CN1108870C - MeAPSO-56分子筛及其合成方法 - Google Patents

MeAPSO-56分子筛及其合成方法 Download PDF

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Abstract

一种金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56无水状态组成可表示为:mR·nMe·(SixAlyPz)O2,其中R为存在于分子筛微孔中的模板剂,m代表每摩尔(SixAlyPz)O2对应模板剂的摩尔数,m=0.05~0.3;Me为进入分子筛骨架的金属原子,n为每摩尔(SixAlyPz)O2对应Me的摩尔数,n=0.001~0.20。x、y、z分别表示Si、Al、P的摩尔分数,其范围分别是x=0.01~0.98,y=0.01~0.60,z=0.01~0.52,且x+y+z=1。该分子筛具有离子交换性能和吸附性能。可应用于多种碳氢化合物反应。

Description

MeAPSO-56分子筛及其合成方法
本发明提供了一种新型微孔金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56及其合成方法。
1984年,美国专利USP 4,440,871公开了多种具有不同结构的磷酸硅铝分子筛的合成,这些分子筛分别是SAPO-5,SAPO-11,SAPO-16,SAPO-17,SAPO-20,SAPO-31,SAPO-34,SAPO-35,SAPO-37,SAPO-40,SAPO-41,SAPO-42和SAPO-44。其中一些小孔结构的分子筛如SAPO-34等已成功应用于MTG、MTO等过程,并显示出很好的催化性能。此后,又有一些不同结构的磷酸硅铝分子筛相继被合成出来。SAPO-56是Stephen T.Wilson等人于1994年合成出一种新型结构的磷酸硅铝分子筛(USP5,370,851)。
金属分子筛是将金属引入到分子筛的骨架上,从而使其具有一些不同于原分子筛的特性。美国专利USP4,554,143、4,752,651、4,853,179等先后报导了几种金属磷铝酸盐的合成方法,但尚未见到对MeAPSO-56分子筛进行研究的报导。
本发明合成的金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56,其特征在于所合成分子筛的无水化学组成可表示为:mR·nMe(SixAlyPz)O2,其中R为存在于分子筛微孔中的模板剂,m代表每摩尔(SixAlyPz)O2对应模板剂的摩尔数,m=0.05~0.3;Me为进入分子筛骨架的金属原子,n为每摩尔(SixAlyPz)O2对应Me的摩尔数,n=0.001~0.20。x、y、z分别表示Si、Al、P的摩尔分数,其范围分别是x=0.01~0.98,y=0.01~0.60,z=0.01~0.52,且x+y+z=1;
在上述金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56,金属原子Me为钒、铜、钼、锆、钛、钴、锰、镁、铁、镍和锌中的一种或任意几种,并至少有部分以MeO2四面体形成分子筛骨架存在于分子筛中。
本发明合成的金属磷酸硅铝分子筛可用作离子交换剂和吸附剂,用其制成的催化剂可应用于多种碳氢化合物反应中,如催化裂化、重整、聚合、烷基化、脱烷基化、烷基转移、异构化、加氢环化、脱氢和氢化反应等。
本发明合成的MeAPSO-56分子筛,其特征在于制备过程如下:
(1)按比例将硅源物质、铝源物质、磷源物质、金属盐、模板剂和水在搅拌下混合均匀,得初始凝胶混合物;
(2)将初始凝胶混合物料移入不锈钢合成釜中密封,在100~250℃晶化不少于1小时,最佳为2~100小时;
(3)将固体结晶产物与母液分离,用脱离子水洗涤至中性、在80-130℃空气中干燥后得到金属磷酸硅铝分子筛原粉。
另外,将上述制备的分子筛原粉在300~700℃空气中焙烧不少于3小时,即得金属磷酸硅铝分子筛活性催化剂。
在上述本发明MeAPSO-56分子筛的制备过程中,所用的硅源为硅溶胶、硅凝胶、水玻璃、活性二氧化硅或正硅酸酯中的一种或几种的混合物;铝源为铝盐、铝酸盐、活性氧化铝、烷氧基铝、假勃母石或拟薄水铝石中的一种或几种的混合物;磷源为正磷酸、磷酸盐、有机磷化物或磷氧化物中的一种或两种的混合物;金属为钒、铜、钼、锆、钛、钴、锰、镁、铁、镍和锌等的氧化物、无机盐类或有机盐类中的一种或任意几种的混合物;模板剂为N’,N’,N,N-四甲基-1,6-己二胺、三丙胺或正丙胺中的一种或几种的混合物。
各原料之间配比(按氧化物分子比)为:
Me/Al2O3=0.01~0.7;
SiO2/Al2O3=0.1~10;
P2O5/Al2O3=0.5~15;
H2O/Al2O3=10~100;
R/Al2O3=0.7~6;R为一种或几种模板剂的混合物;
另外,在上述的制备方法中,合成的晶化压力为自生压力或充入0.01~1Mpa的氮气、空气或惰性气体等。
下面通过实施例详述本发明。
实施例1 SAPO-56
将12.75g活性氧化铝(含Al2O3 73.0wt%)溶解于75ml脱离子水中,搅拌下顺序加入10.40g硅溶胶(含SiO2 40wt%)和26.28g正磷酸(含H3PO4 85wt%)。最后加入40g N,N’,N,N-四甲基-1,6-己二胺,搅拌混合均匀后,将此混合物料移入不锈钢合成釜中密封。在200℃及自生压力下晶化24小时,固体产物用脱离子水洗涤至中性,在100℃空气中干燥、550℃空气中焙烧5小时即得到SAPO-56分子筛,其XRD分析如表1所示。
             表1
No.       2θ                       d()            100×I/I0
1         7.380         11.9689           18
2         8.610         10.2616           58
3         11.530        7.6686            56
4         12.840        6.8890            35
5         15.490        5.7158            36
6         17.310        5.1188            44
7         17.720        5.0012            65
8         20.180        4.3968            78
9         21.610        4.1089            100
10        21.960        4.0442            24
11        23.440        3.7921            36
12        25.870        3.4412            36
13        27.780        3.2088            67
14        29.900        2.9859            24
15        30.320        2.9455            38
16        31.310        2.8546            33
17        33.430        2.6782            27
18        34.470        2.5998            19
实施例2 TiAPSO-56
将12.10g活性氧化铝(含Al2O3 73.0wt%)溶解于70ml脱离子水中,搅拌下顺序加入10.40g硅溶胶(含SiO2 40wt%)和26.28g正磷酸(含H3PO4 85wt%),制得溶液A。将2.85g硫酸钛(96%)与5ml脱离子水混合均匀,得溶液B。强烈搅拌下将溶液B加入到A中,搅拌不少于30分钟。最后加入40g N’,N’,N,N-四甲基-1,6-己二胺,搅拌混合均匀后,将此混合物料移入不锈钢合成釜中密封。在200℃及自生压力下晶化24小时,固体产物用脱离子水洗涤至中性,在100℃空气中干燥、550℃空气中焙烧5小时即得到TiAPSO-56分子筛,其XRD分析如表2所示。将表2、1相对比,可看到表2中各衍射峰的相对强度发生变化,说明钛原子进入分子筛骨架使孔径、晶面间距等发生变化。
