硅胶负载贵金属单质/C催化剂及制备方法、应用和失活再生方法

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，特别涉及一种硅胶负载贵金属单质/C催化剂及制备方法、应用和失活再生方法。

背景技术

在化学工业、炼油、燃料生产、环境保护中催化有着极其重要的意义，贵金属已经成为催化剂中不可缺少的活性组分。催化剂中的贵金属主要是以铂族金属为主，有铂、钯、铑、钌等为催化活性组分的载体多相催化剂和铂族金属无机化合物或有机金属配合物组成的各类均相催化剂。

负载型铂族金属催化剂是以铂、钯、铑、钌等金属作为活性成分的非均相催化剂，因其具备较高的催化活性和选择性，同时铂族金属拥有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优良特性，引起了极大的关注。近年来，针对负载型铂族金属催化剂的研发日益活跃，人们将其应用到加氢、脱氢、氧化、裂化、环化、芳构化、异构化等反应中，取得较为理想的催化效果。

负载型铂族金属催化剂在加氢反应中的失活是一个复杂的过程，在反应过程中反应原料、反应温度等都会影响催化剂的性能，在反应过程中催化剂的载体和负载的活性组分都有可能发生物理或者化学变化。负载型铂族金属催化剂失活的方式主要有中毒失活、积碳失活、烧结失活以及活性组分流失四类；而中毒失活是最为常见的一种化学失活方式，这种失活方式的主要表现形式是铂族金属和硫元素之间形成较强的化学键，使用常规的手段很难将化学键断开，因而成为废催化剂。

废催化剂中含有大量的贵金属（如Pt、Pd、Rh和Ru等），将其作为二次资源加以回收利用，不仅可以直接获得一定的经济效益，还可以提高资源的利用率，减少催化剂带来的环境问题。如果这些废催化剂不回收而直接扔掉，不仅浪费资源而且造成环境污染。铂族金属在地壳中的含量甚微且价格昂贵，所以回收这些金属无论在经济方面、科研方面还是在环保方面均有重要意义。

目前国内从废催化剂中回收金属的工艺基本以酸碱法为主，工艺流程长，贵金属回收率有待提高，实验过程中产生大量酸气及废渣，因此，需要开发与推广一种工艺简单、回收率高的贵金属回收技术。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种硅胶负载贵金属单质/C催化剂及制备方法、应用和失活再生方法。本发明利用功能化硅胶材料从含贵金属废料中回收贵金属，并制备成相应的贵金属催化剂，不仅实现贵金属的回收利用，而且还获得了一种贵金属分布均匀、载量高、能高效催化反应、循环使用次数高、便于再生循环使用的贵金属催化剂。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种硅胶负载贵金属单质/C催化剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）贵金属吸附：利用功能化硅胶材料从含贵金属废料中吸附贵金属，然后过滤，洗涤，干燥，得到负载贵金属的功能化硅胶材料；

其中，功能化硅胶材料具有公告号为CN110191911B的中国发明专利中通式I所示的结构；

（2）碳化：将步骤（1）中负载贵金属的功能化硅胶材料在惰性气体中进行碳化；

（3）加压氢还原：将步骤（2）中得到的碳化材料在一定压力下通入一定浓度氢气，反应后得到硅胶负载贵金属单质/C催化剂。

进一步的，所述贵金属为铂族金属Pd、Pt、Rh、Ru中的一种或两种以上的组合。

进一步的，步骤（1）中的含贵金属废料选自含贵金属的反应混合物、生产工艺流、产品流、废液或废水。贵金属是以金属离子或络合物的形式存在于该含贵金属废料中。

更进一步的，该含贵金属废料来源于贵金属冶炼、医药及中间体纯化、三元催化器废料、贵金属催化的有机反应工艺流或废液。

进一步的，步骤（2）中的惰性气体为氮气或氩气，气体流速为2-10ml/min，碳化温度为150℃-500℃，升温速率为5-20℃/min，碳化时间为30min-6h。

