[发明专利]一种三层磁性催化剂的制备及其催化纤维素加氢的应用

说明书

本发明涉及一种三层磁性催化剂的制备及其催化纤维素加氢的应用。该催化剂的制备方法为：以硝酸铁为前驱体，利用溶剂热法制备磁性内核，然后采用共沉淀法得到锌锆铈钨镧复合氧化物包裹的磁性颗粒，最后使用硼氢化钠还原法将金属粒子负载于复合氧化物表面，从而得到三层磁性催化剂。该催化剂可用于在磁稳定床中催化纤维素加氢制备乙二醇、1,2‑丙二醇等低碳多元醇。本发明制备的磁性催化剂可以在磁稳定床可控的磁场下高度均匀分散，避免可能出现的局部过热，促进纤维素加氢反应进行，得到高附加值低碳多元醇产品。

技术领域

本发明涉及一种面向磁稳定床的纤维素催化加氢制备低碳醇的方法，尤其是一种磁性催化剂的制备与应用，属于生物质资源化利用领域。

背景技术

随着传统化石能源的日益减少，生物质资源作为世界上新型的可再生资源之一，在满足社会发展能源要求、缓解环境污染带来的压力以及逐步调整国际社会能源结构等方面具有巨大的应用前景。纤维素是植物中含量最丰富的有机聚合物，广泛存在于自然界当中。通过催化加氢的方式，纤维素可以转化成为小分子多元醇类，如乙二醇、1,2-丙二醇、甘油等，这些多元醇作为某些化学品的中间体，具有极高的附加值，在化工生产过程中发挥着尤为关键的作用。传统的纤维素加氢反应一般在高温高压的间歇反应釜中进行，通过加入高效催化剂并搅拌催化纤维素在高氢压条件下降解生成小分子多元醇。但是该工艺存在催化剂分散不均匀、反应条件苛刻、设备要求高等问题。

磁稳定床反应器是在传统流化床反应器中采用具有磁敏性颗粒作为床层介质，外加不随时间变化的均匀磁场而得到的一种新型反应器。该反应器是将流态化技术与电磁技术的完美结合，外加磁场用以控制磁性固体颗粒间的流动与分布。与流化床相比，磁稳定床可以克服反应过程中返混严重和固体颗粒流失的问题；与固定床相比，磁稳定床可以使用小颗粒催化剂而不至于造成过高的压降，均匀的空隙度可使床层不宜产生沟流和局部热点。

针对磁稳定床的优异特性，本发明构建了一种以Fe₃O₄等磁性粒子为内核，将复合氧化物包裹于磁性内核外，最后在复合氧化物表面负载金属粒子的三层磁性催化剂结构，并将其应用于在磁稳定床中的纤维素加氢反应。该磁性催化剂既结合了均相催化中高催化活性的优点，又克服了催化剂扩散限制的缺点，同时具有独特的磁性分离回收特性，优化了反应工艺。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于为高效催化纤维素加氢制备低碳多元醇提供一种新的途径，尤其是一种三层磁性催化剂的制备方法及其在磁稳定床中的应用。本发明方法的原料价格低廉、反应条件简单易控制、对设备要求相对较低，有利于纤维素加氢工艺的产业化应用。本发明制备的磁性催化剂能高度分散在磁稳定床反应器中，避免局部过热的问题，用于催化纤维素加氢反应效果显著。本发明制备的磁性催化剂可利用自身性质进行分离、回收、再利用等，减少催化剂在实验生产阶段中的流失，降低生产成本。

技术方案：本发明的一种三层磁性催化剂的制备方法为：所述催化剂以Fe₃O₄磁性粒子为内核，将复合氧化物包裹层包裹于磁性内核外，最后在复合氧化物包裹层表面负载Ru金属粒子，其具体操作步骤如下：

步骤1：磁性内核的制备：将硝酸铁、二水合柠檬酸钠溶解在乙二醇溶剂中，硝酸铁与二水合柠檬酸钠的质量比为6:1-6:5，硝酸铁与乙二醇的质量比为1:20-1:60，然后加入醋酸钠和聚丙烯酸，其中硝酸铁与醋酸钠质量比1:1-1:3，醋酸钠与聚丙烯酸质量比为20:1-150:1，机械搅拌30-60min，然后将溶液转移至微波水热釜中，在160-220℃下反应9-12h后冷却至室温，用水和乙醇依次清洗产物3-5次，得到四氧化三铁磁性内核；