CN107601526A - 一种mcm‑49分子筛的合成方法 - Google Patents

一种mcm‑49分子筛的合成方法 Download PDF

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楚卫锋
李秀杰
刘盛林
谢素娟
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Abstract

本发明提供一种MCM‑49分子筛的合成方法,该方法主要由铝源、硅源、酸或碱、模板剂、去离子水、晶种充分混合所形成的凝胶在10~80℃低温老化0~36h,然后在100~170℃晶化24~288h,水热合成MCM‑49分子筛。本方法采用廉价易得且毒性较小的环己胺为模板剂,可以显著降低MCM‑49分子筛的合成成本。

Description

一种MCM-49分子筛的合成方法
技术领域
本发明属于无机材料化学合成的技术领域,具体涉及一种MCM-49分子筛的合成方法。
背景技术
分子筛是一类具有规则孔道结构的多孔材料,被广泛应用于多相催化、吸附、分离和离子交换等领域。在这些应用之中,与其独特的孔道相关的择形催化作用尤其受到人们的重视。层状的MWW分子筛具有两种相互独立的孔道结构:其一为椭圆形的十元环(10MR)二维正弦孔道,孔径为0.41nm×0.51nm;另一为12MR超笼,其大小为0.71nm×0.71nm×1.82nm,且其通过孔径为0.40nm×0.55nm的10MR与外界相通;此外,在其外表面上还分布着许多深度为0.91nm的12MR半超笼(Science 264(1994)1910-1913)。MWW分子筛因其独特的孔道结构和物化性质,在烃类的异构化(J.Catal.158(1996)561-569)、烷基化(Catal.Today 73(2002)3-22)、催化裂化(J.Catal.167(1997)438-446)和芳构化(Chin.J.Catal.23(2002)24-28)等反应中具有巨大的潜在应用价值。
MWW分子筛是一个庞大的家族,包括MCM-22、MCM-36、MCM-49、MCM-56、ITQ-1、ITQ-2、PSH-3、SSZ-25、ERB-1等。目前,研究的比较多的是MCM-22、MCM-49和MCM-56分子筛。MCM-22分子筛的合成需要两个步骤:首先是水热合成层状的前驱体(MCM-22P),然后将前驱体焙烧就形成了MCM-22分子筛。MCM-49分子筛是由初始凝胶直接合成的具有三维MWW拓扑结构的分子筛。MCM-56分子筛是合成MCM-49分子筛的中间体。此外,合成MCM-22分子筛的初始凝胶的硅铝比比较高,而合成MCM-49分子筛的初始凝胶硅铝比则比较低。在一些情况下,得到的是这两相的混合物。
US5236575(1993)首次披露了MCM-49分子筛及其合成方法。其采用剧毒的六亚甲基亚胺为模板剂,且晶化时间较长,为1~60天。此外,六亚甲基亚胺价格昂贵,使得MCM-49分子筛的成本较高。因此,一些研究者期望使用毒性较低、价格便宜的有机试剂来代替或部分代替HMI。比如环己胺(CN201210501360.0)和苯胺(CN201310146845.7)都可以部分取代HMI,用来合成MCM-49分子筛。此外,以哌啶为模板剂(CN201410347435.3),通过先高温后低温的两段晶化法也可以合成MCM-49分子筛。
综上所述,用于合成MCM-49分子筛的模板剂比较有限,主要为六亚甲基亚胺、哌啶以及它们与其他有机试剂的混合物。较高的毒性或昂贵的价格不利于其在工业上的应用。本发明以毒性较低且廉价易得的环己胺为模板剂,通过简单易行的水热合成法来合成MCM-49分子筛。
发明内容
本发明的目的在于开发一种使用低毒、廉价的模板剂来合成MCM-49分子筛的方法,该方法合成的MCM-49分子筛是由纳米片堆积而成的微米级团簇,团簇大小为1~20μm。
