CN106745052B - 一种采用双模板剂的hzsm-5分子筛的合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用双模板剂的HZSM‑5分子筛的合成方法，将硅源、铝源、模板剂、晶种和水按比例混合，搅拌均匀形成凝胶，将凝胶干燥并研磨成粉末，然后将粉末置于底部含有水的反应釜中晶化，晶化产物干燥、焙烧制得产品；本发明的方法不使用含钠离子原料，省去了传统的铵交换、洗涤、焙烧过程，并且避免了传统晶化工艺中产品与母液的分离，且不使用昂贵的有机胺作为模板剂，具有成本低、废液量少、产率高等特点。

Description

一种采用双模板剂的HZSM-5分子筛的合成方法
技术领域
本发明属于ZSM-5分子筛催化剂制备领域，特别涉及一种采用双模板剂的HZSM-5分子筛的合成方法。
背景技术
HZSM-5分子筛具有独特的孔道结构和可调变的酸性，可用作催化剂或吸附分离材料。传统方法通过将NaZSM-5与铵进行交换，然后焙烧获得HZSM-5，因此，可以理解，如果在制备过程不引入碱金属离子而直接合成HZSM-5，则可以省去离子交换步骤，从而简化制备过程。Bibby首次在文献(D.M.Bibby,N.B.Milestone,L.P.Aldridge.NH4 +-tetraalkyllammonium systems in the synthesis of zeolites.Nature.1980,285:30-31)中报道了以硅酸、氢氧化铝、四丙基氢氧化铵(TPAOH)、氨水为原料，经160℃水热晶化3天，直接合成了硅铝比为320的HZSM-5。Ghamami等在文献(M.Ghamami,L.B.Sand.Synthesisand crystal growth of zeolite(NH4,TPA)-ZSM-5[J].Zeolites,1983,3:155-162.)中介绍了以硅溶胶为硅源、四丙基溴化铵(TPABr)为模板剂、氨水为碱源，经180℃水热晶化72h得到了硅铝比为59的HZSM-5。上述报道中均以昂贵的TPA+为模板剂，成本高且晶化时间较长。
CN102874843A公开了一种纳米ZSM-5分子筛的快速合成方法。是将异丙醇铝、正硅酸乙酯、TPAOH和水均匀混合，将混合好的溶胶凝胶烘干成干胶、研磨制得晶种。然后将水、硅源和铝源搅拌混合成均匀溶液，加入制得的晶种，再搅拌均匀，放入反应釜晶化、水洗、烘干、焙烧得到产品。该方法在合成中避免了使用含钠离子的原料，省去了铵交换步骤，但是模板剂昂贵且制备过程繁琐，耗时长，不利于工业化生产。
CN1715186A公开了一种小晶粒ZSM-5沸石的制备方法。首先通过搅拌、水洗、离子交换、干燥、焙烧制得硅铝胶，然后将硅铝胶颗粒与有机模板剂水溶液混合物进行水热晶化，再经过滤、水洗、干燥、焙烧制得产品。由于制备硅铝胶的成本较高，时间较长不利于工业加工。
CN1935652A公开了一种ZSM-5分子筛的合成方法。通过导向剂溶液合成、反应混合液制备、水热晶化、过滤、水洗、干燥、焙烧制得产品。导向剂溶液以TPABr或TPAOH为第一模板剂，反应混合液以环状分子胺-六亚甲基亚胺或哌啶或二者的混合物为第二模板剂。虽省掉了离子交换步骤，但第二模板剂对人体具有一定危害性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种采用双模板剂的HZSM-5分子筛的合成方法，其合成过程简单、快速。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种采用双模板剂的HZSM-5分子筛的合成方法，所述合成方法为将铝源、硅源、模板剂、HZSM-5分子筛晶种和水进行混合，将得到的混合物搅拌均匀形成凝胶，将凝胶干燥并破碎成粉末，置于底部含有水的反应釜中晶化，晶化产物干燥、焙烧制得HZSM-5分子筛；其中，所述模板剂为氨水和碳原子数大于1的低级醇；将所述混合物中硅源与铝源的用量分别以SiO2与Al2O3计，模板剂氨与低级醇的用量分别以NH4OH与R-OH计，混合物中SiO2、Al2O3、NH4OH、R-OH摩尔比为100:(0.5～2):(100～500):(360～400)。
