CN106629767A - 利用硅聚合度及铝聚合度有效控制zsm-5粒径的方法 - Google Patents

利用硅聚合度及铝聚合度有效控制zsm-5粒径的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于沸石分子筛合成技术领域，具体为一种利用硅聚合度及铝聚合度不同有效控制ZSM-5沸石分子筛粒径的方法。沸石粒径大小是影响分子筛催化性能的重要因素。本发明主要通过简单调节硅源及铝源聚合度，可以很有效的控制沸石粒径。本方法合成步骤非常简便，十分易于工业化。样品XRD及SEM显示硅聚合度改变使得沸石粒径得以有效控制。

Description

利用硅聚合度及铝聚合度有效控制ZSM-5粒径的方法
技术领域
本发明属于沸石分子筛合成技术领域，具体为一种利用硅聚合度及铝聚合度有效控制ZSM-5沸石分子筛粒径的方法。
背景技术
沸石是一种微孔结晶化硅铝酸盐(aluminosilicate)，骨架通常的硅氧四面体和铝氧四面体通过共价键相互连接构成(化学通式为[M2(I),M(II)]O·Al2O3·nSiO2·mH2O，(其中，M(I)和M(II)分别为一价和二价金属(通常为Na，Ca，Ka等，n为沸石硅铝比))。ZSM-5沸石属于第二代沸石，具有典型的MFI结构。由于具有特殊二维直孔道系统及交叉孔道结构，较高的水热稳定性、择形性和亲油疏水能力，ZSM-5已逐步发展成为石油化工领域首选催化材料。
CN200510028781.6涉及一种控制沸石粒径，制备小晶粒ZSM-5沸石的方法。通过以水玻璃、硅溶胶或白炭黑为硅源，铝盐或铝酸盐为铝源，反应混合物的摩尔配比：XNa2O∶YAl2O3∶100SiO2∶ZH2O，其中，X＝4～36，Y＝0～3，Z＝1400～6000，在晶化前向晶化母液中加入少量晶种导向剂，经晶化得到小晶粒的ZSM-5沸石的技术方案，较好地控制了沸石粒径大小。解决以往技术中小晶粒ZSM-5沸石制备方法中存在使用较多模板剂、晶化时间长、成本较高以及环境污染大的问题。CN200910072747.7介绍了一种将预晶化晶种加入到无模板剂合成纳米ZSM-5分子筛的凝胶体系中，再于160～180℃下晶化24小时，冷却至室温将产物离心过滤、洗涤、干燥、焙烧，控制ZSM-5分子筛粒径的方法，制得高度聚集的、无杂晶相的纳米尺度晶体，具有成本低、环保的优点。CN200510200328.9介绍了一种高硅铝比ZSM-5沸石分子筛的粒径控制方法，使用表面活性剂，将其加入到酸化的铝盐溶液中，然后将由水玻璃、模板剂、晶种所形成的碱性溶液慢慢地滴加到铝盐溶液中，所得反应的混合物总组成符合Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O＝1.5-4.0:1:20-280:500-2000的摩尔比，然后将该反应混合物按常规方法水热晶化。该方法所合成的小晶粒ZSM-5沸石分子筛，硅铝比高，而且晶粒尺寸均匀。CN200810204150.9公开了一种控制ZSM-5分子筛粒径得到纳米沸石的合成方法，将偏铝酸钠或硫酸铝、硅溶胶或水玻璃、氢氧化钠和异丙胺制成反应混合物，再将反应混合物进行水热晶化，最后水热晶化好的反应混合物经常规的过滤、洗涤、干燥、焙烧，得纳米ZSM-5分子筛。所合成的ZSM-5分子筛晶粒截面的平均直径不大于100nm，具有较高的比表面积，生产流程短，成本低，利于工业化生产和应用的优点。
