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镁基气相氟化催化剂的研究进展

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第l0卷2002年第6期 11月 工业催化 INDU rRIAL CATAI,YSIS Nov.2002 Vo1.10 NO.6 霈缨 麟 镁基气相氟化催化剂的研究进展 胥会祥,吕 剑 (西安近代化学研究所,陕西西安710065) 摘要:概述了镁基氟化催化剂的制备方法。讨论了镁基载体对Cr活性物质的作用,结果表明, 镁基载体能增加催化剂的比表面积和Lewis酸性,提高活性组分的分散度。并指出了镁基氟化催 化剂的发展方向。 关键词:制备;比表面积;分散度;Lewis酸性 中图分类号:TQ222.2 1;TQ426.94文献标识码:A文章编号:1008—1143(2002)06—0043~05 Advances in magnesium-based gas phase fluoration catalyst XUHui—xiang,LUJian (xi’an Research Institute of Modem Chemistry,Shaanxi Xi’all 7101365,China) Abstract:Preparation of magnesium—based fluoration catalysts were reviewed.The effect of magnesium —based supForts Oil active component chromium was discussde.It was shown that magnesium—based supports can increase surface area and Lewis acidity of the catalysts,and improve the dispersibility of active component, e trends in development of magnesium—based fluoration cardysts were outlined. Key words:fluomtion actalyst;preparation;surface area;dispersibility;Lewis aciidty CLC number:TQ222.2 1;TQ426.94 Document code:A Article ID:1008—1143(2002)136—0043—05 氟代烃(hydrofluorocarbons,缩写:HFCs,hy— 应,也认为MgF2有较强的负载性能。因此,镁基催 drochlorofluorocarbons,缩写:HCFCs)被认为是替 化剂是气相法合成HFCs的研究新方向。本文总结 代氟氯烃(chloroflorocarbons,缩写CFCs,俗称氟 了镁基氟化催化剂的制备方法,探讨了镁基载体对 利昂)的最佳化合物。合成HFC的主要方法有氢 Cr活性物质比表面、分散度和Lewis酸性的贡献, 解脱氯法、液相氟化法和气相氟化法,气相氟化法由 论述了其作用机理,并结合我们的研究,提出了镁基 于污染小,易于控制和可连续化生产,已成为工业合 催化剂存在的问题和发展方向,希望能对我国氟化 成氟代烃的主要方法。气相氟化属于异相反应,固 催化剂的开发提供一些有益的借鉴。 体催化剂的研究是气相法的关键。催化剂的主要活 性组分为Cr的氟化物或氟氧化物,主要的载体为活 1催化剂的制备 性炭、Al2O3和A1F3等,这些载体能增加催化剂的 气相氟化反应是一种氟氯交换反应,吕剑等人 有效比表面,提供合适的孔结构,增加催化剂的机械 认为[8-9],碱土金属元素(如Mg)、稀土金属元素及 强度。近几年,Lee等报导了[卜 J镁基载体(MgF2 其它Ⅷ族、ⅦB族、ⅢB族、I B族元素具有氟氯交 或MgO)气相合成HFCs的研究情况,结果表明其 换活性。In、Co、Ni、Cu、Ag、Cd、Hg、Sn、Pd、Zn(与 具有优于铝基载体的性能。Woj ciechowskam等研 Cr的摩尔比为0.003~0.3)等元素也能增加催化 究了[3。]以MgF2为载体的分解、加氢和异构化反 剂活性,延长使用寿命。