CN113880107A - 一种zsm-5分子筛及其合成方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种ZSM‑5分子筛及其合成方法和应用,主要解决现有技术采用直接合成法得到的ZSM‑5分子筛晶体表面无大孔的问题。本发明ZSM‑5分子筛晶粒形貌为骰子状,晶粒外表面具有多个大孔,大孔孔口直径为100‑200nm。该骰子状ZSM‑5分子筛在合成过程包括:1)将水、碱、表面活性剂、烷烃、醇和硅源接触,得到混合物A;2)由混合物A制得二氧化硅小球;3)将二氧化硅小球和铝源混合,得到混合物B;4)混合物B通过处理得到骰子状ZSM‑5分子筛。本发明实现了合成的ZSM‑5分子筛晶体表面有大孔的目的。
Description
技术领域
本发明属于催化化学与化学工程的技术领域,尤其是涉及一种ZSM-5分子筛及其合成方法和应用。
背景技术
1972年,美孚公司首次合成具有三维双十元环孔道结构的ZSM-5分子筛,两套十元环孔道呈正交关系,其中直型十元环孔道平行于b轴,孔径为0.53×0.56nm,正弦型十元环孔道平行于a轴,孔径为0.51×0.53nm,其晶胞参数分别为a=2.017nm,b=1.966nm,c=1.343nm,它具有良好的水热稳定性能,在催化、吸附分离以及医药等多个领域广泛应用。
关于ZSM-5分子筛的合成报道比较多,如专利CN104860333A,CN103011194A,CN104445260A,但是常规方法直接合成的ZSM-5分子筛一般为微孔结构,不利于反应分子在分子筛晶体内部以及晶体之间的扩散传输。如果合成的分子筛具有介孔或者大孔,那么反应分子在分子筛晶体内部或者分子筛晶体之间的扩散速率必然加快,有利于提高反应过程的转化率。专利CN108328625A公开了一种中空ZSM-5分子筛的制备方法,先将表面活性剂、水、无机碱和铝源混合均匀,再滴加硅源,在70~90℃搅拌,再加入有机模板剂,再继续在70~90℃搅拌,然后水热晶化,焙烧,得到中空多级孔ZSM-5分子筛,然而该方法制备的分子筛表面不存在介孔或大孔,不利于反应分子由晶体内部扩散到晶体外部,也不利于反应分子在晶体之间的扩散。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中合成的ZSM-5分子筛为微孔结构或者分子筛表面无大孔的问题,针对性提供一种表面具有大孔结构的ZSM-5分子筛。
本发明另一目的在于提供一种为解决技术问题之一的ZSM-5分子筛的合成方法。
本发明的再一目的在于提供一种上述ZSM-5分子筛在苯和乙醇气相烷基化反应中的应用,乙醇的转化率明显提高,乙苯中二甲苯杂质含量少。
为解决上述技术问题之一,本发明第一方面提供一种ZSM-5分子筛,晶粒形貌为骰子状,晶粒外表面具有多个大孔,大孔孔口直径为100-300nm,优选为100-200nm。
上述技术方案,优选地,大孔为球形,相邻的大孔孔口中心距离为250-650nm,优选为250-500nm。
上述技术方案,优选地,ZSM-5分子筛的比表面积为350-700m2/g,优选为400-650m2/g,总孔容为0.5-2.0cm3/g,优选为0.7-1.5cm3/g,大孔孔容占总孔容60%-80%,优选为62%-75%。
上述技术方案,优选地,ZSM-5分子筛晶粒尺寸为0.8-5.0μm,优选为0.9-1.5μm,以质量比计,SiO2/Al2O3=25-260。
为解决上述技术问题之二,本发明第二方面提供了一种ZSM-5分子筛合成方法,包括如下步骤:
1)将水、碱、表面活性剂、烷烃、醇和硅源混合,得到混合物A;
2)由混合物A制得二氧化硅小球;
