МОЛЕКУЛЯРНОЕ СИТО SCM-33, СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ Российский патент 2024 года по МПК C01B39/48 C01B39/06 B01J37/04 B01J37/06 B01J37/08 B01J29/70 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к области молекулярных сит, в частности к молекулярному ситу SCM-33, а также к способу его изготовления и к его применению.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Цеолиты, или так называемые молекулярные сита, представляют собой разновидность пористых кристаллических материалов и имеют регулярные размеры молекулы, пористую структуру, относительно сильную кислотность и высокую гидротермическую стабильность. Они широко используются в катализе, адсорбции, ионном обмене и других областях, и играют незаменимую роль. В настоящее время существует до 248 топологий молекулярных сит, одобренных Международной ассоциацией цеолитов.

В 1995 г. Марлер и др. впервые сообщили о синтезе молекулярного сита из чистого кремния RUB-3 и объяснили его структуру (Zeolites, 1995, No. 15, pp. 388-399), после чего Международная ассоциация цеолитов присвоила этому молекулярному ситу код типа каркаса RTE. Молекулярные сита, имеющие структуру RTE, состоят из блоков rte ([4⁴5⁴6²]) и клеточных структур [4⁶5⁴6⁶8²], и взаимосвязанные клетки формируют одномерную пористую структуру с 8-членными кольцевыми отверстиями (Microporous and Mesoporous Materials, 1998, No. 26, pp.49-59). Молекулярное сито RTE имеет диаметр пор 3,6 × 4,3 Å, что эквивалентно диаметру многих малых молекул газов, что позволяет расширить возможности применения молекулярного сита с точки зрения адсорбции и разделения газов; с другой стороны, уникальная пористо-клеточная структура также дает возможность применения молекулярного сита RTE в области катализа.

RUB-3 в настоящее время является единственным молекулярным ситом с топологией RTE, но при его синтезе возникают следующие проблемы: 1) органический шаблон экзо-2-аминобицикло[2.2.1]гептан дорог и используется в большом количестве, так что стоимость синтеза молекулярного сита является высокой; 2) скорость роста кристаллов является низкой, и период синтеза составляет 90 дней или больше, вплоть до 1 года; 3) кристалл имеет форму столбика размером 50×50×150 мкм, который является слишком большим; 4) каркас представляет собой кремнийсодержащий каркас, и в него практически невозможно ввести каталитически активные центры.

Поэтому разработка нового молекулярного сита с топологией RTE и способа его приготовления имеет большое практическое значение.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение предлагает молекулярное сито SCM-33, а также способ его приготовления и его применение. Молекулярное сито SCM-33 представляет собой новое молекулярное сито с топологией RTE, требует короткого времени для своего приготовления, имеет низкую стоимость синтеза и меньший размер кристаллов, и элементы, отличные от Si, могут быть введены в его каркас в качестве каталитически активных центров.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается молекулярное сито SCM-33. Химический состав молекулярного сита SCM-33 схематически представлен формулой «SiO₂⋅1/x XO_1,5·m MO_0,5», где X - каркасный трехвалентный элемент, молярное отношение x для Si/X составляет ≥ 5, M - каркасный равновесный катион, и молярное отношение M/Si составляет 0<m≤1; и молекулярное сито SCM-33 имеет рентгеновскую дифрактограмму (рентгенограмму), показанную в следующей таблице:

2Θ (°) d-интервал (Å) относительная интенсивность, (I/I₀)×100 9,20±0,3 9,61±0,40 s-vs 14,17±0,3 6,24±0,30 s-vs 17,88±0,3 4,96±0,20 m-s 19,63±0,3 4,52±0,15 m-s 20,65±0,1 4,30±0,10 vs 21,72±0,3 4,09±0,10 m-s

Кроме того, рентгенограмма молекулярного сита SCM-33 имеет пики рентгеновской дифракции, показанные в следующей таблице:

2Θ (°) d-интервал (Å) относительная интенсивность, (I/I₀)×100 9,20±0,3 9,61±0,40 s-vs 12,22±0,3 7,24±0,30 w-m 13,00±0,05 6,80±0,05 m-s 14,17±0,3 6,24±0,30 s-vs 17,88±0,3 4,96±0,20 m-s 19,63±0,3 4,52±0,15 m-s 20,65±0,1 4,30±0,10 vs 21,72±0,3 4,09±0,10 m-s

Кроме того, рентгенограмма молекулярного сита SCM-33 также включает в себя пики рентгеновской дифракции, показанные в следующей таблице:

2Θ (°) d-интервал (Å) относительная интенсивность, (I/I₀)×100 15,77±0,3 5,61±0,25 vw 16,32±0,3 5,43±0,25 vw 18,39±0,3 4,82±0,20 w 23,60±0,3 3,77±0,10 vw-w 24,57±0,3 3,62±0,05 w-m 26,04±0,3 3,42±0,05 m-s 27,54±0,3 3,24±0,05 m-s

Кроме того, рентгенограмма молекулярного сита SCM-33 дополнительно включает в себя пики рентгеновской дифракции, показанные в следующей таблице:

2Θ (°) d-интервал (Å) относительная интенсивность, (I/I₀)×100 12,89±0,05 6,86±0,05 w-m 20,44±0,1 4,34±0,10 s-vs 25,24±0,3 3,53 ±0,05 w-m 28,49±0,3 3,13±0,05 w-m 29,22±0,3 3,05±0,05 m-s

Кроме того, в схематической формуле химического состава молекулярного сита SCM-33 молярное отношение Si/X предпочтительно составляет 10≤x≤200, более предпочтительно 15≤x≤150, еще более предпочтительно 20≤x≤120, и/или молярное отношение M/Si предпочтительно составляет 0,01≤m≤0,85, более предпочтительно 0,015≤m≤0,8, и еще более предпочтительно 0,02≤m≤0,75.

