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重构法制备Ni/MgO—Al2O3催化剂

2023-12-01 来源:易榕旅网
第26卷第2期 2010年4月 化学反应工程与工艺 Chemical Reaction Engineering and Technology V0l 26,No 2 Apr.2010 文章编号l 1001--7631(2010)02一O152一O5 重构法制备Ni/MgO—AI2 O3催化剂 李天舒 申延明 刘东斌 李长龙 刘 丹 (沈阳化工学院化学工程学院,辽宁沈阳 110142) 摘要:采用重构法制备Ni/MgO-AlzO3催化剂,利用x射线衍射(Ⅺ )、扫描电镜(SEM)、低温N2吸附 (BET)、程序升温还原(TPR)对催化荆及其前躯体进行表征,并考察了催化剂组成对丙酮加氢一步法合成甲 基异丁基酮(加BK)的影响。结果表明:采用Ni(N()3)2浸溃MgO和 2 混合氧化物制得的Ni/MgO-A屯o3 催化剂中,Ni组分以NiO形式存在于催化剂表面,能降低催化剂还原温度,当Nj的物质的量分数为5 , Mg与A1物质的量之比为2时,催化活性较好,在反应温度180℃,H2与丙酮物质的量之比为1,液时 空速4.8 mL/(h・g)的条件下,丙酮的转化率为49.5 ,MIBK的选择性为69.5 。 关键词;重构法;类水滑石;甲基异丁基酮 中图分类号:TQ426.64 文献标识码;A 甲基异丁基酮(MIBK)是一种性能优良的中沸点溶剂,广泛应用于涂料、医药、燃料、选矿、 炼油、化工等行业。目前MIBK的生产方法主要是丙酮一步法[1 ],该工艺的关键在于催化剂的选 择,要求其同时具有缩合,脱水和加氢三重功能。较早开发的催化剂主要是Pd/树脂催化剂,但是该 催化剂存在耐温性能差、使用温度范围窄、工业生产装置难以稳定操作等问题[3]。随后相继开发了 Pd/Al2O。【4],Pd/Zr0。[5]和Pd/分子筛等[2 催化剂,但是Pd为贵金属,催化剂价格高。过渡金属 Cu和Ni等具有较好的加氢活性,研究人员相继开发了多种以Cu、Ni为活性中心的催化剂[7 ̄。]。水 滑石(Hydrotalcite)是一类具有层状结构的阴离子型黏土Ll ,其层板上的阳离子具有可调性,可以 将有催化活性的金属离子引入到层板上,焙烧后得到氧化物担载的催化剂,一种具有巨大应用潜力的 催化材料。NiMgAI类水滑石焙烧后可以得到MgO和Al O。以及经还原后的Ni组分,该催化剂可以 提供酸、碱中心,同时又具有加氢组分,适合丙酮缩合加氢一步合成MIBK。然而,水滑石前驱体或 由共沉淀法制备的Ni/MgO—A1。O。催化剂,焙烧过程中NiO易与MgO形成固溶体,造成大部分的 Ni位于催化剂的体相中,不易被还原[1 ,催化活性不高。Takehira等[12,13]利用水滑石的记忆效应制 备了“蛋壳型”Ni/MgO—A12O。催化剂,Ni主要分布在载体的表面,在CH 水蒸气重整反应中具有 较高的催化性能。本工作利用水滑石类化合物的记忆效应制备NiMgA1水滑石前驱体,采用重构法制 得“蛋壳型”Ni/MgO—A1。O。催化剂,将其用于丙酮气相一步法合成MIBK反应,并探讨催化活性的 影响因素。 1 实验部分 1.1催化剂制备 采用共沉淀法制备MgA1碳酸盐型水滑石。分别配制1 mol/L的Mg(NO。)2和A1(NO。)。溶液, 并按不同Mg和Al物质的量之比配制混合盐溶液。取一定量1 mol/L的NaOH和Na CO。溶液,按 OH一物质的量浓度为二价和三价金属离子浓度之和的两倍,CO;一物质的量浓度为三价金属离子浓度 的一半配成碱溶液。将盐溶液和碱溶液在搅拌下滴加人烧杯,维持反应体系pH值为9~10。悬浮溶 收稿日期t 2009—12—31#修订日期:2010—04—07 作者简介t李天舒(1984一),男,硕士研究生;申延明(1968一).男,教授,通讯联系人。E-mail:sym6821@sina.o0m,∞ 第26卷第2期 李天舒等.重构法制备Ni/MgO-AI O。催化剂 153 液在60℃恒温水浴中晶化12 h,然后抽滤,洗涤滤饼至中性,在80℃下干燥12 h,550℃下焙烧 4 h,得到MgA1复合氧化物,将其研磨成粒径为0.125 mm的颗粒备用。 制备Ni占总金属元素物质的量分数分别为1 ,5 和10 的Ni/MgO—A1。O。催化剂。采用 Ni(NO )z溶液过量浸渍MgA1复合氧化物,在室温条件下重构12 h,得样品,经洗涤、抽滤,在 8O。C下干燥12 h,制得NiMgA1类水滑石前驱体,在550。