曹小華,任 杰,柳閩生,占昌朝,嚴(yán) 平
(1. 浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程與材料學(xué)院,浙江 杭州 310014;2. 九江學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,江西 九江 332005;3. 南京曉莊學(xué)院 生物化工與環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 南京 211171)
雜多酸是一類(lèi)新型的酸型、氧化型或多功能型催化劑,具有催化活性高、選擇性好以及反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn),其中,磷鎢酸更顯示出獨(dú)特的酸催化性能,在催化領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1-8]。但純雜多酸比表面積很?。?~l0 m2/g)、易溶于水、易流失,在應(yīng)用時(shí)常將其固載于適宜的載體上,以提高比表面積,改善其催化性能[1-3]。目前,研究較多的活性組分是Keggin結(jié)構(gòu)雜多酸[1-4],Dawson結(jié)構(gòu)雜多酸的研究相對(duì)較少。但已有的研究結(jié)果表明,Dawosn結(jié)構(gòu)雜多酸往往表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能[1,4-8],常用的適宜載體主要有SiO2、TiO2、活性炭、離子交換樹(shù)脂和分子篩等。硅藻土作為雜多酸載體的研究鮮有報(bào)道。
硅藻土(SiO2·2H2O)具有獨(dú)特的有序排列的微孔結(jié)構(gòu),還具有孔隙率高、孔體積大、質(zhì)量輕、堆密度小、比表面積大(50~200 m2/g)、吸附性強(qiáng)和活性高等優(yōu)點(diǎn),并且它的分布廣泛,價(jià)格低廉,作為助濾劑、吸附劑、催化劑載體等廣泛應(yīng)用于化工和環(huán)保領(lǐng)域[9-12]。硅藻土載體表面呈弱酸性,具有良好的吸附性能和較大的孔道結(jié)構(gòu),適宜作為雜多酸的載體[12]。
對(duì)羥基苯甲酸酯(又稱(chēng)尼泊金酯)具有毒性低、無(wú)刺激性以及在較寬的pH范圍內(nèi)有效等特點(diǎn),被列為世界上用途最廣、用量最大、高效、低毒、安全的新型防腐劑,也是我國(guó)替代苯甲酸鈉等食品防腐劑的重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)品之一,它廣泛應(yīng)用于食品、飲料、化妝品和醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域[13-14]。在尼泊金酯中,以尼泊金丁酯(即對(duì)羥基苯甲酸正丁酯)的抗菌作用最強(qiáng),用量最大,因此它的合成研究具有重要意義[13-14]。目前,尼泊金酯的合成大多采用濃硫酸催化劑,該方法存在設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、污染環(huán)境、副產(chǎn)物多和產(chǎn)物分離繁瑣等問(wèn)題[13-14],開(kāi)發(fā)可替代濃硫酸的新型綠色催化劑正日益受到人們的重視[3,8,14-18]。
本工作通過(guò)浸漬法制備出新型硅藻土負(fù)載Dawson結(jié)構(gòu)磷鎢酸催化劑,并將其用于催化合成對(duì)羥基苯甲酸正丁酯,通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了反應(yīng)條件,取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。
乙醇、碳酸氫鈉、正丁醇、對(duì)羥基苯甲酸:分析純,中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上?;瘜W(xué)試劑公司;硅藻土:化學(xué)純,天津市福晨化學(xué)試劑廠。
DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器:鞏義予華儀器有限責(zé)任公司; X-4A型顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀(控溫型):北京福凱儀器有限公司;Thermo Nicolet 360型傅里葉變換紅外光譜儀:Thermo公司,KBr壓片,600~4 000 cm-1,分辨率小于0.9 cm-1;TESCAN-VEGAIIRSU型掃描電子顯微鏡:Tescan公司;X-ACT型能譜儀:牛津儀器公司;D8 Advance型X射線粉末衍射儀:Bruker公司,Cu Kα射線,λ=0.150 64 nm。
