CN114835673B - 一种改性zsm-5制备三聚甲醛的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改性ZSM‑5分子筛应用于甲醛制备三聚甲醛的方法;包括如下步骤:将改性ZSM‑5分子筛与一定浓度的甲醛溶液混合,在一定压力和温度下,反应一定时间后,获得三聚甲醛;其中,改性ZSM‑5分子筛为金属M改性ZMS‑5分子筛,改性ZSM‑5分子筛具有MFI结构分子筛;其中,M金属为Ga或Ga与Al;通过改性ZSM‑5制备三聚甲醛的方法有效减少三聚甲醛合成过程中甲酸、甲醇、甲酸甲酯、甲缩醛等副产物的生成,提高甲醛转化三聚甲醛的转化率及三聚甲醛的选择性,并且防止由于甲酸含量高导致设备腐蚀等问题。

Description

一种改性ZSM-5制备三聚甲醛的方法
技术领域
本发明涉及三聚甲醛制备技术领域,尤其是涉及一种改性ZSM-5制备三聚甲醛的方法。
背景技术
三聚甲醛(1,3,5-Trioxane,TOX),又称1,3,5-三氧杂环己烷,熔点62℃,沸点115℃,自然条件下呈白色结晶,易溶于水,并与水形成共沸物。三聚甲醛的用途广泛,它不仅是生产聚甲醛(POM)的重要原料,也可制备无水甲醛及用作彩色照片中的稳定剂、烟薰剂、杀虫剂、成型材料、粘结剂、消毒剂、抗菌药等精细化工品的有机化工原料。
然而在三聚甲醛的合成过程普遍存在一系列的副反应,其中最重要的是甲醛的歧化反应(Cannizzaro),生成甲醇和甲酸。
反应产生的甲酸具有腐蚀性,甲酸含量增加会对设备产生腐蚀,影响设备的使用寿命。甲醇和甲酸在催化剂作用下进一步酯化生成甲酸甲酯。
甲醛也可能通过Tischenko反应一步生成甲酸甲酯。
催化剂对于三聚甲醛合成反应起着十分重要的作用,催化剂不仅可以影响反应的速率、三聚甲醛的选择性,还对三聚甲醛整个体系的酸性有着显著影响。目前合成三聚甲醛的催化剂主要有:硫酸、离子液体、阳离子交换树脂、杂多酸、分子筛等。
1942年美国Du Pont公司公开专利US230480阐述了用稀硫酸作为催化剂,在60-65%的甲醛水溶液中成功合成了三聚甲醛,随后硫酸作为催化剂催化甲醛合成三聚甲醛广泛运用于工业生产中。硫酸作为合成三聚甲醛的液体酸催化剂,由于其成本低廉、活性较高、操作方便且工艺路线成熟等优点被广泛应用于工业生产中,但是使用硫酸作为催化剂会产生大量甲酸、甲醇和甲酸甲酯等副产物,且会对设备造成严重的腐蚀。随着硫酸浓度的增加甲酸浓度也会增加,这会导致产物与催化剂分离困难,耗费巨大能量,所以寻找新的催化剂和催化体系有重要意义。
硫酸弊端显现,专利CN102020630A报道了一种使用双功能化离子液体作为催化剂合成三聚甲醛,酸性功能团的引入改善了离子液体的热稳定性和酸性。离子液体相比传统的硫酸作为催化剂的工艺,离子液体催化剂有着对三聚甲醛的选择性高、甲酸等副产物少、腐蚀性低、操作过程简单、可控性强等优点完全超过硫酸作为催化剂用于生产中,但由于其价格昂贵且与产物难分离等缺点还需寻求更廉价且活性高的催化剂。
专利CN106518837A报道了使用盐和杂多酸或液体酸作为合成三聚甲醛催化剂,杂多酸(HPA)是一种典型的超强固体酸,具有高的质子流动性,它们在酸催化反应中表现出优异的催化性能。杂多酸催化剂虽然具有可回收利用的巨大优势,但是由于酸性位点负载量低和传质阻力大等因素导致其催化活性较弱,通常需要较高的反应温度和较长的时间才能达到最佳转化率和最优选择性。专利CN105175389A报道了使用盐和液体酸作为催化剂,虽然显著降低了产物中甲酸的含量,但是作为液体催化剂仍然存在对设备腐蚀大,后续难分离等问题。
