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SAPO-34/18分子筛合成的影响因素研究*

更新时间:2009-03-28

SAPO系列分子筛是具有可交换阳离子以及新型晶体结构的分子筛,具备良好的热稳定性和水热稳定性。硅铝磷酸盐是将硅(Si)引入到磷酸铝骨架中,表面有足够的强酸中心,其骨架是由SiO2、AlO2-、PO2+四面体组成[1-5]。SAPO系列分子筛物化性能优异,深受国内外学术界以及工业界的高度重视。目前,SAPO-34具有中等酸性和特殊孔道结构[6],在MTO反应中表现出很高的低碳烯烃选择性[7-8]。将其应用于丁烯裂解反应中,能够获得较高的丙烯收率,但是SAPO-34分子筛催化剂极易失活,因此延长催化剂寿命是亟待解决的问题。在沸石分子筛不断发展的前提下,出现了对共晶分子筛的研究。共晶分子筛在新材料开发和应用研究中占有重要地位,它的出现丰富了分子筛的种类,避免了单一孔道的缺陷,同时提供尺寸不同的孔道,在大分子吸附和催化方面有更为广阔的应用前景[9-10]。但以共晶形式存在的复合分子筛种类并不是很多,典型的代表是ZSM-5/ZSM-11共结晶分子筛,其应用技术也日渐成熟[11-12]。而SAPO-34/18共晶分子筛目前被认为是丁烯裂解制丙烯反应中选择性及稳定性最好催化剂之一[13]

SAPO-34/18共晶分子筛采用水热合成的方法[14],分子筛合成的影响因素有很多,如晶化时间、晶化温度、晶化方式、模板剂含量、硅含量、升温速率、加料顺序、搅拌速率等。这些因素影响晶化速度以及产品纯度[15],其中模板剂含量是制约催化性能和降低合成成本的重要因素[16]。因此作者系统考察了晶化时间、晶化温度、晶化方式、升温速率、模板剂含量对分子筛合成的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

磷酸:质量分数85%,沈阳市华东试剂厂;去离子水:自制;四乙基氢氧化铵(TEAOH):质量分数25%,盐城泛安化学有限公司;拟薄水铝石:质量分数30%,淄博市周村同洁化工有限公司;硅溶胶:质量分数25%,青岛海洋化工有限公司。

X射线衍射仪:D/max-3C,日本理学公司;扫描电子显微镜:EVOMA25,德国卡尔蔡司。

1.2 合成方法

将磷酸、去离子水、四乙基氢氧化铵、拟薄水铝石、硅溶胶依次按一定配比混合,搅拌均匀。倒入带聚四氟乙烯内衬的反应釜中,在115~200 ℃的温度下晶化48~120 h。晶化结束后,进行抽滤、洗涤。洗涤后在约100 ℃烘干,而后在550 ℃高温下焙烧5 h,得到SAPO-34/18共晶分子筛样品。

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按照上述方法合成SAPO-34/18分子筛的初始凝胶,将最终组成为n(SiO2)∶n(Al2O3)∶n(P2O5)∶n(H2O)∶n(TEAOH)=0.15∶1∶1∶35∶1的合成凝胶平均分成四份,分别放入四个带有聚四氟乙烯内衬的钢制反应釜中密封,然后将反应釜放入晶化箱中,晶化结束后,冷却至室温,用去离子水洗涤、过滤、在100 ℃下干燥12 h,并且在550 ℃下焙烧5 h,得到不同条件下合成的分子筛样品。

2 结果与讨论

2.1 晶化时间的影响

在升温速率为5 ℃/h,晶化温度为165 ℃,晶化时间分别为48、72、96、120 h条件下,考察晶化时间对合成样品的影响。

2.1.1 不同晶化时间合成分子筛XRD衍射分析

不同晶化时间合成分子筛的XRD谱图见图1。

  

2θ/(°)图1 不同晶化时间合成分子筛的XRD谱图

由图1可见,t=48 h时样品的XRD衍射峰不明显,结晶度不好,有无定型存在;随着晶化时间的增加,样品的XRD衍射峰越来越明显。t=72 h时样品已经具备了CHA/AEI(SAPO-34/18)共晶骨架结构的特征衍射峰,且衍射峰强度明显高于t=48 h时的样品。而t=96 h、t=120 h的样品结晶度相差不大,均为SAPO-34/18分子筛。所以在考察范围内,SAPO-34/18分子筛合成的最佳晶化时间为72 h。

