负载型铁基乙烷氧氯化催化剂的性能研究

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氯乙烯是聚氯乙烯的聚合单体,而聚氯乙烯是世界五大常见塑料之一。目前国内外主要用以下三种方法制备氯乙烯,它们分别是乙烯法、乙炔法和乙烷氧氯化法。乙烯法中的乙烯主要来源于石油,由于石油是不可再生资源,它的价格会随着乙烯储藏量的减少而上升,而乙炔法所使用的催化剂中含有元素汞,在反应过程中汞元素容易对环境造成污染,因此在一定范围内乙烯法和乙炔法的应用受到限制。乙烷氧氯化法使用的主要原料乙烷和空气来源广泛,价格低廉,且产物对环境没有污染,综合考虑,乙烷氧氯化法是一种绿色的、具有前景性的制取氯乙烯的方法。本论文以三氯化铁为活性组分,双钙钛矿化合物La2FeCoO6为助剂,γ-Al2O3为载体,合成一系列所需的催化剂,并研究了活性组分、双钙钛矿化合物与载体之间的相互作用,最后以氯化钾为促进剂,进一步地提高催化剂的反应活性。同时结合X射线光电子能谱(XPS)、氢气程序升温还原(H2-TPR)、红外光谱(FT-IR)和热重(TG)等多种表征方法研究催化剂的物理与化学性质,得到如下结果:1.通过浸渍法合成催化剂CoCl2/γ-Al2O3、CuCl2/γ-Al2O3和FeCl3/?-Al2O3。从中选出活性最好的催化剂作为活性组分。实验结果证明乙烷氧氯化活性最好的催化剂是铁基催化剂—FeCl3/?-Al2O3,其氯乙烯选择达20.7%,乙烷转化率可达74.92%。2.在前面的基础上,我们研究了B位取代对双钙钛矿型铁基催化剂La2FeBO6(B=Co、Cu和Mn)-FeCl3-/γ-Al2O3反应性能的影响。通过溶胶—凝胶法制备出双钙钛矿化合物La2FeBO6(B=Co、Cu和Mn),使用机械研磨法将其与活性组分相复合。活性测试结果表明催化剂La2FeCoO6-FeCl3-/γ-Al2O3的乙烷转化率为95%,氯乙烯选择性最高可达40%,催化剂La2FeCoO6-FeCl3-/γ-Al2O3的乙烷氧氯化性能最佳。3.为了研究双钙钛矿化合物La2FeCoO6的质量百分数对乙烷氧氯化性能的影响,制备出质量百分数分别为10%、15%、20%、25%、30和35%的一系列的催化剂。实验结果表明当双钙钛矿化合物La2FeCoO6的质量百分数为25%时(以载体为计算基准),催化剂La2FeCoO6-FeCl3-/γ-Al2O3的活性最佳,乙烷转化率达40%,氯乙烯选择性为96%。XPS表征结果证明它的表面吸附氧的含量大于晶格氧的含量,这说明吸附氧有助于乙烷氧氯化活性的提高。4.加入促进剂氯化钾后,催化剂的乙烷氧氯化性能会有大幅度的提高。实验结果表明双钙钛矿化合物La2FeCoO6的含量对催化反应活性会有一定的影响,但是氯化钾的影响会远远大于双钙钛矿化合物La2FeCoO6对反应活性的影响,加入氯化钾后,催化剂的乙烷转化率可达100%,氯乙烯选择性可达59%。H2-TPR表征结果证明加入氯化钾后,催化剂中铁元素的还原温度向高温方向发生移动,这说明催化剂的结构更加稳定,也可以证明氯化钾可以抑制活性组分、助剂与载体三者之间的相互作用,从而改善催化剂的活性。
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