CN107649173A - 一种磷改性纳米hzsm‑5分子筛催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磷改性纳米HZSM‑5分子筛催化剂及其制备方法。本发明方法以纳米HZSM‑5分子筛和含磷化合物(磷酸或磷酸铵等)为原料,采用等体积浸渍的方法改性纳米HZSM‑5分子筛。本发明的改性处理后的分子筛作为催化剂用于催化生物乙醇(乙醇含量50~90%)制丙烯。本发明方法简单,操作便捷,环境友好,能耗少,生产成本低,效果显著,便于推广应用。采用本发明方法制得的产品作为催化剂催化生物乙醇制备丙烯反应,催化剂表现出较高的丙烯选择性、较长的催化剂使用寿命和显著的抗水热稳定性能等特点。
Description
技术领域
本发明属于纳米分子筛催化剂改性制备技术领域,具体涉及一种磷改性纳米HZSM-5分子筛催化剂及其制备方法。
背景技术
HZSM-5分子筛作为一种固体酸催化剂,由于具有优良的三维交叉孔道结构和易调节的酸性质,在化工生产领域被广泛应用。在HZSM-5分子筛催化乙醇制丙烯反应体系中,分子筛上的酸性中心即为催化反应的活性中心。乙醇在分子筛的酸性位上发生乙醇脱水、裂解、氢转移、异构化、芳构化以及积碳结焦等反应过程,而丙烯是这其中的一种重要产物。丙烯的选择性直接受到HZSM-5分子筛上的酸性质的影响,当分子筛上的酸中心强度过低时,乙醇只在酸性位上发生脱水反应生产乙烯,而不能进一步反应生成丙烯;当分子筛上的酸中心强度过高时,乙醇在酸性位上生成丙烯后又迅速反应形成大分子的烯烃并发生积碳结焦等反应,积碳不仅覆盖了分子筛的催化活性中心,同时还阻塞孔道,降低反应产物在分子筛内的扩散速率。由此可见,分子筛上的酸强度过高或者过低都不利于丙烯的生成,只有适当强度的酸性才有利于丙烯的生产。此外,整个反应历程中始终伴随着乙醇脱水反应,而高温下水蒸气易使得HZSM-5分子筛的骨架铝脱除形成非骨架铝,降低分子筛的催化反应性能。因此提高分子筛的水热稳定性能是提高HZSM-5分子筛催化剂使用寿命的有效途径。
在现有的乙醇制丙烯反应中,研究者采用了大量的改性方式处理HZSM-5分子筛,如Fe[1]改性、Ce[2]改性、Ga[3]改性以及碱土金属[4]改性等,改性后的分子筛上的酸强度都明显降低。但改性后的分子筛依然是在以无水乙醇为反应原料的体系下催化转化制取丙烯,同时随着反应的进行乙醇脱除的水在高温下开始和分子筛上的骨架铝发生作用,使得骨架铝移除形成非骨架的铝物种,从而使分子筛上的酸强度逐渐降低,丙烯选择性也随之降低,因此不具有很好的热稳定性能。
参考文献
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发明内容
为了解决现有HZSM-5分子筛在催化生物乙醇制丙烯反应过程中丙烯选择性较低,催化剂水热稳定性差,使用寿命短等问题,本发明的目的在于提供一种简单有效的磷改性纳米HZSM-5分子筛及其制备方法。本发明方法操作简单,条件易控制,更降低了催化反应条件,生产成本低,更有利于实现大规模工业化生产。本发明得到磷改性HZSM-5分子筛能够在以生物乙醇(乙醇含量50~90%)为原料的反应体系中催化乙醇制丙烯,不仅明显地提高了丙烯的选择性,还提高了改性后分子筛的水热稳定性,从而显著提高了分子筛的使用寿命(以维持丙烯的选择性在10%以上的反应时间来表示)。
本发明提出的磷改性纳米HZSM-5分子筛催化剂的制备方法是采用等体积浸渍的方法,将一定磷含量的含磷化合物负载于纳米HZSM-5分子筛上,在室温下处理一段时间后,放入马弗炉中焙烧,从而得到磷改性的纳米HZSM-5分子筛。具体步骤如下:
1)准确称取1.0g纳米HZSM-5分子筛,向其中逐滴滴加去离子水,直至分子筛成胶糊状,记录滴加水的质量即为1g纳米HZSM-5分子筛的吸水量;
2)采用等体积浸渍法,称取含磷化合物置于纳米HZSM-5分子筛吸水量的去离子水中溶解,待完全溶解后将其与纳米HZSM-5分子筛混合搅拌均匀;然后在室温下浸渍处理4~6小时;处理完成后干燥,最后在马弗炉内焙烧,得到磷改性纳米HZSM-5分子筛催化剂。
本发明中,步骤1)和步骤2)中,纳米HZSM-5分子筛的平均粒径在50~90nm之间,SiO2和Al2O3物质的量比为25~75。
本发明中,步骤2)中,焙烧温度为530~580℃,焙烧时间为2~6h。
