CN1367758A - Zsm-5和zsm-11的合成方法 - Google Patents
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Abstract
从含有选自式为(C2H6N)nNmHq的非环状胺的有机导向剂的反应混合物经合成生产了α值为1000-3500的高活性ZSM-5和ZSM-11,其中,n是1、2或3;m是0或1;q是0、1或2且(n+m+q)为2或4。
Description
发明领域
本发明涉及ZSM-5和ZSM-11及其共生物和/或混合物的合成。
发明背景
在美国专利No.3,702,886中公开了用四丙基铵(TPA)阳离子作为导向剂的ZSM-5及其合成。用许多种其它有机氮导向剂,例如具有5-6个碳原子的烷基二胺(美国专利No.4,139,600)、二甲基乙基丙基铵(DMEPA)阳离子(美国专利No.4,565,681)和1,2-二胺基环己烷(美国专利No.5,174,977),也合成了ZSM-5。
美国专利No.4,151,189公开了使用2-9个碳原子的伯胺作为导向剂可以合成ZSM-5、ZSM-12、ZSM-35和ZSM-38。在该专利的具体实施例12中,公开了使用乙基胺作为导向剂。在实施例12中没有提供足够的信息得到关于反应混合物的二氧化硅/氧化铝摩尔比的确定结论,但是假定所用的铝酸钠是通常在商业上可以获得的,含有25.5%的Al2O3,则反应混合物的二氧化硅/氧化铝摩尔比为50。根据美国专利No.4,151,189的表2,实施例12的产物仅有85%结晶,即是不纯的,二氧化硅/氧化铝重量比为17,这相当于摩尔比为29。然而,表2中的产品分析数据没有达到物料平衡,其中,虽然存在0.11摩尔的氧化铝,但是仅有0.06摩尔的N并且基本没有Na。这强烈表明表2的产物组成中的大部分铝没在ZSM-5晶格中,因此,ZSM-5的摩尔比明显大于29。
此外,美国专利No.5,369,071公开了在正丙基胺存在下,可以从pH值为10-14、OH-/SiO2比为0.1-0.3、M/SiO2比为0.2-0.6(其中,M是碱金属或碱土金属)、H2O/SiO2比为10-35的反应混合物合成二氧化硅/氧化铝摩尔比低达20.3且α值高达1488的ZSM-5。
在美国专利No.3,709,979中公开了用四丁基铵阳离子作为导向剂的ZSM-11及其合成,而美国专利No.4,108,881描述了在7-12个碳原子的烷基二胺存在下的ZSM-11合成。
例如,从美国专利No.4,229,424还知道生产ZSM-5和ZSM-11的共生物,它是表现出两种沸石的结构特征的结晶材料。
到目前为止,已经证明生产骨架二氧化硅与氧化铝的摩尔比小于20的ZSM-5和ZSM-11是非常困难的(例如,分别见R.Szostak,Handbook of Molecular Sieves,Van Nostrand Reinhold,NY,NY,1992,分别第520页和530页)。骨架铝中心是沸石酸活性的原因,对于许多催化剂用途,希望的是能够生产具有最高可能酸活性的ZSM-5和/或ZSM-11,所以,希望最低的可能的骨架二氧化硅与氧化铝的摩尔比。
通过控制水蒸汽处理可以增大沸石的酸活性,见美国专利No.4,326,994,但是这种水蒸汽处理在催化剂生产过程中加入了附加步骤,所以对于生产高活性ZSM-5和/或ZSM-11的直接合成法存在需求。
根据本发明,现已发现使用式为(C2H6N)nNmHq的非环状胺作为导向剂,可以生产具有非常高酸活性的ZSM-5、ZSM-11及其共生物和/或混合物,其中,n是1、2或3;m是0或1;q是0、1或2且(n+m+q)为2或4。
应该理解的是,虽然ZSM-5和ZSM-11通常合成为铝硅酸盐,骨架铝可以部分或全部被其它三价元素取代,如硼、铁和/或镓,骨架硅可以部分或全部被其它四价元素取代,如锗。
