2006年第3O卷 第5期 中国石油大学学报(自然科学版) Journal of China University of Petroleum VO】,30 No.5 Oct.2006 文章编号:1673—5005(2006)05一O113—05 用碱处理的ZSM一5沸石合成MCM一41型 结构复合分子筛的研究 宋春敏,阎子峰,王槐平,姜 杰,乔 柯 (中国石油大学重质油加工国家重点实验室及中国石油天然气集团公司催化重点实验室,山东东营257061) 摘要:以现有的工业ZSM-5作为原料,采用碱处理ZSM-5的浆液或滤液作为硅铝源,与表面活性剂在水热条件下进 行自组装得到具有微孔、介孔双孔分布的MCM一41型结构复合分子筛,并采用x射线衍射、N,吸附脱附、红外光谱 等测试手段对合成的样品进行了分析表征,考察了主要合成条件对分子筛性能的影响。结果表明,根据ZSM-5碱处 理程度的不同,采用浆液得到的样品可能含有少量ZSM-5沸石的晶粒,但随着碱浓度升高或碱处理时间的延长, ZSM-5沸石晶粒的量逐渐减少,而采用滤液合成的样品中不存在独立的ZSM-5沸石的晶粒。 关键词:微孔一介孔复合材料;ZSM一5沸石;介孔分子筛;碱处理;硅铝酸盐 中图分类号:TE 624.99 文献标识码:A Synthesis of MCM-4 1-type composite materials using alkali.treated ZSM.5 zeolite SONG Chun—min,YAN Zi—feng,WANG Huai—ping,J IANG Jie,QIAO Ke (State Key Laboratory ofHeavy Oil Processing and CNPC Key Laboratory fCatoalysis in China University fPeotroleum, Dongying 257061,ShandongPro ̄nce,China) Abstract:Micro/mesoporous composites materials with mieroporous and mesoporous double pores size distribution were hy— drothermally synthesized using slurry or filtrate of alkali—treated ZSM一5 zeolite.which characterized by X—ray diffraction (XRD),N2 adsorption and desorption,infrread spectrum(IR)and SO on.The effects of principal sntyhesis conditions on the performances of molecular sieves were investigated.The results show that sampls orieginated from the slurry of alkali— treatd ZSM一5 zeoleite may contain ZSM-5 crystllaites,owing to the difference in concentration and time of alkaline treat— ment for ZSM一5 zeolite.The amount of ZSM-5 zeolite decreases with the alkaline concentration rising or time of alkaline treatment prolonging.Sampls obtaiened from filtrate of alkali—treated ZSM-5 zeolite hardly contain raw ZSM一5 particls.e Key words:micro/mesoporous composite material;ZSM-5 zeolite;mesoporous moleculr sieveas;alkaline treatment;alumi— nosilicate 随着原油的日益重质化及精细石油化工中催化 有机大分子反应的需要,开发与之相适应的介孔(2 ~员希望结合微孔、介孔两种分子筛各自的优势,合成 新型微孔一介孔复合分子筛材料。Kloetstra等l1j采用 单模板原位合成了FAU和MCM-41复合分子筛,同 时也合成了USY沸石上附晶生长的MCM-41的薄 层。