一种盐酸与2-甲基咪唑盐酸盐改性氢型丝光沸石催化剂及其制备方法与应用
阅读说明：本技术 一种盐酸与2-甲基咪唑盐酸盐改性氢型丝光沸石催化剂及其制备方法与应用 (Hydrochloric acid and 2-methylimidazole hydrochloride modified hydrogen mordenite catalyst, and preparation method and application thereof ) 是由 董新法 刘以银 卢健 耿建铭 于 2021-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种盐酸与2-甲基咪唑盐酸盐改性氢型丝光沸石催化剂及其制备方法与应用,属于分子筛催化剂技术领域。该制备方法包括：将盐酸与2-甲基咪唑盐酸盐溶液混合,加入粉状氢型丝光沸石,搅拌均匀,在一定温度下进行离子交换,然后过滤、洗涤、干燥,得到改性的氢型丝光沸石催化剂。本发明催化剂制备工艺简单,成本低廉,不使用成本高昂的贵金属,用于催化二甲醚(DME)羰基化制乙酸甲酯(MA),具有良好的羰基化活性、选择性和稳定性。(The invention discloses a hydrochloric acid and 2-methylimidazole hydrochloride modified hydrogen mordenite catalyst, a preparation method and application thereof, and belongs to the technical field of molecular sieve catalysts. The preparation method comprises the following steps: mixing hydrochloric acid and 2-methylimidazolium hydrochloride solution, adding powdery hydrogen mordenite, uniformly stirring, carrying out ion exchange at a certain temperature, and then filtering, washing and drying to obtain the modified hydrogen mordenite catalyst. The catalyst has the advantages of simple preparation process, low cost, no use of expensive noble metals, and good carbonylation activity, selectivity and stability, and is used for catalyzing the carbonylation of dimethyl ether (DME) to prepare Methyl Acetate (MA).)
技术领域
本发明属于分子筛催化剂
技术领域
，具体涉及一种盐酸与2-甲基咪唑盐酸盐改性氢型丝光沸石催化剂及其制备方法与应用。背景技术
乙醇作为车用乙醇汽油添加物，具有防爆抗震性能优越、尾气不含SOx、 NOx及CO排放少等特点，乙醇汽油已被许多国家提倡使用。乙醇也是许多化学品及食品的基础原料，如化工产品的中间体、合成洗涤剂、涂料等，医疗上可用于消毒，因此需求量巨大。