                        表2
No.       2θ                         d()           100×I/I0
1         7.340         12.0341           20
2         8.559         10.3215           64
3         11.480        7.7018            61
4         12.790        6.9158            35
5         15.440        5.7342            35
6         17.260        5.1335            42
7         17.680        5.0125            47
8         19.650        4.5141            18
9         20.140        4.4054            79
10        21.570        4.1165            100
11        23.410        3.7969            32
12        25.840        3.4451            36
13        27.760        3.2110            60
14        30.280        2.9493            36
15        31.270        2.8581            30
16        33.410        2.6798            26
17        34.440        2.6020            15
对比例1
将实施例2中的N,N,N’,N’-四甲基-1,6-己二胺用量变为10g。此时,反应混合物料中模板剂与Al2O3的比为0.62。其余各组分用量、加入顺序和晶化条件不变,产物为TiAPSO-11分子筛,其XRD分析如表3所示。
                 表3
No.       2θ                       d()           100×I/I0
1         8.070         10.9470           20
2         9.450         9.3513            56
3         13.200        6.7019            24
4         15.700        5.6399            47
5         20.510        4.3268            77
6         21.050        4.2170            93
7         22.760        3.9039            91
8         23.240        3.8243            100
9         24.780        3.5900            29
10        26.700        3.3360            30
11        28.740        3.1037            33
12        33.020        2.7105            25
实施例3 FAPSO-56
将15.90g活性氧化铝(含Al2O3 73.0wt%)溶解于70ml脱离子水中,搅拌下顺序加入12.80g硅溶胶(含SiO2 40wt%)和19.50g正磷酸(含H3PO4 85wt%),制得溶液A。同时将3.27g硫酸铁(96%)与5ml脱离子水混合均匀,得溶液B。强烈搅拌下将溶液B加入到A中,搅拌不少于30分钟。最后加入40g N’,N’,N,N-四甲基-1,6-己二胺,搅拌混合均匀后,将此混合物料移入不锈钢合成釜中密封。在200℃及自生压力下晶化24小时,固体产物用脱离子水洗涤至中性,在100℃空气中干燥、550℃空气中焙烧5小时即得到FAPSO-56分子筛,其XRD分析如表4所示。将表4、1相对比,可看到表4中各衍射峰的相对强度发生变化,说明铁原子进入分子筛骨架使孔径、晶面间距等发生变化。
                  表4
No.       2θ                       d()            100×I/I0
1         7.360         12.0041           14
2         8.559         10.3215           49
3         11.480        7.7018            60
4         12.810        6.9050            28
5         15.450        5.7306            28
6         17.270        5.1305            40
7         17.700        5.0068            100
8         19.660        4.5119            15
9         20.150        4.4032            65
10        21.580        4.1146            76
11        23.420        3.7953            45
12        25.840        3.4451            35
13        27.770        3.2099            98
14        29.870        2.9888            21
15        30.280        2.9493            31
16        31.280        2.8572            26
17        33.420        2.6790            27
18        34.460        2.6005            17
实施例4(ZrAPSO-56)
将实施例2中的溶液B变为3.71g氧氯化锆(ZrOCl2·8H2O 99%)与5ml脱离子水混合,模板剂采用36g三丙胺代替N’,N’,N,N-四甲基-1,6-己二胺,其余各组分用量、加入顺序和晶化条件不变,产物为ZrAPSO-56分子筛,其XRD分析如表5所示。将表5、1相对比,可看到表5中各衍射峰的相对强度发生变化,说明锆原子进入分子筛骨架使孔径、晶面间距等发生变化。
                        表5
No.       2θ                         d()           100×I/I0
1         7.360         11.9851           21
2         8.580         10.2855           61
3         11.510        7.6855            63
4         12.820        6.8997            40
5         15.480        5.7269            35
6         17.280        5.1246            46