Karlsson等l_2_ j采用混合模板剂合成沸石和介孔 材料的混合物,如采用沸石合成中常用的四烷基铵阳 离子和介孔结构的表面活性剂作为混合模板剂合成 50 nm)分子筛材料具有重要的意义。1992年,Mo— bil公司的Beck和Kresge等首次报道了在水热体系中 合成出新型介孔分子筛系列材料M41S。介孔分子筛 具有较大的孔径和比表面积。虽然介孔分子筛具有 均一规整的孔道结构,且孔径和酸性均可调变,但其 酸强度不够,水热稳定性较差,阻碍了其在工业生产 中的应用。而微孔分子筛是重要的择形催化剂,具有 了复合分子筛。目前,Liu等l5-9]尝试采用沸石前驱体 或沸石的次级结构单元(SBU)作为初始材料合成介 孔结构的多孔状泡沫体,如Pinnavaia及其合作者控制 FAL ̄5],BENE6j或ZSM-5[6j通过结晶得到沸石的纳米 均匀发达的微孔和强酸性,但其孔径较小,大分子难 以进入孔道,这同样限制了其工业应用。因此研究人 收稿日期:2006—04—15 作者简介:宋春敏(1965一),女(汉族),河北元氏人,副教授,博士研究生,主要从事材料合成与工业催化方面的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com
・ 114・ 中国石油大学学报(自然科学版) 2006年10月 簇,转换成为介孔材料MSU-S。得到的MSU-S具有 高的热稳定性,对异丙基苯的裂化比A1-MCM-41催 化涪l生还高[10 ;Zhang等l8_9]将BEA沸石前驱体成功 地引入介孔的铝硅酸盐中,得到的介孔产品即使在 1073 K仍是热稳定的。另一方面,人们也尝试将介 孔材料的无定形孔壁转换成沸石结晶的孔壁。Ver ho u J等提出用四丙基铵(Ⅱ)A)阳离子溶液处理,以 使A1-I、慨 41的介孔孔壁转换成为约3 nnl厚的 ZSM_5的微晶。研究表明,通过纳米组装法,利用具 有沸石初级和次级结构单元的硅铝纳米簇与胶束模 板进行自组装可形成规则的介孔分子筛。而Ogura 等l12 J曾对碱处理的ZSM-5沸石进行了研究,表明用 0.05 mol/L NaOH溶液在338 K处理ZSM-5沸石得 到的滤液,经老化可得到含zSM_5微晶的固体沉淀。 这表明碱处理ZSM-5可萃取出含硅铝的物种。笔者 以碱处理的zSM_5作为硅铝源,与表面活性剂进行 组装得到复合分子筛,并对其性能进行研究。 1 实验 (1)复合结构分子筛的制备。典型合成路线如 下:①取5 g ZSM-5样品用一定量1 mol/L的NaOH 溶液在353 K热处理1 h,即得碱处理的浆液;②将 4.5 g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶解在蒸馏 水中,然后将①得到的浆液加入CTAB溶液中,搅 拌,所得溶胶用2 mol/L的I-I2SO4溶液调节其pH 值为10.5,搅拌均匀后转入带有聚四氟乙烯内衬的 不锈钢反应釜中,在383 K晶化一定时间,得到的固 体产物经过滤、水洗、干燥,并于550℃空气气氛中 焙烧6 h脱除模板剂,即得到由碱处理浆液合成的 复合分子筛材料,记为样品A。在上述过程中,如将 碱处理zSM 5之后的浆液进行过滤,以得到的滤液 作为硅铝源,再与CTAB的溶液进行组装得到的复 合分子筛材料,记为样品B。 (2)样品的性质表征。分子筛的物相与结构用 x射线衍射测定,仪器为理光D/MAX一ⅢA型x射 线衍射仪,光源采用Cu Ka辐射,管压35 kV,管流 40 mA。N2静态吸附实验在Micromeritics公司的 ASAP 2010型多功能吸附仪上进行。用高纯N2作 为吸附介质,以液氮为冷阱,测定吸附和脱附等温 线。比表面积通过BET法测算,微孔和中大孔分别 采用HK,BJH法测定。傅里叶变换红外分析(FT— IR)用美国Nicolet公司的Magna IRTM750型红外 光谱仪测定样品的FT—IR谱图,采用KBr压片法。 2结果及其分析 2.1滤液和浆液合成的复合分子筛 复合分子筛样品A和B的x射线衍射(Ⅺ ) 谱图如图1所示(ZSM 5在1 mol/L的NaOH溶液 中353 K处理1 h)。 2 4 6 8 l0 20/(。) 图1样品XRD谱图 由图可见到清晰的(1OO),(110),(200)和(210) 衍射峰,表明样品具有类MCM 41的典型六方介孔 结构,其XRD结果与Beck等人最初报道的具有六 方晶格的MCM 41的衍射图一致。样品B在20= 8。-9。范围内没有属于微孔的特征峰,即没有属于 MFI型骨架结构的衍射峰,在大角度区也没有明显 的衍射峰,这说明样品中不存在独立的ZSM 5沸石 的晶粒,所得分子筛为单一的介孔相,即由碱处理的 滤液得到的样品为单一的纯相。