CN103241745B

CN103241745B - 一种小粒径sapo-11分子筛的合成方法及用途

Info

Publication number: CN103241745B
Application number: CN201310130903.7A
Authority: CN
Inventors: 李孝国; 肖寒; 于海斌; 孙国方; 费亚南; 张耀日
Original assignee: China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Tianjin Chemical Research and Design Institute Co Ltd
Current assignee: China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Tianjin Chemical Research and Design Institute Co Ltd
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-04-16
Also published as: CN103241745A

Abstract

本发明为一种小粒径SAPO-11分子筛的合成方法，属于分子筛合成及应用领域。该方法是在常规SAPO-11分子筛合成凝胶中加入烷基化有机硅烷对分子筛前驱体进行官能化，合成具有疏水性的SAPO-11晶种前驱体，然后分散在有机溶剂介质中进行晶化。烷基化有机硅烷中的亲水性基团硅氧基通过氧桥与铝原子相连接，烷基链阻聚分子筛的继续生长，从而形成小粒径SAPO-11分子筛。通过调节烷基化有机硅烷的加入量与烷基链长，可以调节SAPO-11分子筛的粒径大小。传统方法合成的SAPO-11分子筛的粒径在5~10μm，本发明提供的方法所合成的SAPO-11分子筛的粒径在0.5~1.2μm。本方法合成的小粒径SAPO-11分子筛具因有较高的外比表面积与孔口，在长链烷烃异构化反应中表现出更高的异构化活性与选择性。

Description

一种小粒径SAPO-11分子筛的合成方法及用途

技术领域

本发明涉及分子筛技术领域，为一种SAPO-11分子筛的合成方法及用途，涉及小粒径SAPO-11分子筛的合成及长链烷烃异构化反应中的应用用途。

技术背景

SAPO-11分子筛是磷酸硅铝分子筛SAPO-n家族中的一员，为AEL结构的非沸石型中孔型分子筛，具有一维的十元环孔道结构，成椭圆形孔道(0.64nm×0.39nm)。SAPO-11分子筛因具有适宜的酸性中心和孔道结构使其在正构烃类骨架异构化、烷基化、汽油异构恢复辛烷值和润滑油异构脱蜡等石油化工领域得到了广泛应用。

润滑油馏分中蜡的主要成分是熔点较高的长链烷烃，其倾点高、低温性能差和粘度指数低，通过正构烷烃加氢异构化反应，可以改善这些性能。由于润滑油中的分子尺寸相对较大，其在催化剂上的异构化反应主要发生在催化剂的外表面积及其孔口处，只有位于分子筛孔口附近的活性中心。因此，长链烷烃的异构化催化剂要求所用分子筛应具有较高的外比表面积及孔口数。增大外比表面积与孔口的有效方法是缩小分子筛的粒径。小粒径分子筛中每个晶粒所含晶胞十分有限，因而表现出外比表面积大、孔体积大，抗积碳能力强；孔道短而归整、暴露的晶孔多，晶内扩散阻力小，可部分抑制积碳的生产，进而延长催化剂的寿命。如何合成小粒径SAPO-11分子筛成为研究的重点。

中国发明专利CN1380251A采用常规水热法合成SAPO-11分子筛，以磷酸为磷源、拟薄水铝石为铝源、二正丙胺或二异丙胺为模板剂、正硅酸乙酯或硅溶剂为硅源，在160~220^oC晶化24h，所得SAPO-11分子筛为球形团聚体，粒径尺寸在3~10μm。

中国发明专利CN1392099通过改变合成介质，在水-表明活性及-有机醇体系中制备了SAPO-11分子筛，从扫描电镜照片可以看出，该方法并没有阻碍分子筛晶体的自聚，得到的SAPO-11分子筛为5.0~10.0μm的球形颗粒。

中国发明专利CN1356264A通过在凝胶体系中加入醇类有机物的方法可以得到尺寸在0.5~2.0μm的粒子。中国发明专利CN101205076A公开了一种小晶粒SAPO-11分子筛的合成方法，该方法是通过先合成晶中然后进行晶种水稀释晶化，得到晶粒尺寸为0.3~0.8μm的粒子。以上两种方法虽合成出小晶粒SAPO-11分子筛，但是从孔结构表征结果可以看出，分子筛的外比表面积提高并不是很高。

