李濱,裴仁彥,臧甲忠,于海斌,南軍
(中海油天津化工研究設(shè)計院,天津300131)
X分子篩具有立方八面沸石結(jié)構(gòu),屬等軸晶系,硅氧四面體和鋁氧四面體相互聯(lián)結(jié)形成四元環(huán)和六元環(huán),四元環(huán)和六元環(huán)相互聯(lián)結(jié)形成了六角柱籠、β籠和超籠,其中超籠是X型沸石分子篩的主晶穴[1],見圖1。
圖1 X分子篩
X分子篩硅鋁比(SiO2/Al2O3)一般介于2.0~3.0之間,通常硅鋁比低的X分子篩有較多的骨架負(fù)電荷,用作離子交換劑和吸附劑在工業(yè)中已有廣泛應(yīng)用[2-6]。而低硅鋁比X型分子篩(以下簡稱LSX分子篩)的硅鋁比在2.0~2.2,對于同類結(jié)構(gòu)的分子篩,骨架硅鋁比越低,其對應(yīng)的骨架外陽離子數(shù)目就越多,而分子篩的離子交換能力和吸附性能與骨架外陽離子數(shù)目有著密切的關(guān)系,硅鋁比較低的LSX分子篩是進(jìn)行陽離子改性的優(yōu)秀吸附分離材料。改性LSX分子篩在洗滌助劑、環(huán)境治理[7-8]、化 工 分 離[9-12]、石 油 化 工[13-16]等 多 個 領(lǐng) 域廣泛應(yīng)用。
根據(jù)使用原料的不同,LSX分子篩的合成方法主要可分為兩種:常規(guī)原料水熱合成法和非常規(guī)原料合成法。目前我國大多數(shù)生產(chǎn)廠家均采用常規(guī)原料生產(chǎn)LSX分子篩,即用水玻璃、硅膠、白炭黑、氧化鋁、偏鋁酸鈉、氫氧化鈉等進(jìn)行合成,常規(guī)合成方法需要大量的化學(xué)試劑,生產(chǎn)成本偏高,因此,許多科研工作者和生產(chǎn)廠家紛紛探索用無機(jī)非金屬礦原料如高嶺土和其他天然廉價原料合成LSX分子篩。本文調(diào)研國內(nèi)外文獻(xiàn),對各種原料合成LSX分子篩和合成方法進(jìn)行了綜述。
常規(guī)原料合成LSX分子篩是指采用水玻璃、氫氧化鋁、氫氧化鈉、氫氧化鉀和去離子水等化學(xué)試劑合成LSX分子篩,目前使用的技術(shù)主要有:先低溫老化后高溫晶化的兩步合成法[17-25]、低溫晶化一步合成法[26-31]、引入導(dǎo)向劑技術(shù)合成[32-34]以及微波合成方法[35-36]等。常規(guī)合成LSX分子篩的技術(shù)已經(jīng)比較成熟,也是當(dāng)前主要采用的合成方法。
兩步法合成LSX分子篩是先在低溫條件下老化一段時間,形成晶核,再在高溫條件下晶化生成LSX分子篩,兩步法是合成LSX分子篩的經(jīng)典方法,一直以來,人們對兩步法合成LSX分子篩展開了大量的研究。
Gunter[25]采用先低溫老化后高溫晶化的兩段合成法,在40℃低溫老化一定時間后,在100℃高溫晶化3小時,最終得到LSX型分子篩,其硅鋁比n(SiO2)/n(Al2O3)=1.99~2.04,但含有少量A分 子 篩 為 雜 晶。Tatic等[37]采 用 低 溫(40~70℃)老化,再在高溫晶化(100℃,3h),合成出低硅鋁比接近2的X型分子篩,研究發(fā)現(xiàn)在較低溫度下老化有利于抑制雜晶A型分子篩生成。Yu等[17]采用兩步法合成出了耐高溫的LSX分子篩,在合成過程中將含硅的堿液緩慢加入到含鋁的堿液中,加入速度過快溶液溫度迅速升高容易生成A和P型分子篩,形成的凝膠在36℃低溫下老化16小時,再在70℃高溫下晶化8小時,最終得到的LSX分子篩的含量大于88%,硅鋁比在1.9~2.2之間,合成的分子篩熱穩(wěn)定好,在870~900℃能保持骨架結(jié)構(gòu)不被破壞。Zheng等[18]公開了一種合成LSX分子篩的方法,首先將硅源和鋁源分別配成溶液稀釋活化,再將兩種溶液在劇烈攪拌條件下混合生成膠體,得到的膠體先在低溫下靜止老化,再在高溫條件下晶化,最終得到純度較高的LSX分子篩。