3)将二氧化硅小球和铝源混合,得到混合物B;
4)混合物B通过处理得到骰子状ZSM-5分子筛。
进一步,上述步骤1)中优选将水、碱、表面活性剂、烷烃和醇预先混合后在40-60℃保持2-8h,再加入硅源混合得到混合物A。
上述技术方案,步骤1)中所述碱优选为氨、尿素、哌啶中的一种或多种。所述表面活性剂优选为十八烷基二甲基苄基氯化铵、双十八烷基二甲基氯化铵、三十二烷基甲基氯化铵中的一种或多种。所述烷烃优选为环戊烷、正己烷、环己烷、环庚烷、环辛烷中的一种或多种。所述醇优选为环戊醇、正戊醇、环己醇、正己醇中的一种或多种。所述硅源优选为甲基三乙氧基硅烷、四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、四丙氧基硅烷中的一种或多种。所述铝源优选为硫酸铝、氯化铝、硝酸铝、氢氧化铝中的一种或多种。
上述技术方案,优选地,步骤1)中所述水、碱、表面活性剂、烷烃、醇和以SiO2计的硅源的质量比分别为,水:硅源=(30-60):1;碱:硅源=(0.5-2):1;表面活性剂:硅源=(0.5-2):1;烷烃:硅源=(30-60):1;醇:硅源=(2-5):1。
上述技术方案,优选地,步骤2)中所得到的二氧化硅小球为球形或类球形颗粒。由混合物A制得二氧化硅小球的过程为:将混合物A在密闭容器中搅拌,搅拌时间为2h-24h,搅拌温度为80-130℃。所制得的二氧化硅小球平均直径为200-300nm,比表面积为300-500m2/g。
上述技术方案,优选地,步骤3)中二氧化硅小球和铝源的质量比例为,二氧化硅小球(按SiO2计算)与铝源(按Al2O3计算)的质量比为25-260。
上述技术方案,优选地,在步骤4)所述的处理之前,混合物B经过干燥,干燥条件如下:干燥时间为10-24h,温度为80-150℃。
上述技术方案,优选地,步骤4)中所述的处理为:气固相转晶处理混合物B。所述气固相转晶处理为将混合物B在胺溶液存在下进行胺处理,处理时间为12-72h,温度为120-180℃。
上述技术方案,优选地,胺溶液为乙胺、丙胺、正丁胺水溶液中的一种或多种,胺溶液的质量浓度为30-80wt%,混合物B和胺溶液的质量比例为(0.2-1):1。
所述胺处理的处理过程为在一密闭容器中间放置多孔的隔板,隔板上面放置干燥后的混合物B,隔板下面放置胺溶液,混合物B和胺溶液不接触。
本发明第三方面提供一种苯和乙醇气相烷基化的方法,采用所述的ZSM-5分子筛或采用前述的合成方法所合成的ZSM-5分子筛。
上述技术方案,所述的苯和乙醇气相烷基化的方法为在反应温度为380-420℃,压力为1.0-2.0MPa,乙醇质量空速为10.0-15.0h-1,苯和乙醇摩尔比为4.0-5.5的条件下,苯和乙醇烷基化反应。
采用本发明合成的骰子状ZSM-5分子筛表面有大孔,在反应过程中有利于提高反应分子在分子筛晶体内部和晶体间的扩散速率,特别适用于苯和乙醇气相烷基化反应中,乙醇的转化率明显提高,在反应温度380-420℃,压力为1.0-2.0MPa,乙醇质量空速为10-15.0h-1,苯和乙醇摩尔比为4.0-5.5的条件下,乙醇转化率为99.5%-99.9%,乙苯产品中杂质二甲苯含量为400-800ppm。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的二氧化硅小球的SEM照片;
图2为本发明实施例1制备的骰子状ZSM-5分子筛的SEM照片;
图3为本发明实施例1制备的骰子状ZSM-5分子筛的XRD谱图;
