CN103964464B - 一种提高结晶度、分散性和稳定性的NaY分子筛制备方法 - Google Patents

一种提高结晶度、分散性和稳定性的NaY分子筛制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种提高NaY分子筛结晶度、分散性和稳定性的方法，在新鲜NaY分子筛分离过程中，采用碱液冲洗分子筛滤饼。在保持分子筛结构完整性的前提下，用碱液冲洗滤饼，可高效除去附着在分子筛外表面的无机酸根离子和胶体，可使NaY分子筛的结晶度提高10%以上，同时可使分子筛的分散性和稳定性(包括热稳定性、水热稳定性和活性稳定性)大幅改善，并且工艺简单、成本低廉、无污染。

Description

一种提高结晶度、分散性和稳定性的NaY分子筛制备方法
技术领域
本发明属于催化材料领域，具体涉及一种提高结晶度、分散性、稳定性NaY分子筛的制备方法。
背景技术
分子筛材料由于其开放的孔结构和优异的催化特性，在石油化工等领域已获得广泛应用。Y型分子筛是目前应用最广的催化裂化催化剂的活性组分。在催化裂化反应中，催化剂要经过反复高温再生处理，催化剂活性组分的分散性和稳定性对催化剂性能影响显著，因此改善Y型分子筛的分散性和稳定性具有重要意义。新鲜NaY分子筛晶化浆液中含有大量的胶体，这些胶体在分子筛过滤分离过程中往往不能有效清除，致使分子筛的结晶度降低，分散性和稳定性变差。
目前，工业上多采用带式滤机过滤分离和后水洗的方法获得NaY分子筛。在后水洗过程中，随着体系pH值的降低，粘附在分子筛表面的无机酸根形成胶体，无法从分子筛体系中除去。同时，这些小的胶体粒子会堵塞滤布的孔道，大大降低了分子筛的分离效率，即使加入大量蒸馏水或者去离子水洗涤滤饼，也不能将附着在分子筛表面的胶体除去。在分子筛改性过程中，分子筛颗粒上的胶体和分子筛进一步发生反应，形成大的团聚粒子，使得分子筛的利用效率大大降低。由此可以看出，在新鲜NaY分子筛晶化浆液过滤分离时，附着在分子筛外表面的胶体无法从分子筛体系中除去。粘附在分子筛表面的无机酸根形成胶体，采用蒸馏水或去离子洗涤不但不能清除，而且在pH较低时，会进一步聚沉长大，不能彻底清除。这些胶体粒子，既破坏了分子筛的结晶性能，又降低了分子筛的分散性和稳定性。
分子筛结晶度作为衡量分子筛材料结晶性能的一个指标，在科研和生产工作中被广泛使用。分子筛催化剂的稳定性(包括热稳定性、水热稳定性和活性稳定性)与分子筛的结晶性能和分散性息息相关。结晶度高和分散性好的NaY分子筛具有更多的活性中心和骨架稳定性，因此，在制备和后处理分子筛时，要避免分子筛晶体结构遭到破坏和团聚的发生，最大限度保留分子筛的结晶度和高分散性。
中国专利CN1178721报道了一种高硅铝比高结晶度的Y型分子筛及其制备方法。该发明以NH4NaY分子筛原料，在饱和水蒸气下，首先用六氟硅酸铵处理NH4NaY分子筛，然后用铝盐处理获得晶胞常数为2.425~2.436nm，硅铝摩尔比为15~100，比表面为700~780m2/g，相对结晶度为100~125%的Y型分子筛。这种制备高结晶度Y型分子筛的工艺较为复杂，成本较高，且对环境有一定污染。
中国专利CN1506309介绍了一种制备高活性稳定性沸石分子筛的方法。该方法的特点在于对铵盐交换处理的分子筛，进行碱洗，并进行稀土离子交换和水热焙烧处理，以制备出结晶度保留率高，活性稳定性好的分子筛。该方法是NaY分子筛的交换产物NH4，NaY和碱作用的过程，NaY分子筛结晶度、分散性和稳定性没有得到改善，且其碱处理滤饼和稀土溶液作用会产生部分沉淀物，分子筛的分散性变差。
中国专利CN1448337公开了一种脱除分子筛非骨架铝、制备高结晶度分子筛的方法。该方法使用乙酰丙酮乙醇溶液在0~60℃处理对分子筛处理10~100小时，过滤，干燥并获得脱除了非骨架铝的分子筛。该发明方法具有操作工艺简单，不破坏分子筛骨架结构，不改变分子筛酸性等特点。该发明方法在制备分子筛的过程中大量使用了有机原料，分子筛的后处理工艺复杂，焙烧分子筛产生的气体对环境有污染作用。
