1、精细化工试验技术第十三章催化剂及各种助剂第十三章催化剂及各种助剂 一、催化剂及其分类一、催化剂及其分类二、助剂及其分类二、助剂及其分类三、催化剂及助剂的应用三、催化剂及助剂的应用四、催化剂及助剂的发展概况四、催化剂及助剂的发展概况实验二十三实验二十三活性氧化铝的制备活性氧化铝的制备实验二十四实验二十四增塑剂邻苯二甲酸二辛酯的制备增塑剂邻苯二甲酸二辛酯的制备实验二十五聚丙烯酰胺絮凝剂的制备实验二十五聚丙烯酰胺絮凝剂的制备 催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂一、催化剂及其分类一、催化剂及其分类催化剂(catalyst)是指在化学反应中能改变化学反应速度而本身的组成和质量在反应后保持不变的物质。加快反
2、应速度的催化剂称为正催化剂，减慢反应速度的催化剂称为负催化剂。在工业生产中，催化剂也叫做触媒。催化剂一般可以从以下几个方面来分类。从活性成分属性分类催化剂分为金属催化剂、氧化物催化剂、配位化合物催化剂、有机催化剂和无机催化剂等。从催化反应状态分类催化剂分为均相催化剂和多相催化剂。从应用领域分类催化剂分为炼油用催化剂、石油化工用催化剂、化学工业用催化剂、环保用催化剂以及其它用途的催化剂。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂常用的催化剂有二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化镁、五氧化二钒等氧化物催化剂，沸石、分子筛等硅铝酸盐催化剂，铂、银、铜、锌、钛、钒、铬、钼、铁、镍、铑、钯等金属催化剂，镍、钯、钴、铑、
3、钌的配位化合物催化剂，冠醚和高分子化合物等有机催化剂，以及固定酶、环糊精等。除了以上催化剂外，还有一些物质若单独使用对于某种反应并没有催化作用，但却能使催化剂的活性显著增强，这种物质叫做助催化剂。工业催化剂中，活性成分与助催化剂的含量并不高，主要成分为载体，载体起到支承、分散催化剂的作用，有利于催化剂活性的充分发挥。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂二、助剂及其分类二、助剂及其分类助剂(auxiliary)泛指工业生产中用于生产过程或使用过程中的辅助化学品。使用助剂，可以改进成品品质、节约原材料或提高加工效率。分类如下：印染助剂包括柔软剂、匀染剂、分散剂、抗静电剂、纤维用阻燃剂等。橡胶助剂包括促
4、进剂、防老剂、塑解剂、再生胶活化剂等。塑料助剂包括增塑剂、稳定剂、发泡剂、塑料用阻燃剂等。水处理剂包括水质稳定剂、缓蚀剂、软水剂、杀菌灭藻剂、絮凝剂等。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂 纺织助剂包括涤纶长丝用、短丝用、锦纶用、腈纶用、丙纶用、维纶用、玻璃丝用油剂等。有机溶剂包括吡咯烷酮系列、脂肪烃系列、乙腈系列、糠醛系列等。高聚物合成添加剂包括引发剂、阻聚剂、终止剂、调节剂、活化剂等。表面活性剂包括阳离子、阴离子、两性离子和非离子等类型的表面活性剂。皮革助剂包括合成鞣剂、涂饰剂、加脂剂、光亮剂等。农药用助剂 包括乳化剂、增效剂等。油田用化学品包括油品用破乳剂、钻井用防塌剂、泥浆用助剂、防蜡降黏
5、剂等。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂 混凝土用添加剂包括减水剂、防水剂、脱模剂、泡沫剂、嵌缝油膏等。机械、冶金用助剂包括防锈剂、清洗剂、电镀用助剂、焊接用助剂、机动车用防冻剂等。油品用添加剂包括防水、增黏、耐高温等种类，汽油抗震、液力传动、变压器油、刹车油添加剂等。电子工业专用化学品包括显像管用碳酸钾、氟化剂、助焊剂、石墨乳等。纸张用添加剂包括增白剂、补强剂、防水剂、填充剂等。其它助剂如玻璃防霉（发花）剂、乳胶凝固剂等。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂三、催化剂及助剂的应用三、催化剂及助剂的应用1催化剂的应用催化剂的应用主要体现在工业催化、化学加工、化学制药以及环境保护等方面。催化剂在工业催
