物理化学学报 >> 2022, Vol. 38 >> Issue (10): 2204045.doi: 10.3866/PKU.WHXB202204045
所属专题: 生物质催化转化
郎雪玲1,2, 雷淑桃1,2, 李愽龙1,2, 李晓红1,2, 马冰1,2,*(), 赵晨1,2,*()
收稿日期:
2022-04-25
录用日期:
2022-05-16
发布日期:
2022-05-19
通讯作者:
马冰,赵晨
E-mail:bma@chem.ecnu.edu.cn;czhao@chem.ecnu.edu.cn
作者简介:
第一联系人:†These authors contributed equally to this work.
基金资助:
Xueling Lang1,2, Shutao Lei1,2, Bolong Li1,2, Xiaohong Li1,2, Bing Ma1,2,*(), Chen Zhao1,2,*()
Received:
2022-04-25
Accepted:
2022-05-16
Published:
2022-05-19
Contact:
Bing Ma,Chen Zhao
E-mail:bma@chem.ecnu.edu.cn;czhao@chem.ecnu.edu.cn
About author:
Chen Zhao, Email: czhao@chem.ecnu.edu.cn (C.Z.)Supported by:
摘要:
高熔点蜡(熔点 > 80 ℃)具有高熔点、高稳定性、低针入度、低迁移率以及耐磨坚硬等特点,在食品化妆、材料加工、电子机械、国防航空以及医疗领域有着重要的应用。但目前市场上的蜡产品熔点(50–70 ℃)较低。而我国高熔点蜡和特种蜡的需求量日益增加,预计缺口将突破70万吨。本文详细综述国内外合成高熔点蜡(熔点 > 80 ℃)的技术和工艺,包括聚乙烯蜡、费托蜡和生物质基蜡等,尤其对工艺涉及的催化剂和反应机理等进行了分析。聚乙烯裂解制备具有成本低、可以有效解决“白色污染”等优点,并且可以直接利用现有的催化裂化装置。但这一过程需要在高温的苛刻条件下进行,得到的蜡产品碳数分布较广、杂质较多,性能和色泽等方面不如直接乙烯聚合工艺的蜡产品。乙烯聚合蜡工艺则主要受限于复杂的工艺和昂贵的茂金属及非茂金属的配合物催化剂。高熔点费托蜡虽然性能优异并且技术也逐渐成熟,但其不同熔点的产品是通过不同长度碳链的精馏得到,产品是混合碳链的烷烃,仍然存在相对较宽的熔程。虽然生物质基蜡的合成研究刚起步,但其产物碳数单一,具有更窄的熔程;在合成过程中可根据需求选取特殊官能团的生物质平台小分子,还可根据特殊的使用场景对产品进行官能团化等。更重要的是,生物质基高熔点蜡更加契合世界各国的能源绿色可再生化和低碳化政策。展望了高熔点合成蜡的未来发展趋势,以期促进新的工艺和技术路线的涌现。
郎雪玲, 雷淑桃, 李愽龙, 李晓红, 马冰, 赵晨. 高熔点蜡合成技术的研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(10), 2204045. doi: 10.3866/PKU.WHXB202204045
Xueling Lang, Shutao Lei, Bolong Li, Xiaohong Li, Bing Ma, Chen Zhao. Approaches for the Synthesis of High-Melting Waxes: A Review[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38(10), 2204045. doi: 10.3866/PKU.WHXB202204045
Table 1
Catalysts of cracked polyethylene wax and distribution of cracked products."
Method | Catalyst | Condition | Yield of wax (%) | Product distribution (%, mass fraction) | Molecular weight/ (g?mol?1) | Tm/℃ | Researcher | |||
Gas | Oil | Wax | Other | |||||||
thermal cracking | – | 650 ℃ | 28.8 | 20.3 | 50.9 | 28.8 | 0 | – | – | Berrueco et al. |
catalytic cracking | HY | 380 ℃ 30 min | 45.5 | 5.7 | 43 | 45.5 | 5.8 | 2000–4000 | 110 | Zhao |
HZSM-5 | 500 ℃ 30 min | 2 | 73 | 25 | 2 | 0 | – | – | Elordi et al. | |
Hβ | 23 | 32 | 45 | 23 | 0 | |||||
HY | 23 | 22 | 55 | 23 | 0 | |||||
FAMO | 500 ℃ | 60 | 2 | 43 | 55 | 0 | 400–1400 | – | Borsella et al. | |
MCM-41 | 380 ℃ 360 min | 41.2 | 35.9 | 22.9 | 41.2 | 0 | – | – | Grieken et al. |
Table 2
The main components of the catalyst and the properties of the product."
