CN103435064B - 一种利用粉煤灰制备纳米级zsm-5分子筛的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种利用粉煤灰制备纳米级ZSM-5分子筛的方法，这种利用粉煤灰制备纳米级ZSM-5分子筛的方法为：粉煤灰的预处理；利用预处理后的粉煤灰制备氢氧化铝和硅酸钠；将粉煤灰处理后得到的氢氧化铝和硅酸钠与水、模板剂四丙基氢氧化铵混合均匀，其中，水摩尔分数为90%-98%，四丙基氢氧化铵摩尔分数为0.25%-1.0%，氢氧化铝摩尔分数为0.025%-0.01%，硅酸钠摩尔分数为1%-2%；在150℃-250℃下微波辅助合成24h-72h；取出反应釜内的生成物，在60-80℃水洗2-5次，120℃下干燥12h-24h；干燥后样品在600℃-800℃下焙烧4-8h，得到纳米级ZSM-5分子筛的成品，ZSM-5分子筛粒径为200nm-500nm。本发明降低了ZSM-5分子筛的合成成本，不但降低了粉煤灰带来的环境污染问题，还实现粉煤灰的高值化利用。
Description
一、 技术领域：
本发明涉及的是石油化工领域中制备ZSM-5分子筛的方法，具体涉及的是一种利用粉煤灰制备纳米级ZSM-5分子筛的方法。
二、背景技术：
ZSM-5分子筛由美国Mobil公司于1972年首次成功研发（US3702886），它是一种高硅铝比、三维直通孔道结构的硅铝酸盐沸石分子筛，其主要由Si-O和Al-O四面体构成，并连接成孔径均匀分布的直形孔道和正弦形孔道。ZSM-5分子筛在晶体结构中存在着大量的空穴，空穴内分布着可移动的水分子和阳离子，由于它没有笼，所以在催化过程中不易积碳，并且具有良好的热稳定性、耐酸性、疏水性和水蒸汽稳定性。以ZSM-5分子筛为载体的催化剂在炼油工业中应用广泛，包括柴油加氢降凝、润滑油催化脱蜡、汽油辛烷值恢复、催化裂化汽油降烯烃、芳烃择形转化和甲醇择形转化等。此外，高硅铝比的ZSM-5分子筛还可以用于环保领域污水中有机物的分离。工业上ZSM-5分子筛的需求量很大，但由于ZSM-5分子筛主要由化工原料硅盐和铝盐制备，成本较高，因此，降低ZSM-5分子筛的成本，开发一种利用废弃物制备ZSM-5分子筛的新工艺显得尤为重要。
一般来说，提高ZSM-5分子筛活性组分在催化剂中的措施之一是降低分子筛粒径的大小。纳米ZSM-5分子筛与微米ZSM-5分子筛相比，具有较大比表面积、高表面能、短孔道、较强的抗积炭、抗失活及抗硫中毒能力等优点，作为一种性能优越的催化材料受到广泛关注。山东齐鲁华信高科有限公司刘环昌等发明了一种以硅胶和水玻璃为混合硅源，以铝盐为铝源，在有机模板剂（乙胺、丙胺、正丁胺）存在条件下晶化合成ZSM-5分子筛的方法（CN201210251128.6），得到的ZSM-5分子筛产品相对结晶度较高，晶型完整，晶粒范围在300nm-500nm。美孚石油公司Plank等用二氧化硅和氧化铝为硅源铝源、四丙基氢氧化铵作为模板剂合成出5nm-100nm的ZSM-5分子筛（US3926782）。虽然以上专利合成的ZSM-5分子筛晶粒可满足纳米级要求，但由于硅源、铝源原料大多是化工原料，ZSM-5分子筛生产成本较高，制约了该种分子筛的工业应用。
近年来出现了以高岭土（US6004527，US4522705，US6908603）、硅藻土（CN02153377.6）、珍珠岩，蒙脱土（CN200510097145.9）等天然矿物作为合成原料，合成ZSM-5分子筛，拓宽了ZSM-5合成原料的来源，降低了合成成本，但我国上述天然矿物的储量有限，限制了这些方法的进一步推广应用。因此，开发一种价格低廉、储量较大的矿物进行合成ZSM-5分子筛的新工艺是解决这一问题的关键。
