CN118454704B - 一种回收全氟己酮合成过程中产生的失效催化剂氟化铯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种回收全氟己酮合成过程中产生的失效催化剂氟化铯的方法,巧妙利用高温将包裹在氟化铯表面的油状物质热分解为黑渣,再利用黑渣不溶于水而氟化铯溶于水的特性,将其中影响催化效果的油状物质除去。该方法可以使在全氟己酮生产过程中不再具有催化活性的氟化铯重新具有催化效果,且氟化铯作为催化剂的循环使用次数也与外购的纯度99.5%的标准氟化铯样品一样,催化循环使用次数可以达到3次。对采用本发明方法处理后的失效氟化铯进行全元素分析,结果显示,其中的杂质离子(主要为钠离子和钾离子)的含量与外购的纯度99.5%的标准氟化铯样品相比,仅增长2000ppm左右,催化效果几乎与标样相同。
Description
技术领域
本发明属于氟化铯回收技术领域,具体是一种回收全氟己酮合成过程中产生的失效催化剂氟化铯的方法。
背景技术
全氟己酮(FK-5-1-12)化学名为全氟-2-甲基-3-戊酮,是美国3M公司推出的一种用来替代哈龙和氟利昂的灭火剂。全氟己酮沸点49°C,极易汽化,释放后不留残余物,大气停留时间短(5天),不破坏大气臭氧层(ODP=0),全球变暖潜能值低(GWP=1),对环境和人类的危害接近为零,是新型清洁绿色的环保灭火剂,具有灭火效率高、环保洁净、安全余量高、绝缘性能好、对电子精密设备无损伤等综合优势,已被国际消防界认可并广泛应用在航天、数据中心、图书馆、军事装备、地铁等重要场所,是目前公认的可替代七氟丙烷等氢氟碳化物灭火剂的物质,市场需求量极大,具有广阔的市场前景。
目前全氟己酮的合成方法有多种,且大多以六氟丙烯为原料。早期主要是采用六氟丙烯和六氟环氧丙烷在催化剂的作用下进行反应;后来又出现了以六氟丙烯和酰卤为原料合成全氟己酮的方法。此外还有其他几种合成方法,包括:由全氟羧酸钾和全氟丙酰氟在室温下制备全氟己酮、全氟羧酸盐和全氟酸酐反应制得全氟己酮等。后来随着国内对全氟己酮的深入研究,探索出一系列更加安全高效的合成路线,这些合成路线均使用全氟-2-甲基-2-戊烯(D2)为反应原料,这就不可避免地会使全氟己酮中引入D2,而D2具有一定的生物毒性和刺激性气味,不仅会导致全氟己酮产品的纯度降低,还会对其气味和安全性造成较大的影响,因此,应尽可能地去除D2以提高全氟己酮的纯度,但D2和全氟己酮由于极性相近,互溶且沸点十分接近,难以通过精馏或者萃取等常规方法分离除去。
中国专利CN102992986A公开了一种制备全氟己酮的方法,即以全-4-甲基-2-戊烯(D1)或全氟-2-甲基-2-戊烯(D2)为原料,经过烯烃异构、烯烃环氧化、环氧化物结构重排过程制备全氟己酮,该方法原料来源丰富,反应条件温和,工艺简单,各步骤的选择性和转化率都较高,可达90%以上。为了降低全氟己酮中D2的含量,其在反应过程中增加分离纯化步骤,通过对中间产物全氟-2,3-环氧基-2-甲基戊烷进行氟相水洗、无水MgSO4干燥,然后采用溴化加成、蒸馏提纯的方法除去D2。但是,该方法溴化加成过程中会引入溴元素形成杂质,需要对中间产物全氟-2,3-环氧基-2-甲基戊烷进行提纯,这不仅会破坏反应的连续性,同时涉及多个提纯分离步骤,产物的沸点又较低易挥发,因此会导致全氟己酮的总收率降低。
中国专利CN107879912A利用微通道反应器进行烯烃连续环氧化反应,连续化反应产品被快速移出反应器,缩短了反应时间,但也存在原料D2停留时间短而导致转化率降低的问题,且通过对中间产物全氟-2-甲基-2,3-环氧戊烷进行精馏处理来除去反应过程中未反应的D2,会破坏整个反应的连续性,多步分离纯化操作也导致了全氟己酮的收率降低。
