混合硅源制备钛硅分子筛TS-1及其对噻吩的脱除研究
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维普资讯 http://www.cqvip.com 亿 与生物=j:程2007。VoJ.24 No.4 Chemistry&Bioengineering 圈 混合硅源制备钛硅分子筛TS一1及其对噻吩的脱除研究 张黎黎 。汤志刚 ,周玉新。 (1.清华大学化学工程系,北京100084;2.武汉工程大学化工与制药学院,湖北武汉430073) 摘 要:以工业级硅溶胶与正硅酸乙酯(TE0S)的混合物为硅源,通过一次原位水热晶化成功制备出钛硅分子筛 T 1,并研究了T l/H202体系对噻吩的脱除效果与再生情况。结果表明,当TEOS占硅源总量的25 时,所得T 1 分子筛样品的晶化率达到100 ,晶体粒径约为4~6 m。该样品与H202组成的催化体系在基相浓度为0.03 tool・ L_。、催化剂浓度为5 g・L_。、H202与基相摩尔比为4:1的条件下,6O℃恒温反应6 h,对噻吩的脱除率达到93,3 ,明 显优于由单一硅源制备的T 1样品。经过两次简单加热再生后,该样品对噻吩的6 h脱除率仍可达到75 。 关键词:钛硅分子筛;硅源j水热合成;噻吩;再生 中图分类号:0 643 TQ 426 文献标识码:A 文章编号:1672—5425(2007)04--0029—04 钛硅沸石分子筛TS-I是一种具有MFI结构的中 孔含钛杂原子分子筛,1983年由Taramasso等Ll 首次 报道。与传统的氧化体系相比,TS-I沸石分子筛与过 将按一定比例充分混合的硅溶胶与低纯度 TE0S、TB0T、TPABr以及去离子水按照7l(SiO2): 7l(Ti02) 7l(TPABr)。 (H2O)一1:(0.005--0.03) 氧化氢水溶液组成的催化反应体系具有反应条件温 和、目标产物选择性高、反应活性好、环境友好等优点, 在烯烃环氧化、苯酚羟基化、环己酮胺氧化等诸多领域 均表现出杰出的催化氧化特性。 :(0.08~0.25):(30~150)的摩尔配比和一定次序 加入到反应器中,强力搅拌下制得清澈的T 1溶胶 液。再将所得溶胶液移至200 mL晶化釜中160~ 180℃下晶化2~5 d,过滤洗涤晶体,置于马弗炉中 550℃焙烧6 h。所得TS-I沸石分子筛粉末样品经 XRD D8 Advance型多晶x_射线衍射仪(BRUKER) 及SEM KYKY2000型扫描电子显微镜(中国科学院 科学仪器厂)进行定性定量分析。 在溶胶液的制备过程中,由于TBOT极易水解 近20年来,国内外科研工作者对TS-1分子筛的 合成和应用进行了不懈研究,取得了显著进展,不同的 硅源、钛源、模板剂被引入到TS-I的合成中L2叫引。 作者首次以工业级硅溶胶与低纯度正硅酸乙酯 (TE0S)的混合物作为硅源,采用水热晶化法成功合 成了钛硅沸石分子筛T 1,考察了不同硅源所得T 1分子筛样品对噻吩的脱除效果,并研究了该过程的 影响因素以及分子筛的再生情况。 生成无任何催化活性的稳定的Ti0 相,因此抑制 TiO 相的生成十分重要。为了缓和TB0T的水解速 率,多数研究者采用Tangar ̄等L1 提出的将TBOT 1 实验 1.1药品 溶于异丙醇中再添加到混合溶液中的方法。实验中 发现,只要TBOT的添加速度得当,不加入醇类,仍 然能够得到澄清的溶胶液。在一定程度上简化了合 成过程。 工业级硅溶胶(含Si()2 30 );正硅酸乙酯 (28 ),分析纯,北京化工厂;钛酸四丁酯(TBOT),化 l-3 1/H2 02体系对噻吩的选择性氧化 学纯,北京益利精细化学品有限公司;四丙基溴化铵 (TPABr),分析纯,天津光复精细化工研究所;正丁 胺,分析纯,北京化学试剂公司;噻盼,99 ,ACROS 0RAGNICS ̄正辛烷,化学纯,中国医药集团上海化学 试剂公司;3O 过氧化氢水溶液,分析纯,北京世纪红 星化工有限责任公司。 1.2 TS-!沸石分子筛的制备 收稿日期:2006一ll一27 将0.1 mL噻吩溶于20 mL正辛烷中模拟轻油 品,将其与溶剂水、TS-1沸石分子筛粉末、30 过氧化 氢水溶液按一定次序加入到置于恒温水浴中并带有冷 凝器和磁力搅拌的三口烧瓶中,强力搅拌下反应6 h。 反应后,室温静置20 rain,离心分离出催化剂,所得油 相经GC一9A型气相色谱(日本岛津)分析残余的噻盼 含量。 . 作者简介:张黎黎(1981一),女,安徽阜阳人,硕士研究生,研究方向:催化赉】的制备及催化脱硫。 