CN100404432C - 一种降低沸石改性过程中氨氮污染的方法 - Google Patents

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一种降低沸石改性过程中氨氮污染的方法,是在沸石改性过程中,以钾化合物交换沸石中的钠,再用铵盐进行进一步的沸石交换改性处理的方法,钾化合物加入比例为钾化合物/分子筛的重量比为0.01~0.5,反应温度5~100℃,接触时间0.1~6小时。该方法不增加沸石改性成本,铵盐使用量降低50%左右,从而降低氨氮污染以及氨氮废水处理过程中的负担和投资,是一种改性沸石的环境保护技术;所制备的沸石及催化剂,具有更低的氧化钠含量,催化剂性能基本不变或有所提高。

Description

一种降低沸石改性过程中氨氮污染的方法
技术领域
本发明涉及一种降低沸石改性过程中氨氮污染的方法,该方法可以大大降低沸石改性过程中的铵盐使用量,从而减少了氨氮污染。
背景技术
在催化裂化催化剂生产中,传统工艺均采用铵盐来降低碱金属钠的含量,由于催化剂特别是其活性组分中的钠所处的位置不同、空间位阻不同,要使分子筛和催化剂的钠含量满足指标要求,往往需要使用过量的铵盐,这就不可避免地产生高浓度的氨氮污水,造成环境污染。氨氮废水排入水体,特别是流动较缓慢的湖泊、海湾,容易引起水中藻类及其它微生物大量繁殖,形成富营养化污染,除了会使自来水处理厂运行困难,造成饮用水的异味外,严重时会使水中溶解氧下降,鱼类大量死亡,甚至会导致湖泊灭亡。氨氮还使给水消毒和工业循环水杀菌处理过程中增大了用氯量,对某些金属,特别是对铜具有腐蚀性。当污水回用时,再生水中微生物可以促进输水管和用水设备中微生物的繁殖,形成生物后,堵塞管道和用水设备,并影响换热效率。
近半个世纪以来,人们对转化和去除污水中的氮进行了大量工作,目前处理氨氮主要技术有:生物脱氮法、吹脱法及汽提法、折点加氯法、离子交换法、化学沉淀法、催化湿式氧化法、电渗析法、液膜法、电解法等方法,但存在投资大、操作复杂、操作费用高等缺点,还没有一种方案能做到高效、经济、稳定地处理高浓度氨氮废水,有些工艺在氨氮被脱除的同时带来了二次污染。因此,在沸石及催化剂的改性及制备过程中,采用新技术减少铵盐使用量,从源头缓解氨氮污染是一项有效的环保措施,具有重要价值。
沸石是含水多孔硅铝酸盐,其结构主要由硅氧四面体组成,其中部分Si4+被Al3+取代,导致负电荷过剩,因此结构中有碱金属或碱土金属等平衡离子,同时,沸石构架中有一定的空腔和孔道,决定其具有离子交换作用,其离子交换选择性顺序为:
Cs+>Rb+>K+>NH4 +>Ba2+>Sr2+>Na+>Ca2+>Fe3+>Al3+>Mg3+>Li+
在离子交换过程中,由于不同位置上的钠离子能量不同,而且所含有的空间位阻不同,位于小笼中的钠离子很难被交换出来。采用离子交换效率高的钾离子进行沸石交换,更有利于促使钾离子向沸石内部迁移并进行离子交换反应,最终更多的钠离子被取代;随后,采用铵盐交换这种含钾的沸石,使沸石中的钠、钾同时被交换取代,沸石结构达到电荷平衡。上述过程中铵盐使用量减少。
在沸石或催化剂中引入钾离子,一般作为目的金属离子改善沸石或者催化剂的性能,专利US3982912(1976)中,通过钾离子交换制备K-A型沸石,选择性吸附分离化合物;US4119678(1978)制备K-X型沸石,用于选择吸附1-丁烯,将1-丁烯从其他的C4烯烃中分离出来;US4483937(1984)专利公布了一种改性沸石催化剂,用Cs、K或Rb中的至少一种,合并其它的金属离子改性X-或Y沸石,以烷基甲苯和甲醇为原料合成苯乙烯;US4593150(1986)中将K-Y沸石用作吸附剂,从二甲苯和乙苯物流中分离出对位二甲苯;US5736478(1998)公布了一种负载铂、锡、钾的L沸石,用于轻石蜡烃选择性脱氢以及选择性地将异丁烷转化为异丁烯;US6342153(2002)公布了一种用于重油催化转化最大量生产低碳烯烃的催化剂,催化剂含Y型沸石、择型沸石以及Mg、Al、K、P、Sn等改性元素,但不涉及改性元素在沸石交换过程中引入,而且改性元素作为目的金属离子存在于沸石或催化剂中,以改善沸石或催化剂的性能。
现有技术虽然在沸石或催化剂中引入钾金属元素,但都是作为改性元素存在于沸石或催化剂中,而且不涉及降低沸石或催化剂改性或制备过程中的氨氮污染。
