晶种法直接水热合成含磷ZSM-5分子筛及其芳构化性能研究

费托合成油品向高辛烷值汽油转化的流化床体系中,水蒸气的存在极易导致ZSM-5分子筛发生不可逆的水热失活,而磷的引入能提高ZSM-5分子筛的水热稳定性。采用晶种法在无胺体系下直接水热合成了含磷ZSM-5分子筛(HS-P-Z5),并与常规浸渍法得到的含磷ZSM-5分子筛(IM-P-Z5)进行了对比。通过XRD、SEM和N2吸/脱附等对水热处理前后的ZSM-5分子筛进行了表征,通过水洗实验考察了磷元素的流失情况,并以1-辛烯为探针分子评价了ZSM-5分子筛的芳构化性能。结果表明,HS-P-Z5比IM-P-Z5具有更高强度的特征衍射峰、更多的微孔结构和酸量。水洗实验和NMR表征结果表明,HS-P-Z5具有更加稳定的磷铝结构,磷物种不易被洗掉,故其具有更好的水热稳定性,在水热处理后能够保留更多分子筛的微孔结构以及强酸位点。HS-P-Z5-ST(ST表示水热处理)具有最高的芳烃选择性,在反应时间730 min时,其芳烃选择性为23.1%,高于IMP-Z5-ST(18.4%)以及Z5-ST(11.2%)。

ZSM-5分子筛形貌对苯-乙醇烷基化催化性能的调控作用

采用水热法制备了环状、薄片、类球状聚集体和小晶粒4种不同形貌和尺寸的纳米ZSM-5分子筛,用XRD、SEM、BET、MAS-NMR和NH3-TPD对所合成分子筛进行了表征,并考察分子筛形貌对苯和乙醇烷基化性能的影响.实验结果表明:在相近的硅铝比下,不同形貌的分子筛具有相似的弱酸峰强度,短b轴和中空结构的存在会降低分子筛的强酸峰强度,分子筛的强酸峰强度直接影响烷基化性能;分子筛颗粒形貌对催化烷基化性能有较大影响,4种形貌分子筛催化苯和乙醇烷基化性能优劣顺序为:薄片ZSM-5>环状ZSM-5>类球状团聚体ZSM-5>小晶粒ZSM-5.其中,具有薄片结构的H-ZSM-5分子筛在烷基化反应过程中表现出相对较好的催化性能.综合对比结果表明:较低的强酸强度、较大的比表面积和孔容、较多的直形孔道占比下,分子筛的烷基化性能较好,产物乙苯的选择性越高.

环状ZSM-5分子筛在苯和乙醇烷基化反应中的应用

低温下采用水热晶化法合成了环状中空ZSM-5分子筛,并以磷酸二氢铵为前体,制备了不同磷负载量的环状中空ZSM-5催化剂,采用XRD,SEM,NH_(3)-TPD,Py-FTIR等方法对催化剂进行表征,并在气相连续流动固定床反应器上对苯和乙醇烷基化制乙苯进行性能评价和稳定性考察。实验结果表明,环状中空ZSM-5催化剂进行磷改性后,催化剂的酸强度降低,随着磷负载量的增加,乙苯选择性逐渐增加,甲苯和丙苯选择性逐渐降低;当磷负载量达到3%(w)后,催化剂外表面强酸位基本消失,此时乙苯选择性最高;在n(苯)∶n(乙醇)=8∶1、340℃、1.0 MPa、WHSV=1 h^(-1)条件下,对该催化剂进行了寿命考察,在300 h反应过程中,乙醇转化率超过99.9%,苯的转化率维持在11%左右,乙基苯的选择性最高达到98.4%,二甲苯相对含量最低达到0.11%。

