CN109835910A - 一种载体硅胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种载体硅胶的制备方法,所述载体硅胶是以硅酸盐、无机酸为原料,制备过程为:以硅酸盐溶液为底液,加入无机酸溶液,调整溶液pH值;加入碱金属碳酸盐的乙醇水溶液;加入两种硝酸金属盐;加入无机酸的有机醇水溶液,调整溶液pH值;经水热反应、酸化、洗涤、干燥、活化后得到硅胶产品。该工艺在不影响硅胶的孔容的情况下,能够大幅度提高硅胶的比表面积,从而提高载体硅胶的基本物性;工艺制备操作简单,重复性好,能耗低,给工业装置生产提供了技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种载体硅胶的制备方法,具体涉及一种高比表面积载体硅胶的制备方法。
背景技术
硅胶具有特殊的孔结构和优良的热稳定性,已被用作吸附剂、干燥剂、色谱柱载体,更由于其高比表面积被广泛用于催化剂载体。目前,硅胶制备已有多种方法,最常见的是以硅酸盐与无机酸为原料,在一定pH值下反应形成凝胶,再经过老化、水洗、酸洗、干燥等工序等得到硅胶。
作为催化剂载体,硅胶在具备适宜的孔容、孔径及分布的情况下,高比表面积能够大幅提高催化剂活性。传统的方法制备载体硅胶时,为了获得高比表面积,更多是以牺牲孔容及孔径尺寸大小,因此,必须采用新的方法来满足催化剂用载体硅胶的制备工艺要求。
US.3959174专利公开了制备较大比表面积和孔容的SiO2方法。在制备过程中主要减少SiO2溶解度或溶剂化的助剂,使得SiO2在制备的水溶胶体系中,减少SiO2的溶解度而析出成水凝胶,然后经老化、水洗、干燥和焙烧制备SiO2。所说的助剂是氨、一元醇、二元醇、酮和盐。它们能降低水溶胶体系中的介电常数,从而使SiO2析出成凝胶。SiO2的物性指标:比表面积300m2/g~450m2/g,孔容为1.2cm3/g~2.8cm3/g。
US.5372983专利公开采用共沸蒸馏法制备SiO2。首先硅酸盐和稀硫酸反应制备水凝胶,经水洗除去杂质,然后加入C5~C6的醇,如戊醇、己醇或它们的混合物,通过共沸蒸馏,除去水凝胶孔中的水份,得到干凝胶。450℃~700℃焙烧制得产品SiO2。物性指标:孔容2.2cm3/g~2.5cm3/g,比表面积420m2/g~550m2/g,堆密度0.18g/cm3~2.5g/cm3。
US.5599762、5576262专利改进了其共沸蒸馏的方法。主要是发现一些合适的有机化合物,如醇醚、醇醚酯之类的化合物,其中包括:乙氧基醋酸乙酯、叔丁氧基丙醇、甲氧基醋酸丙酯、正丁氧基丙醇和乙氧基丙酸乙酯等。使用这些有机化合物进行工沸蒸馏,不仅经济有效,而且改善了聚乙烯催化剂的性能。改进共沸蒸馏技术,值得的载体SiO2和催化剂性能为:SiO2的比表面积520m2/g~530m2/g,孔容为2.4cm3/g~2.6cm3/g,产物熔融指数为6.5g/10min~6.5g/10min,催化剂活性7000PEg/gcat.h~8000PEg/gcat.h。
Phillips石油公司也公开了许多专利,US.3099457、3948806、4081407、4152503、4436883、4246139等,讨论了共沸蒸馏技术,试图解决从水凝胶中除去水份时,避免孔的收缩和塌陷问题。另外也尝试了有机溶剂置换除水的方法。
以上方法优势明显,缺点也存在。共沸蒸馏法,存在蒸馏除水时间长,溶剂昂贵,能耗大等问题;有机溶剂置换法,存在操作步骤繁琐,溶剂消耗量大,回收困难等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备载体硅胶的方法,硅胶的孔容及孔径大小适宜,比表面积得到大幅提高。
一种载体硅胶的制备方法,是以硅酸盐、无机酸为原料,制备过程:1)以硅酸盐溶液为底液,加入无机酸溶液,调整溶液pH值为10~12;2)加入碱金属碳酸盐的乙醇水溶液,乙醇与水的体积比为1~10;3)加入两种硝酸金属盐;4)加入无机酸的有机醇水溶液,有机醇与水的体积比为5~30,调整溶液pH值为9~10;5)在70~100℃水热反应;6)经酸化、洗涤、干燥、活化后得到硅胶产品。
具体的,本发明所述载体硅胶的制备方法是:
1)将30ml~60ml浓度为1.0~3.0mol/L硅酸盐水溶液加入反应釜内,在搅拌条件下升温至40℃~60℃,然后加入1.0~3.0mol/L无机酸水溶液,流速控制在3~6ml/min,调整溶液pH值为10~12,恒温反应0.5~1.0h;
2)加入质量分数为5%~8%的碱金属碳酸盐的乙醇水溶液5~15ml,乙醇与水的体积比为1:1~1:10,优选1:5~1:9;
3)加入质量分数为3%~5%的两种硝酸金属盐水溶液5~20ml,两种硝酸盐的摩尔比为1:1,流速控制在5~10ml/min,恒温反应1.0~1.5h;
4)加入1.0~3.0mol/L的无机酸的有机醇水溶液,流速控制在4~9ml/min,有机醇与水的体积比为1:5~1:30,优选1:10~1:20,调整溶液pH值为9~10,恒温反应1.0~2.5h;
5)在70~100℃条件下水热反应3.0~5.0h,反应结束后加入1.0~3.0mol/L的无机酸水溶液,调整溶液pH值为3~6;
6)反应体系降至常温,采用蒸馏水和/或蒸馏水与乙醇混合液洗涤,然后在300~335℃下干燥,再在惰性气体条件、400~600℃温度时活化3.0h~6.0h,制得载体硅胶。
本发明所述硅酸盐选自硅酸钠、硅酸钾、水玻璃中的一种或多种,优选水玻璃,浓度为1.0~1.5mol/L。
所述无机酸选自硫酸、盐酸、硝酸中的一种或多种,优选硫酸,浓度为0.8~1.3mol/L。
所述的碱金属碳酸盐选自碳酸钾、碳酸钠中的一种或多种,优选碳酸钠。
所述的硝酸金属盐选自硝酸镁、硝酸铝、硝酸镍、硝酸锰、硝酸钴、硝酸铬、硝酸铽、硝酸铈至少其中的两种混合,优选硝酸镁与硝酸铝的混合。
所述有机醇选自正丁醇、异丁醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、2-甲基-1-丁醇、2-甲基-2-丁醇、3-甲基-2-丁醇、3-甲基-1-丁醇、2,2-二甲基-1-丙醇至少其中的一种,优选正丁醇。
本发明采用溶胶-凝胶反应制备载体硅胶,溶胶结束后依次加入碳酸盐的乙醇水溶液及两种硝酸盐;凝胶反应时通过加入无机酸的有机醇水溶液调节pH值,通过高温水热反应完成硅胶的制备。其效果在于,一方面,硝酸盐与碱金属的碳酸盐反应生成水滑石,双层面的水滑石能够大幅度提高载体硅胶的比表面积,原因在于滑石受热时,层间不断脱除CO2和水,有序层状结构被破坏,表面积增加,孔容增加;另一方面,水滑石层板的羟基与硅胶的羟基可形成完美的键合,不会出现分层情况。过程中乙醇的加入是为了更好的析出水滑石,而有机醇的加入是为了改善硅胶的孔容及分布。该工艺在不影响硅胶的孔容的情况下,能够大幅度提高硅胶的比表面积,从而提高载体硅胶的基本物性;工艺制备操作简单,重复性好,能耗低,给工业装置生产提供了技术支撑。
具体实施方式
以下通过实施例进一步阐述和证明本发明所述的技术效果,但不应理解为是对本发明的限制。
实施方式中按照如下方法测试相关指标:
比表面积:气体吸附BET法测试,GB/T19587-2004。
孔容:BJH(Barrett-Joyner-Halenda)法测试,ISO 15901-2。
平均孔径d=4V/A,A是比表面积,V是孔容,d是孔径。
实施例1
将60ml浓度为1.2mol/L水玻璃水溶液加入反应釜内,打开搅拌,升温至50℃,以3ml/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸水溶液,溶液pH值为11时停止加入硫酸,恒温反应0.5h。加入质量分数为7%的碳酸钠乙醇水溶液10mL(乙醇与水体积比为1:6);以8ml/min流速加入质量分数为4%的硝酸镁和硝酸铝水溶液8mL(两种硝酸盐摩尔比为1:1),加入完毕后恒温反应1.0h。以6mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸正丁醇水溶液(正丁醇与水体积比为1:15),溶液pH值为9时停止加入硫酸正丁醇溶液,恒温反应2.0h。缓慢将反应体系升温至85℃,恒温反应5.0h。加入浓度为1.0mol/L硫酸水溶液,当溶液pH值为5时停止加入。撤去加热装置,缓慢冷却至室温,然后分别经蒸馏水、蒸馏水与乙醇混合液洗涤三次,然后在335℃下干燥,之后在惰性气体保护下,在600℃活化4小时得到载体硅胶产品。测试结果如表1所示。
实施例2
制备过程同实施例1,不同的是加入5%的碳酸钾乙醇水溶液10mL,乙醇与水的体积比为1:9;加入3%的硝酸镁和硝酸锌,两种硝酸盐摩尔比为1:1,其他条件与实施例1相同。测试结果如表1所示。
