一种直接合成氢型沸石的方法与流程

1.本发明涉及沸石催化剂材料制备领域，尤其涉及一种直接合成氢型沸石的方法。


背景技术：

2.作为固体催化剂、沸石分子筛在石油炼制、油品精制、石油化工、精细化工、环境保护等领域具有极其重要和广泛的应用，是国民经济中不可缺少的一类无机材料。这些领域通常所用的催化剂基本上都是氢型沸石，即脱除碱金属阳离子(钠或钾)的氢(h-)型沸石。这是由于大多数催化反应是固体酸性反应。然而，沸石的水热合成通常是在碱性条件下进行的。其反应混合物是由硅源(无定形氧化硅如硅胶、白炭黑、硅溶胶，水玻璃等)、铝源(如氧化铝、氢氧化铝、偏铝酸钠、硫酸铝、氯化铝等铝盐)、碱(如氢氧化钠、氢氧化钾等)和水等按一定的摩尔配比配制而成。对于多数用作催化剂的高硅(即氧化硅与氧化铝的摩尔比即sar大于10)的沸石，往往在反应混合物中需要加入有机导向剂(又称模板剂)以促使该沸石的晶核形成和生长，确保水热合成的产物为晶相纯度单一结构的目标沸石。有机导向剂通常是含氮的碱性有机物，如季铵碱、烷基胺等。
3.上述组成的反应混合物经水热反应生成特定结构类型的含有机碱与钠(或钾型、)型沸石结晶后，需要过滤使产物与合成母液分离、再用水洗涤至接近中性后、过滤成滤饼，再烘干获得该沸石原粉。由组成分析可以知道，合成所得的沸石原粉除了其骨架组成的氧化硅与氧化铝外、必然含有与骨架负电荷平衡的碱金属阳离子和有机铵阳离子，整个沸石呈现固体碱性。因此、往往需将其焙烧除去有机模板剂后，再用无机酸(如盐酸、硫酸、硝酸)或铵盐(如氯化铵，硫酸铵、硝酸铵等)水溶液在一定的温度下、离子交换数次、脱去沸石所含碱金属离子制成氢型、或铵型沸石，前者即可用作固态酸性催化剂，后者还需焙烧除去胺离子变为h-型沸石后才能制成催化剂。
4.由此观之，在沸石催化剂的生产工艺中，水热合成生成的碱性沸石原粉必须经过阳离子交换脱钠才能制成催化剂。多次阳离子交换工艺增加了处理的工序，同时需要使用酸或盐等化工原料，必然造成大量工业废水，使环保处理成本大幅上升，也会占用过多的设备，增加能源消耗，使生产周期和生产成本大幅提高。


技术实现要素：

5.为此，本发明提供一种直接合成氢型沸石的方法，用以克服现有技术中合成过程能源消耗大，生产周期长的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供一种直接合成氢型沸石的方法，通过控制合成反应混合物中的碱性物质的配比,并通过水热合成制备氢型沸石，包括，
7.s1，原料配比，根据待制备沸石种类确定原料配比；
8.s2，原料混合，根据步骤s1配比方案对原料进行混合并加入去离子水进行搅拌；
9.s3，制备浆料，向步骤s2中混合完成的原料混合物中加入浆料制备原料，并进行搅拌，制备反应混合物浆料；
10.s4，水热晶化，向步骤s2中混合完成浆料转移至高压釜中，进行静态水热晶化；
11.s5，抽滤、洗涤、烘干、焙烧。晶化结束后、自然冷却至室温，将晶化产物抽滤、洗涤至ph接近中性，对滤饼进行烘干、焙烧。
12.进一步地，所述氢型沸石为mfi型高硅沸石、fer型高硅沸石与cha型高硅沸石中的一种。
13.进一步地，所述碱性物质为有机碱与无机碱，其中，
14.有机碱种类包括烷基胺类有机碱，有机季铵类有机碱；
15.无机碱种类包括钠氢氧化物类无机碱，钾氢氧化物类无机碱。
16.进一步地，所述氢型沸石中氧化钠含量低于0.3％。
17.进一步地，控制合成反应混合物中的碱性物质的含量和配比为有机碱与氧化硅的比，或无机碱与氧化硅的比。
18.进一步地，所述的高硅沸石，其硅铝摩尔比范围值为10-400。
19.进一步地，当制备mfi型高硅沸石时，原料混合配比按摩尔比为，
20.sio2:0.016al2o3:0.089na2o:0.104正丁胺:15h2o；
21.或sio2:0.014al2o3:0.079na2o:0.104正丁胺:15h2o；