发明内容

为解决水热体系中SAPO-11分子筛晶种团聚形成大粒径的技术问题，本发明目的在于提供一种粒径高外比表面积SAPO-11分子筛的制备方法，通过在常规SAPO-11分子筛合成凝胶中加入烷基化有机硅烷对分子筛前驱体进行官能化，合成具有疏水性的SAPO-11晶种前驱体，然后分散在有机溶剂介质中进行晶化。烷基化有机硅烷中的亲水性基团硅氧基通过氧桥与铝原子相连接，烷基链阻聚分子筛的继续生长，从而形成小粒径SAPO-11分子筛。通过调节烷基化有机硅烷的加入量与烷基链长，可以调节SAPO-11分子筛的粒径大小。本发明所合成的小粒径SAPO-11分子筛对具有潜在的应用前景。

本发明为一种小粒径SAPO-11分子筛的合成方法，其特征在于：合成包括以下步骤：

1)将烷基化有机硅烷溶解在相应的醇中，得到烷基化有机硅烷的醇溶液；

2)将去离子水与磷酸、铝源、小分子有机胺、硅源混合均匀，得到混合溶液；

3)在上述混合溶液中，加入长链烷基化有机硅季铵盐的醇溶液，混合均匀，得到混合溶液；

4)将混合溶液装入聚四氟乙烯反应釜中，置于动态晶化反应烘箱中80~140^oC晶化2~8h；

5)将上述培育的晶种凝胶与一种有机溶剂、助溶剂按一定的质量比加入四口烧瓶中，在30~90^oC下搅拌回流2~12h；

6)将混合溶液装入聚四氟乙烯反应釜中，置于静态晶化反应烘箱中165~205^oC晶化12~72h；

7)将固体产物分离、洗涤、干燥，得到SAPO-11分子筛原粉；

8)将SAPO-11分子筛原粉进行焙烧，得到小晶粒SAPO-11分子筛。

上述合成步骤中：

所述烷基化有机硅烷的分子式为C_nH_2n+1-Si-(C_mH_2m+1O)₃，其中n、m表示C原子的数目，n=2~8，m=1~3；

所述的醇为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇和丁醇中的一种或者几种；所述的烷基化有机硅烷的醇溶液的质量浓度为3%～30%；

所述的磷源为正磷酸、亚磷酸、次磷酸或偏磷酸中的一种或者几种，所述的铝源为拟薄水铝石、异丙醇铝、氢氧化铝、活性氧化铝或者铝矾土，所述硅源为正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、正硅酸丁酯和酸性硅溶胶、白炭黑、活性二氧化硅中的一种或者几种，所述模板剂为二正丙胺、二异丙胺、二乙胺、三乙胺中的一种或几种；

所述混合物中所含的铝源、磷源、模板剂有机胺、硅源、烷基化有机硅烷与水的摩尔比为1：（0.5-2.0）:（0.5-2.5）：（0.1-1.0）：（0.01-0.5）：（20-100），其中铝源、磷源和硅源分别以Al₂O₃、P₂O₅和SiO₂计。

所述的有机溶剂为正己烷、正庚烷、正辛烷、环己烷中的一种或几种；所述的助溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇中的一种或者几种；

所述培育的晶种凝胶与有机溶剂、助溶剂的质量比为1：（0.2-5）：（0.1-1）。

按照本发明所述的合成方法，其特征在于：

合成步骤中：

所述烷基化有机硅烷的分子式为C_nH_2n+1-Si-(C_mH_2m+1O)₃，其中n、m表示C原子的数目，n=2~4，m=1~2；

所述的醇为甲醇、乙醇、丙醇中的一种或者几种；所述的烷基化有机硅烷的醇溶液的质量浓度为5%～15%；

所述的磷源为正磷酸、亚磷酸、次磷酸中的一种或者几种，所述的铝源为拟薄水铝石、异丙醇铝、氢氧化铝，所述硅源为正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、正硅酸丁酯中的一种或者几种，所述模板剂为二正丙胺、二异丙胺、二乙胺中的一种或几种；

