5A分子篩吸附正己烷的性能及其表征

姚小利,杜旭東,劉宗健,崔 群,王海燕,姚虎卿

(南京工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,江蘇 南京 210009)

5A分子篩吸附正己烷的性能及其表征

姚小利,杜旭東,劉宗健,崔 群,王海燕,姚虎卿

(南京工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,江蘇 南京 210009)

測定了兩種 5A分子篩(5A-1和 5A-2)對(duì)正己烷的吸附性能,并對(duì)它們的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,分析了 5A分子篩的微觀特性與吸附性能的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與 5A-2相比,5A-1的結(jié)晶度更高,且 5A-1晶粒規(guī)整、大小均勻,n(SiO2)∶n(A l2O3)為 1.99,具有適度的表面酸性,在 30℃下對(duì)正己烷的平衡吸附量達(dá)到 0.16kg/kg,比 5A-2提高了約 24%。在 5A分子篩成型制備中,擴(kuò)孔劑焙燒以及黏結(jié)劑轉(zhuǎn)晶過程中形成的二次孔有利于減小對(duì)正己烷吸附的擴(kuò)散阻力;5A-1具有較小的中孔平均孔徑(3.59nm)、較大的中孔比表面積(484.98m2/g)以及適度的中孔和大孔分布,使其對(duì)正己烷的吸附速率較快;5A-1對(duì)正己烷的吸附平衡時(shí)間近似為 5A-2的 1/12。

5A分子篩;正己烷;平衡吸附量;孔結(jié)構(gòu);吸附速率

高純度正己烷 (純度大于 98.5%)是用于化工、醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)溶劑,在制藥行業(yè)的需求量趨增［1～3］。工業(yè)上生產(chǎn)正己烷主要采用精密精餾或特殊精餾方法從 C6餾分中提取,能耗較高,且較難得到高純度正己烷［4］。我國目前高純度正己烷主要依賴進(jìn)口。

根據(jù)擇形吸附原理,利用孔徑適宜的吸附劑從C6餾分中選擇性吸附正己烷,解吸后可獲得高純度正己烷,該技術(shù)具有能耗低、正己烷純度高等優(yōu)點(diǎn)［5］。20世紀(jì) 80年代初,美國 Richfield公司報(bào)道過用吸附法分離 C6餾分生產(chǎn)純度為 98%的正己烷［6］,但至今未見有大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。吸附分離正/異構(gòu)烷烴技術(shù)在提高汽油辛烷值［7］、分子篩脫蠟提供生產(chǎn)烷基苯的直鏈烴原料［8～17］等方面已得到廣泛應(yīng)用。中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司［11］開發(fā)了從工業(yè)正己烷或 C6餾分中通過吸附分離提取高純度正己烷的工藝,并研究了相關(guān)的吸附劑及其性能。

本工作測定了 5A分子篩對(duì)正己烷的吸附性能,對(duì) 5A分子篩進(jìn)行了表征,研究了 5A分子篩的組成、結(jié)構(gòu)及表面特性與正己烷吸附性能的關(guān)系,為吸附分離制備高純度正己烷提供基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料和試劑

正己烷：分析純,南京中東化玻儀器有限公司。吸附劑為自制 5A分子篩 (5A-1,制備方法參見文獻(xiàn)［18］)和南京無機(jī)化工廠生產(chǎn)的 5A分子篩(5A-2),兩種分子篩均為對(duì)加工成型過程中加入的黏結(jié)劑進(jìn)行轉(zhuǎn)晶處理,并經(jīng)過二次成孔的 5A分子篩。

1.2 吸附性能的測定

吸附等溫線的測定：采用 GB13550—92《5A分子篩及其試驗(yàn)方法》測定正己烷在吸附劑上的吸附等溫線,測定方法及步驟見文獻(xiàn)［18］。吸附速率曲線的測定：在一定的溫度和壓力下,測定正己烷吸附量隨時(shí)間的變化,直至達(dá)到吸附平衡。

1.3 吸附劑的結(jié)構(gòu)表征

采用 B ruker公司 D8A dvance型 X射線粉末多晶衍射儀分析吸附劑的晶體結(jié)構(gòu),Cu Kα射線 (λ=0.154nm),掃描范圍為 2θ=5～80°。采用 FEI公司Q uanta200型掃描電子顯微鏡觀察吸附劑的表面形貌。吸附劑的酸性表征在自制 NH3程序升溫脫附裝置上進(jìn)行。采用美國 M icrom etritics公司ASA P-2010型全自動(dòng)比表面及孔體積分析儀測定吸附劑的中孔及微孔孔體積、孔分布和比表面積,用BET模型線性回歸方法計(jì)算吸附劑的比表面積;以N2吸附 -脫附等溫線的脫附分支為基準(zhǔn),用BJH獨(dú)立圓筒模型解析吸附劑的中孔分布,用 HK法分析吸附劑的微孔分布。采用QUANTACHROM E公司 Porem aster GT-60型壓汞儀測定吸附劑的大孔分布。采用 ARL公司 ADVAN TXP型 X射線熒光光譜儀測定吸附劑的化學(xué)組成,并通過下式計(jì)算吸附劑的 Ca2+交換度 (XCa)。