对样品A,由于碱 处理的ZSM 5浆液中仍有一部分沸石的晶粒没有 溶解,故得到的样品在20=8。~9。范围内有属于微 孔的特征衍射峰。无论在碱处理ZSM 5的浆液还 是滤液中,都存在一些碱溶解下来的硅铝碎片,这些 是含有ZSM一5沸石结构的硅铝纳米簇,而介孔分子 筛的孔壁可以容纳这些硅铝碎片,因而组装过程是 可行的。此处样品B的热稳定性明显优于Inagaki 等l13 J采用相同方法所得样品的热稳定性。 样品A,B和普通MCM一41样品的红外吸收光 谱见图2。由碱处理ZSM一5的浆液和滤液作为硅铝 源得到的样品A和B在550--600 cmI1处都有一明 显的吸收峰,而普通的MCM一41在此处的吸收峰很 弱。而介于550--600 cmI1的吸收峰和沸石结构单 元体的五元环振动密切相关L66,_这说明浆液和滤液 中含有的沸石结构的硅铝碎片进入了介孔分子筛的 骨架,并且其中硅氧四面体和铝氧四面体的紧密连 接方式得以保留L1 。因此可以推断在合成的介孔 材料中保留了ZSM一5沸石结构的碎片。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第30卷第5期 宋春敏,等:用碱处理的ZSM一5沸石合成MCM一41型结构复合分子筛的研究 ^I.∞.c.。)\ 瓷督 得到的孑L分布图给出一个2.6 nm的规整介孑L的同 样品的吸脱附等温线 (图3)是典型的Ⅳ型等温 线,吸附和脱附等温线在 相对压力P/P0介于0.3~ 0.4间有一个突跃,表明样 品中介孑L结构的存在。可 观察到样品A在P/P0> 0.45的等温线上具有较大 的滞后环,这是样品中缺 ^ 目.I. c.。v\ 时在3.8 nm还出现了一个附加的孑L分布峰,这个 来自吸附与脱附分支的孑L分布曲线的差异,表明 《避壮 3.8 D_m的孑L道不是客观存在的,而是由孑L道效应造 成的【 。由XRD和N2吸附结果计算所得的样 品结构参数见表1。可知,样品A的壁厚为1.97 D_m,B为2.10 DITI,与相同硅铝比的常规MCM.41 (1.75 DITI)相比,孑L壁厚度增加。这是由于在组装过 800 600 400 陷空位结构存在的证明。 1000 波数o/cm一 程中,进入表面活性剂胶束间空隙的硅铝酸盐碎片相 ^ 目. .£.3)\ 母 对于无定形硅铝具有更大的体积和硬度,存在明显的 空间效应,因此导致了所合成的复合样品具有较厚的 孑L壁。由图3的孑L分布曲线可以看出,得到的分子筛 孔径分布很窄,且具有微孑L、 ^I_∞.£.0v\ 燕督 介孔双孑L分布。避 对样品A,由吸附分支得到 的孑L分布图给出一个2.8 图2样品和普通 nm的介孑L,而由脱附分支McM-4 的rr.IRi ̄88 ^I.目. £.。v\ 《避壮 相对压力户/户。 L 8 l_6 相对压力P/P。 L 4 l_2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 l_2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 孔径dlni 孔径d/r,* 孔径dlni 图3样品的N2吸附脱附等温线和孔分布图 维普资讯 http://www.cqvip.com
・ 116・ 中国石油大学学报(自然科学版) 2006年10月 表1 复合分子筛样品的结构参数 注:孔壁厚度d a0一d。。 2.2合成温度对复合分子筛性能的影响 较少量的硅铝碎片进入了介孔分子筛的骨架,而高 图4为在383 K和室温(RT)下合成的样品A 温有利于纳米的硅铝碎片进入骨架,因此高温得到 的XRD谱图,合成采用的硅铝源是在1 mol/L的 的样品晶胞大,孔壁也较厚。无论室温还是高温得 NaOH溶液中353 K处理5 h得到的ZSM-5浆液。 到的样品都具有大的表面积和孔体积,这说明该样 由图4可看出,合成的样品A在20=8。~9。无衍射 品特别适宜作为催化剂的载体。 峰,即没有属于MFI型骨架结构的特征峰,表明样 品中已没有独立的ZSM-5沸石的晶粒。在383 K 合成的样品具有清晰的(100),(110),(200)和 (210)衍射峰,而室温得到的样品衍射峰强度有所降 低,体现更好长程有序度的(210)衍射峰消失,表明 样品仍为较规整的六方介孔结构,但结构有序度变 差,这也可以从N2吸附脱附结果得到证实。同时 2 4 6 8 10 可看出,室温合成样品的2 值增大,dl00值减小,即 20/(。) 晶胞参数明显减小(表2),可以预测在室温下有 图4分子筛样品A的XRD谱图 表2不同合成温度得到的样品A的结构参数 2.3碱处理时间和碱浓度的影响 XRD谱图中有属于MFI型骨架结构的特征峰,但 图5(a)为以2 otol/LNaOH溶液在353 K处理 衍射峰强度很低,表明样品中存在极少量独立的 不同时间得到的ZSM-5浆液作为硅铝源合成的样 ZSM-5沸石的晶粒。