本發(fā)明屬于甲烷直接轉(zhuǎn)化制備高附加值化學(xué)品的，具體涉及一種催化甲烷制備乙酸的方法。

背景技術(shù)：

1、ch4是天然氣和沼氣的主要成分，隨著全球原油資源的不斷消耗，ch4作為一種更為豐富和廉價(jià)的清潔能源開(kāi)始受到廣泛關(guān)注。作為一種相對(duì)惰性的穩(wěn)定小分子，甲烷具有較低的電子/質(zhì)子親和力和極化性，酸性較弱，c–h鍵能(439kj?mol–1)和電離能均較高。因此，甲烷的催化轉(zhuǎn)化過(guò)程也被喻為催化反應(yīng)的“圣杯”，是催化領(lǐng)域挑戰(zhàn)頗高的課題之一。將ch4轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品，既可彌補(bǔ)甲烷對(duì)大氣環(huán)境所造成的惡劣影響，也為甲烷的高效應(yīng)用創(chuàng)造了新的可能。

2、乙酸(ch3cooh)，也稱(chēng)醋酸，在食品工業(yè)、生物制劑、化工產(chǎn)品等方面均被廣泛應(yīng)用。以乙酸為原料可以生產(chǎn)醋酸乙烯、醋酸酐、乙酸酯、對(duì)苯二甲酸和乙醇等化工原料。目前乙酸的制備方法主要有人工合成和生物發(fā)酵兩種途徑，生物制劑及食品工業(yè)中所使用的乙酸主要以生物發(fā)酵的形式獲得，使用該方法制得的乙酸產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的10％。而工業(yè)制備乙酸則廣泛采用人工合成的方法，其中應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬甲醇羰基化直接制備乙酸。甲醇羰基化生產(chǎn)乙酸的過(guò)程涉及合成氣步驟，通常由甲烷(ch4)在高溫高壓條件下通過(guò)干式重整(drm)或蒸汽重整(srm)反應(yīng)制得合成氣(co+h2)，合成氣發(fā)生催化反應(yīng)制備甲醇(ch3oh)，進(jìn)而由ch3oh羰基化生成乙酸。但目前廣泛使用的甲醇羰基化制乙酸工業(yè)催化劑仍然存在著催化劑價(jià)格昂貴、產(chǎn)物和催化劑分離困難、使用有毒的碘甲烷和有腐蝕性的碘化氫等各種問(wèn)題，因此優(yōu)化乙酸生產(chǎn)途徑，降低其工業(yè)合成過(guò)程中的能耗，使得產(chǎn)物乙酸更易分離，反應(yīng)體系更加綠色環(huán)保，開(kāi)發(fā)新型非貴金屬基催化劑實(shí)現(xiàn)較低反應(yīng)溫度下甲烷直接轉(zhuǎn)化制備乙酸的反應(yīng)過(guò)程顯然更具經(jīng)濟(jì)性和挑戰(zhàn)性。通過(guò)合理的催化劑及催化反應(yīng)設(shè)計(jì)，甲烷直接催化轉(zhuǎn)化制備乙酸具有極為廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種催化甲烷直接轉(zhuǎn)化生成乙酸的方法。本發(fā)明采用鐵基催化劑催化甲烷直接轉(zhuǎn)化生成乙酸的方法，利用工業(yè)硝酸和己二酸生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物一氧化二氮作為氧化劑，使用價(jià)格低廉的鐵基分子篩型催化劑催化甲烷氧化羰基化制備乙酸，相對(duì)于傳統(tǒng)的乙酸工業(yè)制備途徑，兼具了經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

2、本發(fā)明提供的催化甲烷制備乙酸的方法包括在催化劑存在下，使甲烷、一氧化碳以及氧化劑進(jìn)行反應(yīng)，其中，所述氧化劑包括一氧化二氮。

3、在一些實(shí)施方式中，所述催化甲烷制備乙酸的方法包括：使用鐵負(fù)載的分子篩型催化劑，以一氧化二氮作為氧化劑，在密閉裝置中引入一氧化碳?xì)怏w進(jìn)行甲烷的氧化羰基化反應(yīng)。

4、在一些實(shí)施方式中，所述甲烷、一氧化碳和氧化劑的壓力比為1:1:(0.25-1)。在一些實(shí)施方式中，所述甲烷、一氧化碳和氧化劑的壓力比為1:1:0.3、1:1:0.4、1:1:0.45、1:1:0.5、1:1:0.55、1:1:0.6、1:1:0.65、1:1:0.7、1:1:0.75、1:1:0.8、1:1:0.85、1:1:0.9、1:1:0.95或它們之間的任意值。

5、在一些實(shí)施方式中，所述反應(yīng)的壓力為0.1mpa–10mpa，例如為0.5mpa、1mpa、2mpa、3mpa、4mpa、5mpa、6mpa、7mpa、8mpa或9mpa。在一些實(shí)施方式中，所述反應(yīng)的溫度為150℃–300℃，例如為170℃、200℃、230℃、250℃或270℃。

6、在一些實(shí)施方式中，所述方法還包括將所述反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行水洗處理，得到液體組分和反應(yīng)后的催化劑，將所述液體組分進(jìn)行純化處理，得的所述乙酸。在一些實(shí)施方式中，還包括將所述反應(yīng)后的催化劑進(jìn)行再生處理例如煅燒處理。

