CN109833859B - 一种烯烃催化剂用硅胶载体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种烯烃催化剂用硅胶载体的制备方法，所述硅胶载体制备过程中在溶胶结束后加入浆液状水滑石的乙醇水溶液，凝胶反应时通过加入硅酸盐水溶液和无机酸的有机醇水溶液调节溶液pH值，并通过高温水热反应完成硅胶的制备。该工艺能够大幅度提高硅胶的比表面积，从而提高硅胶载体的基本物性。
Description
技术领域
本发明涉及一种烯烃催化剂用硅胶载体的制备方法，具体涉及一种高比表面积硅胶载体的制备方法。
背景技术
硅胶具有特殊的孔结构和优良的热稳定性，已被用作吸附剂、干燥剂、色谱柱载体，更由于其高比表面积被广泛用于催化剂载体。目前，硅胶制备已有多种方法，最常见的是以硅酸盐与无机酸为原料，在一定pH值下反应形成凝胶，再经过老化、水洗、酸洗、干燥等工序等得到硅胶。作为催化剂载体，硅胶在具备适宜的孔容、孔径及分布的情况下，高比表面积能够大幅提高催化剂活性。传统的方法制备载体硅胶时，为了获得高比表面积，更多是以牺牲孔容及孔径尺寸大小，因此，必须采用新的方法来满足催化剂用载体硅胶的制备工艺要求。
水滑石是层状双金属氢氧化物，层板由镁八面体和铝氧八面体组成。未煅烧的水滑石比表面积在5～20m2/g，煅烧后水滑石具有较高的比表面积，比表面积在200～300m2/g，煅烧前后比表面积呈现几何数量的增加。因水滑石具有独特的结构特性，从而可以作为碱性催化剂、氧化还原催化剂以及催化剂载体。
US.5599762、5576262专利改进了其共沸蒸馏的方法。主要是发现一些合适的有机化合物，如醇醚、醇醚酯之类的化合物，其中包括：乙氧基醋酸乙酯、叔丁氧基丙醇、甲氧基醋酸丙酯、正丁氧基丙醇和乙氧基丙酸乙酯等。使用这些有机化合物进行工沸蒸馏，不仅经济有效，而且改善了聚乙烯催化剂的性能。改进共沸蒸馏技术，值得的载体SiO2和催化剂性能为：SiO2的比表面积520m2/g～530m2/g,孔容为2.4cm3/g～2.6cm3/g，产物熔融指数为6.5g/10min～6.5g/10min，催化剂活性7000PEg/gcat.h～8000PEg/gcat.h。
US.5372983专利公开采用共沸蒸馏法制备SiO2。首先硅酸盐和稀硫酸反应制备水凝胶，经水洗除去杂质，然后加入C5～C6的醇，如戊醇、己醇或它们的混合物，通过共沸蒸馏，除去水凝胶孔中的水份，得到干凝胶。450℃～700℃焙烧制得产品SiO2。物性指标：孔容2.2cm3/g～2.5cm3/g，比表面积420m2/g～550m2/g，堆密度0.18g/cm3～2.5g/cm3。
US.3959174专利公开了制备较大比表面积和孔容的SiO2方法。在制备过程中主要减少SiO2溶解度或溶剂化的助剂，使得SiO2在制备的水溶胶体系中，减少SiO2的溶解度而析出成水凝胶，然后经老化、水洗、干燥和焙烧制备SiO2。所说的助剂是氨、一元醇、二元醇、酮和盐。它们能降低水溶胶体系中的介电常数，从而使SiO2析出成凝胶。SiO2的物性指标：比表面积300m2/g～450m2/g，孔容为1.2cm3/g～2.8cm3/g。
Phillips石油公司也公开了许多专利，US.3099457、3948806、4081407、4152503、4436883、4246139等，讨论了共沸蒸馏技术，试图解决从水凝胶中除去水份时，避免孔的收缩和塌陷问题。另外也尝试了有机溶剂置换除水的方法。
以上方法优势明显，缺点也存在。共沸蒸馏法，存在蒸馏除水时间长，溶剂昂贵，能耗大等问题；有机溶剂置换法，存在操作步骤繁琐，溶剂消耗量大，回收困难等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备烯烃催化剂用硅胶载体的方法，采用该方法制备的硅胶孔容及孔径大小适宜，比表面积得到大幅提高。
为此，本发明提供一种烯烃催化剂用硅胶载体的制备方法，制备过程是以硅酸盐、无机酸为原料，包括以下步骤：
1)以无机酸水溶液为底液，加入碱性介质溶液，碱性介质溶液与无机酸水溶液的体积比为1:5～1:30，优选1:10～1:20；
2)加入浓度为1.0～3.0mol/L硅酸盐水溶液，调整溶液pH值为6～7；
3)加入蒸馏水使溶胶分散，恒温反应0.5～2.0h；
4)加入质量分数为2％～8％浆液状水滑石的乙醇水溶液，乙醇与水的体积比为1:1～1:10；
5)加入浓度为1.0～3.0mol/L硅酸盐水溶液，调整反应溶液pH值为10～12；
