無(wú)有機(jī)模板劑制備ZSM-5分子篩及其環(huán)己烯水合應(yīng)用

彭 勝，李洪娟，賈偉藝，王志彥*，陳 曦，王亞濤

(1.開(kāi)灤煤化工研發(fā)中心，河北 唐山 063611； 2.唐山開(kāi)灤化工科技有限公司，河北 唐山 063020； 3.唐山市煤化工副產(chǎn)品精深加工與資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063020)

ZSM-5分子篩因其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和三維交叉孔道體系，具有理想的耐酸、耐堿、水熱穩(wěn)定性及擇形性，在分析、石油和精細(xì)化工、載體材料等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。通常采用TMA和TPA等有機(jī)胺為模板劑在水熱條件下合成[1]。雖然可得到性能優(yōu)良的產(chǎn)品，但成本相對(duì)昂貴，合成周期長(zhǎng)，胺分子在焙燒過(guò)程中造成大氣污染，因此開(kāi)發(fā)低成本無(wú)污染的ZSM-5分子篩合成方法成為亟待解決的問(wèn)題。Pan Feng等[2]介紹了一種以高嶺土為原料經(jīng)過(guò)脫鋁后作為硅源無(wú)模板劑合成ZSM-5分子篩的方法，認(rèn)為Na+在其中起到替代有機(jī)模板劑和平衡電荷作用的作用。Yu Qingjun等[3]以ZSM-11分子篩作為晶種，借助于ZSM-11分子篩表面末端Si-OH作用，無(wú)模板劑條件下快速制備ZSM-5分子篩，并應(yīng)用于MTO反應(yīng)，結(jié)果顯示良好。

環(huán)己醇是一種優(yōu)良的中高沸點(diǎn)的有機(jī)化工產(chǎn)品，在化工生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其主要用于生產(chǎn)己二酸、己內(nèi)酞胺和聚酞胺，是酞胺類產(chǎn)品不可缺少的中間產(chǎn)品，也是制備各種乙烯樹(shù)脂漆的主要原料，廣泛用作許多高分子聚合物的溶劑，在有機(jī)化工、涂料、紡織工業(yè)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用和廣泛的市場(chǎng)[4]。目前，己二酸的生產(chǎn)主要有苯-環(huán)己烷-KA油-己二酸原料路線和苯-環(huán)己烯-環(huán)己醇-己二酸原料路線。第一種是對(duì)苯加氫的產(chǎn)物環(huán)己烷進(jìn)行氧化制得KA油(環(huán)己酮和環(huán)己醇的混合物)，KA油經(jīng)硝酸氧化得到己二酸，存在副產(chǎn)物多、能耗高、安全性差和污染嚴(yán)重等問(wèn)題；第二種是苯部分加氫的產(chǎn)物環(huán)己烯進(jìn)行水合得到環(huán)己醇，環(huán)己醇經(jīng)硝酸氧化制己二酸[5]，具有原料利用率高和能耗小等優(yōu)點(diǎn)，但催化劑制備過(guò)程復(fù)雜、價(jià)格昂貴。

本文采用水熱合成法，以硫酸鋁、水玻璃為主要原料，無(wú)有機(jī)模板劑條件下制備晶型良好的ZSM-5分子篩，考察鈉硅比、水硅比和晶化時(shí)間等因素對(duì)ZSM-5分子篩結(jié)晶度和晶粒尺寸的影響，并對(duì)樣品進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)及形貌表征分析和環(huán)己烯水合性能評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試 劑

水玻璃，佛山科凝新材料科技有限公司，模數(shù)3.3，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)28.71%；硫酸鋁[Al2(SO4)3·18H2O]、環(huán)己烯，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純；硫酸，天津市耀華化學(xué)試劑有限公司，分析純；硝酸，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司，分析純；去離子水，自制。