Catalyst | Condition/℃ | Catalyst activity | Molecular weight/(g?mol?1) | PDI (Mw/Mn) | Tm/℃ | Researcher |
CAT-1 | 85 | 6.0 × 103 g (PE)?g?1 (Cat.) | 2700–6200 | 2.03–2.33 | – | Tang et al. |
Cp2ZrCl2 | 50 | 1.89 × 105 g (PE)?mol?1 (Zr)?h?1 | 1500–9000 | 2.3–3.5 | 135 | Moreira et al. |
Ti-Biphenolate-EASC | 100 | 1.88 × 104 g (PE)?g?1 (Ti)·h?1 | 1800–3400 | 1.3–1.9 | 129 | Umare et al. |
Cr2 (2, 6-Et2Ph) | 80 | 1.6 × 107 g (PE)?mol?1 (Cr)?h?1 | 720–1780 | 1.1–1.8 | 130 | Huang et al. |
LCoCl2 | 70 | 1.19 × 107 g (PE)?mol?1 (Co)·h?1 | 9000–16000 | 2.2–3.7 | 131 | Zhang et al. |
Ni3·CH3OH | 20 | 1.24 × 107 g (PE)?mol?1 (Ni)·h?1 | 1800–9200 | 1.6–4.3 | 112 | Yu et al. |
Table 3
Catalysts and product distributions of high-melting waxes by Fischer-Tropsch synthesis."
Catalyst | Condition | Yield of wax/% | Product distribution | Researcher | ||||||
CH4 | C2–4 | C5–11 | C12–18 | C19+ | ||||||
Fe/Mn/K | 270 ℃, 2.5 MPa, H2/CO = 2/1 | 29.1 | 8.0 | 27.0 | 13.7 | 22.2 | 29.1 | Yang et al. | ||
Ba-Co/Al2O3 | 225 ℃, 2 MPa, H2/CO = 2/1 | 38 | 9.8 | 8.0 | 12.4 | 31.7 | 38.1 | Guo et al. | ||
Co/SiO2 | 240 ℃, 2 MPa, H2/CO = 2/1 | – | 8.2 | 7.3 | 82.8 | Subramanian et al. |
1 | Yue S. Chem. Ind. 2012, 30 (10), 11. |
双玥; 化学工业, 2012, 30 (10), 11. | |
2 | Jing G. Refin. Chem. Ind. 2021, 32 (2), 6. |
宫静; 炼油与化工, 2021, 32 (2), 6.
doi: 10.16049/j.cnki.lyyhg.2021.02.002 |
|
3 |
Anene A. F. ; Fredriksen S. B. ; Sætre K. A. ; Tokheim L. -A. Sustainability 2018, 10 (11), 3979.
doi: 10.3390/su10113979 |
4 | Yang J. ; Shan J. B. ; Zhao Y. H. ; Guo X. F. Elastomerics 2015, 25 (3), 81. |
阳军; 单静波; 赵颜华; 郭秀峰; 弹性体, 2015, 25 (3), 81.
doi: 10.16665/j.cnki.issn1005-3174.2015.03.019 |
|
5 |
Orozco S. ; Artetxe M. ; Lopez G. ; Suarez M. ; Bilbao J. ; Olazar M. ChemSusChem 2021, 14 (19), 4291.
doi: 10.1002/cssc.202100889 |
6 |
Levine S. E. ; Broadbelt L. J. Polym. Degrad. Stab. 2009, 94 (5), 810.