实施例3
制备过程同实施例1,不同的是加入8%的碳酸钠乙醇水溶液10mL,乙醇与水的体积比为1:5,其他条件与实施例1相同。测试结果如表1所示。
实施例4
制备过程同实施例1,不同的是以4mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸正丁醇水溶液,正丁醇与水体积比为1:10,其他条件与实施例1相同。测试结果如表1所示。
实施例5
制备过程同实施例1,不同的是将60ml浓度为1.2mol/L水玻璃水溶液加入反应釜内,打开搅拌,升温至50℃,以3ml/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸水溶液,溶液pH值为12时停止加入硫酸;以6mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸正丁醇水溶液(正丁醇与水体积比为1:20),溶液pH值为10时停止加入硫酸正丁醇溶液,恒温反应2h。其他条件与实施例1相同。测试结果如表1所示。
实施例6
制备过程同实施例1,不同的是缓慢将反应体系升温至70℃,恒温反应5h。快速加入浓度1.0mlo/L稀硫酸水溶液,当溶液pH值3时停止加入。其他条件与实施例1相同。测试结果如表1所示。
对比例1
将60ml浓度为1.2mol/L水玻璃水溶液加入反应釜内,打开搅拌,升温至50℃,以3ml/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸水溶液,溶液pH值为11时停止加入硫酸,恒温反应0.5h。以6mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸水溶液,溶液pH值为9时停止加入硫酸溶液,恒温反应2.0h。缓慢将反应体系升温至85℃,恒温反应5.0h。加入浓度为1.0mol/L硫酸水溶液,当溶液pH值为5时停止加入。撤去加热装置,缓慢冷却至室温,然后分别经蒸馏水、蒸馏水与乙醇混合液洗涤三次,然后在335℃下干燥,之后在惰性气体保护下,在600℃活化4小时得到载体硅胶产品。测试结果如表1所示。
对比例2
将60ml浓度为1.2mol/L水玻璃水溶液加入反应釜内,打开搅拌,升温至50℃,以3ml/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸水溶液,溶液pH值为11时停止加入硫酸,恒温反应0.5h。加入质量分数为7%的碳酸钠乙醇水溶液10mL(乙醇与水体积比为1:6);以8ml/min流速加入质量分数为4%的硝酸镁和硝酸铝水溶液8mL(两种硝酸盐摩尔比为1:1),加入完毕后恒温反应1.0h。以6mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸水溶液,溶液pH值为9时停止加入硫酸溶液,恒温反应2.0h。缓慢将反应体系升温至85℃,恒温反应5.0h。加入浓度为1.0mol/L硫酸水溶液,当溶液pH值为5时停止加入。撤去加热装置,缓慢冷却至室温,然后分别经蒸馏水、蒸馏水与乙醇混合液洗涤三次,然后在335℃下干燥,之后在惰性气体保护下,在600℃活化4小时得到载体硅胶产品。测试结果如表1所示。
对比例3
将60ml浓度为1.2mol/L水玻璃水溶液加入反应釜内,打开搅拌,升温至50℃,以3ml/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸水溶液,溶液pH值为11时停止加入硫酸,恒温反应0.5h。加入质量分数为7%的碳酸钠水溶液10mL;以8ml/min流速加入质量分数为4%的硝酸镁和硝酸铝水溶液8mL(两种硝酸盐摩尔比为1:1),加入完毕后恒温反应1.0h。以6mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸正丁醇水溶液(正丁醇与水体积比为1:15),溶液pH值为9时停止加入硫酸正丁醇溶液,恒温反应2.0h。缓慢将反应体系升温至85℃,恒温反应5.0h。加入浓度为1.0mol/L硫酸水溶液,当溶液pH值为5时停止加入。撤去加热装置,缓慢冷却至室温,然后分别经蒸馏水、蒸馏水与乙醇混合液洗涤三次,然后在335℃下干燥,之后在惰性气体保护下,在600℃活化4小时得到载体硅胶产品。测试结果如表1所示。
