CN115245838B - T分子筛快速合成方法及催化剂和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于分子筛绿色合成及其催化应用领域,具体涉及一种T分子筛快速合成方法及催化剂和应用。T分子筛快速合成方法包括:S1:将氢氧化钾、氢氧化钠和蒸馏水按一定比例混合,待完全溶解后,依次加入一定量的铝源和硅源,继续搅拌至溶液混合均匀;S2:加入适量T分子筛晶种后继续搅拌0.5h以上至混合均匀;S3:装入器皿并转移至紫外辐射条件下,在60‑120℃晶化1‑4d,晶化完成后固体经产物洗涤、干燥,获得T分子筛粉末。本发明在无有机模板剂的条件下,快速合成了T分子筛,成本更加低廉,晶化时间更短,操作步骤简单,符合当今节能环保的主题。
Description
技术领域
本发明属于分子筛绿色合成及其催化应用领域,具体涉及一种T分子筛快速合成方法及催化剂和应用。
背景技术
T型分子筛是菱钾沸石(OFF)和毛沸石(ERI)的共生物,平均孔径为0.36mm,属于小孔分子筛的一种。该类分子筛因孔道适中、热稳定性好而被广泛应用于离子交换、吸附分离以及工业催化等领域。文献报道,T分子筛可在有机模板剂(四甲基氢氧化铵,TMAOH)存在条件下,80℃水热晶化5d合成(Ind.Eng.Chem.Res.,2013,52:16364 16374.)。然而,该有机模板剂的使用会存在一系列问题:(1)模板剂成本高,增加分子筛的合成成本;(2)TMAOH具有一定毒性,增加分子筛合成的难度;(3)合成中会产生有机废气、有机含盐废水等环境污染;(4)为得到开发骨架结构,通常需采用焙烧法脱除有机模板剂,而高温焙烧不仅需要能耗高,且会带来气体污染等问题。因此开发环境友好、成本低廉的绿色合成方法对T分子筛合成具有重要意义。
有研究报道,T分子筛可通过调控原料组成在无有机模板条件下合成,然而该方法不仅需要老化处理24h,同时晶化时间也高达7d以上(Powder Technol.,2011,206:345352)。研究发现,采用含F-体系可在150℃水热晶化6h合成T分子筛(J.Membrane Sci.,2014,456:107 116),然而F-的腐蚀性和挥发性限制了其工业应用。此外,有研究也发现采用超声波预处理也可极大缩短T分子筛的合成时间,但是其结晶度明显下降(Ultrason.Sonochem.,2017,34:273 280),这对于T分子筛的稳定性不利,尤其是水热稳定性。研究表明,添加晶种可以缩短分子筛的成核时间,且羟基自由基可以加快硅铝酸盐凝胶的解聚和重新聚合,从而加速分子筛晶化。紫外辐射法是用于羟基自由基产生的一种常用物理方法。基于此,本发明结合晶种法和紫外辐射的特点实现了T分子筛的低成本、快速合成,并将制备的T分子筛用于NH3-SCR反应。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点,提供一种T分子筛快速合成方法及催化剂和应用。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种T分子筛快速合成方法,包括下述步骤:
S1:将氢氧化钾、氢氧化钠和蒸馏水按一定比例混合,待完全溶解后,依次加入一定量的铝源和硅源,继续搅拌至溶液混合均匀;
S2:加入适量T分子筛晶种后继续搅拌0.5h以上至混合均匀;
S3:装入器皿并转移至紫外辐射条件下,在60-120℃晶化1-4d,晶化完成后固体经产物洗涤、干燥,获得T分子筛粉末。
步骤S1中原料摩尔配比为SiO2:Al2O3:Na2O:K2O:H2O=1:(0.02-0.08):(0.1-0.5):(0.03-0.12):(10-40)。
步骤S2中晶种投加量以SiO2质量比计为0.5-5%。晶种采用下述方式制备:称取适量氢氧化钾和氢氧化钠溶于蒸馏水中,待完全溶解后,加入适量氢氧化铝,搅拌至全部溶解。称取适量硅溶胶,室温搅拌24h制备初始凝胶;然后将初始凝胶在120℃晶化9d,产物经过蒸馏水洗涤、干燥,获得晶种;原料摩尔比SiO2:Al2O3:Na2O:K2O:H2O=1:0.03:0.2:0.1:20。
