以环己胺作为模板剂的晶种法合成硅铝MCM-49沸石的方法
技术领域
本发明属于分子筛制备方法,特别是涉及新模板及新路线合成硅铝MCM-49沸石分子筛。
背景技术
MCM-49沸石是由Mobil公司在上世纪90年代初期开发的一种新型分子筛。其具有两套互不交叉的独立孔道结构,分别为0.4×0.59nm的层内孔径以及通过0.4×0.54nm十元环开口与外部相连通的直径为0.71×0.71×1.82nm的超笼。MCM-49沸石分子筛由于其独特的孔道结构在烷基化、异构化等反应中显示出优异的催化性能。
然而,在其合成过程中,通常需要使用价格较贵的高哌啶或六亚甲基亚胺为有机模板剂,这大大增加了合成成本。另一方面,合成通常是在水热条件下进行的,大量溶剂水的使用不仅浪费水资源,而且导致大量废液的排放以及在反应釜中大量水的存在降低了产品的产率。
US 5173281(1992)报道了在水热条件下使用低成本的环己胺来合成沸石,但是合成得到的产品中具有大量的FER沸石。CN103848433B(2012)报道了使用二元模板剂六亚甲基亚胺-环己胺来合成MCM-49沸石,其中引入第二种模板环己胺大大减少了六亚甲基亚胺的使用,虽然一定程度上降低了模板剂的成本,但是仍然存在使用高成本的有机模板剂六亚甲基亚胺的问题。CN104402021A(2014)报道了一种干胶转化的方法来合成MCM-49沸石。这种合成方法大大的提高了产品的产率,但是在这个过程中还是需要使用大量的溶剂水,导致了废液的排放。
最近,肖丰收课题组等发展了一种晶种法来合成沸石的方法。在合成中加入少量的沸石晶种可以实现沸石合成晶化。在这种方法指导下,Beta,ZSM-12,ZSM-23等沸石已经成功地合成。这表明晶种在沸石产品的合成中能够起到导向作用。最近,Okubo课题组报道了一种晶种法合成MWW的方法,但是在该方法合成中只有当晶种的投入量为20%时,才能得到相应的产品。另一方面,该小组还发展了一种无溶剂法来合成沸石分子筛,这种方法有许多的优点,如高的沸石产率,减少废物的排放,操作简单,减少了反应的压力。然而,由于当前在不投入有机物环己胺的情况下,晶种法合成MCM-49沸石的产率极低并且晶种的投入量极大,这对于该沸石合成成本的降低是不利的。另一方面,在该合成中大量的溶剂水被使用,又极大地降低了该沸石合成的效率。因此,晶种法合成硅铝的MCM-49沸石仍存在一些严重的技术障碍。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,克服现有技术中的不足,提供一种以环己胺作为模板剂的晶种法合成硅铝MCM-49沸石的方法。
为解决技术问题,本发明的解决方案是:
提供一种以环己胺作为模板剂的晶种法合成硅铝MCM-49沸石的方法(水热条件),包括下述步骤:
(1)将去离子水与铝源混合均匀后,向其中加入碱源;然后在搅拌下加入硅源和作为模板剂的环己胺,继续搅拌直到呈凝胶状;
控制添加量,使原料中SiO2∶Al2O3∶Na2O∶H2O∶模板剂的摩尔比为1∶0.02~0.1∶0.06~0.22∶7-12∶0.3-0.6;
(2)将MCM-49沸石晶种加入凝胶状的混合物中,控制沸石晶种与硅源的质量比为1~10%;搅拌后移至反应釜中进行晶化反应,反应温度120~200℃、反应时间12~192h;产物抽滤后烘干,得到MCM-49沸石原粉。
本发明中,所述硅源是二氧化硅的质量含量为30.5%的硅溶胶,铝源为偏铝酸钠,碱源是NaOH。
本发明进一步提供了一种以环己胺作为模板剂的晶种法合成硅铝MCM-49沸石的方法(固相条件),包括下述步骤:
(1)将硅源、铝源、碱源、晶种和作为模板剂的环己胺加入研钵中,进行研磨;
控制添加量,使原料中SiO2∶Al2O3∶Na2O∶模板剂的摩尔比为1∶0.05∶0.13~0.31∶0.1-0.3,晶种与硅源的质量比为1~10%;
(2)将研磨后的混合物转至反应釜中进行晶化反应,反应温度120~200℃、反应时间10~168h;产物抽滤后烘干,得到MCM-49沸石原粉。
本发明中,所述硅源是固体硅胶或白炭黑,铝源为十八水硫酸铝,碱源是NaOH。
发明原理描述:
本发明提供了在MCM-49沸石晶种存在下单一地使用低成本的环己胺为有机模板剂在水热条件以及固相条件下实现MCM-49合成的方法。
在现有技术中,已存在以环己胺作为部分模板剂用于合成MCM-49沸石的技术,但仍必须使用有机模板剂六亚甲基亚胺,这大大增加了沸石合成的成本。晶种法合成该类硅铝沸石也已经被报道,但是其合成产品的产率极低。
本发明中,通过使用廉价的环已胺为模板剂结合晶种法来合成MCM-49沸石,不仅极大地降低了沸石合成的成本,而且极大的提高了产率。在此合成中,物料的投料比例是合成产品的重要因素。通常的水热合成虽然在一定程度上提高了产率和降低了成本,但是作为溶剂大量使用的水使得总体上的合成效率还是偏低。因此,本发明将廉价的环己胺用于固相条件(以及水热条件)下晶种法合成MCM-49沸石,实现单釜效率的巨大提升。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1、本发明利用在晶种辅助下使用廉价环己胺有机模板剂来合成MCM-49沸石分子筛,不但降低了合成成本,而且极大地提高了生产效率。