按照制备方法,催化剂可分 收稿日期:2002—05—24 作者简介:胥会祥(1974一),男,西安近代化学研究所在读研究生,从事氟化催化剂研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 44 工业催化 2002年第6期 为复合型和负载型。复合型是将Cr、Ni、zn等的可 溶盐共沉淀制备,负载型则是由载体和活性组分浸 渍方式制备。 为制备负载型MgF2基催化剂,应先制备载体 MgF2或MgO。以MgCO3与氢氟酸反应制备 MgF2载体的反应式为: MgCO3+2 HF—一MgF2+CO2+H20 工业生产的MgF2比表面积小,不具备催化性 能。制备活性MgF2时,应控制沉淀温度、反应时 间、沉淀pH值和干燥温度,可制成比表面为40~ 80m /g的MgF2。 干燥温度影响载体的主要物化性能,不同温度 干燥的MgF2载体气孔结构和浸渍法制备的Cr—Mg 催化剂氟化CFC一113的活性见表1[10]。 表1 MgF2载体气孔结构对Cr-Mg催化剂氟化CFC一113活性的影响 Table 1 Effect of MgF2 structure on the activity of Cr-Mg catalysts for fluoration of CFC-113 VM有效半径为3~10nm的气孔体积;VN有效半径超过500nm的气孔体积。 由表1可见,温度升高对氟化的Cr—Mg催化剂 的表面率和气孔率的影响不大;在400℃和50012, 体,最后活化处理制成CrF3/MgF2催化剂。Cho 等_】 J制备了一系列的负载型催化剂,包括Cr/MgO (a,10 rll /g)和Cr/MgF2,MgF2由MgO和过量的 催化剂对CFC一113的转化率稍有下降,影响也不 大;带有多分散陛气孔结构和高表面率的催化剂活 性最高。在脱氯化氢反应中,焙烧温度过高,将使小 气孔消失而降低氟化镁的的活性,实验得出:等分散 体系(只有大气孔或只有小气孔)的氟化镁试样大大 地比多分散体系的活性差。因此,适宜的干燥温度 应低于100℃。 氢氟酸制备,比表面积为64m2/g。沉淀法各组分分 布均匀,性能稳定。 1.3共混法 将Cr(OH)3・H2O和MgC12-6H2O的水溶液混 合后,加入氢氟酸反应,经过滤、干燥和焙烧,制得 CrF3/MgF2催化剂前驱体[ 。可将CrO3、MgF2、 CaF2、CeF2、ZnF2和H20在甲醇或乙醇中回流,制 成氟化催化剂[ 。以Cr(NO3)3・9H2O、MgO、石 墨和水混合也可制得Cr—Mg催化剂[14]。 以MgF2或MgO为载体,负载Cr、Ni、zn等活 性组分的负载型催化剂的制备方法有主要浸渍法、 沉淀法和共混法。 1.1浸渍法 用Cr和其它组分的可溶盐溶液浸渍MgF2或 MgO载体,控制溶液的浓度、温度和浸渍时间,制 得催化剂前驱体,通过过滤、蒸发等方式除去剩余 的液体。活性组分以离子或化合物的微晶形态负载 于载体表面,经过无水HF活化制得催化剂。由于 活J陛组分之间的竞争吸附和浸渍液溶质的迁移,催 化剂的活性组分分布不均匀,稳定性差,而且浸渍 量较少,易流失,难以达到预定的负载量,催化活 性低。 1.2沉淀法 2镁基载体的作用 2.1增加比表面 对于气相表面反应,比表面积是影响催化剂反 应活性的主要因素。Kim等[ ]用MgF2和 CrF3・4H20的混合物催化剂,在常压,360℃合成了 HFC一134a(CF3CH2F),MgF2对CrF3催化剂的比 表面积及活性的影响见表2。 由表2可见,MgF2对HCFC一133a(CF3CH2C1) 氟化反应活性低,表明MgF2自身的催化活性低,但 和CrF3・4H2O混合后,催化剂的比表面积增大了4 在MgF2中加入含Cr的可溶盐溶液形成悬浊 液,于搅拌下加入沉淀剂(一般用NH3・H2O)生成 Cr(oH)3沉淀,经过滤、干燥、成形制得催化剂前驱 倍,活性却增加了11倍,而且与催化剂失活有关的 HCFC一1122(CF2一CHC1)的生成量也显著减少,含 维普资讯 http://www.cqvip.com 2002年第6期 胥会祥等:镁基气相氟化催化剂的研究进展 45 量小于0.05%。各种摩尔组成的MgF2和 表2 MgF2对CrF3催化剂的比表面积及活性的影响 CrF3・4 H2O混合物催化剂,当配比变化时,催化剂 Table 2 Effect of MgF2 OD the surface area and activity of CrF3 catalyst 的氟化活性只有轻微的变化,而且不象Cr203易于 失活,这种混合型催化剂的活性在360*(2条件下反 CrF3:№ 产品分布/mo1% HFC一134a HCFC一1122 应200h几乎无变化。