CN103648614B - 使用分子筛ssz-28还原气流中的氮氧化物 - Google Patents

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Abstract

本发明通常涉及分子筛SSZ-28及其在还原气流如来自内燃机的废气中的氮氧化物中的用途。

Description

使用分子筛SSZ-28还原气流中的氮氧化物
技术领域
本发明通常涉及分子筛SSZ-28及其在还原气流中的氮氧化物中的用途。
背景
结晶分子筛和沸石由于其独特筛分特性以及其催化性质而特别适用于诸如烃转化、气体干燥和分离的应用。虽然已经公开了许多不同的结晶分子筛，但仍然需要具有气体分离和干燥、烃和化学品转化及其他应用所希望的性质的新型分子筛。
概述
根据本发明，提供还原气流中所包含的氮氧化物的方法，其中所述方法包括使所述气流与具有大于约20:1至约45:1的选自氧化硅、氧化锗及其混合物的氧化物与选自氧化铝、氧化镓、氧化铁、氧化硼及其混合物的氧化物的摩尔比的结晶分子筛接触。所述分子筛在煅烧之后具有表2的X-射线衍射谱线。所述分子筛可含有能够催化氮氧化物的还原的金属或金属离子（例如，钴、铜、铂、铁、铬、锰、镍、锌、镧、钯、铑或其混合物），且所述方法可在存在化学计量过量的氧气下进行。在一个实施方案中，所述气流为内燃机的排出流。
发明详述
本发明包括在本文中称为“分子筛SSZ-28”或简称为“SSZ-28”的分子筛。分子筛SSZ-28及其制备方法公开在美国专利5,200,377号和5,785,947号中。
在制备SSZ-28的过程中，可使用N,N-二甲基托品鎓（dimethyltropinium）或N,N-二甲基-3-氮鎓双环[3.2.2]壬烷阳离子作为结构导向剂（“SDA”），也称作结晶模板。可用于制造SSZ-28的SDA由以下结构（1）和（2）表示：
该SDA阳离子与可为对SSZ-28的合成没有损害的任何阴离子的阴离子缔合。代表性阴离子包括卤素（例如，氟离子、氯离子、溴离子和碘离子）、氢氧化根、乙酸根、硫酸根、四氟硼酸根、羧酸根等。所述SDA可用于提供氢氧根离子。因此，其可有益于离子交换，例如卤离子与氢氧根离子交换。
一般来说，SSZ-28通过在存在氢氧根离子下使以下物质接触来制备：（1）选自氧化硅、氧化锗及其混合物的氧化物、（2）选自氧化铝、氧化镓、氧化铁、氧化硼及其混合物的氧化物、（3）选自N,N-二甲基托品鎓和N,N-二甲基-3-氮鎓双环[3.2.2]壬烷阳离子的结构导向剂。
SSZ-28由包含按摩尔比计的以下物质的反应混合物制备：
典型的 例示性的
YO2/X2O3 20至<50 30至45
OH-/YO2 0.10至0.45 0.20至0.40
Q/YO2 0.05至0.50 0.10至0.20
M+/YO2 0.05至0.30 0.15至0.30
H2O/YO2 20至300 25至60
Z/YO2 0至1.0 0.20至0.40
其中Y选自硅、锗及其混合物；X选自铝、镓、铁、硼及其混合物；Q为选自N,N-二甲基托品鎓和N,N-二甲基-3-氮鎓双环[3.2.2]壬烷阳离子的结构导向剂；M为碱金属阳离子；且Z为包括至少一种选自具有1-8个碳原子的胺、氢氧化铵及其混合物的胺组分。
氧化铝的典型来源包括铝酸盐、氧化铝和铝化合物如AlCl3、Al2(SO4)3、Al(OH)3、高岭粘土及其他沸石。氧化铝的来源的实例有LZ-210沸石（一类Y沸石）。
氧化硅的典型来源包括硅酸盐、氧化硅水凝胶、硅酸、胶体氧化硅、熔凝硅石、四烷基正硅酸盐和氧化硅氢氧化物。镓、铁、硼和锗可以与其铝和硅对应物相当的形式加入。盐（尤其是碱金属卤化物如氯化钠）可加入反应混合物中或在反应混合物中形成。
所述反应混合物可任选包含包括至少一种选自具有1-8个碳原子的胺、氢氧化铵及其混合物的胺组分（Z）。这些胺的非限制性实例包括异丙胺、异丁胺、正丁胺、哌啶、4-甲基哌啶、环己胺、叔辛胺、环戊胺及其混合物。使用这些胺可容许所使用的结构导向剂的量减少，带来显著的成本节约。通过使用所述胺组分，可将结构导向剂的量减少到低于填充分子筛的微孔体积所需要的水平，即该量小于在缺乏所述胺组分的情况下使分子筛结晶所需要的量。另外，在与晶种组合使用时，使用所述胺组分可促进晶体更快地生长。使用胺组分制备SSZ-28的方法公开在美国专利5,785,947号中。