2.1.2 不同晶化时间合成分子筛SEM电镜分析

不同晶化时间合成分子筛的SEM图见图2。

  

a t=48 h样品

  

b t=72 h样品

  

c t=96 h样品

  

d t=120 h样品图2 不同晶化时间合成分子筛的SEM图

晶化时间是影响分子筛合成的重要因素之一。由图2a可见,分子筛形态不规整,有很多无定型出现;图2b~2d分子筛样品均可看出其片状形态。结合图1和图2,合成的初始凝胶由于晶化时间的不同,晶化产物的结构很可能不同。对于SAPO-34/18分子筛来说,若晶化时间过短,则会导致晶化不完全,出现无定形;若晶化时间过长,结晶度下降。综上所述,最佳晶化时间为72 h,颗粒尺寸较小且分布均匀。

2.2 晶化温度的影响

[7] 汲永钢.SAPO-34分子筛的合成方法及其辅助合成的研究进展[J].现代化工,2017,37(6):58-63.

为了提高SAPO-34/18共晶分子筛合成的稳定性,作者采用水热合成的方法,相应地改变分子筛的合成条件,较为系统地考察了影响SAPO-34/18共晶分子筛合成的因素,如晶化的时间、晶化温度、晶化方式,升温速率及模板剂含量等。实验表明,采用动态晶化方式以5 ℃/h的升温速率升至165 ℃,在165 ℃下晶化72 h,n(SiO2)∶n(Al2O3)∶n(P2O5)∶n(H2O)∶n(TEAOH)=0.15∶1∶1∶35∶1.2时的合成条件最有利于晶粒的生长,SAPO-34/18共晶分子筛成功率最高,晶化效果最好。

不同晶化方式合成分子筛的XRD谱图见图5。

  

2θ/(°)图3 不同晶化温度合成分子筛的XRD谱图

[5] TAN J,LIU Z M,BAO X H,et al.Crystallization and Si incorporation mechanisma of SAPO-34[J].Microporous and Mesoporous Materials,2002,53:97-108.

2.3 升温速率的影响

[8] BIN Y,PENGBO Z,JINGHONG M,et al.Synthesis of hierarchical SAPO-34 nanocrystals with improved catalytic performance for methanol to olefins[J].Chmical Physics Letters,2016,665:59-63.

不同升温速率合成分子筛的XRD谱图见图4。

(5)政府帮扶农业企业,按市场的竞争机制,通过大企业兼并、联合小企业或建立农村专业合作社的方式建立企业集团,从而推动当地农业快速发展[9]。

由图4可见,四组样品的衍射峰出现位置、衍射强度差别较大,区分明显。从图中可以看出升温速率是逐渐加快的,升温速率为5 ℃/h,可以稳定合成SAPO-34/18共晶分子筛。当升温速率为10 ℃/h,出现了SAPO-5分子筛的杂峰,如图箭头所示。但此时还是有SAPO-34/18共晶分子筛的存在。但当升温速率达到30 ℃/h,此时衍射峰图谱显示为SAPO-5。没有成功合成SAPO-34/18共晶分子筛。升温速率为60 ℃/h,出峰位置与升温速率30 ℃/h样品相同,但是衍射峰强度明显降低,可知样品晶化程度低于30 ℃/h的晶化程度。

利用博罗水文站的洪水水位实测资料分别建立博罗与惠阳、石马河、樊屋水位相关曲线(见图3),同时建立樊屋与石龙(二)、峡口水闸相关曲线(见图3)。

  

2θ/(°)图4 不同升温速率合成分子筛的XRD谱图

升温速率是SAPO-34/18分子筛成功合成的重要条件之一。综上所述,确定SAPO-34/18共晶分子筛合成的最佳升温速率为5 ℃/h。

2.4 晶化方式的影响

与1.2中合成方法不同的是将合成凝胶平均分成两份,分别放入两个带有聚四氟乙烯内衬的钢制反应釜中密封,然后将反应釜分别放入静态、动态晶化箱中,以5 ℃/h的升温速率升至165 ℃,在165 ℃下晶化72 h。考察晶化方式对样品的影响。

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2θ/(°)图5 不同晶化方式合成分子筛的XRD谱图

由图5明显看出两种晶化方式的差别,静态晶化方式得到的样品为SAPO-5分子筛,有少许杂峰。动态晶化方式得到的样品为SAPO-34/18分子筛,且衍射强度也高于静态晶化的样品,说明静态晶化的方式不适合SAPO-34/18分子筛的合成。因此实验过程中,大都采用动态晶化方式,提高产品的晶化成功率。