图4为本发明对比例1制备的ZSM-5分子筛的SEM照片。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本发明中二氧化硅小球的直径以及骰子状ZSM-5分子筛的晶粒尺寸、大孔孔口直径和大孔平均距离均通过统计相应的SEM照片中至少100个数据后计算平均值得到;ZSM-5分子筛的SiO2/Al2O3质量比例通过ICP测试得到;ZSM-5分子筛的比表面积及孔容通过氮气吸脱附测试得到。
采用日立公司的Hitachi S-4800冷场发射高分辨率扫描电子显微镜获得SEM照片。
采用Kontron的Model S-35型ICP-AES分析仪进行ICP测试,以获得硅铝比数据。测试之前取50mg样品完全溶解在50g氢氟酸溶液里面。
采用日本BELSORP公司的BEL-MAX比表面及孔径分析仪在液氮温度下测试材料的氮气吸脱附等温线,比表面积采用BET(Brunauer-Emmett-Teller)方程计算。
【实施例1】
本实施例用于合成一种骰子状ZSM-5分子筛,具体合成过程如下:将1000克水,20克尿素,20克双十八烷基二甲基氯化铵,800克环戊烷和60克正己醇在50℃接触6h,再加入20克四丙氧基硅烷得到混合物A1,将混合物A1在密闭容器中于120℃搅拌12h,结束后经过分离、洗涤和烘干得到二氧化硅小球,二氧化硅小球的SEM照片如图1所示,其平均直径为250nm,通过氮气吸脱附测试其比表面积为380m2/g。
将6克二氧化硅小球和0.333克十八水硫酸铝混合均匀得到混合物B1。然后在一密闭容器中间放置多孔的隔板,隔板上面放置干燥后的5克混合物B1,隔板下面放置10克浓度为50wt.%的正丁胺溶液,混合物B1和正丁胺溶液不接触,将密闭容器在150℃处理24h,结束后经过洗涤、烘干、焙烧得到骰子状ZSM-5分子筛Z1,ICP测试其SiO2/Al2O3为117,ZSM-5分子筛的SEM照片如图2所示,晶粒尺寸平均为1.2μm,晶粒外表面有多个大孔,大孔孔口直径平均为150nm,大孔为球形,相邻的大孔中心距离为360nm。分子筛的XRD谱图如图3所示,出现了归属于ZSM-5分子筛的特征衍射峰,ZSM-5分子筛的比表面积为520m2/g,总孔容为1.2cm3/g,大孔孔容占总孔容65%。
【实施例2】
本实施例用于合成一种骰子状ZSM-5分子筛,具体合成过程如下:将700克水,30克哌啶,35克十八烷基二甲基苄基氯化铵,1200克正己烷和100克环戊醇在40℃接触8h,再加入20克甲基三乙氧基硅烷得到混合物A2,将混合物A2在密闭容器中于80℃搅拌20h,结束后经过分离、洗涤和烘干得到二氧化硅小球,二氧化硅小球的平均直径为220nm,通过氮气吸脱附测试其比表面积为490m2/g。
将6克二氧化硅小球和1.332克十八水硫酸铝混合均匀得到混合物B2。然后在一密闭容器中间放置多孔的隔板,隔板上面放置干燥后的5克混合物B2,隔板下面放置5克浓度为70wt.%的正丁胺溶液,混合物B2和正丁胺溶液不接触,将密闭容器在120℃处理68h,结束后经过洗涤、烘干、焙烧得到骰子状ZSM-5分子筛Z2,ICP测试其SiO2/Al2O3为29,ZSM-5分子筛晶粒尺寸平均为1.0μm,晶粒外表面有多个大孔,大孔孔口直径平均为110nm,大孔为球形,相邻的大孔中心距离为270nm,ZSM-5分子筛的比表面积为630m2/g,总孔容为1.4cm3/g,大孔孔容占总孔容70%。
【实施例3】
本实施例用于合成一种骰子状ZSM-5分子筛,具体合成过程如下:将1200克水,12克尿素,12克三十二烷基甲基氯化铵,700克环己烷和80克正己醇在60℃接触2h,再加入20克四乙氧基硅烷得到混合物A3,将混合物A3在密闭容器中于100℃搅拌8h,结束后经过分离、洗涤和烘干得到二氧化硅小球,二氧化硅小球直径平均为292nm,通过氮气吸脱附测试其比表面积为315m2/g。
