CN102241407B - 一种suz-4分子筛的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种SUZ-4分子筛的制备方法。步骤为(1)制备晶种胶:将铝源、硅源、模板剂、氢氧化钾及去离子水混合,置于水热釜中,在100-200℃下,动态晶化时间为0.5-7天;放置后的下层呈白色胶状物和搅拌整体呈白色浆状物均定义为SUZ-4晶种胶;步骤为(2)合成SUZ-4分子筛:将晶种胶、铝源、硅源、碱源、模板剂及去离子水的混合物置于水热釜内,在100-200℃晶化0.5-7天。对晶化后所得混合物进行分离,固体经洗涤、干燥后得SUZ-4分子筛原粉。本发明提出的加入晶种胶的SUZ-4分子筛合成方法,可大大减少了有机模板剂的用量;缩短了反应晶化时间;降低成本,便于实现工业上大规模生产SUZ-4分子筛。
Description
技术领域
本发明属于硅、铝氧化物分子筛的技术领域,具体涉及到一种利用晶种胶以缩短晶化时间、减少或不使用模板剂的SUZ-4分子筛的合成方法。
背景技术
SUZ-4是英国石油公司(BP)于1992年首次合成出来的一种新型分子筛(US19910768452)。它具有的三维孔道结构是由四、五、六、八和十元环组成的,其中包含十元环和八元环两种互相交叉孔道。XRD研究结果表明其骨架拓扑结构与Ferrierite(镁碱沸石)相类似。近年来,SUZ-4分子筛被广泛应用于催化的各个领域,如正丁烯异构化,催化乙烯二聚及选择催化还原汽车尾气中的NOx等,具有较好的实际应用前景。
用通常的分子筛合成方法制备SUZ-4分子筛,不仅需要加入大量模板剂,还需要在较高温度(通常为150-180℃)下晶化较长的时间(通常为4-7天)。而且,在晶化过程中需要良好搅拌(即动态晶化)。这使得SUZ-4分子筛在工业化大规模生产时能源消耗很大。此外,大量有机模板剂的使用不仅使SUZ-4分子筛的制备成本高,还对环境造成污染,危害人类的健康。
2005年,美国塔尔萨大学Price[1]等人为顺利得到SUZ-4分子筛,将已有的SUZ-4分子筛晶体烧除模板剂后用于促进SUZ-4分子筛合成。与此类似,2008年,泰国Kasetsart大学的P.Worathanakul和P.Kongkachuichay[2]为了在多铝红柱石(3Al2O3·2SiO2)管上顺利合成SUZ-4分子筛膜,将已有的SUZ-4分子筛晶体和水一起研磨后涂抹于该多铝红柱石管上,再将管放入水热釜中晶化,促进了SUZ-4分子筛在铝红柱石管上的生长。这是涉及用SUZ-4分子筛晶体促进SUZ-4分子筛合成的两篇研究文献。
迄今为止,还没有关于使用晶种胶用于SUZ-4分子筛合成的研究的报道。
参考文献
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[2]P.Worathanakul,P.Kongkachuichay.New SUZ-4Zeolite Membrane fromSol-Gel Technique[J].International Journal of Chemical and Biological Engineering,2008,1:3.