发明内容
本发明的目的与上述技术明显不同,在于采用的钾离子用于降低沸石钠含量,在接下来的铵盐交换过程中,钾离子也被交换掉,而不是以目的改性离子的形式尽可能多地保留在沸石或者催化剂中。
为了实现本发明的目的,本发明在沸石改性过程中,引入钾化合物,采用钾离子对沸石进行交换,以降低沸石中钠含量,再用铵盐进行进一步的交换处理,降低沸石中的钠以及之前交换过程中引入的钾离子;钾化合物加入比例为钾化合物/分子筛的重量比为0.01~0.5,最好为0.05~0.20;反应温度5~100℃,接触时间0.1~6小时。
沸石作为催化剂的活性组分,需要经过几次交换才能达到催化剂对低钠含量的要求。本发明技术由于用钾盐代替了一部分铵盐对沸石中的钠进行交换,因此降低了沸石改性过程中总的铵盐使用量,从而降低废水排放中的铵盐含量,减少了氨氮污水的处理负担和费用,从根本上降低了氨氮污染。
更具体地说,本发明技术是在搅拌状态下,向沸石分子筛浆液中加入钾化合物,也可以同时加入其它的金属阳离子化合物,例如稀土、铵盐等,加入比例为钾化合物/分子筛(重)=0.05~0.5,最好为0.10~0.20;反应温度5~100℃,时间0.1~6小时,然后将交换浆液过滤、洗涤,可以接着进行铵盐交换,交换后的沸石,再与其它催化剂组分一起,制成催化剂;也可以将沸石浆液进行过滤,形成滤饼,然后将含有钾化合物的溶液与滤饼接触,进行离子交换,该溶液中也可以含有其它的金属阳离子,例如稀土或/和铵盐等,加入比例为稀土/分子筛的重量比为0.005~0.25,其中稀土以氧化物计算;铵盐/分子筛的重量比为0.005~0.2。上述交换后的沸石,接着进行铵盐交换,再与其它催化剂组分一起,制成催化剂;也可以将铵盐交换后置,用含有钾化合物的溶液交换后,先与其它催化剂组分一起进行催化剂成型以后,再使用铵盐进行交换,将其中的钠和极大部分的钾交换掉。
本发明所述的沸石分子筛可以是一种或几种选自八面沸石(如X型、Y型沸石)、ZSM-5沸石、β沸石、丝光沸石,或经过物理或化学改性的上述沸石分子筛,其中改性八面沸石分子筛一种或几种选自氢Y、稀土Y、稀土氢Y、超稳Y、稀土超稳Y。
本发明所述的钾化合物可以选自硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐、乙酸盐、卤化物、磷酸盐中的一种或几种。
本发明所述的铵盐,可为一种或几种选自硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐、乙酸盐、卤化物、磷酸盐的铵盐。
常规进行铵盐交换时,以Y型分子筛为例,要得到氧化钠含量低于1.0%(重)的分子筛,铵盐用量为:铵盐/分子筛(重)=0.6~0.8,本发明中铵盐交换时,铵盐用量为:铵盐/分子筛(重)=0.3~0.4,降低了50%左右。
本发明的主要优点和效果:该方法不增加沸石改性成本,铵盐使用量明显降低,是一种改性沸石的环境保护技术;以改性后的沸石为活性组分,所制备催化剂具有钠含量低的特点,同时催化剂性能基本不变,或略有提高。
具体实施方式
下面进一步用实施例说明本发明,但本发明并不仅限于这些例子。
(一)实施例中所用的分析测试方法。
1.氧化钠、氧化钾:火焰光度法
2.相对结晶度C/C0、晶胞常数a0:X射线衍射法
3.微反活性:样品预先在800℃、100%水蒸汽条件下处理4小时或17小时。反应原料为大港轻柴油,反应温度460℃,反应时间70秒,催化剂装量5.0克,剂油重量比3.2。以总转化率作为微反活性。
4.催化剂选择性评价:催化剂预先在800℃、100%水蒸汽条件下预处理10h。反应原料油为新疆蜡油和新疆减压渣油按70∶30掺和的混合油,反应温度500℃,空速15h-1,剂油比4。
(二)实施例中所用原料规格
1.氯化钾、碳酸钾、硝酸钾、硫酸铵、氯化铵、盐酸:均为化学试剂。
2.高岭土、铝溶胶、拟薄水铝石均为工业品。
3.氯化稀土:为工业品,氧化稀土含量为275g/L。
3.沸石:NaY(氧化钠含量14.0%)、稀土超稳Y(氧化钠含量4.8%)、稀土Y均为中石油兰州石化公司催化剂厂生产;Na/ZSM-5硅铝摩尔比34,南开大学生产,均为工业合格品。
实施例1
