纳米ZSM-5分子筛的酸脱铝改性及其催化萘和甲醇的烷基化反应性能

纳米ZSM-5分子筛的酸脱铝改性及其催化萘和甲醇的烷基化

反应性能

王文静;武光;吴伟;王高亮;昝望;戚鑫

【摘要】分别采用盐酸、草酸、柠檬酸对晶种引导的无模板剂合成的纳米ZSM-5分子筛进行脱铝改性,利用XRD、N2吸附-脱附、27Al NMR、XRF、NH3-TPD、Py-IR等方法对其进行表征,并考察了不同种类的酸脱铝对ZSM-5分子筛的结构、酸性及其催化萘与甲醇的烷基化反应性能的影响.结果表明,盐酸、柠檬酸与草酸均可脱除分子筛的骨架铝和非骨架铝,但3种酸对分子筛的脱铝程度不同.纳米ZSM-5分子筛经酸脱铝后,在脱除了部分强酸中心的同时产生了一定比例的二次介孔,有效地改善了反应物和产物的扩散性能,使催化萘与甲醇的烷基化反应的萘转化率、2,6-二甲基萘(2,6-DMN)选择性和产物中n(2,6-DMN)/n(2,7-DMN)均有不同程度的提高,并且表现出更强的抗失活能力.

【期刊名称】《石油学报(石油加工)》

【年(卷),期】2014(030)004

【总页数】9页(P620-628)

【关键词】纳米分子筛;ZSM-5;酸脱铝;烷基化;2,6-二甲基萘

【作者】王文静;武光;吴伟;王高亮;昝望;戚鑫

【作者单位】黑龙江大学催化技术国际联合研究中心,高效转化的化工过程与技术黑龙江普通高校重点实验室,化学化工与材料学院,黑龙江哈尔滨150080;黑龙江大学催化技术国际联合研究中心,高效转化的化工过程与技术黑龙江普通高校重点实

验室,化学化工与材料学院,黑龙江哈尔滨150080;黑龙江大学催化技术国际联合研究中心,高效转化的化工过程与技术黑龙江普通高校重点实验室,化学化工与材料学院,黑龙江哈尔滨150080;黑龙江大学催化技术国际联合研究中心,高效转化的化工过程与技术黑龙江普通高校重点实验室,化学化工与材料学院,黑龙江哈尔滨150080;黑龙江大学催化技术国际联合研究中心,高效转化的化工过程与技术黑龙江普通高校重点实验室,化学化工与材料学院,黑龙江哈尔滨150080;黑龙江大学催化技术国际联合研究中心,高效转化的化工过程与技术黑龙江普通高校重点实验室,化学化工与材料学院,黑龙江哈尔滨150080

【正文语种】中文

【中图分类】TQ426.94

聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)是一种新型聚酯材料,具有优越的机械性能、耐热性、阻气性和化学稳定性,在电子元件、仪器仪表、绝缘材料以及航天航空和原子能材料等制造行业具有非常广阔的应用前景[1-2]。然而,由于 PEN 的单体原料2,6-二甲基萘(2,6-DMN)的生产工艺复杂、成本较高,已成为制约PEN 发展的关键[3-4]。目前,通过萘的烷基化反应一步法直接制备2,6-DMN是最合理的技术路线,但是该反应的产物复杂,仅二甲基萘(DMN)就有10种异构体,并且这些异构体沸点接近,特别是2,6-DMN 与2,7-DMN 的沸点仅相差0.3℃,分离提纯难度大,因此开发高选择性催化剂是实现一步法生产2,6-DMN的关键。分子筛由于具有规整孔道结构和可调变的酸性,可用作萘或2-甲基萘一步法制备2,6-DMN的催化剂,但由于分子筛孔道及酸性的不同,其催化萘的烷基化反应结果也表现出很大差异。在Hβ、HY等大孔分子筛上选择性合成2,6-DMN时发现,由于这些分子筛的孔径相对较大(0.7nm左右),产物的扩

散阻力减小,对萘或甲基萘烷基化反应的催化活性较高,但由于孔道对生成动力学尺寸较大的DMN异构体的约束作用减弱,因此2,6-DMN的选择性较低;以甲

醇为烷基化试剂,萘在HY分子筛催化下的转化率和2,6-DMN的选择性分别为48%和13%,接近热力学平衡组成的12%[5-6]。以Hβ分子筛为催化剂时,甲基萘的烷基化产物中2,6-DMN和2,7-DMN占产物中DMN的质量分数分

别为16.9%和16.4%[7]。具有一维线性直孔道的 HM 和ZSM-12分子筛在萘

的烷基化反应中表现出较高的催化活性和对2,6-DMN的选择性,而且通过改性

可以进一步改善其催化性能,但是这类分子筛较易积炭失活[8]。

与其他分子筛相比,具有MFI拓扑结构的ZSM-5分子筛催化2-甲基萘(2-DMN)的烷基化反应中,2,6-DMN具有更高的选择性,当2-甲基萘的转化率为 25.1% 时,DMN 产物中 2,6-DMN 和2,7-DMN 的质量分数分别为 26.2% 和21.6%[9],但是DMN收率只有9.9%。若要2,6-DMN的质量分数提高到27.8%,与其难分离的2,7-DMN的质量分数也相应地提高到27.6%,而且需要

将甲基萘(MN)的转化率降低到5%[7]。

与微米尺度的分子筛相比,纳米ZSM-5分子筛具有更大的外比表面积和更多的外

表面酸性位[10],更有利于大分子化合物的活化及进一步转化;另一方面,纳

米分子筛具有更多暴露的孔口[11],而且孔道短,扩散阻力小,有利于反应物

或产物分子快速进出分子筛孔道,提高反应的转化率、降低反应深度、减少积炭[12-14],已成为当今分子筛领域研究的热点。采用二正丁胺为模板剂合成的

纳米ZSM-5分子筛对萘的烷基化反应表现出良好的催化性能,通过Zr同晶置换

等方法进行改性后,可以大幅度地提高2,6-DMN 的选择性[15-16]。但是,在合成纳米ZSM-5分子筛过程中使用大量的有机模板剂不仅会提高分子

筛的生产成本,而且还造成环境污染。采用预晶化晶种引导法合成纳米ZSM-5分

子筛,可以大幅度地降低有机模板剂的用量[17],在此基础上再进行酸脱铝改

性,可以改变分子筛的孔分布及其酸性位分布,并可通过改变酸浓度[18]、酸

处理条件[19]等方法控制脱铝程度,还可以通过改变酸的种类,选择性地脱除

分子筛中的骨架铝(FAl)或非骨架铝(EFAl)物种[20-21]。目前,关于酸脱铝对纳米ZSM-5分子筛性能影响的报道还很少[22],而不同酸脱铝改性后的纳米ZSM-5分子筛用于萘的烷基化反应的研究还未见报道。

笔者采用预晶化晶种引导法合成了纳米ZSM-5分子筛,再分别采用盐酸、草酸和柠檬酸对离子交换后的纳米HZSM-5分子筛进行脱铝改性,并利用一系列物理化

学方法表征改性前后的分子筛结构和酸性,考察了脱铝分子筛的结构和酸性对其催化萘和甲醇的烷基化反应性能的影响规律。

1 实验部分

1.1 试剂

盐酸(36.38%),分析纯,天津市耀华化工厂产品;草酸(C2H2O4),分析纯,天津市化学试剂一厂产品;柠檬酸(C6H8O7·2H2O)、甲醇(CH3OH),分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司产品;萘(C10H8),分析纯,天津市光复

精细化工研究所产品;偏三甲苯(C9H12),工业级,中国石油锦州石化公司产品。

1.2 催化剂的制备

采用预晶化晶种引导法[17]合成了n(Si)/n(Al)为20.4的纳米ZSM-5分

子筛,样品记为NZ5。分别采用浓度为1.0mol/L的盐酸、2.0mol/L的草酸和

2.0mol/L的柠檬酸溶液对NZ5进行脱铝处理,固/液质量比1/15,在回流温度下处理12h。样品在110℃下干燥过夜,再于500℃下焙烧3h,得到酸脱铝改性的

纳米ZSM-5分子筛样品,依次记为 NZ5-A1、NZ5-A2 和 NZ5-A3。

1.3 催化剂的表征

采用德国Bruker公司D8ADVANCE型X射线粉末衍射仪对催化剂样品进行物相

分析(XRD)。CuKα射线(λ=0.15406nm),石墨单色器,加速电压40kV,

管电流40mA,2θ扫描范围5°~55°。采用德国Bruker公司SRS3400型X射线荧光光谱仪分析分子筛样品的化学组成(XRF)。采用美国Quantachrome公司Autosorb-1-MP型全自动比表面积及孔隙度分析仪测定样品的比表面积和孔径。测试前样品经过300℃下真空脱气4h,用t-Plot法计算催化剂的微孔体积和微孔比表面积,用BET法计算样品总的比表面积。在Varian公司Infinity plus

