TWI755128B - 丙二醇甲醚的合成方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種複合式固體鹼觸媒的製備方法,其包含進行一溶液準備步驟、進行一滴定步驟、進行一熟化步驟以及進行一鍛燒步驟。溶液準備步驟用以得到前驅物溶液,其中前驅物溶液含有鎂離子以及鋁離子。滴定步驟係將前驅物溶液以逆向滴定的方式滴入氨水溶液中,並均勻攪拌形成觸媒母液。熟化步驟係將觸媒母液進行熟化以形成觸媒前驅物。鍛燒步驟係將觸媒前驅物於流動空氣下鍛燒,以得到複合式固體鹼觸媒。藉此,本發明可調控鎂鋁莫耳比以及鍛燒溫度以優化觸媒,可有效地應用於催化甲醇與環氧丙烷,合成出丙二醇甲醚。

Description

丙二醇甲醚的合成方法
本發明係關於一種觸媒的製備方法,尤其是一種複合式固體鹼觸媒的製備方法、其製備之複合式固體鹼觸媒及丙二醇甲醚的合成方法。
醇醚是許多化學產品的組成成分,可作為各類的消費產品和工業應用,其中丙二醇甲醚(PM)可用於化工、農業、汽車、油漆、清漆工業,其商業生產方法係藉由環氧丙烷(PO)與甲醇在催化劑的存在下催化生成。
一般來說,環氧化物的開環反應會產生異構體,以丙二醇甲醚舉例,其具有α-異構體(1-甲氧基-2-丙醇)和β-異構體(2-甲氧基-1-丙醇),兩者在應用與毒性之間均有差異,例如α-異構體的毒性低於β-異構體,故需要具有一種高選擇性的觸媒。
傳統常用的催化劑為甲醇鈉和氫氧化鈉等勻相催化劑,其顯示出具有高活性及高選擇性之特性,然而,這類觸媒在產物中會有金屬殘留量、產生廢液及需額外之分 離成本等等問題。與之相比,現今研究發現,固體鹼觸媒可克服勻相催化劑的缺點,故為一重要的發展方向。
有鑑於此,如何開發出一種可取代勻相觸媒的固體鹼觸媒,並調控其配方以提升觸媒材料的催化活性、穩定性及選擇性,遂成相關業者努力的目標。
本發明之一目的是在於提供一種複合式固體鹼觸媒的製備方法、其製備之複合式固體鹼觸媒及丙二醇甲醚的合成方法,藉由共沉澱法製備MgO-Al2O3複合式固體鹼觸媒,並調整鎂鋁的莫耳比以及鍛燒溫度,以得到最適化功能性之觸媒,並且運用於催化甲醇與環氧丙烷以合成丙二醇甲醚。
本發明之一實施方式係在於提供一種複合式固體鹼觸媒的製備方法,包含進行一溶液準備步驟、進行一滴定步驟、進行一熟化步驟以及進行一鍛燒步驟。溶液準備步驟係將一催化活性成分前驅物作為一前驅物溶液,其中前驅物溶液含有一鎂離子以及一鋁離子,滴定步驟係將前驅物溶液以一逆向滴定的方式滴入一氨水溶液中,並均勻攪拌形成一觸媒母液,熟化步驟係將觸媒母液進行熟化以形成一觸媒前驅物,鍛燒步驟係將觸媒前驅物於一流動空氣下鍛燒,以得到一複合式固體鹼觸媒。
依據前述實施方式之複合式固體鹼觸媒的製備方法,其中催化活性成分前驅物可為硝酸鎂與硝酸鋁之混合 液。
依據前述實施方式之複合式固體鹼觸媒的製備方法,其中於前驅物溶液中,鎂離子與鋁離子的莫耳比可為2至10。
依據前述實施方式之複合式固體鹼觸媒的製備方法,其中前驅物溶液的滴定速率可為0.5滴/秒。
依據前述實施方式之複合式固體鹼觸媒的製備方法,其中觸媒母液之pH值可大於或等於10。
依據前述實施方式之複合式固體鹼觸媒的製備方法,其中熟化步驟之時間可為10小時至12小時。
依據前述實施方式之複合式固體鹼觸媒的製備方法,其中於熟化步驟後及鍛燒步驟前更包含進行一純化步驟以及進行一乾燥步驟。純化步驟係將觸媒前驅物進行真空過濾除水後,並以去離子水進行清洗,而乾燥步驟係將純化後之觸媒前驅物放置於烘箱中乾燥過夜。