Процесс синтеза молекулярного сита SCM-33 использует его форму в исходном состоянии, которая имеет схематический химический состав «qQ⋅SiO₂⋅1/x XO_1,5⋅mMO_0,5⋅zH₂O», где молярное отношение Si/X составляет x≥5, предпочтительно 10≤x≤200, более предпочтительно 15≤x≤150 и еще более предпочтительно 20≤x≤120; молярное отношение M/Si составляет 0 < m≤1, предпочтительно 0,01≤m≤0,85, более предпочтительно 0,015≤m≤0,8, и еще более предпочтительно 0,02≤m≤0,75; молярное соотношение H₂O/Si составляет 0,005≤z≤2, предпочтительно 0,01≤z≤1,5, более предпочтительно 0,015≤z≤1, и еще более предпочтительно 0,02≤z≤0,5; Q представляет собой органический шаблон, и молярное соотношение Q/Si составляет 0,01≤q≤1,0, предпочтительно 0,02≤q≤0,5, более предпочтительно 0,05≤q≤0,5, и еще более предпочтительно 0,05≤q≤0,3.

Органический шаблон Q предпочтительно выбирается из вещества, содержащего катион изопропилтриметиламмония, структурная формула которого является следующей:

.

Кроме того, органический шаблон Q более предпочтительно представляет собой гидроксид, содержащий катион изопропилтриметиламмония, такой как гидроксид изопропилтриметиламмония.

Кроме того, каркасный трехвалентный элемент X выбирается из по меньшей мере одного из алюминия, бора, железа, галлия, индия и хрома. Кроме того, каркасный равновесный катион М выбирается из по меньшей мере одного из протона, катиона аммония, катиона натрия, катиона калия, катиона лития, катиона рубидия, катиона цезия, катиона магния, катиона кальция, катиона стронция и катиона бария, предпочтительно М по меньшей мере включает в себя катион калия, или М по меньшей мере включает в себя катион калия и катион натрия. М, когда он включает в себя катион калия и катион натрия, предпочтительно включает больше катионов калия, чем катионов натрия.

Кроме того, не более 10 мас.% атомов Si в молекулярном сите SCM-33 замещены по меньшей мере одним не являющимся кремнием четырехвалентным каркасным элементом Y, который предпочтительно выбирается из по меньшей мере одного из германия, олова, титана, циркония и гафния.

Кроме того, средний размер кристаллических частиц молекулярного сита SCM-33 составляет приблизительно 100～200 нм.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается способ приготовления вышеупомянутого молекулярного сита SCM-33, который содержит стадию смешивания источника кремния, источника каркасного трехвалентного элемента X, источника каркасного равновесного катиона М, органического шаблона Q и воды для реакции кристаллизации для получения молекулярного сита SCM-33.

Кроме того, способ приготовления молекулярного сита SCM-33 может также включать в себя стадию смешивания источника не являющегося кремнием четырехвалентного каркасного элемента Y, источника кремния, источника каркасного трехвалентного элемента X, источника каркасного равновесного катиона М, органического шаблона Q и воды для реакции кристаллизации для получения молекулярного сита SCM-33.

Кроме того, органический шаблон Q выбирается из вещества, содержащего катион изопропилтриметиламмония, структурная формула которого является следующей:

Кроме того, органический шаблон Q предпочтительно представляет собой гидроксид, содержащий катион изопропилтриметиламмония, такой как гидроксид изопропилтриметиламмония.

Кроме того, источник кремния выбирается из по меньшей мере одного из жидкого стекла, золя кремнезема, твердого силикагеля, пирогенного кремнезема, аморфного кремнезема, диатомита, цеолитного молекулярного сита и тетраалкоксисилана.

Кроме того, источник каркасного трехвалентного элемента X выбирается из по меньшей мере одного из источника алюминия, источника бора, источника железа, источника галлия, источника индия и источника хрома; источник алюминия предпочтительно выбирается из по меньшей мере одного из сульфата алюминия, алюмината натрия, нитрата алюминия, хлорида алюминия, псевдобемита, оксида алюминия, гидроксида алюминия, алюмосиликатного цеолита, карбоната алюминия, алюминия, изопропоксида алюминия и ацетата алюминия; источник бора предпочтительно выбирается из по меньшей мере одного из борной кислоты, тетрабората натрия, аморфного оксида бора, бората калия, метабората натрия, тетрабората аммония и органического сложного эфира бора; источник железа предпочтительно выбирается из по меньшей мере одного из сульфата железа, нитрата железа, галогенида железа (такого как трихлорид железа), ферроцена и цитрата железа; источник галлия, источник индия и источник хрома могут выбираться из по меньшей мере одного из обычных в данной области техники веществ, таких как оксид галлия, нитрат галлия, оксид индия, нитрат индия, хлорид хрома и нитрат хрома и т.д.

Кроме того, источник каркасного равновесного катиона М выбирается из по меньшей мере одного из источника протонов, источника катионов аммония, источника катионов натрия, источника катионов калия, источника катионов лития, источника катионов рубидия, источника катионов цезия, источника катионов магния, источника катионов кальция, источника катионов стронция и источника катионов бария, предпочтительно источник М по меньшей мере включает в себя источник катиона калия или источник катиона калия и источник катиона натрия. При использовании источника катионов калия и источника катионов натрия предпочтительно использовать больше катионов калия, чем катионов натрия, например, молярное соотношение калий/натрий составляет 1,1 или больше. Источник катиона калия предпочтительно выбирается из по меньшей мере одного из оксида калия, гидроксида калия, карбоната калия, бикарбоната калия, хлорида калия, нитрата калия, сульфата калия и фторида калия; источник катиона натрия предпочтительно выбирается из по меньшей мере одного из оксида натрия, гидроксида натрия, карбоната натрия, бикарбоната натрия, хлорида натрия, нитрата натрия, сульфата натрия и фторида натрия.