将6克二氧化硅小球和0.1665克十八水硫酸铝混合均匀得到混合物B3。然后在一密闭容器中间放置多孔的隔板,隔板上面放置干燥后的5克混合物B3,隔板下面放置25克浓度为30wt.%的正丁胺溶液,混合物B3和正丁胺溶液不接触,将密闭容器在170℃处理48h,结束后经过洗涤、烘干、焙烧得到骰子状ZSM-5分子筛Z3,ICP测试其SiO2/Al2O3为235,晶粒尺寸平均为1.4μm,晶粒外表面有多个大孔,大孔孔口直径平均为190nm,大孔为球形,相邻的大孔中心距离为480nm,ZSM-5分子筛的比表面积为410m2/g,总孔容为0.8cm3/g,大孔孔容占总孔容75%。
【实施例4】
本实施例用于合成一种骰子状ZSM-5分子筛,具体合成过程如下:将1000克水,20克尿素,20克双十八烷基二甲基氯化铵,800克环戊烷和60克正己醇和20克四丙氧基硅烷得到混合物A4,将混合物A4在密闭容器中于120℃搅拌12h,结束后经过分离、洗涤和烘干得到二氧化硅小球,二氧化硅小球的直径平均为370nm,通过氮气吸脱附测试其比表面积为286m2/g。
将6克二氧化硅小球和0.333克十八水硫酸铝混合均匀得到混合物B4。然后在一密闭容器中间放置多孔的隔板,隔板上面放置干燥后的5克混合物B4,隔板下面放置10克浓度为50wt.%的正丁胺溶液,混合物B4和正丁胺溶液不接触,将密闭容器在150℃处理24h,结束后经过洗涤、烘干、焙烧得到骰子状ZSM-5分子筛Z4,ICP测试其SiO2/Al2O3为117,ZSM-5分子筛的晶粒尺寸平均为3.6μm,晶粒外表面有多个大孔,大孔孔口直径平均为250nm,大孔为球形,相邻的大孔中心距离为610nm,ZSM-5分子筛的比表面积为375m2/g,总孔容为0.5cm3/g,大孔孔容占总孔容60%。
【对比例1】
同实施例1相比较,将制得的二氧化硅小球替换为商业购买的硅粉(厂家:青岛硕远硅胶科技有限公司;型号:B300;粒径220-300nm),其余操作相同。
ZSM-5分子筛的合成过程如下:将6克硅粉和0.333克十八水硫酸铝混合均匀得到混合物B。然后在一密闭容器中间放置多孔的隔板,隔板上面放置干燥后的6.333克混合物B,隔板下面放置12.666克浓度为50wt.%的正丁胺溶液,混合物B和正丁胺溶液不接触,将密闭容器在150℃处理24h,结束后经过洗涤、烘干、焙烧得到ZSM-5分子筛D1,ICP测试其SiO2/Al2O3为117,ZSM-5分子筛的SEM照片如图4所示,平均晶粒尺寸为10μm,晶粒表面无大孔。
【实施例5】
将实施例1-4及对比例1制备的骰子状ZSM-5分子筛Z1-Z4以及D1分别应用到苯和乙醇气相烷基化反应中,在反应温度400℃,压力为1.5MPa,乙醇质量空速为12h-1,苯和乙醇摩尔比为5.0的条件下,测试乙醇转化率及乙苯产品中杂质二甲苯含量。测试结果见下表1。
表1苯和乙醇气相烷基化反应结果
序号 | 分子筛 | 乙醇转化率,% | 乙苯产品中杂质二甲苯含量,ppm |
1 | Z1 | 99.8 | 500 |
2 | Z2 | 99.9 | 420 |
3 | Z3 | 99.6 | 780 |
4 | Z4 | 99.1 | 920 |
5 | D1 | 96.0 | 1200 |
Claims (15)
1.一种ZSM-5分子筛,其特征在于,所述ZSM-5分子筛晶粒形貌为骰子状,晶粒外表面具有多个大孔,大孔孔口直径为100-300nm,优选为100-200nm。
2.根据权利要求1所述的ZSM-5分子筛,其特征在于,大孔为球形,相邻的大孔孔口中心距离为250-650nm,优选为250-500nm。
