面向乙酸乙醇酯化反应的催化复合膜设计与制备基础研究

Catalytic membrane technology, a new hot spot of chemical reaction, has an important role in improving the conversion rate of reversible reaction. But the high stability of catalytic and separation of the composite membrane are to be improved. The research object of this project is the esterification reaction of acetic acid and ethanol. Polyvinyl alcohol separation layer of water permeation and sulfonic group with catalytic function are grafted onto ceramic membrane through dopamine self polymerization. The bifunctional catalytic membrane preparation method and the performance for the esterification are to be studied. Firstly, the self-polymerization conditions of dopamine will be investigated to enhance the binding force of ceramic support and the effective catalytic layer by self-adhesion. Next, the pervaporation separation layer will be fabricated by crosslinking polyvinyl alcohol with glutaraldehyde. The catalytic layer will be prepared on the basis of pervaporation separation layer. Then, the catalyst with sulfonic acid groups and carboxyl groups will be employed to reacting with polyvinyl alcohol. The combination of ceramic support and the effective catalytic layer will be done with the help of adhesion of dopamine. Finally, the esterification reaction coupled with pervaporation will be studied. The implementation of this project can break the reaction equilibrium in order to improving the reaction conversion rate. It brings a new idea for preparing the catalytic composite membranes.

催化膜技术已经成为化工反应的新热点，在可逆反应转化率的提高方面有重要的作用，但高稳定性的催化与分离复合膜层的基础研究还有待提高。本项目以乙酸乙醇酯化反应为研究对象，采用陶瓷膜作为支撑体，通过多巴胺自聚接枝具有透水功能的聚乙烯醇分离层以及具有催化功能的磺酸基团，研究有机无机材料结合行为，建立陶瓷膜基底的双功能催化膜制备方法，探索其在酯化反应中的性能。首先研究多巴胺的自聚条件，通过自身的黏附性提高陶瓷支撑体与有效催化层之间的结构稳定性。再者，使用戊二醛交联聚乙烯醇制备催化复合膜中的渗透汽化分离层，探索不同的制膜条件。在制备渗透汽化分离层的基础上制备催化层，期望制备出性能稳定的催化层。通过多巴胺黏附作用，把有效活性层与陶瓷支撑体结合起来。最后使用渗透汽化耦合酯化反应合成乙酸乙酯。本项目的实施，能够打破反应平衡，使反应转化率提高，为催化复合膜的制备提供了一种新的研究思路。

乙酸乙酯作为一种重要的精细化学品，但在合成过程中却受制于热力学平衡限制，且传统合成方法以浓硫酸作为均相催化剂，易造成设备腐蚀，环境污染，同时也给后续分离带来困难。本项目针对酯化反应的技术问题，通过渗透汽化耦合酯化反应，制备出集催化和分离功能于一体的催化复合膜，并应用于催化膜反应器中。系统考察了渗透汽化与酯化反应耦合过程，建立反应动力学模型，优化反应条件。在75 °C，乙醇和乙酸摩尔比为2:1的条件下，乙酸转化率达到96 %，较间歇反应提高了33 %。本项目研究的催化复合膜，在应用于乙酸乙酯合成过程具有绿色高效等特点，也可进一步推广到其他反应-分离耦合的反应过程，为后续工业化应用奠定基础。本项目申请专利9项；发表论文15篇，其中SCI/Ei收录14篇；培养研究生11名；本科生8名。项目形成的各项专利技术对乙酸乙酯产品的生产，提供了有力的支撑。