300WB核磁共振谱仪上测定样品的27 Al MAS NMR谱,共振频率104.26MHz,脉冲0.6μsπ/12,扫描速率8kHz,旋转延迟3s,扫描128次。采用大连理工大

学研制的氨程序升温脱附仪测定催化剂的酸性(NH3-TPD)。载气 He气,流

速40mL/min,升温速率10℃/min。脱附的NH3用蒸馏水吸收后用标准的HCl

溶液进行滴定,计算吸收的NH3量,即为酸中心数。采用美国PE公司Spectrum 100型傅里叶变换红外光谱仪测定样品的FT-IR和Py-IR谱。取少量待测样品研磨,制成自撑片,置于红外池中进行本底扫描,获得FT-IR谱。再将红外池置于真空吸附系统中,真空度达到1.0×10-2后,升温至300℃真空活化2h,冷却至室温后吸附吡啶5min,再将样品于150℃下真空脱附1h,待冷却后扫描

样品,得到Py-IR谱。

1.4 催化性能评价

采用固定床微型反应器(内径为8mm)进行萘与甲醇的烷基化反应,评价催化

剂活性。催化剂装填量1.0g、反应温度420℃、压力3.0MPa、质量空速 MHSV

=0.5h-1,原料为萘、甲醇、偏三甲苯摩尔比为1∶2∶8的混合液。催化剂首先在N2气氛中(70mL/min)500℃吹扫1h,降至反应温度后,由微量计量泵连

续进料,产物流出反应体系的时刻开始记录反应时间。

采用Angilent GC-6890N型气相色谱仪分析产物组成,配有日本SHINWA WCOT PLC型毛细管色谱柱(50.0m×0.25μm×0.25μm),FID检测器。用萘

的转化率、2,6-DMN的选择性(2,6-DMN占 DMN的摩尔分数)、n(2,

6-DMN)/n(2,7-DMN)评价改性前后纳米HZSM-5分子筛的催化性能。

2 结果与讨论

2.1 酸脱铝对纳米ZSM-5分子筛物化性能的影响

2.1.1 对结构的影响

纳米ZSM-5分子筛经酸脱铝改性前后样品的XRD谱如图1所示,化学组成及相

对结晶度(CR)列于表1。

图1 纳米ZSM-5分子筛及不同酸脱铝后样品的XRD谱Fig.1XRD patterns of ZSM-5nanocrystals before and after dealumination with different acids(1)NZ5;(2)NZ5-A1;(3)NZ5-A2;(4)NZ5-A3

由图1和表1可见,酸脱铝后的样品仍然保持MFI拓扑结构,表明酸处理并没有

破坏分子筛的骨架结构;脱铝后样品的结晶度有不同程度的提高,这是酸处理洗脱了样品中的非骨架铝等无定型物种的结果;盐酸和草酸处理后ZSM-5分子筛体相的n(Si)/n(Al)明显增大,说明脱铝程度提高。

采用不同酸处理的纳米ZSM-5分子筛的FT-IR谱数据以及通过T—O—T对称伸

缩振动峰波数计算得到每克样品中含骨架铝的量(QFAl)如表1所示。550cm-

1附近的谱峰归属为ZSM-5分子筛的双五元环面内伸缩振动峰[23],1225cm

-1附近的谱峰归属为SiO4 四面体的反对称伸缩振动峰[24-25],800和1100cm-1波数处分别归属为T—O—T不对称和对称伸缩振动峰[26-27]。542~553cm-1、791~803cm-1和1091~1108cm-1处振动峰的波数值与分子筛骨架铝含量具有线性关系,随着骨架铝含量的减少,这些峰向高波数处移动,说明不同酸处理均脱除了部分骨架铝,因此可以通过FT-IR谱获得分子筛骨架铝含量变化信息。盐酸脱铝改性样品NZ5-A1的QFAl值最小,说明盐酸具有强的脱

除骨架铝的能力,柠檬酸次之;草酸脱铝的样品NZ5-A2的骨架铝含量在脱铝样

品中最高,说明草酸脱除的铝物种以非骨架铝为主。

表1 纳米ZSM-5分子筛及不同酸处理后样品的相对结晶度(CR)、n(Si)/n (Al)及其FT-IR数据Table 1 Relative crystallinity(CR),n(Si)/n(Al)and FT-IR data of ZSM-5nanocrystals before and after dealumination with different acids1)-4)The SiO4asymmetric stretching,T—O—T asymmetric stretching,T—O—T symmetric stretching and double ring stretching,respectively;5)Calculated by QFAl=(1108.3-ν2)/14.48[26]Sample CR/% Acid n(Si)/n(Al) FT-IR frequency of bands/cm -1QFAl5)/ν11)ν22)ν33)ν44)(mmol Al·g-1)NZ5 77 —96 Citric acid 21.8 1226 1101 799 549 0.50 20.4 1224 1096 796 545 0.85 NZ5-A1 94 HCl 26.0 1226 1102 801 547 0.44 NZ5-A2 100 Oxalic acid 27.0 1225 1099 802 549 0.64 NZ5-A3

图2和表2分别为改性前后纳米ZSM-5分子筛的吸附脱附等温线和比表面积及孔体积数据。由表2可见,盐酸和柠檬酸处理后样品(NZ5-A1和NZ5-A3)由于脱除了较多的骨架铝,介孔体积明显增大;草酸处理后样品(NZ5-A2)的微孔和介孔体积略有增加,可能是由于草酸处理后洗脱了分子筛孔道内的非骨架铝物种,疏通了孔道所致,与FT-IR表征结果一致。

采用不同酸处理的纳米ZSM-5样品的27 Al MAS NMR谱如图3所示。从图3可见,纳米ZSM-5分子筛在化学位移54和0处均出现1个峰,分别归属于四面体的骨架铝和八面体的非骨架铝物种[25];脱铝后的样品在化学位移0处的峰基本消失,表明酸处理同时脱除了分子筛体系中的八面体非骨架铝。

图2 纳米ZSM-5分子筛及不同酸脱铝后样品的N2吸附-脱附等温线Fig.2

N2adsorption-desorption isotherms of ZSM-5 nanocrystals before and after dealumination with different acids(1)NZ5;(2)NZ5-A1;(3)

NZ5-A2;(4)NZ5-A3

表2 纳米ZSM-5分子筛及不同酸脱铝后样品的比表面积与孔容Table 2 BET surface areas and pore volumes of the ZSM-5nanocrystals before and after dealumination with different acidsSBET/(m2·g-1)Sample Vp/(cm3·g-1)BET External Micropore Total Micropore Mesopore NZ5 389 71 318 0.26 0.13 0.13 NZ5-A1 364 71 293 0.30 0.12 0.18 NZ5-A2 408 79 329 0.28 0.14 0.14 NZ5-A3391 75 316 0.31 0.13 0.18

图3 纳米ZSM-5分子筛及不同酸脱铝后样品的27Al MAS NMR谱Fig.3 27 Al MAS NMR profiles of the ZSM-5nanocrystals before and after dealumination with different acids(1)NZ5;(2)NZ5-A1;(3)NZ5-A2;(4)NZ5-A3

2.1.2 对形貌的影响

图4为纳米ZSM-5分子筛及不同酸脱铝后样品的SEM照片。

从图4可见,纳米ZSM-5分子筛为立方晶粒的聚集体,单个晶粒尺寸为50~

100nm左右。用酸处理后的分子筛的规整性均下降,而且盐酸与柠檬酸处理后单个晶粒的粒径呈减小趋势,聚集程度提高。

2.1.3 对酸性的影响

酸脱铝改性前后纳米ZSM-5分子筛的NH3-TPD谱示于图5,它们的红外光谱(Py-IR)示于图6,相应的定量分析结果列于表3。

由图5和表3看到,酸脱铝后样品的2个NH3脱附峰对应的温度均有所降低,峰强度也降低,表明酸处理不仅脱除了分子筛骨架铝提供的部分强酸中心,也不同程度地洗脱了部分非骨架铝物种提供的弱酸中心,致使脱铝样品的强酸量和弱酸量均有一定程度的减少。其中,盐酸处理后样品的弱酸量和强酸量减少的幅度最大,这是由于盐酸同时脱除了更多具有强酸性的骨架铝和具有弱酸性的非骨架铝;用柠檬

酸和草酸处理后的样品强酸中心和弱酸中心的酸量降低幅度均依次减小,脱铝程度依次降低,这也与FT-IR表征结果相一致。

图4 纳米ZSM-5分子筛及不同酸脱铝后样品的SEM照片Fig.4 SEM images of ZSM-5nanocrystals before and after dealumination with different acids(a)NZ5;(b)NZ5-A1;(c)NZ5-A2;(d)NZ5-A3

