一种失活的钛硅分子筛的再生方法 【技术领域】
本发明涉及一种失活的钛硅分子筛的再生方法。背景技术 钛硅分子筛是上世纪八十年代初开始开发的新型杂原子分子筛。 目前已合成出的 有 MFI 型结构的 TS-1, MEL 型结构的 TS-2, 以及具有较大孔结构的 Ti-MWW 等。这类分子筛 对许多有机氧化反应, 例如烯烃的环氧化、 芳烃羟基化、 环己酮肟化、 醇的氧化等反应具有 优良的选择氧化性能和较高的催化活性, 它们作为氧化还原 (red-ox) 型分子筛催化剂具 有良好的应用前景。
1981 年, 意 大 利 的 Marco Taramasso 等 人 首 次 公 开 TS-1 分 子 筛 的 制 备 方 法 (GB2071071A、 USP4,410,501), 该方法是先制备一种含有硅源、 钛源、 有机碱 (RN+) 和 / 或碱 性氧化物 (Men/2O) 的反应混合物, 将此反应混合物在高压釜中于 130 ~ 200℃水热晶化 6 ~ 30 天, 然后分离、 洗涤、 干燥、 焙烧而得产品。 TS-1 是将过渡金属元素钛引入具有 ZSM-5 结构 的分子筛骨架中所形成的一种具有优良催化选择性氧化性能的新型钛硅分子筛, 不但具有 钛的催化氧化作用, 而且还具有 ZSM-5 分子筛的择形作用和优良的稳定性。由于失活 TS-1 分子筛在有机物的氧化反应中, 可采用无污染的低浓度过氧化氢作为氧化剂, 避免了氧化 过程工艺复杂和污染环境的问题, 具有传统氧化体系无可比拟的节能、 经济和环境友好等 优点, 并具有良好的反应选择性, 因此具有极大的工业应用前景。
钛硅分子筛作为催化剂, 在有机物的氧化反应中运行一段时间后, 由于在反应条 件下引入了杂质、 副产物在微孔内聚集堵塞孔道、 骨架硅钛物种转化成非骨架物种、 活性中 心流失, 骨架坍塌等, 造成催化性能变差, 出现失活现象。
对于有机物的氧化反应中失活的钛硅分子筛, 其再生方法主要集中于焙烧、 溶剂 洗涤以及氧化剂氧化等。例如, EP0100119 的采用含钛分子筛丙烯环氧化以制备环氧丙 烷的方法, 其中提出的再生方式有 550℃高温焙烧, 以及甲醇或反应过程使用的溶剂洗涤 ; USP5620935 公开了一种采用过氧化氢水溶液洗涤再生的方法, 优选的洗涤温度为 100 ℃ 以上 ; USP6878836B2 公开了一种采用甲醇高温洗涤再生的方法, 该方法是用 100℃以上的 洗涤温度对失活催化剂进行甲醇洗涤 ; CN1461671A 公开了一种含钛催化剂的再生方法, 是 在无机酸性物存在的条件下用过氧化氢处理 ; CN101480623A 公开了甲醇溶解洗涤、 双氧 水氧化和蒸汽吹扫的再生方法 ; CN101439299 公开一种用有机酸和过氧化氢的再生方法。 CN101602011A 公开了一种失活的钛硅分子筛 TI-MWW 用酸和碱溶液处理的再生方法。但该 方法操作过程繁琐复杂, 反复过滤、 洗涤产生大量的含酸、 氨氮等工业废水, 物耗和能耗高, 环保和经济性受到限制。
发明内容 本发明的目的是在现有技术的基础上提供一种更为有效的对失活的钛硅分子筛 进行再生的方法, 该方法特别对于因活性中心流失、 骨架坍塌等失活钛硅分子筛具有良好
的再生效果, 再生的钛硅分子筛活性可恢复到新鲜剂的水平, 再生过程物耗低, 三废少, 收 率高。
