CN105460944A - 层状结构sapo分子筛材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种层状结构硅磷铝SAPO分子筛的制备方法，主要解决现有技术难以获得具有多级孔结构SAPO分子筛的问题。本发明通过采用结构导向剂R1、水、有机模板剂R2、磷源、铝源和碱处理的硅源的混合物在-20℃～100℃条件下水解得到溶胶，然后将其置于反应釜中进行晶化；晶化结束后对样品进行洗涤、干燥和焙烧得到层状结构SAPO分子筛的技术方案，较好地解决了该问题，可用于多级孔结构分子筛的工业生产中。

Description

层状结构SAPO分子筛材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种层状结构SAPO分子筛及其制备方法。
背景技术
SAPO-34分子筛是美国联合碳化物公司(UCC)开发的磷酸硅铝系列的分子筛，其具有适宜的酸性和孔道结构、较大的比表面积、较好的吸附性能以及热稳定性和水热稳定性，目前可以说是促进甲醇制烯烃反应过程的最优催化剂。然而，作为一个典型的气-固非均相反应，SAPO-34分子筛孔道内极易因内外扩散阻力而产生积碳，加上反应本身的强放热特性，从而导致催化剂快速失活。
为解决以上问题，近年来研究者从孔结构和晶体尺寸等不同角度采取一系列手段来改善催化剂的性能，研究结果表明：多级孔结构的SAPO-34分子筛有利于催化性能的提高，特别是介孔的存在，它有利于缩短反应物及产物分子的扩散路径，减弱扩散的限制(SelvinR.,HsuH.L，HerT.M.CatalysisCommunications[J],2008,10,169；BiY.Sh.，LüG.X..Chem.J.ChineseUniversities[J],2009,30(1),129)，以提高其在MTO反应中的抗积炭失活能力从而延长催化剂寿命。目前，有关多级孔结构SAPO-34分子筛的报道较少，主要有以下方法：陈璐等采用多功能长链有机硅烷为介孔模板剂一步合成了具有多级孔道和较低酸性的SAPO-34分子筛(陈璐，王润伟，丁双等.高等学校化学学报，2010，31(9)：1693-1696.)。Yang等以四乙基氢氧化铵(TEAOH)为介孔模板剂将干凝胶转化为具有多级孔道的SAPO-34分子筛，相比传统的SAPO-34在甲醇转化制低碳烯烃(MTO)反应中表现出更高的催化活性(YangHeqin，LiuZhicheng，GaoHuanxin，etal.J.Mater.Chem.，2010，20：3227-3231.)。除此之外，Zhu和Liu等研究了以高岭土和SBA-15为原料水热一步法合成具有微孔-介孔多级结构的SAPO-34分子筛(ZhuJie，GuiYu，WangYao，etal.Chem.Commun.，2009，3282-3284；LiuYuanlin,WangLingzhi,ZhangJinlong,etal.MicroporousandMesoporousMaterials145(2011)150-156)。
尽管各国研究人员开发出众多的多级孔结构分子筛的合成方法，但目前多级孔结构SAPO分子筛的制备仍是合成领域中的难点之一。由此可见，开发一种制备过程简单，对环境友好并且具有较好传质性能的多级孔结构硅磷铝分子筛的制备方法是实现和扩大其实际应用的关键所在。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是现有的SAPO分子筛扩散性能较差的问题。本发明提供了一种新的多级孔结构SAPO分子筛，该材料具有较好的扩散性能。
本发明所要解决的技术之二是提供一种新的解决技术问题之一的多级孔结构的SAPO分子筛的制备方法。
本发明所要解决的技术之三是提供一种新的解决技术问题之一的多级孔结构的SAPO分子筛的用途。
为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种多级孔结构SAPO分子筛，其特征在于微孔孔径分布为0.1～0.7纳米；介孔孔径分布为2～50纳米；比表面积为100～1300m2·g-1；孔容为0.05～1.5cm3·g–1；介孔孔容1～90％，微孔孔容占1％～90％。