本发明采用环己胺为模板剂,通过精细调变原料的摩尔组成,精确控制合成条件来合成MCM-49分子筛。
本发明提供一种MCM-49分子筛的合成方法,具体合成步骤如下:
1)将硅源、铝源、无机碱(或无机酸)、模板剂、去离子水、晶种在搅拌下,以一定顺序缓慢加入反应釜中,形成原料混合物,其摩尔组成为:SiO2/Al2O3=15~120,H2O/SiO2=2~100,OH-/SiO2=0.001~1.0,M+/SiO2=0.001~1.0,R/SiO2=0.005~2.0,Seed/SiO2=0~20%;其中R是环己胺;M是碱金属元素,包括Li、Na、K、Rb、Cs,Seed为晶种。
2)将原料混合物在10~80℃低温动态(5~200转/分钟)老化0~36h。
3)将老化后的混合物在100~170℃动态(5~200转/分钟)晶化24~288h,水热合成MCM-49分子筛。
4)用自来水将反应釜冷却,离心分离或过滤得到固体产物。固体产物经过洗涤、干燥得到MCM-49分子筛原粉。
本发明技术方案中,所选硅源为:固体硅胶、硅溶胶、水玻璃、正硅酸四乙酯或白炭黑。
所选铝源为:偏铝酸钠固体(NaAlO2)、偏铝酸钠溶液(NaAlO2)、硝酸铝(Al(NO3)3)、硫酸铝(Al2(SO4)3)、氯化铝(AlCl3)、氢氧化铝(Al(OH)3)或拟薄水铝石(AlOOH)。
所选碱为:氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铷或氢氧化铯。
所选酸为:盐酸、硫酸、硝酸或磷酸。
通过加入无机碱或无机酸来调节原料混合物的碱度。
所选模板剂为环己胺。
所选晶种为:MCM-22、MCM-36、MCM-49、MCM-56、PSH-3、SSZ-25、ITQ-1或ITQ-2。
众所周知,在合成分子筛过程中,引入老化步骤、添加晶种或两者同时采用,可以改变产物的形貌和物化性质。本发明中,晶种Seed量为0%,老化时间为0h时,代表原料混合物中没有添加晶种,也不经过老化步骤,直接在特定的温度(100~170℃)晶化一段时间;晶种Seed量为:0%<Seed≤20%,老化时间为0h时,代表原料混合物中含有一定量的晶种,不经过老化步骤,直接在特定的温度(100~170℃)晶化一段时间;晶种Seed量为0%,老化时间(t)为:0h<t≤36h时,代表原料混合物不含晶种,在10~80℃低温动态(5~200转/分钟)老化一段时间(0h<t≤36h)后,在特定温度(100~170℃)进行晶化;晶种Seed量为:0%<Seed≤20%,老化时间(t)为:0h<t≤36h时,代表原料混合物中含有一定量的晶种(0%<Seed≤20%),在10~80℃低温动态(5~200转/分钟)老化一段时间(0h<t≤36h)后,在特定温度(100~170℃)进行晶化。
本发明通过离子交换技术,可以用其它的阳离子取代本发明合成的MCM-49分子筛中的钠离子,从而得到氢型、铵型、镓型、锌型、镁型MCM-49分子筛,进而应用于不同的催化反应过程。本发明合成的MCM-49分子筛可以应用于烃类的烷基化、歧化、异构化、芳构化、裂化等反应。
附图说明
图1为实施例1的X射线衍射图谱。
图2为实施例1的扫描电镜图片。
图3为实施例1的氮气吸脱附曲线。
图4为实施例2的X射线衍射图谱。
图5为实施例2的扫描电镜图片。
图6为实施例2的氮气吸脱附曲线。
具体实施方式
下面用实施例对本发明予以进一步的说明,但实施例并不限制本发明的内容。
实施例1
所用的原料如下:
A.硅溶胶(30.19wt.%SiO2,0.29wt.%Na2O,0.23wt.%Al2O3,69.29wt.%H2O);
B.偏铝酸钠溶液(NaAlO2,16.80wt.%Al2O3,19.37wt.%Na2O,63.83wt.%H2O):
C.硫酸溶液(0.10g/ml);
D.环己胺(CHA,C6H13N,纯度≥98wt.%);
E.去离子水;
