一种多级孔丝光沸石分子筛的制备方法与流程

本发明属于分子筛材料技术领域，涉及一种丝光沸石分子筛的制备方法，尤其涉及一种多级孔丝光沸石分子筛的制备方法。

背景技术：

分子筛(又称合成沸石)是指具有均匀的微孔，其孔径与一般分子大小相当的一类物质，其是一种硅铝酸盐多微孔晶体。它是由硅氧、铝氧四面体组成基本的骨架结构，在晶格中存在着金属阳离子(如Na+，K+，Ca2+，Li+等)，以平衡晶体中多余的负电荷。分子筛的类型按其晶体结构主要分为：A型，X型，Y型等。分子筛的应用非常广泛，可以作高效干燥剂、选择性吸附剂、催化剂、离子交换剂等。常用分子筛为结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，是由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺寸大小(通常为0.3～2nm)的孔道和空腔体系，因吸附分子大小和形状不同而具有筛分大小不同的流体分子的能力。国际纯粹与应用化学联合会按照分子筛孔径大小，将它们定义为3级：孔径小于2nm的称为微孔分子筛，孔径在2-50nm之间的称为介孔或中孔分子筛，孔径大于50nm的称为大孔分子筛。

分子筛已发现的有1000多种，较为重要的有35种，常见的有斜发沸石、丝光沸石、毛沸石和菱沸石等。其中，丝光沸石是人类认识最早的沸石之一，分天然和合成两类。1948年，Barrer等用碳酸钠为矿化剂，使混合硅酸凝胶与铝酸钠水溶液在265-295℃下水热晶化，首次合成出丝光沸石。丝光沸石具有优良的耐热、耐酸和抗水汽性能，工业上广泛用作气体或液体混合物分离的吸附剂及石油化工与精细化工催化剂。采用常规方法合成的丝光沸石原粉为低硅铝比丝光沸石，需经过特殊的处理步骤进行骨架脱铝，以得到较高硅铝比的丝光沸石。然而传统的微孔丝光沸石通常被当作一维孔道结构沸石分子筛，大分子不能在孔道内平行或交换扩散，只能单层扩散，在催化反用中引起扩散限制，分子在反应过程中堵塞孔道，造成催化剂的催化活性降低，催化剂的使用寿命缩短。

现有的合成分子筛的方法中，通过在传统微孔沸石分子筛体系中引入介孔及大孔制备微孔-介孔复合孔道结构分子筛，不仅使其保留原微孔分子筛的各种优点，同时形成的介孔孔道克服了分子在沸石分子筛内的扩散限制，提高其传质性能。通常直接合成介孔分子筛时均采用一些特定性质的材料作为形成介孔的模板剂，沸石凝胶在模板剂中生长，形成沸石与模板剂的复合物，再采用高温锻烧、溶解或者升华等方法除去模板即可得介孔沸石分子筛。Schmidt等人使用多孔碳纳米管合成了介孔沸石单晶(Iver Schmidt,Astrid Boisen.Chem.Mater,2001,(13):4416-4418)；Fang等人使用多孔碳作为模板合成了具有高结晶度的介孔沸石分子筛(Yunming Fang,Haoquan Hu.J AM CHEM SOC,2006,(128):10636-10637.)等等。但是这些合成方法使用了大量有机模板、有机导向剂或有机溶剂，制备过程复杂，大大提高了分子筛的合成成本，而且对环境污染比较大。

因此，如何得到一种更加安全环保的丝光沸石分子筛的合成方法，而且能够合成具有多级孔的丝光沸石分子筛，已成为领域内一线研发人员广泛关注的焦点之一。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种丝光沸石分子筛的合成方法，尤其是一种多级孔丝光沸石分子筛的合成方法，本发明提供的丝光沸石分子筛的合成方法，能够合成具有多级孔的丝光沸石分子筛，而且合成方法不使用有机导向剂，安全环保，反应条件温和，工艺简单，适合于工业化大生产。