为了解决上述问题,美国专利US6478979B1提出了一种改进方法,即用KMnO4作为氧化剂在溶剂醋酸的条件下去除二聚体,该方法能够有效去除全氟己酮中的二聚体。然而高锰酸钾属于强氧化剂,反应过程风险高,而且高锰酸钾需要在酸性条件下才能发挥其氧化性,因此,CN116969825B公开的一种全氟己酮的纯化方法会将酸值引入到全氟己酮中导致酸值超标而增加除酸操作。此外,高锰酸钾氧化反应后的生成的固废二氧化锰也很难处理。
由上述现有技术可知,目前主流的合成灭火材料全氟己酮的方法中,几乎每步都会用到含氟的无机催化剂,在经过多次实验后申请人发现,氟化铯的催化效果相较于其它含氟催化剂效果更加优异。但是在使用氟化铯作为催化剂时,会出现氟化铯连续使用3次后,催化剂失活没有催化效果的情况,失活的氟化铯无法再使用。然而,由于氟化铯的价格昂贵,每吨120万左右,如需年产千吨的全氟己酮,氟化铯的使用量大约在3吨左右,需要360万。因此,若对失活的催化剂氟化铯不进行回收利用会造成全氟己酮生产成本的大幅提高,并且未处理的失活氟化铯也是固体废物,会对环境造成影响。因此,对生产全氟己酮过程中产生的失效催化剂氟化铯进行回收具有重大的经济和社会效益。
发明内容
本发明提供了一种回收全氟己酮合成过程中产生的失效催化剂氟化铯的方法,其目的在于解决氟化铯成本昂贵,不进行回收利用会造成全氟己酮生产成本高昂,且会造成固废堆存影响环境的问题。
为实现其目的,本发明采用如下技术方案:
一种回收全氟己酮合成过程中产生的失效催化剂氟化铯的方法,包括如下步骤:
(1)将失效的催化剂氟化铯置于铂金坩埚中,在空气流400-450℃的条件下进行煅烧,得到煅烧后氟化铯;
(2)将步骤(1)得到的煅烧后氟化铯加水溶解,得到含有黑渣的氟化铯混合溶液;
(3)将步骤(2)得到的混合溶液先采用滤纸进行粗过滤,然后采用滤膜进行精密过滤,得到淡黄色的氟化铯水溶液;
(4)将步骤(3)得到的氟化铯水溶液转入铂金坩埚中,然后先在空气流200-250℃的条件下煅烧3-4h,再在空气流400-450℃的条件下煅烧3-4h,煅烧结束后降至室温,得到氟化铯固体;
(5)将步骤(4)得到的氟化铯固体继续加水溶解,得到氟化铯二次水溶液,氟化铯二次水溶液先采用滤纸进行粗过滤,然后采用滤膜进行精密过滤,得到澄清透明的氟化铯水溶液;
(6)继续将步骤(5)得到的澄清透明的氟化铯水溶液置于铂金坩埚中,在空气流200-250℃的条件下煅烧3-4h,随后将温度升至400-450℃,在氮气流的条件下继续煅烧,直至得到块状的氟化铯白色晶体;
(7)将步骤(6)得到的块状氟化铯晶体在密闭空间中进行粉碎,得到可以作为催化剂的白色粉末状氟化铯晶体。
作为本发明技术方案的进一步优选,步骤(1)中,所述煅烧时间为3-4h。
进一步地,步骤(2)中,煅烧后氟化铯与水的固液质量比为1:3-5。
进一步地,步骤(3)和步骤(5)中,所述粗过滤用滤纸孔径为1μm,精密过滤用滤膜的孔径为0.2μm。
进一步地,步骤(5)中,氟化铯固体与水的固液质量比为1:3-5。
进一步地,步骤(6)中,氮气流条件下煅烧时间为3-4h。
本发明的有益效果在于:
1、失效的氟化铯催化剂其外表面被大量的黄色油状物质包裹(图1),首先会导致反应底物无法与催化剂活性位点接触,从而使反应无法进行,其次会导致催化剂中毒失去催化效果,无法与反应底物发生反应。本发明巧妙利用高温将包裹在氟化铯表面的油状物质热分解为黑渣,再利用黑渣不溶于水而氟化铯溶于水的特性,将其中影响催化效果的油状物质除去。进一步地,本发明采用二次高温热分解,杜绝了单次热分解会存在分解不完全,导致回收的氟化铯催化剂中掺杂部分油状包裹物,从而影响回收氟化铯的白度和纯度,进而影响后续催化效果的问题。
2、通过本发明的方法可以使在全氟己酮生产过程中不再具有催化活性的氟化铯重新具有催化效果,且氟化铯作为催化剂的循环使用次数也与外购的纯度99.5%的标准氟化铯样品一样,催化循环使用次数同样可以达到3次。
