CN1145278A - 高硅沸石及其杂原子同晶取代衍生物的合成 - Google Patents
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Abstract
高硅沸石及其杂原子同晶取代衍生物的合成,属于沸石催化剂的制备领域,其特征在于,在化学计量较浓的反应凝胶体系中加入占凝胶总量的0,1-20%的晶种或导向剂在25-300℃之间晶化1-1000小时获得采用现有的经典的方法难以合成的化学组成的系列高硅沸石,包括八面沸石、丝光沸石、L型沸石和在无有机物体系中制备一些原本需用有机物作为模板剂的沸石,拓宽了它们的合成范围,为开发具有较高应用价值,而且廉价,高产率的沸石,开辟了一条新途径。
Description
本发明高硅沸石及其同晶取代衍生物的合成,属于沸石催化剂的制备领域,具体而言是在晶种或晶化导向剂作用下,合成通常难以合成的化学组成的八面沸石、丝光沸石、L型沸石的方法和在无有机物体系中制备一些原本需用有机物作为模板剂的沸石,包括MFI沸石、β沸石、FER沸石、ZSM-11沸石、ZSM-48和ZSM-12沸石、MCM-22沸石等。
上述沸石分子筛,现已公开的制备方法虽有多种多样,但无论用哪种方法,它们的合成产物化学组成均受一定限制。其中一类是不易获得较高的产物Si/Al,另一类是必须使用有机物作为合成模板剂,否则不易得到纯的沸石晶体,其Si/Al(摩尔比,下同)通常不超过3,在加入TPA作模板时可以达到5.8左右,[S.Ernst,JWeit kamp,Catdysis Toclay,19,36(1994)]。而在加入TEA作模板剂时仅能合成出具有六方晶系对称特征的类八面沸石晶体ZSM-20。在无有机物体系合成丝光沸石,它的产物Si/Al<9.5[K.Itabashi,J.Fkushima and K.Igawa.Zesites.11.745-750(1991)]。仅在加入TEAOH之后,才能获得Si/Al>1000的产物。L型沸石是另一种具有十二元环孔腔、催化选择选择性优异的沸石,其合成产物Si/Al介于2.5-3.5[S-Ernst.J.chem.Soc,Dalton Trans,1259-1265(1972)]。其它的各种需要模板剂合成的沸石,通常需要在含有机胺的体系中合成[U.S Patent,3709979],这样合成沸石的成本明显地提高,不利于这些沸石的工业应用,有关沸石晶种的加入与晶化导向剂的应用,是沸石合成研究中的一个经典性课题,现有技术研究结果证明它们可以加速沸石的晶体生长速度,拓展反应凝胶的化学组成相区,但未曾有过关于它们的引入可以拓展合成产物化学组成范围的公开文献。
本发明的目的在于,在较为浓缩的体系中,借助沸石晶种或晶化导向剂的作用,拓展前述沸石合成产物的化学组成范围,提高其合成产物的收率,获得价格比较便宜但性能优异的人工合成沸石。
本发明高硅沸石及其杂原子同晶取代衍生物的合成是在化学计量的反应凝胶体系中,加入占凝胶总量0.1-20%的晶化导向剂或沸石晶种,在极浓体系或蒸汽相体系中在25-300℃之间晶化1-1000小时,获得具有较高含硅量或不含有机物的系列高硅沸石,Y型沸石、丝光沸石、L型沸石、MFI沸石、ZSM-11沸石、ZSM-12沸石、FER沸石、β ZSM-48沸石和MCM-22沸石以及它们的B、Cr、Ga、In、Fe、Ti、V、Zr、Sn、Zn、P、Ge、Sb、As等元素同晶取代的衍生物。
实现本发明的配方及完整的工艺过程依不同沸石不尽相同,分述如下:
1、Y型沸石:取化学计量的蒸馏水,Y型沸石晶种或晶化导向剂(加入量约0.1-20%)无定形硅铝酸盐、季铵碱、季铵盐、氢氧化钠、氢氧化铵水溶液在强烈搅拌下形成混合凝胶体系,其化学组成为(0.05-10)M2O:Al2O3:(6-30)SiO2:(0-15)R4N+:(10-500)H2O(式中M为Na、K、Li、Rb、Cs、NH4、R4N为季铵碱和季铵盐),上述组分中的Al2O3和SiO2可由前述杂原子进行部分同晶取代,在25-200℃条件,于极浓水热体系或无有机物的蒸汽相中晶化2-1000小时可获得Si/Al介于3-10之间的Y型沸石。
2、丝光沸石
在无机物体系中,取化学计量的丝光沸石晶种或晶化导向剂(占凝胶总量的0.1-20%)按与Y型沸石基本相同的合成方法,在凝胶组成为(0.05-20)Na2O:Al2O3:(10-200)SiO2:(10-1000)H2O在100-300℃间,在极浓体系或水蒸汽体系中晶化1-300小时,获Si/Al介于10-100的丝光沸石。
3、L型沸石:取化学计量的蒸馏水、L型沸石晶种或晶化导向剂(占凝胶总量的0.1-20%)、无定形硅铝酸盐、KOH水溶液在强烈搅拌下获得反应用凝胶,化学组成为(0.05-20)M2O:Al2O3:(10-220)SiO2:(10-1100)H2O,在极浓体系或蒸汽相体系于50-250℃下晶化1-300小时获Si/Al介于35-100之间的L型沸石。
4、MFI、ZSM-11、ZSM-12、FER、β、ZSM-48和MCM-22沸石的合成:依样取化学计量的蒸馏水、脱有机物的上述沸石晶种、无定形硅或硅铝化合物、NaOH水溶液在强烈搅拌下形成无定形凝胶。合成MFI沸石的凝胶组分为(0.05-30)M2O:(0-10)Al2O3:100SiO2:(50-2000)H2O;合成ZSM-11沸石的凝胶组分为(0.05-35)M2O:(0-8)Al2O3:100SiO2:(50-2000)H2O;合成ZSM-12沸石的凝胶组分为(0.05-30)M2O:(0-10)Al2O3:100SiO2:(50-2000)H2O;合成FER沸石的凝胶组分为(0.05-30)M2O:(0.5-10)Al2O3:100SiO2:(50-1500)H2O;合成β沸石的凝胶组分为(0.05-45)M2O:(0-10)Al2O3:100SiO2:(50-1200)H2O;合成ZSM-48沸石的凝胶组分为(0.05-25)M2O:(0-2)Al2O3:100SiO2:(50-500)H2O;在晶化温度为50-300℃、晶化时间为5-1000小时,合成产物中Al/Si依次为:MFI沸石0-0.2;ZSM-11沸石0-0.1;ZSM-12沸石0-0.2;FER沸石0.01-0.2;β沸石0-0.2;ZSM-48沸石0-0.02;MCM-22沸石0.03-0.2。
本发明在较为浓缩的体系中,加入沸石晶种或晶化导向剂,合成了用经典方法无法获得的化学组成的系列高硅沸石,拓宽了它们的可合成范围,为这些具较高应用价值的沸石提供了较廉价的合成方法,为高产率的制备沸石开辟了一条新的途径。
实现本发明的最佳实施例如下:
例1、取蒸馏水80克,Si/Al为2.5的Y型沸石4克,NaOH水溶液(40%NaOH)31克,Si/Al为5.1的硅铝凝胶90克,搅拌均匀,在氨水蒸气中,于90度温度晶化120小时,获Si/Al为4.6的Y型沸石。
例2、取蒸馏水100克,Si/Al为2.3的Y型沸石晶种3克,NaOH水溶液(30%NaOH)40克,TEAOH水溶液(25%TEAOH)42克,Si/Al为12的无定形硅铝凝胶130克,强烈搅拌下混合均匀,在105℃水蒸汽气氛晶化48小时,获Si/Al为10的Y型沸石。
例3、蒸馏水25克,Y型沸石导向剂8克,4%NaOH水溶液28克,Si/Al为4.0的脱铝锻烧高岭土(脱铝膨润土亦可)100克,25%TEA水溶液30克,封入体积为150ml反应釜中,于60℃晶化180小时,获Si/Al为3.3的Y型沸石。
