配備催化燃燒熱阻檢測器的氣相色譜用于評價草酸二甲酯合成催化劑

張曉紅馬 駿王 毅

（1.北京博大格林高科技有限公司，北京100871；2.昆明貴研金峰科技有限公司，昆明650106）

配備催化燃燒熱阻檢測器的氣相色譜用于評價草酸二甲酯合成催化劑

張曉紅1馬 駿2王 毅2

（1.北京博大格林高科技有限公司，北京100871；2.昆明貴研金峰科技有限公司，昆明650106）

首次將配備催化燃燒熱阻檢測器的氣相色譜用于評價草酸二甲酯合成催化劑，通過優化色譜柱、分離條件、載氣流速、補充空氣量等條件，建立了同時評價CO、草酸二甲酯、亞硝酸甲酯、甲醇、碳酸二甲酯等有機和無機組分的分析方法，檢出能力完全滿足催化劑評價的需求。該儀器獲得的測試結果與常規熱導和氫焰檢測器的結果吻合，說明該檢測器完全可以取代熱導和氫焰檢測器用于催化劑評價，從而大幅提高檢測效率。

催化燃燒熱阻檢測器 草酸二甲酯 氣相色譜

1 前言

催化產業是化工生產的核心組成部分之一，可以毫不夸張的說沒有現代催化產業的發展就沒有現代化學工業的興盛。催化產業的核心又在于催化劑的開發，但現階段催化理論尚不夠完善，所以催化劑的開發仍處在嘗試探索為主，理論預測為輔的狀態，用一句通俗的話來形容就是還處在“炒菜”階段，具體而言就是需要合成大量性質漸變的催化劑，然后逐一篩選找到最佳的催化劑［1，2］。因此，要提高催化劑研發的效率，實際是需要提高催化劑的制備效率和評測效率；多相催化中常用氣相色譜作為反應過程的評價裝置，其應用最為廣泛兩種檢測器是熱導和氫焰［3］，但作為催化劑評價裝置的檢測器，熱導靈敏度略低（不能用作副產物分析，不利于評價催化劑選擇性），氫焰雖然靈敏度很高，但不夠通用（不能檢測氫氣、CO等無機氣體）且氫焰需要使用易燃易爆的氫氣，并行使用時危險性亦成倍上升。催化燃燒熱阻檢測器（catalyzed combustion thermal resistance detector，簡稱CCTRD）［4，5］是一種量熱型檢測器，由高阻Pt絲和附著于其上的催化燃燒催化劑組成，其原理如圖1所示。由圖1可知，對于非燃氣體，其表現與熱導（TCD）類似，Pt絲可給出基于氣體熱導的較弱吸熱信號；對于可燃氣體，氣體在催化劑的作用下發生無焰催化燃燒而大量放熱，放出的熱量可被Pt絲量熱元件上測得，得到高靈敏度的放熱信號。由其原理可知，該傳感器既具備了熱導的通用型又具備氫焰對含碳化合物的高靈敏度，非常適合作為組合催化評價的檢測器。而且，該檢測器的核心部件體積小、結構簡單，具備進一步集成為多道并行的高通量檢測裝置的潛力。劉錦耀等［4］曾采用配備有該裝置的色譜儀器檢測了煙用香精的成分，但未有用于催化劑評價的報道。

圖1 催化燃燒熱阻型氣相色譜工作原理示意圖

草酸二甲酯（DMO）是重要的有機化工原料，大量用于制備各種染料、醫藥、重要的溶劑、萃取劑及多種中間體。近年來，草酸酯是以合成氣為主要原料制備重要化工原料乙二醇的中間體，所以其重要性不斷提高。特別是我國這樣缺油少氣，但煤資源相對豐富的國家，由煤制合成氣再經草酸酯制乙二醇，是一條更為經濟的乙二醇合成路線［68］。本項目所采用的反應體系就是進行草酸二甲酯的合成反應的催化劑性能的評價［9］。正、副反應方程式分別示于1，2中。

