CN109553114A - 一种凝胶类固相法快速合成全钾w分子筛的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种凝胶类固相法快速合成全钾W分子筛的方法。该方法首通过将硅酸钠溶液与硫酸铝溶液混合，得到硅铝干凝胶；再加入水和KOH，得到形貌均一、结晶良好的W分子筛。本发明成功实现了快速简单合成全钾W分子筛的目的，相较于当前技术，不仅使溶剂用量降低了7‑8倍、合成周期长缩短了2倍，避免了母液循环难的问题，还为快速合成分子筛提供了新出路。

Description

一种凝胶类固相法快速合成全钾W分子筛的方法
技术领域
本发明涉及一种凝胶类固相法快速合成全钾W分子筛的方法
背景技术
W分子筛是一种低硅铝比的小孔MER型沸石，具有典型的三维互连型八元环主孔道结构，其八元环孔道大小为0.38nm×0.38nm。因其特殊的元素组成和空间结构，被广泛应用于海水提钾、催化剂、缓释钾肥等方面。
W分子筛是由Breck于1953年首次合成出来的。长期以来，W分子筛常用水热法合成，该法工艺简单，原料来源广泛，产品结晶度高，但是存在晶化时间长、原料投入量大而产出少、母液循环利用率较低、反应需高压条件下进行等一系列缺点。如Maghsoodloorad H(Maghsoodloorad H.Synthesis and Characterization of Ceramic Membranes(W-TypeZeolite Membranes)[J].Int J Appl Ceram Technol,2013,10(2):365-375.)在体系物料摩尔比为5.6K2O:6.4SiO2:Al2O3:164.6H2O的条件下，经165℃晶化72小时，水热合成了W分子筛；本实验室杜翠华等(Du C H,Zhao B,Guo H F,et al.Preparation of totalpotassium W zeolite from potassium feldspar activated by potassium hydroxide[J].Journal of Synthetic Crystals,2014,43(1):153-162.)进行了KOH碱融活化钾长石制备全钾W型分子筛研究。在物料比为15K2O:10SiO2:Al2O3:570H2O条件下，经25℃下老化2.5h，150℃下晶化24h水热合成晶型呈纺锤体的W分子筛；Ban T(Ban T,Takamura M,Morikawa M,et al.Comparison of organic ligand effects onmorphology controlbetween disc-like zeolite L crystals and zeolite A and W crystals[J].Materials Chemistry&Physics,2013,137(3):1067-1072.)等以金属Al粉末为原料，在体系物料摩尔比为3KOH:1Al:2.5SiO2:50H2O:1(有机配体)下，室温搅拌1分钟后，在150℃下进行水热处理4天，制得W分子筛。
为了克服传统水热法合成W沸石分子筛的弊端，绿色合成分子筛路线引起了广大科研工作者的关注。Seo Y H等(Hasegawa Y,Nagase T,Kiyozumi Y,et al.Preparation,characterization,and dehydration performance of MER-type zeolite membranes[J].Separation&Purification Technology,2010,73(1):25-31.)以微波辅助水热合成法，在乙二醇的辅助下，在165℃微波辐射下加热4小时，550℃下煅烧6小时制得小颗粒的颗粒大小均一的W沸石晶体。该方法晶化快速，节省了反应时间，但微波辅助水热合成法依然是水溶液反应体系，需在高温、高压进行，且有机模板剂不易回收。Guo等(Guo J H,Chen HD,Xia Z,et al.Synthesis of zeolite W by steam-assisted-conversion method[J].Journal of Synthetic Crystals,2016.)采用水蒸汽辅助转化法,以硅铝干凝胶为原料，在体系物料摩尔比为K2O/SiO2＝0.386，H2O/SiO2＝11.2，添加于固体反应原料中的水量与釜底水量的比值为2.85下，经160℃晶化48小时得到了形貌均一、结晶良好的W分子筛。该法具有原料利用率高和产物与母液易于分离等特点，但是存在晶化时间长，设备复杂，步骤繁琐等缺陷。因此，高效快速、工艺简单、原料利用率高的W分子筛合成方法仍需探索。鉴于此，本发明拟开发一条具有一定创新性的快速合成全钾W分子筛的方法。
