一种真空超声波浸渍装置的制作方法

本实用新型属于催化剂制备领域，具体涉及一种真空超声波浸渍装置。

背景技术：

以浸渍为关键步骤制造催化剂的方法称浸渍法，它是目前催化剂工业生产中广泛应用的一种方法。浸渍法是基于活性组分(含助催化剂)，以盐溶液形态浸渍到多孔载体上并渗透到内表面，而形成高效催化剂的原理。通常将含有活性物质的液体去浸各类载体，当浸渍平衡后，去掉剩余液体，再进行干燥、焙烧、活化等工序后处理。经干燥，将水分蒸发逸出，可使活性组分的盐类遗留在载体的内表面上，这些金属和金属氧化物的盐类均匀分布在载体的细孔中，经加热分解及活化后，即得高度分散的载体催化剂。浸渍法的基本原理，一方面是因为固体的孔隙与液体接触时，由于表面张力的作用而产生毛细管压力，使液体渗透到毛细管内部；另一方面是活性组分在载体表面上的吸附。

活性溶液必须浸在载体上，常用的多孔性载体有氧化铝、氧化硅、活性炭、硅酸铝等，可以用粉状的，也可以用成型后的颗粒状的。氧化铝和氧化硅这些氧化物载体，就像表面具有吸附性能的大多数活性炭一样，很容易被水溶液浸湿。另外，毛细管作用力可确保液体被吸入到整个多孔结构中，甚至一端封闭的毛细管也将被填满。但也有些载体难于浸湿，例如高度石墨化的碳和完美晶形的美铝尖晶石载体，由于结构原因，活性组分不能很好地渗透到载体内表面，导致催化活性中心少，催化效果不佳，而不能形成均一的高效催化剂。

由于常压浸渍存在难于浸湿，浸渍用时长，活性组分浸渍不均匀等弊端，因此很有必要设计一套新型浸渍装置。

技术实现要素：

本发明人出乎意料地发现，通过提供一种真空超声波浸渍装置，该装置可将载体在抽真空下浸渍，并进行超声波辐照，可解决上述问题。真空浸渍即是在真空条件下，通过负压将浸渍液浸渍到其他固体物质中，以达到改善物质的材料性能或满足某种特定要求的真空应用工艺。

本实用新型的一种真空超声波浸渍装置，其包括一个用于盛装载体和浸渍液并用于浸渍载体的浸渍容器、用于对浸渍容器内的载体和浸渍液实施超声处理的超声波装置、和任选的用于对浸渍容器内的载体和浸渍液进行混合的搅拌装置，该浸渍容器连接进液系统和抽真空系统。

进一步地，所述超声波装置为超声波清洗机，所述浸渍容器部分没入超声波清洗机水槽内。

进一步地，所述进液系统为分液漏斗，分液漏斗伸入容器内部的进料管与浸渍容器的相应进口通过橡胶塞密封。

进一步地，抽真空系统为真空抽滤泵，抽真空系统经由管道与浸渍容器的接口密封连接。

进一步地，浸渍容器可以是一个三颈烧瓶，可根据催化剂制备量例如选择几百毫升至几十升的不同大小的三颈烧瓶。三颈烧瓶三个支口都是用橡胶塞密封，分别连接进液系统、抽真空系统、搅拌装置的旋转轴。搅拌装置优选电动搅拌装置，包括位于浸渍容器内的搅拌轴和位于浸渍容器外部的为搅拌轴提供动力的电机。进一步地，所述抽真空系统设有用于显示浸渍容器内部真空度的压力表。真空度压力范围一般为-0.1—0MPa。

本申请中，“任选的”表示存在或不存在。

不受任何理论约束，据认为，本实用新型的浸渍包括润湿机理、毛细现象和吸附作用三方面综合作用。

首先是润湿机理。它的本质是液体分子与固体分子间的附着力，也就是相互吸引力大于液体分子间的相互吸引力(也称为内聚力)。润湿的首要条件是减小接触角(液体表面的切面与固体表面所形成的夹角)，增大固体物质和浸渗液之间的附着力。

