第29卷第1期 2013年2月 化学反应工程与工艺 Chemical Reaction Engineering and Technology V_0l29.No 1 Feb.2013 文章编号:1001--7631(2013)01—加19—05 以哌啶为模板剂的MCM.22分子筛合成 张斌 ,一,王振东 ,孙洪敏 ,杨为民 ,吴鹏 (1.华东师范大学化学系上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室,上海200062; 2冲国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院,上海201208) 摘要:为合成不同硅铝比的MCM.22分子筛,对分子筛配料中的硅铝比、碱度、模板剂和晶化助剂用量等进 行了考察,并用x射线衍射、扫描电镜、电感耦合等离子体发射光谱、x射线光电子能谱仪及氮气吸脱附等 手段对样品进行了表征。结果表明,以哌啶(PI)为模板剂、硼酸(BA)为晶化助剂,在n(OH。)/n(SiO2)为 O.O3 ̄o.20、n(PI)/n(SiO2)大于O.O3及n(BA)/n(SiO2)大于O.O5的条件下,可得到硅铝比为25-500的MCM-22 分子筛。与以六亚甲基亚胺为模板剂相比,以哌啶为模板剂制得的MCM一22分子筛具有更小的晶粒尺寸和更 大的比表面积。 关键词:MCM-22分子筛硅铝比哌啶晶化助剂模板剂 中图分类号:TQ426 文献标识码:A MCM一22沸石分子筛具有两套的互不相通的l0元环孔道体系 ,2],其中一套为层板内二维正 弦型交叉孔道,孔道截面为椭圆形,另一套层板间孔道具有圆柱形l2元环超笼,超笼通过略微扭曲的 10元环窗口与外界连通,还具有位于外表面的碗状的12元环半超笼。MCM一22作为一种重要的催化 材料,在烃类异构化、催化裂化、甲苯歧化、醚化及汽油改质等领域中己呈现出优异的催化性能【3 】。 近年来有关MCM.22分子筛的合成己进行了大量的研究,通常采用六亚甲基亚胺(HMI)作为合 成MCM一22分子筛的代表性模板剂。Corma等[ 7]认为HMI有较强模板作用,MCM.22分子筛的骨架电 荷主要是靠质子化的HMI来平衡,同时填充在孔道中的HMI能够降低表面自由能,稳定分子筛骨架。 但是HMI有剧毒,其生产和使用均受到严格控制。Xie等【8]也将环己胺、环戊胺等作为合成MCM.22 的模板剂,但很难得到高纯度的MCM.22样品。Lee等 和Han等 用Me3N (CH2)5N Me3和 (Me2CH)2HN (CH2)sNH (Me2CH)2合成得到了较高结晶度的MCM.22,但这两种模板剂的价格极为昂 贵。此外,采用上述模板剂合成时只能在相对有限的硅铝比范围内得到纯相MCM.22分子筛。本研究 采用低毒的哌啶(PI)为模板剂、硼酸为晶化助剂,在不同硅铝比条件下合成了MCM一22分子筛,考 察了碱度、模板剂和晶化助剂用量等对MCM.22分子筛合成的影响,并与以HMI为模板剂合成的 MCM.22分子筛进行了比较。 1实验部分 1.1分子筛的合成 MCM.22分子筛的合成在动态水热体系中进行。将硫酸铝、水和氢氧化钠配制成一定比例的溶液, 收稿日期:2012.12-21;修订日期:2013—01一O5。 作者简介:张斌(1981一),男,博士研究生;吴鹏(1966—),男,教授,通讯联系人。E-mail:pwu@chem.ecnu.edu.cn。 基金项目:国家自然科学基金项目(20925310,U1162102)。 20 化学反应工程与工艺 2013年2月 剧烈搅拌下缓慢滴加到硅溶胶(40%)中,按需要加入硼酸,持续搅拌得到乳白色凝胶。再向凝胶中 加入模板剂,搅拌均匀,移至带聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,在温度423 K下动态晶化72 h后 取出,立即用冷水冷却至室温,离心洗涤3次,在373 K下烘干,即得到MCM一22分子筛的前驱体 (MCM一22-P)。该前驱体在马弗炉中于823 K下焙烧5 h即得MCM.22分子筛。 1.2分析表征 样品的物相采用日本理学D/max.1400型x射线粉末衍射仪(xRD)测定,CuKa射线( 1.54 A), 石墨单色器,管压40 kV,电流40 mA,扫描速率5( ̄)/min。采用FEI公司的Nova NanoSEM450型扫 描电镜(SEM)观测样品形貌,电压2.0 kV。样品的比表面积及孔容采用Micrometrics公司Tfistar3000 型比表面积分析仪(BET)测定,测试前将样品在573 K真空活化6 h。样品体相的硅铝比采用 Varian725一ES型电感耦合等离子发射光谱仪(ICP.AES)测定。样品表面硅铝比采用KratosAXIS Ultra DLD型高性能成像x射线光电子能谱仪(xPS)测定。 2结果与讨论 2.1以哌啶为模板剂的MCM.22分子筛合成 2.1.1不同硅铝比的影响 在氢氧化钠和SiO2物质的量比为O.1,PI和SiO2物质的量比为O.5, H2O和SiO2物质的量比为 18,不同硅铝比条件下合成了MCM一22分子筛,对其进行x射线衍射分析,结果如图1所示。由图1 可见,在不加入晶化助剂的条件下,只有在硅铝比为25和3O时才能合成纯相MCM一22分子筛。当硅 铝比低于25时,得到的是ZSM.35分子筛;而硅铝比大于3O时,XRD谱图中既有MCM.22分子筛 的特征衍射峰,也出现了ZSM.39分子筛的特征衍射峰。因此,采用哌啶为模板剂时,硅铝比在25~30 时合成得到纯相MCM.22分子筛,所得样品的XRD衍射峰与文献报道的一 。 为了进一步拓宽MCM一22分子筛晶化的硅铝比范围,在上述合成配比中加入一定量的硼酸作为晶 化助剂,所得样品的XRD结果如图2所示。由图2可见,随着硼酸(BA)的加入,能够合成MCM.22 分子筛的硅铝比范围得到了明显的拓宽,在25~500内均能得到纯相的MCM一22分子筛,这主要是因 为硼(B)能够进入MCM一22分子筛骨架,起到了与铝相同的作用,EBR.1分子筛就是在无铝的硅硼体 系中合成的[11,12]。Xu等 的研究表明,在以HMI为模板剂合成高硅铝比的MCM.22分子筛时,需要 加入硼作为晶化助剂,并且Si/(AI2+B)的比例范围落在MCM.22分子筛晶化的最佳n(Si)/n(A12)范围内。 