连续生产纳米尺寸的AEI型沸石的方法与流程

连续生产纳米尺寸的aei型沸石的方法
技术领域
1.本公开总体上涉及一种制备表现出高二氧化硅与氧化铝摩尔比率(sar)的aei型沸石的方法，根据所述方法形成的aei型沸石，以及在制备aei型沸石的过程中形成且在制备aei型沸石的方法中使用的凝胶组合物。


背景技术：

2.本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并不构成现有技术。
3.微孔沸石包含三维通道，对由柴油发动机产生的废气排放物的选择性催化还原(scr)起着重要的作用。aei型沸石代表一种类型的铝硅酸盐沸石，其可以在该应用中用作催化剂载体，这是由于其笼开口尺寸小并因此具有高的水热稳定性。
4.aei型沸石可以使用fau沸石y作为建筑单元来合成，这是由于其双6元环快速水热转化至aei型结构。aei型沸石也可以使用具有高二氧化硅与氧化铝比率(sio2：al2o3)的y沸石来合成。然而，这种合成方法容易以低产率(例如，不大于25％)和高成本形成aei型沸石，这是由于使用了大量昂贵的有机结构导向剂(osda)。该方法通常使用摩尔比率大于0.14的osda：sio2。因此，为了抵消与osda相关的费用，该方法通常要求在后续批次的制备中重复使用含有未使用的osda的母液。
5.常规水热合成方法在高压釜中进行以产生aei沸石，其中晶体中铝的分布与反应在结晶温度的时间量直接相关。二氧化硅：氧化铝比率(sar)在沸石表现出的水热稳定性中起主要作用。更具体地，sar越高，水热稳定性越高。期望开发用于形成其中沸石在晶体结构内表现出均匀的sar的铝硅酸盐aei沸石的超快合成方法。