发明内容：
本发明针对当前传统水热液相法合成W分子筛溶剂用量大(H2O/SiO2＝57-70)、合成周期长(27-45h)和母液循环困难的局限性,提供一种凝胶类固相法快速合成全钾W分子筛的方法。该方法首通过将硅酸钠溶液与硫酸铝溶液混合，得到硅铝干凝胶；再加入水和KOH，得到形貌均一、结晶良好的W分子筛。本发明成功实现了快速简单合成全钾W分子筛的目的，相较于当前技术，不仅使溶剂用量降低了7-8倍、合成周期长缩短了2倍，避免了母液循环难的问题，还为快速合成分子筛提供了新出路。
本发明的技术方案为：
一种凝胶类固相法快速合成全钾W分子筛的方法，包括以下步骤：
(1)凝胶制备：
将硅酸钠溶于水中，40～50℃下搅拌后得A溶液；将硫酸铝溶于水中，40～50℃下搅拌后得B溶液；再趁热将A，B溶液混合，配制成凝胶液；
其中，质量比为硅酸钠：水＝1:2～4，硫酸铝：水＝1:2～4，摩尔比为硅酸钠：硫酸铝＝4～8:1；
(2)将(1)步中所得凝胶液进行过滤，并用去离子水进行洗涤得到的凝胶至无SO4 2-；
(3)将(2)步得到的产物烘干，得到硅铝干凝胶；所得滤液经蒸发结晶，得到Na2SO4晶体；
(4)将水、硅铝干凝胶、KOH混合后配制成反应浆液；
其中，摩尔比为KOH：硅铝干凝胶：水＝4～6.5:10:10～30；
(5)将(4)中所得浆液置于带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢晶化釜内，于温度为100℃～175℃下，反应6～18h；
(6)将(5)得到的产品进行过滤后进行烘干，即可得到全钾W分子筛。
所述的步骤步骤(3)或(6)中的烘干均为105～115℃下烘干1.5～2.5小时。
本发明的有益效果：
本发明采用凝胶类固相转化法，以硅铝凝胶为硅铝源，氢氧化钾为碱源，快速高效地合成了全钾W分子筛。该法极大地减少了合成体系水的用量，缩短了晶化时间，提高了原料利用率，优化了母液处理工艺，具有工艺简单，易于实现工业化，经济优势显著的特点。此外，本发明为固液双相转化机理，为快速合成分子筛提供了新出路。
上述有益效果具体体现在：
(1)长期以来，W分子筛常用水热法合成，此合成体系水的用量很大，会造成大量的水资源浪费和母液循环利用率较低。如若能减少水的用量，不仅可以解决水资源浪费和母液回收困难等问题，还可以降低反应釜内的自生压和对反应釜材质的要求。所以，本发明利用凝胶类固相转化法快速高效地合成了全钾W分子筛；相较于传统的水热液相合成工艺路线，本发明打破了传统水热法用水量太大的弊端，以痕量水为传质介质，使溶剂用量降低了7-8倍，减少了水资源浪费。
(2)水热法一般具有较短的诱导周期和较长的生长周期的特点，其合成周期一般为24-36h；固相法一般具有很长的诱导期和较短的晶体生长期的特点，其合成周期一般为32-48h；所以，单纯的水热液相法和固相法合成周期都很长，这会造成大量能源浪费。本发明综合了水热法诱导周期短和类固相法生长周期短的优点，首次将凝胶的温和性和固液双相转化法完美结合起来；相较于传统的水热液相合成工艺路线，本发明极大地缩短了分子筛的晶化时间，合成周期长缩短了2-4倍，如实施例4中晶化时间为6h,便可获得形貌均一、结晶良好的W分子筛；实施例1中晶化时间为12h，便可获得比表面积是天然斜发沸石的5-6倍的W分子筛。
(3)本发明用水量很少，几乎不存在合成母液的后处理等问题，具有工艺简单，原料利用率高，易于实现工业化，经济优势显著的特点。
附图说明
图1为实施例1的合成W分子筛的工艺流程图。
图2为实施例1中的硅铝干凝胶的SEM图。
图3为实施例1中的最终产物的SEM图。
图4为实施例2中的最终产品的SEM图。
图5为实施例3中的最终产品的SEM图。
图6为实施例4中的最终产品的SEM图。
图7为实施例5中的最终产品的SEM图。
具体实施方式
实施例1：具体操作如下
(1)凝胶制备：
将硅酸钠溶于水中，加热至45℃，搅拌均匀得A溶液；将硫酸铝溶于水中，加热至45℃，搅拌均匀得B溶液；趁热将A，B溶液混合，配制成凝胶液；
