离子交换树脂催化剂的应用及发展趋势

离子交换树脂催化剂的应用及发展趋势

赵欢

生命科学与化学学院2009级化学班学号2009061407

摘要：对离子交换树脂的应用优势、市场发展现状进行了详尽分析, 并对未来市场消费情况作了分析和预测。

关键词：离子交换树脂; 优点; 现状; 发展趋势

Application and development trends of ion exchange resin

catalyst

Abstract:The current status and the problems to be solved for ion exchange resin catalyst in China are introduced. The development trends of ion exchange resin catalyst are analyzed in the end.

Key word: ion exchange resin ; feature ;current status ;development trends

离子交换树脂催化剂是一种典型的有机固体催化剂。与无机固体催化剂相比，虽然其化学组成、物理性质和使用方法均有很大不同，但在催化反应方面也有许多共同的地方，例如，他们都可用于石油裂解、酯化、烷基化、异构化、加成、聚合等反应。近年来，随着离子交换树脂的进一步开发，其作为固体酸碱催化剂在醚化和醚键裂解反应、水合反应、酯化反应、缩合和环化反应等领域中的应用也得到不断地发展。1离子交换树脂催化剂的催化性能

离子交换树脂催化剂作为固体酸、碱催化剂与均相溶液中的硫酸、盐酸、氢氧化钠（钾）这些常规的酸、碱催化剂的作用是一样的。树脂固载的酸碱催化剂与用硅胶、氧化铝、硅铝酸盐或沸石这些无机载物与催化活性部位接近，有利的微环境甚至可以用假均相的反应体系来处理；而后者在液相或气相反应中，则是真正的非均相体系。因此，在某种意义上说，离子交换树脂的催化性能介于低分子量的酸、碱均相体系和无机固体酸、碱催化体系之间。目前我国主要离子交换树脂催化剂的用途和催化效率见表1。

表1部分化工产品生产工艺使用的离子交换树脂催化剂及催化效率

2离子交换树脂催化剂的优点

2. 1 催化活性可调

离子交换树脂能根据不同的应用场合制成不同形状、结构和负载容量的树脂催化剂。大孔树脂的活性基团一般处于大孔的表面上，容易为反应物所接触。在需要降低负载容量时可用酸碱滴定法使一些酸基团部分中和，或者通过部分离子交换法引入一些具有助催化作用的金属离子或基团，从而提高催化剂的活性或者选择性。

2. 2适用于气／液相反应，也可用于非水体系

离子交换树脂的颗粒状和多孔结构使其适用于气相和液相反应，也可用于非水体系。由于树脂催化剂具有这种物理性质，因此反应完成后，催化剂可以通过简单的过滤方法从反应混合物中分离出来，免除了常规酸、碱催化剂使用后需要进行中和、洗涤、干燥、蒸馏等后处理程序，同时避免了废酸、碱液体对环境的污染。此外，也避免了使用硫酸时，由于其强的氧化性，脱水性和磺化性引起的不必要的副反应。

2. 3可实现生产连续化

大孔的离子交换树脂由于具有固定的结构，其体积受溶剂作用的影响很小。因此，适用于填充柱操作，实现生产连续化。在较低的压力下可以达到较高的流速，并可使用极性差别很大的反应溶剂。

2. 4节省建设投资

酸性树脂催化剂与低分子酸催化剂相比，酸部位处于树脂的内部，消除了酸与反应器壁的接触，避免了酸对反应器壁腐蚀的麻烦。因此，所用的设备和装置不必选用高度防腐的昂贵材料，从而可以节省建设投资。

3离子交换树脂催化剂的应用现状

3. 1醚化和醚键裂解反应领域

目前，我国离子交换树脂催化剂应用较多的领域主要是醚化和醚键裂解反应领域、水合反应领域、酯化反应领域、缩合和环化反应领域等。目前大量使用的强酸离子交换树脂催化剂，主要应用于工业上由低分子量的醇（一般为甲醇）与C4～C5的叔碳烯烃（一般为异丁烯）反应生成高辛烷值的汽油添加剂甲基叔丁基醚(MTBE)。

