不同有機模板劑對合成Beta分子篩的影響研究

尹曉燕 孫學義

摘 ?????要： Beta沸石分子篩是一種在化工領域應用較為廣泛的催化材料。目前制備出的Beta沸石分子篩的粒徑大多數(shù)是微米級，納米級的制備研究相對薄弱。針對于此，采用單模板劑（TEAOH）或添加第二模板劑，主要有聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纖維素鈉（CMC）以及三乙醇胺（TEOA）來制備納米級Beta沸石分子篩，探索一條適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的簡單可行的制備路徑。

關(guān) ?鍵 ?詞：Beta分子篩;有機模板劑;分子篩合成

中圖分類號：TQ 426 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）04-0670-04

Abstract： Zeolite Beta is a kind of catalytic material that is widely used in the chemical industry field. By now， the size of zeolite Beta is mostly microsize， but the nanosized zeolite Beta is hardly prepared. In this paper， TEAOH was used as the first organic template agent， and PVA， CMC or TEOA was used as the second organic template agent in the preparation of nanosized zeolite Beta. This research work is helpful to find a simple and feasible preparation process of zeolite Beta in large scale industrial level.

Key words： zeolite Beta; organic template; zeolite synthesis

Beta沸石分子篩是一種高硅分子篩，其硅鋁比可達到10-200。與其他微孔沸石分子篩相比， Beta沸石分子篩具有一種獨特的三維交錯結(jié)構(gòu)的十二元環(huán)通道體系，是唯一一種三維大孔十二元環(huán)孔結(jié)構(gòu)的高硅分子篩[1]。因為Beta沸石分子篩具有微孔結(jié)構(gòu)較為有序、比表面積較大、熱及水熱穩(wěn)定性較好等優(yōu)點，從而成為石油化工領域應用較為廣泛的催化劑之一，在異構(gòu)化反應、醚化反應、烷基化反應、烯烴水合、烴類裂解、酯化反應等諸多催化領域表現(xiàn)出良好的催化活性與裂化產(chǎn)物選擇性，且能夠作為分離芳香烴的吸附劑[2-6]。

目前，制備Beta沸石分子篩的主要方法是水熱合成法，制備出的分子篩粒徑大多數(shù)是微米級。微米級分子篩催化劑的弱點在于容易發(fā)生積碳現(xiàn)象，使得反應物和產(chǎn)物不易擴散出去，易堵塞分子篩，使分子篩失去活性。降低分子篩粒徑可以有效提高其比表面積，提高催化活性和減少擴散路徑，從而提高催化劑的抗積碳能力以及延長催化劑壽命[7，8]。針對于此，本文的主要研究內(nèi)容為嘗試采用通過添加不同有機模板劑來制備納米級Beta沸石分子篩，采用的有機模板劑主要為四乙基氫氧化銨（TEAOH），聚乙烯醇（PVA），羧甲基纖維素鈉（CMC）以及三乙醇胺（TEOA），從而探索出一條適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的簡單可行的制備路徑。

1 ?實驗部分

1.1 ?化學試劑

納米二氧化硅粉，偏鋁酸鈉、鹽酸、四乙基氫氧化銨（TEAOH）、 聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纖維素鈉（CMC）、三乙醇胺（TEOA）等均為國產(chǎn)分析純試劑。

1.2 ?Beta分子篩的合成

合成溶液的初始原料摩爾比為：1SiO2： 0.028Al2O3： 0.028Na2O： 0.6TEAOH： 0.2HCl： 21H2O。首先，稱取17.676 g的TEAOH于燒杯中，再稱取0.348 g的HCl滴加入TEAOH溶液中，并放入攪拌器上開始攪拌。然后，再稱取3 g的納米SiO2粉末，邊攪拌邊緩慢加入混合液中。另取一燒杯稱量8.758 g H2O，稱取0.348 g的NaAlO2加入水中攪拌使之溶解。待NaAlO2溶解完畢，將NaAlO2溶液緩慢滴加入之前的混合液中，形成白色凝膠，將之裝入不銹鋼高壓反應釜中，放入電熱鼓風干燥箱中晶化。待晶化結(jié)束后，將反應釜取出，將釜內(nèi)藥品進行離心水洗至中性后干燥。干燥后的樣品研磨后放入馬弗爐中550 ℃煅燒7 h。在此配方基礎上添加不同量的聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纖維素鈉（CMC）、三乙醇胺（TEOA）重復此實驗過程。

1.3 ?Beta分子篩的表征

Beta分子篩的XRD圖譜由X-射線衍射儀（德國 Bruker）進行測量，其SEM微觀形貌通過掃描電子顯微鏡（美國，F(xiàn)EI Sinrion 200） 進行觀測。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?添加四乙基氫氧化銨（TEAOH）條件下合成Beta分子篩