所述混合物中所含的铝源、磷源、模板剂有机胺、硅源、烷基化有机硅烷与水的摩尔比为1：（0.8-1.5）:（0.8-2.0）：（0.1-0.5）：（0.01-0.5）：（40-80），其中铝源、磷源和硅源分别以Al₂O₃、P₂O₅和SiO₂计；

所述的有机溶剂为正己烷、正庚烷、正辛烷中的一种或几种；所述的助溶剂为甲醇、乙醇、丙醇中的一种或者几种，其有机溶剂为环己烷，助溶剂为丁醇；

所述培育的晶种凝胶与有机溶剂、助溶剂的质量比为1：（0.5-3）：（0.2-0.8）。

按照本发明所述的合成方法，其特征在于在烃类异构化反应中的应用用途，包括以下步骤：

1)按上述方法合成小粒径SAPO-11分子筛；

2)将步骤1制备的小粒径SAPO-11分子筛进行铵离子交换，得到H型SAPO-11分子筛；

3)进行压片筛分得到20~40目的颗粒作为催化剂载体，以贵金属溶液作为活性金属前驱体，采用等体积浸渍方法在载体上负载贵金属，其中所述的贵金属包括Pt、Pd、Au、Rh、Ir中的一种或几种，负载量为0.1wt%~1.0wt%，以金属单质的质量百分比计；

4)渍后的载体先于室温中养生4~12h，再于100~150^oC烘箱中干燥4~12h，最后放置在马弗炉中程序升温至420~520^oC焙烧2~8h，即得到成型催化剂；

5)催化剂在长链烃类异构化反应中工艺条件为：反应温度280~360^oC，反应压力4.0~8.0MPa，质量空速：0.5~3.0h^-1，氢/烷比10~100。

附图说明

图1为实施例1和对比例2合成的SAPO-11的X射线衍射图；

图2为实施例1和对比例2合成的SAPO-11的SEM照片。

具体实施例：

实例-1

将19.3g磷酸（AR，85%）与60.0g去离子水在35^oC水浴中混合均匀，加入15.2g拟薄水铝石（山东铝粉，三氧化二铝含量67.0wt%），在35^oC水浴中磁力搅拌0.5h，得到磷酸铝溶胶；加入24.0g质量浓度为10%的丙基三甲氧基硅烷甲醇溶液，搅拌缓慢2h后，加入9.2g二正丙胺（AR，99%），继续搅拌0.5h至形成均匀溶胶（混合溶液），加入5.3g正硅酸乙酯（AR，99%），继续搅拌0.5h后，继续在恒温水浴中搅拌2h后，此反应体系中的物料摩尔比为Al₂O₃：P₂O₅：SiO₂：DPA：H₂O＝1：0.85：0.2：1.2：50。将溶胶装入聚四氟乙烯高压反应釜中，在130^oC（升温速率1^oC/min）下老化12h后，得到烷基化SAPO-11晶种凝胶体系。

将所得45.0g晶种凝胶，45.0g环己烷，10.0g正丁醇放入三口烧瓶中，于60^oC水浴中机械搅拌4h后，将溶胶装入聚四氟乙烯高压反应釜中，在130^oC（升温速率1^oC/min）下老化2h，升温至175^oC（升温速率1^oC/min）晶化24h后。将晶化后的产物进行离心分离，所得固体产物用去离子水洗涤至pH=7-8，在120^oC下干燥处理12h，得到SAPO-11分子筛原粉；将SAPO-11分子筛原粉在580^oC（升温速率2^oC/min）焙烧6h后，得到SAPO-11分子筛命名为SAPO-11-S1。

对所得样品进行X-射线衍射表征，结果表明所合成样品为典型的SAPO-11分子筛，样品SEM扫描电镜表征结果显示所合成的样品的粒径在0.5~1.0μm。

实例-2

将实例-1中的24.0g质量浓度为10%的丙基三甲氧基硅烷甲醇溶液换成24.0g质量浓度为10%的丙基三乙氧基硅烷乙醇溶液，其他反应条件均不变，得到的SAPO-11-S2。

