专利名称：通过膜电渗析分离催化剂的方法
技术领域：
本发明涉及通过膜电渗析从含有催化剂的溶液中分离催化剂的方法。
更确切地，本发明涉及用于均相分子氧氧化反应的催化剂的分离过程。
存在多种均相催化氧化方法，由此，将环烷烃氧化成相应二酸的反应可通过使用可溶性重金属(如钴或锰)盐而进行。
1940年12月出版的美国专利2 223 493公开了在氧化催化剂(如钴化合物)存在下，借助于含氧气体进行环烃氧化成相应二酸的反应，该反应一般在含乙酸的液相中进行，反应温度为至少60℃。该专利曾设想通过结晶分离所形成的己二酸，但却既没有说明可将催化剂循环至新的氧化操作的方法，更不必说涉及在循环一次或多次后催化剂的活性。
专利FR-A-2 722 783公开了在从反应混合物中分离主要反应产物和至少部分乙酸溶剂之后分离和循环钴催化剂的方法，所述钴催化剂被用于将环己烷氧化成己二酸的反应。该方法主要包括借助于环己烷或环己烷与乙酸的混合物萃取大部分催化剂。该方法非常有效，循环的催化剂没有失去其活性；但该方法涉及大量的溶剂且需要几个连续的操作。
由此可见，人们需要一种可以分离溶解在反应混合物中的均相催化剂的方法，该方法在以更简单的方式应用时应当同样有效。
专利FR-A-1 591 176公开了一种回收金属催化剂和硝酸的方法，所述催化剂和硝酸存在于分离硝酸氧化环己醇和/或环己酮得到的反应物所得的母液中，该方法包括将含金属盐、硝酸和有机酸的部分母液穿过电渗析槽。所使用的金属催化剂为铜盐或钒盐。
专利FR-A-2 026 288公开了一种从酸性残留液体中回收大量硝酸和金属阳离子的方法，所述酸性残留液体是在通过环己酮或环己醇的液相氧化制备己二酸的过程中生成的，该方法包括将这种液体引入到包含一个或多个电渗析器的电渗析装置中，在可以是水或硝酸稀溶液的回收液体中回收硝酸和金属阳离子。所使用的金属催化剂为铜盐或钒盐。
这两种方法非常类似，或者甚至相同，它们使用浓硝酸溶液。此特征大大促进了以硝酸盐形式存在的金属盐与未离解的羧酸的分离。
本发明涉及分离用于环己烷与氧的氧化反应且不含硝酸的均相催化剂。
更确切地，本发明涉及分离溶解在还含有至少一种脂肪二酸的混合物中的均相催化剂的方法，其特征在于催化剂包含钴且分离是通过膜电渗析进行。
均相催化剂为常用于将环烷烃氧化成脂肪二酸的反应中的金属化合物。它们是只含有钴或含有与其它金属如锰、铜、铁、钒或铯或其混合物混合的钴的更特别催化剂。这些金属以化合物形式存在，可溶解在环烷烃氧化反应的反应混合物中。这类化合物为氢氧化物、氧化物及有机或无机盐。优选的化合物为钴盐，该盐可单独存在或与基于下列金属的化合物混合存在锰和/或铜和/或铁和/或铯和/或钒。
可提及的这些钴盐的实例包括氯化钴、溴化钴、硝酸钴和羧酸钴，如乙酸钴、丙酸钴、己二酸钴、戊二酸钴或丁二酸钴。由于最常用于环烷烃氧化反应的溶剂之一是乙酸，因此特别优选乙酸钴四水合物。
进行膜电渗析的混合物含有至少一种在环烷烃氧化反应中形成的二酸以及通常含有作为副产物形成的一种或多种其它二酸；该混合物也可含有反应中的所有副产物。当将催化剂用于环己烷的氧化反应中时，则可主要获得己二酸，但也可生成戊二酸和丁二酸及或多或少的环己醇、环己酮、环己酯、内酯和羟羧酸。
尽管氧化反应一般是在有机溶剂中进行或在适当条件下没有溶剂，在环己烷氧化反应情况下优选乙酸，但优选在进行电渗析的混合物中含有水。
由此可见，其中存在均相催化剂的混合物优选包括水；对于在生成待处理溶液过程中已经视具体情况而定经过使用的溶剂可在进行电渗析之前全部或部分地被水代替。水一般可为进行电渗析溶液的溶剂混合物的10％至100％，优选为这种溶剂混合物的50％至100％。