上述技术方案中，优选的技术方案为微孔孔径分布在0.2～0.6纳米；介孔孔径分布为2.5～40纳米；比表面积为200～1100m2·g-1；孔容为0.1～1.4cm3·g–1；介孔孔容10％～80％，微孔孔容占10％～80％。
为解决上述技术问题之二，本发明采用的技术方案如下：一种多级孔结构SAPO分子筛的制备方法，包括以下步骤：
a)首先将硅源在碱溶液中加热回流数小时；
b)将结构导向剂R1、水、有机模板剂R2、磷源、铝源和碱处理的硅源的混合物在-20℃～100℃条件下，水解得到硅磷铝氧化物溶胶，其中，磷源按理论生成P2O5量计、铝源按理论生成Al2O3量计、硅源按理论生成SiO2量计，混合物重量比组成为：R1/Al2O3＝0.01～1.0；R2/Al2O3＝0.1～30；H2O/Al2O3＝2.56～15.37；SiO2/Al2O3＝0.03～0.90；P2O5/Al2O3＝0.05～2.80；
c)将上述硅磷铝氧化物置于反应釜中，在150～220℃下晶化0.1～4天；反应结束后对样品进行洗涤、干燥和焙烧得到多级孔结构SAPO分子筛；
其中结构导向剂R1选自三嵌段共聚物、长链烷基三甲基卤化氨((CH3)nN+(CH3)3X-)、柠檬酸、酒石酸、苹果酸或乳酸中的至少一种；其中三嵌段共聚物是聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯，其平均分子量为1500～10000；长链烷基三甲基卤化氨的碳链长度为8～18，X为Cl或者Br。
上述技术方案中，硅源选自硅溶胶，正硅酸四甲酯、正硅酸四乙酯、正硅酸四丙酯、正硅酸四丁酯或硅溶胶中的至少一种；铝源选自异丙醇铝、拟薄水铝石、氧化铝、硝酸铝、氯化铝或硫酸铝中的至少一种；磷源选自磷酸、磷酸铵、磷酸氢二铵、磷酸氢铵、磷酸钾、磷酸氢二钾、磷酸氢钾、磷酸钠、磷酸氢二钠或磷酸氢钠中的至少一种。步骤a)中处理硅源的温度优选范围为40～110℃，处理时间为1.5～22小时。步骤b)中混合物重量比组成优选范围为：R1/Al2O3＝0.02～0.9；R2/Al2O3＝0.5～20；H2O/Al2O3＝3.00～13.00；SiO2/Al2O3＝0.07～0.80；P2O5/Al2O3＝0.06～2.30之间。步骤b)中有机胺模板剂优选方案为四乙基氢氧化胺、四乙基溴化铵、三乙胺或乙二胺中的至少一种。步骤c)中晶化温度优选范围为160～200℃，晶化时间为0.2～3天。
为解决上述技术问题之二，本发明采用的技术方案如下：一种甲醇转化制低碳烯烃的方法，以甲醇为原料，在反应温度为300～650℃，反应表压力为0.01MPa～1MPa，反应重量空速为0.1～6h-1，水/原料重量比为0～6的条件下，原料通过催化剂床层与催化剂接触，反应生成低碳烯烃，所用的催化剂为多级孔结构SAPO分子筛，其微孔孔径分布为0.1～0.7纳米；介孔孔径分布为2～50纳米；比表面积为100～1300m2·g-1；孔容为0.05～1.5cm3·g–1；介孔孔容1～90％，微孔孔容占1％～90％。
上述技术方案中，优选的技术方案为反应温度为350～600℃；反应表压力为0.1MPa～0.8MPa；反应重量空速为0.2～5小时-1；水/原料重量比为0.1～5。
目前，多级孔结构的分子筛主要集中在硅铝分子筛上，对于多级孔结构的硅磷铝氧化物分子筛的制备方法报道较少。本发明首先通过对硅源进行碱处理，然后通过与铝源、磷源和模板剂混合得到多级孔结构硅磷铝分子筛，并且通过调节晶化时间和温度可以得到不同晶化程度的分子筛材料。这种方法制备过程简单，容易控制，结晶度高，取得了较好的技术效果。
