CN103256101A - 立方相晶体结构物质的使用和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种立方相晶体结构物质的使用方法，其包括：制备含碳物质和有效剂量的分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8]的一种或多种立方相晶体结构物质的混合物，其中0＜x≤1；及加热制备所得的混合物至氧化起始温度。本发明也涉及立方相晶体结构物质的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种立方相晶体结构物质的使用和制备方法。具体而言，本发明涉及一种立方相晶体结构物质作为如碳烟等含碳物质的氧化催化剂的使用方法和制备其的方法。
背景技术
由于煤炭、油(如柴油)、木材或其他含碳物质的不完全燃烧而产生的精细黑色颗粒，称之为碳烟(soot)，主要由碳组成。随着全球气候的变暖，碳排放日益成为全球关注的焦点。例如，柴油机的尾气因为含有大量的碳烟，不能满足严格的排放法规，必须处理后才能排放。
可以在柴油机排气管安置颗粒捕集器以在排气通过时截流、沉降并收集排气中的碳烟，然后使收集的碳烟氧化，以达到去除碳烟的目的。在没有催化剂的情况下，碳烟氧化的起始温度远高于排气自身的温度。因此，需要催化剂来降低碳烟的氧化起始温度，以在较低温度氧化碳烟，避免碳烟在颗粒捕集器的过度堆积。
美国专利申请公开第2009/0203517号涉及一种烧方钠石或者方钠石与碱金属源及/或碱土金属源的混合物得到的催化剂。中国专利申请第201010039192.9号公开了构成结构为AxByOz/MO2的由氧化物担载体MO2和双金属氧化物组分AxByOz组成的催化剂。中国专利申请第200910010559.1号公开了活性成分为锰的氧化物，辅助活性成分为碱金属、碱土金属或稀土金属的催化剂。
前述专利申请中提及的催化剂以及现有技术中的其他催化剂并不能满足业界现在的所有需求。在反应活性、热稳定性以及高温潮湿环境中的稳定性等中的一个或多个方面总有不尽如人意的地方。因此，有必要提供一种可以使碳烟等含碳物质在较低温度氧化的方法以及一种反应活性、热稳定性以及高温潮湿环境中的稳定性均佳的催化剂。
三斜霞石是Na[AlSiO4]-霞石在高温下的形态，可以通过将Na[AlSiO4]-霞石从超过约1256.85℃(1530K)时退火并随后淬火至室温来制备。在一篇发表在《固体化学杂志》(JOURNAL OF SOLID STATE CHEMISTRY)61，40-46(1986)上的题为《间质性方石英型化合物(Na2O)≤0.33Na[AlSiO4]》(InterstitialCristobalite-type Compounds(Na2O)≤0.33Na[AlSiO4])的文章中曾经提到在Na[AlSiO4]-三斜霞石中嵌入氧化钠以获得(Na2O)≤0.33Na[AlSiO4]。Na8Al4Si4O18也在Beitrage zur Beaktionsfahigkeit der silicate bei niedrigen temperaturen，II.Mitteilung.，Die Strukturen Na2O-reicher carnegieite.，Von Werner Borchert undJurgen Keidel，Heidelberg，Mit 6Textabbildungen，(Eingegangen am 17，Marz1947)中被提及。但是，对Na2O-嵌入或富有的立方相晶体结构物质的认识目前主要还停留在学术阶段，有待进一步发展。
因此，有必要提供立方相晶体结构物质的新的制备方法和使用方法，如作为碳烟等含碳物质的氧化催化剂的使用方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种立方相晶体结构物质的新的制备方法和使用方法，如作为碳烟等含碳物质的氧化催化剂的使用方法。
一方面，本发明涉及的立方相晶体结构物质的使用方法包括：制备含碳物质和有效剂量的分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8]的一种或多种立方相晶体结构物质的混合物，其中0＜x≤1；及加热制备所得的混合物至氧化起始温度。
另一方面，本发明涉及的立方相晶体结构物质的使用方法包括：将含碳物质与有效剂量的分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8]的一种或多种立方相晶体结构物质接触，以使含碳物质在第一氧化起始温度开始氧化，其中0＜x≤1，所述第一氧化起始温度低于所述含碳物质在没有催化剂的情况下的第二氧化起始温度。