本发明所提供失活钛硅分子筛的再生方法, 是先将失活的钛硅分子筛与一种再生 胶体混合均匀, 然后在密封容器中经饱和水蒸气条件下处理, 再经干燥、 焙烧得到再生钛硅 分子筛。
本发明提供的失活的钛硅分子筛的再生方法, 其特征在于该方法是将包括有机 碱、 硅源、 钛源在内的原料混合得到的再生胶与失活的钛硅分子筛接触并置于密闭反应釜 中, 在温度 120 ~ 200℃下处理至少 2 小时, 然后在常温常压下将产物经干燥、 焙烧得到再 生的钛硅分子筛, 其中, 反应釜中含有在反应条件下形成饱和水蒸气且与失活的钛硅分子 筛的重量比小于 1.2 的水量, 所说的再生胶的摩尔组成为硅∶钛∶有机碱∶水= (0.1 ~ 1) ∶ (0 ~ 0.1) ∶ (0.01 ~ 5) ∶ (1.5 ~ 100), 硅以 SiO2 计, 钛以 TiO2 计, 失活的钛硅分 子筛与再生胶的重量比为 100 ∶ (10 ~ 120), 失活的钛硅分子筛的处理量为至少 10 克 / 升 反应釜。
本发明提供的失活钛硅分子筛的再生方法, 是一种类固相的再生方法, 具有下述 优点 : 1、 以硅、 钛和有机碱物料在水蒸气条件下对失活分子筛进行处理, 能将堵在分子 筛晶体微孔内的外源物充分释放, 较好修复分子筛骨架, 疏通孔道, 弥补或修复活性部分损 失的活性中心, 其活性可与新鲜剂活性持平, 同时加入的硅、 钛转化为分子筛的一部分, 再 生产品收率较高。
2、 经再生后钛硅分子筛无需经过滤和洗涤工序, 直接经干燥、 焙烧处理即可, 物料 消耗降低, 三废少。
具体实施方式
钛硅分子筛作为催化剂, 在有机物的氧化反应如烯烃环氧化、 芳烃羟基化、 酮氨肟 化、 醇的氧化或烷烃氧化反应 ( 例如苯酚羟基化、 环己酮氨肟化、 丙烯环氧化 ) 中运行一段 时间后, 由于在反应条件下引入了杂质、 副产物在微孔内聚集堵塞孔道、 骨架硅钛物种转化 成非骨架物种、 活性中心流失, 骨架坍塌等, 造成催化性能变差, 出现失活现象。例如, 在苯 酚羟基化反应中, 以新鲜 TS-1 分子筛为催化剂, 苯酚与双氧水的摩尔比为 3 ∶ 1 的条件下, 进行苯酚羟基化反应, 催化剂不经再生循环利用五次后苯酚转化率下降 ( 从 24.55%下降 到 12%左右 )。
本发明提供的再生方法中, 所说的失活钛硅分子筛为各种失活的钛硅分子筛, 包 括已失活的 TS-1、 TS-2、 Ti-Beta、 Ti-MWW 分子筛等, 在本发明的实施例中, 对失活的 TS-1 分 子筛的再生过程进行了比较详细的说明。
本发明提供的再生方法可以用于处理烯烃环氧化、 芳烃羟基化、 酮氨肟化、 醇的氧 化或烷烃氧化反应, 例如苯酚羟基化、 环己酮氨肟化、 丙烯环氧化中经一段时间运转后出现 失活现象的钛硅分子筛。本方法特别适应于在现有技术处理手段效果不理想的情况, 如经 过焙烧、 溶剂洗涤等再生处理却不能使催化剂活性恢复到可接受的水平时, 采用本发明提 供的方法可以获得比较满意的再生效果。
本发明提供的再生方法中, 所说的再生胶的摩尔组成中, 硅∶钛∶有机碱∶水= (0.1 ~ 1) ∶ (0 ~ 0.1) ∶ (0.01 ~ 5) ∶ (1.5 ~ 100), 优选硅∶钛∶有机碱∶水= 1 ∶ (0.01 ~ 0.05) ∶ (0.3 ~ 3) ∶ (20 ~ 50), 其中硅和钛分别以 SiO2 和 TiO2 计。
