一种由高岭土制备SAPO-5分子筛的方法 【发明领域】
本发明具体涉及到一种由高岭土为主要硅源和铝源,在自压条件下,水热晶化合成SAPO-5分子筛的方法,属于精细化工和新型催化剂合成技术领域。
背景技术
SAPO-5是AFI型分子筛,是二十世纪八十年代发现的新型SAPO系列分子筛之一。其骨架是由6个四元环和6个六元环构成的十二元环的一维孔道结构,孔径为0.80nm,孔容为0.31cm3/g,其空间群为P6/mcc,属于六方晶系。
由于硅原子理论上可按照三种取代机制搭建在骨架中,其骨架呈负电性,具有可交换的阳离子,因而具有质子酸性。在SAPO-5分子筛中,硅、铝和磷含量均可以在一定范围内变化,并且能够保证骨架结构稳定,从而可以形成本质不同的活性中心,且活性中心的分布状态也可进行调整。S.Seelan发现SAPO-5分子筛晶体单胞中硅取代可以达到(Al0.24P0.25Si0.51)O2(S.Seelan,A.K.Sinha.Crystallization and characterization of high silicaSilicoaluminophosphate SAPO-5.Journal of Molecular Catalysis A:Chemical215(2004)149-152)。SAPO-5分子筛还具有优异的热稳定性和水热稳定性,因而具有作为新型催化剂的潜质。研究发现,SAPO-5分子筛在裂解反应、烷构化反应、异构化反应、芳香化合物反应、光催化和脱水等多种有机转化过程中具有较好的催化性能。
SAPO分子筛合成的硅源主要由硅溶胶、硅凝胶、活性二氧化硅和正硅酸乙脂;铝源主要由活性氧化铝、拟薄水铝石、氢氧化铝、磷酸铝和异丙醇铝;磷源一般采用85%的正磷酸,其他还有磷酸三乙脂和磷铝酸盐;SDA主要有二乙基乙醇胺、三乙胺、二丙胺、三丙胺、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、环己胺或环亚甲基亚胺以及上述两种或两种以上物质的混合物。SAPO分子筛一般采用水热方法合成(US.Pat.20080108857,CN.Pat.0081773.2,CN.Pat.00808649.4)。步骤基本包括:(1)按照一定的比例、一定顺序混合原料,调整PH值,制成均匀的溶胶或凝胶;(2)在60~250℃、自生压力下保持数小时至数天;(3)洗涤、分离,固体部分烘干得到原粉,按照一定程序焙烧去除SDA,便可得到SAPO分子筛。另外,微波加热方法可以选择性地用于SAPO-5分子筛的水热合成。其他合成SAPO-5的方法还有两相合成法、溶剂热合成法和干胶转移合成法。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种利用天然高岭土制备SAPO-5分子筛的方法。
为实现上述目的,本发明提供的由高岭土制备SAPO-5分子筛的方法,其主要步骤包括:
a)高岭土研磨、焙烧活化;
b)将活化焙烧的高岭土与辅助铝源、磷源、水和晶化导向剂(以下用SDA表示)制成料浆(浆料中还可加入辅助硅源),且将浆料的pH值调节在3.0~8.0之间;浆料中各元素及水的摩尔比为nSi∶nAl∶nP∶nH2O=0.1~0.9∶0.1~0.9∶0.1~0.9∶20~200,SDA与硅、铝、磷元素之和的摩尔比为nSDA∶(nSi+nAl+nP)=0.10~0.6;
c)将步骤b制备的料浆置于反应釜中在80℃~250℃下,自压水热晶化0.5~200小时;
d)将步骤c水热晶化好的物料过滤、洗涤、干燥得含SDA粉末;
e)将步骤d得到的粉末在450~800℃、2~20小时下焙烧脱去SDA后即得到SAPO-5分子筛。
本发明中所采用的高岭土,是指高岭土及其亚族矿物,主要有天然高岭土及其亚族矿物:软质高岭土、硬质高岭石、迪开石、珍珠陶土、1.0nm和0.7nm埃洛石以及煤系高岭土。本发明所用高岭土均是指上述矿物的粉体,粒度小于100μm,优选在0.1~50μm之间。
高岭土需经过活化处理才能为合成SAPO分子筛提供活性硅铝源,活化方法主要为焙烧活化。将粒径为0.1~100μm的高岭土,在450℃~1100℃下焙烧0.001~10小时。利用焙烧设备,如隧道窑、竖窑、回转窑、马弗炉等间歇设备在500℃~1100℃加热0.5~10小时,用快速流化床或循环流化床在500℃~1100℃加热0.001~1小时。
本发明中分子筛结构单元内的硅和铝主要由高岭土提供,剩余部分由辅助铝源、硅源提供。辅助铝源为拟薄水铝石、氢氧化铝、活性氧化铝或铝矾土;可加入的辅助硅源为硅溶胶、硅凝胶、白碳黑、活性二氧化硅。合成SAPO-5分子筛,浆料中的活性硅铝摩尔数之比(Si/Al)在0.01~1.2之间。