以上专利所述方法中，很少用到本发明所用控制硅聚合度及铝聚合度的方法来控制沸石粒径，且基本为静态晶化，晶化过程没有搅拌。本发明通过使用具有不同硅聚合度的硅源或者具有不同铝聚合度的铝源，调节模板剂及硅源、铝源的比例，在晶化过程中加以搅拌，得到粒径不同的ZSM-5沸石。
发明内容
本发明所要解决的关键技术问题是现有技术得到不同粒径沸石尤其是纳米ZSM-5沸石分子筛，制备过程繁琐、晶化时间长、成本较高以及环境污染大、不易于工业化。本发明提供一种新的控制ZSM-5分子筛粒径的方法，具有可以有效控制沸石粒径，得到纳米、微米ZSM-5分子筛的特点。
为解决上述技术问题，本发明技术方案如下：
一种有效控制ZSM-5沸石粒径的方法，其特征在于具体步骤为：
在体系物料配比为：
H2O/SiO2＝5-1000；T/SiO2＝0.1-200；Si/Al＝50-∞条件下，使用氢氧化物控制硅源聚合度，使用无机酸控制铝源聚合度，聚合度定义为：以重复单元SiO2数或Al(OH)为基准，即聚合物大分子链上所含重复单元数目的平均值，定义为n；于晶化反应釜中，室温下凝胶老化0-120小时，60-300℃之间在50-1000rpm搅拌下晶化1-15天；冷却至室温后，将产物洗涤离心，烘干后，得到不同粒径大小的ZSM-5沸石；所述模板剂T为正丙胺、四丙基溴化铵、四丙基氢氧化铵、四甲基溴化铵、四乙基溴化铵、二乙醇胺中至少一种。
上述技术方案中，优选的，使用氢氧化物控制硅源聚合度。
上述技术方案中，优选的，使用无机酸控制铝源聚合度。
上述技术方案中，优选的，体系硅聚合度高时n>300～1000，得到纳米沸石粒径范围为6-50微米，体系硅聚合度低时n<300～1000，得到纳米沸石粒径范围为0-5微米。
上述技术方案中，优选的，体系铝聚合度高时n>10～100，得到纳米沸石粒径范围为6-50微米，体系铝聚合度低时n<10～100，得到纳米沸石粒径范围为0-5微米。
上述技术方案中，
晶化过程中转速优选为150-250rpm；硅源优选为硅溶胶、正硅酸乙酯或无定形氧化硅粉末、硅酸盐中至少一种，铝源优选为十八水合硫酸铝、异丙醇铝或偏铝酸盐、铝酸盐中至少一种；晶化时间优选为1-3天；T/SiO2优选范围为0.1-50，晶化温度优选范围为100-200℃。在搅拌过程中逐滴缓慢加入不同硅源。
本发明主要改变硅源及铝源聚合度不同，控制ZSM-5沸石粒径，得到具有良好结晶度不同尺寸大小的样品，并用XRD和SEM对样品进行表征。
本发明的产物是ZSM-5分子筛，通过调节硅源及铝源聚合度的不同、调节模板剂及硅、铝的比例，可以有效的控制样品晶粒尺寸。同时，该合成方法得到不同粒径沸石尤其是纳米ZSM-5沸石分子筛。本发明提供一种新的控制ZSM-5分子筛粒径的方法，具有可以有效控制沸石粒径，得到纳米、微米ZSM-5分子筛的特点。利用该方法不仅可以提高合成效率，缩短晶化时间，降低合成成本，还可以减少环境污染，具有更好的实用性以及有效性。本方法合成分子筛得到了预料不到的技术效果，避免了传统制备方法中不同溶液配置及混合的步骤繁琐，更加适用工业化，简便可行。
下面的实例将对本发明提供的有效控制ZSM-5分子筛粒径的方法作进一步说明。
附图说明
实例中的部分图片列于说明书附图中。
图1是实施例1产品的XRD谱图。
图2是实施例1产品的SEM照片。
图3是实施例2产品的SEM照片。
图4是实施例3产品的SEM照片。
图5是实施例4产品的SEM照片。
图6是实施例5产品的SEM照片。
具体实施方式
实施例1
合成方法：将15g水、0.051g十八水合硫酸铝、12g四丙基氢氧化铵加入反应釜中，搅拌均匀后，在搅拌过程中逐滴缓慢加入5g质量分数为40％的硅溶胶，加入氢氧化钠，控制硅聚合度为200，搅拌30min，室温下凝胶老化。之后，180℃，150rpm搅拌下晶化2天，冷却至室温后，去离子水洗涤离心3次，80℃烘干12h，得到最终产品Z-1。
