CN102049285B - 一种多级孔结构分子筛催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种多级孔结构分子筛催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无机材料和催化剂领域,公开了一种多级孔结构分子筛,是ZSM-5型沸石分子筛催化剂,粒度在0.1~20μm之间,同时具有孔径为0.5~2nm的微孔结构和孔径为2~15nm的介孔结构,SiO2/Al2O3摩尔比为30~500;制备方法是以有机模板剂四丙基溴化铵、硅酸和铝盐为原料,把高分子聚合物聚苯胺直接加入分子筛原始溶液中,采用水热法合成ZSM-5分子筛,晶化后焙烧去除有机模板剂和聚苯胺。

Description

一种多级孔结构分子筛催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及无机材料和催化剂领域,具体为一种多级孔结构纳米分子筛催化剂及其制备方法。
背景技术
1972年美国Mobil公司的科学家Argauer与Landelt用四丙胺(Pr4NCl或Pr4NOH)做模板剂在Na2O:Al2O3:24.2SiO2:14.4Pr4OH:410H2O体系120℃下晶化得到“Pentasil”家族的第一个重要成员ZSM-5。由于ZSM-5型分子筛具有独特的微孔结构,特有的形状选择性,高硅铝比和和亲油疏水的特性,同时具有热稳定型和催化活性高的特点,所以ZSM-5分子筛成为目前最重要的分子筛催化材料之一,广泛应用于石油加工、煤化工与精细化工等催化领域。但由于微孔分子筛的孔径较小,使大分子催化反应受到了限制,越来越不能满足近年来精细化工反应的需要,因而,在很大程度上限制了微孔分子筛的工业应用。
目前工业上使用的ZSM-5分子筛大都是尺寸为几微米的大晶粒沸石,受其晶粒大、孔道狭长的限制,大分子在晶内扩散阻力较大,越来越不能满足近年来精细化工反应的需要。而制备多级孔结构的分子筛可以减小有机大分子的扩散阻力,提高扩散思虑,从而提高分子筛的催化性能,所以,制备多级孔结构的分子筛具有非常重要的意义。
为了克服反应物和产物的扩散限制,近年来对于多级孔结构的分子筛的研究引起了广泛关注。人们主要采用如下几种方法制备含有多级孔结构的ZSM-5分子筛。
专利CN 101723403A公开了一种介孔与微孔多级孔复合的ZSM-5沸石材料的制备方法,其特征是在分子筛的原始混合凝胶中加入多糖类化合物或其衍生物作为介孔造孔剂,在晶体生长过程中会包裹造孔剂,经过焙烧除去造孔剂后可制得含微有介孔的分子筛,其介孔范围在5~100nm,介孔较小,并且介孔的大小受造孔剂颗粒大小的限制。
专利CN 101269819A将SBA-15作为硅源将蔗糖填塞到介孔内,然后将SBA-15的孔壁转化为ZSM-5分子筛晶体结构。此方法虽然制得了含有有序介孔的分子筛,但是晶体内仍含有SBA-15,而且操作步骤比较繁琐。
专利CN 1596150A报道了一种将含有微孔的分子筛负载于含中孔的无机氧化物载体上,从而得到同时含有中孔和微孔的材料。此方法可以制得具有理想孔大小的分子筛,而且金属氧化物可以任选,扩大分子筛的催化领域,但是此方法工艺也较为复杂。
发明内容
本发明旨在提供一种具有介孔与微孔的多级孔结构分子筛催化剂。
本发明的另一目的是提供上述催化剂的制备方法。
为实现本发明目的,
(1)将硅酸、有机模板剂、氢氧化钠或氢氧化钾溶于水中,形成B液;将铝盐、聚苯胺和水混合,并将pH值调节为0~1,得到A液;
硅酸和铝盐分别折合为SiO2和Al2O3,反应体系中SiO2、Al2O3、氢氧化钠或氢氧化钾、有机模板剂的摩尔比为1∶0.01~0.5∶0.1~2.5∶0.1~5;SiO2与聚苯胺的用量比为1mol∶0.1~50g;