C下焙烧4 h,制得不同Ni含量和不同Mg 和Al物质的量之比的复合氧化物催化剂,记为xNMAy,其中z代表样品中Ni的物质的量分数,Y 代表水滑石前驱体中Mg和Al物质的量之比( (Mg)/n(A1))。 1.2催化剂表征 催化剂物相测定在Bruker公司D08型X射线衍射仪上进行,Cu靶,Ka辐射,管电压40 kV, 管电流4O mA,扫描范围5~85。;比表面积分析在北京彼奥德电子技术有限公司的SSA一4300型全自 动氮吸附比表面积测试仪上进行;催化剂表面形貌测定在日本电子公司的JSM一6360LV型高低真空 扫描电子显微镜上进行,加速电压10 kV;氢气程序升温还原实验在自制设备上进行,样品装填量 50 mg,450℃下N。吹扫30 min,然后降至室温,通入H。和N:混合气(H。和N。的体积比为5:95) 流量60 mL/min,以1O℃/min由室温升至700。C,同时记录TCD信号。 1.3催化剂活性评价 催化剂活性评价在 12 mmX 1 mm×600 mm不锈钢固定床积分反应器中进行。催化剂粒径 0.42~0.85 mm,装填量为2 g,催化剂在H 气氛中于550℃下还原10 h。原料丙酮由PB-005C微 量泵打入预热器(恒温100。C),当液相变为气相后,与H 混合进入反应器进行反应。其反应条件 为:反应温度180℃,H。与丙酮物质的量之比为1,液时空速4.8 mE/(h・g)。反应产物在北京北分 天普仪器技术有限公司的SP一2100气相色谱仪上进行分析,采用FID检测器,色谱柱为WAX毛细管 柱(30 m×0.25 m)。色谱检测条件为以1O℃/min由40℃升温至200℃;汽化温度200。C;FID检 测器温度150℃。 2结果与讨论 2.1表征结果 催化剂5NMA2前躯体的XRD谱图见图1。由图可知,重构后的催化剂前驱体在2 为1l,24和 35。处出现强衍射峰,其分别对应衍射面(003),(006)和(012),而在2 为39,47和61。出现弱的 衍射峰,分别对应衍射面(015),(018)和(110),是典型的水滑石特征峰。从图中还可以看出,前 躯体具有较强的XRD衍射峰,且各峰形较窄,说明催化剂前躯体具有较高的结晶度。 __ 图1催化剂前体的XRD图谱 图2催化剂前驱体焙烧前后的SEM结果 Fig.1 XRD patterns of the precursor of Fig.2 SEM images of the precursor of catalyst 5NMA2 catalyst 5 NMA2 a—before calcination:b—after calcination 催化剂5NMA2及其前驱体的扫描电镜结果见图2。由图可知,通过浸渍法重构的水滑石化合物 具有层状结构,但层板相互堆积,单个层板结构不清晰,并且在晶片表面形成“worm”状结构 。 而前驱体经焙烧后,层状结构被破坏,催化剂呈现出多孑L结构。 154 化学反应工程与工艺 2010年4月 不同催化剂的比表面积结果见表1。比较催化剂1NMA2,5NMA2和10NMA2发现,随着Ni含 量增加,比表面积略有减少。这是由于Ni含量增加,NiO在催化剂表面大量聚集,晶粒增大,甚至 堵塞孔道所引起的。而比较催化剂5NMA1,5NMA2,5NMA3和5NMA4时,发现随着n(Mg)/n(A1) 的增加,催化剂的比表面积略有下降。 表1催化剂的比表面积 Table 1 The specific surface area of catalysts 不同催化剂的H2-TPR谱图见图3。可见,随着Ni含量的增加,催化剂还原温度逐步降低。这 是由于随着Ni含量的增加,Ni抖逐渐从MgO体相中分离出来,分散在催化剂表面,易于被还原。 采用重构法制得的催化剂中Ni抖的还原温度在500~600℃,而共沉淀法制备的还原温度一般在 700℃以上[14,15],即采用重构法制备可大大降低催化剂的还原温度。这是由于Ni0的晶型结构与 MgO相似,采用共沉淀法制备催化剂,其前躯体中各金属沉淀物混合均匀,在高温焙烧过程中, Ni抖容易融入MgO的晶格中,形成镍镁固溶体,致使Ni抖不易被还原。丽采用重构法制得的催化剂 中,Ni抖主要分布在表面,易于被还原,但是相比于纯NiO的还原温度400℃,还原温度仍然较高, 表明Ni抖与载体之间存在着较强的相互作用,这种强的相互作用主要是由于Ni 融入到MgO晶格 中所致。从图3(b)可以看出,随着n(Mg)/n(A1)增加,还原温度向高温方向移动,说明催化剂中 MgO含量增加,Ni。 更容易进人MgO的晶格,形成固溶体,使得NiO不易被H。还原。参照TPR 的分析结果,实验中催化剂的还原温度选择550℃。 