概括地讲，电渗析是一种在直流电场作用下，能够通过离子交换膜迁移萃取待处理溶液中离子化物质的过程。
所使用的电渗析装置包含阳离子膜与阴离子膜交替分隔而成的不同室。这些室可分为稀释室(D)和浓缩室(C)，室(D)中待分离化合物即本发明方法的催化剂数量少，相反，室(C)富含待分离化合物。
事实上，在电场的作用下，待处理溶液中的阳离子通过阳离子交换膜(阳离子膜)向阴极迁移，离开室(D)。当它们移至下一室(C)时，由于存在下一阴离子交换膜(阴离子膜)，它们将不能离开该室。与此同时，阴离子向阳极迁移，穿过阴离子膜，进入相邻的室(C)，由于存在下一阳离子膜，它们因此而不能离开。
两个相邻的室(C)和(D)形成了一个电渗析槽。电渗析器包含大量槽的膜堆。每个电渗析器中的槽数量一般应尽可能多，例如，该数量有利地在10至500个槽之间改变。
实际上，阴离子和阳离子膜在压滤型系统中交替地放置。
本发明方法中所使用的无极膜可根据其制备方法分为两大类。
首先它们是异相膜，可由与粘合剂(如聚氯乙烯、聚乙烯等)混合的离子交换树脂制得。由此形成的组合物涂覆如聚酯或聚丙烯腈纤维类的网布。
它们也可是均相膜，可通过化学或放射化学接枝法向惰性基质中引入官能团而获得。更广泛使用的化学方法一般包括使含有芳核(如苯乙烯/二乙烯基苯或苯乙烯/丁二烯)的聚合物胶乳官能化。类似于非均相膜的情况，利用如此官能化的胶乳涂覆网布。放射化学方法一般包括在照射条件下将芳族化合物(如苯乙烯)接枝到惰性基质(如聚乙烯或聚四氟乙烯薄膜)中。接着如化学方法类似地将芳核进行官能化。
阳离子交换膜(阳离子膜)包含强酸性基团(多数情况下为磺酸根)或弱酸性基团(常用羧酸根)。酸性基团很少为PO32-、HPO2-、AsO32-和SeO3-。
阴离子交换膜(阴离子膜)包含强碱性基团(多数情况下为季铵基团)或弱碱性基团(多数情况下为氨基)。碱性基团很少为季鏻基团或锍基团。
在本发明方法中，阳离子膜优选包含强酸性基团，优选磺酸根；阴离子膜优选包含强碱性基团，优选季铵基团。
除了膜之外，电渗析器当然还包括阴极和阳极。阳极可由电渗析常用的材料如石墨、涂有贵重金属或贵重金属氧化物的钛，特别是涂有铂的钛组成。阴极也可由电渗析常用的材料如石墨、不锈钢或镍组成。
将待处理的溶液送入电渗析器，所述溶液至少部分为水溶液。有必要在阳极处循环阳极电解质溶液，在阴极处循环阴极电解质溶液。这些溶液常常形成一种单一的电解质溶液。在本发明方法中，非常适宜使用单一电解质回路。电解质溶液的作用就是保证足够的导电性。该导电性优选地等于或高于20mS/cm，此低限对于本发明方法的实施并非至关重要。
所使用的电解质为可离子化的化合物，如盐、酸或碱。电解质优选地选自非电活化化合物，因此，优选不以工业化生产规模使用氯化物，这是由于氯化物在阳极处可产生氯。
可提及的电解质实例包括中性盐，如硫酸盐；酸，如氨基磺酸、水溶性羧酸和硫酸。催化剂金属盐也可用作电解质，所述催化剂金属盐更特别地为钴盐(如乙酸钴)。
本发明方法应当避免使用其pH可导致人们希望通过电渗析方法分离的金属化合物沉淀的电解质溶液，这就是优选使用酸性电解质的原因。
应用于电渗析器的电压必须避免使系统极化，即在超强电场作用下使水离解。一般适宜电压为0.5伏至2.5伏/槽，优选0.5伏至1.5伏/槽。通过使用薄槽及分开的框架可增加液体的湍流，从而降低极化作用。槽厚度优选为0.5mm至2mm，更优选0.75mm至1.5mm。