实例-3

将实例-1中的24.0g质量浓度为10%的丙基三甲氧基硅烷甲醇溶液换成12.0g质量浓度为10%的丙基三乙氧基硅烷乙醇溶液，其他反应条件均不变，得到的SAPO-11-S4。

对所得样品进行X-射线衍射表征，结果表明所合成样品为典型的SAPO-11分子筛，样品SEM扫描电镜表征结果显示所合成的样品的粒径在0.8~1.2μm。

实例-4

将实例-1中的24.0g质量浓度为10%的丙基三甲氧基硅烷甲醇溶液换成24.0g质量浓度为10%的己基三乙氧基硅烷乙醇溶液，其他反应条件均不变，得到的SAPO-11-S3。

对所得样品进行X-射线衍射表征，结果表明所合成样品为典型的SAPO-11分子筛，样品SEM扫描电镜表征结果显示所合成的样品的粒径在0.7~1.0μm。

实例-5

将19.3g磷酸（AR，85%）与60.0g去离子水在35^oC水浴中混合均匀，加入15.2g拟薄水铝石（山东铝粉，三氧化二铝含量67.0wt%），在35^oC水浴中磁力搅拌0.5h，得到磷酸铝溶胶；加入24.0g质量浓度为10%的辛基三甲氧基硅烷甲醇溶液，搅拌缓慢2h后，加入9.2g二正丙胺（AR，99%），继续搅拌0.5h至形成均匀溶胶（混合溶液），加入5.3g正硅酸乙酯（AR，99%），继续搅拌0.5h后，继续在恒温水浴中搅拌2h后，此反应体系中的物料摩尔比为Al₂O₃：P₂O₅：SiO₂：DPA：H₂O＝1：0.85：0.2：1.2：50。将溶胶装入聚四氟乙烯高压反应釜中，在130^oC（升温速率1^oC/min）下老化12h后，得到烷基化SAPO-11晶种凝胶体系。

将所得50.0g晶种凝胶，40.0g辛烷，10.0g正丁醇放入三口烧瓶中，于60^oC水浴中机械搅拌4h后，将溶胶装入聚四氟乙烯高压反应釜中，在130^oC（升温速率1^oC/min）下老化2h，升温至175^oC（升温速率1^oC/min）晶化24h后。将晶化后的产物进行离心分离，所得固体产物用去离子水洗涤至pH=7-8，在120^oC下干燥处理12h，得到SAPO-11分子筛原粉；将SAPO-11分子筛原粉在580^oC（升温速率2^oC/min）焙烧6h后，得到SAPO-11分子筛命名为SAPO-11-S5。

对所得样品进行X-射线衍射表征，结果表明所合成样品为典型的SAPO-11分子筛，样品SEM扫描电镜表征结果显示所合成的样品的粒径在0.5~0.8μm。

实例-6

将所得45.0g晶种凝胶，45.0g环己烷，10.0g正丁醇换成30.0g晶种凝胶，60.0g环己烷，10.0g正丁醇，其他反应条件不变，得到的SAPO-11-S6。

对所得样品进行X-射线衍射表征，结果表明所合成样品为典型的SAPO-11分子筛，样品SEM扫描电镜表征结果显示所合成的样品的粒径在0.8~1.5μm。

对比例-1

将19.3g磷酸（AR，85%）与60.0g去离子水在35^oC水浴中混合均匀，加入15.2g拟薄水铝石（山东铝粉，三氧化二铝含量67.0wt%），在35^oC水浴中磁力搅拌0.5h，得到磷酸铝溶胶；加入22.0g甲醇，搅拌缓慢2h后，加入9.2g二正丙胺（AR，99%），继续搅拌0.5h至形成均匀溶胶（混合溶液），加入5.3g正硅酸乙酯（AR，99%），继续搅拌0.5h后，继续在恒温水浴中搅拌2h后，此反应体系中的物料摩尔比为Al₂O₃：P₂O₅：SiO₂：DPA：H₂O＝1：0.85：0.2：1.2：50。将溶胶装入聚四氟乙烯高压反应釜中，升温至175^oC（升温速率1^oC/min）晶化24h后。将晶化后的产物进行离心分离，所得固体产物用去离子水洗涤至pH=7-8，在120^oC下干燥处理12h，得到SAPO-11分子筛原粉；将SAPO-11分子筛原粉在580^oC（升温速率2^oC/min）焙烧6h后，得到SAPO-11分子筛命名为SAPO-11-D1。