本发明提供了一种多级孔丝光沸石分子筛的制备方法，包括以下步骤：

A)将氢氧化钠溶液、硅源和铝源混合后，得到硅铝酸盐凝胶；

B)将石墨烯和/或石墨烯衍生物与上述步骤得到的硅铝酸盐凝胶再次混合后，得到混合物；

C)向上述步骤得到的混合物中加入沸石晶种进行晶化处理后，得到多级孔丝光沸石分子筛。

优选的，所述硅源包括正硅酸四乙酯、白炭黑、水玻璃、硅溶胶和硅酸钠中的一种或多种；

所述铝源包括铝酸钠、拟薄水铝石、硫酸铝、氯化铝和硝酸铝中的一种或多种。

优选的，所述硅铝酸盐凝胶中，下述组分的摩尔比为：

SiO₂：A1₂O₃为(8～100)：1；H₂O：SiO₂为(15～60)：1；Na₂O：SiO₂为(0.15～0.6)：1。

优选的，所述石墨烯衍生物包括氧化石墨烯、石墨烯金属复合物和石墨烯活性炭复合物中的一种或多种。

优选的，所述石墨烯和/或石墨烯衍生物以石墨烯的质量计，与所述硅铝酸盐凝胶以SiO₂的质量计，两者的比值为(0.01～0.2)：1；

所述沸石晶种的质量与所述硅铝酸盐凝胶以SiO₂的质量计，两者的比值为(0.008～0.08)：1。

优选的，所述再次混合后还包括超声处理步骤。

优选的，所述晶化处理的温度为130～200℃，所述晶化处理的时间为1～8天。

优选的，所述晶化处理后，还包括后处理步骤；

所述后处理包括抽滤、洗涤、干燥和焙烧。

优选的，所述干燥的温度为80～130℃，所述干燥的时间为6～24h；

所述焙烧的温度为400～800℃，所述焙烧时间为3～10h。

优选的，所述步骤A)具体为：

A1)将氢氧化钠溶液与硅源混合后，得到第一混合液；

将氢氧化钠溶液和铝源混合后，得到第二混合液；

A2)将上述步骤得到的第一混合液和第二混合液混合后，得到硅铝酸盐凝胶。

本发明提供了一种多级孔丝光沸石分子筛的制备方法，包括以下步骤，首先将氢氧化钠溶液、硅源和铝源混合后，得到硅铝酸盐凝胶；然后将石墨烯和/或石墨烯衍生物与上述步骤得到的硅铝酸盐凝胶再次混合后，得到混合物；最后向上述步骤得到的混合物中加入沸石晶种进行晶化处理后，得到多级孔丝光沸石分子筛。与现有技术相比，本发明使用石墨烯及其衍生物中的一种或几种为介孔模板剂，通过水热合成的方法直接制备具有多级孔的丝光沸石分子筛，有效的解决了现有技术中合成的丝光沸石仅含有微孔，不含有介孔或介孔较少且分布较宽，不能被用作大分子参与反应的催化剂的局限，而且不使用有机胺结构导向剂和有机溶剂，大大降低了分子筛的合成成本，避免了对环境的污染，具有环保无污染的优点；同时该合成方法反应条件温和，工艺简单，适合于工业化大生产。实验结果表明，本发明制备的多级孔丝光沸石分子筛不仅具有微孔结构，同时还含有介孔结构，其比表面积365～412m²/g，介孔孔容0.12～0.25mL/g。

附图说明

图1为本发明实施例2合成的多级孔丝光沸石的X射线粉末衍射图谱；

图2为本发明实施例2合成的多级孔丝光沸石的氮气等温吸附-脱附图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。