例4、蒸馏水40克,H3BO31.2克,Y型沸石晶化导向剂2克,Si/Al为6.0的硅铝凝胶80克,30%NaOH水溶液40克,强烈搅拌至均匀,在125℃水蒸汽中晶化12小时,获含硼Y型沸石,其Si/(Al+B)为3.9。
例5、顺次取蒸馏水120克,Si/Al为6.9的丝光沸石晶种3克,25%NaOH水溶液38克,Si/Al为15.9的硅铝凝胶100克,强烈搅拌均匀后,于180℃晶化48小时,获Si/Al为14.8的丝光沸石。
例6、顺次取蒸馏水60克,Si/Al为的6.2丝光沸石晶种6克,25%NaOH水溶液30克,Si/Al为115的无定形硅铝凝胶100克,强烈搅拌均匀后,放入体积为120ml反应釜中,于200℃晶化10小时,获Si/Al为99.6的丝光沸石。
例7、取蒸馏水80克,丝光沸石晶化导向剂8克,30%MaOH水溶液30克,Si/Al为13的煅烧后天然粘土120克,在强烈搅拌后混合,水蒸汽相中于150℃晶化160小时,获Si/Al为10.2的丝光沸石。
例8、取蒸馏水20克,Si/Al为6.9的丝光沸石晶种3克,25%NaOH水溶液38克,Si/Al为6.8的无定形硅铝凝胶100克,强烈搅拌下混合均匀封入120ml反应釜,于120℃晶化120小时,获Si/Al为3.6的L型沸石。
例9、取蒸馏水40克,Si/Al为3.2的L型沸石晶种2克,45%KOH水溶液40克,Si/Al为130的无定形硅铝凝胶100克,在强烈搅拌下混匀,在水蒸汽气氛中,150℃晶化12小时,获Si/Al为99的L型沸石。
例10、取蒸馏水60克,L型沸石晶化导向剂8克,40%KOH水溶液40克,Si/Al为21.1的无定形硅铝凝胶110克,强烈搅拌下混合均匀,在氨水蒸气气氛下,100℃晶化120小时,获Si/Al为19.5的L型沸石。
例11、取蒸馏水100克,Si/Al为625的MFI沸石晶种1.2克,20%NaOH水溶液16.5克,Si/Al为21的无定形硅铝凝胶110克,强烈搅拌下混合均匀,在水蒸汽气氛中,100℃晶化48小时,180℃晶化48小时,获Si/Al为22的MFI沸石。
例12、取蒸馏水80克,Si/Al为10的MFI型沸石2克,40%NaOH水溶液15克,Si/Al为5的脱铝焙烧高岭土100克,强烈搅拌下混合均匀,150度温度晶化160小时,获Si/Al为5.5的MFI型沸石。
例13、取蒸馏水100克,纯硅MFI沸石晶种6克,40%NaOH水溶液4克,水解正硅酸乙酯所得无定形二氧化硅100克,强烈搅拌下混合均匀,封入150ml反应釜中,在180℃下晶化240小时,获纯硅MFI沸石,收率95%。
例14、取蒸馏水150克,纯硅MFI沸石晶种5克,40%NaOH水溶液4克,钛酸四乙酯3克,水解正硅酸乙酯所得无定形二氧化硅100克,强烈搅拌下混合均匀,于水蒸汽气氛中在200℃晶化200小时,获含钛MFI分子筛。
例15、取蒸馏水60克,Si/Al为50的ZSM-11沸石1克,40%NaOH水溶液19克,Si/Al为9.6的无定形硅铝凝胶100克,强烈搅拌下混合均匀,封入体积为120ml反应釜中,165℃晶化120小时,获Si/Al为10.1的ZSM-11沸石。
例16、取蒸馏水85克,Si/Al为100的ZSM-11沸石20克,40%NaOH水溶液6克,Si/Al为120的无定形硅铝凝胶100克,强烈搅拌下混合均匀,水蒸汽气氛中180℃晶化160小时,获Si/Al为110的ZSM-11沸石。
例17、取蒸馏水180克,纯硅ZSM-11沸石6克,40%NaOH水溶液8克,无定形二氧化硅100克,强烈搅拌下混匀,在150℃下晶化200小时,获纯硅ZSM-11沸石。