因此,镁基载体能增加Cr活 性组分的活性,延长使用寿命。 2.2提高分散度 分散度是表示活性组分聚集程度的参数,一般 用粒径法和XRD衍射法表征。Cho等用衍射法研 究了[ I1 ]Cr()x在不同载体上的分散性,催化剂氟 化HCFC一133a的活性见表3。 表3载体对催化剂氟化HCFC.133a的影响 Table 3 Ef ̄ct of suppo ̄s On the activity for the fluoration of HCFC-133a 由表3可见,转化率的降低次序如下:MgO> 340℃活化12h。 Al2O3>A1F3>MgF2>TiO2,ZrO2几乎不反应, 样品5和6:样品1催化剂前驱分别经0.5 HFC一134a的选择性不完全依赖于载体,在MgO上 molLI1的LIC1和KF盐浸泡,在340℃氟化反应 选择性最高。通过XRD表征发现,MgO、A1203和 12h。 A1F 上的CrOx以无定形体存在,表明Cr物种微粒 样品7:以CrF3・4 H2O作催化剂,在340*(2氟化 具有较高的分散性,而ZrOz、TiO2和MgFz均存在 反应12h。 晶态的Cr203,分散性差。因此,较高分散性的Cr 在340℃条件下,HF/HCFC.133a=8,样 物种具有较高的催化活性,通过不同载体性能比较, 品合成HFC.134a的活性见表4。FT—IR的图谱如 说明Mg(部分MgO氟化过程中转化成MgF2)基载 图1所示。由图1和表4可见,在1451 cm_。、 体分散Cr物种的性能较好。 1612 cmI1和1540 cnl_。,所有的样品都显示有吡啶 2.3提高Lewis酸性 吸附峰,其中1451 crnI1和1612 cmI1是Lewis酸 氟化催化剂是一种固体酸,起催化作用的活性 中心,1540 cm 是Bronsted酸中心,Lewis酸产 物质是不同强弱酸性位。为了解释MgF2对Cr催 生于CrF3或CrFx(OH)3一x的配位键,Bronsted酸 化剂酸性的贡献,Lee表征了【 J样品1~7的FT—IR 产生于OH基团。对比样品1和5、6,发现少量的 图谱,样品如下。 碱金属(0.5%)如Li和K将大大减弱催化剂的活 样品1:Cr(OH)3・x H2O/MgF2用HF活化, 性,表现在IR图谱上,将使1451 cnlI1处的吸附键 在340*(2,HCFC.133a和HF反应12h后取样。 明显地削弱,因此,Lewis酸是主要的活性中心。 样品2:催化剂前驱体和反应同1,在400℃氟化 对于样品1~3,催化剂的活性与酸性相互对应,对 反应10h。 于样品7,较弱的吸附键与较弱的活性相互对应, 样品3:催化剂前驱体和反应同1,在450℃氟化 与具有较强吸附作用的样品1相比较,表明MgF2 反应10h。 通过对CrF3提供Lewis酸性,大大提高了CrF3催 样品4:样品3在空气中420*(2再生,用HF在 化剂的催化活性。 维普资讯 http://www.cqvip.com 46 2002年第6期 表4样品催化剂的活性 Table 4 Activity of the samples for fluoration of HCFC-133a 、-._r 图1样品吸附吡啶的FT.IR图谱 Figure 1 IR spectra of samples 1——5 and 7 after pyridine adsorption 3结语 镁(MgF2或MgO)基催化剂是一种新型的催化 体系,制备方法不同,Cr/MgF2催化剂的活性差异 较大,其中,载体MgF2的制备是关键,将决定催化 剂的活性。在几种方法中,沉淀法和混合法制备的 催化剂活性组分分散均一,性能稳定,已成为催化剂 的主要制备方法。 通过比表面、分散度和酸性论述了镁基载体对 Cr活性组分的作用,从微观解释了Cr在MgF2载 体上的形态及活性位的酸类型,可以指导催化剂的 设计。研究表明,单独MgF2的催化活性较弱,但和 Cr基活性组分混合后,大大提高了Cr的比表面积 和分散度,提高Lewis酸性,能增加催化剂活性,延 长使用寿命。因此,镁基氟化催化剂是一种具有应 用前景的催化剂。 镁基催化剂的研究还有待完善,镁基载体的作 用机理还需要其它表征途径解释。