专利CN110467595A公开了一种无硫酸法合成三聚甲醛,使用固体酸树脂进行催化可以降低对于设备的腐蚀性,同时易与和产物分离,但是固体酸树脂也存在活性中心易脱落的问题、催化剂使用量高、对甲醛的浓度要求高等问题。
而ZSM-5分子筛是一种稳定的且酸性可调节的材料在国内已有广泛的用途,主要应用在柴油临氢降凝催化剂,固定床催化裂化催化剂,流动床催化裂化反应上,目前将其作为合成三聚甲醛催化剂的报道较少。Salehi P等人在文献“Silica sulfuric acid andsilica chloride as efficient regents for organic reactions”(Current OrganicChemistry,2006,10(17):2171-2189.)中介绍了分子筛作为催化剂催化甲醛合成三聚甲醛的优点。但是传统Al-ZSM-5对于合成三聚甲醛反应的副产物较多导致其三聚甲醛的选择性不高,相比于传统催化剂也并无明显优势,所以还需进一步研究。因此,目前急需一种价格低廉、原料易得,催化活性高且稳定,并且工艺操作简单、对三聚甲醛选择性高的催化剂。
因此,针对上述问题本发明急需提供一种改性ZSM-5制备三聚甲醛的方法。故采用Ga元素代替或掺杂Al元素合成Ga-ZSM-5或Ga/Al-ZSM-5分子筛对反应进行优化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性ZSM-5制备三聚甲醛的方法,通过改性ZSM-5制备三聚甲醛的方法的设计以解决常规Al-ZSM-5分子筛作为催化剂存在的三聚甲醛合成过程中,产生甲酸、甲酸甲酯、甲缩醛等副产物的量较高,导致三聚甲醛选择性、转化率较低等技术问题。
本发明提供的一种改性ZSM-5制备三聚甲醛的方法,包括如下步骤:
将改性ZSM-5分子筛与一定浓度的甲醛溶液混合,在一定压力和温度下,反应一定时间后,获得三聚甲醛;
其中,改性ZSM-5分子筛为金属M改性ZMS-5分子筛,改性ZSM-5分子筛为MFI结构分子筛;其中,M金属为Ga或Ga与Al。
优选地,改性ZSM-5分子筛的B酸量为0.05-0.3mmol/g;L酸量为0.01-0.08mmol/g;改性ZSM-5分子筛的B酸量与L酸量比值为2-12。
优选地,改性ZSM-5分子筛的脱附活化能E为53kJ/mol-66kJ/mol。
优选地,改性ZSM-5分子筛与甲醛溶液混合,在80-120℃下,0-0.2MPa,反应2-10h。
优选地,金属M为Ga,Ga和Si摩尔比为(1-13):100;
M为Ga和Al,Ga、Al和Si的摩尔比为(1-10):(1-7):100。
优选地,金属M为Ga,Ga和Si的摩尔比为5:100、3:100、2.5:100、2:100或1.6:100;
M为Ga和Al,Ga、Al和Si的摩尔比为1:1:50、3:1:100、5:1:100、7:1:100、10:1:100或1:3:100。
优选地,金属M改性ZSM-5分子筛的制备方法:
将金属M源、硅源和模板剂溶解于去离子水或碱性溶液中进行反应,将产物收集、洗涤、真空干燥后得到金属M改性ZSM催化剂。
优选地,金属M源为Ga源,Ga源为Ga(NO3)3·9H2O或Ga2(SO4)3·xH2O或GaCl3中的至少一种。
优选地,Al源为Al(NO3)3·9H2O、NaAlO2或Al2O3中的至少一种。
