CN106395854A - 一种磷改性多级孔zsm‑5沸石的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磷改性多级孔ZSM‑5沸石的制备方法,将多级孔ZSM‑5沸石浸渍于含磷源的溶液中,通过60℃~120℃下旋转蒸发0.5小时~12小时、烘干以及煅烧后得到所述磷改性的多级孔ZSM‑5沸石。本发明的改性工艺能够有效增强多级孔ZSM‑5沸石的水热稳定性,并且调控多级孔ZSM‑5沸石的酸性质,使之是适应于丁烯裂解反应,提高丙烯的选择性。

Description

一种磷改性多级孔ZSM-5沸石的制备方法
技术领域
本发明属于无机材料合成和催化领域,具体涉及一种针对多级孔ZSM-5沸石的后改性方法。
背景技术
低碳烯烃(尤其是丙烯)是重要的基础化工原料,每年工业上消耗的丙烯量都在快速增长。而传统工业主要通过石脑油的蒸汽裂解来生产丙烯。但是该生产方法能耗大(一般反应温度高于800℃)、产率低(一般低于13%),而且会排放大量CO2。所以工业上急需一种高效、绿色的方法来生产丙烯。
丁烯催化裂解法制丙烯近些年来受到了研究人员的广泛关注。因为该方法反应温度低(一般低于600℃),产率高。而且石化工业上的液相催化裂解(FCC)过程会产生大量的丁烯作为副产物。因此,通过催化裂解的方法将价值较低的丁烯转化为价值较高的丙烯(乙烯)非常具有应用价值。一般地,丁烯催化裂解需要使用ZSM-5沸石作为催化剂,但是传统的ZSM-5沸石特殊的微孔结构导致它们易在反应过程中形成积碳失活。而多级孔ZSM-5沸石由于引入了介孔结构,其抗失活能力较强。但是介孔结构的引入对其水热稳定性造成了负面影响,限制了它的应用。此外,沸石的表面酸性质对于催化丁烯裂解制丙烯的选择性有着至关重要的影响。而目前还没有相关研究关于如何调控多级孔沸石的表面酸性。
基于以上原因,目前工业上迫切要一种能够显著增强多级孔ZSM-5沸石水热稳定性的方法,并能够对多级孔ZSM-5的酸性进行调控。这关系到多级孔沸石分子筛能否投入工业化应用,具有十分重要的意义。
发明内容
针对现在多级孔ZSM-5沸石分子筛水热稳定性不好、表面酸性质不完全适应于丁烯裂解反应,本发明的目的在于提供一种针对多级孔ZSM-5沸石分子筛的后改性工艺。
一方面,本发明提供了一种磷改性多级孔ZSM-5沸石的制备方法,其特征在于,将多级孔ZSM-5沸石浸渍于含磷源液中,通过60℃~120℃下旋转蒸发0.5小时~12小时、烘干以及煅烧后得到所述磷改性的多级孔ZSM-5沸石。
较佳地,所使用的磷源为磷酸、磷酸氢二氨和磷酸二氢氨中的至少一种。
较佳地,所述磷源中磷元素含量不超过多级孔ZSM-5沸石质量的10wt%。
较佳地,所述含磷源的溶液的体积与多级孔ZSM-5沸石质量比为1ml/1g~30ml/1g。
较佳地,所述煅烧的温度为300~600℃,煅烧的时间为1~12小时。
较佳地,所述烘干的干燥温度为60℃~200℃,干燥时间为0.5小时~24小时。
较佳地,所述煅烧的升温速度1~5℃/分钟。
本发明的改性工艺能够有效增强多级孔ZSM-5沸石的水热稳定性,并且调控多级孔ZSM-5沸石的酸性质,使之是适应于丁烯裂解反应,提高丙烯的选择性。
本发明中的制备所制备的磷改性多级孔结构沸石分子筛材料,其优点在于:
(1)水热稳定性较未改性多级孔ZSM-5沸石显著增强,可以承受高温蒸汽的严苛环境;
(2)磷改性多级孔ZSM-5沸石的的酸性质得到有效调控,强酸性随着磷改量增加逐渐减弱,丁烯裂解反应中丙烯的选择性显著提高;
(3)改性方法简单,易在工业上推广。
附图说明
图1为实施例1所制得的磷改性多级孔ZSM-5沸石的XRD图;
图2为实施例1中制得的磷改性多级孔ZSM-5沸石分子筛材料的氮气吸附-脱附等温线(a)及孔径分布图(b);
图3为实施例1中制得的磷改性多级孔ZSM-5沸石的SEM照片(a)和TEM照片(b);
图4为未改性多级孔ZSM-5沸石和磷改性多级孔ZSM-5沸石的NH3-TPD图谱;
图5为实施例2中制备的磷改性多级孔ZSM-5沸石的XRD衍射图谱(a)和氮气吸附-脱附等温线(b);
图6为实施例2中制备的磷改性多级孔ZSM-5沸石的SEM照片(a)和TEM照片(b);