对所得样品进行X-射线衍射表征，结果表明所合成样品为典型的SAPO-11分子筛，样品SEM扫描电镜表征结果显示所合成的样品的粒径在3~8μm。

对比例-2

将19.3g磷酸（AR，85%）与60.0g去离子水在35^oC水浴中混合均匀，加入15.2g拟薄水铝石（山东铝粉，三氧化二铝含量67.0wt%），在35^oC水浴中磁力搅拌0.5h，得到磷酸铝溶胶；加入24.0g质量浓度为10%的丙基三甲氧基硅烷甲醇溶液，搅拌缓慢2h后，加入9.2g二正丙胺（AR，99%），继续搅拌0.5h至形成均匀溶胶（混合溶液），加入5.3g正硅酸乙酯（AR，99%），继续搅拌0.5h后，继续在恒温水浴中搅拌2h后，此反应体系中的物料摩尔比为Al₂O₃：P₂O₅：SiO₂：DPA：H₂O＝1：0.85：0.2：1.2：50。将溶胶装入聚四氟乙烯高压反应釜中，升温至175^oC（升温速率1^oC/min）晶化24h后。将晶化后的产物进行离心分离，所得固体产物用去离子水洗涤至pH=7~8，在120^oC下干燥处理12h，得到SAPO-11分子筛原粉；将SAPO-11分子筛原粉在580^oC（升温速率2^oC/min）焙烧6h后，得到SAPO-11分子筛命名为SAPO-11-D2。

对所得样品进行X-射线衍射表征，结果表明所合成样品为典型的SAPO-11分子筛，样品SEM扫描电镜表征结果显示所合成的样品的粒径在5~10μm。

实例-7

将实例-1与对比实例2所制备的SAPO-11分子筛进行铵离子交换，得到H型SAPO-11分子筛，进行压片筛分得到20~40目的颗粒作为催化剂载体，以氯铂酸溶液作为活性金属前驱体，采用等体积浸渍方法在载体上负载金属Pt，经过干燥、焙烧得到Pt含量为0.5wt%的Pt/SAPO-11催化剂，对以实例1与对比实例2所合成的SAPO-11分子筛为载体制备的催化剂分别命名为Pt/SAPO-11-SA，Pt/SAPO-11-D2。

在20mL的连续流动固定床加氢反应装置上，以正十六烷为模型化合物，对所制备的催化剂Pt/SAPO-11-SA，Pt/SAPO-11-D2进行临氢异构化活性评价。评价条件为：反应温度340^oC，反应压力8.0MPa，质量空速：1.5h^-1，氢/烷比50，其反应结果如表-1所示。

表-1正十六烷在催化剂Pt/SAPO-11-SA，Pt/SAPO-11-D2上的反应结果

从表中数据可以看出，在相同Pt负载量的情况下，小粒径SAPO-11分子筛为载体制备的催化剂对正十六烷具有较高的加氢异构活性与单甲基异构体的选择性，及较低的裂化产物选择性，这是因为小粒径SAPO-11分子筛具有较多的孔口及较大外表面积，为正十六烷异构化反应提供更多的反应活性位，较短的孔道，缩短了异构中间体在活性中心的停留时间，减少了炭正离子的裂化反应，从而提高了单甲基异构体的选择性并降低了裂化产物的选择性。