图5 纳米ZSM-5分子筛及不同酸脱铝后样品的NH3-TPD曲线Fig.5 NH3-TPD profiles of the ZSM-5nanocrystals before and after dealumination with different acids

图6 纳米ZSM-5分子筛及不同酸脱铝后样品的Py-IR谱Fig.6 Py-IR profiles of ZSM-5nanocrystals before and after dealumination with different acids(1)NZ5;(2)NZ5-A1;(3)NZ5-A2;(4)NZ5-A3

由图6和表3看到,各样品在1540和1450cm-1左右均出现分别代表B酸中

心和L酸中心的特征吸收峰[28];3种酸脱铝后分子筛的B酸量均有不同程度

的降低,样品NZ5-A1的B酸量降低的幅度最大,这是由于盐酸脱除提供B酸位

的骨架铝的能力最强。草酸与柠檬酸在脱除非骨架铝的同时通过鳌合作用也脱除了分子筛部分骨架铝提供的B酸位[29-30]。

表3 纳米ZSM-5分子筛及酸脱铝后样品的NH3-TPD和Py-IR数据Table 3 The data of NH3-TPD and Py-IR of ZSM-5nanocrystals before and after dealumination with different acids1)Low temperature peak in NH3-TPD;2)High temperature peak in NH3-TPDTpeak/℃Sample Acid amount/(mmol·g-1)LT peak1) HT peak2)Total Weak Strong B/L Brönsted Lewis NZ5 214 424 1.76 0.79 0.97 1.59 0.17 9.4 NZ5-A1 206 391

0.96 0.32 0.64 0.83 0.13 6.4 NZ5-A2 195 400 1.54 0.77 0.77

1.38 0.16 8.4 NZ5-A3210 402 1.31 0.55 0.76 1.16 0.15 7.9

2.2 酸脱铝对纳米ZSM-5分子筛催化萘烷基化反应性能的影响

不同酸处理前后的纳米ZSM-5分子筛用于催化萘与甲醇的烷基化反应,结果示于图7。由图7(a)可见,在催化萘与甲醇烷基化反应中,NZ5具有较高的初始催

化活性,萘转化率达到71.6%,但随着反应的进行,由于在强酸性位上发生积炭,其失活较为明显,在反应5h后萘转化率下降至46.3%。由于酸脱除了部分强酸中心,改性后分子筛的抗失活能力有不同程度的提高,以NZ5-A1、NZ5-A2和

NZ5-A3为催化剂时,反应5h后萘转化率仅分别降低了8.3、8.1和15.5百分点。尽管盐酸改性的NZ5-A1样品的酸量最低,但是以该样品为催化剂时,萘转化率

最高,这是由于NZ5-A1样品在脱除骨架铝的同时产生了一定量的二次介孔,有

效地改善了反应物和产物的扩散性能,与栗同林等[31]报道的酸脱铝改性的丝

光沸石催化萘与丙烯的烷基化反应结果一致。草酸和柠檬酸脱铝后的样品NZ5-A2和NZ5-A3催化萘的烷基化反应的初始活性略低于盐酸改性的NZ5-A1,但三者

的稳定性均比未改性样品NZ5有所提高,这是由于所有改性后的分子筛中较强B

酸中心的量有所减少,在一定程度上抑制了分子筛强酸位上的积炭。

由图7(b)~(d)可见,以NZ5为催化剂时,尽管萘烷基化产物中2,6-

DMN的选择性远高于热力学平衡组成(12%),但是随着反应的进行,2,6-DMN的选择性呈下降趋势。经过酸脱铝改性后的纳米ZSM-5分子筛对2,6-DMN选择性有不同程度的提高,而且均随着反应时间的延长呈增加趋势。这一方面是由于,酸处理脱除了分子筛的部分强酸中心,降低了甲醇在强酸中心上产生的碳正离子的活性,增强了进攻萘的一甲基化产物β-甲基萘的萘环上电子云密度相对较高且位阻较小的6位的选择性[32];另一方面是由于,在酸性催化剂作用下,萘烷基化反应过程中同时也发生烷基化产物DMN各异构体之间的异构化反

应[33]。采用不同酸改性的纳米ZSM-5分子筛催化剂时,由于酸脱铝改性后样品的强B酸中心减少,促进了1,6-DMN不同程度地异构化生成2,6-DMN 和

1,5-DMN,1,6-DMN 的选择性均下降,2,6-DMN和1,5-DMN的选择性则有所提高,因此,2,6-DMN的选择性有较大幅度的提高是萘的择形烷基化与

生成的DMN异构体之间的异构化协同作用所致,与Millini等[33]的结果一致。由图7(b)、(e)、(f)可见,在酸改性后的分子筛催化下,2,6-DMN

的选择性提高的同时,2,7-DMN的选择性降低,n(2,6-DMN)/n(2,7-DMN)提高;草酸脱铝后的样品NZ5-A2为催化剂,在萘的转化率为61.3%时,n(2,6-DMN)/n(2,7-DMN)达到1.2,这可归结为酸脱铝后的

分子筛酸性减弱以及产生的二次介孔改善了比2,7-DMN动力学尺寸略大的2,

6-DMN的扩散性能共同作用的结果[34]。

图7 纳米ZSM-5分子筛及不同酸脱铝后的样品催化萘烷基化反应的萘转化率、产物选择性及n(2,6-DMN)/n(2,7-DMN)随反应时间(t)的变化Fig.7 Naphthalene conversion,selectivity for products and n(2,6-DMN)/n (2,7-DMN)vs t in naphthalene alkylation over the ZSM-5nanocrystals before and after dealumination with different acidsT=420℃;p=3.0MPa;MHSV=0.5h-1;n(Naphthalene)∶n(Methanol)∶n(1,2,4-Trimethylbenzene)=1∶2∶8(a)x;(b)s(2,6-DMN);(c)s(1,5-DMN);(d)s(1,6-DMN);(e)s(2,7-DMN);(f)n(2,6-DMN)/n(2,7-DMN)

3 结论

(1)采用酸脱铝改性的方法,通过改变酸的种类可以有效地调变所合成的纳米ZSM-5分子筛的孔结构、酸性和对萘烷基化反应的催化性能。纳米ZSM-5分子

筛在适度脱铝后仍然保持MFI拓扑结构、骨架的规整性和孔道的完好性。脱铝后

纳米ZSM-5分子筛的酸强度降低,总酸量以及具有强的B酸中心的数量有不同程度的减少,促进了萘烷基化产物中1,6-DMN转化成2,6-DMN的异构化反应

的进行,降低了分子筛的失活速率,且产生了更多的二次介孔,有效地改善了反应物和产物的扩散性能,从而提高了催化萘与甲醇烷基化反应的2,6-DMN 选择性以及n(2,6-DMN)/n(2,7-DMN)。

(2)在盐酸、草酸和柠檬酸三者中,盐酸脱除纳米ZSM-5分子筛骨架铝和非骨

架铝的程度最大,尽管其酸量降低幅度最大,但是由于在该样品上产物扩散性能得到有效的改善,催化萘烷基化反应的转化率最高;草酸则具有适度脱除纳米ZSM-5分子筛中提供强酸位的骨架铝的能力,以其改性的纳米ZSM-5分子筛催化萘烷

基化反应,得到最高的2,6-DMN选择性和 n(2,6-DMN)/n(2,7-DMN),在萘转化率为 61.3% 时,2,6-DMN 选择性和n(2,6-DMN)/n(2,7-DMN)分别为32.7%和1.2。