2、与现有技术所得产品相比,本发明所得产品在保持了良好的结晶度和纯度的同时,还具有良好的催化反应活性。
3、本发明整个生产过程成本低、效率高;生产所采用的原料均对环境友好,价格较低廉,因而本发明在实际化工生产领域具有重要意义。
附图说明
图1:水热条件下所合成MCM-49沸石的XRD图;
图2:水热条件下所合成MCM-49沸石的SEM图;
图3:固相条件下所合成MCM-49沸石的XRD图;
图4:固相条件下所合成MCM-49沸石的SEM图。
具体实施方式
实施例1:水热条件下合成MCM-49沸石分子筛
首先,将1.3g去离子水与0.13g偏铝酸钠混合均匀,再向其中加入0.1gNaOH,之后在搅拌下加入3.32g硅溶胶(二氧化硅的质量含量为30.5%)以及1g环己胺(CHA),,继续搅拌直到呈凝胶状;加入MCM-49分子筛做晶种(晶种量以占投入SiO2的5%质量百分比计算)。将反应原料移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,150℃静态晶化48h即完全晶化。产物抽滤,烘干后得到MCM-49沸石原粉。
反应原料的配比如下:
1SiO2:0.033Al2O3:0.12Na2O:12H2O:0.6CHA,晶种与硅源的质量比为5%。
经X射线衍射分析其结构为MCM-49沸石分子筛,而且通过扫描电镜照片可以看出得到了片状形貌(图1和图2)。
实施例2:水热条件下高温合成MCM-49沸石分子筛
首先,将0.7g去离子水与0.08g偏铝酸钠混合均匀,再向其中加入0.05g NaOH,之后在搅拌下加入3.32g硅溶胶(二氧化硅的质量含量为30.5%)以及0.75g环己胺(CHA),继续搅拌直到呈凝胶状;加入MCM-49分子筛做晶种(晶种量以占投入SiO2的10%质量百分比计算)。将反应原料移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,200℃静态晶化12h即完全晶化,产物抽滤,烘干后得到MCM-49沸石原粉。
反应原料的配比如下:
1SiO2:0.02Al2O3:0.06Na2O:10H2O:0.45CHA.晶种与硅源的质量比为10%。
实施例3:水热条件下低温合成MCM-49沸石分子筛
首先,将3.32g硅溶胶(二氧化硅的质量含量为30.5%)与0.4g偏铝酸钠混合均匀,再向其中加入0.1g NaOH,之后在搅拌下加入0.5g环己胺(CHA),继续搅拌直到呈凝胶状;加入MCM-49分子筛做晶种(晶种量以占投入SiO2的1%质量百分比计算)。将反应原料移至聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,120℃静态晶化192h即完全晶化,产物抽滤,烘干后得到MCM-49沸石原粉。
反应原料的配比如下:
1SiO2:0.1Al2O3:0.22Na2O:7H2O:0.3CHA.晶种与硅源的质量比为1%。
实施例4:固相条件下合成MCM-49沸石分子筛
首先,将1.67g固体硅胶,0.93g十八水硫酸铝,0.5g NaOH,0.5g CHA,以及MCM-49分子筛晶种(晶种量以占投入SiO2的1%质量百分比计算)一并加入研钵中,进行研磨。将研磨后的混合物转至聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,160℃静态晶化24h即完全晶化。产物抽滤,烘干后得到MCM-49沸石原粉。
反应原料的配比如下:
1SiO2:0.05Al2O3:0.22Na2O:0.3CHA.晶种与硅源的质量比为1%。
经X射线衍射分析其结构为MCM-49沸石分子筛,而且通过扫描电镜照片可以看出得到了团聚的片状沸石(图3和图4)。
实施例5:固相条件下高温合成MCM-49沸石分子筛
首先,将1.67g白炭黑,0.93g十八水硫酸铝,0.3g NaOH,0.17g CHA,以及MCM-49分子筛晶种(晶种量以占投入SiO2的10%质量百分比计算)一并加入研钵中,进行研磨。将研磨后的混合物转至聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,200℃静态晶化10h即完全晶化。产物抽滤,烘干后得到MCM-49沸石原粉。
反应原料的配比如下:
1SiO2:0.05Al2O3:0.13Na2O:0.1CHA.晶种与硅源的质量比为10%。
实施例6:固相条件下低温合成MCM-49沸石分子筛
首先,将1.67g固体硅胶,0.93g十八水硫酸铝,0.7g NaOH,0.34g CHA,以及MCM-49分子筛晶种(晶种量以占投入SiO2的5%质量百分比计算)一并加入研钵中,进行研磨。将研磨后的混合物转至聚四氟乙烯不锈钢反应釜中,120℃静态晶化168h即完全晶化。产物抽滤,烘干后得到MCM-49沸石原粉。
反应原料的配比如下:
1SiO2:0.05Al2O3:0.31Na2O:0.2CHA.晶种与硅源的质量比为5%。
以上所述,仅是本发明的几种实施案例而已,并非对本发明做任何形式上的限制,虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例。但是凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属本发明技术方案范围内。