CN1709566A - 一种中孔硅铝材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种中孔硅铝材料,其27Al MAS NMR谱图在化学位移0ppm位置基本无峰,而在51.7ppm位置有唯一的峰;该硅铝材料中的铝含量以Al2O3的重量计为1.0-30%;其比表面积为100-350m2/g;孔容为0.4-0.8ml/g;平均孔径为14-30nm;最可几孔径为10~30nm。该材料是在搅拌下将硅源与酸溶液中和成胶,静置老化后加入铝源,搅拌均匀后再老化、干燥、铵交换、再干燥制成。该材料中孔分布集中且孔径较大,具有较大的比表面积和孔体积;该材料中Al原子几乎均以四配位形式存在,经铵交换后可成为裂化催化剂的载体或直接用作催化剂。
Description
技术领域
本发明是关于一种中孔分布集中的硅铝材料及其制备方法,更进一步说是一种用于催化裂化催化剂的中孔硅铝材料及其制备方法。
技术背景
多相催化反应是一个涉及到反应物分子向催化剂表面的扩散以及产物分子从催化剂表面向反应体系扩散的过程。因此,为消除反应过程中可能存在的扩散限制,不同的反应过程应具有与之相应的催化剂孔道结构。微孔硅铝(包括沸石)催化材料由于具有择形性能、较高的比表面积和较强的酸性而广泛应用于催化、吸附和分离等领域。但这类微孔材料较小的孔径尺寸(<20)往往限制了它在上述领域的进一步应用。
为克服微孔材料孔径较小的弱点,中孔材料的合成日益受到人们的重视。1992年,美国Mobil公司首先合成出MCM-41中孔分子筛,此类材料具有较大的比表面(>700m2/g)和孔体积,孔径可在20-160范围内调变。但这类材料由于孔壁很薄且为无定型结构,因而酸性和水热稳定性都很差。虽然在CN1349929A公开的改进方法中,将沸石的初级和二级基本结构单元引入中孔分子筛的孔壁,但其酸性和水热稳定性的改善仍很有限。
Ashley等人在Ind.Eng.Chem.,1952,44(120):2857中公开了一种制备硅酸铝催化剂的方法,主要过程为:将H2SO4溶液在搅拌下加入到水玻璃溶液中直至形成硅凝胶,凝胶经老化后,加入Al2(SO4)3溶液,并用氨水将Al3+沉淀在硅凝胶的表面。该方法得到的催化剂是一种无定型的中孔硅铝催化材料,具有良好的酸性。但该法制得的中孔无定型硅铝孔径较小、孔分布较宽。
US6,495,488B2中所公开的制备中孔硅铝材料的方法是:70℃恒温并搅拌下向Al2(SO4)3溶液中滴加NaAlO2溶液,所得浆液老化30分钟后pH达到8.9;滴加HNO3溶液至浆液pH6.8,然后滴加硅酸钠溶液并老化30分钟后pH达到8.5;所得浆液最后再经过滤、洗涤、60-120℃干燥10-15小时、500-900℃焙烧。该法得到的中孔硅铝材料具有较大的孔体积和平均孔径,但该法pH值控制要求较高,制备过程较为复杂,难以掌握。
US5,051,385中所公开的制备中孔硅酸铝的方法使用了Al2(SO4)3和NaAlO2两种铝源:先向硅溶胶中加入一定量的Al2(SO4)3溶液,然后再加入一定量的NaAlO2溶液,使得最终的胶凝pH<7。这样做的结果可以避免六配位铝的出现、有利于催化材料的酸性。该硅酸铝中的铝含量为5-40重量%、孔分布为20-50纳米。该方法由于以硅溶胶为硅源,一方面限制了调节孔道结构的手段,另一方面由于商用硅溶胶的价格较为昂贵而使制备成本提高。
CN1353008A中公开的制备中孔硅铝的方法是:在室温下,以无机铝盐和水玻璃为原料,加入氨水获得沉淀;然后用水和硝酸铵溶液洗涤沉淀,再加入稀HNO3作为解胶催化剂,形成澄清的硅铝溶胶;最后将该硅铝溶胶干燥并经350-650℃焙烧。该方法制备的中孔硅铝材料虽然孔分布集中于2-12纳米,但孔体积最高只能达到0.355ml/g,平均孔径也超不过4纳米,且制备过程较为烦琐。
发明内容
本发明的目的是在现有技术的基础上提供一种有别于现有技术的中孔硅铝材料,使其能够用作FCC催化剂或助剂的组分;本发明的另一个目的是提供这种中孔硅铝材料的制备方法。
