CN106622319A - 一种锌铝层状材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锌铝层状材料及制备方法，锌铝层状材料的主要组成由化学式表示为ZnxAly(OH)z(CO3)m·nH2O，其中x是0.55-0.75中的一个数，y是0.13-0.7中的一个数，z是1.55-2.50中的一个数，m是0.15-0.20中的一个数，n是1-10中的一个数，x/y的值是0.75-5.70中的一个数，比表面积为150-280m2/g。本发明通过非恒定pH值条件下，含铝的碳酸钠溶液和含锌溶液的交替滴定，制备锌铝类水滑石结构层状材料。本发明材料具有较大的比表面积，并且锌铝分散均匀，因此可以作为前躯体经过较低温度焙烧后，用于催化材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种锌铝层状材料，主要是通过含铝的碳酸钠溶液和含锌溶液的非恒定pH交替滴定，制备均匀分散、高比表面积的锌铝类水滑石结构层状材料，该材料可用于吸附脱硫材料、FCC催化剂降硫助剂及加氢脱硫载体。
背景技术
氧化锌和氧化铝的复合材料常作为脱硫催化材料用于吸附脱硫和加氢脱硫领域。目前该材料的常用制备方法包括浸渍法、机械混合法、共沉淀法和胶溶法。其中，由于浸渍法和机械混合法使用氧化铝材料作为前驱物，通过调整氧化铝材料的比表面积，这两种方法能够制备较高比表面积的复合材料，但是由于复合材料中的氧化铝和氧化锌相互作用较弱，使用过程中容易产生氧化锌的流失，通常是采用高温焙烧的方法促使二者形成尖晶石来避免氧化锌的流失；而共沉淀法和胶溶法采用含铝和锌的化合物通过沉淀或胶溶制备锌铝前躯体，铝和锌在制备过程中通过反应产生较强的相互作用可以避免使用过程中的氧化锌流失，但是胶溶法制备材料的比表面积最低，使其作为催化材料使用时受到制约。
US5525210公开了一种FCC汽油脱硫的方法，其主要活性组分是负载于氧化铝载体上的L酸，如氧化锌，所采用的方法是浸渍法和共沉淀法，其中浸渍法制备材料在815℃焙烧后比表面积142m2/g，共沉淀法制备材料在704℃焙烧后比表面积74m2/g。两种方法焙烧温度较高，制备锌铝材料比表面积偏低。
CN200710045746.4公开了一种可降低汽油硫含量的催化裂化助剂，该助剂包含锌铝尖晶石和均匀分散的氧化锌以及任选的至少一种稀土金属元素氧化物的复合氧化物，由具有类水滑石结构的锌铝层状物质与任选的稀土水合氧化物的混合物经焙烧而制得，化学式为ZnAl2O4·(1-9)ZnO·(0-0.5)RE2O3；其制备方法是将氢氧化钠和可溶性无机钠盐滴加到锌盐、铝盐和稀土离子的混合溶液中，溶液的pH值为8-11，在500-1000℃焙烧1-4h。该助剂成型后与常规FCC催化剂和/或活性强化助剂掺合应用于催化裂化过程中，具有降低汽油硫含量功能并具有优异的水热稳定性。为得到锌铝尖晶石结构，该材料需要在较高温度焙烧，焙烧后比表面积最大为120m2/g。
CN201210178395.5公开了一种纳米锌铝尖晶石的制备方法，其制备方法为将锌盐加入水中溶解，加入铝源，搅拌10～30分钟，加入扩孔剂，搅拌，在20～100℃老化30～60分钟，干燥，500～1200℃焙烧；原料摩尔配比为Zn∶Al∶水＝1∶2∶16～35；以氧化锌的质量为100％计算，扩孔剂的加入量为0.5～30％；扩孔剂为蔗糖、丙三醇、碳酸铵、碳酸氢铵、聚苯乙烯乳液、聚乙二醇中的一种或几种。所合成的锌铝尖晶石的比表面积从60到300m2/g。该方法投料的锌铝配比较低并且制备过程添加扩孔剂，仅得到锌铝尖晶石，不包含均匀分散的氧化锌。
