SSZ-13沸石分子筛的合成及应用
2016-08-15王亚松
袁 龙,王亚松,王 闯
(正大能源材料(大连)有限公司,辽宁 大连 116000)
SSZ-13沸石分子筛的合成及应用
袁 龙,王亚松,王 闯
(正大能源材料(大连)有限公司,辽宁 大连 116000)
综述了水热法、转晶法、固相研磨法等SSZ-13沸石分子筛的合成方法,介绍了SSZ-13沸石分子筛引入金属杂原子、调变孔尺寸等改性方法。指出开发价格低廉、性能优越的模板剂或不使用有机模板剂的高效合成路线,是实现工业化生产的发展方向。概述了SSZ-13沸石分子筛在甲醇制烯烃、选择性催化还原和气体吸附/分离等应用的研究进展。在催化反应中的积碳和高温失活等问题亟待解决,气体吸附/分离性能还有提高的空间。
SSZ-13沸石分子筛;合成;甲醇制烯烃;选择性催化还原;气体吸附;催化剂
甲醇制烯烃(MTO)技术是缓解石油资源紧缺、保障国家能源安全的重要技术路线[1]。而该技术的关键则是分子筛催化剂[2]的研发与应用。SAPO-34分子筛是一种具有CHA型拓扑结构的硅铝磷酸盐,具有八元环窗口(尺寸为0.38 nm×0.38 nm)和三维交叉孔道结构,在孔道交叉处形成一个尺寸为1.27 nm×0.94 nm的cha笼[3]。中国科学院大连化学物理研究所的Liang等[4]首次将SAPO-34分子筛应用于MTO反应中,发现其具有优异的低碳烯烃选择性能;此后与正大能源材料(大连)有限公司合作,对该分子筛催化剂进行工业化放大生产。
微孔硅铝分子筛SSZ-13也具有CHA型拓扑结构[5],最初是由美国雪弗龙公司[6]于20世纪80年代采用水热法合成的。该分子筛由[AlO4]和[SiO4]四面体共用顶点氧原子首尾相接而成,具有离子交换性能和可调的酸性,可用作催化裂化、烷烃异构化及烯烃聚合等反应的催化剂。发展至今,多种合成该分子筛的方法[7-10]被报道。而该分子筛的应用主要集中于甲醇制取低碳烯烃,氮氧化物的选择性催化还原(SCR),及气体吸附分离等领域[11-17]。
本文对SSZ-13沸石分子筛的合成及应用进展进行了综述。SSZ-13沸石分子筛的合成通常需要使用价格昂贵的模板剂(如N,N,N-三甲基金刚烷铵阳离子(TMADa+)),这就阻碍了此分子筛工业化生产的进程,所以亟需开发不使用模板剂或使用价格低廉的有机模板剂的合成方法。
1 SSZ-13沸石分子筛的合成
自20世纪40年代,Barrer等[18]在水热条件下成功合成出低硅铝比沸石分子筛,水热法逐渐发展成为合成分子筛的主要方法。随之,研究者又开发出多种其他合成方法[19-22],如溶剂热法、转晶法、干胶法、离子热法、固相研磨法等。
1.1 水热法合成
水热法是开发最早、应用最为广泛的一种分子筛合成方法[4,18]。
Zone等[7-8]以硅酸钠或硅溶胶等为硅源、铝酸钠或异丙醇铝等为铝源,以TMADa+为模板剂[23],水热合成出纯相的SSZ-13沸石分子筛。在此合成过程中,通过改变n(OH-):n(SiO2),调节产物中的n(SiO2):n(Al2O3)。当n(OH-):n(SiO2)低于0.95时,可得到n(SiO2):n(Al2O3)大于20的产物。但此方法需要经过较长的晶化时间(大于5 d),才可得到纯相高结晶度的SSZ-13沸石分子筛。Liu等[24]开发了一种快速合成SSZ-13沸石分子筛的方法。以三甲基金刚烷氢氧化铵(TMAdaOH)为模板剂,以预先合成的SSZ-13沸石分子筛为晶种,合成凝胶在85 ℃下老化一段时间后,于210 ℃下晶化10 min或160 ℃晶化8 h,即可制得高结晶度、n(SiO2):n(Al2O3)大于20的分子筛产物,其产率可达100%。与未添加晶种的合成方法相比,该方法的合成效率大幅度提升。此外,向SiO2-Al2O3-Na2O-TMADa+-H2O水热合成体系中添加适量的氢氟酸,能够制备出n(SiO2):n(Al2O3)= 100、尺寸在0.3~4.5 μm范围内可调的SSZ-13沸石分子筛[25]。
