水熱晶化法合成Beta沸石分子篩的研究

姜益森，呂欣欣，郭 菊，陳艷紅

(中國石油大學 勝利學院 化學工程學院，山東 東營 257061)

水熱晶化法合成Beta沸石分子篩的研究

姜益森，呂欣欣，郭 菊，陳艷紅*

(中國石油大學 勝利學院 化學工程學院，山東 東營 257061)

Beta沸石分子篩是一種具有三維十二元環(huán)孔結構的高硅沸石分子篩，具有獨特的催化性能，在石油煉制及精細化工中有著廣泛的應用。本文以四乙基溴化銨(TEABr)和四乙基氫氧化銨(TEAOH)為模板劑，以硅溶膠或硅膠粉末為硅源，以鋁酸鈉為鋁源通過水熱晶化法合成了Beta分子篩，并通過XRD等手段對合成樣品進行表征。同時詳細考察了模板劑濃度、晶化溫度、晶化時間等因素對Beta分子篩晶化過程的影響，得到了合成Beta分子篩的最佳合成條件。

Beta分子篩；四乙基溴化銨；模板劑；水熱晶化

沸石分子篩由于具有均勻的孔道結構，適宜的酸性以及較好的熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性而一直受到人們的關注。Beta沸石是目前為止所發(fā)現(xiàn)的唯一一種大孔三維孔道結構的高硅沸石并具有良好的熱和水熱穩(wěn)定性，適度的酸性和酸穩(wěn)定性及疏水性等優(yōu)點，并且在催化過程中表現(xiàn)出烴類反應不易結焦和使用壽命長的特點[1]。因此Beta沸石的合成一直是沸石研究領域的重要課題。一般來說，Beta沸石合成通常需要在加入大量的有機模板劑的條件下水熱合成，其中最常用的有機模板劑是四乙基氫氧化銨(TEAOH)[2],然而該模板劑價格昂貴, 使得Beta沸石的合成成本很高。殷行知等人[3]以硅溶膠為硅源以TEABr為模板劑制備了Beta沸石，有效地降低了生產成本。本文以四乙基溴化銨為模板劑，在水熱晶化條件下詳細考察了合成配比、模板劑用量以及晶化條件對Beta沸石結晶度的影響，得到了合成Beta沸石的一般合成規(guī)律。

1 實驗

1.1 Beta分子篩的合成

按一定摩爾比配料，在帶聚四氟乙烯襯里的不銹鋼反應釜中采用水熱晶化法靜態(tài)合成：稱取一定量的四乙基溴化銨、氨水和水混合，攪拌均勻制成A溶液；將鋁酸鈉、氫氧化鈉、氟化鈉和水混合攪拌均勻制成B溶液。然后將B溶液快速加入到A溶液中并攪拌，待其混合均勻后，再加入一定量的硅膠粉末(或硅膠溶液)，繼續(xù)攪拌60min使之混合均勻。將所得硅鋁凝膠裝入90 mL靜置晶化釜中于一定溫度下晶化一定天數(shù)。晶化結束后，減壓抽濾得到晶化物，洗滌至濾液pH值=8～9，140℃干燥即可得到Bate分子篩產品并對其進行XRD表征。

1.2 分子篩的表征

采用荷蘭中日納科公司的X’Pert PRO MPD衍射儀測定分子篩樣品物相。光源采用Cu靶Kα輻射(X射線波長λ=1.540598)，管電壓45kV，管電流40 mA，掃描波長0.016 7°，在2θ分別為1～10°及 5～75°內記錄其衍射圖譜。

2 結果與討論

2.1 XRD表征結果

沸石分子篩的結構通常采用X射線衍射法進行確定。XRD譜圖中衍射峰的出峰位置、峰強度以及半峰寬都反映了沸石分子篩的物性結構特征，Beta沸石的X射線衍射特征峰由一個彌散的寬峰和一個尖銳的窄峰構成[4]。

圖1為本實驗條件下合成樣品的XRD譜圖。由圖1可以看出，在2θ=7～8°之間出現(xiàn)了一個彌散的寬峰，同時在2θ=22～23°之間出現(xiàn)了一個尖銳的窄峰，這都屬于Beta分子篩的特征峰，表明Beta分子篩已經形成。另外，從圖1中可以看出Beta沸石的衍射峰清晰，說明結晶度較高。但是除此之外還出現(xiàn)了一些小的雜峰，這說明在晶化過程中誘導產生了雜晶，合成樣品純度還不夠好。