优选地,正硅酸乙酯(TEOS)或硅酸钠或水玻璃或硅藻土或硅凝胶中的至少一种。
模板剂为四丙基氢氧化铵(TPAOH)、四丙基溴化铵(TPABr)、正丁胺、三乙胺或六亚甲基亚胺或异丙醇或三乙醇胺中的至少一种。
本发明提供的一种改性ZSM-5制备三聚甲醛的方法与现有技术相比具有以下进步:
1、本发明采用Ga元素改性ZSM-5,其共价电子构型是ns3,易失去电子呈现+3价;Al3 +或Ga3+对Si4+的同晶取代导致了骨架的负过量电荷,这种骨架阴离子电荷由位于通道中的松散固定的阳离子补偿,与沸石骨架内键的半极性特性相反,如果间隙阳离子被质子交换,沸石就具有相当大的酸性;对于甲醛合成三聚甲醛反应,/>酸位点为催化活性位点,Lewis酸位点会导致歧化反应的发生,产生甲酸等副产物,从而降低三聚甲醛的选择性。
2、本发明提供的改性ZSM-5分子筛的制备方法,通过调变Ga和/或Al与Si的原子摩尔比例、晶化时间、晶化温度等因素得到一种具有特定的酸密度范围的分子筛:B酸量在0.05-0.3mmol/g之间,L酸量在0.01-0.19mmol/g之间,B酸量与L酸量比值为2-12,使催化剂具有稳定的转化率、较优的选择性及使用寿命,有效减少反应副产物,使三聚甲醛的选择性提高至98%以上。
3、甲醛合成三聚甲醛是酸催化反应,所以具有一定酸强度的催化剂是反应的重心;本发明合成的改性ZSM-5分子筛酸强度处于特定范围内,其催化剂的脱附活化能E范围处于53kJ/mol到66kJ/mol之间,在此范围内的催化剂活性较好。
4、本发明提供了改性ZSM-5制备三聚甲醛的方法,选用Ga元素或者Ga与Al元素搭配对ZSM-5分子筛进行改性,获得改性的ZMS-5分子筛,改性方法上,合成原料更加绿色安全,方法更加简便,也避免了碱的使用,使合成过程更加简便快捷,具有良好的工业化前景。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种改性ZSM-5制备三聚甲醛的方法,包括如下步骤:
将改性ZSM-5分子筛与一定浓度的甲醛溶液混合,在一定压力和温度下,反应一定时间后,获得三聚甲醛;
其中,改性ZSM-5分子筛为金属M改性ZMS-5分子筛,改性ZSM-5分子筛为MFI结构分子筛;其中,M金属为Ga或Ga与Al。
具体地,改性ZSM-5分子筛的B酸量为0.05-0.3mmol/g;L酸量为0.01-0.08mmol/g;改性ZSM-5分子筛的B酸量与L酸量比值为2-12。
具体地,改性ZSM-5分子筛的脱附活化能E为53kJ/mol-66kJ/mol。
具体地,改性ZSM-5分子筛与甲醛溶液混合,在80-120℃下,0-0.2MPa,反应2-10h。
具体地,金属M为Ga,Ga和Si摩尔比为(1-13):100;
M为Ga和Al,Ga、Al和Si的摩尔比为(1-10):(1-7):100。
具体地,金属M为Ga,Ga和Si的摩尔比为5:100、3:100、2.5:100、2:100或1.6:100;
M为Ga和Al,Ga、Al和Si的摩尔比为1:1:50、3:1:100、5:1:100、7:1:100、10:1:100或1:3:100。
具体地,金属M改性ZSM-5分子筛的制备方法:
将金属M源、硅源和模板剂溶解于去离子水或碱性溶液中进行反应,将产物收集、洗涤、真空干燥后得到金属M改性ZSM催化剂。
具体地,金属M源为Ga源,Ga源为Ga(NO3)3·xH2O或Ga2(SO4)3·xH2O或GaCl3中的至少一种。