碱处理改性ZSM-5分子筛孔结构对VOCs吸附性能的影响

采用氢氧化钠和四丙基氢氧化铵混合碱溶液处理制备一系列改性ZSM-5分子筛,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、N_(2)吸附、水接触角测定等手段对改性样品进行了分析表征,采用固定床吸附器对比评价5A、NaY和不同碱改性ZSM-5分子筛吸附剂对正己烷和乙酸乙酯的动态吸附性能。结果表明:氢氧化钠和四丙基氢氧化铵摩尔浓度均为0.2 mol/L的碱改性ZSM-5-G-3样品的比表面积及总孔体积分别为425 m^(2)/g和0.585 cm^(3)/g,比改性前高硅ZSM-5-G-1样品分别提高了17.7%和174.6%,介孔比表面积增加8.6倍,达到317 m^(2)/g,介孔体积增加12.3倍,达到0.531 cm^(3)/g;随着碱溶液浓度的增加,改性分子筛材料水接触角减小;25℃时,正己烷和乙酸乙酯在ZSM-5-G-3吸附剂床层上的穿透吸附量分别为76.99和101.08 mg/g,比改性前ZSM-5-G-1吸附剂床层分别提高了40.3%和17.4%。改性ZSM-5-G-3样品对挥发性有机化合物(VOCs)吸附性能的显著提高主要归因于碱改性提供了更多的吸附位和介孔结构。

等级孔结构协同Fe改性提升ZSM-5分子筛催化苯甲醇烷基化性能

针对ZSM-5分子筛微孔扩散限制和催化活性位单一的问题,使用有序大孔-介孔碳模板为硬模板并结合原位引入金属策略,一步晶化合成了具有高结晶度、高比表面积的有序贯通大孔-介孔-微孔等级结构的Fe/ZSM-5分子筛单晶.通过X射线衍射(XRD)、紫外-可见光谱(UV-Vis)、H_(2)程序升温还原实验(H2-TPR)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对催化剂中活性Fe的存在形式进行了表征.结果表明,该材料中位于离子交换位及铁氧八面体(六配位)的孤立Fe(III)是主要的氧化还原活性中心,当Fe负载量(质量分数)为1%时,苯甲醇转化率最高为59.3%,产物选择性为83.2%,最终收率达到49.3%,在循环使用5次后仍保持高催化活性.

磷改性ZSM-5分子筛的制备及其催化苯酚烷基化反应性能

为了解决ZSM-5分子筛催化苯酚烷基化对甲酚选择性低的问题,采用等体积浸渍法对制备的ZSM-5分子筛进行硅、磷、镁改性得到系列改性ZSM-5催化剂。采用XRD、Py-IR和BET等手段对改性前后ZSM-5分子筛进行表征,并采用固定床反应器考察了改性ZSM-5分子筛催化苯酚烷基化反应性能。结果表明:磷负载质量分数15%的15P-ZSM-5分子筛的比表面积和总酸量分别从未改性前的395 m^(2)/g和406μmol/g降低到了309 m^(2)/g和128μmol/g,外表面酸量从未改性前的18μmol/g降低到了3μmol/g;在质量空速12 h^(-1)、反应温度420℃、反应压力1.5 MPa条件下进行催化苯酚烷基化反应,磷负载质量分数10%的10P-ZSM-5分子筛作用下的苯酚转化率为52.4%、对甲酚选择性为15.4%;磷改性可以通过磷酸根离子覆盖ZSM-5分子筛外表面的酸位点对表面酸性酸量进行调节,提高对甲酚的选择性,与其他改性分子筛相比,磷改性分子筛具有最佳的苯酚烷基化反应性能。

碱处理制备高硅多级孔ZSM-5催化MTP反应

以水热法合成母体硼硅沸石(BS),然后使用氢氧化钠(NaOH)溶液单独处理以及氢氧化钠和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)混合溶液处理,并在碱溶液中加入铝源,制备一系列高硅多级孔ZSM-5分子筛样品(命名为BHZ-A和BHZ-AB系列样品)。采用XRD、SEM、ICP、Ar物理吸附、NH3-TPD和热重分析等手段表征样品的孔结构和酸性质等,并提出了CTAB的保护作用:在碱处理过程中,CTAB抑制NaOH的脱硅作用从而保护分子筛不被过度刻蚀。在压力0.1 MPa、温度743 K、水/醇摩尔比为1/1和甲醇质量空速为3 h^(-1)条件下,采用固定床反应器评价BHZ(含B的H型ZSM-5)分子筛样品催化甲醇制丙烯(MTP)反应72 h的性能。结果表明:通过碱处理制备得到的高硅多级孔ZSM-5分子筛的强酸量是影响其MTP反应性能和积炭的主要因素,由于BHZ-0.1A和BHZ-0.1AB样品具有丰富的介孔和合适的酸性,其MTP反应性能优异,丙烯选择性均约为50%,积炭量均约为1.5%。