其次是毛细现象。毛细现象是指浸润液体在细管里升高的现象、不浸润液体在细管里降低的现象(液体与固体接触的附着层，固体分子吸引力弱，液体内聚力强，液体表面就会有收缩的趋势，形成不浸润；固体分子吸引力强，附着层液体表面就会有扩展趋势，形成浸润)。通俗地说，液体表面类似张紧的橡皮膜，如果液面是弯曲的，它就有变平的趋势，凹液面会对下面的液体施以拉力，凸液面对下面的液体施以压力。真空浸渍中的毛细现象就是因液体表面张力作用，使浸渍材料被吸入物质的微孔中。

吸附作用就是当浸渍材料与物质微细孔界面处于润湿状态时，一旦两者分子的距离≦0.52nm，将会产生强大的吸附作用，使浸润材料充满物质的微细孔隙，经固化后就能粘结成为牢固的整体。

抽真空条件下不仅使需浸渍物质中的气体逸出，形成了空隙与通道，有利于浸渍材料的渗入扩散过程，而且相比常压浸渍，真空环境下可以在浸渍介质表面形成高浓度的渗入物量。

结合上述3个应用原理，真空浸渍比常压浸渍操作时间会减少，活性组分分布更均匀，原料消耗降低且质量能得到有效提高。

另外利用超声波辐照，可以使浸渍液粘度大幅度降低，有效扩散系数大幅度增加，使浸渍时间明显缩短、增加活性组分的负载量和孔内含量、提高活性组分的分散度，使催化剂催化活性增加。真空条件和超声辐照相辅相成。

本实用新型的第二个方面提供一种使用上述装置通过浸渍制备催化剂的方法，该方法包括：

将载体装入安装有抽真空系统、进液系统的浸渍容器内，检查整个装置的密闭性，并将浸渍容器部分置于超声波清洗机水槽水面以下，打开抽真空系统至压力值恒定(例如 -0.1～0MPa的计示压力，内部的绝对压力为0.01-0.04MPa，优选0.02-0.03MPa)，优选保持真空度一段时间(例如1-30分钟，优选约2-6分钟)，然后打开进液系统使得浸渍液(载体与浸渍液的固液体积或质量比一般为1：1.5～5)进入浸渍容器(例如浸渍液的液面高度低于超声波清洗机水槽水面高度)，待浸渍液即将流完时关闭进液系统，以避免空气经进液系统进入三颈烧瓶，打开搅拌系统进行搅拌(搅拌器的转速可以为20-100r/min，优选50-60r/min)，同时打开超声波清洗机(超声波清洗机的超声波频率为40KHZ，功率150W)进行浸渍(浸渍时间：一般为10-100min，优选20-50min，例如约30min)，整个过程抽真空系统一直处于工作状态，浸渍结束后过滤、烘干、焙烧制得催化剂。

所述浸渍液是用于形成催化剂活性组分的前体溶液例如金属盐溶液，金属盐可以选自例如金属钴、镍等的硝酸盐(硝酸钴、硝酸镍)中的一种或多种，浓度范围一般为0.1-10wt％。

载体可以为通常的载体，如二氧化硅、三氧化铝、沸石、分子筛、镁铝尖晶石、硅藻土等。

浸渍容器可以替换为抽滤瓶或带胶塞的注射器。若替换微抽滤瓶的使用方法为：将载体及浸渍液加入至抽滤瓶中，对抽滤瓶抽真空并保持真空度，然后将抽滤瓶放置于超声波清洗机的水槽中，完成浸渍后过滤、烘干、焙烧制得催化剂。