步骤S3中所述紫外辐射的功率密度为20-100w/m2。
步骤S1中所所用铝源为铝粉、氢氧化铝或偏铝酸钠;所用硅源为硅酸钠、白炭黑或硅溶胶。
本发明还包括一种所述的合成方法得到的T分子筛。
本发明还包括一种催化剂,包括所述的T分子筛以及负载在所述的T分子筛上的活性金属。
活性金属为铁、铜中的一种或几种,其中活性金属含量为催化剂含量的0.5-5.0%。
所述的催化剂的采用离子交换或固相浸渍或固相研磨制备。
本发明还包括一种所述的催化剂的应用,应用于移动源、固定源的Urea-SCR、NH3-SCR、CH-SCR,用于消除尾气或烟气中氮氧化物。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明在凝胶中添加适量T分子筛晶种,并将制备的初始凝胶在紫外辐射作用下进行晶化。其中添加晶种可以加速分子筛成核,缩短老化时间;而晶化过程中,紫外辐射可促进羟基自由基的产生,从而促进Si-O-Si键等断裂及重组,从而加快分子筛的合成,缩短晶化时间。
本发明在无有机模板剂的条件下,能够快速合成了T分子筛,成本更加低廉,晶化时间更短,操作步骤简单,有利于其工业化应用。此外,其制备的Cu-T催化剂的脱硝性能与商用的Cu-SSZ-13基本相当,但考虑到Cu-T成本更加低廉,因此具有优异的应用前景。
附图说明
图1为实施例一、二、三的XRD图;
图2为实施例一SEM图;
图3为实施例四催化剂活性图;
图4为实施例八催化剂活性图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例一:一种T分子筛快速合成方法,其主要步骤如下:
步骤一:晶种制备。称取适量氢氧化钾和氢氧化钠溶于蒸馏水中,待完全溶解后,加入适量氢氧化铝,搅拌至全部溶解。称取适量硅溶胶,室温搅拌24h制备初始凝胶。然后将初始凝胶在120℃晶化9d,产物经过蒸馏水洗涤、干燥,获得晶种。原料摩尔比SiO2:Al2O3:Na2O:K2O:H2O=1:0.03:0.2:0.1:20。
步骤二:T分子筛快速合成。将适量氢氧化钾和氢氧化钠溶于蒸馏水中,待完全溶解后加入适量氢氧化铝,搅拌至全部溶解后,称取适量硅溶胶,搅拌约2h至混合均匀。加入5%的晶种,再次混合搅拌约0.5h至混合均匀,获得初始凝胶。SiO2:Al2O3:Na2O:K2O:H2O=1:0.08:0.3:0.12:20,将凝胶装入器皿,在紫外辐射(紫外功率密度为100w/m2)条件下,120℃条件下晶化1d。产物经过洗涤、干燥后获得T分子筛。
实施例二:一种T分子筛快速合成方法,基本步骤与实施例一相同,不同的是T分子筛快速合成的凝胶硅铝比为SiO2:Al2O3:Na2O:K2O:H2O=1:0.02:0.1:0.12:10,紫外功率密度为50w/m2,晶化温度为100℃,晶化时间为2d,经过洗涤、干燥后获得T分子筛。
实施例三:一种T分子筛快速合成方法,基本步骤与实施例一相同,不同的是T分子筛快速合成的凝胶硅铝比为SiO2:Al2O3:Na2O:K2O:H2O=1:0.05:0.5:0.03:40,紫外功率密度为20w/m2,晶化温度为60℃,晶化时间为4d,经过洗涤、干燥后获得T分子筛。
图1为实施例一、二、三的XRD图,图2为实施例一SEM图,结果表明,采用本申请的实施手段,可以不经过老化,晶化时间在1-4d内即可以得到T分子筛,相对于现有技术中的需要老化处理24h,同时晶化时间也高达7d以上,具有很大程度上的提高。
实施例四:一种催化剂的制备步骤如下:
步骤一:以实施例一所得的分子筛为载体,与硝酸铵按1g/100ml的比例混合,80℃下氨交换8h,洗涤过滤干燥,重复2-3次获得铵型分子筛。
步骤二:将所得的铵型分子筛按照1/100ml比例与硝酸铜或乙酸铜混合,80℃下交换1h,洗涤过滤干燥焙烧获得Cu基分子筛催化剂。
步骤三:所述模拟气体组成:NO为500ppm,NH3为500ppm,水蒸气体积分数10%,O2体积分数为10%,N2作为平衡气,总气体流量300ml/min。所述水热老化处理条件及气体组成:温度750℃,水蒸气体积分数10%,O2体积分数为20%,N2作为平衡气,总气体流量300ml/min。
