許孟霞 王怡博 鄧長(zhǎng)順 丁麗平 許逸達(dá) 薛念華 郭學(xué)鋒 彭路明 丁維平
(南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,介觀化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210023)
異丁烷(i-C4H10)與丁烯(C4H8)在強(qiáng)酸性介質(zhì)中發(fā)生烷基化反應(yīng)得到的支鏈烷烴混合物被稱為烷基化汽油,其主要成分為異辛烷。烷基化汽油具有辛烷值高、敏感度好、蒸汽壓低等優(yōu)點(diǎn),是一種理想的汽油添加劑[1-2]。傳統(tǒng)工業(yè)上一般通過(guò)液體強(qiáng)酸(HF、H2SO4等)來(lái)催化異丁烷/丁烯烷基化反應(yīng)[3-6]。液體酸雖然廉價(jià)易得,但在使用的過(guò)程中會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的設(shè)備腐蝕、環(huán)境污染、產(chǎn)物分離純化困難等問(wèn)題,因此人們?cè)噲D用固體超強(qiáng)酸、雜多酸、分子篩、酸性樹脂等固體酸來(lái)代替液體酸催化異丁烷/丁烯烷基化反應(yīng),不過(guò),此類研究雖已廣泛進(jìn)行,但由于存在著易失活、選擇性差等問(wèn)題而未能進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用[7-14]。
大量的研究證明在異丁烷/丁烯烷基化反應(yīng)體系中,烯烴聚合副反應(yīng)的發(fā)生是導(dǎo)致固體酸催化劑失活的主要原因。因?yàn)樵谒嵝源呋瘎┍砻嫦N自聚合反應(yīng)比烴類烷基化反應(yīng)更易發(fā)生,從而產(chǎn)生大量的積碳,導(dǎo)致催化劑快速失活[6-10,15-16]。為了減少積碳的產(chǎn)生,研究人員進(jìn)行了諸多設(shè)計(jì)和探索,如Shen等制備了三甲基乙氧基硅烷修飾的SAB-15負(fù)載Nafion樹脂催化劑。和傳統(tǒng)的負(fù)載型樹脂相比,三甲基乙氧基硅烷修飾型樹脂具有較強(qiáng)的疏水性表面,而表面疏水性的提高增強(qiáng)了催化劑對(duì)烴類反應(yīng)物的吸附,有效地減少了烯烴聚合副反應(yīng)的反生,提高了高辛烷值產(chǎn)物的選擇性,延長(zhǎng)了催化劑的壽命[17]。但由于樹脂型催化劑表面酸強(qiáng)度較低,且酸位點(diǎn)易流失,限制了其工業(yè)應(yīng)用。而雜多酸,尤其是磷鎢酸(HPW)具有較高的酸強(qiáng)度(H0=-12.7),符合異丁烷/丁烯烷基化對(duì)強(qiáng)質(zhì)子酸的要求,且容易大量生產(chǎn),是一種潛在的可以用來(lái)取代液體酸的烷基化催化劑[8,18-19]。
在本工作中,為了增強(qiáng)催化劑對(duì)異丁烷的吸附而減少烯烴聚合副反應(yīng)的發(fā)生,我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖1所示的催化劑,其結(jié)構(gòu)關(guān)鍵是外層修飾的十六烷基膦酸,希望其能增強(qiáng)催化劑對(duì)烷烴的吸附并減少積碳的產(chǎn)生。我們首先通過(guò)浸漬法將磷鎢酸負(fù)載到氧化硅納米微球上,然后再用十六烷基膦酸(HDPA)修飾其表面,得到了類似懸鈴木果實(shí)結(jié)構(gòu)的催化劑(HDPA-HPW/SiO2), 并將其應(yīng)用到異丁烷/丁烯烷基化反應(yīng)中。結(jié)果表明,表面修飾的HDPA增強(qiáng)了催化劑對(duì)烴類反應(yīng)物的吸附,極大地提高了催化劑表面異丁烷的濃度,減少了烯烴聚合副反應(yīng)的發(fā)生和長(zhǎng)鏈碳?xì)浠衔镌诖呋瘎┍砻娴某练e,提高了高辛烷值產(chǎn)物的選擇性,并將催化劑的壽命從4 h延長(zhǎng)到了50 h。