进行本发明方法的温度应当维持在与膜稳定性相容的范围内。事实上，从原则上来讲，升高温度是有利的，可增加电解质的流动性，降低待处理溶液的粘性，但是增加温度却会缩短膜的寿命。因此，该操作优选在低于或等于50℃的温度下进行，更特别为20℃至40℃。
电渗析器可以不同的方式操作。首先可连续操作(直通操作)，待处理溶液连续通过膜堆；有待获得的处理程度如此要求的话，可串联布置许多级单台电渗析器。也可进行间歇式操作(再循环操作)，待处理溶液在槽中再循环，直至得到所需的处理程度。最后是进行部分再循环直通操作。
正如前述，含有二酸且存在待分离的均相催化剂的反应混合物基本上源于环烷烃被氧化成相应二酸的反应过程。简单地讲，在下文说明中，环己烷氧化成己二酸的反应一般被认为可生成较少的但数量仍然可观的戊二酸和丁二酸。
在利用电渗析方法处理这类混合物之前，一般可有利地进行尤其能够分离多数己二酸、该制备过程的目的化合物的一些操作。
该分离可采用已知方法进行，如通过冷却该混合物沉淀己二酸。
为了能够进行本发明的电渗析，可视具体情况而定在部分或全部去除可能含有的有机溶剂之后，利用水收集剩余溶液。
进行电渗析的溶液一般可含有每千克溶液0.0001mol至1mol的催化剂、每千克溶液0.001mol至1mol的戊二酸、每千克溶液0.001mol至1mol的丁二酸及每千克溶液0.001mol至1mol的己二酸。
下文的实施例将说明本发明。实施例1所使用的电渗析器由活性表面为2dm2的10槽膜堆组成，各自包含引入待处理溶液的室(室D，所述溶液在催化剂中稀释)及在电渗析过程中接受催化剂的室C。
从相邻室C分离各个室D的膜为-含季铵基团的Neosepta AMX牌阴离子膜，-含磺酸根的Neosepta CMX牌阳离子膜。
电解质由氨基磺酸水溶液组成，其20℃下的导电性为20mS/cm。该溶液的循环流速为400l/h，体积为2l。
待处理的水溶液体积为1.6l，该溶液开始时含有-0.18mol/kg己二酸-0.87mol/kg戊二酸-0.36mol/kg丁二酸-0.27mol/kg以乙酸钴形式存在的钴。
使用间歇式操作方法(再循环操作)。
该溶液在室D中的循环流速为180l/h。
在室C中流动且将接受钴盐的溶液开始时为浓度为5g/l的氯化钠水溶液，体积为1.6l，流速为180l/h。
室C中各溶液的初始导电性为10mS/cm。
电渗析在应用18V电压的条件下进行。
为了跟踪操作的进程，定期取出不同的溶液样品。通过原子吸收光谱测定钴量，通过气相色谱测定二酸量，接着测定溶液的pH、导电性和体积。
下表1给出了溶液pH、导电性和体积的测定结果。
下表2给出了以mol/kg表示的不同样品的浓度结果。根据定义，L1表示室D溶液，也称为进料溶液；L2表示室C溶液，也称为浓缩溶液；L3表示电解质溶液。
由表1结果可以确定，进料溶液的水量减少。这可基于下列事实得到解释迁移的离子被水合；在试验的最后，进料溶液和浓缩溶液的导电性差异很大(渗析现象)。
为了达到精确的结果，表2中的数值将体积变化考虑在内。表2的结果以初始待处理流体为1Kg为基准表示。
表中符号“-”是指没有测定。
表1
<p>表2
实施例2环己烷氧化成己二酸的反应本实施例的目的是制备用于电渗析分离催化剂的方法的溶液。