本发明提供的再生方法中, 所说的有机碱可以选自为季铵碱类化合物、 脂肪胺类 化合物以及醇胺类化合物等有机碱化合物。所说的季铵碱类化合物可以选自四丙基氢氧 化铵、 四乙基氢氧化铵、 四甲基氢氧化铵、 四丁基氢氧化铵等, 所说的脂肪胺类化合物可以 是乙胺、 正丙胺、 正丁胺、 二正丙胺、 丁二胺或己二胺等, 所说的醇胺类化合物可以是单乙醇 胺、 二乙醇胺或三乙醇胺。所说的有机碱也可以选自四丙基氢氧化铵、 四乙基氢氧化铵、 四 甲基氢氧化铵、 四丁基氢氧化铵、 乙胺、 正丙胺、 正丁胺、 二正丙胺、 丁二胺、 己二胺、 单乙醇 胺、 二乙醇胺、 三乙醇胺中的一种或多种, 例如, 四乙基氢氧化铵和正丁胺的混合物, 四乙基 氢氧化铵和正丁胺的混合物, 乙二胺和四丙基氢氧化铵的混合物, 二正丙胺和四丙基氢氧 化铵的混合物, 四乙基氢氧化铵和四丙基氢氧化铵的混合物, 己二胺和四丙基氢氧化铵的 混合物均可以用于本发明。
本发明提供的再生方法中, 所说的硅源可以是有机硅源, 也可以是无机硅源, 无机 1 硅源包括氧化硅、 无定形硅胶和 Z 型硅胶等, 有机硅源优选通式为 R 4SiO4 的有机硅酸酯, R1 选自具有 1 ~ 4 个碳原子的烷基, 优选的 R1 为乙基。
本发明提供的再生方法中, 所说的钛源可以是无机钛源, 也可以是有机钛源, 无机 2 钛源包括 TiCl4、 Ti(SO4)2 或者 TiOCl2 等, 有机钛源优选通式为 Ti(OR )4 的为有机钛酸酯, 2 其中 R 优选具有 2 ~ 4 个碳原子的烷基。
本发明提供的方法中, 所说的再生胶是指由硅源和钛源在有机碱存在的条件下水 解而成, 在水解过程中, 控制硅 ( 以 SiO2 计 ) 与水的摩尔比例优选为 1 ∶ (20 ~ 50)。
本发明提供的再生方法中, 所说的失活的钛硅分子筛与再生胶混合前, 经过或不 经过焙烧都可以, 失活的钛硅分子筛与再生胶的重量比优选为 100 ∶ (30 ~ 100)。
本发明提供的方法中, 反应釜中含有在反应条件下形成饱和水蒸气且与失活的钛 硅分子筛的重量比小于 1.2 的水量, 所说的形成饱和水蒸气的水量可由反应釜中反应物物 料提供, 亦可经加入外部水蒸气实现。
本发明提供的方法中, 处理条件为在 120 ~ 200℃下进行 2 ~ 144 小时, 优选的处 理条件为在 135 ~ 180℃下进行 6 ~ 72 小时。
本发明提供的方法中, 再生后钛硅分子筛无需经过滤和洗涤工序, 直接经干燥、 焙 烧处理即可。 干燥和焙烧的过程为本领域的技术人员所熟悉, 在此并无特别要求, 所说的干 燥可在室温至 200℃之间的温度下进行, 所说的焙烧可在 300℃至 800℃之间在空气气氛中 2 ~ 12 小时进行。
下面通过实施例对本发明作进一步说明, 但并不因此限制本发明的内容。
实施例中, 所有到的试剂均为市售的化学纯试剂。
对比例 1
本对比例为按照文献 USP4410501 记载的方法制备的 TS-1 样品, 记为 X-1。
对比例 2
对比例 1 制备的 X-1 样品在苯酚羟基化反应中, 苯酚和双氧水摩尔比 3 ∶ 1 以丙 酮为溶剂, 80℃下反应 4 小时, 将催化剂从反应体系中分离, 干燥, 550℃焙烧 3 小时, 再用于 下一轮反应, 如此循环 5 次后将催化剂分离, 干燥, 然后经过 550℃焙烧 3 小时, 得到焙烧再生样品, 记为 B-1。