doi: 10.1016/j.polymdegradstab.2009.01.031 |
7 |
Serrano D. P. ; Aguado J. ; Escola J. M. ACS Catal. 2012, 2 (9), 1924.
doi: 10.1021/cs3003403 |
8 |
Ueno T. ; Nakashima E. ; Takeda K. Polym. Degrad. Stab. 2010, 95 (9), 1862.
doi: 10.1016/j.polymdegradstab.2010.04.020 |
9 |
Arabiourrutia M. ; Lopez G. ; Artetxe M. ; Alvarez J. ; Bilbao J. ; Olazar M. Renew. Sustain. Energy Rev., 2020, 129, 109932.
doi: 10.1016/j.rser.2020.109932 |
10 |
Mark L. O. ; Cendejas M. C. ; Hermans I. ChemSusChem 2020, 13 (22), 5808.
doi: 10.1002/cssc.202001905 |
11 |
Grause G. ; Matsumoto S. ; Kameda T. ; Yoshioka T. Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50 (9), 5459.
doi: 10.1021/ie102412h |
12 |
Berrueco C. ; Mastral F. J. ; Esperanza E. ; Ceamanos J. Energy Fuels 2002, 16 (5), 1148.
doi: 10.1021/ef020008p |
13 |
Attique S. ; Batool M. ; Jalees M. I. ; Shehzad K. ; Farooq U. ; Khan Z. ; Ashraf F. ; Shah A. T. Turk. J. Chem. 2018, 42 (3), 684.
doi: 10.3906/kim-1612-21 |
14 |
Reiprich B. ; Tarach K. A. ; Pyra K. ; Grzybek G. ; Góra-Marek K. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14 (5), 6667.
doi: 10.1021/acsami.1c21471 |
15 | Zhao, C. S. Research of Manufacturing Macromolecule Wax and Styrenefrom Cracking Waste Plastics. M. S. Dissertation, East China University of Science and Technology, Shanghai, 2014. |
赵存胜. 废塑料裂解制高分子蜡的工艺研究[硕士学位论文]. 上海: 华东理工大学, 2014. | |
16 |
Elordi G. ; Olazar M. ; Lopez G. ; Amutio M. ; Artetxe M. ; Aguado R. ; Bilbao J. J. Anal. AppPyrolysis 2009, 85 (1), 345.
doi: 10.1016/j.jaap.2008.10.015 |
17 |
Borsella E. ; Aguado R. ; De Stefanis A. ; Olazar M. J. Anal. Appl. Pyrolysis, 2018, 130, 320.
doi: 10.1016/j.jaap.2017.12.015 |
18 |
van Grieken R. ; Serrano D. P. ; Aguado J. ; Garcı́a R. ; Rojo C. J. Anal. Appl. Pyrolysis 2001, 58–59, 127.
doi: 10.1016/S0165-2370(00)00145-5 |
19 |
Jia X. ; Qin C. ; Friedberger T. ; Guan Z. ; Huang Z. Sci. Adv. 2016, 2 (6), e1501591.
doi: 10.1126/sciadv.1501591 |
20 | Yuan Q. ; Wang L. L. ; Feng R. J. ; Zhao C. F. ; Cao W. Chem. Eng. 2015, 29 (5), 1. |
袁倩; 王璐璐; 封瑞江; 赵崇峰; 曹伟; 化学工程师, 2015, 29 (5), 1.
doi: 10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20150501 |
|
21 | Wang J. L. ; Wang L. L. ; Zhou P. Mod. Plast. Process. Appl. 2010, 22 (2), 32. |
王吉林; 王璐璐; 周萍; 现代塑料加工应用, 2010, 22 (2), 32. | |
22 |
Yao Y. ; Chau E. ; Azimi G. Waste Manage., 2019, 97, 131.