缺陷型ZSM-5沸石金属改性特征

MFI沸石中普遍存在骨架缺陷。但由于某些原因,迄今为止人们仅对于S-1沸石的骨架缺陷进行了一些较为系统的研究。实际上,与S-1沸石同样具有MFI拓扑结构的ZSM-5沸石也普遍存在不同程度的骨架缺陷。这些骨架缺陷会使ZSM-5沸石产生不同数量和形式的羟基窝缺陷位。然而,关于羟基窝对缺陷型ZSM-5沸石物化性质的研究却鲜有报道,所以有必要对缺陷型ZSM-5沸石中羟基窝的物化性质进行系统研究。因此,研究了缺陷型ZSM-5沸石的金属离子改性规律,考察羟基窝对金属离子在缺陷型HZSM-5上的改性行为,以便为将来开发利用缺陷型ZSM-5沸石打下基础。

金属改性缺陷型ZSM-5分子筛用于丙烷催化转化的研究

锌离子改性的缺陷型HZSM-5分子筛的表面酸性和锌离子改性常规HZSM-5分子筛明显不同,其丙烷转化反应催化性能更优。用缺陷型HZSM-5分子筛制备的Zn、Sn、Pt三金属组元改性催化剂也可能在催化性能上优于用常规HZSM-5分子筛(骨架缺陷较少)制备的Zn、Sn、Pt三金属组元改性催化剂。因此,选择高硅铝比(n(SiO_(2))/n(Al_(2)O_(3))=100)缺陷型HZSM-5分子筛(Z100)及其(NH_(4))_(2)SiF_(6)修复样品,分别制备了Zn、Sn、Pt三金属组元改性催化剂,并在此基础上研究了不同催化剂对丙烷探针分子反应的催化性能。脉冲微反应实验结果表明:在丙烷探针分子反应中,Zn、Sn、Pt改性缺陷型HZSM-5分子筛催化剂的烯烃和芳烃产物总选择性与参比催化剂相近,但催化活性提高近1倍。

多级孔花状ZSM-5分子筛的合成及其正辛烷催化裂解反应性能研究

高性能催化剂的研发是石脑油催化裂解制低碳烯烃领域的研究热点。使用双子季胺盐表面活性剂[C_(18)H_(37)-N^(+)(CH_(3))_(2)-C_6H_(12)-N^(+)(CH_(3))_(2)-C_6H_(13)]Br_(2)作为结构导向剂,成功合成了花状ZSM-5分子筛。利用XRD、SEM、N_(2)吸附-脱附和NH_(3)-TPD表征技术研究了晶化温度、n(Si)/n(Al)、n(H_(2)O)/n(Si O_(2))和n(Na_(2)O)/n(Si O_(2))等合成条件对ZSM-5分子筛物化性质的影响,并考察其正辛烷催化裂解反应性能。研究结果表明,花状ZSM-5分子筛的优化制备条件为:n(Na_(2)O)∶n(Al_(2)O_(3))∶n(Si O_(2))∶n(C_(18-6-6)Br_(2))∶n(H_(2)O)=5∶1∶100∶10∶4000、晶化时间为72 h、晶化温度为175℃。随着n(Si)/n(Al)的增大,花状分子筛颗粒逐渐团聚;当投料n(Na_(2)O)/n(Si O_(2))高于0.05时,分子筛样品中开始出现其他杂相;随着投料n(H_(2)O)/n(Si O_(2))的增大,分子筛层状形貌逐渐不明显。在催化裂解正辛烷制乙烯和丙烯反应中,经过30 h连续测试,花状ZSM-5分子筛的正辛烷转化率始终保持稳定,乙烯和丙烯总收率从62.0%逐渐增加至64.4%。花状ZSM-5分子筛较高的催化活性和优异的抗积炭稳定性主要归结于其独特的层状形貌和多级孔结构。