在搅拌条件下,将46.83g硅溶胶、4.07g偏铝酸钠溶液、3.10ml的硫酸溶液(0.10g/ml)、4.67g环己胺、21.16g去离子水按一定顺序加入反应釜中。原料混合物的摩尔组成为:SiO2/Al2O3=30.3,Na+/SiO2=0.13,OH-/SiO2=0.10,CHA/SiO2=0.2,H2O/SiO2=14。搅拌30min,使其充分混合均匀,将合成釜密封。先在70℃动态老化6h,然后在130℃动态晶化144h。用自来水淬灭反应,离心分离得到固体产物。再用去离子水洗涤至中性。120℃过夜干燥得到分子筛原粉。
图1为所得分子筛原粉的粉末X射线衍射图谱。由图可以看出,其为纯相MCM-49分子筛。图2为其扫描电镜照片。图3为其氮气吸脱附曲线。
实施例2
所用的原料如下:
A.白炭黑(干基95wt.%);
B.硝酸铝[Al(NO3)3·9H2O,纯度≥99.0wt.%];
C.氢氧化钠溶液(0.10g/ml);
D.环己胺(CHA,C6H13N,纯度≥98wt.%);
E.去离子水;
F.MCM-49Seed;
在搅拌条件下,将7.03g白炭黑、4.92g硝酸铝、0.10g/ml的氢氧化钠溶液0.45ml、5.51g环己胺、57.44g去离子水、0.07g MCM-49晶种按一定顺序加入反应釜中。原料混合物的摩尔组成为:SiO2/Al2O3=17.0,Na+/SiO2=0.01,OH-/SiO2=0.01,CHA/SiO2=0.5,H2O/SiO2=30,Seed/SiO2=1%。搅拌30min,使其充分混合均匀,将合成釜密封。反应混合物先在20℃动态老化36h,然后在150℃动态晶化192h。用自来水淬灭反应,离心分离得到固体产物。再用去离子水洗涤至中性。120℃过夜干燥得到分子筛原粉。由图4可以看出,其为纯相MCM-49分子筛。图5为其扫描电镜照片。图6为其氮气吸脱附曲线。
实施例3
所用的原料如下:
A.水玻璃(20.41wt.%SiO2,6.50wt.%Na2O,0.09wt.%Al2O3,73.00wt.%H2O);
B.硫酸铝[Al2(SO4)3·18H2O,纯度≥98wt.%];
C.盐酸溶液(0.10g/ml);
D.环己胺(CHA,C6H13N,纯度≥98wt.%);
E.去离子水;
F.MCM-22Seed;
在搅拌条件下,将24.53g水玻璃、0.97g硫酸铝、0.10g/ml的盐酸溶液3.65ml、14.88g环己胺、37.93g去离子水、0.41g MCM-22晶种按一定顺序加入反应釜中。原料混合物的摩尔组成为:SiO2/Al2O3=50,Na+/SiO2=0.62,OH-/SiO2=0.50,CHA/SiO2=1.8,H2O/SiO2=40,Seed/SiO2=8%。搅拌30min,使其充分混合均匀,将合成釜密封。40℃动态老化24h之后,在110℃动态晶化240h。用自来水淬灭反应,离心分离得到固体产物。再用去离子水洗涤至中性。120℃过夜干燥得到分子筛原粉。由XRD图确定产物为MCM-49分子筛。
实施例4
所用的原料如下:
A.硅溶胶(30.19wt.%SiO2,0.29wt.%Na2O,0.23wt.%Al2O3,69.29wt.%H2O);
B.硫酸铝[Al2(SO4)3·18H2O,纯度≥98wt.%];
C.氢氧化钠溶液(0.10g/ml);
D.环己胺(CHA,C6H13N,纯度≥98wt.%);
E.去离子水;
在搅拌条件下,将18.09g硅溶胶、0.74g硫酸铝、0.10g/ml的氢氧化钠溶液17.50ml、2.70g环己胺、34.72g去离子水按一定顺序加入反应釜中。原料混合物的摩尔组成为:SiO2/Al2O3=60,Na+/SiO2=0.50,OH-/SiO2=0.50,CHA/SiO2=0.30,H2O/SiO2=40。搅拌30min,使其充分混合均匀,将合成釜密封。在106℃动态晶化280h。用自来水淬灭反应,离心分离得到固体产物。再用去离子水洗涤至中性。120℃过夜干燥得到分子筛原粉。由XRD图确定其为MCM-49分子筛。
