CN112174164B - 一种zsm-5分子筛及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用锂皂石直接合成ZSM‑5分子筛的方法，包括以下步骤：1）锂皂石粉末的润胀。2）将碱、铝源、模板剂、锂皂石以及补加硅按照一定的比例和顺序制备出混合凝胶置于具有聚四氟乙烯内衬的水热釜中晶化。3）将水热釜中的产物抽滤、干燥、煅烧、离子交换、二次煅烧得到ZSM‑5分子筛。本发明中的部分硅源由锂皂石提供，锂皂石无需经过焙烧、酸碱处理，且成周期较短，且本技术制备的分子筛与常规化学药品合成的分子筛相比在甲醇制烯烃的催化反应中具有更长的催化寿命，更高的烯烃选择性。
Description
技术领域
本发明涉及属于分子筛及其制备技术领域，具体涉及一种利用锂皂石为原料提供硅源直接合成的ZSM-5分子筛及其制备方法。
背景技术
轻质烯烃（例如乙烯和丙烯）作为石化行业最重要的原材料广泛用于人类生活的各个方面。甲醇制烯烃（MTO）反应通过甲醇作为中间体将含碳资源转化为轻质烯烃备受关注，在能源安全方面具有至关重要的意义。ZSM-5分子筛作为一种多孔催化材料，由于其独特的分子择形性能、优异的催化性能被广泛应用于MTO催化反应。ZSM-5沸石具有两种类型的通道，即平行于b轴的直通道（5.3×5.6Å）和平行与a轴的之字型孔道（5.1×5.5Å)， 这种独特的结构有利于提高反应物和产物的传质效率并延长催化寿命。目前，传统ZSM-5分子筛的合成主要使用昂贵的化学药品作为硅源，如二氧化硅、硅溶胶、正硅酸四乙酯。
目前以矿物为原料合成沸石分子筛的研究由于其价格低廉已成为沸石分子筛合成领域的热点。CN105731492A公开了一种以天然硅藻土为原料提供合成Fe-ZSM-5所需的全部硅源、铝源和铁源，在不添加有机模板剂的条件下，经常规水热法制备出含有骨架铁的ZSM-5分子筛。CN101723405A公布了一种以累拖石提供合成ZSM-5分子筛所需的全部铝源和部分硅源，在加入有机模板剂的条件下进行晶化反应，最终得到ZSM-5分子筛。CN103848439A公布了种以高岭土和硅藻土为原料，经过焙烧和酸碱处理后按照一定比例混合，于水热条件下进行晶化反应得到ZSM-5分子筛。上述方法中通常需要采用高温煅烧，酸碱活化处理矿物，原料的晶体结构被破坏，硅源利用率低，能耗较大。
锂皂石属于2：l型结构的层状硅酸盐，其结构是由两层硅氧四面体夹一层镁氧八面体构成，其中一部分镁被锂置换。锂皂石具有优越的凝胶性能、高比表面积、特殊的层状结构被广泛应用于日用化工、纳米材料、催化剂等领域。目前所报道的以矿物粘土为原料合成ZSM-5分子筛主要采用了高岭土、硅藻土、蒙脱土、膨润土等，尚未涉及到锂皂石。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种利用层状粘土直接合成ZSM-5分子筛的方法，锂皂石作为硅源无需经过酸碱处理或者高温焙烧，保持着锂皂石原有的晶体结构,真正做到了矿物类粘土直接合成沸石分子筛且锂皂石自身所含有的锂、镁等元素在掺杂到ZSM-5分子筛中从而提高了ZSM-5催化剂在甲醇制烯烃反应（MTO）中的催化性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供的利用锂皂石直接合成ZSM-5分子筛的方法，将锂皂石直接作为硅源，通过补充其他硅源、铝源、模板剂、碱、水等物料通过水热晶化制备得到ZSM-5分子筛。
本发明包括以下步骤：
（1）将锂皂石粉末用去离子水润湿、分散，放置一定时间制得锂皂石胶体；
（2）将碱源、铝源、模板剂混合，在室温或加热的条件下搅拌，将步骤（1）中的锂皂石胶体作为硅源加入继续搅拌得到混合溶液；
（3）向步骤（2）中的混合溶液中添加其他硅源继续搅拌1-24h得到初始凝胶；