随碱处理时间的延长,属于 品A的XRD谱图。可看出具有清晰的(100), MFI型骨架结构的特征衍射峰逐渐降低,甚至消 (110),(200)和(210)衍射峰,所合成的硅铝分子筛 失。这表明样品A中微孔特征衍射峰的强度取决 具有六方对称的结构。碱处理0.5 h和1 h得到的 于碱处理的程度。 样品A在20=8。~9。可以观测到衍射峰,即样品 2 4 6 8 l0 2 4 6 8 l0 20/(。) 20/(。) (a)不同碱处理时间得到的ZSM-5浆液作硅铝源 (b)不同浓度碱处理得到的ZSM一5浆液作硅铝源 圈5 样品A的XRD谱图 维普资讯 http://www.cqvip.com
第3O卷第5期 宋春敏,等:用碱处理的ZSM-5沸石合成MCM一41型结构复合分子筛的研究 ・117・ 用不同浓度的碱液热处理1 h得到的ZSM一5 MSU—S aluminosilicate mesostructures assembld from e浆液作为硅铝源,合成样品A的XRD谱图(图5 (b))具有清晰的(100),(110),(200)和(210)衍射 峰,所合成的硅铝分子筛具有六方对称的结构。随 碱浓度的提高,属于MFI型骨架结构的特征衍射峰 逐渐降低,甚至消失。当碱浓度较低时如采用碱度 为1 mol/L和2 mol/L得到的样品在20=8。~9。可 zeolite ZSM-5 and zeolite beta seeds[J].Angew Chem Int Ed,2001,40(7):1 255—1 258. [7]GUOW P,HUANGLM,DENGP,et a1.Characteri— zatlon of Beta/MCM-41 composite molecular sieve oom pared with the mechanical mixture[J].Micropor Me_so— por Mater,2001,44—45:427—434. [8]ZHANG Z T,HAN Y,XIAO F S,et 1.Measolxmus lau— minosilicates with ordered hexagonal structure,strong acidi— 以看到明显的衍射峰,存在属于MFI型骨架结构的 特征峰,但衍射峰强度很低,表明样品中含有极少量 独立的ZSM一5沸石的晶粒。结果表明,合成的样品 A随碱处理苛刻度的增加,所得到的样品中属于 MFI骨架结构的衍射峰强度逐渐降低,甚至消失, 样品中不含有独立的ZSM一5的晶粒。 3结束语 碱溶解ZSM 5的浆液以及滤液中含有可溶解 的具有ZSM一5结构的硅铝酸盐碎片,可以作为硅铝 源来合成MCM一41型介孔材料,得到的材料热稳定 性较高。采用滤液合成的样品B中不存在独立的 ZSM一5沸石的晶粒,而采用浆液得到的样品A,根据 碱处理程度的不同会含有少量ZSM一5沸石的晶粒, 但随着碱浓度或碱处理时间的延长,样品A中含有 ZSM-5沸石晶粒的量会逐渐减少,甚至不存在。合 成的样品为具有微孔、介孔双孔分布的复合分子筛, 并具有大的表面积和孔体积。 参考文献: [1]KLOETSTRA K R,ZANDBERGEN HW,JANSEN J C,et a1.Overgrowth of mesoporous MCM一41 on fauja— site[J].Micropor Mater,1996,6(5—6):287—293. [2]KARLSSON A,STOCKER M,SCHMIDTR.Compos— ires of micro and mesoporous materials:simultaneous syn— theses of MFI/MCM-41 like phases by a mixed template approach[J].Micropor Mesopor Mater,1999,27:181— 192. [3]HUANG L M,GUO W P,DENG P,et a1.Investiga— tion of synthesizing MCM一41/ZSM-5 compositse[J].J Phys Chem B,2000,104:2817—2823. [4]POLADI R H P R,LANDRY C C.Synthesis,charac— terization,and catalytic propertise of a microporous/ mesoporous amterial,MMM—l[J].Journal of Solid State Chemistry,2002,167:363—369. [5]LIU Y,ZHANGW,PINNAVAIAT J.Steam—stable a— luminosilicate mescstructures assembled from zeolite type Y seeds[J].J Am Chem Soc,2000,122:8791—8792. 