再一方面，本发明涉及的立方相晶体结构物质的制备方法包括：制备水溶性钠盐、柠檬酸、乙二醇、高岭土与水的混合物；干燥混合物以获得粉末；以及煅烧粉末以获得分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8]的一种或多种立方相晶体结构物质，其中0＜x≤1。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1所示为例1中样本1-8的2θX射线衍射谱。
图2所示为例2中加热不同温度时样本A和B重量占加热前样本A和B重量的百分比。
图3所示为例2中样本A和B在不同温度产生的二氧化碳的红外吸收强度。
图4所示为例3中不同样本在不同温度处理后的2θX射线衍射谱。
图5所示为例4中不同样本在沸水中不同长度时间处理后的2θX射线衍射谱。
图6所示为例5中两个混合物各自在不同温度产生的二氧化碳的红外吸收强度。
具体实施方式
本发明中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。举例来说，如果说了一个组分的数量或一个工艺参数的值，比如，温度，压力，时间等等，是从1到90，或20到80，或30到70，是想表达15到85，22到68，43到51，30到32等数值都已经明白的列举在此说明书中。对于小于1的数值，0.0001，0.001，0.01或者0.1被认为是比较适当的一个单元。前述只是想要表达的特别示例，所有在列举的最低到最高值之间的数值组合均被视为以类似方式清楚地列在本说明书中。
说明书和权利要求中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数量，还包括与该数量接近的可接受的修正的部分，而不会导致相关基本功能的改变。相应的，用“大约”、“约”等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些例子中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。
本发明所称“立方相晶体结构物质”包括但不限于具有氧化钠-稳定(或嵌入或富有)的立方相晶体结构物质，即拥有一定数量Na2O嵌入立方主晶格且群体对称为P213或的晶体结构的物质。本发明所称“立方相晶体结构物质”可为x为某一特定值的某一具体物质，也可为包含x为不同值时的各种物质的混合物。在一些实施例中，立方相晶体结构物质分子式为(Na2O)Na2[Al2Si2O8]，即x＝1。
本发明所称“含碳物质”包括但不限于来自煤、石油、木材、烃及其他含碳物质的含碳固体或液体或者形成含碳固体或液体的微粒或高分子。在一些实施例中，本发明所称“含碳物质”包括炭黑。在一些实施例中，本发明所称“含碳物质”为煤炭、油(如柴油)、木材或其他含碳物质的不完全燃烧而产生的精细黑色颗粒，又称碳烟(soot)。
本发明所称“氧化起始温度”，又称“起始氧化温度”，是指物质开始氧化的温度，又可指物质在特定环境中能够氧化的最低温度。在一些实施例中，含碳物质的氧化起始温度或起始氧化温度可为含碳物质开始产生一氧化碳及/或二氧化碳等氧化产物的温度，也可为一氧化碳及/或二氧化碳等氧化产物可被测到时的温度。
根据本发明的一方面，有效剂量的分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8](其中0＜x≤1)的一种或多种立方相晶体结构物质与含碳物质混合或接触后，含碳物质的氧化起始温度低于含碳物质在没有催化剂的情况下的氧化起始温度。因此，分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8](其中0＜x≤1)的一种或多种立方相晶体结构物质可作为含碳物质的氧化催化剂。
分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8](其中0＜x≤1)的一种或多种立方相晶体结构物质的有效剂量为能使含碳物质的氧化起始温度低于含碳物质在没有催化剂的情况下的氧化起始温度的剂量。例如，催化剂的重量可以为含碳物质重量的十分之一，也可为含碳物质重量的十倍。
在一些实施例中，分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8](其中0＜x≤1)的一种或多种立方相晶体结构物质与含碳物质的混合或接触在约300℃到约1000℃之间发生，或者约350℃到约600℃之间，或者约400℃到约500℃之间。
