[发明专利]一种磁性固体酸催化剂及其在催化果糖水解反应中的应用

说明书

本案涉及一种磁性固体酸催化剂及其在催化果糖水解反应中的应用，将Fe₃O₄纳米颗粒加入到微晶纤维素(NCC)与甲基丙烯酸羟乙酯(HEM)的乳液聚合中制得磁性复合微球；然后通过HEM聚合物链末端羟基与二氯乙基二乙胺反应引入N原子；之后将该含氮磁性NCC‑g‑HEM材料与蒙脱土进行插层反应进一步保护磁性粒子，最后经炭化和磺化制得磁性固体酸催化剂。本案合成的固体酸催化剂同时具有较高的磁性和催化活性，通过纳米纤维素的乳液聚合对其进行包覆以及蒙脱土的插层反应使内部磁性粒子受炭化和磺化的影响降低，催化剂回收率在90％以上；制得的磁性固体酸催化剂用于催化果糖水解的反应中有较好的催化效果，收率和纯度较高。

技术领域

本发明涉及催化合成技术领域，具体涉及一种磁性固体酸催化剂及其在催化果糖水解反应中的应用。

背景技术

有机化合物在各行各业各领域中的身影无处不在，而人工合成的有机化合物占据重要地位。化工产品的制造过程中超过一半以上都需要使用催化剂，一种新型催化剂或者新催化技术的成功研制将会给整个化工行业带来重大变革。催化剂领域中，酸催化剂的应用最为广泛。

相比于液体酸催化剂，固体酸催化剂具有性质稳定，易于重复利用，且环境污染小等特点。固体酸催化剂虽然可已通过简单的过滤分离收集，但过程较为漫长且低效，将磁性材料采用各种方式方法引入到固体酸中形成磁性固体酸催化剂，可有效提高分离效率。然而现有报道的研究中具有较强的磁性则催化剂的表面活性和稳定性相对减弱；并且在磺化过程中往往又会破坏催化剂原有的磁性结构，难以达到活性和磁性均衡发展。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明提供一种表面催化活性和磁性相对平衡的固体酸催化剂，用于催化果糖水解时能有效提高反应速率和收率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种磁性固体酸，其制备过程如下：

1)称取纤维素于硫酸溶液中超声预处理得到微晶纤维素，记为NCC；在去离子水中溶解一定量的十二烷基苯磺酸钠，然后称取一定量的NCC和Fe₃O₄纳米颗粒分散于水中，升温至70℃，搅拌并通入氮气鼓泡30min；

2)在氮气保护下，向步骤1)中加入甲基丙烯酸羟乙酯，逐滴滴加0.25mol/L过硫酸铵水溶液，滴加完成后继续搅拌反应4h，甲醇抽提除去未反应的单体和均聚物，烘干得磁性NCC-g-HEM；

3)将所述磁性NCC-g-HEM与二氯乙基二乙胺、甲苯、20％氢氧化钠溶液按照1:1.2～2.0:10～30：25～45的质量比一同加入到反应瓶中，混合均匀后回流搅拌1h，抽滤，用去离子水洗涤3-5次，烘干得含氮磁性NCC-g-HEM；

4)取蒙脱土粉分散于水中，加入十六烷基三甲基溴化铵，超声使其分散均匀，加入含氮磁性NCC-g-HEM和戊二醛，继续超声处理1h，之后在室温下搅拌3h；搅拌完成静置12h，过滤得到固体，用去离子水洗涤3-5次，烘干得到含氮磁性NCC-g-HEM/MMT复合材料；

5)将含氮磁性NCC-g-HEM/MMT复合材料置于管式炉中炭化得到固体粉末，降温后用浓硫酸磺化，过滤得到固体在真空烘箱中烘干，即得到磁性固体酸催化剂。

进一步地，所述十二烷基苯磺酸钠、NCC和Fe₃O₄纳米颗粒以及甲基丙烯酸羟乙酯的质量比为0.5:1:1～2:3～6，所述过硫酸铵的用量为甲基丙烯酸羟乙酯质量的1％。

进一步地，所述蒙脱土粉、十六烷基三甲基溴化铵、含氮磁性NCC-g-HEM和戊二醛的质量比为0.5～1:0.05:1:0.05。

进一步地，所述步骤5)中炭化条件为在氮气氛围下于250～300℃炭化0.5h；所述磺化反应条件为于110～120℃加热磺化10～12h。