中国专利CN1803614介绍了一种改善分子筛结晶度的方法。该发明方法利用90~120℃的碱液洗涤市售的HZSM-5分子筛10~14小时以改善HZSM-5分子筛的结晶度。该方法不仅能制备出结晶度改善的HZSM-5分子筛，而且还能有效清除分子筛孔道内的阻塞物。但该方法在处理HZSM-5分子筛时，HZSM-5分子筛与Na离子再次发生离子交换生成NaZSM-5分子筛，后处理工艺复杂，且处理温度较高，对ZSM-5分子筛的晶体结构有一定的破坏作用。
中国专利CN101722022A提供了一种Y型分子筛的碱处理改性方法。该方法用强碱性溶液打浆Y型分子筛浆液，在温度范围0~120℃处理分子筛0.1~24小时，通过碱处理使硅铝比较低的Y型分子筛骨架结构有所改变，以达到获取更高N2吸附量和更大吸水量的目的。用该方法制备的USY分子筛具有更加丰富的二次孔和更高的催化活性。该方法为NaY分子筛需要打浆处理，工艺较为繁琐，并且会损失结晶度保留率。
美国专利US5,100,644介绍了一种分子筛骨架脱铝补硅的方法。该发明方法用氟化物处理分子筛，在分子筛骨架铝和硅原子脱除的同时，使部分非骨架硅原子发生重排，从而实现提高分子筛骨架硅铝比的目的。该方法制备的分子筛具有较高的热稳定性。在该发明方法中，用于脱铝补硅的化学试剂氟化物对人体和环境有毒害作用。
从现有技术来看，水热法制备的NaY分子筛晶化浆液中含有大量未反应的无定形胶体，在后续的分离过程中，胶体不能有效除去，致使制备的NaY分子筛结晶度低，热稳定性和分散性差。现有改进分子筛结晶度的方法，工艺复杂，成本较高，多采用环境污染原料合成，对环境和人体带来不利影响，且现有方法不具备改善分子筛分散性的功能。本领域需要一种工艺简单、成本低廉、无污染、可高效提高分子筛结晶度、分散性和稳定性的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高结晶度、分散性和稳定性NaY分子筛的制备方法。特别是一种将水热法制备的NaY分子筛的结晶度、分散性和稳定性提高的方法。
本发明所公开的NaY分子筛的制备方法为：新鲜NaY分子筛晶化浆液在过滤分离时用分子筛干基质量2～8倍的碱液冲洗分子筛滤饼然后干燥；碱液浓度为0.001～0.5mol/L，碱液温度为30～90℃；碱液浓度优选0.01~0.1mol/L，碱液温度优选40～80℃。
本发明所公开的技术方案中，采用碱液冲洗分子筛滤饼，即采用碱液直接冲洗NaY分子筛滤饼，可制备出结晶度高、分散性和稳定性优异的NaY分子筛。
本发明的高结晶度、高分散性和高稳定性NaY分子筛的制备方法，其特征在于待分子筛晶化浆液过滤分离时，向滤饼加入碱液，以冲洗除去附着在分子筛外表面的无机酸根和未反应的胶体，避免了低pH值时胶体粒子的生成和聚沉长大，从而实现了提高分子筛结晶度、分散性和稳定性目的；同时该方法还可显著提高分子筛的过滤效率。
本发明所述的新鲜NaY分子筛晶化浆液是指，在NaY分子筛制备反应终了时，含有NaY分子筛多晶、未反应的硅铝胶体、无机盐离子、氢氧根离子和水的一个混合体系。例如在CN200310115507.3中通过溶胶凝胶法所合成的NaY分子筛晶化料。本发明所述的NaY分子筛，沸石的骨架硅铝比最好在4.5~5.0之间。
本发明所述的碱液为碱性物质的水溶液，所使用的碱性物质为碱金属的氢氧化物，如NaOH、KOH等，优选NaOH。碱液的浓度为0.001～0.5mol/L，优选0.01～0.1mol/L。本发明所述的碱液必须为浓度适宜的碱液，碱液浓度过高，碱液会溶解分子筛骨架硅原子，使分子筛晶体结构遭到破坏，结晶度和稳定性下降。采用0.001~0.5mol/L的碱液分子筛可以有效除去附着在分子筛外表面的无机酸根离子和胶体，从而提高分子筛的结晶度、分散性和稳定性；碱液浓度过低，碱液不能有效冲洗除去附着在分子筛外表面的无机酸根离子和胶体，分子筛的结晶度低、分散性和稳定性差。碱液冲洗的滤饼可直接用于制备改性分子筛，滤饼的pH值不影响改性分子筛。