例18、取蒸馏水80克,Si/Al为30的ZSM-12沸石晶种0.5克,30%NaOH水溶液20克,Si/Al为4.8的无定形硅铝凝胶100克,强烈搅拌下混合均匀,在水蒸气气氛下,120℃晶化24小时,170℃晶化96小时,获Si/Al为10.2的ZSM-12沸石。
例19、取蒸馏水120克,纯硅ZSM-12沸石晶种(由含铝ZSM-12沸石脱铝而得)8克,25%NaOH水溶液10克,无定形二氧化硅100克,强烈搅拌下混合均匀,封入150ml体积反应釜中,160℃晶化120小时,获纯硅ZSM-12沸石。
例20、取蒸馏水130克,纯硅Z5M-12沸石晶种5克,40%NaOH水溶液25克,三氯化铁4克,无定形二氧化硅100克,强烈搅拌下混合均匀,于水蒸汽气氛中,100℃晶化48小时,180℃晶化100小时,获含铁ZSM-12分子筛。
例21、取蒸馏水60克,Si/Al为18的沸石晶种0.5克,40%NaOH水溶液22克,Si/Al为4.7的脱铝焙烧膨润土100克,强烈搅拌下混匀,密封于100ml体积反应釜中,200℃晶化96小时,获Si/Al为5.0的FER沸石。
例22、取蒸馏水120克,Si/Al为18的FER沸石6克,40%NaOH水溶液15克,Si/Al为110的无定形硅铝凝胶100克,强烈搅拌下混合均匀,在水蒸汽气氛下,160℃晶化240小时,获Si/Al为99的FER沸石,收率为95%。
例23、取蒸馏水120克,Si/Al为23的β沸石晶种19克,40%NaOH水溶液23克,Si/Al为5.0的无定形硅铝凝胶100克,强烈搅拌下混合均匀,在水蒸汽气氛中,130℃下晶化240小时,获Si/Al为99的FER沸石,收率为90%。
例24、取蒸馏水70克,Si/Al为15的β沸石晶种3克,30%NaOH水溶液30克,Si/Al为15的无定形硅铝凝胶100克,在强烈搅拌下混合均匀,密封于120ml体积反应釜中,150度温度晶化120小时,获Si/Al为14.5的β沸石。
例25、取蒸馏水110克,Si/Al为90的β沸石晶种9克,40%NaOH水溶液16克,Si/Al为120的无定形硅铝凝胶100克,在氨水蒸气相中,强烈搅拌下混合均匀,于150℃晶化48小时,200℃晶化96小时获Si/Al为100的β沸石,收率为90%。
例26、取蒸馏水100克,Si/Al为150的ZSM-48沸石晶种4克,40%NaOH水溶液10克,正硅酸(Si/Al=200)100克,搅拌均匀后密封在体积为150ml反应釜中,100℃晶化24小时,180℃晶化140小时,获Si/Al为190的ZSM-48沸石。
例27、取蒸馏水80克,Si/Al为50的ZSM-48沸石晶种6克,30%KOH水溶液30克,Si/Al为22的硅铝凝胶110克,在强烈搅拌下混合均匀,于水蒸汽气相中180℃晶化120小时,获Si/Al为24.8的ZSM-48沸石。
例28、取蒸馏水130克,纯硅ZSM-48沸石晶种5克,40%NaOH水溶液8克,无定形二氧化硅100克,强烈搅拌下混合均匀,160℃晶化240小时,获纯硅ZSM-48沸石。
例29、取蒸馏水100克,Si/Al为15的M℃M-22沸石晶种1克,40%NaOH水溶液22克,Si/Al为5的无定形硅铝凝胶100克,强烈搅拌下混匀,在氨水蒸汽相中,150℃下晶化100小时,获Si/Al为5.3的MCM-22沸石。
例30、取蒸馏水70克,Si/Al为15的MCM-22沸石晶种6克,40%NaOH水溶液16克,Si/Al为35的无定形硅铝凝胶100克,强烈搅拌均匀后,封入100ml反应釜中,于135℃晶化140小时,170℃晶化96小时,获Si/Al为31的MCM-22沸石。
Claims (5)
