新型固体镁基催化剂的构筑及其蒽醌降解物再生催化性能研究

作     者：李亚北 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯拥军

授予年度：2021年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：降解物再生 成型法 固体镁基再生催化剂 花状硅酸镁 硅酸镁/γ-Al2O3 

摘      要：蒽醌法凭借其自动化程度高、生产效率高和能规模化生产等优点,成为了国内外生产双氧水的主要方法。然而在蒽醌法制备过氧化氢的生产工艺中,由于反应体系存在着副反应的发生,会生成一些降解物,并且降解物的含量会随着工艺循环次数的增加而增加,这些降解物通常不能够参与循环生产双氧水的生产过程,同时也具有很高的危害性。在实际的工业生产工艺中,为了降低工作液中降解物对于双氧水生产的影响,通过添加再生装置的方式将部分降解物转化成有效蒽醌,其中再生装置的主要组分为碱浸渍的氧化铝,然而该再生催化剂存在着活性组分易流失、再生活性不高和使用寿命不长等缺点。另外该再生催化剂使用一段时间后需要频繁地更换,不仅造成自然资源的浪费,而且还会产生大量的固体废弃物,污染生态环境,因此研究一种新型再生催化剂具有重要的意义。硅酸镁因其具有丰富的孔道、较高的比表面积以及稳定的化学性质,而被广泛地应用到众多领域。本论文创新性地将硅酸镁作为一种新型的固体碱催化剂应用到蒽醌工作液中降解物的再生,开展了镁基固体碱再生催化剂的构筑,并进行了再生性能评价,系统探讨了催化剂的再生性能与其结构特征之间的构-效关系,论文主要研究内容如下:(1)基于溶剂的界面效应,发展了混合溶剂法,在固定乙醇百分含量为75%的条件下,通过调节了硅镁的投料比,成功制备出不同硅镁比的花状硅酸镁固体碱再生催化剂,并进行了再生性能评价,详细地探讨了不同硅镁比的催化剂与其再生性能的关系。研究结果表明,四组催化剂对于四氢-2-乙基蒽醌的再生效果随着硅镁比的减少而增加,并且再生效果优于对2-乙基蒽醌的再生效果。当硅镁比为1:1.5时,再生催化剂的比表面积为438.62 m2·g-1,孔容为0.46 cm3·g-1,平均孔径为5.57 nm,催化剂的再生效果较好,此时催化剂的有效蒽醌增量最高能够达到9.48 g·L-1。(2)基于粉体催化剂的成型工艺,发展了物理混捏法(挤条法)制备出条形硅酸镁/γ-A12O3固体碱再生催化剂。以快脱粉和硅镁比为1:1.5的花状硅酸镁为原料,田菁粉为助挤剂,淀粉为造孔剂,通过物理混捏法制备出了固体碱再生催化剂,通过调变硅酸镁的添加量,成功制备出不同硅酸镁含量的条状硅酸镁/γ-A12O3再生催化剂,并进行再生性能评价。研究结果表明,催化剂的有效蒽醌的再生量随着硅酸镁的添加量的增加而增加。当硅酸镁的添加量为50%时,催化剂的压碎强度为53.44 N/颗,比表面积为318.75 m2·g-1,孔容为0.25 cm3·g-1,平均孔径为3.46 nm,此时固体碱催化剂有效蒽醌再生增量最大能够达到11.59 g·L-1,较未添加硅酸镁样品再生量提高57.1%,较工业所使用的活性氧化铝料球再生量增加65.6%。(3)同样基于粉体催化剂的成型工艺,发展了海藻酸钠辅助成型法制备球形硅酸镁/γ-A12O3再生催化剂,以快脱粉或拟薄水铝石和花状硅酸镁为原料,氯化钙为交联剂,通过调变硅酸镁的添加量,成功制备出不同硅酸镁含量的球形硅酸镁/γ-Al2O3再生催化剂,并进行再生性能评价,研究结果表明,以快脱粉和硅酸镁为原料制备的球形催化剂,其比表面积随着硅酸镁的添加量的增加而增大,比表面积由样品SDA-0%的133.63 m2·g-1增加到样品SDA-100%的475.24 m2·g-1,其中当硅酸镁的添加量达到50%时,所制备的再生催化剂的最大有效蒽醌增量为7.92 g·L-1;以拟薄水铝石和硅酸镁为原料制备的球形催化剂,其比表面积同样随着硅酸镁的添加量的增加而增大,催化剂的比表面积由样品PB-0%的212.46 m2·g-1增加到PB-70%的342.70 m2·g-1。从催化剂的再生性能来说,样品PB-0%和PB-10%的再生性能高于其他三组催化剂,其中有效蒽醌最大再生量分别为4.57 g·L-1和 4.69 g·L-1。