『6] LIU Y,ZHANG W,PINNAVAIA T J.Steam—stable ty,and extraordinaryhydrothermal stability at hightempera— tures[J].J Am(;hem Soc,2001,123:5014—5021. [9]ZHANG Z T,HAN Y,ZHU L,et a1.Storngly acidic and high—temperature hydrothermally stable mesoporous aluminosilicatse with orderde hexagonal structrue[J]. Angew Chem Int Ed,2001,40(7):1 258—1 262. [1O]朱金红,刘靖,赵文江,等.A1一MSU—S介孔及介孔. 微孔分子筛的合成、表征及其催化性能[J].催化学 报,2004,25(9):741—747. ZHU Jin—hong,LIU Jign,ZHAO Wen—jiang,et a1. Synthesis and characterization of A1—-MSU—-S mesoporous and meso-microporous moleculra sieves and their catalyt— ic performance[J].Chinese Journal of Catalysls,2004, 25(9):741—747. [11]VERHOEFM J,K00YMANP J,VANDERWAAL J C,et a1.Partial transformation of MCM一41 material into zeolites:formation of nanosized MFI type crystal— lites[J].ChemMater,2001,13(2):683—687. [12]( ̄URA M,SHINOMIYA S,TATENO J,el:a1.Alkali— treatment technique newmethcd for rrozlifiactionof struc— rurla and acid-catalyticpropertiseofZSM-5 zeolitse[J].Ap— plied Catalysis A:General,2001,219(1-2):33—43. [13]INAGAKI S,OGURAM,INAMI T,et 1a.Synthesis of MCM一41一type mesoporous materials usign filtrate of lakaline dissolution of ZSM一5 zoelite[J].Micropor Mesopor Mater,2004,74:163—170. [14]PAULY T R,PETKOV V,LIU Y,et a1.Role of framework sodium versus local framework structure in determining the hydrothermal stability of MCM-41 Mesostructurse[J].J Am Chem Soc,2002,124(1): 97—103. [15]LIN H P,WONG S T,MOU C Y,et a1.Extensive void defcets in mesoporous aluminosiliacte MCM一41[J]. J Phys Chem B,2000,104(38):8967—8975. [16] GROEN J C,PEFFER L A A,P6REZ-RAMIREZ J. C(rnments on“vanadium-and chrcmaium-conta ̄gn1es0一 porous MCM-41 mol ̄ular sieves with hierarchical struc— tl3re'’[J].Micorpor Mempor aMter,2002,51(1):75—78. (编辑刘为清)
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