[发明专利]一种多孔磁性炭基固体酸催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及固体酸催化剂技术领域，公开了一种多孔磁性炭基固体酸催化剂及其制备方法和应用，该多孔磁性炭基固体催化剂包括磁性载体，磁性载体包括磁性核和包裹在磁性核外的碳硅复合层，碳硅复合层的孔道内分布有磺酸基团。本技术方案多孔磁性炭基固体酸催化剂可与目标处理物能充分接触，催化效率高、催化活性强。

技术领域

本发明涉及固体酸催化剂技术领域，具体涉及一种多孔磁性炭基固体酸催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

目前，催化技术涉及到石油冶炼、医药研发、有机化学原料生产、环境保护等多个领域。酸催化反应在催化反应中占着举足轻重的地位。最早的酸催化剂主要是盐酸、硫酸、磷酸、硝酸等液体酸和三氯化铝、氯化锌、硫酸钠等无机盐类催化剂。上述的传统催化剂在工业生产过程中存在着诸多缺点，如工艺上连续生产困难、催化剂与产品难分离、不能回收利用、对设备具有腐蚀性、废液对环境造成污染、催化选择性差等。与液体酸相比，固体酸具有无毒、环境友好、不易腐蚀设备、高选择性等特点。

作为固体酸催化剂，如二氧化硅-氧化铝、沸石等，在水中使用时催化活性降低，因此，难以大规模推广和使用。近年来，作为在水中也可使用的固体酸催化剂，开发了在碳质材料中导入了磺酸基的炭基固体酸催化剂。炭基固体酸催化剂是通过在炭材料表面引入磺酸基团而合成得到的一种新型高效固体质子酸催化剂。该材料因其具有价廉易得、比表面积大、磺酸酸量高、催化活性和选择性好、易回收再生使用、对设备腐蚀性小、在强酸碱环境下具有良好的化学稳定性等优点，而成为酸催化领域的研究热点。炭基固体酸催化剂在酯化、酯交换、缩合、水解、重排、烷基化等反应中表现出了良好的催化性能。

炭基固体酸催化剂作为一种新型的固体酸催化剂，不仅能克服传统均相酸催化剂分离回收难的难题，而且解决了传统固体酸催化剂在水热条件下不稳定的缺陷。

专利CN101670299A公开了一种纳米碳基固体酸的制备方法，其是使用葡萄糖、淀粉、纤维素等为碳源在水热的条件下制备碳前驱体，在通过磺化得到碳基固体酸。然而，在这些碳系固体酸中，存在催化剂与目标处理物不能充分接触，导致催化效率低、催化活性不充分、不易回收、制备工艺复杂，不利于工业化生产等问题。

发明内容

本发明意在提供一种多孔磁性炭基固体酸催化剂，以解决上述催化剂与目标处理物不能充分接触，导致固体酸催化剂催化效率低、催化活性不充分的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多孔磁性炭基固体酸催化剂，包括磁性载体，磁性载体包括磁性核和包裹在磁性核外的碳硅复合层，所述碳硅复合层的孔道内分布有磺酸基团。

本方案的原理及优点是：现有技术中用到的固体酸催化剂，通常是以碳源或硅源为原料，得到碳层结构或硅层结构的固体酸催化剂。申请人在进行实验研究中意外的发现，同时以碳源和硅源为原料，得到碳硅复合层结构的固体酸催化剂，其催化效果明显高于碳层结构或硅层结构的固体酸催化剂。对制备的固体酸催化剂进行催化活性和稳定性测试发现：本申请的多孔磁性炭基固体酸催化剂对污水污泥中氮、磷、硫的去除率高达96％以上；重复连续运行30次后，污水污泥中氮、磷、硫的去除率仍为96％以上。而碳层结构或硅层结构的固体酸催化剂对氮、磷、硫的去除率仅仅在83％左右。本申请中多孔磁性炭基固体酸催化剂的催化效果明显高于碳层结构或硅层结构的固体酸催化剂。

本方案制备的固体酸催化剂能形成以碳-硅为骨架的多孔结构，解决了目前催化剂与目标处理物不能充分接触，导致处理效率低的问题；赋予固体酸催化剂磁性，能有效解决催化剂不易回收缺点，达到催化剂重复使用目的。

综上，该固体酸催化剂处理效率高，易回收，环保。

优选的，作为一种改进，磁性载体采用如下方法制得：

1)将碳源、硅源混合得到混合物A；