Кроме того, источник не являющегося кремнием четырехвалентного каркасного элемента Y предпочтительно выбирается из по меньшей мере одного из источника германия, источника олова, источника титана, источника циркония и источника гафния, более предпочтительно из по меньшей мере одного из источника оксида германия, источника оксида олова, источника оксида титана, источника оксида циркония и источника оксида гафния.

Кроме того, молярное соотношение органического шаблона Q, источника кремния (на основе SiO₂), источника X (на основе X₂O₃), источника М (на основе M₂O или MO) и воды равно Q:SiO₂:X₂O₃:M₂O (или MO):H₂O=0,05~1:1:0~0,1:0~0,5:10~100, причем количества источника X и источника M не равны 0, предпочтительно Q:SiO₂:X₂O₃:M₂O (или MO):H₂O=0,15~0,55:1:0,0042~0,033:0,01~0,375:14~55.

Кроме того, молярное отношение источника не являющегося кремнием четырехвалентного каркасного элемента Y (на основе соответствующего оксида YO₂) к источнику кремния (на основе SiO₂) YO₂/SiO₂=больше чем 0~0,1, предпочтительно 0,01~0,1, более предпочтительно 0,01~0,08.

Кроме того, условия реакции кристаллизации включают в себя: кристаллизацию при 100-200°С в течение 30-400 час, предпочтительно при 110~190°C в течение 48~300 час, и более предпочтительно при 120~180°C в течение 72~200 час.

После реакции кристаллизации выполняются обычные последующие обработки, такие как фильтрация, промывка и сушка, для приготовления свежеизготовленного порошка молекулярного сита, а затем этот порошок прокаливается, чтобы получить молекулярное сито.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предлагается композит молекулярного сита, включающий молекулярное сито SCM-33 в соответствии с вышеупомянутым первым аспектом или молекулярное сито SCM-33, полученное в соответствии со способом вышеупомянутого второго аспекта, а также связующее вещество.

В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения предлагается использование молекулярного сита SCM-33 в соответствии с вышеупомянутым первым аспектом, молекулярного сита SCM-33, подготовленного в соответствии со способом вышеупомянутого второго аспекта, или композита молекулярного сита SCM-33 в соответствии с вышеупомянутым третьим аспектом в качестве адсорбента или катализатора.

Молекулярное сито SCM-33 по настоящему изобретению, имеющее топологию каркаса RTE, представляет собой новое молекулярное сито из неочищенного кремния, отличное от RUB-3, и обогащает типы молекулярных сит RTE.

Молекулярное сито SCM-33 по настоящему изобретению имеет регулярный размер молекулы, пористую структуру, сильную кислотность, эффективность ионного обмена и высокую термическую и гидротермическую стабильность. Размер кристаллов полученного молекулярного сита цеолита SCM-33 составляет приблизительно 100~200 нм, что позволяет избежать ограниченного массопереноса и диффузии внутри пор из-за объемного кристалла.

Способ приготовления молекулярного сита SCM-33, предлагаемый настоящим изобретением, использует более дешевый органический шаблон, обеспечивая экономию на синтезе по сравнению с предшествующим уровнем техники; молекулярное сито требует короткого времени кристаллизации, что значительно сокращает период синтеза; а также позволяет вводить в каркас различные элементы, такие как Al, Ti, Zr и Fe, для создания различных каталитически активных центров, что отвечает потребностям различных каталитических реакций и обеспечивает более широкое применение. Способ по настоящему изобретению является простым в эксплуатации, высокоэффективным и полезным для промышленной популяризации.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 представляет собой рентгеновскую дифрактограмму (XRD) образца, полученного в Примере 1, перед кальцинированием;

Фиг. 2 представляет собой рентгеновскую дифрактограмму (XRD) образца, полученного в Примере 1, после кальцинирования;

Фиг. 3 представляет собой полученную с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) фотографию образца, полученного в Примере 1.

КОНКРЕТНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Для того, чтобы облегчить понимание настоящего изобретения, далее приводятся его примеры. Однако специалисты в данной области техники должны понимать, что эти примеры служат только для облегчения понимания настоящего изобретения и не должны рассматриваться как его конкретное ограничение.

В контексте настоящего описания среди данных XRD молекулярного сита обозначения vw, w, m, s, vs означают интенсивность пиков дифракции, где vw относится к очень слабому, w - к слабому, m - к среднему, s - к сильному, и vs - к очень сильному, что хорошо известно специалистам в данной области техники. Как правило, vw составляет менее 5; w составляет 5-20; m составляет 20-40; s составляет 40-70; и vs составляет более 70.

В контексте настоящего описания структура молекулярного сита подтверждается рентгенограммой (XRD), который определяется с помощью порошкового рентгеновского дифрактометра, оснащенного источником излучения Cu-Kα и Ni-фильтром, где длина волны Kα1⋅λ= 1,5405980 Å.

В настоящем изобретении используется порошковый рентгеновский дифрактометр (XRD) XʼPert PRO производства компании PANalytical B.V. с рабочим напряжением 40 кВ, током 40 мА и диапазоном сканирования 5-40°. Морфология продукта измеряется с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа S-4800 (Fe-SEM) производства компании HITACHI.

Следует особо отметить, что два или более аспекта (или варианта осуществления), раскрытые в контексте настоящего описания, могут быть произвольно объединены друг с другом, и сформированные таким образом технические решения (такие как способы или системы) являются частью исходного раскрытия в настоящем описании, и также попадают в объем защиты в настоящем описании.