更优选的,反应体系中SiO2、Al2O3、氢氧化钠或氢氧化钾、有机模板剂的摩尔比为1∶0.01~0.05∶0.5~2.5∶0.1~5;SiO2与聚苯胺的用量比为1mol∶1~20g;
所述有机模板剂优选为正丁胺、乙二胺、四丙基溴化铵或四丙基氢氧化铵,所述铝盐优选为硫酸铝、氯化铝或铝酸钠;
更优选的,B液中硅酸的含量为0.5~2mol/L;所述A液中Al2O3的含量为0.05~0.2mol/L;可用60wt%~98wt%浓硫酸将A液pH值调整为0~1;
(2)在搅拌下将B液滴加到A液中,形成凝胶;所述A液和B液的体积比优选为1∶5~20;
搅拌1~5小时,并在20~100℃下陈化2~8小时后,在140~180℃下晶化1~100小时;
更优选的是,陈化温度为50~70℃,陈化时间为2~5小时;晶化温度为150~180℃,晶化时间为10~80小时;
(3)将晶化后的产物分离,取沉淀并洗涤至pH值为9~10,干燥后在400~700℃下焙烧2~6h除去有机模板剂和高分子聚合物聚苯胺,从而得到多级孔结构分子筛催化剂。
更优选的是,干燥的温度为100~120℃,焙烧温度为500~700℃,焙烧时间为3~5小时。
通过上述方法所制备得到的多级孔结构分子筛催化剂,是ZSM-5型沸石分子筛催化剂,同时具有微孔和介孔多级孔结构。其中分子筛的颗粒粒度在0.1~20μm之间,SiO2/Al2O3摩尔比为30~500;多级孔结构分子筛催化剂上微孔结构的孔径为0.5~2nm;介孔结构的孔径为2~15nm。
SiO2/Al2O3摩尔比优选范围为30~100,颗粒粒度微球粒度为1~10μm,介孔结构的孔径为2~10nm。该催化剂可用于苯和乙烯制备苯乙烯的工业生产中。
本发明提供的多级孔结构分子筛催化剂是一种高稳定性的用于大分子反应的催化剂,分子筛由小颗粒堆积而形成具有介孔的多级孔结构。以有机模板剂四丙基溴化铵、硅酸和铝盐为原料,把高分子聚合物聚苯胺直接加入分子筛原始溶液中,采用水热法合成ZSM-5分子筛;通过聚苯胺分子链上N-H与凝胶中Si-OH间发生氢键作用,由此与分子筛表面连接,晶化后焙烧去除有机模板剂和聚苯胺。
通过高分子聚合物作为第二模板剂的导向作用,可形成既具有微孔又具有介孔的多级孔结构的催化剂,克服了沸石分子筛微孔对其催化性能的限制;同时,介孔可增加催化剂的比表面积,获得催化反应高转化率。
具体实施方式
实施例1
(1)将硅酸7.80g(0.1mol)、氢氧化钠2.50g(0.0625mol)、四丙基溴化铵2.66g(0.01mol)和水100ml混合均匀成B液;将硫酸铝(Al2(SO4)3·18H2O)0.66g(1mmol)、90wt%浓硫酸1ml、聚苯胺0.4g和水10ml混合均匀成A液,pH值为0~1;
(2)在搅拌下将B液滴加到A液中,在常温下搅拌3h,使成均匀的凝胶;反应混合物加入合成反应釜内,在50℃下陈化4h,在150℃下晶化48h,使之在静态下晶化;
(3)晶化完全后,将产物离心分离,并用去离子水洗涤至pH为9~10,在110℃干燥,并在500℃焙烧3h除去四丙基溴化铵和聚苯胺,从而得到平均晶粒直径3μm,SiO2/Al2O3摩尔比为100的ZSM-5型多级孔结构分子筛催化剂A。其中介孔结构孔径为2~10nm,微孔结构的孔径为0.5~2nm。
实施例2
(1)将硅酸7.80g(0.1mol)、氢氧化钠2.50g(0.0625mol)、四丙基溴化铵2.66g(0.01mol)和水100ml混合均匀成A液,将硫酸铝1.32g(2mmol)、70wt%浓硫酸1.5ml、聚苯胺0.6g和水10ml混合均匀成A液,pH值为0~1;
(2)在搅拌下将B液滴加到A液中,在常温下搅拌3h,使成均匀的凝胶;反应混合物加入合成反应釜内,在60℃下陈化4h,在160℃下晶化48h,使之在静态下晶化;
