[发明专利]一种多级孔结构沸石吸附/催化剂及其构建方法

说明书

本发明属催化/吸附多孔沸石材料结构化技术领域，为解决目前沸石产品有效体积分数小，纳米孔堵塞、反应过程中脱落导致使用效率低的问题，提供一种多级孔结构沸石吸附/催化剂及其构建方法。多孔莫来石纤维陶瓷球载体内部及表面均匀分布沸石分子筛，载体为孔径5μm的连通孔道和莫来石纤维相互交叉的0.5μm孔隙组成；沸石质量分数为20‑30 wt%，多孔陶瓷微球平均粒径为50‑2mm；平均球形度为90%‑100%；显密度为0.5‑1.2 g/cm³；堆积压碎强度为0.5‑3MPa。载体中的连通孔道为反应物和产物的自由移动和扩散提供路径，且无沸石纳米孔堵塞问题，从而有效提高沸石使用效率。

技术领域

本发明属于用于催化/吸附的多孔材料的结构化技术领域，具体涉及一种多级孔结构沸石吸附/催化剂及其构建方法。

背景技术

“沸石”是一种具有独特的三维通道结构的结晶铝硅酸盐。其孔隙结构取决于孔隙的形状和大小。因此，根据孔的形状和大小，沸石对进入孔的分子有一定的选择性，于是沸石也被称为分子筛。当沸石分子的结构骨架中的一部分或全部硅（Si）或铝（Al）原子被其他元素所取代，还会形成了多孔高硅沸石分子筛、磷铝分子筛和骨架中含有Ti、Zn等BEA结构分子筛。由于沸石及类沸石材料的孔径大小分布在几纳米到几十纳米范围之内，其良好的热稳定性，使其广泛应用于生活日用品及各种工业领域，如催化剂、吸附剂、离子交换剂、吸水剂等。

通常沸石分子筛是通过前驱体结晶化来合成的，形成直径小于10微米的粉体。当以粉体形式直接应用于容器或反应器中时，由于粉体颗粒间空隙较小，液体或气体流体很难流经粉末。为保持在容器或反应器中有足够的流速，需要更高压力，但相应的能量消耗也在增加。

为解决以上问题，目前主要有两种方案。一、以粘土为粘结剂，与沸石混合，然后造粒形成毫米大小的颗粒，或通过挤压成型工艺形成条状后切成短棒颗粒。但是，由于成型后的球形和短棒状颗粒的粒径大于几百个微米，由于反应物不能轻易地进入到颗粒的内部，通常只有在颗粒表面的沸石分子筛才能参与反应，从而使沸石的使用效率迅速减少。此外，沸石的纳米孔结构还有可能被粘土堵塞，进一步减小沸石的使用效率。二、在具有大孔结构的载体表面上涂覆沸石膜，载体通常为具有蜂窝结构的氧化铝、不锈钢等。蜂窝结构不仅有利于增加沸石膜面积和反应过程反应物和产物的扩散，并且有利于热传递，温度场分布均匀。但是载体的相对比表面积较小，而且与载体相比，沸石的单位体积很小，从而导致此结构的沸石催化/吸附效率较低。此外，由于热膨胀系数的不匹配，在反应过程中重复加热，可导致沸石颗粒脱离。

终上所述，要实现沸石使用效率最大化，就需要载体结构具有连通孔结构，并使其比表面积最大化，让更多的沸石均匀负载在多孔材料载体，保证传质的同时使反应接触面积最大化。另外，结构化的沸石必须具有一定的机械强度。

发明内容

本发明为了解决目前沸石结构化应用中导致其使用效率低下的问题，如纳米孔堵塞、相对体积小，在反应过程中从载体中脱落等，提供了一种多级孔结构沸石吸附/催化剂及其构建方法。

本发明由如下技术方案实现的：一种多级孔结构沸石吸附/催化剂，所述多级孔结构沸石吸附/催化剂为多孔莫来石纤维陶瓷球载体内部及表面均匀分布沸石分子筛，多孔莫来石纤维陶瓷球载体为双模式孔结构：孔径5μm的连通孔道和莫来石纤维相互交叉形成的0.5μm孔隙组成；其中沸石的质量分数为20 - 30 wt%，多孔陶瓷微球的平均粒径为50μm- 2mm；平均球形度为90%-100%；显密度为0.5 -1.2 g/cm³；堆积压碎强度为0.5-3MPa。

所述沸石为50 nm的微、介孔沸石，NaA，NaY，ZSM-5或Beta型沸石分子筛中的任意一种；沸石结晶于相互交叉的莫来石纤维间并与其稳固铆接。

构建多级孔结构沸石吸附/催化剂的方法，步骤如下：