Если явно не указано иное, все проценты, части, соотношения и т.д. упомянутые в настоящем описании, основаны на массе, за исключением тех случаев, когда принятие массы в качестве основы не соответствует общепринятому пониманию специалистов в данной области техники.

[Пример 1]

2,5 г метаалюмината натрия (Al₂O₃ 41 мас.%, Na₂O 58 мас.%) и 17,5 г раствора гидроксида калия (30 мас.%) были растворены в 28 г воды, 39,4 г раствора гидроксида изопропилтриметиламмония (20 мас.%) были добавлены и равномерно размешаны, и наконец 60 г золя кремнезема Ludox AS-40 были медленно добавлены при перемешивании; после перемешивания в течение 1 час вышеупомянутая смесь была загружена в котел для кристаллизации с политетрафторэтиленовой футеровкой и помещена в печь с температурой 155°C для кристаллизации на 144 час. После реакции твердое вещество отфильтровывалось, промывалось дистиллированной водой и сушилось при 100°C, чтобы получить свежеизготовленный порошок молекулярного сита SCM-33. Рентгенограмма XRD показана на Фиг. 1. Свежеизготовленный твердый порошок помещался в муфельную печь и кальцинировался при 550°C в течение 5 час, чтобы получить конечный продукт. Рентгенограмма XRD показана на Фиг. 2. SEM-фотография молекулярного сита SCM-33 показана на Фиг. 3.

Данные о рентгенограмме XRD конечного продукта, полученного в Примере 1, показаны в Таблице 1:

Таблица 1 2Θ (°) d-интервал (Å) относительная интенсивность, (I/I₀)×100 9,20 9,61 65,4 12,22 7,24 7,7 12,91 6,85 15,9 13,00 6,80 32,4 14,17 6,24 67,2 15,82 5,60 1,2 16,35 5,42 0,1 17,88 4,96 38,4 18,39 4,82 5,2 19,63 4,52 35,8 20,53 4,32 65 20,60 4,31 100 21,72 4,09 30,4 23,24 3,82 1,5 23,60 3,77 1,6 24,57 3,62 17,9 24,94 3,57 6,3 25,24 3,53 10,7 26,04 3,42 39,5 27,54 3,24 37,6 28,49 3,13 14,8 28,92 3,08 17 29,22 3,05 31,2 30,66 2,91 19,5

[Пример 2]

2,5 г метаалюмината натрия (Al₂O₃ 41 мас.%, Na₂O 58 мас.%) и 13,7 г раствора гидроксида калия (30 мас.%) были растворены в 64 г воды, 39,4 г раствора гидроксида изопропилтриметиламмония (20 мас.%) были добавлены и равномерно размешаны, и наконец 60 г золя кремнезема Ludox AS-40 были медленно добавлены при перемешивании; после перемешивания в течение 1 час вышеупомянутая смесь была загружена в котел для кристаллизации с политетрафторэтиленовой футеровкой и помещена в печь с температурой 160°C для кристаллизации на 120 час. После реакции твердое вещество отфильтровывалось, промывалось, сушилось и кальцинировалось (при тех же условиях, что и в Примере 1), чтобы получить молекулярное сито из цеолита SCM-33. XRD была подобна изображенной на Фиг. 2. Данные о рентгенограмме XRD конечного продукта, полученного в Примере 2, показаны в Таблице 2:

Таблица 2 2Θ (°) d-интервал (Å) относительная интенсивность, (I/I₀)×100 9,20 9,60 76,1 12,26 7,21 8,7 12,94 6,84 23,5 13,00 6,80 38 14,18 6,24 74 15,75 5,62 0,3 16,35 5,42 0,1 17,91 4,95 37,1 18,40 4,82 5,3 19,63 4,52 37,6 20,49 4,33 61,2 20,56 4,32 100 21,70 4,09 28,3 23,27 3,82 2,5 23,60 3,77 1,8 24,57 3,62 17,4 24,88 3,58 6,5 25,27 3,52 9,7 26,04 3,42 41,1 27,55 3,24 36 28,51 3,13 13,4 28,95 3,08 15,6 29,22 3,05 28,3 30,69 2,91 18,6

[Пример 3]

7,5 г раствора гидроксида натрия (30 мас.%), 15 г раствора гидроксида калия (30 мас.%), 40 г H₂O и 47,3 г раствора гидроксида изопропилтриметиламмония (20 мас.%) были равномерно размешаны, 45 г золя кремнезема Ludox AS-40 были медленно добавлены при перемешивании; после перемешивания в течение 1 час были добавлены 6,6 г молекулярного сита USY (SiO₂/Al₂O₃=12); после перемешивания в течение 1,5 час вышеуказанная смесь была загружена в котел для кристаллизации с политетрафторэтиленовой футеровкой и помещена в печь с температурой 165°C для кристаллизации на 96 час. После реакции твердое вещество отфильтровывалось, промывалось, сушилось и кальцинировалось (при тех же условиях, что и в Примере 1), чтобы получить молекулярное сито из цеолита SCM-33, и его рентгенограмма XRD была подобна изображенной на Фиг. 2. Данные о рентгенограмме XRD конечного продукта, полученного в Примере 3, показаны в Таблице 3:

Таблица 3 2Θ (°) d-интервал (Å) относительная интенсивность, (I/I₀)×100 9,27 9,53 94 12,34 7,17 9 12,91 6,85 20,1 13,07 6,77 38,5 14,25 6,21 59,3 15,78 5,61 0,6 16,32 5,43 0,6 17,93 4,94 27,7 18,48 4,80 7 19,69 4,50 25,7 20,54 4,32 57,6 20,66 4,30 100 21,83 4,07 22,4 23,07 3,85 0,2 23,54 3,78 2,1 24,67 3,61 15,1 25,34 3,51 7,3 26,15 3,41 38,5 27,65 3,22 29 28,61 3,12 13,9 29,31 3,04 30,8 30,79 2,90 12,8