6)加入无机酸的有机醇水溶液，有机醇与水的体积比为1:5～1:30，调整反应溶液pH值为6～8；
7)在70～100℃水热反应；
8)经酸化、洗涤、干燥、活化后得到硅胶载体。
具体的，本发明所述硅胶载体的制备方法是：
1)加入30～60ml浓度为1.0～3.0mol/L无机酸水溶液于反应釜内，在20～50℃加入碱性介质溶液，恒温反应10～30min；
2)在搅拌条件下升温至40℃～60℃，加入浓度为1.0～3.0mol/L硅酸盐水溶液，流速控制在3～6ml/min，调整反应溶液pH值为6～7；
3)加入蒸馏水使反应釜内溶胶完全分散，恒温反应0.5～1.5h；
4)加入质量分数为2％～8％的浆液状水滑石的乙醇水溶液10～15ml，流速控制在2～5ml/min，加入完毕后恒温反应0.5～1.0h；
5)加入浓度为1.0～3.0mol/L的硅酸盐水溶液，流速控制在3～6ml/min，调整反应溶液pH值为10～12，恒温反应0.5～1.5h；
6)加入1.0～3.0mol/L的无机酸的有机醇水溶液，流速控制在4～9ml/min，有机醇与水的体积比为1:5～1:30，优选1:10～1:20，调整溶液pH值为6～8，恒温反应1.0～2.5h；
7)在70～100℃条件下水热反应3.0～6.0h；
8)反应结束后加入1.0～3.0mol/L的无机酸水溶液，调整溶液pH值为3～5，反应体系降至常温，采用蒸馏水和/或蒸馏水与乙醇混合液洗涤，然后在300～335℃下干燥，再在惰性气体条件、400～600℃温度时活化3.0h～6.0h，制得硅胶载体。
本发明所述无机酸选自硫酸、盐酸、硝酸中的一种或多种，所述无机酸水溶液的浓度为1.0～1.3mol/L。
所述的碱性介质溶液选自氨水、碳酸氢铵溶液、碳酸铵溶液、硫化铵溶液或乙酸铵溶液，优选氨水、碳酸铵溶液，其溶液的浓度为1.0～5.0mol/L。
所述硅酸盐选自硅酸钠、硅酸钾、水玻璃中的一种或多种，所述硅酸盐水溶液的浓度为1.0～1.5mol/L。
所述的浆液状水滑石，可以是任意两种金属与层间CO3 2-的组成水滑石结构，也可以是层间任意阴离子与主层镁铝双金属组成的水滑石结构，优选典型的镁铝碳酸根型水滑石；
所述有机醇选自正丁醇、异丁醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、2-甲基-1-丁醇、2-甲基-2-丁醇、3-甲基-2-丁醇、3-甲基-1-丁醇、2,2-二甲基-1-丙醇中的至少一种，优选选自正丁醇、1,3-丁二醇中的至少一种。
本发明采用溶胶-凝胶反应制备硅胶载体，溶胶结束后加入浆液状水滑石的乙醇水溶液；凝胶反应时通过加入硅酸盐水溶液和无机酸的有机醇水溶液调节溶液pH值，并通过高温水热反应完成硅胶的制备。其效果在于，一方面，在溶胶结束后加入浆液状水滑石，水滑石层板的羟基与硅胶的羟基可形成完美的键合，不会出现分层情况；另一方面，双层面的水滑石能够大幅度提高载体硅胶的比表面积，原因在于水滑石受热时，层间不断脱除CO2和水，有序层状结构被破坏，表面积增加，孔容增加。过程中碱性介质及有机醇的加入是为了改善硅胶的孔容及分布。该工艺在不影响硅胶的孔容的情况下，能够大幅度提高硅胶的比表面积，从而提高载体硅胶的基本物性；工艺制备操作简单，重复性好，能耗低，给工业装置生产提供了技术支撑。
具体实施方式
以下通过实施例进一步详细描述本发明，但这些实施例不应认为是对本发明的限制。
实施方式中按照如下方法测试相关指标：
比表面积：气体吸附BET法测试，GB/T19587-2004。
孔容：BJH(Barrett-Joyner-Halenda)法测试，ISO 15901-2。
平均孔径d＝4V/A，A是比表面积，V是孔容，d是孔径。
实施例1
将60ml浓度为1.1mol/L的稀硫酸溶液放置密闭反应器内，30℃下加入5.0mol/L氨水溶液3.0ml反应20min，在搅拌条件下升温至50℃。以3ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶液，调整反应溶液pH值为7，加入蒸馏水使溶胶彻底分散，恒温反应0.5h。以3ml/min流速加入质量分数为4％的浆液状水滑石的乙醇水溶液12mL(乙醇与水体积比为1:6)，加入完毕后恒温反应1.0h。以4ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶液，调整反应溶液pH值为11，恒温反应1.0h。以6mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸正丁醇水溶液(正丁醇与水体积比为1:15)，溶液pH值为7时停止加入硫酸正丁醇水溶液，恒温反应2.0h。将反应体系升温至85℃，恒温反应5.0h。加入浓度为1.0mol/L硫酸水溶液，当溶液pH值为3时停止加入。冷却至室温，分别经蒸馏水、蒸馏水与乙醇混合液洗涤三次，然后在335℃下干燥，之后在惰性气体保护下，在600℃活化4小时得到载体硅胶产品。测试结果如表1所示。