本发明所提供的中孔硅铝材料的27Al MAS NMR谱图在化学位移0ppm位置基本无峰,而在51.7ppm位置有唯一的峰;该硅铝材料中的铝含量以Al2O3的重量计为1.0-30%;其比表面积为100-350m2/g;孔容为0.4-0.8ml/g;平均孔径为14-30nm;最可几孔径为10~30nm。
本发明所提供的该中孔硅铝材料的制备方法是:在搅拌下将硅源与酸溶液在室温至50℃下混合,酸液中H+摩尔数与硅源中Na2O摩尔数的比例为H+∶Na2O=(0.5-3.5)∶1;静置老化0-2小时后按照SiO2∶Al2O3=1∶(0.01-0.45)的重量比加入铝源,搅拌均匀后在室温至80℃下老化0~5小时;将所得凝胶干燥后进行铵交换以除去杂质离子;最后再干燥。
本发明所提供的制备方法中所使用的硅源选自水玻璃或硅酸钠;所使用的酸选自硫酸、盐酸和硝酸中的任一种;所使用的铝源选自硫酸铝、硝酸铝、氯化铝和偏铝酸钠中的任一种或两种。
本发明提供方法中所采用的铵交换是常规的方法,即:将干燥、破碎后的凝胶按凝胶干基∶铵盐∶H2O=1∶(0.1-1)∶(10-30)的重量比在室温至100℃下交换1-3次,每次交换0.2~2小时,直至凝胶中钠含量低于0.2重量%。交换所用的铵盐选自氯化铵、硝酸铵、硫酸铵、碳酸铵和碳酸氢铵中的任一种。
本发明提供方法中所说干燥可以在烘箱中90-140℃进行8-24小时,也可以采用喷雾干燥或闪蒸干燥的方式进行。
本发明提供的中孔硅铝材料孔分布集中,中孔孔径较大,同时具有较大的比表面积和孔体积,这既有利于提高大分子反应物活性中心的可接近性又有利于产物分子的扩散;同时,该材料中Al原子几乎均以四配位形式存在,因而该材料经铵交换后可获得良好的酸性,因此,本发明提供的中孔硅铝材料可成为裂化催化剂的载体或直接用作催化剂。
附图说明
附图为实例1制备出的本发明提供的中孔硅铝材料的27Al MAS NMR谱图。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明作进一步的说明,但并不因此而限制本发明。
在各实施例中,产品中Na2O、Al2O3、SiO2的含量用X射线荧光法测定(参见《石油化工分析方法(RIPP实验方法)》,杨翠定等编,科学出版社,1990年出版)。比表面、孔结构等物化数据是采用低温氮吸附-脱附法测得的。
实施例1
本实例说明本发明提供的中孔硅铝材料的制备。
将水玻璃(周村催化剂厂提供,SiO220.7wt%,Na2O 6.2wt%)稀释至10wt%。取10wt%的水玻璃溶液160g置于烧杯中,于20℃恒温搅拌下,逐滴加入20wt%的H2SO4溶液9.5ml,加酸完毕后将酸化水玻璃溶液静置老化1小时,然后于搅拌状态下加入5wt%的Al2(SO4)3溶液49.6g,搅拌10秒钟后再加入5wt%的NaAlO2溶液3.1g,搅拌5分钟后将所得凝胶直接于烘箱中120℃干燥18h。将所得的硅铝干凝胶粉碎至40目以下,用NH4Cl溶液按凝胶干基∶铵盐∶H2O=1∶1∶10的重量比,于50℃下交换0.5小时,过滤后再重复交换2次,然后过滤、洗涤,滤饼于烘箱中120℃干燥12小时,所得中孔硅铝材料记为W-1。
该样品的27Al MAS NMR谱图如附图所示,由图可见:除去边带噪音外,在化学位移0ppm位置未见六配位Al的出峰,而在51.7ppm位置有唯一的四配位的Al的出峰。该样品的化学组成及孔结构数据如下。
W-1分析结果
Na2O,wt% 0.035
SiO2,wt% 93.0
Al2O3,wt% 6.5
SBET,m2/g 182
Vpore,ml/g 0.60
平均孔径,nm 21.8
可几孔径,nm 20.9
实施例2
本实例说明本发明提供的中孔硅铝材料的制备。
将水玻璃(规格同前)稀释至8wt%。取8wt%的水玻璃溶液200g置于烧杯中,于30℃恒温搅拌下,逐滴加入20wt%的H2SO4溶液11ml,加酸完毕后将酸化水玻璃溶液静置老化20分钟,然后于搅拌状态下加入5wt%的Al2(SO4)3溶液55.0g,搅拌5分钟后将所得凝胶于60℃下静置老化4小时,然后于烘箱中120℃干燥18小时。将所得的硅铝干凝胶粉碎至40目以下,用NH4Cl溶液按凝胶干基∶铵盐∶H2O=1∶1∶10的重量比,于50℃下交换0.5小时,过滤后再重复交换2次,然后过滤、洗涤,滤饼于烘箱中120℃干燥12小时,所得中孔硅铝材料记为W-2。
