CN102417190A - 一种应用活化硅源制备低硅NaX沸石的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于沸石分子筛合成技术领域,具体涉及一种应用活化硅源制备低硅NaX沸石的方法,从而在含钠的硅铝酸盐体系中合成产物硅铝比(SiO2/Al2O3)低于2.1的纳米(100nm~500nm)NaX沸石。其首先是制备活化硅源,该活化硅源是向普通硅源中加入一定量的碱性铝源溶液,使普通硅源中高聚态硅酸根解聚为低聚态硅酸根,并与铝酸根结合生成有效的硅铝酸根前驱体和八面沸石微晶核;再通过控制分子筛制备过程的晶化条件与晶化温度,实现低硅NaX沸石的合成。

Description

一种应用活化硅源制备低硅NaX沸石的方法
技术领域
本发明属于沸石分子筛合成技术领域,具体涉及一种应用活化硅源制备低硅NaX沸石的方法。
背景技术
NaX沸石和NaY沸石都具有天然八面沸石结构,但是它们的硅铝比不同。NaX沸石的硅铝比(SiO2/Al2O3)理论上范围为2~3。但是应用常规方法合成的NaX沸石的硅铝比大于2.3(Milton R.M.US Pat.2,882,244)。本发明所说的低硅NaX沸石是指硅铝比低于2.3,特别是接近2.0的NaX沸石。这种NaX沸石具有高的铝含量,具有特殊的性能。在功能材料、催化反应、吸咐分离和离子交换等方面具有重要的应用价值。目前已应用于工业气体分离(如空气分离制备氧气和氮气等)和洗涤剂等领域。
在洗涤剂中往往采用三聚磷酸钠作为助剂,它可以络合水中的钙离子和镁离子,可以软化硬水。但是磷能造成水质的污染,破坏生态平衡。因而人们寻求三聚磷酸钠的代用品。沸石被公认是三聚磷酸钠的理想代用品。NaA沸石的硅铝比(SiO2/Al2O3)等于2。由于它具有最高的铝含量,因而具有高的钙离子交换能力,目前作为洗涤剂助剂已工业化生产。但是由于NaA沸石孔径较小,对水中镁离子的交换能力差,孔径小也影响离子交换速度。NaX沸石具有较大的孔径,可以有效的交换镁离子,同时具有较高的离子交换速度。但用常规方法合成的NaX砩石硅铝比大于2.3。高的硅铝比影响离子交换能力,使其不适于作洗涤剂助剂。本发明可以合成硅铝比接近2.0的NaX沸石,不存在上述缺点,适于作洗涤剂助剂。
采用常规方法不能合成硅铝比(SiO2/Al2O3)低于2.3的沸石。有人采用后处理技术制备低硅NaX沸石(Coglione A.J.,Nyack N.Y.,Cannan T.R.,et al,USPat.5,366,720)。该方法把常规合成的硅铝比高的NaX沸石置于碱性铝酸钠溶液中,于一定条件下铝化,使铝同晶取代硅,从而制得硅铝比比较低的NaX沸石。这种方法所需时间比较长,而且后处理使NaX沸石结晶度下降。有人在含钾、钠混合阳离子硅铝酸盐体系中合成了低硅X硅石(Wolf F.Furtig H.,LemnitzE.,DDR Pat.43,221;Kul G.H.,Zeolites,1987,7,451)。钾的引入使合成成本提高。同时该方法得到的是含钾钠混合阳离子的X沸石。由于钾离子交换速度慢,在离子交换应用时需要首先将钾离子交换成钠离子,如此不仅增加成本,而且操作麻烦。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备低硅NaX沸石的方法,其包括两个步骤:步骤1:制备活化硅源;步骤2:合成低硅X沸石;具体步骤如下:
1、制备活化硅源:向硅源(如水玻璃、硅溶胶或无定形二氧化硅等)中加入碱性铝源溶液,调节各原料的用量,使反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=14~22∶1∶15~20∶250~400;然后将该反应体系在25~60℃温度条件下陈化0.25~7天,从而制备得到活化硅源;碱性铝源溶液是碱和铝源制成的溶液,在活化硅源过程中,由于碱性的增加,可以使原来的硅源中的高聚态硅酸根发生解聚,同时由于铝酸根的加入,可以使低聚态的硅酸根与铝酸根结合,生成具有活性的硅铝酸根前驱体和八面沸石微晶核。在适当的投料比和晶化条件下,使用这样的活化硅源可以合成低硅X沸石,其硅铝比(SiO2/Al2O3)低于2.1,进一步为2.0~2.1。