目前，甲醇转化制低碳烯烃的反应中普遍存在催化剂失活速度快；乙烯和丙烯的选择性低，收率低的问题。这主要是由于催化剂扩散性能差，导致易积碳引起的。积碳主要从两方面影响催化剂的活性:一方面是积碳覆盖催化剂的活性位导致失活；另一方面是积碳堵塞催化剂的孔道，使得反应物无法扩散到达活性位或者产物无法扩散出催化剂孔道。本发明采用多级孔结构的SAPO分子筛作为甲醇转化制低碳烯烃的催化剂，由于其介孔结构有利于反应物分子与催化剂的活性中心接触，同时也有利于反应产物快速扩散出催化剂的孔道，从而减少积炭的生成，使其催化性能比以往催化剂有了明显改善，同时通过调节反应条件，使乙烯、丙烯的选择性和收率明显提高，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1为【实施例1】得到的多级孔结构SAPO分子筛的扫描电镜(SEM)照片。
图2为【实施例1】得到的多级孔结构SAPO分子筛的孔结构分布图。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。
具体实施方式
【实施例1】
1克P123(三嵌段共聚物)和45克去离子水混合均匀,再向其依次加入12.3克异丙醇铝、11.97克正磷酸(85％重量)，充分搅拌后形成溶液a；60克四乙基氢氧化铵(25％重量)和6克硅溶胶(40％重量)混合均匀形成溶液b；a和b经混合后在室温下搅拌6小时得到合成SAPO-34分子筛的晶化液；将配制好的晶化液在室温下搅拌陈化24h，陈化好的晶化液装入带有聚四氟乙烯内衬的晶化釜中，于200℃下晶化24小时；
各组分的重量比为：R1/Al2O3＝0.2；R2/Al2O3＝10；H2O/Al2O3＝7；SiO2/Al2O3＝0.4；P2O5/Al2O3＝1.1，其中R1，R2分别代表P123(三嵌段共聚物)和TEAOH(四乙基氢氧化铵)。
所得产物经洗涤、离心、110℃烘干得固体样品，XRD结果表明，所得产品为SAPO-34分子筛原粉。SEM见图1，孔径分布见图2。
【实施例2～14】
按照【实施例1】的各个步骤及条件，制得多级孔结构分子筛，只是改变原料(表1)配比、结构导向剂R2的种类(聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(分子量12000，F127)、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(分子量2900，L64)、十六烷基三甲基溴化氨CTAB、柠檬酸CA、乳酸LA、酒石酸TA、苹果酸MA)、碱的种类、碱处理温度等参数，具体列于表1。合成的产物经表征说明其结果具有与【实施例1】、产物相似的晶体结构，其具体的物化参数见表2。
表1
表2
【实施例15】
采用固定床催化反应装置，反应器为不锈钢管，对实施例1制备的催化剂和传统方法制备的立方状催化剂进行甲醇转化制低碳烯烃反应活性评价，考察所用的工艺条件为：催化剂装填量0.5g，反应温度为450℃，反应压力为0.1MPa，水/原料重量比为0.25，重量空速为1h-1。全产物在线分析。考评结果如表3所示。
表3
【实施例16～18】
按照【实施例15】所用的工艺条件对实施例1制备的催化剂进行甲醇转化制低碳烯烃反应活性评价，只是改变反应温度，考评结果如表4所示。
表4
【实施例19～21】
按照【实施例15】所用的工艺条件对实施例3制备的催化剂进行甲醇转化制低碳烯烃反应活性评价，只是改变反应压力，考评结果如表5所示。
表5
【实施例22～24】
按照【实施例15】所用的工艺条件对实施例3制备的催化剂进行甲醇转化制低碳烯烃反应活性评价，只是改变重量空速，考评结果如表6所示。
表6
【实施例25～27】
按照【实施例15】所用的工艺条件对实施例3制备的催化剂进行甲醇转化制低碳烯烃反应活性评价，只是改变水/原料重量比，考评结果如表7所示。
表7
【比较例1】用传统的SAPO-34分子筛为催化剂
按照【实施例15】所用的工艺条件对实施例1制备的催化剂(A)和传统方法制备的催化剂(B)进行甲醇转化制低碳烯烃反应活性评价。考评结果如表8所示。
表8

Claims (10)

1.一种多级孔结构SAPO分子筛，其特征在于微孔孔径分布为0.1～0.7纳米；介孔孔径分布为2～50纳米；比表面积为100～1300m2·g-1；孔容为0.05～1.5cm3·g–1；介孔孔容1～90％，微孔孔容占1％～90％。