技术实现要素：

6.本公开大体上涉及使用具有均匀的高二氧化硅与氧化铝比率(sar)的管式反应器制备aei型沸石的廉价方法、根据所述方法形成的aei型沸石，以及在制备aei型沸石的过程中形成且在制备aei型沸石的方法中使用的凝胶组合物。
7.根据本公开的一方面，制备aei型沸石的连续方法包括以下步骤：
ⅰ
)提供管式反应器；
ⅱ
)提供二氧化硅来源；
ⅲ
)提供氧化铝来源；
ⅳ
)提供有机结构导向剂(osda)；
ⅴ
)提供碱金属离子来源；
ⅵ
)提供水来源；
ⅶ
)任选地，提供沸石晶种；
ⅷ
)混合所述二氧化硅来源、所述氧化铝来源、所述osda、所述碱金属离子、水和任选地所述沸石晶种，以形成凝胶组合物；
ⅸ
)使所述凝胶组合物进入所述管式反应器；
ⅹ
)将所述凝胶组合物加热至约180℃至约220℃范围的结晶温度；xi)将所述凝胶组合物在所述结晶温度保持小于2小时的时间段；
ⅹⅱ
)使所述aei型沸石结晶并沉淀；所述凝胶组合物形成所述aei型沸石的结晶沉淀物和母液；以及
ⅹⅲ
)从所述母液中分离所述结晶沉淀物。
8.如此形成的aei型沸石表现出至少14：1的二氧化硅与氧化铝摩尔比率(sio2：al2o3)。该方法是一种在不使用氟化氢(hf)的情况下生成aei型沸石的水热合成。nay沸石和/或y沸石可以提供二氧化硅来源的一部分，其中二氧化硅与氧化铝摩尔比率(sio2：
al2o3)＞5。fau沸石可以提供氧化铝来源的一部分。
9.aei沸石可以相对于aei型沸石中存在的二氧化硅以0％至约10％的量添加作为晶种。或者，aei沸石晶种相对于aei型沸石中存在的二氧化硅以0.01％至约5％范围的量存在；或者，以0.01％至约1％的量存在。
10.根据本公开的另一方面，提供了一种凝胶组合物，其中该凝胶组合物在180℃至约220℃的温度反应小于2小时后形成二氧化硅与氧化铝的比率(sio2：al2o3)大于14:1的结晶的aei型沸石。该凝胶组合物通常包括以下组分：一种或多种二氧化硅来源；一种或多种氧化铝来源；一种或多种有机结构导向剂(osda)；碱金属离子来源；和水。该凝胶组合物中的组分可以以下摩尔比率存在：
[0011][0012]
其中m是所述碱金属离子，r是衍生自所述osda的有机部分。
[0013]
对其他领域的适用性将由本文提供的描述而变得显而易见。应当理解，描述和具体实施例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
[0014]
为了使本公开易于理解，现在将通过实施例并参考附图的方式描述其各种形式，其中：
[0015]
图1是根据本公开的教导的用于制备aei型沸石的方法的流程图；以及
[0016]
图2是图1的方法中使用的管式反应器的示意图。
[0017]
本文描述的附图仅用于说明目的，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
[0018]
以下描述本质上仅是示例性的，绝不旨在限制本公开或其应用或用途。例如，在整个本公开中描述了根据本文包含的教导制备和使用的催化剂载体以及选择性催化还原(scr)催化剂，以便更充分地说明其组成和用途。这样的aei型沸石在其他应用(例如吸附剂、离子交换剂、或用作用于工业催化剂和/或环境催化剂的载体材料)中的掺入和使用都预期在本公开的范围内。应当理解，在整个说明书中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
[0019]
本公开提供了一种通过水热反应连续生产sio2：al2o3摩尔比率(sar)为至少14的铝硅酸盐aei型沸石的合成方法。该方法提供了在整个晶体结构中具有均匀的sar值的aei型沸石。在合成方法过程中，有机结构导向剂(osda)的使用限制为osda：sio2摩尔比率为约0.06:1至约0.12:1。凝胶混合物包括四价硅(si)来源、三价铝(al)来源、碱金属离子(例如na、k)、有机结构导向剂(osda)、水和任选的沸石“晶种”，能够在管式反应器中反应以获得具有高速和均匀的sar分布的aei型沸石。
[0020]
此外，所得的aei型沸石基本上不含氟、含氟化合物和氟离子。本文描述的合成方法可以描述为在高温下进行的水热合成，从而使得氢氟酸(hf)的使用不切实际。根据上述方法形成并在本文中进一步限定的aei型沸石对于大多数应用中使用在经济上是可行的。先前使用的形成aei型沸石的常规合成方法使得aei型沸石的使用对于一些应用(例如用于车辆废气中所含no
x
的选择性还原反应(scr)中的催化剂的载体材料)来说是成本高昂的。
[0021]
通常，沸石是包含重复的to4四面体单元的晶体或准晶体硅铝酸盐，其中t最通常为硅(si)或铝(al)。这些重复单元连接在一起以形成晶体骨架或结构，该晶体骨架或结构包括在晶体结构内的分子维度的腔和/或通道。因此，铝硅酸盐沸石至少包含氧(o)、铝(al)和硅(si)作为在其骨架结构中掺入的原子。
[0022]