维普资讯 http://www.cqvip.com 囫 张黎黎等:混合硅源制备钛硅分子筛TS-1及其对噻吩的脱除研究/2007年一4啊 表1 Tab.1 噻吩的脱除率(z)通过下式进行计算: CO--一——不同硅源制备的TS-1样品 TS-1 samples made by different silicon sources Ct×100% C0 样品 Si-Sol/TEOS晶化时问/h 晶化率/ 晶体粒径/ m 式中,C。为样品中的初始噻吩含量;C 为反应t时 间后样品中的噻吩含量。 2结果与分析 2.1 TS-1分子筛样品的xRD分析 分别对以硅溶胶、TEOS以及混合硅源制备得到 的TS-1分子筛样品进行XRD分析。结果发现,三种 类型样品的XRD谱图十分相似,所有样品在20— 8.0。、8.90 23.2。、23.8。、24.5。均出现表征TS 1拓扑 由表1可以看出,同样的晶化时间(48 h)内,由混 合硅源制备的TS一1样品完全晶化;以硅溶胶为单一 硅源的样品也有较好的晶化率(>90 );而采用 TEOS为单一硅源所得样品的晶化率却不足50 。 结构的特征吸收峰,并且在24,3。和29.3。呈现单衍 射峰,说明钛原子进入了分子筛骨架;以混合硅源制 备的样品在25.4。未发现有明显的衍射峰,说明没有 其它杂晶相的生成__1。 ;当硅源中TEOS的含量不超 这可能是因为当硅源中TEOS的含量较高时(> 25 ),试剂中所含的杂质严重影响了溶胶液的成胶和 过25 时,TEOS的含量越高,所得样品在23。~25。 的三重衍射峰的强度越大,说明样品的结晶度越高。 O ∞ : : : : ∞ 晶化过程,导致不能有效形成TS 1分子筛晶体。 2.2 TS-1分子筛样品的SEM分析【图1) a.TEOS,48 h Ⅻ 8 6 5 4 b.Si・Sol,48 h Ⅻ d.Si・S01frEOS=8:1.48h 一 4 q q 9 O 7 6 5 6 e.Si・SoLrrE0s=5:1,48 h f.Si・Sol/TEOS=3:1,48 h g.Si・SoFTEOS=3:1,72 h h.Si・SolfFEOS=3:I,72 h 图1不同硅源制备的TS-1分子筛样品的SEM照片 Fig.1 SEM photographs of TS-1 samples made by different silicon SOUrCes 由图1可以看出,所有样品均呈六角棺形,以 两种硅源之间的相互交连程度加大,混合前驱液在极 短的时间内形成凝胶,不能进一步晶化为Ts_1分子 筛晶体。 TEOS为单一硅源时(图la),所得样品中存在大量无 定形小颗粒物质,TS 1晶体含量较低;以硅溶胶作为 单一硅源时(图1b、c),样品晶化率较TEOS有大幅提 高,但晶体表面仍有少量无定形颗粒状物质存在;而以 混合硅源制备的样品中则没有该类物质存在。此外, 混合硅源中TEOS的比率越大,所得样品粒径越小 (图ld、e、f),并且明显小于由单一硅源制备的样品粒 径(图1a、.b),但当硅源中TEOS的比例超过25 时, 采用硅溶胶为硅源、晶化时间由48 h延长至76 h 时(图1b、c),Ts_1样品的粒径由7~10/Lm增至18~ 20/Lm,但晶粒之间没有发生交连;而采用混合硅源、 晶化时间由48 h延长至72 h时,晶粒仍保持4~6 /tm,相互之间发生交连,部分形成笼形结构(图lg)、 部分形成簇状结构(图1h)。这可能是因为混合硅源 维普资讯 http://www.cqvip.com 张黎黎等:混合硅源制备钛硅分子筛TS-1及其对噻吩的脱除研究/2oo7年■4 将畿罄留玺 ∞ 如 ∞ ∞ ∞ 中的TEOS能够提高溶胶制备过程中硅活性单体 Si(OH) 的浓度 ¨],而高浓度的Si(OH) 单体可以促 进TS-1晶核的形成,加快晶化速率,从而得到小粒径 的分子筛晶体[】 。 2.了TS-1/H2O5体系对噻吩的脱除 2.3.1温度的影响(图2) 反厦时间/h 硅源为Si—SollfBa 一0.3 tool・L一 ;CTS-1—5 g・L一 ;n(H202):n (Base)一3:1 溶剂为水 图2反应温度对噻吩脱除率的影响 隐2 Effect of reaction temperature on removal rate of thiophene 由图2可以看出,在相同的反应时间内,随着温度 的升高,噻吩的脱除率逐渐增加。2O℃反应6 h时,噻 吩的脱除率为31.9 ,仅比无过氧化氢存在的条件下 提高2 。而温度升至6O℃时,噻盼的脱除率显著增 加,达到53.5 。该现象说明,TS-1/H。0。体系对噻 吩的催化氧化过程存在能量壁垒。温度较低时,体系 的整体活化能较低,无法发生催化氧化反应,该阶段噻 吩的脱除主要源于TS-1沸石分子筛对噻吩的吸附作 用。这同时也解释了为何所有样品在反应初始阶段噻 吩的脱除率相差不大。