钛硅酸盐沸石分子筛晶体及其制备方法 本发明属沸石分子筛晶体及其制备方法，特别涉及两种新型钛硅酸盐沸石分子筛晶体及其制备方法。
应用本方法可以合成出一种稳定的新型ST系列钛硅酸盐分子筛晶体。ST系列钛硅酸盐分子筛晶体可以应用于吸附、离子交换以及催化等方面。
自从50年代后期，Milton等人发现在硅铝酸盐体系中可以聚合生成均匀孔径、内部电荷平衡的与自然界发现的是同一类的分子筛沸石后，分子筛沸石在催化剂、吸附剂、离子交换剂等方面得到了广泛的应用(U.S.Pat.Nos.2882243和2882244)。这种骨架结构的晶体具有巨大的比表面积和均匀的孔道。在这种晶体结构中，Al3+离子是与氧相连呈四面体结构，使骨架呈现过剩的负电性，因此，在晶体中存在着大量的活性电荷位置，它们对吸附及催化起着重要作用。另外，平衡电荷作用的阳离子与骨架负电荷的作用不是共价性，因此，它可以被其它阳离子所交换，从而改变晶体的性质，使这种物质具有可调变性，扩展了它们的应用范围。
与本发明最为接近的现有技术是Kuznicki申请的U.S.Pat.No.4938939专利(公开日：Ju1.3，1990)，所给出的钛硅酸盐分子筛晶体的化学式是：
1.0±0.25M2/nO∶TiO2∶ySiO2∶zH2O
其中M是化合价为n的用离子，y＝1.0—10，z＝0—100，它的X-射线粉末衍射谱如表3：
表3主要的d值(埃) I/Io11.65±0.25 5-VS6.95±0.25 S-VS5.28±0.15 M-S4.45±0.15 W-M2.98±0.05 VS其中：VS＝50-100S＝30-70M＝15-50W＝5-30这种分子筛晶体(被称之为ETS-4)的制备方法大致为以TiCl3、Ti2O3为钛源，SiO2为硅源，与碱金属氢氧化物、氟化物和水等混合加热，反应温度为100℃到300℃，反应时间为8小时到40天，反应混合物的pH值为10.45—11.0±0.1.产物即ETS-4系列钛硅酸盐分子筛。
本发明的目的是采用与现有技术小同的钛源和混合物的pH值，合成出ETS-4分子筛及两种新型分子筛晶体，可以应用于吸附、离子交换以及催化等方面。
本发明的新型钛硅酸盐分子筛晶体称为ST系列钛硅酸盐分子筛晶体，特别是ST-16和ST-20两种与现有技术完全不同的分子筛晶体。其化学式为
xM2/nO∶TiO2∶ySiO2∶zH2O
其中M为电荷为n的一种阳离子或二种以上阳离子的混合物，x＝0.5—5，y＝1—50，z＝0—100。两种新型钛硅酸盐分子筛晶体地特征X—射线粉末衍射谱分别如表1和表2所示：
表1 ST—16的XRD粉末谱(0—40°2theta)主要的d值(埃) I/Io10.72±0.5 S-VS5.35±0.5 VS4.33±0.3 M-S3.57±0.3 S-VS3.49±0.3 M3.21±0.3 M3.15±0.3 M-S2.56±0.3 M-S表2. ST—30的XRD粉末谱(0—40°2theta)主要的d值(埃) I／Io14.81±0.5 VS4.88±0.5 W-M4.42±0.5 W-M3.78±0.3 W-M3.04±0.3 S2.74±0.3 S其中：VS＝50-100S＝30-70M＝15-50W＝5-30
表1-2的数据以及后面所列的d值数据均是用日本理学D/MAX-IIIA型X射线衍射仪测得，以KCl为内标加以较正。蜂强度直接从峰高度测得。ST系列分子筛具有有序的晶体结构，由小同阳离子M获得的晶体，其峰位和峰强微有变化，但其晶体结构不变。
采用交换技术，原始阳离子M可以至少部分被其它阳离子交换。这些阳离子可以是氢离子、氨离子、稀土离子以及它们的混合物等。ST系列分子筛可以稳定到500℃。ST系列分子筛可以吸附水、止己烷等。
本发明的ST系列分子筛晶体的制备方法也是应用水热晶化法，即：
加热晶化包括硅源、钛源、碱金属氢氧化物和水等，各物料的摩尔配比范围如下：
SiO2/TiO2：1—60
H2O/SiO2： 3—3000
Mn/SiO2： 0.001—10
其中M是化合价为n的金属阳离子。反应温度为100℃到300℃，反应时间为4小时到50天。生成物经冷却、过滤、洗涤后，在室温下干燥。本发明的特征在于所说的钛源包括四价钛的化合物；反应混合物的PH值大于12.5。除可以合成出ST-16和ST-20两种新型分子筛晶体外，也能合成出ETS-4分子筛晶体，其特征X—射线粉末衍射谱的主要d值与现有技术的表3相同。
ST分子筛可以由含钛的原料如二氧化钛、三氧化二钛、三氯化钛、四氯化钛、硫酸氧钛、钛酸四丁酯、钛酸乙酯等，以及含硅的原料如二氧化硅、水玻璃、硅溶胶、硅酸钠等与碱金属氢氧化物、水、碱金属卤化物等按表4中的摩尔比例混合反应制得。
表4.各种物料的摩尔配比范围
范围 最佳范围
ST-16分子筛
SiO2/Ti 1—60 2—10
H2O/SiO23—1000 10—100
Mn/SiO2 0.08—0.75 0.3—0.6ST-20分子筛 SiO2/Ti 1—20 2—5
H2O/SiO23—1000 10—100