國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)也對LSX分子篩合成展開了大量研究,蔣化等[21]采用兩段法在鉀鈉體系下合成了低硅鋁比LSX型分子篩,并對老化條件進(jìn)行了詳細(xì)研究,認(rèn)為老化條件影響雜晶A分子篩和SOD方鈉石的形成,且LSX的合成對水量的變化相當(dāng)敏感,水過多或過少都會產(chǎn)生雜晶。王有和等[19]也采用兩步水熱法合成LSX分子篩,反應(yīng)物物質(zhì)的量的比為(3~5)Na2O∶(1~1.5)K2O∶(1.5~2.5)SiO2∶(1.5~2.5)Al2O3∶(80~100)H2O,在25℃老化24h,100℃晶化4h得到LSX分子篩,BET分析合成LSX分子篩總比表面積為503m2/g,其中微孔比表面積達(dá)469m2/g,系統(tǒng)地考察了老化條件對合成的影響,認(rèn)為較高的老化溫度容易生成SOD方鈉石。河南建龍化工有限公司[38-39]采用兩步水熱合成法在Na2O-K2O混合體系中制備了硅鋁摩爾比n(SiO2)/n(Al2O3)=2.0的LSX分子篩,并成功工業(yè)生產(chǎn)。在合成工藝過程中,合成體系中含有大量過量的Na2O和K2O,該合成工藝將母液中的Na2O和K2O回收利用,既降低了合成的成本,又不造成污染,將合成的LSX分子篩用做空氣分離吸附劑時,顯示出優(yōu)異的吸附分離性能。
兩步法是合成LSX分子篩的主要方法,大量的研究表明,在較低溫度下老化能有效抑制SOD方鈉石和A型分子篩,因為SOD方鈉石和A型分子篩具有更致密的孔結(jié)構(gòu),高溫有利于這些致密孔結(jié)構(gòu)的雜晶生成[40]。通常在水熱體系中引入鉀離子,由于較少的鉀水合離子的存在,降低了SiO4和AlO4四面體之間的鍵能,允許有更多的鋁離子結(jié)合到沸石的骨架中[38],使得有可能形成n(SiO2)/n(Al2O3)=2.0的LSX分子篩,且在鉀鈉體系中兩步合成法取得很好的效果,已經(jīng)成功工業(yè)應(yīng)用。
一步法合成LSX分子篩是不用在低溫條件下老化,直接晶化形成LSX分子篩,一步法合成法雖然省去了老化階段,工藝簡便,但是合成的LSX分子篩通常含有P分子篩、方鈉石等雜晶,人們對一步法合成LSX分子篩的研究較少。
Hamidi等[27]采用一步法在95℃下晶化8h合成出LSX分子篩,投料堿度較高,Na/Si=5.75(摩爾比,下同),K/Si=1.2,且水量較少(H2O/Si=71),合成的分子篩大小均勻,顆粒大小在2~3μm之間。Butter等[28]在低溫下一步晶化合成出硅鋁比為2的LSX分子篩,投料組成為:R2O/SiO2=3.25,H2O/R2O=20,在75℃下晶化4h,同時降低合成體系水量,R2O/SiO2=2.75,H2O/R2O=17,在72℃下延長晶化時間至7h也能合成出LSX分子篩。
X分子篩的導(dǎo)向劑通常為無定形的凝膠狀混合溶液,是由Al2O3、SiO2、NaOH、KOH、H2O等物質(zhì)按一定配比在一定條件下老化而成。通常情況下X分子篩的導(dǎo)向劑的硅鋁比比較高,導(dǎo)向劑的用量將會影響產(chǎn)物的硅鋁比,一般為產(chǎn)物的3%~5%,導(dǎo)向劑的活性時間一般為1~4天。在合成時加入一定量的導(dǎo)向劑不僅能夠縮短晶化時間,還能提高分子篩結(jié)晶度,抑制雜晶的生成。