对比例 3
本对比例是将对比例 1 所的分子筛催化剂 X-1 用于环己酮氨肟化反应的失活情 况。
取 TS-1 分子筛 X-1 置于 100ml 带连续进料和膜分离装置淤浆床反应器内, 在搅拌 状态下以 5.7 毫升 / 小时的速度加入水和 30wt%的过氧化氢的混合物 ( 水与过氧化氢的体 积比为 10 ∶ 9), 以 10.5 毫升 / 小时的速度加入环己酮和叔丁醇的混合物 ( 环己酮和叔丁 醇的体积比为 1 ∶ 2.5), 以 5.7 毫升 / 小时的速度加入 25wt%氨水, 上述三股物料流为同 时加入, 同时以相应的速度连续出料, 反应温度维持在 80℃, 反应稳定后每隔 12 小时对产 物取样用色谱进行分析。经过一段时间后, 环己酮转化率由初始的 95%下降到 50%, 然后 分离出催化剂并将其干燥, 记为 S-1, 干燥样品 S-1 在空气气氛下, 于 560℃焙烧 4 小时, 得 焙烧再生样品, 记为 B-2。
对比例 4
本对比例说明将对比例 3 的 S-1 样品仅用碱处理的过程和结果。
样品 S-16 克与 20 克 16.3% TPAOH 溶液、 18 克水混合, 密封与高压釜内, 在 160℃ 处理 36 小时, 所得产物经过滤、 洗涤、 干燥, 在经 560℃焙烧 5 小时, 样品记为 C-1。 实施例 1
将计量的硅酸四丙酯、 钛酸四乙酯与四甲基氢氧化铵混合, 并加入蒸馏水, 混合均 匀后于常温搅拌 1.0 小时水解, 然后再在 75 ℃下搅拌 3 小时, 得到再生胶, 其摩尔组成为 硅∶钛∶有机碱∶水= 1 ∶ 0.02 ∶ 0.75 ∶ 20( 硅和钛分别以 SiO2 和 TiO2 计, 下同 )。
取 10 克对比例 2 失活分子筛样品 B-1 与 10 克再生胶混合。将其装入 50ml 聚四 氟乙烯内衬并将其置于 100ml 聚四氟乙烯内衬, 然后在密封高压釜内于 145℃反应 60 小时。
将所得的经水蒸气处理再生的分子筛于 180℃烘干 120 分钟, 然后在 580℃温度下 焙烧 5 小时, 获得再生 TS-1 分子筛 A。
实施例 2
将计量的 Z 型硅胶与四丙基氢氧化铵混合, 并加入蒸馏水, 混合均匀后于常温搅 拌 1.0 小时, 再加入钛酸丁酯搅拌 0.5 小时, 接着在 65℃下搅拌 6 小时, 得到再生胶, 其组成 为硅∶钛∶有机碱∶水= 1 ∶ 0.025 ∶ 0.8 ∶ 20。取 12 克失活 TS-1 分子筛 B-2 与 10 克 再生胶混合。将上述混合物装入 50ml 聚四氟乙烯内衬并将其置于 100ml 聚四氟乙烯内衬, 然后在密封高压釜内于 175℃反应 48 小时。
将所得产物于 135 ℃烘干 180 分钟, 然后在 500 ℃温度下焙烧 6 小时, 获得再生 TS-1 分子筛 B。
实施例 3
将计量的正硅酸四乙酯、 钛酸四乙酯、 四乙基氢氧化铵和正丁胺混合, 并加入蒸馏 水, 混合均匀后于常温搅拌 1.0 小时水解, 然后再在 70℃下搅拌 4 小时, 得到再生胶, 其组成 为硅∶钛∶∶四乙基氢氧化铵∶正丁胺∶水= 1 ∶ 0.02 ∶ 0.35 ∶ 0.3 ∶ 25。取 12 克经 焙烧再生的失活 TS-1 分子筛 S-1 与 11 克再生胶混合。将混合物装入 50ml 聚四氟乙烯内 衬并将其置于 100ml 聚四氟乙烯内衬, 然后在密封高压釜内于 160℃反应 65 小时。