6、化方面主要应用于石油炼制、催化裂化、催化重整、加氢裂化、加氢重整以及烷基化等工业过程。在化学加工方面主要应用于聚合、烷基化、加氢、脱氢、氧化以及合成气体等化学反应过程。在环境保护方面主要应用于汽车尾气的处理和工业废气的净化。随着科技的发展，催化剂在工业上的应用也日益广泛，而且逐渐渗透到其它科技领域，如生命科学领域。将来，催化剂在工业生产中必然扮演更重要的角色。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂2助剂的应用助剂的品种很多，应用广泛，已经形成了新的化工门类。助剂一般用量不大，但能明显改变产品的性能，是一些制品不可缺少的组分。例如，石油产品添加剂在汽油、煤油、柴油以及润滑油中有广泛的用途，在改善燃烧性
7、能和润滑性能，保护机器设备，在防锈、抗氧化以及抗静电方面都有不可缺少的作用。食品添加剂是发展较快的精细化工行业，在提高食品营养，防止腐败变质，改善食品观感，增加风味，便于加工等方面都有重要作用。塑料助剂如增塑剂、热稳定剂以及脱模剂等便于加工，而抗氧化剂、光稳定剂、阻燃剂以及防霉剂可以改善产品性能。四、催化剂及助剂的发展概况 催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂实验二十三活性氧化铝的制备实验二十三活性氧化铝的制备一、实验目标1了解活性氧化铝的性质及用途。2理解活性氧化铝的制备原理以及掌握其制备方法。二、产品特性与用途氧化铝，俗称矾土。化学式Al2O3。白色粉末，密度3.94.0g/cm3，熔点205
8、0，沸点2980。不溶于水，能缓慢溶于浓硫酸。可用于炼制金属铝，也是制坩埚、瓷器、耐火材料和人造宝石的原料。用作吸附剂、催化剂及催化剂载体的氧化铝称为“活性氧化铝”，具有多孔性、高分散度和大的比表面积等特性，广泛用于石油化工、精细化工、生物以及制药等领域。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂三、实验原理活性氧化铝一般由氢氧化铝加热脱水制得。氢氧化铝也称水合氧化铝，其化学组成为 Al2O3nH2O，通常按所含结晶水数目不同，可分为三水氧化铝和一水氧化铝。氢氧化铝加热脱水后，可以得到-Al2O3，即通常所讲的活性氧化铝。本实验采用AlCl3和NH4OH为原料，发生沉淀反应生成以-AlOOH为主的氧化铝
9、水合物，再经过滤、干燥、焙烧，得活性氧化铝，其化学反应方程式为：AlCl3 3NH4OH AlOOH 3NH4Cl H2O2AlOOHAl2O3 H2O催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂四、主要仪器与药品1主要仪器马弗炉、电热恒温干燥箱、水浴锅、电动搅拌器、布氏漏斗、水泵。2主要药品三氯化铝，AR；氨水，AR；碳酸氢铵，AR。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂五、实验内容与操作步骤1-AlOOH的制备将四口烧瓶固定在水浴锅中，并安装好电动搅拌器。用两个分液漏斗作为加料器，分别固定在铁架台上。在烧瓶的两个边口上，塞上带有玻璃短管的橡皮塞，再用乳胶管将两个分液漏斗的出口分别与烧瓶的这两个边口相连。在烧
10、瓶的另一边口插上温度计。称取6.5克AlCl3放至烧杯中，用150mL蒸馏水溶解，倒入其中一个分液漏斗中。配制5.2%的NH4OH溶液150mL，倒入另一个分液漏斗中。称取0.5克碳酸氢铵并用100mL蒸馏水溶解，倒入烧瓶中，作为稳定pH值的缓冲溶液。接通电源加热到85，开动搅拌器，缓慢滴加氨水及AlCl3溶液，两者滴加速度均控制约3mL/min，约50分钟滴加完毕。在滴加过程中，每隔5分钟用精密试纸测量溶液的pH值，使溶液的pH 值保持在8.59.2的范围内。在此过程中，观察到有沉淀生成。加料结束后，继续在85保温搅拌10min。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂2-Al2O3的制备从水浴锅中
11、取出烧瓶，将悬浮液用布氏漏斗趁热过滤。将滤饼转移至烧杯中，加入80蒸馏水200mL，不断用玻璃棒慢速搅拌，在80下老化1小时。老化结束后，用布氏漏斗抽滤，并用80蒸馏水洗涤滤饼几次。将滤饼放入干燥箱内，在105下干燥5小时，干燥出非结合水分。取出干燥后的滤饼，用研钵粉碎成能通过100目筛的粉末，放入马弗炉中，在500550焙烧4小时，氧化铝水合物即转化成-Al2O3。取出，冷却，称重。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂六、实验记录与数据处理活性氧化铝的收率可按下式计算：收率=100%理论产量可按下式计算：理论产量=克式中：M1氧化铝的摩尔质量，g/mol，可取102.0；w三氯化铝的有效含量，分