CN201310625314.6(CN103691441)公开了一种强吸附、高可见光降解性能光催化材料的制备方法，本发明涉及一种用三元类水滑石为前驱体，通过高温焙烧获得的高比表面介孔结构锌铝尖晶石和氧化锌、氧化镍纳米复合光催化材料及其制备方法，该材料用于对有机污染物的吸附和降解。该发明利用硝酸锌、硝酸镍、硝酸铝、碳酸钠和氢氧化纳等为原料，分别配制成盐溶液和碱溶液，在80℃并磁力搅拌下，用恒流泵将其混合；反应混合液转移到水热反应釜中，于130-180℃下水热处理5-10h；抽滤、洗涤、干燥即得前驱体，将前驱放入马弗炉中在400-600℃下焙烧2-6小时，即得产物，锌、镍、铝离子摩尔比为1-3:1-3:1-3，比表面积大于150m2/g。该方法合成三元类水滑石前驱体的过程中需要进行水热处理，并且处理时间较长。
CN200310121344.X公开了一种掺杂铝的纳米级氧化锌导电粉体的制备方法。该方法是将锌的可溶性盐与掺杂元素铝、镓、铟、钇、钪、锡、锗、硅的可溶性盐的混合盐溶液和沉淀剂同时滴加到水中，在控制整个反应体系的温度40-75℃和pH值7.0-7.5的条件下产生共沉淀生成掺杂的氧化锌前驱体碱式碳酸锌，通过在氢气和氩气的混合气氛下的焙烧，制得了获得掺杂的超细氧化锌导电粉体材料，但是该方法制备的材料是应用于导电材料，掺杂元素的添加摩尔量仅为锌和掺杂元素总摩尔量的0.1-10％。
CN200510028233.3公开了一种催化裂化烟气高效硫转移剂的制备方法，该方法以锌、镁和铝为活性组元，以铈和钒为助剂，在60-80℃、pH值8-10条件下，将锌盐、镁盐、铝盐和铈盐的混合溶液滴加到氢氧化钠和碳酸钠的混合溶液中，得到的共沉淀产物在400-600℃焙烧6-8h，通过共沉淀法制备锌镁铝铈类水滑石，锌、镁、铝三种金属的摩尔比为1.0:1.0-4.5:1.0-2.0，采用该材料制备的硫转移剂具有高效的SOx吸附和脱附性能及良好的机械强度。
CN200910087590.5公开了一种重整原料油脱硫剂及其制备方法，催化剂制备方法涉及共混法、共熔法和共沉淀法，其特征在于其重量组成为：ZnO：10％-40％、NiO：15％-22％、Al2O3：10％-17％、SiO2：5％-22％，余量为不可免的杂质。
CN201310089762.9(CN 103159238)公开了一种纳米尺寸层状复合氢氧化物及其分步沉淀制备方法，是采用金属的可溶性盐和碱为原料，通过分步沉淀反应使构成LDH层板的金属离子分别沉淀，并在第二步沉淀过程中生产LDH，比表面积为140-280m2/g。相对于共沉淀法，该发明虽然采用了两次沉淀，但是制备的LDH材料比表面积较高，但是该发明反应时间较长，实施例中给出的反应时间在10小时以上。该发明的目的是制备高比表的层状复合氢氧化物(LDH)，该层状复合氢氧化物结构式复杂，可能涉及到多种金属或其组合，制备过程需要两步分别沉淀，反应时间较长。
《降低催化裂化汽油硫含量助剂的研究-锌铝尖晶石的合成及其裂化脱硫性能》(作者：王鹏；中国石油化工股份有限公司，《石油学报(石油加工)》2003年19卷2期)：公开一种锌铝尖晶石的制备方法：将偏铝酸钠溶液和硝酸锌溶液按m(Al2O3)/m(ZnO)＝9的比例，分别以相同的速率滴加到40℃的蒸馏水中，混合均匀后再加入16％的氢氧化钠溶液，调节溶液的pH值为8.6，生成的沉淀物经老化15min后，再加入少量氢氧化钠溶液，调节pH值为9.0。沉淀物经3次以上的重复过滤、洗涤，以除去Na+。最后将沉淀物在120℃下干燥4h，再于700℃下焙烧2h。样品的比表面积基本都在160m2/g左右。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锌铝层状材料，通过含铝的碳酸钠溶液和含锌溶液的非恒定pH交替滴定，制备锌铝类水滑石结构层状材料，该材料具有分散均匀、比表面积高的特点，可用于吸附脱硫材料、FCC催化剂降硫助剂及加氢脱硫载体。
