一种沸石分子筛的制备方法及其应用
技术领域
本技术涉及一种沸石吸附剂的制备方法和应用，具体涉及制备杂原子Fe取代的FM丝光沸石单块材料的制备方法及其应用。
背景技术
吸附和分离在工业上具有十分重要的应用价值，因此对它们的研究逐渐受到科学家的广泛关注。近年来，温室气体的排放逐年上升，减排压力日益增重，基于此背景，CO2在混合气中的吸附和分离变得十分迫切。在天然气净化(CO2、CH4混合气体)，发电厂前燃烧(CO2、H2混合气体)和后燃烧(CO2、N2混合气体)技术方面，CO2的选择性吸附具有不可替代的地位。多年来该领域的发展进程表明，多孔固体吸附剂在CO2捕获和分离领域具有优异的应用前景，这类吸附剂包括烷基胺功能化的介孔二氧化硅、碳材料、金属有机框架、聚合物和沸石等。然而在CO2的吸附分离体系中还有面临以下几个挑战：(1)材料的制备成本高、制造难易度大；(2)材料对CO2气体捕获能力和选择性有限；(3)材料的再生性和稳定性一般。
通常，一个理想的目标吸附剂应同时具备较高的CO2吸附能力，优异的选择性，较强的化学和机械稳定性。在大规模的工业应用中，材料的制造成本也是一个不容忽视的问题。在沸石分子筛的制备中，传统的浸渍法负载铁存在的铁的状态难以控制，也难以进入骨架，不能稳定存在。
发明内容
本发明提出了一种分子筛，吸附二氧化碳效果好，用以分离二氧化碳和其他气体。
一种沸石分子筛的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅源、铁源和水混合，反应混合物以摩尔比计:Fe/SiO2是0.1％-2％，H2O/SiO2是30-40，加酸液以调节pH值为0.4-3；
(2)在上述混合液中加入铝源，铝源以摩尔比计：SiO2/Al2O3是10-30，加入碱液调节pH值为9-13；
(3)将上述混合液加入到高压反应釜中，在160-200℃静态晶化10-18天，洗涤、干燥，制得沸石分子筛；
其中，所述的硅源为硅溶胶、正硅酸四甲酯、正硅酸四乙酯、四甲基硅酸、硅酸或氧化硅中的一种，所述的铁源为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁中的一种，所述的酸液为硫酸、盐酸、硝酸货高氯酸中的一种，所述的铝源为偏铝酸钠、硫酸铝、氯化铝中的一种，所述碱液是氢氧化钠溶液。
优选的，步骤(1)中反应混合物以摩尔比：Fe/SiO2是0.5％。
优选的，步骤(1)中调节pH值为0.8。
优选的，步骤(2)中调节pH值为11。
优选的，步骤(3)中所述高压反应釜为聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压反应釜，容量为50L。
优选的，步骤(3)高压反应釜温度为180℃。
优选的，步骤(3)晶化14天。
优选的所述高压反应釜容积为50L。
沸石分子筛分离二氧化碳中和氮气或甲烷的应用。
有益效果
(1)本发明通过一步水热法将铁引入到沸石分子筛中，该目标材料中铁以两种形式存在：铁氧硅键存在于骨架中；铁氧团簇存在于孔道，在该吸附体系中，铁的存在形式是能够分离气体的关键。本发明合成的含铁沸石分子筛(FM)，将其用于固定床层进行多组分的吸脱附分离，经过多轮测试仍然能保持好的分离效果。
(2)本发明提供了一种高效的、低成本的、节能且环保的合成路线，制备杂原子取代的FM沸石单块材料，用于CO2捕获，取得了显著成效，吸附剂易于重复使用，绿色环保。
附图说明
图1为FM-n系列样品和M-1的XRD图(n＝2,3,4)；
图2为FM-3样品的SEM图；
图3为FM-3样品的EXAFS图；
图4是M-1在吸附温度为273K的吸附等温线图；
图5是M-1在吸附温度为298K的吸附等温线图；
图6是FM-3在吸附温度为273K的吸附等温线图；
图7是FM-3在吸附温度为298K的吸附等温线图；
图8是M-1在吸附温度为273K CO2/N2、CO2/CH4吸附平衡图；
图9是M-1在吸附温度为298K CO2/N2、CO2/CH4吸附平衡图；
图10是FM-3在吸附温度为273K CO2/N2、CO2/CH4吸附平衡图；
图11是FM-3在吸附温度为298K CO2/N2、CO2/CH4吸附平衡图。
具体实施方式
实施例1