doi: 10.1016/j.wasman.2019.08.003 |
23 | Tomoshige, T. Modified Polyethylene Wax. DE2241057A1, 1973. |
24 | Finlayson, M. F.; Garrison, C. C.; Guerra, R. E.; Guest, M. J.; Kolthammer, B. W. S.; Parikh, D. R.; Ueligger, S. M. Manufacture of Nonpourable, Homogeneous, Ultra-Low-Molecular-Weight Ethylene Polymers. WO9726287A1, 1997. |
25 | Gao, C. Y.; Zheng, D. X. Method for Preparing Polyethylene Wax Using Metallocene Catalyst. CN Patent 201280041261.7. 2014. |
高承佑, 郑东旭. 使用金属茂催化剂制备聚乙烯蜡的方法: 中国, CN201280041261.7[P]. 2014. | |
26 | Tang, Z. L. Polyethylene Wax and Preparation Method. CN Patent 201310475487.4. 2014. |
唐忠利. 聚乙烯蜡及其制造方法: 中国, CN201310475487.4[P]. 2014. | |
27 |
Moreira S. C. ; Marques M. d. F. V. Eur. Polym. J. 2001, 37 (10), 2123.
doi: 10.1016/S0014-3057(01)00072-6 |
28 |
Lamb J. V. ; Buffet J. -C. ; Turner Z. R. ; Khamnaen T. ; O'Hare D. Macromolecules 2020, 53 (14), 5847.
doi: 10.1021/acs.macromol.0c00990 |
29 |
Gao J. ; Zhang L. ; Alam F. ; Chen Y. ; Jiang T. ChemistrySelect 2018, 3 (23), 6468.
doi: 10.1002/slct.201800952 |
30 |
Umare P. S. ; Rao K. ; Tembe G. L. ; Dhoble D. A. ; Trivedi B. J. Appl. Polym. Sci. 2007, 104 (3), 1531.
doi: 10.1002/app.25525 |
31 |
Bollmann A. ; Blann K. ; Dixon J. T. ; Hess F. M. ; Killian E. ; Maumela H. ; McGuinness D. S. ; Morgan D. H. ; Neveling A. ; Otto S. ; et al J. Am. Chem. Soc. 2004, 126 (45), 14712.
doi: 10.1021/ja045602n |
32 |
Huang C. ; Zhang Y. ; Solan G. A. ; Ma Y. ; Hu X. ; Sun Y. ; Sun W. -H. Eur. J. Inorg. Chem. 2017, 2017 (36), 4158.
doi: 10.1002/ejic.201700837 |
33 |
Zhang R. ; Huang Y. ; Solan G. A. ; Zhang W. ; Hu X. ; Hao X. ; Sun W. -H. Dalton Trans. 2019, 48 (23), 8175.
doi: 10.1039/C9DT01345H |
34 |
Johnson L. K. ; Killian C. M. ; Brookhart M. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117 (23), 6414.
doi: 10.1021/ja00128a054 |
35 |
Yu J. ; Zeng Y. ; Huang W. ; Hao X. ; Sun W. -H. Dalton Trans. 2011, 40 (33), 8436.
doi: 10.1039/C1DT10541H |
36 |
Fischer F. ; Tropsch H. Chem. Ber., 1926, 59, 830.
doi: 10.1002/cber.19260590442 |
37 | Fischer F. ; Tropsch H. Brennstoff-Chem, 1926, 7, 97. |
38 |
Qi Z. ; Chen L. ; Zhang S. ; Su J. ; Somorjai G. A. Appl. Catal. A, 2020, 602, 117701.
doi: 10.1016/j.apcata.2020.117701 |
39 |
Tian Z. ; Wang C. ; Si Z. ; Wang Y. ; Chen L. ; Liu Q. ; Zhang Q. ; Xu Y. ; Ma L. ChemistrySelect 2018, 3 (44), 12415.
doi: 10.1002/slct.201801515 |
40 |
Enger B. C. ; Holmen A. Catal. Rev. 2012, 54 (4), 437.
doi: 10.1080/01614940.2012.670088 |
41 | Chen J. G. ; Xiang H. W. ; Dong Q. N. ; Wang X. Z. ; Sun Y. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2001, 17 (2), 161. |
陈建刚; 相宏伟; 董庆年; 王秀芝; 孙予罕; 物理化学学报, 2001, 17 (2), 161.