在搅拌状态下,将50g(干基)NaY加水400ml,加入氯化钾10g、氯化稀土6ml,加入浓度为18%的盐酸30ml,升温到85℃,保温1小时,过滤,形成滤饼A,滤饼厚度约5mm;将15g氯化铵加入250ml水中,形成溶液,升温到85℃,加到滤饼A上,过滤,保持过滤真空度0.06MPa,形成滤饼B。在马弗炉中,在温度600℃下焙烧滤饼1.5h,制得本发明沸石A。
实施例2
在搅拌状态下,将50g(干基)稀土超稳Y加水400ml,加入碳酸钾5g、硫酸铵2g,加入3M硫酸10ml,升温到85℃,保温0.5小时,过滤,形成滤饼C,滤饼厚度约5mm;将10g硫酸铵加入250ml水中,形成溶液,升温到60℃,加到滤饼C上,过滤,保持过滤真空度0.06MPa,形成滤饼D。在马弗炉中,在温度650℃下焙烧滤饼2h,制得本发明沸石B。
实施例3
在搅拌状态下,将50g(干基)Na/ZSM-5加水400ml,加入硝酸钾3g,加入浓度为18%的盐酸25ml,在温度15℃下搅拌4小时,过滤,形成滤饼E,滤饼厚度约5mm;将8g硝酸铵加入250ml水中,形成溶液,加到滤饼E上,过滤,保持过滤真空度0.04MPa,形成滤饼F。在马弗炉中,在温度700℃下焙烧滤饼1.5h,制得本发明沸石C。
实施例4
在搅拌状态下,将950g高岭土、800g拟薄水铝石和3300ml水混和,加入100ml盐酸,搅拌1h,然后加入铝溶胶1300g,加入800g本发明沸石B、40g本发明沸石C、300g稀土Y,搅拌1h,浆液经过均质后,喷雾干燥成型。600g干燥成型的微球,经过600℃焙烧15min冷却后,加入5000ml水中,加入硫酸铵60g,18%盐酸20ml,在温度60℃搅拌30min,过滤,干燥,得到含本发明沸石的催化剂D。
对比例1
除将10g氯化钾换成15g氯化铵以外,其它条件同实施例1,制得对比沸石E。
对比例2
除将5g碳酸钾换成10g硫酸铵以外,其它条件同实施例2,制得对比沸石F。
对比例3
除将3g硝酸钾换成8g硝酸铵以外,其它条件同实施例3,制得对比沸石G。
对比例4
除将本发明沸石B换成对比沸石F、本发明沸石C换成对比沸石G以外,其它条件同实施例4,制得对比催化剂H。
表1为实施例1~3制备的本发明沸石A、B、C以及对比例1~3制备的沸石E、F、G的分析结果,表2为实施例4制备的含本发明沸石B、C的催化剂D以及对比例4制备的含对比例沸石F、G的催化剂H的分析测试结果。
从表1中数据看出,本发明沸石的结晶度、晶胞常数与对比沸石相当,氧化钠含量均低于对比沸石,尤其在沸石钠含量较低的情况下,采用本发明技术改性的沸石B,氧化钠含量只有0.56%,是对比沸石F的氧化钠含量(为1.50%)的大约三分之一,沸石B同时含有一定量的钾,但本发明中采用的改性金属氧化物熔点相对高,在催化裂化过程中不至于造成沸石结构的严重破坏,而氧化钠熔点低,在催化裂化条件下会破坏沸石结构,导致催化剂严重失活,因此必须严格限制催化剂中的氧化钠含量。
表1 各种沸石的分析结果
Figure C20051008877100091
表2 催化剂的分析结果
Figure C20051008877100092
由于氧化钾的熔点高于氧化钠的熔点,所以在经过长时间水热处理的条件下,本发明含钠、钾的沸石晶体结构保留高,催化剂活性高。表2结果也证明了这一点:含有本发明沸石的催化剂氧化钠含量很低,从催化剂微反活性看,本发明催化剂活性比较高,稳定性好,17h活性高于对比剂3个百分点。
将实施例4制备的本发明催化剂D以及对比例4制备的催化剂H,在小型固定流化床反应装置(催化剂装量180克)上,进行裂化反应性能评价,反应的产品分布以及汽油组成分析数据列于表3中。表3中,总液收为反应后液化气、汽油、柴油的重量百分含量之和,轻收为反应后汽油、柴油的重量百分含量之和。转化率指的是原料油经过反应后,产品分布分析中干气、液化气、汽油、焦炭的重量百分含量的总和。干气收率/转化率指的是干气收率与转化率的比值,其它的汽油、焦炭收率/转化率雷同。
表3 催化剂的裂化反应评价结果
  催化剂   应用实施例4所得催化剂D   应用对比例4所得催化剂H
  反应后的物料平衡,wt%
  干气   1.54 1.58
  液化气   13.24 14.52
  汽油   48.39 48.03
  柴油   19.87 19.57
  重油   8.86 8.01
  焦炭   7.86 7.76
  总计   99.77 99.48
