含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩的合成方法及其合成的複合分子篩與流程
2023-06-27 01:49:31 2
本發明涉及一種含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩的合成方法及其合成的複合分子篩。
背景技術：
ZSM-11分子篩是由美孚石油石油公司(Mobil)於20世紀70年代首次合成。後續研究發現ZSM-11分子篩屬於四方晶系，ZSM-11與ZSM-5分子篩同屬於Pentasil家族。兩種分子篩的結構相似之處是次級結構單元具有同一形式的片狀結構；不同之處在於，相鄰次級結構單元層與層之間的對稱性不同。ZSM-5符合對稱中心相關；而ZSM-11符合鏡面相關，具有平行於a方向和b方向的十元環二維直孔道，孔道尺寸為0.54nm×0.53nm。對比ZSM-11分子篩與ZSM-5分子篩發現，二者的XRD譜圖在2θ＝22.4～24.8°和44.5～46°處存在差異，見下表。
ZSM-11與ZSM-5分子篩XRD衍射峰對比
因ZSM-11分子篩的孔道尺寸小於ZSM-5分子篩，在小分子擇型選擇性催化反應中可能顯示出比ZSM-5分子篩更好的催化性能。
ZSM-11分子篩的合成採用四丁基溴化銨或四丁基氫氧化銨為有機模板劑。美國專利US3709979公開了一種採用四烴基正離子(R4X+，X為N或P，R為烴基，可以是甲基、乙基、丙基、丁基、苄基或三苯基)做模板劑合成ZSM-11分子篩的方法。中國專利CN201210003750公開了一 種採用四丁基溴化銨為有機模板劑，同時添加晶種合成ZSM-11分子篩的方法。中國專利CN201310697846公開了一種採用四丁基氫氧化銨和1,8-辛二胺為複合有機模板劑合成ZSM-11分子篩的方法。中國專利CN201410322401公開了一種採用四丁基氫氧化銨或四丁基溴化銨為有機模板劑合成含B元素的ZSM-11分子篩的方法。中國專利CN102464335公開了一種採用四丁基溴化銨或四丁基氫氧化銨為有機模板劑，同時添加EU-1分子篩晶種合成ZSM-11分子篩的方法。中國專利CN201110214475公開了一種採用四丁基氫氧化銨為模板劑分步晶化合成ZSM-11分子篩的方法。
技術實現要素：
本發明目的之一旨在提供一種新的含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩的合成方法。該方法合成的含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩具有含滷素和稀土金屬的ZSM-11晶相含量高，且含滷素和稀土金屬的ZSM-11晶相的含量的可調控範圍寬的特點。本發明目的之二旨在提供一種所述方法合成的含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩。
為實現上述發明目的之一，本發明採取的技術方案如下：一種含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩的合成方法，包括在晶化條件下使矽源、鋁源、鹼源、滷素源、稀土金屬源、有機模板劑和水接觸，以獲得分子篩的步驟；和任選地，焙燒所述獲得的分子篩的步驟；其中，所述有機模板劑R選自1,3-環己二甲胺或1,4-環己二甲胺中的至少一種。
上述技術方案中，所述矽源、所述鋁源、所述鹼源、所述滷素源、所述稀土金屬源、所述有機模板劑R和水的摩爾比為1：(0.0005～0.05)：(0.001～0.8)：(0.001～0.2)：(0.001～0.1)：(0.05～2.0)：(5～100)；優選為1：(0.005～0.04)：(0.05～0.6)：(0.01～0.1)：(0.002～0.05)：(0.05～1.0)：(10～50)；更優選為1：(0.003～0.025)：(0.09～0.5)：(0.01～0.1)：(0.005～0.04)：(0.08～0.8)：(12～50)。
