈉水溶液，室溫下靜置12 h，抽濾，并于100℃的干燥箱中干燥12 h。干燥后再放馬福爐中以10℃／min的速率升溫至550℃，焙燒6 h。

分別將一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu（NO3）2、Ba（NO3）2、La（NO3）3溶液替代上述的硝酸鈉溶液制備改性的4A分子篩：將焙燒后的4A分子篩浸漬入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硝酸鹽水溶液中，在室溫靜置12 h。抽濾后，于100℃干燥4 h，再于40℃條件下干燥12 h。然后，置于馬福爐中，以10℃／min的速率升溫至550℃，焙燒6 h。

將浸漬了Cu2＋、Ba2＋、La3＋的分子篩催化劑分別命名為Cu／4A，Ba／4A，La／4 A，未浸漬Cu2＋、Ba2＋、La3＋的分子篩4 A0作為對(duì)照組。

1.2 催化劑比表面的測(cè)定實(shí)驗(yàn)

BET法測(cè)催化劑的比表面積，用J W－004型氮吸附比表面儀（北京精微高博科學(xué)技術(shù)有限公司），選擇He為載氣，N2為吸附質(zhì)，氦氣瓶壓力0.25 MPa，氮?dú)馄繅毫?.25 MPa。

1.3 用XRD表征4A分子篩催化劑晶相

采用Br uker公司的DS Discover X射線衍射儀，對(duì)催化劑的物相進(jìn)行測(cè)定。條件為Cu Kα輻射，在波長(zhǎng)λ＝1.540 6，管流為80.0 Ma，掃描速率為2（°）／min，掃描范圍為15°～80°的條件下，測(cè)定各樣品的晶相結(jié)構(gòu)。

1.4 催化劑的評(píng)價(jià)

使用自行設(shè)計(jì)的固定床，將催化劑裝入反應(yīng)器石英管內(nèi)，左右兩邊為玻璃棉，左邊10 mm，右邊1 mm，催化劑層為15～25 mm（0.32～0.38 g）。

在不同的反應(yīng)溫度條件下，控制一定流速的N2，將以一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳酸進(jìn)樣，速率調(diào)整至0.067 mL／min（即指示為0.1）。0.5 h后開始收集產(chǎn)物。收集到的產(chǎn)物均為1.8 mL左右，消耗乳酸的量為2.0 mL。收集產(chǎn)物后用氣相色譜對(duì)丙烯酸進(jìn)行分析，并計(jì)算丙烯酸的產(chǎn)率和選擇性。

2 結(jié)果與討論

2.1 硝酸鈉浸漬液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)催化劑活性的影響

當(dāng)反應(yīng)條件為：乳酸原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，催化劑質(zhì)量為0.3 g，N2流量為1.8 mL／min，反應(yīng)溫度為350℃時(shí)，改變浸漬的硝酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)催化劑活性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，硝酸鈉浸漬液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)乳酸轉(zhuǎn)化率的影響并不明顯，而隨著硝酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，丙烯酸的選擇性和產(chǎn)率呈現(xiàn)先略有增大然后減小的趨勢(shì)，當(dāng)硝酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，這兩者都達(dá)到最高，即催化劑的活性最佳，這可能的原因是浸漬液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)4 A分子篩顆粒表面的酸堿產(chǎn)生影響，對(duì)丙烯酸的選擇性有利。

2.2 不同金屬離子改性對(duì)催化劑活性的影響

以30%硝酸鹽浸漬液的改性4 A分子篩作催化劑，選用乳酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，N2流量為1.8 mL／min，反應(yīng)溫度為350℃時(shí)，對(duì)比不同金屬離子改性的4 A分子篩的催化活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，3種改性4 A分子篩的丙烯酸的產(chǎn)率和選擇性明顯高于對(duì)照組分子篩。對(duì)比3組改性過的4 A分子篩，Ba／4A分子篩上丙烯酸的選擇性和產(chǎn)率都高于其他2組，活性最大，達(dá)到最高的丙烯酸選擇性為25.2%。圖中的4組催化劑的乳酸轉(zhuǎn)化率相差不大，基本上在70%左右，說明用不同的金屬離子改性4 A分子篩，對(duì)乳酸的轉(zhuǎn)化率影響不明顯。

圖1 浸漬液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)催化劑活性的影響Fig.1 Effect of concentration of metal ion on perfor mance of catalysts

圖2 不同金屬離子改性對(duì)催化劑活性的影響Fig.2 Effect of metal ion on perfor mance of catalysts

2.3 乳酸制備丙烯酸最優(yōu)條件的確定

2.3.1 乳酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)丙烯酸生成的影響

配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳酸乳液，選用0.3 g的Ba／4A分子篩作催化劑，載氣N2流量為1.8 mL／min，反應(yīng)溫度為350℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示乳酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)丙烯酸生成的影響如圖3所示。

由圖3可知，丙烯酸的產(chǎn)率隨乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)達(dá)到最高，它的轉(zhuǎn)化率維持在60%以上；當(dāng)乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40%時(shí)，其轉(zhuǎn)化率明顯下降。這可能的原因是乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)，乳酸的有效停留時(shí)間縮短，沒有完全活化就脫離催化劑表面，而使丙烯酸的產(chǎn)率隨乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減少；另外的可能原因是乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)若過高，易導(dǎo)致二次反應(yīng)或使焦炭等副產(chǎn)物的產(chǎn)量增加。由實(shí)驗(yàn)可知，提高丙烯酸的產(chǎn)率，反應(yīng)物乳酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～50%為宜。