具体地,Al源为Al(NO3)3·9H2O、NaAlO2或Al2O3中的至少一种。
具体地,硅源为正硅酸乙酯(TEOS)或硅酸钠或水玻璃或硅藻土或硅凝胶中的至少一种。
模板剂为四丙基氢氧化铵(TPAOH)、四丙基溴化铵(TPABr)、正丁胺、三乙胺或六亚甲基亚胺或异丙醇或三乙醇胺中的至少一种。
实施例一
1-Ga-ZSM-5催化剂制备:Ga和Si的摩尔比为5:100。
具体制备步骤包括:
S101)将正硅酸乙酯、四丙基氢氧化铵、水合硝酸镓和水按照摩尔比例为100:30:5:4500加入到水热反应釜中,并在170℃反应7天,获得白色固体;
S102)白色固体经过大量去离子水洗至接近中性,在80℃下真空干燥过夜,获得白色固体样品;白色固体样品置于马弗炉中以3℃/min的升温速率缓慢升至550℃,恒温6h去除模板剂制备得Ga-ZSM-5-50催化剂。
其中,1-Ga-ZSM-5催化剂的B酸量为0.253mmol/g,L酸量为0.086mmol/g;B酸量与L酸量的比值为2.94。
1-Ga-ZSM-5催化剂的脱附活化能E为64.5kJ/mol。
催化剂的脱附活化能E(酸强度表征手段)采用程序升温脱附(TPD)测试过程为,以正丙胺的总脱附量表征催化剂的酸密度:将70-90mg的待测样品放入U型的玻璃管中,对样品进行预处理:在He气氛(流量为30mL/min)下,从室温加热至150℃预处理1h,然后降至100℃通入5%NH3-95%He混合气(气体流量为30mL/min)开始吸附直至基线平稳,达到饱和后通入He气(气体流量为30mL/min)进行吹扫至基线平稳。开始程序升温并记录数据,升温速率分别为10K/min、15K/min、20K/min、25K/min,之后保温30min,测试结束。
催化剂的B酸量、L酸量表征手段采用德国布鲁克公司VERTEX 70V型傅立叶变换红外光谱仪,在扫描范围1000-1800cm-1进行测试。将重量为20mg的纯样品压成半径(R)为0.55cm自撑片。将自撑片在放在原位池中,在350℃下真空加热2h以除去水和杂质,然后将样品冷却至40℃并记录光谱,此时的光谱作为背景光谱。关闭原位池和泵系统之间的阀门后,逐步加入吡啶气体吸收1h。将吡啶在250℃脱附吡啶30min,冷却至40℃记录光谱,作为250℃下解吸吡啶的红外吸收光谱。
通过吡啶吸收红外测定分子筛上B酸位点和L酸位点浓度,其浓度计算公式如下:
CB=1.88IA(B)R2/W
CL=1.42IA(B)R2/W
表示B酸或L酸位点的浓度;IA(B,L)表示B酸或L酸位带的吸光度积分面积值;R表示催化剂半径,单位为cm;W表示自撑片的重量,单位为g。
催化剂用于三聚甲醛反应体系的具体步骤如下:
将3g的Ga-ZSM-5-50催化剂和100g甲醛水溶液入到反应器中,甲醛水溶液的浓度为67wt%,程序升温由80℃升至115℃下,反应2小时,获得三聚甲醛。1-Ga-ZSM-5改性ZSM-5合成三聚甲醛参数见表1。
实施例二
2-Ga-ZSM-5催化剂制备:制备过程同实施例一,区别在于:Ga源使用Ga2(SO4)3·xH2O;硅源使用水玻璃;模板剂使用三乙胺;Ga和Si的摩尔比为3:100;2-Ga-ZSM-5催化剂B酸量为0.237mmol/g,L酸量为0.056mmol/g;B酸量与L酸量的比值为4.23;2-Ga-ZSM-5催化剂脱附活化能E为63.3kJ/mol。