实施例5
所用的原料如下:
A.正硅酸四乙酯(28.4wt.%SiO2);
B.硫酸铝[Al2(SO4)3·18H2O,纯度≥98wt.%];
C.氢氧化钾溶液(0.10g/ml);
D.环己胺(CHA,C6H13N,纯度≥98wt.%);
E.去离子水;
F.ITQ-2分子筛晶种;
在搅拌条件下,将10.42g正硅酸四乙酯、0.42g硫酸铝、0.10g/ml的氢氧化钾溶液25.20ml、5.95g环己胺、30.07g去离子水、0.55g ITQ-2晶种按一定顺序加入反应釜中。原料混合物的摩尔组成为:SiO2/Al2O3=80,K+/SiO2=0.90,OH-/SiO2=0.90,CHA/SiO2=1.2,H2O/SiO2=60,Seed/SiO2=18%。搅拌30min,使其充分混合均匀,将合成釜密封。60℃动态老化24h之后,在160℃动态晶化144h。用自来水淬灭反应,离心分离得到固体产物。再用去离子水洗涤至中性。120℃过夜干燥得到分子筛原粉。由XRD图确定产物为MCM-49分子筛。
实施例6
所用的原料如下:
A.正硅酸四乙酯(28.4wt.%SiO2);
B.硝酸铝[Al(NO3)3·9H2O,纯度≥99.0wt.%];
C.氢氧化锂溶液(0.1g/ml);
D.环己胺(CHA,C6H13N,纯度≥98wt.%);
E.去离子水;
F.SSZ-25分子筛晶种;
在搅拌条件下,将17.36g正硅酸四乙酯、3.13g硝酸铝、0.10g/ml的氢氧化锂溶液16.00ml、13.22g环己胺、22.81g去离子水、0.54g SSZ-25晶种按一定顺序加入反应釜中。原料混合物的摩尔组成为:SiO2/Al2O3=20,Li+/SiO2=0.80,OH-/SiO2=0.80,CHA/SiO2=1.6,H2O/SiO2=25,Seed/SiO2=10%。搅拌30min,使其充分混合均匀,将合成釜密封。在150℃动态晶化72h。用自来水淬灭反应,离心分离得到固体产物。再用去离子水洗涤至中性。120℃过夜干燥得到分子筛原粉。由XRD图确定产物为MCM-49分子筛。
实施例7
所用的原料如下:
A.固体硅胶(干基93wt.%);
B.硫酸铝[Al2(SO4)3·18H2O,纯度≥98wt.%];
C.氢氧化钠溶液(0.25g/ml);
D.环己胺(CHA,C6H13N,纯度≥98wt.%);
E.去离子水;
在搅拌条件下,将17.00g固体硅胶、4.38g硫酸铝、0.25g/ml的氢氧化钠溶液16.85ml、0.26g环己胺、26.98g去离子水按一定顺序加入反应釜中。原料混合物的摩尔组成为:SiO2/Al2O3=40,Na+/SiO2=0.40,OH-/SiO2=0.40,CHA/SiO2=0.01,H2O/SiO2=10。搅拌30min,使其充分混合均匀,将合成釜密封。在140℃动态晶化192h。用自来水淬灭反应,离心分离得到固体产物。再用去离子水洗涤至中性。120℃过夜干燥得到分子筛原粉。由XRD图确定产物为MCM-49分子筛。
实施例8
所用的原料如下:
A.硅溶胶(30.19wt.%SiO2,0.29wt.%Na2O,0.23wt.%Al2O3,69.29wt.%H2O);
B.偏铝酸钠溶液(NaAlO2,16.80wt.%Al2O3,24.20wt.%Na2O,59.00wt.%H2O):
C.硝酸溶液(0.10g/ml);
D.环己胺(CHA,C6H13N,纯度≥98wt.%);
E.去离子水;
在搅拌条件下,将0.82g偏铝酸钠溶液、9.48g硅溶胶、0.10g/ml的硝酸溶液0.60ml、1.89g环己胺、61.10g去离子水按一定顺序加入反应釜中。原料混合物的摩尔组成为:SiO2/Al2O3=30.3,Na+/SiO2=0.16,OH-/SiO2=0.14,CHA/SiO2=0.40,H2O/SiO2=80。搅拌30min,使其充分混合均匀,将合成釜密封。在138℃动态晶化132h。用自来水淬灭反应,离心分离得到固体产物。再用去离子水洗涤至中性。120℃过夜干燥得到分子筛原粉。由XRD图确定产物为MCM-49分子筛。