实施例2
制备过程同实施例1，不同的是30℃下加入5.0mol/L氨水溶液6.0ml反应20min，升温至50℃。以3ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钾水溶液，调整反应溶液pH值为6，加入蒸馏水使溶胶彻底分散，恒温反应0.5h。其他条件与实施例1相同。测试结果如表1所示。
实施例3
制备过程同实施例1，不同的是以3ml/min流速加入质量分数为7％的浆液状水滑石的乙醇水溶液10mL(乙醇与水体积比为1:9)，加入完毕后恒温反应1.0h。以4ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶，调整反应溶液pH值为12，恒温反应1.0h。其他条件与实施例1相同。测试结果如表1所示。
实施例4
制备过程同实施例1，不同的是以6mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸1,3-丁二醇水溶液(1,3-丁二醇与水体积比为1:20)，溶液pH值为6时停止加入硫酸1,3-丁二醇水溶液，恒温反应2.0h。其他条件与实施例1相同。测试结果如表1所示。
实施例5
制备过程同实施例1，不同的是缓慢将反应体系升温至90℃，恒温反应4.0h。加入浓度为1.0mol/L硫酸水溶液，当溶液pH值为5时停止加入。其他条件与实施例1相同。测试结果如表1所示。
实施例6
制备过程同实施例1，不同的是以5ml/min流速加入质量分数为4％的浆液状水滑石的乙醇水溶液12mL(乙醇与水体积比为1:5)，加入完毕后恒温反应1.0h。以4ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶，调整反应溶液pH值为10，恒温反应1.0h。以6mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸正丁醇水溶液(正丁醇与水体积比为1:10)，溶液pH值为7时停止加入硫酸正丁醇水溶液，恒温反应2.0h。其他条件与实施例1相同。测试结果如表1所示。
对比例1
将60ml浓度为1.1mol/L的稀硫酸溶液放置密闭反应器内，升温至50℃，以3ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶液，调整反应溶液pH值为7，加入蒸馏水使溶胶彻底分散，恒温反应0.5h。以4ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶，调整反应溶液pH值为11，恒温反应1.0h。以6mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸水溶液，溶液pH值为7时停止加入硫酸水溶液，恒温反应2.0h。将反应体系升温至85℃，恒温反应5.0h。加入浓度为1.0mol/L硫酸水溶液，当溶液pH值为3时停止加入。冷却至室温，分别经蒸馏水、蒸馏水与乙醇混合液洗涤三次，然后在335℃下干燥，之后在惰性气体保护下，在600℃活化4小时得到载体硅胶产品。测试结果如表1所示。
对比例2
将60ml浓度为1.1mol/L的稀硫酸溶液放置密闭反应器内，升温至50℃，以3ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶液，调整反应溶液pH值为7，加入蒸馏水使溶胶彻底分散，恒温反应0.5h。以3ml/min流速加入质量分数为4％的浆液状水滑石的乙醇水溶液12mL(乙醇与水体积比为1:6)，加入完毕后恒温反应1.0h。以4ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶，调整反应溶液pH值为11，恒温反应1.0h。以6mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸正丁醇水溶液(正丁醇与水体积比为1:15)，溶液pH值为7时停止加入硫酸正丁醇水溶液，恒温反应2.0h。将反应体系升温至85℃，恒温反应5.0h。加入浓度为1.0mol/L硫酸水溶液，当溶液pH值为3时停止加入。冷却至室温，分别经蒸馏水、蒸馏水与乙醇混合液洗涤三次，然后在335℃下干燥，之后在惰性气体保护下，在600℃活化4小时得到载体硅胶产品。测试结果如表1所示。