式中,w1為吸附劑中 CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù);w2為吸附劑中N a2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 正己烷在 5A分子篩上的吸附等溫線

30℃下正己烷在 5A分子篩上的吸附等溫線見圖 1。由圖 1可見,兩種 5A分子篩對(duì)正己烷的吸附等溫線均屬于 B runauer分類的 I型,在較低吸附壓力下吸附量迅速增加;當(dāng)吸附壓力高于 0.2kPa時(shí),吸附量變化很小,吸附趨于平衡。5A-1對(duì)正己烷的平衡吸附量 (以單位質(zhì)量吸附劑上吸附正己烷的質(zhì)量計(jì))為 0.16kg/kg,比 5A-2高約 24%。

2.2 5A分子篩對(duì)正己烷的吸附速率

30℃、1.68kPa下 5A分子篩對(duì)正己烷的吸附速率曲線見圖 2。由圖 2可見,5A-1對(duì)正己烷的吸附速率明顯大于 5A-2。吸附 5m in時(shí),5A-1對(duì)正己烷的吸附即接近平衡;而 5A-2吸附正己烷60m in時(shí),尚未達(dá)到吸附平衡;5A-1對(duì)正己烷的吸附平衡時(shí)間近似為 5A-2的 1/12。

2.3 5A分子篩的結(jié)構(gòu)與吸附性能的關(guān)系

為了探討 5A分子篩的微觀結(jié)構(gòu)與對(duì)正己烷的宏觀吸附性能的關(guān)系,對(duì)兩種 5A分子篩進(jìn)行了表征,分析了結(jié)晶度、微觀形貌、硅鋁比、離子交換度、孔結(jié)構(gòu)及表面酸性對(duì)吸附性能的影響。

2.3.1 結(jié)晶度

5A分子篩的 XRD譜圖見圖 3。由圖 3可見,5A-1和 5A-2在 2θ=7.20,20～35°處出現(xiàn)較強(qiáng)的特征衍射峰,表明兩種分子篩晶型較完整、結(jié)晶度高;并且 5A-1在 20～35°內(nèi)的衍射峰強(qiáng)度高于 5A-2。根據(jù)受含水量影響最小的(222)晶面衍射峰的高度比計(jì)算兩種 5A分子篩的相對(duì)結(jié)晶度,以 5A-1為基準(zhǔn),計(jì)算得出 5A-2的相對(duì)結(jié)晶度為 97.7%。由此可見,相比于 5A-2,5A-1的結(jié)晶度略有提高,因此 5A-1對(duì)正己烷的平衡吸附量高于 5A-2。

2.3.2 微觀形貌

5A分子篩的 SEM圖像見圖 4。由圖 4可見,5A-1的晶粒規(guī)整、大小均勻;而 5A-2的晶粒大小不太均勻,有些較小的不完整晶粒堵塞了分子篩晶粒間的孔道,導(dǎo)致 5A-2對(duì)正己烷的吸附速率明顯低于 5A-1。

圖 3 5A分子篩的 XRD譜圖Fig.3 XRD spectra of5A molecular sieves.a 5A-1;b 5A-2

圖 4 5A分子篩的 SEM圖像Fig.4 SEM images of5A molecular sieves.

2.3.3 化學(xué)組成

用 XRF方法測得兩種 5A分子篩的主要化學(xué)組成見表 1。從表 1可看出,5A-1和 5A-2的硅鋁比 (n(SiO2)∶n(A l2O3))分別為 1.99和 1.96。與 5A-2相比,5A-1的硅鋁比更接近于 A型分子篩硅鋁比的理論值 (2),說明 5A-1的轉(zhuǎn)晶效果好于 5A-2,這與 XRD表征結(jié)果一致。

表 1 5A分子篩的化學(xué)組成Table1 Chem ical compositions of5A molecular sieves

從 Ca2+交換度來看,5A-2(體相)的 Ca2+交換度為 63.82%,比 5A-1小,表明 5A-2尚有一部分?jǐn)U孔不足。因正己烷分子直徑為 0.49nm,不能進(jìn)入 5A-2中的未擴(kuò)孔部分,所以 5A-2對(duì)正己烷的吸附量低于 5A-1。