目前,TMADa+是合成SSZ-13沸石分子筛主要使用的模板剂。但是该模板剂合成步骤复杂,价格昂贵,使分子筛合成成本相应增高,因此,开发价格低廉的有机模板剂或者不使用有机模板剂来合成SSZ-13沸石分子筛具有重要的意义。美国雪佛龙公司[26-27]报道了以价格相对较低的三烷基苄基铵阳离子为模板剂水热合成SSZ-13沸石分子筛的方法。此后,Imai等[28]向无定形的硅铝溶胶中添加适量的晶种,合成了SSZ-13沸石分子筛。在此合成过程中为制备纯相的SSZ-13沸石分子筛,碱金属离子Na+和K+(或Cs+)必不可少,Na+促进凝胶中四元环的生成及次级结构单元的连接次序;K+促进了四元环的组装,从而提高CHA型分子筛的晶化速率。该方法避免了使用昂贵的金刚烷胺模板剂,晶种导向了CHA型分子筛产物的生成,所得产物的n(SiO2):n(Al2O3)小于6.1。北京化工大学[29]报道了仅使用SSZ-13晶种为模板剂,成功合成出高质量的SSZ-13沸石分子筛产物的方法。
1.2 转晶法合成
转晶法是以一种沸石分子筛为基础合成另外一种分子筛的方法[30],相对于水热法,转晶法的优势在于能够提高分子筛的晶化速率。
Zone等[7]首次报道了以P沸石为原料转晶合成SSZ-13沸石分子筛。在该合成过程中,产物的晶化速率及产物n(SiO2):n(Al2O3)随合成体系pH的增加而增加。随后,Zone等[8]又报道了以八面沸石为原料转晶合成n(SiO2):n(Al2O3)较高的SSZ-13沸石分子筛。Itakura等[9]以FAU型沸石为铝源、三烷基苄基铵阳离子为模板剂、添加适量晶种的条件下,合成了n(SiO2):n(Al2O3)为13.4~21.5的SSZ-13沸石分子筛。
转晶法合成SSZ-13沸石分子筛,仍需要一定量的TMADa+为模板剂。此外,文献报道中未见分子筛的晶化速率有所提高,可见转晶法在合成SSZ-13沸石分子筛时并未发挥出优势,但这些研究为SSZ-13沸石分子筛的合成提供了新的思路。
1.3 固相研磨法合成
Ren等[31]和Jin等[32]报道了固相研磨法合成ZSM-5和SAPO-34等硅铝分子筛及磷酸硅铝分子筛后,又在专利[10]中报道了SSZ-13沸石分子筛的固相研磨合成方法。以N,N-二甲基-N-乙基环己基溴化铵为模板剂,将其与适量的硅源、铝源、碱源混合,研磨至均匀后,倒入反应釜,于160~200 ℃晶化3~10 d后,得到结晶度高、形貌规整的SSZ-13沸石分子筛。
固相研磨法的合成优势在于设备简单、产率高、不需溶剂参与、成本低、环境污染少[33],是一种具有发展前途的分子筛合成方法。
1.4 M-SSZ-13沸石分子筛的合成
将金属杂原子M(铁、铜、铬、钒等)引入沸石分子筛骨架或孔道,能够调节分子筛表面酸性,且由于金属杂原子自身的催化特性,也有利于实现分子筛的多功能催化[34]。一般来说,将金属杂原子引入分子筛的方法主要有离子交换法(或浸渍法)及原位合成法。关于含金属杂原子的SSZ-13沸石分子筛(M-SSZ-13),目前报道较多的是Fe-SSZ-13和Cu-SSZ-13。
采用离子交换法制备的M-SSZ-13沸石分子筛,金属离子主要存在于分子筛的孔道中,需经更进一步的处理才可进入分子筛骨架内部。Shishkin等[35]将预先合成的SSZ-13沸石分子筛,添加到硫酸铁溶液中,90 ℃下搅拌2 h,制得Fe-SSZ-13沸石分子筛;添加到硝酸铜溶液中,80 ℃条件下搅拌1 h,制得Cu-SSZ-13沸石分子筛。表征结果显示,铁主要以金属氧化物的形式分布于分子筛孔道中,而铜则以金属离子的形式均匀分布于分子筛孔道中。Gao等[36]通过两步法制备了Fe-SSZ-13沸石分子筛。首先将Na-SSZ-13沸石分子筛经过铵交换,得到NH4+-SSZ-13沸石分子筛;再将此分子筛添加到硫酸铁溶液中,80 ℃下搅拌1 h,制得Fe-SSZ-13沸石分子筛。穆斯堡尔谱和红外光谱的表征结果显示,所得Fe-SS-13分子筛中Fe主要为骨架外物种,以单体[Fe(OH)2]+和二聚体[HO—Fe—O—Fe—OH]2+的形式存在。经脱水处理后,Fe物种转变为[FeO]+和[—O—Fe—O—Fe—O—]2+,再进一步脱水,分子筛大量脱铝,Fe进入分子筛骨架,以FeAlOx和FeOx的形式存在,但此时仍存在大量的骨架外Fe物种。