本发明概述
一方面,本发明属于生产具有下表1所列的X射线衍射线的合成多孔结晶材料的方法,包括下列步骤:
(a)形成含有碱金属或碱土金属(M)阳离子、三价元素(X)的氧化物、四价元素(Y)的氧化物、导向剂(R)和水的源的反应混合物,其中,所述反应混合物的组成用摩尔比表示在下列范围内:
YO2/X2O3=15-35
H2O/YO2=10-50
OH/YO2=0.01-0.2
M/YO2=0.1-0.5
R/YO2=0.2-5.0
且其中,导向剂R是式为(C2H6N)nNmHq的非环状胺,其中,n是1、2或3;m是0或1;q是0、1或2且(n+m+q)为2或4;
(b)把反应混合物保持在结晶条件下,直到形成所述多孔结晶材料的晶体;然后,
(c)从反应混合物中回收所述晶体。
优选的是,导向剂R选自二乙三胺、三乙四胺和三(2-氨基乙基)胺。
优选的是所述反应混合物的组成用摩尔比表示在下列范围内:
YO2/X2O3=15-30
H2O/YO2=10-30
OH/YO2=0.02-0.1
M/YO2=0.1-0.3
R/YO2=0.5-2.0
附图简述
图1是根据实施例1形成的多孔结晶材料的铵形式的X射线衍射谱图。
图1是根据实施例2形成的多孔结晶材料的铵形式的X射线衍射谱图。
图3是根据实施例2形成的合成态的多孔结晶材料的铝NMR谱图。
特定实施方案的描述
本发明提供了一种生产ZSM-5、ZSM-11及其共生物和/或混合物的方法,根据α值测量,其在其氢形式下可以具有非常高的酸活性。α值很久以来一直被认为是酸催化剂活性的有效测量方法,它与沸石中的骨架铝含量的关系一直是文献中的许多出版物的主题,例如,W.O.Haag,R.M.Lago和P.B.Weisz,Nature,309,589(1984)。α值比较了催化剂的催化裂化活性(单位时间每体积催化剂的正己烷转化率)与标准二氧化硅-氧化铝裂化催化剂的活性。在美国专利No.3,354,078;在Journal of Catalysis,第4卷,527页(1965);第6卷,278页(1966);和第61卷,395页(1980)中描述了α试验,其全部内容在本文中引作参考。本文所用的试验的实验条件包括538℃的恒温和可变化的流量,如Journal of Catalysis,第61卷,395页所详细描述的。
本发明的方法可以生产ZSM-5和ZSM-11材料,其在其氢形式取α值在1000-3500之间。更特别地,可以生产α值高达2500的ZSM-5材料和α值高达3500的ZSM-11材料。
ZSM-5和ZSM-11结构上类似,有时称为pentasil沸石。通过本发明的方法生产的ZSM-5和ZSM-11及其共生物和混合物用下表1中的X射线衍射线表征:
表1
D间距() | 相对强度[100×I/I(o)] |
11.2+/-0.2 | M-S |
10.1+/-0.2 | M-S |
3.86+/-0.08 | M-VS |
3.72+/-0.08 | M-S |
这些X射线衍射数据用装有锗固态检测器和使用铜Kα辐射的Scintage衍射系统采集。衍射数据用步进扫描以0.02度的2θ记录,这里,θ是Bragg角,每步为10秒为计数时间。晶面间距d用埃计算,衍射线的相对强度I/I0是在背景以上的最强线强度的百分之一,使用曲线拟合法(或二阶导数计算法)获得。对于Lorentz和极化效应,这些强度是不正确的。相对强度用符号给出,vs=非常强(80-100),s=强(60-80),m=中等(40-60),w=弱(20-40),vw=非常弱(0-20)。应该理解,以单线给出的该试样的这些衍射数据可能由多个重叠的线组成,它们在某些条件下,例如在结晶学变化方面的差异,可能以分解的或部分分解的线方式出现。典型地,结晶学变化可能包含单元晶胞参数的微小变化和/或晶体对称性的变化,而没有结构上的变化。这些微小变化包括相对强度的变化,也可以由于阳离子含量、骨架组成、气孔填充度和性质、晶体尺寸和形状、优选的取向和热和/或水热历史方面的不同产生。