图1无硼酸晶化助剂体系合成样品的XRD图谱 Fig.1 XRD patterns for the samples synthesized in 图2硼酸晶化助剂体系合成样品的XRD图谱 Fig.2 XRD patterns for he samplest synthesized in he tpresence ofbofic acid the absence ofboric acid 第29卷第1期 张斌等.以哌啶为模板剂的MCM.22分子筛合成 21 由图2还可观察到,2 为3~7。时起因于层间结构的001和002衍射峰,002衍射峰的相对强度随着硅 铝比的提高也略有增加,说明MCM一22分子筛在C轴方向的有序性提高。 2.1.2晶化助剂硼酸添加量的影响 当硅铝比为60时,不同晶化助剂用量所得样品 的XRD如图3所示。从图3可见,合成配比凝胶中 BA与SiO2物质的量比低于O.030时,仅有微弱的衍 射峰;BA与SiO2物质的量比增加到O.050时,出现 了明显的MCM一22分子筛的特征衍射峰;继续提高硼 酸用量至BA与SiO2物质的量比为0.125均可得到结 晶良好的MCM.22分子筛。所以以哌啶为模板剂合成 MCM一22分子筛时,BA与SiO2物质的量比只要不低 于0.O5,即可在较大范围内调节晶化助剂硼酸的用量。 2.1-3碱度的影响 图3不同晶化助剂含量制得样品的XRD图谱 Fig.3 XRD patterns for the samples synthesized at different BA/SiO2 ratios 在硅铝比为60,BA与SiO2物质的量比为O.075,不同碱度的条件下合成样品的XRD如图4所示。 由图4可见,随碱度的变化,产物XRD谱图呈规律性变化。在OH。与SiO2物质的量比为0.01时,样 品有MCM一22的特征衍射峰,但是结晶度不高;在OH 与SiO2物质的量比为0.30时,所得样品为丝 光分子筛,OH’与SiO2物质的量比为O.03~0.20可合成出晶化良好的MCM-22分子筛。 2.1.4哌啶含量的影响 胺类模板剂在MCM.22分子筛合成中起两种作用,一是在晶胞层内1O元环中通过亚胺基质子化 平衡骨架电荷,二是在MCM.22晶胞层与层之间起结构定向作用。不同哌啶含量对分子筛合成的影响 如图5所示。由图5可见,在PI与SiO2物质的量比为0.1时,由于模板剂的量太少而不足以起到模板 作用,所得样品为无定形产物;当PI与SiO2物质的量为0.2时,XRD图谱表明可以形成MCM一22分 子筛,但其结晶度较低;当PI与SiO2物质的量提高到O.3以上时,可得到结晶度较高的MCM一22分 子筛,继续增加哌啶用量也无杂晶出现。 2 ,。 图4不同碱度制得样品的XRD图谱 Fig.4 XRD patterns or fthe samples synthesized with diferent OH。/SiO2 ratios 图5不同模板剂含量制得样品的XRD图谱 Fig.5 XRD patterns or fthe samples synthesized with ifderent PI/SiO2 ratios 2.2不同模板剂合成MCM.22分子筛的比较 在相同配比下,分别采用六亚甲基亚胺和哌啶为模板剂制备了样品,其焙烧前后的XRD见图6。 由图6可知,采用哌啶为模板剂合成的MCM.22分子筛,其焙烧前后的结晶度和采用六亚甲基亚胺的 第29卷第1期 张斌等.以哌啶为模板剂的MCM.22分子筛合成 参考文献: [1] Rubin M K Chu P.Composition ofsynthetic porous crystalline material,its synthesis and use:USA,4954325[P].1990-09-04. [2]Leonowicz M E,Lawton J A,Lawton S L,et a1.MCM一22:a molecular sieve、vim two independent multidimensional channel systems cJ] Science,1994,264(5167):1910—1913. [3]Perego C,Ingallina P Recent advances in he itndustialr alkylation of romataics:new catalysts and new processes【J].Catalysis Today, 2002,73(1-2):3-22. [4] Kumar N,Lindfors L E.Synthesis,characterization and application ofH—MCM-22,Ga・MCM-22 and Zn—MCM一22 zeolite catalysts in he tromataization ofn—butane[J]_AppliedCatalysisA:General,1996,147(1):175—187. 【5】 Corma A,Davis M,Fom6s、‘et a1.Cracking behavior ofzeolites with connected 12・and 10一member irng channels:the influence ofpore structure on product distribution[J】_Journal ofCatalysis,1997,167(2):438-446. 