Ren等[37]使用铜氨络合物(Cu-TEPA)为模板剂及铜物种来源,一步法原位合成了Cu-SSZ-13沸石分子筛。Cu-TEPA络合物的构型和尺寸与SSZ-13沸石分子筛结构中的cha笼相匹配,因而可导向该分子筛结构。该方法对合成条件要求较为苛刻,碱度过高时,易出现P型分子筛杂相,碱度过低时,则会出现大量的无定形产物;晶化温度较低时(低于100 ℃),产物结构主要为FAU型分子筛,晶化温度较高时(高于180 ℃),产物中混有P型分子筛;当反应温度为140 ℃时,晶化3~6 d,可得到高纯度Cu-SSZ-13沸石分子筛。由该方法制得的产物的n(SiO2):n(Al2O3)在8~15范围内可调,铜含量较高,且分散均匀。该方法为SSZ-13沸石分子筛的合成提供了新路线,例如,使用较便宜的模板剂,先合成Cu-SSZ-13沸石分子筛,再经离子交换,制备出纯相的SSZ-13沸石分子筛,这就避免了使用价格昂贵的有机模板剂。
1.5 多级孔SSZ-13沸石分子筛的合成
多级孔分子筛因其良好的扩散性能和可调的酸性在多种催化反应中备受青睐[38]。Wu等[11]以TMAdaOH为CHA拓扑结构的导向剂、以双季铵盐或有机硅烷为介孔造孔剂,合成了微孔-介孔多级孔的SSZ-13沸石分子筛。该分子筛具有较高的结晶度,其酸性与相同硅铝比微孔分子筛相比,大量的酸性位主要分布于分子筛的外表面。通过调节凝胶中介孔造孔剂与模板剂的摩尔比可改变产物中的介孔比表面积和孔体积。Zhu等[39]以N-甲基吡啶为介孔造孔剂合成了多级孔SSZ-13沸石分子筛,该产物在MTO反应中表现出良好的催化活性。
2 SSZ-13沸石分子筛的应用
2.1 在MTO反应中的应用
大连化学物理研究所与正大能源材料(大连)有限公司合作发展的SAPO-34分子筛为催化剂在甲醇制取低碳烯烃的工业化装置上,实现了低碳烯烃(乙烯+丙烯+丁烯)选择性达90%以上的结果[40]。随着MTO技术的发展,同样具有CHA拓扑结构的SSZ-13沸石分子筛在MTO反应中的应用也逐渐引起了人们的重视。
Zhu等[41]对比研究了SSZ-13(CHA结构)和H-UTM-1(MTF结构)沸石分子筛在MTO反应中的催化性能。在400 ℃下,以SSZ-13沸石分子筛为催化剂时,产物主要为低碳烯烃(乙烯和丙烯);以H-UTM-1分子筛为催化剂时,产物主要为二甲醚。虽然两种分子筛结构均为八元环孔道,但是SSZ-13沸石分子筛为CHA结构,该结构中有一个尺寸为1.27 nm×0.94 nm的笼,H-UTM-1分子筛为MTF结构,此结构的孔道为一维八元环直孔道,其尺寸约为0.36 nm×0.39 nm。作为甲醇转化的中间过渡态活性物质——多甲基苯分子的动力学直径范围为0.62~0.72 nm。在SSZ-13沸石分子筛催化作用下,能够生成低碳烯烃所需要的中间过渡态,所以SSZ-13表现出了良好的低碳烯烃选择性。而以H-UTM-1分子筛为催化剂时,较小的孔道尺寸限制了所需活性物质的生成,从而抑制了甲醇向烯烃的转化。李鹏等[42]研究发现,孔口尺寸相近而超笼尺寸不同的SSZ-13和RUB-50(LEV结构,超笼尺寸0.63 nm×0.73 nm)沸石分子筛上MTO反应性能明显不同。超笼尺寸较大的SSZ-13沸石分子筛的稳定性优于超笼尺寸较小的RUB-50分子筛催化剂,前者生成的丙烯较多,后者生成的乙烯较多。分子筛超笼的大小决定了碳物种的尺寸,超笼尺寸较小的分子筛上可能生成较多的乙烯。由此可见,小孔沸石分子筛中笼的尺寸决定了MTO反应中乙烯和丙烯选择性。
SSZ-13沸石分子筛中的n(SiO2):n(Al2O3)能够影响MTO催化性能,且反应温度不同时,分子筛催化及失活机理也不相同。Borodina等[12]研究结果表明,分子筛中n(SiO2):n(Al2O3)越高,其MTO催化性能越稳定。反应温度为300~320 ℃时,中间过渡活性物种为甲基苯碳正离子,然而该温度下导致分子筛失活的物种为甲基萘碳正离子;而反应温度为450~500 ℃时,活性物种为甲基萘碳正离子,导致分子筛失活的物种为在催化剂外表面上的芳烃芘和菲。
