CN106587097A - 一种利用微硅粉合成ssz‑13沸石分子筛的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于固体废弃物资源化利用技术领域,具体涉及一种利用微硅粉合成SSZ‑13沸石分子筛的方法。所述方法包括:(1)配样:将铝源溶于去离子水中,分别加入模板剂、碱源和微硅粉,搅拌混合均匀;(2)晶化:将混合液移入反应釜,置于干燥箱中进行晶化反应,得到晶化产物;(3)洗涤和干燥:晶化产物经多次洗涤、真空抽滤至中性;再经烘干、研磨后得到SSZ‑13沸石分子筛原粉;(4)煅烧:SSZ‑13沸石分子筛原粉经煅烧后即得SSZ‑13沸石分子筛。本发明采用工业废渣微硅粉合成SSZ‑13沸石分子筛,提高了微硅粉的附加值,为微硅粉的资源化利用开辟了一条新的途径;所述合成方法工艺流程简单,易于操作,成本低。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物资源化利用技术领域,具体涉及一种利用微硅粉合成SSZ-13沸石分子筛的方法。
背景技术
微硅粉又称硅灰,是硅铁冶炼时产生大量二氧化硅和硅挥发性气体与空气接触氧化冷凝沉淀而成的一种超细无定型粉体,其主要成分为二氧化硅,含量大于90%。微硅粉产量巨大,平均每生产3t工业硅可回收1t微硅粉,每生产5t硅铁可回收1t微硅粉。因此,微硅粉是硅铁冶炼企业繁重的工业副产物。微硅粉的颜色介于浅灰色至深灰色范围之内,松装密度在2.2g/cm3左右,堆积密度在200~350kg/m3之间。因为冷凝过程极为迅速来不及形成晶体,因而具有很高的火山灰活性,而且通常在冷凝时,在气、液、固相变过程中受到表面张力的作用,微硅粉形成大小不一的圆球状,且颗粒表面包覆着一层致密的玻璃体。在电子扫描电镜下的微硅粉形貌呈球状玻璃颗粒,大部分颗粒的粒径小于1μm,其比表面积在15000~25000m2/kg范围内。常温下比电阻为2.4×1014Ω·m,pH值为6.7~8,耐火度为1600℃。这种极其微细的微硅粉若长期吸入易造成矽肺病,严重危害环境和人类身体健康。大量堆积又会造成粉尘飞扬,不仅如此,微硅粉还需要大量的堆放场地。故微硅粉的资源化利用尤为重要。
因此,国内外在微硅粉的回收利用方面也开展了大量的研究和应用工作,早期主要应用于混凝土和水泥行业、耐火材料添加剂、冶金球团助剂等。近年来,针对微硅粉优异的物化性能,新的应用领域也在拓展,如开发新型建筑复合材料,制备水玻璃和硅溶胶,制备介孔二氧化硅及对重金属离子的吸附,合成莫来石陶瓷材料,用作橡胶填料以及微硅粉提纯等。但是能够实现工业应用的依然是水泥和混凝土行业。然而微硅粉质轻体积大,运输非常困难,故在水泥混凝土行业的应用也受到地域的限制,导致冶金生产企业微硅粉的负荷越来越大。
SSZ-13分子筛具有菱沸石(CHA)结构,它是由[AlO4]和[SiO4]四面体通过氧原子首尾相接,有序地排列成具有八元环结构的椭球形笼(0.73nm×1.2nm)和三维交叉孔道结构,孔道尺寸为0.38nm×0.38nm,属于微孔中的小孔沸石分子筛,其比表面积可达700m2/g,孔面积为0.113nm2。
由于SSZ-13沸石分子筛具有较大的比表面积和八元环的结构特点,因而具有良好的热稳定性,可用作吸附材料,用于工业与环境上的分离、提纯、干燥与有害物质的净化等领域。例如,在天然气(CO2/CH4)混合气分离领域中,由于SSZ-13沸石分子筛晶体的孔道尺寸介于CO2与CH4分子之间,并且分子筛的微孔结构限制了分子的扩散,不同吸附位点对于不同气体的静电吸附不同,因而对CO2具有优先吸附选择性。还有汽车尾气中NOX的脱除。另外,由于骨架中带负电荷的[AlO4]四面体的存在,使其骨架具有了阳离子交换性和酸性可调性,从而使SSZ-13具有良好的催化性能,如典型的甲醇制烯烃(MTO)。因此,SSZ-13在催化和吸附分离领域具有非常广阔的应用前景。
目前合成SSZ-13的硅源主要为非晶质的硅溶胶、水玻璃、硅酸钠、正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、白炭黑等。采用水热法合成,硅水解时溶胶变得粘稠,晶化前处理复杂,而且硅源采用化工试剂,成本高,其生产也会带来环境污染。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,目的在于提供一种利用微硅粉合成SSZ-13沸石分子筛的方法。
为实现上述发明目的,本发明采用的技术方案为:
一种利用微硅粉合成SSZ-13沸石分子筛的方法,包括如下步骤:
(1)配样:将铝源溶于去离子水中,再加入模板剂、碱源和微硅粉,搅拌混合均匀;
(2)晶化:将步骤(1)所得混合液移入反应釜,置于干燥箱中进行晶化反应,随后冷却,得到晶化产物;
(3)洗涤和干燥:将步骤(2)所得晶化产物进行多次洗涤、真空抽滤至中性后,再经烘干和研磨,得到SSZ-13沸石分子筛原粉;
(4)煅烧:将步骤(3)所得SSZ-13沸石分子筛原粉进行煅烧,SSZ-13沸石分子筛原粉经煅烧后,即得SSZ-13沸石分子筛。
上述方案中,所述微硅粉为硅铁冶炼的高炉灰,SiO2含量大于95%。
上述方案中,所述铝源为十八水合硫酸铝、偏铝酸钠、或氟化铝。
上述方案中,所述碱源为氢氧化钾或氢氧化钠。
上述方案中,所述模板剂为N,N,N-三甲基金刚烷氢氧化铵(TMADa+)或铜胺络合物(Cu-TEPA,其中Cu为二价铜离子,TEPA为四乙烯五胺,Cu:TEPA=1:1)。
上述方案中,步骤(1)中所述微硅粉、铝源、碱源、模板剂和水的配比满足如下条件SiO2:Al2O3:Na2O:R:H2O=5~100:1:5~50:2~15:200~2060,其中R是指模板剂。
上述方案中,步骤(2)所述晶化反应的温度为140~165℃,时间为48~54h。
上述方案中,步骤(3)所述烘干的温度为105℃,时间为2h。
上述方案中,步骤(4)所述煅烧的温度为550℃,时间为5h。
本发明的有益效果:
(1)本发明采用工业废渣微硅粉合成SSZ-13沸石分子筛,不仅提高了微硅粉的附加值,为微硅粉的资源化利用开辟了一条新的途径,同时减轻了环境污染;
(2)微硅粉是一种活性非常高的非晶质固体废弃物,与各组分原料直接混合即可晶化,不需要长时间的强烈搅拌,可直接合成SSZ-13沸石分子筛,本发明所述SSZ-13沸石分子筛的合成方法工艺流程简单,易于操作,成本低,利于工业化应用。
附图说明
图1为本发明用微硅粉合成SSZ-13沸石分子筛的工艺流程图。
图2为本发明用微硅粉合成的SSZ-13沸石的形貌(SEM照片)。
图3为本发明用微硅粉合成的Cu-SSZ-13沸石的形貌(SEM照片)。
图4为本发明实施例2合成的SSZ-13沸石分子筛的XRD图谱。
图5为本发明实施例3合成的SSZ-13沸石分子筛的XRD图谱。
图6为本发明实施例4合成的SSZ-13沸石分子筛的XRD图谱。
图7为本发明实施例7合成的SSZ-13沸石分子筛的XRD图谱。
图8为本发明实施例9合成的Cu-SSZ-13沸石分子筛的XRD图谱。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面结合实施例进一步阐明本发明的内容,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种利用微硅粉合成的SSZ-13沸石分子筛,通过如下方法制备得到:
(1)首先将0.68g十八水合硫酸铝溶于32.5mL去离子水中,搅拌混合均匀,然后加入6.12g模板剂N,N,N-三甲基金刚烷氢氧化铵,搅拌15分钟使其完全溶解;(2)再加入2.72g氢氧化钠和3.77g微硅粉,在室温下继续搅拌30分钟;之后转移到有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,放入155℃的烘箱晶化48h,自然冷却后,产物用去离子水过滤洗涤至pH=7,再放入105℃烘箱中干燥2h,然后在550℃的马弗炉中煅烧5h去除模板剂,得到SSZ-13沸石分子筛,该体系的化学配比为使SiO2:Al2O3:Na2O:R:H2O=60:1:34:7.2:2060,其中R是指模板剂。
实施例2
一种利用微硅粉合成的SSZ-13沸石分子筛,通过如下方法制备得到:
(1)首先将0.68g十八水合硫酸铝溶于32.5mL去离子水中,搅拌混合均匀,然后加入6.12g模板剂N,N,N-三甲基金刚烷氢氧化铵,搅拌15分钟使其完全溶解;(2)再加入2.72g氢氧化钠和6.2843g微硅粉,在室温下继续搅拌30分钟;之后转移到有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,放入155℃的烘箱晶化48h,自然冷却后,产物用去离子水过滤洗涤至pH=7,再放入105℃烘箱中干燥2h,然后在550℃的马弗炉中煅烧5h去除模板剂,得到SSZ-13沸石分子筛,该体系的化学配比为SiO2:Al2O3:Na2O:R:H2O=80:1:34:7.2:2060,其中R是指模板剂。
本实施例制备所得SSZ-13沸石分子筛的样品XRD图谱见图4,从图中可以看出,与标准SSZ-13沸石分子筛的X射线粉晶衍射图谱吻合。