图1是实施例1所得产物的XRD谱图，可以看到产品具有ZSM-5的特征衍射峰，并且具有较高的结晶度。图2为实施例1所得产品的SEM照片，可以看到样品呈现球状形貌，颗粒大小为3微米。
实施例2
采用和实例1中的相同条件，搅拌均匀后，在搅拌过程中逐滴缓慢加入6.93g正硅酸乙酯，加入氢氧化钠，控制硅聚合度为80，搅拌30min，室温下凝胶老化。之后，180℃，150rpm搅拌下晶化2天，冷却至室温后，去离子水洗涤离心3次，80℃烘干12h，得到最终产品Z-2。样品XRD表征结果，可以看到产品具有ZSM-5特征衍射峰，图3为实施例2所得产品SEM照片，说明样品呈现球状形貌，颗粒大小为100-200纳米。
实施例3
采用和实例1中的相同条件，搅拌均匀后，在搅拌过程中逐滴缓慢加入2g硅粉，加入氢氧化钠，控制硅聚合度为100，搅拌30min，室温下凝胶老化。之后，180℃，150rpm搅拌下晶化2天，冷却至室温后，去离子水洗涤离心3次，80℃烘干12h，得到最终产品Z-3。样品XRD表征结果，可以看到产品具有ZSM-5特征衍射峰，图4为实施例3所得产品SEM照片，说明样品呈现球状形貌，颗粒大小为2微米。
实施例4
合成方法：将15g水、0.016g异丙醇铝、9g四丙基氢氧化铵加入反应釜中，搅拌均匀后，在搅拌过程中逐滴缓慢加入5g质量分数为40％的硅溶胶，加入硫酸，控制铝聚合度为8，搅拌30min，室温下凝胶老化。之后，180℃，150rpm搅拌下晶化2天，冷却至室温后，去离子水洗涤离心3次，80℃烘干12h，得到最终产品Z-4。样品XRD表征结果，可以看到产品具有ZSM-5特征衍射峰，图5为实施例4所得产品SEM照片，说明样品呈现球状形貌，颗粒大小为1微米左右。
实施例5
采用和实例4中的相同条件，改变铝源为0.013g铝酸钠，加入硫酸，控制铝聚合度为5，得到最终产品Z-5。样品XRD表征结果，可以看到产品具有ZSM-5特征衍射峰，图6为实施例5所得产品SEM照片，说明样品呈现球状形貌，颗粒大小为3微米。
实施例6
合成方法：将15g水、0.051g十八水合硫酸铝、12g四丙基溴化铵、1.7g质量分数40％的氢氧化钠溶液，控制硅聚合度为1500，加入反应釜中，搅拌均匀后，在搅拌过程中逐滴缓慢加入5g质量分数为40％的硅溶胶，搅拌30min，室温下凝胶老化。之后，180℃，150rpm搅拌下晶化2天，冷却至室温后，去离子水洗涤离心3次，80℃烘干12h，得到最终产品。样品XRD表征结果，可以看到产品具有ZSM-5特征衍射峰，SEM照片说明样品呈现球状形貌，颗粒大小为15微米。
实施例7
采用和实例6中的相同条件，搅拌均匀后，在搅拌过程中逐滴缓慢加入6.93g正硅酸乙酯，加入氢氧化钾溶液，控制硅聚合度为1800，搅拌30min，室温下凝胶老化。之后，180℃，150rpm搅拌下晶化2天，冷却至室温后，去离子水洗涤离心3次，80℃烘干12h，得到最终产品。样品XRD表征结果，可以看到产品具有ZSM-5特征衍射峰，SEM照片说明样品呈现球状形貌，颗粒大小为20微米。
实施例8
采用和实例6中的相同条件，搅拌均匀后，在搅拌过程中逐滴缓慢加入2g硅粉，加入氢氧化钾溶液，控制硅聚合度为1800，搅拌30min，室温下凝胶老化。之后，180℃，150rpm搅拌下晶化2天，冷却至室温后，去离子水洗涤离心3次，80℃烘干12h，得到最终产品。样品XRD表征结果，可以看到产品具有ZSM-5特征衍射峰，SEM照片说明样品呈现球状形貌，颗粒大小为23微米。