MTO反应中,催化剂的选择性和寿命主要取决于分子筛的结构及酸性。Bleken等[13]研究了H-SSZ-13和H-SAPO-34分子筛在MTO反应中的催化性能。表征结果显示,所用的两种分子筛具有相同的酸密度、形貌及晶粒尺寸。实验结果表明,在较低的反应温度下,二者的催化选择性及寿命别无二致;但在较高的反应温度下,H-SSZ-13分子筛易于失活,这可能是由于H-SSZ-13分子筛的酸性较强,活性位点过于活泼,造成孔道内快速积碳、堵塞,使分子筛失活。Qian等[43]的研究结果也表明SSZ-13沸石分子筛的酸性较强,导致其易于失活。
多级孔分子筛具有良好的扩散性能,在催化反应中有着较高的催化活性。Wu等[11]考察了微孔-介孔多级孔SSZ-13沸石分子筛在MTO反应中的催化性能。多级孔分子筛催化剂与微孔催化剂具有相似的选择性,但是其寿命远高于后者。二者具有相似的B酸性位,这就保证了多级孔催化剂的甲醇转化率。研究结果表明,微孔分子筛失活时,其内部还有大量的微孔活性位并未被充分利用;而在多级孔分子筛催化剂中,介孔的存在有利于反应物及产物分子的扩散,使微孔孔道内部的活性位得到了更加有效的利用,所以延长了此催化剂的寿命。Zhu等[39]也考察了多级孔SSZ-13沸石分子筛在MTO反应中的催化活性,得到了与之相似的结论。然而,多级孔分子筛中并不是介孔含量越多催化性能越好。介孔在加速分子扩散的同时,也加快了催化剂孔道内部的积碳,只有当介孔造孔剂与SDA的比例在一定范围内时,才能制备出具有合适介孔孔体积的、寿命较长的多级孔分子筛催化剂。
2.2 在NOxSCR反应中的应用
Kwak等[44]研究了Cu-SSZ-13分子筛在NH3-SCR反应中的催化活性及选择性,并与Cu-ZSM-5分子筛和Cu-β分子筛的催化活性进行了对比。反应温度为250 ℃时,Cu-SSZ-13分子筛和Cu-ZSM-5分子筛催化剂上NOx的转化率均在95%以上,Cu-β分子筛催化剂上的转化率为90%;反应温度为500 ℃时,Cu-SSZ-13分子筛上NOx的转化率保持在90%,而Cu-ZSM-5分子筛和Cu-β分子筛催化剂上的转化率降到80%以下;反应温度升至550 ℃时,Cu-SSZ-13分子筛上的NOx转化率降为83%,Cu-β分子筛和Cu-ZSM-5分子筛催化剂上的转化率降到65%以下。在200~550 ℃反应温度范围内,Cu-SSZ-13分子筛催化剂上产生的副产物NO2和N2O的量最低。可见,与Cu-β分子筛和Cu-ZSM-5分子筛相比,Cu-SSZ-13分子筛具有更高的N2选择性及NH3-SCR催化活性。这可能是由分子筛孔道结构及Cu2+的存在状态决定的。将上述催化剂在10%(φ)水蒸气气氛中,800 ℃下处理16 h,采用XRD、27Al NMR和H2-TPR等方法进行表征,表征结果显示,经水热处理后的Cu-β分子筛和Cu-ZSM-5分子筛结晶度大幅度下降,发生了明显的脱铝现象,Cu2+物种被还原为Cu+和Cu0物种;水热处理后的Cu-SSZ-13分子筛结晶度和AlO4-物种几乎保持不变,只有极少量的Cu2+物种被还原为Cu+物种。该课题组还考察了不同铜负载量的Cu-SSZ-13分子筛的NH3-SCR催化性能[45]。结果表明,当铜负载量为40%~60%时,Cu-SSZ-13分子筛具有最好的催化活性。
Ren[37,46]等和Xie等[15]以Cu-TEPA为模板剂和铜源,原位合成了Cu-SSZ-13分子筛,并考察了此分子筛在NH3-SCR反应中的催化性能。原位法制备的分子筛中,铜含量较高,且分散均匀。铜离子分别位于分子筛的六元环窗口(Ⅰ)、双六元环中心(Ⅱ)、八元环窗口(Ⅲ)及cha笼中心(Ⅳ)。其中,(CuⅠ2++CuⅣ2+)/CuⅢ2+的摩尔比决定了产物在NH3-SCR反应中的催化活性。Deka等[47]研究了分别用离子交换法和气相沉积法制备的Cu-SSZ-13分子筛在NH3-SCR反应中的催化性能,并比较了二者的性能。实验结果表明,此两种方法制备的分子筛中Cu2+含量相同,但是存在方式稍有不同。离子交换法制备的分子筛中,铜主要以Cu2+形式孤立在于六元环中心,此分子筛具有较高的催化活性;气相沉积法制备的分子筛中,铜以Cu2+和[CuAlO2]两种形式存在,该分子筛催化剂的活性低于前者。可见,孤立存在于分子筛六元环中的Cu2+是影响分子筛催化活性和选择性的主要原因。大量的实验研究[48-50]证明了上述结论。
2.3 在气体吸附/分离中的应用