ZSM-5分子筛结构对苯烷基化反应性能影响的数值模拟研究

以ZSM-5分子筛催化苯和乙烯烷基化为体系,建立并验证了一种三维各向异性扩散-反应数学模型,该模型考虑了分子筛形貌、孔结构和扩散各向异性的影响。模拟发现当分子筛颗粒体积和abc轴尺寸保持不变时,改变分子筛形貌并不会显著影响其表观活性,因而该情况下无须调控分子筛形貌;而当分子筛颗粒体积不变时,仅缩短b轴尺寸才能显著降低扩散阻力,提高催化剂表观活性,因而合成ZSM-5分子筛时缩短b轴尺寸最有利于扩散和反应。在分子筛颗粒中引入大孔可显著提高分子筛催化剂利用率和表观活性,保持大孔孔隙率不变时,减小大孔孔径更有利。存在最优大孔孔隙率以平衡扩散阻力和活性材料含量,当分子筛粒径4μm、大孔孔径300 nm时,最优大孔孔隙率0.16,对应最高表观反应速率80.5 mol/(m^(3)·s)。另外,由于分子筛内扩散各向异性的影响,当大孔取向平行于c轴时最有利。结果可为苯和乙烯烷基化ZSM-5分子筛催化剂乃至其他分子筛催化剂的设计优化提供一定的理论指导。

改性纳米ZSM-5分子筛催化甲醇制对二甲苯的反应性能

通过水热合成的方法合成纳米ZSM-5分子筛,并采用等体积浸渍法制备ZnO,MgO和P_(2)O_(5)复合改性分子筛,用于催化甲醇高选择性制对二甲苯反应中。采用XRD、SEM、氮气吸附-脱附以及NH_(3)-TPD等手段对催化剂进行表征分析,并在固定床微型反应装置上进行甲醇直接制对二甲苯(MTPX)反应性能评价。结果表明:相比于常规微米ZSM-5分子筛,纳米分子筛具有大量晶间介孔,提高总芳烃选择性;Zn改性减少强酸量,增加中强酸酸量,有利于芳烃产物的生成;分子筛上进一步引入适量的MgO和P_(2)O_(5)可以有效覆盖分子筛的部分孔口和外表面的酸性位,对孔道扩散限制产生影响,对位选择性提高至81.1%,对二甲苯选择性提高至23.3%。

单晶多级孔ZSM-5分子筛酸性质对正庚烷催化裂解反应传质性能的影响

采用L-赖氨酸作为介孔模板剂,通过调控铝源(偏铝酸钠)添加量改变分子筛硅铝比,在单晶分子筛内部引入晶内介孔,成功地合成了一系列具有不同硅铝比的单晶多级孔ZSM-5分子筛,研究了其酸性质对正庚烷催化裂解反应传质性能的影响。利用X射线衍射(XRD)、N2物理吸附、氨气程序升温脱附(NH_(3)-TPD)、吡啶红外(Py-IR)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等表征了单晶多级孔ZSM-5分子筛的物理结构、酸性质和微观形貌。同时,利用零长柱(ZLC)装置测试获取了正庚烷在单晶多级孔ZSM-5分子筛中的表观扩散系数,用于反映其传质性能。研究结果表明,随着硅铝比的提高,单晶多级孔ZSM-5分子筛的物理结构基本保持一致;传质性能随酸量的减少而提升,催化裂解性能随酸量的增加而提高。当单晶多级孔ZSM-5分子筛的Si/Al从80提高至140,正庚烷的表观扩散系数提升了87%以上;当单晶多级孔ZSM-5分子筛的Si/Al=80时,正庚烷的转化率最高可达97.5%,乙烯和丙烯的选择性分别为24.3%和35.1%。

