一种组合吸附剂、其制备方法及其用于脱除并回收噻吩的方法
技术领域
本发明主要涉及焦化苯精制和副产品回收领域。具体而言,本发明涉及一种包含金属离子负载的分子筛的组合吸附剂、该组合吸附剂的制备方法以及采用所述组合吸附剂从焦化苯中脱除并回收噻吩的方法。
背景技术
我国焦化苯资源极为丰富,约占国内苯总产量的48%,但焦化纯苯在纯苯总量中只占到20%,随着国内市场对纯苯需求大幅度增长和石油资源的日益紧缺,发展焦化纯苯可创造良好的经济效益,需要解决的主要问题是如何有效脱除焦化粗苯中的有机硫成分。
焦化粗苯中有机硫成分主要为噻吩,含量一般在0.3wt%~1wt%之间。噻吩是合成多种药物的中间体,目前市售噻吩都是通过化学合成方法制备,合成工艺复杂,成本昂贵。我国未能充分利用丰富的焦化苯资源来提取、精制其中的噻吩杂质。因此,开发新的方法和工艺将焦化苯中的噻吩脱除、回收,可带来一定的经济效益和环境效益。
目前焦化苯的精制方法,如加氢精制、酸洗精制、选择氧化法等,主要是将噻吩等杂质除去而未加以回收利用。能够脱除并回收焦化苯中噻吩的方法有萃取精馏法、离子液体法和选择性吸附分离法。萃取精馏法通常需要采取多级萃取才能实现苯和噻吩的高效分离,设备投资大、能耗成本高;离子液体法采用高沸点离子液体对燃料油中噻吩类硫化物进行络合吸附并脱除,该方法的主要问题是成本高、精度低;选择性吸附脱硫是近些年兴起的一种深度脱硫技术,在常温常压下进行,不耗费氢气,具有净化度高、能耗低、易于操作等优点。
选择性吸附分离法是基于吸附剂的结构性能、吸附性能及苯和噻吩的分子大小和偶极矩差异。通过离子交换将金属离子(如Ag+、Cu2+、Ni2+和Zn2+等)改性分子筛表面,改变分子筛的孔径大小及分布、表面性质、电场分布、酸碱性、表面自由力以及极性,使分子筛对苯中的噻吩具有选择性。谷振华用金属离子强化改性5A、10X、10Y、13X分子筛,对含1520ppm的噻吩苯溶液进行脱除,在45°C吸附条件下,筛选出吸附容量为3.15mg/g吸附剂、分离因数在10左右的吸附剂(谷振华,吸附分离焦化苯中噻吩方法的研究化学工程师,1996,53(2):21-22)。罗国华等对X,Y,ZSM-5等沸石分子筛进行了考察,并用Cu2+离子交换及硅烷化处理改性分子筛表面,用动态吸附评价方式,对噻吩含量为180mg/L的焦化苯吸附4小时,噻吩脱除率为99.4%(罗国华,沸石分子筛选择吸附焦化苯中的噻吩燃料化学学报,1999,27(5):476-480)。谭小耀通过对13X分子筛、Y型分子筛以及ZSM-5分子筛等应用酸、碱、高温水汽处理及离子交换等途径进行改性,对原始浓度413ppm的噻吩苯溶液进行脱除,在常温下筛选出吸附容量为8.9mg/g吸附剂的吸附剂。常丽萍等通过将银和铈改性活性氧化铝,通过静态吸附试验筛选出吸附容量为7.1mg/g吸附剂的吸附剂(常丽萍,一种用于脱除焦化苯中噻吩和CS2的吸附剂及其制备方法中国专利申请号200910074984.7)。上述报导的吸附剂对噻吩的动态吸附容量离实现吸附技术的工业化仍有一定的距离。
因此,本发明要解决的是利用单一吸附剂对焦化苯进行吸附脱除噻吩的动态吸附容量低的技术问题。
发明内容
本发明的一个目的为提供一种包含金属离子负载的Y型分子筛(是一种本领域常用的、市售可得的载体,其为具有天然矿物八面沸石骨架结构的合成沸石,常用作催化剂、吸附剂和离子交换材料的载体)的组合吸附剂。
