浅谈“绿色催化”

读书报告题目：浅述“绿色催化”

院系：化工学院

专业：化学工程

姓名：翟继博

学号：201231460

浅述“绿色催化”

前言

在20世纪90年代，未解决传统化学工业带来的环境危机，在国际化学化工领域兴起了绿色化学研究和开发的新兴潮流。绿色化学是利用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人类健康和生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物及副产物等的使用和产生。其中绿色化学“十二条原则”中第二条(合成方法应具有“原子经济性”) 和第九条(使用高选择性的催化剂) 都提到了绿色化学中新的催化方法是关键。可以说，化学工业的重大变革、技术进步大多都是随着新的催化材料或新的催化技术而产生的，要发展环境友好的绿色化学，就要大力发展绿色催化技术。

1.原子经济性

1991年Trost首先提出了原子经济的概念，即原料中究竟有百分之几的原子转化成了产物。理想的原子经济反应是指原料分子中的原子百分之百地转化为产物，不产生副产物或废物，实现废物的零排放。

原子经济反应： A + B −→

−C(产物) + D(副产物)

D=0 或C>>D

其中Trost原子经济中的原子利用率(Atom Utilization ,简称AU)定义如下：

目标产物的摩尔质量

AU=

化工过程产物的所有物

种摩尔质量之和

AU用来估算不同化工过程在不同工艺路线中的原子利用程度，它由理论反应式算出。它不是指产物的选择性，而是原子的选择性。

例如，用传统的氯醇法合成环氧乙烷，其原子利用率AU只有25 %，

−ClCH2CH2OH + HCl

CH2=CH2 + Cl2 + H2O −→

−HCl CH2CH2O + CaCl2 + 2H2O ClCH2CH2OH + Ca(OH)2−→

−C2H4O + CaCl2 + H2O

总反应：C2H4 + Cl2 + Ca(OH)2−→

AU = 44/173 = 25％

而用乙烯催化环氧化法仅需一步反应，原子利用率AU达到100 %，

CH 2=CH 2 + 2

1O 2−→−CH 2CH 2O ， AU=100％ 由以上工艺的比较可以看出，催化剂使反应顺利进行，但它不在总反应的化学计量式中反应出来，即在反应中不被消耗,也不结合到终产物中去。催化过程是实现原子经济性反应的重要途径，因此要适应绿色化学的需要，就要尽快改造引起环境污染的现有工艺，开发无污染物排放的新工艺，使新工艺既要环境友好又要是原子经济性的，提高资源的利用率。

2.晶格氧催化剂的选择性

绿色化学中，催化剂的活性在次要地位，首要考虑的应是催化剂对反应所具有的选择性。这是因为人们要选择催化剂的特殊性和专一性，从而保证目标产物的高转化率，副产物的低转化率，甚至不转化产生副产物。

烃类选择性氧化在石油化工中占有极其重要的地位，但其选择性却是各类催化反应中最低的，在反应条件下很容易被进一步氧化为二氧化碳和水。这不仅造成资源浪费和环境污染，而且给产品的分离和纯化带来很大的困难。所以，控制氧化反应深度，提高目的产物选择性始终是烃类选择氧化研究中最具挑战性的难题。

2.1氧化机理

为解决上述问题，在20世纪40年代，Lewis 等就提出了烃类晶格氧选择氧化概念，即用可还原的金属氧化物的晶格氧作为烃类氧化的氧化剂。其反应机理为还原-氧化机理（Redox 机理），它包括两个主要过程：

(1) 气相烃分子与高价金属氧化物催化剂表面上的晶格氧（吸附氧）作用，烃分子被氧化为目的产物，晶格氧参与反应后，催化剂的金属氧化物被还原为较低价态；

(2) 气相氧将低价金属氧化物氧化到初始高价态，补充晶格氧，完成Redox 循环。

以以下氧化反应为例： C n H m + O 2 −→−

C n H m-2O + H 2O 可写成两个基本过程： C n H m + 2OM −→−

C n H m-2O + H 2O + 2M 2M + O 2 −→−

2OM 式中，M 为低价态活性位，OM 为有晶格氧的活性位

2.2反应工艺

目前有两种反应工艺可用于烃类晶格氧选择氧化。其中一种是用膜反应器，其催化膜通常由具有氧离子/电子导体性能和催化活性的金属氧化物材料制得。由于该反应器在放大时还存在很多技术难题，在此不作过多介绍。下面主要介绍前景较好的工艺，即采用循环流化床提升管反应器（图1）。

该工艺在无气相氧存在下用催化剂晶格氧作为供氧体，按Redox模式，使还原-氧化循环分别在反应器和再生器中完成。在提升管反应器中烃类分子与催化剂的晶格氧氧化反应生成氧化产物，失去晶格氧的催化剂被输送到再生器中用空气氧化到初始高价态，然后送入提升管反应器中与烃原料反应。如此，该工艺不仅可避免原料和产物与气相氧的直接接触，还可消除沸腾床中容易发生的返混现象，使目的产物的收率和选择性得以显著提高。

图1 循环流化床提升管反应器

2.3工业实例

杜邦公司的晶格氧-丁烷选择氧化制顺酐工艺，该工艺用VPO催化剂的晶格氧代替气相氧作为氧源，按还原-氧化(Redox)模式将丁烷和空气分别进入循环流化床提升管反应器和再生器，使顺酐的选择性摩尔分数从45％～50％提高到

70％～75％，被赞誉为对环境友好的催化过程。

鲁姆斯公司的晶格氧—间二甲苯氨氧化制间苯二甲工艺，该工艺采用钒酸盐晶格氧催化剂和循环流化床反应器，间二甲苯和氨进入反应器在常压、399℃下与钒酸盐催化剂的晶格氧反应生成间苯二甲青和水，失去晶格氧的催化剂进入再生器，在427℃下用空气再氧化补充失去的晶格氧，催化剂在反应器和再生器之间循环。另为提高间二甲苯的转化率，反应器进料除间二甲苯和氨外，通常还补充部分氧气。因此该过程实际上是一种同时采用晶格氧和共进料混合模式的氧化工艺。

3.几种常见的绿色催化剂

3.1沸石分子筛

3.1.1概念

沸石分子筛是一种结晶铝硅酸盐，具有均匀的孔结构。其对许多酸催化反应具有高活性和异常的选择性，这些反应中的大多数是由沸石分子筛的酸性做催化的。

其化学通式为：Mx/m[(AlO2)x·(SiO2)y]·zH2O。M代表阳离子（如：K、Ca、Na、Mg），m表示其价态数，z表示水合数，x和y是整数。沸石分子筛活化后，水分子被除去，余下的原子形成笼形结构，孔径为0.3～1.0nm。分子筛晶体中有许多一定大小的空穴，空穴之间有许多同直径的孔（也称“窗口”）相连。由于分子筛能将比其孔径小的分子吸附到空穴内部，而把比孔径大的分子排斥在其空穴外，起到筛分分子的作用，故得名分子筛。

3.1.2分类

分子筛按硅铝比可分为：低硅（A型）、中硅（X、Y型）、高硅（ZSM-5 型）全硅型（Silicalite）。其中A型有钾A(3A)，钠A(4A)，钙A(5A)；X型有钙X(10X),钠X(13X)；Y型有钠Y，钙Y。

按孔道大小划分：孔道尺寸小于2 nm、2~50 nm和大于50 nm的分子筛分别称为微孔、介孔和大孔分子筛。

按骨架元素组成可分为：硅铝类分子筛、磷铝类分子筛和骨架杂原子分子筛。