配置凝胶的过程为本领域熟知，水的用量可以根据实际情况进行适当调节，例如水的用量可以为SiO2摩尔用量的20～80倍，或者40～60倍，比如45、50或55倍。
根据本发明的合成方法，优选地，在进行混合的过程中，首先将所需量的铝源、水、氨水、C2H5OH混合，搅拌均匀，再加入硅源，最后加入所述晶种，继续搅拌均匀形成凝胶。研究发现，按照上述顺序进行混合时，由于合成ZSM-5时添加晶种，一方面可以为晶化过程提供生长表面，另一方面诱发生成新晶核，因此非常有利于本发明的HZSM-5分子筛的合成，提高分子筛的晶华速度、降低晶粒大小并提高产率。
根据本发明的合成方法，优选地，所述混合物中SiO2、Al2O3、NH4OH、R-OH、H2O摩尔比为100:(0.8～1.5):(200～400):(370～390)。
根据本发明的合成方法，优选地，所述低级醇选自乙醇、丙醇和丁醇中的一种或多种；进一步优选为乙醇。
在本发明中，所述硅源和铝源均为本领域熟知，根据本发明的合成方法，优选地，所述铝源选自硝酸铝、硫酸铝和氢氧化铝中的一种或几种，进一步优选为硝酸铝；所述硅源选自硅溶胶和正硅酸乙酯中的一种或两种，进一步优选为正硅酸乙酯。
在本发明中，所述凝胶的干燥为本领域所熟知，例如在干燥箱中对凝胶进行干燥，干燥至其中水含量不大于5wt％。根据本发明的合成方法，优选地，所述凝胶的干燥温度为80～100℃。
根据本发明的合成方法，优选地，晶化时的反应温度为190～210℃，晶化时间为6～12h，优选6～10h，例如8h。
根据本发明的合成方法，优选地，晶化时，所述凝胶的粉末与水的质量比为2～4。
根据本发明的合成方法，优选地，焙烧温度为520～600℃，焙烧时间为4～8h。,
在本发明中，所述晶种可以是市售的HZSM-5分子筛晶种，根据本发明的合成方法，优选地，所述晶种的比表面积为200±25m2·g-1；所述混合物中晶种的添加量为0.01～0.05wt％。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、在不含钠离子原料的合成体系中，避免了传统的铵交换、洗涤、焙烧过程；
2、与现有技术中通过先制备干胶晶种，再将晶种置于水、硅源、和铝源的混合液中，搅拌均匀后再晶化制备HZSM-5分子筛，本申请直接将凝胶粉末放入带水的反应釜中晶化，简化了制备过程，且晶化完成后省去了洗涤步骤；同时，晶化效果好。
3、本申请技术方案以廉价的乙醇和氨水为混合模板剂，通过乙醇分子与NH4 +在分子筛孔道与骨架之间发生的相互作用，在高温条件下通过干胶法快速合成了HZSM-5分子筛；
4、通过干胶转化合成，避免了传统晶化工艺中产品与母液的分离，废液量少；具有成本低、污染低、合成时间短、步骤简单的特点，有利于分子筛的快速合成。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的分子筛的XRD谱图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行说明，但本发明并不仅限于此。
实施例中所用原料介绍如下：
晶种，来自南开大学催化剂厂生产的ZSM-5分子筛原粉，SiO2/Al2O3为90，比表面积为235m2·g-1；
其余化学药品均为分析纯。
实施例1
按照合成配比SiO2:Al2O3:NH4OH:C2H5OH:H2O＝100:2:350:360:5500，将1.5005g硝酸铝、8.1g去离子水、49.2g氨水和16.6g C2H5OH混合，搅拌均匀，逐滴加入74.4g正硅酸乙酯，搅拌1h，最后加入0.88g晶种，继续搅拌2h。将获得的凝胶于100℃干燥12h，研钵中研磨20min制得干粉。称取1g凝胶干粉，放入坩埚，将坩埚置于底部含有3g水的晶化反应釜中，于210℃晶化6h，降至室温，120℃干燥12h，550℃焙烧6h，制得产品，其XRD谱图如图1所示(测试条件：在Rikagu X-射线衍射仪(XRD)上进行，管电压40kV、管电流30mA、扫描范围3°～80°、扫描速度8°/min，步长0.02，经与晶种XRD谱图比对，可知制备的产物属于HZSM-5分子筛。同时，经测定，该HZSM-5分子筛的相对结晶度为99.87％，表明本实施例合成的分子筛为纯相ZSM-5分子筛。
