[发明专利]使用修饰型铁催化剂催化乙烷氧化的方法

说明书

本发明属于工业催化以及环境保护领域，提供一种使用修饰型铁催化剂催化乙烷氧化的方法。该方法包括修饰型铁催化剂的制备，修饰型铁催化剂催化乙烷氧化的反应体系准备，以及乙烷催化氧化的反应条件控制三个部分。其中修饰铁催化剂的制备过程包含以下几个步骤：步骤一、原料准备；步骤二、第一混合液浸泡；步骤三、碱催化水解；步骤四、催化剂焙烧；步骤五、多次循环操作。修饰型铁催化剂催化乙烷氧化的反应体系准备，使用乙烷氧化固定床反应装置。通过乙烷催化氧化的反应条件控制，乙烷的转化率可在90%以上。对于乙烷氧化而言，修饰型铁催化剂与未修饰的铁催化剂相比，可以得到明显提高的乙烷转化率以及完全氧化产物二氧化碳的产率。

技术领域

本发明属于工业催化以及环境保护领域，涉及一种乙烷氧化的方法；具体地，涉及一种使用修饰型铁催化剂催化乙烷氧化的方法，包含催化剂的制备方法，以及催化反应过程控制方法。

背景技术

小分子烷烃，如甲烷、乙烷、丙烷等是一类强温室效应的气体。例如甲烷的温室效应是二氧化碳的25倍左右。小分子烷烃的排放将造成较大的大气污染。小分子烷烃由于其化学结构饱和性，通常情况下化学性质不活泼，对其进行化学转化通常需要较高的代价。从化学动力学原理上讲，小分子烷烃的化学转化通常需要较大的活化能。因此要在温和条件下，通过氧化的方法除去小分子烷烃，需要高催化活性的催化剂。负载型催化剂是工业上经常使用的一种催化剂类型。

由于元素铁的广泛分布性与廉价，铁常常被工业催化领域技术人员优先考虑用作催化活性金属组分，或其中一种活性组分。由于催化剂的总体活性和制备手段密切相关，因此开发新的催化剂制备方法是催化领域技术人员一个持续的科技问题。关于负载型铁催化剂的制备与催化性能的报道非常多，然而对于负载型催化剂的修饰方法，以及修饰后的效果研究却非常少。

专利CN1431048A介绍了一种负载型铁催化剂的制备方法以及其拥有烷烃氧化的效果。其发明人将Fe组分的前驱体和助剂的前驱体分别配成浓度为0.1～6mol/L的溶液，按比例将活性炭或γ-Al₂O₃浸渍入Fe前驱体和助剂前驱体的溶液中，浸渍后静置18～36小时，110～120℃干燥4～6小时，在氮气保护下于450～650℃，焙烧4～5小时，入干燥器。该发明的制备过程只含有铁金属组分的负载，而没有包含后续的修饰工艺。催化剂在实际烷烃氧化过程中，温度较高，活性组分处于不断的氧化和还原循环中，导致活性组分容易在催化现场聚集，使催化活性明显降低甚至失活。

文献[Luyao Xu et al., Alumina-supported Fe catalyst prepared by vapordeposition and its catalytic performance for oxidative dehydrogenation ofethane, Materials Research Bulletin, 59 (2014) 254-260.]报道了一种负载型铁催化剂的气相沉积制备方法。该方法从原理上看相对于浸渍法等传统方法可以提高铁组分的分散程度，有望对于催化烷烃氧化等反应有催化性能上的改进。该文献发现对于乙烷氧化来说，气相沉积法制备的铁催化剂与浸渍法制备的相同铁含量的催化剂，其催化转化活性提高约4倍。然而该文献仍然不含有对于铁组分负载后修饰工艺的报道。

综上所述，本领域还存在进一步发展新型铁催化剂修饰方法的技术需求，并需要进一步探索其在烷烃氧化中的应用前景。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供一种使用修饰型铁催化剂催化乙烷氧化的方法。本发明的技术方案力求避免使用有毒物质与昂贵设备，以使得整个工艺方法为一个低成本、已操作、环境友好的方法。

本发明采用下述方案：

一种使用修饰型铁催化剂催化乙烷氧化的方法，包括修饰型铁催化剂的制备，修饰型铁催化剂催化乙烷氧化的反应体系准备，以及乙烷催化氧化的反应条件控制三个部分。其中修饰铁催化剂的制备过程包含以下几个步骤：