进一步的，步骤（3）中的加压氢还原条件为：温度为30-80℃，压力为0.2-0.5Mpa的高纯压力，时间为0.5-8h。

本发明提供了一种硅胶负载贵金属单质/C催化剂，其是利用上述制备方法制得。

本发明的该硅胶负载贵金属单质/C催化剂能够应用于加氢、脱氢、氧化、扩环、环化、偶联、甲酰化或羰基化有机反应中，优选为硝基还原、双键加氢、脱氯、脱苄基、酯加氢裂解、杂环加氢、酮胺缩合反应 。

本发明进一步提供了上述硅胶负载贵金属单质/C催化剂的一种失活再生方法，具体为：将失活后的硅胶负载贵金属单质/C催化剂投入到含贵金属废料中，按照上述制备方法中的步骤（1）至（3）的过程，获得再生后的硅胶负载贵金属单质/C催化剂；或者，将失活后的硅胶负载贵金属单质/C催化剂按照上述制备方法中的步骤（2）至（3）的过程，获得再生后的硅胶负载贵金属单质/C催化剂。

本发明的有益效果是：

（1）本发明利用功能化硅胶材料从反应混合物、生产工艺流、产品流、废液或废水等含贵金属废料中吸附贵金属，变废为宝；其中的功能化硅胶材料的硅胶表面负载有大量有机聚合官能团，可获得更高的贵金属负载量，提高贵金属的回收率；负载贵金属的功能化硅胶材料经碳化处理，可将其中的有机物进行碳化，避免有机物的存在导致的催化剂中毒，并通过加压氢还原获得贵金属单质，进而得到硅胶负载贵金属单质/C催化剂；本发明的制备方法不仅实现了对贵金属的回收利用，而且具有工艺简单、贵金属回收率高的特点；

（2）本发明所得的硅胶负载贵金属单质/C催化剂具有贵金属分布均匀、载量高、催化活性稳定性高、能高效催化反应、循环使用次数高、便于再生循环使用的优点，可提升贵金属资源的重复利用率。

（3）相比于现有技术中以活性炭为载体的贵金属催化剂，本发明所得的硅胶负载贵金属单质/C催化剂易于再生，无需较苛刻的再生条件。

附图说明

图1为本发明的硅胶负载贵金属单质/C催化剂的制备方法以及失活再生方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种硅胶负载贵金属单质/C催化剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）贵金属吸附：利用功能化硅胶材料从含贵金属废料中吸附贵金属，过滤，洗涤，干燥，得到负载贵金属的功能化硅胶材料；投料时，功能化硅胶材料相对于含贵金属废料的质量百分比为0.01%-40%；

其中，功能化硅胶材料具有公告号为CN110191911B的中国发明专利中通式I所示的结构；

所述贵金属为铂族金属Pd、Pt、Rh、Ru中的一种或两种以上的组合；

该步骤（1）中的含贵金属废料选自含贵金属的反应混合物、生产工艺流、产品流、废液或废水；贵金属是以金属离子或络合物的形式存在于该含贵金属废料中。更具体的，该含贵金属废料来源于贵金属冶炼、医药及中间体纯化、三元催化器废料、贵金属催化的有机反应工艺流或废液。

（2）碳化：将步骤（1）中负载贵金属的功能化硅胶材料在惰性气体中进行碳化；

该步骤（2）中的惰性气体为氮气或氩气，气体流速为2-10ml/min，碳化温度为150℃-500℃，升温速率为5-20℃/min，碳化时间为30min-6h。

（3）加压氢还原：将步骤（2）中得到的碳化材料在一定压力下通入一定浓度氢气，反应后得到硅胶负载贵金属单质/C催化剂；

该步骤（3）中的加压氢还原条件为：温度为30-80℃，压力为0.2-0.5Mpa的高纯压力，时间为0.5-8h。

上述制备方法制得的硅胶负载贵金属单质/C催化剂能够应用于加氢、脱氢、氧化、扩环、环化、偶联、甲酰化或羰基化有机反应中，优选为硝基还原、双键加氢、脱氯、脱苄基、酯加氢裂解、杂环加氢、酮胺缩合反应。在应用时，催化反应结束后，将固液分离，滤液可再次经过上述制备方法的步骤（1）至步骤（3）的处理；固液分离后的滤渣则作为催化剂循环使用。