本发明所要解决的技术问题是通过非恒定pH值条件下，含铝的碳酸钠溶液和含锌溶液的交替滴定，制备锌铝类水滑石结构层状材料，该材料因为具有较大的比表面积，并且锌铝分散均匀，因此可以作为前躯体经过较低温度焙烧后，用于催化材料，特别是用于吸附脱硫催化剂、FCC催化剂降硫助剂以及加氢脱硫载体材料，解决了常规制备方法制备含氧化锌材料比表面积偏低，作为催化材料应用受限的问题。
本发明所述的锌铝层状材料的主要组成由化学式表示为ZnxAly(OH)z(CO3)m·nH2O，其中x是0.55-0.75中的一个数，y是0.13-0.7中的一个数，z是1.55-2.50中的一个数，m是0.15-0.20中的一个数，n是1-10中的一个数，x/y的值是0.75-5.70中的一个数，优选x/y是0.93-2.50中的一个数，更优选x/y是1.15-1.90中的一个数；比表面积为150-280m2/g，比表面积优选180-280m2/g，比表面积更优选200-280m2/g。在控制锌铝摩尔比x/y在0.93-2.50范围时，比表面积180-280m2/g；在锌铝摩尔比x/y在1.15-1.90范围时，比表面积200-280m2/g。
本发明所提供的一种锌铝层状材料的制备方法：
1)将可溶性锌盐溶解在水中得到含锌溶液；
2)将偏铝酸钠和碳酸钠溶解在水中得到含铝溶液；
3)将1)中投料量的含锌溶液分为2-4份，取其中一份在40-80℃将2)中的含铝溶液滴加其中，当pH值达到8.5-9.5时停止滴加含铝溶液；再取其中一份含锌溶液滴加到该混合系统中；当该部分含锌溶液全部滴加完后，继续滴加含铝溶液，当pH值达到8.5-9.5时停止滴加含铝溶液；按照上述方法将含铝溶液和含锌溶液交替滴定，直至投料量的含锌溶液全部滴加到混合系统中，最后一次滴加含铝溶液，当pH值达到8.5-9.5时，非恒定pH值的交替滴定过程结束，控制滴定速度在0.5-6h；
4)在75-95℃老化2-8h后，冷却洗涤至中性，在80-140℃空气气氛中干燥4-10h，得到锌铝层状材料；
本发明所述可溶性锌盐可以是硝酸锌、醋酸锌、氯化锌中的一种或多种。
本发明还提供了锌铝层状材料的应用方法：将锌铝层状材料在450-550℃焙烧4-10h，得到均匀分散的含锌铝尖晶石的氧化锌材料，可以制备成吸附脱硫催化剂处理汽油或柴油、添加到FCC催化剂中作为脱硫助剂使用、作为加氢脱硫催化剂的载体负载活性组分后用于汽油或柴油的加氢脱硫。
所述锌铝层状材料用于吸附脱硫催化剂，可以采用混捏成型方法制备催化剂，反应工艺条件为：反应温度230-350℃，反应压力0.6-1.5MPa，体积空速4.0-8.0h-1，氢油体积比150-300:1。
所述锌铝层状材料用于FCC催化剂脱硫助剂，成型后占催化剂质量的5-25％，反应工艺条件为：反应温度450-650℃，质量空速10.0-18.0h-1，剂油比3-10。
所述锌铝层状材料用于加氢脱硫催化剂载体，成型后氧化锌占催化剂质量的1-25％，反应工艺条件为：反应温度170-350℃，反应压力1.5-2.2MPa，体积空速1.5-3.0h-1，氢油体积比150-500:1。
