CN108698843A - 沸石ssz-31的合成 - Google Patents

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Abstract

使用1‑环己基甲基‑1‑乙基哌啶鎓阳离子作为结构导向剂合成具有SSZ‑31骨架结构的沸石。

Description

沸石SSZ-31的合成
技术领域
本公开内容涉及使用1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓阳离子作为结构导向剂合成沸石SSZ-31的方法。
背景
分子筛是在商业上重要的一类结晶材料。它们具有通过不同的X射线衍射图证实的具有有序孔隙结构的不同晶体结构。该晶体结构限定了作为不同物类的特征的空腔与孔隙。分子筛如沸石已被广泛用于催化炼油厂和石油化学反应中的大量化学反应，以及催化、吸附、分离和层析。
SSZ-31是具有大的一维孔隙系统的高二氧化硅分子筛材料。孔洞是椭圆形的，尺寸约为SSZ-31的结构是高缺陷的，可以描述为四种不同但结构相关的多晶型的共生。
SSZ-31的骨架结构由国际沸石协会的结构委员会指定为三字母代码*STO。
美国专利号5,106,801公开了SSZ-31的组成和表征粉末X射线衍射图，该专利还描述了在选自一种或多种结构导向剂的情况下硼硅酸盐形式的沸石的合成，所述结构导向剂选自N，N，N-三甲基铵-8-三环[5.2.1.0]癸烷、4-三甲基铵-2,2,6,6-四甲基哌啶、N，N-二甲基-3-氮鎓双环[3.2.2]壬烷、N，N，N-三甲基铵-2-双环[3.2.1]辛烷、N，N-二甲基-6-氮鎓-1,3,3-三甲基双环[3.2.1]辛烷、和1,1,3，5,5-五甲基氮鎓环庚烷中的一种或多种。还使用N，N，N-三甲基铵-8-三环[5.2.1.0]癸烷作为结构导向剂合成全二氧化硅形式的SSZ-31。
由于SSZ-31的孔径非常大，含铝形式的SSZ-31对于形状选择性催化是有意义的，例如相对大体积芳族化合物的烷基化。硅铝酸盐SSZ-31可以通过杂原子晶格取代技术由硼硅酸盐SSZ-31制备，如美国专利号6,468,501和6,790,433中所述。
美国专利号6,471,940公开了使用结构导向剂通过干凝胶转化法直接合成硅铝酸盐SSZ-31，所述结构导向剂选自N，N'-双-三乙基-1,6-己二基-二铵二氢氧化物、N，N'-双-三乙基-1,7-庚二基-二铵二氢氧化物、N，N'-双-三乙基-1,8-辛二基-二铵二氢氧化物、N，N'-双-三乙基-1,9-壬二基-二铵二氢氧化物和N，N'-双-三乙基-1,10-癸二基-二铵二氢氧化物中的一种或多种。
根据本发明，现已发现1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓阳离子在直接合成全二氧化硅和硅铝酸盐形式的沸石SSZ-31中作为结构导向剂是有效的。
概要
在一个方面，提供了合成具有SSZ-31骨架结构的沸石的方法，所述方法包括：(a)制备反应混合物，所述反应混合物包含：(1)二氧化硅源；(2)任选地，氧化铝源；(3)包含1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓阳离子的结构导向剂；(4)氢氧根离子；和(5)水；以及(b)使所述反应混合物经受足以形成所述沸石晶体的结晶条件。
另一方面，提供了一种具有SSZ-31的骨架结构的沸石，并且在其孔内包含1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓阳离子。
在其合成后原样且无水形式下，所述沸石具有包含以下摩尔关系的化学组成：
实施方案1 实施方案2
SiO2/Al2O3 ≥50 100至500
Q/SiO2 >0至0.2 >0至0.1
其中Q包含1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓阳离子。
附图的简要说明
图1比较了实施例1的沸石产物的合成后原样形式(底部图)和其煅烧后形式(顶部图)的粉末X射线衍射(XRD)图。
图2是实施例1中制备的合成后原样的沸石产物的扫描电子显微照片(SEM)图像。
详细描述
介绍
本文使用的术语“合成后原样的”是指在结晶之后、去除结构导向剂之前其形式的沸石。
术语“无水”在本文中用于指代基本上不含物理吸附水和化学吸附水两者的沸石。
本文使用的元素周期表的编号方案公开于Chem.Eng.News 1985,63(5),26-27。
反应混合物
全二氧化硅和硅铝酸盐形式的沸石SSZ-31可以直接由包括1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓阳离子的含水反应混合物合成，如下文所述。与形成含有二氧化硅和另一种氧化物(例如氧化硼)的沸石不同，在本公开的上下文中术语“直接合成”是指沸石由下述反应混合物形成，然后对其进行处理以产生全二氧化硅或硅铝酸盐SSZ-31沸石。
通常，本发明的沸石通过以下方法合成：(a)制备反应混合物，所述反应混合物包括：(1)二氧化硅源；(2)任选地，氧化铝源；(3)包括1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓阳离子的结构导向剂(Q)；(4)氢氧根离子；和(5)水；以及(b)使所述反应混合物经受足以形成所述沸石晶体的结晶条件。