圖1 催化劑結(jié)構(gòu)模型和催化反應(yīng)過(guò)程示意圖Fig.1 Catalyst structure model and schematic diagram of catalytic reaction process
Keggin 結(jié)構(gòu)磷鎢酸 (H2PW12O40·x H2O,HPW),分析純,生產(chǎn)廠家為Aladdin;十六烷基膦酸(C16H35O3P,HDPA),分析純,生產(chǎn)廠家為 Sigma-Aldrich;SiO2從浙江宇達(dá)化工有限公司獲得;反應(yīng)氣體:異丁烷(i-C4H10)和丁烯(C4H8)由南京天澤氣體有限責(zé)任公司提供。
HPW/SiO2:取0.5 g氧化硅粉末添加到盛有20 mL水的燒杯中,在室溫下攪拌使其分散均勻,然后向其中滴加10 mL磷鎢酸水溶液,在室溫下繼續(xù)攪拌2 h后,將燒杯放進(jìn)80℃的水浴鍋中,攪拌使水蒸干。在100℃烘箱中干燥12 h后在靜態(tài)空氣下150℃焙燒2 h,得到氧化硅負(fù)載磷鎢酸催化劑,記為HPW/SiO2。在合成過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)磷鎢酸和SiO2的量,得到以下樣品 (HPW含量以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示):10%HPW/SiO2,20%HPW/SiO2,30%HPW/SiO2,40%HPW/SiO2。
HDPA-HPW/SiO2:通過(guò)等量浸漬的方法將HDPA修飾到催化劑表面。具體操作如下:取0.5 g上述制備的HPW/SiO2粉末置于燒杯底部,將2.5 mL HDPA乙醇溶液逐滴滴加到上述燒杯中,邊滴加邊快速攪拌,使液體充分均勻地與HPW/SiO2粉末混合,最后得到飽和浸漬膏狀物。然后用保鮮膜封住燒杯口,在室溫下放置24 h后,將燒杯敞口放進(jìn)80℃烘箱中干燥12 h,最后將干燥后的樣品在靜態(tài)空氣下150℃焙燒2 h,得到HDPA修飾的氧化硅負(fù)載磷鎢酸催化劑,記為HDPA-HPW/SiO2。通過(guò)調(diào)節(jié)HDPA的加入量,得到以下修飾量(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示)的樣品:1%HDPA-HPW/SiO2,3%HDPA-HPW/SiO2,5%HDPA-HPW/SiO2。
通過(guò)傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)和X射線粉末衍射(XRD)表征得到催化劑的結(jié)構(gòu)信息,F(xiàn)T-IR表征通過(guò)Bruker VERTEX 70紅外光譜儀獲得,掃描范圍為 4 000~500 cm-1;XRD 測(cè)試在 Philips X′pert Pro衍射儀上完成,以Cu靶Kα射線(λ=0.154 18 nm)作為入射光源,加速電壓為40 kV,管電流為40 mA,掃描范圍為10°~80°。樣品的比表面和孔體積信息通過(guò)在Micrometritics ASAP 3020儀器上進(jìn)行氮?dú)馕?脫附測(cè)試獲得,測(cè)試前先將樣品在150℃真空條件下活化5 h,測(cè)量溫度為液氮溫度(77 K)。催化劑的透射電子顯微鏡(TEM)測(cè)試在JEM-1010儀器上完成,加速電壓為100 kV。HPW的實(shí)際含量通過(guò)在ARL-9800儀器上進(jìn)行X射線熒光(XRF)測(cè)試獲得。催化劑的熱重分析(TG)在STA 449C-Thermal Star 300(Netzsch)儀器上完成,測(cè)試條件:空氣氣氛,以10℃·min-1的升溫速率,從室溫升到800℃。