如图1所示，上述制备方法制得的硅胶负载贵金属单质/C催化剂在循环使用后的失活再生方法为：将失活后的硅胶负载贵金属单质/C催化剂投入到含贵金属废料中，按照上述制备方法中的步骤（1）至（3）的过程，获得再生后的硅胶负载贵金属单质/C催化剂；或者，将失活后的硅胶负载贵金属单质/C催化剂按照上述制备方法中的步骤（2）至（3）的过程，获得再生后的硅胶负载贵金属单质/C催化剂。

实施例1

取10g 公告号为CN110191911B的专利说明书中实施例21制得的功能化硅胶材料，加入到2L含有1200ppm钯的某产品流中，钯源自所用的四(三苯基膦)钯(0)催化剂；将此混合物在30℃搅拌2h吸附后过滤，乙醇洗涤（500ml×3），干燥，然后置于管式炉中通氮气于300℃加热2h（气体流速5ml/min，升温速率10℃/min），待温度降至30℃，通氢气至压力为0.2Mpa反应2h，停止反应，冷却得Pd/C-SiO

实施例2

取10g 公告号为CN110191911B的专利说明书中实施例32制得的功能化硅胶材料，加入到2L含有550ppm铂的某工艺流中，铂源自所用的氯铂酸催化剂，将此混合物在60℃搅拌6h吸附后过滤，乙醇洗涤（500ml×3），干燥，然后置于管式炉中通氮气于200℃加热2.5h（气体流速2ml/min，升温速率5℃/min），待温度降至60℃，通氢气至压力为0.2Mpa反应1h，停止反应，冷却得Pt/C-SiO

实施例3

取10g 公告号为CN110191911B的专利说明书中实施例41制得的功能化硅胶材料，加入到5L含有250ppm钌的某工艺流中，钌源自所用的格拉布催化剂二(三环己基膦)亚苄基二氯化钌(IV)，将此混合物在80℃搅拌6h吸附后过滤，乙醇洗涤（500ml×3），干燥，然后置于管式炉中通氮气于400℃加热1h（气体流速5ml/min，升温速率5℃/min），待温度降至80℃，通氢气至压力为0.5Mpa反应0.5h，停止反应，冷却得Ru/C-SiO

实施例4

取10g 公告号为CN110191911B的专利说明书中实施例10制得的功能化硅胶材料装入反应柱中，在80℃条件下，将含有300ppm铑的某加氢甲酰化废工艺流5L流经反应柱，乙醇洗涤（500ml×3），干燥，然后置于管式炉中通氮气于500℃加热1h（气体流速5ml/min，升温速率5℃/min），待温度降至50℃，通氢气至压力为0.2Mpa反应4h，停止反应，冷却得Rh/C-SiO

实施例5

取10g 公告号为CN110191911B的专利说明书中实施例19制得的功能化硅胶材料，加入到1.5L 含800ppm钯、400ppm铂、400ppm铑、400ppm钌的混标溶液中，在50℃搅拌8h吸附后过滤，去离子水洗涤（500ml×5），干燥，然后置于管式炉中通氮气于300℃加热3h（气体流速5ml/min，升温速率10℃/min），待温度降至50℃，通氢气至压力为0.5Mpa反应2h，停止反应，冷却得Pd-Pt-Ru-Rh/C-SiO