本发明所述的碱液的使用温度最好为30~90℃，优选40~80℃。在30~90℃温度范围内，在保持分子筛晶体结构完成性的前提下，碱液可以冲洗除去附着在分子筛外表面的无机酸根离子和未反应的胶体，避免了无定形胶体的生成和聚沉长大，提高了分子筛的结晶度、分散性和稳定性。碱液温度过高，碱液容易与分子筛骨架硅原子发生化学反应，使得分子筛的部分骨架硅原子溶解，导致分子筛的晶体结构遭到破坏，稳定性下降；处理温度过低，碱液不能有效冲洗除去附着在分子筛外表面的无机酸根离子和胶体，分子筛结晶度低、分散性和稳定性差。
新鲜NaY分子筛晶化料的过滤过程为固液相分离的过程，可采用本领域通用的方法，既可以在布氏漏斗上完成，也可以在水平带式滤机上完成。
本发明采用的低浓度碱液（所采用碱液的pH值与NaY分子筛晶化母液的pH相近，约为12~14）冲洗分子筛滤饼的方法，在该碱性条件下，使得附着在分子筛滤饼上的未反应的硅和分子筛滤饼高效快速分离，改善了分子筛的结晶度、稳定性和分散性。如将分子筛滤饼在强碱溶液中打浆，不仅不能使未反应的硅和分子筛体系有效分离，而且会显著破坏分子筛晶体结构，产生更多的非骨架硅，降低了分子筛的硅铝比，使得分子筛的结晶度、稳定性和分散性变差。
本发明所公开的技术方案，碱液和分子筛滤饼的质量比为(2～8):1，其中的分子筛滤饼以干基计算；优选(2～5):1。
本发明所提供的提高NaY分子筛结晶度、分散性和稳定性的方法，在新鲜NaY分子筛分离过程中，采用碱液冲洗分子筛滤饼。在保持分子筛结构完整性的前提下，用碱液冲洗滤饼，以除去附着在分子筛外表面的胶体，避免了无定性胶体的生成，从而实现提高分子筛结晶度，分散性和稳定性的目的。
本发明所公开的技术方案，采用碱液冲洗分子筛滤饼，可以显著提高NaY分子筛的结晶度，分散性和稳定性。与常规方法制备的NaY分子筛相比，本发明所公开的方法可高效除去附着在分子筛外表面的无机酸根离子和胶体，使得NaY分子筛的结晶度提高10%以上，同时可使分子筛的分散性和稳定性(包括热稳定性、水热稳定性和活性稳定性)大幅改善，并且工艺简单、成本低廉、无污染。
附图说明
附图为本发明的实施例和对比例所得分子筛的X射线衍射谱、SEM照片。
图1S-1分子筛的X射线衍射谱。
图2R-1分子筛的X射线衍射谱。
从S-1和R-1分子筛的X射线衍射谱上可以看出，在相同的衍射数据收集条件下，S-1分子筛的衍射峰强度显著高于R-1分子筛，说明S-1分子筛的相对结晶度更高。
图3S-1分子筛的SEM照片。从分子筛的SEM电子照片可以看出，与对比分子筛R-1相比，S-1分子筛颗粒分布更加均匀，形貌更加清楚。
图4R-1分子筛的SEM照片。
图5R-2分子筛的SEM照片。从分子筛SEM照片可以看出，R-2分子筛发生部分溶解，分子筛颗粒团聚严重。
图6R-3分子筛的SEM照片。从分子筛的SEM照片可以看出，R-3分子筛颗粒分散性劣于S-1分子筛
具体实施方式
分析方法
表1物理化学性质分析方法
分析项目 分析方法及标准号
Na2O，wt% 原子吸收法
SiO2，wt% 原子吸收法
结晶度，% Q/SYLS0605-2002
SiO2/Al2O3，mol/mol Q/SYLS0573-2002
热崩塌温度，T “差示扫描量热仪”
粒度，μm 激光粒度分析仪
NaY分子筛的晶胞常数和相对结晶度由X射线粉末衍射法测量得到，分子筛的骨架硅铝比由经验公式计算得到，计算公式为：Si/Al2=2*(25.8575-a0)/(a0-24.191)。
下面的实施例用于对本发明做进一步说明，但并不因此而限制本发明。