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2.5 模板剂含量的影响

与1.2中合成方法不同的是最终合成凝胶组成的摩尔比为n(SiO2)∶n(Al2O3)∶n(P2O5)∶n(H2O)∶n(TEAOH)=0.15∶1∶1∶35∶x,其中x=0.6、0.8、1.2、1.4。以5 ℃/h的升温速率升至165 ℃,在165 ℃下晶化72 h,考察了不同模板剂含量对分子筛合成的影响。将合成凝胶样品分别记为1、2、3、4。

不同模板剂含量合成SAPO-34/18的XRD谱图见图6。

  

2θ/(°)图6 不同模板剂含量合成SAPO-34/18的XRD谱图

由图6可见,图谱中的衍射峰的出峰位置大致相同,1、2、3、4样品均为SAPO-34/18分子筛,但是同一衍射角度的衍射峰强度是有差别的。如图箭头所示,样品3中SAPO-34/18分子筛的特征峰强度明显要高于其它,而样品4中SAPO-18的特征峰较其它样品明显。出现这种现象的原因很可能是产生了不同比例的SAPO-34/18的共晶分子筛。衍射峰的偏移和不同程度上的宽化同样说明了此晶体位错的产生。四种模板剂含量均能合成出SAPO-34/18共晶分子筛,但由上述分析可知,n(SiO2)∶n(Al2O3)∶n(P2O5)∶n(H2O)∶n(TEAOH)=0.15∶1∶1∶35∶1.2时,结晶的纯度更高。

3 结 论

不同晶化温度合成分子筛的XRD谱图见图3。

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由图3可见,当t=115 ℃时,产物为无定型。在t≥165 ℃的条件下,均可合成出SAPO-34/18共晶分子筛。t=165 ℃时的样品衍射峰强度明显高于t=180、200 ℃的样品,且此时样品衍射峰的杂峰较少,样品纯净度更高。综上所述,最佳晶化温度为t=165 ℃。

[6] 喜冬阳,颜婷婷,樊旭峰,等.沸石晶体SAPO-34特殊的螺旋式生长结构研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2017 (1):176-183.

“一带一路”建设下,中国与沿线国家和地区的经济、文化沟通越来越密切,开拓“一带一路”沿线国家与地区的出口市场,相对减少了对美国市场的依赖度,实施了市场多元化战略。“一带一路”沿线国家市场潜力巨大,2016年“一带一路”沿线国家GDP总额为12万亿美元,约占世界 GDP总额的16%,人口总和为32.1亿,约占世界总人口的43.4%,对外贸易额的全球占比约为21.7%。

在升温速率为5 ℃/h,晶化时间为72 h,晶化温度分别为115、165、180、200 ℃条件下,考察晶化温度对样品的影响。

生姜汁 (g/100 mL) 75>25>50>100,乳酸链球菌素 (g/100 mL) 0.15>0.05>0.10>0.20,柠檬酸(g/100 mL)0.40>0.70>1.00>1.30,魔芋葡甘聚糖 (g/100 mL) 0.80>1.00>0.60>0.40,海藻酸钠 (g/100 mL) 0.50>1.00>2.00>1.50,甘氨酸 (g/100 mL) 0.05>0.10>0.15>0.20。

在升温速率分别为5、10、30、60 ℃/h、晶化时间为72 h,晶化温度为165 ℃条件下,考察升温速率对样品的影响。

[9] 于杰,马波,张志智,等.复合分子筛的合成及表征研究进展[J].化工进展,2007,26(11):1554-1558.

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大部分90后大学生本就是备受父母宠爱的独生子女,他们又恰好成长于中国个体化进程方兴未艾的时代,难免受到畸形自我文化的浸染,衍生出以自我为中心的利己心理。 在这种心理影响之下,大学生群体极易产生唯我独尊的心态,即一切从自我出发,自我意识膨胀,有意无意地忽视他人的主体地位,将他人或集体视为客体和为自己服务的工具。 这种集体意识和集体责任感缺乏,一切以自我为中心的大学生群体,即就是我国著名的心理学家武志红所批判的“巨婴”。 这些“巨婴”过度关注自身得失和悲喜,不仅难以真正融入集体,更难以理解和认同集体主义所倡导的价值原则。

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宋洋,李秀伟,胡云峰
《化工科技》 2018年第02期
《化工科技》2018年第02期文献

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