上述技術方案中，所述晶化條件包括：晶化溫度130～190℃，晶化時間1～10天；優選為晶化溫度145～175℃，晶化時間2～10天。
上述技術方案中，所述焙燒條件包括：焙燒溫度300～800℃，焙燒時間1～10小時；優選為焙燒溫度400～650℃，焙燒時間3～6小時；焙 燒氣氛為空氣或氧氣。
上述技術方案中，所述矽源選自矽酸、矽膠、矽溶膠、矽酸四烷基酯、矽酸鈉、水玻璃或白炭黑中的至少一種；優選為選自矽酸、矽膠、矽溶膠或矽酸四烷基酯中的至少一種。
上述技術方案中，所述鋁源選自氫氧化鋁、鋁酸鈉、醇鋁、硝酸鋁、硫酸鋁、高嶺土或蒙脫土中的至少一種；優選為選自氫氧化鋁、鋁酸鈉或硝酸鋁中的至少一種。
上述技術方案中，所述鹼源選自以鹼金屬或鹼土金屬為陽離子的鹼；優選為氫氧化鈉。
上述技術方案中，所述滷素源選自氟化銨、氟化鈉、氟化鉀、氯化鈉、氯化銨、氯化鉀、溴化鈉、溴化銨、溴化鉀、碘化鈉、碘化銨或碘化鉀中的至少一種；優選為選自氟化銨、氟化鈉、氟化鉀、氯化鈉、氯化銨或氯化鉀中的至少一種；進一步優選為選自氟化銨、氟化鈉或氟化鉀中的至少一種。
上述技術方案中，所述稀土金屬源選自稀土金屬的鹽酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽中的至少一種；優選為選自稀土金屬的鹽酸鹽、硝酸鹽中的至少一種；進一步優選為選自氯化鑭、硝酸鑭中的至少一種。
上述技術方案中，所述稀土金屬選自鑭、鈰、鐠或釹，優選鑭或鈰，更優選鑭。
上述技術方案中，加熱方式採用直接加熱的方式，或者採用微波加熱的方式，或者採用直接加熱和微波加熱的複合方式；優選採用直接加熱的方式。
為實現上述發明目的之二，本發明採取的技術方案如下：一種含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩，所述複合分子篩中，含滷素和稀土金屬的ZSM-11晶相的含量不低於90重量％，優選75重量％，更優選60重量％，更優選45重量％，更優選30重量％；所述稀土金屬選自鑭、鈰、鐠或釹，優選鑭或鈰，更優選鑭。
上述技術方案中，所述複合分子篩中含有雜質，雜質含量不高於10重量％，優選不高於5重量％，更優選不高於3重量％。
上述技術方案中，所述雜質選自含滷素和稀土金屬的無定型SiO2、不同於ZSM-11和ZSM-5的至少一種分子篩、金屬氧化物、滷化物、石英、鱗石英、方石英中的至少一種。優選含滷素和稀土金屬的無定型SiO2、 ZSM-23、ZSM-22、Beta、MCM-22、MOR、Y型、X型、A型分子篩中的至少一種；更優選含滷素和稀土金屬的無定型SiO2、MOR中的至少一種。
上述技術方案中，所述複合分子篩中含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩和雜質的存在形式包括物理混合、共結晶中的至少一種。
上述技術方案中，優選地，所述雜質是含量不高於10重量％的含滷素和稀土金屬的無定型SiO2。
上述技術方案中，所述含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩中，滷素的含量為0.01～10重量％，稀土金屬的含量為0.1～10重量％。
本發明方法採用選自1,3-環己二甲胺或1,4-環己二甲胺中的至少一種作為有機模板劑，直接合成了含滷素和稀土金屬的高純度ZSM-11/ZSM-5複合分子篩產品，產品中含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩的純度可以高達98重量％，含滷素和稀土金屬的ZSM-11晶相的含量在30～98重量％範圍內可調。本發明方法簡單，原料廉價，適合大規模工業生產，取得了較好的技術效果。