[Пример 4]

4,2 г октадекагидрата сульфата алюминия, 6,2 г раствора гидроксида натрия (30 мас.%) и 13,7 г раствора гидроксида калия (30 мас.%) были растворены в 21,1 г воды, 110 г раствора гидроксида изопропилтриметиламмония (20 мас.%) были добавлены и равномерно размешаны, и наконец 54 г золя кремнезема Ludox AS-40 были медленно добавлены при перемешивании; после перемешивания в течение 1 час вышеупомянутая смесь была загружена в котел для кристаллизации с политетрафторэтиленовой футеровкой и помещена в печь с температурой 150°C для кристаллизации на 180 час. После реакции твердое вещество отфильтровывалось, промывалось, сушилось и кальцинировалось (при тех же условиях, что и в Примере 1), чтобы получить молекулярное сито из цеолита SCM-33, и его рентгенограмма XRD была подобна изображенной на Фиг. 2.

[Пример 5]

2 г изопропоксида алюминия были добавлены в 40 г раствора гидроксида изопропилтриметиламмония (20 мас.%) и 12 г раствора гидроксида калия (30 мас.%); после растворения было добавлено 75 г воды и медленно добавлено 52 г тетраэтилортосиликата; после полного гидролиза вышеуказанная смесь была заряжена в котел для кристаллизации с политетрафторэтиленовой футеровкой и помещена в печь с температурой 175°C для кристаллизации на 144 час. После реакции твердое вещество отфильтровывалось, промывалось, сушилось и кальцинировалось (при тех же условиях, что и в Примере 1), чтобы получить молекулярное сито из цеолита SCM-33, и его рентгенограмма XRD была подобна изображенной на Фиг. 2.

[Пример 6]

9,7 г хлорида рубидия и 26 г раствора гидроксида калия (30 мас.%) были растворены в 68,5 г воды, 39,4 г раствора гидроксида изопропилтриметиламмония (20 мас.%) были добавлены и равномерно размешаны, 54,6 г золя кремнезема Ludox AS-40 были медленно добавлены при перемешивании; после перемешивания в течение 1 час были добавлены 5 г молекулярного сита USY (SiO₂/Al₂O₃=12); после перемешивания в течение 1,5 час вышеуказанная смесь была загружена в котел для кристаллизации с политетрафторэтиленовой футеровкой и помещена в печь с температурой 145°C для кристаллизации на 192 час. После реакции твердое вещество отфильтровывалось, промывалось, сушилось и кальцинировалось (при тех же условиях, что и в Примере 1), чтобы получить молекулярное сито из цеолита SCM-33, и его рентгенограмма XRD была подобна изображенной на Фиг. 2.

[Пример 7]

0,6 г псевдобемита (Al₂O₃ 70 мас.%) и 17 г раствора гидроксида калия (30 мас.%) были растворены в 30 г воды, 49,3 г раствора гидроксида изопропилтриметиламмония (20 мас.%) были добавлены и равномерно размешаны, 15 г жидкого стекла (SiO₂ 27 мас.%, Na₂O 8,4 мас.%) и 45 г золя кремнезема Ludox AS-40 были медленно добавлены при перемешивании; после перемешивания в течение 1 час вышеупомянутая смесь была загружена в котел для кристаллизации с политетрафторэтиленовой футеровкой и помещена в печь с температурой 160°C для кристаллизации на 168 час. После реакции твердое вещество отфильтровывалось, промывалось, сушилось и кальцинировалось (при тех же условиях, что и в Примере 1), чтобы получить молекулярное сито из цеолита SCM-33, и его рентгенограмма XRD была подобна изображенной на Фиг. 2.

[Пример 8]

1,3 г борной кислоты, 9 г раствора гидроксида натрия (30 мас.%) и 14 г раствора гидроксида калия (30 мас.%) были растворены в 41 г воды, 49,3 г раствора гидроксида изопропилтриметиламмония (20 мас.%) были добавлены и равномерно размешаны, и наконец 75 г золя кремнезема Ludox AS-40 были медленно добавлены при перемешивании; после перемешивания в течение 1 час вышеупомянутая смесь была загружена в котел для кристаллизации с политетрафторэтиленовой футеровкой и помещена в печь с температурой 160°C для кристаллизации на 192 час. После реакции твердое вещество отфильтровывалось, промывалось, сушилось и кальцинировалось (при тех же условиях, что и в Примере 1), чтобы получить молекулярное сито из цеолита SCM-33, и его рентгенограмма XRD была подобна изображенной на Фиг. 2. Данные о рентгенограмме XRD конечного продукта, полученного в Примере 8, показаны в Таблице 4:

Таблица 4 2Θ (°) d-интервал (Å) относительная интенсивность, (I/I₀)×100 9,26 9,55 100 12,28 7,20 11,2 12,91 6,85 16 13,04 6,78 40,3 14,21 6,23 68,2 15,78 5,61 0,1 16,36 5,41 1,5 17,92 4,94 32,5 18,47 4,80 5,5 19,72 4,50 34,5 20,53 4,32 51,8 20,63 4,30 98,8 21,77 4,08 28,9 23,27 3,82 2,1 23,64 3,76 1 24,66 3,61 14,3 25,03 3,56 3,4 25,33 3,51 7,7 26,11 3,41 39,2 27,62 3,23 28,3 28,61 3,12 12,3 28,99 3,08 14,7 29,26 3,05 28,2 30,76 2,90 15,5

[Пример 9]

