一种双模板剂或多模板剂合成磷酸硅铝分子筛的方法

摘要

一种由双模板剂或多模板剂合成磷酸硅铝分子筛方法,可合成无水基化学组成为(m1R1+m2R2+…+mnRn)∶(SixAlyPz)O2的分子筛,所使用的模板剂是两种或几种物质的混合物。以本发明方法合成分子筛可以缩短晶化时间、节省模板剂用量,并且能够通过改变模板剂的摩尔比来调变合成分子筛的晶粒大小。

说明书

本发明涉及一种化学合成分子筛的方法，具体地说是提供了一种以双模板剂或多模板剂合成磷酸硅铝分子筛的方法。

欧洲专利EP0103117公开了一种磷酸硅铝分子筛的合成方法，其技术特点之一是合成过程中使用了四乙基氢氧化胺，异丙胺或以四乙基氢氧化胺和二正丙胺的混合物为模板剂。它是一种由磷、硅、铝和氧组成的具有类菱沸石结构的分子筛，其结构单元由PO₂⁺、AlO₂^-和SiO₂四面体组成。无水化学组成式可表示为：mR：(SixAlyPz)O₂，其中R为存在于分子筛微孔中的模板剂，m为每摩尔(SixAlyPz)O₂中R的摩尔数，x、y、z分别为Si、Al、P的摩尔分数，且满足x+y+z=1。此后，在1984年美国专利USP 4,440,871又报导了磷酸硅铝分子筛合成的改进方法，但仍使用了相同的模板剂。由于这些模板剂价格昂贵，来源困难，因而很难在工业上应用。本发明者们，曾于先期提出了两种适于工业化生产采用的合成SAPO-34分子筛的技术(CN92112230.6及CN93112015.2)，即采用三乙胺或二乙胺为模板剂合成磷酸硅铝分子筛，但采用上述技术所合成的SAPO-34分子筛晶粒较大，且对晶粒的大小也难于控制。此后，又曾提出了一种可调变分子筛晶粒大小的双模板剂方法(CN94110059.6)，即四乙基氢氧化胺和三乙胺为模板剂合成SAPO-34分子筛，但存在一定的局限性。

本发明的目的在于提供一种采用两种或几种物质的混合物作为模板剂合成多种磷酸硅铝分子筛的方法，并且通过改变模板剂的组成配比可以调变所合成分子筛的晶粒大小。

本发明提供的方法所合成出的磷酸硅铝分子筛，其无水基化学组成可表示为：(m₁R₁+m₂R+…+m_nR₂)：(SixAlyPz)O₂，其中R₁、R₂…R_n为存在于分子筛微孔中的模板剂，m₁、m₂+…m_n为每摩尔(SixAlyPz)O₂相应R₁、R₂…R_n的摩尔数，m₁=0.01-5、m₂=0.01-5…m_n=0.01-5，并且m₁+m₂+…+m_n=0.03～8.00，n为≤2、3、4或5；x、y、z分别为Si、Al、P的摩尔分数，且满足x+y+z=1，同时，x=0.00～0.98,y=0.01～0.60,z=0.01～0.60。在上述表达式中，模板剂种类最常用为2种或3种，即n为2或3。

在本发明的合成磷酸硅铝分子筛的方法中，所用的硅源为硅溶胶、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任意几种的混合物；磷源为正磷酸、磷酸盐、有机磷化物或磷氧化物中的一种或任意几种的混合物；模板剂为三乙胺、二乙胺、正丙胺、异丙胺、二正丙胺、二异丙胺、三丙胺、正丁胺、异丁胺、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、六次甲基次胺、己二胺、N,N,N’,N’-四甲基己二胺、四甲基氢氧化胺、四乙基氢氧化胺、四丙基氢氧化胺或四丁基氢氧化胺等有机胺以及醇类中的两种或几种的混合物

本发明提供的合成磷酸硅铝分子筛的方法，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、模板剂和水在搅拌下混合均匀，得初始凝胶混合物；

各原料之间配比(按氧化物分子比)为：

SiO₂/Al₂O₃=0～10；

P₂O₅/Al₂O₃=0.5～15；

H₂O/Al₂O₃=10～100；

R/Al₂O₃=1～10；R=(R₁+R₂+…R_n)为两种或几种模板剂的混合物；

(2)将初始凝胶混合物料移入不锈钢合成釜中密封，在80～250℃晶化不少于0.1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0～120℃空气中干燥后得到磷酸硅铝分子筛原粉；

下面通过实施例详述本发明。

实施例1～6    (SAPO-34)