戎娟[41]采用導(dǎo)向劑水熱兩步合成LSX分子篩,研究認(rèn)為導(dǎo)向劑的最佳物料配比為:Al2O3∶SiO2∶M2O∶H2O=0.001∶0.01∶0.06∶0.93(M=K/Na),反應(yīng)混合物的最佳配比為Al2O3∶2SiO2∶6M2O∶96H2O(M=K/Na),K/(Na+K)=0.33,加入導(dǎo)向劑合成的LSX分子篩純度較高,分子篩硅鋁比n(SiO2)/n(Al2O3)=2.0~2.15,靜態(tài)飽和吸水量為31.94%,顯示出優(yōu)良的吸附性能。崔邑誠等[34]添加3%~5%導(dǎo)向劑合成了LSX分子篩,認(rèn)為導(dǎo)向劑的硅鋁比影響合成LSX分子篩的硅鋁比,當(dāng)導(dǎo)向劑的硅鋁比為15時,合成的沸石硅鋁比為2.3。加入導(dǎo)向劑后得到高純度的LSX分子篩,而且導(dǎo)向劑能夠促使無定形和A型雜晶轉(zhuǎn)晶生成LSX分子篩。杜春華等[33]利用導(dǎo)向劑在110℃高溫下晶化3h合成LSX分子篩,合成的LSX結(jié)晶度好、純度高,硅鋁摩爾比Si/Al=1.02~1.05,加入的導(dǎo)向劑有效地抑制LSX樣品中的羥基方鈉石雜晶的生成。
微波加熱具有穿透性、熱慣性小、選擇性等特點(diǎn),與傳統(tǒng)加熱方式相比,微波加熱具有熱效應(yīng)高、加熱均勻、溫度梯度小、環(huán)保節(jié)能、操作方便等優(yōu)點(diǎn),近年來,微波加熱應(yīng)用到分子篩合成中[42-45]。
Romero等[35]在微波加熱的條件下合成LSX型分子篩,微波加熱對溫度的控制比較嚴(yán)格,結(jié)果表明,微波合成在50~70℃時生成LSX型分子篩,在100℃主要生成方鈉石。萬林等[36]使用微波加熱合成吸水用13X型沸石分子篩,晶化1h時靜態(tài)飽和吸水量達(dá)到了32%,達(dá)到優(yōu)級品的要求。和普通加熱比較,微波加熱不僅成倍地加快反應(yīng)速率,還可以減小顆粒尺寸和大小分布的范圍,晶體的外形呈較完整的八面體晶型,而且形狀規(guī)則、大小均勻、晶體尺寸在2μm左右、晶體棱角清晰、無絮團(tuán)現(xiàn)象。
大量研究表明,微波加熱具有加熱速度快和加熱均勻等優(yōu)勢,在LSX分子篩合成領(lǐng)域取得較好的效果,但是微波合成處于實(shí)驗室階段,微波反應(yīng)器普遍采用家用微波爐,反應(yīng)不連續(xù),工業(yè)應(yīng)用還存在微波功率難以調(diào)控、反應(yīng)迅速容易爆炸等問題[46-47]。
高嶺土是一種天然非金屬礦,是我國儲量豐富的非金屬礦產(chǎn)資源。因此,其來源廣、價格低廉,且無毒無污染,被廣泛應(yīng)用到各種分子篩的合成中[48-55],人們對高嶺土合成X型分子篩也展開了大量研究[56-59]。
Akolekar等[60]采用高嶺土合成LSX分子篩,高嶺土在700℃下高溫煅燒預(yù)處理除去高嶺土中的有機(jī)物質(zhì),高溫煅燒后高嶺土轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形的偏高嶺土,偏高嶺土與NaOH和KOH加入水溶液中攪拌,于50℃下晶化240h可以得到結(jié)晶度95%LSX分子篩,同時含有5%A型分子篩
羅河濟(jì)等[61]以煤系高嶺土為原料合成出了LSX分子篩,在90℃下晶化4h,合成的LSX型分子篩具有規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu),靜態(tài)水吸附量達(dá)30.57%,結(jié)晶度達(dá)到93.46%。施平平等[62]以煅燒高嶺土為原料,在氫氧化鈉堿性體系中通過水熱法合成了平均粒徑為20~30μm、結(jié)晶度92%的LSX沸石。王銀葉等[63]將煅燒高嶺土、NaOH、水按一定的順序直接加入混合,反應(yīng)過程中不加模板劑,不加導(dǎo)向劑,在常溫常壓下以制備納米級的分子篩,并且顆粒均勻。由于分子篩顆粒粒徑小,屬于納米級,具有更大的比表面積,有利于反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散。