參照文獻(xiàn)[11]的方法制備H6P2W18O62·13H2O(簡(jiǎn)寫(xiě)為P2W18)。硅藻土預(yù)處理:將硅藻土用蒸餾水洗滌多次,抽濾,在130 ℃下烘干備用。
稱(chēng)取計(jì)量的P2W18置于燒瓶中,加入30 mL水使其溶解,再加入20 g預(yù)處理過(guò)的硅藻土,在25 ℃下磁力攪拌浸漬12 h,然后升溫至60 ℃,攪拌蒸干,再放置在烘箱中于110 ℃下干燥3 h,即獲得不同負(fù)載量的P2W18/硅藻土催化劑。P2W18的負(fù)載量基于硅藻土載體的質(zhì)量。
在100 mL三口燒瓶中加入6.91 g(0.05 mol)對(duì)羥基苯甲酸、計(jì)量的正丁醇和催化劑,裝上分水器及回流冷凝管,油浴控溫(120~130 ℃),攪拌回流反應(yīng),并隨時(shí)放出多余的水,保持分水器的水面基本在同一位置(分水器中預(yù)先放入一些正丁醇),一定時(shí)間后停止反應(yīng)。蒸出未反應(yīng)的正丁醇(可反復(fù)使用),然后趁熱過(guò)濾出催化劑,將濾液倒入盛有冰水的燒杯中,并劇烈攪拌,即有白色晶體析出,再用稀碳酸氫鈉溶液中和未反應(yīng)的酸,直至溶液呈弱堿性(pH=7~8),抽濾,在45 ℃下真空干燥36 h,得到白色或檄黃色固體(必要時(shí)可在乙醇和水的混合液中進(jìn)行重結(jié)晶)。稱(chēng)重,計(jì)算對(duì)羥基苯甲酸正丁酯收率,對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行FTIR表征及熔點(diǎn)測(cè)定。
合成產(chǎn)物的熔點(diǎn)為67.5~70.1 ℃(文獻(xiàn)值[13]為67~72 ℃)。產(chǎn)物的FTIR譜圖見(jiàn)圖1。
圖1 合成產(chǎn)物的FTIR譜圖Fig.1 FTIR spectrum of the synthesized product.
圖1中3 385 cm-1處的吸收峰歸屬于O—H鍵的伸縮振動(dòng);2 950,2 868 cm-1處的吸收峰歸屬于—CH3和—CH2—中C—H鍵的伸縮振動(dòng);1 680 cm-1處的吸收峰歸屬于芳香族酯基中—CO基團(tuán)的伸縮振動(dòng);1 578,1 506,1 465 cm-1處的吸收峰為苯環(huán)骨架的伸縮振動(dòng);1 280,1 157 cm-1處的吸收峰歸屬于酯基中C—O—C鍵的非對(duì)稱(chēng)和對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)。圖1與對(duì)羥基苯甲酸正丁酯的標(biāo)準(zhǔn)FTIR譜圖[13]一致,由此確認(rèn)合成產(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物對(duì)羥基苯甲酸正丁酯。
2.1.1 FTIR和EDS表征結(jié)果
試樣的FTIR譜圖見(jiàn)圖2。由圖2可以看出:1)硅藻土的主要吸收峰[9-12]出現(xiàn)在1 087.6 cm-1(—Si—O—Si—鍵的伸縮振動(dòng)),793.4,618.6 cm-1(SiO—H鍵的伸縮振動(dòng))處。2)P2W18在1 090.7,961.5,915.2,796.6 cm-1處出現(xiàn)4個(gè)Dawson結(jié)構(gòu)特征峰[2]。3)P2W18/硅藻土催化劑與硅藻土載體的吸收峰形狀相似,但位置稍有偏移,在965.7 cm-1處新出現(xiàn)的弱吸收峰可認(rèn)為是Dawson結(jié)構(gòu)P2W18中WOd鍵的特征峰;1 090.7 cm-1(P—O鍵的伸縮振動(dòng))與1 087.6 cm-1(—Si—O—Si—鍵的伸縮振動(dòng))處的特征峰重合;789.6 cm-1(W—Oc—W鍵伸縮振動(dòng))與793.4 cm-1(Si—O鍵的伸縮振動(dòng))處的譜帶重合。由此表明,固載在硅藻土上的P2W18仍具有Dawson結(jié)構(gòu)。但P2W18在固載后,WOd鍵的特征峰向高波數(shù)方向略有移動(dòng),說(shuō)明P2W18與硅藻土載體發(fā)生了相互作用,這種作用應(yīng)基于SiO2表面的—OH基團(tuán)[12]。
圖2 試樣的FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra of prepared catalyst samples.