4,8 г нонагидрата нитрата железа, 9 г раствора гидроксида натрия (30 мас.%) и 14 г раствора гидроксида калия (30 мас.%) были растворены в 150 г воды, 49,3 г раствора гидроксида изопропилтриметиламмония (20 мас.%) были добавлены и равномерно размешаны, и наконец 75 г золя кремнезема Ludox AS-40 были медленно добавлены при перемешивании; после перемешивания в течение 1 час вышеупомянутая смесь была загружена в котел для кристаллизации с политетрафторэтиленовой футеровкой и помещена в печь с температурой 150°C для кристаллизации на 216 час. После реакции твердое вещество отфильтровывалось, промывалось, сушилось и кальцинировалось (при тех же условиях, что и в Примере 1), чтобы получить молекулярное сито из цеолита SCM-33, и его рентгенограмма XRD была подобна изображенной на Фиг. 2.

[Пример 10]

4 г сульфата титана, 0,4 г борной кислоты, 8 г раствора гидроксида натрия (30 мас.%) и 15 г раствора гидроксида калия (30 мас.%) были растворены в 50 г воды, 49,3 г раствора гидроксида изопропилтриметиламмония (20 мас.%) были добавлены и равномерно размешаны, и наконец 60 г золя кремнезема Ludox AS-40 были медленно добавлены при перемешивании; после перемешивания в течение 1 час вышеупомянутая смесь была загружена в котел для кристаллизации с политетрафторэтиленовой футеровкой и помещена в печь с температурой 170°C для кристаллизации на 120 час. После реакции твердое вещество отфильтровывалось, промывалось, сушилось и кальцинировалось (при тех же условиях, что и в Примере 1), чтобы получить молекулярное сито из цеолита SCM-33, и его рентгенограмма XRD была подобна изображенной на Фиг. 2. Данные о рентгенограмме XRD конечного продукта, полученного в Примере 10, показаны в Таблице 5:

Таблица 5 2Θ (°) d-интервал (Å) относительная интенсивность, (I/I₀)×100 9,23 9,57 96,9 12,30 7,19 11,9 12,92 6,85 19,8 13,04 6,78 40 14,21 6,23 84,5 15,75 5,62 0,8 16,36 5,41 1,5 17,92 4,95 39 18,48 4,80 5,1 19,69 4,50 37,3 20,52 4,33 51,4 20,63 4,30 100 21,77 4,08 37,7 23,23 3,83 1,9 23,67 3,76 1,2 24,63 3,61 16,5 25,31 3,52 8 26,14 3,41 37,3 27,61 3,23 30,2 28,58 3,12 13 29,32 3,04 28,4 30,73 2,91 16,6

[Сравнительный пример 1]

2,5 г метаалюмината натрия (Al₂O₃ 41 мас.%, Na₂O 58 мас.%) и 17,5 г раствора гидроксида калия (30 мас.%) были растворены в 28 г воды, 30 г раствора гидроксида тетраметиламмония (20 мас.%) были добавлены и равномерно размешаны, и наконец 60 г золя кремнезема Ludox AS-40 были медленно добавлены при перемешивании; после перемешивания в течение 1 час вышеупомянутая смесь была загружена в котел для кристаллизации с политетрафторэтиленовой футеровкой и помещена в печь с температурой 155°C для кристаллизации на 144 час. После реакции твердое вещество отфильтровывалось, промывалось, сушилось и кальцинировалось (при тех же условиях, что и в Примере 1), чтобы получить молекулярное сито, которое после анализа XRD оказалось молекулярным ситом RUT. Его рентгенограмма XRD очевидно отличается от показанной на Фиг. 2. Данные рентгенограммы XRD показаны в Таблице 6:

Таблица 6 2Θ (°) d-интервал (Å) относительная интенсивность, (I/I₀)×100 7,80 11,32 5 10,09 8,76 16,3 10,82 8,17 89,1 13,68 6,47 28,3 14,43 6,13 85,8 15,82 5,60 4,6 15,82 5,60 4,6 16,65 5,32 7,7 19,32 4,59 8,7 20,07 4,42 53,1 20,64 4,30 53,7 21,57 4,12 3,2 21,78 4,08 28,6 22,09 4,02 94 22,49 3,95 100 23,09 3,85 97 23,23 3,83 44,9 23,51 3,78 6,1 24,08 3,69 16,7 25,19 3,53 38,3 25,99 3,43 4 26,99 3,30 4,5 27,38 3,26 37,7

[Сравнительный пример 2]

2,5 г метаалюмината натрия (Al₂O₃ 41 мас.%, Na₂O 58 мас.%) и 17,5 г раствора гидроксида калия (30 мас.%) были растворены в 28 г воды, 48,7 г раствора гидроксида тетраэтиламмония (20 мас.%) были добавлены и равномерно размешаны, и наконец 60 г золя кремнезема Ludox AS-40 были медленно добавлены при перемешивании; после перемешивания в течение 1 час вышеупомянутая смесь была загружена в котел для кристаллизации с политетрафторэтиленовой футеровкой и помещена в печь с температурой 155°C для кристаллизации на 144 час. После реакции твердое вещество отфильтровывалось, промывалось, сушилось и кальцинировалось (при тех же условиях, что и в Примере 1), чтобы получить молекулярное сито, которое после анализа XRD оказалось молекулярным ситом BEA. Его рентгенограмма XRD очевидно отличается от показанной на Фиг. 2. Данные рентгенограммы XRD показаны в Таблице 7:

Таблица 7 2Θ (°) d-интервал (Å) относительная интенсивность, (I/I₀)×100 7,23 12,22 16,7 7,59 11,65 18,4 9,66 9,15 3,5 11,61 7,62 1,5 13,29 6,66 1,2 16,51 5,36 4,3 21,43 4,14 11,2 22,46 3,95 100 25,30 3,52 6,7 26,78 3,33 15,5 28,82 3,10 3,7 29,48 3,03 15,9 30,46 2,93 3,7