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ZSM-5分子筛合成和改性的研究进展

ZSM-5分子筛合成和改性的研究进展 摘要:ZSM-5分子筛在工业中应用广泛。本文详细阐述了ZSM-5沸石分子筛的 各种合成方法,并介绍了常用的高温水热处理、金属改性和磷改性等改性技术现状及其应用。 关键词:ZSM-5,分子筛,合成,改性 ZSM-5沸石分子筛是Mobil公司于20世纪70年代开发的一种高硅三维交叉直通道的新结构沸石分子筛。ZSM-5分子筛属高硅五元环型沸石,其基本结构单元由8个五元环组成,这种基本结构单元通过共边联结成链状结构,然后再围 成沸石骨架,其理想晶胞组成为:N&(Al n Si96-n O l92)• 16H20。该沸石分子筛亲油疏水,热和水热稳定性高,大多数的孔径为0.55nm左右,属于中孔沸石。由于 其独特的孔结构不仅为择形催化提供了空间限制作用,而且为反应物和产物提供了丰富的进出通道,也为制备高选择性、高活性、抗积炭失活性能强的工业催化剂提供了晶体结构基础。由此,其成为了石油工业中择形反应中最重要的催化材料之一。不仅如此,ZSM-5分子筛在精细化工和环境保护等领域中也得到了广泛的应用。因此,对ZSM-5分子筛的研究具有重要的理论意义和实践价值。 本文在介绍ZSM-5分子筛结构的基础上,分析总结了ZSM-5分子筛的各种合成方法,如有机胺合成,无机胺合成等方法。此外,浅述了ZSM-5分子筛在改性方面的研究,以及未来ZSM-5分子筛的重点研究方向。 1 ZSM-5分子筛的结构 ZSM-5分子筛属于正交晶系,晶胞参数⑴为a=2.017nm, b=1.996nm, c=1.343nm。ZSM-5 的晶胞组成可表示为Na n(Al n Si96-n O192)• 16H2O。式中n 是晶胞中Al原子个数,可以由0~27变化,即硅铝物质的量比可以在较大范围内改变,但硅铝原子总数为96个。 ZSM-5分子筛的晶体结构由硅(铝)氧四面体所构成。硅(铝)氧四面体通过公用顶点氧桥形成五元硅(铝)环,8个这样的五元环组成ZSM-5分子筛的基本结构单元。ZSM-5分子筛的孔道结构由截面呈椭圆形的直筒形孔道(孔道尺寸为0.54 nm X0.56 nm)和截面近似为圆形的Z字型孔道(孔道尺寸为0.52 nm 区.58 nm)交叉所组成⑵,如图1所示。两种通道交叉处的尺寸为0.9 nm,这可能是ZSM-5

纳米ZSM-5分子筛的酸脱铝改性及其催化萘和甲醇的烷基化反应性能

纳米ZSM-5分子筛的酸脱铝改性及其催化萘和甲醇的烷基化 反应性能 王文静;武光;吴伟;王高亮;昝望;戚鑫 【摘要】分别采用盐酸、草酸、柠檬酸对晶种引导的无模板剂合成的纳米ZSM-5分子筛进行脱铝改性,利用XRD、N2吸附-脱附、27Al NMR、XRF、NH3-TPD、Py-IR等方法对其进行表征,并考察了不同种类的酸脱铝对ZSM-5分子筛的结构、酸性及其催化萘与甲醇的烷基化反应性能的影响.结果表明,盐酸、柠檬酸与草酸均可脱除分子筛的骨架铝和非骨架铝,但3种酸对分子筛的脱铝程度不同.纳米ZSM-5分子筛经酸脱铝后,在脱除了部分强酸中心的同时产生了一定比例的二次介孔,有效地改善了反应物和产物的扩散性能,使催化萘与甲醇的烷基化反应的萘转化率、2,6-二甲基萘(2,6-DMN)选择性和产物中n(2,6-DMN)/n(2,7-DMN)均有不同程度的提高,并且表现出更强的抗失活能力. 【期刊名称】《石油学报(石油加工)》 【年(卷),期】2014(030)004 【总页数】9页(P620-628) 【关键词】纳米分子筛;ZSM-5;酸脱铝;烷基化;2,6-二甲基萘 【作者】王文静;武光;吴伟;王高亮;昝望;戚鑫 【作者单位】黑龙江大学催化技术国际联合研究中心,高效转化的化工过程与技术黑龙江普通高校重点实验室,化学化工与材料学院,黑龙江哈尔滨150080;黑龙江大学催化技术国际联合研究中心,高效转化的化工过程与技术黑龙江普通高校重点实

验室,化学化工与材料学院,黑龙江哈尔滨150080;黑龙江大学催化技术国际联合研究中心,高效转化的化工过程与技术黑龙江普通高校重点实验室,化学化工与材料学院,黑龙江哈尔滨150080;黑龙江大学催化技术国际联合研究中心,高效转化的化工过程与技术黑龙江普通高校重点实验室,化学化工与材料学院,黑龙江哈尔滨150080;黑龙江大学催化技术国际联合研究中心,高效转化的化工过程与技术黑龙江普通高校重点实验室,化学化工与材料学院,黑龙江哈尔滨150080;黑龙江大学催化技术国际联合研究中心,高效转化的化工过程与技术黑龙江普通高校重点实验室,化学化工与材料学院,黑龙江哈尔滨150080 【正文语种】中文 【中图分类】TQ426.94 聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)是一种新型聚酯材料,具有优越的机械性能、耐热性、阻气性和化学稳定性,在电子元件、仪器仪表、绝缘材料以及航天航空和原子能材料等制造行业具有非常广阔的应用前景[1-2]。然而,由于 PEN 的单体原料2,6-二甲基萘(2,6-DMN)的生产工艺复杂、成本较高,已成为制约PEN 发展的关键[3-4]。目前,通过萘的烷基化反应一步法直接制备2,6-DMN是最合理的技术路线,但是该反应的产物复杂,仅二甲基萘(DMN)就有10种异构体,并且这些异构体沸点接近,特别是2,6-DMN 与2,7-DMN 的沸点仅相差0.3℃,分离提纯难度大,因此开发高选择性催化剂是实现一步法生产2,6-DMN的关键。分子筛由于具有规整孔道结构和可调变的酸性,可用作萘或2-甲基萘一步法制备2,6-DMN的催化剂,但由于分子筛孔道及酸性的不同,其催化萘的烷基化反应结果也表现出很大差异。在Hβ、HY等大孔分子筛上选择性合成2,6-DMN时发现,由于这些分子筛的孔径相对较大(0.7nm左右),产物的扩

ZSM-5分子筛的改性及应用进展

ZSM-5分子筛的改性及应用进展 高瑞忠;刘颖;赵红娟;左少卿;高雄厚 【摘要】ZSM-5 zeolite has been widely used in many fields,as it has excellent thermal stability,acid resistance and outstanding selective catalytic performance due to its special pore structure and physical-and-chemical properties.As an ideal porous zeolite,the latest modification and application progress of ZSM-5 zeolites was introduced.The modification methods,such as hydrothermal modification,acid-base modification metal modification and non-metallic,were also reviewed.The influences of different modification methods on the catalytic effect were discussed by summing up various modification methods,so as to offer some references and experiences for the research of ZSM-5 zeolite.%ZSM-5分子筛特殊的孔结构和优异物化性质,使得ZSM-5分子筛具有良好的热稳定性、耐酸性及择型催化性能,已经被广泛应用于多个领域.作为一种理想的多孔分子筛材料,介绍了ZSM-5分子筛的最新改性及应用进展,并对改性方法(如水热改性、酸碱改性、金属与非金属改性)做了概述.通过对各种改性方法的总结,讨论了不同改性方法对催化效果的影响与最新应用进展,以期为ZSM-5分子筛的研究提供借鉴. 【期刊名称】《无机盐工业》 【年(卷),期】2018(050)002 【总页数】4页(P20-23) 【关键词】ZSM-5分子筛;多孔分子筛;水热改性

ZSM-5沸石分子筛发展现状

ZSM-5沸石分子筛发展现状 刘慧芳,化学工艺1302,01201308170211 摘要:本文介绍了ZSM-5 沸石分子筛的结构特点,总结了ZSM-5 沸石分子筛的两合成方法,主要有小晶粒ZSM-5分子筛的合成、含杂质原子ZSM-5分子筛的合成,并根据以上分析总结了ZSM-5的应用,最后对ZSM-5在未来的发展进行了展望。 关键字:催化剂,分子筛,ZSM-5,合成,应用 1 前言 ZSM(Zeolize Soeony Mobil)系列沸石分子筛是从1965 年开始被美国莫比尔(Mobil)公司所开发[1]。这种结晶硅铝酸盐沸石,作为分子筛催化剂,在催化活性、选择性、稳定性等方面具有比其它型号沸石更好的性能。ZSM 系列沸石大都有较高的硅铝比,其晶体结构与A、X、Y、M 型沸石不同,它要求的结晶密度较高,如ZSM-5 沸石分子筛则要求不小于1.6 g/ml,因为高密度骨架结构有利于晶体结构的稳定[2]。晶格密度愈高,自由空间便压缩在很小范围内,从而造成活性中心的高密度分布。而本文我们主要研究的就是ZSM-5 沸石分子筛。 ZSM-5 沸石分子筛具有独特孔道结构的形状选择性催化剂,被称为第二代沸石,是高硅的三维直通道的新结构沸石[3]。ZSM-5 常称为高硅型分子筛,其硅铝比可高达50 以上。由于它的化学结构、晶体结构以及物化性质方面具有许多独特的性质,在许多有机催化反应中显示了很好的催化性能,得到越来越多的工业应用,尤其是在柴油降解、润滑油催化脱蜡、低碳烯烃FCC 制烯烃和汽油改变中得到广泛应用[4]。 2 ZSM-5分子筛的结构 ZSM-5 沸石分子筛在催化过程中其沸石催化剂不易积碳,由于其本身为中孔分子筛,周边没有笼,并且有极好的耐酸性、热稳定性和疏水性。其晶胞组成:Nan Aln·Si96-n·O192·16H2O,式中n 是晶胞中铝的原于数,可以从0~27,典型为3 左右,硅铝物质的量比可以较大范围内改变,但硅铝总原子数为96个。晶胞参数为a=2.017 nm,b=1.996 nm,c=1.343 nm,属正交晶系,空间群P nma。骨架含有一种新型的连接四面体的构造,它由八个五元环组成,具有理想的对称特征构造[5](图1)。 如图2所示,ZSM-5 分子筛的孔道结构由截面呈椭圆形的直筒孔道和截面近似为圆形的Z字型孔道交叉所组成,孔道直径分别为0.54nm×0.56nm和0.52nm×0.58nm。两种通道的交叉处可能是ZSM-5 催化活性及其强酸位的集中处。ZSM-5 分子筛经过某些处理,例如灼烧或化学处理后,其对称性会发生变化。由正交晶系变成单斜晶系,这是由于处理后,平行于a 轴方向的五元环链会产生扭动,从而失去了垂直于bc 片的对称面,降低了骨架结构

