[发明专利]一种吡唑类强酸性离子液体催化剂及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种吡唑类强酸性离子液体催化剂及其应用，属于绿色可再生能源技术领域。

背景技术

随着世界经济的快速发展，各国对能源的需求量急剧增加，而化石燃料作为人类目前主要的利用能源，被大肆开采利用，不仅带来了严重的环境污染问题，而且其有限的储量，对人类未来发展和人类文明传承造成严峻的考验。因此，寻求可再生的能源和资源替代逐渐枯竭的化石燃料迫在眉睫。生物柴油是由动植物油脂原料与甲醇通过酯交换反应生成的长链脂肪酸甲酯类物质，其具有易生物降解、十六烷值高、储运安全、能量密度高、燃烧排放污染物低，制备生物柴油所需的原料可再生和容易准备等优点，因而受到世界各国的高度重视。

目前，制备生物柴油的酯交换法主要有酸催化、碱催化、酶催化和超临界法，但是这些方法都存在明显的缺点和不足，例如酸碱法选用的浓酸H₂SO₄和强碱KOH做催化剂，反应后催化剂不易分离回收，生成的废水和废渣对环境污染大；酶法中原料甲醇容易导致酶失活，而且反应过程中生成的副产物甘油容易附着在脂肪酶表面，使反应难以进行。因此，研究开发对环境友好的酯交换催化剂和相关工艺成为当务之急。

离子液体是完全由特定阳离子和阴离子构成的在室温或近于室温下呈液态的物质，具有低蒸汽压，优秀的热稳定性和化学稳定性，较强的可设计性等优点，使得其在各领域的应用得到广泛研究。在酯交换过程中可以选用酸性离子液作为催化剂，使得催化剂不仅同时拥有液体酸的高密度和反应活性以及固体酸的不挥发性，而且通过阴阳离子的调整，来设计满足需要的离子液，催化剂的酸性甚至可以超过固体酸，进而对酯交换反应具有很好的促进作用。目前，根据查阅专利及相关文献显示，酸性离子液用于生物柴油的制备研究较多，但主要集中在烷基磺酸咪唑、吡啶、吡咯、吡咯烷酮、吗啡啉、季铵类等离子液体。专利CN1861750A（公开号）公布了一系列酸性离子液在反应温度20～300℃，反应压力0.1～10Mpa的条件下，生物油脂与短链醇摩尔比在1:30～1:1范围内，生物油脂与离子液体催化剂摩尔比在300:1～1:1内，催化制备生物柴油，产率都在85%以上。专利CN101451072A（公开号）公布了磺酸型吡咯烷酮和吗啡啉类为阳离子的离子液，油脂与甲醇物质的量比例为1:3～1:20，油脂的原料与离子液体的物质的量比为200:1～1:1，反应温度在70～170℃，反应时间1～15h，系统性的分析研究离子液对不同种类的油脂酯交换的催化能力。尽管当前关于酸性离子液催化制备生物柴油的专利和论文很多，但是所涉及的酸性离子液酸性基团相对偏少，离子液酸性有限，使得催化反应过程中需添加相对较多的离子液，进而增加成本，制约着其工业化中的大规模应用。因此，基于目前酸性离子液催化制备生物柴油的研究现状及所需离子液体的特点，开发催化活性高、稳定性好、酸密度高的离子液体催化制备生物柴油将具有很好的工业应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种吡唑类强酸性离子液体催化剂，该离子液体催化剂具有酸密度高、催化活性高、稳定性好、催化反应时间短、反应条件温和、工艺简单、催化剂可循环利用并且在使用中损失少等优点；该强酸性离子液催化剂是一种吡唑类双阳离子强酸离子液体，化学结构式如下：

       

X=HSO₄^-，H₂PO₄^-或Cl^-；m=2-6；n=3，4。

    本发明中涉及的吡唑类双阳离子强酸离子液采用常规合成方法制备，主要通过三步完成，第一步：合成吡唑钠单体；第二步：双吡唑结构的合成；第三步：酸性官能团引入及离子液合成（最终合成Bronsted酸性离子液）；

本发明中Bronsted-lewis型的酸性离子液（X为Cl^-）的合成，按照Bronsted酸性离子液合成方法先合成氯化双吡唑磺酸盐后，按照摩尔比为1：3～4的比例将氯化双吡唑磺酸盐和金属盐（FeCl₂、AlCl₂、ZnCl₂）混合并在50℃-70℃下搅拌2h后形成Bronsted-lewis型的酸性离子液。

本发明另一目的是将吡唑类强酸性离子液体催化剂应用于制备生物柴油中。

本发明中所述的吡唑类强酸性离子液体催化剂用于制备生物柴油，具体工艺步骤如下：