图3不同Ni含量和n(Mg)/n(A1)催化剂的TPR曲线 Fig.3 TPR curves of the catalysts with different Ni contents and different (Mg)/n(A1) 催化剂5NMA2在550℃下经Hz还原10 h, 还原前后催化剂的XRD谱图见图4。可以看出, 还原前的催化剂主要出现Mg0和尖晶石物相的 衍射蜂,未出现明显的NiO物相的衍射峰,还 原后出现Ni的衍射峰(见谱线b)。这说明还原 前催化剂中Ni0高度分散,且颗粒较小,还原 过程发生Ni抖向Ni。的转变。 2.2催化剂的催化性能 Ni含量和n(Mg)/n(A1)对催化剂催化性能 的影响见图5。由图可知,随着Ni含量的增加, 图4催化剂还原前后的XRD图谱 Fig.4 XRD patterns of 5 NMAZ before and after reduction 丙酮的转化率逐渐增加,主产物甲基异丁基酮的 选择性在Ni含量为5%时最大,达到69.5%。而Ni含量对二异丁基酮(DIBK)的选择性影响不大。 第26卷第2期 李天舒等.重构法制备Ni/MgO-A1 O。催化剂 155 同时,异丙醇(IPA)的选择性随Ni含量的增加大幅度增加,甲基异丁基甲醇(MIBC)、二异丁基 甲醇(DIBC)的选择性也随着Ni含量的增加而有所增加。这是由于随着Ni含量的增加,加氢活性 中心Ni。在催化剂表面聚集,催化剂活性中心的密度得到提高,增加了C—O.Kc=c的加氢反应能 力,从而使加氢反应在催化剂表面优先进行,使醇类物质选择性大幅度增加。 n(Mg)ln(AI) 图5 Ni含量和 (Mg)/n(A1)对催化性能的影响 Fig.5 The effect of Ni content and n(Mg)/n(A1)on catalytic activity IPA—isopropano1.MIBK-methyl isobutyl ketone,MIBC methyl isobutyl alcohol,DIBK—diisobutyi ketone,DIBC-diisohntyl alcoho1. DAA-Diacetone alcohol,C9+一isophorone,1,3.5-trime【bylbenzene and other compounds containing 9 and more carbons with higher boiling point 从图5还可以看出,随着n(Mg)/n(A1)的增加,丙酮的转化率逐渐下降。其主产物MIBK的选择 性先增加后减少,当n(Mg)/n(A1)为2时,达到最大值69.5 ,而IPA的选择性随着n(Mg)/n(A1)的增 加而减少,DIBK和c9 等高沸点产物的选择性逐步增加。这是由于n(Mg)/ (A1)增加,MgO含量 增加,催化剂的碱性中心增加,丙酮的缩合能力加强,造成缩合产物选择性增加,而碱性中心的增加 却抑制了丙酮直接加氢生成IPA。因此,对催化剂的酸碱中心以及金属中心的比例进行调节,可有效 地提高催化剂活性。 3 结 论 采用重构法制备的催化剂前驱体具有水滑石的层状结构,550℃焙烧后得到NiO—MgO—A1 O。复 合氧化物,其比表面积达9O~100 m /g,而NiO晶粒细小,主要分布在催化剂表面,这大大降低了 还原温度,还原温度在5O0~600℃。随着Ni含量的增加, (Mg)/ (A1)的减小,还原温度逐渐降 低。该催化剂在丙酮缩合加氢一步法合成MIBK反应中具有较好的性能,当Ni的物质的量分数为 5 ,n(Mg)/n(A1)为2时,催化剂活性较好,在反应温度为180℃,氢与丙酮物质的量之比为1, 液时空速4.8 mL/(h・g)的反应条件下,丙酮的转化率为49.5 ,MIBK的选择性为69.5 。 参考文献: l王钰.甲基异丁基酮市场分析及产业发展的建议.化学工业,2009,27(5):1z~16 Wang Yu.Market Analysis and Suggestion for Development of Methyl Isobutyl Ketone(MIBK)in China.Chem Ind,2009,27(5): 12~16 2 Alexandre Carlos Camacho Rodrigues,Jos6 Luiz Fontes Monteiro.Direct Synthesis of MIBK from Acetone over Pd/NaX Catalysts. Appl Catal A,2009,362(1—2):185~192 3刘晓红,徐贤伦,刘淑文.丙酮低压一步法合成甲基异丁基酮催化剂体系研究进展.