活性炭負載磷鎢酸催化脫水反應

徐鳳杰，曹 佩

(西安瑞聯新材料股份有限公司，陜西 西安 710077 )

磷鎢酸是眾多環保類型催化劑之一，它對設備要求低，產生的污染物少，容易操作完成，在化工合成領域得到廣泛應用[1]。Newman Andrew D 等[2]利用吸附法，將磷鎢酸吸附在二氧化硅表面，考察了α-蒎烯和甲醇縮合的情況，研究了不同反應條件對縮合反應的影響，縮合效率高。Sheng Xiaoli 等[3]把磷鎢酸吸附在LaSBA-15上，并將氨丙基固載其上，研究了烷基化反應的最優條件，實現了100%的轉化率。由于固載的磷鎢酸是綠色環保的高效催化劑，被廣泛的地應用在酯化反應[4-6]、?；磻猍7-9]、烷基化反應[10-11]中，受到人們的青睞。

我研究室通過把磷鎢酸吸附在活性炭上得到優化的催化試劑，完成脫水反應。研究磷鎢酸在載體上的吸附量、磷鎢酸固載的溫度、磷鎢酸固載的時間、脫水溫度和脫水時間對轉化率的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

DHT型攪拌調溫電熱套(山東菏澤華通電熱儀器有限公司)；分水器(申博)；回流冷凝器(長城科工貿)；氣相用SHIMADZU GC- 17- QP- 5000氣-相儀測定。

活性炭、稀鹽酸、磷鎢酸、甲苯、無水硫酸鈉，乙醇，4-(4'-丙基環己基)-1-苯基-環己醇均為分析純 。

1.2 固載催化劑

稱量30～50目活性炭若干，浸泡在稀鹽酸中活化，將催化劑表面的惰性物質去除，然后再用去離子水洗去酸性物質。設定130℃，放在真空烘箱中烘烤6h，接著將催化劑放于干燥皿中保存。量取若干磷鎢酸，水，和活性炭在燒杯中混合均勻，然后置于烘箱中，攪拌干燥除水，移入干燥皿中室溫放置3～ 6 h。最后放入130℃蒸空干燥箱中保溫6h，放入干燥器中備用。使用前，要再次烘箱中烘制5h。

1.3 脫水反應

向1 L的帶有分水器的三口燒瓶中加入4-(4'-丙基環己基)-1-苯基-環己醇60.8g甲苯310 mL，加入活性炭負載磷鎢酸催化劑4.5 g，加熱至110℃，不斷的用分水器分出反應體系中產生的水，當分水器中不再有水分出后，取樣，脫水產物含量96.6%。降溫過濾，回收催化劑，濾液用10g無水硫酸鈉干燥后濃縮得到淡黃色固體56.9 g。

2 結果與討論

2.1 磷鎢酸吸附量對脫水反應的影響

常壓條件下，脫水溫度110 ℃，脫水時間4 h，研究了磷鎢酸固載量對反應活性造成的差異。反應數據見圖1。

圖1 磷鎢酸固載量對脫水反應的影響Fig.1 Influnce of HPW lodings on dehydration conversion

從圖1看出，脫水率隨催化劑固載量先增加后減少。催化劑固載量為45%時，脫水率為96.4%；隨著催化劑的固載量繼續增加，脫水率下降。因為催化劑的有效活性數目是一定的，當催化劑在載體表面單層鋪滿后，繼續增加的催化劑會造成載體孔道阻塞，催化活性降低。故催化劑的最佳固載量時45%。

2.2 磷鎢酸固載溫度和固載時間

常壓下，使用固定載量為45%的催化劑催化脫水反應，脫水溫度110 ℃、脫水時間4 h、磷鎢酸固載溫度110～200℃，研究了磷鎢酸固載溫度和固載時間對脫水轉化率的影響，數據如表1所示。表1顯示，磷鎢酸固載溫度升高至130 ℃，脫水4 h，催化劑晶相結構基本形成，脫水轉化率增加到96.4%，顯示磷鎢酸固載溫為130 ℃時，磷鎢酸的有效催化位點分布均勻，催化效果最高。

表1 磷鎢酸固載溫度和固載時間對脫水率的影響Table 1 Influence of supported temperatures and supported time on conversion

2.3 脫水溫度

常壓條件下，采用磷鎢酸負載量為45%的催化劑催化脫水反應，在催化劑固載溫度130 ℃、固載時間4 h、脫水反應3 h，研究脫水溫度對轉化率的影響，數據見圖2。

圖2 脫水溫度對轉化率的影響Fig.2 Influence of reaction temperatures on the comversion

從圖2 看出，隨著脫水溫度的升高，反應轉化率先升高后降低。溫度為110 ℃時，轉化率最高為96.4%。隨著溫度的升高，底物與催化劑活性中心的接觸機會增大，反應速率會相應提高，但是溫度升高的同時，部分脫水產物會附著在磷鎢酸表面，導致有效活性催化中心減少，反應轉化率會慢慢降低。

2.4 脫水時間

常壓條件下，脫水溫度110 ℃，采用磷鎢酸固載量為45%的催化劑催化反應，在磷鎢酸固載溫度為130 ℃、固載時間4 h的情況下，研究脫水時間對轉化率的影響，數據見圖3。從圖3 可以看出，脫水反應為1～3 h，轉化率緩慢升高，當反應3 h，到達反應平衡點，繼續延長脫水時間，轉化率基本不再變化。

圖3 脫水時間對轉化率的影響Fig.3 Influence of reaction time on the comversion

2.5 固載磷鎢酸循環使用

脫水反應完成后，反應液降溫，將附載在活性炭上的磷鎢酸取出，在污無水乙醇中浸泡攪拌2～3min，然后放到真空烘箱中除去溶劑及附著物，繼續循環使用。采用優化的脫水參數，反應結果如表2所示。

表2 固載磷鎢酸循環使用次數對轉化率的影響

使用四次，轉化率基本保持不變，從第五次開始降低。由于脫水過程中，磷鎢酸與活性炭的吸附點減弱，逐漸從載體上脫落，活性催化點降低，催化效率隨之降低。從數據來看，該附載的催化劑可以循環利用四次，整體來說催化劑的穩定性較高，可以實現多次利用。

3 結論

通過活化將磷鎢酸負載在活性炭上，研究了固載的磷鎢酸催化脫水反應的效果，通過數據分析，催化脫水的最優反應條件為：常壓下，催化劑固載量為45%，磷鎢酸固載溫度為130 ℃，固載時間4 h，110 ℃脫水反應，轉化率為96.4%。此固載在活性炭上的磷鎢酸穩定性好，可以反復循環使用。