3.根据权利要求1所述的ZSM-5分子筛,其特征在于,所述ZSM-5分子筛的比表面积为350-700m2/g,优选为400-650m2/g,总孔容为0.5-2.0cm3/g,优选为0.7-1.5cm3/g,大孔孔容占总孔容60%-80%,优选为62%-75%。
4.根据权利要求1所述的ZSM-5分子筛,其特征在于所述ZSM-5分子筛晶粒尺寸为0.8-5.0μm,优选为0.9-1.5μm,以质量比计,SiO2/Al2O3=25-260。
5.一种ZSM-5分子筛的合成方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)将水、碱、表面活性剂、烷烃、醇和硅源接触,得到混合物A;
2)由混合物A制得二氧化硅小球;
3)将二氧化硅小球和铝源混合,得到混合物B;
4)混合物B通过处理得到骰子状ZSM-5分子筛。
6.根据权利要求5所述的ZSM-5分子筛的合成方法,其特征在于,所述步骤1)中将水、碱、表面活性剂、烷烃和醇预先混合后在40-60℃保持2-8h,再加入硅源接触得到混合物A。
7.根据权利要求5所述的ZSM-5分子筛的合成方法,其特征在于,步骤1)中所述碱为氨、尿素、哌啶中的一种或多种;所述表面活性剂为十八烷基二甲基苄基氯化铵、双十八烷基二甲基氯化铵、三十二烷基甲基氯化铵中的一种或多种;所述烷烃为环戊烷、正己烷、环己烷、环庚烷、环辛烷中的一种或多种;所述醇为环戊醇、正戊醇、环己醇、正己醇中的一种或多种;所述硅源为甲基三乙氧基硅烷、四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、四丙氧基硅烷中的一种或多种;所述铝源为硫酸铝、氯化铝、硝酸铝、氢氧化铝中的一种或多种。
8.根据权利要求5所述的ZSM-5分子筛的合成方法,其特征在于,步骤1)中所述水、碱、表面活性剂、烷烃、醇和以SiO2计的硅源质量比分别为,水:硅源=(30-60):1;碱:硅源=(0.5-2):1;表面活性剂:硅源=(0.5-2):1;烷烃:硅源=(30-60):1;醇:硅源=(2-5):1。
9.根据权利要求5所述的ZSM-5分子筛的合成方法,其特征在于,步骤2)中由混合物A制得二氧化硅小球的过程为:将混合物A在密闭容器中搅拌,搅拌时间为2h-24h,搅拌温度为80-130℃。
10.根据权利要求4所述的ZSM-5分子筛的合成方法,其特征在于,二氧化硅小球和铝源的质量比为25-260,其中二氧化硅小球以SiO2计算;铝源以Al2O3计算。
11.根据权利要求5所述的ZSM-5分子筛的合成方法,其特征在于,步骤4)中所述的处理为:气固相转晶处理混合物B。
12.根据权利要求11所述的ZSM-5分子筛的合成方法,其特征在于,所述气固相转晶处理混合物B为将混合物B在胺溶液存在下进行胺处理,处理的时间为12-72h,温度为120-180℃。
13.根据权利要求12所述的ZSM-5分子筛的合成方法,其特征在于,所述胺溶液为乙胺、丙胺、正丁胺水溶液中的一种或多种,胺溶液的质量浓度为30-80wt%,混合物B和胺溶液的质量比例为(0.2-1):1。
14.一种苯和乙醇气相烷基化的方法,其特征在于,采用权利要求1-4中任一所述的ZSM-5分子筛或采用权利要求5-13中任一所述的合成方法所合成的ZSM-5分子筛。
15.根据权利要求14所述的苯和乙醇气相烷基化的方法,其特征在于,在反应温度为380-420℃,压力为1.0-2.0MPa,乙醇质量空速为10.0-15.0h-1,苯和乙醇摩尔比为4.0-5.5的条件下,苯和乙醇烷基化反应。
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