将5g硅源硅溶胶加入到含有10g H2O的烧杯中，在强烈的搅拌下，逐滴滴加0.3g浓盐酸至上述混合液中，调节pH至0.8，随后再加入0.013g的铁源Fe(NO3)3·9H2O，此时所得的混合溶液，在室温下进一步搅拌24h，记为溶液A。然后，在另一个干净的烧杯中，依次加入6gH2O、1.34g Al2(SO4)3和1.00g NaOH，调节pH至11，经搅拌得到溶液B。
将溶液A和B混合，在室温下搅拌老化24h得到均匀的母液，其母液组成摩尔比为：Fe/SiO2＝0.1％,SiO2/Al2O3＝15,调节pH值至11。最后，将老化后的母液转移到直径为3cm，高6.5cm的聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压反应釜中，在180℃和水的自生压力下静态晶化14天。开釜直接得到的单块产物用去离子水洗涤数次并且在100℃的温度下进行干燥即可，无需额外的高温煅烧及其它后处理过程。最终所得的样品记为FM-2。
实施例2
将5g硅溶胶加入到含有10g H2O的烧杯中，在强烈的搅拌下，逐滴滴加0.3g浓盐酸至上述混合液中，随后再加入0.067g的Fe(NO3)3·9H2O，此时所得的混合溶液，在室温下进一步搅拌24h，记为溶液A。然后，在另一个干净的烧杯中，依次加入6g H2O、1.34g Al2(SO4)3和1.00g NaOH，经搅拌得到溶液B。
将溶液A和B混合，在室温下搅拌老化24h得到均匀的母液，其母液组成为：Fe/SiO2＝0.5％,SiO2/Al2O3＝15,调节pH值在11。最后，将老化后的母液转移到直径为3cm，高6.5cm的聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压反应釜中，在180℃和水的自生压力下静态晶化14天。开釜直接得到的单块产物用去离子水洗涤数次并且在100℃的温度下进行干燥即可，无需额外的高温煅烧及其它后处理过程。最终所得的样品记为FM-3。
实施例3
将5g硅溶胶加入到含有10g H2O的烧杯中，在强烈的搅拌下，逐滴滴加0.3g浓盐酸至上述混合液中，随后再加入0.12g的Fe(NO3)3·9H2O，此时所得的混合溶液，在室温下进一步搅拌24h，记为溶液A。然后，在另一个干净的烧杯中，依次加入6g H2O、1.34g Al2(SO4)3和1.00g NaOH，经搅拌得到溶液B。
将溶液A和B混合，在室温下搅拌老化24h得到均匀的母液，其母液组成为：Fe/SiO2＝1％,SiO2/Al2O3＝15,调节pH值在11。最后，将老化后的母液转移到直径为3cm，高6.5cm的聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压反应釜中，在180℃和水的自生压力下静态晶化14天。开釜直接得到的单块产物用去离子水洗涤数次并且在100℃的温度下进行干燥即可，无需额外的高温煅烧及其它后处理过程。最终所得的样品记为FM-4。
对比例1
将5g硅溶胶加入到含有10g H2O的烧杯中，在强烈的搅拌下，逐滴滴加0.3g浓盐酸至上述混合液中，此时所得的混合溶液，在室温下进一步搅拌24h，记为溶液A。然后，在另一个干净的烧杯中，依次加入6g H2O、1.34g Al2(SO4)3和1.00g NaOH，经搅拌得到溶液B。
将溶液A和B混合，在室温下搅拌老化24h得到均匀的母液，其母液组成为：SiO2/Al2O3＝15,调节pH值在11。最后，将老化后的母液转移到直径为3cm，高6.5cm的聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压反应釜中，在180℃和水的自生压力下静态晶化14天。开釜直接得到的单块产物用去离子水洗涤数次并且在100℃的温度下进行干燥即可，无需额外的高温煅烧及其它后处理过程。最终所得的样品记为M-1。
CO2和N2的吸附等温线在Micromeritics ASAP 2020自动等温吸附仪上测得。在273K,298K的温度下，测量在0.01bar,0.1bar,1bar下CO2的吸附量。分别将上述实施例中的产物置于样品槽中，样品槽浸没到液体循环恒温槽中进行吸附测量。在测量开始前，所有的样品在300℃下活化3h。选择性指在进行气体吸附时，对于二氧化碳的气体的吸附选择性。
