一种小孔分子筛成型吸附剂的制备方法及在吸附不饱和烃制备电子级笑气中的应用

摘要

本发明提供一种小孔分子筛成型吸附剂的制备方法及在吸附不饱和烃制备电子级笑气制备中的应用，以小孔分子筛粉末为原料，再与粘结剂混捏成型，得到传统成型小孔分子筛，然后将传统成型小孔分子筛置于热碱溶液中超声震荡；再将含小孔分子筛的热碱溶液快速移入晶化釜中进行水热处理，固体产物经洗涤、焙烧，得到小孔分子筛吸附剂，所述小孔分子筛为CHA或AEI拓扑结构。本发明对传统成型小孔分子筛进行两次热碱处理使得粘结剂转变结晶状态与分子筛晶体通过表面羟基化学键合的方式成为一体，得到结晶度、机械强度、比表面积、酸性等性质均得到明显提高的小孔分子筛成型吸附剂，在吸附不饱和烃制备电子级笑气中的应用中表现出优异的吸附性能。

说明书

技术领域

本发明属于电子级笑气生产提纯技术领域，具体涉及一种小孔分子筛成型吸附剂的制备方法及在吸附不饱和烃制备电子级笑气中的应用，特别是在吸附以不饱和烃为主要杂质制备电子级笑气中的应用。

背景技术

沸石分子筛是一类具有规则孔道结构的硅铝酸盐无机晶体材料，由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子筛分子尺寸大小(通常为0.3～2.0nm)的孔道和空腔体系，从而具有筛分分子的特性。目前国际已知的有252种分子筛结构类型，而每一类沸石都具有一定尺寸、形状和孔道结构，并具有较大比表面积，其具有很高的吸附量和独特的择形吸附性能。由于沸石分子筛具有空旷的骨架结构，所以骨架内孔体积占总体积的40～50％，多数沸石的孔体积为0.25～0.35cm

然而在实际的工业应用中，为了工况操作等因素，粉末形态的分子筛往往需要加入一定量的惰性粘结剂：如氧化硅、氧化铝、高岭土等，与分子筛混合制备成具有一定形状和强度的成型分子筛使用。由于粘结剂的加入会导致成型分子筛中有效成分即：分子筛含量下降；另一方面粘结剂的引入也会覆盖分子筛的表面微孔，堵塞分子筛的孔道，进而降低分子筛孔道的畅通性而增大扩散阻力、降低了分子筛上活性位点的可触及性。因此，加入粘结剂的成型分子筛的结晶度、比表面积等物理性质；酸度、极性等化学性质都会大大降低，进而导致在实际应用中无论是作为催化剂还是吸附剂的分子筛的性能大打折扣。尤其是拓扑结构如CHA、AEI等的小孔分子筛，由于其孔口(<0.4nm)较小，更容易被粘结剂等成型添加剂所覆盖，进而导致成型后材料的一系列性质大幅下降。因此，如何制备出一种既具备一定的机械强度、满足工业应用需要，同时又尽最大可能地保护分子筛原有性质及性能的分子筛成型材料具有重要意义。

发明内容

为解决现有含粘结剂成型的小孔分子筛吸附剂的有效组分含量低，结晶度、比表面积、酸量等物理化学性质及在实际应用中的性能大打折扣等问题。本发明提供了一种采用两次热碱溶液进行成型分子筛材料中粘结剂的转晶再键合过程制备小孔分子筛成型吸附剂的制备方法及在吸附不饱和烃制备电子级笑气中的应用，所述小孔分子筛为CHA或AEI拓扑结构。本发明以小孔分子筛粉末为原料，让其先与粘结剂混捏成型，称之为传统成型小孔分子筛。然后对成型材料进行两次热碱处理使得粘结剂转变结晶状态与分子筛晶体通过表面羟基化学键合的方式成为一体，得到结晶度、机械强度、比表面积、酸性等性质均得到明显提高的小孔分子筛成型吸附剂，在吸附不饱和烃制备电子级笑气中的应用中表现出优异的吸附性能。

本发明的技术方案如下：

一种小孔分子筛成型吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将含小孔分子筛粉末和粘结剂的混合物混捏均匀，挤出成型，焙烧，得到含有粘结剂的传统成型小孔分子筛；