形成沸石的反应混合物以摩尔比计的组成，如下表1所示：
表1
反应物 有效值 典型值
SiO2/Al2O3 ≥50 100至500
Q/SiO2 0.05至0.50 0.10至0.45
OH/SiO2 0.05至0.50 0.20至0.45
H2O/SiO2 10至60 15至50
其中组成变量Q和M如上所述。
适宜的二氧化硅的来源包括热解法二氧化硅、胶态二氧化硅、沉淀二氧化硅、碱金属硅酸盐、原硅酸四烷基酯。
合适的氧化铝源包括水合氧化铝和水溶性铝盐(例如硝酸铝)。
另外或可选地，可以使用硅和铝的组合源，并且可以包括硅铝酸盐沸石(例如Y沸石)和粘土或处理过的粘土(例如偏高岭土)。
所述有机结构导向剂(Q)包括1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓阳离子，由以下结构(1)表示：
合适的Q源包括季铵化合物的氢氧化物、氯化物、溴化物和/或其他盐。
反应混合物还含有氢氧根离子源，例如碱金属氢氧化物(例如NaOH或KOH)。氢氧化物也可以作为结构导向剂的反离子存在。
可选的，反应混合物还可以包括分子筛材料的晶种，例如来自先前合成的SSZ-31晶体，希望其量为反应混合物的以重量计0.01-10,000ppm(例如以重量计100-5000ppm)。
对于本文所述的每个实施方案，反应混合物可以由一种以上的来源提供。而且，一种来源可以提供两种或更多种反应组分。
反应混合物可以分批或连续制备。本文描述的结晶沸石的晶体尺寸、形态和结晶时间可以随着反应混合物的性质和结晶条件而变化。
结晶和合成后处理
沸石的结晶可以在静态、翻转或搅拌条件下在合适的反应器容器中进行，例如聚丙烯罐或特氟隆衬里或不锈钢高压釜，温度为从125°到200℃下保持足以在所用温度下发生结晶的时间，例如1天至28天。结晶通常在自生压力下在封闭系统中进行。
一旦形成沸石晶体，通过标准机械分离技术如离心或过滤从反应混合物回收固体产物。将晶体水洗，然后干燥以获得合成后原样的分子筛晶体。干燥步骤通常在低于200℃的温度下进行。
作为结晶过程的结果，回收的结晶沸石产物在其孔结构内含有在合成中使用的至少一部分结构导向剂。
所述的合成后原样的沸石可以进行处理以除去其合成中使用的部分或全部有机结构导向剂(Q)。这通过热处理方便地进行，其中所述热处理将合成后原样的材料在至少约370℃的温度下加热至少1分钟并且通常不长于20小时。热处理可以在高达925℃的温度下进行。尽管可以采用低于大气压的压力进行热处理，但为了方便起见，希望采用大气压力。另外或可选地，有机结构导向剂可以通过用臭氧处理而除去(参见例如A.N.Parikh等，Micropor.Mesopor.Mater.2004,76,17-22)。
根据所需的程度和取决于材料的SiO2/Al2O3摩尔比，可以根据本领域公知的技术通过与其它阳离子的离子交换来取代合成后原样的沸石中的任何阳离子。合适的取代阳离子的说明性实例包括金属离子、氢离子、氢前体离子(例如铵离子)及其混合物。特别优选的取代阳离子是用于某些有机转化反应的定制催化活性的阳离子。这些包括氢、稀土金属和元素周期表第2至15族的金属。
沸石的表征
在其合成后原样且无水形式下，本文所述方法制备的沸石具有包含以下摩尔关系的化学组成：
实施方案1 实施方案2
SiO2/Al2O3 ≥50 100至500
Q/SiO2 >0至0.2 >0至0.1
其中Q包括1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓阳离子。在一些实施方案中，沸石的SiO2/Al2O3摩尔比为至少100(例如，至少200、100至1000、100至300、200至1000、200至500、或200至300)。从允许的SiO2/Al2O3摩尔比值可以看出，沸石可以以完全硅质形式(即“全二氧化硅”形式)合成，其中氧化铝不存在或基本上不存在。
如美国专利号5,106,801所教导的，沸石SSZ-31在其合成后原样形式下具有包含至少下表2中列出的峰的X射线衍射图。
表2
合成后原样SSZ-31的特征峰
2-θ(a) d-间距，(纳米) 相对强度(b)
6.10 1.449 W
7.38 1.198 M
8.18 1.081 W
20.30 0.437 W
21.12 0.421 VS
22.25 0.399 VS
24.73 0.360 M
30.90 0.289 W
(a)±0.20
(b)所提供的粉末XRD图基于相对强度等级，其中X射线衍射图中最强的谱线指定为100的值：W＝弱(>0至≤20)；M＝中等(>20至≤40)；S＝强(>40至≤60)；VS＝非常强(>60至≤100)。
通过标准技术收集本文所示的粉末X射线衍射图。辐射为CuKα辐射。从峰的相对强度读取作为2θ(其中θ是布拉格角)的函数的峰高度和位置，并且可计算出与记录线相对应的面间距d。
在射线衍射图中的微小变化归因于晶格常数的改变，可能由特定样品的骨架种类的摩尔比的变化造成。此外，足够小的晶体将影响峰的形状和强度，导致显著的峰加宽。在衍射图中的微小变化可以由制备过程中使用的有机化合物的变化而造成。煅烧也可导致在X射线衍射图中微小偏移。
实施例
以下说明性实施例旨在是非限制性的。