对比例和实施例所用的NaY分子筛晶化浆液按照文献VerifiedSynthesesofZeoliticMaterials,1stEdition[J],1998,22(46):604-605公布方法合成，NaY分子筛浆液的固含量为120g/l（分子筛的骨架硅铝比为4.85，晶胞常数为2.467nm）。
实施例1
取新鲜NaY晶化浆液500ml，并维持晶化浆液温度60℃。在模拟带式滤机上过滤分离晶化浆液，在滤饼未发生龟裂时，用300ml0.02mol/l（pH为12.3）的NaOH溶液(50℃)冲洗分子筛滤饼，并干燥，记样品为S-1。
对比例1
取新鲜NaY晶化浆液500ml(晶化浆液固含量为120g/l，骨架硅铝比：4.85)，维持晶化浆液温度60℃。在模拟带式滤机上过滤分离晶化浆液，在滤饼未发生龟裂时，用300ml蒸馏水(50℃)冲洗分子筛滤饼，并干燥，记水洗样品为R-1。
表2本发明的工艺对NaY分子筛物理化学性质的影响
样品 Na2O/wt% SiO2/wt% 相对结晶度/% 崩塌温度/℃ D(0,5)/μm4 -->
S-1 12.75 57.45 94 980 2.241
R-1 13.12 58.68 79 939 2.967
表2为S-1分子筛和R-1分子筛物理化学性质分析。从表2可以看出，与常规工艺相比，本发明的碱液冲洗工艺所得分子筛可以明显改善NaY分子筛的相对结晶度，热稳定性和粒径(D(0,5))，此外，分子筛滤饼的SiO2含量和Na2O含量也有不同程度的下降。图1为应用本发明的碱洗工艺制备得到的NaY分子筛（S-1）的X射线衍射谱图。图2为常规工艺制备得到的NaY分子筛（R-1）的X射线衍射谱图。由图1和图2可以看出，碱液冲洗后分子筛的衍射强度显著增强。图3和图4分别为不同工艺处理得到的NaY分子筛的SEM照片。从图中可以看出，与常规工艺相比，碱液冲洗后，分子筛颗粒分散性得更加均匀。
对比例2
取新鲜NaY晶化浆液500ml，维持晶化浆液温度60℃。在模拟带式滤机上过滤分离晶化浆液，在滤饼未发生龟裂时，用300ml0.8mol/l（pH为13.9）的NaOH溶液(50℃)冲洗分子筛滤饼，并干燥，记样品为R-2。表3为R-2分子筛的物理化学性质。可以看出，碱液浓度过高，分子筛骨架硅原子发生溶解，分子筛的晶体结构遭到破坏，分子筛结晶度和热稳定性反而下降。图5为R-2分子筛的SEM照片，分子筛团聚现象严重。
表3本发明的工艺对NaY分子筛物理化学性质的影响
样品 Na2O/wt% SiO2/wt% 相对结晶度/% 崩塌温度℃ 滤液
R-2 14.24 55.98 75 903 有絮状沉淀
对比例3
取兰州石化公司分子筛车间生产的新鲜NaY晶化浆液500ml(晶化浆液固含量为120g/l，(骨架硅铝比：4.85)，维持晶化浆液温度60℃。在模拟带式滤机上过滤分离晶化浆液，在滤饼未发生龟裂时，用300ml1×10-4mol/l（pH为10）的NaOH溶液(50℃)冲洗分子筛滤饼，并干燥，记样品为R-3。表4为R-3分子筛的物理化学性能。从表4可以看出，碱液浓度过低，分子筛结晶性能和热稳定性改善不明显。图6为R-3分子筛样品的SEM照片，分子筛颗粒的分散性无明显改善。
表4本发明的工艺对NaY分子筛物理化学性质的影响
样品 Na2O/wt% SiO2/wt% 相对结晶度/% 崩塌温度/℃ 滤液
R-3 13.07 58.44 84 942 有丁达尔现象
对比例4
取兰州石化公司分子筛车间生产的新鲜NaY晶化浆液500ml(晶化浆液固含量为120g/l，(骨架硅铝比：4.85)，维持晶化浆液温度60℃。在模拟带式滤机上过滤分离NaY分子筛晶化浆液。在滤饼未发生龟裂时，分别用300ml10℃和100℃的0.2mol/lNaOH（pH为13.3）溶液冲洗分子筛滤饼，并分别记10℃和100℃碱液冲洗的样品为R-4-1，R-4-2。表5为R-4-1和R-4-2分子筛的物理化学性质。从表5中可以看出，碱液温度过低和过高都不利于分子筛相对结晶度和热稳定性的提高。
