ZSM-5型分子筛催化联苯甲基化研究

论文摘要

直链型多环芳烃如：4-烷基联苯和4，4’-二烷基联苯，是合成性能优良的聚合物的重要原料，其氧化后生成的相应的羧酸是热致性液晶、耐热材料、人造纤维以及高性能工程塑料等聚合物的重要单体。在对位取代的烷基联苯中，甲基取代的联苯由于在进一步氧化时条件温和，且没有碳损失，受到了越来越多的研究者的关注。 本论文对沸石分子筛催化联苯甲基化合成4-甲基联苯（4-MBP）进行了研究。经过对不同类型催化剂的筛选，发现ZSM-5型分子筛是本反应较为理想的催化剂，并且在SiO2／Al2O3比相近时，nanoHZSM-5的活性稳定性要好于microHZSM-5。通过考察联苯甲基化反应条件，发现，450℃为联苯甲基化的最佳温度，此时，转化率最高而且活性稳定性也最好。增大空速会导致转化率下降。 为了提高nanoHZSM-5的活性稳定性，用NH4F改性对母体催化剂进行脱铝处理，发现催化剂的活性稳定性显著提高，改性后的催化剂在500℃焙烧时表现出最好的稳定性，并且随着NH4F浸渍量的增大，活性稳定性增强。在浸渍量为15％的nanoHZSM-5上，联苯转化率可以在80h内保持在8％左右。认为，酸强度的降低及强酸中心数目的减少是活性稳定性提高的主要原因。当以SiO2／Al2O3（68）较高的microHZSM-5（HCBV8014）作母体时，NH4F浸渍量为5％，焙烧温度为500℃时，联苯转化率可以在136h内一直保持在7％左右，选择性可达42％，并且再生后，运转116h，转化率仍然保持不变。用HCl酸酸洗可使NH4F改性的催化剂的选择性进一步提高。 nanoHZSM-5催化剂的失活行为和积炭组成分析结果表明，活性中心的选择性中毒和孔堵塞是造成催化剂失活的主要原因。积炭优先在强酸中心上沉积。NH4F改性明显地抑制了分子量较大的积炭物种的生成，延缓了催化剂失活。提高反应温度，降低进料空速，可以延缓失活。积炭催化剂上可溶性积炭成分主要是2-5环的多环芳烃。积炭的生成可能来源于两个方面：一方面是甲醇自身转化生成的大分子的烃类及芳烃，另一方面是联苯和甲醇以及由甲醇生成的烃类和由联苯裂化生成的苯反应生成的多环芳烃。 联苯甲基化是一个连续的烷基化反应，生成的4-MBP可以进一步甲基化生成二甲基联苯。论文将NH4F／HCBV8014用于4-MBP甲基化，结果发现，选择性大大提高，4，4’-DMBP选择性最高可达71％左右；而且，活性稳定性也得到增强。进一步对其它增加骨架Si／Al比的方法进行研究，发现高温热处理脱铝也可以明显提高选择性和活性稳定性。然而，用同晶取代引入杂原子，虽然催化剂的选择性和活性稳定性也得到提高，但效果不如采用直接脱Al法。分别对NH4F改性前后的HCBV8014进行MgO改性，结果表明，减少外表面酸中心能明显提高4，4’-DMBP的选择性。NH4F改性后，选择性的