该样品具有与附图相同的27Al MAS NMR谱图,其化学组成及孔结构数据如下。
W-2分析结果
Na2O,wt% 0.05
SiO2,wt% 93.8
Al2O3,wt% 6.2
SBET,m2/g 256
Vpore,ml/g 0.58
平均孔径,nm 14.8
可几孔径,nm 13.7
实施例3
本实例说明本发明提供的中孔硅铝材料的制备。
将水玻璃(规格同前)稀释至8wt%。取8wt%的水玻璃溶液200g置于烧杯中,于30℃恒温搅拌下,逐滴加入20wt%的H2SO4溶液10ml,加酸完毕后将酸化水玻璃溶液静置老化1小时,然后于搅拌状态下加入5wt%的Al2(SO4)3溶液50.4g,搅拌10秒钟后再加入5wt%的NaAlO2溶液89.0g,搅拌5分钟后将所得凝胶于60℃下静置老化4小时,然后于烘箱中120℃干燥18小时。将所得的硅铝干凝胶粉碎至40目以下,用NH4Cl溶液按凝胶干基∶铵盐∶H2O=1∶1∶10的重量比,于50℃下交换0.5小时,过滤后再重复交换2次,然后过滤、洗涤,滤饼于烘箱中120℃干燥12小时,所得中孔硅铝材料记为W-3。
该样品具有与附图相同的27Al MAS NMR谱图,其化学组成及孔结构数据如下。
W-3分析结果
Na2O,wt% 0.11
SiO2,wt% 83.9
Al2O3,wt% 15.3
SBET,m2/g 216
Vpore,ml/g 0.52
平均孔径,nm 15.6
可几孔径,nm 14.8
实施例4
本实例说明本发明提供的中孔硅铝材料的制备。
将水玻璃(规格同前)稀释至10wt%。取8wt%的水玻璃溶液160g置于烧杯中,于40℃恒温搅拌下,逐滴加入20wt%的H2SO4溶液8ml,加酸完毕后于搅拌状态下立即加入5wt%的Al2(SO4)3溶液29.6g,搅拌5分钟后将所得凝胶直接于烘箱中120℃干燥18小时。将所得的硅铝干凝胶粉碎至40目以下,用NH4Cl溶液按凝胶干基∶铵盐∶H2O=1∶1∶10的重量比,于50℃下交换0.5小时,过滤后再重复交换2次,然后过滤、洗涤,滤饼于烘箱中120℃干燥12小时,所得中孔硅铝材料记为W-4。
该样品具有与附图相同的27Al MAS NMR谱图,其化学组成及孔结构数据如下。
W-4分析结果
Na2O,wt% 0.08
SiO2,wt% 92.3
Al2O3,wt% 3.7
SBET,m2/g 128
Vpore,ml/g 0.43
平均孔径,nm 28.3
可几孔径,nm 26.0
实施例5
本实例说明本发明提供的中孔硅铝材料的制备。
将水玻璃(规格同前)稀释至8wt%。取8wt%的水玻璃溶液200g置于烧杯中,于30℃恒温搅拌下,逐滴加入20wt%的H2SO4溶液10ml,加酸完毕后将酸化水玻璃溶液静置老化1小时,然后于搅拌状态下加入5wt%的Al2(SO4)3溶液179.8g,搅拌10秒钟后再加入5wt%的NaAlO2溶液86.2g,搅拌5分钟后将所得凝胶于60℃下静置老化4小时,然后于烘箱中120℃干燥18小时。将所得的硅铝干凝胶粉碎至40目以下,用NH4Cl溶液按凝胶干基∶铵盐∶H2O=1∶1∶10的重量比,于50℃下交换0.5小时,过滤后再重复交换2次,然后过滤、洗涤,滤饼于烘箱中120℃干燥12小时,所得中孔硅铝材料记为W-5。
该样品具有与附图相同的27Al MAS NMR谱图,其化学组成及孔结构数据如下。
W-5分析结果
Na2O,wt% 0.12
SiO2,wt% 74.6
Al2O3,wt% 25.0
SBET,m2/g 250
Vpore,ml/g 0.48
平均孔径,nm 15.6
可几孔径,nm 14.5
对比例
本对比例说明本申请中用于对比的催化剂。
按常规裂化催化剂的制备方法制备对比剂D。该对比剂组成为分子筛MOY(商品名,齐鲁催化剂厂提供,结晶度53.6%,晶胞常数2.460nm)35重量%,ZRP-5(商品名,齐鲁催化剂厂提供,硅铝比100)3重量%,高岭土(苏州高岭土公司提供)30重量%,拟薄水铝石(齐鲁催化剂厂提供)22重量%,铝溶胶(齐鲁催化剂厂提供)10重量%。
实施例6
本实例说明采用本发明提供的中孔硅铝材料用作石油烃催化裂化催化剂载体时,对于石油烃的转化率和重油收率的影响。