与现有技术相比，本发明的锌铝层状材料是通过非恒定pH交替滴定制备，即在非恒定pH值条件下、含铝的碳酸钠溶液和含锌溶液的交替滴定制备，因此，需要将含锌溶液分为2-4份。含铝的碳酸钠溶液为强碱性溶液，含锌的强酸弱碱盐溶液为酸性溶液，铝锌溶液之间的多次交替滴定使pH值在酸碱之间摆动，有利于铝锌前驱物有序堆积为层状结构，得到的锌铝层状材料分散均匀、并且比表面积可以在150-280m2/g之间调控，避免了采用碱性溶液一步滴定锌铝混合溶液得到的锌铝层状材料需要高温焙烧固定氧化锌的问题，也减少了水热处理过程。该材料具有较大的比表面积，适用于催化材料，特别是用于吸附脱硫催化剂、FCC催化剂降硫助剂以及加氢脱硫载体材料。
附图说明
图1为实施例1-6所分别制备的锌铝层状材料A-F的X射线衍射(XRD)表征图。
具体实施方式
制备催化剂所用主要原料来源：
本发明所用的原料试剂均为市售产品。
分析方法及标准：
油品硫含量分析：SH/T 0689-2000
柴油原料性质：采用兰州石化柴油作为原料，硫含量为3000mg/kg。
实施例1
将2.4kg硝酸锌溶解在12L水中配成含锌溶液，将0.32kg偏铝酸钠和0.40kg碳酸钠溶解在5L水中配成含铝溶液。将含锌溶液等分为4份，每份3L。取3L含锌溶液，控制系统温度75℃，向其中滴加含铝溶液至pH值达到9.4；停止滴加含铝溶液，再滴加3L含锌溶液到混合系统中，继续滴加含铝溶液至pH值达到9.4；含铝溶液和含锌溶液交替滴定，直至含锌溶液全部加入混合系统中，最后一次滴加含铝溶液至pH达到9.4，滴定时间总计2h。得到的混合物在75℃老化4h后，冷却洗涤至中性，在130℃空气气氛中干燥2h，得到锌铝层状材料A，分子式为Zn0.60Al0.50(OH)2.33(CO3)0.185·4H2O，锌铝摩尔比1.20，比表面积为258m2/g。。
对比例1
将2.4kg硝酸锌溶解在12L水中配成含锌溶液，将0.32kg偏铝酸钠和0.40kg碳酸钠溶解在5L水中配成含铝溶液。控制系统温度75℃，向含锌溶液中滴加含铝溶液至pH值达到9.4，滴定时间总计2h。得到的混合物在75℃老化4h后，冷却洗涤至中性，在130℃空气气氛中干燥2h，得到锌铝混合物的锌铝摩尔比1.20，比表面积为145m2/g。
与对比例1相比，实施例1采用锌、铝溶液的交替滴定，可以得到锌铝层状材料，在两种材料锌铝摩尔比相同的条件下，但是实施例1的比表面积较高。
实施例2
将1.9kg氯化锌溶解在20L水中配成含锌溶液，将0.40kg偏铝酸钠和0.80kg碳酸钠溶解在8.5L水中配成含铝溶液。取8L含锌溶液，控制系统温度65℃，向其中滴加含铝溶液至pH值达到9.1；剩余含锌溶液等分为3份，每份4L。含铝溶液和含锌溶液交替滴定，直至含锌溶液全部加入混合系统中，最后一次滴加含铝溶液至pH达到9.1，滴定时间总计6h。得到的混合物在76℃老化8h后，冷却洗涤至中性，在90℃空气气氛中干燥10h，得到锌铝层状材料B，分子式为Zn0.67Al0.33(OH)2.03(CO3)0.150·4H2O，锌铝摩尔比2.03，比表面积为227m2/g。
对比例2
将1.9kg氯化锌溶解在20L水中配成含锌溶液，在搅拌的情况下，用1.0M氢氧化钠溶液调pH值至6.5，再用0.1-0.2M氨水调pH值至7.0，沉淀放置24h，过滤用水冲洗沉淀数次，直至滤液中无钠离子为止，滤饼经烘干、磨细，得到氧化锌材料比表面积为60m2/g。
与实施例2相比，对比例2采用氢氧化钠滴定含锌溶液制备的氧化锌材料比表面积偏低。
实施例3