(2)将传统成型小孔分子筛置于热碱溶液中超声震荡；

(3)将含小孔分子筛的热碱溶液快速移入晶化釜中进行水热处理；固体产物经洗涤、焙烧，得到所述的小孔分子筛成型吸附剂；

所述小孔分子筛为CHA或AEI拓扑结构。

优选所述小孔分子筛包括述SSZ-13或SSZ-39分子筛。

优选所述小孔分子筛粉末通过小孔分子筛原粉粉末经脱水预处理得到。

优选步骤(1)中所述粘结剂选自硅溶胶、硅凝胶、二氧化硅粉末和固体硅胶中的至少一种。

优选步骤(1)中所述小孔分子筛粉末与粘结剂的质量比为:1:1～9:1。

优选步骤(2)中，热碱溶液超声震荡条件为：温度为60℃～90℃，时间为4～12h。

优选步骤(3)中，所述水热处理条件为：温度为140℃～170℃，时间为24～48h。

优选所述碱溶液选自N,N,N-三甲基金钢烷氢氧化铵、苄基三甲基氢氧化铵和N,N-二乙基-2,6-二甲基哌啶鎓季铵碱中的一种或几种。

所述碱溶液的质量浓度为2％～6％；所述传统成型小孔分子筛与碱溶液的固液比为1：3-10。

根据本申请的又一个方面，本发明还提供了上述所述的小孔分子筛吸附剂在吸附不饱和烃制备电子级笑气中的应用。

本申请中，如无特别说明，数值范围指范围内的任意值，且均包含端点值。

本申请能产生的有益效果包括：

本申请以小孔分子筛粉末为原料，通过加入粘结剂与其混捏成型，然后使用两次热碱溶液进行成型分子筛材料中粘结剂的转晶再键合过程，制备小孔分子筛吸附剂。小孔分子筛吸附剂相比于传统的含有粘结剂成型的小孔分子筛，具有不含惰性粘结剂且高有效组分的特点，因此无论是结晶度还是比表面积均得到明显的提高，甚至超过了其母体原粉。本发明的制备过程简单，制备得到的小孔分子筛吸附剂具有更高的机械强度和酸性等性质，在吸附不饱和烃制备电子级笑气中的应用中表现出优异的吸附性能。

附图说明

图1为对比实施例1和实施例1所得样品的SEM电镜照，其中a为C_1#SEM电镜照，b为S_1#SEM电镜照。

具体实施方法

对比例1

将购买得到的商业SSZ-13分子筛原粉粉末在110℃下烘干，然后将其在540℃下焙烧4小时。取150克焙烧后SSZ-13分子筛粉末，加入125克30wt％的硅溶胶混合均匀，挤条成型，在110℃条件下烘干。然后在540℃空气气氛下焙烧5小时。得到传统含有粘结剂的SSZ-13分子筛，记为样品C_1#。

对比例2

将购买得到的商业SSZ-13分子筛原粉粉末在110℃下烘干，然后将其在540℃下焙烧4小时。取150克焙烧后SSZ-13分子筛粉末，加入37.5克固体二氧化硅混合均匀，挤条成型，在110℃条件下烘干。然后在540℃空气气氛下焙烧5小时。得到传统含有粘结剂的SSZ-13分子筛，记为样品C_2#。

对比例3

配置质量分数为4％的N,N,N-三甲基金钢烷氢氧化铵溶液，取25g溶液加入5克样品C_1#，转移至反应釜中，150℃烘箱反应24小时，反应结束后将固体产物分离，用去离子水洗涤至中性，干燥、在540℃空气气氛下焙烧5小时。所得产品记为样品C_3#。

对比例4

将购买得到的商业SSZ-39分子筛原粉粉末在110℃下烘干，然后将其在540℃下焙烧4小时。取150克焙烧后SSZ-39分子筛粉末，加入125克30wt％的硅溶胶混合均匀，挤条成型，在110℃条件下烘干。然后在540℃空气气氛下焙烧5小时。得到传统含有粘结剂的SSZ-39分子筛，记为样品C_4#。

实施例1

配置质量分数为4％的N,N,N-三甲基金钢烷氢氧化铵溶液，取25g溶液加热至75℃，加入5克样品C_1#，超声震荡4小时。转移至反应釜中，150℃烘箱反应24小时，反应结束后将固体产物分离，用去离子水洗涤至中性，干燥、在540℃空气气氛下焙烧5小时。所得产品记为样品S_1#。