Hudson等[16]研究了H-SSZ-13分子筛对CO2/ N2(分子动力学直径均小于此分子筛孔道窗口尺寸)的吸附/分离性能。H-SSZ-13分子筛对CO2/N2的分离系数可达70以上,这主要是由于两种气体分子与分子筛骨架的相互作用不同所致。CO2分子的偶极矩(13.4×10-40C·m2)大于N2分子的偶极矩(4.7×10-40C·m2),可见CO2分子与骨架间的相互作用较强,所以H-SSZ-13分子筛对CO2的吸附能力强于N2。Pham等[51]研究了经离子交换法制备的Li-,Na-,K-SSZ-13分子筛对CO2和N2的吸附性能。3种分子筛对CO2的吸附量明显高于对N2的吸附量,其中,Li-SSZ-13分子筛对CO2的吸附量最大。在3种碱金属离子中,Li+的电场最强,引入到分子筛后,增强了分子筛的电场,进而增强了CO2与分子筛骨架的相互作用,所以Li-SSZ-13对CO2的吸附量最大。
Kalipcilar等[17]以不锈钢管为基底,制备了n(SiO2):n(Al2O3)=14的SSZ-13沸石分子筛膜,并测试了其对H2,CO2,CH4,n-C4H10气体的分离性能。在室温下,该分子筛膜对CO2/CH4,H2/ CH4,H2/n-C4H10组分的分离系数可达12,8.2,5.7,均超过努森分离系数(0.6,2.8,5.4)。Zheng等[52]还将此分子筛膜应用于C2H4/C2H6气体的分离,其分离系数为11,表明SSZ-13沸石分子筛膜对气体小分子具有良好的分离能力。
2.4 其他应用
Dai等[53]将SSZ-13沸石分子筛应用到乙烯制丙烯(ETP)反应中。该分子筛具有cha超笼及八元环孔道,对乙烯有着较强的吸附能力,在ETP反应中具有良好的催化活性。反应温度为400 ℃时,乙烯的转化率可达86%,丙烯的选择性可达57%。在ETP反应中,B酸性位是此反应的催化活性中心,酸密度越大,催化活性越高,但分子筛孔道更易于积碳和失活;适当降低B酸性位密度,可延长催化剂寿命。研究还发现ETP反应机理与MTO反应机理相似,均遵循烃池机理,萘基碳正离子为中间过渡活性物种。
李渊等[54]研究了SSZ-13沸石分子筛在乙醇脱水制乙烯反应中的催化性能,并与SAPO-34分子筛的进行了对比。实验结果表明,350 ℃时,SSZ-13沸石分子筛对乙醇脱水制乙烯反应有良好的催化活性。乙醇转化率可达100%,比以SAPO-34分子筛为催化剂时高20.8%;乙烯选择性可达99.1%,较SAPO-34分子筛为催化剂时高45.6%。此外,在乙醇脱水制乙烯反应中,反应温度为300 ℃、SSZ-13沸石分子筛为催化剂时,起始产物主要为丙烷,这与MTO低温反应时的产物类似。由此推断SSZ-13沸石分子筛催化乙醇制乙烯的反应机理除消去机理外,还可能存在与MTO反应相似的烃池机理。Wulfers等[55]还将Cu-SSZ-13分子筛应用于甲烷和水制甲醇的反应中,但其催化性能与Cu-ZSM-5和Cu-丝光沸石分子筛的相比,效果并不理想。
3 结语
SSZ-13沸石分子筛经历了30多年的发展,在基础研究和应用研究方面已经取得了一些进展,但是总体来说其发展还处于不成熟阶段。目前,SSZ-13沸石分子筛的合成主要依靠价格昂贵、合成复杂的TMADa+为模板剂,虽然也开发出几种价格相对较低的有机模板剂,但其合成仍存在合成周期长和引入不利于催化反应的碱金属离子等缺点。因此,亟需开发出价格低廉、性能优越的模板剂或不使用有机模板剂的高效合成路线,以实现工业化生产的目的。虽然SSZ-13沸石分子筛在MTO和SCR等催化反应及气体吸附/分离等方面表现出良好的性能,但在催化中存在的积碳、高温催化活性差等问题,而对该分子筛的改性尚不足以完全解决这些问题,需进行更为有效的改性以提高其自身性能,深入研究其催化机理,是SSZ-13沸石分子筛今后的发展方向。
[1]刘中民. 甲醇制烯烃[M]. 北京:科学出版社,2015:27 - 30.
[2]邢爱华,岳国,朱伟平,等. 甲醇制烯烃典型技术最新研究进展:Ⅰ.催化剂开发进展[J]. 现代化工,2010,30(9):18 - 24.
[3]徐如人,庞文琴,于吉红,等. 分子筛与多孔材料化学[M].北京:科学出版社,2004:34 - 46.