2、合成低硅NaX沸石:在钠的硅铝酸盐体系中合成低硅X沸石。向活化硅源中加入铝源溶液及非必需的碱或酸溶液,调节各原料的用量,使反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=1.8~5.0∶1∶2.1~2.5∶90~350;上述铝源可以是铝酸钠、氢氧化铝;上述的碱是氢氧化钠;上述的酸可以是硫酸、盐酸或硝酸;碱或酸溶液用以调节反应混合物中Na2O的含量;在向活化硅源加入上述各种溶液的同时,边加边搅拌,使之成为均匀的反应混合物,加完后再搅拌30~60分钟,最后将反应混合物置于反应釜中,在30~100℃温度条件下静止晶化1~10天;或采用变温分步晶化法,首先在50~60℃温度条件下晶化7~10h,然后在90~100℃温度条件下晶化5~10h,如此可以缩短晶化时间,同时又可以保证产品的纯度;反应后将反应物过滤,并用去离子水洗涤,于25~100℃温度条件干燥,从而制备得到低硅NaX沸石。
产物物相的分析用X-射线粉末衍射分析,产物硅铝比分析采用魔角旋转固体29Si-NMR分析,产物粒度分析采用扫描电镜分析。
附图说明
图1:实施例1制备的低硅NaX样品的XRD谱图;
图2:实施例1制备的低硅NaX样品的29Si-NMR谱图;
图3:实施例1制备的低硅NaX样品的SEM谱图。
如图1所示,图中2θ角对应的衍射峰,归属为X型沸石的特征峰,说明合成的样品是X沸石。
如图2所示,谱峰为-85.5,-89ppm,分别归属为Si(OAl)4,Si(OSi)(OAl)3结构,由此谱图测得产物的SiO2/Al2O3=2.08。
如图3所示,采用SEM分析,样品颗粒平均粒度为280nm。
具体实施方式
实施例1:
所使用的主要原料:水玻璃(其中有效成份的含量为SiO226.79wt%,Na2O10.62wt%),铝酸钠((其中有效成份的含量为Al2O343.3wt%,Na2O 40.35wt%),氢氧化钠(分析纯,纯度98wt%)
首先制备活化硅源,称取1.61克铝酸钠,加入21.29克去离子水,搅拌溶解后,再加入4.55克氢氧化钠,继续搅拌溶解。然后把该碱性铝酸钠溶液慢慢加到26.89克水玻璃中,边滴加边搅拌,加完后再搅拌30分钟。于室温(25℃)静置陈化1天后使用。该活化硅源于室温保存1~7天都是液态,都有效。放置时间过长会有凝胶生成,凝胶生成时,会使活性下降。如果提高陈化温度,活化速度可以加快,但活性周期缩短。反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=17∶1∶18∶320。
合成低硅X沸石,称取1.04克铝酸钠,加入22.82克水,搅拌溶解后加入0.44克氢氧化钠,继续搅拌溶解,将所制备的碱性铝酸钠溶液慢慢加到5.66克上述活化硅源中,边加边搅拌,加完后再搅拌30分钟。然后将反应混合物置于反应釜中,60℃静止晶化24h。然后过滤,用去离子水洗涤接近中性,于100℃干燥。反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=4.8∶1∶2.5∶300。
产物应用X-射线粉末衍射分析为X沸石(图1),应用魔角旋转固体29Si-NMR分析产物的SiO2/Al2O3摩尔比为2.08(图2),采用扫描电镜分析,平均粒度为280nm(图3)。
实施例2:
所使用的原料与实施例1相同,活化硅源的制备及摩尔组成与实施例1相同。