采用EDS能譜測(cè)定了負(fù)載P2W18前后硅藻土的化學(xué)組成,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn),負(fù)載前(圖3(b))硅藻土的EDS譜圖中未發(fā)現(xiàn)W元素,負(fù)載P2W18后(圖3(c))出現(xiàn)了W元素,且O元素含量明顯增加,說(shuō)明P2W18已負(fù)載到硅藻土上。從負(fù)載前后P,O,W這3種主要元素含量的變化還可以計(jì)算出負(fù)載在硅藻土上的P2W18中W與P的原子比約為9,P2W18負(fù)載量約為40%(w),證明P2W18負(fù)載后仍保持Dawson結(jié)構(gòu)。
圖3 試樣的EDX譜圖Fig.3 EDX spectra of the catalyst samples.
2.1.2 XRD表征結(jié)果
試樣的XRD譜圖見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn),硅藻土在2θ=20.8°,26.7°,32.5°,59.0°處出現(xiàn)特征衍射峰,其中,2θ=20.8°處的強(qiáng)衍射峰峰型較對(duì)稱(chēng)且尖銳,是(001)晶面的衍射峰,說(shuō)明硅藻土晶型較完整[9-12]。P2W18在2θ=17°~22°,25°~30°,31°~38°處的衍射峰是Dawson結(jié)構(gòu)雜多酸晶體的3組特征衍射峰[2]。負(fù)載P2W18后硅藻土在2θ=20.8°,26.7°,32.5°,59.0°處的衍射峰的個(gè)數(shù)、峰位、半峰寬沒(méi)有明顯變化,但峰強(qiáng)度稍有減弱,說(shuō)明P2W18負(fù)載量為40%(w)時(shí),對(duì)硅藻土的晶型、結(jié)晶度和粒子大小等沒(méi)有明顯影響;同時(shí)與負(fù)載前相比,未出現(xiàn)P2W18的晶相特征峰,說(shuō)明P2W18可能以極細(xì)的微粒均勻分散在載體表面,由于負(fù)載量較低而未出現(xiàn)衍射峰。
2.1.3 SEM表征結(jié)果
試樣的SEM照片見(jiàn)圖5。自然界中存在的硅藻土微觀單體絕大部分呈筒狀、圓盤(pán)狀,極少數(shù)呈羽毛狀[9-10]。圖5(a)為未經(jīng)負(fù)載的硅藻原土的表面形貌,可以看出硅藻土的微觀形貌主要呈圓盤(pán)狀、筒狀,表面微孔大小規(guī)則、排列有序,這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了硅藻土比表面積大、孔體積大和吸附性能強(qiáng)等特點(diǎn)。硅藻土在處理過(guò)程中部分結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂。由圖5(b)可看出,自制P2W18表面呈規(guī)則的酵母狀。圖5(c)為40%(w)P2W18/硅藻土催化劑的表面形貌,可以看出硅藻土的顆粒表面和微孔內(nèi)部均布滿(mǎn)了P2W18,負(fù)載后硅藻土孔道結(jié)構(gòu)基本保持完好,表明整個(gè)負(fù)載過(guò)程較為溫和,活性組分的負(fù)載未對(duì)硅藻土殼體及表面微孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響。
圖4 試樣的XRD譜圖Fig.4 XRD patterns of the catalyst samples.
圖5 試樣的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of the catalyst samples.
P2W18負(fù)載量對(duì)對(duì)羥基苯甲酸正丁酯收率的影響見(jiàn)圖6。
圖6 P2W18負(fù)載量對(duì)對(duì)羥基苯甲酸正丁酯收率的影響Fig.6 Effect of P2W18 loaging(based on the diatomite mass) on the yield of butyl p-hydroxybenzoate.