分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8](其中0＜x≤1)的一种或多种立方相晶体结构物质与含碳物质的混合或接触在含有氧化剂的环境中进行，例如含有氧气的环境，以利于含碳物质的氧化。含有氧气的环境可只含有氧气，也可为含有氧气的空气，还可为氧气和水蒸汽的混合物，或者含有氧气和水蒸汽的混合物的空气。
分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8](其中0＜x≤1)的一种或多种立方相晶体结构物质与含碳物质的混合或接触可以是两类物质的单独混合或接触，如分别制成粉末后的两两混合或接触，也可以是其中一类物质在移动时与另一类物质遭遇而混合或接触，例如柴油机排气中的碳烟在排气经过排气管中安装的颗粒捕集器时，与颗粒捕集器中的分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8](其中0＜x≤1)的一种或多种立方相晶体结构物质混合或接触，可在排气的温度时开始氧化，从而减少/消除排气中的碳烟，减少柴油机的碳排放，降低对环境的污染。在后一种情况下，分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8](其中0＜x≤1)的一种或多种立方相晶体结构物质可涂覆在颗粒捕集器与排气的接触表面上。分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8](其中0＜x≤1)的一种或多种立方相晶体结构物质可以采用不同方法涂在颗粒捕集器的表面，从而存在于接触排气的表面涂层中，涂覆方法包括但不限于空气等离子喷涂、浆料涂层、溶胶凝胶涂层以及浸液涂层。
制备本发明涉及的分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8](其中0＜x≤1)的一种或多种立方相晶体结构物质的水溶性钠盐可为硫酸钠、碳酸氢钠、硫酸氢钠、碳酸钠和硝酸钠中的至少一种。在一些实施例中，水溶性钠盐可为碳酸钠和硝酸钠中的至少一种。而乙二醇可为乙二醇、一缩二乙二醇(又称二甘醇)和二缩三乙二醇(又称三甘醇)中的至少一种。在一些实施例中，乙二醇为二缩三乙二醇。
水溶性钠盐、柠檬酸、乙二醇、高岭土与水的混合可所有物质同时加入，一起混合，也可先几种物质混合后，再和别的物质混合，例如柠檬酸、乙二醇与水可三者先混合，再将水溶性钠盐和高岭土分步或同时加入，也可最后将乙二醇加入水溶性钠盐、柠檬酸、高岭土与水的混合物中。
水溶性钠盐、柠檬酸、乙二醇、高岭土与水的混合物的干燥可通过加热进行，也可通过其他任何现有可能的方式进行。
干燥后获得的粉末可在例如约700℃至约1000℃的温度范围进行时长至例如约12小时的煅烧，以获得拥有一定数量Na2O嵌入立方主晶格且群体对称为P213或
的晶体结构的物质，即分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8](其中0＜x≤1)的一种或多种立方相晶体结构物质。
实验示例
以下实验示例可以为本领域中具有一般技能的人实施该发明提供参考。但是，这些例子并不用于限制权利要求的范围。
高岭土从美国密苏里州St Louis的Sigma-Aldrich Corp.获得，并且在使用前没有进行进一步的处理。硝酸钠、碳酸钠、柠檬酸、二缩三乙二醇和乙醇从中国上海国药集团化学试剂有限公司获得。炭黑(含碳量99.99％，ACEBlack，AB 50)从美国德克萨斯州休斯顿synthetic oil and lubricant of Texas，Inc.获得。物质组成通过波长色散(WD)X射线荧光(XRF)分析仪(来自日本东京Rigaku Industrial Corporation的Rigaku ZSX 100e)分析。晶体结构用X射线衍射仪(XRD)(来自德国Karlsruhe的Bruker Axs GmbH的Bruker D8Advance)来分析。
例1
将硝酸钠或碳酸钠、柠檬酸、高岭土和100克去离子水搅拌混合后加入二缩三乙二醇以形成混合物。用电热板加热磁力搅拌的混合物。当混合物变得太粘、以至不能有效地搅拌时，停止磁力搅拌，但继续加热，直到获得灰色粉末。将获取的灰色粉末，放入烤箱，在空气中、850℃煅烧6个小时，得到白色块。为进一步利用，将所获得的白色块磨成粉末。
上述实验用不同的材料和材料比率分别进行了八次，以获得8个产品。8个实验中用到的硝酸钠或碳酸钠、柠檬酸、二缩三乙二醇和高岭土的重量和摩尔数列于下表1。
表1
