摘要:
環(huán)氧丙烷(PO)是一種重要的高活性丙烯衍生物,被廣泛用于生產(chǎn)各種商業(yè)化學(xué)品(丙二醇、聚氨酯和表面活性劑等).目前,工業(yè)生產(chǎn)PO主要有傳統(tǒng)的氯醇法(CP),共氧化法(叔丁基過氧化氫法、乙苯過氧化氫法和異丙苯過氧化氫法)和過氧化氫直接氧化法(HPPO).其中,HPPO具有反應(yīng)條件溫和、活性高、選擇性好和污染小等特點(diǎn),被認(rèn)為是一種極具競爭力的環(huán)境友好型PO生產(chǎn)工藝.目前,基于TS-1/H2O2/甲醇催化體系的固定床連續(xù)HPPO工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化(陶氏/巴斯夫、贏創(chuàng)/伍德和中國石化).但是,溶劑甲醇會導(dǎo)致PO醇解開環(huán),使PO選擇性降低,而且甲醇和PO存在共沸問題,使PO純化分離的操作復(fù)雜,能耗和成本增加.本課題組之前報(bào)道過Ti-MWW在溶劑乙腈中比TS-1在溶劑甲醇中表現(xiàn)出更好的催化性能(Stud.Surf.Sci.Catal.,2007,170,1236–1243.),尤其是質(zhì)子型惰性溶劑乙腈的存在可以消除PO醇解副反應(yīng),極大地提高了PO選擇性.因此,開發(fā)和設(shè)計(jì)以乙腈為溶劑的工業(yè)Ti-MWW催化劑具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值.工業(yè)HPPO過程通常在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行,需要具有一定機(jī)械強(qiáng)度的催化劑來降低壓降,因此需要對催化劑原粉進(jìn)行成型處理.粘結(jié)劑是制備成型催化劑的必要添加劑,通常是催化惰性組分,但是它們的引入會降低催化劑中有效活性組分的比例,而且大量的粘結(jié)劑會覆蓋在沸石的表面及孔口,導(dǎo)致活性中心的可接近性和利用率降低.因此,設(shè)計(jì)高性能的工業(yè)Ti-MWW催化劑既要消除粘結(jié)劑對底物向活性位點(diǎn)擴(kuò)散的負(fù)面影響,又要保持較高的機(jī)械強(qiáng)度.本文首次提出了一種可控的二次晶化策略,在雙有機(jī)結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑N,N,N-三甲基-1-金剛烷基氫氧化銨和六亞甲基亞胺的作用下,成功地將成型SiO2/Ti-MWW催化劑中的粘結(jié)劑組分轉(zhuǎn)化為MWW沸石相,形成了具有富硅殼層的整體式無粘結(jié)劑Ti-MWW催化劑,提高了擴(kuò)散效率的同時(shí)也保證了機(jī)械強(qiáng)度.在二次晶化過程中,母體Ti-MWW發(fā)生了部分溶硅,形成了大量的內(nèi)部硅羥基巢,同時(shí)部分骨架TiO4物種轉(zhuǎn)變?yōu)榱司哂懈鼜?qiáng)路易斯酸性(LAS)的開放狀態(tài)的TiO6物種,提高了催化劑對于H2O2的富集和活化能力,使得PO收率從13.1%提高到48.4%,催化使用壽命從75 h延長到了640 h.為了進(jìn)一步提高催化性能,我們對催化劑進(jìn)行了哌啶和氟化處理,提高了催化劑中TiO6物種的比例;將有強(qiáng)拉電子效應(yīng)的氟引入分子篩骨架,提高了Ti的LAS強(qiáng)度.一方面,具有強(qiáng)LAS的改性催化劑能夠促進(jìn)H2O2的活化形成Ti-OOH中間體,提高Ti-OOH中Oα-Oβ的極化率,從而促進(jìn)活性O(shè)α轉(zhuǎn)移;另一方面,形成的Si–F基團(tuán)中的F可以與Ti-OOH中的末端H形成更強(qiáng)的氫鍵,從而穩(wěn)定Ti-OOH,促進(jìn)活性O(shè)α有效轉(zhuǎn)移和環(huán)氧化過程,抑制了H2O2的無效分解.此外,大量內(nèi)部硅羥基巢被淬滅,抑制了PO水解副反應(yīng)的發(fā)生.改性后的無粘結(jié)劑Ti-MWW催化劑具有2400 h的超長壽命,PO時(shí)空收率達(dá)到了543 g kg–1 h–1,每1 kmol H2O2消耗的溶劑乙腈質(zhì)量僅為194.3 kg.