在我国，煤炭是主要的工业燃料。煤炭在燃烧过程中经历分解、烧结、熔融及冷却等过程后，最终形成粉煤灰。粉煤灰是一种固体废弃物，约50%用于生产建筑材料、铺路和填埋坑道，其余原地堆积，占用大量耕地，污染生态环境，危害人体健康。从资源循环利用出发，粉煤灰主要化学成分为Al2O3和SiO2，约占70%，可应用于生产建材材料、吸附剂、合成沸石分子筛等。粉煤灰循环利用不仅能够在一定程度上解决环境污染问题，还能有效缓解我国硅和铝资源的短缺问题。对促进我国国民经济的可持续、快速增长具有十分重要的意义。
三、发明内容：
本发明的一个目的是提供利用粉煤灰制备纳米级ZSM-5分子筛的方法，它用于解决ZSM-5分子筛生产成本较高的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种利用粉煤灰制备纳米级ZSM-5分子筛的方法，
步骤（1）粉煤灰的预处理；
步骤（2）利用预处理后的粉煤灰制备氢氧化铝和硅酸钠；
步骤（3）将粉煤灰处理后得到的氢氧化铝和硅酸钠与水、模板剂四丙基氢氧化铵混合均匀，采用微波加热进行水热合成制备ZSM-5分子筛，其中，水摩尔分数为90%-98%，四丙基氢氧化铵摩尔分数为0.25%-1.0%，氢氧化铝摩尔分数为0.025%-0.01%，硅酸钠摩尔分数为1%-2%；将混合好的物料装入聚四氟乙烯套筒，以200r/min-500r/min搅拌10h-15h，然后放入不锈钢反应釜中，在150℃-250℃下微波辅助合成24h-72h；取出反应釜内的生成物，在60-80℃水洗2-5次，120℃下干燥12h-24h；干燥后样品在600℃-800℃下焙烧4-8h，得到纳米级ZSM-5分子筛的成品，ZSM-5分子筛粒径为200nm-500nm。
上述方案中粉煤灰预处理过程为：首先要经过研磨、焙烧、水洗等预处理。现场采集的粉煤灰进行研磨粉碎处理后，筛分到200目；焙烧温度600℃-900℃，焙烧时间为1h-5h；在温度为20℃-80℃，转速100r/min-300r/min的条件下水洗1-3次，每次0.5h-1h，然后将洗涤液与粉煤灰固液分离，分离后固体在120℃干燥5h备用。
上述方案中利用预处理后的粉煤灰制备氢氧化铝和硅酸钠的过程为：
第一，预处理后的粉煤灰与Na2CO3固体质量比1:0.4-1:1.5混合均匀，在600℃-900℃温度下焙烧1h-5h后取出至25℃备用；然后用1mol/L-5mol/L的HCl浸渍焙烧物10min-90min，过滤，除去不溶物，得到富硅凝胶和粗AlCl3溶液；
第二，用2%-10%的NaOH调节粗AlCl3溶液的pH值至3-5之间，过滤除去Fe(OH)3，滤液继续滴加NaOH，直至滤液中沉淀不再增多为止，过滤除去Mg(OH)2等其它不溶物，滤液即为纯化的偏铝酸钠溶液，此时溶液pH值为12-13，向其中连续通入CO2气体，直至溶液pH值降至6-8后，得到沉淀氢氧化铝，过滤、洗涤，放入干燥箱内干燥，得到氢氧化铝产品；滤液为碳酸钠溶液（Na2CO3）；将氢氧化铝用蒸馏水洗涤3-5次，再用无水乙醇洗涤2-4次；
第三，向得到的富硅凝胶中，加入一定量的NaOH，过滤除去杂质，经浓缩，结晶、干燥后，得到硅酸钠（Na2SiO3）。
上述方案中得到的碳酸钠溶液经浓缩后，可在粉煤灰焙烧阶段循环使用。
有益效果：
1、本发明提供了一种利用粉煤灰制备纳米ZSM-5分子筛的新方法，扩展了合成ZSM-5分子筛的原料范围，降低了ZSM-5分子筛的合成成本。为粉煤灰的资源化利用开辟了一种新途径。该方法不但降低了粉煤灰带来的环境污染问题，还实现粉煤灰的高值化利用。
2、本发明生产工艺中产生大量的Na2CO3溶液，经浓缩后，可循环使用。
3、本发明采用微波辅助水热合成制备的纳米级ZSM-5分子筛结晶度好，晶粒小，性能优异，可应用于石油加工、煤化工与精细化工等领域。
四、附图说明：
图1粉煤灰制备出的ZSM-5的SEM图。