2.3.4 孔結(jié)構(gòu)及比表面積

兩種 5A分子篩的孔體積、孔徑、比表面積及孔分布的測定結(jié)果見表 2和圖 5。由表 2可見,5A-1和 5A-2的微孔體積均為 0.25cm3/g,但平衡吸附量差別較大,這是因?yàn)槠胶馕搅坎粌H取決于微孔體積,還與微孔表面性質(zhì)有關(guān)。5A-1的微孔平均孔徑為 0.55nm,更接近于正己烷分子的直徑,從擇形吸附角度分析,5A-1比 5A-2更適合于吸附分離正己烷。

由表 2還可見,5A-1的中孔比表面積較大、中孔平均孔徑較小。且由圖 5可看出,5A-1有豐富的大孔,孔徑為 0.1～2.0μm,5A-1比 5A-2的大孔分布更為集中。這是由于在 5A-1的成型制備過程中,添加了適量擴(kuò)孔劑,在焙燒除去擴(kuò)孔劑的過程中形成二次孔或次級(jí)孔,同時(shí)疏通了分子篩晶粒間堵塞的孔道,使其擁有豐富的中孔和大孔。這有利于減小對(duì)正己烷吸附的擴(kuò)散阻力,提高吸附速率。

表 2 5A分子篩的孔體積、孔徑及比表面積Table2 Pore volume,pore diameter and specific surface area of5A molecular sieves

由此可見,5A-1擁有較大的微孔體積、較小的微孔孔徑以及豐富的中孔和大孔,使其對(duì)正己烷的平衡吸附量較大、吸附速率較快。

2.3.5 表面酸性

5A分子篩的表面酸性對(duì)其吸附性能有較大影響。兩種 5A分子篩的 NH3-TPD曲線見圖 6。

由圖 6可知,兩種分子篩在 264℃左右均有很強(qiáng)的脫附峰。從脫附峰面積來看,5A-1的酸中心數(shù)量明顯大于 5A-2,這表明 5A-1比 5A-2具有更多的活性吸附位,從而對(duì)正己烷的平衡吸附量相對(duì)較大。

3 結(jié)論

(1)結(jié)晶度高、晶粒規(guī)整、大小均勻,具有較大的微孔體積和比表面積以及適度的表面酸性,有利于提高 5A分子篩對(duì)正己烷的吸附量;適度中孔和大孔等二次孔分布有助于提高 5A分子篩對(duì)正己烷的吸附速率。

(2)5A-1結(jié)晶度高、晶粒規(guī)整、大小均勻,硅鋁比為 1.99,中孔平均孔徑為 3.59nm,中孔比表面積為 484.98m2/g,在 30℃下對(duì)正己烷的平衡吸附量達(dá)到 0.16kg/kg,且快速達(dá)到吸附平衡。

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Adsorption Performance forn-Hexane and Characterization of 5A M olecular Sieves

Yao Xiaoli,D u Xudong,Liu Zongjian,Cui Q un,Wang Haiyan,Yao Huqing
(College of Chem istry and Chem ical Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing Jiangsu210009,China)

A dsorption perform ances of5A m olecular sieves(5A-1and5A-2)for n-hexane w ere determ ined and their structures w ere characterized.Relationships betw een adsorption perform ance of the5A m olecular sieves for n-hexane and their m icrostructures w ere investigated.Results show ed that relative crystallinity of the self-m ade5A-1w ith regular crystal grain,n(SiO2)∶n(A l2O3)1.99and appropriate surficial acidity w as higher than that of5A-2,w hich w as from N anjing Inorganic Chem ical Plant,and its equilibrium adsorption capacity for n-hexane could reach0.16kg/kg at30℃,w hich increased24%m ore than that of5A-2.The m esopores form ed through expanding agent calcination and binder crystal transform ation in p reparation process of the5A m olecular sieves w ere beneficial to nhexane adsorption due to decreaseofthediffusion resistance. 5A-1 possessed m inor average m esoporous diam eter(3.59nm),superior specific surface area(484.98m /g)and appropriate m esom acropore distributions. So adsorption rate of5A-1 for n-hexane w as faster and its equilibrium adsorption tim e w as alm ost1/12of5A-2.

5A m olecular sieve; n-hexane; equilibrium adsorption capacity; pore structure;adsorption rate

1000-8144(2010)07-0757-05

TQ028.15

A

2010-01-15;［修改稿日期 ］2010-04-28。

姚小利 (1963—),男,陜西省鳳翔縣人,博士生,教授級(jí)高級(jí)工程師,電話 025-57785755,電郵 yaoxl@ypc.com.cn。聯(lián)系人 ：崔群,電話 025-83587188,電郵 cuiqun@njut.edu.cn。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (20876074)。

(編輯 安 靜 )