3-Ga-ZSM-5催化剂制备:制备过程同实施例一,区别在于:Ga源使用GaCl3;硅源使用硅藻土;模板剂使用异丙醇;Ga和Si的摩尔比为2.5:100;3-Ga-ZSM-5催化剂B酸量为0.224mmol/g,L酸量为0.041mmol/g;B酸量与L酸量的比值为5.46;3-Ga-ZSM-5催化剂脱附活化能E为59.8kJ/mol。
4-Ga-ZSM-5催化剂制备:制备过程同实施例一,区别在于:硅源使用硅凝胶;模板剂使用六亚甲基亚胺;Ga和Si的摩尔比为2:100;4-Ga-ZSM-5催化剂B酸量为0.194mmol/g,L酸量为0.032mmol/g;B酸量与L酸量的比值为6.06;4-Ga-ZSM-5催化剂脱附活化能E为62.3kJ/mol。
5-Ga-ZSM-5催化剂制备:制备过程同实施例一,区别在于:Ga源使用Ga2(SO4)3·xH2O;模板剂使用四丙基溴化铵;Ga和Si的摩尔比为1.6:100;5-Ga-ZSM-5催化剂B酸量为0.178mmol/g,L酸量为0.026mmol/g;B酸量与L酸量的比值为6.85;5-Ga-ZSM-5催化剂脱附活化能E为61.5kJ/mol。
6-Ga-ZSM-5催化剂制备:制备过程同实施例一,区别在于:Ga源使用GaCl3;模板剂使用六亚甲基亚胺;Ga和Si的摩尔比为1.4:100;6-Ga-ZSM-5催化剂B酸量为0.186mmol/g,L酸量为0.022mmol/g;B酸量与L酸量的比值为8.45;6-Ga-ZSM-5催化剂脱附活化能E为57.6kJ/mol。
分别采用3g的2-Ga-ZSM-5-20、3g的3-Ga-ZSM-5、3g的4-Ga-ZSM-5、3g的4-Ga-ZSM-5、3g的5-Ga-ZSM-5和3g的6-Ga-ZSM-5与100g甲醛水溶液(甲醛浓度为63-67%)反应,反应过程的反应温度和反应时间均与实施例一相同,Ga改性ZSM-5合成三聚甲醛参数见表1。
表1中的TOX为三聚甲醛;MF为甲酸甲酯;DMM为甲缩醛;HCOOH为甲酸;STYTOX为时空收率(活性),Selectivity TOX为对三聚甲醛的选择性,Selectivity MF为对甲酸甲酯的选择性,Selectivity DMM为对甲缩醛的选择性,Selectivity HCOOH为对甲酸的选择性。
在选定的Si和Ga摩尔比范围内,Ga改性的ZSM-5相比现有的Al-ZSM-5催化剂,具有较高的活性和选择性。Ga改性的ZSM-5不仅有较高的时空收率,5-Ga-ZSM-5和6-Ga-ZSM-5相比传统Al-ZSM-5催化剂对三聚甲醛的选择性由74%提高至98%,并且避免了其它很多副产物的产生。Ga改性的ZSM-5催化剂,活性高,副产物中HCOOH较少,酸性较低,对设备的腐蚀性较小。
Ga改性的ZSM-5,B酸量在0.05-0.3mmol/g之间,L酸量在0.01-0.10mmol/g之间,B酸量与L酸量比值为2-12,使催化剂具有稳定的转化率、较优的选择性及使用寿命,有效减少反应副产物,使三聚甲醛的选择性提高至97%以上。
实施例三
1-Ga-Al-ZSM-5催化剂制备:Ga、Al与Si的摩尔比为1:1:50。
具体步骤包括:
S201)将正硅酸乙酯、四丙基氢氧化铵、水合硝酸镓、水合硝酸铝和水按照摩尔比例为100:30:2:2:4500加入到水热反应釜中,并在160℃反应7天,获得白色固体;