2010年我国MTBE的产能大约为558万t／a，预计到2013 年，MTBE的产能将达到992 万t／a。2006年我国汽油MTBE添加剂合成领域醚化树脂催化剂的消费量为1448ｔ，2010年增长到了3454t。随着下游MTBE产量的迅速增长，醚化树脂催化剂的市场需求量也将迅速增长，预计到2015年市场需求量将增长到1.55万t。2006～2015年我国汽油产量及MTBE添加率、需求量和醚化树脂需求量见表2。

表2我国醚化树脂需求量与汽油、MTBE需求量增长趋势[1]

注：根据目前我国MTBE生产工艺每生产1000 t MTBE大约需要醚化树脂催化剂1 t。

除了高辛烷值汽油的添加剂MTBE需要大量使用强酸离子交换树脂催化剂外，未来轻汽油醚化领域对

醚化树脂催化剂的需求将上升到更加重要的地位。随着国家质量监督检验检疫局和国家标准化管理委员会于2011年5月12日联合发布并实施的新的车用汽油国家标准《车用汽油(GB1790－2011)》，替代原有的《车用汽油》(GB17930－2006)标准，2014年1月强制执行车用汽油(IV)技术要求，轻汽油醚化领域市场空间即将打开。未来我国生产的汽油中大约有40%需要通过醚化树脂催化剂进行醚化加工。若我国2011～2015年汽油产量增长速度与2008～2010年汽油产量复合增长率9.21%保持一致，到2014年我国汽油产量将增长到1.092亿t。强制执行上述标准后，2014年轻汽油醚化领域对醚化树脂催化剂的需求量为1.747万t，到2020年需求量将有望达到2.964万t。

另外磺酸树脂对醚的裂解反应也有良好的催化作用。如磺酸树脂在一定的MTBE浓度下会出现最大的反应活性，这主要来自MTBE对甲醇和烯的竞争性共吸附作用。2010年我国MTBE裂解领域需要的离子交换树脂催化剂达到了1180 t，预计到2015年需求量将增长到1790 t。

3. 2水合反应领域

在强酸离子交换树脂催化下烯烃可直接与水发生加成反应生成醇。丙烯水合制异丙醇用酸树脂催化比用无机酸催化能在更为温和的条件下进行反应。近年来，C4和C5的烯烃异构体树脂催化水合制酮类、仲醇、叔醇的研究有许多报道。如正丁烯水合制备甲乙酮，丙烯水合制备异丙醇，异丁烯水合制叔丁醇1－丁烯和2－丁烯水合得到2－丁醇等。近年来，我国甲乙酮、异丙醇、叔丁醇等生产领域对水合树脂催化剂的需求情况见表3。

表32006～2015年各领域水合树脂催化剂需求量增长趋势及预测

3. 3酯化反应领域

强酸树脂不但能直接催化羧酸与醇在有或没有脱水剂存在下进行酯化反应，而且能催化烯类化合物与羧酸直接加成生成酯。强酸树脂催化的酸与醇的酯化反应是可以在液相也可在气相中进行，但绝大多数的酯化反应是在液相中进行的，因为在液相中反应条件比较温和，尤其对热不太稳定的酸是有利的。在液相酯化反应中一般加入脱水剂，如无水硫酸镁、硫酸钠、硫酸钙，也可用溶剂，如环乙烷、苯、甲苯，与水共沸回流法脱水，这样有利于提高酯化的产率。如乙酸与正丁醇、异丙醇、异戊醇、环己醇、乙二醇单醚、甘油进行酯化反应时，生成相应的乙酸酯。

目前我国酯化树脂催化剂在脂肪酸酯化制取生物柴油，醋酸乙酯的制取，丙烯酸酯及其衍生物的制取等领域应用比较广泛，未来几年内潜在市场空间应在2万～3万t左右。酯化反应领域对酯化树脂催化剂的需求及预测见表4。

表4酯化反应领域对酯化树脂催化剂的需求及预测