酸碱处理对ZSM-5分子筛物化性质和反应性能的影响

酸碱处理对ZSM-5分子筛物化性质和反应性能的影响 吕江江;黄星亮;赵蕾蕾;孙仁山;胡龙旺;龚艳 【摘要】考察了碱处理、先碱后两步酸处理对HZSM-5分子筛物化性质以及苯与甲醇烷基化反应性能的影响.结果表明,碱处理在脱除分子筛中非骨架硅的同时,提高了晶孔的利用率,也中和了分子筛的强酸中心,使催化剂活化甲醇的能力减弱,苯与甲醇反应活性降低;先碱后两步酸处理既脱除了分子筛中的非骨架铝,也恢复了一部分强酸中心,提高了苯与甲醇的反应活性.进一步考察了先碱后两步酸处理中不同碱浓度的影响,结果表明,适宜浓度的碱处理后再两步酸处理,一方面,能脱除分子筛的非骨架硅铝物种,使分子筛的颗粒粒径更加均匀;另一方面,分子筛的强酸中心有所减少,降低了催化剂的积炭失活速率,苯转化率提高15%以上. 【期刊名称】《燃料化学学报》 【年(卷),期】2016(044)006 【总页数】6页(P732-737) 【关键词】碱处理;强酸中心;非骨架硅铝物种;苯-甲醇烷基化 【作者】吕江江;黄星亮;赵蕾蕾;孙仁山;胡龙旺;龚艳 【作者单位】中国石油大学(北京)化学工程学院,北京102249;中国石油大学(北京)化学工程学院,北京102249;中国石油大学(北京)化学工程学院,北京102249;中国石油大学(北京)化学工程学院,北京102249;中国石油大学(北京)化学工程学院,北京102249;中国石油大学(北京)化学工程学院,北京102249 【正文语种】中文

【中图分类】TE624.9 甲苯和二甲苯都是重要的基础有机化工中间体,也是高辛烷值汽油添加剂以及对二甲苯的生产原料[1,2]。近年来,由于高品质汽油和对二甲苯需求量的增加,传统的催化重整分离以及石脑油热裂解生产的甲苯和二甲苯已不能满足市场的需求。因此,开发出一条新的甲苯与二甲苯生产技术路线具有重要的现实意义。 苯与甲醇烷基化生产甲苯和二甲苯技术是在中国苯与甲醇产能过剩的市场背景下提出的[3]。在ZSM-5分子筛催化剂的作用下,苯与甲醇烷基化生成对二甲苯的选择性较高,工艺流程简单,因而受到了众多科研工作者的广泛关注[4-6]。但由于以烷基苯为主的芳烃本身又是ZSM-5分子筛催化剂的积炭前驱体[7],因而,苯与甲醇烷基化技术广泛应用的关键将是解决催化剂的积炭失活问题。 ZSM-5分子筛催化剂的失活主要是由于表面的积炭对酸性位的覆盖以及对孔口的堵塞,另外孔内大分子化合物的生成也会造成孔道堵塞。许多学者[7-9]均采用一定浓度的碱处理ZSM-5分子筛,以达到引入介孔,增加ZSM-5孔内容炭能力的目的,从而延缓催化剂的积炭失活。张会贞[10]通过固相水热合成法以及化学后处理法引入介孔,合成多级孔分子筛,从而提升物质在分子筛孔内的扩散性能。但对于苯与甲醇烷基化反应来说,扩孔会导致孔内多烷基苯产物向外扩散,不利于ZSM-5发挥其对甲苯和二甲苯的择形作用。赵博[11]从ZSM-5分子筛的粒径方面考虑,合成出纳米级的ZSM-5分子筛催化剂,缩短了产物在孔道内的停留时间,从而避免了深度烷基化产物的形成而堵塞孔道。但由于纳米级ZSM-5具大的外比表面积,外表面的强酸中心所造成的表面积炭问题仍有待解决。 研究的主要目的是采用低浓度的酸碱处理,脱除分子筛表面以及孔道内的非骨架硅铝物种,在保留分子筛微孔结构的同时,调变分子筛的酸性。一方面,保留微孔对甲苯和二甲苯的选择性;另一方面,减少分子筛的强酸酸量,降低强酸强度,提高催化剂的烷基化反应活性。

ZSM-5分子筛骨架铝落位对甲醇转化制芳烃催化性能影响

ZSM-5分子筛骨架铝落位对甲醇转化制芳烃催化性能影响 张立伟; 张怀科; 陈志强; 刘粟侥; 任杰 【期刊名称】《《燃料化学学报》》 【年(卷),期】2019(047)012 【总页数】8页(P1468-1475) 【关键词】ZSM-5分子筛; 骨架铝分布; 甲醇转化制芳烃 【作者】张立伟; 张怀科; 陈志强; 刘粟侥; 任杰 【作者单位】中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室山西太原030001; 中国科学院大学北京 100049; 中科合成油技术有限公司国家能源煤基液体燃料研发中心北京 101407 【正文语种】中文 【中图分类】O643 ZSM-5分子筛具有可调变的酸性、良好的水热稳定性和优异的孔道择形作用,因此,广泛应用于催化裂化、芳构化和烷基化等催化反应中[1-3]。骨架铝物种作为 ZSM-5分子筛酸性的重要来源,与其催化性能密切相关[4,5]。铝物种在分子筛骨架中的不同落位不仅由于空间限制作用影响反应中间体的生成,导致反应活性不同;还 会影响反应物分子在孔道中的吸附和产物分子的脱附及扩散,进而改变反应路径,造 成产物选择性和催化稳定性上的差异[6-8]。 关于ZSM-5分子筛中铝落位对其催化性能的影响,世界各国诸多学者进行了研究。

Yokoi等[9]研究发现,在富钠体系中合成的ZSM-5分子筛铝原子主要分布于直通或正弦孔道中,在裂解反应中表现出更高的活性和良好的稳定性;而在无钠体系中合成的ZSM-5分子筛铝原子更多地落位在孔道交叉处,在甲苯歧化反应中具有更高的活性。Kim等[10]认为,铝物种的落位直接影响了ZSM-5分子筛催化剂在甲醇制烯烃反应(MTO)中的反应路径;直通孔道中的铝物种有利于烯烃循环过程的进行。Liang等[11]研究结果表明,硅源的不同可以造成骨架铝落位上的差异,在MTO反应中,位于孔道中的铝物种有利于丙烯的生成,而孔道交叉处的铝物种使乙烯和芳烃选择性提高。因此,可以看出,对ZSM-5分子筛不同骨架铝落位的深入考察和系统研究,可以加深对催化反应路径和机理的认识,有助于实现分子筛催化剂的理性设计和定向合成。 本研究通过改变水热合成参数制备了不同骨架铝落位的ZSM-5分子筛。对所得分子筛的物理化学性质进行了深入系统的表征分析,探究了铝落位对其性能影响的内在原因,并以甲醇转化制芳烃为探针反应,考察了ZSM-5分子筛中骨架铝落位的差异对甲醇制芳烃的活性和选择性影响,同时对芳烃生成路径和扩散行为进行了初步探讨。 1 实验部分 1.1 分子筛的合成 按照以下步骤合成椭球状ZSM-5分子筛:在搅拌状态下将四丙基氢氧化铵(TPAOH)、硅溶胶(SiO2= 30%,质量分数)和Na2SO4水溶液分别缓慢滴加至 Al2(SO4)3·18H2O水溶液中,充分搅拌至混合均匀后,转移到晶化釜中,于180 ℃晶化36 h。投料物质的量比为 1.0SiO2∶0.01Al2O3∶0.3TPAOH∶0.1Na2O∶60H2O。所得样品命名为A。 六角块状ZSM-5分子筛的合成步骤如下:将Al2(SO4)3·18H2O、尿素(urea)、NaOH和四丙基溴化铵(TPABr)水溶液充分混合;随后,在搅拌状态下,依次将

