Keggin型硅钨杂多酸盐的制备、表征及在醋酸甘油酯化反应中的应用

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随着生物柴油产业迅猛发展,其副产物甘油的有效利用和处理具有重要意义。生物柴油平台化副产物甘油的绿色高值化利用也成为近年来人们研究的热点。甘油乙酰化产品醋酸甘油酯是一种用途广泛的有机化工产品,常用于食品保湿剂、香精和香烟过滤嘴黏结剂、医药和化妆品增塑剂,同时还可用作燃料及生物柴油添加剂。传统醋酸甘油酯的制备主要采用质子酸(如H2SO4、HCl和H3PO4等)为催化剂,质子酸催化时存在着设备腐蚀严重、副反应多、催化剂回收困难、污染环境等弊端。因此,寻求催化效率高、设备腐蚀性小、热稳定性好、环境污染少的酸性催化剂代替传统酯化反应催化剂的研究备受关注。  杂多酸是一类环境友好型固体强酸性催化剂,催化反应时具有腐蚀性小、环境污染少等优点。本文选用Keggin结构的硅钨酸为结构单元进行分子修饰,合成了一系列过渡金属、稀土、银及离子液体改性硅钨酸催化剂,并采用FT-IR,TGA,XRD及固态31P MAS NMR等技术手段对其结构进行表征,研究其在乙酸和甘油选择性酯化反应中的催化性能,考察各因素对酯化反应的影响,构建反应动力学模型,研究其反应机理,为其他脂肪酸甘油酯的合成及其工业化应用提供参考。研究结果如下:  第二、三、四章合成了一系列金属改性硅钨酸催化剂,并对其结构及常压、反应釜条件下的催化性能进行考察。研究表明,Co1/2H3.0SiW12O40、 Ce1/3H3.0SiW12O40、AgH3.0SiW12O40催化剂在醋酸甘油酯合成反应中均表现出较好的催化性能。催化剂的强Br(φ)nsted酸与Lewis酸间的协同作用是其具有高催化活性及二醋酸甘油酯(GDA)和三醋酸甘油酯(GTA)高选择性的原因。其中,第四章通过以半径较大的金属银与硅钨酸制备的不溶于酯且不溶于水的硅钨酸银更好地解决了硅钨酸不易回收问题。研究表明,AgH3.0SiW12O40催化剂具有最好的催化酯化反应活性及GDA和GTA选择性,催化剂酸性与其催化性能密切相关。以AgH3.0SiW12O40为催化剂,常规条件下的最佳反应条件为:反应时间2.0h,催化剂用量3 wt%,醇酸物质的量比1∶6,带水剂量10mL,温度393 K,该条件下甘油转化率为99.5%,GDA和GTA选择性之和为93.1%。优化条件下反应动力学方程为:-rG=-dCG/dt=2.06×102 exp(-25.61/RT)CG,rGMA=-dCGMA/dt=2.06×10 exp(-25.61/RT)CG-4.12×102 exp(-29.85/RT)CGMA,反应活化能E125.61 kJ/mol,E2=29.85 kJ/mol。反应釜条件下,最佳反应条件为:催化剂用量1 wt%,醇酸物质的量比1∶10,反应时间45 min,反应温度393 K,甘油转化率为95.8%,GDA和GTA选择性之和为84.2%。  第五章中以有机材料离子液体和硅钨酸为原料制备的有机-无机杂化材料在催化酯化过程中表现出了较好的催化性能。该类催化剂催化酯化反应时的“自分离”(self-seperation)性能、强酸性和低的空间阻碍效应是其具有好的催化性能的原因。以[TEAPSH]2.0H2.0-SiW12O40为催化剂,常规条件下的最佳反应条件为醇酸物质的量比1∶8,催化剂用量3wt%,带水剂量10mL,温度393 K,反应时间2.0h,此条件下甘油转化率为99.3%,GDA和GTA选择性之和为94.8%。此反应条件下动力学方程为:-rG=-dCG/dt=1.04×104 exp(-37.91/RT)CG,活化能E1为37.91 kJ/mol,rGMA=-dCGMA/dt=1.04×104exp(-37.91/RT)CG-1.01×105exp(-48.05/RT)CGMA,E2为48.05kJ/mol。在反应釜条件下,催化剂用量2 wt%,醇酸物质的量比1∶10,反应时间90 min,反应温度393 K,甘油转化率为99.7%,GDA和GTA选择性之和为94.1%。
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