22.或sio2:0.018al2o3:0.10na2o:0.10正丁胺:15h2o。
23.进一步地，当制备fer型高硅沸石时，原料混合配比按摩尔比为，
24.120sio2:0.13na2o:0.0025prnh2:al2o3:18h2o；
25.或120sio2:0.025na2o:0.004prnh2:al2o3:21h2o；
26.或120sio2:0.030na2o:0.005prnh2:al2o3:22h2o。
27.进一步地，当制备cha型高硅沸石时，原料混合配比按摩尔比为，
28.sio2:0.0625al2o3:0.45na2o:0.125tmad:20h2o
29.或sio2:0.0285al2o3:0.50na2o:0.20tmad:18h2o；
30.或sio2:0.05al2o3:0.25na2o:0.20tmad:22.5h2o。
31.进一步地，当制备mfi型高硅沸石时浆料制备原料为正丁胺溶液，当制备fer型高硅沸石时浆料制备原料为正丙胺溶液，当制备cha型高硅沸石时浆料制备原料为tmad溶液。
32.与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过在反应混合物中适当地调整碱/硅比与胺(铵)/硅比，直接合成氧化钠低于0.30％的h-型高硅沸石，该沸石无需经过阳离子交换就可直接用于制作催化剂。减少了氢型沸石的制备步骤，缩短了生产周期。
附图说明
33.图1为本发明所述直接合成氢型沸石的方法的流程图；
34.图2为本发明合成沸石产物xrd粉末衍射谱；
35.图3为本发明合成沸石产物sem电镜照片。
具体实施方式
36.为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
37.下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这
些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
38.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.请参阅图1所示，其为本发明所述直接合成氢型沸石的方法的流程图；
41.本发明提供一种直接合成氢型沸石的方法，包括，s1，原料配比，根据待制备沸石种类确定原料配比；
42.s2，原料混合，根据步骤s1配比方案对原料进行混合并加入去离子水进行搅拌；
43.s3，制备浆料，向步骤s2中混合完成的原料混合物中加入浆料制备原料，并进行搅拌，制备反应混合物浆料；
44.s4，水热晶化，向步骤s2中混合完成浆料转移至高压釜中，进行静态水热晶化；
45.s5，抽滤、洗涤、烘干、焙烧。晶化结束后、自然冷却至室温，将晶化产物抽滤、洗涤至ph接近中性，对滤饼进行烘干、焙烧。
46.进一步地，所述氢型沸石为mfi型高硅沸石、fer型高硅沸石与cha型高硅沸石中的一种。
47.进一步地，所述碱性物质为有机碱与无机碱，其中，
48.有机碱种类包括烷基胺类有机碱，有机季铵类有机碱；
49.无机碱种类包括钠氢氧化物类无机碱，钾氢氧化物类无机碱。
50.进一步地，所述氢型沸石中氧化钠含量低于0.3％。
51.进一步地，控制合成反应混合物中的碱性物质的含量和配比为有机碱与氧化硅的比，或无机碱与氧化硅的比。
52.进一步地，所述的高硅沸石，其硅铝摩尔比范围值为10-400。
53.进一步地，当制备mfi型高硅沸石时，原料混合配比按摩尔比为，
54.sio2:0.016al2o3:0.089na2o:0.104正丁胺:15h2o；
55.或sio2:0.014al2o3:0.079na2o:0.104正丁胺:15h2o；
56.或sio2:0.018al2o3:0.10na2o:0.10正丁胺:15h2o。
57.进一步地，当制备fer型高硅沸石时，原料混合配比按摩尔比为，