根据式(k TEA+1 DEA)∶0.2SiO₂∶A1₂O₃∶P₂O₅∶50H₂O称取原料。K、l的值如表1所示。

将7.06g活性氧化铝(含Al₂O₃ 72.2wt％)溶解于19ml脱离子水中，搅拌下加入2.40g硅溶胶(含SiO₂25wt％)，再缓慢加入11.53g正磷酸(含H₃PO₄85wt％)，加水10ml，继续搅拌不少于30分钟，然后加入三乙胺和二乙胺混合均匀，制成凝胶。将上述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72小时，固体产物用脱离子水洗涤至中性，在100℃空气中干燥后作SEM测定和XRD分析，结果列于表1中。

                        表1

                      TEA：DEA            晶粒粒径

实施例    产品编号    (mol比)    XRD结果    (μm)

1         SAPO1       1.0∶0.01  SAPO-34    7.6

2         SAPO2       0.8∶0.2   SAPO-34    6.8

3         SAPO3       0.6∶0.4   SAPO-34    5.2

4         SAPO4       0.4∶0.6   SAPO-34    3.8

5         SAPO5       0.2∶0.8   SAPO-34    2.6

6         SAPO6       0.01∶1.0  SAPO-34    1.2

实施例7    (SAPO-34)

将7.06g活性氧化铝(含Al₂O₃ 72.2wt％)溶解于19ml脱离子水中，搅拌下加入2.40g硅溶胶(含SiO₂25wt％)，再缓慢加入11.53g正磷酸(含H₃PO₄ 85wt％)，加水10ml，继续搅拌不少于30分钟，然后加入(7.58g三乙胺+4.58g乙醇胺)混合均匀，制成凝胶。将上述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100小时，固体产物用脱离子水洗涤至中性，在100℃空气中干燥后作XRD分析如表2所示。

                表2

No.     2θ     d()     100×I/I₀

1       9.430   9.3711    100

2       12.770  6.9266    13

3       13.970  6.3342    10

4       15.930  5.5589    29

5       17.840  4.9679    27

6       20.500  4.3289    69

7       22.030  4.0315    8

8       22.990  3.8653    8

9       25.030  3.5547    47

10      25.800  3.4503    14

11      28.230  3.1586    7

12      30.490  2.9294    27

13      31.090  2.8743    22

14      34.370  2.6071    6

15      36.150  2.4827    6

16      48.890  1.8614    5

17      50.790  1.7961    5

实施例8    (SAPO-34)

在实施例7中，只将(7.58g三乙胺+4.58g乙醇胺)改为(7.58g三乙胺+5.51g正丁胺)，其余组分和晶化条件不变，产物经XRD分析为SAPO-34分子筛，如表3所示。

                    表3

No.      2θ         d()     100×I/I₀

1        9.340       9.4612    100

2        12.700      6.9646    15

3        13.950      6.3355    4

4        15.840      5.5903    29

5        17.620      5.0294    22

6        20.420      4.3456    81

7        21.830      4.0680    12

8        22.860      3.8870    13

9        24.770      3.5914    47

10       25.700      3.4635    17

11       27.990      3.1852    7

12       30.400      2.9379    36

13       30.890      2.8924    23

14       34.270      2.6145    9

15       35.830      2.5041    6

16       48.620      1.8711    7

17       50.500      1.8058    6

实施例9    (SAPO-34)

在实施例7中，只将(7.58g三乙胺+4.58g醇胺)改为(5.40g二乙胺+4.58g乙醇胺)，其余组分和晶化条件不变，产物经XRD分析为SAPO-34分子筛，如表4所示。

              表4

No.  2θ      d()     100×I/I₀

1    9.390    9.4109    100

2    12.750   6.9374    15

3    13.900   6.3659    6

4    15.900   5.5694    26

5    17.740   4.9956    26

6    20.470   4.3351    68

7    21.950   4.0461    10

8    22.940   3.8736    11

9    24.900   3.5730    43

10   25.760   3.4556    15

11   28.110   3.1718    6

12   30.450   2.9332    26

13   31.010   2.8815    26

14   34.330   2.6100    7

15   35.980   2.4940    6

16   48.730   1.8671    6

17   50.630   1.8014    6

实施例10    (SAPO-35)

将7.06g活性氧化铝(含Al₂O₃ 72.2wt％)溶解于29ml脱离子水中，搅拌下力入3.60g硅溶胶(含SiO₂25wt％)，再缓慢加入11.53g正磷酸(含H₃PO₄ 85wt％)，加水20ml，继续搅拌不少于30分钟，然后加入7.50g六次甲基次胺混合均匀。将上述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℃空气中干燥得到SAPO-35分子筛，其XRD分析如表4所示。

              表5

No.   2θ     d()      100×I/I₀

1     8.590   10.2855    21

2     10.930  8.0881     50

3     13.300  6.6517     45

4     15.870  5.9290     8

5     17.270  5.1305     77

6     17.740  4.9956     10

7     21.020  4.2229     33

8     21.880  4.0588     100

9     23.180  3.8341     21

10    24.970  3.5631     10

11    26.830  3.3202     25

12    28.540  301250     24

13    29.050  3.0713     12

14    32.090  2.7869     48

15    34.490  2.5983     8

实施例11    (SAPO-35)