纳米ZSM-5分子筛的脱铝改性及其催化对二氯苯异构化反应性能

纳米ZSM-5分子筛的脱铝改性及其催化对二氯苯异构化反应 性能 靳佳乐;王功御;佘卫民;赵雪松;徐宏玺;吴伟;ECHEVSKIY G.V.;TOKTALEV A.V.【摘要】用不同浓度的盐酸溶液对纳米ZSM-5分子筛进行脱铝改性,采用X-射线衍射(XRD)、X-射线荧光光谱(XRF)、扫描电子显微镜(SEM)、氮气物理吸附、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、27Al MAS NMR和NH3程序升温脱附(NH3-TPD)等方法对酸处理前后的样品进行了表征,并考察了盐酸浓度对改性前后纳米ZSM-5分子筛的结构、酸性及其催化对二氯苯(p-DCB)异构化反应性能的影响.结果表明,通过改变盐溶液的浓度可以选择性地脱除ZSM-5分子筛的非骨架铝及骨架铝,形成二次介孔,并对分子筛的酸性进行调变.改性后的纳米ZSM-5分子筛在对二氯苯异构化反应中的催化活性略有降低,但是间二氯苯的选择性得到显著提高. 【期刊名称】《黑龙江大学自然科学学报》 【年(卷),期】2016(033)002 【总页数】7页(P205-211) 【关键词】纳米ZSM-5分子筛;脱铝;对二氯苯;异构化 【作者】靳佳乐;王功御;佘卫民;赵雪松;徐宏玺;吴伟;ECHEVSKIY G.V.;TOKTALEV A.V. 【作者单位】黑龙江大学化学化工与材料学院催化技术国际联合研究中心,哈尔滨150080;黑龙江大学化学化工与材料学院催化技术国际联合研究中心,哈尔滨150080;江苏隆昌化工有限公司研发中心,如皋226532;江苏隆昌化工有限公司研

发中心,如皋226532;黑龙江大学化学化工与材料学院催化技术国际联合研究中心, 哈尔滨150080;黑龙江大学化学化工与材料学院催化技术国际联合研究中心,哈尔 滨150080;俄罗斯科学院西伯利亚分院鲍列斯科夫催化研究院,新西伯利亚630090;俄罗斯科学院西伯利亚分院鲍列斯科夫催化研究院,新西伯利亚630090【正文语种】中文 【中图分类】O436 近年来,间二氯苯作为重要的原料和中间体在农药、医药、染料、颜料和保鲜剂等精细化学品的生产中获得了广泛的应用[1-3]。间二氯苯的生产方法主要包括以间 二苯胺或间硝基苯为原料的多步合成法和以二氯苯为原料的一步合成法。与多步法相比,通过二氯苯异构化反应一步法制间二氯苯是最经济有效的方法,其反应方程式如式1所示。 目前,一步法制备间二氯苯的工业生产中所使用的催化剂通常为无水三氯化铝[4],反应在间歇式釜式反应器中进行,催化剂在反应后需要经水解再与产物分离,因此,生产过程会产生大量的酸性废水,对设备的耐腐蚀性要求高,产生的含氯酸性废水的处理已成为制约企业发展的瓶颈问题,而且生产过程无法实现连续化。 沸石分子筛具有规整的孔道结构、孔径尺寸均一、酸性位密度可调变并可实现择形催化作用等一系列突出的优点,作为一种环境友好型的酸性催化剂被广泛应用于石油化工等领域[5-6]。ZSM-5分子筛具有交叉二维孔道结构和较强的酸性,在芳烃的烷基化、芳构化和异构化反应中表现出良好的催化性能[7-8]。陶克毅等[9]在研究ZSM-5沸石分子筛用于催化邻位和对位二氯苯的异构化反应时发现,ZSM-5 分子筛比丝光沸石具有更好的抗积炭性能,而且ZSM-5分子筛的晶粒尺寸减小,其催化反应活性提高。 与微米尺度的分子筛相比,纳米ZSM-5分子筛具有更大的外表面积、更多暴露的

ZSM-5分子筛的合成与应用研究进展

ZSM-5分子筛的合成与应用研究进展 摘要:ZSM-5分子筛由于其特殊的骨架结构被广泛应用。然而,ZSM-5分子筛传统的合成 方法需使用大量溶剂和添加有机胺或无机胺作模板剂,使用大量溶剂会造成浪费,而模板剂大多成本高,有机模板剂毒性大,这些均不利于经济和环境友好,故此,研究者们对ZSM-5分子筛的合成技术进行了发展。综述了当前ZSM-5分子筛主要的合成拔术;重点介绍了ZSM-5分子筛的水热合成法、微波合成法、干凝胶合成法以及无溶剂合成法,并总结了各自的优缺点;简要介绍了ZSM-5分子筛在传统工业及新领域方面的应用,对ZSM-5分子筛的未来进行了展望。 1 ZSM-5分子筛的合成方法 1.1水热合成法 水热合成法是指在热压釜中加入一定比例的硅源、铝源、碱源、水、模板剂等物质,通过调节压力和温度,析出ZSM-5晶体的方法。水热合成法是目前合成分子筛广泛采用的方法,可根据模板剂种类不同进行分类。 1.1.1以季铵盐及有机胺类为模板剂 结构导向剂通常称为模板剂,用于指导分子筛的形成和稳定分子筛骨架结构。水热合成法中常用季铵盐及有机胺类作为模板剂3〕,合成的分子筛具有较高的结晶度,可以得到粒径较小的ZSM-54I。Sadeghpour等l5以四丙基溴化铵(TPABr)为模板剂,采用高温水热合成方法,在较短的晶化时间内成功制备了纳米结构的ZSM-5,结果表明,水热温度为350℃、结晶时间为0.5 h合成的ZSM-5催化剂具有独特的孔结构、较好的稳定性和较高的酸强度,是甲醇制低碳烯经的高效择形催化剂。近年来,研究者通过将不同的模板剂组合起来,使用两个或多个模板剂合成ZSM-5,通过这种方式可改善不同有机模板剂的缺点[6』。 Beheshti等7采用不同比例的四丙基氢氧化铵(TPAOH)和TPABr合成了5种硅铝物质的量之比相近的ZSM-5,研究发现,n(TPAOH)/n(TPABr)=0.750.25时制备的样品活性最好,其认为,采用混合模板剂可以提高催化剂的总酸度,降低强酸性位点的含量,从而提高催化剂的活性。 1.1.2以无机胺及醇类为模板剂 无机胺及醇类模板剂可作为合成过程中有机类模板剂的替代物。Aziz等(8L在叔丁醇(TBA)存在下以水为介质合成了ZSM-5分子筛,研究发现,以新型模板剂TBA为原料,在180'℃C、特定的硅铝物质的量之比下,硅溶胶和铝酸钠经水热反应2天,老化1天,形成了结晶度较好的ZSM-5,表明TBA可以作为TPAOH的一种有效替代物制备ZSM-5。Ma等1[3分别以乙醇和TPABr为模板剂合成了ZSM-5,并研究了其催化性能,结果发现,以乙醇为模板剂制备的ZSM-5具有较多的B酸性位点和较少的L酸性位点,其在催化正己烷裂解中具有较高的活性,且使用寿命是TPABr法制备ZSM-5分子筛的两倍。 对此,有研究者认为,在合成过程中加入乙醇,能够促进分子筛的结晶[10,合成的分子筛具有较好的层次性、微孔性和优良的酸性等性质,有利于其催化活性的发挥。以无机胺及醇类做模板剂解决了有机模板剂的毒性以及不完全分解产生的积炭等问题。 1.2无模板剂合成法 无模板剂合成法指在合成过程中不添加有机胺和无机胺等作为结构导向剂,加入提前准备好的晶种或者直接加入硅源、铝源合成。无模板剂合成法避免了大多数模板

