多级孔沸石的孔结构与吸附扩散性能研究

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沸石是一类具有独特晶体结构的硅铝酸盐,由于其具有非常高的比表面积、尺寸均一的有序微孔(孔径一般在0.3-1.0 nm之间)、良好的酸性、择形选择性和热稳定性,所以沸石已成为最重要的纳米催化剂之一,并广泛应用于炼油和石化行业。传统微孔沸石的孔径与许多重要的碳氢化合物分子的动力学直径相接近,甚至是比其动力学直径更小,因此在催化反应中,较小的孔径降低了活性位对大分子的可接近性以及传质速率,从而导致催化剂活性位的有效利用率降低。为了克服上述微孔沸石固有的缺陷,研究者做了很多的努力,在微孔沸石内引入二次中孔是最常采用的方法之一,并得到广泛的关注。微/中孔共存的多级孔结构同时具有微孔和中孔的优点:沸石中的微孔为客体分子提供了吸附位或催化活性位,而中孔则为大分子提供了扩散路径和吸附/反应空间。沸石作为催化剂,其吸附与扩散性能是影响其催化性能的两大因素,而引入的中孔对于吸附扩散的促进作用与多级孔沸石的孔结构密切相关。但是目前由多级孔的制备方法引入的中孔是无序的且孔径不均一,使得其孔结构复杂难测。虽然多级孔的孔结构复杂,但是可以利用研究其吸附扩散性能来反推其孔结构。因此,本文以具有不同中孔结构的多级孔Beta沸石以及多级孔EU-1沸石作为研究对象,选取多种大分子碳氢化合物作为探针分子,利用重量法和ZLC方法对其在多级孔沸石中的吸附与扩散性能进行研究,以探究其孔结构。本论文的研究内容及主要结论如下:1.多级孔Beta沸石的孔结构及其吸附扩散性能在微孔Beta沸石中,均三甲苯和四氢萘的吸附等温线均为Ⅰ型等温线,且均三甲苯的吸附等温线可以用Toth模型拟合;而在中孔样品中,二者的吸附等温线均为Ⅰ型和Ⅳ型复合等温线,且均三甲苯的吸附等温线符合双位Toth模型。中孔的引入增大了样品的外比表面积,提高了沸石孔的可接近性,从而使得吸附量增大。对扩散来说,中孔的引入增加了孔口数目,减小了对于大分子的空间限制,为分子扩散提供了更多路径,加快了分子的传质速率,降低了扩散活化能,但是中孔对于分子扩散的促进作用大小取决于样品中中孔与中孔间的连通性。在多级孔Beta沸石中,均三甲苯的扩散为微孔扩散控制,而四氢萘和1,3,5-三异丙基苯为中孔扩散控制。2.多级孔EU-1沸石的扩散模式正庚烷在微孔EU-1沸石中的扩散属于一维扩散模式,在多级孔EU-1沸石中的扩散则属于三维扩散,从而说明中孔的引入连通了 EU-1固有的微孔结构,从而使得一维结构的EU-1变成了三维结构;沸石的扩散模式不随实验温度的变化而改变,本文也证明了 ZLC方法是一种可以有效简便地表征多孔材料孔结构的方法。EU-1(meso)的有效扩散时间常数(Deff/R2)约是EU-1(micro)的7倍,中孔的引入极大地促进了吸附质分子的扩散。
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