依據前述實施方式之複合式固體鹼觸媒的製備方法,其中鍛燒步驟之溫度可為500℃至600℃。
本發明之另一實施方式係在於提供一種複合式固體鹼觸媒,所述複合式固體鹼觸媒為由前述製備方法製備而得。
本發明之又一實施方式係在於提供一種丙二醇甲醚的合成方法,其包含下列步驟。首先,提供一種複合式固體鹼觸媒,所述複合式固體鹼觸媒為由前述製備方法製備而得。接著,進行一開環醚化反應,其係於一反應器中, 以所述複合式固體鹼觸媒作為催化劑,將甲醇與環氧丙烷進行開環醚化反應,以得到丙二醇甲醚。
依據前述實施方式之丙二醇甲醚的合成方法,其中反應器可為連續式高壓固定床反應器或高溫高壓反應釜式批次反應器。
藉此,本發明利用共沉澱法製備MgO-Al2O3複合式固體鹼觸媒,並調整鎂鋁莫耳比例來優化觸媒配方,所製備之觸媒可用於催化開環醚化反應以合成丙二醇甲醚,可達到高轉化率及高選擇率。
100:複合式固體鹼觸媒的製備方法
110,120,130,140:步驟
200:丙二醇甲醚的合成方法
210,220:步驟
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂,所附圖式之說明如下:第1圖係繪示本發明之一實施方式之一種複合式固體鹼觸媒的製備方法的步驟流程圖;第2圖係繪示本發明之另一實施方式之丙二醇甲醚的合成方法的步驟流程圖;第3A圖係繪示實施例1至實施例5以及比較例1的孔徑分布圖;第3B圖係繪示實施例6至實施例9以及比較例2的孔徑分布圖;第4A圖係繪示實施例1至實施例5以及比較例1的XRD繞射分析圖;第4B圖係繪示實施例6至實施例9的XRD繞射分析圖; 第5A圖係繪示實施例1、實施例2、實施例4、實施例5以及比較例1的程溫脫附反應分析圖;第5B圖係繪示實施例6至實施例9以及比較例2至比較例3的程溫脫附反應分析圖;第6A圖係繪示實施例2的FESEM表面形貌;第6B圖係繪示實施例2的EDS能量分散光譜圖;第7圖係繪示實施例1至實施例5的環氧丙烷轉化率與丙二醇甲醚選擇率的曲線圖;第8圖係繪示不同壓錠強度之觸媒的環氧丙烷轉化率與丙二醇甲醚的曲線圖;以及第9圖係繪示實施例2於不同反應時間下的環氧丙烷轉化率與丙二醇甲醚選擇率的曲線圖。
下述將更詳細討論本發明各實施方式。然而,此實施方式可為各種發明概念的應用,可被具體實行在各種不同的特定範圍內。特定的實施方式是僅以說明為目的,且不受限於揭露的範圍。
請參考第1圖,其係繪示本發明之一實施方式之一種複合式固體鹼觸媒的製備方法100的步驟流程圖。必須說明的是,前述複合式固體鹼觸媒的製備方法主要係採用共沉澱法(Co-precipitation)來製備,其包含步驟110、步驟120、步驟130以及步驟140。
步驟110為進行一溶液準備步驟,其係將一催化 活性成分前驅物作為一前驅物溶液,其中前驅物溶液含有一鎂離子以及一鋁離子。具體而言,催化活性成分前驅物可為但不限於硝酸鎂(Mg(NO3)2.6H2O)與硝酸鋁(Al(NO3)3.9H2O)之混合液,而在前驅物溶液中,鎂離子與鋁離子的莫耳比可為但不限於2至10,藉此,可透過鎂離子與鋁離子的比例不同,以配置出不同鎂鋁比之複合式固體鹼觸媒。
步驟120為進行一滴定步驟,其係將前驅物溶液以一逆向滴定的方式滴入一氨水溶液中,並均勻攪拌形成一觸媒母液,其中前驅物溶液的滴定速率可為0.5滴/秒,且待滴定完成後的觸媒母液之pH值可大於或等於10。詳細來說,逆向滴定係將前驅物溶液滴入鹼液中,由於沉澱劑過量,因此較容易使鎂鋁離子同時且均勻的沉澱下來,以形成鎂鋁複合物。相反地,順向滴定則係將鹼液滴入前驅物溶液中,由於滴入之沉澱劑液滴會被大量的金屬鹽溶液稀釋,因此溶度積小的離子(例如:鋁)會優先沉澱析出,導致鎂鋁離子具有分別沉澱的現象發生。