2.3.2 N2流量對(duì)丙烯酸生成的影響

當(dāng)反應(yīng)條件為：乳酸原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，Ba／4 A分子篩催化劑0.3 g，反應(yīng)溫度為350℃時(shí)，改變載氣N2的流量對(duì)丙烯酸生成的影響如圖4所示。

由圖4可知，N2流量對(duì)乳酸轉(zhuǎn)化率的影響不明顯，但對(duì)丙烯酸的選擇性和產(chǎn)率則有一定的影響。N2流量為1.8～2.0 mL／min時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率和選擇性均有所較高，但再增大N2流量，則丙烯酸的產(chǎn)率和選擇性有所下降。可能的原因是在載氣流量過低的情況下，丙烯酸生成后未能及時(shí)遷移出催化劑表面，可造成二次副反應(yīng)的發(fā)生，使丙烯酸收率偏低；而增大N2流量可使催化劑表面上丙烯酸的濃度稀釋，抑制丙烯酸深度反應(yīng)，從而可提高丙烯酸的產(chǎn)率及選擇性；但當(dāng)載氣N2流量過大時(shí)，會(huì)稀釋反應(yīng)物料及中間產(chǎn)物，使丙烯酸收率有所下降。實(shí)驗(yàn)證明，適宜的載氣N2流量為1.8～2.0 mL／min。

圖3 乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)丙烯酸生成的影響Fig.3 Effect of concentration of lactic acid on yield of acrylic acid

圖4 N2流量對(duì)丙烯酸生成的影響Fig.4 Effect of N 2 flo w on yield of acr ylic acid

2.3.3 溫度對(duì)丙烯酸生成的影響

當(dāng)反應(yīng)條件為：原料是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的乳酸，選用質(zhì)量為0.4 g的Ba／4 A分子篩為催化劑，N2流量為1.8 mL／min時(shí)，不同的反應(yīng)溫度對(duì)丙烯酸生成的影響如圖5所示。

由圖5可知，隨著溫度的增加，乳酸的轉(zhuǎn)化率逐漸增大，而丙烯酸的選擇性和產(chǎn)率則有所下降，當(dāng)溫度為325℃時(shí)，丙烯酸的選擇性和產(chǎn)率均達(dá)到最高，溫度繼續(xù)升高，丙烯酸的選擇性和產(chǎn)率反而減小。可能的原因是乳酸脫水反應(yīng)在高溫下發(fā)生可能出現(xiàn)副反應(yīng)，可影響目標(biāo)產(chǎn)物的生成。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，反應(yīng)溫度在300～325℃時(shí)，丙烯酸的選擇性較好，產(chǎn)率較高。

圖5 溫度對(duì)丙烯酸生成的影響Fig.5 Effect of reaction temperature on yield of acr ylic acid

表1 3種改性分子篩及對(duì)照組的比表面積Table 1 Specific surface area of three kinds of modified molecular sieves and the control gr oup

圖6 4組4 A分子篩的XRD圖譜Fig.6 XRD patterns of f our groups of 4A molecular sieves

2.4 催化劑比表面積分析

催化劑比表面積測(cè)定的結(jié)果見表1。

從表1可見，改性前和改性后4 A分子篩的比表面積總體變化不大。只有Cu／4 A和La／4A分子篩的比表面積有所降低。造成這樣的結(jié)果可能的原因是金屬離子Cu和La被分子篩吸附后，堵塞了一部分分子篩的孔徑，造成催化劑的比表面積減小。而Ba／4 A分子篩的比表面積有所增大，可能原因是Ba與4A分子篩形成一定架空結(jié)構(gòu)，使得催化劑的比表面積增大，活性中心增多，這可能是Ba／4 A分子篩比其他2種改性分子篩的活性高的原因。

2.5 4A分子篩的XRD圖譜分析

將對(duì)照組標(biāo)記為 A0，將 La／4 A、Ba／4 A、Cu／4 A 分子篩分別標(biāo)記為A1、A2、A3，其XRD表征如圖6所示。2θ角度為22.0°、24.3°、27.4°、30.2°、34.5°、52.3°和69.4°可以歸屬于4 A分子篩特征峰。圖6對(duì)比表明A0、A1、A2、A3這4組都有4 A分子篩的晶型結(jié)構(gòu)，且A1、A2、A3的峰普遍都比 A0高，這說明由 Cu2＋、Ba2＋、La3＋改性之后分子篩的晶格密度可能有所增大。由圖中可以看出，A1與A0的圖形基本一致，這表明經(jīng)鑭離子（La3＋）改性的4 A分子篩的骨架結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化。而A2和A3的圖形與A0對(duì)比，在22°、27°、30°和33°左右多出了小峰，這說明經(jīng)鋇離子（Ba2＋）和銅離子（Cu2＋）改性的4 A分子篩的結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定程度的變化，而A2與A3的峰形相比較，A2在25°、37°、30°～31°和35°比A3的峰形更加復(fù)雜，表明鋇離子和銅離子對(duì)4 A分子篩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響程度略微有些不同，這或許是Ba／4 A的催化活性比其他2種更高的原因。

3 結(jié) 語

1）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硝酸鈉浸漬4 A分子篩對(duì)乳酸制備丙烯酸選擇性最好。

2）負(fù)載金屬離子Ba2＋的Ba／4 A催化劑，比表面積最大，乳酸制備丙烯酸選擇性和產(chǎn)率都高于其他2組，活性最大。

3）用乳酸制備丙烯酸的最佳條件：乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，Ba／4 A催化劑質(zhì)量為0.3 g，N2流量為2.0 mL／min，反應(yīng)溫度為325℃。在此條件下，丙烯酸的選擇性可達(dá)到29.5%，轉(zhuǎn)化率為70%左右。

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