在环境温度下于首先利用氮气清洗之后，向1.5升夹套式高压釜中装入下述成分(该高压釜由钛制成，安装有用于引入反应物和流体或用于排出反应产物或流体的涡轮和各种开口)-乙酸钴四水合物 4.0g-乙酸359g-环己烷 289.7g-乙醛1.2g关闭高压釜后，将氮气压力升至20bar(2MPa)，开始搅拌(800转/分)，在29分钟内将温度升至120℃。然后利用20bar的含4％氧气的空气代替氮气，出口气体的流速控制在250升/小时。
在10分钟的诱导时间之后(此时没有氧气消耗)，温度突然升至106℃，开始消耗氧气。借助于流量表系统，将进口处的空气中的氧含量升至16％。在整个试验中维持高压釜出口处的氧含量低于5％，高压釜的平均温度维持在106-107℃。
在消耗掉50升氧(对应于环己烷的转化率大约为20％)后，连续地注入环己烷(4.3ml/min)和含1.1％(重量比)乙酸钴四水合物的乙酸溶液(流速为3.9ml/min)。
继续进行上述注入加料，直至得到包括大约5700g己二酸且包含35.3kg乙酸相和10.3kg环己烷相的反应混合物为止。
借助于液面探测器，使高压釜中的液体含量维持恒定。利用伺服控制气动底阀，将反应混合物回收在加热至70℃的玻璃容器中。
所得反应混合物的两相分离在70℃下进行。
浓缩乙酸相，得到大约19kg物质。将己二酸进行结晶，通过过滤分离，在水中重结晶，得到4.2kg纯化己二酸。
乙酸及源于己二酸结晶和重结晶的水溶液的混合物大约为11.5kg。将该混合物浓缩至大约原始质量的50％，然后利用大约两倍量的水进行稀释。通过沉降和分离去除部分环己酮、环己醇及酯化合物。
由此得到了含下列成分的稀乙酸溶液-钴0.4485％(重量比)-乙酸 193g/kg溶液-水626g/kg溶液-己二酸41g/kg溶液-戊二酸27.9g/kg溶液-丁二酸13.3g/kg溶液-羟己酸4.8g/kg溶液-羟己二酸 9.4g/kg溶液-环己酮10.6g/kg溶液-环己醇5.7g/kg溶液-乙酸环己酯3.4g/kg溶液-丁内酯6.4g/kg溶液-戊内酯0.8g/kg溶液-各种环己基酯 41.2mmol/kg溶液。实施例3所使用的电渗析器由活性表面为2dm2的10槽膜堆组成，各自包含引入实施例2中制得的待处理稀乙酸溶液的室(室D，所述溶液在催化剂中稀释)及在电渗析过程中接受催化剂的室C。
从相邻室C分离各个室D的膜为-含季铵基团的Neosepta AMX牌阴离子膜，-含磺酸根的Neosepta CMX牌阳离子膜。
电解质由氨基磺酸水溶液组成，其20℃下的导电性为20mS/cm。该溶液的循环流速为400l/h，体积为2l。
待处理的稀乙酸溶液体积为1.6l(如实施例2所示的成分)。
使用间歇式操作方法(再循环操作)。
该溶液在室D中的循环流速为180l/h。
在室C中流动且接受钴盐的溶液开始时为浓度为10g/l的乙酸钴四水合物水溶液，其初始导电性为3.5至4mS/cm，体积为1.6l，流速为180l/h。
电渗析在应用18V电压的条件下进行。
为了跟踪操作的进程，定期取出不同的溶液样品。通过原子吸收光谱测定钴量，通过气相色谱测定二酸量和其它有机化合物量。接着测定溶液的pH、导电性和体积。
正如表1已经报道，进料溶液的水量减少。这可基于下列事实得到解释迁移的离子被水合；在试验的最后，进料溶液和浓缩溶液的导电性差异很大(渗析现象)。
为了达到精确的结果，表3和4中的数值考虑到体积的变化。这些结果以待处理流体1kg为基准表达。
表3给出了Co催化剂的结果。表4给出了存在于待处理溶液中的有机化合物的结果。
表3
对源于将环己烷氧化成己二酸的反应试验的混合物的试验肯定了通过电渗析分离Co催化剂的有效性。
表4