催化劑對(duì)異丁烷的吸附-脫附性能測(cè)試在多功能吸脫附儀TP-5080(天津先權(quán)有限公司)上進(jìn)行,具體操作如下:取100 mg催化劑壓片過(guò)篩得到30~60目的樣品小顆粒,然后將顆粒樣品置于石英管中并放在測(cè)試儀器的加熱爐中,首先在30 mL·min-1的氦氣氣氛、150℃條件下將樣品活化1 h,然后冷卻至室溫,吸附異丁烷氣體1 h,接著將溫度升至180℃,用TCD檢測(cè)器記錄異丁烷脫附信號(hào)。
催化劑催化異丁烷/丁烯烷基化反應(yīng)在氣固相反應(yīng)床上進(jìn)行,具體步驟如下:將制備的催化劑粉末壓片過(guò)篩得到30~60目的固體小顆粒,然后取200 mg固體小顆粒放到U型石英管中,通入30 mL·min-1的氮?dú)?,?50℃活化1 h,然后切換成異丁烷和丁烯氣體,通過(guò)調(diào)節(jié)烷烯比和反應(yīng)溫度獲得合適的反應(yīng)條件。為了防止液體產(chǎn)物在管路中凝聚,氣體管路外均纏有加熱帶,并設(shè)定其溫度為120℃。反應(yīng)后的產(chǎn)物通過(guò)氣相色譜(GC-9860)在線分析,色譜柱型號(hào)為 Agilent HP-AL/S,50 m×0.53 mm,檢測(cè)器為氫火焰離子化檢測(cè)器(FID檢測(cè)器)。
圖2 (a)不同負(fù)載量的HPW/SiO2的XRD圖;(b)載體和催化劑的FT-IR譜圖;(c)HDPA修飾前后催化劑對(duì)異丁烷的吸附-脫附曲線;(d)催化劑的TG測(cè)試結(jié)果Fig.2 (a)XRD patterns of HPW/SiO2 catalysts with various HPW loadings;(b)FT-IR spectra of carrier and catalysts;(c)Absorption-desorption curves of i-C4H10 by catalysts before and after HDPA modification;(d)Results of TG tests of catalysts
不同負(fù)載量的HPW/SiO2樣品的XRD表征結(jié)果如圖2(a)所示。由圖可知,當(dāng)HPW負(fù)載量在10%~40%之間時(shí),XRD圖中均未出現(xiàn)HPW的晶相衍射峰,這說(shuō)明HPW均勻地分散在SiO2的表面,未發(fā)生大量堆積。之前也有文獻(xiàn)證明當(dāng)HPW的負(fù)載量小于50%時(shí),HPW以單分子層形式均勻地分散在SiO2載體上[18]。
為了探究HPW在SiO2載體表面的負(fù)載情況并判斷HDPA是否被成功地修飾到了催化劑表面,我們對(duì)30%HPW/SiO2和3%HDPA-30%HPW/SiO2樣品進(jìn)行了FT-IR光譜表征。由圖2(b)FT-IR表征結(jié)果可以看出,對(duì)于30%HPW/SiO2樣品,在946和1 621 cm-1出現(xiàn)了HPW的特征峰,但由于SiO2和HPW的部分出峰位置重合,且二者之間的作用力較強(qiáng),HPW其他位置的特征峰并不明顯[18]。經(jīng)HDPA修飾后,3%HDPA-30%HPW/SiO2樣品在2 938和2 869 cm-1處出現(xiàn)了2個(gè)新的特征峰,應(yīng)歸屬于HDPA上烷基鏈的伸縮振動(dòng)峰[20],這一結(jié)果說(shuō)明通過(guò)浸漬法我們成功地將HDPA修飾到了HPW/SiO2表面。