圖1 Beta分子篩XRD譜圖

2.2 合成條件的考察

2.2.1 晶化溫度和晶化時間的考察

分子篩的合成過程中，晶化溫度和晶化時間是兩個非常重要的合成條件。他們不僅影響沸石成相的相區(qū)，同時還影響合成沸石的相對結晶度。一般來說，Beta沸石的合成溫度范圍為140～150℃[5]。當晶化溫度低于140℃時，此時晶體生長的速度較慢，晶化時間會變長使得晶化周期變長；而當晶化溫度高于150℃時，則容易發(fā)生轉晶生成絲光沸石、ZSM-12、ZSM-5等雜晶相。其主要原因為沸石分子篩是硅鋁酸鹽的介穩(wěn)化合物，而TEA+不是合成Beta沸石的專用模板劑，因此體系中實際上存在生成不同沸石晶相的競爭反應。當晶化溫度較高時，TEA+離子排列會呈現(xiàn)無序化，此時不易形成具有三維通道的Beta沸石，而有利于形成二維通道體系 ZSM-5、ZSM-12和一維通道體系絲光沸石的，因此本實驗選擇的晶化溫度為140℃。

圖2 不同晶化時間下Beta分子篩XRD譜圖

晶化時間是合成沸石的一個重要參數(shù)。本實驗在體系投料比一定的條件下固定晶化溫度為140℃，分別考察了不同晶化時間對合成Beta沸石結晶度的影響，結果如圖2所示。由圖2可以看出，當晶化時間為6 d時，譜圖為無定形并沒有出現(xiàn)Beta沸石的特征衍射峰，這表明Beta沸石晶核尚未形成；繼續(xù)延長晶化時間，當晶化時間為8d時，在2θ=7.8°及22.4°處出現(xiàn)來了Beta沸石的X射線衍射特征衍射峰，同時可以看到Beta沸石的衍射峰清晰，這說明結晶度較高；當晶化時間延長到10d時，Beta沸石特征衍射峰的強度減弱，而且出現(xiàn)了較多的雜峰，分析為MOR的雜晶相，這表明隨著晶化時間的延長產生了較多的MOR雜晶相；繼續(xù)延長晶化時間到12d時，雜晶相MOR特征峰的強度繼續(xù)增加。由圖2分析可得出，隨著晶化時間的延長，Beta沸石分子篩結晶度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，即存在一個最佳的晶化時間，當超過此晶化時間后，Beta沸石部分轉變?yōu)榻z光沸石，使得Beta沸石分子篩結晶度降低。

2.2.2 硅源的考察

在水熱晶化條件下合成沸石分子篩，由于凝膠中硅物種的溶解是第一步，同時也是速度控制步驟，因此硅源的反應活性在沸石晶化過程中起著至關重要的作用。合成Beta分子篩通常用到的硅源有：白炭黑、水玻璃、正硅酸乙酯、硅膠、硅溶膠等[6]。本實驗分別采用硅膠和硅溶膠作為硅源，在控制原料類型、原料配比、晶化時間、晶化溫度等相同的條件下分別比較了兩種不同硅源對合成Beta分子篩晶相的影響，結果如圖3所示。

圖3 以不同硅源合成Beta分子篩XRD譜圖

由圖3可以看出，以硅膠和硅溶膠為硅源時，都能成功的制備出Beta分子篩。由Beta沸石的衍射峰可以看出以硅溶膠為硅源時合成的Beta分子篩的結晶程度要遠大于以硅膠為硅源時的結晶程度。這是因為以硅膠為硅源時，硅源需先溶解，這將延長Beta分子篩的晶化時間。同時硅溶膠中含有少量的水，由于水具有較高的介電常數(shù)和良好的溶解能力，從而有利于各反應組分的混合及移動；另外，水也是一種化學活性很高的物質，它可以使反應體系中的各種離子發(fā)生羥基化作用或水合作用，形成羥基化離子或水合離子，促進反應的進行。因此以硅溶膠為硅源合成Beta分子篩效果更好。