乙醇生产方法包括乙烯水合法、生物质发酵法、合成气制乙醇等。乙烯水合法转化率非常低，生产能耗高。生物质发酵法包括蔗糖、淀粉和纤维素水解发酵等，我国生产燃料乙醇主要原料是玉米、木薯等粮食作物，其中玉米酒精产量比例就达到了79％。然而，以粮食等农作物(包括蔗糖)为原料生产燃料乙醇势必会造成燃料乙醇生产与人争粮、与畜争粮的局面，且无法解决较低的乙醇产能与巨大的需求之间矛盾。合成气经DME(二甲醚)羰基化制MA (乙酸甲酯)再加氢制乙醇的路线路线反应条件温和(1.5MPa,220℃)，原料廉价易得，原子经济率高，绿色环保，能够同时解决DME(和甲醇)产能过剩与乙醇、MA产能不足的问题。在该路线中，DME与CO羰基化反应生成 MA，MA在铜基催化剂上加氢生成乙醇。其中，MA加氢生成乙醇在工业上已非常成熟，其关键技术在于DME与CO羰基化反应及其催化剂的研发。
目前研究使用的羰基化催化剂有：贵金属-碘化物复合催化剂、杂多酸催化剂、分子筛催化剂等。贵金属-碘化物催化剂为均相反应体系，催化剂与产物不易分离，且贵金属价格昂贵，同时，含I-溶液对设备具有高腐蚀性。杂多酸催化剂仍需要使用Rh等贵金属才能获得较高的MA收率，且其选择性和稳定性也有待提高。而分子筛催化剂孔道规则均匀、比表面积大、酸性易调、热稳定性好、价格低廉。常用的分子筛有HMOR、FER、SSZ-13、ZSM-5、HSUZ-4、 BEA、USY、EMT，其中HMOR(氢型丝光沸石)催化剂具有较高的MA收率和选择性，是较为理想的DME羰基化反应的催化剂。但HMOR在羰基化反应过程中因其十二元环(12-MR)产生积碳而迅速失活。为了改善HMOR的活性和稳定性，技术人员采用过渡金属Cr、Co、Cu、Zn以及贵金属Ag、Pt 等对其改性、或选择性地对HMOR的12-MR脱铝、或合成超小纳米HMOR 等，其活性有了较大提升，但对催化剂稳定性的改善收效甚微。采用吡啶预吸附法、原位碳化法和脂肪胺盐酸盐溶液选择性离子交换法等对HMOR进行改性，其稳定性获得了一定的提升。申文杰等(专利号：CN101613274B)利用 NaOH、KOH等碱或盐酸、硝酸等对HMOR进行预处理，然后采用吡啶类有机胺进行预吸附，碱性吡啶类分子选择性进入12-MR与布朗斯特酸(B酸) 反应，而八元环(8-MR)酸性位得以保存，显著延长催化剂的使用寿命，但由于存在吡啶在高温下原位碳化以及12-MR与8-MR交界处的B酸被屏蔽等问题，DME转化率降较低(<30％)。刘红超等(专利号：CN106890671B) 采用吡啶类化合物吹扫经酸处理后的EMT沸石，催化剂寿命显著提升(>3000 h)，但大多数改性样品DME转化率低于30％，且催化剂制备工序复杂。王金棒等(专利号：CN107537549A、CN107537548A)采用HMOR预吸附不饱和烃、含氮杂环化合物，再进行高温原位碳化反应得到改性分子筛，其DME转化率较高，但催化剂使用寿命仅24-47h。刘亚华等(专利号：CN108160100A) 采用吡啶与HMOR 12-MR的B酸位点反应，再采用Cu(NO3)2、Zn(NO3)2等金属盐对8-MR进行改性，催化剂的稳定性显著提高，但样品DME转化率低于50％。刘中民、朱文良等(DOI：10.1039/d0cy00125b)采用脂肪胺与HMOR 12-MR的B酸质子进行选择性离子交换，覆盖掉12-MR积碳反应活性中心，比较完美解决了积碳问题，催化剂DME转化率达50％，MA选择性接近100％，使用寿命达210h以上，但由于所选脂肪胺体积太大，改性后的分子筛比表面积仅有原来的1/10，催化剂活性受到一定的影响。刘世平等(DOI：10.1016/j.catcom.2020.106161)采用1,3-二甲基咪唑、1-丁基-3甲基咪唑等烷基咪唑鎓离子改性HMOR，DME转化率接近70％，MA选择性达100％，且表现出一定的稳定性，但由于所使用的咪唑类化合物沸点较低，氮杂环分子缓慢脱附将使得催化剂逐渐失活。此外接近中性的1,3-二甲基咪唑盐酸盐溶液使得 12-MR中有助于羰基化的B酸位也被屏蔽，对活性有一定的影响，最高MA 时空收率为3.22mmol/(g·h)。