【6] Wu Komatsu Yashima Selective formation of P—xylene th disproportionation of toluene over MCM一22 catalysts[J]. Microporous nd Mesoporous aMaterials,1998,22(1—3):343-356. [7】 Corma A,Corell C,P&ez-Pariente J.Synthesis and characterization ofthe MCM-22 zeolite【J].Zeolite,1995,15(1):2-8. [8]Xie S,Wang Q,Xu L,et a1.Synthesis ofMCM-22 type zeolite and its catalytic performance for cumene production们.Chinese Journal ofCatalysis,1999,20(6):583-584. [9】Lee S H,Shin C H,Hong S B.Synthesis ofzeolite MCM・22 using N,N,NIN’’N’,N'-hexamethyl一1,5-pentanediaminium and alkali metal cations as structure—directing agents[J].Chemistry Letters,2003,32(6):542—543. [10]Han B,Lee S H,Shin C H,et a1.Zeolite synthesis using flexible diquatemary alkylammonium ions(CnH2, ̄I)2HN+(CH2)sN+H(C”H2 ̄1)2 itwh H=1—5 as structure-directing agents【J].Chemistry ofMaterials,2005,17(3):477-486. [11]Bellussi G,Perego G,Clerici M,et a1.Synthetic,crystalline,porous material containing oxides of silicon nd aboron:EP,0293032B1[P]. 1988一ll一30. [12]Millini R,Perego G,Parker W O,et a1.Layered structure of ERB-1 microporous borosilicate precursor nd itas intercalation properties towards polr amolecules[J].Microporous Materials,1995,4(2・3):221-230. 【13】Xu G L Zhu X X,Niu X L et a1.One-pot synthesis of hiigh silica MCM一22 zeolites and their performances in cataltic cryacking of 1-butene to propene【J].Microporous nd Mesoporaous Materials,2009,l18(1-3):44—51. 【14] Wang L L,Wang Liu Y M,et a1.Post—transformation ofMWW-tpe lyamellar precursors into MCM-56 analogues【J]_Microporous and Mesoporous Materials,2008,1 13(1—3):435-444. Synthesis of MCM一22 Molecular Sieve Using Piperidine as an Organic Template ZhangBin 1,2 WangZhendong 2 SunHongmin ,YangWeimin ,WuPeng (1.Shanghai Key Laboratory ofGreen Chemisty rand Chemical Processes,Department ofChemistry,East ChinaNormal University,Shanghai 200062,China;2.Shanghai Research Institute ofPetrochemical Technology,Shanghai 201208,China) Abstract:For synthesizing MCM-22 molecular sieves wih ditferent silica—alumina ratio,the effects of ingredient SiO2 to A1203 ratio,alkali concentration,and the amount of organic template and crystallization—supporting agent,on the molecular sieves were studied systematically.The obmined MCM一22 samples were characterized by X—ray difraction,scanning electron microscopy,inductively coupled plasma—atomic emission spectrometry,X—ray photoelectron spectroscopy and N2 adsorption—desorption.The results show that,MCM一22 molecular sieves with silica—alumina ratio of 25—500 could be successfully sntyhesized under this condition:using piperidine(PI)as the organic template and boric acid(BA)as the cysrtallization—supporting agent,n(OH。)/n(Si02)of O.03—0.20,n(PI)/n(Si02)>O.03 nd an(BA)/n(Si02)>0.05. Moreover,the obtained molecular sieves using PI as the template have a smaller particle size and a lrger aspeciic fsurface area than those using hexamethyleneimine as the template. Key words:MCM・-22 moleculr siaeve;silica・-alumina ratio;piperidine;crystallization--supporting agent; template