(3)晶化完全后,将产物离心分离,并用去离子水洗涤至pH为9~10,在110℃干燥,并在500℃焙烧3h除去四丙基溴化铵和聚苯胺,从而得到平均晶粒直径2.5μm,SiO2/Al2O3摩尔比为50的ZSM-5型多级孔结构分子筛催化剂B。其中介孔结构孔径为2~10nm,微孔结构的孔径为0.5~2nm。
实施例3
(1)将硅酸7.80g(0.1mol)、氢氧化钠2.50g(0.0625mol)、四丙基溴化铵2.66g(0.01mol)和水100ml混合均匀成B液,将硫酸铝0.66g(1mmol)、95wt%浓硫酸1ml、聚苯胺0.5g和水10ml混合均匀成A液,pH值为0~1;
(2)在搅拌下将B液滴加到A液中,在常温下搅拌3h,使成均匀的凝胶;反应混合物加入合成反应釜内,在60℃下陈化3h,在170℃下晶化24h,使之在静态下晶化;
(3)晶化完全后,将产物离心分离,并用去离子水洗涤至pH为9~10,在110℃干燥,并在500℃焙烧4h除去四丙基溴化铵和聚苯胺,从而得到平均晶粒直径2.8μm,SiO2/Al2O3摩尔比为100的ZSM-5型多级孔结构分子筛催化剂C。其中介孔结构孔径为2~10nm,微孔结构的孔径为0.5~2nm。
实施例4
(1)将硅酸4.68g(0.06mol)、氢氧化钠2.50g(0.0625mol)、四丙基溴化铵2.66g(0.01mol)和水100ml混合均匀成B液,将硫酸铝0.66g(1mmol)、65wt%浓硫酸1.5ml、聚苯胺0.5g和水10ml混合均匀成A液,pH值为0~1;
(2)在搅拌下将B液滴加到A液中,在常温下搅拌3h,使成均匀的凝胶;反应混合物加入合成反应釜内,在50℃下陈化3h,在170℃下晶化12h,使之在静态下晶化;
(3)晶化完全后,将产物离心分离,并用去离子水洗涤至pH为9~10,在110℃干燥,并在500℃焙烧3h除去四丙基溴化铵和聚苯胺,从而得到平均晶粒直径2μm,SiO2/Al2O3摩尔比为60的ZSM-5型多级孔结构分子筛催化剂D。其中介孔结构孔径为2~10nm,微孔结构的孔径为0.5~2nm。
实施例5
(1)将硅酸2.34g(0.03mol)、氢氧化钠2.50g(0.0625mol)、四丙基溴化铵2.66g(0.01mol)和水100ml混合均匀成B液,将硫酸铝0.66g(1mmol)、80wt%浓硫酸1ml、聚苯胺0.5g和水10ml混合均匀成A液,pH值为0~1;
(2)在搅拌下将B液滴加到A液中,在常温下搅拌3h,使成均匀的凝胶;反应混合物加入合成反应釜内,在60℃下陈化3h,在170℃下晶化24h,使之在静态下晶化;
(3)晶化完全后,将产物离心分离,并用去离子水洗涤至pH为9~10,在110℃干燥,并在500℃焙烧3h除去四丙基溴化铵和聚苯胺,从而得到平均晶粒直径1.5μm,SiO2/Al2O3摩尔比为30的ZSM-5型多级孔结构分子筛催化剂E。其中介孔结构孔径为2~10nm,微孔结构的孔径为0.5~2nm。
实施例6
(1)将硅酸7.8g(0.1mol)、氢氧化钠2.50g(0.0625mol)、四丙基溴化铵2.66g(0.01mol)和水100ml混合均匀成B液;将硫酸铝0.66g(1mmol)、75wt%浓硫酸1.5ml、聚苯胺0.5g和水10ml混合均匀成A液,pH值为0~1;
(2)在搅拌下将B液滴加到A液中,在常温下搅拌3h,使成均匀的凝胶;反应混合物加入合成反应釜内,在60℃下陈化3h,在170℃下晶化72h,使之在静态下晶化;
(3)晶化完全后,将产物离心分离,并用去离子水洗涤至pH为9-10,在110℃干燥,并在500℃焙烧3h除去四丙基溴化铵和聚苯胺,从而得到平均晶粒直径2μm,SiO2/Al2O3摩尔比为100的ZSM-5型分子筛催化剂F。其中介孔结构孔径为2~10nm,微孔结构的孔径为0.5~2nm。