分别从实验1-8的产品取样，获得样本1-8。用X射线衍射(XRD)分析仪分析各样本的晶相，得到样本1-8的2θXRD谱1-8。为方便比较，将8个XRD谱叠加于同一张图上，如图1所示。
从图1可见，XRD谱1、2、3、4、7和8的衍射峰约为21、34、43、49和52，表明在实验1、2、3、4、7和8中形成了拥有一定数量Na2O嵌入立方主晶格且群体对称为P213或的晶体结构的物质，即分子式为(Na2O)Na2[Al2Si2O8]的立方相晶体结构物质。XRD谱5和6与其他谱的衍射峰不匹配，可能是实验5和6中的有机原料配比导致的。实验结果表明，硝酸钠和碳酸钠都可作为形成Na2O-稳定(或嵌入或富有)的立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]的原材料，而使用硝酸钠时，有机材料的比例可能比使用碳酸钠时有更宽的选择范围。
例2
用热重分析仪(TG/SDTA851，梅特勒-托利多公司)、在100毫升/分钟氧气流测试样本A(炭黑粉末和实验1获得的的立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]粉末的混合物，重量比例为1∶10，总重量：22毫克)和样本B(2毫克炭黑粉末)。热重分析仪的升温速率为5℃/分钟，温度范围为250℃至850℃。在不同温度分别测定样本A和B的重量。计算出不同温度时样本A和B重量分别占加热前样本A和B重量的百分比，示于图2。用美国威斯康星州麦迪逊市热电科学仪器公司(Thermo Electron ScientificInstruments Corp.)的NicoletTM 380FT-IR光谱仪分析样本A和B各自在不同温度生成的二氧化碳的吸收强度，得到的结果如图3所示。
图2中线A和B分别为样本A和B不同温度时的重量占加热前重量的百分比。图3中线C和D分别为样本A和B不同温度时产生的二氧化碳的红外吸收强度。
从图2可以看出，样本A开始减少重量时的温度显著低于样本B开始减少重量时的温度，表明炭黑与立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]粉末的混合物的氧化起始温度显著低于炭黑自身的氧化起始温度。
由图3可见，样本A产生二氧化碳的开始温度和高峰温度均低于样本B，也表明炭黑与立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]粉末的混合物的氧化起始温度显著低于炭黑自身的氧化起始温度。
例3
从实验1获得的立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]的六个样本(10克/个)放入加热炉中，在六个不同温度(750℃、800℃、850℃、900℃、950℃和1000℃)、空气氛围分别加热6小时。对热处理后的样本进行XRD和XRF分析。图4所示为不同样本在不同温度热处理后的2θX射线衍射谱，其中，X射线衍射谱按照处理温度从低到高而从下向上按序排列，例如最下边的X射线衍射谱是750℃处理过的立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]的X射线衍射谱，而最上边的X射线衍射谱是1000℃处理过的立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]的X射线衍射谱。可以看出，所有的X射线衍射谱都相互类似，表明处理过的立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]的晶相没有发生明显变化。未经处理的样本和850℃、900℃、950℃与1000℃的样本的XRF分析结果如下表2所示。
表2
从上表2中的数据可以看出，热处理前后钠的摩尔数都未改变，也表明立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]在高温环境中具有优异的稳定性。
例4
从实验1获得的立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]的四个样本(10克/个)分别放入100毫升的沸水中，分别经过不同的时间长度：15分钟，30分钟，45分钟和60分钟后，过滤，在80℃真空干燥3小时，再对样本进行XRD和XRF分析。