步骤四:测试发现,当铜含量3.5wt%时,催化剂在160-550℃具有95%以上的脱硝活性;经过750℃水热老化16h,催化剂仅在180-450℃温度区间内,脱硝活性超过85%。图3为实施例四催化剂活性图。
实施例五:一种催化剂的制备步骤与实施例四相同,不同的是催化剂中铜含量为0.5-1.5wt%,催化剂在250-550℃具有90%以上的脱硝活性;经过750℃水热老化16h,催化剂仅在250-450℃温度区间内,脱硝活性超过80%。
实施例六:一种催化剂的制备步骤与实施例四相同,不同的是催化剂中铜含量为4.0-5.0wt%,催化剂在150-450℃具有90%以上的脱硝活性;经过750℃水热老化16h,催化剂仅在200-400℃温度区间内,脱硝活性超过80%。
实施例七:一种催化剂的制备步骤与实施例四相同,不同的是步骤二中为硝酸铁。测试发现,当铁含量约为2.5wt%时,催化剂在300-550℃具有85%以上脱硝活性;但是,铁基催化剂的低温(≤300℃)脱硝活性较差,且该催化剂经过750℃水热老化处理16h后,催化剂几乎完全失活。
实施例八:一种催化剂的制备步骤与实施例四相同,不同的是步骤二采用硝酸铁和硝酸铜分步离子交换处理。测试发现,当铁含量约为1.0wt%,铜含量为2.5wt%时,催化剂在160-600℃具有95%以上脱硝活性;经过750℃水热老化16h,催化剂仅在180-450℃温度区间内,脱硝活性超过90%。图4为实施例八催化剂活性图。
实施例九:一种T分子筛快速合成方法及其在NH3-SCR中应用,基本步骤与实施例四相同,不同的是步骤二采用硝酸铁和硝酸铜分步离子交换处理。测试发现,当铁含量约为0.5wt%,铜含量为2.0-3.0wt%时,催化剂在160-550℃具有95%以上脱硝活性;经过750℃水热老化16h,催化剂仅在180-450℃温度区间内,脱硝活性超过85%.
实施例十:一种T分子筛快速合成方法及其在NH3-SCR中应用,基本步骤与实施例四相同,不同的是步骤二采用硝酸铁和硝酸铜分步离子交换处理。测试发现,当铁含量约为1.5-2.0wt%,铜含量为1.0-2.0wt%时,催化剂在250-500℃具有95%以上脱硝活性;经过750℃水热老化16h,催化剂仅在250-450℃温度区间内,脱硝活性超过80%.
本发明在无有机模板剂的条件下,快速合成了T分子筛,成本更加低廉,晶化时间更短,操作步骤简单,符合当今节能环保的主题。此外,与商用的Cu-SSZ-13相比,该催化剂合成成本更低,操作更加方便,具有更好的普适性,有利于规模化生产和工业应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种催化剂的制备方法,其特征在于,包括下述步骤:
步骤一:以T分子筛为载体,与硝酸铵按1g/100ml的比例混合,80 ℃下氨交换8 h,洗涤过滤干燥,重复2-3次获得铵型分子筛;
步骤二:将所得的铵型分子筛按照1/100 ml比例与硝酸铁和硝酸铜混合,80℃下交换1h,洗涤过滤干燥焙烧获得分子筛催化剂;分子筛催化剂中铁含量为1.0 wt%,铜含量为2.5wt%;
其中,步骤一中的T分子筛采用下述方式制备:
1):晶种制备;称取适量氢氧化钾和氢氧化钠溶于蒸馏水中,待完全溶解后,加入适量氢氧化铝,搅拌至全部溶解;称取适量硅溶胶,室温搅拌24 h制备初始凝胶;然后将初始凝胶在120 ℃晶化9 d,产物经过蒸馏水洗涤、干燥,获得晶种;原料摩尔比SiO2: Al2O3:Na2O: K2O: H2O=1:0.03:0.2:0.1:20;
2):T分子筛快速合成;将适量氢氧化钾和氢氧化钠溶于蒸馏水中,待完全溶解后加入适量氢氧化铝,搅拌至全部溶解后,称取适量硅溶胶,搅拌约2 h至混合均匀;加入5%的晶种,再次混合搅拌约0.5 h至混合均匀,获得初始凝胶;各组分的质量比:SiO2: Al2O3:Na2O: K2O: H2O=1:0.08:0.3:0.12:20;将凝胶装入器皿,在紫外辐射条件下,紫外功率密度为100 w/m2,120 ℃条件下晶化1 d;产物经过洗涤、干燥后获得T分子筛。
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