本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。

本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用分析纯或电容器领域使用的常规纯度。

本发明提供了一种多级孔丝光沸石分子筛的制备方法，包括以下步骤：

A)将氢氧化钠溶液、硅源和铝源混合后，得到硅铝酸盐凝胶；

B)将石墨烯和/或石墨烯衍生物与上述步骤得到的硅铝酸盐凝胶再次混合后，得到混合物；

C)向上述步骤得到的混合物中加入沸石晶种进行晶化处理后，得到多级孔丝光沸石分子筛。

本发明首先将氢氧化钠溶液、硅源和铝源混合后，得到硅铝酸盐凝胶。

本发明对所述氢氧化钠溶液的浓度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备丝光沸石分子筛常规的氢氧化钠溶液的浓度即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述氢氧化钠溶液的浓度优选为1％～20％，更优选为3％～17％，更优选为6％～14％，最优选为9％～11％。本发明对所述硅源没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备丝光沸石分子筛常规的硅源即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述硅源优选包括正硅酸四乙酯、白炭黑、水玻璃、硅溶胶和硅酸钠中的一种或多种，更优选为正硅酸四乙酯、白炭黑、水玻璃、硅溶胶或硅酸钠。本发明对所述铝源没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备丝光沸石分子筛常规的铝源即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述铝源优选包括铝酸钠、拟薄水铝石、硫酸铝、氯化铝和硝酸铝中的一种或多种，更优选为铝酸钠、拟薄水铝石、硫酸铝、氯化铝或硝酸铝。

本发明对所述混合没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述混合优选为搅拌均匀混合。本发明为提高均匀混合的效果，所述步骤A)具体优选为：

A1)将氢氧化钠溶液与硅源混合后，得到第一混合液；

将氢氧化钠溶液和铝源混合后，得到第二混合液；

A2)将上述步骤得到的第一混合液和第二混合液混合后，得到硅铝酸盐凝胶。

本发明对所述步骤A1)中的混合方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述混合优选为磁力均匀搅拌至溶液澄清。本发明对所述步骤A2)中的混合方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述混合优选为搅拌均匀形成硅铝酸盐凝胶。

本发明对所述硅铝酸盐凝胶中，硅铝等成分的具体比例没有特别限制，以本领域技术人员熟知的硅铝酸盐凝胶中的相应成分比例即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述硅铝酸盐凝胶中，以摩尔比计，所述SiO₂：A1₂O₃优选为(8～100)：1，更优选为(20～90)：1，更优选为(30～80)：1，最优选为(50～60)：1；所述H₂O：SiO₂优选为(15～60)：1，更优选为(20～55)：1，更优选为(25～50)：1，最优选为(30～40)：1；所述Na₂O：SiO₂优选为(0.15～0.6)：1，更优选为(0.2～0.55)：1，更优选为(0.25～0.5)：1，最优选为(0.3～0.4)：1。

本发明然后将石墨烯和/或石墨烯衍生物与上述步骤得到的硅铝酸盐凝胶再次混合后，得到混合物。

本发明对所述石墨烯衍生物没有特别限制，以本领域技术人员熟知的石墨烯衍生物即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述石墨烯衍生物优选包括氧化石墨烯、石墨烯金属复合物和石墨烯活性炭复合物中的一种或多种，更优选为氧化石墨烯、石墨烯金属复合物或石墨烯活性炭复合物，更优选为氧化石墨烯或石墨烯活性炭复合物。本发明对所述石墨烯和/或石墨烯衍生物的加入量没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述石墨烯和/或石墨烯衍生物以石墨烯的质量计，与所述硅铝酸盐凝胶以SiO₂的质量计，所述石墨烯与所述SiO₂的质量比优选为(0.01～0.2)：1，更优选为(0.04～0.17)：1，更优选为(0.07～0.14)：1，最优选为(0.09～0.12)：1。

本发明对所述再次混合没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述再次混合优选为磁力搅拌均匀混合。本发明为提高混合的均匀性，提高最终产品的介孔孔径的分布优势，所述再次混合后优选还包括超声处理步骤；本发明对所述超声处理的具体条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的超声处理条件即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述超声处理的时间优选为0.5～3h，更优选为1～2.5h，最优选为1.5～2h。

本发明最后向上述步骤得到的混合物中加入沸石晶种进行晶化处理后，得到多级孔丝光沸石分子筛。

本发明对所述沸石晶种没有特别限制，以本领域技术人员熟知的丝光沸石晶种即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述沸石晶种优选为未脱铝的丝光沸石或硅铝比优选为40～80的脱铝丝光沸石，所述硅铝比也可以为50～70。本发明对所述沸石晶种的加入量没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述沸石晶种的质量与所述硅铝酸盐凝胶以SiO₂的质量计，所述沸石晶种的质量与所述SiO₂的质量的比值优选为(0.008～0.08)：1，更优选为(0.01～0.07)：1，更优选为(0.02～0.06)：1，最优选为(0.03～0.05)：1。