（4）将步骤（3）中得到的初始凝胶转移到水热釜中在120～200 ºC的条件下水热晶化12h～100h,得到ZSM-5分子筛产物，将产物洗涤至中性、干燥得到ZSM-5原粉，将原粉置于马弗炉中400～700 ºC煅烧6～20 h得到除去模板剂的ZSM-5分子筛；
（5）将步骤（4）所得去除模板剂的ZSM-5分子筛与一定浓度的铵盐溶液进行离子交换，将所得产物洗涤、干燥后置于马弗炉中400～700 ºC煅烧6～20 h得到H-ZSM-5分子筛。
作为改进，锂皂石的分子式是Na0.7[(Si8Mg5.5Li0.4)O4(OH)20]。
作为改进，在所述步骤（1）中，将锂皂石粉末用去离子水润湿、分散，进行润胀，时间为2～14天，所得锂皂石胶体的浓度为2wt%～10wt%。
作为改进，硅源与铝源的摩尔比为200～25，硅源与模板剂的摩尔比为20～5，硅源与水的摩尔比为0.01～0.1，硅源与碱源的摩尔比为0～50。
作为改进，硅源为正硅酸四乙酯、气相二氧化硅及硅溶胶的一种或几种；铝源为氯化铝、异丙醇铝及铝酸钠中的一种或多种；模板剂为四丙基溴化铵、四丙基氢氧化铵的一种或两种；碱源为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种。
作为改进，在步骤（2）中，在20～60ºC的条件下，将碱源、铝源、模板剂搅拌1～5 h，锂皂石胶体作为硅源加入继续搅拌1～5 h。
作为改进，在加入水热釜前初始凝胶在室温或加热的条件下进行陈化，陈化时间为5～24 h。
作为改进，在加入水热釜前初始凝胶在20～60ºC的条件下进行陈化。
作为改进，在所述步骤（4）中，在将初始凝胶加入水热釜前，取出部分初始凝胶加入到微波反应器中，120～200℃、100～300W的条件下反应20～60min， 将产物和其余初始凝胶混合均匀后转移至水热釜中。
作为改进，在步骤（4）中，水热釜采用具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜。
作为改进，在步骤（5）中，去除模板剂的ZSM-5分子筛与0.5～2mol/L的铵盐溶液在60-90 ºC下离子交换2～9h。
本发明还提供一种根据上述任一制备方法制得的ZSM-5分子筛。
本发明的有益效果在于：（1）合成原料锂皂石无需酸碱处理或高温焙烧，经水润胀后便可直接作为硅源使用；（2）锂皂石自身所含有的锂、镁等元素在掺杂到ZSM-5分子筛中，碱金属离子的掺杂能提高ZSM-5催化剂的催化性能；（3）晶化过程中解聚的锂皂石可以原位转化为沸石前体，并充当晶种，晶种诱导的结晶可以减小晶体尺寸并缩短结晶时间；（4）丰富了ZSM-5分子筛的合成方法，缩短了合成时间，提高了合成效率，拓展了锂皂石的应用领域；（5）制备的ZSM-5分子筛形貌呈现片层状晶体组装的球状体，这种独特的结构有利于提升ZSM-5分子筛的催化性能，与常规化学药品合成的分子筛相比在甲醇制烯烃的催化反应中具有更长的催化寿命，更高的烯烃选择性。
附图说明
图1为实施例1-5的XRD图；
图2为实施例1制得的ZSM-5分子筛的SEM图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细说明。
实施例1
将1.2g氢氧化钠加入64g的水中充分溶解，加入0.56g铝酸钠室温磁力搅拌1h，取5.3g 四丙基溴化铵加入后继续搅拌1h, 最后加入14g质量分数为10%的锂皂石胶体搅拌3h得到混合物料，将30g正硅酸四乙酯加入混合物料中继续搅拌12h得到初始凝胶，初始凝胶在室温陈化10h, 再将初始凝胶转移至具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在水热条件下180ºC晶化36h,抽滤、洗涤至中性后干燥，将所得产物在马弗炉中550ºC煅烧6h,所得产物即为Na-ZSM-5分子筛,将Na-ZSM-5分子筛。 将上述样品在 NH4 NO3溶液( 1mol·L-1 )中连续离子交换 3 次，每次80 ℃交换2 h；最后，将产品抽滤、洗涤和烘干，马弗炉中550℃焙烧 6 h，得到H-ZSM-5分子筛。