本发明所用磷源为磷酸、磷酸铝或磷酸三乙酯,合成SAPO-5分子筛,磷铝的摩尔数之比(P/Al)一般选择在0.5~1.5之间。
本发明所用SDA主要有二乙基乙醇胺、三乙胺、二丙胺、三丙胺、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、环己胺或环亚甲基亚胺以及上述两种或两种以上物质的混合物。合成SAPO-5分子筛,SDA和硅、铝、磷元素之和的摩尔数之比(nSDA∶(nSi+nAl+nP))一般选择在0.10~0.6之间。
在晶化过程中水为分子筛结构的搭建提供了空间,为硅、铝和磷的传质提供了媒介。本发明中水和铝的摩尔数之比(H2O/Al)一般选择在20~200之间。
由SDA调节的料浆的PH值是形成SAPO-5分子筛的关键影响因素。本发明中配制的浆料体系PH在3.0~8.0之间。
本发明中晶化温度在80~250℃之间,优选在120~240℃之间,晶化时间在0.5~200小时之间。晶化时间根据晶化温度的设定适当选择,晶化温度愈高,晶化时间也就相应的减小。
晶化过程在反应釜自生压力下完成。另外,混合后的物料经剧烈搅拌甚至湿磨,对于分子筛的形成是具有很大帮助的。在晶化过程中,给予一定的搅拌或者在均相反应器中进行晶化,对于减小晶化时间有很大帮助。
本发明中分子筛SDA的脱除温度为450~800℃,脱除时间为2~20小时便可脱除完全。脱SDA焙烧制度对脱模后的分子筛的酸性以及催化性能都有一定影响。二步脱模法,例如在200~300℃时保温1~3小时,而后以1~10℃/min,升温至500~700℃,保温10~400分钟,对分子筛催化剂的酸性和催化性能有利。
本发明利用了资源丰富、价格低廉的天然高岭土,直接合成SAPO-5分子筛,与提供单一硅源和铝源的化工原料相比,可大大降低生产成本。更重要的是,高岭土中的硅和铝与其他成分可以在短时间内有效搭建成SAPO-5分子筛,不仅提高了晶化反应速度,而且可以提高SAPO-5分子筛中的硅含量,增加分子筛的稳定性和酸性。利用高岭土合成SAPO-5分子筛,不仅可以降低SAPO-5分子筛催化剂的生产成本,增加生产效率,而且可以有效利用高岭土中的硅和铝,提高催化剂的酸性和催化性能,是低成分、高效率、高质量生产SAPO-5分子筛催化剂的良好工艺路线。经焙烧去除晶化导向剂和改性后地SAPO-5分子筛,可用做裂解反应、烷构化反应、异构化反应、芳香化合物反应和光催化等多种有机转化催化剂。
【附图说明】
图1为本发明高岭土合成SAPO-5分子筛的工艺流程图。
图2为本发明由高岭土合成SAPO-5分子筛的X射线衍射(XRD)图谱。
图3为本发明由高岭土合成SAPO-5分子筛的扫描电子显微(SEM)图谱。
具体实施方法
实施例1
采用煤系高岭土成分为:SiO2含量为43.78%,Al2O3含量为37.51,烧失量为17.23%。
将上述煤系高岭土细磨至1~10微米粉体,然后将其粉体在850℃焙烧活化2小时,得煅烧高岭土粉备用。
将25克上述煅烧好的高岭土与17.6克化学纯氢氧化铝、85%的磷酸51.8克和160克水混合搅拌3小时,然后加入约25克三乙胺,调整料浆pH为4.7,搅拌4小时形成待晶化浆料。
将上述待晶化浆料倒入500毫升的反应釜中,在200℃的均相反应器中晶化24小时,然后冷却、过滤、洗涤,在140℃烘箱中干燥3小时,得到含SDA的SAPO-5分子筛原粉。
将上述含晶化导向剂的SAPO-5分子筛以每分钟5℃升温至650℃,保温5小时,得到目标SAPO-5分子筛。
经BET分析,所得分子筛的比表面积为243.3m2/g,孔隙率为0.119cm3/g。所得分子筛结构的XRD衍射图谱如图2所示,形貌如图3所示,平均微区成分如表1所示。
实施例2
取上述煅烧后备用高岭土25克与16.5克含氧化铝为70%的拟薄水铝石、85%的磷酸51.8克和160克水混合搅拌6小时,然后加入约25克三乙胺,调整料浆pH为5.0,搅拌6小时形成待晶化浆料。
将上述待晶化浆料倒入500毫升的反应釜中,在200℃的均相反应器中晶化48小时,然后冷却、过滤、洗涤,在140℃烘箱中干燥3小时,得到含SDA的SAPO-5分子筛原粉。
将上述含晶化导向剂的SAPO-5分子筛以每分钟4℃升温至650℃,保温4小时,得到目标SAPO-5分子筛。
表1为本发明所合成SAPO-5分子筛的EDX元素分析
元素 Si Al P O 含量 5.80 15.90 16.65 61.65