CN105149012A - 提高二氧化硅载体大孔体积的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高二氧化硅载体大孔体积的制备方法,包括以下步骤:以质量份计,100份比表面积60-250m2/g的二氧化硅粉,10-30份灼烧基本无残留、基本不吸水溶胀的高分子超细粉,充分混匀;加80-100份质量浓度0.1-0.5%的具有一定粘度的聚合物水溶液,充分混匀,加40-70份浓度20-30%的硅溶胶,充分混匀,密闭放置;所述硅溶胶的胶粒平均直径为10-30nm,所述聚合物焙烧基本无残留,选自于聚丙烯酰胺、纤维素、变性淀粉中的一种;混合料捏合、挤条,挤出条干燥,600-670℃焙烧2-4hr,得二氧化硅载体。本发明二氧化硅载体,直径100nm以上的大孔高于0.10-0.35ml/g,具有较高的机械强度,侧压强度>150N/cm。
Description
技术领域
本发明涉及一种催化剂载体的制备方法,具体涉及一种提高二氧化硅载体大孔体积的制备方法。
背景技术
二氧化硅载体是一种常见的催化剂载体,其耐酸性、耐水性优于常用的高温氧化铝如α-氧化铝载体,在某些反应过程中表现出了较好的性能。比如在硫化氢选择氧化为单质硫的过程中,由二氧化硅载体负载活性组分制成的催化剂,反应性能衰退较慢,通常具有更长的寿命,而且,二氧化硅载体的克劳斯反应活性较高温氧化铝低得多,所制备催化剂将硫化氢氧化为单质硫的选择性可高于95%,高于由高温氧化铝负载相同活性组分制得催化剂所能达到的90%左右的选择性。
二氧化硅载体的一个常见问题,是大孔较少,有些应用中反应体系中某些成分的内扩散阻力较大,或者大孔还不够多,希望增加大孔。
已知技术中,要增加载体的孔体积,可添加造孔剂如聚丙烯酰胺、纤维素、田菁粉、淀粉、有机短纤维、炭黑等成分,载体焙烧时烧掉留下孔道,形成内扩散通道,造孔剂的添加量有达到载体质量30%的。提高造孔剂添加量,有助于增加孔体积,尤其是增加大孔的孔体积,但存在至少两个问题,一个是会降低载体的机械强度,另一个是造孔剂灼烧残留引入的化学杂质如氧化钠,对焙烧后载体孔结构及化学成分的负面影响,比如1%的氧化钠会造成650℃x2hr焙烧的二氧化硅载体比表面积和孔体积明显下降。因而如何通过加入较大量灼烧残留较低的造孔剂来增加大孔体积,同时基本不改变比表面积和中孔、小孔的体积及其分布情况,又保证机械强度,是一个值得研究的技术问题。
机械强度是催化剂的重要指标,对多数工业过程而言,若强度低于100N/cm,则存在较多弊端,如易碎、易粉化,会造成进一步的问题如床层压降升高、偏流等,从而降低处理能力、缩短催化剂的使用寿命。
近几年,也有厂家用二氧化硅溶胶作为粘结剂,和二氧化硅粉混合、捏合、挤条(还可加水、纤维素、田菁粉等),再经干燥、650℃左右焙烧制备二氧化硅载体,来提高载体的机械强度,但基本没有涉及如何在保证机械强度的前提下,通过加入较多的造孔剂来增加大孔体积的研究。
发明内容
根据以上现有技术中的不足,本发明提供一种提高二氧化硅载体大孔体积的制备方法,包括以下步骤:
A、以质量份计,100份比表面积60-250m2/g的二氧化硅粉,10-30份灼烧基本无残留、基本不吸水溶胀的高分子超细粉,充分混匀;
B、加80-100份质量浓度0.1-0.5%的具有一定粘度的聚合物水溶液,充分混匀,密闭放置,使大部分渗入二氧化硅颗粒内的微孔中,将尽可能多的微孔填满;加40-70份浓度20-30%的硅溶胶,充分混匀;所述硅溶胶的胶粒平均直径为10-30nm,所述聚合物焙烧基本无残留,选自于聚丙烯酰胺、纤维素、变性淀粉中的一种;
C、混合料捏合、挤条,挤出条干燥,600-670℃焙烧2-4hr,得二氧化硅载体。
其中,所述二氧化硅粉优选颗粒直径<44um,优选Na2O<0.20%。
其中,所述高分子优选聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯。