由上述反應方程式可知，反應原料氣一般含有一氧化碳（CO）、亞硝酸甲酯（MN）和MN帶入的少量甲醇（MeOH）；產物主要為草酸二甲酯（DMO），及少量副反應產物碳酸二甲酯（DMC）。判定一個催化劑的好壞，往往需要知道催化劑的轉化率和選擇性，在此反應中，需要同時評價反應產物中的無機物和有機物，所以評價上述體系通常需要使用兩臺色譜，分別配備熱導（TCD）和氫焰（FID）檢測器，以TCD分析CO的含量，以FID檢測器分析MN、DMO、MeOH和DMC的含量［10］，占地大、成本高且管路連接復雜，顯著影響了催化劑評價的成效。

本實驗首次將配備CCTRD的氣相色譜用于評價DMO合成催化劑，通過優化色譜柱、分離條件、載氣流速、補充空氣量等條件，建立了同時評價CO、DMO、MN、MeOH、DMC等有機和無機組分的分析方法，檢出能力完全滿足催化劑評價的需求。能更快速的評價催化劑的優劣，大大簡化催化劑的評價工作。

2 實驗

2.1 儀器及裝置

催化劑評價系統：昆明貴研金峰科技有限公司研制，由氣體控制單元、微反應器單元、CCTRD色譜等單元組成，示意見圖2。

圖2 催化劑反應評價系統示意圖

反應開始前，在氮氣保護下將微型反應器溫度升至130℃左右，后按一定比例通入CO、MN、N2等開始反應，管路全程保溫到160℃左右，反應尾氣通入CCTRD色譜分析各種氣體的組成與含量。

2.2 試劑

Pd催化劑：北京博大格林高科技有限公司研制開發；CO、N2、空氣購自于北京華元氣體有限公司；MN為實驗室自行制備含少量甲醇。

2.3 實驗流程

（1）色譜柱的選擇

（2）載氣流速、助燃氣流速的影響

通入一定比例的氣體成分，調節載體流速、助燃氣流速，確定最佳的色譜分析條件。

（3）儀器分離性能評價

將MN、CO、N2按催化反應氣體配比要求通入到評價系統中進行催化反應，確定最佳的升溫程序，使尾氣中的各種產物分開。

（4）實際催化反應體系評價及與常規熱導和氫焰檢測器比對

將0.2mL催化劑裝填于反應管中，通過氣體控制單元控制各路氣體MN、CO、N2混合進入反應器中，控制反應器溫度至反應平穩后采樣，通入CCTRD色譜六通閥中進行分析，由色譜譜圖與每種組分事先標定的標準曲線計算評價催化劑的催化性能。

比對試驗前述同上，后將反應尾氣通入常規熱導檢測器分析CO轉化率，通入氫焰檢測器分析MN轉化率、DMO的選擇性和DMO的時空收率。計算公式如下：

上式中，F0和F1分別為進出口氣體的摩爾總流量，yCO0是該CO在進口總氣體中所占的摩爾百分數，yCO是該組分在出口總氣體中所占的摩爾百分數，yMN0為進口總氣體中所占的摩爾百分數。yMN是該組分在出口總氣體中所占的摩爾百分數，yDMO是該組分在出口總氣體中所占的摩爾百分數，xMN、xCO分別為MN和CO的轉化率。SDMO為DMO的選擇性，STYDMO為DMO的時空收率，mDMO為草酸二甲酯的質量，V為催化劑的體積，t為反應時間。

3 結果與討論

3.1 色譜柱的選擇

由于此反應產物含有無機物和有機物等多種組分，室溫下有氣體、液體、固體，本實驗比較了非極性GDX－102填充柱和極性柱PEG－20M填充柱分離效果，色譜條件為：在50℃下恒溫4min，20℃／min升溫至180℃，再停留2min。其中檢測器溫度180℃，進樣室溫度180℃載氣流速12mL／min，分別通入各組分標準樣品，結果如表1所示。

表1 不同色譜柱分析結果

由表1可知：各組分在兩種色譜柱上分離度均大于1.25，均能有效進行各物質的分離；在非極性GDX－102填充柱上的各組分保留時間長，DMO組分超出一小時，DMC等強保留組分的峰嚴重展寬，對這些組分的檢測不利；而各組分在極性柱PEG－20M保留時間短、信號靈敏度高，且峰展寬小。故選擇極性柱PEG－20M填充柱進行后續實驗。