实施例9
所用的原料如下:
A.固体硅胶(干基93wt.%);
B.氢氧化铝[Al(OH)3];
C.氢氧化钠溶液(0.10g/ml);
D.环己胺(CHA,C6H13N,纯度≥98wt.%);
E.去离子水;
F.MCM-56Seed;
在搅拌条件下,将0.78g氢氧化铝、8.08g固体硅胶、0.10g/ml的氢氧化钠溶液17.00ml、12.40g环己胺、25.90g去离子水、0.40g MCM-56晶种,按一定顺序加入反应釜中。原料混合物的摩尔组成为:SiO2/Al2O3=25.0,Na+/SiO2=0.34,OH-/SiO2=0.34,CHA/SiO2=1.00,H2O/SiO2=20,Seed/SiO2=5%。搅拌30min,使其充分混合均匀,将合成釜密封。在160℃动态晶化36h。用自来水淬灭反应,离心分离得到固体产物。再用去离子水洗涤至中性。120℃过夜干燥得到分子筛原粉。由XRD图确定产物为MCM-49分子筛。

Claims (12)

1.一种MCM-49分子筛的合成方法,其特征在于该方法合成步骤如下:
(a)将硅源、铝源、酸或碱、有机模板剂、去离子水、晶种充分混合后,形成一种混合物,其摩尔组成满足:SiO2/Al2O3=15~120;H2O/SiO2=2~100;OH-/SiO2=0.001~1.0;M+/SiO2=0.001~1.0;R/SiO2=0.005~2.0;Seed/SiO2=0~20%;其中M是碱金属元素,R是有机模板剂,Seed是晶种;
(b)将该混合物在10~80℃低温老化0~36h,然后在100~170℃动态晶化24~288h,水热合成MCM-49分子筛;
(c)经离心分离或过滤、烘干,得到分子筛原粉。
2.按照权利要求1所述的MCM-49分子筛的合成方法,其特征在于所述硅源是固体硅胶、硅溶胶、水玻璃、正硅酸四乙酯或白炭黑。
3.按照权利要求1所述的MCM-49分子筛的合成方法,其特征在于所述铝源是偏铝酸钠固体、偏铝酸钠溶液、硝酸铝、硫酸铝、氯化铝、氢氧化铝或拟薄水铝石。
4.按照权利要求1所述的MCM-49分子筛的合成方法,其特征在于所述有机模板剂R是环己胺。
5.按照权利要求1所述的MCM-49分子筛的合成方法,其特征在于所述晶种是MCM-22、MCM-36、MCM-49、MCM-56、PSH-3、SSZ-25、ITQ-1或ITQ-2。
6.按照权利要求1所述的MCM-49分子筛的合成方法,其特征在于所述碱为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铷或氢氧化铯。
7.按照权利要求1和权利要求6所述的MCM-49分子筛的合成方法,其特征在于所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
8.按照权利要求1所述的MCM-49分子筛的合成方法,其特征在于所述酸为盐酸、硫酸、硝酸或磷酸。
9.按照权利要求1所述的MCM-49分子筛的合成方法,其特征在于所述低温老化是在旋转烘箱中进行的,旋转烘箱的转速是5~200转/分钟。
10.按照权利要求1所述的MCM-49分子筛的合成方法,其特征在于所述动态晶化是在旋转烘箱中进行的,旋转烘箱的转速是5~200转/分钟。
11.按照权利要求1或权利要求10所述的MCM-49分子筛的合成方法,其特征在于所述晶化温度为105~160℃。
12.按照权利要求1~11任意权利要求所述的MCM-49分子筛的合成方法,其特征在于所得到的样品为纳米片堆积的微米级团簇,团簇大小为1~20μm。
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