若使用注射器的浸渍方法为：拔下注射器的推杆，加入载体，把推杆推到最紧处，使内部空气体积最小，注射器尖端插入橡胶塞中，拉推杆拉至最大刻度处，使内部达到最大真空度，注射器尖端和橡胶塞浸入浸渍液中，稍稍拔下橡胶塞，使浸渍液吸入注射器内，刚刚能没过载体最好，插紧橡胶塞。注射器头朝下放入超声波清洗机，等待一段时间即可完成浸渍。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供的浸渍装置在抽真空条件下浸渍，在抽真空条件下不仅使需浸渍物质中的气体逸出，形成了空隙与通道，有利于浸渍材料的渗入扩散过程，而且相比常压浸渍，真空环境下可以在浸渍介质表面形成高浓度的渗入物量，真空浸渍比常压浸渍操作时间少，活性组分分布更均匀，原料消耗降低且质量得到有效提高。

另外利用超声波辐照，可以使浸渍液粘度大幅度降低，有效扩散系数大幅度增加，使浸渍时间明显缩短、增加活性组分的负载量和孔内含量、提高活性组分的分散度，使催化剂催化活性增加，真空条件和超声辐照相辅相成。

附图说明

图1为本实用新型的一种实验用真空超声波浸渍装置的结构示意图。

图2为使用注射器浸渍的结构简图。

附图标记说明：

1-三颈烧瓶，2-电动搅拌系统，3-抽真空系统，4-进液系统，5-超声波清洗机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本实用新型。

如图1所示，本实用新型的一种实验用真空超声波浸渍装置，其包括一个用于盛装载体和浸渍液并用于浸渍载体的浸渍容器，即三颈烧瓶1，三颈烧瓶1位于两侧的支口分别与进液系统4和抽真空系统3密封连接，三颈烧瓶1位于中间的支口与电动搅拌系统2密封连接，三颈烧瓶的下端设有超声波清洗机5，三颈烧瓶部分没入超声波清洗机水槽内。

所述进液系统4为一个分液漏斗，分液漏斗伸入三颈烧瓶内部的下玻璃管与三颈烧瓶的支口经橡胶塞密封。

抽真空系统3为真空抽滤泵，抽真空系统3依次经橡胶管、伸入三颈烧瓶的玻璃管与三颈烧瓶的支口连接，橡胶管与玻璃管密封连接，玻璃管与三颈烧瓶的支口经橡胶塞密封。

电动搅拌系统2的搅拌器伸入三颈烧瓶，搅拌器与三颈烧瓶的支口经橡胶塞密封。

所述抽真空系统3设有用于显示装置内部真空度的压力表。

三颈烧瓶可以替换为抽滤瓶或带胶塞的注射器。如图2所示为使用注射器浸渍的结构简图。使用时，注射器拔下推杆，加入载体，把推杆推到最紧处，使内部空气体积最小。注射器尖端插入橡胶塞中，拉推杆至最大刻度处，使内部达到最大真空度。注射器尖端和橡胶塞浸入浸渍液中，稍稍拔下橡胶塞，使浸渍液吸入注射器内，刚刚能没过载体最好，插紧橡胶塞。注射器头朝下放入超声波清洗机，等待一段时间即可完成浸渍。这就是较简易的真空浸渍装置。