将上述实施例1、3、4中制得的中孔硅铝材料W-1、W-3、W-4分别取代上述对比剂D中30重量%的高岭土,制得裂化剂样品CW1、CW2、CW3,与对比剂D一起考察其重油裂化性能。样品均经过800℃,100%水蒸汽老化处理12小时,然后在流化床催化裂化评价装置(ACE装置)上进行评价。评价所用原料油性质列于表1。评价条件为反应温度500℃,剂油比5.9。评价结果列于表2。
由表2可以看出,本发明提供的中孔硅铝材料取代高岭土制成裂化催化剂后,在焦炭产率相近的情况下,原料油转化率略有增加,轻油收率及液收也有所增加,重油收率降低。
表1 原料油性质
密度(20℃),g/cm3 | 0.9073 | 折光指数,70℃ | 1.4905 |
运动粘度(80℃),mm2/s | 29.54 | 四组分,m% | |
凝点,℃ | 50 | 饱和烃 | 59.5 |
残炭,m% | 3.72 | 芳烃 | 23.6 |
减压馏程,℃ | 胶质 | 16.3 | |
初馏点 | 161 | 沥青质 | 0.6 |
5% | 361 | 元素组成,m% | |
10% | 390 | C | 86.56 |
30% | 447 | H | 12.71 |
50% | 495 | S | 0.43 |
70% | 554 | N | 0.31 |
表2 评价结果
催化剂样品 | CW1 | CW3 | CW4 | D |
反应压力,mmHg | 133.60 | 104.00 | 94.30 | 98.20 |
物料平衡,m% | ||||
H2-C2液化气C5+汽油柴油重油焦炭总计 | 1.7716.8054.3814.384.578.10100 | 1.7317.3253.4214.664.917.96100 | 1.6917.9754.1413.975.057.18100 | 1.8216.0353.7112.876.018.56100 |
转化率,m% | 81.05 | 80.43 | 80.98 | 80.12 |
汽油+柴油,m% | 68.76 | 68.08 | 68.11 | 66.58 |
液化气+汽油+柴油,m% | 85.56 | 85.4 | 86.08 | 82.61 |
Claims (8)
1、一种中孔硅铝材料,其特征在于该材料的27Al MAS NMR谱图在化学位移0ppm位置基本无峰,而在51.7ppm位置有唯一的峰;该硅铝材料中的铝含量以Al2O3的重量计为1.0-30%;其比表面积为100-350m2/g;孔容为0.4-0.8ml/g;平均孔径为14-30nm;最可几孔径为10~30nm。
2、权利要求1中孔硅铝材料的制备方法,是在搅拌下将硅源与酸溶液在室温至50℃下混合,酸液中H+摩尔数与硅源中Na2O摩尔数的比例为H+∶Na2O=(0.5-3.5)∶1;静置老化0-2小时后按照SiO2∶Al2O3=1∶(0.01-0.45)的重量比加入铝源,搅拌均匀后在室温至80℃下老化0~5小时;将所得凝胶干燥后进行铵交换以除去杂质离子;最后再干燥。
3、按照权利要求2所说的方法,其中所使用的硅源选自水玻璃或硅酸钠。
4、按照权利要求2所说的方法,其中所使用的酸选自硫酸、盐酸和硝酸中的任一种。
5、按照权利要求2所说的方法,其中所使用的铝源选自硫酸铝、硝酸铝、氯化铝和偏铝酸钠中的任一种或两种。
6、按照权利要求2所说的方法,其中所采用的铵交换是将干燥、破碎后的凝胶按凝胶干基∶铵盐∶H2O=1∶(0.1-1)∶(10-30)的重量比在室温至100℃下交换1-3次,每次交换0.2~2小时,直至凝胶中钠含量低于0.2重量%。
7、按照权利要求6所说的方法,其中交换所用的铵盐选自氯化铵、硝酸铵、硫酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵中的任一种。
8、按照权利要求2所说的方法,其中所说干燥过程可以在烘箱中90-140℃进行8-24小时,也可以采用喷雾干燥或闪蒸干燥的方式进行。
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