58.120sio2:0.13na2o:0.0025prnh2:al2o3:18h2o；
59.或120sio2:0.025na2o:0.004prnh2:al2o3:21h2o；
60.或120sio2:0.030na2o:0.005prnh2:al2o3:22h2o。
61.进一步地，当制备cha型高硅沸石时，原料混合配比按摩尔比为，
62.sio2:0.0625al2o3:0.45na2o:0.125tmad:20h2o
63.或sio2:0.0285al2o3:0.50na2o:0.20tmad:18h2o；
64.或sio2:0.05al2o3:0.25na2o:0.20tmad:22.5h2o。
65.进一步地，当制备mfi型高硅沸石时浆料制备原料为正丁胺溶液，当制备fer型高硅沸石时浆料制备原料为正丙胺溶液，当制备cha型高硅沸石时浆料制备原料为tmad溶液。
66.mfi沸石的合成
67.例1,按以下摩尔配比制备反应混合物:sio2:0.016al2o3:0.089na2o:0.104正丁胺:15h2o；
68.按上述摩尔配比计算、准确称取硅胶粉置于烧杯中、再依次加入偏铝酸钠与氢氧化钠随后加入去离子水、搅拌均匀最后加入正丁胺溶液构成反应混合物浆料。将此浆料于30℃下搅拌30至60分钟后转移到有聚四氟内衬的250ml不锈钢高压釜中、于150℃下静态水热晶化28h。晶化结束后、自然冷却至室温、将晶化产物抽滤、洗涤至ph接近中性。将滤饼在120℃下烘干2h、550℃下焙烧5h，获得最终产品-样品a。xrd鉴定为mfi沸石纯相(见图2上)。其sem电镜照片见图3上。照片显示该沸石是六边矩形单晶晶粒,尺寸0.4nm至1.5nm。xrf测定样品a的sar为49、na2o为0.18％、属于h-型mfi沸石。
69.例2，按以下摩尔配比制备反应混合物:sio2:0.014al2o3:0.079na2o:0.104正丁胺:15h2o。
70.按上述摩尔配比计算、准确称取硅溶胶、再依次称取、并向烧杯中加入硫酸铝、氢氧化钠。随后加入去离子水、搅拌均匀，最后加入正丁胺溶液构成反应混合物浆料。将该浆料于30℃下搅拌30至60min、转移到有聚四氟内衬的250ml不锈钢高压釜中、120℃下静态水热晶化36h。晶化结束后、自然冷却至室温，将晶化产物抽滤、洗涤至ph接近中性、滤饼在120℃下烘干2h、550℃下焙烧5h，即可获得最终产品-样品b。xrd鉴定为mfi沸石纯相。xrf测定样品b的sar为53、na2o为0.20％属于h-型mfi沸石。
71.例3，按以下摩尔配比制备反应混合物:sio2:0.018al2o3:0.10na2o:0.10正丁胺:15h2o。
72.按上述摩尔配比计算、准确称取硅溶胶、再依次称取并向烧杯中加入硫酸铝、氢氧化钠，随后加入去离子水、搅拌均匀，最后加入正丁胺溶液构成反应物浆料。将浆料于30℃下搅拌30至60min后、转移到有聚四氟内衬的250ml不锈钢高压釜中、120℃下静态水热晶化36h。晶化结束后、自然冷却至室温、将晶化产物抽滤、洗涤至ph接近中性、滤饼在120℃下烘干2h，550℃下焙烧5h，即可获得最终产品-样品c。xrd鉴定为mfi沸石纯相。xrf测定样品c的sar为41，na2o为2.33％属于na、h-型mfi沸石。
73.fer沸石的合成
74.例4按以下摩尔配比制备反应混合物:120sio2:0.13na2o:0.0025prnh2:al2o3:18h2o
75.按上述摩尔配比分别称取一定量的硅胶粉、氢氧化钠、铝酸钠，正丙胺以及去离子水置于聚四氟乙烯烧杯中混合、搅拌15min后、装入250ml不锈钢反应釜中、120℃下、水热晶化反应48小时。晶化反应结束后、用去离子水洗涤产物至ph接近中性、将滤饼烘干、即获得纯相高硅fer沸石-样品d。其xrd图谱见图2中，xrd鉴定为fer沸石纯相。其sem电镜照片见图3中。照片显示，该沸石晶体呈现厚度0.01nm片状单晶、若干单晶相互交叠聚集成o.1nm的聚晶。xrf测定样品d的sar为245，na2o为0.23％，属于h-型fer沸石。