对比例3
将60ml浓度为1.1mol/L的稀硫酸溶液放置密闭反应器内，升温至50℃。以3ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶液，调整反应溶液pH值为7，加入蒸馏水使溶胶彻底分散，恒温反应0.5h。以3ml/min流速加入质量分数为4％的浆液状水滑石的水溶液12mL，加入完毕后恒温反应1.0h。以4ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶，调整反应溶液pH值为11，恒温反应1.0h。以6mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸水溶液，溶液pH值为7时停止加入硫酸水溶液，恒温反应2.0h。将反应体系升温至85℃，恒温反应5.0h。加入浓度为1.0mol/L硫酸水溶液，当溶液pH值为3时停止加入。冷却至室温，分别经蒸馏水、蒸馏水与乙醇混合液洗涤三次，然后在335℃下干燥，之后在惰性气体保护下，在600℃活化4小时得到载体硅胶产品。测试结果如表1所示。
对比例4
将60ml浓度为1.1mol/L的稀硫酸溶液放置密闭反应器内，升温至50℃。以3ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶液，调整反应溶液pH值为7，加入蒸馏水使溶胶彻底分散，恒温反应0.5h。以3ml/min流速加入质量分数为4％的浆液状水滑石的乙醇水溶液12mL(乙醇与水体积比为1:6)，加入完毕后恒温反应1.0h。以4ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶液，调整反应溶液pH值为11，恒温反应1.0h。以6mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸水溶液，溶液pH值为7时停止加入硫酸水溶液，恒温反应2.0h。将反应体系升温至85℃，恒温反应5.0h。加入浓度为1.0mol/L硫酸水溶液，当溶液pH值为3时停止加入。冷却至室温，分别经蒸馏水、蒸馏水与乙醇混合液洗涤三次，然后在335℃下干燥，之后在惰性气体保护下，在600℃活化4小时得到载体硅胶产品。测试结果如表1所示。
对比例5
将60ml浓度为1.1mol/L的稀硫酸溶液放置密闭反应器内，升温至50℃。以3ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶液，调整反应溶液pH值为7，加入蒸馏水使溶胶彻底分散，恒温反应0.5h。以3ml/min流速加入质量分数为4％的浆液状水滑石的水溶液12mL，加入完毕后恒温反应1.0h。以4ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶液，调整反应溶液pH值为11，恒温反应1.0h。以6mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸水溶液，溶液pH值为7时停止加入硫酸水溶液，恒温反应2.0h。将反应体系升温至85℃，恒温反应5.0h。加入浓度为1.0mol/L硫酸水溶液，当溶液pH值为3时停止加入。冷却至室温，分别经蒸馏水、蒸馏水与乙醇混合液洗涤三次，然后在335℃下干燥，之后在惰性气体保护下，在600℃活化4小时得到载体硅胶产品。测试结果如表1所示。
对比例6
将60ml浓度为1.1mol/L的稀硫酸溶液放置密闭反应器内，30℃下加入5.0mol/L氨水溶液3.0ml反应20min，升温至50℃。以3ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶液，调整反应溶液pH值为7，加入蒸馏水使溶胶彻底分散，恒温反应0.5h。以3ml/min流速加入质量分数为4％的浆液状水滑石的水溶液12mL，加入完毕后恒温反应1.0h。以4ml/min流速加入浓度为1.2mol/L硅酸钠水溶液，调整反应溶液pH值为11，恒温反应1.0h。以6mL/min流速加入浓度为1.0mol/L的硫酸水溶液，溶液pH值为7时停止加入硫酸水溶液，恒温反应2.0h。将反应体系升温至85℃，恒温反应5.0h。加入浓度为1.0mol/L硫酸水溶液，当溶液pH值为3时停止加入。冷却至室温，分别经蒸馏水、蒸馏水与乙醇混合液洗涤三次，然后在335℃下干燥，之后在惰性气体保护下，在600℃活化4小时得到载体硅胶产品。测试结果如表1所示。