7         17.700        5.0125            67
8         20.180        4.3968            77
9         21.610        4.1089            100
10        23.430        3.7937            39
11        25.890        3.4386            44
12        27.750        3.2122            78
13        30.330        2.9445            37
14        31.340        2.8519            36
15        33.420        2.6790            29
16        34.500        2.5976            22
17        50.650        1.8008            18
实施例5 MnAPSO-56
将实施例2中的溶液B变为2.82g醋酸锰(MnAc2·4H2O 99%)与5ml脱离子水混合,模板剂采用10gN’,N’,N,N-四甲基-1,6-己胺和25g正丙胺的混合和,其余各组分用量、加入顺序和晶化条件不变,产物为MnAPSO-56分子筛,其XRD分析如表6所示。将表6、1相对比,可看到表6中各衍射峰的相对强度发生变化,说明锰原子进入分子筛骨架使孔径、晶面间距等发生变化。
                         表6
No.        2θ                       d()           100×I/I0
1          7.380         11.9689           19
2          8.600         10.2735           56
3          11.520        7.6752            58
4          12.830        6.8943            38
5          14.810        5.9767            12
6          15.490        5.7158            37
7          17.290        5.1246            44
8          17.710        5.0040            68
9          19.660        4.5119            19
10         20.170        4.3989            81
11         21.600        4.1108            100
12         21.940        4.0479            22
13         23.450        3.7905            37
14         25.860        3.4425            37
15         27.790        3.2076            71
16         29.900        2.9859            25
17         30.280        2.9493            39
18         31.300        2.8554            33
19         33.440        2.6774            29
20         34.470        2.5998            20
实施例6 CoAPSO-56
将实施例2中的溶液B变为2.05g醋酸钴(CoAc2·4H2O 99.5%)与5ml脱离子水混合。其余各组分用量、加入顺序和晶化条件不变,产物为CoAPSO-56分子筛。
实施例7 NiAPSO-56
将实施例2中的溶液B变为2.45g硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O 98%)与5ml脱离子水混合。其余各组分用量、加入顺序和晶化条件不变,产物为NiAPSO-56分子筛。
对比例2
将实施例7中的2.45g硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O 98%)变为19.6g与15ml脱离子水混合。此时,金属与Al2O3的摩尔数之比为0.75。其余各组分用量、加入顺序和晶化条件不变,产物为未知的晶体,其XRD分析如表7所示。
                        表7
No.       2θ                         d()           100×I/I0
1         13.840        6.3934            43
2         19.670        4.5096            43
3         22.000        4.0370            6
4         24.160        3.6807            100
5         27.990        3.1856            15
6         31.390        2.8475            14
7         34.450        2.6012            18
8         40.020        2.2511            7
9         42.580        2.1215            8
10        47.360        1.9175            6
11        51.740        1.7654            11
12        55.980        1.6413            4
实施例8 CuAPSO-56
将实施例2中的溶液B变为3.05g硫酸铜(Cu(SO4)2·6H2O 98%)与5ml脱离子水混合。其余各组分用量、加入顺序和晶化条件不变,产物为CuAPSO-56分子筛。
实施例9
将实施例2中所得的样品于550℃下通入空气中焙烧4小时。称取2g焙烧后的样品,加入到100毫升1M的氯化铜溶液中。在50℃下交换12小时,反复交换4次,所得到的样品经过滤、脱离子水洗涤并于100℃下干燥,即得铜离子交换后的样品Cu-TiAPSO-56。
实施例10
将实施例2中所得到的样品取出一部分放到小坩埚中,于550℃下通入空气焙烧4小时。准确称量样品的质量后置于装有饱和食盐水的干燥器中。室温下放置12小时。通过称取样品前后质量的变化,得到样品的吸水数值。实验表明TiAPSO-56分子筛具有吸附性,其室温下对水的吸附值为29.6%。
实施例11
将实施例1中所得到的样品于550℃下通入空气焙烧4小时。然后压片、破碎至20~40目。称取1.28g样品装入固定床反应器,进行甲醇转化制低碳烯烃(MTO)反应评价。甲醇由氮气携带,其重量空速WHSV为2.0h-1,反应温度为450℃,反应产物由在线气相色谱进行分析。结果表明甲醇的转化率为100%,对C2 和C3 的选择性达到70%以上,其对C2 和C3 的初始选择性为60%以上。说明TiAPSO-56分子筛对于MTO反应具有很高的活性。
由上述实施例的结果可以看到,本发明采用N’,N’,N,N-四甲基-1,6-己二胺、三丙胺或正丙胺为模板剂并控制模板剂的配合量,利用不同金属盐可以合成MeAPSO-56分子筛。该合成过程简便,反应条件易控制,适于工业化采用。另外,本发明所合成MeAPSO-56分子筛经焙烧后可以作为离子交离剂和吸附剂,并可作为多种碳氢化合反应的催化剂,特别是用于甲醇转化制低碳烯烃反应,具有很高的催化活性和对产物的选择性,为该反应过程的工业化创造了条件。