由圖6可見(jiàn),隨P2W18負(fù)載量的增加,P2W18/硅藻土催化劑的活性先升高后降低。當(dāng)P2W18負(fù)載量為40%(w)時(shí),對(duì)羥基苯甲酸正丁酯收率最高,達(dá)到86.0%;進(jìn)一步增加P2W18負(fù)載量,P2W18/硅藻土催化劑活性開(kāi)始下降。這可能是因?yàn)镻2W18負(fù)載量小于等于40%(w)時(shí),P2W18能較好地單層分布在硅藻土載體上,P2W18負(fù)載量大于40%(w)時(shí),P2W18開(kāi)始多層分布或團(tuán)聚在載體上,過(guò)多的P2W18覆蓋了催化劑表面的酸性位,造成活性組分的堆疊,從而不利于活性的充分發(fā)揮。因此,適宜的P2W18負(fù)載量為40%(w)。
固定對(duì)羥基苯甲酸為6.91 g(0.05 mol),采用L9(34)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)P2W18/硅藻土催化合成對(duì)羥基苯甲酸正丁酯的反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化,不考慮各因素之間的交互作用。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
由表1可見(jiàn),各因素對(duì)反應(yīng)影響程度的大小順序?yàn)椋篋(反應(yīng)時(shí)間)>C(反應(yīng)溫度)>B(催化劑用量)>A(正丁醇與對(duì)羥基苯甲酸的摩爾比,簡(jiǎn)稱(chēng)醇酸比),最優(yōu)組合是A2B2C2D2,即醇酸比3、反應(yīng)溫度125 ℃、催化劑用量0.5 g(占反應(yīng)體系總質(zhì)量的2.8%)、反應(yīng)時(shí)間3.0 h。這是因?yàn)椋?)酯化反應(yīng)是可逆反應(yīng),起初隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),平衡不斷向生成酯的方向進(jìn)行,酯收率提高;當(dāng)反應(yīng)3.0 h時(shí),反應(yīng)達(dá)到平衡,酯收率最高,再延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間則可能導(dǎo)致產(chǎn)物在催化劑表面的吸附或發(fā)生副反應(yīng),降低反應(yīng)的選擇性,使酯收率下降。2)溫度低時(shí)不能進(jìn)行回流,就不能及時(shí)分出反應(yīng)生成的水,導(dǎo)致酯收率較低;而溫度過(guò)高時(shí)回流太快,使反應(yīng)物損失增大,導(dǎo)致酯收率降低。3)催化劑用量過(guò)低時(shí)不能為反應(yīng)提供足夠的活性中心,反應(yīng)速率緩慢,酯收率較低;隨催化劑用量的增加,活性點(diǎn)增多,在單位時(shí)間里反應(yīng)物與催化劑的有效接觸增加,有利于反應(yīng)的進(jìn)行,酯收率提高。4)由于正丁醇和對(duì)羥基苯甲酸的反應(yīng)是可逆反應(yīng),當(dāng)增加正丁醇的用量時(shí),反應(yīng)向生成對(duì)羥基苯甲酸正丁酯的方向移動(dòng),酯收率增大;但當(dāng)正丁醇用量過(guò)大時(shí),正丁醇濃度的增加不但對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)的貢獻(xiàn)不大,反而會(huì)稀釋對(duì)羥基苯甲酸的濃度,從而降低酯收率。
表1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Result of the orthogonal experiments
在優(yōu)化條件A2B2C2D2下進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn),催化劑性能穩(wěn)定,對(duì)羥基苯甲酸正丁酯收率平均達(dá)90.8%。
表2 優(yōu)化條件下的平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Parallel experiment under the optimal conditions