表1载体硅胶物性测试结果
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种烯烃催化剂用硅胶载体的制备方法，其特征在于，制备过程以硅酸盐、无机酸为原料，包括以下步骤：
1）以无机酸水溶液为底液，加入碱性介质溶液，碱性介质溶液与无机酸水溶液的体积比为1:5～1:30；
2）加入浓度为1.0～3.0mol/L硅酸盐水溶液，调整溶液pH值为6～7；
3）加入蒸馏水使溶胶分散，恒温反应0.5～2.0h；
4）加入质量分数为2%~8%浆液状水滑石的乙醇水溶液，乙醇与水的体积比为1:1～1:10；
5）加入浓度为1.0～3.0mol/L硅酸盐水溶液，调整反应溶液pH值为10～12；
6）加入无机酸的有机醇水溶液，有机醇与水的体积比为1:5～1:30，调整反应溶液pH值为6～8；
7）在70～100℃水热反应；
8）经酸化、洗涤、干燥、活化后得到硅胶载体。
2.根据权利要求1所述的烯烃催化剂用硅胶载体的制备方法，其特征在于，所述制备过程如下：
1）加入30～60mL浓度为1.0～3.0mol/L无机酸水溶液于反应釜内，在20～50℃加入碱性介质溶液，碱性介质溶液与无机酸水溶液的体积比为1:10～1:20，恒温反应10～30min；
2）在搅拌条件下升温至40℃～60℃，加入浓度为1.0～3.0mol/L硅酸盐水溶液，流速控制在3～6mL/min，调整反应溶液pH值为6～7；
3）加入蒸馏水使反应釜内溶胶完全分散，恒温反应0.5～1.5h；
4）加入质量分数为2%～8%的浆液状水滑石的乙醇水溶液10~15mL，乙醇与水的体积比为1:5～1:9，流速控制在2～5mL/min，加入完毕后恒温反应0.5～1.0h；
5）加入浓度为1.0～3.0mol/L的硅酸盐水溶液，流速控制在3～6mL/min，调整反应溶液pH值为10～12，恒温反应0.5～1.5h；
6）加入1.0～3.0mol/L的无机酸的有机醇水溶液，流速控制在4～9mL/min，有机醇与水的体积比为1:10～1:20，调整溶液pH值为6～8，恒温反应1.0～2.5h；
7）在70～100℃条件下水热反应3.0～6.0h；
8）加入1.0～3.0mol/L的无机酸水溶液，调整溶液pH值为3～5，将反应体系降至常温，采用蒸馏水和/或蒸馏水与乙醇混合液洗涤，然后在300～335℃下干燥，再在惰性气体条件、400～600℃温度时活化3.0h～6.0h，制得硅胶载体。
3.根据权利要求1或2所述的烯烃催化剂用硅胶载体的制备方法，其特征在于，所述无机酸选自硫酸、盐酸、硝酸中的一种或多种，所述无机酸水溶液的浓度为1.0～1.3mol/L。
4.根据权利要求1或2所述的烯烃催化剂用硅胶载体的制备方法，其特征在于，所述碱性介质溶液选自氨水、碳酸氢铵溶液、碳酸铵溶液、硫化铵溶液，其溶液的浓度为1.0～5.0mol/L。
5.根据权利要求4所述的烯烃催化剂用硅胶载体的制备方法，其特征在于，所述碱性介质溶液选自氨水、碳酸铵溶液。
6.根据权利要求1或2所述的烯烃催化剂用硅胶载体的制备方法，其特征在于，所述硅酸盐选自硅酸钠、硅酸钾中的一种或多种，所述硅酸盐水溶液的浓度为1.0～1.5mol/L。
7.根据权利要求1或2所述的烯烃催化剂用硅胶载体的制备方法，其特征在于，所述浆液状水滑石是任意两种金属与层间CO3 2-的组成水滑石结构。
8.根据权利要求1或2所述的烯烃催化剂用硅胶载体的制备方法，其特征在于，所述浆液状水滑石是层间任意阴离子与主层镁铝双金属组成的水滑石结构。
9.根据权利要求1或2所述的烯烃催化剂用硅胶载体的制备方法，其特征在于，所述浆液状水滑石是镁铝碳酸根型水滑石。
10.根据权利要求1或2所述的烯烃催化剂用硅胶载体的制备方法，其特征在于，所述有机醇选自正丁醇、异丁醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、2-甲基-1-丁醇、2-甲基-2-丁醇、3-甲基-2-丁醇、3-甲基-1-丁醇和2,2-二甲基-1-丙醇中的至少一种。
11.根据权利要求1或2所述的烯烃催化剂用硅胶载体的制备方法，其特征在于，所述有机醇选自正丁醇、1,3-丁二醇中的至少一种。
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