实施例2
按照合成配比SiO2:Al2O3:NH4OH:C2H5OH:H2O＝100:1:350:380:5500，将0.7503g硝酸铝、8.4g去离子水、49.2g氨水和17.5g C2H5OH混合，搅拌均匀，逐滴加入74.4g正硅酸乙酯，搅拌1h，最后加入0.86g晶种，继续搅拌2h。将获得的凝胶于100℃干燥12h，研钵中研磨20min制得干粉。称取1g凝胶干粉，放入坩埚，将坩埚置于底部含有3g水的晶化反应釜中，于210℃晶化6h，降至室温，120℃干燥12h，550℃焙烧6h，制得产品，经XRD检测，同样属于HZSM-5分子筛；同时，该HZSM-5分子筛的相对结晶度为99.02％。
实施例3
按照合成配比SiO2:Al2O3:NH4OH:C2H5OH:H2O＝100:0.5:350:380:5500，将0.3751g硝酸铝、8.5g去离子水、49.2g氨水和17.5g C2H5OH混合，搅拌均匀，逐滴加入74.4g正硅酸乙酯，搅拌1h，最后加入0.83g晶种，继续搅拌2h。将获得的凝胶于100℃干燥12h，研钵中研磨20min制得干粉。称取1g凝胶干粉，放入坩埚，将坩埚置于底部含有3g水的晶化反应釜中，于190℃晶化12h，降至室温，120℃干燥12h，550℃焙烧6h，制得产品，经XRD检测，同样属于HZSM-5分子筛；同时，该HZSM-5分子筛的相对结晶度为98.96％。
实施例4
按照合成配比SiO2:Al2O3:NH4OH:C2H5OH:H2O＝100:1:350:400:5500，将0.7503g硝酸铝、8.4g去离子水、49.2g氨水和18.4g C2H5OH混合，搅拌均匀，逐滴加入74.4g正硅酸乙酯，搅拌1h，最后加入0.86g晶种，继续搅拌2h。将获得的凝胶于100℃干燥12h，研钵中研磨20min制得干粉。称取1g凝胶干粉，放入坩埚，将坩埚置于底部含有3g水的晶化反应釜中，于210℃晶化6h，降至室温，120℃干燥12h，550℃焙烧6h，制得产品，经XRD检测，同样属于HZSM-5分子筛；同时，该HZSM-5分子筛的相对结晶度为97.84％。
实施例5
按照合成配比SiO2:Al2O3:NH4OH:C2H5OH:H2O＝100:2:350:380:5500，将1.5005g硝酸铝、8.1g去离子水、49.2g氨水和17.5g C2H5OH混合，搅拌均匀，逐滴加入74.4g正硅酸乙酯，搅拌1h，最后加入0.88g晶种，继续搅拌2h。将获得的凝胶于100℃干燥12h，研钵中研磨20min制得干粉。称取1g凝胶干粉，放入坩埚，将坩埚置于底部含有3g水的晶化反应釜中，于200℃晶化10h，降至室温，120℃干燥12h，550℃焙烧6h，制得产品，经XRD检测，同样属于HZSM-5分子筛；同时，该HZSM-5分子筛的相对结晶度为98.68％。
实施例6
按照合成配比SiO2:Al2O3:NH4OH:C2H5OH:H2O＝100:1:350:380:5500，将0.7503g硝酸铝、8.4g去离子水、49.2g氨水和17.5g C2H5OH混合，搅拌均匀，逐滴加入74.4g正硅酸乙酯，搅拌1h，最后加入0.86g晶种，继续搅拌2h。将获得的凝胶于100℃干燥12h，研钵中研磨20min制得干粉。称取1g凝胶干粉，放入坩埚，将坩埚置于底部含有3g水的晶化反应釜中，于200℃晶化9h，降至室温，120℃干燥12h，550℃焙烧6h，制得产品，经XRD检测，同样属于HZSM-5分子筛；同时，该HZSM-5分子筛的相对结晶度为99.76％。
实施例7
按照合成配比SiO2:Al2O3:NH4OH:C2H5OH:H2O＝100:1:350:380:5500，将0.7503g硝酸铝、8.4g去离子水、49.2g氨水和17.5g C2H5OH混合，搅拌均匀，逐滴加入74.4g正硅酸乙酯，搅拌1h，最后加入0.86g晶种，继续搅拌2h。将获得的凝胶于100℃干燥12h，研钵中研磨20min制得干粉。称取1g凝胶干粉，放入坩埚，将坩埚置于底部含有3g水的晶化反应釜中，于190℃晶化12h，降至室温，120℃干燥12h，550℃焙烧6h，制得产品，经XRD检测，同样属于HZSM-5分子筛；同时，该HZSM-5分子筛的相对结晶度为97.59％。