图5所示为立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]的未经沸水处理的一个样本和用沸水处理不同长度的时间后的四个样本的XRD谱，其中XRD谱的排列顺序与处理时间的长短相对应，即，排在最下面的是未经沸水处理的样本的光谱图，而最上面的为60分钟沸水处理后的样本的XRD谱。可见，立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]在沸水处理前后没有明显的相变。下表3中的XRF数据也证实了沸水处理没有改变钠元素的摩尔数。
表3
例5
实验1获得的一个立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]样本直接与炭黑混合，例4中60分钟沸水处理后的(Na2O)Na2[Al2Si2O8]的一个样本也与炭黑混合。每个混合物总重量22毫克，样本与炭黑重量比为10∶1。混合物放入热重分析仪(TG/SDTA851，梅特勒-托利多公司)、在100毫升/分钟氧气流中测试。热重分析仪的升温速率为5℃/分钟，温度范围为200℃至650℃。用美国威斯康星州麦迪逊市热电科学仪器公司(Thermo Electron ScientificInstruments Corp.)的NicoletTM 380FT-IR光谱仪分析两个混合物在不同温度生成的二氧化碳的红外吸收强度，如图6所示。
图6中E线是未经处理的立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]样本与炭黑的混合物在不同温度时产生的二氧化碳的红外吸收强度，而F线是60分钟沸水处理后的立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]样本与炭黑的混合物在不同温度时产生的二氧化碳的红外吸收强度。从图6可见，两个混合物开始产生二氧化碳的温度相同，且对应二氧化碳最高浓度的温度都在直线G上，即两个样本对应二氧化碳最高浓度的温度相同。这表明对应于两个混合物的最大燃烧率的温度是相同的，以及立方相晶体结构物质(Na2O)Na2[Al2Si2O8]的催化活性不受高温潮湿环境的影响。
虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
Claims (15)
1.一种立方相晶体结构物质的使用方法，其包括：
制备含碳物质和有效剂量的分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8]的一种或多种立方相晶体结构物质的混合物，其中0＜x≤1；及
加热制备所得的混合物至氧化起始温度。
2.如权利要求1所述的立方相晶体结构物质的使用方法，其特征在于：x＝1。
3.如权利要求1所述的立方相晶体结构物质的使用方法，其特征在于：所述含碳物质包括炭黑。
4.如权利要求1至3中任何一项所述的立方相晶体结构物质的使用方法，其特征在于：所述氧化起始温度低于所述含碳物质在没有催化剂的情况下的氧化起始温度。
5.一种立方相晶体结构物质的使用方法，其包括：
将含碳物质与有效剂量的分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8]的一种或多种立方相晶体结构物质接触，以使含碳物质在第一氧化起始温度开始氧化，其中0＜x≤1，所述第一氧化起始温度低于所述含碳物质在没有催化剂的情况下的第二氧化起始温度。
6.如权利要求5所述的立方相晶体结构物质的使用方法，其特征在于：所述接触发生在存在氧化剂的环境。
7.如权利要求5所述的立方相晶体结构物质的使用方法，其特征在于：所述接触发生在存在氧气的环境。
8.如权利要求5所述的立方相晶体结构物质的使用方法，其特征在于：x＝1。
9.如权利要求5所述的立方相晶体结构物质的使用方法，其特征在于：所述含碳物质包括炭黑。
10.如权利要求5所述的立方相晶体结构物质的使用方法，其特征在于：所述含碳物质为碳烟。
11.如权利要求5至10中任何一项所述的立方相晶体结构物质的使用方法，其特征在于：所述第一氧化起始温度为约300℃到约1000℃。
12.一种立方相晶体结构物质的制备方法，其包括：
制备水溶性钠盐、柠檬酸、乙二醇、高岭土与水的混合物；
干燥混合物以获得粉末；以及
煅烧粉末以获得分子式为(Na2O)xNa2[Al2Si2O8]的一种或多种立方相晶体结构物质，其中0＜x≤1。
13.如权利要求12所述的立方相晶体结构物质的制备方法，其特征在于：所述水溶性钠盐为碳酸钠和硝酸钠中的至少一个。
14.如权利要求12所述的立方相晶体结构物质的制备方法，其特征在于：所述乙二醇为二缩三乙二醇。
15.如权利要求12至14中任何一项所述的立方相晶体结构物质的制备方法，其特征在于：x＝1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130821 |