CN111185227A - 一种催化燃烧挥发性有机物催化剂的低温合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种催化燃烧挥发性有机物催化剂的低温合成方法,属于环境保护和催化材料制备领域。本发明所述方法利用工业副产物纳米二氧化硅作为硅源,分别称取硅源、钛源、杂原子源、碱源、模板剂、矿化剂、晶种,混合研磨至均匀,转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中,在120‑140℃温度下进行晶化,产物经洗涤、过滤、烘干、焙烧后即得分级孔结构催化材料。本发明所述方法操作简便,反应温度较传统方法低,可实现双组分杂原子同时引入到催化材料骨架中,一步合成了具有较高催化活性的分级孔结构催化材料。本发明制备的催化材料可以用于催化燃烧低浓度的挥发性有机物,其中掺杂铁钛的催化材料活性最佳,挥发性有机物的降解率可达100%。

Description

一种催化燃烧挥发性有机物催化剂的低温合成方法
技术领域
本发明涉及一种催化燃烧挥发性有机物催化剂的低温合成方法,属于环境保护和催化材料制备领域。
背景技术
精细化工、石油化工、制药、橡胶等行业中排放的挥发性有机物(VOCs)是当前大气环境最典型的污染源。其种类极多,包括:苯系物、烯烃、醇类等。VOCs易污染环境,能与空气中的氮氧化物反应,形成光化学烟雾,严重危害人体健康,部分VOCs如苯系物具有强烈的致癌性,目前其带来的环境污染问题已引起政府及环保部门高度重视,因此寻求高效经济的苯系物排放控制技术十分重要。
对于VOCs的排放控制技术,可分为回收式技术(水喷淋处理、吸附技术、吸收技术、膜技术等)和销毁式技术(催化燃烧技术、等离子体技术、光催化技术、生物降解技术等),其中催化燃烧技术是将废气中的VOCs在催化剂的作用下低温燃烧分解为二氧化碳和水。该技术具有操作温度低、辅助材料费用低、去除效率高等优点,被认为是最具有前景的控制技术之一。该技术的核心是催化剂,目前主要为负载型催化剂,其活性组分分为贵金属和非贵金属两种。通常单组分非贵金属催化剂存在活性不佳等问题,因此多组分非贵金属催化剂的制备显得十分重要。
MFI型分子筛具有以下特点:均匀有序的微孔孔道结构,对分子有良好的筛分效应;较大的比表面积和孔体积,决定了其良好的吸附性能。但单一的孔道结构也在一定程度上限制了分子的传递,从而影响其催化性能,所以制备更大孔径和引入多级孔结构对提高分子筛的催化性能至关重要。另一方面,MFI型分子筛骨架中引入其他活性组分可进一步提升材料的催化活性。如将钛原子引入到ZSM-5骨架中,得到钛硅分子筛,其在烯烃环氧化、烷烃的部分氧化、醇类的氧化、苯酚以及苯的羟基化等反应中被广泛应用,另外也被用于对石化产品的氧化脱硫。合成钛硅分子筛催化材料的传统方法为水热合成法。一般由钛源和硅源材料制备得到溶胶,再与模板剂按特定比例充分混合,然后在水热釜中发生水解和晶化,将所得晶体进行水洗、过滤和烘干,该合成方法对试剂的纯度要求较高,若体系中存在少量的碱金属或碱土金属离子,会造成大量非骨架钛形成,同时也会阻碍钛原子进入沸石催化材料骨架,并且该方法存在制备工艺条件苛刻、有机模板剂价格昂贵等缺点,因此不利于工业化生产。钛硅分子筛催化材料以骨架钛为活性中心,相比于纯硅的ZSM-5,钛原子的引入可增强催化材料的催化性能,且骨架钛含量的多少影响着其性能的优劣,传统方法合成的硅钛比一般在50-100,因此高钛含量的钛硅催化材料的合成及其在催化中的应用也是研究热点之一。目前增加骨架钛的含量通常采用提高晶化温度或延长晶化时间,相关报道表明其晶化温度一般在180℃左右,晶化时间长达48小时,这种方法存在能耗大等问题;所以开发新的提高骨架钛含量的方法、降低晶化温度显得尤为重要。