S202)白色固体经过大量去离子水洗至pH接近中性,最后,白色固体在80℃下真空干燥过夜,获得白色固体样品。样品置于马弗炉中以3℃/min的升温速率缓慢升至550℃,恒温6h去除模板剂制备得1-Ga/Al-ZSM-5催化剂,其中,1-Ga/Al-ZSM-5催化剂的B酸量为0.205mmol/g,L酸量为0.019mmol/g之间;B酸量与L酸量比值为10.78;其中表示酸强度的1-Ga-Al-ZSM-5催化剂的脱附活化能E为65.6kJ/mol。
将3g的1-Ga/Al-ZSM-5催化剂和100g甲醛水溶液(甲醛浓度为63-67%)加入到反应器中,程序升温80℃升至115℃下,反应2小时,获得三聚甲醛。
1-Ga-Al-ZSM-5合成三聚甲醛参数见表2。
实施例四
2-Ga-Al-ZSM-5催化剂制备:制备过程同实施例三,区别在于Ga源使用Ga2(SO4)3·xH2O;硅源使用硅酸钠;Al源使用NaAlO2;模板剂使用水玻璃;Ga、Al与Si的摩尔比为3:1:50;2-Ga-Al-ZSM-5催化剂的B酸量为0.202mmol/g,L酸量为0.021mmol/g;B酸量与L酸量的比值为9.62;2-Ga-Al-ZSM-5催化剂脱附活化能E为64.8kJ/mol。
3-Ga-Al-ZSM-5催化剂制备:制备过程同实施例三,区别在于Ga源使用GaCl3;硅源使用硅藻土;Al源使用Al2O3;Ga、Al与Si的摩尔比为5:1:50;3-Ga-Al-ZSM-5催化剂的B酸量为0.206mmol/g,L酸量为0.036mmol/g;B酸量与L酸量的比值为5.72;3-Ga-Al-ZSM-5催化剂脱附活化能E为56.9kJ/mol。
4-Ga-Al-ZSM-5催化剂制备:制备过程同实施例三,区别在于Al源使用Al2O3硅源使用硅藻土;模板剂使用六亚甲基亚胺;Ga、Al与Si的摩尔比为7:1:50;4-Ga-Al-ZSM-5催化剂的B酸量为0.298mmol/g,L酸量为0.034mmol/g;B酸量与L酸量的比值为8.76;4-Ga-Al-ZSM-5催化剂脱附活化能E为55.7kJ/mol。
5-Ga-Al-ZSM-5催化剂制备:制备过程同实施例三,区别在于硅源使用水玻璃;模板剂使用三乙醇胺;Ga、Al与Si的摩尔比为10:1:50;5-Ga-Al-ZSM-5催化剂的B酸量为0.226mmol/g,L酸量为0.024mmol/g;B酸量与L酸量的比值为9.41;5-Ga-Al-ZSM-5催化剂脱附活化能E为62.9kJ/mol。
6-Ga-Al-ZSM-5催化剂制备:制备过程同实施例三,区别在于Ga源使用Ga2(SO4)3·xH2O;模板剂使用硅酸钠;Al源使用NaAlO2;Ga、Al与Si的摩尔比为1:3:50;6-Ga-Al-ZSM-5催化剂的B酸量为0.298mmol/g,L酸量为0.142mmol/g;B酸量与L酸量的比值为2.09;6-Ga-Al-ZSM-5催化剂脱附活化能E为63.2kJ/mol。
Ga/Al改性ZSM-5合成三聚甲醛参数见表2。
表2中,在选定的Si、Ga和Al摩尔比范围内,Ga、Al改性的ZSM-5相比现有的Al-ZSM-5催化剂,均具有较高的活性和选择性。1-Ga-Al-ZSM-5催化剂相比1-Al-ZSM-5催化剂,时空收率提高了近一倍,且选择性由74%提高至90%以上。相对比Al-ZSM-5具有较少的副产物,且酸性较低,对设备的腐蚀较小。
改性的ZSM-5的B酸量在0.05-0.3mmol/g之间,L酸量在0.01-0.10mmol/g之间,B酸量与L酸量比值为2-12,使催化剂具有稳定的转化率、较优的选择性及使用寿命,有效减少反应副产物,使三聚甲醛的选择性提高至97%以上。
对比例一