发明内容
本发明的目的在于提供一种可缩短SUZ-4分子筛合成所需的晶化时间,或减少使用模板剂的SUZ-4分子筛的制备方法。
本发明提出的技术方案是,为促进SUZ-4分子筛晶化合成,或减少模板剂使用量,向SUZ-4分子筛合成原料中加入晶种胶。该技术方案完全不同于向SUZ-4分子筛合成原料中加入SUZ-4分子筛晶体的现有SUZ-4分子筛晶化合成技术。本发明提出的晶种胶是,用于合成SUZ-4分子筛原料在水热釜中形成晶核后,在SUZ-4分子筛合成过程中任意晶化时间点上水热釜内的混合物(即沉积于水热釜内下层的白色胶状物,或水热釜内所得物经搅拌后得到的白色浆状物)。它包含已形成的SUZ-4分子筛晶体、晶核、未反应的铝源、硅源、碱源及模板剂。因为在晶种胶中含有大量的SUZ-4分子筛晶核,并含有模板剂,所以它比SUZ-4分子筛晶体对于促进SUZ-4分子筛合成更加有效,同时还可减少模板剂的使用量。即,将该晶种胶少量加入到SUZ-4分子筛合成体系中即可显著促进SUZ-4分子筛的合成。
本发明的具体步骤为:
(1)制备晶种胶:将铝源、硅源、模板剂、氢氧化钾及去离子水混合,置于水热釜中,在100-200℃下,动态晶化0.5-7天;釜内放置后的下层呈白色胶状物和搅拌整体呈白色浆状物均定义为SUZ-4晶种胶;
制备晶种胶时,所述的硅源可以为硅溶胶、二氧化硅、白炭黑、硅酸、硅胶中的任一物质(见实例1和3),也可以为它们中任意两种或多种以任意比例混合的混合物;所述的铝源可以为金属铝、拟薄水铝石、氧化铝、氢氧化铝、硝酸铝或硫酸铝中任一物质(见实例1~3),也可以为它们中任意两种或多种以任意比例混合的混合物。较佳的铝源为金属铝、拟薄水铝石、氧化铝或氢氧化铝;较佳的硅源为硅溶胶、白炭黑或硅酸;所述的模板剂为四乙基氢氧化铵。
制备晶种胶时,所述铝源以Al2O3计,硅源以SiO2计,去离子水以H2O计,其原料摩尔配比可在下述范围内改变SiO2∶Al2O3∶KOH∶模板剂∶H2O=10~40∶0.5~2∶4.0~16∶0.8~6.0∶200~1400(见实例1和4),较佳摩尔配比范围为:SiO2∶Al2O3∶KOH∶模板剂∶H2O=20~30∶0.8~1.5∶6.0~10∶1.5~5.0∶350~1000。
制备晶种胶时,所需的晶化温度和晶化时间可分别在100-200℃、0.5-7天内自由选择。当晶化温度较低时,所需相应晶化时间较长;反之,当晶化温度较高时,所需相应晶化时间较短(见实例1、2、5和6)。较佳晶化温度和所需晶化时间分别为140-180℃和1-4天。
(2)合成SUZ-4分子筛:将铝源、碱源、硅源、晶种胶、模板剂、及去离子水的混合物置于水热釜内,在100-200℃的水热条件下,晶化0.5-7天。对晶化后所得混合物进行离心分离或过滤,将所得固体物洗涤、干燥后得SUZ-4分子筛原粉。
利用晶种胶合成SUZ-4分子筛时,上述硅源可以为硅溶胶、二氧化硅、白炭黑、硅酸、水玻璃、硅胶中任一物质,也可以为它们中任意两种或多种以任意比例混合的混合物(见实例7、8和14);上述铝源可以为金属铝、拟薄水铝石、氧化铝、氢氧化铝、铝酸盐、硝酸铝和硫酸铝中的任一物质,也可以为它们中任意两种或多种以任意比例混合的混合物(见实例7、9、12、13和14);所述碱源可以为KOH,NaOH,也可以为它们以任意比例混合的混合物(见实例7、13和14)。
较佳的铝源为金属铝、拟薄水铝石、氧化铝或氢氧化铝;较佳的硅源为硅溶胶、白炭黑或硅酸;较佳的碱源为KOH;所述的模板剂为四乙基氢氧化铵。
利用晶种胶合成SUZ-4分子筛时,所述铝源以Al2O3计,硅源以SiO2计,去离子水以H2O计,其原料摩尔配比为SiO2∶Al2O3∶碱源∶模板剂∶H2O=10~40∶0.5~2∶4.0~25∶0~6.0∶200~1400;较佳摩尔配比范围为:SiO2∶Al2O3∶碱源∶模板剂∶H2O=20~30∶0.8~1.5∶6.0~10∶0~5.0∶350~1000。
利用晶种胶合成SUZ-4分子筛时,可以以减少模板剂的使用量(甚至可不使用模板剂)为核心,也可以以缩短晶化时间为核心。利用晶种胶可在不使用模板剂的条件下成功合成SUZ-4分子筛(见实例7~11);当使用模板剂时,利用晶种胶可使合成SUZ-4分子筛所需的晶化时间大幅度缩短(见实例12)。