1.2 分子篩制備

以硫酸鋁、水玻璃為主要原料，采用兩步水熱晶化法在無(wú)有機(jī)模板劑條件下制備ZSM-5分子篩。在分子篩制備過(guò)程中，先分別將水玻璃和去離子水、硫酸鋁和去離子水以及濃硫酸按照一定比例混合均勻得到硅源和鋁源，然后在強(qiáng)烈攪拌下將鋁源緩慢滴加到硅源中得到溶膠-凝膠狀態(tài)硅鋁酸鹽前驅(qū)體，再將其轉(zhuǎn)移到2 L高溫高壓反應(yīng)釜中。先180 ℃高溫晶化，然后150 ℃低溫晶化，晶化結(jié)束后快速降溫至常溫取出晶化產(chǎn)物，產(chǎn)物經(jīng)洗滌、過(guò)濾、烘干得到ZSM-5分子篩。

無(wú)模板劑法制備的ZSM-5分子篩為Na型，進(jìn)行環(huán)己烯水合催化反應(yīng)之前還需要通過(guò)酸交換將其轉(zhuǎn)化為H型[6]。酸交換是用0.325 mol·L-1硝酸以液固比為10 mL·g-1在60 ℃條件下攪拌交換2次(每次1 h)，交換結(jié)束后洗滌、過(guò)濾、烘干。

1.3 分子篩表征

XRD采用德國(guó)布魯克公司D8 Advance X射線粉末衍射儀，CuKα，工作電壓為40 kV，工作電流40 mA，掃描范圍5°～50°，步幅0.02°，掃描速率10°·min-1。

SEM采用德國(guó)蔡司公司SIGMA掃描電子顯微鏡觀察樣品的形貌及尺寸，取少量樣品涂膜于導(dǎo)電膠帶上，并進(jìn)行表面噴金處理。

1.4 環(huán)己烯水合反應(yīng)評(píng)價(jià)

采用500 mL美國(guó)PARR公司高溫高壓反應(yīng)釜，先將30 g分子篩、64.6 mL環(huán)己烯及90 mL水依次加入反應(yīng)釜，密封并用氮?dú)庵脫Q空氣，在125 ℃恒溫600 rpm轉(zhuǎn)速下反應(yīng)30 min，然后快速冷卻至常溫分離取出有機(jī)相[7]。

產(chǎn)物分析采用美國(guó)PE公司Clarus 580GC氣相色譜儀(Elite-WaxETR型毛細(xì)管色譜柱，F(xiàn)ID檢測(cè)器)，環(huán)己烯和環(huán)己醇含量采用面積歸一法進(jìn)行定量分析，并計(jì)算原料轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物收率和選擇性。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈉硅物質(zhì)的量比

ZSM-5分子篩屬于典型的MFI結(jié)構(gòu)類型，在晶化過(guò)程中，硅(鋁)氧四面體先通過(guò)共用頂點(diǎn)氧原子形成次級(jí)結(jié)構(gòu)5-1硅鋁環(huán)，再由5-1硅鋁環(huán)構(gòu)成MFI復(fù)合結(jié)構(gòu)單元[8]，進(jìn)而構(gòu)成Pentasil鏈，MFI骨架結(jié)構(gòu)由Pentasil鏈順序平行堆積構(gòu)成[9]，在無(wú)有機(jī)模板劑體系中，鈉水合離子替代有機(jī)胺模板劑在上下兩條Pentasil鏈之間起到平衡電荷、支撐和定位作用，這對(duì)于ZSM-5分子篩的成核和結(jié)晶十分重要。

按n(Na2O)∶n(SiO2)∶n(Al2O3)∶n(H2O)=x∶100∶y∶4 000進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)(表1)，樣品的X射線衍射圖如圖1所示。

表1 鈉硅物質(zhì)的量比對(duì)ZSM-5分子篩合成的影響

圖1 不同鈉硅物質(zhì)的量比ZSM-5分子篩產(chǎn)品XRD圖Figure 1 XRD patterns of ZSM-5 zeolites produced with differentNa2O/SiO2 mole ratio

