成果简介
ZSM-5沸石分子筛以其强酸性、独特的孔道结构、水热稳定性等优势，广泛应用于石油化工领域。近年来，随着石油资源的耗竭，可再生能源开发利用成为了国家可持续能源发展战略的一项重要举措。生物质资源是唯一可储存、可再生的碳源，其开发利用成为了替代化石能源的重要能源途径。而将生物质进行催化裂解是获取可再生的化学品及能源的有效技术。ZSM-5沸石分子筛是生物质催化裂解应用最广泛和最有效的催化剂之一。通常情况下，ZSM-5分子筛是由硅铝酸盐凝胶在结构导向剂（如烷基铵分子）存在下，在碱性介质中水热晶化合成的。常用的硅源（如四乙氧基硅烷，硅溶胶）和铝源（偏铝酸钠、硫酸铝、异丙醇铝）以及结构导向剂（烷基铵，有机胺）均为纯的化学物质，这导致ZSM-5分子筛的合成成本的增加，也限制了其在化学工业中的广泛应用。
本研究，以工业固废赤泥为原料通过两个方法经济高效合成ZSM-5沸石分子筛：
（1）对赤泥进行碱熔活化预处理，补充工业水玻璃、四丙基溴化铵、葡萄糖和水，通过水热晶化法合成了ZSM-5分子筛。葡萄糖起pH调节剂与硬模板剂作用，赤泥中的杂原子Fe和Ca以不同方式分布于分子筛的微孔结构中，起到了调节分子筛酸性和孔径的作用。得到的赤泥基ZSM-5在500 ℃、催化裂解低密度聚乙烯塑料，获得的裂解产物中，气体产率为85.3 %，其中低碳烯烃（乙烯，丙烯和丁烯）选择性77.1%，液体产率为13.3%，其中单环芳烃（苯，甲苯、二甲苯）选择性为47.6%；与同硅铝比的商业的ZSM-5分子筛相比，赤泥基ZSM-5分子筛在裂解塑料生产低碳烯烃方面展示了巨大的优势，具有潜在的应用前景。
（2）将未经任何预处理的赤泥与廉价的天然矿物硅藻土进行混合，添加一定量的水、氢氧化钠和四丙基溴化铵进行水热晶化，得到了大晶粒、高介孔比、弱酸性的ZSM-5分子筛。对大晶粒生长过程进行观察时发现：部分的硅藻土碎片在晶体生长过程中被包裹在大晶粒内部，因此给分子筛带来了更丰富的孔道结构。将合成的分子筛用于催化裂解低密度聚乙烯塑料，在500℃、剂料比为0.5:0.3时，获得了液体产率为17.3 %，其中单环芳烃选择性为73.3%，气体产率82.7%，其中低碳烯烃选择性64.7%。大晶粒分子筛因为更长的反应通道，增加了裂解中间产物在分子筛内的停留时间，因而提高了液体产率和单环芳烃选择性。分子筛在经过多次使用-再生处理后仍保持较高的活性，展示了较好的使用稳定性。
此方法因为使用了工业固废赤泥，因此有效地促进了赤泥的高质化利用，减少了赤泥细粉对环境的危害，同时降低分子筛的生产成本，因此是一种高效绿色的分子筛的合成方法，期待此方法用于更多的分子筛的合成以及合成的分子筛在工业催化，精细化工，能源化工领域更广泛的应用。
应用前景
本研究制备的赤泥基ZSM-5分子筛可以应用于石油烃和废塑料的催化裂解反应，可以高选择性生产低碳烯烃（如乙烯，丙烯）和单环芳烃（如苯、甲苯，二甲苯）；分子筛有较好的使用稳定性，期待其更广泛的工业应用。
成熟度
目前，已经完成大部分的基础研究，在实验室研究了两种方法合成ZSM-5分子筛的最佳原料配比，合成工艺，以及合成反应机理，也进行了催化裂解塑料和生物质的反应研究，研究结果有较好的重复性和参考价值。
成果展示
图1碱熔活化预处理赤泥-水玻璃基ZSM-5
图2未经任何预处理的赤泥-硅藻土基不同晶化反应时间获得的大晶粒ZSM-5
成果完成人
化学化工学院：李志霞
成果转化，请联系成果与合作处，联系人：王老师，联系电话：0771-3810467。