无模板剂ZSM-5沸石分子筛的合成研究
ZSM-5沸石由于具有规整的孔道结构，好的热稳定性及较好的水热稳定性，广泛应用于催化材料和吸附材料。以ZSM-5沸石作为催化剂，以甲醇为原料合成汽油的科研成果曾经引起了世界同行的高度评价。此外作为催化剂，ZSM-5沸石在环己烯水合制环己醇方面也展现优良的性能，虽然转化率偏低，但环己醇的选择性达到99％以上，基本没有副产物。然而，ZSM-5沸石的传统合成方法要采用价格昂贵的有机模板剂(TPA+)来制得，成本高，需要高温焙烧脱除，脱除不完全容易造成孔道堵塞，同时造成环境污染。高温焙烧还容易引起沸石小颗粒烧结，不易分散。20世纪80年代Flanigen等报道了无模板剂法合成ZSM-5沸石以来，无模板剂法已经得到了工业化生产。无模板剂法合成ZSM-5沸石时需要严格控制合成液组成和合成条件，否则会产生杂晶或共生。小颗粒沸石晶体有很多优势，采用无模板剂法合成时条件的控制更重要。因此，无模板剂法合成ZSM-5沸石的研究仍然具有重要的学术价值和现实意义。 本文在无有机模板剂条件下采用不同合成方法合成ZSM-5沸石，研究其合成规律。考察了两步变温法中高温预晶化时间和低温晶化时间等因素的影响，研究了预晶化液添加法中预晶化液添加量和组成等对形成的沸石结构与晶型的影响，提出了分步加碱法合成ZSM-5沸石亚微米分散颗粒的新方法。对合成后得到的ZSM-5沸石分子筛做了各种结构性能的表征，并评价了环己烯水合反应性能。主要研究内容和结果如下: (1)变温两步法合成小颗粒ZSM-5沸石:主要研究了无模板剂转动条件下变温两步法中晶化温度、晶化时间以及高温预晶化时间等因素对合成ZSM-5沸石的影响。在无模板剂存在下，以硅酸钠为硅源采用简单的变温两步法，通过控制高温预晶化时间，在转动烘箱中成功合成了小颗粒ZSM-5沸石团聚体。高温预晶化(190℃)是为了加快反应液的成核，而低温晶化(150℃)是为了获得小的分子筛晶体。采用X射线衍射（XRD），扫描电镜(SEM)，NH3程序升温脱附(NH3-TPD)和N2吸附-脱附等技术对合成的ZSM-5沸石进行了表征。与一步法合成的微米级颗粒相比较，两步法合成的小颗粒团聚体ZSM-5沸石具有较高比表面积和相同酸量。得到的沸石的质子酸位占主要部分，路易斯酸位很少，也说明Al基本进入沸石骨架中。 (2)预晶化液添加法合成ZSM-5沸石:主要研究了旋转烘箱中无模板剂条件下预晶化液添加法中预晶化液添加量等因素对合成ZSM-5沸石的影响以及预晶化液和母液组成中Na2O∶SiO2比对ZSM-5沸石与MOR沸石转晶的影响。预晶化液由高温(190℃)短时间处理而得，系统研究了预晶化液处理时间和加入量对合成分子筛晶化速率及颗粒大小的影响。采用XRD、SEM、N2吸附-脱附和激光粒度分布(LLS)等分析方法对合成的ZSM-5沸石样品的物化性能进行了表征。研究表明，预晶化液的添加可以明显加快分子筛的晶化速率，预晶化液添加量为33.3 wt％时达到最大结晶度的合成时间由未添加时的48 h减少到24 h。添加预晶化液的母液在150℃晶化24 h时所得ZSM-5沸石分子筛团聚体的颗粒大小随着预晶化液加入量的增大而增大，由5.5μm增大到26.3μm。团聚体颗粒的比表面积比未添加预晶化液得到的分子筛(292 m2/g)有了不同程度的提高，如添加量为33.3wt％时为394 m2/g。对预晶化液添加法合成ZSM-5沸石分子筛团聚体颗粒的生长机理进行了讨论。 (3) ZSM-5与丝光沸石之间的可控转晶:在无模板剂存在下，由于合成ZSM-5沸石的操作范围变窄，晶体很容易发生转晶和共生。本文主要研究在无模板剂的条件下ZSM-5与丝光沸石之间的转晶规律，考察了高温预晶化液的Na2O∶SiO2比和预晶化时间以及低温晶化母液的Na2O∶SiO2比对于ZSM-5与丝光沸石之间转晶的影响。采用XRD和SEM对合成的产物进行了表征。研究发现，通过改变整体合成液的Na2O∶SiO2比，可以有效控制ZSM-5沸石与丝光沸石之间的转晶。当整体反应液的组成为100SiO2∶2.5Al2O3∶4000H2O时，Na2O∶SiO2=0.18是ZSM-5沸石和丝光沸石的一个分界线。通过调节母液的Na2O∶SiO2比，使Na2O∶SiO2＞0.18时，可以使高温预晶化过程中产生的MFI结构的晶体在低温晶化时向丝光沸石发生转晶;使Na2O∶SiO2＜0.18时，具有MFI和丝光沸石结构共生的晶体在低温晶化时向MFI结构的ZSM-5沸石发生转晶。ZSM-5与丝光沸石之间转晶的前提条件是高温预晶化所形成的晶体的结晶度不能太高(≤30％)。 (4)分步加碱法合成高分散亚微米ZSM-5沸石:报道了在无模板剂存在下，采用分步加碱法合成高分散亚微米ZSM-5沸石。采用XRD、SEM、N2吸附-脱附、固体NMR和粒度分布(DLS)等分析方法对合成的ZSM-5沸石样品的结构性能进行了表征。考察了碱加入量和双氧水加入量等对形成的沸石颗粒的影响。研究表明，采用两次加碱可以得到高分散亚微米ZSM-5沸石。该沸石颗粒大小主要集中在400-500 nm之间，具有较高的结晶度。比表面积达到396 m2/g。Al基本进入分子筛骨架。 (5)合成ZSM-5沸石环己烯水合催化反应性能研究:考察了自制纳米团簇ZSM-5催化剂与市售催化剂（CBV8014，Zeolyst和NH4-ZSM-5，上海石化研究院）的环己烯水合催化活性。将ZSM-5沸石经过不同后处理条件（酸处理和水热处理）后，考察了其环己烯水合反应的催化性能。研究发现质子酸量与催化活性有关。
无模板剂;沸石分子筛;两步法;亚微米;酸性表征
浙江大学
博士
工业催化
王正宝
2012
中文
TQ424.23
129
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）