Claims

1.一种小粒径SAPO-11分子筛的合成方法，其特征在于：合成包括以下步骤：

将19.3g分析纯磷酸与60.0g去离子水在35℃水浴中混合均匀，加入15.2g拟薄水铝石，在35℃水浴中磁力搅拌0.5h，得到磷酸铝溶胶；加入24.0g质量浓度为10%的丙基三甲氧基硅烷甲醇溶液、丙基三乙氧基硅烷乙醇溶液或己基三乙氧基硅烷乙醇溶液，或者加入12.0g质量浓度为10%的丙基三乙氧基硅烷乙醇溶液，搅拌缓慢2h后，加入9.2g二正丙胺，继续搅拌0.5h至形成均匀溶胶，加入5.3g正硅酸乙酯，继续搅拌0.5h后，继续在恒温水浴中搅拌2h后，此反应体系中的物料摩尔比为Al₂O₃：P₂O₅：SiO₂：DPA：H₂O＝1：0.85：0.2：1.2：50；将溶胶装入聚四氟乙烯高压反应釜中，在130℃下老化12h后,升温速率1℃/min，得到烷基化SAPO-11晶种凝胶体系；

将45.0g所得晶种凝胶与45.0g环己烷、10.0g正丁醇放入三口烧瓶中，或者将30.0g所得晶种凝胶与60.0g环己烷、10.0g正丁醇放入三口烧瓶中；于60℃水浴中机械搅拌4h后，将溶胶装入聚四氟乙烯高压反应釜中，在130℃下老化2h，控制升温速率1℃/min；然后升温至175℃晶化24h，升温速率1℃/min；将晶化后的产物进行离心分离，所得固体产物用去离子水洗涤至pH=7-8，在120℃下干燥处理12h，得到SAPO-11分子筛原粉；将SAPO-11分子筛原粉在580℃焙烧6h，控制升温速率2℃/min后，得到小粒径SAPO-11分子筛。

2.一种小粒径SAPO-11分子筛的合成方法，其特征在于：合成包括以下步骤：

将19.3g磷酸与60.0g去离子水在35℃水浴中混合均匀，加入15.2g拟薄水铝石，在35℃水浴中磁力搅拌0.5h，得到磷酸铝溶胶；加入24.0g质量浓度为10%的辛基三甲氧基硅烷甲醇溶液，搅拌缓慢2h后，加入9.2g二正丙胺，继续搅拌0.5h至形成均匀溶胶，加入5.3g正硅酸乙酯，继续搅拌0.5h后，继续在恒温水浴中搅拌2h后，此反应体系中的物料摩尔比为Al₂O₃：P₂O₅：SiO₂：DPA：H₂O＝1：0.85：0.2：1.2：50；将溶胶装入聚四氟乙烯高压反应釜中，在130℃下老化12h后，得到烷基化SAPO-11晶种凝胶体系；

将所得50.0g晶种凝胶，40.0g辛烷，10.0g正丁醇放入三口烧瓶中，于60℃水浴中机械搅拌4h后，将溶胶装入聚四氟乙烯高压反应釜中，在130℃下老化2h，升温速率1℃/min；升温至175℃晶化24h，升温速率1℃/min；将晶化后的产物进行离心分离，所得固体产物用去离子水洗涤至pH=7-8，在120℃下干燥处理12h，得到SAPO-11分子筛原粉；将SAPO-11分子筛原粉在580℃焙烧6h，升温速率2℃/min后，得到SAPO-11分子筛。

3.按照权利要求1或2所述的合成方法得到小粒径SAPO-11分子筛在烃类异构化反应中的应用，其特征在于，包括以下步骤：

1)将制备得到的小粒径SAPO-11分子筛进行铵离子交换，得到H型SAPO-11分子筛；

2)进行压片筛分得到20~40目的颗粒作为催化剂载体，以贵金属溶液作为活性金属前驱体，采用等体积浸渍方法在载体上负载贵金属，其中所述的贵金属包括Pt、Pd、Au、Rh、Ir中的一种或几种，负载量为0.1wt%~1.0wt%，以金属单质的质量百分比计；

3)浸渍后的载体先于室温中养生4~12h，再于100~150℃烘箱中干燥4~12h，最后放置在马弗炉中程序升温至420~520℃焙烧2~8h，即得到成型催化剂；

4)催化剂在长链烃类异构化反应中工艺条件为：反应温度280~360℃，反应压力4.0~8.0MPa，质量空速：0.5~3.0h^-1，氢/烷比10~100。