化工科技,2003,11(5):6O~65 Liu Xiaohong,Xu Xianlun,Liu Shuwen.Status of One-Step Synthesis of Methyl Isobutyl Ketone from Acetone.Sci Tech Chem Ind, 2003,11(5):60~65 4陈晓。曾崇余.Pd/ ̄AI2O3催化剂合成甲基异丁基酮.南京工业大学学报(自然科学版),2008,30(4):60~63 Chen Xiao,Zeng Chongyu.Synthesis of Methyl Isobutyl Ketone with Pd/7-AlaOa Catalyst.J Nanjing Uni Tech(Nat Sci Ed),2008, 30(4):60~63 5刘晓红,徐贤伦,刘淑文.以纳米二氧化锆为载体的Pd催化剂制备及还原缩合性能研究.精细化工,2003,20(12):724 ̄727 156 化学反应工程与工艺 2010年4月 Liu Xiaohong,Xu Xianlun。Liu Shuwen.Preparation of Nanosized Zirconium Dioxide Supported Palladium Catalyst and Research of Its Rceduction and Condensation Performance.Fine Chem,2003,20(12):724~727 6 Yang S M,Wu Y M.One Step Synthesis of Methyl Isobutyl Ketone over Palladium Supported on A1P04—1l and SAP( 11. Appl Catla A,2000,192(2):211~220 7 Narayanan S,Unnikrishnan R. Selective Hydrogenati0n of Acetone to Methyl lsobutyl Ketone(MIBK)over Co-precipitavcd Ni/Alz03 Catalysts.Appl Catal A,1996,145(1~2):231~236 8申延明,吴静,张振祥等.Cu—MgO/y-AI203丙酮一步法合成甲基异丁基酮.沈阳化工学院学报,2002,16(4):261~265 Shen Yanming,Wu Jing,Zhang Zhenxiang,et a1.Cu‘-MgO/y-Al ̄Oa Catalyst for One-Step Systhesis of Methyl Isobutyl Ketone from Actone and Hydrogen,.J Shenyang Inst Chem Tech,2002,l6(4):261~265 9 Chen Y Z,Hwang C M,Liaw C W,et a1.One Step Synthesis of Methyl fsobutyl Ketone from Acetone with Calcined Mg/AI Hydrotalcite-Supported Palladium or Nickel Catalysts.Appl Catal A,1998,169(2):207~214 10 Fornasari G。Trifiro F,Vaccari A,at a1.Novel Low Temperature NO Storage-Reductlon Catalysts for Diesel Light--Duty Engine Emissions Based on Hydrotalclte Compounds.Catal Today,2002,75(1—4):421~429 l1 Melo F,Modane s N.Synthesis,Characterization and Catalytic Behaviour of NiMgAI Mixed Oxides as Catalysts/or Hydrogen Production by Naphtha Steam Reforming.CataI Today,2008,133—135:383~393 12 Takehira K,Shishido T,Shoro D,et a1.Preparation of Egg--Shell Type Nb・Loaded Catalyst by A ̄dopting“Memory Effect'’of M Al Hydrotalcite and Its Application for CH4 