其中，质量比为硅酸钠：水＝1:2.5，硫酸铝：水＝1:2，摩尔比为硅酸钠：硫酸铝＝5:1；
(2)将(1)步中所得凝胶液进行过滤，并用去离子水对凝胶进行洗涤至无SO4 2-；(向最后一次洗涤液中滴加0.2mol/L BaCl2溶液3滴，若无白色沉淀产生，则凝胶已洗涤至无SO4 2-)
(3)将(2)步得到的产物在105℃下烘干2h，得到硅铝干凝胶，其形貌杂乱无章，为非晶态物质；所得滤液经蒸发结晶，得到Na2SO4晶体；
(4)将水、硅铝干凝胶、KOH混合后配制成反应浆液；
其中，质量比为KOH：硅铝干凝胶：水＝5.5:10:20；
(5)将(4)中所得浆液置于带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢晶化釜内，于温度为150℃下，反应12h；
(6)将(5)步得到的产品进行过滤后，于110℃下进行烘干2h即可得到W分子筛。
(7)将(6)步得到的产品进行改型：
称取0.5g分子筛，置于烧杯中，加入50mL 3mol/L的NH4C1溶液，在室温条件下机械搅拌3h后达到平衡，将固液相离心分离，对固相重复上述步骤3次，完成铵改型。接着，向铵改型后的分子筛中加入50mL饱和NaCI溶液，在100℃下搅拌2h后，将固液相离心分离，对固相重复上述步骤3次，完成钠改型。
(8)将(7)步得到的钠改型后的分子筛进行模拟海水中的钾离子交换容量：
准确称取0.5g的钠改型后的分子筛，置于烧杯中，加入100ml模拟海水，在室温下机械搅拌40min后，将固液相离心分离，液相去测定钾离子的浓度，固相重新加入新的模拟海水，进行再次吸附，重复上述步骤3次，液相中钾离子浓度基本不变，即达到吸附平衡，从而得到分子筛的钾离子交换容量。
样品形貌如图3所示，为形貌均一、结晶良好的W分子筛，在人工模拟海水中的钾离子交换容量为51.216mg/g。通过BET法测得样品的比表面积为221.978m2/g，是天然斜发沸石的5-6倍。
实施例2：具体操作如下
(1)凝胶制备：
将硅酸钠溶于水中，加热至45℃，搅拌均匀得A溶液；将硫酸铝溶于水中，加热至45℃，搅拌均匀得B溶液；将A，B溶液混合，配制成凝胶液；
其中，质量比为硅酸钠：水＝1:2.5，硫酸铝：水＝1:2，摩尔比为硅酸钠：硫酸铝＝5:1；
(2)将(1)步中所得凝胶液进行过滤，并用去离子水进行洗涤至无SO4 2-；
(3)将(2)步得到的产物在105℃下烘干2h，得到硅铝干凝胶；所得滤液经蒸发结晶，得到Na2SO4晶体；
(4)将水、硅铝干凝胶、KOH混合后配制成反应浆液；
其中，质量比为KOH：硅铝干凝胶：水＝6.5:10:20；
(5)将(4)中所得浆液置于带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢晶化釜内，于温度为150℃下，反应12h；
(6)将(5)步得到的产品进行过滤后，于110℃下进行烘干2h即可得到W分子筛。
(7)、(8)与实施例1相同。
样品形貌如图4所示，为形貌蓬松的花簇型W分子筛，在人工模拟海水中的钾离子交换容量为53.414mg/g。
实施例3：具体操作如下
(1)凝胶制备：
将硅酸钠溶于水中，加热至45℃，搅拌均匀得A溶液；将硫酸铝溶于水中，加热至45℃，搅拌均匀得B溶液；将A，B溶液混合，配制成凝胶液；
其中，质量比为硅酸钠：水＝1:2.5，硫酸铝：水＝1:2，摩尔比为硅酸钠：硫酸铝＝5:1；
(2)将(1)步中所得凝胶液进行过滤，并用去离子水进行洗涤至无SO4 2-；
(3)将(2)步得到的产物在105℃下烘干2h，得到硅铝干凝胶；所得滤液经蒸发结晶，得到Na2SO4晶体；
(4)将水、硅铝干凝胶、KOH混合后配制成反应浆液；
其中，质量比为KOH：硅铝干凝胶：水＝5.5:10:30；
(5)将(4)中所得浆液置于带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢晶化釜内，于温度为175℃下，反应12h；
(6)将(5)步得到的产品进行过滤后，于110℃下进行烘干2h即可得到W分子筛；
(7)、(8)与实施例1相同。
样品形貌如图5所示，为形貌均一、结晶良好的W分子筛，在人工模拟海水中的钾离子交换容量为51.604mg/g。
与例1相比，晶化温度的升高并没有产生很大的影响，主要是因为凝胶类固相法的温和型增加了体系对晶化温度的较强适应性。