实施例1
全二氧化硅SSZ-31的合成
将6.29g去离子水、5.64g 20.12％1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓氢氧化物溶液(SACHEM，Inc.)和3.00gAS-40胶体二氧化硅在特氟龙内衬中一起混合。搅拌所得凝胶直至变得均匀。将所述内衬加盖并置于Parr钢高压釜反应器内。然后将高压釜放入以43rpm的转速旋转的在170℃下加热的烘箱中9天。通过离心从冷却的反应器回收固体产物，用去离子水洗涤并在95℃下干燥。
根据以下程序煅烧一部分所得产物。所述沸石在马弗炉内在以1℃/分钟的速率加热至595℃的空气流下煅烧，并在595℃下保持5小时。
使用N2作为吸附物并通过B.E.T.方法对煅烧后的样品进行微孔体积分析。沸石显示的微孔体积为0.12cm3/g。
图1比较了合成后原样和煅烧后产物的粉末XRD图。
图2显示合成后原样产物的SEM图像，并表明均匀的晶体场。
实施例2
全二氧化硅SSZ-31的合成
将10.72g去离子水、40.63g 20.12％1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓氢氧化物溶液(SACHEM，Inc.)和12.00gAS-40胶体二氧化硅在特氟龙内衬中一起混合。搅拌所得凝胶直至变得均匀。将所述内衬加盖并置于Parr钢高压釜反应器内。然后将高压釜放入以43rpm的转速旋转的在170℃下加热的烘箱中8天。通过离心从冷却的反应器回收固体产物，用去离子水洗涤并在95℃下干燥。
通过粉末XRD和SEM分析所得沸石产物为纯二氧化硅SSZ-31沸石。
实施例3
硅铝酸盐SSZ-31的合成
将20.68g去离子水、36.29g 20.12％1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓氢氧化物溶液(SACHEM，Inc.)、13.64gAS-40胶体二氧化硅和0.08g CBV600Y-沸石(ZeolystInternational,SiO2/Al2O3摩尔比＝5.1)在特氟龙内衬中一起混合。搅拌所得凝胶直至变得均匀。将所述内衬加盖并置于Parr钢高压釜反应器内。然后将高压釜放入以43rpm的转速旋转的在170℃下加热的烘箱中14天。通过离心从冷却的反应器回收固体产物，用去离子水洗涤并在95℃下干燥。
通过粉末XRD和SEM分析所得沸石产物为纯硅铝酸盐SSZ-31沸石。
通过ICP元素分析测定，所得产物的SiO2/Al2O3摩尔比为273。
实施例4
硅铝酸盐SSZ-31的合成
将1.58g去离子水、2.72g 20.12％1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓氢氧化物溶液(SACHEM，Inc.)、0.98gAS-40胶体二氧化硅和0.03g CBV600Y-沸石(ZeolystInternational,SiO2/Al2O3摩尔比＝5.1)在特氟龙内衬中一起混合。搅拌所得凝胶直至变得均匀。将所述内衬加盖并置于Parr钢高压釜反应器内。然后将高压釜放入以43rpm的转速旋转的在170℃下加热的烘箱中16天。通过离心从冷却的反应器回收固体产物，用去离子水洗涤并在95℃下干燥。
通过粉末XRD和SEM分析所得沸石产物为具有微量无定型物质的硅铝酸盐SSZ-31沸石。

Claims (7)

1.一种合成具有SSZ-31结构的沸石的方法，所述方法包括：
(a)制备反应混合物，所述反应混合物包含：
(1)二氧化硅源
(2)任选地，氧化铝源；
(3)包含1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓阳离子的结构导向剂(Q)；
(4)氢氧根离子；和
(5)水；以及
(b)使所述反应混合物经受足以形成所述沸石晶体的结晶条件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应混合物以摩尔比计包含以下物质：
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应混合物以摩尔比计包含以下物质：
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述结晶条件包含125℃至200℃的温度。
5.一种具有SSZ-31结构的沸石，并且在其孔内包含1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓阳离子。
6.根据权利要求5所述的沸石，其中所述沸石在其合成后原样且无水形式下具有包含以下摩尔关系的组成：
SiO2/Al2O3 ≥50 Q/SiO2 >0至0.2
其中Q包含1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓阳离子。
7.根据权利要求5所述的沸石，其中所述沸石在其合成后原样且无水形式下具有包含以下摩尔关系的组成：
SiO2/Al2O3 100至500 Q/SiO2 >0至0.1
其中Q包含1-环己基甲基-1-乙基哌啶鎓阳离子。
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