3.2 載氣流速的影響

催化燃燒熱阻型色譜使用N2作為載氣，由表1可知，MN、MeOH、DMC之間的分離度很高，故主要以CO和MN來考察載氣流速的影響，圖3示出了載氣流速對測試結果的影響。由圖3可知：隨載氣流速的增加，峰面積先增加，載氣流速為12 mL／min時達到最高，之后又逐漸下降，其原因在于載氣流速6mL／min時載氣流速過小，兩種組分保留時間都延長，出峰太慢，柱內擴散、渦流等效應等增大，導致峰展寬嚴重（見圖3c），造成了峰面積降低；12mL／min以后過高的流速又稀釋了待測氣體，造成了峰面積降低。保留時間（見圖3b）和半峰寬（見圖3c）均隨著載氣流速加大而單調減小，但在12mL／min前降幅較大，而在12mL／min之后則變化較小；兩峰的分離度（見圖3d）隨流速的增加而不斷降低，但在12mL／min前分離度均大于1.25，能較好的分離CO和MN的色譜峰，而當流速大于12mL／min時，分離度均小于1.25，分離效果不佳。綜合考慮，本實驗最終確定了最佳的載氣流速為12mL／min，在此條件下，兩組分的靈敏度和分離度均較為理想。

圖3 載體流速的影響

3.3 助燃氣流速的影響

CCTRD色譜在檢測時需在檢測器中補入空氣作為助燃氣，故鼓入的空氣量也會影響檢測結果，本節仍以10%CO和5%MN尾氣成分為例進行分析，分析結果見圖4，通過流速對峰面積及峰寬的影響來考察助燃氣的作用。由圖4a可知，隨助燃器流速升高，兩組分的峰面積均逐漸降低，這應該是由助燃氣的稀釋效應造成的，但當助燃氣流速小于等于20mL／min時，CO的色譜峰超限，出現平頭，這應該是助燃氣流速過小時，CO過載造成其不能充分燃燒造成的，這也同時造成了20mL／min流速下峰寬異常變寬的現象（見圖4b）。圖4b中助燃氣對峰寬的影響也驗證了該推測，對于CO來說，當助燃氣流速為10mL／min時，峰寬較大，出現平頭峰，而當助燃氣流速逐漸增大時，峰寬基本保持不變，可以得到較好的峰型，對于MN而言，助燃氣的流速對峰寬的影響不大。考慮到儀器的靈敏度及分離的需要，實驗最終確定了最佳的助燃氣流速為30mL／min。此時兩種成分可以很好的分離。

圖4 助燃氣流速對測試結果的影響注：P1為10%CO，P2為5%MN，圖4a中O處代表CO濃度過高，出現平頭峰。

3.4 色譜條件的優化

色譜條件的優化主要包括柱溫、進樣口溫度、檢測器溫度的選取，這些都影響待測物的分離效果。柱溫低有利于分配，有利于組分的分離，但溫度過低，被測組分可能在柱中冷凝或者傳質阻力增加，使色譜峰擴張，甚至拖尾。柱溫高有利于傳質，但柱溫高過時，分配系數變小，不利于分離。進樣口溫度過低，氣化速度慢，使樣品峰擴展，產生前伸峰；溫度過高則產生裂解峰，而使樣品分解。如果溫度過高，出峰數目變化，重復進樣時很難重現；溫度太低則峰形不規則，出現平頭峰或伸舌頭寬峰；若溫度合適則峰形正常，峰數不變，并能多次重復。檢測器溫度的選擇：檢測器溫度過高，高溫下柱固定相流失嚴重，影響基線甚至會出現波動和鬼峰。本實驗分析的尾氣的成分主要為：CO、MN，MeOH，DMC，DMO。CO、MN常溫下為氣體，而MeOH、DMC常溫下為液體，DMO常溫下為固體，故需要采取程序升溫控制。經過多次實驗，確定了色譜的最佳程序升溫條件為：在50℃下恒溫4min，20℃／min升溫至180℃，再停留2min。其中檢測器溫度180℃，進樣室溫度180℃，譜圖如圖5所示，依次為CO、MN，MeOH，DMC，DMO。可一次同時分析5種產物，大大加快了催化劑的評測效率。

圖5 催化燃燒熱阻型色譜分析譜圖

3.5 實際催化反應體系評價與常規熱導和氫焰檢測器比對

為考察CCTRD評價催化劑的準確性，將CCTRD的檢測結果和TCD＋FID的結果進行了比對，其中TCD前采用5A分子篩分離，用于檢測CO；FID前采用毛細管柱RTX－wax分離用于分析MN，MeOH、DMC、DMO，比對結果見表2。由表2可知，采用CCTRD分析CO轉化率和傳統TCD分析結果基本一致；MN轉化率、DMO選擇性、DMO時空收率與FID的結果也吻合較好，說明CCTRD完美的實現了TCD＋FID的功能。