doi: 10.3866/PKU.WHXB20010214 |
|
42 |
Hwang J. ; Kwak G. ; Lee Y. -J. ; Kim Y. T. ; Jeong I. ; Kim S. ; Jun K. -W. ; Ha K. -S. ; Lee J. J. Mater. Chem. A 2015, 3 (47), 23725.
doi: 10.1039/C5TA06184A |
43 |
Lyu S. ; Cheng Q. ; Liu Y. ; Tian Y. ; Ding T. ; Jiang Z. ; Zhang J. ; Gao F. ; Dong L. ; Bao J. ; et al Appl. Catal. B 2020, 278, 119261.
doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119261 |
44 | Zhang C. -H. ; Yang Y. ; Tao Z. -C. ; Li T. -Z. ; Wan H. -J. ; Xiang H. -W. ; Li Y. -W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2006, 22 (11), 1310. |
张成华; 杨勇; 陶智超; 李廷真; 万海军; 相宏伟; 李永旺; 物理化学学报, 2006, 22 (11), 1310.
doi: 10.1016/s1872-1508(06)60064-8 |
|
45 | Liu Z. -H. ; Yu C. -C. ; Yang P. ; Li R. -J. ; Zhou H. -J. ; Xu C. -M. Acta Phys. -Chim. Sin., 2015, 31 (Suppl), 90. |
刘治华; 余长春; 杨盼; 李然家; 周红军; 徐春明; 物理化学学报, 2015, 31 (Suppl), 90.
doi: 10.3866/PKU.WHXB2014Ac02 |
|
46 | Ma W. P. ; Zhao Y. L. ; Li Y. W. ; Xv Y. Y. ; Zhou J. L. Nat. Gas Chem. Indus. 1998, (3), 3. |
马文平; 赵玉龙; 李永旺; 徐元源; 周敬来; 天然气化工, 1998, (3), 3. | |
47 |
Eilers J. ; Posthuma S. A. ; Sie S. T. Catal. Lett. 1990, 7 (1), 253.
doi: 10.1007/BF00764507 |
48 |
Lv T. ; Weng W. ; Zhou J. ; Gu D. ; Xiao W. J. Energy Chem., 2020, 47, 118.
doi: 10.1016/j.jechem.2019.12.003 |
49 |
Martínez del Monte D. ; Vizcaíno A. J. ; Dufour J. ; Martos C. Fuel Process. Technol., 2019, 194, 106102.
doi: 10.1016/j.fuproc.2019.05.025 |
50 |
Yang Y. ; Xiang H. -W. ; Xu Y. -Y. ; Bai L. ; Li Y. -W. Appl. Catal., A, 2004, 266 (2), 181.
doi: 10.1016/j.apcata.2004.02.018 |
51 |
Shah Y. T. ; Perrotta A. J. Product R & D 1976, 15 (2), 123.
doi: 10.1021/i360058a005 |
52 |
Guo S. ; Wang Q. ; Wang M. ; Ma Z. ; Wang J. ; Hou B. ; Chen C. ; Xia M. ; Jia L. ; Li D. Fuel, 2019, 256, 115911.
doi: 10.1016/j.fuel.2019.115911 |
53 |
Yang X. ; Wang W. ; Wu L. ; Li X. ; Wang T. ; Liao S. Appl. Catal. A, 2016, 526, 45.
doi: 10.1016/j.apcata.2016.07.021 |
54 |
Subramanian V. ; Cheng K. ; Lancelot C. ; Heyte S. ; Paul S. ; Moldovan S. ; Ersen O. ; Marinova M. ; Ordomsky V. V. ; Khodakov A. Y. ACS Catal. 2016, 6 (3), 1785.
doi: 10.1021/acscatal.5b01596 |
55 | Liang X. M. ; Yuan W. ; Luo C. T. Synth. Mater. Aging Appl. 2017, 46 (4), 92. |
梁雪美; 袁炜; 罗春桃; 合成材料老化与应用, 2017, 46 (4), 92.
