动态条件下ZSM-12分子筛的合成研究

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ZSM-12沸石分子筛是一种MTW结构的高硅铝分子筛,其孔道结构为一维十二员环线性非交叉孔道,孔口尺寸约为0.57×0.61 nm。ZSM-12沸石分子筛具有的独特孔道结构、可调变的酸性及优异的热稳定性,因此在石油炼制和化工领域中的大分子原料油的裂化、异构化以及芳烃的烷基化等许多酸催化反应中都表现出优良的催化活性、选择性以及稳定性。研究ZSM-12分子筛的合成及合成方法已经是众多学者关注的热点,但目前的研究普遍集中于静态条件下ZSM-12分子筛的合成。在工业生产中,由于传质传热的需要,分子筛的生产通常采用动态晶化方式,因此需要对动态晶化条件下ZSM-12分子筛合成进行研究。本文采用动态水热晶化法,系统考察了硅源、铝源、碱度、水含量、模板剂含量及晶化温度对ZSM-12分子筛合成的影响,并对动态和静态两种晶化方式合成ZSM-12分子筛的晶化动力学进行了对比研究。结果如下:1)ZSM-12分子筛是一种具有高硅性质的分子筛,在本实验所研究的条件下,低硅铝比的ZSM-12分子筛较难合成,当体系中铝含量较高时,有利于MFI和BEA结构的杂晶相生成;Si/Al<40时,所合成的产物主要为BEA晶体;Si/Al≥40时,可以得到纯相ZSM-12分子筛,所合成产物的相对结晶度随着硅铝比的增加依次升高。2)动态晶化合成ZSM-12分子筛过程中,硅源性质对所合成产物的晶相有很大影响。在本实验条件下,考察了硅溶胶、硅胶和TEOS三种硅源对ZSM-12分子筛合成的影响,结果表明硅溶胶为最适合的硅源。当Si/Al=40时,只有硅溶胶能合成ZSM-12分子筛;而Si/Al=50时,三种硅源均能合成ZSM-12分子筛,以硅溶胶为硅源时所合成的ZSM-12分子筛的结晶度最高。3)动态晶化合成ZSM-12分子筛过程中,铝源性质也会影响所合成产物的晶相。Si/Al=40时,在所考察的铝源中(NaAlO2、Al2(SO4)3·18H2O和拟薄水铝石),以NaAlO2为铝源时,所得产物为纯相ZSM-12分子筛;以Al2(SO4)3·18H2O和拟薄水铝石为铝源时,所得产物都为无定型。Si/Al=50时,以NaAlO2和Al2(SO4)3·18H2O为铝源均能得到ZSM-12分子筛,但前者为纯相且相对结晶度最高。4)动态晶化合成ZSM-12分子筛过程中,碱度是影响ZSM-12分子筛晶化过程关键因素。当Si/Al=40,碱度较低时,体系中硅铝物种的溶解性太差,导致晶化速率过慢,产物为无定型;碱度过高时,容易导致具有三维孔道结构的MFI型分子筛生成。在本实验条件下的最佳OH-/SiO2比为0.16。当Si/Al=50时,合成分子筛的碱度范围较大,在OH-/SiO2=0.08~0.22范围内都可以得到纯相ZSM-12分子筛。扫描电镜结果表明:随着碱度的增加,所合成分子筛的粒径减小、形貌由立方体状逐渐转为球形。5)动态晶化合成ZSM-12分子筛过程中,水含量对ZSM-12分子筛的晶体生长过程及产物晶相有很大影响。当Si/Al=40时,水含量过高会导致体系中的反应物种浓度降低,所得产物为无定型;适当降低体系水含量,可以得到纯相ZSM-12分子筛,其最佳H2O/SiO2比为13。当Si/Al=50时,可以在较大的水含量范围内合成纯相ZSM-12分子筛(H2O/SiO2=11.7~14.7)。水含量过低时,会伴随有MFI结构的杂晶出现;水含量过高时,则容易产生BEA杂晶。6)动态晶化合成ZSM-12分子筛过程中,模板剂含量也是影响所合成产物晶相和形貌的关键因素之一。在本实验条件下,考察了不同模板剂含量对ZSM-12分子筛合成的影响。结果表明:当Si/Al=40,TEA+/SiO2=0.12时,所合成的样品为无定型不规则颗粒;TEA+/SiO2=0.14时,所得样品为纯相ZSM-12分子筛球形聚集体;当TEA+/SiO2比继续增加至0.16时,所合成的产物中开始出现了BEA结构杂晶,进一步增加模板剂含量,BEA结构杂晶增多,SEM结果表明,该杂晶形貌为表面相对光滑的立方体颗粒。当Si/Al=50,TEA+/SiO2=0.14时,所合成的产物主要为ZSM-12分子筛,同时还伴随着一些MFI结构杂晶;当TEA+/SiO2=0.16~0.18时,所合成的样品为纯相的ZSM-12分子筛;当TEA+/SiO2≥0.20时,所合成的样品中开始出现少量的BEA杂晶。7)动态晶化合成ZSM-12分子筛过程中,晶化温度对所合成产物的晶相有很大影响。研究结果表明:当晶化温度为140℃时,所合成的样品是无定型;当晶化温度升至150℃~160℃时,可以得到纯相的ZSM-12分子筛,随着晶化温度的升高,产物的相对结晶度增加;温度继续升高至170℃时,合成产物由MTW结构转化MFI结构。8)动态晶化合成ZSM-12分子筛过程中,晶化方式对ZSM-12分子筛合成影响的研究结果表明:无论动态晶化还是静态晶化,两种方式下所合成产物的Si/Al比都小于初始凝胶中的Si/Al比;区别在于:在动态晶化过程中,随着Si/Al比增加,所合成产物的Si/Al比与初始凝胶中的Si/Al比之间的差别不大,而静态晶化条件下两者的差别则较大。从晶化动力学曲线可以看出,与静态晶化相比,动态晶化加快了分子筛的成核和晶化,大大的缩短了晶化周期,因此动态晶化法更适合用来合成ZSM-12分子筛。
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