本发明对所述晶化处理的具体条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的晶化处理的条件即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述晶化处理的温度优选为130～200℃，更优选为140～190℃，更优选为150～180℃，最优选为160～170℃；所述晶化处理的时间优选为1～8天，更优选为2～7天，更优选为3～6天，最优选为4～5天。本发明对所述晶化处理的设备没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述晶化处理的设备优选为水热晶化釜。

本发明为提高最终产品的品质，所述晶化处理后，优选还包括后处理步骤；本发明对所述后处理的具体过程没有特别限制，以本领域技术人员熟知的水热反应的后处理步骤即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述后处理优选包括抽滤、洗涤、干燥和焙烧，更优选为依次包括抽滤、洗涤、干燥和焙烧步骤；本发明对上述步骤的具体条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的上述步骤的常规条件即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明所述干燥的温度优选为80～130℃，更优选为90～120℃，最优选为100～110℃；所述干燥的时间优选为6～24h；更优选为8～22h，更优选为10～20h，最优选为12～18h；所述焙烧的温度优选为400～800℃，更优选为450～750℃，更优选为500～700℃，最优选为550～650℃；所述焙烧时间优选为3～10h，更优选为4～9h，更优选为5～8h，最优选为6～7h。

本发明经过上述步骤制备得到了多级孔丝光沸石分子筛，本发明使用石墨烯及其衍生物中的一种或几种为介孔模板剂，通过创造性的改进丝光沸石合成工艺条件，水热合成了具有多级孔的丝光沸石分子筛，而且通过添加晶种和超声处理的方法，制备出介孔孔径分布较窄的多级孔丝光沸石，并进一步的控制工艺条件，最终得到了具有较小的晶粒尺寸，丰富的微-介孔，较大的比表面积，较窄的介孔分布，较高的纯度和结晶度的多级孔丝光沸石。本发明提供的合成方法不使用有机胺结构导向剂和有机溶剂，大大降低了分子筛的合成成本，避免了对环境的污染，具有环保无污染的优点；而且该合成方法反应条件温和，工艺简单，适合于工业化大生产。实验结果表明，本发明制备的多级孔丝光沸石分子筛不仅具有微孔结构，同时还含有介孔结构，其比表面积365～412m²/g，介孔孔容0.12～0.25mL/g。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种多级孔丝光沸石分子筛的制备方法进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。

实施例1

将4.55gNaOH加入到158.8g蒸馏水中，搅拌至澄清溶液，分成A、B两部分备用。将2.68g的铝酸钠加入到A溶液中搅拌至全部溶解形成C混合液，将20.5g的白炭黑加入到B溶液中搅拌至全部溶解，形成D混合液。将C混合液在搅拌下缓慢滴加入D混合液中形成硅铝酸盐凝胶E。初始凝胶的摩尔比为：SiO₂/Al₂O₃＝30，H₂O:SiO₂＝26，Na₂O:SiO₂＝0.2。

称取一定量的石墨烯，其中加入的石墨烯的质量与硅铝酸盐凝胶中SiO₂的质量比为0.01，将上述石墨烯溶于33.8g的去离子水中搅拌至分散均匀，得到石墨烯溶液F，在搅拌条件下将石墨烯溶液F缓慢滴加入E凝胶中搅拌混合均匀，再进行超声波处理1h得到G溶液。

称取一定量的晶种，其中加入的晶种的质量与硅铝酸盐凝胶中SiO₂的质量比为0.01，加入G溶液得到混合物H。

最后将混合物H转入聚四氟乙烯衬里的不锈钢晶化釜中，在170℃下晶化2天，产物经抽滤、洗涤、100℃下干燥12h,500℃焙烧10h后得多级孔丝光沸石产物。

对本发明实施例1制备的多级孔丝光沸石分子筛进行检测，固体产物经X射线分析为丝光沸石，氮气等温吸附-脱附测得比表面积379m²/g，介孔孔容0.15mL/g。

实施例2

将3.79gNaOH加入到98.1g蒸馏水中，搅拌至澄清溶液，分成A、B两部分备用。将1.43g的铝酸钠加入到A溶液中搅拌至全部溶解形成C混合液，将49g的硅溶胶加入到B溶液中搅拌至全部溶解，形成D混合液。将C混合液在搅拌下缓慢滴加入D混合液中形成硅铝酸盐凝胶E。初始凝胶的摩尔比为：SiO₂/Al₂O₃＝28，H₂O:SiO₂＝30，Na₂O:SiO₂＝0.23。

