CN101121526A - 一种纳米Fe-ZSM-5沸石分子筛的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及沸石分子筛合成技术领域,具体涉及纳米杂原子沸石分子筛的制备方法。以硅酸钠或水玻璃、无机酸、无机铁盐、有机胺、去离子水为原料,通过溶液配制、两段变温晶化、洗涤分离、烘干焙烧等步骤,制备出纳米Fe-ZSM-5沸石分子筛,晶粒尺寸小于100nm。本发明用于石油化工、精细化工与环保领域。
Description
技术领域
本发明涉及沸石分子筛合成技术领域,具体涉及纳米杂原子沸石分子筛的制备方法。
背景技术
沸石分子筛催化剂具有独特的分子择形性能、高的催化活性与水热稳定性,在工业催化中占据着主要地位。ZSM-5沸石分子筛是美国Mobil石油公司开发的一类高硅铝比的中孔沸石分子筛,具有独特的结构与物理化学性质,在石油化工、精细化工与环保中有广泛的应用。
近年来,随着对沸石分子筛领域研究的深入,小晶粒的分子筛受到更多的关注。与大晶粒分子筛相比,小晶粒分子筛的比表面积大,有利于提高催化剂的活性;孔道短、扩散组力小,有利于降低副反应的发生,提高产物的选择性;孔容大,有利于提高负载型催化剂中活性金属组分的吸附与分散,提高催化剂的容碳能力,延长催化剂的使用寿命。
将杂原子Fe引入ZSM-5沸石分子筛,能够有效的调控分子筛的酸中心强度与密度,并对分子筛孔径大小、比表面积、吸附与扩散性能均有一定程度的影响,进而影响到所制备催化剂的活性、稳定性与产物择形性能。Fe-ZSM-5沸石分子筛广泛的应用于合成气转化制烃类(Appl.Catal.,27(1),55-68(English)1986),甲醇制取低碳烯烃(催化学报,14(1),37-43,1993),丙烷脱氢制丙烯(Applied Catalysis,A:General,279(1-2),117-123(English)2005)等反应中。
引入杂原子的方法常用的有离子交换法、浸渍置换法、合成引入法以及固态混合焙烧等方法。对甲醇转化为烃类反应具有良好的催化性能,关于该杂原子沸石分子筛的各种制备方法均有文献报道。
(1)离子交换法制备Fe-ZSM-5沸石分子筛
常用的方法是将一定浓度的硝酸铁或氯化铁溶液与HZSM-5沸石分子筛按一定的固液比,在一定温度下进行多次重复交换(如只交换一次,则交换时间相对较长)。交换后所得样品用去离子水洗涤,烘干,焙烧即可。(Chem.Commun.,2000,17:1651-1652)。
(2)浸渍法制备Fe-ZSM-5沸石分子筛
浸渍法制备是根据所要负载于ZSM-5分子筛上的金属量,配制一定浓度的含铁溶液浸渍分子筛,然后将其于100℃左右烘干,450~550℃焙烧后得Fe-ZSM-5沸石分子筛。(Appl.Catal.,1986,27(1):55-68)。
(3)直接合成Fe-ZSM-5沸石分子筛
直接合成法为:在搅拌状态下,向一定量含硅水溶液中加入一量的无机钠盐,搅拌一定时间;然后再将含一定量无机铁盐与无机酸配制的水溶液滴加入上述溶液中,最后加入有机胺模板剂。在搅拌状态下,以2℃/分钟的速率由室温升到反应温度,恒温130小时完成结晶。(中国专利,98123933.1;US6773694B1)。
通过交换或浸渍方法制备的Fe-ZSM-5沸石分子筛的晶粒大小主要由所用ZSM-5沸石分子筛的晶粒大小决定,一般均大于1μm,且需要多次重复交换、洗涤,制备过程复杂;固态混合焙烧制得的分子筛存在Fe在分子筛上分布不均匀的缺点。直接法制备Fe-ZSM-5沸石分子筛所用原料种类多,合成所用时间长,且在搅拌状态下,得到的样品晶粒大小也在100nm以上。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:
针对现有技术的不足,本发明的目的是提供一种纳米Fe-ZSM-5沸石分子筛的制备方法,使得操作方法安全、简单,克服制备小晶粒分子筛在低温下晶化耗时长的缺点,能够制备晶粒小于100nm的小晶粒分子筛。
本发明的技术方案是:
一种纳米Fe-ZSM-5沸石分子筛的制备方法;其包括以下步骤:
第1步:将硅酸钠或水玻璃溶解在去离子水中,配制成溶液,记为A溶液;将无机酸与无机铁盐用去离子水配制成溶液,记为C溶液;
第2步:搅拌C溶液,同时将A溶液缓慢滴加入C溶液中;继续搅拌C溶液直至混合均匀;该混合液记为D溶液;
第3步:搅拌D溶液,同时将有机胺模板剂加入D溶液中;继续搅拌D溶液,直至成为均匀混合物;根据具体合成条件不同,该混合物可以是凝胶状,也可以是液体状。
在上述各步骤中,所述各原料中的Fe、Si组分分别以Fe2O3、SiO2计,无机酸用量以第3步生成的混合物中的Na2O计,所述各组分的摩尔组成满足下述比例关系:
Fe2O3=1
SiO2=20~200
Na2O=20~40
有机胺模板剂=3~30
H2O=1000~3000
本发明以含硅物质、无机铁盐、无机酸、有机胺、去离子水为原料,各种原料的用量以及各种溶液的浓度,以所有原料的总量能够满足上述各组分的比例关系为准。
第4步:将第3步制出的混合物放入晶化器内,在70℃~120℃条件下恒温20~60小时;然后升温至140℃~220℃,再恒温10~80小时;完成结晶过程。
晶化过程采用静态法,不需要搅拌。晶化过程中采用变温两段法,先在较低温度下完成晶核的形成过程,然后提高晶化温度快速完成晶体的生长过程,克服了传统方法制备小晶粒或纳米分子筛时低温晶化时间长的缺点,极大的缩短了合成时间,能够快速合成纳米尺寸的Fe-ZSM-5沸石分子筛。
所述的晶化器是密闭容器。晶化器一般是能够耐压的金属罐,例如不锈钢罐。
第5步:使晶化器降温;将晶化后的固液混合产物进行过滤或沉降,除去液体;然后用去离子水洗涤固体产物后再过滤或沉降,并多次进行洗涤及过滤或沉降过程;直至滤出液的pH值为7~8;
晶化器降温可以采用水冷却方式,也可以采用其他公知的常规冷却方式,将晶化器降至室温。
可以采用滤纸、滤布过滤,也可以采用重力沉降、离心沉降,其目的是从固液混合产物分离出固相。因此各种公知的常规过滤或沉降方式都可以采用。第一次过滤或沉降后,还要重新用去离子水洗涤固相,再次过滤或沉降分离出固相;洗涤、分离过程需要进行多次,使液相的pH值达到要求的7~8。
第6步:将所得固体产物在80℃~120℃温度下烘干10~30小时,然后在520℃~640℃温度下焙烧4~10小时;
通常是先放入烘箱烘干,然后在马福炉中焙烧,目的是去除有机模板剂。
最后,得到纳米Fe-ZSM-5沸石分子筛。产品晶粒尺寸小于100nm。
通常使用的水玻璃是模数为2.6~3.6的水玻璃。
所述的无机酸可以选自硫酸、盐酸、硝酸、磷酸;但不限于此。
所述的无机铁盐可以选自硫酸铁、硝酸铁、磷酸铁、氯化铁;但不限于此。
所述的有机胺模板剂可以选自四丙基氢氧化铵、四丙基溴化铵、正丁胺;但不限于此。
在第1步中,所述的配制C溶液可以采用下述过程:先将无机酸用去离子水稀释成浓度为5%~20%重量百分比的无机酸溶液,记为B溶液;再将无机铁盐溶解于B溶液中,配制成C溶液;
本发明的晶粒尺寸可控,合成的Fe-ZSM-5沸石分子筛晶粒大小可以通过晶化时间与晶化温度的调控或调控料液的pH值,将晶粒控制在40nm~100nm之间。
本发明的有益效果是:
本发明以含硅物质、无机铁盐、有机胺、无机酸和去离子水为原料,使用无毒的有机铵代替有毒的胺类作为模板剂,在静态下进行合成,因此合成过程安全、简单且易于操作,合成耗时短。
本发明晶化过程采用静态法,不需要搅拌,简化了操作条件,降低了生产难度。晶化过程采用变温两段法,克服了传统方法制备小晶粒或纳米分子筛时低温晶化时间长的缺点,缩短了合成过程中的晶化时间。
附图说明
图1是实施例1制备的分子筛晶粒的扫描电镜图。
图2是实施例1制备的分子筛晶粒的透射电镜图。
图3是透射电镜表征的实施例1制备的分子筛晶粒表面形貌图。
图4是透射电镜表征的实施例1制备的分子筛孔径分布图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围不受这些实施例的限制,本发明的范围在权利要求书中提出。
实施例1
将4.4g硫酸、20g去离子水、1.1g硫酸铁在室温下混合,搅拌至硫酸铁完全溶解,溶液变为澄清;然后将17.1g硅酸钠溶解于32g去离子水中,将该含硅水溶液滴加到上述的含铁溶液中,搅拌二者混合均匀后加入3g浓度为30%的四丙基氢氧化铵溶液,继续搅拌得到均匀的凝胶混合物。所述原料中各组分的摩尔组成为:
Fe2O3∶SiO2∶Na2O∶(TPA)OH∶H2O=1∶25∶30∶4∶1600
将所得凝胶混合物转入不锈钢自生压力晶化器内,于100℃恒温30小时,然后再升温至180℃下晶化25小时完成结晶过程。用冷水降温晶化器,过滤并洗涤所得产品,直至pH值至7~8;固体产品放入烘箱于110℃保持10小时进行烘干,然后在马福炉于540℃下焙烧6小时去除有机模板剂,即得Fe-ZSM-5沸石分子筛。扫描电镜结果表明,所得产品的晶粒尺寸均小于100nm,多数集中在40~60nm范围之间,晶粒大小的平均值为50nm。产品的表征照片见图1至图4。
实施例2
将4.4g硫酸、25g去离子水、1.1g硫酸铁在室温下混合,搅拌至硫酸铁完全溶解,溶液变为澄清;然后将20.5g硅酸钠溶解于46.2g去离子水中,将该含硅水溶液滴加到上述的含铁溶液中,搅拌二者混合均匀后加入1.2g四丙基溴化铵,继续搅拌得到均匀的凝胶混合物,所述原料中各组分的摩尔组成为:
Fe2O3∶SiO2∶Na2O∶(TPA)Br∶H2O=1∶30∶35∶5∶2200
将所得凝胶混合物转入不锈钢自生压力晶化器内,于90℃恒温40小时,然后再升温至180℃下晶化30小时完成结晶过程。用冷水降温晶化器,过滤并洗涤所得产品pH值至7~8,放入烘箱于110℃保持10小时烘干产品,在马福炉于540℃下焙烧6小时去除有机模板剂即得Fe-ZSM-5沸石分子筛,该样品晶粒大小在40nm左右。
实施例3
将4.2g硫酸、20g去离子水、1.1g硫酸铁在室温下混合,搅拌至硫酸铁完全溶解,溶液变为澄清;然后将12.3g的模数为3.2的水玻璃溶解于去离子水中,将该含硅水溶液滴加到上述的含铁溶液中,搅拌二者混合均匀后加入6g浓度为30%的四丙基氢氧化铵溶液,继续搅拌得到均匀的凝胶混合物,所述原料中各组分的摩尔组成为:
Fe2O3∶SiO2∶Na2O∶(TPA)OH∶H2O=1∶30∶20∶8∶1800
将所得凝胶混合物转入不锈钢自生压力晶化器内,于120℃恒温20小时,然后再升温至180℃下晶化30小时完成结晶过程。用冷水降温晶化器,过滤并洗涤所得产品pH值至7~8,放入烘箱于110℃保持10小时烘干产品,在马福炉于540℃下焙烧6小时去除有机模板剂即得Fe-ZSM-5沸石分子筛,扫描电镜结果表明产品晶粒大小在75nm左右。
实施例4