Настоящее изобретение относится к области молекулярных сит, в частности к молекулярному ситу SCM-33, а также к способу его изготовления и к его применению. Описано молекулярное сито SCM-33, в котором химический состав схематически представлен формулой «SiO₂⋅1/x XO_1,5⋅m' МО₀,₅», где X - каркасный трехвалентный элемент, молярное отношение х для Si/X составляет 200≥х≥5, М - каркасный равновесный катион, и молярное отношение M/Si составляет 0<m'≤1; а также тем, что оно имеет рентгенограмму, показанную в следующей таблице:

где обозначения m, s, vs означают интенсивность пиков дифракции, где m относится к среднему, s относится к сильному, и vs относится к очень сильному пику, причем m составляет 20-40; s составляет 40-70; и vs составляет более 70. Способ приготовления указанного молекулярного сита включает стадию смешивания источника, не являющегося кремнием четырехвалентного каркасного элемента Y, источника кремния, источника каркасного трехвалентного элемента X, источника каркасного равновесного катиона М, органического шаблона Q и воды для реакции кристаллизации с получением молекулярного сита SCM-33. Также описаны композит молекулярного сита, включающий указанное молекулярное сито SCM-33 и связующее вещество, и применение указанного молекулярного сита SCM-33 в качестве адсорбента или катализатора. Технический результат - разработка молекулярного сита с топологией RTE, требующего короткого времени для своего приготовления, имеющего низкую стоимость синтеза, и использующегося в качестве адсорбента или катализатора. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил., 7 табл., 12 пр.

1. Молекулярное сито SCM-33, отличающееся тем, что химический состав данного молекулярного сита SCM-33 схематически представлен формулой «SiO₂⋅1/x XO_1,5⋅m' МО₀,₅», где X - каркасный трехвалентный элемент, молярное отношение х для Si/X составляет 200≥х≥5, М - каркасный равновесный катион, и молярное отношение M/Si составляет 0<m'≤1; а также тем, что оно имеет рентгенограмму, показанную в следующей таблице:

где обозначения m, s, vs означают интенсивность пиков дифракции, где m относится к среднему, s относится к сильному, и vs относится к очень сильному пику, причем m составляет 20-40; s составляет 40-70; и vs составляет более 70.

2. Молекулярное сито по п. 1, отличающееся тем, что рентгенограмма молекулярного сита SCM-33 имеет пики рентгеновской дифракции, показанные в следующей таблице:

где обозначение w означает интенсивность пиков дифракции, где w относится к слабому пику, причем w составляет 5-20.

3. Молекулярное сито по п. 2, отличающееся тем, что рентгенограмма молекулярного сита SCM-33 также включает пики рентгеновской дифракции, показанные в следующей таблице:

где обозначение vw означает интенсивность пиков дифракции, где vw относится к очень слабому пику, причем vw составляет менее 5.

4. Молекулярное сито по п. 3, отличающееся тем, что рентгенограмма молекулярного сита SCM-33 также включает пики рентгеновской дифракции, показанные в следующей таблице:

5. Молекулярное сито по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что в приведенной формуле молярное отношение Si/X составляет 10≤х≤200, предпочтительно 15≤х≤150, более предпочтительно 20≤х≤120, и/или молярное отношение M/Si составляет 0,01≤m'≤0,85, предпочтительно 0,015≤m'≤0,8, и более предпочтительно 0,02≤m'≤0,75.

6. Молекулярное сито по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что форма молекулярного сита SCM-33 в исходном состоянии имеет схематический химический состав «qQ⋅SiO₂⋅1/x XO_1,5⋅m'МО₀,₅⋅zH₂O», где молярное отношение для Si/X составляет 200≥х≥5, предпочтительно 10≤х≤200, более предпочтительно 15≤х≤150 и еще более предпочтительно 20≤х≤120; молярное отношение M/Si составляет 0<m'≤1, предпочтительно 0,01≤m'≤0,85, более предпочтительно 0,015≤m'≤0,8, и еще более предпочтительно 0,02≤m'≤0,75; молярное соотношение H₂O/Si составляет 0,005≤z≤2, предпочтительно 0,01≤z≤1,5, более предпочтительно 0,015≤z≤1, и еще более предпочтительно 0,02≤z≤0,5; Q представляет собой органический шаблон, и молярное соотношение Q/Si составляет 0,01≤q≤1,0, предпочтительно 0,02≤q≤0,5, более предпочтительно 0,05≤q≤0,5, и еще более предпочтительно 0,05≤q≤0,3.

7. Молекулярное сито по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что каркасный трехвалентный элемент X выбирается из по меньшей мере одного элемента из алюминия, бора, железа, галлия, индия и хрома; каркасный равновесный катион М выбирается из по меньшей мере одного катиона из протона, катиона аммония, катиона натрия, катиона калия, катиона лития, катиона рубидия, катиона цезия, катиона магния, катиона кальция, катиона стронция и катиона бария, предпочтительно М по меньшей мере включает в себя катион калия или М по меньшей мере включает в себя катион калия и катион натрия; причем когда М включает в себя катион калия и катион натрия, он предпочтительно включает в себя больше катионов калия, чем катионов натрия.

8. Молекулярное сито по любому из пп. 6, 7, отличающееся тем, что Q представляет собой органический шаблон, предпочтительно выбираемый из вещества, содержащего катион изопропилтриметиламмония, структурная формула которого является следующей:

и более предпочтительно представляет собой гидроксид, содержащий катион изопропилтриметиламмония, такой как гидроксид изопропилтриметиламмония.