称取一定量的石墨烯，其中加入的石墨烯的质量与硅铝酸盐凝胶中SiO₂的质量比为0.02，将上述石墨烯溶于20g的去离子水中搅拌至分散均匀，得到石墨烯溶液F，在搅拌条件下将石墨烯溶液F缓慢滴加入E凝胶中搅拌混合均匀，再进行超声波处理1h得到G溶液。

称取一定量的晶种，其中加入的晶种的质量与硅铝酸盐凝胶中SiO₂的质量比为0.02，加入G溶液得到混合物H。

最后将混合物H转入聚四氟乙烯衬里的不锈钢晶化釜中，在170℃下晶化1.5天，产物经抽滤、洗涤、110℃下干燥12h,550℃焙烧10h后得多级孔丝光沸石产物。

对本发明实施例2制备的多级孔丝光沸石多级孔丝光沸石分子筛进行检测，参见图1，图1为本发明实施例2合成的多级孔丝光沸石的X射线粉末衍射图谱。由图1可知，固体产物经X射线分析为丝光沸石。

参见图2，图2为本发明实施例2合成的多级孔丝光沸石的氮气等温吸附-脱附图。由图2可知，氮气等温吸附-脱附图中等温线出现明显的滞后环，回滞环的闭合点在P/P₀＝0.40～0.45之间，说明在丝光沸石分子筛中引入了介孔，测得比表面积412m²/g，介孔孔容0.25mL/g。

实施例3

除用硅酸钠代替实施例1中的白炭黑作为硅源外，其他制备条件均与实施例1相同，得到的固体产物--多级孔丝光沸石分子筛。

对本发明实施例3制备的多级孔丝光沸石分子筛进行检测，固体产物经X射线分析为丝光沸石，氮气等温吸附-脱附测得比表面积387m²/g，介孔孔容0.18mL/g。

实施例4

除用正硅酸四乙酯代替实施例1中的白炭黑作为硅源外，其他制备条件均与实施例1相同，得到的固体产物--多级孔丝光沸石分子筛。

对本发明实施例4制备的多级孔丝光沸石分子筛进行检测，固体产物经X射线分析为丝光沸石，氮气等温吸附-脱附测得比表面积365m²/g，介孔孔容0.12mL/g。

实施例5

除用硫酸铝代替实施例2中的铝酸钠作为铝源外，其他制备条件均与实施例2相同，得到的固体产物--多级孔丝光沸石分子筛。

对本发明实施例5制备的多级孔丝光沸石分子筛进行检测，固体产物经X射线分析为丝光沸石，氮气等温吸附-脱附测得比表面积403m²/g，介孔孔容0.21mL/g。

实施例6

除用硝酸铝代替实施例2中的铝酸钠作为铝源外，其他制备条件均与实施例2相同，得到的固体产物--多级孔丝光沸石分子筛。

对本发明实施例6制备的多级孔丝光沸石分子筛进行检测，固体产物经X射线分析为丝光沸石，氮气等温吸附-脱附测得比表面积382m²/g，介孔孔容0.16mL/g。

实施例7

除用氯化铝代替实施例2中的铝酸钠作为铝源外，其他制备条件均与实施例2相同，得到的固体产物--多级孔丝光沸石分子筛。

对本发明实施例7制备的多级孔丝光沸石分子筛进行检测，固体产物经X射线分析为丝光沸石，氮气等温吸附-脱附测得比表面积380m²/g，介孔孔容0.15mL/g。

以上对本发明提供的一种多级孔丝光沸石分子筛的制备方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。