四氯化硅是多晶硅生产中产生量最大的副产物,未经处理回收的四氯化硅是一种具有强腐蚀性的有毒有害液体,对安全和环境危害很大。近年来,我国多晶硅产量达万吨左右,副产物四氯化硅约为万吨。大量的四氯化硅的后处理问题已经成为制约多晶硅行业发展的瓶颈。利用四氯化硅生产高附加值的气相法白炭黑是处理四氯化硅的方法之一;此外,湿法磷酸生产过程中也会产生氟硅酸钠,其可进一步资源化得到白炭黑。白炭黑为纳米二氧化硅球形颗粒,其主要成分为非晶态的SiO2,其中SiO2质量分数可达99.6%,纯度高,化学稳定性好,分散性好,耐高温,广泛应用于高性能硅橡胶、强力胶黏剂、高级油漆涂料、光学特性材料、食品和化妆品等产品中,扩展其应用领域是广大研究者的研究重点之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:目前钛硅分子筛合成方法存在合成成本高、废液量大、操作复杂等问题。由于Ti-O键比Si-O键长长、键能大,造成钛比硅更难进入骨架,所以制备的钛硅分子筛钛含量较低(一般硅钛比为50-100);其中钛为钛硅分子筛的主要活性中心,其含量高低决定了其催化性能,尤其是其中骨架钛的含量起着关键作用。
本发明的目的在于提供一种催化燃烧挥发性有机物催化剂的低温合成方法,具体包括以下步骤:
(1)按硅源:钛源:杂原子源:碱源:模板剂:矿化剂摩尔比为1:0.03:0.03~0.1:0.2:0.9:1.3的比例分别称取硅源、钛源、杂原子源、碱源、模板剂、矿化剂、晶种混合后研磨10-15min,得到糊状物,晶种的加入量占糊状物质量的0.5%,所述硅源为纳米二氧化硅。
(2)将步骤(1)得到的糊状物转移至聚四氟乙烯反应釜中密封,在120-140℃反应24h后,冷却至室温。
(3)将步骤(2)中得到的产物用去离子水充分溶解,洗涤不溶物至中性后过滤,滤饼在50-60℃干燥12h。
(4)将步骤(3)得到的产物在450-550℃焙烧6h,即得分级孔结构的X-TS-1催化剂,即Fe-TS-1、Mn-TS-1、Cu-TS-1。
优选的,本发明所述钛源为氟钛酸铵,杂原子源为硝酸铁、氯化锰或者硝酸铜。
优选的,本发明所述模板剂为四丙基溴化铵。
优选的,本发明所述矿化剂为氟化铵。
优选的,本发明所述碱源为九水硅酸钠或者硅酸钠。
本发明所述硅源为多晶硅生产过程中的副产品纳米二氧化硅或者湿法磷酸生产过程中的副产品纳米二氧化硅,主要杂质为Fe2O3、CaO、ZnO、Cr2O3、SrO等金属氧化物,其中二氧化硅的质量百分含量大于等于99.6%。
本发明的原理:本发明采用固相合成方法,和传统合成方法相比,操作简便、产生废液量较少、产物收率高;而且合成温度降低至120-140℃,比普遍合成钛硅分子筛的温度低(一般合成温度为180℃),所用硅源为工业副产物,进一步节约能源,降低了成本。最终得到了较高硅钛比(硅钛比为33)的钛硅分子筛;从得到的催化剂X-TS-1角度,本发明通过一步法将过渡金属(铁、锰、铜)引入到钛硅分子筛的骨架,形成掺杂型钛硅分子筛,同时过渡金属的引入提高了骨架钛的含量,进一步提升了催化剂的催化性能。该方法区别于负载型分子筛,避免了负载时大量金属团聚在分子筛表面的问题。另一方面部分金属进入骨架会造成分子筛晶格畸变,使得表面富有大量缺陷,从而有利于提升分子筛的催化性能。从催化性能角度,引入过渡金属后,对于挥发性有机物的降解率可达到100%。
本发明的有益效果:
(1)本发明采用多晶硅或者湿法磷酸生产过程中副产物纳米二氧化硅作为催化材料制备过程中的硅源,降低催化材料的合成成本,并且扩展了上述两种工业副产物的高值资源化途径。
(2)本发明所述方法操作简单、安全,产物纯度高、产率高,反应温度低,减少能耗,节约成本,可实现双组分杂原子同时引入到催化材料骨架中,一步合成了具有较高催化活性的分级孔结构催化材料;所得到催化材料Fe-TS-1(Si/Fe=33)催化燃烧挥发性有机物苯乙烯活性最佳,转化率达100%。
(3)MFI材料目前普遍的是先合成载体,再负载过渡金属,本发明是一步法合成杂原子掺杂的MFI材料,且现有方法的合成温度较高为180摄氏度,本发明则只需要120摄氏度。
(4)本发明所述方法制备得到的催化剂钛含量高,一般硅钛比是100-50,本发明的硅钛比为33~10。
附图说明
图1是对比实施例1制备的钛硅催化材料TS-1的XRD图。
图2是对比实施例1制备的钛硅催化材料TS-1的UV图。
图3是对比实施例1制备的钛硅催化材料TS-1的氮气吸脱附图。
图4是实施例1、2、3制备的铁钛硅催化材料Fe-TS-1的XRD图。
图5是实施例1、2、3制备的铁钛硅催化材料Fe-TS-1的UV图。
图6是实施例4制备的锰钛硅催化材料Mn-TS-1的XRD图。
图7是实施例4制备的锰钛硅催化材料Mn-TS-1的UV图。
图8是实施例5制备的铜钛硅催化材料Cu-TS-1的XRD图。
图9是实施例5制备的铜钛硅催化材料Cu-TS-1的UV图。
图10是实施例1制备的铁钛硅催化材料Fe-TS-1催化燃烧苯乙烯的降解图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明,但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述铁钛硅催化材料Fe-TS-1的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)按照摩尔比为硅源:钛源:铁源:碱源:模板剂:矿化剂=1:0.03:0.03:0.2:0.9:1.3称取原材料,其中,硅源为纳米二氧化硅,钛源为氟钛酸铵,铁源为硝酸铁,碱源为九水硅酸钠,模板剂为四丙基溴化铵,矿化剂为氟化铵,硅的实际量为纳米二氧化硅中的硅和九水硅酸钠中的硅之和,分别称取0.036g纳米二氧化硅、1.315g九水硅酸钠、0.0637g氟钛酸铵、0.1215g硝酸铁、0.24g四丙基溴化铵、0.48g氟化铵、0.0129g晶种,一起置于研钵中,经过15min的研磨,使之混合均匀,得到糊状物。
(2)将步骤(1)得到的糊状物移入50m L反应釜中密封,120℃反应24h后,冷却至室温。
(3)将步骤(2)得到的产物用去离子水充分溶解,洗涤不溶物至中性后过滤,然后滤饼在60℃保温12h,产物干燥完全。
(4)将步骤(3)烘干后的产物在马弗炉中450℃焙烧6h,随炉冷却,即得铁钛硅催化材料Fe-TS-1。
本实施例制备得到的铁钛硅催化材料Fe-TS-1中Si/Ti=33,Si/Fe=33,经XRD分析,如图4所示,由图中可知制备得到的材料结构为典型的MFI结构,且在2θ=25.4°附近没有出现明显的峰,表明样品中没有骨架外的锐钛矿形成;且没有归属到属于铁氧化物的峰;经UV光谱分析,如图5所示,从图中可看出,在210nm附近出现了很强的骨架钛的吸收峰,表明制备得到的产品中绝大部分的钛原子进入了分子筛骨架中;在250nm附近出现了很强的骨架铁的吸收峰,表明部分铁原子进入到了骨架中。在300-350nm出现了宽峰,表明样品中存在大量非骨架铁。