硅铝比对ZSM-5分子筛催化甲醇制烯烃性能的影响

硅铝比对ZSM-5分子筛催化甲醇制烯烃性能的影响 潘红艳;田敏;赵敏;刘秀娟;花开慧;林倩 【摘要】The pore structures and acidic properties of the ZSM-5 zeolites with different n(SiO2)/n(Al2O3) were characterized by nitrogen adsorption-desorption, XRD and NH3-TPD. The catalytic performances for conversion of methanol to light olefins (MTO) in a fixed bed packed the different zeolites were evaluated. The effect of surface properties and pore structure of the ZSM-5 zeolites on the catalytic performances for MTO reaction were discussed. The results showed that with the increase of n(SiO2)/n(Al2O3) of ZSM-5 zeol-ites, the average pore diameter of the catalyst decreased, the semi-strong acid gradually disappeared, the acid strength gradually decreased, the selectivity of light olefins and the stability of the catalyst gradually increased. The ZSM-5 zeolite with n(SiO2)/n(Al2O3) of 360 had the weakest acidic property, the smallest average pore size and the largest specific surface area, which made it had the highest total selectivity of ethylene and propylene (up to 69.36%).%以n(Si)/n(A1)分别为25、38、50、80、360的ZSM-5分子筛为催化剂,利用N2吸附-脱附、XRD和NH3-TPD对催化剂的孔结构和表面酸性进行表征分析,测定催化剂对甲醇制低碳烯烃(MTO)各产物的选择性,讨论催化剂的孔结构与表面酸性对其催化性能的影响。结果表明,随硅铝比增加,催化剂平均孔径逐渐减小,中强酸逐渐消失,酸强度逐渐减弱,烯烃的选择性逐渐增大,催化剂的稳定性逐渐增强。其中,硅铝比360的分子筛具有最低的表面酸强度,最大的比表面积和最小的孔径,MTO催化性能最佳,乙烯+丙烯的选择性达69.36%。

ZSM-5甲醇芳构化催化剂积炭研究进展

ZSM-5甲醇芳构化催化剂积炭研究进展 楚爽;李剑;杨丽娜;任浩楠;白金 【摘要】介绍了ZSM-5分子筛催化剂在甲醇芳构化反应中的积炭机理,催化剂物化性能、反应工艺参数对催化剂积炭行为的影响的研究进展。导致ZSM-5失活的积炭物种分为两类,一类为含氧炭,一类是非含氧炭。合适的酸密度和小晶粒ZSM-5形成晶间孔可减慢积炭失活速率。提高甲醇质量空速,降低反应温度能够使积炭形成速率降低。%The research progresses in mechanisms of coke deposition on the ZSM-5 zeolite catalysts for methanol to aromatics (MTA) and the effects of catalyst physicochemical characteristics and reaction process conditions on coking behavior are introduced. There are two types of coke species in the deactivation of ZSM-5, in which one is O-containing coke, the other one is O-free coke. Appropriate acid density and intergranular pores of small grain ZSM-5 can slow down the rate of coking deactivation. Improving methanol mass space velocity and reducing the reaction temperature can reduce the rate of coke formation. 【期刊名称】《天然气化工》 【年(卷),期】2016(041)004 【总页数】5页(P89-93) 【关键词】甲醇;芳构化;MTA;ZSM-5;积炭 【作者】楚爽;李剑;杨丽娜;任浩楠;白金

纳米ZSM-5在高硅铝比料液中的再生长机制及其甲醇制芳烃性能

纳米ZSM-5在高硅铝比料液中的再生长机制及其甲醇制芳烃 性能 惠燕;付廷俊;马倩;李忠 【期刊名称】《化工进展》 【年(卷),期】2022(41)12 【摘要】芳烃选择性低是ZSM-5催化甲醇制芳烃反应的难点问题,调变ZSM-5酸性质是提升选择性的重要方法。本研究将SiO2/Al2O3为50的纳米ZSM-5分别置于硅铝比为50、110、220、440和660的料液中继续水热生长,优化其表面酸性,以提高轻质芳烃选择性。采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线荧光光谱(XRF)、吡啶红外(Py-IR)、氨气程序升温脱附(NH3-TPD)等手段分析所得ZSM-5形貌、织构和酸性质,研究其水热再生长规律。发现生长过程中原粉部分溶解,包围在其表面的料液先形成小晶粒,经逐步堆积完成对原粉的包覆,最终形成孔道贯通性良好的单晶。在较低硅铝比料液中样品粒径分布不均匀,然而随着料液硅铝比的增加,包覆趋向均匀且表面呈现凸起结构。二次生长显著改变了表面酸性质及芳构化性能,在硅铝比为220的料液中生长后总酸量增加到194.9μmol/g,高于原粉的169.7μmol/g。值得注意的是,催化剂表面的强酸占比由原粉的37%显著增加至53%,B/L值也由原粉的0.56增加至3.19。该酸性的变化在促进甲醇芳构化的同时,还能强化芳烃的脱烷基化而提高BTX选择性,使总芳烃选择性和BTX选择性分别由16.1%和8.2%提高到23.8%和13.5%。 【总页数】13页(P6364-6376) 【作者】惠燕;付廷俊;马倩;李忠

【作者单位】太原理工大学省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室【正文语种】中文 【中图分类】O643.3 【相关文献】 1.硅铝比对ZSM-5分子筛催化甲醇制烯烃性能的影响 2.Zn/ZSM-5催化剂在甲醇制芳烃(MTA)反应中的失活与再生 3.硅铝比对ZSM-5分子筛催化甲醇制烯烃性能的影响 4.ZSM-5分子筛骨架铝落位对甲醇转化制芳烃催化性能影响 5.甲醇制芳烃反应过程中纳米ZSM-5分子筛催化剂性能演变与结构性质的关系研究 因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买

非金属元素改性ZSM-5分子筛催化甲醇制烯烃性能研究

非金属元素改性ZSM-5分子筛催化甲醇制烯烃性能研究 潘红艳;陈政;张煜;高珊珊;史永永;林倩 【期刊名称】《天然气化工》 【年(卷),期】2016(041)003 【摘要】采用等体积浸渍法制备非金属元素改性催化剂P-ZSM-5、F-ZSM-5、 B-ZSM-5,利用XRD、NH3-TPD和N2吸附/脱附分析催化剂的表面酸性和孔结构,测定各催化剂催化甲醇制低碳烯烃产物的选择性,并考察磷酸浓度对P-ZSM-5催化活性的影响。结果表明,ZSM-5分子筛经磷、氟改性后,催化剂的孔容和 比表面积增大,表面强酸消失,烯烃选择性增大;经硼改性后,催化剂比表面积、孔体积显著减小,烯烃选择性降低。其中磷改性催化剂P-ZSM-5具有较大的孔容、比表面积和弱酸量,烯烃选择性最佳,在磷负载质量分数为6%时,乙烯+丙烯的 选择性达85.09%,与ZSM-5相比,提高了22.7%。 【总页数】6页(P1-6) 【作者】潘红艳;陈政;张煜;高珊珊;史永永;林倩 【作者单位】贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳 550025;贵州大学化学与化工 学院,贵州贵阳 550025;贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳 550025;贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳 550025;贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳550025;贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳 550025; 贵州省绿色化工与清洁能 源技术重点实验室,贵州贵阳 550025 【正文语种】中文

【中图分类】O643.3;TQ426;TQ221.21 【相关文献】 1.金属离子改性ZSM-5分子筛催化甲醇制烯烃性能研究 [J], 潘红艳;史永永;刘秀娟;郑蓓蕾;林倩 2.Ag改性ZSM-5分子筛催化甲醇制烯烃的研究 [J], 潘红艳;刘秀娟;易芸;刘飞;林倩 3.磷改性ZSM-5分子筛在甲醇制芳烃反应中催化性能的固体核磁研究 [J], 刘巍;乔健;贾臻龙;滕加伟;许中强 4.SAPO-34和纳米ZSM-5分子筛在甲醇转化制烯烃中的催化性能研究 [J], 张鹏飞;李玉平;张海荣;张卿;窦涛 5.钡改性脱铝丝光沸石分子筛在甲醇制烯烃中的催化反应性能研究 [J], 孙焕红;李霞 因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买

ZSM-5催化剂简单介绍

ZSM-5型分子筛的简单介绍 一ZSM-5型分子筛结构 在ZSM-5系列分子筛中,ZSM-5分子筛用途最多的一项,并主要集中在 SiO 2/Al 2 O 3 (二氧化硅与三氧化二铝的摩尔比)在40-50之间。 ZSM-5中特征结构单元是由8个五元环组成的单元,成为〔58〕单元,这些 〔58〕单元通过边共享形成平行于C轴的五硅链,具有竞相关系的五硅链连接在一起形成带有十元环孔呈波状的网层,网层之间又进一步连接形成三维骨架结构,相邻的网层以对称中心相关。 它具有特殊的结构没有A型、X型和Y型沸石那样的笼,其孔道就是它的空腔。骨架由两种交叉的孔道系统组成,直筒形孔道是椭圆形,长轴为5.7~5.8 Å,短轴为5.1~5.2 Å;另一种是“Z”字形横向孔道,截面接近圆形,孔径为5.4±0.2Å。属于中孔沸石。“Z”字形通道的折角为110度。钠离子位于十元环孔道对称面上。其阴离子骨架密度约为1.79克/厘米3 。因此ZSM-5沸石的晶体结构非常稳定。 二ZSM-5型分子筛特性 2.1热稳定性 ZSM-5沸石的热稳定性很高。这是由骨架中有结构稳定的五元环和高硅铝比所造成。比如,将试样在850℃左右焙烧2小时后,其晶体结构不变。甚至可经1100℃的高温。到目前为止,ZSM-5是已知沸石中热温定性最高者之一。所以将它用于高温过程是特别适宜的。例如用它作为烃类裂解催化剂,可经受住再生剂时的高温。 2.2耐酸性