對分別經(jīng)由100 ℃ 8 d、150 ℃ 7 d和180 ℃5 d晶化的Beta100、Beta150以及Beta180進行X射線衍射（XRD）分析，如圖1所示。圖1所顯示的是Beta100、Beta150以及Beta180三種沸石分子篩的對比XRD譜圖。由圖可知，經(jīng)由100 ℃晶化8 d得到的Beta100的XRD圖像結(jié)果為不定形晶型，說明低溫不利于Beta的合成。而經(jīng)由150 ℃晶化7 d得到的Beta150和180 ℃晶化5 d得到的Beta180的XRD圖像形貌符合Beta沸石分子篩的典型峰值分布[9]，且兩者相比結(jié)晶度并無太大差別?？紤]到150 ℃條件下進行晶化太過費時，而180 ℃能夠有效縮短合成時間，故在接下來的試驗中選用180 ℃ 5 d的晶化條件來進行實驗。圖2所示為Beta180沸石分子篩SEM譜圖，從圖中可以清晰地看出，所合成的Beta沸石分子篩為細小納米晶粒的團聚體，團聚體呈現(xiàn)規(guī)則的球狀相貌，團聚體顆粒接近500 nm。由以上結(jié)果可知，通過添加有機模板劑TEAOH可以合成出Beta沸石分子篩的納米團聚體，顆粒形貌接近球形，較為規(guī)則。

2.2 ?添加羧甲基纖維素鈉（CMC）條件下合成Beta分子篩

圖3為分別添加了0.2、0.4、0.6摩爾的羧甲基纖維素鈉的樣品的XRD圖譜，樣品分別標為Beta0.2CMC、Beta0.4CMC、Beta0.6CMC以及Beta180。通過與Beta180XRD圖譜對比可以發(fā)現(xiàn)，當加入0.2、0.4摩爾的羧甲基纖維素鈉后，樣品的峰值并未有明顯的增加，反而出現(xiàn)了些許的降低，但是當加入的羧甲基纖維素鈉的量達到0.6摩爾時，峰值有了明顯的提高。

由于加入0.6摩爾已是溶液所能容納的極限，故此未向原料中繼續(xù)添加羧甲基纖維素鈉。所以，就目前的實驗內(nèi)容來看，加入添加劑羧甲基纖維素鈉的量為0.6摩爾時的結(jié)晶度最高。圖4所示為Beta0.6CMC的SEM譜圖。

由圖中可以明顯看出，加入羧甲基纖維素鈉后，Beta沸石分子篩團聚體的粒徑要擴大了近一倍，顆粒粒徑大約為700 nm左右。但是同時，初級小晶粒粒子之間的孔隙率增加，說明介孔性能提高。因此，可以認為羧甲基纖維素鈉的加入使得Beta分子篩的納米顆粒團聚現(xiàn)象得到了一定的緩解 ，分散性有一定提高。

2.3 添加三乙醇胺（TEOA）條件下合成Beta分子篩

所添加的三乙醇胺的摩爾量與1 mol SiO2相比分別為0.1、0.2、0.4 mol，得到的三個樣品分別記為Beta0.1TEOA、Beta0.2TEOA和Beta0.4TEOA。圖5顯示了Beta0.1TEOA、Beta0.2TEOA和Beta0.4TEOA這三個樣品的XRD圖譜，整體來說，結(jié)晶程度都不高。其中，Beta0.2TEOA的峰值比Beta0.1TEOA和Beta0.4TEOA的峰值要高。圖6為Beta0.2TEOA的SEM電鏡圖片，從圖中可以看出，樣品顆粒較小并且形貌較不規(guī)則，有無定型物質(zhì)存在，這與其XRD譜圖中較低的結(jié)晶度相對應，這說明添加三乙醇胺雖然能夠合成納米級的Beta分子篩，但是結(jié)晶度不太理想。

2.4 ?添加聚乙烯醇（PVA）條件下合成Beta分子篩

圖7為分別添加了0.25、0.5、1和1.2 g聚乙烯醇后所合成的樣品XRD譜圖，分別標為Beta0.25PVA、Beta0.5PVA、 Beta1PVA、Beta1.2PVA。

從圖7中可以看出，當添加0.25 g聚乙烯醇后仍然可以合成出高結(jié)晶度的Beta沸石分子篩，但是當繼續(xù)提高聚乙烯醇的含量后，其結(jié)晶度有明顯降低，并出現(xiàn)雜峰，這說明增加聚乙烯醇的含量不利于純相Beta沸石分子篩的產(chǎn)生。圖8為所合成出的Beta0.25PVA的樣品SEM圖像。

從圖中可以看出，添加聚乙烯醇后，原來的納米顆粒球形團聚體形貌被破壞，初級納米小晶粒分散度有效增加，納米小顆粒約為幾十個納米左右。這說明，PVA能夠在一定程度上克服Beta沸石分子篩合成過程中的團聚現(xiàn)象，從而形成分散均勻的納米小顆粒。

3 ?結(jié) 論

本文的主要內(nèi)容為采用水熱合成法，通過添加不同有機模板劑制備高結(jié)晶度的Beta沸石分子篩納米顆粒。實驗結(jié)果表明：采用四乙基氫氧化銨（TEAOH）為有機模板劑，180 ℃下晶化5 d可以合成高結(jié)晶度的Beta沸石分子篩，形貌為納米級小晶粒團聚而成的球形顆粒，粒徑大約為500 nm。另外，添加第二模板劑有利于合成分散較為均勻的Beta分子篩納米顆粒。其中，添加羧甲基纖維素鈉（CMC）制備的Beta沸石團聚體顆粒粒徑大約為700 nm左右，而添加三乙醇胺（TEOA）后所合成的Beta沸石分子篩結(jié)晶度較低，添加聚乙烯醇（PVA）能夠制備出分散度較好并且結(jié)晶度較高的納米Beta沸石分子篩。

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