步驟130為進行一熟化步驟,其係將觸媒母液進行熟化以形成一觸媒前驅物。詳細來說,在調整前驅物溶液的pH值大於或等於10之後,便可將熟化溫度控制在30℃至50℃之範圍內,以熟化10小時至12小時。再者,後續可進行將熟化後之觸媒前驅物真空過濾除水並以去離子水清洗之純化步驟,以及將純化後之觸媒前驅物放置於烘箱中乾燥過夜之乾燥步驟,但本發明不以此為限。
步驟140為進行一鍛燒步驟,其係將觸媒前驅物於一流動空氣下鍛燒,以得到複合式固體鹼觸媒。詳細來說,鍛燒步驟之溫度可為500℃至600℃,並以50mL/min至500mL/min之流量通入空氣,以確保有足夠的氣體可供觸媒前驅物進行鍛燒並氧化形成複合式固體鹼觸媒,此時本發明之複合式固體鹼觸媒為氧化鎂-氧化鋁複合式固體鹼觸媒。
據此,本發明進一步提供一種由前述製備方法製備而得之複合式固體鹼觸媒,其可用以催化甲醇及環氧丙烷以合成丙二醇甲醚。以下將進一步配合第2圖說明應用前述複合式固體鹼觸媒之丙二醇甲醚的合成方法200,且其方法包含步驟210與步驟220。
步驟210係提供前述複合式固體鹼觸媒,接著步驟220係進行一開環醚化反應,其係於一反應器中,以複合式固體鹼觸媒作為催化劑,將甲醇與環氧丙烷進行開環醚化反應,以得到丙二醇甲醚,其中反應器可為連續式高壓固定床反應器或高溫高壓反應釜式批次反應器。藉此,本發明之複合式固體鹼觸媒可用於連續式高壓固定床反應器與高溫高壓反應釜式批次反應器,以此建立量化分析轉化率與選擇率的關聯性模型,詳細細節詳述於後續實施例,在此便不再贅述。
茲以下列具體實施例進一步示範說明本發明,用以有利於本發明所屬技術領域通常知識者,可在不需過度解讀的情形下完整利用並實踐本發明,而不應將這些實施例 視為對本發明範圍的限制,但用於說明如何實施本發明的材料及方法。
<實施例>
<複合式固體鹼觸媒之製備與材料性能分析>
本發明之複合式固體鹼觸媒是以第1圖之複合式固體鹼觸媒的製備方法100之步驟110至步驟140所製備而得。首先,將已知濃度的Mg(NO3)2.6H2O以及Al(NO3)3.9H2O溶於100mL的去離子水中,以形成前驅物溶液,並倒入滴定管備用。接著,取過量之氨水與去離子水互溶於燒杯中,將配置好的前驅物溶液以0.5滴/秒之速率滴入氨水溶液中,並同時以攪拌機400rpm之轉速在室溫下均勻攪拌,以形成觸媒母液。
待滴定完成且觸媒母液之pH值大於或等於10之後,將觸媒母液靜置於40℃的油浴中熟化12小時,以形成觸媒前驅物,之後,將觸媒前驅物以真空過濾除水,再以去離子水清洗數次,接著將清洗後之濾餅置於100℃烘箱中乾燥過夜。最後,將乾燥後的觸媒前驅物放入高溫爐,以500℃及600℃鍛燒4至5小時,並同時通入流動空氣(50mL/min至500mL/min),以合成出氧化鎂-氧化鋁複合式固體鹼觸媒。
本發明之複合式固體鹼觸媒,可藉由調控組成比例與操作條件(鍛燒溫度)來控制活性金屬之晶徑與金屬表面積,以達到複合式固體鹼觸媒之高催化活性、選擇性與穩定性。其中複合式固體鹼觸媒之材料性能分析是利用比表 面積與孔隙度分析儀和化學吸附儀分析複合式固體鹼觸媒之比表面積以及孔徑分布,X光繞射儀(X-ray Diffraction,XRD)分析複合式固體鹼觸媒之晶徑以及場發射掃描式電子顯微鏡(Field Emission Scanning Electron Microscope,FESEM)與能量色散X射線譜(Energy Dispersive X-ray Spectrometer,EDS)分析複合式固體鹼觸媒之型態及元素分布,並進行條件優化測試、選擇性測試、活性測試以及穩定性測試。