在实践中，SSZ-28通过包括以下步骤的方法制备：（a）制备包含以下物质的水溶液：（1）选自氧化硅、氧化锗及其混合物的氧化物、（2）选自氧化铝、氧化镓、氧化铁、氧化硼及其混合物的氧化物、（3）选自具有对SSZ-28的形成没有损害的阴离子抗衡离子的N,N-二甲基托品鎓和N,N-二甲基-3-氮鎓双环[3.2.2]壬烷阳离子的结构导向剂和（4）碱金属阳离子；（b）维持所述水溶液处于足以形成SSZ-28晶体的条件下；和（c）回收所述SSZ-28晶体。
将所述反应混合物维持在高温下，直至形成SSZ-28的晶体。水热结晶通常在自生压力下在100℃和200℃之间、通常在135℃和180℃之间的温度下进行。结晶期通常大于1天且通常为约5天-约10天。所述分子筛可使用温和搅拌或搅动制备。
在所述水热结晶步骤期间，可允许所述SSZ-28晶体由所述反应混合物自发地成核。使用SSZ-28晶体作为晶种材料在减少实现结晶发生所需要的时间方面可为有利的。另外，相对于任何不希望有的相，播种可使得通过促进SSZ-28成核和/或形成而获得的产物的纯度增加。当作为晶种使用时，SSZ-28以占在所述反应混合物中使用的选自氧化硅、氧化锗及其混合物的氧化物的0.1重量%和10重量%之间的量加入。
一旦形成了分子筛晶体，就通过标准的机械分离技术如过滤将固体产物从所述反应混合物中分离。将晶体水洗且随后例如在90℃-150℃下干燥8-24小时，以获得原样合成的SSZ-28晶体。所述干燥步骤可在大气压力下或在真空下进行。
原样合成（即，在从SSZ-28中除去SDA之前）且以无水状态的SSZ-28具有包含以下物质（按摩尔比计）的组成：
（0.1至2）Q:（0至1.0）Z:（0.1至2.0）M:X2O3:（20至<50）YO2，其中Q为选自N,N-二甲基托品鎓或N,N-二甲基-3-氮鎓双环[3.2.2]壬烷阳离子的结构导向剂；Z为包括至少一种选自具有1-8个碳原子的胺、氢氧化铵及其混合物的胺组分；M为碱金属阳离子；X选自铝、镓、铁、硼及其混合物；且Y选自硅、锗及其混合物。在制备时，YO2/X2O3摩尔比通常在30约45范围内。在一个实施方案中，SSZ-28为硅酸铝，其中X为铝且Y为硅。
SSZ-28可通过其X-射线衍射图表征。原样合成的SSZ-28具有其X-射线粉末衍射图表现出在表1中所示的特征谱线的结晶结构。
表1
原样合成的SSZ-28
（a）±0.20
（b）X射线图基于相对强度标度，其中在该X射线图中最强谱线分配100的数值：W（弱）小于20；M（中等）在20和40之间；S（强）在40和60之间；VS（非常强）大于60。
结晶SSZ-28可以原样合成的形式使用，但优选将被热处理（煅烧）。通常，希望通过离子交换除去碱金属阳离子（如果有的话）并用氢、铵或任何希望的金属离子置换来它。
在煅烧之后，SSZ-28的X-射线粉末衍射图表现出在下表2中所示的特征谱线。
表2
煅烧的SSZ-28
（a）±0.20
（b）X射线图案基于相对强度标度，其中在X射线图中的最强谱线分配100的数值：W（弱）小于20；M（中等）在20和40之间；S（强）在40和60之间；VS（非常强）大于60。
（c）可具有很不同的强度
X-射线粉末衍射图通过标准技术测定。辐射为CuKα辐射。作为2θ函数的峰值高度和位置由峰值的相对强度读出，其中θ为布拉格角（Braggangle），且可计算d，即对应于所记录的谱线的晶面间距（纳米）。
由于仪表误差和在各个样品之间的不同引起的散射角（2θ）测量的变化估计为±0.20度。与“原样合成的”材料的图案相比，煅烧可引起峰值强度改变，以及衍射图的少许位移。
SSZ-28可成形为各种物理形状。一般来说，分子筛可为粉末、颗粒或成品产物形式，诸如具有足以穿过2-目（Tyler）筛并保留在400-目（Tyler）筛上的粒度的挤出物。在催化剂诸如通过与有机粘合剂一起挤出成型的情况下，可将SSZ-28挤出，之后干燥，或者可将SSZ-28干燥或部分干燥且随后挤出。
SSZ-28可与耐受在转化工艺中采用的温度和其他条件的其他材料复合。这种基质材料包括活性和非活性材料及合成或天然存在的沸石以及无机材料如粘土、氧化硅和金属氧化物。所述材料和可使用它们的方式的实例公开在美国专利4,910,006号和美国专利5,316,753号中。