本发明的另一个目的为提供所述组合吸附剂的制备方法。
本发明的再一个目的为提供一种采用所述组合吸附剂从焦化苯中脱除并回收噻吩的方法。
本发明所述的组合吸附剂,其包含:
按处理物料流动方向顺序装填的活性炭或4A分子筛或5A分子筛、活性三氧化二铝、金属离子负载的Y型分子筛,
其中,所述金属离子负载的Y型分子筛、活性炭或4A分子筛或5A分子筛、活性三氧化二铝的重量比为3-5∶0.5-1.5∶0.5-1.5。
所述金属离子选自Ag+、Ce3+、La3+、Cu2+和Zn2+中的一种或两种。
优选的是,所述金属离子负载的Y型分子筛通过以下步骤制备:
I、称取40-60目的Y型分子筛并置于陶瓷坩埚中,在马弗炉中300-600°C下焙烧3-6小时,然后取出,在空气中自然降至室温;
II、将经步骤I处理的Y型分子筛放入选自AgNO3、Ce(NO3)3、La(NO3)3、Cu(NO3)2和ZnCl2中一种或两种水溶液中,采用等体积浸渍法计算所述水溶液的用量,浸渍温度为20-80°C,浸渍时间为8-48小时;
III、将经步骤II处理的Y型分子筛用去离子水冲洗2-4次,过滤,滤饼在90-110°C下烘干2-12小时,然后在马弗炉中450-550°C下焙烧1-5小时,制得所述金属离子负载的Y型分子筛,其中,基于所述金属离子负载的Y型分子筛的总重量,负载金属的含量为5-20wt%。
更优选的是:
在所述步骤I中,在马弗炉中550°C下焙烧4小时;
在所述步骤II中,所述AgNO3、Ce(NO3)3、La(NO3)3、Cu(NO3)2和ZnCl2的水溶液的浓度分别为0.16-0.28g/mL、0.29-0.33g/mL、0.33g/mL、0.20-0.24g/mL和0.18g/mL,浸渍温度为25°C,浸渍时间为24小时;
在所述步骤III中,在90°C下烘干12小时,在马弗炉中550°C下焙烧4小时,所述负载金属的含量为15wt%或20wt%;
所述金属离子负载的Y型分子筛、活性炭或4A分子筛或5A分子筛、活性三氧化二铝的重量比为3∶1∶1。
最优选的是,
当所述金属离子负载的Y型分子筛为AgCe/Y型分子筛时,Ce和Ag的摩尔比为0.8:1;
当所述金属离子负载的Y型分子筛为AgLa/Y型分子筛时,La和Ag的摩尔比为0.8:1;
当所述金属离子负载的Y型分子筛为CuZn/Y型分子筛时,Cu和Zn的摩尔比为3:4;
当所述金属离子负载的Y型分子筛为CuCe/Y型分子筛时,Ce和Cu的摩尔比为3:4。
所述组合吸附剂的制备方法包括以下步骤:
在吸附柱中按处理物料流动方向顺序装填活性炭或4A分子筛或5A分子筛、活性三氧化二铝、金属离子负载的Y型分子筛,
其中,所述金属离子负载的Y型分子筛、活性炭或4A分子筛或5A分子筛、活性三氧化二铝的重量比为3-5∶0.5-1.5∶0.5-1.5,
所述金属离子选自Ag+、Ce3+、La3+、Cu2+和Zn2+中的一种或两种。
优选的是,所述金属离子负载的Y型分子筛通过以下步骤制备:
I、称取Y型分子筛(40-60目)置于陶瓷坩埚中,在马弗炉中300-600°C下焙烧3-6小时,然后取出,在空气中自然降至室温;
II、将经步骤I处理的Y型分子筛放入选自AgNO3、Ce(NO3)3、La(NO3)3、Cu(NO3)2和ZnCl2中一种或两种水溶液中,采用等体积浸渍法计算所述水溶液的用量,浸渍温度为20-80°C,浸渍时间为8-48小时;