2.根据权利要求1所述多级孔结构SAPO分子筛，其特征在于微孔孔径分布为0.2～0.6纳米；介孔孔径分布为2.5～40纳米；比表面积为200～1100m2·g-1；孔容为0.1～1.4cm3·g–1；介孔孔容10％～80％，微孔孔容占10％～80％。
3.权利要求1所述的多级孔结构SAPO分子筛的制备方法，包括以下步骤：
a)将硅源在碱溶液中加热回流数小时，进行碱处理；
b)将结构导向剂R1、水、有机模板剂R2、磷源、铝源和碱处理的硅源的混合物在-20℃～100℃条件下，水解得到硅磷铝氧化物溶胶，其中，磷源按理论生成P2O5量计、铝源按理论生成Al2O3量计、硅源按理论生成SiO2量计，混合物重量比组成为：R1/Al2O3＝0.01～1.0；R2/Al2O3＝0.1～30；H2O/Al2O3＝2.56～15.37；SiO2/Al2O3＝0.03～0.90；P2O5/Al2O3＝0.05～2.80；
c)将上述硅磷铝氧化物置于反应釜中，在150～220℃下晶化0.1～4天；反应结束后对样品进行洗涤、干燥和焙烧得到多级孔结构SAPO分子筛；
其中结构导向剂R1选自三嵌段共聚物、长链烷基三甲基卤化氨((CH3)nN+(CH3)3X-)、柠檬酸、酒石酸、苹果酸或乳酸中的至少一种；其中三嵌段共聚物是聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯，其平均分子量为1500～10000；长链烷基三甲基卤化氨的碳链长度为8～18，X为Cl或者Br。
碱处理的硅源选自硅溶胶，正硅酸四甲酯、正硅酸四乙酯、正硅酸四丙酯、正硅酸四丁酯或硅溶胶中的至少一种；铝源选自异丙醇铝、拟薄水铝石、氧化铝、硝酸铝、氯化铝或硫酸铝中的至少一种；磷源选自磷酸、磷酸铵、磷酸氢二铵、磷酸氢铵、磷酸钾、磷酸氢二钾、磷酸氢钾、磷酸钠、磷酸氢二钠或磷酸氢钠中的至少一种；步骤a)中处理硅源的碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、四乙基氢氧化胺、四乙基溴化铵、三乙胺或乙二胺中的至少一种。
4.根据权利要求3所述多级孔结构SAPO分子筛的制备方法，其特征在于步骤a)中处理硅源的温度为30～120℃，处理时间为1～24小时。
5.根据权利要求3所述多级孔结构SAPO分子筛的制备方法，其特征在于步骤b)中混合物重量比组成选自：R1/Al2O3＝0.02～0.9；R2/Al2O3＝0.5～20；H2O/Al2O3＝3.00～13.00；SiO2/Al2O3＝0.07～0.80；P2O5/Al2O3＝0.06～2.30之间。
6.根据权利要求3所述多级孔结构SAPO分子筛的制备方法，其特征在于步骤b)中处理硅源的碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、四乙基氢氧化胺、四乙基溴化铵、三乙胺或乙二胺中的至少一种。
7.根据权利要求6所述多级孔结构SAPO分子筛的制备方法，其特征在于步骤c)中有机胺模板剂选自四乙基氢氧化胺、四乙基溴化铵、三乙胺或乙二胺中的至少一种。
8.根据权利要求3所述多级孔结构SAPO分子筛的制备方法，其特征在于步骤c)中晶化温度为160～200℃，晶化时间为0.2～3天。
9.一种甲醇转化制低碳烯烃的方法，以甲醇为原料，在反应温度为300～650℃，反应表压力为0.01MPa～1MPa，反应重量空速为0.1～6h-1，水/原料重量比为0～6的条件下，原料通过催化剂床层与催化剂接触，反应生成低碳烯烃，所用的催化剂为多级孔结构SAPO分子筛，其微孔孔径分布为0.1～0.7纳米；介孔孔径分布为2～50纳米；比表面积为100～1300m2·g-1；孔容为0.05～1.5cm3·g–1；介孔孔容1～90％，微孔孔容占1％～90％。
10.根据权利要求9所述甲醇转化制低碳烯烃的方法，其特征在于反应温度为350～600℃；反应表压力为0.1MPa～0.8MPa；反应重量空速为0.2～5小时-1；水/原料重量比为0.1～5。
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