1-Al-ZSM-5催化剂制备:具体步骤包括:
S301)将正硅酸乙酯、四丙基氢氧化铵、水合硝酸铝和水按照摩尔比例为100:30:2:4500加入到水热反应釜中,并在170℃反应7天,获得白色固体;
S302)白色固体经过大量去离子水洗至中性,在80℃下真空干燥过夜,样品置于马弗炉中以3℃/min的升温速率缓慢升至550℃,恒温6h去除模板剂,制备得1-Al-ZSM-5催化剂;其中,B酸量为0.187mmol/g,L酸量为0.178mmol/g;B酸量与L酸量的比值为1.05;表示酸强度的催化剂的脱附活化能E为68.6kJ/mol。
将3g的3%-Al-ZSM-5催化剂制备和100g甲醛水溶液加入到反应器中,程序升温80℃升至115℃,反应2小时,获得三聚甲醛,参数见表1。
对比例二
B-ZSM-5催化剂制备:具体步骤包括:
S401)将正硅酸乙酯、四丙基氢氧化铵、硼酸和水按照摩尔比例为100:30:2:4500加入到水热反应釜中,并在160℃反应7天,获得白色固体;
S402)白色固体经过大量去离子水洗至中性,在80℃下真空干燥过夜,样品置于马弗炉中以3℃/min的升温速率缓慢升至550℃,恒温6h去除模板剂,制备得B-ZSM-5催化剂;其中,B酸量为0.006mmol/g,Lewis酸量为0.197mmol/g;B酸量与L酸量比值为0.03,表示酸强度的催化剂的脱附活化能E为39.8kJ/mol。
Ga/B-ZSM-5催化剂制备:Ga、B与Si的摩尔比为1:1:50。
具体步骤包括:
S501)将正硅酸乙酯、四丙基氢氧化铵、水合硝酸镓、硼酸和水按照摩尔比例为100:30:2:2:4500加入到水热反应釜中,并在160℃反应7天,获得白色固体;
S502)白色固体经过大量去离子水洗至pH接近中性,最后,白色固体在80℃下真空干燥过夜,样品置于马弗炉中以3℃/min的升温速率缓慢升至550℃,恒温6h去除模板剂制备得Ga/B-ZSM-5催化剂,其中,B酸量为0.083mmol/g,L酸量为0.130mmol/g,B酸量与L酸量比值为0.64;表示酸强度的催化剂的脱附活化能E为50.3kJ/mol。
B改性ZSM-5的,B酸量与L酸量比值为0.03,B/L比值低,相比Ga改性的ZSM-5,转化率和选择性均差,Ga/B改性ZSM-5的B/L比值为0.64,相比B改性ZSM-5,虽然稍有提高,但是,相比Ga改性的ZSM-5或Ga和Al改性的ZSM-5,性能较差。
Ga/B改性ZSM-5和B改性ZSM-5合成三聚甲醛参数见表3
表1 Ga改性ZSM-5合成三聚甲醛各参数
表1中的TOX为三聚甲醛;MF为甲酸甲酯;STYTOX为时空收率,Selectivity TOX为对三聚甲醛的选择性,Selectivity MF为对甲酸甲酯的选择性,Selectivity DMM为对甲缩醛的选择性,Selectivity HCOOH为对甲酸的选择性。在选定的Si和Ga摩尔比范围内,Ga改性的ZSM-5相比现有的Al-ZSM-5催化剂具有更低的脱附活化能,可降低副产物中甲酸的含量;Ga改性的ZSM-5相比现有的Al-ZSM-5催化剂更多的B酸量更少的L酸量,得到了一个较优的B/L酸值(B/L=6左右),使得Ga改性的ZSM-5不仅有较高的时空收率,且对三聚甲醛的选择性由74%提高至98%,并且避免了其它很多副产物的产生,对设备的腐蚀性较小。
表2 Ga/Al改性ZSM-5合成三聚甲醛各参数