III、将经步骤II处理的Y型分子筛用去离子水冲洗2-4次,过滤,滤饼在90-110°C下烘干2-12小时,然后在马弗炉中450-550°C下焙烧1-5小时,制得金属离子负载的Y型分子筛,其中,基于所述金属离子负载的Y型分子筛的总重量,负载金属的含量为5-20wt%。
更优选的是,
在步骤I中,在马弗炉中550°C下焙烧4小时;
在步骤II中,所述AgNO3、Ce(NO3)3、La(NO3)3、Cu(NO3)2和ZnCl2的水溶液的浓度分别为0.16-0.28g/mL、0.29-0.33g/mL、0.33g/mL、0.20-0.24g/mL和0.18g/mL,浸渍温度为25°C,浸渍时间为24小时;
在步骤III中,在90°C下烘干12小时,在马弗炉中550°C下焙烧4小时,所述金属离子负载的Y型分子筛中负载金属的含量为15wt%或20wt%;
所述金属离子负载的Y型分子筛、活性炭或4A分子筛或5A分子筛、活性三氧化二铝的重量比为3∶1∶1。
最优选的是,
当所述金属离子负载的Y型分子筛为AgCe/Y型分子筛时,Ce和Ag的摩尔比为0.8:1;
当所述金属离子负载的Y型分子筛为AgLa/Y型分子筛时,La和Ag的摩尔比为0.8:1;
当所述金属离子负载的Y型分子筛为CuZn/Y型分子筛时,Cu和Zn的摩尔比为3:4;
当所述金属离子负载的Y型分子筛为CuCe/Y型分子筛时,Ce和Cu的摩尔比为3:4。
采用本发明所述的包含金属离子负载的Y型分子筛的组合吸附剂从焦化苯中脱除并回收噻吩的方法包括以下步骤:
在常压、20-50°C下,将含有噻吩的焦化苯通过装填有上述包含金属离子负载的Y型分子筛的组合吸附剂的吸附柱,吸附达到平衡后,在常压、20-45°C下,用甲醇洗脱吸附的噻吩,直至噻吩含量达到5ppm以下。
优选的是,在常压、25°C下,将噻吩浓度为4000ppm的焦化苯以0.1-0.3mL/min的流速通过上述装填好本发明所述的包含金属离子负载的Y型分子筛的组合吸附剂的吸附柱中。吸附达到平衡后,在常压、45°C下,用甲醇(99.5%)以0.1-0.3mL/min的流速洗脱吸附的噻吩,直至噻吩含量达到5ppm以下。
有益效果
本发明利用三段床层的组合优势,使每段床层使用的吸附剂对物料中的特定组份进行选择性吸附,并调节三段不同吸附剂的重量比例,使所有的噻吩分子的动态吸附曲线的浓度曲线前端锐化,使噻吩的分离灵敏度更为高效,同时提高噻吩的动态吸附容量。
本发明所述的包含金属离子负载的Y型分子筛的组合吸附剂的制备方法以及将所述组合吸附剂用于从焦化苯中脱除并回收噻吩的方法的优点在于:
I、与现有技术相比,本发明所述的组合吸附剂可以有针对性地脱除焦化苯中的组份。活性炭、4A或5A分子筛用于脱除焦化苯中的二硫化碳,活性氧化铝可用于脱除焦化苯中的水分以及少量的硫醇,金属离子负载的Y型分子筛主要用于脱除焦化苯中的噻吩。在常压、25°C下就能将焦化苯中的噻吩从4000ppm脱除到5ppm以下,同时能将焦化苯中的二硫化碳从2500ppm脱除到5ppm以下,效果明显于现有技术中的其他吸附剂。
II、本发明所述的组合吸附剂与仅使用同样重量的单一吸附剂相比,噻吩动态吸附容量得到显著提高,提高率在10-30%。
III、本发明所述的组合吸附剂使用寿命长,选择性高,环境污染小。
IV、本发明所述的组合吸附剂再生条件温和,噻吩可通过溶剂洗脱回收,回收率高于29%。