SSZ-28可用于催化还原气流中的氮氧化物。通常，所述气流还含有常常化学计量过量的氧气。并且，所述分子筛可在其内或在其上含有能够催化所述氮氧化物的还原的金属或金属离子。所述金属或金属离子的实例包括钴、铜、铂、铁、铬、锰、镍、锌、镧、钯、铑及其混合物。
在沸石存在下催化还原氮氧化物的这种方法的一个实例公开在美国专利4,297,328号中。在此，该催化方法为燃烧一氧化碳和烃并催化还原包含在气流如来自内燃机的排出气体中的氮氧化物。所使用的沸石为充分金属离子交换、掺杂或负载的，以在所述沸石内或所述沸石上提供有效量的催化的铜金属或铜离子。另外，所述方法在过量的氧化剂如氧气中进行。
实施例
给出以下实施例来说明本发明。然而，应该理解本发明不限于在这些实施例中所描述的具体条件或细节。
实施例1
SSZ-28的合成
将4.5克根据美国专利5,200,377号的实施例1制备的N,N-二甲基托品鎓氢氧化物的0.67M溶液与6mL水和0.103gKOH（固体）混合。在溶解之后，在使用磁力搅拌棒搅拌的情况下加入2.36gAS-30胶体氧化硅（30%SiO2）。最后加入0.78gNalco1SJ612硅石上氧化铝（30%固体，总共4%Al2O3）。将反应物装载到Parr4745反应器中，密封并装载到在BlueM烘箱中的旋转罩（rotatingspit）上。将反应器在30rpm下旋转，同时在175℃下加热6天。产物（在过滤、用蒸馏水洗涤且在空气中干燥并且随后在100℃下干燥之后）为通过粉末X-射线衍射测定的称为SSZ-28的结晶材料。
实施例2
SSZ-28的煅烧
将来自实施例1的材料在马弗炉中经7小时的时间在稳定增加的速率下从室温加热到540℃。将样品在540℃下维持4小时以上且随后历时另外4小时处理到600℃。在加热期间使空气和氮气的50/50混合物以20标准立方英尺/分钟的速率穿过分子筛。
对于本说明书和附加权利要求书的目的，除非另为陈述，否则应理解所有表述量、百分数或比例的数字及在本说明书和附加权利要求书中使用的其他数值在所有情况下都由术语“约”修饰。因此，除非指出相反情况，否则以下说明书和随附权利要求书中陈述的数值参数都是近似值，其可以根据设法通过本发明获得的所要性质而改变。应该注意到，如在本说明书和随附权利要求书中所使用，除非明确且肯定地局限于一个/种对象，否则单数形式“一”和“该”包括多个/种对象。在本文中所使用的术语“包括”及其语法变体意图为非限制性的，使得对在清单中的各项的叙述并不排除可取代所列项或加到所列项中的其他类似项。在本文中所使用的术语“包含”是指包括在该术语之后识别的元件或步骤，但并未穷举所有这样的元件或步骤，且一个实施方案可包括其他元件或步骤。
此撰写的说明书使用实施例来公开本发明（包括最佳方式）以及使得任何本领域的技术人员能够获得并使用本发明。本发明的可取得专利权的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员能想到的其他实施例。如果这类其他实施例具有没有不同于权利要求书的文字语言的结构要素，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言没有实质差别的等效结构要素，则这些实施例意图在权利要求书的范围内。对于与其不一致的程度，本文提到的所有引文都通过引用的方式结合到本文中。

Claims (6)

1.还原气流中所包含的氮氧化物的方法，其中所述方法包括使所述气流与结晶分子筛接触,所述结晶分子筛具有20:1至45:1的选自氧化硅、氧化锗及其混合物的氧化物与选自氧化铝、氧化镓、氧化铁、氧化硼及其混合物的氧化物的摩尔比且在煅烧后具有表2的X-射线衍射谱线：
表2
煅烧的SSZ-28
(a)±0.20
(b)X射线图案基于相对强度标度，其中在X射线图中的最强谱线分配100的数值：W(弱)小于20；M(中等)在20和40之间；S(强)在40和60之间；VS(非常强)大于60
(c)可具有很不同的强度。
2.权利要求1的方法，其在存在氧气下进行。
3.权利要求1的方法，其中所述分子筛含有能够催化所述氮氧化物的还原的金属或金属离子。
4.权利要求3的方法，其中所述金属为钴、铜、铂、铁、铬、锰、镍、锌、镧、钯、铑或其混合物。
5.权利要求1的方法，其中所述气流为内燃机的排出流。
6.权利要求4的方法，其中所述气流为内燃机的排出流。
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