温度升高后,体系的整体反应 活化能升高,突破能量壁垒的限制,一方面,分子运动 加剧,噻吩与催化剂颗粒表面的接触几率提高,使其更 容易被吸附到分子筛的孔道内;另一方面,过氧离子的 活性提高,过氧化氢的利用率提高,此时TS-1分子筛 与过氧化氢共同作用,通过催化氧化反应脱除噻吩。 2.3.2 H。0。添加量的影响(图3) 由图3可见,过氧化氢添加量越大,相同反应时间 内噻吩的脱除率越高。尤其当过氧化氢与基相的比例 由3提高至4时,6 h内噻吩的脱除率有明显增长,由 53 提高到64 。但当过氧化氢与基相摩尔比由4 提高至5时,噻吩脱除率的增长幅度较小。原因可能 是催化剂TS一1的活性中心Ti叶在催化剂中的含量有 限,当过氧化氢的添加量达到一定值时,Ti 的利用率 达到极限,再增加过氧化氢的含量不能继续促进噻吩 的催化氧化。因此,从节约成本的角度来看,当H。0。 与基相的比例为4时,H。0。的有效利用率最高,整个 O 体系对噻吩的脱除效果较好。 硅源为Si—Sol; 一0.3 tool・L一 ;CTS ̄I一5 g・L一 反应温度为 6O℃;溶剂为水;图中比例为 (H202): (Basel 图3过氧化氢添加■对噻吩脱除率的影响 Fig.3 Effect of H2O5 amount on removal rate of thiophene 2.3.3硅源的影响(图4) 得篮鼙留喜剥 ∞ ∞ ∞ ∞ O 反应温度 6O℃; 一0.3 tool・L一 l CTS-1—5 g・L一 ; (H202) : (Base)=4:1;溶剂为水 图4不同硅源制备的TS-1对噻吩脱除率的影响 Fig.4 Effect of TS-1 made by different silicon SOUFCe OUt removal rate of thiophene 由图4可以看出,在过氧化氢用量一定的情况下, 采用混合硅源制备的TS-1沸石分子筛粉末样品的催 化活性普遍高于由单一硅源制备得到的TS-1分子筛 粉末样品。并且,混合硅源中TEOS的含量越高,其 催化活性越好。尤其当TEOS占全部硅源的25 时, 所得TS-1沸石分子筛样品与过氧化氢组成的催化体 系对噻吩的脱除率高达93.3 。这是因为由混合硅 源制备的TS-1较小,而小粒径分子筛通常拥有较大 的比表面积和较高的催化活性。 2.4 TS-1分子筛的再生性能 通过离心将反应后的催化剂固相分离出来,200℃ 恒温干燥12 h除去表面的水分和油相,再置于马弗炉 中500℃恒温焙烧4 h,除去TS-1分子筛孔道及表面 上的噻吩转化物,冷却后即进行再生性能测试,结果见 图5 由图5可以看出,加热再生活化后的TS-1沸石分 子筛的催化性能稍有降低。一次再生后TS-1样品对 维普资讯 http://www.cqvip.com 田 Df,诗篮霉窖稼 张黎黎等:混合硅源制备钛硅分子筛TS-1及其对噻吩的脱除研究/2007年一4期 反应温度为6O℃;Si—Sol/TEOS=3:1;CBa 一0.3 mol・L一 ;CTS-1 —5 g・L~ ; (f-]zOz):n(Base)=4:1;溶剂为水 图5再生前后的TS-1对噻吩脱除率的对比 Fig.5 Comparison of removal rate of thiophene of TS-1 before and after regeneration 噻吩的6 h脱除率为8O.5 ,比再生前降低12 ;而二 次再生后T 1样品对噻吩的6 h脱除率又比一次再生 低5 。这可能是因为再生过程中,T 1分子筛的部 分骨架结构遭到破坏,致使活性降低。 但从整体上来说,经过加热简单再生后的Ts_1 催化剂仍然保留了其大部分的催化活性,二次再生后 对噻吩的脱除率仍然达到了75 。由于TS-1沸石 分子筛的制备成本较高,这种简单再生法在一定程 度上降低了该工艺的操作成本,为实现工业化奠定 了基础。 3 结论 (1)以工业级硅溶胶与28 的TEOS按一定比例 混合后作为硅源,按照SiO2:TiO2:TPABr:H2O 一1:(0.01~0.02):(0.10~0.20):35的摩尔配 比,175℃原位水热晶化48 h制备出的TS-1沸石分子 筛样品,粒径约为4~6 m,明显小于单一硅源合成的 样品。但当硅源中TEOS的比例超过25 时,TEOS 试剂中的杂质影响较大,所得晶体的晶化率较低。 (2)在TS-1晶体制备过程中,由单一硅源制备的 TS-1晶体随晶化时间的延长,单个晶体体积明显增 大;而由混合硅源制备的TS-1晶体在延长晶化时间 后,晶体平均粒径保持不变,但各晶体颗粒之间发生交 连,部分形成笼状结构,部分成为簇晶。 (3)由混合硅源制备的TS-1钛硅分子筛对噻吩 的脱除率要高于以硅溶胶制备的TS-1样品。TEoS 占硅源总量的25 时,制备的TS-1样品粒径最小,对 噻吩的催化性能最好。 (4)升高温度以及增加过氧化氢的添加量均有利 于提高T 1/Hz0 体系对噻吩的脱除率。 (5)由混合硅源制备的TS-1对噻吩的最佳脱除 条件为:基相浓度O.3 mol・L_。,催化剂浓度5 g・ L_。,H o 与基相的摩尔比4:1,反应温度6O℃。在 该条件下反应6 h,噻吩的脱除率可以达到93.3 。 (6)TS-1沸石分子筛经过简单加热再生后,催化 活性有所降低。一次再生后的催化活性降低12 ,二 次再生后再降低5 ,但二次再生后的样品对噻吩的 6 h脱除率仍可达到75 9/5。 参考文献: -11]Taramasso M,Perego G,Notary B.Preparation of porous crys— talline synthetic material comprised of silicon and titanium oxides fP].USP 4 410 501。1983—10—18. 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Keywords:ionic liquid;synthesis;acidity;esterification;catalytic performance (上接第32页) Synthesis of TS一1 Molecular Sieves Using Mixed Silicon Sources and Their Catalytic Performance for Removing Thiophene ZHANG Li-li .TANG Zhi-gang ,ZHOU Yu-xin (1.Department of Chemical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China; 2.School of Chemical Engineering and Pharmacy,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430073,China) Abstract:Titanium silicalite(TS-1)molecular sieves had been successfully prepared via hydrothermal syn— thesis using the mixture of commertial silica sol and low-purity tetraethyl orthosilicate(TEOS)as silicon source.Also, the catalytic performance of TS-1/H202 system towards thiophene had been studied.The re— search suggested that samples made by mixed silicon sources containing 25 .o4 TEOS were apparently superior to those made by single silicon source.Their crystallinity reached 100 and the average crystal size was about 4~ 6/tm.Besides,these samples manifested much higher catalytic activity on the efficiency of removing thiophene. The removing rate of thiophene reached 93.3 under the following conditions:base concertration=0.03 mol。 L一,catalyst concentration=5 g・L_。,H2O2/base=4:1(molar ratio),reaction temperature:60 ̄C,reaction time=6 h。solvent=water.Moreover,the removing rate of thiophene could still achieve 75 A usi0ng samples simply regenerated twice by calcining at high temperature. Keywords:titanium silicalite molecular sieves;silicon source;hydrothermal;thiophene;regenerate
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