将800g硝酸锌溶解在4L水中配成含锌溶液，将120g偏铝酸钠和120g碳酸钠溶解在1.7L水中配成含铝溶液。取2L含锌溶液，控制系统温度60℃，向其中滴加含铝溶液至pH值达到9，停止滴加含铝溶液，将剩余的2L含锌溶液滴加到混合系统中，继续滴加含铝溶液至pH值达到9，滴定时间总计4h。得到的混合物在85℃老化4h后，冷却洗涤至中性，在120℃空气气氛中干燥5h，得到锌铝层状材料C，分子式为Zn0.59Al0.63(OH)2.44(CO3)0.195·6H2O，锌铝摩尔比0.94，比表面积为260m2/g。
对比例3
将800g硝酸锌、550g硝酸铝溶解在4L水中配成含锌、铝溶液；将120g碳酸钠溶解在1.7L水中配成碳酸钠溶液。控制系统温度60℃，向碳酸钠溶液滴加含锌、铝溶液至pH值达到9，停止滴加含铝溶液，将剩余的2L含锌溶液滴加到混合系统中，继续滴加含铝溶液至pH值达到9。得到的混合物在85℃老化4h后，冷却洗涤至中性，在120℃空气气氛中干燥5h，得到的共沉淀产物锌铝摩尔比0.94，比表面积为120m2/g。
与对比例3相比，实施例3将碳酸钠与硝酸铝配置成混合溶液、再与含锌溶液交替滴定，虽然两种制备方法得到的材料锌铝摩尔比相同，但是实施例3比表面积较高。
实施例4
将1.6kg硝酸锌溶解在8L水中配成含锌溶液，将0.11kg偏铝酸钠和0.38kg碳酸钠溶解在3.4L水中配成含铝溶液。将含锌溶液等分为4份，每份2L。取2L含锌溶液，控制系统温度75℃，向其中滴加含铝溶液至pH值达到8.7；停止滴加含铝溶液，再滴加2L含锌溶液到混合系统中，继续滴加含铝溶液至pH值达到8.7；含铝溶液和含锌溶液交替滴定，直至含锌溶液全部加入混合系统中，最后一次滴加含铝溶液至pH达到8.7，滴定时间总计6h。得到的混合物在90℃老化6h后，冷却洗涤至中性，在110℃空气气氛中干燥6h，得到锌铝层状材料D，分子式为Zn0.74Al0.21(OH)1.72(CO3)0.165·6H2O，锌铝摩尔比3.55，比表面积为172m2/g。
对比例4
将1.6kg硝酸锌溶解在8L水中配成含锌溶液，将0.11kg偏铝酸钠和0.38kg碳酸钠溶解在3.4L水中配成含铝溶液。控制系统温度75℃，向含锌溶液中滴加含铝溶液至pH值达到8.7，滴定时间总计6h。得到的混合物在90℃老化6h后，冷却洗涤至中性，在110℃空气气氛中干燥6h，得到的共沉淀产物锌铝摩尔比3.04，比表面积为124m2/g。
分别将实施例4和对比例4得到的锌铝材料在550℃焙烧4h后，各取200g，加入5g田菁粉、10g硅溶胶、6ml冰醋酸和130ml水，捏合挤条成型后烘干焙烧制备吸附催化剂A、B。将催化剂A、B分别装入200ml绝热床反应器中，在450℃采用氢气还原4h后，对硫含量为3000mg/kg的柴油原料进行吸附脱硫，反应工艺条件为：反应温度350℃，反应压力1.0MPa，体积空速6.0h-1，氢油体积比250:1。评价结果如下：
| 脱硫率，％ | 穿透硫容，mg/g | |
| 催化剂A | 95 | 49 |
| 催化剂B | 90 | 30 |
与对比例4相比，实施例4采用锌、铝溶液的交替滴定，得到的锌铝层状材料的锌铝摩尔比和比表面积均较高。经过低温焙烧制备成吸附脱硫催化剂后，性能明显优于对比例4。
实施例5
将296g醋酸锌溶解在2L水中配成含锌溶液，将47g偏铝酸钠和74g碳酸钠溶解在0.85L水中配成含铝溶液。将含锌溶液等分为3份，每份0.67L。取0.67L含锌溶液，控制系统温度55℃，向其中滴加含铝溶液至pH值达到9.3；停止滴加含铝溶液，再滴加0.67L含锌溶液到混合系统中，继续滴加含铝溶液至pH值达到9.3；停止滴加含铝溶液，再滴加0.67L含锌溶液到混合系统中，最后一次滴加含铝溶液至pH达到9.3，滴定时间总计3h。得到的混合物在80℃老化7h后，冷却洗涤至中性，在100℃空气气氛中干燥8h，得到锌铝层状材料E，分子式为Zn0.61Al0.42(OH)2.06(CO3)0.165·6H2O，锌铝摩尔比1.46，比表面积为231m2/g。