3、对采用本发明方法处理后的失效氟化铯进行全元素分析,结果显示,其中的杂质离子(主要为钠离子和钾离子)的含量与外购的纯度99.5%的标准氟化铯样品相比,仅增长2000ppm左右,催化效果几乎与标样相同。
4、本发明采用二次高温热分解方法处理得到的块状氟化铯尚不能作为催化剂使用,需进一步处理将其制备成粉末状的氟化铯。制备成粉末状氟化铯时存在2个问题:第一,火法蒸干溶剂得到的块状氟化铯极易粘结在铂金坩埚的底部,难以取出,需使用强机械力将其从铂金坩埚壁上剥离下来,该过程会造成氟化铯的损失,导致收率降低。此外,由于氟化铯有剧毒,该过程也极易对人造成伤害,导致安全事故的发生;第二,使用强机械力从坩埚上剥离下来的部分氟化铯在空气中暴露较久极易因潮解而变为小液滴,也会造成氟化铯收率的降低。因此,本发明采用在密闭空间中进行粉碎的方法,将块状氟化铯从铂金坩埚壁上剥离下来制备成粉末状氟化铯,保证了氟化铯的高收率。
5、本发明操作简单,成本低廉,无需添加其他药剂,工艺流程易于工业化。
附图说明
图1为失效氟化铯的照片;
图2为实施例1中将氟化铯水溶液在200℃空气流条件下煅烧后照片;
图3为实施例1中将氟化铯水溶液在空气流400℃的条件下煅烧后照片;
图4为实施例1中氟化铯二次水溶液过滤后得到的澄清透明的氟化铯水溶液照片;
图5为实施例1中澄清透明的氟化铯水溶液在空气流200℃的条件下煅烧时的水溶液照片;
图6为实施例1中澄清透明的氟化铯水溶液在空气流200℃的条件下煅烧后降至室温的水溶液照片;
图7为实施例1中澄清透明的氟化铯水溶液在氮气流400℃的条件下煅烧后得到的块状氟化铯白色晶体照片;
图8为实施例1中块状氟化铯晶体粉碎后得到的白色粉末状氟化铯晶体照片;
图9为采用本发明实施例1方法得到的氟化铯参与催化反应结束后合成相的气相色谱图;
图10为标样氟化铯参与催化反应结束后合成相的气相色谱图。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明的回收方法进行详细说明。
实施例1
本实施例提供的一种回收全氟己酮合成过程中产生的失效催化剂氟化铯的方法,包括如下步骤:
(1)取50g失效氟化铯(图1)置于铂金坩埚中,在空气流400℃的条件下煅烧3h,得到煅烧后氟化铯;
(2)将步骤(1)得到的煅烧后氟化铯以固液质量比1:3加入超纯水溶解,得到含有大量黑渣的氟化铯混合溶液;
(3)将步骤(2)得到的混合溶液先采用孔径1μm的滤纸进行粗过滤,然后采用孔径为0.2μm的滤膜进行精密过滤,得到淡黄色的氟化铯水溶液;
(4)将步骤(3)得到的氟化铯水溶液转入铂金坩埚中,然后在空气流200℃的条件下煅烧3h(煅烧后照片见图2),然后在400℃的条件下进行空气流煅烧4h(煅烧后照片见图3),煅烧结束后降至室温,得到淡黄色的氟化铯固体;
(5)将步骤(4)得到的氟化铯固体继续以固液质量比1:3加超纯水溶解,得到混有小黑渣的氟化铯二次水溶液,氟化铯二次水溶液先采用孔径1μm的滤纸进行粗过滤,然后采用孔径为0.2μm的滤膜进行精密过滤,得到澄清透明的氟化铯水溶液(图4);
(6)继续将步骤(5)得到的澄清透明的氟化铯水溶液置于铂金坩埚中,在空气流200℃的条件下煅烧3h(煅烧时的水溶液照片见图5,煅烧后降至室温的水溶液照片见图6),随后将温度升至400℃,在氮气流的条件下继续煅烧4h,直至得到块状的氟化铯白色晶体(图7);
(7)将步骤(6)得到的块状氟化铯晶体在密闭空间中进行粉碎,得到可以作为催化剂的白色粉末状氟化铯晶体(图8)。其全元素分析结果见表1。
采用本实施例方法得到的粉末状氟化铯作为催化剂,参与催化反应(参照发明专利CN112830863A)结束后合成相的气相色谱图如图9所示。
图9显示,气相色谱图谱中出现了六氟丙烯二聚体(D1)的色谱峰,占比为91.122%,表明经本实施例方法处理后得到的氟化铯具有催化活性。