由圖1可以看出，鈉硅物質(zhì)的量比對(duì)無(wú)有機(jī)模板合成ZSM-5的影響主要分為3個(gè)部分。以硅鋁物質(zhì)的量比為30的ZSM-5分子篩合成為例，當(dāng)鈉硅物質(zhì)的量比≤0.18時(shí)，XRD圖中未觀察到ZSM-5的特征峰，表明低鈉硅物質(zhì)的量比不利于ZSM-5的成核。因?yàn)楣桎X環(huán)的形成需要適量的硅(鋁)酸鹽陰離子，而這些陰離子來(lái)自于溶膠-凝膠狀態(tài)硅鋁酸鹽。Na2O作為礦化劑，當(dāng)堿度較低時(shí)，不能使無(wú)定型SiO2溶解，進(jìn)而不能轉(zhuǎn)變成結(jié)晶的ZSM-5分子篩。當(dāng)鈉硅物質(zhì)的量比>0.185時(shí)，逐漸出現(xiàn)ZSM-5的特征峰，且隨著堿度提高，ZSM-5結(jié)晶度明顯提升，表明無(wú)定型SiO2的溶解度明顯增加，逐漸達(dá)到形成硅鋁環(huán)所需濃度，而硅鋁環(huán)進(jìn)一步組合形成MFI結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致硅鋁環(huán)濃度降低，又促進(jìn)無(wú)定型SiO2的溶解，最終實(shí)現(xiàn)由溶膠-凝膠狀態(tài)的硅鋁酸鹽到ZSM-5分子篩的轉(zhuǎn)變。但隨著堿度進(jìn)一步增加，當(dāng)鈉硅物質(zhì)的量比>0.205時(shí)，產(chǎn)品中已出現(xiàn)絲光沸石雜晶相，且ZSM-5晶相結(jié)晶度明顯下降。因?yàn)楫?dāng)鈉水合離子的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)平衡沸石骨架負(fù)電荷所需量時(shí)，過(guò)量Na2O導(dǎo)致溶液堿度過(guò)高，雖然無(wú)定型SiO2溶解足夠形成硅鋁環(huán)，但不利于進(jìn)一步形成ZSM-5的MFI結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)而形成更加穩(wěn)定的MOR結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)絲光沸石雜晶，ZSM-5晶相結(jié)晶度降低。

對(duì)比不同硅鋁物質(zhì)的量比ZSM-5分子篩的合成還發(fā)現(xiàn)，隨著硅鋁物質(zhì)的量比增加，適合ZSM-5合成的鈉硅物質(zhì)的量比減小。這是由于隨著硅鋁物質(zhì)的量比增加，骨架中的鋁四面體含量降低，所需平衡的骨架負(fù)電荷減少，因此，同等條件下所需鈉硅物質(zhì)的量比減小。

該結(jié)論同文獻(xiàn)[2]中的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一致，但適宜的鈉硅物質(zhì)的量比范圍卻相差較大，分析原因除原料不同外，主要是結(jié)晶溫度低(低溫晶化段)，Na2O礦化作用減小，需要提高其濃度以保證硅鋁環(huán)形成。

2.2 水硅物質(zhì)的量比

由于ZSM-5晶核的形成都是從硅鋁環(huán)形成開(kāi)始，而硅鋁環(huán)的形成需要溶液中一定硅(鋁)氧四面體濃度，而且硅鋁環(huán)和硅(鋁)氧四面體的轉(zhuǎn)化平衡導(dǎo)致溶液中的硅(鋁)氧四面體不可能完全轉(zhuǎn)化為硅鋁環(huán)，因此，在晶化結(jié)束快速降溫過(guò)程中未最終轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿雍Y的都將以無(wú)定型狀態(tài)析出，導(dǎo)致ZSM-5分子篩結(jié)晶度降低。同時(shí)由于水量的變化引起Na2O濃度變化，進(jìn)一步改變?nèi)芤褐械木Ш藵舛?，一定程度影響晶化過(guò)程中晶體的生長(zhǎng)，影響晶粒尺寸。

