[發明專利]一種固體酸催化劑及其制備方法和在催化轉化生物質制備乳酸中的應用

有效

• 申請號: 201310662092.5
• 申請日: 2013-12-09
• 公開（公告）號: CN103657689A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 董文生;王芬芬;劉春玲
• 申請（專利權）人: 陜西師范大學
• 主分類號: B01J27/053
• 分類號: B01J27/053;B01J27/25;B01J27/10;C07C59/08;C07C51/00
• 代理公司: 西安永生專利代理有限責任公司 61201
• 代理人: 高雪霞

技術領域

本發明屬于催化劑技術領域，具體涉及一種用于催化轉化生物質制備乳酸的固體酸催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

隨著化石資源的逐漸枯竭以及全球生態環境的惡化，尋找可再生、可降解的清潔能源已成為人類亟待解決的問題之一。生物質能源作為一種可再生資源，由于在自然界中分布廣泛，有望成為世界各國用來解決化石資源危機和實現可持續性發展戰略的重要選擇。

乳酸，世界三大有機酸之一，是一種重要的化學平臺化合物，廣泛應用于制藥業、食品工業以及生物降解塑料等領域中，它的重要性及其研究已經成為全球關注的焦點。因此，利用可再生、可降解的化學方法將生物質原料催化轉化生成高附加值的化學品及其衍生物，具有重要的社會及經濟意義。

據目前研究報道來看，制備乳酸主要采用液體酸、均相路易斯酸、無機堿等作催化劑，但使用這些催化劑普遍存在容易腐蝕設備、催化劑難以分離、對環境污染較為嚴重，而且產物收率較低等缺點，因此，不利于乳酸的工業化生產和應用。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有制備乳酸所用催化劑存在的缺點，提供一種可用于催化轉化生物質制備乳酸的固體酸催化劑，該催化劑制備方法簡單、催化活性高、選擇性高、穩定性好、易于分離回收、對環境友好無污染。

解決上述技術問題所采用的技術方案是：該催化劑的載體是酸改性蒙脫土，酸改性蒙脫土的比表面積是30～200m²·g^-1、孔體積為0.1～0.5cm³·g^-1、孔徑為0.5～50nm，活性組分為鉻、鐠、镥、鈮、鈰、鈥、銩、釓、釤、釔、銪、鋁、鐿、釹、鉺、鋅、鏑、銦、鑭、錫、鈧離子中的任意一種，活性組分的負載量為5wt.%～40wt.%。

上述的活性組分的負載量最佳為20wt.%，所述的活性組分優選鉺、鐿、銦、鈧、鑭、鈰離子中的任意一種，最佳為鉺離子。

上述的固體酸催化劑的制備方法由下述步驟組成：

1、制備酸改性蒙脫土

將蒙脫土與去離子水按質量比為1:20～100混合均勻，室溫攪拌5～20小時，靜置、離心分離、干燥，得到純化后的蒙脫土，將純化后的蒙脫土分散于酸的水溶液中，配制成質量分數為1%～5%的蒙脫土懸浮液，50～100℃攪拌2～8小時，靜置、離心分離，用去離子水洗滌至中性，80～120℃干燥10～12小時，研磨，得到酸改性蒙脫土。

上述酸的水溶液是質量分數為10%～30%的硫酸水溶液、質量分數為1%～5%的鹽酸水溶液、質量分數為10%～20%的硝酸水溶液中的任意一種。

2、制備固體酸催化劑

采用離子交換法，按照活性組分的負載量為5wt.%～40wt.%，將活性組分的可溶性鹽加入去離子水中，超聲攪拌30～60分鐘，加入酸改性蒙脫土，50～60℃下攪拌12小時，靜置12小時，抽濾，洗滌至無氯離子存在，100～120℃干燥10～12小時，制備成固體酸催化劑。

上述的活性組分的可溶性鹽是鉻、鐠、镥、鈮、鈰、鈥、銩、釓、釤、釔、銪、鋁、鐿、釹、鉺、鋅、鏑、銦、鑭、錫、鈧的可溶性鹽中的任意一種，優選鉺、鐿、銦、鈧、鑭、鋅或鈰的硝酸鹽、醋酸鹽、氯化物中的任意一種。

上述的制備酸改性蒙脫土步驟1的最佳條件為：將純化后的蒙脫土分散于質量分數為30%的硫酸的水溶液中，配制成質量分數為2%的蒙脫土懸浮液，100℃攪拌6小時，靜置、離心分離，用去離子水洗滌至中性，80～120℃干燥10～12小時，研磨，得到酸改性蒙脫土。

上述的制備固體酸催化劑步驟2的最佳條件為：采用離子交換法，按照活性組分的負載量為20wt.%，將活性組分的可溶性鹽加入去離子水中，超聲攪拌30分鐘，加入酸改性蒙脫土，50℃攪拌12小時，靜置12小時，抽濾，洗滌至無氯離子存在，100～120℃干燥10～12小時，制備成固體酸催化劑。

上述的固體酸催化劑在催化轉化生物質制備乳酸中的用途，其使用方法為：將生物質與固體酸催化劑、去離子水按質量比為1:0.03～0.3:100混合均勻，在1.0～4.0MPa?N₂氣氛中，200～240℃反應30～60分鐘，用冰浴冷卻至室溫，離心分離催化劑，反應液用0.22μm濾膜過濾，制備成乳酸。

上述的生物質為葡萄糖、果糖、蔗糖、木糖、甘露糖、纖維二糖、菊粉、淀粉、木質素、半纖維素、花生殼、小麥秸稈、玉米秸稈、水稻秸稈、楊樹葉、纖維素中的任意一種。