合成低硅NaX沸石时,称取2.09克铝酸钠,加入45.96克水,搅拌溶解后,加入0.46克氢氧化钠,继续搅拌溶解,将所制备的碱性铝酸钠溶液慢慢加到10.86克前面所叙述的活化硅源中,边加边搅拌,加完后再搅拌30分钟。然后将反应混合物置于反应釜中,60℃静止晶化24h,然后过滤,用去离子水洗涤接近中性,于100℃干燥。反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=4.2∶1∶2.4∶300。
产物应用X-射线粉末衍射分析为X沸石,应用魔角旋转固体29Si-NMR分析产物的SiO2/Al2O3摩尔比为2.07,采用扫描电镜分析,平均粒度为350nm。
实施例3:
所使用的原料与实施例1相同,活化硅源的制备及摩尔组成与实施例1相同。合成低硅NaX反应混合物摩尔比和制备方法与实施例2相同,但是晶化温度不同,具体是先60℃晶化7h,再于95℃晶化5h。反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=4.2∶1∶2.4∶300。
产物应用X-射线粉末衍射分析为X沸石,应用魔角旋转固体29Si-NMR分析产物的SiO2/Al2O3摩尔比为2.08,采用扫描电镜分析,平均粒度为210nm。
实施例4:
所使用的原料、活化硅源和NaX合成反应混合物摩尔比及方法与实施例2相同,但是晶化温度为40℃,晶化时间为5d。反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=4.2∶1∶2.4∶300。
产物应用X-射线粉末衍射分析为X沸石,应用魔角旋转固体29Si-NMR分析产物的SiO2/Al2O3摩尔比为2.08,采用扫描电镜分析,平均粒度为170nm。
实施例5:
所使用的原料、活化硅源和NaX合成投料比及方法实施例2相同,但是晶化温度为30℃,晶化时间为10d。反应原料中,各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=4.2∶1∶2.4∶300。
产物应用X-射线粉末衍射分析为X沸石,应用魔角旋转固体29Si-NMR分析产物的SiO2/Al2O3摩尔比为2.07,采用扫描电镜分析,平均粒度为190nm。
实施例6:
所使用的原料与实施例1相同,活化硅源的制备及摩尔组成与实施例1相同。
合成低硅X沸石时,称取1.25克铝酸钠,加入29.20克水,搅拌溶解后,加入0.37克氢氧化钠,继续搅拌溶解,将所制备的碱性铝酸钠溶液慢慢加到6.52克前面所叙述的活化硅源中,边加边搅拌,加完后再搅拌30分钟。然后将反应混合物置于反应釜中,40℃静止晶化5天,然后过滤,用去离子水洗涤接近中性,于100℃干燥。反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O==4.4∶1∶2.4∶300。
产物应用X-射线粉末衍射分析为X沸石,应用魔角旋转固体29Si-NMR分析产物的SiO2/Al2O3摩尔比为2.07,采用扫描电镜分析,平均粒度为180nm。
实施例7:
所使用的原料与实施例1相同,活化硅源的制备及摩尔组成与实施例1相同。
合成低硅X沸石时,称取2.1克铝酸钠,加入46.74克水,搅拌溶解后,加入0.45克氢氧化钠,继续搅拌溶解,将所制备的碱性铝酸钠溶液慢慢加到10.41克上述活化硅源中,边加边搅拌,加完后再搅拌30分钟。然后将反应混合物置于反应釜中,40℃静止晶化5天。然后过滤,用去离子水洗涤接近中性,于100℃干燥。反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=4.1∶1∶2.3∶300。
产物应用X-射线粉末衍射分析为X沸石,应用魔角旋转固体29Si-NMR分析产物的SiO2/Al2O3摩尔比为2.05,采用扫描电镜分析,平均粒度为190nm。
实施例8:
所使用的原料与实施例1相同,活化硅源的制备及摩尔组成与实施例1相同。