76.例5按以下摩尔配比制备反应混合物:
77.120sio2:0.025na2o:0.004prnh2:al2o3:21h2o
78.按上述摩尔配比分别称取一定量的硅胶粉、氢氧化钠、铝酸钠，正丙胺以及去离子水置于聚四氟乙烯烧杯中混合，搅拌15min后、装入250ml不锈钢反应釜中、120℃下、水热晶化反应36小时。晶化反应结束后、用去离子水洗涤至ph接近中性、过滤产物。将滤饼烘干、即获得纯相高硅fer沸石-样品e。xrf测定的样品e的sar为165，na2o为0.25％，属于h-型fer沸石。
79.例6按以下摩尔配比制备反应混合物:120sio2:0.030na2o:0.005prnh2:al2o3:22h2o
80.按上述摩尔配比分别称取一定量的硅胶粉、氢氧化钠、铝酸钠，正丙胺以及去离子水于聚四氟乙烯烧杯中混合、搅拌15min后、装入250ml不锈钢反应釜中、120℃下、水热晶化反应36小时。晶化反应结束后、用去离子水洗涤至ph接近中性、过滤产物。将滤饼烘干、即获得纯相高硅fer沸石-样品f。xrf测定的样品f的sar 136，na2o为0.40％，属于na、h-型fer沸石。
81.cha沸石的合成
82.例7，按以下摩尔配比制备反应混合物:sio2:0.0625al2o3:0.45na2o:0.125tmad:20h2o
83.按上述摩尔配比计算、准确称取硅溶胶、再依次称取并向烧杯中加入硫酸铝、氢氧化钠。随后加入去离子水、搅拌均匀，最后加入tmad溶液制成反应混合物浆料。将该浆料于30℃下搅拌30至60min后转移到有聚四氟内衬的250ml不锈钢高压釜中、150℃下静态水热晶化48h。晶化结束后，自然冷却至室温，将晶化产物抽滤、洗涤至ph接近中性、滤饼在120℃下烘干2h，550℃下焙烧5h，即可获得最终产品-样品g。xrd鉴定产物为cha沸石纯相(见图2下)。其sem电镜照片见图3下。产物呈现立方单晶状晶形、尺寸0.15nm至0.20nm。xrf测定样品g的sar为30，na2o为0.70％,属于na、h-型cha沸石。
84.例8，按以下摩尔配比制备反应混合物:sio2:0.0285al2o3:0.50na2o:0.20tmad:18h2o
85.按上述摩尔配比计算、准确称取硅溶胶、再依次称取并向烧杯中加入硫酸铝、氢氧化钠、随后加入去离子水、搅拌均匀，最后加入tmad溶液制成反应混合物浆料。将该浆料于30℃下搅拌30至60min后转移到有聚四氟内衬的250ml不锈钢高压釜中，160℃下静态水热晶化48h。晶化结束、自然冷却至室温，将晶化产物抽滤洗涤至ph接近中性。滤饼取出在120℃下烘干2h，550℃下焙烧5h，即可获得最终产品-样品h。xrd鉴定产物为cha沸石纯相，xrf测定样品h的sar为25，na2o为0.45％属于na、h-型cha沸石。
86.例9，按以下摩尔配比制备反应混合物:sio2:0.05al2o3:0.25na2o:0.20tmad:22.5h2o
87.按上述摩尔配比计算、准确称取硅溶胶、再依次称取并向烧杯中加入硫酸铝，氢氧化钠，随后加入去离子水，并搅拌均匀，最后加入tmad溶液构成反应混合物浆料。将该浆料于30℃下搅拌30至60min后转移到有聚四氟内衬的250ml不锈钢高压釜中，150℃下静态水热晶化48h。晶化结束后，自然冷却至室温，晶化产物经抽滤、洗涤至ph接近中性，滤饼在120℃下烘干2h，550℃下焙烧5h，即可获得最终产品-样品i。xrd鉴定为cha沸石纯相，xrf测定样品i的sar为18，na2o为0.20％属于h-型cha沸石。