12、析纯可取0.9900.995；M2三氯化铝的摩尔质量，g/mol，可取133.5；m原料三氯化铝的质量，g。七、安全与环保在马弗炉中的焙烧过程属高温操作，应注意安全。实际产量理论产量122M wmM催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂实验二十四增塑剂邻苯二甲酸二辛酯的制备实验二十四增塑剂邻苯二甲酸二辛酯的制备一、实验目标1了解邻苯二甲酸二辛酯的主要性质和用途。2理解邻苯二甲酸二辛酯的合成原理及掌握其合成方法。二、产品特性与用途邻苯二甲酸二辛酯，实为邻苯二甲酸二（2-乙基）己酯。化学式C24H38O4，分子量390.56，结构式为催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂邻苯二甲酸二辛酯为无色无臭液体。密度0
13、.9861 g/cm3（20），熔点55，沸点390。不溶于水，溶于乙醇、乙醚、矿物油等有机溶剂。邻苯二甲酸二辛酯是使用最广泛的增塑剂，与大多数合成树脂和橡胶有良好的相溶性。广泛应用于聚氯乙烯各种软制品的加工，如薄膜、薄板、人造革、电缆料和模塑品等。本品还可以用于硝基纤维素漆，使漆膜具有弹性和较高的抗张强度。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂三、实验原理苯酐和2-乙基己醇在硫酸催化下发生酯化反应生成邻苯二甲酸二辛酯。其主反应为：副反应为：（R为2-乙基己烷基）催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂酯化后反应混合物用碳酸钠溶液中和，发生如下反应：RHSO4+Na2CO3RNaSO4+NaHCO3RNaS
14、O4+Na2CO3+H2OROH+Na2SO4+NaHCO3 中和后再经过洗涤、干燥、过滤及减压蒸馏，即得成品。四、主要仪器与药品1主要仪器电热套、机械真空泵、蒸馏装置、铁架台等。2主要药品2-乙基己醇，AR；苯酐，AR；碳酸钠饱和溶液，AR；浓硫酸，AR。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂五、实验内容与操作步骤1邻苯二甲酸二辛酯合成将25克苯酐及50克2-乙基己醇加入到250mL干燥的三口烧瓶中，并加入0.5mL浓硫酸作为催化剂，再加入几粒沸石，如图13-1所示。接通冷凝水，加热使反应混合物沸腾并回流，酯化反应3小时。反应过程中，分离出分水管下层的水分。反应结束后，打开分水管下端出口，继续蒸馏
15、，从分水管下端出口分离出苯（回收）。温度升高到110时（这时已蒸馏出苯和水分），停止加热。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂2反应混合物的分离将反应混合物倒入装有30mL蒸馏水的200mL的烧杯中，用饱和碳酸钠溶液调节pH值为78。将溶液转移至分液漏斗中，静置分层，放出下层水层。再用热蒸馏水洗涤上层溶液两次,并放出下层水层，得到邻苯二酸二辛酯粗品。称量得邻苯二甲酸二辛酯粗品质量。3邻苯二甲酸二辛酯的精制将邻苯二甲酸二辛酯粗品（油层）转移至蒸馏烧瓶中，加几粒沸石，用真空泵减压蒸馏。注意观察蒸馏烧瓶温度的变化，在第一个温度段内，蒸馏出的物质是未反应的2-乙基己醇；到第二个温度段，改用另一个洁净的容器
16、作为接受器，收集240250/20 mmHg的馏分，即邻苯二甲酸二辛酯。称量。当蒸馏烧瓶内的液体即将蒸馏完毕时，及时停止加热，以免蒸馏烧瓶过热，发生危险。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂六、实验记录与数据处理化学反应的收率等于实际产量与理论产量的比值，即化学反应的收率=100%化学反应的实际产量为邻苯二甲酸二辛酯的粗品质量。理论产量可按下式计算：理论产量=克式中：M1邻苯二甲酸二辛酯的摩尔质量，g/mol，可取390.5；w苯酐的有效含量，分析纯可取0.9900.995；M2苯酐的摩尔质量，g/mol，可取148.0；m原料苯酐的质量，g。实际产量理论产量12M wmM催化剂及各种助剂催化剂及