Mn/SiO2 0.76—1.1 0.8—1ST-16分子筛 SiO2/Ti 1--60 5—10H2O/SiO2 3—1000 10—100Mn/SiO2 1.11—2.4 1.5—2.0
其中M是化合价态为n的阳离子相当于碱金属阳离子的量。反应混合物的PII值为5—14，可以在PH值大于13的条件下合成。反应混合物在100℃至300℃范围内加热进行水热晶化反应，反应温度高，晶化时间短，如在180℃以上，即180℃至300℃范围。反应时间为4小时到50大或更长。生成物经冷却、过滤、洗涤后，在室温下干燥。
用于制备ST化合物的反应原料是广泛的。在反应混合物中可以加入氟化物来调节钛等的溶解性。
钛源可以是三价钛和四价钛，例如二氧化钛、三氧化二钛、三氯化钛、四氯化钛、硫酸氧钛、钛酸四丁酯、钛酸乙酯等。
硅源可以是二氧化硅、水玻璃、硅溶胶、硅酸钠等。
碱金属的原料常是碱金属氢氧化物的水溶液。其作用是一方面提供碱金属阳离子，另一方面调节体系的酸碱性。反应混合物的PH值可以为5—14及14以上。
合成的钛硅分子筛具有离子交换性质。采用常规的交换技术，可以交换成氢离子、氨离子、烷基胺、芳香基胺、金属离子等。例如氢型分子筛可以通过钠离子交换成氨离子后，在300℃灼烧制得。
以钠为阳离子的ST-16钛硅分子筛，尽管钛硅比可以有很大变化，但其X射线粉末衍射谱图基本是相同的，如表1—3所示。
作为催化剂，这种钛硅分子筛可以和其它材料一起使用，以便适应各种条件要求。这些材料可以是活性的或者非活性的，例如粘上、二氧化硅、金属氧化物、分子筛等。
为了更好地说明本发明的实质和在实验中的重复性，下面列举出一些实验实例。
例1.ST-16钛硅分子筛的合成
反应物原料如下：
1.6克TiO2
18.8克SiO2
7.1克NaOH
100克H2O
其中：Ti/Si＝0.06
Na/Si＝0.6
H2O/Si＝18
上述反应物原料经电动搅拌混合均匀后，装入反应釜中，在240℃下晶化10天，得到ST-16晶体。其X射线粉末衍射谱图(XRD)如表5所示：表5.以钠为阳离子的ST-16钛硅分子筛的X射线粉末衍射谱d(A) I/Io10.72 696.08 45.35 1004.33 373.57 583.49 183.21 183.15 372.82 82.61 42.56 202.52 72.38 4
其主要d值与表1相同。
产物具有如下的组成(重量百分比)：
SiO2：58％
TiO2：24％
Na2O：13％
Si/Ti＝3
例2.ST-16钛硅分子筛的合成
反应物原料如下：
3.5克TiO2
18.8克SiO2
7.1克NaOH
100克H2O
其中：Ti/Si＝0.13
Na/Si＝0.6
H2O/Si＝18
上述反应物原料经电动搅拌混合均匀后，装入反应釜中，在240℃下晶化2天，得到ST-16晶体。其X射线粉末衍射谱图(XRD)主要d值如表1所示。
例3.ST-16钛硅分子筛的合成
反应物原料如下：
14克TiO2
18.8克SiO2
7.1克NaOH
1O0克H2O
其中：Ti/Si＝0.5
Na/Si＝0.6
H2O/Si＝18
上述反应物原料经电动搅拌混合均匀后，装入反应釜中，在200℃下晶化10天，得到ST-16晶体。其X射线粉末衍射谱图(XRD)主要d值如表1所示。产物具有如下的组成(重量百分比)：
SiO2：35％
TiO2：42％
Na2O：13％
Si/Ti＝1∶1
例4.ST-20钛硅分子筛的合成
反应物原料如下：
5.8克TiO2
18.8克SiO2
13.1克NaOH
100克H2O
其中：Ti/Si＝0.24
Na/Si＝1.0
H2O/Si＝18
上述反应物原料经电动搅拌混合均匀后，装入反应釜中，在240℃下晶化10天，得到ST-20晶体。其X射线粉末衍射谱图(XRD)如下表所示：d(A) I/Io11.6 1006.9 945.27 284.45 393.61 193.45 283.38 313.07 922.98 812.90 472.76 282.64 222.59 582.43 28
其主要d值与表3相同。
例5.ST-30钛硅分子筛的合成
反应物原料如下：
5.9克TiO2
18.8克SiO2
25.1克NaOH
100克H2O
其中：Ti/Si＝0.24
Na/Si＝2.0
H2O/Si＝18
上述反应物原料经电动搅拌混合均匀后，装入反应釜中，在240℃下晶化7天，得到ST-30晶体。其X射线粉末衍射谱图(XRD)如下表所示：d(A) I/Io14.81 1004.88 144.42 154.32 94.05 83.78 143.25 103.04 432.74 322.57 112.45 11
其主要d值与表2相同。
例7.ST-16钛硅分子筛的吸附性能
ST-16晶体的吸附性能是在美国Cahr-2000真空电子天平上测定的。样品经300℃烧5小时后，在天平系统中测定。其对水的吸附量为(重量百分比)13.1％。
本发明的ST系列分子筛晶体具有较大的均匀孔径和较高的热稳定性，适于在吸附、离子交换以及催化等方面的应用。本发明的ST系列分子筛晶体的制备方法由于物料的广泛性，pH值范围宽，可以在大于13的条件下合成，因而适于生产。