表2 催化燃燒熱阻型檢測器分析實際樣品與常規熱導和氫焰檢測器比對

4 結論

首次采用催化燃燒熱阻型檢測器同時分析了CO偶聯生成草酸二甲酯反應的尾氣含量，該檢測器同時兼具熱導和氫焰的功能，只需一臺色譜即可同時分析催化體系中的無機氣體和有機組分，本工作通過優化載體流速、助燃氣流速，建立了最佳的儀器分析條件；并通過與TCD＋FID的比對，在實際催化劑反應體系中得到了驗證。從以上結果可知，配備CCTRD的氣相色譜應用于催化評價領域中時，不但節約了設備資源，還可以提高催化劑評價的效率，有著廣闊的應用前景。

［1］Sundermann A，Gerlach O.High－Throughput Screening as a Supplemental Tool for the Development of Advanced Emission Control Catalysts：Methodological Approaches and Data Processing［J］.Catalysts，2016，6（2）：23.

［2］Gartner A，Lenk T，Kiemel R，etal.High－Throughput Screening Approach to Identify New Catalysts for Total Oxidation of Methane from Gas Fueled Lean Burn Engines［J］.Top Catal，2016，59：1071－1075.

［3］李清云，張曉文，李清玲，等 .多維色譜快速分析催化裂化煉廠氣組成的方法研究［J］.分析儀器，2014，（1）：83－87.

［4］劉維娟，劉錦耀 .煙用香精的氣相色譜法質量控制研究［J］.色譜，1998，16（5）：406－407.

［5］劉錦耀，王毅，劉明鐘 .催化氧化熱阻型氣相色譜儀，CN201096761Y，2008.

［6］Song HY，Jin RH，Chen J，etal.Progress in synthesis of ethylene glycol through C1chemical industry routes［J］.Chinese J Catal，2013（34）：1035－1050.

［7］鄧茜茜，蔣元力，陳戰省，等.CO氧化偶聯合成草酸酯研究進展［J］.山東化工，2015，（44）：42－46.

［8］史建公，劉志堅，張毅，等.CO偶聯合成草酸酯催化劑國內專利技術進展［J］.中外能源，2013，18（7）：60－69.

［9］Jin E L，He L L，Zhang Y L，et al.A nanostructured CeO2promoted Pd／α－aluminadiethyl oxalate catalyst with high activity andstability［J］.RSC Adv，2014，4：48901－48904.

［10］計揚.CO催化偶聯制草酸二甲酯反應機理－催化劑和動力學的研究.博士論文，華東理工大學，2010.

Screening of catalyst for synthesis of dimethyl oxalate by gas chromatography with catalyzed combustion thermal resistance detector.

Zhang Xiaohong1，Ma Jun2，Wang Yi2
（1.Beijing Boda Green High－Tech－Co.，Ltd.，Beijing 100871，China；2.Kunming Guiyan Jinfeng Technology Co.，Ltd.，Kunming 650106，Yunnan，China）

The gas chromatography with catalyzed combustion thermal resistance detector（CCTRD）was firstly applied to screening of catalysts for synthesis of dimethyl oxalate.Through optimization of the chromatographic column，the separation condition，flow rate of carrier gas，combustion gas and so on，a method for determination of CO，dimethyl oxalate，methyl nitrite，methyl alcohol and dimethyl carbonate were developed，which was suitable for catalyst evaluation.Furthermore，the results obtained by CCTRD were similar with those obtained by thermal conductivity detector（TCD）and flame ionization detection（FID），which indicated that the newly proposed method could greatly improve the screening efficiency of catalysts and replace current TCD＋FID mode.

catalyzed combustion thermal resistance detector；dimethyl oxalate；gas chromatography

10.3936／j.issn.1001－232x.2017.01.003

2016－09－05

國家重大科學儀器設備開發專項“新型高速、高靈敏度、高通量色譜分析儀器的開發與應用”2012YQ14000808資助項目。

張曉紅，女，碩士，從事催化劑制備評價和儀器方法的開發，E－mail：zxh2917＠126.com。