H-ZSM-5/silicalite-1复合分子筛的制备及其甲苯甲醇烷基化性能的研究

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对二甲苯在石油化工、医药等领域有着极其广泛的用途。苯、甲苯、二甲苯三类芳烃中甲苯来源最为充足,但其工业用途却远不如苯和二甲苯;同时随着国内煤化工的发展,我国的甲醇市场已出现严重的产能过剩,因此甲苯甲醇烷基化合成对二甲苯具有很高的开发价值,是一条极具潜力的增产对二甲苯的工艺路线。目前人们利用改性后的ZSM-5分子筛催化甲苯甲醇烷基化反应,对二甲苯的选择性虽然可以达到很高的水平,但这些改性方法在去除或钝化外表面酸性位的同时也会减小孔径、引起孔道内酸性位损失而造成ZSM-5分子筛活性下降等不利影响,H-ZSM-5/silicalite复合分子筛为甲苯甲基化反应提供了新的思路。Silicalite-1分子筛和ZSM-5分子筛同属MFI型分子筛,有望在ZSM-5分子筛外表面实现连续生长而不会对ZSM-5分子筛内部孔道造成影响。该方法通过在H-ZSM-5外表面生长Silicalite-1纯硅膜,调整外表面酸性,防止从ZSM-5分子筛孔道内扩散出来的对二甲苯在外表面发生异构,从而提高对二甲苯的选择性。本论文主要研究内容如下:  1.考察了包覆次数、Silicalite-1前驱体配方中模板剂用量、乙醇用量、投料次序、ZSM-5晶种原始形态对H-ZSM-5/silicalite复合分子筛包覆效果和烷基化反应性能的影响。将不同制备条件下所制得的H-ZSM-5/silicalite复合分子筛直接用于甲苯甲醇烷基化反应,根据反应性能得到了最优的制备条件。  2.选取四种形貌完全不同的H-ZSM-5/silicalite-1复合分子筛,考察了复合分子筛的结构、形貌与其甲苯甲醇烷基化性能的关系。ZSM-5分子筛经过全硅Silicalite-1分子筛包覆后的HZSM-5/silicalite-1复合分子筛在结构、形貌上有了明显的变化,Silicalite-1分子筛在ZSM-5外表面的生长为各向异性生长,长得越大,其表面覆盖度越高,所制得的复合分子筛的对二甲苯选择性越高。但选择性得到提高的同时复合分子筛快速积碳失活,稳定性较差。  3.采用空白实验方法探讨了H-ZSM-5分子筛向H-ZSM-5/silicalite复合分子筛转变的过程。其转变过程可分为以下四个步骤:  (1)在带正电的模板剂TPA+离子引导下,表面带负电的H-ZSM-5分子筛晶体组装成团聚体;  (2)在晶化前,TEOS水解产生的无定形硅物种吸附在H-ZSM-5分子筛团聚体的表面;  (3)晶化条件下,吸附在H-ZSM-5分子筛团聚体表面的无定形硅晶化成六方晶体的尖端形状(第一次包覆);  (4)晶化条件下团聚体六方晶体尖端继续生长成完整六方形状(第二次包覆)。同时,通过空白实验法判断出所使用的晶种是多晶晶体,因而我们制备的复合分子筛样品中出现了很多孪晶、多晶现象。  4.探讨了所制备的复合分子筛中八角形MFI晶体形成的原因:当MFI晶体的(001)面和(011)面暴露后便得到了八角形MFI晶体。在合成中通过调控模板剂TPAOH的量来实现对MFI晶体(001)面和(011)面暴露与否的控制,从而达到对MFI型分子筛晶体形状(六方形和八方形)的控制。对于MFI晶体来说,某一特定的Lc/La或Lc/Lb比值是决定我们得到八方形还是六方形晶体的关键,当Lc/La或Lc/Lb比值高于这个特定值时,我们得到的是六方形MFI晶体;当Lc/La或Lc/Lb比值低于这个特定值时,(001)面和(011)面被暴露出来,我们得到的是八方形MFI晶体。  5.将H-ZSM-5分子筛在水热条件下分别用有机碱TPAOH溶液、无机碱NaOH溶液和它们的混合碱溶液处理,研究水热条件下MFI分子筛在碱性溶液中的溶解行为,同时对MFI晶体溶解部分呈规则六方形形状的原因进行探讨。在无机碱溶液NaOH或其与有机碱的混合溶液中,对于含铝量较高的分子筛而言,初始阶段产生过多的Al(OH)4-物种吸附在分子筛的外表面,使得之后在分子筛内部无法引入介孔。在有机碱溶液TPAOH中,TPA+离子能在分子筛外表面或已有介孔孔道外表面提供保护,有效的使分子筛溶解的过程放慢而更加容易控制,使得我们能准确的通过控制TPAOH碱处理的时间、温度和次数来得到所需要的介孔孔径和数量的多级孔分子筛,同时又能很好的保存分子筛的微孔结构。在水热条件下和碱溶液中,MFI晶体的溶解和晶体生长是同时进行的,正是由于溶解区域的再生长,MFI晶体被溶解的区域呈现出规则的六方形形状。
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