Claims (12)

1.一种金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56,其特征在于无水状态化学组成表示为mR·nMe·(SixAlyPz)O2;其中R为存在于分子筛微孔中的模板剂,m代表每摩尔(SixAlyPz)O2中模板剂的摩尔数,m=0.05~0.3;Me为进入分子筛骨架的金属原子钒、铜、钼、锆、钛、钴、锰、镁、铁、镍和锌中的一种或任意几种,n为每摩尔(SixAlyPz)O2中Me的摩尔数,n=0.001~0.20;x、y、z分别表示Si、Al、P的摩尔分数,其范围分别是x=0.01~0.98,y=0.01~0.60,z=0.01~0.52,且x+y+z=1。
2.按照权利要求1所述的金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56,其特征在于金属原子至少有部分以MeO2四面体形成分子筛骨架存在于分子筛中。
3.一种合成权利要求1所述的金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56的方法,其特征是按下述步骤进行:
(1)按比例将硅源物质、铝源物质、磷源物质、金属盐、模板剂和水在搅拌下混合均匀,得初始凝胶混合物;
(2)将初始凝胶混合物料移入不锈钢合成釜中密封,在100~250℃晶化不少于1小时;
(3)将固体结晶产物与母液分离,用脱离子水洗涤至中性、在80-130℃空气中干燥后得到金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56。
4.按照权利要求3所述的合成金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56的方法,其特征在于所用的各原料配比(按氧化物分子比)为:
Me/Al2O3=0.01~0.7;
SiO2/Al2O3=0.1~10;
P2O5/Al2O3=0.5~15;
H2O/Al2O3=10~100;
R/Al2O3=0.7~6;R为一种或几种模板剂的混合物;
5.按照权利要求3所述合成的金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56的方法,其特征在于所用的硅源为硅溶胶、硅凝胶、水玻璃、活性二氧化硅或正硅酸酯中的一种或几种的混合物。
6.按照权利要求3所述的合成金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56的方法,其特征在于所用的铝源为铝盐、铝酸盐、活性氧化铝、烷氧基铝、假勃母石或拟薄水铝石中的一种或几种的混合物。
7.按照权利要求3所述的合成金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56的方法,其特征在于所用的磷源为正磷酸、磷酸盐、有机磷化物或磷氧化物中的一种或几种的混合物。
8.按照权利要求3所述的合成金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56的方法,其特征在于所用的模板剂为N’,N’,N,N-四甲基-1,6-己二胺、三丙胺或正丙胺中的一种或几种的混合物。
9.按照权利要求3所述的合成金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56的方法,其特征在于所使用金属盐的来源为钒、铜、钼、锆、钛、钴、锰、镁、铁、镍和锌等的无机盐类或有机盐类中的一种或任意几种的混合物。
10.按照权利要求3所述的合成金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56的方法,其特征在于合成的晶化压力为自生压力或充入0.01~1Mpa的氮气、空气或惰性气体等。
11.按照权利要求1所述的金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56用作离子交换剂和吸附剂的用途。
12.按照权利要求1所述的金属磷酸硅铝分子筛MeAPSO-56用作吸附剂的用途。
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