图2是本发明的工艺流程示意图。
五、具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
实施例1：
结合图2，以现场采集粉煤灰为原料，研磨成细粉，过200目筛后，取100g细粉置于马弗炉内，在800℃温度下煅烧2h后，在温度为75℃，转速250r/min的条件下水洗2次，每次0.5h，然后将洗涤液与粉煤灰进行固液分离，分离后固体在120℃干燥5h备用；预处理后的粉煤灰与Na2CO3固体质量比为1:1混合均匀，在800℃温度下焙烧2h后取出冷却至25℃备用；然后用3mol/L的HCl浸渍焙烧物60min，过滤，除去不溶物，得到富硅凝胶和粗AlCl3溶液。用4%的NaOH调节粗AlCl3溶液的pH值至3.5，过滤除去Fe(OH)3，滤液继续滴加NaOH，直至滤液中沉淀不再增多为止，过滤除去Mg(OH)2等其他不溶物，滤液即为纯化的偏铝酸钠溶液，此时溶液pH值约为12.5，向溶液中连续通入CO2气体，直至溶液pH值降至7.5，得到沉淀氢氧化铝，过滤、洗涤、干燥得到氢氧化铝产品。向富硅凝胶中加入一定量的NaOH，过滤出一部分不溶的杂质，浓缩、结晶、干燥，得到硅酸钠（Na2SiO3）。将得到的氢氧化铝与硅酸钠、水和四丙基氢氧化铵搅拌混合均匀，其中，H2O摩尔分数为97.975%，四丙基氢氧化铵摩尔分数为1%，氢氧化铝摩尔分数为0.025%，硅酸钠摩尔分数为1%，装其入聚四氟乙烯套筒以250r/min搅拌10h，然后放入不锈钢反应釜中，在180℃的条件下微波加热进行水热合成，反应60h。取出反应釜内的生成物，60℃水洗3次，在120℃干燥12h，在700℃下焙烧5h，得到ZSM-5分子筛产品如图1所示，ZSM-5分子筛粒径为300nm。
实施例2：
以现场采集粉煤灰为原料，研磨成细粉，过200目筛后，取100g细粉置于马弗炉内，在750℃温度下煅烧3h后，在50℃和200r/min下水洗2次，每次1h，然后将洗涤液与粉煤灰进行固液分离，分离后固体120℃干燥5h备用；预处理后的粉煤灰与Na2CO3固体质量比1:1.2混合均匀，在750℃温度下焙烧2.5h后取出冷却至25℃备用；然后用2.5mol/L的HCl浸渍焙烧物70min，过滤，除去不溶物，得到富硅凝胶和粗AlCl3溶液。用8%的NaOH调节粗AlCl3溶液的pH值至3，过滤除去Fe(OH)3，滤液继续滴加NaOH，直至滤液中沉淀不再增多为止，过滤除去Mg(OH)2等其它不溶物，滤液即为纯化的偏铝酸钠溶液，此时溶液pH值为12左右，向其中连续通入CO2气体，直至溶液pH值降至7.5后，得到氢氧化铝沉淀，过滤、洗涤、干燥，得到氢氧化铝产品。向富硅凝胶中加入一定量的NaOH，过滤出不溶的杂质，经浓缩、结晶和干燥后，得到硅酸钠（Na2SiO3）。将得到的氢氧化铝与硅酸钠、水和四丙基氢氧化铵搅拌混合均匀，其中，H2O摩尔分数为97.664%，四丙基氢氧化铵摩尔分数为0.5%，氢氧化铝摩尔分数为0.036%，硅酸钠摩尔分数为1.8%，装其入聚四氟乙烯套筒在300r/min下搅拌12h，然后放入不锈钢反应釜中，在200℃下微波加热水热合成，反应时间72h，取出反应釜内的生成物，75℃水洗2次，在120℃干燥12h，800℃下焙烧4h，得到纳米级ZSM-5分子筛成品，ZSM-5分子筛粒径为200nm。
实施例3：