本实施例中制备得到的铁钛分子筛催化材料用于苯乙烯催化氧化反应,反应条件为:Fe-TS-1催化剂200mg,40-60目,反应条件:苯乙烯浓度为20ppm,同时通入空气,总流速为250mL/min,反应空速为25000m3/h,反应温度为200-400℃,通过固定反应床实现该反应,并采取连续在线监测方式;如图10所示,当温度达到350℃时,苯乙烯降解率达到100%。引入过渡金属铁后,催化性能得到很大程度提升,相比于钛硅分子筛,降解率提高了70%左右。
实施例2
本实施例所述铁钛硅催化材料Fe-TS-1的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)按照摩尔比为硅源:钛源:铁源:碱源:模板剂:矿化剂=1:0.03:0.05:0.2:0.9:1.3称取原材料,其中,硅源为纳米二氧化硅,钛源为氟钛酸铵,铁源为硝酸铁,碱源为九水硅酸钠,模板剂为四丙基溴化铵,矿化剂为氟化铵,硅的实际量为纳米二氧化硅中的硅和九水硅酸钠中的硅之和,分别称取0.036g纳米二氧化硅、1.315g九水硅酸钠、0.0637g氟钛酸铵、0.2018g硝酸铁、0.24g四丙基溴化铵、0.48g氟化铵、0.0137g晶种,一起置于研钵中,经过15min的研磨,使之混合均匀,得到糊状物。
(2)将步骤(1)得到的糊状物移入50m L反应釜中密封,140℃反应24h后,冷却至室温。
(3)将步骤(2)得到的产物用去离子水充分溶解,洗涤不溶物至中性后过滤,然后滤饼在55℃保温12h,产物干燥完全。
(4)将步骤(3)烘干后的产物在马弗炉中550℃焙烧6h,随炉冷却,即得铁钛硅催化材料Fe-TS-1。
本实施例制备得到的铁钛硅催化材料Fe-TS-1中Si/Ti=33,Si/Fe=20,经XRD分析,如图4所示,由图中可知制备得到的材料结构为典型的MFI结构,且在2θ=25.4°附近没有出现明显的峰,表明样品中没有骨架外的锐钛矿形成;且没有归属到属于铁氧化物的峰。经UV光谱分析,如图5所示,从图中可看出,在210nm附近出现了很强的骨架钛的吸收峰,表明制备得到的产品中绝大部分的钛原子进入了分子筛骨架中;在300-350nm出现了宽峰,表明样品中存在大量非骨架铁。
实施例3
本实施例所述铁钛硅催化材料Fe-TS-1的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)按照摩尔比为硅源:钛源:铁源:碱源:模板剂:矿化剂=1:0.03:0.1:0.2:0.9:1.3称取原材料,其中,硅源为纳米二氧化硅,钛源为氟钛酸铵,铁源为硝酸铁,碱源为九水硅酸钠,模板剂为四丙基溴化铵,矿化剂为氟化铵,硅的实际量为纳米二氧化硅中的硅和九水硅酸钠中的硅之和,分别称取0.036g纳米二氧化硅、1.315g九水硅酸钠、0.0637g氟钛酸铵、0.4441g硝酸铁、0.24g四丙基溴化铵、0.48g氟化铵、0.0156g晶种,一起置于研钵中,经过15min的研磨,使之混合均匀,得到糊状物。
(2)将步骤(1)得到的糊状物移入50m L反应釜中密封,130℃反应24h后,冷却至室温。
(3)将步骤(2)得到的产物用去离子水充分溶解,洗涤不溶物至中性后过滤,然后滤饼在50℃保温12h,产物干燥完全。
(4)将步骤(3)烘干后的产物在马弗炉中550℃焙烧6h,随炉冷却,即得铁钛硅催化材料Fe-TS-1。
本实施例制备得到的铁钛硅催化材料Fe-TS-1中Si/Ti=33,Si/Fe=10,经XRD分析,如图4所示,由图中可知制备得到的材料结构为典型的MFI结构,且在2θ=25.4°附近没有出现明显的峰,表明样品中没有骨架外的锐钛矿形成;且没有归属到属于铁氧化物的峰。经UV光谱分析,如图5所示,从图中可看出,在230nm附近出现了很强的骨架钛的吸收峰,表明制备得到的产品中绝大部分的钛原子进入了分子筛骨架中;在300-350nm出现了宽峰,表明样品中存在大量非骨架铁。