实施例6
将4kg硝酸锌溶解在20L水中配成含锌溶液，将0.34kg偏铝酸钠和0.87kg碳酸钠溶解在8.5L水中配成含铝溶液。取10L含锌溶液，控制系统温度40℃，向其中滴加含铝溶液至pH值达到8.9；停止滴加含铝溶液，再滴加5L含锌溶液到混合系统中，继续滴加含铝溶液至pH值达到8.9；停止滴加含铝溶液，再滴加5L含锌溶液到混合系统中，最后一次滴加含铝溶液至pH达到8.9，滴定时间总计5.5h。得到的混合物在76℃老化8h后，冷却洗涤至中性，在120℃空气气氛中干燥4h，得到锌铝层状材料F，分子式为Zn0.72Al0.29(OH)1.99(CO3)0.145·6H2O，锌铝摩尔比2.51，比表面积为199m2/g。
如图1所示，实施例1-6所分别制备的材料A-F的XRD谱图中含有ZnxAly(OH)z(CO3)m·nH2O物相的XRD特征峰，说明材料A-F均为锌铝层状材料。
Claims (9)
1.一种锌铝层状材料，其特征在于，锌铝层状材料的主要组成由化学式表示为ZnxAly(OH)z(CO3)m·nH2O，其中x是0.55-0.75中的一个数，y是0.13-0.7中的一个数，z是1.55-2.50中的一个数，m是0.15-0.20中的一个数，n是1-10中的一个数，x/y的值是0.75-5.70中的一个数，比表面积为150-280m2/g。
2.根据权利要求1所述的锌铝层状材料，其特征在于，x/y是0.93-2.50中的一个数。
3.根据权利要求1所述的锌铝层状材料，其特征在于，x/y是1.15-1.90中的一个数。
4.根据权利要求1所述的锌铝层状材料，其特征在于，所述材料比表面积为180-280m2/g。
5.根据权利要求1所述的锌铝层状材料，其特征在于，所述材料比表面积为200-280m2/g。
6.根据权利要求1所述的锌铝层状材料，其特征在于，所述材料锌铝摩尔比x/y是0.93-2.50中的一个数，比表面积为180-280m2/g。
7.根据权利要求1所述的锌铝层状材料，其特征在于，所述材料锌铝摩尔比x/y是1.15-1.90中的一个数，比表面积为200-280m2/g。
8.一种根据权利要求1所述的锌铝层状材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将可溶性锌盐溶解在水中得到含锌溶液；
2)将偏铝酸钠和碳酸钠溶解在水中得到含铝溶液；
3)将1)中投料量的含锌溶液分为2-4份，取其中一份在40-80℃将2)中的含铝溶液滴加其中，当pH值达到8.5-9.5时停止滴加含铝溶液；再取其中一份含锌溶液滴加到该混合系统中；当该部分含锌溶液全部滴加完后，继续滴加含铝溶液，当pH值达到8.5-9.5时停止滴加含铝溶液；按照上述方法将含铝溶液和含锌溶液交替滴定，直至投料量的含锌溶液全部滴加到混合系统中，最后一次滴加含铝溶液，当pH值达到8.5-9.5时，非恒定pH值的交替滴定过程结束，控制滴定过程在0.5-6h完成；
4)在75-95℃老化2-8h后，冷却洗涤至中性，在80-140℃空气气氛中干燥4-10h，得到锌铝层状材料。
9.根据权利要求8所述的锌铝层状材料的制备方法，其特征在于所述可溶性锌盐是硝酸锌、醋酸锌、氯化锌中的一种或多种。
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