实施例9
合成方法：将15g水、0.016g异丙醇铝、2g四丙基溴化铵、1.7g质量分数40％的氢氧化钠溶液加入反应釜中，搅拌均匀后，在搅拌过程中逐滴缓慢加入5g质量分数为40％的硅溶胶，加入硫酸，控制铝聚合度为600，搅拌30min，室温下凝胶老化。之后，180℃，150rpm搅拌下晶化2天，冷却至室温后，去离子水洗涤离心3次，80℃烘干12h，得到最终产品。样品XRD表征结果，可以看到产品具有ZSM-5特征衍射峰，SEM照片说明样品呈现球状形貌，颗粒大小为12微米。
实施例10
采用和实例9中的相同条件，改变铝源为0.013g铝酸钠，加入硫酸，控制铝聚合度为500得到最终产品。样品XRD表征结果，可以看到产品具有ZSM-5特征衍射峰，SEM照片说明样品呈现球状形貌，颗粒大小为10微米。

Claims (10)

1.一种利用硅聚合度及铝聚合度有效控制ZSM-5粒径的方法，其特征在于具体步骤为：
在体系物料配比为：
H2O/SiO2＝5-1000；T/SiO2＝0.1-200；Si/Al＝50-∞条件下，使用氢氧化物控制硅源聚合度，使用无机酸控制铝源聚合度，聚合度定义为：以重复单元SiO2数或Al(OH)为基准，即聚合物大分子链上所含重复单元数目的平均值，定义为n；于晶化反应釜中，室温下凝胶老化0-120小时，60-300℃之间在50-1000rpm搅拌下晶化1-15天；冷却至室温后，将产物洗涤离心，烘干后，得到不同粒径大小的ZSM-5沸石；所述模板剂T为正丙胺、四丙基溴化铵、四丙基氢氧化铵、四甲基溴化铵、四乙基溴化铵、二乙醇胺中至少一种。
2.根据权利要求1所述的利用硅聚合度及铝聚合度有效控制ZSM-5粒径的方法，其特征在于晶化过程中以150-250rpm转速搅拌。
3.根据权利要求1所述的利用硅聚合度及铝聚合度有效控制ZSM-5粒径的方法，其特征在于，所述硅源为硅溶胶、正硅酸乙酯或无定形氧化硅粉末、硅酸盐中至少一种。
4.根据权利要求1所述的利用硅聚合度及铝聚合度有效控制ZSM-5粒径的方法，其特征在于铝源为十八水合硫酸铝、异丙醇铝或偏铝酸盐、铝酸盐中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的利用硅聚合度及铝聚合度有效控制ZSM-5粒径的方法，其特征在于晶化温度为100-200℃，T/SiO2＝0.1-50，晶化时间为1-3天。
6.根据权利要求1所述的利用硅聚合度及铝聚合度有效控制ZSM-5粒径的方法，其特征在于在搅拌过程中逐滴缓慢加入不同硅源。
7.根据权利要求1所述的利用硅聚合度及铝聚合度有效控制ZSM-5粒径的方法，其特征在于使用氢氧化物控制硅源聚合度。
8.根据权利要求7所述的利用硅聚合度及铝聚合度有效控制ZSM-5粒径的方法，其特征在于使用无机酸控制铝源聚合度。
9.根据权利要求1所述的利用硅聚合度及铝聚合度有效控制ZSM-5粒径的方法，其特征在于体系硅聚合度高时n>300～1000，得到纳米沸石粒径范围为6-50微米，体系硅聚合度低时n<300～1000，得到纳米沸石粒径范围为0-5微米。
10.根据权利要求1所述的利用硅聚合度及铝聚合度有效控制ZSM-5粒径的方法，其特征在于体系铝聚合度高时n>10～100，得到纳米沸石粒径范围为6-50微米，体系铝聚合度低时n<10～100，得到纳米沸石粒径范围为0-5微米。
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