将5.4g硝酸、30g去离子水、0.9g硝酸铁在室温下混合,搅拌至硝酸铁完全溶解,溶液变为澄清;然后将29.3g的硅酸钠溶解于46g去离子水中,将该含硅水溶液滴加到上述的含铁溶液中,搅拌二者混合均匀后加入10.2g浓度为30%的四丙基氢氧化铵溶液,继续搅拌得到均匀的凝胶混合物,所述原料中各组分的摩尔组成为:
Fe2O3∶SiO2∶Na2O∶(TPA)OH∶H2O=1∶50∶45∶15∶2600
将所得凝胶混合物转入不锈钢自生压力晶化器内,于100℃恒温35小时,然后再升温至220℃下晶化20小时完成结晶过程。用冷水降温晶化器,过滤并洗涤所得产品pH值至7~8,放入烘箱于110℃保持10小时烘干产品,在马福炉于540℃下焙烧6小时去除有机模板剂即得Fe-ZSM-5沸石分子筛,所得产品晶粒大小在50nm左右。
实施例5
将6.8g硝酸、25g去离子水、0.9g硝酸铁在室温下混合,搅拌至硝酸铁完全溶解,溶液变为澄清;然后将26.5g的模数为3.2的水玻璃溶解于40g去离子水中,将该含硅水溶液滴加到上述的含铁溶液中,搅拌二者混合均匀后加入6.8g浓度为30%的四丙基氢氧化铵溶液,继续搅拌得到均匀的凝胶混合物,所述原料中各组分的摩尔组成为:
Fe2O3∶SiO2∶Na2O∶(TPA)OH∶H2O=1∶80∶25∶10∶2000
将所得凝胶混合物转入不锈钢自生压力晶化器内,于80℃恒温55小时,然后再升温至170℃下晶化50小时完成结晶过程。用冷水降温晶化器,过滤并洗涤所得产品pH值至7~8,放入烘箱于110℃保持10小时烘干产品,在马福炉于540℃下焙烧6小时去除有机模板剂即得Fe-ZSM-5沸石分子筛,所得产品晶粒大小在60nm左右。
实施例6
将5.2g硝酸、25g去离子水、0.9g硝酸铁在室温下混合,搅拌至硝酸铁完全溶解,溶液变为澄清;然后将17.2g硅酸钠溶解于25g去离子水中,将该含硅水溶液滴加到上述的含铁溶液中,搅拌二者混合均匀后加入5.8g四丙基溴化铵,继续搅拌得到均匀的凝胶混合物,所述原料中各组分的摩尔组成为:
Fe2O3∶SiO2∶Na2O∶(TPA)Br∶H2O=1∶30∶30∶8∶1900
将所得凝胶混合物转入不锈钢自生压力晶化器内,于90℃恒温35小时,然后再升温至190℃下晶化30小时完成结晶过程。用冷水降温晶化器,过滤并洗涤所得产品pH值至7~8,放入烘箱于110℃保持10小时烘干产品,在马福炉于540℃下焙烧6小时去除有机模板剂即得Fe-ZSM-5沸石分子筛,所得产品晶粒大小在65nm左右。
实施例7
将5.8g硫酸、25g去离子水、0.9g磷酸铁在室温下混合,搅拌至磷酸铁完全溶解,溶液变为澄清;然后将41.0g硅酸钠溶解于50g去离子水中,将该含硅水溶液滴加到上述的含铁溶液中,搅拌二者混合均匀后加入4.8g浓度为30%的四丙基氢氧化铵溶液,继续搅拌得到均匀的凝胶混合物,所述原料中各组分的摩尔组成为:
Fe2O3∶SiO2∶Na2O∶(TPA)OH∶H2O=1∶60∶30∶20∶2600
将所得凝胶混合物转入不锈钢自生压力晶化器内,于80℃恒温45小时,然后再升温至190℃下晶化30小时完成结晶过程。用冷水降温晶化器,过滤并洗涤所得产品pH值至7~8,放入烘箱于110℃保持10小时烘干产品,在马福炉于540℃下焙烧6小时去除有机模板剂即得Fe-ZSM-5沸石分子筛,所得产品晶粒大小在70nm左右。
实施例8
将3.8g磷酸、28g去离子水、0.9g磷酸铁在室温下混合,搅拌至磷酸铁完全溶解,溶液变为澄清;然后将41.0g硅酸钠溶解于50g去离子水中,将该含硅水溶液滴加到上述的含铁溶液中,搅拌二者混合均匀后加入4.4g浓度为30%的四丙基氢氧化铵溶液,继续搅拌得到均匀的凝胶混合物,所述原料中各组分的摩尔组成为:
Fe2O3∶SiO2∶Na2O∶(TPA)OH∶H2O=1∶60∶45∶15∶2800
将所得凝胶混合物转入不锈钢自生压力晶化器内,于80℃恒温45小时,然后再升温至210℃下晶化20小时完成结晶过程。用冷水降温晶化器,过滤并洗涤所得产品pH至7~8,放入烘箱于110℃保持10小时烘干产品,在马福炉于540℃下焙烧6小时去除有机模板剂即得Fe-ZSM-5沸石分子筛,所得产品晶粒大小在70nm左右。
实施例9
将3.8g盐酸、30g去离子水、0.7g氯化铁在室温下混合,搅拌至氯化铁完全溶解,溶液变为澄清;然后将39.6g的模数为3.2的水玻璃溶解于50g去离子水中,将该含硅水溶液滴加到上述的含铁溶液中,搅拌二者混合均匀后加入18.2g四丙基溴化铵,继续搅拌得到均匀的凝胶混合物,所述原料中各组分的摩尔组成为:
Fe2O3∶SiO2∶Na2O∶(TPA)Br∶H2O=1∶120∶35∶25∶3000
将所得凝胶混合物转入不锈钢自生压力晶化器内,于90℃恒温40小时,然后再升温至200℃下晶化30小时完成结晶过程。用冷水降温晶化器,过滤并洗涤所得产品pH值至7~8,放入烘箱于110℃保持10小时烘干产品,在马福炉于540℃下焙烧6小时去除有机模板剂即得Fe-ZSM-5沸石分子筛,所得产品晶粒大小在60nm左右。
Claims (6)
1.一种纳米Fe-ZSM-5沸石分子筛的制备方法;其包括以下步骤:
第1步:将硅酸钠或水玻璃溶解在去离子水中,配制成溶液,记为A溶液;将无机酸与无机铁盐用去离子水配制成溶液,记为C溶液;
第2步:搅拌C溶液,同时将A溶液缓慢滴加入C溶液中;继续搅拌C溶液直至混合均匀;该混合液记为D溶液;
第3步:搅拌D溶液,同时将有机胺模板剂加入D溶液中;继续搅拌D溶液,直至成为均匀混合物;
在上述各步骤中,所述各原料的各组分摩尔组成满足下述比例关系:
Fe2O3=1
SiO2=20~200
Na2O=20~40
有机胺模板剂=3~30
H2O=1000~3000
第4步:将第3步制出的混合物放入晶化器内,在70℃~120℃条件下恒温20~60小时;然后升温至140℃~220℃再恒温10~80小时;所述的晶化器是密闭容器;
第5步:使晶化器降温;将晶化后的固液混合产物进行过滤或沉降,除去液体;然后用去离子水洗涤固体产物后再过滤或沉降,并多次进行洗涤及过滤或沉降过程;直至滤出液的pH值为7~8;
第6步:将所得固体产物在80℃~120℃温度下烘干10~30小时,然后在520℃~640℃温度下焙烧4~10小时;
得到纳米Fe-ZSM-5沸石分子筛。
2.根据权利要求1所述的纳米Fe-ZSM-5沸石分子筛的制备方法,其特征是:
所述的水玻璃是模数为2.6~3.6的水玻璃。
3.根据权利要求1所述的纳米Fe-ZSM-5沸石分子筛的制备方法,其特征是:
所述的无机酸选自:硫酸、盐酸、硝酸、磷酸。
4.根据权利要求1所述的纳米Fe-ZSM-5沸石分子筛的制备方法,其特征是:
所述的无机铁盐选自:硫酸铁、硝酸铁、磷酸铁、氯化铁。
5.根据权利要求1所述的纳米Fe-ZSM-5沸石分子筛的制备方法,其特征是:
所述的有机胺模板剂选自:四丙基氢氧化铵、四丙基溴化铵、正丁胺。
6.根据权利要求1所述的纳米Fe-ZSM-5沸石分子筛的制备方法,其特征是:
在第1步中,所述的配制C溶液的过程是:将无机酸用去离子水稀释成浓度为5%~20%重量百分比的无机酸溶液,记为B溶液;将无机铁盐溶解于B溶液中,配制成C溶液;
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