圖2(c)為HDPA修飾前后催化劑對(duì)異丁烷的吸附-脫附曲線。從圖中可以看出,3%HDPA-HPW/SiO2對(duì)異丁烷的吸附能力明顯優(yōu)于HPW/SiO2樣品,我們推測(cè)這是由于經(jīng)HDPA修飾后,催化劑表面親油性增強(qiáng),且HDPA的十六烷基尾鏈與異丁烷的作用較強(qiáng),從而提高了催化劑對(duì)異丁烷的捕獲能力。由于在酸性催化劑表面,高濃度的丁烯在很低的溫度下即發(fā)生聚合反應(yīng),單獨(dú)的丁烯吸附-脫附曲線難以獲得??紤]到催化劑對(duì)異丁烷吸附能力的增強(qiáng),且反應(yīng)物中異丁烷濃度遠(yuǎn)高于丁烯(ni-C4H10/nC4H8=20),這些條件應(yīng)該十分有助于異丁烷與丁烯之間的烷基化反應(yīng)。
接下來(lái)我們又對(duì)30%HPW/SiO2和3%HDPA-30%HPW/SiO2樣品進(jìn)行了熱重分析,樣品的失重曲線如圖2(d)所示。從圖中可以看出,經(jīng)HDPA修飾后,樣品失重量提高了約2.6%,而HDPA的理論修飾量為3%,我們推測(cè)這是由于在樣品的合成過(guò)程中,150℃焙燒步驟導(dǎo)致少量烷基鏈斷裂,從而使HDPA的實(shí)際修飾量少于3%。反應(yīng)50 h后,催化劑的失重又增加了3.21%,這說(shuō)明反應(yīng)后催化劑表面產(chǎn)生了積碳。
圖3給出了樣品的透射電鏡(TEM)照片及其表面親疏水性的宏觀測(cè)試結(jié)果。從圖3(a)可以看出,所選用的SiO2具有納米微球結(jié)構(gòu),大小均勻,尺度為10~20 nm。 負(fù)載 30%磷鎢酸后,圖 3(b)中 HPW/SiO2催化劑依然只呈現(xiàn)出與載體一致的形貌,這說(shuō)明磷鎢酸是以均勻分散的形式位于載體的表面的,沒(méi)有產(chǎn)生大量的堆積,和XRD表征結(jié)果一致。圖3(c)說(shuō)明表面經(jīng)HDPA修飾后,所得催化劑依然以單分散納米顆粒為主。
圖 3 (a~c)樣品的透射電鏡表征圖:(a)SiO2,(b)30%HPW/SiO2,(c)3%HDPA-30%HPW/SiO2;(d)疏水性能測(cè)試:1:30%HPW/SiO2,2:3%HDPA-30%HPW/SiO2Fig.3 (a~c)TEM images of samples:(a)SiO2,(b)30%HPW/SiO2,(c)3%HDPA-30%HPW/SiO2;(d)Hydrophobic performance tests:1:30%HPW/SiO2;2:3%HDPA-30%HPW/SiO2
為了測(cè)試樣品的親疏水性能變化,我們分別將等量的30%HPW/SiO2和3%HDPA-30%HPW/SiO2投放到盛有同樣體積水的小瓶中,經(jīng)攪拌與靜置之后,拍攝其存在狀態(tài)。從圖3(d)中可以看出30%HPW/SiO2全部以粉末狀沉到了燒杯的底部,而HDPA-HPW/SiO2因表面十六烷基鏈的修飾都浮在了水的表面,且因疏水性較強(qiáng),部分粉末聚集成了球狀小顆粒,這說(shuō)明經(jīng)HDPA修飾后,催化劑表面從親水性轉(zhuǎn)變成親油性。
表1給出了HPW的實(shí)際含量以及樣品的比表面積和孔體積信息。由于HPW是以均勻分散的形式位于載體表面的,負(fù)載30%的HPW后,樣品的比表面雖有所降低,但依然可達(dá)252 m2·g-1,進(jìn)一步修飾上3%的HDPA后,樣品的比表面積和孔體積有所減少。
表1 樣品中HPW的實(shí)際含量和織構(gòu)性質(zhì)Table 1 HPW actual loading determ ined by XRF and textural property of prepared catalysts
圖4為所制備的催化劑對(duì)異丁烷/丁烯烷基化反應(yīng)的催化性能和穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果。從圖4(a)中可以看出,純HPW的催化活性較低,當(dāng)將其負(fù)載到SiO2上后,丁烯轉(zhuǎn)化率大幅度提高。而進(jìn)一步在HPW/SiO2表面修飾上3%的HDPA后,丁烯的轉(zhuǎn)化率又有些許下降,我們推測(cè)這是由于修飾上的HDPA遮擋了部分HPW,催化劑表面有效酸位點(diǎn)減少,從而導(dǎo)致催化活性略微下降。