气体选择性计算
Double-site Langmuir(DL)isotherm model(主要针对CO2气体)
为了具体地了解气体的分离效果，更精确的拟合吸附数据，选用Double-siteLangmuir模型(DL)来拟合CO2吸附等温线，其表达式为:
其中qc(mmol g-1)，kc(kPa–1)，qi(mmol g–1)和ki(kPa–1)是Double-site Langmuir模型的参数，P是对应的平衡压力。
Langmuir-Freundlich(LF)isotherm model(主要针对N2、CH4气体)
而N2、CH4吸附等温线选用Langmuir-Freundlich方程(LF)来拟合，其表达式为:
其中qi(mmol g–1)和ki(kPa–1)是Langmuir-Freundlich模型的参数，P是对应的平衡压力。
IAST的扩张压力π可以表达为：
为了计算单一组分的简约扩张压π*，IAST模型与Double-site Langmuir模型相结合，π*可由方程(1)和(2)组合计算得出：
π*＝qcln(1+kcP)+qiln(1+kiP)(5)
当吸附平衡时，两组分的简约扩张分压相等：
π1*＝π2*(6)
qc1 ln(1+kc1P)+qi1 ln(1+ki1P)＝qc2 ln(1+kc2P)+qi2 ln(1+ki2P)(7)
下标1和2分别代表CO2和Ar(N2、CH4)。IAST最终的选择性可以表示为：
其中公式(8)里的x和y分别是吸附质在吸附相里的摩尔分数和在气相里的摩尔分数，i和j分别代表着
CO2和N2气体。按15/85CO2/N2的混合来计。
表1不同含量的Fe-MOR的吸附摩尔量及分离比
由上表可知，实施例2FM-3拥有最好的吸附效果，故此对实施例2FM-3作进一步的研究。
图1是上表中各实施例样品的XRD图，这些样品呈现出的峰完全归属于MOR沸石特有的结构峰，没有任何杂质峰，说明样品的结晶度较高，只是随着Fe含量的增加，样品的结晶度稍有下降。
图2是实施例2FM-3的SEM图，显示所得的FM-3沸石单块是由大小在50μm左右的扁平棱柱体构成。
图3是实施例2FM-3沸石的扩展x射线吸收精细结构(EXAFS)图谱。在傅立叶变换(FT)k3加权扩展x射线吸收精细结构(EXAFS)光谱中，只有一个显著的峰出现在大约1.4A处，主要是由于Fe-O的贡献。该结论与现有技术中的公开保持一致，现有技术来自于：
Baker L L,Nickerson R D,Strawn D G,et al.XAFS STUDY OF Fe-SUBSTITUTEDALLOPHANE AND IMOGOLITE[J].Clays and Clay Minerals,2014,62(1):20-34.
在无添加有机模板剂和粘结剂条件下，成功制备出杂原子Fe掺杂的FM单块型沸石分子筛材料。所得的单块沸石的机械强度可以满足直接作为成型吸附剂使用的要求，无需经过任何后处理或者进一步修饰。众所周知，CO2是一类弱酸性气体，再结合所制备的材料具有多级单块宏观形貌和超小微孔结构的优势，FM沸石单块将有利于CO2的吸附和分离。
图4-图7分别给出了M-1以及FM-3样品CO2、N2、CH4的吸附等温线图，吸附温度为273/298K，吸附压力为1bar。可以发现FM-3的CO2吸附量最大，分别为4.05、2.93mmol g-1。这与它们的动力学尺寸完全一致：CO2(0.33nm)<N2(0.364nm)<CH4(0.38nm)。而不掺Fe的M-1样品呈现出较低的CO2吸附能力，当温度为273和298K时，CO2的吸附量分别为2.26和1.77mmolg-1。这一现象则说明，这些含Fe的MOR沸石的孔口虽有所减小，但仍然相对足够大，能够允许较小的CO2气体分子进入，这一吸附特性对于拓宽从其它小分子气体中分离CO2的应用具有潜在的重大意义。
图8-图11为M-1以及FM-3样品的在分别在273K,1bar和298K,1bar条件下对下列二元混合物进行的吸附平衡预测:CO2/N2:15/85和CO2/CH4:50/50。该结果显示，在0.1～1bar的条件下，相比于M-1样品，FM-3样品具有超高的CO2/N2和CO2/CH4选择性。