用本发明的方法生产的结晶材料具有涉及下列摩尔关系的组成:
X2O3∶(n)YO2
其中,X是三价元素,如铝、硼、铁和/或镓,优选的是铝;Y是四价元素,如硅和/或锗,优选的是硅;n为10-30,优选的是15-25。
根据本发明的合成方法,生成含有碱金属或碱土金属(M)阳离子、三价元素(X)的氧化物(通常是氧化铝)、四价元素(Y)的氧化物(通常是二氧化硅)、导向剂(R)和水的源的反应混合物。用氧化物的摩尔比表示,该反应混合物具有下列组成:
组分 | 可用的 | 优选的 |
YO2/X2O3 | 15-35 | 15-30 |
H2O/YO2 | 10-50 | 15-30 |
OH/YO2 | 0.01-0.2 | 0.02-0.1 |
R/YO2 | 0.2-5.0 | 0.5-2.0 |
M/YO2 | 0.1-0.5 | 0.1-0.3 |
导向剂R是式为(C2H6N)nNmHq的非环状胺,其中,n是1、2或3;m是0或1;q是0、1或2且(n+m+q)为2或4。优选的是,导向剂选自乙基胺(其中,n=1,m=0,q=1)或乙二胺(其中,n=1,m=1,q=2)或多胺:二乙三胺(二亚乙基三胺[其中n=2,m=1,q=1]),三乙四胺(三亚乙基四胺[其中n=3,m=1,q=0])和三(2-氨基乙基)胺(三氨乙基胺[其中,n=3,m=1,q=0]),其中,多胺具有下列式:
取决于所选择的导向剂和反应混合物的二氧化硅/氧化铝摩尔比,所生产的沸石是ZSM-5、ZSM-11或ZSM-5和ZSM-11的混合物或共生物。例如,在小于20的二氧化硅/氧化铝摩尔比时,产品往往是ZSM-5/ZSM-11共生物。在二氧化硅/氧化铝摩尔比为20-30时,用三(氨乙基)胺导向剂的产物往往是ZSM-11,用乙基胺(ea)、二亚乙基三胺和三亚乙基四胺导向剂的产物往往是ZSM-5。
本发明的合成方法加入或不加入形核晶种均可。在一种优选的实施方案中,反应混合物含有0.05-5重量%的形核晶种。
在搅拌或静态下,在100-200℃,优选的是120-170℃的温度下进行结晶,结晶时间为6小时-10天,所得的晶体从母液中分离并回收。
在用作催化剂时,使本发明的沸石与抵抗有机转化反应过程中使用的温度和其它条件的另一种材料混合可能是希望的。这些材料包括活性或非活性材料,和合成或天然的沸石以及无机材料,如粘土、二氧化硅和/或金属氧化物如氧化铝。后者可能是天然的或者是凝胶沉淀物形式的,或者包含二氧化硅和金属氧化物混合物的凝胶。使用活性材料往往改变催化剂在某些有机转化过程中的转化率和/或选择性。非活性材料适当地用作稀释剂,来控制给定过程中的转化量,使得可以经济有序地获得产物,而不使用控制反应速度的其它措施。这些材料可以混入到天然出产的粘土中,例如膨润土和高岭土,以便改善催化剂在工业操作条件下的破碎强度。所述材料即粘土、氧化物等作为催化剂的结合剂。希望的是提供具有良好破碎强度的催化剂,因为在工业使用中,希望的是防止催化剂破碎成粉状材料。这些粘土和/或氧化物粘合剂通常只用于改善催化剂的破碎强度的目的。
可以与所述新晶体复合的天然粘土包括蒙脱石和高岭土族,它们包括亚膨润土(subbentonite)和以下高岭土,其通常称为Dixie、McNamee、Georgia和Florida粘土或其它主要矿物组成是埃洛石、高岭石、迪开石、珍珠石或蠕陶土的其它粘土。这些粘土可以以原矿的原始状态使用或初始经过煅烧、酸处理或化学改性。