對(duì)于異丁烷/丁烯烷基化反應(yīng),產(chǎn)物中C8化合物的選擇性和三甲基戊烷(TMP)在C8化合物中所占的比例越高,得到的烷基化汽油的辛烷值越高。從圖 4(b)中可以看出,對(duì)于純 HPW,C8化合物的選擇性和TMP在C8中所占的比例都較低,而將其負(fù)載到SiO2上后,HPW高度分散在SiO2表面,有助于C8產(chǎn)物及時(shí)地從活性位點(diǎn)脫離,減少其進(jìn)一步聚合,從而提高了C8化合物和TMP的選擇性。經(jīng)HDPA修飾后,C8化合物和TMP的選擇性都優(yōu)于HPW/SiO2催化劑,這是由于表面修飾的HDPA提高了催化劑表面對(duì)烴類化合物的吸附性能,且由于反應(yīng)物中異丁烷的量遠(yuǎn)大于丁烯的量(ni-C4H10/nC4H8=20),導(dǎo)致催化劑對(duì)異丁烷吸附量的提高遠(yuǎn)大于丁烯,這極大地增加了催化劑表面異丁烷的濃度,降低了丁烯的濃度,從而促進(jìn)了異丁烷/丁烯烷基化反應(yīng),減少了烯烴自聚合副反應(yīng)的發(fā)生,提高了C8化合物和TMP的選擇性。
此外,從圖 4(a)和 4(b)中我們還可以看出隨著HPW負(fù)載量的增加(10%~40%范圍內(nèi))丁烯的轉(zhuǎn)化率、C8化合物及TMP在C8化合物中所占的比例都呈先增加后降低的趨勢(shì),當(dāng)HPW的負(fù)載量為30%時(shí),催化劑的性能最好。我們推測(cè)這是由于HPW的負(fù)載量在10%~30%區(qū)間時(shí),隨著HPW負(fù)載量的增加,催化劑表面酸強(qiáng)度逐漸增加,從而使丁烯的轉(zhuǎn)化率逐漸提高,但當(dāng)進(jìn)一步提高HPW的負(fù)載量時(shí)(從30%提高到40%),導(dǎo)致催化劑比表面積下降較多,從而致使催化性能下降。
接下來(lái)我們又以HDPA-30%HPW/SiO2催化劑為例,探究了HDPA的修飾量對(duì)催化性能的影響。反應(yīng)結(jié)果如圖4(c)所示。從圖中可以看出,隨著HDPA修飾量的增加(1%~5%范圍內(nèi)),丁烯的轉(zhuǎn)化率逐漸下降,而產(chǎn)物中C8化合物的選擇性以及TMP在C8化合物中所占的比例都呈先增加后降低的趨勢(shì)。我們推測(cè)丁烯轉(zhuǎn)化率下降是由于當(dāng)HDPA的修飾量增加時(shí),HDPA遮擋了催化劑表面較多的酸性位點(diǎn),從而使催化活性降低。而產(chǎn)物中C8化合物的選擇性及TMP在C8化合物中所占的比例受催化劑表面的酸性和異丁烷濃度的共同影響,一方面隨著HDPA量的增加,提高了催化劑表面異丁烷的濃度,促進(jìn)了異丁烷/丁烯烷基化反應(yīng)而減少丁烯自聚合副反應(yīng)的發(fā)生;但另一方面,隨著HDPA的修飾量的增加,HDPA遮擋了催化劑表面較多的酸位點(diǎn),有效酸位點(diǎn)減少,不利于異構(gòu)反應(yīng)的發(fā)生,又導(dǎo)致聚合反應(yīng)增多(各反應(yīng)對(duì)酸強(qiáng)度的要求:裂解反應(yīng)>異構(gòu)反應(yīng)>聚合反應(yīng)),所以受催化劑表面酸強(qiáng)度和異丁烷濃度的共同影響,產(chǎn)物中C8化合物的選擇性以及TMP在C8化合物中所占的比例隨HDPA修飾量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),當(dāng)HDPA的修飾量為3%時(shí),催化劑表面的異丁烷濃度和有效酸位點(diǎn)適中,對(duì)C8化合物和TMP具有更好的選擇性。