无有机胺醇水体系低硅铝比ZSM-5沸石的一步合成

研究了无有机胺醇水体系低硅铝比ZSM-5沸石的绿色合成方法。在无有机胺模板剂和不加晶种的醇水体系中,一步合成了形貌均一的小晶粒聚集体低硅铝比ZSM-5沸石,考察了合成体系中各配料的含量以及晶化温度对合成低硅铝比ZSM-5沸石的影响。利用XRD、FTIR、SEM、N_(2)吸附-脱附、^(27)Al MAS NMR和^(29)Si MAS NMR等方法对合成的ZSM-5沸石进行表征。实验结果表明,当n(Si)∶n(Al)=20,n(Na_(2)O)∶n(SiO_(2))=0.071,n(C_(2)H_(5)OH)∶n(SiO_(2))=1.77,晶化温度为160℃时,可合成具有高结晶度的纯相ZSM-5沸石。^(27)Al MAS NMR表征结果显示,合成的ZSM-5沸石主要含有骨架四配位铝,无非骨架铝。合成的ZSM-5沸石的比表面积和微孔孔体积分别为384 m^(2)/g和0.14 cm^(3)/g,总酸量达到789μmol/g,骨架n(Si)∶n(Al)=14.4。

表面钝化型二维ZSM-5分子筛的制备及甲苯与甲醇烷基化性能

采用二次晶化技术在二维ZSM-5分子筛表面构筑了具有外表面钝化作用的全硅Silicalite-1结构,通过XRD、SEM、TEM、N_(2)吸附-脱附等温线、Py-IR等手段对所制备的催化剂进行表征,采用固定床反应器评价了表面钝化型二维ZSM-5分子筛在甲苯和甲醇烷基化反应中的催化性能。表征结果表明:二次晶化技术在保留ZSM-5分子筛内部二维片层结构的同时成功构筑了全硅Silicalite-1钝化表面,Silicalite-1钝化结构不仅能有效屏蔽二维ZSM-5分子筛外表面Brønsted酸位点,抑制二甲苯异构化副反应的发生,而且对PX(对二甲苯)具有择形扩散的性能,极大提高对二甲苯选择性。实验结果显示:表面钝化型二维ZSM-5分子筛在673K、WHSV=10h^(-1)的条件下表现出了较长的寿命,同时在反应40h后依然有较高的活性,且对二甲苯选择性达到了约35%,在甲苯与甲醇烷基化反应中表现出优异的催化性能,有效促进了甲苯与甲苯烷基化高选择性地制备对二甲苯的工业化应用进程。

晶粒尺寸对Zn/ZSM-5沸石催化烯烃转化性能的影响

将催化裂化汽油中的烯烃转化为高辛烷值的芳烃或异构烷烃是生产国Ⅵ标准清洁汽油的有效途径。锌改性ZSM-5(Zn/ZSM-5)分子筛是目前最好的烯烃芳构化催化剂。通过调整沸石的晶粒尺寸,系统地考察了不同粒径的ZSM-5沸石的酸性与烯烃选择性转化之间的构效关系。XRD、SEM、TEM、UV-Vis、XPS、FT-IR和NH3-TPD表征结果表明:ZSM-5的晶粒尺寸影响分子筛的酸性位分布,最小晶粒尺寸为100~200 nm的Zn/ZSM-5沸石具有最高ZnOH+活性物种的相对含量(Zn物种的57%)和较低的Bronsted酸与Lewis酸之比(A_(B)/A_(L)=0.15)。在反应温度350℃、液体进料液时体积空速(LHSV)为1.5 h^(-1)、H_(2)(g)和1-己烯(l)体积比为600、氢压为0.1和2.0 MPa条件下,该Zn/ZSM-5沸石催化剂在1-己烯加氢转化反应中分别表现出较高的芳烃选择性(17.2%)和异构烷烃选择性(50.0%)。这些数据表明,减小ZSM-5沸石晶粒尺寸有利于促进催化裂化汽油中烯烃向高辛烷值组分进行选择性转化。