将所得产物于 100 ℃烘干 300 分钟, 然后在 650 ℃温度下焙烧 4 小时, 获得再生
TS-1 分子筛 C。
实施例 4
将计量的无定形硅胶、 钛酸丙酯、 三乙醇胺和四丙基氢氧化铵混合, 并加入蒸馏 水, 混合均匀后于常温搅拌 1.0 小时, 接着再在 75℃下搅拌 3 小时, 得到再生胶, 其组成为 硅∶钛∶三乙醇胺∶四丙基氢氧化铵∶水= 1 ∶ 0.03 ∶ 0.25 ∶ 0.6 ∶ 30。取 12 克经焙 烧的失活 TS-1 分子筛 B-2 与 10 克再生胶混合。将混合物装入 50ml 聚四氟乙烯内衬并将 其置于 100ml 聚四氟乙烯内衬, 然后在密封高压釜内于 155℃反应 58 小时。
将所得产物于 150 ℃烘干 180 分钟, 然后在 580 ℃温度下焙烧 5 小时, 获得再生 TS-1 分子筛 D。
实施例 5
将计量的 Z 型硅胶、 钛酸丁酯、 乙二胺和四丙基氢氧化铵混合, 并加入蒸馏水, 混 合均匀后于常温搅拌 1.5 小时, 然后再在 60 ℃下搅拌 5 小时, 得到再生胶, 其组成为硅∶ 钛∶乙二胺∶四丙基氢氧化铵∶水= 1 ∶ 0.02 ∶ 0.15 ∶ 0.2 ∶ 20。取 10 克经焙烧再生 的失活 TS-1 分子筛 S-1 与 11 克再生胶混合。将混合物装入 50ml 聚四氟乙烯内衬并将其 置于 100ml 聚四氟乙烯内衬所加支撑上, 然后在密封高压釜内于 160℃反应 48 小时。 将所得产物于 100 ℃烘干 270 分钟, 然后在 550 ℃温度下焙烧 3 小时, 获得再生 TS-1 分子筛 E。
实施例 6
将计量的正硅酸四乙酯、 钛酸四乙酯与四乙基氢氧化铵混合, 并加入蒸馏水, 混合 均匀后于常温搅拌 1.0 小时, 接着再在 70℃下搅拌 4 小时, 得到再生胶, 其组成为硅∶钛∶ 有机碱∶水∶= 1 ∶ 0.02 ∶ 1.55 ∶ 25。取 12 克经焙烧再生的失活 TS-1 分子筛 B-1 与 7 克再生胶混合。将混合物装入 50ml 聚四氟乙烯内衬并将其置于 100ml 聚四氟乙烯内衬所 加支撑上, 并在其下加水 3ml, 然后在密封高压釜内于 165℃反应 52 小时。
将所得产物于 140 ℃烘干 120 分钟, 然后在 550 ℃温度下焙烧 3 小时, 获得再生 TS-1 分子筛 F。
实施例 7
将计量的正硅酸四乙酯、 钛酸丁酯、 二正丙胺和四丙基氢氧化铵混合, 并加入蒸馏 水, 混合均匀后于常温搅拌 1.0 小时, 然后再在 75℃下搅拌 3 小时, 得到再生胶, 其组成为 硅∶钛∶二正丙胺∶∶四丙基氢氧化铵∶水= 1 ∶ 0.02 ∶ 0.25 ∶ 0.5 ∶ 25。取 12 克失 活 TS-1 分子筛 S-1 与 14 克再生胶混合均匀。将混合物装入 50ml 聚四氟乙烯内衬并将其 置于 100ml 聚四氟乙烯内衬, 然后在密封高压釜内于 180℃反应 12 小时。
将所得产物于 120 ℃烘干 240 分钟, 然后在 700 ℃温度下焙烧 3 小时, 获得再生 TS-1 分子筛 G。