將濾出的40%(w)P2W18/硅藻土催化劑在110℃下干燥3 h,不足部分補(bǔ)加新鮮催化劑,在優(yōu)化條件下進(jìn)行催化劑重復(fù)使用實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,隨催化劑重復(fù)使用次數(shù)的增多,催化效果不斷下降,但仍保持較高的活性,重復(fù)使用至第5次時(shí),對(duì)羥基苯甲酸正丁酯收率仍為65.6%。引起催化劑活性下降的原因可能有:1)重復(fù)使用5次后回收的催化劑的XRD譜圖(圖4(d))與新鮮催化劑的XRD譜圖(圖4(c))相比,硅藻土的特征衍射峰明顯增強(qiáng),說(shuō)明負(fù)載在硅藻土上的P2W18含量有所降低。隨反應(yīng)的次數(shù)增多,P2W18活性組分不斷溶脫流失,造成催化劑有效組分逐漸減少。2)部分副產(chǎn)物吸附在催化劑表面上,覆蓋了活性中心,阻礙了反應(yīng)物與活性中心的有效接觸。3)部分副產(chǎn)物滯留在硅藻土孔道內(nèi),影響了反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散速率。4)多次重復(fù)使用導(dǎo)致催化劑破損,減少了催化劑的有效比表面積。P2W18/硅藻土催化劑的失活機(jī)制及再生方法有待進(jìn)一步深入研究。
表3 40%(w)P2W18/硅藻土催化劑的重復(fù)使用性能Table 3 Reusing of the 40%(w)P2W18/diatomite catalyst
不同催化劑催化合成對(duì)羥基苯甲酸正丁酯活性的比較見(jiàn)表4。由表4可知,與本催化劑相比,雖然催化劑Ⅱ上對(duì)羥基苯甲酸正丁酯收率略高,但釩取代的雜多酸制備過(guò)程復(fù)雜且催化劑用量較多;催化劑Ⅲ上對(duì)羥基苯甲酸正丁酯收率雖然較高,但純磷鎢酸易流失,反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),距離實(shí)際應(yīng)用還有一定的差距;活性炭負(fù)載磷鎢酸催化劑(催化劑Ⅳ)雖然可降低催化劑成本,但存在醇酸比較大、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)和對(duì)羥基苯甲酸正丁酯收率低等不足;催化劑Ⅴ為離子液體,制備困難且對(duì)羥基苯甲酸正丁酯收率較低;濃硫酸催化劑(催化劑Ⅵ)的反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)且對(duì)羥基苯甲酸正丁酯收率不高,同時(shí)存在嚴(yán)重的環(huán)境污染,后處理工序復(fù)雜。由此可見(jiàn),P2W18/硅藻土是催化合成對(duì)羥基苯甲酸正丁酯的優(yōu)良催化劑,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
表4 不同催化劑催化合成對(duì)羥基苯甲酸正丁酯活性的比較Table 4 Comparison of different catalysts for the synthesis of butyl p-hydroxybenzoate
1)通過(guò)浸漬法制備了P2W18/硅藻土催化劑,F(xiàn)TIR和EDX表征結(jié)果顯示,負(fù)載后P2W18仍保持Dawson結(jié)構(gòu);SEM表征結(jié)果顯示,P2W18較均勻地分散在硅藻土孔道內(nèi)部及表面,P2W18的負(fù)載未對(duì)硅藻土殼體及表面微孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響。XRD表征結(jié)果顯示,P2W18負(fù)載量為40%(w)時(shí),P2W18單層分布在硅藻土載體上,而回收催化劑中P2W18含量降低。
2)采用40%(w)P2W18/硅藻土催化劑,在優(yōu)化反應(yīng)條件(催化劑用量0.5 g(占反應(yīng)體系總質(zhì)量的2.8%)、醇酸比3.0、反應(yīng)時(shí)間3 h、反應(yīng)溫度125℃)下,對(duì)羥基苯甲酸正丁酯收率可達(dá)90.8%;催化劑重復(fù)使用5次,對(duì)羥基苯甲酸正丁酯收率仍可達(dá)65.6%。
3)與濃硫酸催化工藝相比,P2W18/硅藻土催化合成對(duì)羥基苯甲酸正丁酯的工藝具有高效、綠色和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn);而與H9P2W15V3O62/C,H3PW12O40·xH2O,H3PW12O40·xH2O/C催化劑相比,P2W18/硅藻土催化劑具有原料易得、價(jià)格低廉、制備過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單和收率較高等優(yōu)點(diǎn),具有一定的工業(yè)應(yīng)用前景。
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