圖4 HPW含量對(duì)丁烯轉(zhuǎn)化率 (a)和產(chǎn)物選擇性 (b)的影響;HDPA-30%HPW/SiO2催化劑中HDPA的含量對(duì)反應(yīng)性能的影響 (c);催化劑穩(wěn)定性測(cè)試 (d)Fig.4 Effects of HPW content on butene conversion (a)and product selectivity (b);Effects of HDPA content of HDPA-30%HPW/SiO2 catalysts on reaction performances (c);Stability tests of prepared catalysts (d)
從以上的反應(yīng)結(jié)果可知當(dāng)HPW的負(fù)載量為30%,HDPA的修飾量為3%時(shí),催化劑表面的酸量和異丁烷濃度適中,催化劑具有最優(yōu)的催化性能,此時(shí)丁烯的轉(zhuǎn)化率為76%,C8化合物的選擇性為67%,TMP在C8化合物中所占的比例為30%。
圖4(d)為催化劑的穩(wěn)定性測(cè)試。從圖中可以看出,對(duì)于純HPW和HPW/SiO2催化劑,由于烯烴聚合副反應(yīng)在催化劑表面產(chǎn)生大量積碳,導(dǎo)致催化劑快速失活[18-19]。而經(jīng)HDPA修飾后,極大地增加了催化劑表面異丁烷的濃度,降低了丁烯的濃度,從而促進(jìn)了異丁烷/丁烯烷基化,減少了烯烴自聚合副反應(yīng)的發(fā)生和催化劑表面積碳的產(chǎn)生,從而延長(zhǎng)了催化劑的壽命,反應(yīng)50 h后,丁烯的轉(zhuǎn)化率仍可達(dá)20%。表面HDPA修飾極大地抑制了催化劑表面積碳的生成,提高了烷基化反應(yīng)的選擇性以及催化劑的壽命,雖然未能完全抑制催化劑的失活,但結(jié)果提示我們?cè)谖磥?lái)的工作中可以對(duì)修飾劑的尾鏈進(jìn)行改造,包括改性主鏈與增加支鏈,進(jìn)一步增強(qiáng)其對(duì)異丁烷的吸附,減弱對(duì)烯烴聚合物的容留作用,提高催化劑的綜合性能。
為了探究催化劑表面修飾的HDPA在反應(yīng)條件下的熱穩(wěn)定性,我們將500 mg 3%HDPA-30%HPW/SiO2樣品置于U型反應(yīng)管中,在30 mL·min-1氮?dú)饬髦屑訜岬椒磻?yīng)溫度(120℃)并維持60 h,尾氣經(jīng)氣相色譜在線檢測(cè),發(fā)現(xiàn)僅在前1 h內(nèi)有極少量有機(jī)物從樣品上脫出,此后再無(wú)可檢測(cè)有機(jī)物出現(xiàn)。加熱60 h后樣品的重量幾乎沒(méi)有改變,且依然能漂浮在水的表面。這些結(jié)果證明在反應(yīng)溫度下,催化劑表面的HDPA有極少量的斷裂脫落現(xiàn)象,但大部分HDPA能夠在催化劑表面長(zhǎng)期穩(wěn)定地存在。此外,XRF表征結(jié)果(表1)表明反應(yīng)前后HPW的含量也幾乎不變。
通過(guò)浸漬法,我們成功地將十六烷基膦酸修飾到了HPW/SiO2的表面,得到了類似懸鈴木果實(shí)結(jié)構(gòu)的催化劑(HDPA-HPW/SiO2),并將其應(yīng)用到異丁烷/丁烯的烷基化反應(yīng)中。結(jié)果表明,和普通的負(fù)載型雜多酸(HPW/SiO2)相比,HDPA-HPW/SiO2催化劑表面對(duì)烴類的吸附能力提高,極大地增加了催化劑表面異丁烷的濃度,促進(jìn)異丁烷/丁烯烷基化反應(yīng),減少烯烴自聚合副反應(yīng)的發(fā)生,提高了C8化合物和TMP的選擇性,延長(zhǎng)了催化劑的壽命。當(dāng)HPW的負(fù)載量為30%,HDPA的修飾量為3%時(shí),催化劑表面的酸量和親油性適中,具有最優(yōu)的催化性能,其中丁烯的轉(zhuǎn)化率為76%,C8化合物的選擇性為67%,TMP在C8化合物中所占的比例為30%。