表4碱液浓度对NaY分子筛物理化学性质的影响
样品 Na2O/wt% SiO2/wt% 相对结晶度/% 崩塌温度/℃
R-4-1 12.91 58.36 87 948
R-4-2 12.65 57.22 90 971
对比例5
取新鲜NaY晶化浆液500ml，并维持晶化浆液温度60℃。在模拟带式滤机上过滤分离晶化浆液，在滤饼未发生龟裂时，用300ml蒸馏水冲洗并收集滤饼待用。按照中国专利CN101722022A的方法，将1g氢氧化钠溶于999g蒸馏水中，搅拌均匀后升温至99℃，将上述过滤好的分子筛（干基约为50g）加入该碱液，搅拌条件下，99℃反应5小时，反应终了时，过滤收集滤饼，并干燥，记样品为R-5。表6为R-5分子筛滤饼及过滤性质的分析。从表6可以看出，分子筛滤饼与碱液打浆并长时间反应后，分子筛的结晶度提高并不明显，分子筛的过滤效率较低。此外，滤饼打浆后，分子筛浆液Na2O含量一定，而用碱液冲洗滤饼，滤饼的Na2O在过滤方向形成梯度，分子筛的冲洗效果更佳，Na2O更低。
表5本发明的冲洗工艺对NaY分子筛物理化学性质的影响
样品 Na2O/wt% SiO2/wt% 相对结晶度/% 崩塌温度/℃ 过滤时间/s
S-1 12.75 57.45 94 980 28
R-5 13.25 57.33 82 944 49
实施例2
取新鲜NaY晶化浆液500ml，并维持晶化浆液温度60℃。在模拟带式滤机上过滤分离晶化浆液，在滤饼未发生龟裂时，用300ml0.05mol/l（pH为11.7）的KOH溶液(50℃)冲洗分子筛滤饼，并干燥，记样品为S-2。表7为S-2分子筛的物理化学性质分析。从表7可以看出，与常规工艺相比，一定浓度的KOH溶液冲洗分子筛滤饼也明显改善NaY分子筛的相对结晶度和热稳定性。
表6本发明的冲洗工艺对NaY分子筛物理化学性质的影响
样品 Na2O+K2O/wt% SiO2/wt% 相对结晶度/% 崩塌温度/℃
S-2 12.88 57.53 96 987
R-1 13.12(Na2O) 58.68 79 939
实施例3
取新鲜NaY晶化浆液500ml，并维持晶化浆液温度60℃。在布氏漏斗上过滤分离晶化浆液，在滤饼未发生龟裂时，用300ml0.02mol/l（pH为11.7）的NaOH溶液(50℃)冲洗分子筛滤饼，并干燥，记样品为S-3。表8为S-1分子筛和S-3分子筛物理化学性质分析。从表8可以看出，在模拟带式滤机和布氏漏斗上过滤冲洗分子筛均能得到高结晶度、高分散性和高热稳定性的NaY分子筛。
表7过滤工艺对NaY分子筛物理化学性质的影响
样品 Na2O/wt% SiO2/wt% 相对结晶度/% 崩塌温度/℃ D(0,5)/μm
S-1 12.75 57.45 94 980 2.241
S-3 12.81 57.44 95 978 2.237

Claims (3)

1.一种NaY分子筛的制备方法，其特征在于新鲜NaY分子筛晶化浆液在过滤分离时用分子筛干基质量2～8倍的碱液冲洗分子筛滤饼然后干燥，碱液浓度0.01～0.1mol/L；碱液温度40～80℃；新鲜NaY分子筛晶化浆液是指，在NaY分子筛制备反应终了时，含有NaY分子筛多晶、未反应的硅铝胶体、无机盐离子、氢氧根离子和水的一个混合体系；碱液和分子筛滤饼的质量比为2～5:1，分子筛滤饼以干基计。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：碱液为NaOH或KOH的水溶液。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：碱液为NaOH的水溶液。
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