7、在一些實(shí)施方式中，所述反應(yīng)在密閉裝置中進(jìn)行，反應(yīng)在密閉裝置中進(jìn)行能夠?yàn)榉磻?yīng)提供高壓條件，同時(shí)避免空氣對(duì)反應(yīng)體系的干擾。

8、在一些實(shí)施方式中，所述催化甲烷制備乙酸的方法包括以下具體步驟：

9、(1)在鐵基分子篩催化劑存在下，以一氧化二氮作為氧化劑，在密閉高壓反應(yīng)釜中引入一氧化碳?xì)怏w進(jìn)行甲烷的氧化羰基化反應(yīng)；

10、(2)水洗(1)中反應(yīng)后的催化劑，過(guò)濾除去催化劑后，對(duì)液體組分進(jìn)行富集純化，獲得所述乙酸。

11、在一些實(shí)施方式中，所述一氧化二氮來(lái)自于合成硝酸或己二酸過(guò)程中產(chǎn)生的一氧化二氮。

12、在一些實(shí)施方式中，所述催化劑選自鐵基分子篩中的至少一種。在一些實(shí)施方式中，所述鐵基分子篩包括活性組分鐵和分子篩載體。

13、在一些實(shí)施方式中，所述分子篩載體選自ssz-13分子篩，mor分子篩、zsm-5分子篩、y型分子篩和beta型分子篩中的一種或幾種。

14、在一些實(shí)施方式中，基于所述分子篩載體的質(zhì)量，所述活性組分鐵的負(fù)載量為0.001wt％–15wt％。在一些實(shí)施方式中，所述活性組分鐵的負(fù)載量為0.005wt％、0.01wt％、0.05wt％、0.1wt％、0.3wt％、0.5wt％、0.7wt％、1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％或它們之間的任意值。

15、在一些實(shí)施方式中，所述鐵基分子篩通過(guò)固態(tài)離子交換法制得。在一些實(shí)施方式中，所述鐵基分子篩的制備方法包括：將鐵源與分子篩載體混合得到固體混合物，將所述固體混合物進(jìn)行焙燒處理，得到所述鐵基分子篩。在一些實(shí)施方式中，所述鐵基分子篩的制備方法包括將鐵源以干法混合方式例如研磨的方式或球磨的方式負(fù)載于分子篩載體上。

16、在一些實(shí)施方式中，所述焙燒的溫度為400℃-600℃，例如為430℃、450℃、470℃、500℃、530℃、550℃或570℃。在一些實(shí)施方式中，所述焙燒的時(shí)間為2h-10h，例如為4h、6h或8h。

17、在一些實(shí)施方式中，所述鐵源選自有機(jī)鐵鹽和無(wú)機(jī)鐵鹽中的一種或多種。在一些實(shí)施方式中，所述鐵源選自硝酸鐵、硫酸鐵、氯化鐵、乙酸鐵和乙酰丙酮化鐵中的一種或多種。

18、有益效果：

19、(1)、本發(fā)明所提出的催化途徑及方法能夠在較低溫度條件下催化甲烷直接轉(zhuǎn)化生成乙酸，相對(duì)于傳統(tǒng)先由甲烷經(jīng)過(guò)重整技術(shù)生成合成氣，再由合成氣轉(zhuǎn)化生成甲醇，進(jìn)而發(fā)生羰基化反應(yīng)生成乙酸的反應(yīng)步驟，甲烷直接轉(zhuǎn)化制備乙酸所需能耗更低，反應(yīng)更加便捷，且產(chǎn)品乙酸選擇性較高(例如使用催化劑fe/ssz-13(0.5wt％)在優(yōu)選反應(yīng)溫度240℃條件下可達(dá)～90％)；

20、(2)、本發(fā)明所使用的催化劑為鐵負(fù)載的分子篩型催化劑，其中鐵為非貴金屬，分子篩為常用工業(yè)催化劑載體，價(jià)格低廉，原料易得；

21、(3)、本發(fā)明所用催化劑采用固態(tài)離子交換法合成，操作簡(jiǎn)單，催化劑單批次合成總量較大；

22、(4)、本發(fā)明所用氧化劑為硝酸工業(yè)合成或己二酸工業(yè)合成廢棄物一氧化二氮，作為一種重要的溫室氣體，一氧化二氮的全球變暖潛能值為co2的298倍，使用n2o作為反應(yīng)氣，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)廢物再利用，更能對(duì)全球氣候保護(hù)做出貢獻(xiàn)，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保價(jià)值；

23、(5)、本發(fā)明中使用后的鐵基分子篩型催化劑，能夠在空氣中500℃煅燒3h后恢復(fù)活性，處理方式簡(jiǎn)單，且能夠?qū)崿F(xiàn)催化劑的重復(fù)利用，具有一定經(jīng)濟(jì)效益；

24、(6)、本發(fā)明所提出的催化方法技術(shù)，無(wú)需復(fù)雜的前處理過(guò)程，操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)時(shí)間較短，僅需0.5h即可達(dá)到較優(yōu)產(chǎn)率。