实施例3
一种利用微硅粉合成的SSZ-13沸石分子筛,通过如下方法制备得到:
(1)首先将0.68g十八水合硫酸铝溶于32.5mL去离子水中,搅拌混合均匀,然后加入6.12g模板剂N,N,N-三甲基金刚烷氢氧化铵,搅拌15分钟使其完全溶解;(2)再加入4g氢氧化钠和5g微硅粉,在室温下继续搅拌30分钟;之后转移到有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,放入155℃的烘箱晶化48h,自然冷却后,产物用去离子水过滤洗涤至pH=7,再放入105℃烘箱中干燥2h,然后在550℃的马弗炉中煅烧5h去除模板剂,得到SSZ-13沸石分子筛,该体系的化学配比为SiO2:Al2O3:Na2O:R:H2O=80:1:50:7.2:2060,其中R是指模板剂。
本实施例制备所得SSZ-13沸石分子筛的样品XRD图谱见图5,从图中可以看出,与标准SSZ-13沸石分子筛的X射线粉晶衍射图谱完全吻合。
实施例4
一种利用微硅粉合成的SSZ-13沸石分子筛,通过如下方法制备得到:
(1)首先将0.68g十八水合硫酸铝溶于32.5mL去离子水中,搅拌混合均匀,然后加入8.45g模板剂N,N,N-三甲基金刚烷氢氧化铵,搅拌15分钟使其完全溶解;(2)再加入2.72g氢氧化钠和5g微硅粉,在室温下继续搅拌30分钟;之后转移到有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,放入155℃的烘箱晶化48h,自然冷却后,产物用去离子水过滤洗涤至pH=7,再放入105℃烘箱中干燥2h,然后在550℃的马弗炉中煅烧5h去除模板剂,得到SSZ-13沸石分子筛,该体系的化学配比为SiO2:Al2O3:Na2O:R:H2O=80:1:34:10:2060,其中R是指模板剂。
本实施例制备所得SSZ-13沸石分子筛的样品XRD图谱如图6,从图中可以看出,与标准SSZ-13沸石分子筛的X射线粉晶衍射图谱吻合。
实施例5
一种利用微硅粉合成的SSZ-13沸石分子筛,通过如下方法制备得到:
(1)首先将0.68g十八水合硫酸铝溶于32.5mL去离子水中,搅拌混合均匀,然后加入6.12g模板剂N,N,N-三甲基金刚烷氢氧化铵,搅拌15分钟使其完全溶解;(2)再加入2.72g氢氧化钠和5g微硅粉,在室温下继续搅拌30分钟;之后转移到有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,放入155℃的烘箱晶化54h,自然冷却后,产物用去离子水过滤洗涤至pH=7,再放入105℃烘箱中干燥2h,然后在550℃的马弗炉中煅烧5h去除模板剂,得到SSZ-13沸石分子筛,该体系的化学配比为SiO2:Al2O3:Na2O:R:H2O=80:1:34:7.2:2060,其中R是指模板剂。
实施例6
一种利用微硅粉合成的SSZ-13沸石分子筛,通过如下方法制备得到:
(1)首先将0.68g十八水合硫酸铝溶于32.5mL去离子水中,搅拌混合均匀,然后加入6.12g模板剂N,N,N-三甲基金刚烷氢氧化铵,搅拌15分钟使其完全溶解;(2)再加入2.72g氢氧化钠和5g微硅粉,在室温下继续搅拌30分钟;之后转移到有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,放入165℃的烘箱晶化48h,自然冷却后,产物用去离子水过滤洗涤至pH=7,再放入105℃烘箱中干燥2h,然后在550℃的马弗炉中煅烧5h去除模板剂,得到SSZ-13沸石分子筛,该体系的化学配比为SiO2:Al2O3:Na2O:R:H2O=80:1:34:7.2:2060,其中R是指模板剂。
实施例7
一种利用微硅粉合成的SSZ-13沸石分子筛,通过如下方法制备得到:
(1)首先将0.164g偏铝酸钠溶于32.5mL去离子水中,搅拌混合均匀,然后加入6.12g模板剂N,N,N-三甲基金刚烷氢氧化铵,搅拌15分钟使其完全溶解;(2)再加入2.64g氢氧化钠和6.2843g微硅粉,在室温下继续搅拌30分钟;之后转移到有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,放入155℃的烘箱晶化48h,自然冷却后,产物用去离子水过滤洗涤至pH=7,再放入105℃烘箱中干燥2h,然后在550℃的马弗炉中煅烧5h去除模板剂,得到SSZ-13沸石分子筛,该体系的化学配比为SiO2:Al2O3:Na2O:R:H2O=80:1:34:7.2:2060,其中R是指模板剂。