在实施例10中，只将7.50g六次甲基次胺改为4.95g六次甲基次胺和2.90g己二胺，其余组分和晶化条件不变，产物为SAPO-35分子筛，其XRD分析如表6所示。

            表6

No.  2θ     d()       100×I/I₀

1    8.540   10.3456     26

2    10.880  8.1252      48

3    13.260  6.6717      39

4    15.820  5.9790      8

5    17.230  5.1423      67

6    17.700  5.0068      11

7    20.970  4.2329      41

8    21.820  4.0699      100

9    23.140  3.8406      20

10   23.450  3.7905      12

11   24.930  3.5687      12

12   26.770  3.3275      22

13   280530  3.1261      36

14   29.020  3.0744      13

15   32.040  2.7912      53

16   34.440  2.6020      10

实施例12    (SAPO-56)

将5.24g活性氧化铝(含Al₂O₃ 72.2wt％)溶解于37ml脱离子水中，搅拌下加入6.10g硅溶胶(含SiO₂25wt％)，再缓慢加入14.41g正磷酸(含H₃PO₄ 85wt％)，继续搅拌不少于30分钟，然后加入21.94gN,N,N’,N’-四甲基己二胺混合均匀。将上述混合物料移入100ml不锈钢合成釜中密封，在200℃及自生压力下晶化30小时，固体产物用脱离子水洗涤至中性，在100℃空气中干燥得到SAPO-56分子筛，其XRD分析如表7所示。

              表7

No.  2θ      d()      100×I/I₀

1    7.340    12.0341    17

2    8.559    10.3215    58

3    11.480   7.7018     63

4    12.800   6.9104     32

5    15.440   5.7342     37

6    17.260   5.1335     43

7    17.690   5.0096     70

8    20.150   4.4032     80

9    21.590   4.1127     100

10   23.430   3.7937     44

11   25.850   3.4438     37

12   27.780   3.2088     85

13   30.290   2.9483     37

14   31.290   2.8563     34

15   33.440   2.6774     32

16   34.450   2.6012     17

实施例13    (SAPO-56)

在实施例12中，只将21.94g N,N,N’,N’-四甲基己二胺改为19.50g N,N,N’,N’-四甲基己二胺和4.50g三乙胺，其余组分和晶化条件不变，产物为SAPO-56分子筛，其XRD分析如表8所示。

              表8

No.  2θ      d()      100×I/I₀

1    7.430    11.8885    16

2    8.650    10.2143    50

3    11.560   7.6487     67

4    12.880   6.8677     30

5    15.530   5.7012     32

6    17.360   5.1041     42

7    17.790   4.9845     100

8    20.230   4.3860     66

9    21.670   4.0977     88

10   23.510   3.7810     48

11   25.930   3.4333     34

12   27.850   3.2008     94

13   30.370   2.9407     34

14   31.370   2.8492     30

15   33.510   2.6720     30

实施例14(SAPO-34)

在实施例7中，只将(7.58g三乙胺+4.58g乙醇胺)改为(7.35g四乙基氢氧化铵+5.05g三乙胺+3.65g正丁胺)，其余组分和晶化条件不变，产物经XRD分析为SAPO-34分子筛。经550℃焙烧后测得其饱和吸水量为28.5％。

实施例15(SAPO-34)

在实施例7中，只将(7.58g三乙胺+4.58g乙醇胺)改为(7.35g四乙基氢氧化铵+5.05g三乙胺+4.55g乙基氢氧化铵)，其余组分和晶化条件不变，产物经XRD分析为SAPO-34分子筛。经550℃焙烧后测得其饱和吸水量为29.8％。

实施例16催化反应试验(SAPO-34)

将实施例1～6合成的SAPO-34分子筛原粉经550℃焙烧后制得分子筛催化剂(编号与表1相同)，在常压固定床反应装置上进行甲醇制烯烃反应，其结果列于表2。反应条件为：甲醇空速WHSV=2h-1，压力为常压，甲醇转化率100％。

                    表2编号     温度      产物分布(wt％)      C₂⁼～C₃⁼

     (℃)    CH₄   C₂H₄  C₂H₆  C₃H₆  C₃H₈  (wt％)SAPO1    451     0.58   45.25   4.83    33.14   0.30    78.39SAPO2    451     0.88   48.45   0.27    40.30   0.56    88.75SAPO3    450     0.95   47.24   0.32    40.26   0.36    87.50SAPO4    450     1.04   53.49   0.30    36.92   0.44    90.41SAPO5    453     1.46   53.34   0.36    36.58   0.51    89.92SAPO6    450     0.64   45.71   3.22    35.66   0.32    81.37

由上述实施例可以看到，本发明通过改变模板剂的组成配比可以调变所合成分子筛的晶粒大小。而所合成的分子筛对于甲醇转化为低碳烯烃具有较高的催化活性和产物选择性。