本發明之實施例1至實施例9是以不同鎂鋁莫耳比以及鍛燒溫度來觀察複合式固體鹼觸媒材料性能的影響,其調控條件如下表一所示。
Figure 109137717-A0305-02-0011-1
請參照第3A圖以及第3B圖,其中第3A圖繪示實施例1至實施例5以及比較例1的孔徑分布圖,第3B 圖繪示實施例6至實施例9以及比較例2的孔徑分布圖,而比較例1為鍛燒溫度500℃之商用MgO觸媒,比較例2為鍛燒溫度600℃之商用MgO觸媒。另外,根據第3A圖以及第3B圖,將實施例1至實施例9以及比較例1至比較例2的比表面積(SBET)與平均孔徑的結果列於下表二。
Figure 109137717-A0305-02-0012-2
由表二的結果可見,在相同鍛燒溫度下,實施例1至實施例5的比表面積較比較例1大,且實施例6至實施例9的比表面積較比較例2大,可證明複合式鎂鋁固體鹼觸媒的比表面積較一般商用MgO鹼性觸媒來得高,而在相同鎂鋁莫耳比下,實施例1及實施例2的比表面積分別大 於實施例8及實施例9的比表面積,可知提高鍛燒溫度後,會造成觸媒比表面積下降,且在整體上平均孔徑會隨溫度與鎂鋁莫耳比的增加而有上升趨勢。
請參照第4A圖以及第4B圖,其中第4A圖繪示實施例1至實施例5以及比較例1的XRD繞射分析圖,第4B圖繪示實施例6至實施例9的XRD繞射分析圖。由第4A圖以及第4B圖的結果可見,在2θ為44°、63°和78°時,有MgO的晶體繞射峰,而在2θ為37°和65°時,有γ-Al2O3的晶體繞射峰,且MgO與γ-Al2O3的晶體繞射峰強度與其對應含量成正比關係。另外,藉由分析X光繞射峰的波形來估計2θ為78°和44°時,MgO的晶徑(dc,MgO),如下表三所示,並由上述分析結果可知,MgO晶徑會隨鎂鋁莫耳比提升而增大,而鍛燒溫度對於MgO晶徑影響較小。
Figure 109137717-A0305-02-0013-3
Figure 109137717-A0305-02-0014-4
請參閱第5A圖以及第5B圖,其中第5A圖繪示實施例1、實施例2、實施例4、實施例5以及比較例1的程溫脫附反應分析圖(CO2-TPD),第5B圖繪示實施例6至實施例9以及比較例2至比較例3的程溫脫附反應分析圖(CO2-TPD),而比較例3為鍛燒溫度600℃之Al2O3觸媒。由第5A圖可知,當鎂鋁莫耳比從實施例1增加至實施例5時,鹼基β峰隨著鎂鋁莫耳比的提升而減弱,另外,由第5B圖可知,當鎂鋁莫耳比從實施例6增加至100%鎂之比較例2時,δ中強鹼減弱且γ強鹼變強。另外,藉由CO2-TPD的分析來得到鹼度定量分析,如下表四所示,顯示隨著鎂鋁莫耳比的提升,β鹼基位數有減少的趨勢。
Figure 109137717-A0305-02-0014-5
接著,可運用Hammett Titration作正交比較,如下表五所示,當鎂鋁莫耳比從實施例2增加至實施例5時,中強鹼均會減弱,總鹼度(total basicity)隨著鎂鋁莫耳比的上升而減少。
Figure 109137717-A0305-02-0015-6
請參照第6A圖以及第6B圖,其中第6A圖繪示實施例2的FESEM表面形貌,第6B圖繪示實施例2的EDS能量分散光譜圖。由第6A圖以及第6B圖可見,實施例2中的鎂、鋁皆均勻分散在不規則型態的觸媒中,可證明本發明之複合式固體鹼觸媒具有優異的均勻度。