其中,所述高分子超细粉优选颗粒直径<30um,更优选颗粒平均直径5-10um。
其中,所述硅溶胶中优选Na2O<0.05%。
其中,所述变性淀粉为糊化温度为50-70℃的变性淀粉,步骤A中在二氧化硅和变性淀粉水溶液混匀并密闭放置后,将混合料加热到变性淀粉的糊化温度以上。
本发明制备二氧化硅载体的方法,具有以下优点:
a、高分子超细粉混入二氧化硅粉中,经过捏合、挤条后,分散填充在二氧化硅微颗粒之间,焙烧时氧化烧掉,留下孔洞,孔洞连接成利于内扩散的孔道,因添加量大,扩孔作用明显,大孔体积增加,直径100nm以上的大孔可增加0.10-0.35ml/g;所述高分子超细粉可由工业粉经超细粉碎如气流粉碎获得;
b、高分子超细粉灼烧基本无残留,虽然添加量较大,载体焙烧时的灼烧残留极少,基本没有引入对二氧化硅载体焙烧存在影响的化学杂质如氧化钠,因而载体的微孔结构、比表面积及化学成分基本无影响。当今的高分子,其灼烧残留很低,主要是聚合过程中所用的催化剂,如聚乙烯、聚丙烯,在几个ppm以下;
c、所用硅溶胶,胶粒平均直径为10-30nm,其胶粒成分介于二氧化硅和硅酸之间,结晶不充分,内部、表面的缺陷多,活性高,烧结性能好;聚丙烯酰胺、纤维素、变性淀粉等具有一定粘度的聚合物溶液,加入到精制二氧化硅粉中,混合后,大部分渗入二氧化硅颗粒内的微孔中,将尽可能多的微孔填满,密闭放置5-50hr后效果更好,之后加入硅溶胶,因二氧化硅颗粒内的微孔已基本填满聚合物溶液,硅溶胶无法进入,或者进入量较小,因而硅溶胶主要是分散在二氧化硅的微颗粒之间;硅溶胶绝大部分分散在二氧化硅的微颗粒之间,焙烧后起到了较好的粘接作用,使载体达到较高的机械强度,侧压强度>150N/cm,符合工业要求;胶粒直径30nm以上的硅溶胶,结晶充分一些,内部、表面的缺陷少,粘接效果差一些;
d、所用硅溶胶,在载体的制备过程中主要是分散在二氧化硅粉的微颗粒之间,无法进入孔径小于胶粒尺寸的较小孔中,基本不影响载体的微孔结构和比表面积;
e、所制备二氧化硅载体的纯度较高,对酸性物质、对水蒸气的耐受力很强,使进一步制备的催化剂性能较为稳定,运转周期较长。
本发明中,所述比表面积由BET法测得,孔体积、不同直径范围的孔体积分布由压汞法测得。
具体实施方式
实施例1
称取1000g沉淀法二氧化硅粉(颗粒平均直径32um,比表面积126m2/g,Na2O0.15%),100g聚丙烯超细粉(颗粒平均直径8um,取10g置坩埚600℃灼烧无可见残留物),加入设有压力式雾化喷头的高速混料器中,封闭料口,开启混料器搅拌,以柱塞式高压泵为动力,先将1000g聚丙烯酰胺水溶液(质量浓度0.5%)雾化喷入,5min后停搅拌,静置5hr,开启搅拌,再将400g硅溶胶(SiO2质量浓度30%,Na2O0.04%,胶粒平均直径25nm)雾化喷入,5min后停止混料器搅拌,出料,经捏合机捏合后用双螺杆挤条机挤成外径3mm的条,110℃干燥,660℃焙烧3hr,得二氧化硅载体,测侧压强度162N/cm,比表面积88m2/g,孔体积0.67ml/g,其中孔直径20nm以下的较小孔体积为0.44ml/g,20-100nm的中间孔体积为0.10ml/g,100nm以上的较大孔为0.13ml/g。
本例中,硅溶胶引入SiO2的质量为载体的10.7%,所加聚丙烯粉的质量为二氧化硅粉的10%。
实施例2
称取与实施例1相同的1000g沉淀法二氧化硅粉,300g聚乙烯超细粉(颗粒平均直径16um,取10g置坩埚600℃灼烧无可见残留物)加入设有压力式雾化喷头的高速混料器中,封闭料口,开启混料器搅拌,以柱塞式高压泵为动力,先将800g羧甲基纤维素水溶液(质量浓度0.3%)雾化喷入,5min后停搅拌,静置5hr开启搅拌,将600g硅溶胶(SiO2质量浓度30%,Na2O0.04%,胶粒平均直径10nm)雾化喷入,5min后停止混料器搅拌,出料,经捏合机捏合后用双螺杆挤条机挤成外径3mm的条,110℃干燥,600℃焙烧3hr,得二氧化硅载体,测侧压强度171N/cm,比表面积92m2/g,孔体积0.85ml/g,其中孔直径20nm以下的较小孔体积为0.42ml/g,20-100nm的中间孔体积为0.08ml/g,100nm以上的较大孔为0.35ml/g。