除了上述材料,通过本发明的方法生产的沸石可以与多孔基质材料复合,如二氧化硅-氧化铝、二氧化硅-氧化镁、二氧化硅-氧化锆、二氧化硅-氧化钍、二氧化硅-氧化铍、二氧化硅-氧化钛以及三元组合物如二氧化硅-氧化铝-氧化钍、二氧化硅-氧化铝-氧化锆、二氧化硅-氧化铝-氧化镁和二氧化硅-氧化镁-氧化锆。
细分散的沸石和无机氧化物基质的相对比例变化范围较宽,沸石含量范围为约1-约90重量%,更常见的是,特别是以小球形式制备复合材料时,在复合材料的约2-约80重量%范围内。
通过本发明的方法生产的沸石在希望高活性的烃转化反应中可用作催化剂。例如,这种反应包括:
1.烷基芳香化物的歧化反应,例如,甲苯歧化生产二甲苯,反应条件包括约200℃-760℃的温度,约大气压-60大气压的压力,约0.1hr-1-20hr-1的重量时空速度(WHSV),0(不加氢气)-约50的氢气/烃摩尔比;
2.烷基芳香化物的异构化反应,如二甲苯,反应条件包括约200℃-540℃的温度,约100-7000kPa的压力,约0.1hr-1-50hr-1的重量时空速度(WHSV),0(不加氢气)-约10的氢气/烃摩尔比;
3.烯烃的低聚反应,反应条件包括约150℃-400℃的温度,约100-1500kPa的压力,约0.1hr-1-100hr-1的重量时空速度(WHSV);
4.链烷烃和烯烃的芳构化反应,反应条件包括约300℃-600℃的温度,约100-1500kPa的压力,约0.1hr-1-10hr-1的重量时空速度(WHSV);
5.烃裂化,反应条件包括约300℃-700℃的温度,约0.1-30大气压的压力,约0.1hr-1-20hr-1的重量时空速度(WHSV);
为了更充分地说明本发明的性质及其实施方式,给出下列实施例。
实施例1
向搅拌的18.2克45%的铝酸钠(19.5%Na2O,25.5%Al2O3)在290cc蒸馏水中的溶液中,加入60克UltraSil二氧化硅(92.4%SiO2、0.4Na2O)。向所得的搅拌混合物中加入67克60%三乙四胺(三亚乙基四胺)水溶液。所得的混合物的pH值约为12.2,并用下列成分摩尔比表示:
SiO2/Al2O3=20
Na/SiO2=0.13
三亚乙基四胺/SiO2=0.3
OH/SiO2=0.03
H2O/SiO2=20
把混合物在以200转/分搅拌的高压釜中在160℃加热65小时,冷却并过滤。固体产物用蒸馏水洗涤并在120℃干燥。发现是ZSM-5和ZSM-11的明显混合物和/或共生物,如图1的X射线衍射(xrd)谱图所示。因此,在约45°的2θ处的明显单峰是ZSM-11的特征,但是在约14°处(例如)明显存在的峰预计是ZSM-5而不是ZSM-11。经分析,试样的SiO2/Al2O3比为19,Na+/Al比为0.25,三亚乙基四胺/Al比为0.6。把试样在538℃煅烧,除去有机物,用铵离子交换除去钠,并加热到538℃,除去氨。在经过蒸汽约十分钟后,其α值为3400。5分钟后,其α值为3500。经蒸汽另外5分钟后,其α值测得为3500。
实施例2
重复实施例1的过程,但是使用不同的多胺,三(2-氨基乙基)胺(三氨乙基胺),作为导向剂,反应物的比例如下:
SiO2/Al2O3=20
Na/SiO2=0.19
三氨乙基胺/SiO2=0.5
OH/SiO2=0.08
H2O/SiO2=30
产物具有ZSM-5的X射线衍射谱图,如图2所示,并具有小晶体形貌。在合成态的沸石的NMR谱中只看到四面体的Al,如图3所示。在52.7ppm对3M的Al(NO3)3处的共振强度对应于比例17。合成态的沸石的SiO2/Al2O3比为19,Na+/Al比为0.5,三氨乙基胺/Al比为0.4。
以其酸形式,该沸石吸附12.3%的正己烷(p/p0=0.25)。在迅速移出(line-out)后,三次连续测量获得2500±75的α值。
实施例3
重复实施例1的过程,但是使用二乙三胺(二亚乙基三胺),反应物的比例如下:
SiO2/Al2O3=20
Na/SiO2=0.13
二亚乙基三胺/SiO2=0.5
OH/SiO2=0.03
H2O/SiO2=20
产物还是ZSM-5。合成后,其SiO2/Al2O3比为20,Na+/Al比为0.6,二亚乙基三胺/Al比为1.0。在其酸形式,实施例3的产品具有2400的α值。
实施例4
重复实施例1的过程,但是使用乙基胺(ea)作为导向剂,配料的摩尔比如下:
SiO2/Al2O3=20
Na/SiO2=0.13
乙基胺/SiO2=2.0
OH/SiO2=0.03
H2O/SiO2=30
产物还是ZSM-5。合成后,其SiO2/Al2O3比为20,Na+/Al比为0.4,乙基胺/Al比为1.1。合成态的沸石还具有1.5的(Na++N)/Al比值,应该理解,对于所有Al处于沸石骨架中的情况,该比例应等于或大于1.0。在其酸形式,实施例4的产物具有2300的α值。
实施例5
重复实施例1的过程,但是使用乙二胺(en),反应物的比例如下:
SiO2/Al2O3=26
Na/SiO2=0.11
En/SiO2=1.0
OH/SiO2=0.03
H2O/SiO2=30
产物还是ZSM-5。合成后,其SiO2/Al2O3比为23,钠含量为0.57%,Na+/Al比为0.2,en/Al比为1.2。
应该注意,在实施例1-5的产物中,Na+/Al比明显小于1。这表明在沸石骨架内的胺至少部分被质子化,即为部分“季”铵形式。
Claims (10)
1.一种生产具有下表1所列的X射线衍射线的合成多孔结晶材料的方法,包括下列步骤:
(a)形成含有碱金属或碱土金属(M)阳离子、三价元素(X)的氧化物、四价元素(Y)的氧化物、导向剂(R)和水的源的反应混合物,其中,所述反应混合物的组成用摩尔比表示在下列范围内:
YO2/X2O3=15-35
H2O/YO2=10-50
OH/YO2=0.01-0.2
M/YO2=0.1-0.5
R/YO2=0.2-5.0
且其中,导向剂R是式为(C2H6N)nNmHq的非环状胺,其中,n是1、2或3;m是0或1;q是0、1或2且(n+m+q)为2或4;
(b)把反应混合物保持在结晶条件下,直到形成所述多孔结晶材料的晶体;然后,
(c)从所述反应混合物中回收所述晶体。
2.根据权利要求1的方法,其中,所述导向剂选自乙胺、乙二胺、二乙三胺、三乙四胺和三(2-氨基乙基)胺。
3.根据权利要求1或2的方法,其中,所述反应混合物的组成用摩尔比表示在下列范围内:
YO2/X2O3=15-30
H2O/YO2=15-30
OH/YO2=0.02-0.1
M/YO2=0.1-0.3
R/YO2=0.5-2.0
4.根据前面的权利要求的任一项的方法,其中,所述结晶条件包括100-200℃,优选的是120-170℃的温度,时间为6小时-10天。
5.根据权利要求4的方法,其中,所述温度为120-170℃。
6.根据前面的权利要求的任一项的方法,其中,所述反应混合物的YO2/X2O3摩尔比为20-30,所述导向剂(R)是三(2-氨基乙基)胺,所合成的多孔结晶材料是ZSM-11。
7.根据权利要求1-5的任一项的方法,其中,所述反应混合物的YO2/X2O3摩尔比为20-30,所述导向剂(R)选自二乙三胺和三乙四胺,合成的多孔结晶材料是ZSM-5。
8.根据权利要求1-5和7的任一项的方法,其中,所述反应混合物的YO2/X2O3摩尔比大于30,合成的多孔结晶材料是ZSM-5。
9.根据前面的权利要求的任一项的方法,其中,所述合成多孔结晶材料具有小于30的骨架YO2/X2O3摩尔比。
10.根据前面的权利要求的任一项的方法,其中,所述合成多孔结晶材料具有大于1000的α活性。
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