以下实施例中使用的仪器及型号：

实验用电感耦合等离子体发射光谱仪为PerkinElmer(铂金埃尔默)公司生产；型号为 Optima 2100DV。

实验用超声波发生器为固特超声机械超声清洗机，型号VTG-1860QT，输出功率150W、超声波频率40KHZ、加热功率300W。

实验用真空泵为浙江台州求精真空泵有限公司生产的SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵。

实施例中使用三颈烧瓶作为浸渍容器。

实施例1

配制100mL含20g硝酸镍和20g硝酸钴的混合溶液，装入分液漏斗中，把50g镁铝尖晶石载体加入三颈烧瓶中，如图1组装完系统，检查密闭性。用真空泵抽真空，至压力不再降低，使用循环水式真空抽虑泵，计示压力达到-0.09MPa，即绝对压力0.01MPa，保持3分钟，即可旋开分液漏斗旋钮，使钴镍混合液缓缓加入三颈烧瓶中，不等分液漏斗的溶液流完关闭旋钮，以防空气从分液漏斗进入三颈烧瓶。打开电动搅拌器，适当搅拌，转速50r/min。保持真空泵一直工作，打开超声波清洗机(超声波清洗机的超声波频率为40KHZ，功率150W)。浸渍时长30min。把浸渍液倾倒掉，载体烘干、焙烧最后制得催化剂C1。

实施例2

配制100mL含20g硝酸镍和20g硝酸钴的混合溶液，装入分液漏斗中，把50g镁铝尖晶石加入三颈烧瓶中，如图1组装完系统，检查密闭性。用真空系统抽真空，至压力不再降低，实验压力为-0.09MPa，保持3分钟，即可旋开分液漏斗旋钮，使钴镍混合液缓缓加入三颈烧瓶中。保持真空泵一直工作，打开超声波清洗机施加超声波辐照(超声波清洗机的超声波频率为40KHZ，功率范围150W)。浸渍时间30min。把浸渍液倾倒掉，载体烘干、焙烧最后制得催化剂C2。

对比例1

配制100mL含20g硝酸镍和20g硝酸钴的混合溶液，装入分液漏斗中，把50g镁铝尖晶石加入三颈烧瓶中，如图1组装完系统，检查密闭性。用真空系统抽真空，至压力不再降低，保持3分钟，即可旋开分液漏斗旋钮，使钴镍混合液缓缓加入三颈烧瓶中。浸渍时间30分钟。把浸渍液倾倒掉，载体烘干、焙烧最后制得催化剂D1。

对比例2

配制100毫升含20克硝酸镍和20克硝酸钴的混合溶液，装入分液漏斗中，把50g镁铝尖晶石加入三颈烧瓶中，如图1组装完系统，即可旋开分液漏斗旋钮，使钴镍混合液缓缓加入三颈烧瓶中。打开电动搅拌器，适当搅拌，转速50转每分钟。打开超声波清洗机(超声波清洗机的超声波频率为40KHZ，功率150W)。浸渍时长30分钟。把浸渍液倾倒掉，载体烘干、焙烧最后制得催化剂D2。

对比例3

配制100毫升含20克硝酸镍和20克硝酸钴的混合溶液，装入分液漏斗中，把50g镁铝尖晶石加入三颈烧瓶中，如图1组装完系统，即可旋开分液漏斗旋钮，使钴镍混合液缓缓加入三颈烧瓶中，浸渍30分钟。把浸渍液倾倒掉，载体烘干、焙烧最后制得催化剂D3。

将上述不同实验的成品催化剂破碎，观察截面：C1被完全浸透，几乎无白芯；C2几乎被完全浸透，只有极少白芯；D1未被完全浸透，有约1/4直径的白芯；D2未被完全浸透，有约1/4直径的白芯；D3浸渍效果最差，有约1/2直径的白芯。

为进一步探讨浸渍效果，把成品催化剂外环约1.5mm厚的外层和中间直径约3mm的内芯分开，用电感耦合等离子体光谱仪(简称ICP)分析活性组分镍钴含量并计算出其加和，测定结果如下表1。

表1催化剂样品金属含量

ICP测量结果为：C1的内芯和外环钴镍的浸渍量接近，且量最大；C2的内芯和外环钴镍的浸渍量也很接近，浸渍总含量稍低于C1浸渍量；D1、D2、D3内芯钴镍浸渍量明显低于外环的浸渍量，且外环浸渍量和内芯浸渍总量明显低于C1浸渍量。ICP分析结果进一步说明了真空浸渍和超声波辐照配合使用会使活性组分很好地渗透到载体内表面，二者强强联合会使浸渍效果达到最佳。