标样氟化铯作为催化剂,参与催化反应(参照发明专利CN112830863A)结束后合成相的气相色谱图如图10所示,图10中出现了六氟丙烯二聚体(D1)的色谱峰,占比为92.665%。
对比采用本实施例方法处理后得到的氟化铯和标样氟化铯参与催化反应后产物的气相色谱图,其中合成物中的六氟丙烯二聚体的占比分别为91.112%和92.665%,表明二者催化效果基本相当,仅仅是六氟丙烯二聚体的纯度降低了1.553%。
实施例2
本实施例提供的一种回收全氟己酮合成过程中产生的失效催化剂氟化铯的方法,包括如下步骤:
(1)取100g失效氟化铯(图1)置于铂金坩埚中,在空气流400℃的条件下煅烧3h,得到煅烧后氟化铯;
(2)将步骤(1)得到的煅烧后氟化铯以固液质量比1:4加入超纯水溶解,得到含有大量黑渣的氟化铯混合溶液;
(3)将步骤(2)得到的混合溶液先采用孔径1μm的滤纸进行粗过滤,然后采用孔径为0.2μm的滤膜进行精密过滤,得到淡黄色的氟化铯水溶液;
(4)将步骤(3)得到的氟化铯水溶液转入铂金坩埚中,然后在空气流200℃的条件下煅烧3h,然后在400℃的条件下进行空气流煅烧4h,煅烧结束后降至室温,得到淡黄色的氟化铯固体;
(5)将步骤(4)得到的氟化铯固体继续以固液质量比1:3加超纯水溶解,得到混有小黑渣的氟化铯二次水溶液,氟化铯二次水溶液先采用孔径1μm的滤纸进行粗过滤,然后采用孔径为0.2μm的滤膜进行精密过滤,得到澄清透明的氟化铯水溶液;
(6)继续将步骤(5)得到的澄清透明的氟化铯水溶液置于铂金坩埚中,在空气流200℃的条件下煅烧3h,随后将温度升至400℃,在氮气流的条件下继续煅烧4h,直至得到块状的氟化铯白色晶体;
(7)将步骤(6)得到的块状氟化铯晶体在密闭空间中进行粉碎,得到可以作为催化剂的白色粉末状氟化铯晶体。其全元素分析结果见表2。
99.5%的氟化铯标准样品全分析结果见表3。
从表1-表3中数据可以看出,对采用本发明方法处理后的失效氟化铯进行全元素分析,结果显示,对采用本发明方法处理后的失效氟化铯进行全元素分析,结果显示,其中的杂质离子(主要为钠离子和钾离子)的含量与外购的纯度99.5%的标准氟化铯样品相比,仅增长2000ppm左右,催化效果几乎与标样相同。
实施例3
实施例3与实施例1其他步骤相同,仅改变步骤(1)中的煅烧温度,煅烧温度从400℃变为450℃。450℃煅烧后依然得到淡黄色的溶液,颜色与400℃煅烧后的相近。考虑到煅烧能耗的问题,择优选择煅烧温度为400℃。
实施例4
实施例4与实施例1其他步骤相同,仅改变步骤(1)中的煅烧时间,煅烧时间从3h变为4h。煅烧4h后依然得到淡黄色的溶液,颜色与煅烧3h相近。考虑到煅烧能耗的问题,择优选择煅烧时间为3h。
实施例5
实施例5与实施例1其他步骤相同,仅改变步骤(2)中的溶解固液质量比,固液质量比从1:3变为1:5。固液质量比为1:3和1:5均可将高温处理后的失活氟化铯溶解。考虑到液体体积的问题,择优选择溶解固液质量比为1:3。
实施例6
实施例6与实施例1其他步骤相同,仅改变步骤(4)中的第一步煅烧温度,煅烧温度从200℃变为250℃。200℃和250℃煅烧3h后均可将水分蒸发完得到淡黄色非晶体状。考虑到能耗的问题,择优选择第一步煅烧温度为200℃。
实施例7
实施例7与实施例其他步骤相同,仅改变步骤(4)中的第一步煅烧时间,煅烧时间从3h变为4h。煅烧3h和4h后均可将水分蒸发完得到淡黄色非晶体状。考虑到能耗的问题,择优选择第一步煅烧时间为3h。
实施例8
实施例8与实施例1其他步骤相同,仅改变步骤(4)中的第二步煅烧温度,煅烧温度从400℃变为450℃。煅烧400℃和450℃后均可水溶后得到无色透明的氟化铯水溶液。考虑到能耗的问题,择优选择第二步煅烧温度为400℃。
实施例9