附圖說明
圖1為【實施例1】合成的含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩的XRD圖譜。
下面通過實施例對本發明作進一步的闡述。
具體實施方式
在本說明書的上下文中，所謂含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩和雜質的存在形式，包括物理混合、共結晶。其中，物理混合指含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩晶體與雜質之間無化學相互作用；共結晶指含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩產品的晶體中同時包含含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩的晶胞與雜質的晶胞。
在本說明書的上下文中，包括在以下的實施例和比較例中，複合分子篩產品中含滷素和稀土金屬的ZSM-11分子篩晶相含量的測定方法是：利用DIFFaX軟體模擬具有不同含滷素和稀土金屬的ZSM-11晶相和含滷素和稀土金屬的ZSM-5晶相含量的含滷素和稀土金屬的 ZSM-11/ZSM-5複合分子篩的粉末XRD譜圖，將實施例所得含滷素和稀土金屬的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩產品與由DIFFaX軟體模擬的譜圖對比得到複合分子篩產品中含滷素和稀土金屬的ZSM-11分子篩的含量。
在本說明書的上下文中，包括在以下的實施例和比較例中，複合分子篩產品中雜質的含量的測定方法是：基於物相的含量與該物相的X射線衍射峰強度成正比，將XRD譜圖中所有衍射峰的峰強度相加，得總數I，將譜圖中對應含滷素和稀土金屬的ZSM-11和含滷素和稀土金屬的ZSM-5分子篩的特徵衍射峰的峰強度相加，得總數I』，(1-I』/I)×100％即為產品中的雜質含量。
在沒有明確指明的情況下，本說明書內所提到的所有百分數、份數、比率等都是以重量為基準的，除非以重量為基準時不符合本領域技術人員的常規認識。
【實施例1】
將鋁酸鈉(Al2O343.0重量％，Na2O 35.0重量％)18.6克、氫氧化鈉(96.0重量％)11.9克、去離子水1980.0克、氟化銨10.2克、氯化鑭(水合，La2O345.0重量％)23.88克、1,3-環己二甲胺(99.0重量％)234.7克和矽溶膠(SiO240.0重量％)825.0克混合均勻，反應物的物料配比(摩爾比)為：
SiO2/Al2O3＝70
1,3-環己二甲胺/SiO2＝0.3
NaOH/SiO2＝0.09
NH4F/SiO2＝0.05
La2O3/SiO2＝0.006
H2O/SiO2＝25
混合均勻後，裝入不鏽鋼反應釜中，在攪拌情況下於150℃晶化3天。晶化結束後過濾、洗滌、乾燥，再在550℃空氣中焙燒5小時得含氟和鑭的ZSM-11/ZSM-5複合分子篩。產品中含氟和鑭的ZSM-11分子篩含量為94重量％，雜質含量為1重量％，氟的含量為1.0重量％，鑭的含量為2.7重量％。
【實施例2】
同【實施例1】，只是反應物的物料配比(摩爾比)為：SiO2/Al2O3＝70，1,3-環己二甲胺/SiO2＝0.2，NaOH/SiO2＝0.15，NH4F/SiO2＝0.02，La2O3/SiO2＝0.005，H2O/SiO2＝30，在150℃晶化72小時。產品中含氟和鑭的ZSM-11分子篩含量為80重量％，雜質含量為1重量％，氟的含量為0.4重量％，鑭的含量為2重量％。
【實施例3】
同【實施例1】，只是採用氯化銨為滷素源、硝酸鑭為稀土金屬源，反應物的物料配比(摩爾比)為：SiO2/Al2O3＝70，1,3-環己二甲胺/SiO2＝0.4，NaOH/SiO2＝0.18，NH4Cl/SiO2＝0.1，La2O3/SiO2＝0.004，H2O/SiO2＝25，在150℃晶化70小時。產品中含氯和鑭的ZSM-11分子篩含量為50重量％，雜質含量為0.5重量％，氯的含量為5.5重量％，鑭的含量為1.7重量％。