88.上述9个实施例，所涉及的是三种不同结构类型的高硅沸石，即mfi(zsm-5)、fer(zsm-35)与cha(ssz-13)的合成。由于不同结构沸石水热合成通常都必须在一定的反应混合物组成-产物相组成图(即所谓”相图”)规定的范围内,因而,这三种不同结构的高硅沸石合成的反应混合物不仅在有机模板剂种类上根本不同外,其它如sar,碱/硅比，胺(铵)/硅比、水/硅比上也有很大的区别，水热晶化反应温度和时间也不尽相同。所用合成原料种类、反应混合物摩尔配比、晶化反应温度与时间等都不相同。为方便与从统计学上观察这三种不同结构沸石的合成数据，表一汇总了合成每种沸石反应混合物所用的有机模板剂种类、硅铝原料类型、及反应混合物的摩尔配比、晶化反应的温度与时间等要素，以及晶化反应产物相及其主要组成的数据。可以看出，本发明所涉及到的三种不同结构类型高硅沸石合成所用的有机模板剂各不相同，有正丁胺、正丙胺等烷基胺，也有三甲基金刚烷铵这样的季铵碱，反应混合物的摩尔配比(sar)范围很宽，从16至400。合成产物的硅铝摩尔比(sar)所覆盖的范围也很宽，从15至245。而每种沸石合成的反应混合物，都有其比较合适的碱/硅比，胺(铵)/硅比与水/硅比。仔细观察可以发现，由于反应混合物中的碱/硅比与胺(铵)/硅比的不同，产物中的的氧化钠的含量从0.15％(h-型沸石)至2.33％的na、h-型沸石。前者的低钠h-型沸石就可以不经阳离子交换直接制作催化剂，这就是本发明的目标产物。
89.反应混合物中的有机碱除了其结构导向作用，也能为沸石结晶造成必须的碱性环境，在该环境下反应混合物中的无定型氧化硅与氧化铝水解成的硅氧四面体与铝氧四面体进一步彼此链接构成一定量的多硅氧-铝氧阴离子。然而，有机模板剂的碱性往往不够强，需要外加无机的强碱，才可能使使反应混合物中的无定型氧化硅与氧化铝充分水解成硅氧四面体与铝氧四面体进一步彼此链接构成多硅氧-铝氧阴离子，该阴离子在合适的温度下，围绕在有机模板剂分子周围，形成沸石的晶核并进一步生长为特定结构的沸石晶体。如果反应混合物中的有机碱的量太少，其模板作用就不足以形成特定结构沸石结晶，反之，如果过多、虽可足以诱导沸石结晶，但有机模板剂价格高、回收难、会污染环境，也是不可取的。所以，在配制反应混合物时、通常选择所加有机碱的量只要够导向目标沸石结晶即可。有机碱在所形成的目标沸石晶体中，除了处于孔道的特定空间作为模板剂，还会作为部分阳离子与其导向所生成的沸石骨架上的铝原子所带负电荷起到电荷平衡作用。而起平衡骨架负电荷作用的阳离子，通常主要由无机碱提供。这就是在通常沸石生产工艺中，水热晶化产物中总是含不同量的碱(钠离子或钾离子)的根本原因。在硅铝摩尔比不太高(例如sar 10-50)时，例如表一的mfi沸石与cha沸石，产物中的钠含量就比较高，分别达到2.33％和0.70％，这样的沸石产物为na、h-型mfi沸石或na、h-型-cha沸石。但是，本发明的实验证明，只要在反应混合物中适当地调整碱/硅比与胺(铵)/硅比，就可以直接合成氧化钠低于0.30％的h-型高硅沸石，该沸石无需经过阳离子交换就可直接用于制作催化剂。本发明的上述规则普遍适用于不同结构类型的高硅沸石，而不论其产物的硅铝摩尔比是多少。
90.表二汇总了本发明合成实施例中所有合成产物的结构类型及其低温氮吸附数据。可以看出，本发明合成的三种结构类型，各自分别为3个样品，其bet表面积与微孔表面积、总孔容积与微孔容积都没有明显的差异。这说明，本发明用控制反应混合物合适的碱/硅比与胺(铵)/硅比的方法直接合成的h-型沸石，其吸附性质与通常合成产物一致。
91.表1合成反应混合物摩尔配比及产物组成表
[0092][0093][0094]
*tmad-三甲基金刚烷铵
[0095]
表2合成产物沸石低温氮吸附数据
[0096][0097][0098]
*tmad-三甲基金刚烷铵
[0099]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。