表2中,在选定的Si、Ga和Al摩尔比范围内,Ga-Al-ZSM-5催化剂相比Al-ZSM-5催化剂脱附活化能更低,降低了副产物中甲酸的含量;1-Ga-Al-ZSM-5催化剂相比1-Al-ZSM-5催化剂,(其B/L值=10左右)时空收率提高了近一倍,且选择性由74%提高至94%以上。Ga-Al-ZSM-5催化剂相对比Al-ZSM-5具有较少的副产物,且酸性较低,对设备的腐蚀较小。
表3 Ga/B改性ZSM-5合成三聚甲醛各参数
表3中,在选定的Si、Ga、B摩尔比范围内,Ga-B-ZSM-5催化剂相比B-ZSM-5催化剂,虽然活性有所提高,但是由于B元素的局限性,其活性及选择性还是较低。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种改性ZSM-5制备三聚甲醛的方法,其特征在于:包括如下步骤:
将改性ZSM-5分子筛与67wt%的甲醛溶液混合,在80-120℃下,0-0.2MPa,反应2h,获得三聚甲醛;
其中,改性ZSM-5分子筛为金属M改性ZSM-5分子筛,改性ZSM-5分子筛为MFI结构分子筛;其中,M金属为Ga;
金属M改性ZSM-5分子筛的制备方法:
1)将正硅酸乙酯、四丙基氢氧化铵、水合硝酸镓和水按照摩尔比例为100:30:5:4500加入到水热反应釜中,并在170℃反应7天,获得白色固体;2)白色固体经过大量去离子水洗至接近中性,在80℃下真空干燥过夜,获得白色固体样品,白色固体样品置于马弗炉中以3℃/min的升温速率缓慢升至550℃,恒温6h去除模板剂,得到1-Ga-ZSM-5改性ZSM催化剂;
或步骤1)中的原料为水玻璃、三乙胺、Ga2(SO4)3·xH2O和水,Ga和Si的摩尔比为3:100,其余过程相同以制备得2-Ga-ZSM-5改性分子筛;
或步骤1)中的原料为硅凝胶、六亚甲基亚胺、水合硝酸镓和水,Ga和Si的摩尔比为2:100,其余过程相同以制备得4-Ga-ZSM-5改性分子筛;
或步骤1)中的原料为正硅酸乙酯、四丙基溴化铵、Ga2(SO4)3·xH2O和水,Ga和Si的摩尔比为1.6:100,其余过程相同以制备得5-Ga-ZSM-5改性分子筛。
2.一种改性ZSM-5制备三聚甲醛的方法,其特征在于:所述方法包括如下步骤:将改性ZSM-5分子筛与67wt%甲醛水溶液混合,在80-120℃下,0-0.2MPa,反应2h,获得三聚甲醛;
其中,改性ZSM-5分子筛为金属M改性ZSM-5分子筛,改性ZSM-5分子筛为MFI结构分子筛;其中,M金属为Ga和Al;
金属M改性ZSM-5分子筛的制备方法为:1)将正硅酸乙酯、四丙基氢氧化铵、水合硝酸镓、水合硝酸铝和水按照摩尔比例为100:30:2:2:4500加入到水热反应釜中,并在160℃反应7天,获得白色固体;2)白色固体经过大量去离子水洗至pH接近中性,最后,白色固体在80℃下真空干燥过夜,获得白色固体样品,样品置于马弗炉中以3℃/min的升温速率缓慢升至550℃,恒温6h去除模板剂制备得1-Ga/Al-ZSM-5改性分子筛;
或步骤1)中的原料为水玻璃、三乙醇胺、水合硝酸镓、水合硝酸铝和水,Ga、Al与Si的摩尔比为10:1:50,其余过程相同以制备得5-Ga/Al-ZSM-5改性分子筛;
或步骤1)中的原料为硅酸钠、四丙基氢氧化铵、Ga2(SO4)3·xH2O、NaAlO2和水,Ga、Al与Si的摩尔比为1:3:50,其余过程相同以制备得6-Ga/Al-ZSM-5改性分子筛。
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