ZSM-5分子筛的无模板合成及表征

发布时间：2020-09-08 14:29

　　 ZSM-5分子筛具有独特的三维孔道结构,能够为催化反应提供丰富的通道,有利于反应物和产物的及时扩散,同时ZSM-5分子筛的活性强、热稳定性好,因此其在化工领域被广泛应用。目前ZSM-5分子筛大多采用有机胺模板体系合成,但此类方法会造成严重的环境污染和能源消耗,同时会提高生产成本。因此,无模板法合成ZSM-5分子筛近年来受到了广泛的关注。本论文在无模板体系下采用三种方法制备ZSM-5分子筛。首先采用一段晶化的方法探索得到合成ZSM-5分子筛合适的投料配比,考察了硅铝比对ZSM-5形貌的影响,成功制备得到纳米ZSM-5分子筛。然后分别采用变温两段晶化法和晶种法合成ZSM-5分子筛,通过XRD、SEM、TEM和Py-IR等手段对分子筛的结构、形貌以及酸性进行表征,探究不同晶化工艺对ZSM-5分子筛表观形貌、晶体结构以及酸性的影响。结论如下:1)在无模板体系中,通过调节合成溶胶的碱度、水含量及硅铝比,在摩尔组成12Na_2O:(70~140)SiO_2:2Al_2O_3:2500H_2O的条件下,室温动态老化24h后180℃一段晶化24~48h,成功制得了系列ZSM-5分子筛,考察了硅铝比(SiO_2/Al_2O_3)对ZSM-5分子筛结构、形貌和酸性的影响。结果表明,偏铝酸钠作铝源时,在SiO_2/Al_2O_3=60和70时可制得100nm左右的ZSM-5纳米晶;当SiO_2/Al_2O_3=40和50时,可制得尺寸均匀、约20μm×10μm的ZSM-5蛹状大单晶,表面呈层状粗糙结构,与SiO_2/Al_2O_3=38的商业ZSM-5分子筛(约2.5μm×1.5μm的六棱柱状晶体)相比,尺寸较大,B、L酸量增加,B/L比值降低,这表明在较低硅铝比情况下,无有机模板参与晶化作用,比较容易合成酸量较大、B/L比值较小的大单晶。拟薄水铝石作铝源时,在SiO_2/Al_2O_3=35、40和50时得到的ZSM-5分子筛晶化不完全,其中包括约10μm×8μm的六棱柱状大单晶和未晶化完全的菜花状结构;当SiO_2/Al_2O_3=60时,可制得50nm左右的均匀的ZSM-5球形晶体,与相同硅铝比条件下偏铝酸钠做铝源合成的ZSM-5相比,尺寸减小,B酸量增加,L酸量减小,B/L比值增加,这表明拟薄水铝石做铝源活性较高,在低硅铝比情况下不易控制晶体的生长,但高硅铝比情况下较容易制得尺寸较小且B/L比值较高的纳米晶。2)在无模板体系中运用变温两段晶化法制备得到了ZSM-5分子筛,投料配比为12Na_2O:(80、140、200)SiO_2:2Al_2O_3:2500H_2O。偏铝酸钠作铝源时,SiO_2/Al_2O_3=100无法制得ZSM-5分子筛;SiO_2/Al_2O_3=70对应的最优晶化工艺为220℃预晶化5h后180℃二次晶化48h,ZSM-5单晶呈六棱柱状结构,晶粒大小约为10μm×5μm,但部分未晶化完全;SiO_2/Al_2O_3=40对应的最优晶化工艺为220℃预晶化4h后180℃二次晶化40h,ZSM-5单晶呈类蛹状结构,晶粒大小约为15μm×8μm,与一段晶化法相比,粒径相近且晶化更完全,与SiO_2/Al_2O_3=38的商业ZSM-5分子筛相比,总酸量增加,B/L比值降低,这与一段晶化法的结果相同。拟薄水铝石作铝源时,SiO_2/Al_2O_3=70和100未能合成ZSM-5分子筛;SiO_2/Al_2O_3=40对应的最优晶化工艺为200℃预晶化4h后180℃二次晶化24h,ZSM-5单晶呈现扁平状六棱柱形貌,大小约为5μm×3μm,与一段晶化法相比,晶粒尺寸减小但晶化完全性并未得到提高。同时,变温两段晶化法在一定程度上缩短了无模板法ZSM-5分子筛的晶化周期。3)在无模板体系中,运用晶种法,在偏铝酸钠作铝源、摩尔比12Na_2O:(80、140、200)SiO_2:2Al_2O_3:2500H_2O及180℃晶化的条件下,成功制得了ZSM-5分子筛,并考察了硅铝比(SiO_2/Al_2O_3)对ZSM-5分子筛的结构、形貌和酸性的影响。SiO_2/Al_2O_3=100时ZSM-5结晶度偏低,晶粒大多未晶化完全;SiO_2/Al_2O_3=70时合成了大小约为8μm×3μm的六棱柱状ZSM-5晶粒,且表面附着有长条状的丝光晶体;SiO_2/Al_2O_3=40时ZSM-5颗粒呈形貌统一的蛹状结构,大小约为5μm?3μm,与SiO_2/Al_2O_3=38的商业ZSM-5分子筛(约2.5μm×1.5μm的六棱柱状晶体)相比,尺寸较大,B、L酸量均大幅增加,B/L比值大幅降低,强酸百分含量基本相同。综上,晶种法大幅缩短了无模板ZSM-5分子筛的合成周期,提高了产物结晶度,同时为无模板体系中合成高硅铝比ZSM-5分子筛提供了可能。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ424.25
【部分图文】：

图 1-1 MFI 分子筛拓扑结构示意图Fig. 1-1 Topology of MFI molecular sieve1.2.2 ZSM-5 分子筛的应用1.2.2.1 ZSM-5 分子筛在炼油化工领域的应用

图 1-2 蒸气辅助合成 ZSM-5 分子筛示意图ig. 1-2 Schematic diagram of steam-assisted synthesis of ZSM-5 molecular sie5 分子筛的水热合成系中 ZSM-5 分子筛的晶化机理及晶化动力学

图 1-3 水热体系中 ZSM-5 分子筛的晶化动力学曲线Fig. 1-3 The crystal dynamics curve of ZSM-5 zeolite in hydrosol system5 分子筛的水热合成方法况下，水热体系合成 ZSM-5 分子筛需要硅源和铝源作为基本原

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本文编号：2814287