9. Молекулярное сито по любому из пп. 1-8, отличающееся тем, что не более 10 мас. % атомов Si в молекулярном сите SCM-33 замещены по меньшей мере одним не являющимся кремнием четырехвалентным каркасным элементом Y, который предпочтительно выбирается из по меньшей мере одного элемента из германия, олова, титана, циркония и гафния.

10. Способ приготовления молекулярного сита по любому из пп. 1-8, включающий стадию смешивания источника кремния, источника каркасного трехвалентного элемента X, источника каркасного равновесного катиона М, органического шаблона Q и воды для реакции кристаллизации с получением молекулярного сита SCM-33.

11. Способ приготовления молекулярного сита по п. 9, включающий стадию смешивания источника не являющегося кремнием четырехвалентного каркасного элемента Y, источника кремния, источника каркасного трехвалентного элемента X, источника каркасного равновесного катиона М, органического шаблона Q и воды для реакции кристаллизации с получением молекулярного сита SCM-33.

12. Способ по п. 10 или 11, отличающийся тем, что молярное соотношение органического шаблона Q, источника кремния на основе SiO₂, источника X на основе X₂O₃, источника М на основе М₂О или МО и воды равно Q:SiO₂:X₂O₃:M₂O или МО:Н₂О=0,05~1:1:0~0,1:0~0,5:10~100, причем количества источника X и источника М не равны 0, предпочтительно Q:SiO₂:X₂O₃:М₂О:Н₂О=0,15~0,55:1:0,0042~0,033:0,01~0,375:14~55.

13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что молярное отношение источника не являющегося кремнием четырехвалентного каркасного элемента Y на основе соответствующего оксида YO₂ к источнику кремния на основе SiO₂, т.е. YO₂/SiO₂, составляет более чем 0~0,1, предпочтительно 0,01~0,1, более предпочтительно 0,01~0,08.

14. Способ по любому из пп. 10-13, отличающийся тем, что условия кристаллизации включают в себя: кристаллизацию при 100~200°С в течение 30~400 час, предпочтительно при 110~190°С в течение 48~300 час, и более предпочтительно при 120~180°С в течение 72~200 час.

15. Способ по любому из пп. 10-14, отличающийся тем, что органический шаблон Q выбирают из вещества, содержащего катион изопропилтриметиламмония, структурная формула которого является следующей:

, предпочтительно органический шаблон Q представляет собой гидроксид, содержащий катион изопропилтриметиламмония, такой как гидроксид изопропилтриметиламмония;

источник кремния выбирают из по меньшей мере одного материала из жидкого стекла, золя кремнезема, твердого силикагеля, пирогенного кремнезема, аморфного кремнезема, диатомита, цеолитного молекулярного сита и тетраалкоксисилана;

источник каркасного трехвалентного элемента X выбирают из по меньшей мере одного из источника алюминия, источника бора, источника железа, источника галлия, источника индия и источника хрома; источник алюминия предпочтительно выбирают из по меньшей мере одного из сульфата алюминия, алюмината натрия, нитрата алюминия, хлорида алюминия, псевдобемита, оксида алюминия, гидроксида алюминия, алюмосиликатного молекулярного сита, карбоната алюминия, алюминия, изопропоксида алюминия и ацетата алюминия; источник бора предпочтительно выбирают из по меньшей мере одного из борной кислоты, тетрабората натрия, аморфного оксида бора, бората калия, метабората натрия, тетрабората аммония и органического сложного эфира бора; источник железа предпочтительно выбирают из по меньшей мере одного из сульфата железа, нитрата железа, галогенида железа (такого как трихлорид железа), ферроцена и цитрата железа; источник галлия, источник индия и источник хрома могут быть выбраны из по меньшей мере одного из обычных в данной области техники веществ, таких как оксид галлия, нитрат галлия, оксид индия, нитрат индия, хлорид хрома и нитрат хрома;

источник каркасного равновесного катиона М выбирают из по меньшей мере одного из источника протонов, источника катионов аммония, источника катионов натрия, источника катионов калия, источника катионов лития, источника катионов рубидия, источника катионов цезия, источника катионов магния, источника катионов кальция, источника катионов стронция и источника катионов бария, предпочтительно источник М по меньшей мере включает в себя источник катионов калия или источник катионов калия и источник катионов натрия; причем при использовании источника катионов калия и источника катионов натрия предпочтительно использовать больше катионов калия, чем катионов натрия, например молярное отношение калий/натрий составляет 1,1 или больше, при этом источник катионов калия предпочтительно выбирают из по меньшей мере одного из оксида калия, гидроксида калия, карбоната калия, бикарбоната калия, хлорида калия, нитрата калия, сульфата калия и фторида калия; источник катионов натрия предпочтительно выбирают из по меньшей мере одного из оксида натрия, гидроксида натрия, карбоната натрия, бикарбоната натрия, хлорида натрия, нитрата натрия, сульфата натрия и фторида натрия; и/или

источник не являющегося кремнием четырехвалентного каркасного элемента Y предпочтительно выбирают из по меньшей мере одного из источника германия, источника олова, источника титана, источника циркония и источника гафния, более предпочтительно из по меньшей мере одного из источника оксида германия, источника оксида олова, источника оксида титана, источника оксида циркония и источника оксида гафния.

16. Композит молекулярного сита, включающий молекулярное сито SCM-33 по любому из пп. 1-9 или молекулярное сито SCM-33, изготовленное способом по любому из пп. 10-15, а также связующее вещество.

17. Применение молекулярного сита SCM-33 по любому из пп. 1-9, молекулярного сита SCM-33, изготовленного способом по любому из пп. 10-15, или композита по п. 16 в качестве адсорбента или катализатора.