以现场采集粉煤灰为原料，研磨成细粉，过200目筛后，取100g细粉置于马弗炉内，在750℃温度下煅烧3h后，在50℃和200r/min下水洗2次，每次1h，然后将洗涤液与粉煤灰进行固液分离，分离后固体120℃干燥5h备用；预处理后的粉煤灰与Na2CO3固体质量比1:1.2混合均匀，在750℃温度下焙烧2.5h后取出冷却至25℃备用；然后用2.5mol/L的HCl浸渍焙烧物70min，过滤，除去不溶物，得到富硅凝胶和粗AlCl3溶液。用8%的NaOH调节粗AlCl3溶液的pH值至3，过滤除去Fe(OH)3，滤液继续滴加NaOH，直至滤液中沉淀不再增多为止，过滤除去Mg(OH)2等其它不溶物，滤液即为纯化的偏铝酸钠溶液，此时溶液pH值为12左右，向其中连续通入CO2气体，直至溶液pH值降至7.5后，得到氢氧化铝沉淀，过滤、洗涤、干燥，得到氢氧化铝产品。向富硅凝胶中加入一定量的NaOH，过滤出不溶的杂质，经浓缩、结晶和干燥后，得到硅酸钠（Na2SiO3）。将得到的氢氧化铝与硅酸钠、水和四丙基氢氧化铵搅拌混合均匀，其中，H2O摩尔分数为97.74%，四丙基氢氧化铵摩尔分数为0.25%，氢氧化铝摩尔分数为0.01%，硅酸钠摩尔分数为2%，装其入聚四氟乙烯套筒在500r/min下搅拌15h，然后放入不锈钢反应釜中，在150℃下微波加热水热合成，反应时间24h，取出反应釜内的生成物，75℃水洗5次，在120℃干燥24h，800℃下焙烧8h，得到纳米级ZSM-5分子筛成品，ZSM-5分子筛粒径为500nm。
Claims (2)
1.一种利用粉煤灰制备纳米级ZSM-5分子筛的方法，其特征在于：这种利用粉煤灰制备纳米级ZSM-5分子筛的方法，
步骤一、粉煤灰的预处理：粉煤灰预处理过程为：首先要经过研磨、焙烧、水洗等预处理；现场采集的粉煤灰进行研磨粉碎处理后，筛分到200目；焙烧温度600℃-900℃，焙烧时间为1h-5h；在温度为20℃-80℃，转速100r/min-300r/min的条件下水洗1-3次，每次0.5h-1h，然后将洗涤液与粉煤灰固液分离，分离后固体在120℃干燥5h备用；
步骤二、利用预处理后的粉煤灰制备氢氧化铝和硅酸钠：利用预处理后的粉煤灰制备氢氧化铝和硅酸钠的过程为：
第一，预处理后的粉煤灰与Na2CO3固体质量比1:0.4-1:1.5混合均匀，在600℃-900℃温度下焙烧1h-5h后取出至25℃备用；然后用1mol/L-5mol/L的HCl浸渍焙烧物10min-90min，过滤，除去不溶物，得到富硅凝胶和粗AlCl3溶液；
第二，用2%-10%的NaOH调节粗AlCl3溶液的pH值至3-5之间，过滤除去Fe(OH)3，滤液继续滴加NaOH，直至滤液中沉淀不再增多为止，过滤除去Mg(OH)2等其它不溶物，滤液即为纯化的偏铝酸钠溶液，此时溶液pH值为12-13，向其中连续通入CO2气体，直至溶液pH值降至6-8后，得到沉淀氢氧化铝，过滤、洗涤，放入干燥箱内干燥，得到氢氧化铝产品；滤液为碳酸钠溶液Na2CO3；将氢氧化铝用蒸馏水洗涤3-5次，再用无水乙醇洗涤2-4次；
第三，向得到的富硅凝胶中，加入一定量的NaOH，过滤除去杂质，经浓缩，结晶、干燥后，得到硅酸钠Na2SiO3；
步骤三、将粉煤灰处理后得到的氢氧化铝和硅酸钠与水、模板剂四丙基氢氧化铵混合均匀，采用微波加热进行水热合成制备ZSM-5分子筛，其中，水摩尔分数为90%-98%，四丙基氢氧化铵摩尔分数为0.25%-1.0%，氢氧化铝摩尔分数为0.025%-0.01%，硅酸钠摩尔分数为1%-2%；将混合好的物料装入聚四氟乙烯套筒，以200r/min-500r/min搅拌10h-15h，然后放入不锈钢反应釜中，在150℃-250℃下微波辅助合成24h-72h；取出反应釜内的生成物，在60-80℃水洗2-5次，120℃下干燥12h-24h；干燥后样品在600℃-800℃下焙烧4-8h，得到纳米级ZSM-5分子筛的成品，ZSM-5分子筛粒径为200nm-500nm。
2.根据权利要求1所述的利用粉煤灰制备纳米级ZSM-5分子筛的方法，其特征在于：所述的得到的碳酸钠溶液经浓缩后，在粉煤灰焙烧阶段循环使用。
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