V、本发明所述的组合吸附剂也可应用于汽、柴油中噻吩类含硫物质的脱除与回收,适合工业化应用。
附图说明
图1是仅包含吸附剂制备实施例1制备的负载型分子筛的吸附剂的噻吩动态吸附曲线(“◇”表示的曲线)以及动态吸附实施例1制备的组合吸附剂的噻吩动态吸附曲线(“□”表示的曲线)。在相同条件下,对噻吩的动态吸附容量由10.8mg/g吸附剂提高到14.6mg/g吸附剂。
具体实施方式
实施例中使用的Y型分子筛购自于南开大学催化剂厂。
金属离子负载的Y型分子筛制备实施例1
I、称取5g的Y型分子筛(40-60目)置于陶瓷坩埚中,在马弗炉中550°C下焙烧4小时,然后取出,在空气中自然降至室温;
II、将经步骤I处理的Y型分子筛放入6mL浓度为0.28g/mL的AgNO3水溶液中,在25°C下浸泡24小时,其中,采用等体积浸渍法计算所述水溶液的用量;
III、将经步骤II处理的Y型分子筛用100mL去离子水分四次冲洗,过滤,滤饼在90°C下烘干12小时,然后在马弗炉中550°C下焙烧4小时,制得Ag/Y金属离子负载的Y型分子筛,其中,基于金属离子负载的Y型分子筛的总重量,Ag含量为20wt%。
金属离子负载的Y型分子筛制备实施例2
I、称取5g的Y型分子筛(40-60目)置于陶瓷坩埚中,在马弗炉中550°C下焙烧4小时,然后取出,在空气中自然降至室温;
II、将经步骤I处理的Y型分子筛放入6mL浓度分别为0.16g/mLAgNO3和0.33g/mL Ce(NO3)3的混合水溶液中,在25°C下浸泡24小时,其中,采用等体积浸渍法计算所述混合水溶液的用量;
III、将经步骤II处理的Y型分子筛用100mL去离子水分四次冲洗,过滤,滤饼在90°C下烘干12小时,然后在马弗炉中550°C下焙烧4小时,制得AgCe/Y金属离子负载的Y型分子筛,其中,基于金属离子负载的Y型分子筛的总重量,Ag和Ce的总含量为20wt%,铈和银的摩尔比为0.8:1。
金属离子负载的Y型分子筛制备实施例3
I、称取5g的Y型分子筛(40-60目)置于陶瓷坩埚中,在马弗炉中550°C下焙烧4小时,然后取出,在空气中自然降至室温;
II、将经步骤I处理的Y型分子筛放入6mL浓度分别为0.16g/mLAgNO3和0.33g/mL La(NO3)3的混合水溶液中,在25℃下浸泡24小时,其中,采用等体积浸渍法计算所述混合水溶液的用量;
III、将经步骤II处理的Y型分子筛用100mL去离子水分四次冲洗,过滤,滤饼在90°C下烘干12小时,然后在马弗炉中550°C下焙烧4小时,制得AgLa/Y金属离子负载的Y型分子筛,其中,基于所述金属离子负载的Y型分子筛的总重量,Ag和La的总含量为20wt%,镧和银的摩尔比为0.8:1。
金属离子负载的Y型分子筛制备实施例4
I、称取5g的Y型分子筛(40-60目)置于陶瓷坩埚中,在马弗炉中550°C下焙烧4小时,然后取出,在空气中自然降至室温;
II、将经步骤I处理的Y型分子筛放入6mL浓度分别为0.24g/mLCu(NO3)2和0.18g/mL ZnCl2的水溶液中,在25°C下浸泡24小时,其中,采用等体积浸渍法计算所述混合水溶液的用量;
III、将经步骤II处理的Y型分子筛用100mL去离子水分四次冲洗,过滤,滤饼在90°C下烘干12小时,然后在马弗炉中550°C下焙烧4小时,制得CuZn/Y金属离子负载的Y型分子筛,其中,基于所述负载型分子筛的总重量,Cu和Zn的总含量为15%,铜和锌的摩尔比为3:4。