利用晶种胶合成SUZ-4分子筛时,所需的晶化温度和晶化时间可分别在100-200℃、0.5-7天内自由选择(见实例7、8和12)。当晶化温度较高时,晶化时间可相应变短,而较低的晶化温度要求较长的晶化时间。较佳晶化温度和所需晶化时间分别为140-180℃和1-2天。
利用晶种胶合成SUZ-4分子筛时,晶化过程可以在动态下进行,也可以在静态下进行(见实例7和11)。较佳的晶化方式为动态晶化。
利用晶种胶合成SUZ-4分子筛时,晶种胶的加入量为合成SUZ-4分子筛所用原料混合物总质量的1%-80%;优选量为5%-30%(见实例7和15)。
利用晶种胶合成SUZ-4分子筛时,所加入的晶种胶可以为放置后的下层白色胶状晶种胶(见实例10和12),也可以搅拌后的白色浆状晶种胶(见实例7、8、9、11、13、14和15)。
与现有技术相比较,本发明的特点在于:利用晶种胶合成SUZ-4分子筛方法,可大大减少有机模板剂的用量(甚至不使用模板剂);缩短合成SUZ-4所需的晶化时间;在动态及静态晶化条件下均可合成SUZ-4分子筛。因此,本发明可大幅度减少在制备SUZ-4分子筛时有机模板剂的使用量,降低成本,便于实现工业上大规模生产SUZ-4分子筛。
以下以实施例对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1:由实例7合成的SUZ-4分子筛的XRD谱图。
图2:由对比例1合成所得固体物的XRD谱图,为无定形物质。
具体实施方式
一.晶种胶的制备
实施例1
将0.2g铝片放于11.92g KOH水溶液(含16.1%的KOH)中,搅拌直至铝片完全溶解;将上述溶液与15.68g硅溶胶(含30%的SiO2)、5.68g四乙基氢氧化铵水溶液(含25%的四乙基氢氧化铵)及7.98g去离子水混合,形成白色凝胶。搅拌一个小时后,将形成的凝胶转移至100ml可旋转的水热釜内,在20转/分钟的转速下,于150℃动态晶化4天,得到SUZ-4晶种胶(41g)。
实施例2
将0.44g拟薄水铝石粉末放于11.92g KOH水溶液(含16.1%的KOH)和5.68g四乙基氢氧化铵水溶液(含25%的四乙基氢氧化铵)所组成的混合溶液中,搅拌直至完全溶解;将上述溶液与15.68g硅溶胶(含30%的SiO2)及去离子水7.98g混合,形成白色凝胶。搅拌一个小时后,将形成的凝胶转移至100ml可旋转的水热釜内,在20转/分钟的转速下,于150℃动态晶化1天,得到SUZ-4晶种胶(41g)。
实施例3
将0.58g Al(OH)3溶于11.92g KOH水溶液(含16.1%的KOH)中,再加入7.98g去离子水稀释;然后将4.7g白炭黑、5.68g四乙基氢氧化铵水溶液(含25%的四乙基氢氧化铵)加入其中混合搅拌,形成白色悬浮液。搅拌一个小时后,将所得物转移至100ml可旋转的水热釜内,在20转/分钟的转速下,于150℃动态晶化4天,得到SUZ-4晶种胶(41g)。
实施例4
重复实例1,但将实例1中的原料摩尔配比由SiO2∶Al2O3∶KOH∶模板剂∶H2O=21.2∶1∶7.9∶2.6∶499改为33.3∶1∶14.7∶6.0∶796。具体为,将0.1g铝片溶于12.22g KOH水溶液(含16.1%的KOH)中。再将上述溶液与14.00g硅溶胶(含30%的SiO2)、7.66g四乙基氢氧化铵水溶液(含25%的四乙基氢氧化铵)及3.00g去离子水混合,形成白色凝胶。于150℃动态晶化4天,得到SUZ-4晶种胶(36g)。
实施例5
重复实例1,但将动态晶化温度由150℃改为170℃,且将晶化时间由4天改为0.5天,得到SUZ-4晶种胶(41g)。
实施例6
重复实例1,但将动态晶化温度由150℃改为140℃,且将晶化时间由4天改为7天,得到SUZ-4晶种胶(41g)。
二.利用晶种胶合成SUZ-4分子筛
实施例7