实施例2
将1.2g氢氧化钠加入50g的水中充分溶解，加入0.28g铝酸钠室温磁力搅拌1h，取5.3g 四丙基溴化铵加入后继续搅拌1h，最后加入28g质量分数为8%的锂皂石胶体搅拌3h得到混合物料，将30g正硅酸四乙酯加入混合物料中继续搅拌12h得到初始凝胶，初始凝胶在室温陈化10h, 再将初始凝胶转移至具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在水热条件下180ºC晶化36h，抽滤、洗涤至中性后干燥，将所得产物在马弗炉中550ºC煅烧6h,所得产物即为Na-ZSM-5分子筛；将上述样品在 NH4 NO3溶液( 1mol·L-1 ) 中连续离子交换 3 次，每次在80 ℃交换2h；最后，将产品抽滤、洗涤和烘干，马弗炉中550 ℃焙烧 6h，得到H-ZSM-5分子筛。
实施例3
将1.2g氢氧化钠加入50g的水中充分溶解，加入0.28g铝酸钠室温磁力搅拌1h，取5.3g 四丙基溴化铵加入后继续搅拌1h，最后加入28g质量分数为8%的锂皂石胶体搅拌3h得到混合物料，将30g正硅酸四乙酯加入混合物料中继续搅拌12h得到初始凝胶，初始凝胶在室温陈化10h, 取25wt%初始凝胶加入到微波反应器中，在180℃、300W的条件下反应40min,将产物和其余初始凝胶混合均匀后转移至具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在水热条件下180ºC晶化14h，抽滤、洗涤至中性后干燥，将所得产物在马弗炉中550ºC煅烧6h，所得产物即为Na-ZSM-5分子筛；将上述样品在 NH4 NO3溶液( 1mol·L-1 ) 中连续离子交换 3次，每次在80 ℃交换2h；最后，将产品抽滤、洗涤和烘干，马弗炉中550 ℃焙烧 6h，得到H-ZSM-5分子筛。本实施例引入的微波方法能促进晶核的形成，缩短晶化时间，提升晶化效率。
实施例4
将1.2g氢氧化钠加入43g的水中充分溶解，加入0.7g异丙醇铝室温磁力搅拌1h，取5.3g 四丙基溴化铵加入后继续搅拌1h，再加入14g质量分数为8wt%的锂皂石凝胶搅拌3h得到混合物料，将30g质量分数为30%的硅溶胶加入混合物料中继续搅拌12h得到初始凝胶，初始凝胶在室温陈化10h, 再将初始凝胶转移至具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在水热条件下180ºC晶化36h，抽滤、洗涤至中性后干燥，将所得产物在马弗炉中550ºC煅烧6h，所得产物即为Na-ZSM-5分子筛； 将上述样品在NH4 NO3溶液( 1mol·L-1 ) 中连续离子交换 3 次，每次在80 ℃交换2h，最后，将产品抽滤、洗涤和烘干，马弗炉中550 ℃焙烧 6h，得到H-ZSM-5分子筛。
实施例5
将1.2g氢氧化钠加入28g的水中充分溶解，加入0.28g铝酸钠室温磁力搅拌1h，取20.4g 质量分数为25% 四丙基氢氧化铵加入后继续搅拌1h，再加入28g质量分数为8wt%的锂皂石凝胶搅拌3h得到混合物料，将30g 硅溶胶加入混合物料中继续搅拌12h得到初始凝胶，初始凝胶在室温陈化10h, 再将初始凝胶转移至具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在水热条件下180ºC晶化36h，抽滤、洗涤至中性后干燥，将所得产物在马弗炉中550ºC煅烧6h，所得产物即为Na-ZSM-5分子筛；将上述样品在NH4 NO3溶液( 1mol·L-1 ) 中连续离子交换 3 次，每次在80 ℃交换2h，最后，将产品抽滤、洗涤和烘干，马弗炉中550 ℃焙烧6h，得到H-ZSM-5分子筛。