实施例4：具体操作如下
(1)凝胶制备：
将硅酸钠溶于水中，加热至45℃，搅拌均匀得A溶液；将硫酸铝溶于水中，加热至45℃，搅拌均匀得B溶液；将A，B溶液混合，配制成凝胶液；
其中，质量比为硅酸钠：水＝1:2.5，硫酸铝：水＝1:2，摩尔比为硅酸钠：硫酸铝＝5:1；
(2)将(1)步中所得凝胶液进行过滤，并用去离子水进行洗涤至无SO4 2-；
(3)将(2)步得到的产物在105℃下烘干2h，得到硅铝干凝胶；所得滤液经蒸发结晶，得到Na2SO4晶体；
(4)将水、硅铝干凝胶、KOH混合后配制成反应浆液；
其中，质量比为KOH：硅铝干凝胶：水＝5.5:10:20；
(5)将(4)中所得浆液置于带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢晶化釜内，于温度为150℃下，反应6h；
(6)将(5)步得到的产品进行过滤后，于110℃下进行烘干2h即可得到W分子筛；
(7)、(8)与实施例1相同。
样品形貌如图6所示，为形貌均一、结晶良好的W分子筛，在人工模拟海水中的钾离子交换容量为46.012mg/g。说明在短的晶化时间内即可合成W分子筛，但此时相对结晶度经核算仅为23.2％。
实施例5：具体操作如下
(1)凝胶制备：
将硅酸钠溶于水中，加热至45℃，搅拌均匀得A溶液；将硫酸铝溶于水中，加热至45℃，搅拌均匀得B溶液；将A，B溶液混合，配制成凝胶液；
其中，质量比为硅酸钠：水＝1:2.5，硫酸铝：水＝1:2，摩尔比为硅酸钠：硫酸铝＝5:1；
(2)将(1)步中所得凝胶液进行过滤，并用去离子水进行洗涤至无SO4 2-；
(3)将(2)步得到的产物在105℃下烘干3h，得到硅铝干凝胶；所得滤液经蒸发结晶，得到Na2SO4晶体；
(4)将水、硅铝干凝胶、KOH混合后配制成反应浆液；
其中，质量比为KOH：硅铝干凝胶：水＝5.5:10:15；
(5)将(4)中所得浆液置于带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢晶化釜内，于温度为150℃下，反应18h；
(6)将(5)步得到的产品进行过滤后，于110℃下进行烘干2h即可得到W分子筛；
(7)、(8)与实施例1相同。
样品形貌如图7所示，为形貌均一、结晶良好的W分子筛，在人工模拟海水中的钾离子交换容量为52.305mg/g。
与例1相比，晶化时间的延长并没有产生很大的影响，主要是因为凝胶类固相法是水热法和固相法两种反应历程的集成，综合了二者的优点，极大地缩短了晶化时间。
综上所述，实施例1-5均能快速简单合成全钾W分子筛，较现有工艺，极大地缩短了合成周期，提高了原料利用率。综合W分子筛的形貌的特点和钾离子交换容量，以及合成工艺的节能环保的因素，其中以例1的样品最佳，此样品形貌均一，结晶度高，钾离子交换容量较高，合成周期较短，可以满足人们对优异W分子筛的需求。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (2)

1.一种凝胶类固相法快速合成全钾W分子筛的方法，其特征为该方法包括以下步骤：
（1）凝胶制备：
将硅酸钠溶于水中，40~50℃下搅拌后得A溶液；将硫酸铝溶于水中，40~50℃下搅拌后得B溶液；再趁热将A，B溶液混合，配制成凝胶液；
其中，质量比为硅酸钠：水=1: 2~4，硫酸铝：水=1: 2~4，摩尔比为硅酸钠：硫酸铝=4~8:1；
（2）将（1）步中所得凝胶液进行过滤，并用去离子水进行洗涤得到的凝胶至无SO4 2-；
（3）将（2）步得到的产物烘干，得到硅铝干凝胶；所得滤液经蒸发结晶，得到Na2SO4晶体；
（4）将水、硅铝干凝胶、KOH混合后配制成反应浆液；
其中，摩尔比为KOH：硅铝干凝胶：水 =4~6.5: 10: 10~30；
（5）将（4）中所得浆液置于带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢晶化釜内，于温度为100℃~175℃下，反应6~18h；
（6）将（5）得到的产品进行过滤后进行烘干，即可得到全钾W分子筛。
2.如权利要求1所述的凝胶类固相法快速合成全钾W分子筛的方法，其特征为所述的步骤（3）或（6）中的烘干均为105~115℃下烘干1.5~2.5小时。
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