对比例4
将60ml浓度为1.2mol/L水玻璃水溶液加入反应釜内,打开搅拌,升温至50℃,以3ml/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸水溶液,溶液pH值为11时停止加入硫酸,恒温反应0.5h。加入质量分数为7%的碳酸钠水溶液10mL;以8ml/min流速加入质量分数为4%的硝酸镁和硝酸铝水溶液8mL(两种硝酸盐摩尔比为1:1),加入完毕后恒温反应1.0h。以6mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸水溶液,溶液pH值为9时停止加入硫酸水溶液,恒温反应2.0h。缓慢将反应体系升温至85℃,恒温反应5.0h。加入浓度为1.0mol/L硫酸水溶液,当溶液pH值为5时停止加入。撤去加热装置,缓慢冷却至室温,然后分别经蒸馏水、蒸馏水与乙醇混合液洗涤三次,然后在335℃下干燥,之后在惰性气体保护下,在600℃活化4小时得到载体硅胶产品。测试结果如表1所示。
表1载体硅胶物性测试结果
当然,本发明还可有其它多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种载体硅胶的制备方法,其特征在于,以硅酸盐、无机酸为原料,制备过程如下:1)以硅酸盐溶液为底液,加入无机酸溶液,调整溶液pH值为10~12;2)加入碱金属碳酸盐的乙醇水溶液,乙醇与水的体积比为1~10;3)加入两种硝酸金属盐;4)加入无机酸的有机醇水溶液,有机醇与水的体积比为5~30,调整溶液pH值为9~10;5)在70~100℃水热反应;6)经酸化、洗涤、干燥、活化后得到硅胶产品。
2.根据权利要求1所述的载体硅胶的制备方法,其特征在于,所述制备过程如下:1)将30ml~60ml浓度为1.0~3.0mol/L硅酸盐水溶液加入反应釜内,在搅拌条件下升温至40℃~60℃,然后加入1.0~3.0mol/L无机酸水溶液,流速控制在3~6ml/min,调整溶液pH值为10~12,恒温反应0.5~1.0h;
2)加入质量分数为5%~8%的碱金属碳酸盐的乙醇水溶液5~15ml,乙醇与水的体积比为1:1~1:10,优选1:5~1:9;
3)加入质量分数为3%~5%的两种硝酸金属盐水溶液5~20ml,两种硝酸盐的摩尔比为1:1,流速控制在5~10ml/min,恒温反应1.0~1.5h;
4)加入1.0~3.0mol/L的无机酸的有机醇水溶液,流速控制在4~9ml/min,有机醇与水的体积比为1:5~1:30,优选1:10~1:20,调整溶液pH值为9~10,恒温反应1.0~2.5h;
5)在70~100℃条件下水热反应3.0~5.0h,反应结束后加入1.0~3.0mol/L的无机酸水溶液,调整溶液pH值为3~6;
6)反应体系降至常温,采用蒸馏水和/或蒸馏水与乙醇混合液洗涤,然后在300~335℃下干燥,再在惰性气体条件、400~600℃温度时活化3.0h~6.0h,制得载体硅胶。
3.根据权利要求1或2所述的载体硅胶的制备方法,其特征在于,所述硅酸盐选自硅酸钠、硅酸钾、水玻璃中的一种或多种,优选水玻璃,浓度为1.0~1.5mol/L。
4.根据权利要求1或2所述的载体硅胶的制备方法,其特征在于,所述无机酸选自硫酸、盐酸、硝酸中的一种或多种,优选硫酸,浓度为0.8~1.3mol/L。
5.根据权利要求1或2所述的载体硅胶的制备方法,其特征在于,所述碱金属碳酸盐选自碳酸钾、碳酸钠中的一种或多种,优选碳酸钠。
6.根据权利要求1或2所述的载体硅胶的制备方法,其特征在于,所述硝酸金属盐选自硝酸镁、硝酸铝、硝酸镍、硝酸锰、硝酸钴、硝酸铬、硝酸铽、硝酸铈至少其中的两种混合,优选硝酸镁与硝酸铝的混合。
7.根据权利要求1或2所述的载体硅胶的制备方法,其特征在于,所述有机醇选自正丁醇、异丁醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、2-甲基-1-丁醇、2-甲基-2-丁醇、3-甲基-2-丁醇、3-甲基-1-丁醇、2,2-二甲基-1-丙醇至少其中的一种,优选正丁醇。
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