<複合式固體鹼觸媒之條件優化測試平台>
首先,將共沉澱製得之複合式固體鹼觸媒倒進壓錠模組約七分滿,用柱塞將觸媒壓至底部,接著,用手動液壓薄片機壓錠,壓至0~3公噸重,最後將柱塞把觸媒從模組底部壓出,即可得到壓錠後的觸媒。
之後,取17.3克的甲醇以及6.2克的環氧丙烷(莫耳比為5:1),並與特定比例(3wt%~40wt%)之壓錠後的複合式固體鹼觸媒一同倒入250mL的高壓反應釜中, 接著通入氮氣至反應壓力25kgf/cm2,隨後升溫至設定溫度150℃並反應1小時,反應結束後,待內溫低於反應物之沸點再取樣。
請參照第7圖以及第8圖,其中第7圖繪示實施例1至實施例5的環氧丙烷轉化率與丙二醇甲醚選擇率的曲線圖,第8圖繪示不同壓錠強度之觸媒的環氧丙烷轉化率與丙二醇甲醚選擇率的曲線圖。由第7圖的結果可見,在觸媒含量為20wt%之實施例2時,可以達到接近98%的環氧丙烷轉化率,且丙二醇甲醚選擇率亦可達到90%,因此可藉由調整複合式固體鹼觸媒中的鎂鋁莫耳比,來優化觸媒的條件,而由第8圖的結果可見,若使用粉體狀態之觸媒時(壓錠強度為0),其環氧丙烷轉化率與丙二醇甲醚選擇率較高,但隨著壓錠強度增強後,不論是環氧丙烷轉化率或丙二醇甲醚選擇率皆會降低,故可以加大觸媒量來克服此問題,因此造粒條件亦會影響到觸媒的催化活性。
<複合式固體鹼觸媒之活性與穩定性測試平台>
首先,將上述壓錠後的觸媒打碎,再將打碎後的觸媒粉體進行壓錠,使用手動液壓薄片機壓至10公噸重,所做出來的壓錠片再進行打碎,並先後通過兩種不同尺寸的篩網,其中一個為8-12mesh,另一個為20-25mesh,所篩出來的顆粒小且均勻。
之後,將上述觸媒顆粒(12克至34克)填入觸媒床中,接著開啟高壓送液幫浦,將預先配置莫耳比為5:1之甲醇及環氧丙烷溶液送入固定床反應器中,直至反應物 從背壓閥流出後提升背壓閥之壓力指數,並通入氮氣至反應壓力為25kgf/cm2,並待反應器之壓力指數也達到25kgf/cm2,調控高壓送液幫浦之進料流率至設定值(0.4mL/min至2mL/min)。隨後,先以預熱器預熱至110℃至130℃,再升溫反應器至反應溫度145℃至150℃,待達到設定溫度後,開始反應12小時,並在不同的時間點取樣以進行後續產物分析。
請參照第9圖,其係繪示實施例2於不同反應時間下的環氧丙烷轉化率與丙二醇甲醚選擇率的曲線圖。在第9圖的測試中,實施例2之顆粒大小為20-25mesh,觸媒量為34克,預熱溫度為110℃,反應溫度為150℃,反應時間為12小時,進料流率為0.4mL/min,且各反應時間所對應之環氧丙烷轉化率以及丙二醇甲醚選擇率如下表六所示,由此可見,環氧丙烷轉化率會隨著反應時間增加,反應6小時後即可達到99%轉化率且趨於穩定,且丙二醇甲醚選擇率亦達標。
Figure 109137717-A0305-02-0017-7
Figure 109137717-A0305-02-0018-8
另外,將上述各反應時間之實施例2進行ICP-OES分析,其所析出的鎂離子與鋁離子濃度如下表七所示,並測試二次。由此可見,本發明之複合式固體鹼觸媒中的鎂離子與鋁離子的析出量少,故具有高化學穩定性。
Figure 109137717-A0305-02-0018-9
另外,將本發明之共沉澱法(逆向滴定)與尿素法所製備之複合式固體鹼觸媒之比較結果列於下表八,其中實施例9係以共沉澱法製得,比較例4係以尿素法製得,並在相同丙二醇甲醚的合成方法之條件下進行反應。由表八的結果可見,在相同的丙二醇甲醚合成方法之條件下,比較例4之觸媒活性較實施例9差,轉化率下降約30%,選擇率也略下降,可證明本發明利用逆向滴定之共沉澱法製備觸媒相較於尿素法具有較高的活性。