doi: 10.16584/j.cnki.issn1671-5381.2017.04.021 |
|
56 | Knott D. Oil Gas J. 1997, 95 (25), 16. |
57 | Bai E. Z. Chem. Indus. Eng. Prog. 2004, (4), 370. |
白尔铮; 化工进展, 2004, (4), 370.
doi: 10.16085/j.issn.1000-6613.2004.04.007 |
|
58 | Qian B. Z. Nat. Gas Ind. 2002, (4), 88. |
钱伯章; 天然气工业, 2002, (4), 88. | |
59 | Tang H. Q. Chem. Eng. 2010, 38 (10), 1. |
唐宏青; 化学工程, 2010, 38 (10), 1. | |
60 | Sun Y. H. ; Li Y. W. Bull. Chin. Acad. Sci. 2002, (2), 100. |
孙予罕; 李永旺; 中国科学院院刊, 2002, (2), 100.
doi: 10.16418/j.issn.1000-3045.2002.02.004 |
|
61 |
McNutt J. ; He Q. J. Ind. Eng. Chem., 2016, 36, 1.
doi: 10.1016/j.jiec.2016.02.008 |
62 | Ding S. ; Ge Q. ; Zhu X. Acta Chim. Sin. 2017, 75 (5), 439. |
丁爽; 葛庆峰; 祝新利; 化学学报, 2017, 75 (5), 439.
doi: 10.6023/A17020061 |
|
63 |
Boekaerts B. ; Lorenz W. ; Van Aelst J. ; Sels B. F. Appl. Catal., B, 2022, 305, 121052.
doi: 10.1016/j.apcatb.2021.121052 |
64 |
Corma A. ; Renz M. ; Schaverien C. ChemSusChem 2008, 1 (8-9), 739.
doi: 10.1002/cssc.200800103 |
65 |
Chen S. ; Wu T. ; Fang Y. ; Zhao C. Renew. Energy, 2022, 186, 280.
doi: 10.1016/j.renene.2021.12.150 |
66 |
Chen S. ; Wu T. ; Zh ao ChemSusChem 2020, 13 (20), 5516.
doi: 10.1002/cssc.202001551 |
67 |
Chen S. ; Zhao C. ACS Sustain. Chem. Eng. 2021, 9 (32), 10818.
doi: 10.1021/acssuschemeng.1c02875 |
68 | Zhao, C.; Lei, S. T.; Zhao, L.; Li, B. L. A Method of Preparing High-Melting-Point Wax from Furfural. CN Patent 111470927A, 2020. |
赵晨, 雷淑桃, 赵磊, 李愽龙. 一种从糠醛制备高熔点蜡的方法: 中国, CN111470927A[P]. 2020. |
[1] | 赵华博, 马丁. χ-Fe5C2:结构,合成与催化性质调控[J]. 物理化学学报, 2020, 36(1): 1906087 - . |
[2] | 刘治华, 余长春, 杨盼, 李然家, 周红军, 徐春明. 钍对浸渍型和蛋壳型钴基催化剂Co/SiO2费托合成性能的影响[J]. 物理化学学报, 2015, 31(Suppl): 90 -94 . |
[3] | 许可, 程义, 孙博, 裴燕, 闫世润, 乔明华, 张晓昕, 宗保宁. 用于费托合成的骨架Co@HZSM-5核壳催化剂[J]. 物理化学学报, 2015, 31(6): 1137 -1144 . |
[4] | 李江兵, 马宏方, 张海涛, 孙启文, 应卫勇, 房鼎业. FeMn、FeMnNa和FeMnK催化剂上合成气制低碳烯烃的比较[J]. 物理化学学报, 2014, 30(10): 1932 -1940 . |
[5] | 曹崇江, 刘晓庚, 鞠兴荣, 陈晓荣. Pt/Fe双金属Fischer-Tropsch催化剂的设计、合成及表征[J]. 物理化学学报, 2013, 29(11): 2475 -2480 . |
[6] | 姚芳芳, 吴宝山, 周利平, 高军虎, 李莹, 李永旺. 醇添加对钴基催化剂费托合成反应的影响[J]. 物理化学学报, 2013, 29(05): 1063 -1072 . |
|