合成低硅X沸石时,称取1.38克铝酸钠,加入30.29克水,搅拌溶解后,将所制备的碱性铝酸钠溶液慢慢加到6.47克上述活化硅源中,边加边搅拌,加完后再搅拌30分钟。然后将反应混合物置于反应釜中,30℃静止晶化6天。然后过滤,用去离子水洗涤接近中性,于100℃干燥。反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=3.5∶1∶2.2∶300。
产物应用X-射线粉末衍射分析为X沸石,应用魔角旋转固体29Si-NMR分析产物的SiO2/Al2O3摩尔比为2.04,采用扫描电镜分析,平均粒度为180nm。
实施例9:
所使用的主要原料:水玻璃(SiO2 26.79wt%,Na2O 10.62wt%),铝酸钠(Al2O3 43.3wt%,Na2O 40.35wt%),氢氧化钠(分析纯,纯度98wt%),浓硫酸(分析纯,纯度98wt%),活化硅源的制备及摩尔组成与实施例1相同。
合成低硅X沸石时,称取1.28克铝酸钠,加入27.5克水,搅拌溶解后,将所制备的碱性铝酸钠溶液慢慢加到5.7克上述活化硅源中,边加边搅拌,加完后再滴加0.97克稀硫酸(
Figure BDA0000088449070000061
=1∶3.5)搅拌30分钟。然后将反应混合物置于反应釜中,30℃静止晶化8天。然后过滤,用去离子水洗涤接近中性,于100℃干燥。反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=2.8∶1∶2.1∶300。
产物应用X-射线粉末衍射分析为X沸石,应用魔角旋转固体29Si-NMR分析产物的SiO2/Al2O3摩尔比为2.05,采用扫描电镜分析,平均粒度为250nm。
实施例10:
所使用的原料与实施例9相同,活化硅源的制备及摩尔组成与实施例1相同。
合成低硅X沸石时,称取2.09克铝酸钠,加入7.6克水,搅拌溶解后,将所制备的碱性铝酸钠溶液慢慢加到10.87克上述活化硅源中,边加边搅拌,加完后再滴加4.93克稀硫酸(
Figure BDA0000088449070000062
=1∶3.5)搅拌30分钟。然后将反应混合物置于反应釜中,60℃静止晶化24小时。然后过滤,用去离子水洗涤接近中性,于100℃干燥。反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=1.9∶1∶2.4∶105。
产物应用X-射线粉末衍射分析为X沸石,应用魔角旋转固体29Si-NMR分析产物的SiO2/Al2O3摩尔比为2.09,采用扫描电镜分析,平均粒度为370nm。
实施例11:
所使用的原料与实施例1相同。
首先制备活化硅源,称取0.8克铝酸钠,加入11.56克水,搅拌溶解后再加3.01克氢氧化钠,继续搅拌溶解。然后把该碱性铝酸钠溶液慢慢加到11.95克水玻璃中,边滴加边搅拌,加完后再搅拌30分钟。于室温(25℃)静置陈化7小时后使用。该活化硅源于室温陈化12小时发白,14小时混浊,20小时生成软胶,凝胶生成时,会使活性下降。如果提高陈化温度,活化速度可以加快,但活性周期缩短。反应原料中,各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=19∶1∶16∶320。
合成低硅X沸石时,称取1.44克铝酸钠,加31.5克水,搅拌溶解后加入0.01克氢氧化钠,继续搅拌溶解,将所制备的碱性铝酸钠溶液慢慢加到8.61克上述活化硅源中,边加边搅拌,加完后再搅拌30分钟。然后将反应混合物置于反应釜中,60℃静止晶化24h。然后过滤,用去离子水洗涤接近中性,于100℃干燥。反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=4.2∶1∶2.4∶300。
产物应用X-射线粉末衍射分析为X沸石,应用魔角旋转固体29Si-NMR分析产物的SiO2/Al2O3摩尔比为2.07,采用扫描电镜分析,平均粒度为250nm。
实施例12:
所使用的主要原料:水玻璃(SiO2353.0克/升,Na2O 117.8克/升),氢氧化铝(工业级,含Al2O3 65wt%),氢氧化钠(分析纯,纯度98wt%)
首先制备活化硅源。将定量的氢氧化铝,氢氧化钠和去离子水混合,加热沸腾回流冷凝,制备成高碱铝酸钠溶液(Al2O3 34.8克/升,Na2O 236.9克/升)。称取高碱铝酸钠溶液18.76克,慢慢滴加到20.72克水玻璃中,边加边搅拌,加完后再搅拌30分钟。反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=17∶1∶18∶317。室温(25℃)陈化1天后使用,使用时为液态。
合成低硅NaX沸石时,称取定量的氢氧化铝,氢氧化钠和去离子水混合,加热沸腾回流冷凝,制备成低碱铝酸钠溶液(Al2O3 106.1克/升,Na2O 144.8克/升)。将10.34克低碱铝酸钠溶液慢慢滴加到上述陈化1天的10.50克活化硅源中,边加边搅拌,再滴加38.39克去离子水,加完后再搅拌30分钟。将反应混合物置于反应釜中,60℃静止晶化24h,然后过滤,用去离子水洗涤接近中性,于100℃干燥。反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=4.2∶1∶2.4∶300。
产物应用X-射线粉末衍射分析为X沸石,应用魔角旋转固体29Si-NMR分析产物的SiO2/Al2O3摩尔比为=2.07,采用扫描电镜分析,平均粒度为360nm。

Claims (10)

1.一种应用活化硅源制备低硅NaX沸石的方法,其步骤如下:
1)制备活化硅源:向硅源中加入碱性铝源溶液,调节各原料的用量,使反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=14~22∶1∶15~20∶250~400,然后将该反应体系陈化后得到活化硅源;
2)合成低硅NaX沸石:向活化硅源中加入铝源溶液及非必需的碱或酸溶液,调节各原料的用量,使反应混合物中各成份的摩尔比为Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O=1.8~5.0∶1∶2.1~2.5∶90~350;然后将反应混合物经晶化、过滤、洗涤和干燥步骤后得到低硅NaX沸石,其中SiO2与Al2O3的摩尔比低于2.10。
2.如权利要求1所述的一种应用活化硅源制备低硅NaX沸石的方法,其特征在于:步骤1)中的硅源为水玻璃、硅溶胶或无定形二氧化硅。
3.如权利要求1所述的一种应用活化硅源制备低硅NaX沸石的方法,其特征在于:步骤1)中的碱性铝源溶液是碱和铝源制成的溶液。
4.如权利要求1所述的一种应用活化硅源制备低硅NaX沸石的方法,其特征在于:步骤1)中的陈化是在25~60℃温度条件下陈化0.25~7天。
5.如权利要求1所述的一种应用活化硅源制备低硅NaX沸石的方法,其特征在于:步骤2)中的铝源为铝酸钠或氢氧化铝。
6.如权利要求1所述的一种应用活化硅源制备低硅NaX沸石的方法,其特征在于:步骤2)中的碱是氢氧化钠,酸是硫酸、盐酸或硝酸。
7.如权利要求1所述的一种应用活化硅源制备低硅NaX沸石的方法,其特征在于:步骤2)中的晶化是将反应物置于反应釜中,在30~100℃温度条件下静止晶化1~10天。
8.如权利要求1所述的一种应用活化硅源制备低硅NaX沸石的方法,其特征在于:步骤2)中的晶化是将反应物置于反应釜中,首先在50~60℃温度条件下晶化7~10h,然后在90~100℃温度条件下晶化5~10h。
9.如权利要求1所述的一种应用活化硅源制备低硅NaX沸石的方法,其特征在于:步骤2)中的干燥是在25~100℃温度条件下干燥。
10.如权利要求1所述的一种应用活化硅源制备低硅NaX沸石的方法,其特征在于:步骤2)中SiO2与Al2O3的摩尔比为2.0~2.10。
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