图1为实施例1-5的XRD图。通过该图可以发现：实施例所制备的样品结晶度良好，有明显的ZSM-5分子筛的特征峰。证明实施例技术路线可以成功制备ZSM-5分子筛。
图2为实施例1得到 ZSM-5分子筛的SEM图，通过该图可以发现：实施例所制备的样品形貌呈现片层状晶体组装的球状体，这种独特的结构有利于提升ZSM-5分子筛的催化性能。本技术制备的分子筛与常规化学药品合成的分子筛相比在甲醇制烯烃的催化反应中具有更长的催化寿命，更高的烯烃选择性。
以上实例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是该实施例仅为本发明的具体实例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种ZSM-5分子筛的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将锂皂石粉末用去离子水润湿、分散，制得锂皂石胶体；
（2）将碱源、铝源、模板剂搅拌，将步骤（1）中的锂皂石胶体加入继续搅拌，得到混合溶液；
（3）向步骤（2）中的混合溶液中添加硅源继续搅拌1-24h，得到初始凝胶；
（4）将步骤（3）中得到的初始凝胶转移到水热釜中在120～200 ºC的条件下水热晶化12h～100h,得到ZSM-5分子筛产物；将产物洗涤至中性、干燥得到ZSM-5原粉，将原粉置于马弗炉中400～700 ºC煅烧6～20 h得到除去模板剂的ZSM-5分子筛；
（5）将步骤（4）所得的去除模板剂的ZSM-5分子筛与铵盐溶液进行离子交换，将所得产物洗涤、干燥后置于马弗炉中400～700 ºC煅烧6～20 h得到H-ZSM-5分子筛。
2.根据权利要求1 所述的ZSM-5分子筛的制备的方法，其特征在于：所述锂皂石的分子式是Na0.7[(Si8Mg5.5Li0.4)O4(OH)20]。
3.根据权利要求1 所述的ZSM-5分子筛的制备方法，其特征在于：在所述步骤（1）中，润湿、分散时间为2～14天；所述锂皂石胶体的浓度为2wt%～10wt%。
4.根据权利要求1 所述的ZSM-5分子筛的制备方法，其特征在于：所述硅源与铝源的摩尔比为200～25，硅源与模板剂的摩尔比为20～5，硅源与水的摩尔比为0.01～0.1，硅源与碱源的摩尔比为0～50。
5.根据权利要求1 所述的ZSM-5分子筛的制备方法，其特征在于：所述硅源为正硅酸四乙酯、气相二氧化硅及硅溶胶的一种或几种；所述铝源为氯化铝、异丙醇铝及铝酸钠中的一种或多种；所述模板剂为四丙基溴化铵、四丙基氢氧化铵的一种或两种；所述碱源为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种。
6.根据权利要求1 所述的ZSM-5分子筛的制备方法，其特征在于：在所述步骤（2）中，在20～60ºC的条件下，将碱源、铝源、模板剂搅拌1～5 h，锂皂石胶体加入后继续搅拌1～5 h。
7.根据权利要求1 所述的ZSM-5分子筛的制备方法，其特征在于：在所述步骤（4）中，在加入水热釜前初始凝胶在20～60ºC的条件下进行陈化，陈化时间为5～24 h。
8.根据权利要求1 所述的ZSM-5分子筛的制备方法，其特征在于：在所述步骤（4）中，在将初始凝胶加入水热釜前，取出部分初始凝胶加入到微波反应器中，在120～200℃、100～300W的条件下反应20～60min, 将产物和其余初始凝胶混合均匀后转移至水热釜中。
9.根据权利要求1所述的ZSM-5分子筛的制备方法，其特征在于：在所述步骤（5）中，去除模板剂的ZSM-5分子筛与0.5～2mol/L的铵盐溶液在60～90 ºC下离子交换2～9h。
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