Reforming..Cata]I Commun,2004,5(5):209~213 13 Takehira K,Shishido T,Shouro D,et a1.Novel and Effective Surface Enrichment of Active Species in Ni--Loaded Catalyst Prepared from Mg—Al Hydrotalcite-Type Anionic Clay.Appl Catal A,2005,279(1—2):4 1~5 1 14 Chmidarza L,Kustrowskia P,Rafalska-Lsocha A,et a1.Influence of Cu,Co and Ni Cations Incorporated in Brucite-Type Layers on Thermal Behaviour of Hydrotahcites and Reducibility of the Derived Mixed 0)xide Systems.Thermochimica Acta,2002,395(1—2):Z25~236 l5刘炳华,朱海燕,张惠良等.以水滑石及类水滑石为前体制备的Ni、Mg,A1混合氧化物的合成和表征.无机化学学报,2005, 21(6):852~8S8 Liu Binghua,Zhu Haiyan,Zhang Huiliang,et a1.Synthesis and Characterization of Ni,Mg,AI Mixed Oxides from Hydrotlacite and Hydrotalcite-Like Precursors.Chinese J Inorg Chem,2005,21(6):852 ̄858 Preparation of Ni/MgO-・AI2 O3 Catalysts by Reconstruction Li Tianshu Shen Yanming Liu Dongbin Li Changlong Liu Dan (Department of Chemical Engineering,Shenyang Institute of Chemical Technology,Shenyang 110142,China) Abstract: Ni/MgC卜Al2 03 catalysts were synthesized by the reconstruction method.The precursors of catalyst and their derived oxides were characterized by X—ray diffraction(XRD)。scanning electron microscopy(SEM),low—temperature nitrogen adsorption—desorption technique(BET)and H2 temperature-programmed reduction(TPR).The effect of component on catalytic activity for one-step synthesis of methyl isobutyl ketone(MIBK)was also studied.The results showed that the Ni component was distributed on the surface of Ni/MgO-A12 03 catalyst,and the reduction temperature of Ni抖was decreased largerly.The catalytic activity was the highest when the Ni content was 5 . Conversion of acetone and selectivity of MIBK reached 49.5 and 69.5 ,respectively,under the conditions of reaction temperature 180℃,molar ratio of H2 to acetone 1 and liquid space velocity 4.8 mL/(h・g). Key words: reconstruction;hydrotalcite—like compound;methyl isobutyl ketone 

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