化学液相沉积法改性ZSM-5分子筛及其催化性能

采用硅烷偶联剂KH540、甲基硅油以及正硅酸乙酯(TEOS)对ZSM-5分子筛进行化学液相沉积改性,通过X射线衍射、扫描电子显微镜、NH_(3)程序升温脱附、N_(2)吸附-脱附等手段对改性催化剂的晶型、形貌、酸性质和孔结构等进行表征,并以1,3,5-三异丙基苯(TIPB)的裂解作为探针反应,对改性催化剂外表面酸密度进行测定,进而将改性催化剂用于乙苯脱乙基型二甲苯异构化反应,评价其催化性能。试验结果表明:改性催化剂上的TIPB转化率下降,表明其外表面酸量减少;通过调整合适的改性条件可以使样品的乙苯转化率提高,异构化活性下降;改性剂TEOS加入的最佳质量分数为30%,此时改性催化剂上的TIPB转化率约为30%,乙苯转化率约为98%,异构化活性约为5%,二甲苯收率约为100%,苯选择性约为89%。

纳米ZSM-5分子筛的磷改性

采用浸渍法制备了不同磷含量的工业微米ZSM-5分子筛(Z-0)和纳米ZSM-5分子筛(NZ-0),并利用XRD、低温N_(2)吸附-脱附、Py-IR、SEM、NH3-TPD等方法进行了表征,对结构性能进行了分析。实验结果表明,随着磷含量的增加,两种改性分子筛的结晶度、比表面积、孔体积、酸量均逐渐下降,改性磷含量建议不高于6%(w);与Z-0改性试样相比,NZ-0改性试样具有更高的结晶度保留率、介孔孔体积和比表面积,同时NZ-0改性试样的B酸酸量降幅更小,具有更高的B/L比值,且中强酸酸量降幅更小。与Z-6相比,采用NZ-6制备的丙烯助剂具有更高的丙烯产率。

蜂窝状ZSM-5沸石协同低温等离子体净化含硫恶臭气体

采用蜂窝状ZSM-5沸石协同低温等离子体净化5种典型含硫恶臭气体,通过沸石硅铝比、锰改性、放电电压参数的优化探究最佳工艺参数与处理效果。结果表明:降低硅铝比、锰改性利于提升蜂窝状ZSM-5沸石对含硫恶臭气体的整体吸附效率,增大硅铝比、适当增加锰负载量、提高放电电压则利于提升蜂窝状ZSM-5沸石协同低温等离子体对含硫恶臭气体的去除效率,其提升机制可能与沸石比表面积、外表面积和Mn^(3+)负载催化有关。在硅铝比为70(摩尔比)、锰负载量为10%(质量分数)、7.5 kV的条件下,锰改性蜂窝状ZSM-5沸石协同低温等离子体对含硫恶臭气体的去除效率均大于95%,比输入能量仅为2.3 J/L。

含氨氮滤液交换的ZSM-5分子筛性能

采用中国石油兰州石化公司ZSM-5分子筛生产装置的含氨氮滤液、纯铵盐溶液对ZSM-5分子筛浆液进行交换,分别得到了HZSM-5-L分子筛、HZSM-5-A分子筛,利用X射线衍射仪、X射线荧光光谱仪、扫描电子显微镜、比表面积和孔径分布测定仪对交换后的ZSM-5分子筛进行表征,并对2种分子筛制备催化剂的催化性能进行评价。结果表明:采用含氨氮滤液作为交换液,可以得到相对结晶度为93%,Na_(2)O质量分数为0.22%,总比表面积为362.84 m^(2)/g的合格分子筛产品;以催化裂化装置原料油为评价原料,采用HZSM-5-L制备的催化剂总液体收率较HZSM-5-A制备的催化剂高0.19个百分点,焦炭产率低0.32个百分点,二者的丙烯产率基本相当;采用含氨氮滤液不仅可降低ZSM-5分子筛生产成本,而且可减少氨氮处理费用。