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 沸石分子筛简介
• 1.2 ZSM-5沸石结构及应用
• 1.3 沸石分子筛的择形催化性能
• 1.4 沸石分子筛催化剂的改性方法
• 1.4.1 脱铝
• 1.4.2 金属氧化物浸渍
• 1.4.3 化学液相／气相沉积
• 1.5 沸石分子筛催化剂的失活
• 1.5.1 积炭失活的影响因素
• 1.5.2 积炭失活方式
• 1.5.3 积炭反应机理
• 1.5.4 积炭组成及性质
• 1.6 纳米分子筛的性能及催化特性
• 1.6.1 外表面特点
• 1.6.2 吸附特性
• 1.6.3 扩散特性
• 1.6.4 水热稳定性及热稳定性
• 1.6.5 纳米分子筛的催化特点
• 1.7 联苯择形烷基化反应机理
• 1.8 联苯烷基化研究进展
• 1.8.1 联苯择形异丙基化
• 1.8.2 择形烷基化合成4,4’-二甲基联苯
• 1.8.3 联苯的择形乙基化和异丁基化
• 1.9 课题选择及研究内容
• 2 实验部分
• 2.1 原料与试剂
• 2.2 催化剂制备
• 2.3 沸石分子筛样品表征
• 2.3.1 沸石分子筛晶貌特征及晶体颗粒尺寸
• 2.3.2 晶体结构和结晶度分析
• 2.3.3 催化剂元素组成分析
• 2.3.4 ZSM-5分子筛孔径分布、孔容及比表面积
• 2.3.5 吡啶吸附FT-IR表征
• 3-TPD表征'>2.3.6 NH₃-TPD表征
• 29Si和²⁷Al MAS NMR'>2.3.7²⁹Si和²⁷Al MAS NMR
• 2.4 反应性能评价
• 2.5 产物分析
• 3 联苯甲基化催化剂的选择及反应条件的考察
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 不同沸石分子筛上联苯甲基化反应性能比较
• 3.3.2 不同晶粒大小HZSM-5上联苯的甲基化反应
• 3.3.3 反应条件对nanoHZSM-5上联苯甲基化反应性能的影响
• 3.4 小结
• 4 改性HZSM-5上联苯甲基化的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 催化剂制备
• 4.2.2 催化剂活性评价
• 4.3 结果与讨论
• 4F／nanoHZSM-5催化剂结构的影响'>4.3.1 焙烧温度对NH₄F／nanoHZSM-5催化剂结构的影响
• 4F／nanoHZSM-5催化剂的酸性的影响'>4.3.2 焙烧温度对NH₄F／nanoHZSM-5催化剂的酸性的影响
• 4F／nanoHZSM-5催化剂的催化性能的影响'>4.3.3 焙烧温度对NH₄F／nanoHZSM-5催化剂的催化性能的影响
• 4F浸渍量对NH₄F／nanoHZSM-5催化剂的性质及催化性能的影响'>4.3.4 NH₄F浸渍量对NH₄F／nanoHZSM-5催化剂的性质及催化性能的影响
• 4.3.5 改性HCBV8014上联苯甲基化反应性能的研究
• 4.3.6 沸石分子筛氟化脱铝机理的探讨
• 4.4 小结
• 5 联苯甲基化反应中nanoHZSM-5催化剂积炭失活研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 催化剂预积炭
• 5.2.2 积炭催化剂上可溶性积炭沉积物的制备及分析
• 5.2.3 催化剂表征及分析
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 反应温度对催化剂积炭的影响
• 5.3.2 反应时间对催化剂积炭的影响
• 5.3.3 进料空速对催化剂积炭的影响
• 4F改性前后积炭催化剂的热重分析'>5.3.4 NH₄F改性前后积炭催化剂的热重分析
• 5.3.5 积炭催化剂的酸性质变化
• 5.3.6 积炭催化剂的孔结构变化
• 5.3.7 催化剂的积炭组成分析
• 5.3.8 催化剂失活过程分析
• 5.4 小结
• 6 改性HCBV8014上4-甲基联苯甲基化的研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 催化剂制备
• 6.2.2 催化剂活性评价
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 不同催化剂上4-甲基联苯甲基化反应的研究
• 6.3.2 HCBV8014上4-甲基联苯甲基化反应性能
• 6.3.3 不同方法脱铝的HCBV8014上4-甲基联苯甲基化的反应性能
• 6.3.4 复合改性HCBV8014上4-甲基联苯的甲基化反应
• 6.3.5 硅酯改性HCBV8014上4-甲基联苯的甲基化反应
• 6.3.6 不同方法改性的HCBV8014上4-甲基联苯甲基化反应性能比较
• 6.4 小结
• 7 结论
• 读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
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