本例中,硅溶胶引入SiO2的质量为载体的15.3%,所加聚乙烯粉的质量为二氧化硅粉的30%。
实施例3
称取与实施例1相同的1000g沉淀法二氧化硅粉,15g田菁粉(1250目),200g聚苯乙烯超细粉(颗粒平均直径25um,取10g置坩埚600℃灼烧无可见残留物)加入设有压力式雾化喷头的高速混料器中,封闭料口,开启混料器搅拌,以柱塞式高压泵为动力,先将800gα-淀粉水溶液(质量浓度0.3%,糊化温度65℃)雾化喷入,5min后停搅拌,静置5hr开启搅拌,再将700g硅溶胶(SiO2质量浓度20%,Na2O0.03%,胶粒平均直径15nm)雾化喷入,5min后停止混料器搅拌,出料,经捏合机捏合后用双螺杆挤条机挤成外径3mm的条,110℃干燥,630℃焙烧3hr,得二氧化硅载体,测侧压强度162N/cm,比表面积90m2/g,孔体积0.79ml/g,其中孔直径20nm以下的较小孔体积为0.42ml/g,20-100nm的中间孔体积为0.09ml/g,100nm以上的较大孔为0.28ml/g。
本例中,硅溶胶引入SiO2的质量为载体的12.3%,所加聚苯乙烯粉的质量为二氧化硅粉的20%。
实施例4
基本同实施例1,区别在于采用另一种1000g二氧化硅粉(颗粒平均直径16um,比表面积206m2/g,Na2O0.10%),所得二氧化硅载体,侧压强度152N/cm,比表面积105m2/g,孔体积0.60ml/g,其中孔直径20nm以下的较小孔体积为0.30ml/g,20-100nm的中间孔体积为0.14ml/g,100nm以上的较大孔为0.16ml/g。
本例中,硅溶胶引入SiO2的质量为载体的10.7%,所加聚丙烯粉的质量为二氧化硅粉的10%。
实施例5
基本同实施例1,区别在于采用第三种1000g二氧化硅粉(颗粒平均直径5um,比表面积52m2/g,不含Na2O),所得二氧化硅载体,侧压强度155N/cm,比表面积45m2/g,孔体积0.71ml/g,其中孔直径20nm以下的较小孔体积为0.32ml/g,20-100nm的中间孔体积为0.15ml/g,100nm以上的较大孔为0.24ml/g。
本例中,硅溶胶引入SiO2的质量为载体的10.7%,所加聚丙烯粉的质量为二氧化硅粉的10%。
实施例6
基本同实施例3,区别在于所用800gα-淀粉水溶液浓度低一些(质量浓度0.1%,糊化温度65℃)雾化喷入,密闭放置5hr,再将混合料取出,加热到70℃,保温10min使α-淀粉水溶液糊化,然后放回混料器中,再雾化喷入硅溶胶。所得二氧化硅载体,侧压强度170N/cm,比表面积88m2/g,孔体积0.78ml/g,其中孔直径20nm以下的较小孔体积为0.43ml/g,20-100nm的中间孔体积为0.10ml/g,100nm以上的较大孔为0.25ml/g。
本例中,硅溶胶引入SiO2的质量为载体的12.3%,所加聚苯乙烯粉的质量为二氧化硅粉的20%。
对比例1
基本同实施例1,区别在于不加聚丙烯超细粉,所得二氧化硅载体侧压强度略提高,至179N/cm,比表面积85m2/g,孔体积0.53ml/g,其中孔直径20nm以下的较小孔体积为0.42ml/g,20-100nm的中间孔体积为0.09ml/g,100nm以上的较大孔为0.02ml/g。
对比例2
基本同实施例4,区别在于不加聚丙烯超细粉,所得二氧化硅载体侧压强度175N/cm,比表面积98m2/g,孔体积0.48ml/g,其中孔直径20nm以下的较小孔体积为0.31ml/g,20-100nm的中间孔体积为0.16ml/g,无100nm以上的较大孔。