為考察水硅物質(zhì)的量比對(duì)ZSM-5分子篩合成的影響，以n(Na2O)∶n(SiO2)∶n(Al2O3)∶n(H2O)=19.5∶100∶3.3∶x進(jìn)行系列實(shí)驗(yàn)，ZSM-5分子篩樣品的XRD圖和SEM照片如圖2和圖3所示。

圖2 不同水硅物質(zhì)的量比ZSM-5分子篩產(chǎn)品的XRD圖Figure 2 XRD patterns of ZSM-5 zeolites produced with differentH2O/SiO2 mole ratio

圖3 不同水硅物質(zhì)的量比ZSM-5分子篩產(chǎn)品SEM照片F(xiàn)igure 3 SEM images of ZSM-5 zeolites produced with differentH2O/SiO2 mole ratio

由圖2～3可知，在水硅物質(zhì)的量比為40時(shí)，延長(zhǎng)低溫晶化時(shí)間對(duì)結(jié)晶度的提高基本沒(méi)有效果，表明在該條件下，溶液中的硅鋁環(huán)和硅(鋁)氧四面體的相互轉(zhuǎn)化達(dá)到平衡，如果要平衡從硅(鋁)氧四面體向硅鋁環(huán)轉(zhuǎn)變，需要提高硅(鋁)氧四面體濃度，即降低水硅物質(zhì)的量比。水硅物質(zhì)的量比越低，硅鋁環(huán)之間的距離越短，越有利于結(jié)晶成核和晶體生長(zhǎng)。因此，當(dāng)水硅物質(zhì)的量比逐漸降低，ZSM-5晶相結(jié)晶度明顯提升，水硅物質(zhì)的量比到32時(shí)結(jié)晶度達(dá)到最高。且由于晶核濃度進(jìn)一步增加，在晶化過(guò)程中，晶體的生長(zhǎng)表現(xiàn)為多中心同時(shí)進(jìn)行，溶液中硅鋁環(huán)濃度的快速降低又限制了晶體的過(guò)度生長(zhǎng)，晶粒尺寸減小，但是在較低水硅物質(zhì)的量比條件下，體系的黏度增加，導(dǎo)致硅鋁環(huán)的轉(zhuǎn)移性能變差，造成溶液體系不均勻，導(dǎo)致晶粒大小不均。由于在水硅物質(zhì)的量比降低的同時(shí)，Na2O濃度升高，因此當(dāng)水量降低超過(guò)一定限度后，絲光沸石雜晶出現(xiàn)。

2.3 晶化時(shí)間

高溫有利于晶核形成和提高晶化速度，但由于晶核的形成和晶體生長(zhǎng)對(duì)于硅鋁環(huán)是相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，為控制晶粒尺寸，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩步晶化法，在180 ℃的高溫晶化段，晶化溫度高于常規(guī)晶化溫度[10]，有利于形成更多的晶核，而鈉硅物質(zhì)的量比也高于常規(guī)工藝，則是反向利用高堿度的溶解作用，抑制晶體生長(zhǎng)。進(jìn)入150 ℃低溫晶化段時(shí)，Na2O的礦化作用降低，晶體開(kāi)始生長(zhǎng)，由于晶核濃度高，大量消耗硅鋁環(huán)，減緩晶體生長(zhǎng)速度，減小晶粒尺寸。為此，按照n(Na2O)∶n(SiO2)∶n(Al2O3)∶n(H2O)=19.5∶100∶3.3∶3 200，適當(dāng)調(diào)整高溫晶化和低溫晶化時(shí)間進(jìn)行系列實(shí)驗(yàn)，不同高溫晶化時(shí)間ZSM-5分子篩產(chǎn)品的XRD圖和SEM照片如圖4和圖5所示。

圖4 不同高溫晶化時(shí)間ZSM-5分子篩產(chǎn)品的XRD圖Figure 4 XRD patterns of ZSM-5 zeolites produced with different crystallization time at high temperature