本发明中,步骤2)中,含磷化合物为磷酸或磷酸铵中的一种或两种。
本发明中,步骤2)中,改性分子筛中磷的含量为0.25~6%。
本发明中,步骤2)中,改性分子筛中磷的含量为0.5~3%。
本发明还提供一种上述制备方法制得的磷改性纳米HZSM-5分子筛催化剂。
和现有技术相比,本发明的有益效果在于:
(1)本发明采用等体积浸渍法对纳米HZSM-5分子筛进行P改性,改性后的分子筛骨架结构和分子筛的比表面都未发生显著改变,保留了完好的MFI骨架结构,同时对分子筛的内外表面酸性质进行了适度的调节,显著降低了分子筛上的酸强度。
(2)采用本发明得到的磷改性纳米HZSM-5分子筛作为催化剂催化生物乙醇(乙醇含量50~90%)制丙烯反应,显著提高了丙烯的选择性和催化剂的使用寿命(维持丙烯的选择性在10%以上的反应时间)。
(3)以本发明得到的磷改性后的纳米HZSM-5分子筛作为催化剂催化生物乙醇制丙烯反应,抑制了乙醇脱除的水对分子筛骨架上铝的破坏,表现出优越的水热稳定性,显著提高了HZSM-5分子筛的使用寿命。
(4)本发明以等体积浸渍方式对纳米HZSM-5分子筛进行磷改性制备,操作简单,条件易控制,生产成本低。除此之外,改性后得到的纳米HZSM-5分子筛具有优良的水热稳定性能和适度的表面酸性质,使得改性后的分子筛更适用于催化生物乙醇制丙烯反应。
附图说明
图1是改性前后纳米HZSM-5分子筛催化生物乙醇制取丙烯反应过程中丙烯的选择性随反应时间的变化曲线。
图2是改性前后纳米HZSM-5分子筛的氨气-程序升温脱附曲线。
具体实施方式
下面具体结合附图和实施例,进一步具体说明本发明。
实施例1
一种P改性纳米HZSM-5分子筛P的百分含量为:
P元素的质量百分含量 0.5%
HZSM-5分子筛的质量百分含量 99.5%
其中HZSM-5的SiO2/Al2O3=38
一种P改性纳米HZSM-5分子筛的制备方法如下:
(1)准确称取0.096g的(NH4)3PO4·3H2O溶解于4.5mL的去离子水中,待完全溶解后将称取好的3.0g纳米HZSM-5分子筛加入到溶液中,搅拌均匀后室温下浸渍处理5h,处理完成后再置于110℃的烘箱内烘干过夜,待样品烘干后置于550℃的马弗炉内空气下焙烧4h,将得到的样品命名为NPZ-0.5。
(2)将改性后的NPZ-0.5-38样品压片后研磨过筛,选取40~60目的样品,称取0.30g催化剂样品,并在催化剂两端填充相同粒度的石英砂。催化剂先在500℃下用高纯N2吹扫1h,以除去物理吸附的杂质,然后停止N2吹扫并以0.02mL/min的速率通入生物乙醇溶液(乙醇含量90%),经气化后进入反应器。采用带有自动进样阀的Agilent 6820型气相色谱仪对反应后的产物进行在线分析,产物的选择性是在乙醇完全转化的情况下根据碳原子的摩尔数计算的,催化剂的稳定性(使用寿命)以维持丙烯的选择性在10%以上的反应时间来表示。
(3)称取0.10g改性后的NPZ-0.5-38样品填装入石英管内,催化剂上下填充相同粒度的石英砂,在500℃用高纯N2(30mL/min)吹扫1h,降至室温,然后在此温度下吸附10%NH3/N2至饱和。再在100℃经N2气吹扫以除去物理吸附的氨气后,以10℃/min的升温速率升至550℃,在升温的同时对样品进行采样并采用热导池检测器测定所脱附的NH3。
实施例2
一种P改性纳米HZSM-5分子筛P的百分含量为:
P元素的质量百分含量 1.0%
HZSM-5分子筛的质量百分含量 99.0%
其中HZSM-5的SiO2/Al2O3=38
一种P改性纳米HZSM-5分子筛的制备方法如下:
(1)准确称取0.192g的(NH4)3PO4·3H2O溶解于4.5mL的去离子水中,待完全溶解后将称取好的3.0g纳米HZSM-5分子筛加入到溶液中,搅拌均匀后室温下浸渍处理5h,处理完成后再置于110℃的烘箱内烘干过夜,待样品烘干后置于550℃的马弗炉内空气下焙烧4h,将得到的样品命名为NPZ-1。
(2)NPZ-1的活性评价测试同实施例1,在相同的测试条件下对NPZ-1进行生物乙醇催化制丙烯的活性测试。
(3)NPZ-1的酸性质测试同实施例1,在相同的测试条件下对NPZ-1进行酸性质测试。
实施例3
一种P改性纳米HZSM-5分子筛P的百分含量为:
P元素的质量百分含量 2%
HZSM-5分子筛的质量百分含量 99.5%
其中HZSM-5的SiO2/Al2O3=38