将0.2g铝片放于16.99g KOH水溶液中(含16.1%的KOH),搅拌直至铝片完全溶解;将上述溶液与15.68g硅溶胶(含30%的SiO2)、7.98g去离子水混合(其成分的摩尔比为SiO2∶Al2O3∶KOH∶H2O=21.2∶1∶10.5∶498.6),再加入7g由实例1所得晶种胶(搅拌后得到的白色浆状物)混合搅拌,形成白色凝胶。搅拌一小时后,将形成的全部物质转移至100ml可旋转的水热釜内,在20转/分钟的转速下,于150℃动态晶化2天,得到的SUZ-4分子筛不含杂晶,其结晶度为100%。其XRD谱图见附图1。
实施例8
重复实例7,但是以4.7g白炭黑(SiO2)代替硅溶胶作为硅源,多加去离子水,并提高晶化温度。使反应物料总摩尔配比(不包含所加的晶种胶)为SiO2∶Al2O3∶KOH∶H2O=21.2∶1∶10.5∶900.0。在20转/分钟的转速下,于170℃动态晶化2天。得到的SUZ-4分子筛不含杂晶,其结晶度为95%。
实施例9
重复实例7,但以2.5g Al2(SO4)3·18H2O代替0.2g铝片,多使用KOH,使用由实例2所得晶种胶。具体为,将2.5gAl2(SO4)3·18H2O溶于15.56g KOH水溶液(含36%的KOH)中;将上述溶液与15.68g硅溶胶(含30%的SiO2)、7.98g去离子水混合(反应物料投入量的总摩尔配比为SiO2∶Al2O3∶KOH∶H2O=21.2∶1∶22∶498),再加入7g由实例2所得晶种胶(搅拌后得到的白色浆状物)混合搅拌,所形成的凝胶经水热晶化后,得到的SUZ-4分子筛不含杂晶,其结晶度为92%。
实施例10
重复实例7,但是加入的晶种胶为在实例3中所得的,经放置后沉积在下层的白色胶状物2.4g。晶化后得到的SUZ-4分子筛不含杂晶,其结晶度为100%。其XRD谱图与图1相似。
对比实施例1
重复实例7,但是不加入晶种胶,且动态晶化4天。所得产物为无定形物质。其XRD谱图见图2。
对比实施例2
重复实例7,但不加入晶种胶,代之加入在550℃下煅烧2h后的SUZ-4晶体(该SUZ-4晶体为,由实例7所得SUZ-4分子筛粉末)0.7g(占由实例7所得SUZ-4分子筛总质量的17%)。经过4天晶化后,才得到了结晶度为90%的SUZ-4分子筛。
实施例11
重复实例7,但将动态晶化改为静态晶化,且将晶化时间由两天改为4天,晶化得到的SUZ-4分子筛不含杂晶,其结晶度为98%。其XRD谱图与图1相似。对比实施例3重复实例11,但不加入晶种胶,代之加入5.68g四乙基氢氧化铵水溶液(含25%的四乙基氢氧化铵)。晶化所得产物为无定形物质。其XRD谱图与图2相似。
实施例12
重复实例7,但是加入的晶种胶为在实例4中所得的,经放置后沉积在下层的白色胶状物2.4g,且以0.44g拟薄水铝石代替0.2g铝片,并加入2.84g四乙基氢氧化铵水溶液(含25%的四乙基氢氧化铵)。将反应物料摩尔配比为SiO2∶Al2O3∶KOH∶模板剂∶H2O=21.2∶1∶7.9∶1.3∶498(不计所加的晶种胶)的混合形成白色凝胶在150℃动态晶化1天,得到的SUZ-4分子筛不含杂晶,其结晶度为100%。其XRD谱图与图1相似。
实施例13
将1.48g铝酸钠(以Al2O3计,质量百分比含量≥41%)溶于10.45g NaOH水溶液(含4.3%的NaOH)中;将上述溶液、15.68g硅溶胶(含30%的SiO2),5.68g四乙基氢氧化铵水溶液(含25%的四乙基氢氧化铵)、7.98g去离子水及7g由实例5所得的晶种胶(经搅拌后得到的白色浆状物)混合形成白色凝胶。搅拌一个小时,将形成的全部物质转移至100ml可旋转的水热釜内,在20转/分钟的转速下,于150℃动态晶化2天,得到的SUZ-4分子筛不含杂晶,其结晶度为95%。
对比实施例4
重复实例13,但不加入晶种胶,且将150℃下的动态晶化时间由2天延长至4天,未得到SUZ-4分子筛。
实施例14
用拟薄水铝石为铝源,水玻璃为硅源和碱源,按反应物料总摩尔配比为SiO2∶Al2O3∶NaOH∶模板剂∶H2O=21.2∶1∶14.1∶2.6∶500的比例加入四乙基氢氧化铵模板剂,加入由实例6所得的晶种胶(经搅拌后得到的白色浆状物)7g,搅拌混合,形成白色凝胶。继续搅拌一个小时。将形成的全部物质转移至100ml可旋转的水热釜内,在20转/分钟的转速下,于150℃动态晶化2天,得到的SUZ-4分子筛不含杂晶,其结晶度为93%。