  转化率,wt%   71.03 71.89
  轻收,wt%   68.27 67.60
  总液收,wt%   81.51 82.12
  产品选择性
  干气收率/转化率   0.02 0.02
  液化气/转化率   0.19 0.20
  汽油收率/转化率   0.68 0.67
  焦炭收率/转化率   0.11 0.11
  汽油组成,v%
  正构烷烃   3.99   3.98
  异构烷烃   33.72   34.62
  烯烃   17.07   17.23
  环烷烃   9.22   9.26
  芳烃   35.99   34.91
  辛烷值
  RON   91.5   91.6
  MON   80.3   80.6
由表3数据看出,本发明催化剂D与对比催化剂H具有基本相当的产品分布,产品选择性相当,汽油烯烃含量和辛烷值相当。

Claims (11)

1.一种降低沸石改性过程中氨氮污染的方法,其特征在于在沸石改性过程中,引入钾化合物,采用钾离子对沸石进行交换,以降低沸石中钠含量,再用铵盐进行进一步的交换处理,降低沸石中的钠以及之前交换过程中引入的钾离子;钾化合物加入比例为钾化合物/分子筛的重量比为0.01~0.5,反应温度5~100℃,接触时间0.1~6小时。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于钾化合物加入比例为钾化合物/分子筛的重量比为0.05~0.20。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于引入钾化合物由下述步骤实现:在搅拌状态下,向沸石分子筛浆液中加入含钾化合物的溶液,钾离子对沸石进行交换,交换后的沸石,可以接着进行铵盐交换,再与其它催化剂组分一起,制成催化剂。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于引入钾化合物由下述步骤实现:在搅拌状态下,向沸石分子筛浆液中加入含钾化合物的溶液,钾离子对沸石进行交换,交换后的沸石,再与其它催化剂组分一起,在催化剂成型以后,使用铵盐进行交换,最后制成催化剂。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于引入钾化合物由下述步骤实现:将沸石浆液进行过滤,形成滤饼,然后将含钾化合物的溶液与滤饼接触,进行离子交换,交换后的沸石,可以接着进行铵盐交换,再与其它催化剂组分一起,制成催化剂。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于引入钾化合物由下述步骤实现:将沸石浆液进行过滤,形成滤饼,然后将含钾化合物的溶液与滤饼接触,进行离子交换,再与其它催化剂组分一起,在催化剂成型以后,使用铵盐进行交换,最后制成催化剂。
7.根据权利要求4、5、6任一所述的方法,其特征在于在含钾化合物的溶液中允许加入稀土或/和铵盐,加入比例为稀土/分子筛的重量比为0.005~0.25,其中稀土以氧化物计算;铵盐/分子筛的重量比为0.005~0.2。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于钾化合物来自其硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐、乙酸盐、卤化物、磷酸盐中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于铵盐选自硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐、乙酸盐、卤化物、磷酸盐中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于沸石分子筛选自八面沸石、ZSM-5沸石、β沸石、丝光沸石中的一种或几种,或经过物理或化学改性的上述沸石分子筛。
11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于改性八面沸石分子筛选自氢Y、稀土Y、稀土氢Y、超稳Y、稀土超稳Y中的一种或几种。
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