实施例7
将催化剂A~F,在固定窗反应评价装置上进行催化苯和乙烯反应制备乙苯活性和选择性考察。催化剂填装量为2.5g,重量空速为0.5小时-1,反应温度为350℃,反应压力为1MPa,苯和乙烯摩尔比为5。反应结果列于表1。
Figure BDA0000031544660000091
Figure BDA0000031544660000092
Figure BDA0000031544660000093
Figure BDA0000031544660000094
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多级孔结构分子筛催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将硅酸、有机模板剂、氢氧化钠或氢氧化钾溶于水中,形成B液;将铝盐、聚苯胺和水混合,并将pH值调节为0~1,得到A液;所述B液中硅酸的含量为0.5~2mol/L;所述A液中Al2O3的含量为0.05~0.2mol/L;
硅酸和铝盐分别折合为SiO2和Al2O3,反应体系中SiO2、Al2O3、氢氧化钠或氢氧化钾、有机模板剂的摩尔比为1∶0.01~0.5∶0.1~2.5∶0.1~5;SiO2与聚苯胺的用量比为1mol∶0.1~50g;
所述有机模板剂选自正丁胺、乙二胺、四丙基溴化铵或四丙基氢氧化铵,所述铝盐为硫酸铝、氯化铝或铝酸钠;
(2)在搅拌下将B液滴加到A液中,形成凝胶;搅拌1~5小时,并在20~100℃下陈化2~8小时后,在140~180℃下晶化1~100小时;所述A液和B液的体积比为1∶5~20;
(3)将晶化后的产物分离,取沉淀并洗涤至pH值为9~10,干燥后在400~700℃下焙烧2~6h除去有机模板剂和高分子聚合物聚苯胺,从而得到多级孔结构分子筛催化剂。
2.权利要求1所述多级孔结构分子筛催化剂的制备方法,其特征在于,反应体系中SiO2、Al2O3、氢氧化钠或氢氧化钾、有机模板剂的摩尔比为1∶0.01~0.05∶0.5~2.5∶0.1~5;SiO2与聚苯胺的用量比为1mol∶1~20g。
3.权利要求1所述多级孔结构分子筛催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述的陈化温度为50~70℃,陈化时间为2~5小时;
所述晶化温度为150~180℃,晶化时间为10~80小时。
4.权利要求1所述多级孔结构分子筛催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(3)所述干燥的温度为100~120℃,所述焙烧温度为500~700℃,焙烧时间为3~5小时。
5.权利要求1所述多级孔结构分子筛催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中用60wt%~98wt%浓硫酸将A液pH值调整为0~1。
6.一种多级孔结构分子筛催化剂,其特征在于,通过权利要求1~5任一项所述的方法制备,是ZSM-5型沸石分子筛催化剂,颗粒粒度为0.1~20μm,SiO2/Al2O3摩尔比为30~500;多级孔结构分子筛催化剂上具有微孔结构和介孔结构,微孔结构的孔径为0.5~2nm;介孔结构的孔径为2~15nm。
7.权利要求6所述多级孔结构分子筛催化剂,其特征在于,SiO2/Al2O3摩尔比为30~100,颗粒粒度微球粒度为1~10μm,介孔结构的孔径为2~10nm。
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