实施例 8
将计量的 Z 型硅胶、 钛酸正酯、 己二胺和四丙基氢氧化铵混合, 并加入蒸馏水, 混 合均匀后于常温搅拌 1.0 小时, 然后再在 75 ℃下搅拌 3 小时, 得到再生胶, 其组成为硅∶ 钛∶己二胺∶四丙基氢氧化铵∶水= 1 ∶ 0.02 ∶ 0.75 ∶ 1.0 ∶ 30。取 12 克经焙烧再生 的失活 TS-1 分子筛 B-1 与 10 克再生胶混合均匀。将混合物装入 50ml 聚四氟乙烯内衬并 将其置于 100ml 聚四氟乙烯内衬, 然后在密封高压釜内于 155℃反应 65 小时。
将所得产物于 100 ℃烘干 300 分钟, 然后在 550 ℃温度下焙烧 5 小时, 获得再生 TS-1 分子筛 H。
实施例 9
将计量的正硅酸四乙酯、 钛酸丙酯、 正丙胺和四乙基氢氧化铵混合, 并加入蒸馏 水, 混合均匀后于常温搅拌 1.0 小时, 然后再在 75℃下搅拌 3 小时, 得到再生胶, 其组成为 硅∶钛∶正丙胺∶四乙基氢氧化铵∶水= 1 ∶ 0.045 ∶ 1.0 ∶ 1.0 ∶ 20。 取 12 克失活 TS-1 分子筛 S-1 与 5.0 克再生胶混合。 将混合物装入 50ml 聚四氟乙烯内衬并将其置于 100ml 聚 四氟乙烯内衬所加支撑上, 同时在其下加水 5ml。然后在密封高压釜内于 175℃反应 45 小 时。
将所得产物于 160 ℃烘干 180 分钟, 然后在 550 ℃温度下焙烧 3 小时, 获得再生 TS-1 分子筛 I。
实施例 10
将计量的无定形 SiO2、 四乙基氢氧化铵和四丙基氢氧化铵混合, 并加入蒸馏水, 常 温搅拌 2 小时, 再在 75℃下搅拌 3 小时, 得到再生胶, 其组成为硅∶四乙基氢氧化铵∶四丙 基氢氧化铵∶水∶= 1 ∶ 0.5 ∶ 0.2 ∶ 45。取 13 克经焙烧再生的失活 TS-1 分子筛 B-1 与 7 克再生胶混合。 将混合物装入 100ml 聚四氟乙烯内衬并在其上放入内装 2ml 水的玻璃瓶, 然后在密封高压釜内于 160℃反应 56 小时。 将所得于产物于 100℃烘干 270 分钟, 然后在 570℃温度下焙烧 5 小时, 获得再生 TS-1 分子筛 J。
测试例
本测试例以苯酚羟基化反应的效果来说明本发明方法的再生效果。
将上述实施例 1 ~ 10 再生得到的钛硅分子筛样品 A ~ J 和对比例 1、 2、 3、 4 的钛 硅分子筛样品 X-1、 B-1、 S-1、 B-2 和 C-1, 按照 TS-1 ∶苯酚∶丙酮= 1 ∶ 20 ∶ 16 的重量比 在一个带冷凝管的三口烧瓶中混合均匀, 升温至 80℃, 然后在搅拌状态下按照苯酚∶过氧 化氢= 3 ∶ 1 的摩尔比加入浓度为 30wt%的过氧化氢, 在此温度下反应 4 小时, 所得产物在 6890N 型色谱仪上使用 HP-5 毛细管柱 (30m×0.25mm) 测定苯酚转化率, 结果见表 1。
表1样品名 X-1 B-1 S-1 苯酚转化率% 24.55 22.35 10.5817.55 20.91 21.75 24.78 24.90 23.95 24.27 23.76 23.35 24.17 24.56 24.59从表 1 数据可以看出, 本发明提供的方法再生的钛硅分子筛活性比失活钛硅分子 筛活性有了显著提高, 基本达到新鲜剂的活性水平。9