实施例9与实施例1其他步骤相同,仅改变步骤(4)中的第二步煅烧时间,煅烧时间从4h变为3h。煅烧时间为3h时不能得到无色透明的氟化铯水溶液,得到的氟化铯溶液微微发黄。考虑到得到的氟化铯颜色和纯度的问题,择优选择第二步煅烧时间4h。
实施例10
实施例10与实施例1其他步骤相同,仅改变步骤(5)中的溶解固液质量比,固液质量比从1:3变为1:5。固液质量比为1:3和1:5均可将高温处理后的失活氟化铯溶解。考虑到液体体积的问题,择优选择溶解固液质量比为1:3。
实施例11
实施例11与实施例1其他步骤相同,仅改变步骤(6)中的第一步煅烧温度,煅烧温度从200℃变为250℃。200℃和250℃煅烧3h后均可将水分蒸发完得到白色非晶体状。考虑到能耗的问题,择优选择第一步煅烧温度为200℃。
实施例12
实施例12与实施例1其他步骤相同,仅改变步骤(6)中的第一步煅烧时间,煅烧时间从3h变为4h。煅烧3h和4h后均可将水分蒸发完得到白色非晶体状。考虑到能耗的问题,择优选择第一步煅烧时间为3h。
实施例13
实施例13与实施例1其他步骤相同,仅改变步骤(6)中的第二步煅烧温度,煅烧温度从400℃变为450℃。煅烧400℃和450℃后均可水溶后得到白色的块状氟化铯晶体。考虑到能耗的问题,择优选择第二步煅烧温度为400℃。
实施例14
实施例14与实施例1其他步骤相同,仅改变步骤(6)中的第二步煅烧时间,煅烧时间从4h变为3h。煅烧时间为3h时不能完全变为块状的白色氟化铯晶体,因此择优选择第二步煅烧时间4h。
Claims (6)
1.一种回收全氟己酮合成过程中产生的失效催化剂氟化铯的方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将失效的催化剂氟化铯置于铂金坩埚中,在空气流400-450℃的条件下进行煅烧,得到煅烧后氟化铯;
(2)将步骤(1)得到的煅烧后氟化铯加水溶解,得到含有黑渣的氟化铯混合溶液;
(3)将步骤(2)得到的混合溶液先采用滤纸进行粗过滤,然后采用滤膜进行精密过滤,得到淡黄色的氟化铯水溶液;
(4)将步骤(3)得到的氟化铯水溶液转入铂金坩埚中,然后先在空气流200-250℃的条件下煅烧3-4h,再在空气流400-450℃的条件下煅烧3-4h,煅烧结束后降至室温,得到氟化铯固体;
(5)将步骤(4)得到的氟化铯固体继续加水溶解,得到氟化铯二次水溶液,氟化铯二次水溶液先采用滤纸进行粗过滤,然后采用滤膜进行精密过滤,得到澄清透明的氟化铯水溶液;
(6)继续将步骤(5)得到的澄清透明的氟化铯水溶液置于铂金坩埚中,在空气流200-250℃的条件下煅烧3-4h,随后将温度升至400-450℃,在氮气流的条件下继续煅烧,直至得到块状的氟化铯白色晶体;
(7)将步骤(6)得到的块状氟化铯晶体在密闭空间中进行粉碎,得到可以作为催化剂的白色粉末状氟化铯晶体。
2.如权利要求1所述的一种回收全氟己酮合成过程中产生的失效催化剂氟化铯的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述煅烧时间为3-4h。
3.如权利要求1所述的一种回收全氟己酮合成过程中产生的失效催化剂氟化铯的方法,其特征在于,步骤(2)中,煅烧后氟化铯与水的固液质量比为1:3-5。
4.如权利要求1所述的一种回收全氟己酮合成过程中产生的失效催化剂氟化铯的方法,其特征在于,步骤(3)和步骤(5)中,所述粗过滤用滤纸孔径为1μm,精密过滤用滤膜的孔径为0.2μm。
5.如权利要求1所述的一种回收全氟己酮合成过程中产生的失效催化剂氟化铯的方法,其特征在于,步骤(5)中,氟化铯固体与水的固液质量比为1:3-5。
6.如权利要求1所述的一种回收全氟己酮合成过程中产生的失效催化剂氟化铯的方法,其特征在于,步骤(6)中,氮气流条件下煅烧时间为3-4h。
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