潘秀莲等(CN 109939669 A)采用有机碱对MOR 进行修饰并应用于一氧化碳加氢制低碳烯烃，但采用传统有机碱改性方法不能实现选择性屏蔽MOR 12-MR中的B酸的目的，用于DME羰基化反应难以获得期望的效果。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种盐酸与2-甲基咪唑盐酸盐改性氢型丝光沸石催化剂及其制备方法与应用，以解决目前HMOR 催化剂积碳严重、活性低、寿命短、成本高等问题。本发明采用盐酸与2-甲基咪唑盐酸盐溶液对HMOR进行离子交换，其中2-甲基咪唑对应阳离子尺寸远小于12-MR孔道的尺寸，并与8-MR孔道的尺寸相近，可以进入12-MR与孔道内B酸进行离子交换，但较难进入8-MR，且保留了 12-MR与8-MR交界处的B酸和8-MR内的B酸。此外，酸性溶液环境清除了非骨架铝，2-甲基咪唑沸点高达268℃，进入HMOR孔道中之后较难脱附，导致孔道内的B酸难以再生。因此，本发明催化剂HMOR羰基化反应的活性和使用寿命显著提升，在羰基化反应保持稳定同时最高MA时空收率达到4.78 mmol/(g·h)。另外，本发明催化剂制备工艺简单，不使用贵金属或价格较贵的原料，价格便宜。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种盐酸与2-甲基咪唑盐酸盐改性氢型丝光沸石催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将2-甲基咪唑盐酸盐加水溶解后，加入浓盐酸，加水稀释，配制得到混合溶液；
2)将粉状氢型丝光沸石加入所述混合溶液中，均匀搅拌并在一定温度下进行离子交换，然后过滤、洗涤、干燥，得到改性后的氢型丝光沸石催化剂。
优选的，步骤1)所述混合溶液中2-甲基咪唑盐酸盐与HCl的摩尔比为1– 1000。
优选的，步骤1)所述混合溶液中2-甲基咪唑盐酸盐与HCl的摩尔比为1– 3.2。
优选的，步骤1)所述混合溶液中2-甲基咪唑盐酸盐的浓度为0.2–1.6 mol/L。
优选的，步骤1)所述混合溶液中2-甲基咪唑盐酸盐的浓度为1–1.6mol/L。
优选的，步骤2)所述离子交换温度为40–100℃。
优选的，步骤2)所述离子交换温度为40–80℃。
优选的，所述混合溶液中2-甲基咪唑盐酸盐与HCl的摩尔比为1；所述混合溶液中2-甲基咪唑盐酸盐的浓度为1.6mol/L；所述离子交换温度为80℃；所述离子交换时间为60min。
由以上所述的制备方法制得的一种盐酸与2-甲基咪唑盐酸盐改性氢型丝光沸石催化剂。
以上所述的一种盐酸与2-甲基咪唑盐酸盐改性氢型丝光沸石催化剂在二甲醚羰基化制乙酸甲酯中的应用，其特征在于，以二甲醚和CO为反应气，二甲醚与CO摩尔比为1:10–50；Ar或N2作为稀释气，稀释气体积分数为0- 50％；反应温度为200-250℃，反应压力为1–5MPa，反应空速为2000-20000 mL·g-1·h-1。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明的催化剂可用于DME羰基化反应制MA，其具有良好的羰基化活性、选择性和稳定性，且制备工艺简单，原料价格低廉，不使用贵金属。
附图说明
图1为不同摩尔比的盐酸与MeIm·HCl溶液改性HMOR15、纯MeIm·HCl 改性HMOR15以及未改性HMOR15的DME转化率随反应时间变化曲线图；反应条件：220℃，1.5MPa，GHSV＝4500mL·g-1·h-1，DME/CO/N2＝1/19/5。
图2是2-甲基咪唑盐酸盐与HCl摩尔比分别为1和1000的盐酸与 MeIm·HCl溶液改性HMOR15、纯MeIm·HCl改性HMOR15以及未改性HMOR15的MA选择性随反应时间变化曲线图；反应条件：220℃，1.5MPa， GHSV＝4500mL·g-1·h-1，DME/CO/N2＝1/19/5。