[4]Liang Juan,Li Huangyuan,Zhao Sujin,et al. Characteristics and performance of SAPO-34 catalyst for methanol-to-olefin conversion[J]. Appl Catal,1990,64(1/2):31 - 40.
[5]Baerlocher C,McCuske L B,Olson D H. Atlas of zeolite framework types[M]. Elsevier:Amsterdam,2007:96 - 97.
[6]Chevron Research Company. Zeolite SSZ-13 and its method ofpreparation:US4544538[P]. 1985-10-01.
[7]Zone S I. Direct hydrothermal conversion of cubic P zeolite to organozeolite SSZ-13[J]. J Chem Soc,Faraday Trans,1990,86(20):3467 - 3472.
[8]Zone S I. Conversion of faujasites to high-silica chabazite SSZ-13 in the presence ofN,N,N-trimethyl-L-adamantammonium iodide[J]. J Chem Soc,Faraday Trans,1991,87(22):3709 - 3716.
[9]Itakura M,GotoI,Takahashi A,et al. Synthesis of high-silica CHA type zeolite by interzeolite conversion of FAU type zeolite in the presence of seed crystals[J]. Microporous Mesoporous Mater,2011,144(1):91 - 96.
[10]浙江大学. 一种通过固相研磨合成SSZ-13分子筛的方法:104709917 A[P]. 2015-06-17.
[11]Wu Leilei,Degirmenci V,Magusin P,et al. Mesoporous SSZ-13 zeolite prepared by a dual-template method withimproved performance in the methanol-to-olefns reaction[J]. J Catal,2013,298(1):27 - 40.
[12]Borodina E,Meirer F,Lezcano-Gonzalez I,et al. Infuence of the reaction temperature on the nature of the active and deactivating species during methanol to olefns conversion over H-SSZ-13[J]. ACS Catal,2015,5(2):992 - 1003.
[13]Bleken F,Bjørgen M,Palumbo L,et al. The efect of acid strength on the conversion of methanolto olefins over acidic microporous catalysts with the CHA topology[J]. Top Catal,2009,52(3):218 - 228.
[14]Kwak J H,Tonkyn R G,Kim D H,et al. Excellent activity and selectivity of Cu-SSZ-13 in the selective catalytic reduction of NOxwith NH3[J]. J Catal,2010,275(2):187 - 190.
[15]Xie Lijuan,Liu Fudong,Ren Limin,et al. Excellent performance of one-pot synthesized Cu-SSZ-13 catalyst for the selective catalytic reductin of NOxwith NH3[J]. Environ Sci Technol,2014,48(1):566 - 572.
[16]Hudson M,Queen W,Mason J,et al. Unconventional,Highly selective CO2adsorption in zeolite SSZ-13[J]. J Am Chem Soc,2012,134(4):1970 - 1973.
[17]Kalipcilar H,Bowen T C,Noble R D,et al. Synthesis and separation performance of SSZ-13 zeolite membranes on tubular supports[J]. Chem Mater,2002,14(8):3458 - 3464.
[18]Barrer R M. Syntheses and reactions of mordenite[J]. J Chem Soc,1948:2158 - 2163.
[19]Bibby D M,Dale M P. Synthesis of silica-sodalite from non-aqueous systems[J]. Nature,1985,317:157 - 158.
[20]张瑞珍. 杂原子磷铝分子筛及应用[M]. 北京:化学工业出版社,2009:32 - 36.
[21]Xu Wenyang,Dong Jinxiang,Li Jinping,et al. A novel method for the preparation of zeolite ZSM-5[J]. J Chem Soc,Chem Commun,1990(10):755 - 756.
[22]Cooper E R,Andrews C D,Wheatley P S,et al. Ionic liquids and eutectic mixtures as solvent and template in synthesis of zeolite analogues[J]. Nature,2004,430:1012 - 1016.
[23]Zones S I,Hwang S J,Davis M E. Studies of the synthesis of SSZ-25 zeolite in a “mixed-template” system[J]. Chem Eur J,2001,7(9):1990 - 2001.
[24]Liu Zhendong,Nomura N,Nishioka D,et al. A top-down methodology for ultrafast tuning of nanosized zeolites[J]. Chem Commun,2015,51(63):12567 - 12570.
[25]Bohstrom Z,Arstad B,Lillerud K P. Preparation of high silica chabazite with controllable particle size[J]. Microporous Mesoporous Mater,2014,195:294 - 302.
[26]雪佛龙美国公司. 使用结构导向剂和N,N,N-三烷基苄基季铵阳离子制备分子筛:101528342 A[P]. 2009-09-09.
[27]雪佛龙美国公司. 分子筛SSZ-13的制备:101573293 A[P]. 2009-11-04.
[28]Imai H,Hayashida N,Yokoi T,et al. Direct crystallization of CHA-type zeolite from amorphous aluminosilicate gel by seed-assisted method in the absence of organic-structuredirecting agents[J]. Microporous Mesoporous Mater,2014,196:341 - 348.