图7为实施例2中制备的磷改性多级孔ZSM-5沸石的NH3-TPD图谱;
图8为实施例1制备的磷改性多级孔沸石的SEM(a)和TEM照片(b)。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明,应理解,下述实施方式仅用于说明本发明,而非限制本发明。
本发明将一定质量的多级孔ZSM-5沸石浸渍于特定磷含量的溶液中,将混合物蒸干得到固体粉末,再将固体粉末在高温下煅烧,得到磷改性的多级孔ZSM-5沸石。
本发明改性方法工序简单,成本低廉,具有潜在的应用前景。
以下示例性地说明本发明提供的磷改性多级孔ZSM-5沸石的制备方法。
本发明可通过无模板蒸汽辅助晶化的方法制备出多级孔ZSM-5沸石。具体而言,本发明选取合适的硅源、铝源、结构导向剂,经混合陈化形成干凝胶。蒸汽辅助晶化适当时间后,将产物高温煅烧除去结构导向剂,得到多级孔ZSM-5沸石。
将多级孔ZSM-5沸石浸渍于含磷源(例如,磷酸、磷酸氢二氨、磷酸二氢氨等)的溶液中,通过旋转蒸发将水分蒸干,得到干燥粉末。本发明采用旋转蒸发速度更快,改性效果更加均匀。其中,含磷源的溶液中的磷元素含量不超过多级孔ZSM-5沸石质量10wt%。含磷源的溶液的体积与多级孔ZSM-5沸石质量比可为1ml/1g~30ml/1g。旋转蒸发的温度可为60℃~120℃。旋转蒸发时间可为0.5h~12h。
将所得干燥粉末在烘箱里干燥,确保完全除去水分后在马弗炉中高温煅烧,得到磷改性的多级孔ZSM-5沸石。其中烘箱的干燥温度可为60℃~200℃。干燥时间可为0.5h~24h。其中高温煅烧的温度可为300℃~600℃。煅烧时间可为1~12h。所述煅烧的升温速度可为1~5℃/分钟。
作为一个详细的示例,具有高水热稳定性和适当酸性质的多级孔ZSM-5沸石分子筛可以通过以下步骤合成:
(1)将一定质量的多级孔ZSM-5沸石浸渍于一定体积、含有特定质量磷元素的溶液中,室温下搅拌2h,使之分散均匀;
(2)通过旋转蒸发,在80℃下旋蒸2h,除去水分,得到干燥粉末;
(3)将步骤(2)得到的干燥粉末在120℃烘箱中再干燥2h;
(4)将步骤(3)得到的粉末在马弗炉中以600℃煅烧4h,得到磷改性多级孔ZSM-5沸石。
本发明所合成的是磷改性多级孔ZSM-5沸石,比表面积为347m2g-1~417m2g-1,孔容为0.40cm3g-1~0.46cm3g-1
本发明在旋转蒸发的条件下,通过控制改性溶液中的磷元素含量、蒸发温度、煅烧温度等因素,制备得到磷改性多级孔ZSM-5沸石。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解,以下实施例只用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例,即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择,而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
a)将1g多级孔ZSM-5沸石加入到10ml含0.01g磷的磷酸溶液中,室温下搅拌2h,使之分散均匀;
b)将步骤a)得到的混合物在80℃下旋蒸2h;
c)将步骤b)得到的干燥粉末在120℃烘箱中再干燥2h;
d)从烘箱中取出样品。在马弗炉中600摄氏度煅烧4h,升温速度2℃/min,得到磷改性量为1wt%的磷改性多级孔ZSM-5沸石。
图1为本实施例1所制得的磷改性多级孔ZSM-5沸石的XRD图,由图可见,材料为典型的MFI型沸石结构,且结晶度非常高。
图2为实施例1中制得的磷改性多级孔ZSM-5沸石分子筛材料的氮气吸附-脱附等温线(a)及孔径分布图(b),由图中我们可以发见,氮气吸附-脱附等温线为典型的IV型等温线和H1型滞后环,在0.6<P/P0<0.9存在明显的吸附突越,孔径分布也表明材料具有18nm左右的介孔。
图3为实施例1制备的磷改性多级孔ZSM-5沸石的SEM(a)和TEM照片(b)。图8也为实施例1制备的磷改性多级孔沸石的SEM(a)和TEM照片(b)。由图3(a)和图8(a)中可以发现,其粗糙的的表面上具有许多蠕虫装的空洞。由图3(b)和图8(b)的TEM照片上也可以清晰的的观察到晶格条纹和介孔孔道共存的结构。选区电子衍射也说明颗粒保持良好的的单晶结构。