圖5 不同晶化時(shí)間ZSM-5分子篩產(chǎn)品的SEM照片F(xiàn)igure 5 SEM images of ZSM-5 zeolites produced with different crystallization time

由圖4可知，只在180 ℃晶化12 h，產(chǎn)物中并沒(méi)有出現(xiàn)ZSM-5晶體結(jié)構(gòu)，而延長(zhǎng)高溫晶化時(shí)間到13 h時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)ZSM-5衍射峰。由于所有結(jié)晶過(guò)程可分為誘導(dǎo)期、過(guò)渡期和晶體生長(zhǎng)期三個(gè)階段，可知在180 ℃下，其誘導(dǎo)期約為13 h。

由圖5可知，當(dāng)高溫晶化時(shí)間較短時(shí)，由于晶核濃度相對(duì)較低，進(jìn)入低溫晶體生長(zhǎng)過(guò)程后，仍有較多的硅鋁環(huán)提供晶體生長(zhǎng)，因此晶粒尺寸增大，約1 μm。適當(dāng)增加高溫晶化時(shí)間，縮短低溫晶化時(shí)間后，晶粒尺寸明顯降低，降低至約0.4 μm。而保持高溫晶化13 h，延長(zhǎng)低溫晶化時(shí)間，晶粒尺寸隨著晶體的生長(zhǎng)逐漸變大，且容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。

2.4 水合反應(yīng)

圖6為不同晶粒尺寸ZSM-5分子篩對(duì)環(huán)己烯水合反應(yīng)的影響。由圖6可以看出，小晶粒尺寸的ZSM-5分子篩表現(xiàn)出比大晶粒尺寸更好的催化性能。隨著ZSM-5分子篩晶粒尺寸減小，環(huán)己烯轉(zhuǎn)化率由9.3%逐漸提高到10.2%。這是由于隨著ZSM-5分子篩晶粒尺寸減小，縮短了分子在分子篩中的擴(kuò)散路徑，使分子具有較高的晶內(nèi)擴(kuò)散速率，大大降低了反應(yīng)分子和產(chǎn)物分子在孔道內(nèi)的擴(kuò)散阻力，不但有利于反應(yīng)的進(jìn)行，而且在防止產(chǎn)物分子進(jìn)行副反應(yīng)和降低催化劑結(jié)焦等方面，都表現(xiàn)出比常規(guī)晶粒尺寸ZSM-5分子篩更為優(yōu)越的性能。同時(shí)ZSM-5分子篩晶粒尺寸減小，使表面原子比例增大，催化活性中心數(shù)目增多，這些均會(huì)影響ZSM-5分子篩催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性。

圖6 不同晶粒尺寸ZSM-5分子篩對(duì)環(huán)己烯水合反應(yīng)的影響Figure 6 Influence of ZSM-5 crystal particle size on cyclohexene hydration reaction

3 結(jié) 論

以硫酸鋁、水玻璃為主要原料，采用兩步水熱晶化法在無(wú)有機(jī)模板劑條件下成功制備出ZSM-5分子篩，通過(guò)XRD和SEM對(duì)ZSM-5分子篩進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果表明：(1)鈉水合離子起到了模板劑的平衡電荷、支撐和定位作用，隨著硅鋁物質(zhì)的量比增加，合成ZSM-5分子篩所需鈉硅物質(zhì)的量比降低；(2)在一定范圍隨著鈉硅物質(zhì)的量比提高，溶液堿度增加，分子篩結(jié)晶度提高；(3)隨著水硅物質(zhì)的量比降低，溶液中晶核濃度升高，分子篩結(jié)晶度提高，晶粒尺寸減小，但晶粒尺寸均勻性下降；(4)合理優(yōu)化晶化時(shí)間，能有效減小晶粒尺寸，可減小至約0.4 μm；(5)無(wú)有機(jī)模板劑合成的ZSM-5分子篩具有良好的環(huán)己烯水合催化性能，并隨著ZSM-5分子篩晶粒尺寸的減小，環(huán)己烯轉(zhuǎn)化率提高至10.2%。