[29]北京化工大学. 一种合成分子筛SSZ-13的方法:103601211 A[P]. 2014-02-26.
[30]Cundy C S,Cox P A. The hydrothermal synthesis of zeolites:Precursors,intermediates and reaction mechanism[J]. Microporous Mesoporous Mater,2005,82(1/2):1 - 78.
[31]Ren Limin,Wu Qinming,Yang Chengguang,et al. Solvent-free synthesis of zeolites from solid raw materials[J]. J Am Chem Soc,2012,134(37):15173 - 15176.
[32]Jin Yinying,Sun Qi,Qi Guodong,et al. Solvent-free synthesis of silicoaluminophosphate zeolites[J]. Angew Chem,Int Ed,2013,52(35):9172 - 9175.
[33]Meng Xiangju,Xiao Fengshou. Green routes for synthesis[J]. Chem Rev,2014,114(2):1521 - 1543.
[34]刘典明. 杂原子分子筛研究进展[J]. 科技创新导报,2010(15):9.
[35]Shishkin A,Kannisto H,Carlsson P,et al. Synthesis and functionalization of SSZ-13 as an NH3-SCR catalyst[J]. Catal Sci Technol,2014,4(11):3917 - 3926.
[36]Gao F,Kollar M,Kukkadapu R K,et al. Fe/SSZ-13 as an NH3-SCR catalyst:A reaction kinetic and FTIR/mossbauer spectroscopic study[J]. Appl Catal,B,2015,164:407 - 419.
[37]Ren Limin,Zhu Longfeng,Yang Chengguang,et al. Design copper-amine complex as an efcient template for one-pot synthesis of Cu-SSZ-13 zeolite with excellent activity for selective catalytic reduction of NOxby NH3[J]. Chem Commun,2011,47(35):9789 - 9791.
[38]Chen Lihua,Li Xiaoyun,Rooke J C,et al. Hierarchically structured zeolites:Synthesis,mass transport properties and applications[J]. J Mater Chem,2012,22(34):17381 -17403.
[39]Zhu Xiaochun,Rohling R,Filonenko G,et al. Synthesis of hierarchical zeolites using an inexpensive mono-quaternary ammonium surfactant as mesoporogen[J]. Chem Commun,2014,50(93):14658 - 14661.
[40]Tian Peng,Wei Yingxu,Ye Mao,et al. Methanol to olefns(MTO):From fundamentals to commercialization[J]. ACS Catal,2015,5(3):1922 - 1938.
[41]Zhu Qingjun,Kondo J,Tatsumi T,et al. A comparative study of methanol to olefn over CHA and MTF zeolites[J]. J Phys Chem C,2007,111(14):5409 - 5415.
[42]李鹏,张维萍,韩秀文,等. SSZ-13和RUB-50分子筛上甲醇制烯烃的对比研究[J]. 催化学报,2011,32(2):293 -298.
[43]Qian Qingyun,Ruiz-Martinez J,Mokhtar M,et al. Single-catalyst particle spectroscopy of alcohol-to-olefns conversions:Comparison between SAPO-34 and SSZ-13[J]. Catal Today,2014,226:14 - 24.
[44]Kwak J H,Tran D,Burton S D,et al. Efects of hydrothermal agingon NH3-SCR reaction over Cu/Zeolites[J]. J Catal,2012,287:203 - 209.
[45]Kwak J H,Tran D,Szanyi J,et al. The effect of copper loading on theselective catalytic reduction of nitric oxide by ammonia over Cu-SSZ-13[J]. Catal Let,2012,142(3):295 - 301.
[46]任利敏,张一波,曾尚景,等. 由新型铜胺络合物模板剂设计合成活性优异的Cu-SSZ-13分子筛[J]. 催化学报,2012,33(1):92 - 105.
[47]Deka U,Lezcano-Gonzalez I,Warrender S J,et al. Changing activesites in Cu-CHA catalysts:DeNOxselectivity as a function of thepreparation method[J]. Microporous Mesoporous Mater,2013,166:144 - 152.
[48]Borfecchia E,LomachenkoK A,Giordanino F,et al. Revisiting the nature of Cu sites in the activated Cu-SSZ-13 catalyst for SCR reaction[J]. Chem Sci,2015,6(1):548 - 563.
[49]Shwan S,Skoglundh M,Lundegaard L,et al. Solid-state ion-exchange of copper into zeolites facilitated byammonia at low temperature[J]. ACS Catal,2015,5(1):16 - 19.
[50]Gunter T,Carvalho H,Doronkin D,et al. Structural snapshots of the SCR reaction mechanism on Cu-SSZ-13[J]. Chem Commun,2015,51(44):9227 - 9230.
[51]Pham T D,Liu Q L,Lobo R F,et al. Carbon dioxide and nitrogen adsorption on cation-exchange SSZ-13 zeolites[J]. Langmuir,2013,29(2):832 - 839.