实施例15
重复实例7,但是将加入同一晶种胶的量由7g改为3g,且晶化时间由2天改为3天。晶化得到的SUZ-4分子筛不含杂晶,其结晶度为100%。其XRD谱图与图1相似。
Claims (8)
1.一种SUZ-4分子筛的制备方法,其特征在于,在SUZ-4分子筛的合成过程中加入晶种胶的制备方法;其步骤为:
(1)制备晶种胶:将铝源、硅源、模板剂、氢氧化钾及去离子水混合,置于水热釜中,在100-200℃下,晶化0.5-7天,即得到SUZ-4晶种胶;
其中:所述硅源以SiO2计,铝源以Al2O3计,去离子水以H2O计,其原料摩尔配比为SiO2∶Al2O3∶KOH∶模板剂∶H2O=10~40∶0.5~2∶4.0~16∶0.8~6.0∶200~1400;20~30∶0.8~1.5∶6.0~10∶0~5.0∶350~1000,
所述的硅源为硅溶胶、二氧化硅、白炭黑、硅酸、硅胶中一种、两种或多种以任意比例的混合物;所述的铝源为金属铝、拟薄水铝石、氧化铝、氢氧化铝、硝酸铝或硫酸铝中一种、两种或多种以任意比例混合的混合物;所述的模板剂为四乙基氢氧化铵;
(2)合成SUZ-4分子筛:将晶种胶、铝源、硅源、模板剂、碱源及去离子水的混合物置于水热釜内,在140-180℃的水热条件下,动态或静态晶化1~4天;对晶化后所得混合物进行离心分离或过滤,将所得固体洗涤、干燥后得SUZ-4分子筛原粉;
其中:所述硅源以SiO2计,铝源以Al2O3计,去离子水以H2O计,其原料摩尔配比为SiO2∶Al2O3∶碱源∶模板剂∶H2O=10~40∶0.5~2∶4.0~25∶0~2.6∶200~1400;
所述的硅源为硅溶胶、二氧化硅、白炭黑、硅酸、水玻璃、硅胶中种、两种或多种以任意比例混合的混合物;所述的铝源为金属铝、拟薄水铝石、氧化铝、氢氧化铝、铝酸盐、硝酸铝或硫酸铝中一种、两种或多种以任意比例的混合物;所述碱源为KOH,NaOH中一种、或两种以任意比例的混合物;所述的模板剂为四乙基氢氧化铵;
所述的晶种胶的加入量为合成SUZ-4分子筛所用原料混合物总质量的1%-80%。
2.根据权利要求1所述SUZ-4分子筛的制备方法,其特征在于,步骤(1)制备晶种胶中,所述其原料摩尔配比为SiO2∶Al2O3∶碱源∶模板剂∶H2O=20~30∶0.8~1.5∶6.0~10∶1.5~5.0∶350~1000。
3.根据权利要求1所述SUZ-4分子筛的制备方法,其特征在于,步骤(1)制备晶种胶中,将铝源、硅源、模板剂、氢氧化钾及去离子水混合,置于水热釜中,在140-180℃下,动态晶化1-4天。
4.根据权利要求1所述SUZ-4分子筛的制备方法,其特征在于,步骤(2)合成SUZ-4分子筛中,原料摩尔配比为SiO2∶Al2O3∶碱源∶模板剂∶H2O=20~30∶0.8~1.5∶6.0~10∶0~1.3∶350~1000。
5.根据权利要求1所述SUZ-4分子筛的制备方法,其特征在于,步骤(2)合成SUZ4分子筛中,所述晶种胶的加入量为合成SUZ-4分子筛所用原料混合物总质量的5%-30%。
6.根据权利要求1、4或5所述SUZ-4分子筛的制备方法,其特征在于,在步骤(2)合成SUZ-4分子筛中,所述的晶种胶为步骤(1)制备晶种胶中晶化后,釜内放置后的下层呈白色胶状物。
7.根据权利要求1、4或5所述SUZ-4分子筛的制备方法,其特征在于,在步骤(2)合成SUZ-4分子筛中,所述的晶种胶为晶化后,搅拌釜内所有物所得的白色浆状物。
8.根据权利要求1所述SUZ-4分子筛的制备方法,其特征在于步骤(1)制备晶种胶和步骤(2)合成SUZ-4分子筛中,所述的铝源为金属铝、拟薄水铝石、氧化铝或氢氧化铝;所述的硅源为硅溶胶、白炭黑或硅酸;碱源为KOH;所述的模板剂为四乙基氢氧化铵。
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2011
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