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沸石分子筛的制备工艺

发布时间:2019-03-14     浏览次数:958

分子筛是一类具有均匀微孔,主要由硅、铝、氧及其它一些金属阳离子构成的吸附剂或薄膜类物质,其孔径与一般分子大小相当,据其有效孔径来筛分各种流体分子。

沸石分子筛是指那些具有分子筛作用的天然及人工合成的晶态硅铝酸盐。沸石分子筛由于其特有的结构和性能,已成为了一门独立的学科,沸石分子筛的应用已遍及石油化工、环保、生物工程、食品工业、医药化工等领域。作为离子交换材料、吸附剂、催化剂等,在化学工业、石油化工等领域发挥着重要作用。随着新材料领域和电子、信息等行业的不断发展,其使用范围已经跳出传统行业,在诸如新型异形分子筛吸附剂、催化剂和催化蒸馏元件、气体和液体分离膜、气体传感器、非线性光学材料、荧光材料、低介电常数材料和防腐材料等方面得到应用或具有潜在的应用前景。因此,沸石分子筛的制备方法也越来越受到人们的关注。

就目前发展现状来看,沸石分子筛传统的制备方法主要包括水热法、高温合成法、蒸汽相体系合成法等,但随着组合化学技术在材料领域应用的不断扩大,20世纪90年代末人们将组合化学的概念与沸石分子筛水热法结合,建立了组合水热法。将组合化学技术应用到沸石分子筛水热合成之中,加快了合成条件的筛选与优化。

1. 组合化学水热法

组合化学是一种能建立化学库的合成方法,其大的优势是能在短时间内合成大量的化合物,从而达到快速、高效合成与筛选的目的。水热法合成沸石分子筛及相关材料,要考察的因素比较多,包括多种反应原料的选择及配比、反应温度及反应时间等。使用组合化学法可以减轻实验工作量和劳动强度,大大提高工作效率。

利用组合化学水热法制备沸石分子筛,设计了一种组合反应釜,即在圆形聚四氟乙烯片上钻100个小孔,然后在其上、下表面分别用不锈钢片夹紧,形成100个水热反应器,将不同配比的水热合成液分别置于各反应器中。在一定条件下,和传统水热法一样合成沸石分子筛。他们对Na2O-Al2O3-SiO2-H2O的四组分体系进行了考察,比较了使用传统的水热法和组合水热法的差别,证实了组合化学的高效性和快速筛选性。在此基础上,科学家对组合水热法进行了改进,设计出易于自动化X射线衍射测定的装置,并用这种方法对TS-1分子筛的合成配方进行了筛选。

组合化学水热法在分子筛的制备和无机材料合成方面已有一定的应用,但其应用还很有限。同时,要利用组合化学水热法,具备以下特点:(1)每次合成要产生出尽可能多的平行结果;(2)减少每组试样量;(3)增加合成与表征过程中的自动化程度;(4)实验过程与计算机充分结合,提高实验效率。


2. 气相转移法

2.1 气相转移法制备分子筛粉末

气相转移法可用于制备MFIFERMOR等结构的沸石分子筛。Zhang等利用气相转移法合成了ZnAPO-34SAPO-34分子筛,证明水是气相法合成磷铝分子筛不可缺少的组分。后来,也有人利用气相法合成了AFIAEI的磷铝分子筛,验证了水在合成过程中的作用。在n(P2O5)/n(Al2O3)=1时,分别用三乙胺和二正丙胺与水作为模板剂合成了AlPO4-5AlPO4-11分子筛。

用气相转移法合成ZSM-22沸石分子筛,分别使用三丁醇铝和金属铝作为铝源,同时对采用不同的有机胺与水作为液相部分(模板剂)进行了考察。发现当使用乙二胺和水作为液相部分时,可以成功地合成ZSM-22沸石分子筛。

2.2 气相转移法用于分子筛成型

利用气相转移法制备了无支撑体的ZSM-22分子筛膜,把分子筛合成液蒸干水分形成干胶,然后干胶在一定压力下压制成膜,在乙二胺(EDA)和水蒸气的作用下反应。所得的分子筛膜在1-丁烯转化为异丁烯的异构化反应中,转化率和选择性都很高。

用气相法在蜂窝陶瓷上制备了ZSM-5分子筛膜,首先制备不含模板剂的ZSM-5分子筛合成液,把经过预处理的蜂窝陶瓷在合成液中浸泡20 min,然后把蜂窝陶瓷取出后搁置在气相反应釜中,釜底加入一定量的正丁胺与水作为模板剂,在一定条件下制备出负载ZSM-5分子筛的蜂窝陶瓷,分子筛在蜂窝陶瓷上的负载量通过称重法进行计算。

3. 干胶法

3.1 干胶法制备分子筛粉末

干胶法可以用于合成AlPO4-5AlPO4-11SAPO-5SAPO-11磷铝分子筛。当用干胶法制备[Al]-SSZ-31分子筛时,在相同的合成条件下,不同的n(Na2O)/n(SiO2)对合成产物有显著的影响。当n(Na2O)/n(SiO2)0.05~0.12时,能生成纯的[Al]-SSZ-31分子筛;当n(Na2O)/n(SiO2)减小时,则生成纯的MFI

构分子筛;当n(Na2O)/n(SiO2)增大时,生成BEA结构分子筛。同样的干胶组分,在不同的合成条件下得到不同结构的分子筛,当干胶在448K下反应36h,得到MFI结构分子筛;423K下反应46h,得到BEA结构分子筛;423K下反应48h后,然后升温到448K继续反应12h,得到[Al]-SSZ-31分子筛。Bhaumik等用干胶法合成了Si-NU-1分子筛和不含钠、铝的Ti-NU-1分子筛。制备时不用引入晶种或促进剂,而且使用较少量的有机模板剂(四甲基氢氧化铵)。

3.2 干胶法用于分子筛成型

在分子筛成型方面,利用干胶法制备了无粘结剂的ZSM-5球形颗粒,把一定量的硅源、铝源、碱金属氢氧化物、有机模板剂和去离子水充分混合干燥后形成干胶,然后把无定形干胶在一定压力(0.01~1MPa)下压制成型,在水蒸气中反应一定时间得到ZSM-5分子筛,所得沸石分子筛具有和合成前相同的形状。用同样的方法制备了无粘结剂的丝光沸石和ZSM-11球形颗粒。

后来,在用干胶法制备纳米沸石分子筛的基础上,又制备了中空沸石分子筛小球,首先制备粒径为20nm左右的分子筛晶体,然后在氨水的乙醇溶液中超声处理一段时间,得到自组装的直径在100~300nm、壁厚为20nm左右的中空沸石分子筛球状颗粒。