MgF2的Lewis 酸性远小于A1F3,CrF3/MgF2的比表面积小于 CrF3/A1F3,但和活性组分混合后,氟化活性却大于 A1F3,与Lewis酸性强弱和比表面积大小规律不符。 因此,MgF2可能对活性组分存在其它作用。一个 可能的新物质是CrMg盐,因为当催化剂经过高 温焙烧处理时,MgF2和Cr在o2和HF作用下,形 成了MgCrOx、MgCrFx或MgCrOxFY,而这些盐可 能是催化作用的活性物种,其活性远高于Al基载体 上的活性物种。对于这种新物种,期待用更精确的 表征途径来分析解释。另外,单独的Cr—Mg催化 剂使用寿命(1000h)虽然长于cr—Al(500~800h), 仍难于在工业生产中应用,必须添加一定量的改性 组分,如Ni、Fe、Co等,而这方面的研究还未引起人 们的重视。 国外对镁基催化剂的研究起步较早,已应用于 HFC一134a、HFC一125(CF3CHF2)和HFC一143a (CH3CF3)等产品的合成。目前,国内只有西安近代 化学研究所正在开展MgF2基催化剂的基础研究, 已对催化剂的热稳定性、晶形和活化处理条件进行 了系统的研究。研究发现,MgF2热稳定性好,催化 剂的活性高,使用寿命长,再生能力强。结合我们 的研究,作者认为,我国作为致冷剂消费大国,在 氟利昂替代品研究和工业化方面已经落后于欧美发 达国家,必须加大投入,注重基础理论研究,加深 镁基催化剂作用机理的认识,用于指导催化剂的设 计。同时加强应用研究,探讨In、Co、Ni、Cu、Ag 等助剂对镁基催化剂的影响,筛选合适的助活组 分,为其工业化生产奠定基础。 参考文献: [1]Lee H,Joeng H D,Chung Y S,et a1.[J].J Catal, 1997,169(1):307—316. 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[17]Cho D H,Kim Y G,Chung J S,et a1.[J].Appl Catal B:,1998,18(3—4):251—261. 磐| 彩藩 美国催化剂年会反映的新技术 在美国第6届催化剂年会(CatCon2002)上,交 流了几种催化剂新技术。 Stone—Webster公司发布了一项低温反应技术, “催化裂化FCC催化裂解制C2和C3”。在催化裂 Hypeion催化剂国际公司阐述了纳米技术的新 发展,用作催化剂材料。对金属的承载更强,减少了 贵金属的消耗,可降低操作费用。 南非Sasol公司介绍了其技术研发情况。低硫 化过程基础上,开发了专门设计的双沸石催化剂,从 重质石蜡基原油增产高价值的丙烯。在缺乏天然气 原料GTL费托合成使用改进了的钴催化剂取代铁 催化剂。GTL正在引起新的兴趣,可把扔掉的天然 气变成财富,提高经济效益。 中国化工在线(WWW.chemsina.corn) 和液化石油气原料的场合,特别适于采用此技术。 低温费托合成催化剂生产装置建成 南非Sasol和荷兰Engelhard公司在荷兰De Meern地区建的SAC 2—100SB新催化剂生产装置 已经完工。 Sasol开发的这种“SAC 2—100SB”是应用于 含氧化合物很少;(5)催化剂失活速率低。 由于该钴基催化剂具有的上述优点,采用该催 化剂的反应器设计可以使CO和H2得到100%的 转化,从而减少或可能取消循环系统。采用钴基催 Sasol低温费托合成(LTFT)浆态床反应器上的一 种改性钴基催化剂。LTFT工艺是Sasol三步法浆 化剂的装置与采用铁基催化剂的装置相比,其热量 和碳的利用率更高、操作效率更好,循环蒸汽量的 态床馏分油合成技术的核心步骤,该馏分油合成技 术可以将天然气转化成清洁合成燃料以及其它高 附加值石化产品。 显著降低可以大大降低气转液装置的运作成本,此 外,较长的催化剂寿命也可以改进运作成本。 由于这种催化剂具有良好的机械强度和化学 稳定性,足以能保证在苛刻的运作条件下发挥其催 化性能,且不需要间歇式催化剂再生。Sasol称,这 种SAC 2—100SB催化剂将在尼日利亚Escravos和 这种新型的钴基催化剂与传统的铁基催化剂 相比,具有以下优点:(1)催化活性更高;(2)很小的 水一气转换活性;(3)反应速率不受水分压力的影 响;(4)由于其加氢活性高,产物中链烷烃含量高、 卡塔尔Ras Laffan正在开发的气转液装置上应用。 中国化工在线(WWW.chemsina.com) 

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