金属离子负载的Y型分子筛制备实施例5
I、称取5g的Y型分子筛(40-60目)置于陶瓷坩埚中,在马弗炉中550°C下焙烧4小时,然后取出,在空气中自然降至室温;
II、将经步骤I处理的Y型分子筛放入6mL浓度分别为0.20g/mLCu(NO3)2和0.29g/mL Ce(NO3)3的混合水溶液中,在25°C下浸泡24小时,采用等体积浸渍法计算所述混合水溶液的用量;
III、将经步骤II处理的Y型分子筛用100mL去离子水分四次冲洗,过滤,滤饼在90°C下烘12小时,然后在马弗炉中550°C下焙烧4小时,制得CuCe/Y金属离子负载的Y型分子筛,其中,基于所述负载型分子筛的总重量,Cu和Ce的总含量为15wt%,铈和铜的摩尔比为3:4。
组合吸附剂的制备以及动态吸附实施例1
将活性炭0.6g、活性三氧化二铝0.6g和吸附剂制备实施例1所制得的金属离子负载的Y型分子筛1.8g按顺序装填于吸附柱中制得组合吸附剂,在常压、25°C条件下,使噻吩浓度为4000ppm的焦化苯以0.1mL/min的流速通过上述装填好的吸附柱。使用气相色谱进行在线监测吸附后焦化苯中的噻吩浓度,得到噻吩的动态吸附曲线,并计算得吸附剂对噻吩的动态吸附容量。该组合吸附剂可使焦化苯中噻吩与二硫化碳的浓度均低于5ppm;其对噻吩的动态吸附容量为14.6mg/g吸附剂。吸附达到平衡后,在常压、45°C条件下,用甲醇(99.5%)以0.3mL/min的流速洗脱吸附的噻吩,噻吩的回收率为51%。
组合吸附剂的制备以及动态吸附实施例2
将4A分子筛0.6g、活性三氧化二铝0.6g和吸附剂制备实施例1所制得的金属离子负载的Y型分子筛1.8g按顺序装填于吸附柱中制得组合吸附剂,在常压、25°C条件下,使噻吩浓度为4000ppm的焦化苯以0.1mL/min的流速通过上述装填好的吸附柱。使用气相色谱进行在线监测吸附后焦化苯中的噻吩浓度,得到噻吩的动态吸附曲线,并计算得吸附剂对噻吩的动态吸附容量。该组合吸附剂可使焦化苯中噻吩与二硫化碳的浓度均低于5ppm;其对噻吩的动态吸附容量为15.3mg/g吸附剂。吸附达到平衡后,在常压、45°C条件下,用甲醇(99.5%)以0.3mL/min的流速洗脱吸附的噻吩,噻吩的回收率为49%。
组合吸附剂的制备以及动态吸附实施例3
将5A分子筛0.6g、活性三氧化二铝0.6g和吸附剂制备实施例1所制得的金属离子负载的Y型分子筛1.8g按顺序装填于吸附柱中制得组合吸附剂,在常压、25°C条件下,使噻吩浓度为4000ppm的焦化苯以0.1mL/min的流速通过上述装填好的吸附柱。使用气相色谱进行在线监测吸附后焦化苯中的噻吩浓度,得到噻吩的动态吸附曲线,并计算得吸附剂对噻吩的动态吸附容量。该组合吸附剂可使焦化苯中噻吩与二硫化碳的浓度均低于5ppm;其对噻吩的动态吸附容量为16.2mg/g吸附剂。吸附达到平衡后,在常压、45°C条件下,用甲醇(99.5%)以0.3mL/min的流速洗脱吸附的噻吩,噻吩的回收率为49%。
组合吸附剂的制备以及动态吸附实施例4