常規(guī)原料水熱合成LSX分子篩使用高活性原料,制備的分子篩純度較高,活性也較好,但是消耗大量化學(xué)藥品,成本較高。利用廉價高嶺土也能合成結(jié)晶度較高的LSX,降低了合成成本。由于高嶺土中含有相當(dāng)量的非活性固體成分,所以采用高嶺土合成的LSX分子篩的純度和活性都不及常規(guī)法合成的分子篩,但采用高嶺土等原料制備的分子篩不僅具有成本低的優(yōu)點(diǎn),在分子篩成型過程可以不加黏結(jié)劑而獲得高強(qiáng)度的分子篩[64-67],在工業(yè)上具有應(yīng)用價值。通常高嶺土含有大量雜質(zhì)化合物如Fe2O3、TiO2、P2O5和CaO等[68-70],從分子篩晶體合成機(jī)理而言,雜質(zhì)陽離子的存在會影響分子篩的合成[1],且在合成后雜質(zhì)陽離子也會存在于分子篩晶體中,影響分子篩的性能,在合成前一般對高嶺土進(jìn)行預(yù)處理以提高其活性[71-73]。
其他天然礦物原料和生物質(zhì)原料也被用來合成X分子篩,如煤矸石[74]、粉煤灰[75]、鉀長石[76-77]、霞石正長巖[78]等,最近,生物質(zhì)廢棄物也被利用開 發(fā) 合 成LSX,如 甘 蔗 渣[79]、活 性 稻 殼 (米糠)[80]等。Chandra等[79]以甘蔗渣為硅源,補(bǔ)加鋁源,在NaOH堿 液 體 系 下 分 別 合 成 了n(SiO2)/n(Al2O3)為2和3.6的NaX分子篩,表征發(fā)現(xiàn)合成的LSX分子篩顆粒大小均勻,顆粒直徑在3~5μm,表明由甘蔗渣制取高結(jié)晶度的LSX分子篩是可行的。Khemthong等[80]利用稻殼中的活性硅源合成低硅LSX分子篩,首先將稻殼洗滌除去附著在表面的鹽類和灰塵,烘干后用稀鹽酸浸泡一段時間后用水反復(fù)洗滌,再次干燥后在550℃下焙燒除去有機(jī)雜質(zhì)得到白色固體即為稻殼活性硅源,稻殼硅源中SiO2含量接近98%。合成時再加入NaOH、KOH、NaAlO2、H2O等參考Gunter[25]提出的合成方法合成LSX分子篩,合成出LSX分子篩相對結(jié)晶度接近100%,顆粒直徑大多小于10μm,BET比表面積400m2/g,采用稻殼硅源合成出高純度的LSX分子篩。
礦物原料和生物質(zhì)原料合成LSX分子篩的成本明顯降低,但是非常規(guī)原料中的硅源和鋁源不容易活化形成晶核,需要對原料預(yù)處理且工序復(fù)雜,合成體系中含有大量的金屬雜原子,對分子篩晶核的生長有很大的影響[81],物料還含有少量不溶于堿液的惰性化合物,影響物料混合均勻性,同時從分子篩晶體生長機(jī)理而言,惰性化合物還是雜晶形成的中心[82]。礦物原料和生物質(zhì)原料合成LSX型分子篩還存在諸多問題,亟需深入研究開發(fā)。
合成LSX分子篩的原料來源廣泛,從常規(guī)的化學(xué)藥品到天然礦物原料以及生物質(zhì)廢棄物質(zhì)都被利用來合成LSX分子篩。常規(guī)原料是當(dāng)前的主要合成方法,常規(guī)原料合成LSX分子篩的方法較多,低溫老化高溫晶化兩步合成法是最有效的合成方法,低溫老化有利于抑制致密孔結(jié)構(gòu)的SOD方鈉石和A型分子篩生成,加入鉀離子有利于更多鋁離子進(jìn)入X分子篩骨架。天然礦物和生物質(zhì)廢棄物是廉價易得的合成原料,具有開發(fā)前景,但在合成過程存在物料不純、活性不足、預(yù)處理工序復(fù)雜等問題,特別是一些金屬陽離子,對分子篩晶體的形成和生長有很大的影響,這方面的研究還需進(jìn)一步深入。
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