图3为不同MeIm·HCl浓度的盐酸与MeIm·HCl溶液改性HMOR15的DME 转化率随反应时间变化曲线图；反应条件：220℃，1.5MPa，GHSV＝4500 mL·g-1·h-1，DME/CO/N2＝1/19/5。
图4为不同MeIm·HCl浓度的盐酸与MeIm·HCl溶液改性HMOR15的MA 选择性随反应时间变化曲线图；反应条件：220℃，1.5MPa，GHSV＝4500 mL·g-1·h-1，DME/CO/N2＝1/19/5。
图5为不同离子交换温度的盐酸与MeIm·HCl溶液改性HMOR15的DME 转化率随反应时间变化曲线图；反应条件：220℃，1.5MPa，GHSV＝4500 mL·g-1·h-1，DME/CO/N2＝1/19/5。
图6为不同离子交换温度的盐酸与MeIm·HCl溶液改性HMOR15的MA 选择性随反应时间变化曲线图；反应条件：220℃，1.5MPa，GHSV＝4500 mL·g-1·h-1，DME/CO/N2＝1/19/5。
附图缩写说明：
HMOR15：硅铝比为15的氢型丝光沸石；
TOS：反应时间；
GHSV：气相体积空速；
2-甲基咪唑盐酸盐：MeIm·HCl。
具体实施方式
以下结合实例与附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
对比例1
将HMOR(硅铝比为15)置于马弗炉中以3K/min升至500℃焙烧处理3 h，样品记为HMOR15。取0.2g 40-60目HMOR15用于DME羰基化反应，性能测试结果见图1、图2。
对比例2
取1g HMOR15，加入到10mL 1mol/L的MeIm·HCl溶液(pH＝6.4)中，在80℃水浴以及搅拌条件下离子交换1h，过滤并将滤饼用去离子水洗涤3次。将所得样品置于60℃烘箱中干燥过夜，压片造粒，样品记为 MeIm·HCl-HMOR15。取0.2g 40-60目MeIm·HCl-HMOR15用于DME羰基化反应，性能测试结果见图1、图2。
实施例1
分别取1g HMOR15，加入到10mL 2-甲基咪唑盐酸盐与HCl摩尔比分别为1、1.6、3.2、32和1000、MeIm·HCl浓度为1mol/L的盐酸与MeIm·HCl 混合溶液中，在80℃水浴以及搅拌条件下离子交换1h，过滤并将滤饼用去离子水洗涤3次。将所得样品置于60℃烘箱中干燥过夜，压片造粒，样品依次记为HMOR15(1-1-80)、HMOR15(1.6-1-80)、HMOR15(3.2-1-80)、HMOR15(32-1-80)和HMOR15(1000-1-80)。分别称取0.2g 40-60目样品用于 DME羰基化反应，性能测试结果见图1、图2。
实施例2
分别取1g HMOR15，加入到10mL2-甲基咪唑盐酸盐与HCl摩尔比为3.2、MeIm·HCl浓度分别为0.2mol/L、1mol/L、1.6mol/L的盐酸与MeIm·HCl混合溶液中，在80℃水浴以及搅拌条件下离子交换1h，过滤并将滤饼去离子水洗涤3次。将所得产品置于60℃烘箱中干燥过夜，压片造粒，产品依次记为 HMOR15(3.2-0.2-80)、HMOR15(3.2-1-80)、HMOR15(3.2-1.6-80)。分别称取0.2 g 40-60目样品用于DME羰基化反应，性能测试结果见图3、图4。
实施例3
取1g HMOR15，加入到10mL2-甲基咪唑盐酸盐与HCl摩尔比为3.2、 MeIm·HCl浓度为1mol/L的盐酸与MeIm·HCl混合溶液中，在40℃水浴以及搅拌条件下离子交换1h，过滤并将滤饼去离子水洗涤3次。将样品置于60℃烘箱中干燥过夜，压片造粒，样品记为HMOR15(3.2-1-40)。重复上述过程，但离子交换温度分别变更为80℃和100℃，所制得的样品分别记为 HMOR15(3.2-1-80)和HMOR15(3.2-1-100)。分别称取0.2g 40-60目样品用于 DME羰基化反应，性能测试结果见图5、图6。