有机化合物主要保留在进料溶液中。实施例4使用与实施例3相同的电渗析器，待处理的稀乙酸溶液如实施例2制备。
在室C中流动且接受钴盐的溶液开始时为一部分实施例2制得溶液电渗析试验中得到的溶液L2，电解质溶液L3也源于该相同的试验。
所有应用条件为实施例3中的应用条件。
本试验的目的在于表明C室浓缩溶液中的Co量可不断地增加。
正如实施例1已经报道，进料溶液的水量减少。这可基于下列事实得到解释迁移的离子被水合；在试验的最后，进料溶液和浓缩溶液的导电性差异很大(渗析现象)。
为了达到精确的结果，表5和6中的数值考虑到体积的变化。这些结果以待处理流体1kg为基准表达。
表5给出了Co催化剂的结果；表6给出了存在于待处理溶液中的有机化合物的结果。
表5
使用已经在C室中浓缩Co的溶液的该实施例肯定了通过电渗析分离Co催化剂的有效性以及得到Co浓度更大的溶液的可能性。
权利要求
1．分离溶解在还含有至少一种脂肪二酸的混合物中的均相金属催化剂的方法，其特征在于所述催化剂包含钴且分离通过膜电渗析进行。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于所述催化剂选自含钴催化剂，所述钴可单独存在或与其它金属混合，所述其它金属如锰、铜、铁、钒或铯或其混合物。
3．根据权利要求2的方法，其特征在于所述金属以溶解在环烷烃氧化反应混合物中的化合物形式存在，所述化合物有如氢氧化物、氧化物及有机或无机盐。
4．根据权利要求1～3中任一项的方法，其特征在于所述催化剂选自钴盐，所述钴盐可单独存在或与其它金属化合物混合，所述金属有如锰和/或铜和/或铁和/或铯和/或钒。
5．根据权利要求1至4中任一项的方法，其特征在于进行膜电渗析的混合物含有至少一种在环烷烃氧化反应中形成的二酸以及作为副产物形成的一种或多种其它二酸，优选己二酸以及戊二酸和丁二酸。
6．根据权利要求1至5中任一项的方法，其特征在于存在均相催化剂的混合物包括水，视具体情况而定已在生成待处理溶液过程中使用的溶剂，该溶剂可在进行电渗析之前全部或部分地被水代替。
7．根据权利要求6的方法，其特征在于所述水为进行电渗析溶液的溶剂混合物的10％至100％，优选为该溶剂混合物的50％至100％。
8．根据权利要求1至7中任一项的方法，其特征在于所使用的电渗析装置包含大量槽的膜堆，每个槽由两个相邻的浓缩室(C)和稀释室(D)组成，所述室(C)和(D)通过阳离子膜和阴离子膜交替结合。
9．根据权利要求1至8中任一项的方法，其特征在于所述膜由接枝有官能团的基质组成，所述官能团在阳离子膜情况下为阴离子基团，如磺酸根，在阴离子膜情况下为阳离子基团，如季铵基团。
10．根据权利要求1至9中任一项的方法，其特征在于所述进行电渗析的溶液含有每千克溶液0.0001mol至1mol的催化剂，每千克溶液0.001mol至1mol的戊二酸，每千克溶液0.001mol至1mol的丁二酸及每千克溶液0.001mol至1mol的己二酸。
全文摘要
本发明涉及通过膜电渗析从含有催化剂的溶液中分离催化剂的方法。更确切地,本发明涉及分离用于均相分子氧化反应的催化剂。本发明包括分离溶解在还含有至少一种脂肪二酸的混合物中的均相催化剂,其特征在于催化剂包含钴且分离是通过膜电渗析进行。
文档编号C07C55/10GK1215350SQ9719359
公开日1999年4月28日 申请日期1997年3月27日 优先权日1996年4月2日
发明者E·法施, D·霍贝茨, P·勒可特 申请人:罗狄亚纤维与树脂中间体公司