实施例4
本实施例所述锰钛硅催化材料Mn-TS-1的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)按照摩尔比为硅源:钛源:锰源:碱源:模板剂:矿化剂=1:0.03:0.03:0.2:0.9:1.3称取原材料,其中,硅源为纳米二氧化硅,钛源为氟钛酸铵,锰源为氯化锰,碱源为九水硅酸钠,模板剂为四丙基溴化铵,矿化剂为氟化铵,硅的实际量为纳米二氧化硅中的硅和九水硅酸钠中的硅之和,分别称取0.036g纳米二氧化硅、1.315g九水硅酸钠、0.0637g氟钛酸铵、0.0594g氯化锰、0.24g四丙基溴化铵、0.48g氟化铵、0.0127g晶种,一起置于研钵中,经过15min的研磨,使之混合均匀,得到糊状物。
(2)将步骤(1)得到的糊状物移入50m L反应釜中密封,120℃反应24h后,冷却至室温。
(3)将步骤(2)得到的产物用去离子水充分溶解,洗涤不溶物至中性后过滤,然后滤饼在60℃保温12h,产物干燥完全。
(4)将步骤(3)烘干后的产物在马弗炉中450℃焙烧6h,随炉冷却,即得锰钛硅催化材料Mn-TS-1。
本实施例制备得到的锰钛硅催化材料Mn-TS-1中Si/Ti=33,Si/Mn=33,经XRD分析,如图6所示,由图中可知制备得到的材料结构为典型的MFI结构,且在2θ=25.4°附近没有出现明显的峰,表明样品中没有骨架外的锐钛矿形成;且没有归属到属于锰氧化物的峰。经UV光谱分析,如图7所示,从图中可看出,在250nm附近出现了较宽的吸收峰,表明制备得到的产品中大部分的钛原子以非骨架钛形式存在;在300-350nm出现了宽峰,表明样品中存在大量非骨架锰。
实施例5
本实施例所述铜钛硅催化材料Cu-TS-1的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)按照摩尔比为硅源:钛源:铜源:碱源:模板剂:矿化剂=1:0.03:0.03:0.2:0.9:1.3称取原材料,其中,硅源为纳米二氧化硅,钛源为氟钛酸铵,铜源为硝酸铜,碱源为九水硅酸钠,模板剂为四丙基溴化铵,矿化剂为氟化铵,硅的实际量为纳米二氧化硅中的硅和九水硅酸钠中的硅之和,分别称取0.036g纳米二氧化硅、1.315g九水硅酸钠、0.0637g氟钛酸铵、0.0726g硝酸铜、0.24g四丙基溴化铵、0.48g氟化铵、0.0127g晶种,一起置于研钵中,经过15min的研磨,使之混合均匀,得到糊状物。
(2)将步骤(1)得到的糊状物移入50m L反应釜中密封,120℃反应24h后,冷却至室温。
(3)将步骤(2)得到的产物用去离子水充分溶解,洗涤不溶物至中性后过滤,然后滤饼在60℃保温12h,产物干燥完全。
(4)将步骤(3)烘干后的产物在马弗炉中550℃焙烧6h,随炉冷却,即得铜钛硅催化材料Cu-TS-1。
本实施例制备得到的铜钛硅催化材料Cu-TS-1中Si/Ti=33,Si/Cu=33,经XRD分析,如图8所示,由图中可知制备得到的材料结构为典型的MFI结构,且在2θ=25.4°附近没有出现明显的峰,表明样品中没有骨架外的锐钛矿形成;且没有归属到属于铜氧化物的峰。经UV光谱分析,如图9所示,从图中可看出,在250nm附近出现了很强的骨架钛的吸收峰,表明制备得到的产品中绝大部分的钛原子进入了分子筛骨架中;在300-350nm出现了宽峰,表明样品中存在大量非骨架铜。
对比实施例1