ZSM-5沸石具有良好的耐酸性,它能耐除氢氟酸以外的各种酸。 2.3水蒸汽稳定性 当其他沸石受到水蒸汽加热时,它们的结构一般被破坏,导致不可逆失活。而Mobil公司用ZSM-5作为甲醇转化(水是主要产品之一)的催化剂。这表明ZSM-5对水蒸汽有良好的稳定性。540℃下用分压为22mmHg柱的水蒸汽处理HZSM-5和H石24小时后,HZSM-5的结晶度约为新鲜催化剂的70%,可是在同样条件下,HY沸石的骨架几乎全部被破坏。 2.4憎水性 ZSM-5具有高硅铝比,其表面电荷密度较小。而水是极性较强的分子,所以不易为ZSM-5所吸附。尽管水分子的直径小于正己烷,但ZSM-5对正己烷的量一般大于水。 2.5不易积炭 ZSM-5孔口的有效形伏、大小及孔道的弯曲,阻止了庞大的缩合物的形成和积累。同时,ZSM-5骨架中无大于孔道的空腔(笼)存在,所以限制了来自副反应的缩合分子的形成。从而使ZSM-5催化剂积炭的可能性减少。ZSM-5对烷基芳烃进入孔道形成障碍,因而反应过程中它不能在较小的孔道中继续反应,最后缩聚形成焦。所以ZSM-5比Y型及丝光沸石的积炭速率慢得多,几乎相差两个数量级。ZSM-5沸石的容炭量也较高。 2.6优异的择形选择性 以沸石分子筛作为催化剂,只有比晶孔小的分子可以出入催化反应的进行受着沸石晶孔大小的控制,沸石催化剂对反应物和产物分子的大小和形状表现出极大的选择性。ZSM-5沸石十元环构成的孔道体系具有中等大小孔口直径,使它具有很好的择形选择性。 三ZSM-5型分子筛改性 近年来,为了改善催化剂的择形性能和扩散性能,对于ZSM-5分子筛催化剂孔结构的改性越来越引起人们的关注。多孔沸石分子筛为反应物和生成物分子在其活性位上的进出提供了可能性,并大大提高了分子筛的催化能力,这也是通过所合成的二级孔结构缩短微孔扩散路径的有效途径。 3.1 ZSM-5分子筛孔结构改性:脱硅(碱处理),脱铝(酸处理),添加剂扩孔改性 脱硅-------利用有机碱(TPAOH,TBAOH)处理硅铝比为42的ZSM-5分子筛,与传统用无机碱NaOH处理的分子筛相比,省去了NaOH处理后再利用NH4NO3进行铵交换的步骤:溶解硅的速度比NaOH快得多,也使脱硅过程变得可控。其原理

ZSM-5和ZSM-11分子筛催化苯与甲醇烷基化反应研究

ZSM-5和ZSM-11分子筛催化苯与甲醇烷基化反应研究杨大强;闻振浩;何暄;朱学栋 【摘要】采用水蒸气辅助晶化法合成ZSM-5、ZSM-11和多级孔ZSM-11分子筛,运用XRD、SEM、NH3-TPD、N2吸附-脱附和TG方法对合成的分子筛进行表征.结果表明:所合成的ZSM-5和ZSM-11分子筛的比表面积、微孔体积、晶粒大小和酸性等物化性质相似;多级孔ZSM-11分子筛引入了大量介孔,微孔体积得以保留.合成的分子筛催化苯与甲醇烷基化反应结果表明,ZSM-11相对于ZSM-5表现出更高的反应活性和稳定性,这是因为C7、C8等芳烃分子在ZSM-11孔道内扩散更快;多级孔ZSM-11相对于微孔ZSM-11反应活性进一步提升,在反应温度460℃、压力0.2 MPa、质量空速3h-1的条件下,苯转化率达到54.3%,甲苯和二甲苯总选择性达到91.9%,其中二甲苯选择性为37.9%,该催化剂在反应240 h内保持良好的稳定性,相对于微孔 ZSM-11,寿命显著提升.%Zeolites of ZSM- 5,ZSM-11 and hierarchical pore structure ZSM-11 were synthesized via steam-crystallization and characterized by XRD,SEM,NH3-TPD,BET and TG techniques.The results show that synthesized ZSM-5 and ZSM-11 possesses similar BET surface area,micropore volume,crystal size,and acidity.Mesopores were introduced in hierarchical ZSM-11,and the micropores of the ZSM-11 sieve were retained.In the alkylation of benzene with methanol,ZSM-11 showed better activity and stability compared with ZSM-5,owing to the higher diffusion rates of the C7,C8 and other aromatics in ZSM-11 sieve.Hierarchical ZSM-11 performed further improvement in activity in contrast with conventional ZSM-11.At 460 C,0.20 MPa and the WSHV of 3 h 1,the benzene conversion reaches

纳米晶堆积多级结构ZSM-5分子筛的设计合成及其催化甲醇制丙烯反应性能

纳米晶堆积多级结构ZSM-5分子筛的设计合成及其催化甲醇 制丙烯反应性能 栗文龙;马通;尹琪;顾洪歌;吴志杰;窦涛 【摘要】采用硅凝胶原位转化自组装的方法,并且没有使用第二模板剂或有机添加剂情况下,成功地水热合成了纳米晶堆积多级结构ZSM-5分子筛.对合成样品进行了N2吸附-脱附、SEM、TEM和XRD表征,并考察其催化甲醇转化制丙烯(MTP)反应性能.结果表明,多级结构ZSM 5分子筛由50~90 nm的ZSM-5晶体堆积而成,具有丰富的介孔结构;其介孔孔容和外比表面积相对常规ZSM-5分子筛和纳米晶ZSM-5分子筛都有较大的提高,并且结晶度良好.相对于纳米晶ZSM-5分子筛,纳米晶堆积多级结构ZSM-5分子筛由于其结构上的优势,具有更好的扩散性能,能够有效地提高催化寿命及丙烯选择性,在产品分离上也具有极大的优势. 【期刊名称】《石油学报(石油加工)》 【年(卷),期】2015(031)002 【总页数】6页(P550-555) 【关键词】多级结构;ZSM-5;甲醇转化;丙烯选择性 【作者】栗文龙;马通;尹琪;顾洪歌;吴志杰;窦涛 【作者单位】中国石油大学重质油国家重点实验室 CNPC催化重点实验室,北京102249;中国石油大学重质油国家重点实验室 CNPC催化重点实验室,北京102249;中国石油大学重质油国家重点实验室 CNPC催化重点实验室,北京102249;中国石油大学重质油国家重点实验室 CNPC催化重点实验室,北京

102249;中国石油大学重质油国家重点实验室 CNPC催化重点实验室,北京102249;中国石油大学重质油国家重点实验室 CNPC催化重点实验室,北京102249 【正文语种】中文 【中图分类】TQ246.9 沸石作为微孔晶体材料,由于其较高的酸性和微孔孔道导致的择形性,广泛应用于多相催化反应中,尤其在石油化工中发挥着重要作用[1]。然而,也正是其较小的微孔孔道,限制了催化反应中分子的传输和扩散,也限制了一些受扩散控制的催化反应的性能[2]。为了解决扩散限制的问题,可以采用扩大孔径的方式提高扩散系数,如合成超微孔分子筛[3]和有序介孔材料[4],也可以通过减少晶粒尺寸的方式降低扩散长度,如合成纳米晶分子筛[5]。在这些材料中,扩大孔径的方式由于其孔道大小发生了变化,在提升扩散性能的同时,还改变了分子筛材料本身的择形能力,在很多反应中并不适用。而纳米晶分子筛虽然在扩散性能和择形能力上都达到要求,但由于其颗粒尺寸较小,往往需要离心或者膜分离,使得其分离效率大大降低。多级结构分子筛整合了微孔和介孔材料的优势[6],既不改变微孔的择形性能,同时介孔的引入还大大提高了扩散性能,较大的颗粒尺寸使得其在分离上相对纳米晶分子筛更有优势,是一种很有应用前景的催化材料。 在多级结构分子筛材料的制备中,最常见的方法是通过对微孔分子筛脱硅[7]、脱铝[8]后处理制造介孔。尽管很多研究表明,这种后处理的方式能够提高其催化性能,但是由于脱硅和脱铝会降低分子筛材料的结晶度,影响到催化剂的稳定性。另有利用第二模板剂[9]和有机添加剂[10]的方法,直接合成出多级结构的分子筛材料。这种方法在相当程度上改善了催化剂的稳定性,但是受限于模板或添加剂的成本,难以推向工业应用。

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