对比例3
基本同实施例5,区别在于不加聚丙烯超细粉,所得二氧化硅载体侧压强度166N/cm,比表面积47m2/g,孔体积0.60ml/g,其中孔直径20nm以下的较小孔体积为0.34ml/g,20-100nm的中间孔体积为0.16ml/g,100nm以上的较大孔为0.10ml/g。
对比例4
基本同实施例1,区别在于不加聚丙烯超细粉、不加硅溶胶,所得二氧化硅载体侧压强度49N/cm,比表面积90m2/g,孔体积0.56ml/g,其中孔直径20nm以下的较小孔体积为0.44ml/g,20-100nm的中间孔体积为0.11ml/g,100nm以上的较大孔为0.01ml/g。
对比例5
基本同实施例1,区别在于所加聚丙烯粉颗粒平均直径50um,所得二氧化硅载体侧压强度140N/cm。
对比例6
基本同实施例1,区别在于所用二氧化硅粉的Na2O含量略高(同一厂家生产线上的不同批次产品,区别在于水洗去除Na2O的程度,颗粒平均直径32um,比表面积126m2/g,Na2O0.52%),所得二氧化硅载体,侧压强度160N/cm,比表面积55m2/g,孔体积0.63ml/g,其中孔直径20nm以下的较小孔体积为0.37ml/g,20-100nm的中间孔体积为0.14ml/g,100nm以上的较大孔为0.12ml/g。
由以上各实施例和相应对比例二氧化硅载体的测试结果可以看出,聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯超细粉起到了增加100nm以上的较大孔体积的作用;聚丙烯酰胺、纤维素、变性淀粉等具有一定粘度的聚合物溶液,渗入二氧化硅颗粒内的微孔中,将尽可能多的微孔填满,使胶粒平均直径10-30nm的硅溶胶主要分散在二氧化硅的微颗粒之间,起到了提高机械强度的作用,使载体侧压强度>150N/cm,符合工业要求;同时二者对100nm以下的较小孔、中间孔的体积影响不大,对比表面积的影响也不大。
Claims (7)
1.一种提高二氧化硅载体大孔体积的制备方法,包括以下步骤:
A、以质量份计,100份比表面积60-250m2/g的二氧化硅粉,10-30份灼烧基本无残留、基本不吸水溶胀的高分子超细粉,充分混匀;
B、加80-100份质量浓度0.1-0.5%的具有一定粘度的聚合物水溶液,充分混匀,加40-70份浓度20-30%的硅溶胶,充分混匀,密闭放置,使大部分渗入二氧化硅颗粒内的微孔中,将尽可能多的微孔填满;所述硅溶胶的胶粒平均直径为10-30nm,所述聚合物焙烧基本无残留,选自于聚丙烯酰胺、纤维素、变性淀粉中的一种;
C、混合料捏合、挤条,挤出条干燥,600-670℃焙烧2-4hr,得二氧化硅载体。
2.根据权利要求1所述的提高二氧化硅载体大孔体积的制备方法,其特征在于,所述二氧化硅粉颗粒直径<44um,Na2O<0.20%。
3.根据权利要求1所述的提高二氧化硅载体大孔体积的制备方法,其特征在于,所述高分子聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯。
4.根据权利要求1所述的提高二氧化硅载体大孔体积的制备方法,其特征在于,所述高分子超细粉颗粒直径<30um。
5.根据权利要求4所述的提高二氧化硅载体大孔体积的制备方法,其特征在于,所述高分子超细粉的颗粒平均直径5-10um。
6.根据权利要求1所述的提高二氧化硅载体大孔体积的制备方法,其特征在于,所述变性淀粉为糊化温度为50-70℃的变性淀粉,步骤A中在二氧化硅和变性淀粉水溶液混匀并密闭放置后,将混合料加热到变性淀粉的糊化温度以上。
7.根据权利要求1所述的提高二氧化硅载体大孔体积的制备方法,其特征在于,所述硅溶胶中Na2O<0.05%。
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