[52]Zheng Yihong,Hu Na,Wang Huamei,et al. Preparation of steam-stable high-silica CHA (SSZ-13) membranes for CO2/ CH4and C2H4/C2H6separation[J]. J Membr Sci,2015,475:303-310.
[53]Dai Weili,Sun Xiaoming,Tang Bo, et al.Verifying the mechanism of the ethene-to-propene conversion on zeolite H-SSZ-13[J]. J Catal,2014,314:10-20.
[54]李渊,李晓庆,王文婷,等. SSZ-13和SAPO-34对乙醇脱水制乙烯反应的对比研究[J]. 天津工业大学报,2014,33(5):48-52.
[55]Wulfers W J,Teketel S,Ipek B,et al. Conversion of methane to methanol on copper-containingsmall-pore zeolites and zeotypes[J]. Chem Commun,2015,51(21):4447-4450.
(编辑 杨天予)
通过3D打印制造复杂的有机硅部件
Chem Eng,May 1,2016
增材制造(AM),通常被归为3D打印领域,最近几年爆炸性增长。在AM中,不需要工具或模具就可塑造期望的部件;是以连续层积聚成工件。Wacke有机硅公司(德国Burghausen)创新有机硅副总裁Bernd Pachaly称:虽然过去25年来该技术已经发展演化,但所用的主要材料是光聚合物和热塑性塑料。截至目前,用于弹性体特别是有机硅的3D打印技术的仍在开发中。
因为有机硅独特的性能,如耐热性、柔韧性(在低温下也同样)、透明性及生物相容性等,在 2014年第二季度,Wacker公司与本地原型专家一起开始进行一项有机硅3D打印技术的开发项目,采取全面的方法来开发材料、硬件和软件。2016年,Wacker公司计划以商品名ACEO商业化其3D打印技术。目前公司已拥有能够由有机硅“打印”具有极为精确轮廓的复杂零件的第二代原型系统。该设备被用于进一步开发工艺和材料。第三代打印机已经在开发中。在Burghausen计划中有5套生产单元。该3D打印技术将在K展上推出。
Wacker公司正在申请专利的技术是基于有机硅“三维像素”(3D像素)的弹道给料。在使有机硅暴露于紫外光从而激活硫化前,有机硅的黏度以一种方式调整,可以使微滴流到一起。软件控制液滴尺寸并避免起泡。三维像素和有机硅层产生一种与注射成型有机硅区别不太大的均相材料。Pachaly称:但与注塑成型相比,这种3D打印部件是非常复杂的。
透明高耐热聚醚砜用于医疗行业
Plast Technol,April 2016
Solvay公司研发了一种新型医用牌号聚醚砜(PESU),在高温下能保持透明性和刚性并具有超越其他高耐热、透明聚合物的加工优势。由Solvay特种聚合物公司在加利福尼亚州Anaheim的美国西部医疗器械展览会(MD&M West)上推出。采用ISO 10993生物相容性标准进行Veradel HCA-301 PESU材料的细胞毒性、刺激性和急性全身毒性实验。
此外,它是首例用于医疗设备的PESU,提供的Master Access File(MAF)材料已在美国食品及药物管理局(FDA)备案。预计该材料不久将通过USP VI级测试,且可供医疗应用采样。这些证据可以促进医疗器械OEM厂商设计和监管应用,加快产品的上市时间。目标应用包括医疗诊断设备外壳和内部结构部件、监测和过滤装置、生物制药处理应用等。
Synthesis and applications of SSZ-13 zeolite molecular sieves
Yuan Long,Wang Yasong,Wang Chuang
(Chia Tai Energy Materials (Dalian) Co. Ltd.,Dalian Liaoning 116000,China)
Progresses in the synthesis,namely hydrothermal synthesis,interzeolite conversion and solid grinding,and applications of SSZ-13 zeolite molecular sieves were reviewed. Modified SSZ-13 zeolite molecular sieves were also concisely introduced,such as metal-modif ed SSZ-13 and hierarchical SSZ-13. It was pointed out that a high-ef cient synthesis route for the industrialization of the synthesis should be exploited,which involved adding inexpensive and high performance organic templates or without using any organic template. The applications of the SSZ-13 zeolite molecular sieves in methanol to olef n,selective catalytic reduction,and gas adsorption and separation were summarized. The problems about the easy coking in catalytic reactions and the fast inactivation at high temperature should be solved,and the adsorption and separation properties of the SSZ-13 zeolite molecular sieves should be improved.
SSZ-13 zeolite molecular sieves;synthesis;methanol to olef n;selective catalytic reduction;gas adsorption;catalyst
1000 - 8144(2016)08 - 1001 - 07
TQ 424.25
A
10.3969/j.issn.1000-8144.2016.08.019
2016 - 01 - 05;[修改稿日期]2016 - 05 - 02。
袁龙(1976—),男,陕西省西安市人,硕士,高级工程师,电话 0411 - 84990303,电邮 yuanlong@ctdmto.com。