本实施例所述钛硅催化材料TS-1的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)按照摩尔比为硅源:钛源:碱源:模板剂:矿化剂=1:0.03:0.2:0.9:1.3称取原材料,其中,硅源为纳米二氧化硅,钛源为氟钛酸铵,碱源为九水硅酸钠,模板剂为四丙基溴化铵,矿化剂为氟化铵,硅的实际量为纳米二氧化硅中的硅和九水硅酸钠中的硅之和,分别称取0.036g纳米二氧化硅、1.315g九水硅酸钠、0.0637g氟钛酸铵、0.24g四丙基溴化铵、0.48g氟化铵、0.0124g晶种,一起置于研钵中,经过15min的研磨,使之混合均匀,得到糊状物;
(2)将步骤(1)得到的糊状物移入50m L反应釜中密封,分别在120和140℃反应24h后,冷却至室温。
(3)将步骤(2)得到的产物用去离子水充分溶解,洗涤不溶物至中性后过滤,然后滤饼在60℃保温12h,产物干燥完全。
(4)将步骤(3)烘干后的产物在马弗炉中550℃焙烧6h,随炉冷却,即得钛硅分子筛催化材料。
本实施例制备得到的钛硅分子筛催化材料中Si/Ti=33,经XRD分析,如图1所示,由图中可知制备得到的材料结构为典型的MFI结构,且在2θ=25.4°附近没有出现明显的峰,表明样品中没有骨架外的锐钛矿形成;经UV光谱分析,如图2所示,从图中可看出,在210nm附近出现了骨架钛的吸收峰,但峰强偏低;在280nm附近出现了较宽的峰,表明制备得到的产品中部分的钛原子进入了MFI分子筛骨架中,大部分以非骨架钛的形式存在。经氮气吸脱附分析,如图3所示,从图中可以看出样品中既有微孔又有介孔结构,表明成功合成了具有分级孔结构的分子筛催化材料。
通过实施例1~5和对比实施例1的对比,引入了过渡金属的掺杂型钛硅分子筛,晶体结构均发生变化。引入杂原子后,结晶度下降,特征峰变宽,表明杂原子进入到了晶格中,引起了晶格畸变。骨架钛含量较钛硅分子筛增加,主要表现为骨架钛特征峰的峰强增加,表明杂原子的引入可以促进钛进入骨架,形成了更多的活性中心;得到的X-TS-1催化性能也得到大幅度提升,苯乙烯的降解率达到100%。

Claims (5)

1.一种催化燃烧挥发性有机物催化剂的低温合成方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
(1)按硅源:钛源:杂原子源:碱源:模板剂:矿化剂摩尔比为1:0.03:0.03~0.1:0.2:0.9:1.3的比例分别称取硅源、钛源、杂原子源、碱源、模板剂、矿化剂、晶种混合后研磨10-15min,得到糊状物;
(2)将步骤(1)得到的糊状物转移至聚四氟乙烯反应釜中密封,在120-140℃反应24h后,冷却至室温;
(3)将步骤(2)中得到的产物用去离子水充分溶解,洗涤不溶物至中性后过滤,滤饼在50-60℃干燥12h;
(4)将步骤(3)得到的产物在450-550℃焙烧6h,即得分级孔结构的X-TS-1催化剂。
2.根据权利要求1所述催化燃烧挥发性有机物催化剂的低温合成方法,其特征在于:所述钛源为氟钛酸铵,杂原子源为硝酸铁、氯化锰或者硝酸铜;晶种的加入量占糊状物质量的0.5%,所述硅源为纳米二氧化硅。
3.根据权利要求1所述催化燃烧挥发性有机物催化剂的低温合成方法,其特征在于:所述模板剂为四丙基溴化铵。
4.根据权利要求1所述催化燃烧挥发性有机物催化剂的低温合成方法,其特征在于:所述矿化剂为氟化铵。
5.根据权利要求1所述催化燃烧挥发性有机物催化剂的低温合成方法,其特征在于:所述碱源为九水硅酸钠或者硅酸钠。
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