2.2.3 模板劑的考察

模板劑在沸石合成的過程中主要起到結構導向及孔道填充等作用，因此采用不同模板劑對Beta沸石合成相區(qū)有較大的影響。目前合成Beta分子篩的模板劑應用比較多主要有四乙基氫氧化銨、四乙基溴化銨、二芐基-1,4-二氮雜雙環(huán)[2,2,2]辛烷、4,4'-環(huán)丙基二哌啶等[7]，本論文以TEAOH 及 TEABr模板劑，研究了兩種不同模板劑對合成Beta分子篩影響結構如圖4所示。

由圖4可以看出，不管是以四乙基氫氧化銨為模板劑還是以四乙基溴化銨為模板劑都可以合成出Beta分子篩，只是以四乙基溴化銨為模板合成的Beta分子篩的晶化程度不如以四乙基氫氧化銨為模板劑時晶化程度高。但是以四乙基氫氧化銨為模板劑存在價格昂貴，生產成本高，產品與母液分離困難，且會產生大量廢液等問題。而四乙基溴化銨是一種比較廉價的模板劑，因此以四乙基溴化銨為模板劑合成Beta分子篩的最佳合成條件是我們進一步研究方向。

a 四乙基溴化銨為模板劑；b四乙基氫氧化銨為模板劑圖4 兩種不同模板劑XRD譜圖

3 結論

晶化溫度和晶化時間對產物晶相純度、結晶度等方面有很大程度影響。溫度范圍為140～150℃時沸石相對結晶度較好。晶化時間對Beta沸石的結構、晶粒大小等都有很大影響。隨著晶化時間由6 d延長12 d，結晶度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，最佳的晶化時間為8 d左右。硅源的反應活性在沸石晶化過程中起著重要的作用。為了縮短晶化時間，使各組分充分混合和移動，使反應更快進行，在合成過程中應選擇硅溶膠作為硅源。不同模板劑對Beta沸石合成相區(qū)有較大的影響。在保證晶化時間、晶化程度相對不變的情況下，為了降低生產成本，選擇廉價的四乙基溴化銨為模板劑合成Beta分子篩。

[1] 謝在庫,陳慶齡,張成芳.β沸石催化新材料的研究進展[J].石油化工,1999,28:408-413.

[2] Wadlinger R L, Kerr G T, Rosinski E J. Catalytic composition of a crystalline zeolite:US,3308069[P].1967-07-03.

[3] 中國石油化工總公司石油化工科學研究院.β沸石的制備方法:中國,CN1150119A[P].1997-05-21.

[4] 孫 寧，趙天波，徐文國,等.表面潤濕法合成Beta沸石的研究[J].石油煉制與化工，2005，36(6)：9-12．

[5] 余少兵，李永紅,陳洪鈁．合成β沸石的研[J]．天津大學學報，2002，35(2)：91-94．

[6] 牛田瑛，李英霞，李建偉,等．以四乙基溴化銨為模板劑氣象傳輸法合成 β沸石[J]. 催化學報，2009，30(3)：191-195．

[7] 杜 君，王 艷，孟雙明,等．Y/Beta 微孔-微孔分子篩的合成、表征及其催化性能[J]．山西大同大學學報：自然科學版，2009，25(2)：40-42．

(本文文獻格式：姜益森，呂欣欣，郭 菊，等.水熱晶化法合成Beta沸石分子篩的研究[J].山東化工,2017,46(5):8-9,13.)

Study on the Synthesis of Zeolite Beta with Hydrothermal Method

JiangYisen,LvXinxin,GuoJu,ChenYanhong*

(School of Chemical Engineering,Shengli College,China University of Petroleum,Dongying 257061,China)

Beta zeolite is synthesized with tetraethylammonium hydroxide or tetraethylammonium bromide as the template agent and silica sol or silica gel powder as silicon source and characterized by XRD. To obtain detailed information on the rules of synthesized chemistry, the effects of TEABr/SiO2, crystallization time, crystallization temperature on Beta zeolite crystallinity were systematically studied. The results suggest that the use of TEABr as an organic template and silica sol as silicon is commercially economical.

Beta zeolite;tetraethylammonium bromide;template;crystallization

2016-01-11

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201513386009)

姜益森(1994—)，男，中國石油大學勝利學院學生；通訊作者：陳艷紅(1981—)，女，山東東營人，副教授，主要從事分子篩材料合成研究。

TQ426.61

A

1008-021X(2017)05-0008-02