一种P改性纳米HZSM-5分子筛的制备方法如下:
(1)0.389g的(NH4)3PO4·3H2O溶解于4.5mL的去离子水中,待完全溶解后将称取好的3.0g纳米HZSM-5分子筛加入到溶液中,搅拌均匀后室温下浸渍处理5h,处理完成后再置于110℃的烘箱内烘干过夜,待样品烘干后置于550℃的马弗炉内空气焙烧4h,将得到的样品命名为NPZ-2。
(2)NPZ-2的活性评价测试同实施例1,在相同的测试条件下对NPZ-2进行生物乙醇催化制丙烯的活性测试。
(3)NPZ-2的酸性质测试同实施例1,在相同的测试条件下对NPZ-2进行酸性质测试。
实施例4
一种P改性纳米HZSM-5分子筛P的百分含量为:
P元素的质量百分含量 0%
HZSM-5分子筛的质量百分含量 100%
其中HZSM-5的SiO2/Al2O3=38
一种P改性纳米HZSM-5分子筛的制备方法如下:
(1)准确称取3.0g纳米HZSM-5分子筛至于110℃的烘箱内烘干过夜,待样品烘干后置于550℃的马弗炉内空气焙烧4h,将得到的样品命名为HZ。
(2)HZ的活性评价测试同实施例1,在相同的测试条件下对HZ进行生物乙醇催化制丙烯的活性测试。
(3)HZ的酸性质测试同实施例1,在相同的测试条件下对HZ进行酸性质测试。
图1是改性前后纳米HZSM-5分子筛催化生物乙醇制取丙烯反应过程中丙烯的选择性随反应时间的变化曲线。由图可见,对于未改性的HZ样品,反应初始的丙烯选择性较低(仅为6.8%),经过16.7h的反应后达到最大值(24.8%),之后快速降低,催化剂的寿命为36h。采用0.5%的磷改性后(NPZ-0.5),丙烯的最高选择性升高至25.9%,使用寿命显著延长至75h。采用1%的磷改性后(NPZ-1),虽然丙烯的最高选择性与NPZ-0.5相同,但催化剂的使用寿命得到显著改善,维持丙烯选择性在10%以上的反应时间延长至105h。采用2%的磷改性后(NPZ-2),不仅丙烯的最高选择性有较为明显的提高(28.8%),而且催化剂的使用寿命更是得到显著改善,维持丙烯选择性在10%以上的反应时间延长至170h。
图2是改性前后纳米HZSM-5分子筛的氨气-程序升温脱附曲线。由此可见,随着磷含量的增加,分子筛上强酸中心的数量逐渐降低而弱酸中心的数量却逐渐增加。这是因为磷改性过程中磷物种和分子筛上的B酸中心产生的质子化作用形成了P(OH)4 +或者正磷酸,再经过焙烧之后形成焦磷酸盐或者低链的多磷酸盐,同时分子筛上的B酸性中心的强度被弱化。最终使得磷改性后分子筛上强酸中心数量减少,弱酸中心数量增加。
Claims (7)
1.一种磷改性纳米HZSM-5分子筛催化剂的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
1)准确称取1.0g纳米HZSM-5分子筛,向其中逐滴滴加去离子水,直至分子筛成胶糊状,记录滴加水的质量即为1g纳米HZSM-5分子筛的吸水量;
2)采用等体积浸渍法,称取含磷化合物置于纳米HZSM-5分子筛吸水量的去离子水中溶解,待完全溶解后将其与纳米HZSM-5分子筛混合搅拌均匀;然后在室温下浸渍处理4~6小时,处理完成后干燥,最后在马弗炉内焙烧,得到磷改性纳米HZSM-5分子筛催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1)和步骤2)中,纳米HZSM-5分子筛的平均粒径在50~90nm之间,SiO2和Al2O3物质的量比为25~75。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中,焙烧温度为530~580℃,焙烧时间为2~6h。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中,含磷化合物为磷酸或磷酸铵中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中,改性分子筛中磷的含量为0.25~6%。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中,改性分子筛中磷的含量为0.5~3%。
7.一种根据权利要求1所述的制备方法制得的磷改性纳米HZSM-5分子筛催化剂。
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