【實施例4】
同【實施例1】，只是採用氯化銨為滷素源、硝酸鑭為稀土金屬源，反應物的物料配比(摩爾比)為：SiO2/Al2O3＝70，1,3-環己二甲胺/SiO2＝0.3，NaOH/SiO2＝0.28，NH4Cl/SiO2＝0.01，La2O3/SiO2＝0.002，H2O/SiO2＝25，在150℃晶化70小時。產品中含氯和鑭的ZSM-11分子篩含量為40重量％，雜質含量為2重量％，氯的含量為0.6重量％，鑭的含量為0.9重量％。
【實施例5】
同【實施例1】，只是採用氯化銨為滷素源、硫酸鈰(Ce(SO4)2·4H2O)為稀土金屬源，反應物的物料配比(摩爾比)為：SiO2/Al2O3＝50，1,3-環己二甲胺/SiO2＝0.3，NaOH/SiO2＝0.18，NH4Cl/SiO2＝0.04，CeO2/SiO2＝0.002，H2O/SiO2＝25，在150℃晶化3天。產品中含氯和鈰的ZSM-11分子篩含量為79重量％，雜質含量為1重量％，氯的含量為2.2重量％，鈰的含量為0.9重量％。
【實施例6】
同【實施例1】，只是採用硫酸鋁為鋁源，反應物的物料配比(摩爾比)為：SiO2/Al2O3＝200，1,3-環己二甲胺/SiO2＝0.2，NaOH/SiO2＝0.35，NH4F/SiO2＝0.06，La2O3/SiO2＝0.005，H2O/SiO2＝20，在150℃晶化70小時。產品中含氟和鑭的ZSM-11分子篩含量為65重量％，雜質含量為2重量％，氟的含量為1.2重量％，鑭的含量為2.1重量％。
【實施例7】
同【實施例6】，只是採用氯化銨為滷素源、硝酸鑭為稀土金屬源，反應物的物料配比(摩爾比)為：SiO2/Al2O3＝80，1,3-環己二甲胺/SiO2＝0.5，NaOH/SiO2＝0.6，NH4Cl/SiO2＝0.02，La2O3/SiO2＝0.007，H2O/SiO2＝23，在150℃晶化60小時。產品中含氯和鑭的ZSM-11分子篩含量為57重量％，雜質含量為3重量％，氯的含量為1.1重量％，鑭的含量為3.2重量％。
【實施例8】
同【實施例1】，只是採用硝酸鋁為鋁源、氯化銨為滷素源，反應物的物料配比(摩爾比)為：SiO2/Al2O3＝90，1,3-環己二甲胺/SiO2＝0.3，NaOH/SiO2＝0.19，NH4Cl/SiO2＝0.06，La2O3/SiO2＝0.008，H2O/SiO2＝20，在150℃晶化70小時。產品中含氯和鑭的ZSM-11分子篩含量為85重量％，雜質含量為2重量％，氯的含量為3.2重量％，鑭的含量為3.6重量％。
【實施例9】
同【實施例1】，只是採用1,4-環己二甲胺為模板劑，反應物的物料配比(摩爾比)為：SiO2/Al2O3＝70，1,4-環己二甲胺/SiO2＝0.3，NaOH/SiO2＝0.14，NH4F/SiO2＝0.09，La2O3/SiO2＝0.002，H2O/SiO2＝20，在150℃晶化72小時。產品中含氟和鑭的ZSM-11分子篩含量為74重量％，雜質含量為1重量％，氟的含量為1.7重量％，鑭的含量為0.9重量％。
【實施例10】
同【實施例1】，只是採用1,3-環己二甲胺和1,4-環己二甲胺的混合物為模板劑、氯化銨為滷素源，反應物的物料配比(摩爾比)為：SiO2/Al2O3 ＝70，1,3-環己二甲胺/SiO2＝0.2，1,4-環己二甲胺/SiO2＝0.2，NaOH/SiO2＝0.20，NH4Cl/SiO2＝0.04，La2O3/SiO2＝0.0025，H2O/SiO2＝20，在150℃晶化36小時。產品中含氯和鑭的ZSM-11分子篩含量為78重量％，雜質含量為4重量％，氯的含量為2.3重量％，鑭的含量為1.1重量％。