实施例6

分别称取约0.05g的实施例1-5所得的硅胶负载贵金属单质/C催化剂分别加入编号1、2、3、4、5的高压釜，然后分别依次加入邻硝基苯胺 50g、甲醇200mL，用纯氢气置换反应体系的空气3次然后升温充氢气至1.5MPa，关闭进气阀门，控制搅拌速率900r/min，反应温度100℃，恒定反应压力0.8MPa，反应时间100min，冷却，放料过滤，取滤液进行色谱分析；表1为循环使用催化剂5次后催化邻硝基苯胺生成的邻苯二胺的收率数据。

表1

从表1数据可知，本发明实施例所得的硅胶负载贵金属单质/C催化剂能高效稳定催化硝基还原反应。

实施例7

将实施例6催化邻硝基苯胺生成邻苯二胺循环5次的滤液混合，加入1g 公告号为CN110191911B的专利说明书中实施例21制得的功能化硅胶材料，在80℃搅拌2h吸附后过滤，乙醇洗涤（50ml×3），干燥，然后置于管式炉中通氮气于150℃加热2h（气体流速5ml/min，升温速率5℃/min），待温度降至30℃，通氢气至压力为0.2Mpa反应1h，停止反应，冷却得Pd/C-SiO

称取约1g的上述催化剂加入高压釜，依次加入邻硝基苯胺50g、甲醇200mL，用纯氢气置换反应体系的空气3次然后升温充氢气至1.5MPa，关闭进气阀门，控制搅拌速率900r/min，反应温度100℃，恒定反应压力0.8MPa，反应时间100min，冷却，放料过滤，取滤液进行色谱分析，表2为循环使用上述催化剂20次后催化邻硝基苯胺生成邻苯二胺的收率数据。

表2

从表2数据可知，以催化反应滤液中的贵金属为贵金属来源，采用本发明方法制备而成的催化剂不仅具备非常好的催化效果，而且实现了反应工艺的纯化，进一步提升贵金属资源的重复利用率。

实施例8

将实施例7的催化剂催化邻硝基苯胺生成邻苯二胺循环20次的滤渣用甲醇洗涤（50ml×3），干燥，置于管式炉中通氮气于150℃加热2h（气体流速5ml/min，升温速率5℃/min），待温度降至30℃，通氢气至压力为0.2Mpa反应1h，停止反应，冷却得到的再生Pd/C-SiO

表3

由表3可知，催化剂多此使用活性降低后可通过本发明的方法再生恢复活性，实现变废为宝，很好的提升贵金属资源的重复利用率。

实施例9

在温度为40℃±5℃，氢气压力为0.2Mpa条件下，分别称取约0.2g的实施例1-5所得的硅胶负载贵金属单质/C催化剂加入编号1、2、3、4、5的高压釜，分别加入10g醋酸双烯醇酮酯、100g无水乙醇混合反应2h，得到孕烯醇酮醋酸酯；取样利用色谱法分析反应后体系中产物的纯度，分离反应器中物料，计算粗品收率；表4为实施例1-5的催化剂循环使用5次后催化双烯醇酮酯生成孕烯醇酮醋酸酯的收率数据。

表4

从表4数据可知，本发明所得的硅胶负载贵金属/C催化剂能高效稳定催化双键加氢反应，且选择性高。

实施例10

取0.05g实施例1-5所得的硅胶负载贵金属单质/C催化剂加入至编号为1、2、3、4、5带有机械搅拌装置的100ml三口烧瓶中，向每个烧瓶中分别加入0.648g对氯苯酚、50ml甲醇，用冰盐溶液浴控制温度为-15~-10℃，通氢气将烧瓶内空气除尽，在氢压为大气压的条件下，打开机械搅拌，每反应1h加入0.096g醋酸铵，共加4次，得苯酚，连续取样用气相色谱分析；表5为实施例1-5的催化剂循环使用5次后催化对氯苯酚生成对苯酚的收率数据。

表5

从表5数据可知，本发明所得的硅胶负载贵金属单质/C催化剂能高效稳定催化脱氯反应。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的修改或等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。