Figure 109137717-A0305-02-0019-10
綜上所述,本發明經由共沉澱法製備MgO-Al2O3複合式固體鹼觸媒,並調整鎂鋁莫耳比來優化觸媒配方,且可用於連續式高壓固定床反應器與高溫高壓反應釜式批次反應器,在相對低溫(150℃)與中壓(25atm)下,可達到與勻相鹼觸媒同高的轉化率與高選擇率,此外,本發明之複合式固體鹼觸媒機械強度佳,並具有高操作穩定性與高化學穩定性。
雖然本發明已以實施方式揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何熟習此技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作各種之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:複合式固體鹼觸媒的製備方法
110,120,130,140:步驟

Claims (9)

  1. 一種丙二醇甲醚的合成方法,包含:提供一複合式固體鹼觸媒,該複合式固體鹼觸媒的製備方法包含:進行一溶液準備步驟,其係將一催化活性成分前驅物作為一前驅物溶液,其中該前驅物溶液含有一鎂離子以及一鋁離子;進行一滴定步驟,其係將該前驅物溶液以一逆向滴定的方式滴入一氨水溶液中,並均勻攪拌形成一觸媒母液;進行一熟化步驟,其係將該觸媒母液進行熟化以形成一觸媒前驅物;及進行一鍛燒步驟,其係將該觸媒前驅物於一流動空氣下鍛燒,以得到該複合式固體鹼觸媒;以及進行一開環醚化反應,其係於一反應器中,以該複合式固體鹼觸媒作為催化劑,將甲醇與環氧丙烷進行開環醚化反應,以得到丙二醇甲醚。
  2. 如請求項1所述之丙二醇甲醚的合成方法,其中該催化活性成分前驅物為硝酸鎂與硝酸鋁之混合液。
  3. 如請求項1所述之丙二醇甲醚的合成方法,其中於該前驅物溶液中,該鎂離子與該鋁離子的莫耳比為2至10。
  4. 如請求項1所述之丙二醇甲醚的合成方法,其中該前驅物溶液的滴定速率為0.5滴/秒。
  5. 如請求項1所述之丙二醇甲醚的合成方法,其中該觸媒母液之pH值大於或等於10。
  6. 如請求項1所述之丙二醇甲醚的合成方法,其中該熟化步驟之時間為10小時至12小時。
  7. 如請求項1所述之丙二醇甲醚的合成方法,其中於該熟化步驟後及該鍛燒步驟前更包含:進行一純化步驟,其係將該觸媒前驅物進行真空過濾除水後,並以去離子水進行清洗;以及進行一乾燥步驟,其係將純化後之該觸媒前驅物放置於烘箱中乾燥過夜。
  8. 如請求項1所述之丙二醇甲醚的合成方法,其中該鍛燒步驟之溫度為500℃至600℃。
  9. 如請求項1所述之丙二醇甲醚的合成方法,其中該反應器為連續式高壓固定床反應器或高溫高壓反應釜式批次反應器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1315225A (zh) * 2000-03-27 2001-10-03 北京化工大学 烷氧基化反应中镁铝复合金属氧化物催化剂及制备方法
CN103880054A (zh) * 2012-12-21 2014-06-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种合成不同密度镁铝复合氧化物的方法

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