实施例2

配置质量分数为6％的N,N,N-三甲基金钢烷氢氧化铵溶液，取25g溶液加热至60℃，加入5克样品C_1#，超声震荡8小时。转移至反应釜中，150℃烘箱反应24小时，反应结束后将固体产物分离，用去离子水洗涤至中性，干燥、在540℃空气气氛下焙烧5小时后。所得产品记为样品S_2#。

实施例3

配置质量分数为4％的苄基三甲基氢氧化铵溶液，取25g溶液加热至75℃，加入5克样品C_1#，超声震荡4小时。转移至反应釜中，170℃烘箱反应24小时，反应结束后将固体产物分离，用去离子水洗涤至中性，干燥、在540℃空气气氛下焙烧5小时后。所得产品记为样品S_3#。

实施例4

配置质量分数为6％的苄基三甲基氢氧化铵溶液，取25g溶液加热至60℃，加入5克样品C_1#，超声震荡8小时。转移至反应釜中，170℃烘箱反应24小时，反应结束后将固体产物分离，用去离子水洗涤至中性，干燥、在540℃空气气氛下焙烧5小时后。所得产品记为样品S_4#。

实施例5

配置质量分数为3％的N,N,N-三甲基金钢烷氢氧化铵溶液，取25g溶液加热至90℃，加入5克样品C_2#，超声震荡4小时。转移至反应釜中，160℃烘箱反应24小时，反应结束后将固体产物分离，用去离子水洗涤至中性，干燥、在540℃空气气氛下焙烧5小时后。所得产品记为样品S_5#。

实施例6

配置质量分数为5％的N,N,N-三甲基金钢烷氢氧化铵溶液，取25g溶液加热至70℃，加入5克样品C_2#，超声震荡5小时。转移至反应釜中，160℃烘箱反应24小时，反应结束后将固体产物分离，用去离子水洗涤至中性，干燥、在540℃空气气氛下焙烧5小时后。所得产品记为样品S_6#。

实施例7

配置质量分数为4％的N,N-二乙基-2,6-二甲基哌啶鎓季铵碱水溶液，取25g溶液加热至75℃，加入5克样品C_4#，超声震荡4小时。转移至反应釜中，150℃烘箱反应36小时，反应结束后将固体产物分离，用去离子水洗涤至中性，干燥、在540℃空气气氛下焙烧5小时。所得产品记为样品S_7#。

测试例1

通过氮气物理吸附对商业SSZ-13、SSZ-39分子筛原粉粉末、实施例1、6和7，对比例1、2、3和4进行材料织构结构测量，结果如表1中所示。由表1的数据可以得出，与SSZ-13、SSZ-39原粉相比，由于传统成型方法引入了粘结剂，堵塞孔道，导致对比例1、对比例2和对比例4制备得到的样品微孔比表明显下降，产生由于粘结剂堆积而产生的介孔；而对比例3是传统成型后碱处理能够克服一定成型带来的负面作用，但是效果甚微。而本发明实施例1、6和7制备的样品不仅克服了成型带来的孔道堵塞的负面影响，甚至由于两次热碱溶液进行成型分子筛材料中粘结剂的转晶再键合过程，而使得成型分子筛的孔道畅通性甚至超过原粉，这将有利于气体分子的扩散，提高吸附剂的吸附能力。并且处理后的成型材料的强度不仅没有降低，甚至高于传统成型材料。

表1不同样品的织构结构

测试例2

从SEM电镜照片中可以看出，传统成型分子筛C_1外表面覆盖了大量无定型物质—粘结剂，而且这些粘结剂只是以物理的方式联结分子筛晶体。而本发明制备的样品S_1，表面已看不到粘结剂的存在，说明由于两次热碱溶液的处理，成型分子筛材料中粘结剂的转晶再键合与分子筛晶体表面的羟基缩合成晶体整体，不仅消除了表面覆盖的无定型物质疏通了孔道，更增强了材料的强度。

应用例1

粗品笑气中包含C2(乙烯、乙炔)和C3(丙烯)不饱和烃，吸附不饱和烃，制备合格的电子级笑气。

评价条件：吸附柱尺寸57*310mm不锈钢柱，装填吸附剂500g，气体流速1.2m

表2不同样品吸附粗品笑气中不饱和烃的测试结果