图4为未改性多级孔ZSM-5沸石(图4中标记“a”)和磷改性多级孔ZSM-5沸石((图4中标记“b”))的NH3-TPD图谱。由图中我们可以发现,经过磷改性之后,多级孔ZSM-5沸石的强酸性位点数量显著减小,酸强度也在减小。而弱酸性没有发生明显的变化。
多级孔ZSM-5沸石在高温蒸汽处理后各项参数比表面积(411~357m2g-1)、总孔容(0.46~0.29cm3g-1)等参数显著降低,说明其结构受到破坏。而实施案例一中磷改性多级孔ZSM-5沸石在高温处理后比表面积(394~398m2g-1)、孔容(0.35~0.36cm3g-1)等参数无明显变化,说明其水热稳定性显著提高。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处仅在于:溶液中所含磷元素的质量为多级孔ZSM-5沸石质量的3%,其余内容与实施例1中相同。
图5为实施例2中制备的磷改性多级孔ZSM-5沸石的XRD衍射图谱和氮气吸附-脱附等温线。由图可见,材料为典型的MFI型沸石结构,且结晶度非常高。而且氮气吸附-脱附等温线为典型的IV型等温线和H1型滞后环,在0.6<P/P0<0.9存在明显的吸附突越,说明介孔结构的存在。
图6为实施例2中制备的磷改性多级孔ZSM-5沸石的SEM和TEM照片,由SEM图中我们可以发现,材料为纳米球形颗粒。其粗糙的的表面上具有许多蠕虫装的空洞。TEM照片上也可以清晰的观察到晶格条纹和介孔孔道共存的结构。选区电子衍射也说明颗粒保持良好的单晶结构。
图7为实施例2中制备的磷改性多级孔ZSM-5沸石的NH3-TPD图谱。由图中我们可以发现,经过磷改性之后,多级孔ZSM-5沸石的强酸性位点数量进一步减小,酸强度也在进一步减小。而弱酸性没有发生明显的变化。
多级孔ZSM-5沸石在高温蒸汽处理后各项参数比表面积(411~357m2g-1)、总孔容(0.46~0.29cm3g-1)等参数显著降低,说明其结构受到破坏。而实施案例二中磷改性多级孔ZSM-5沸石在高温处理后比表面积(347~338m2g-1)、孔容(0.40~0.41cm3g-1)等参数无明显变化,说明其水热稳定性显著提高。
综上可见,本发明中制备的磷改性多级孔ZSM-5沸石结晶度高,且保留着原来的介孔结构。其水热稳定性显著增强。强酸性在磷改性之后显著减弱,有利于在催化丁烯裂解反应中进一步提高丙烯的选择性。而且该工艺的参数在一定范围可以根据实际需要连续可调,工艺简单,具有潜在的应用前景。
最后有必要说明的是:以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种磷改性多级孔ZSM-5沸石的制备方法,其特征在于,将多级孔ZSM-5沸石浸渍于含磷源的溶液中,通过60℃~120℃下旋转蒸发0.5小时~12小时、烘干以及煅烧后得到所述磷改性的多级孔ZSM-5沸石。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所使用的磷源为磷酸、磷酸氢二氨和磷酸二氢氨中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述磷源中磷元素含量不超过多级孔ZSM-5沸石质量的10 wt%。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法,其特征在于,所述含磷源的溶液的体积与多级孔ZSM-5沸石质量比为1ml/1g~30ml/1g。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法,其特征在于,所述烘干的干燥温度为60℃~200℃,干燥时间为0.5小时~24小时。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法,其特征在于,所述煅烧的温度为300~600℃,煅烧的时间为1~12小时。
7.根据权利要求6中任一项所述的制备方法,其特征在于,所述煅烧的升温速度1~5℃/分钟。
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