17、各种助剂邻苯二甲酸二辛酯精馏的收率等于邻苯二甲酸二辛酯精品量除以邻苯二甲酸二辛酯粗品量，即精馏收率=100%而整个过程的收率等于化学反应收率与邻苯二甲酸二辛酯精馏收率的乘积。七、安全与环保浓硫酸有强酸性、强腐蚀性，使用时应注意安全。苯具有毒性，含苯的废液应回收统一处理。邻苯二甲酸二辛酯精品量邻苯二甲酸二辛酯粗品量催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂实验二十五聚丙烯酰胺絮凝剂的制备实验二十五聚丙烯酰胺絮凝剂的制备一、实验目标1了解聚丙烯酰胺的性质及应用。2掌握反相乳液聚合法制备聚丙烯酰胺原理、操作条件及方法。二、产品特性与用途1产品特性聚丙烯酰胺（PAM），由丙烯酰胺聚合而成的热塑性树脂。溶于水，通
18、常有粉状和胶冻状两种形式。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂2产品用途聚丙烯酰胺目前是应用广、效能高的有机高分子絮凝剂。多用于印染、造纸、金属冶炼等工业领域作废水的处理。引入离子基团形成的阳离子型或阴离子型聚丙烯酰胺，应用范围更加广泛。阳离子聚丙烯酰胺具有除浊、脱色等功能，可用于带负电荷胶体的絮凝；阴离子聚丙烯酰胺具有良好的粒子絮体化性能，适宜用于矿物悬浮物的沉降分离。此外，聚丙烯酰胺在油田、建筑、土壤改良、纺织、液体输送等方面都有广泛应用。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂三、实验原理本实验采用过氧化苯甲酰（BPO）为引发剂，丙烯酰胺单体在分散介质邻二甲苯中进行自由基聚合，生成聚丙烯酰胺。其反应
19、机理为：催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂丙烯酰胺是水溶性单体，不宜用水作为分散介质，而要选用与水溶性单体不互溶的油溶性溶剂作为分散介质，故本实验以邻二甲苯为分散介质。引发剂也选用油溶性的，以保证引发剂在油相分解形成自由基后扩散到水相引发单体进行聚合反应。本实验选用的过氧化苯甲酰引发剂，溶于有机溶剂而在水中的溶解度很小。人们习惯将上述聚合方法称为反相乳液聚合。对于反相乳液聚合体系，多选用HLB值在36的油包水型乳化剂。本实验选用失水山梨醇单硬脂酸酯（Span-60）为乳化剂，HLB值为4.7。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂四、主要仪器与药品1主要仪器恒温水浴锅、电动搅拌器、布氏漏斗、250ml
20、三口烧瓶、球形冷凝管等。2主要药品丙烯酰胺，聚合级；过氧化苯甲酰，AR；邻二甲苯，CP。失水山梨醇单硬脂酸酯（Span-60），化学纯。棕黄色蜡状物，不溶于水，分散于热水成乳液。溶于热油、脂肪酸及各种有机溶剂。具有乳化、分散、增稠、润滑及防锈性能。用作乳化剂、稳定剂，主要用于医药、化妆品、食品、农药、涂料及塑料工业。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂五、实验内容与操作步骤1聚丙烯酰胺合成用分析天平准确称取0.02克Span60，放入三口瓶中，再加入50mL邻二甲苯。将三口烧瓶固定在恒温水浴锅中，并安装好电动搅拌器、温度计、回流冷凝器。接通回流冷凝器的冷水，打开水浴锅电源加热并同时搅拌，使温度升至
21、40，直至司盘60完全溶解。用托盘天平称取过氧化苯甲酰（BPO）5g，丙烯酰胺10g放入100mL锥形瓶中，用量筒量取22mL去离子水，加入到锥形瓶中，轻轻摇动，待引发剂和丙烯酰胺全部溶解后将溶液倒入三口烧瓶中。再用25mL邻二甲苯冲洗锥形瓶，并倒入三口烧瓶中。通冷水，维持搅拌速度恒定，升温到40，开始聚合反应。2.5小时后，升温到50，继续反应0.5小时，结束反应。维持搅拌，停止加热，将水浴锅中热水换为冷水，待反应体系冷却到室温后停止搅拌。得到含有聚丙烯酰胺的悬浮液。用布氏漏斗过滤，固体物在通风条件下晾干，得到聚丙烯酰胺产品。称重。催化剂及各种助剂催化剂及各种助剂2溶剂回收抽滤瓶中的邻二甲苯溶剂可通过蒸馏操作进行回收。六、实验记录与数据处理观察并记录实验现象，根据所得聚丙烯酰胺的量，计算反应收率。收率=100%七、安全与环保过氧化苯甲酰（BPO）属强氧化物，干品极不稳定，摩擦、撞击、遇热或遇还原剂会引起爆炸，在使用时一定要加以注意。邻二甲苯有毒，要统一回收处理。实验时，实验室要保持通风良好。丙烯酰胺质量聚丙烯酰胺的质量