实施例8
按照合成配比SiO2:Al2O3:NH4OH:C2H5OH:H2O＝100:2:350:380:5500，将1.5005g硝酸铝、8.1g去离子水、49.2g氨水和17.5g C2H5OH混合，搅拌均匀，逐滴加入74.4g正硅酸乙酯，搅拌1h，最后加入0.88g晶种，继续搅拌2h。将获得的凝胶于100℃干燥12h，研钵中研磨20min制得干粉。称取1g凝胶干粉，放入坩埚，将坩埚置于底部含有3g水的晶化反应釜中，于210℃晶化8h，降至室温，120℃干燥12h，550℃焙烧6h，制得产品，经XRD检测，同样属于HZSM-5分子筛；同时，该HZSM-5分子筛的相对结晶度为98.51％。
实施例9
按照合成配比SiO2:Al2O3:NH4OH:C2H5OH:H2O＝100:0.5:350:380:5500，将0.3751g硝酸铝、8.5g去离子水、49.2g氨水和17.5g C2H5OH混合，搅拌均匀，逐滴加入74.4g正硅酸乙酯，搅拌1h，最后加入0.83g晶种，继续搅拌2h。将获得的凝胶于100℃干燥12h，研钵中研磨20min制得干粉。称取1g凝胶干粉，放入坩埚，将坩埚置于底部含有3g水的晶化反应釜中，于200℃晶化12h，降至室温，120℃干燥12h，550℃焙烧6h，制得产品，经XRD检测，同样属于HZSM-5分子筛；同时，该HZSM-5分子筛的相对结晶度为99.18％。
实施例10
按照合成配比SiO2:Al2O3:NH4OH:C2H5OH:H2O＝100:1:350:400:5500，将0.7503g硝酸铝、8.4g去离子水、49.2g氨水和18.4g C2H5OH混合，搅拌均匀，逐滴加入74.4g正硅酸乙酯，搅拌1h，最后加入0.86g晶种，继续搅拌2h。将获得的凝胶于100℃干燥12h，研钵中研磨20min制得干粉。称取1g凝胶干粉，放入坩埚，将坩埚置于底部含有3g水的晶化反应釜中，于200℃晶化7h，降至室温，120℃干燥12h，550℃焙烧6h，制得产品，经XRD检测，同样属于HZSM-5分子筛；同时，该HZSM-5分子筛的相对结晶度为98.62％。
实施例11
与实施例1的区别在于将乙醇替换为正丙醇。制得产品经XRD检测，同样属于HZSM-5分子筛；同时，该HZSM-5分子筛的相对结晶度为99.91％。
实施例12
与实施例1的区别在于将乙醇替换为正丁醇。制得产品经XRD检测，同样属于HZSM-5分子筛；同时，该HZSM-5分子筛的相对结晶度为96.69％。

Claims (7)

1.一种采用双模板剂的HZSM-5分子筛的合成方法，其特征在于，所述合成方法为首先将所需量的铝源、水、模板剂混合，搅拌均匀，再逐步加入硅源，最后加入HZSM-5分子筛晶种，继续搅拌均匀形成凝胶；将凝胶干燥并破碎成粉末，置于底部含有水的反应釜中晶化，晶化产物干燥、焙烧制得HZSM-5分子筛；其中，所述晶种的比表面积为235m2·g-1；所述混合物中晶种的添加量为0.01～0.05wt％；所述模板剂为氨水和选自乙醇、丙醇和丁醇中的一种或多种的低级醇；将所述混合物中硅源与铝源的用量分别以SiO2与Al2O3计，模板剂氨与低级醇的用量分别以NH4OH与R-OH计，混合物中SiO2、Al2O3、NH4OH、R-OH摩尔比为100:(0.8～1.5):(200～400):(370～390)。
2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述低级醇为乙醇。
3.根据权利要求1或2所述的合成方法，其特征在于，所述铝源选自硝酸铝、硫酸铝和氢氧化铝中的一种或几种；所述硅源选自硅溶胶和正硅酸乙酯中的一种或两种。
4.根据权利要求1或2所述的合成方法，其特征在于，所述凝胶的干燥温度为80～100℃。
5.根据权利要求1或2所述的合成方法，其特征在于，晶化时的反应温度为190～210℃，晶化时间为6～12h。
6.根据权利要求1或2所述的合成方法，其特征在于，晶化时，所述凝胶的粉末与水的质量比为2～4。
7.根据权利要求1或2所述的合成方法，其特征在于，焙烧温度为520～600℃，焙烧时间为4～8h。
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