本实施例制备所得SSZ-13沸石分子筛的样品XRD图谱如图7,从图中可以看出,与标准SSZ-13沸石分子筛的X射线粉晶衍射图谱吻合。
实施例8
一种利用微硅粉合成的SSZ-13沸石分子筛,通过如下方法制备得到:
(1)首先将0.68g十八水合硫酸铝溶于32.5mL去离子水中,搅拌混合均匀,然后加入6.12g模板剂N,N,N-三甲基金刚烷氢氧化铵,搅拌15分钟使其完全溶解;(2)再加入3.81g氢氧化钾和6.2843g微硅粉,在室温下继续搅拌30分钟;之后转移到有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,放入155℃的烘箱晶化48h,自然冷却后,产物用去离子水过滤洗涤至pH=7,再放入105℃烘箱中干燥2h,然后在550℃的马弗炉中煅烧5h去除模板剂,得到SSZ-13沸石分子筛,该体系的化学配比为SiO2:Al2O3:K2O:R:H2O=80:1:34:7.2:2060,其中R是指模板剂。
实施例9
一种利用微硅粉合成的SSZ-13沸石分子筛,通过如下方法制备得到:
(1)首先将0.7216g偏铝酸钠溶于15.75mL去离子水中,搅拌混合均匀,然后加入2.24g五水硫酸铜固体,搅拌15分钟使其完全溶解;(2)将1.95g四乙烯五胺滴加到上述体系中,经充分搅拌后再加入1.76g氢氧化钠和2.79g微硅粉,在室温下继续搅拌30分钟;之后转移到有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,放入145℃的烘箱晶化72h,自然冷却后,产物用去离子水过滤洗涤至pH=7,再放入105℃烘箱中干燥2h,然后在550℃的马弗炉中煅烧5h去除模板剂,得到Cu-SSZ-13沸石分子筛,该体系的化学配比为SiO2:Al2O3:Na2O:R:H2O=6:1:10:2:200,其中R是指模板剂Cu-TEPA。
本实施例制备所得Cu-SSZ-13沸石分子筛的SEM照片如图3所示;Cu-SSZ-13沸石分子筛的XRD图谱如图8,从图中可以看出,与标准SSZ-13沸石分子筛的X射线粉晶衍射图谱吻合。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例,而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种利用微硅粉合成SSZ-13沸石分子筛的方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)配样:将铝源溶于去离子水中,再加入模板剂、碱源和微硅粉,搅拌混合均匀;
(2)晶化:将步骤(1)所得混合液移入反应釜,置于干燥箱中进行晶化反应,随后冷却,得到晶化产物;
(3)洗涤和干燥:将步骤(2)所得晶化产物进行多次洗涤、真空抽滤至中性后,再经烘干和研磨,得到SSZ-13沸石分子筛原粉;
(4)煅烧:将步骤(3)所得SSZ-13沸石分子筛原粉进行煅烧后,即得SSZ-13沸石分子筛。
2.根据权利要求1所述的利用微硅粉合成SSZ-13沸石分子筛的方法,其特征在于,所述微硅粉为硅铁冶炼的高炉灰,SiO2含量大于95%。
3.根据权利要求1所述的利用微硅粉合成SSZ-13沸石分子筛的方法,其特征在于,所述铝源为十八水合硫酸铝、偏铝酸钠、或氟化铝。
4.根据权利要求1所述的利用微硅粉合成SSZ-13沸石分子筛的方法,其特征在于,所述碱源为氢氧化钾或氢氧化钠。
5.根据权利要求1所述的利用微硅粉合成SSZ-13沸石分子筛的方法,其特征在于,所述模板剂为N,N,N-三甲基金刚烷氢氧化铵或铜胺络合物。
6.根据权利要求1所述的利用微硅粉合成SSZ-13沸石分子筛的方法,其特征在于,步骤(1)中所述微硅粉、铝源、碱源、模板剂和去离子水的配比满足如下条件SiO2:Al2O3:Na2O:R:H2O=5~100:1:10~50:2~15:200~2060,其中R是指模板剂。
7.根据权利要求1所述的利用微硅粉合成SSZ-13沸石分子筛的方法,其特征在于,步骤(2)所述晶化反应的温度为140~165℃,时间为48~54h。
8.根据权利要求1所述的利用微硅粉合成SSZ-13沸石分子筛的方法,其特征在于,步骤(3)所述烘干的温度为105℃,时间为2h。
9.根据权利要求1所述的利用微硅粉合成SSZ-13沸石分子筛的方法,其特征在于,步骤(4)所述煅烧的温度为550℃,时间为5h。
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