将活性炭0.6g、活性三氧化二铝0.6g和吸附剂制备实施例2所制得的金属离子负载的Y型分子筛1.8g按顺序装填于吸附柱中制得组合吸附剂,在常压、25°C条件下,使噻吩浓度为4000ppm的焦化苯以0.1mL/min的流速通过上述装填好的吸附柱。使用气相色谱进行在线监测吸附后焦化苯中的噻吩浓度,得到噻吩的动态吸附曲线,并计算得吸附剂对噻吩的动态吸附容量。该组合吸附剂可使焦化苯中噻吩与二硫化碳的浓度均低于5ppm;其对噻吩的动态吸附容量为17.8mg/g吸附剂。吸附达到平衡后,在常压、45°C条件下,用甲醇(99.5%)以0.3mL/min的流速洗脱吸附的噻吩,噻吩的回收率为38%。
组合吸附剂的制备以及动态吸附实施例5
将活性炭0.6g、活性三氧化二铝0.6g和吸附剂制备实施例3所制得的金属离子负载的Y型分子筛1.8g按顺序装填于吸附柱中制得组合吸附剂,在常压、25°C条件下,使噻吩浓度为4000ppm的焦化苯以0.1mL/min的流速通过上述装填好的吸附柱。使用气相色谱进行在线监测吸附后焦化苯中的噻吩浓度,得到噻吩的动态吸附曲线,并计算得吸附剂对噻吩的动态吸附容量。该组合吸附剂可使焦化苯中噻吩与二硫化碳的浓度均低于5ppm;其对噻吩的动态吸附容量为16.2mg/g吸附剂。吸附达到平衡后,在常压、45°C条件下,用甲醇(99.5%)以0.3mL/min的流速洗脱吸附的噻吩,噻吩的回收率为38%。
组合吸附剂的制备以及动态吸附实施例6
将活性炭0.6g、活性三氧化二铝0.6g和吸附剂制备实施例4所制得的金属离子负载的Y型分子筛1.8g按顺序装填于吸附柱中制得组合吸附剂,在常压、25°C条件下,使噻吩浓度为4000ppm的焦化苯以0.1mL/min的流速通过上述装填好的吸附柱。使用气相色谱进行在线监测吸附后焦化苯中的噻吩浓度,得到噻吩的动态吸附曲线,并计算得吸附剂对噻吩的动态吸附容量。该组合吸附剂可使焦化苯中噻吩与二硫化碳的浓度均低于5ppm;其对噻吩的动态吸附容量为12.9mg/g吸附剂。吸附达到平衡后,在常压、45°C条件下,用甲醇(99.5%)以0.3mL/min的流速洗脱吸附的噻吩,噻吩的回收率为29%。
组合吸附剂的制备以及动态吸附实施例7
将活性炭0.6g、活性三氧化二铝0.6g和吸附剂制备实施方式5所制得的金属离子负载的Y型分子筛1.8g按顺序装填于吸附柱中制得组合吸附剂,在常压、25°C条件下,使噻吩浓度为4000ppm的焦化苯以0.1mL/min的流速通过上述装填好的吸附柱。使用气相色谱进行在线监测吸附后焦化苯中的噻吩浓度,得到噻吩的动态吸附曲线,并计算得吸附剂对噻吩的动态吸附容量。该组合吸附剂可使焦化苯中噻吩与二硫化碳的浓度均低于5ppm;其对噻吩的动态吸附容量为15.7mg/g吸附剂。吸附达到平衡后,在常压、45°C条件下,用甲醇(99.5%)以0.3mL/min的流速洗脱吸附的噻吩,噻吩的回收率为32%。
比较实施例1
将吸附剂制备实施例1所制得的金属离子负载的Y型分子筛3g装填于吸附柱中,在常压和25°C条件下,使噻吩浓度为4000ppm的焦化苯以0.1mL/min的流速通过上述装填好的吸附柱。使用气相色谱进行在线监测吸附后焦化苯中的噻吩浓度,得到噻吩的动态吸附曲线,并计算得吸附剂对噻吩的动态吸附容量。该吸附剂可使焦化苯中噻吩与二硫化碳的浓度均低于5ppm;其对噻吩的动态吸附容量为10.8mg/g吸附剂。吸附达到平衡后,在常压、45°C条件下,用甲醇(99.5%)以0.3mL/min的流速洗脱吸附的噻吩,噻吩的回收率为45%。
通过对比比较实施例和动态实施例中的吸附剂对噻吩的动态吸附容量,在相同总重量的吸附剂的前提下,本发明的组合吸附剂对噻吩的动态吸附容量比单一吸附剂对噻吩的动态吸附容量明显提高。