1、高硅沸石及其杂原子同晶取代衍生物的合成,其特征在于,是在化学计量的反应凝胶体系中,加入占凝胶总量0.1-20%的晶化导向剂或沸石晶种,在极浓体系或蒸汽相体系中在25-300℃之间晶化1-1000小时获得具有较高含硅量或不含有机物的系列高硅沸石,其沸石中的Al2O3和SiO2可由其杂原子同晶取代。
2、按照权利要求1所述的高硅沸石及其杂原子同晶取代衍生物的合成,其特征在于具有较高含硅量的沸石-Y型沸石的制备为:取化学计量的蒸馏水,0.1-20%的Y型沸石晶种或晶化导向剂、无定形硅铝酸盐、季铵碱、季铵盐、氢氧化钠、氢氧化铵水溶液在强烈搅拌下形成混合凝胶体系,其化学组成为(0.05-10)M2O:Al2O3:(6-30)SiO2:(0-15)R4N+:(10-500)H2O(式中M为Na、K、Li、Rb、Cs、NH4、R4N为季铵碱和季铵盐),上述组分中的Al2O3和SiO2可由前述杂原子进行部分同晶取代,在25-200℃条件,于极浓水热体系或无有机物的蒸汽相中晶化2-1000小时可获得Si/Al介于3-10之间的Y型沸石。
3、按照权利要求1所述的高硅沸石及其杂原子同晶取代衍生物的合成,其特征在于所述的具有较高含硅量的沸石-丝光沸石的合成,取0.1-20%化学计量的丝光沸石晶种或晶化导向剂,按与Y型沸石基本相同的合成方法,在凝胶组成为(0.05-20)Na2O:Al2O3:(10-200)SiO2:(10-1000)H2O在100-300℃下,在极浓体系或水蒸汽体系中晶化1-300小时,获Si/Al介于10-100的丝光沸石。
4、按照权利要求1所述的高硅沸石及其杂原子同晶取代衍生物的合成,其特征在于具有较高含硅量的L型沸石的制备:取化学计量的蒸馏水、0.1-20%的L型沸石晶种或晶化导向剂、无定形硅铝酸盐、KOH水溶液在强烈搅拌下获得反应用凝胶,其化学组成为(0.05-20)M2O:Al2O3:(10-220)SiO2:(10-1100)H2O,在极浓体系或蒸汽相体系于50-250℃下晶化1-300小时获Si/Al介于35-100之间的L型沸石。
5、按照权利要求1所述的高硅沸石及其杂原子同晶取代衍生物的合成,其特征在于所述不含有机物的系列高硅沸石MFI、ZSM-11、ZSM-12、FER、β、ZSM-48和MCM-22沸石的合成:依样取化学计量的蒸馏水、脱有机物的上述沸石晶种、无定形硅或硅铝化合物、NaOH水溶液在强烈搅拌下形成无定形凝胶。合成MFI沸石的凝胶组分为(0.05-30)M2O:(0-10)Al2O3:100SiO2:(50-2000)H2O;合成ZSM-11沸石的凝胶组分为(0.05-35)M2O:(0-8)Al2O3:100SiO2:(50-2000)H2O;合成ZSM-12沸石的凝胶组分为(0.05-30)M2O:(0-10)Al2O3:100SiO2:(50-2000)H2O;合成FER沸石的凝胶组分为(0.05-30)M2O:(0.5-10)Al2O3:100SiO2:(50-1500)H2O;合成β沸石的凝胶组分为(0.05-45)M2O:(0-10)Al2O3:100SiO2:(50-1200)H2O;合成ZSM-48沸石的凝胶组分为(0.05-25)M2O:(0-2)Al2O3:100SiO2:(50-500)H2O;合成MCM-22沸石的凝胶组成为:(0.05-35)M2O:(1.5-10)Al2O3:100SiO2:(50-800)H2O;在晶化温度为50-300℃、晶化时间为5-1000小时,合成产物中Al/Si依次为:MFI沸石0-0.2;ZSM-11沸石0-0.1;ZSM-12沸石0-0.2;FER沸石0.01-0.2;β沸石0-0.2;ZSM-48沸石0-0.02;MCM-22沸石0.03-0.2。
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