符号“aei”表示由国际沸石协会(iza)指定的定义沸石的骨架结构代码。因此，“aei型”沸石是指其中沸石的主晶相为“aei”的硅铝酸盐。在本公开的aei型沸石中，在沸石中没有或不存在其他晶相或骨架结构，例如“fau”。换句话说，本公开的aei型沸石基本上不含其他晶相，并且不是两种或更多种骨架类型的共生体。
[0023]
沸石的晶相或骨架结构可以通过x射线衍射(xrd)数据来表征。但是，xrd测量会受多种因素影响，例如沸石的生长方向；构成元素的比率；被吸附物质、缺陷等的存在；以及xrd光谱中每个峰的强度比率或位置的偏差。因此，针对由iza提供的定义中所述的aei结构的每个参数测得的数值的10％或更低的偏差、或者5％或更低的偏差、或者1％或更低的偏差均在预期公差内。
[0024]
现在参考图1，提供了一种方法1，其用于生产表现出二氧化硅与氧化铝比率(sio2：al2o3)为至少14的aei型沸石。根据本公开的一方面，该方法可以使用二氧化硅与氧化铝的比率(sio2：al2o3)大于5的nay沸石或y沸石作为二氧化硅的部分来源。该方法还可以使用fau沸石作为氧化铝的部分来源。或者，所形成的aei型沸石的sio2:al2o3摩尔比率(sar)为至少18；或者，22或更多；或者，约25；或者，15至50。可以使用x射线荧光(xrf)或电感耦合等离子体(icp)发射光谱来测量aei型沸石表现出的sio2：al2o3比率。
[0025]
仍参考图1，方法1通常包括以下步骤：
[0026]
ⅰ
.提供5管式反应器；
[0027]
ii.提供10二氧化硅来源；
[0028]
ⅲ
.提供15氧化铝来源；
[0029]
ⅳ
.提供20有机结构导向剂(osda)；
[0030]
v.提供25碱金属离子来源；
[0031]
ⅵ
.提供30水来源；
[0032]
ⅶ
.任选地，提供35沸石晶种；
[0033]
ⅷ
.混合40二氧化硅来源、氧化铝来源、osda、碱金属离子来源、水来源和任选的沸石晶种，以形成凝胶组合物；
[0034]
ⅸ
.使42所述凝胶组合物进入管式反应器；
[0035]
ⅹ
.将所述凝胶混合物加热45至约180℃至约220℃范围的结晶温度；
[0036]
xi.使所述凝胶混合物在所述结晶温度保持50小于2小时的时间段；
[0037]
ⅹⅱ
.使55铝硅酸盐aei型沸石从凝胶混合物结晶并沉淀，从而形成结晶沉淀物和母液；以及
[0038]
ⅹⅲ
.从母液中分离60结晶沉淀物。
[0039]
任选的沸石晶种代表少量的aei沸石，其被掺入凝胶组合物中以促进aei型骨架的形成。基于凝胶组合物中存在的二氧化硅的量，用作“晶种”的aei沸石的量可以为0％至约10％的范围。或者，基于凝胶组合物中二氧化硅的量，晶种中使用的aei沸石的量为0.01％至约5％；或者，占二氧化硅的量的0.01％至1％的范围。根据需要，用作“晶种”的aei沸石可以是煅烧或未煅烧的形式。
[0040]
二氧化硅来源可以包括，基本上由以下组成，或由以下组成：硅酸钠、硅溶胶、火成二氧化硅、原硅酸四乙酯、nay沸石nay、和/或二氧化硅与氧化铝的摩尔比率(sio2:al2o3)>5的y沸石、或其组合。凝胶组合物中存在的二氧化硅的量由本文规定的相对于二氧化硅而言在的范围内的每种其他原料所需的量来确定，以提供表现出所需的sio2:al2o3比率的aei型沸石。
[0041]
铝来源可以包括，基本上由以下组成，或由以下组成：铝金属、氢氧化铝(例如，三水铝石、勃姆石等)、硫酸铝、硝酸铝、fau沸石或其混合物中的一种或多种。根据本公开的一方面，fau沸石的二氧化硅与氧化铝的摩尔比率(sio2：al2o3)<5。
[0042]
在制备aei型沸石中使用的有机结构导向剂(osda)通常是能够引导或定向沸石骨架的分子形状和图案的复杂有机分子。通常，沸石晶体围绕osda形成。形成晶体后，将osda从晶体的内部结构中去除，留下分子多孔的笼状结构。osda可以包括但不限于n,n
‑
二甲基
‑
3,5
‑
二甲基哌啶氢氧化物、n,n
‑
二乙基
‑
2,6
‑
二甲基哌啶氢氧化物、四甲基氢氧化膦、或其混合物。或者，osda是n,n
‑
二甲基
‑
3,5
‑
二甲基哌啶氢氧化物。
[0043]
碱金属离子的来源可以包括碱金属(m)离子，基本上由碱金属(m)离子组成，或由碱金属(m)离子组成，其中m选自钠(na)、钾(k)或铯(cs)。碱金属离子可以获自氢氧化钠、氢氧化铯、氢氧化钾或其组合。或者，碱金属离子来源为氢氧化钠。在凝胶组合物中包含碱金属离子有助于通过迫使osda以优选状态与铝配位来促进结晶。当沸石用作吸附剂或催化剂的载体时，在沸石形成过程中掺入沸石的晶体结构中的碱金属原子可以通过离子交换机制从晶体结构内去除。离子交换机制能够用氢、铵或任何其他所需的金属离子来置换碱金属离子。
[0044]
相对于凝胶组合物中存在的总氧化物，根据该方法形成的aei型沸石的产率大于约15％。或者，产率大于25％；或者，35％或更高；或者，45％或更高。因此，本公开的方法不需要将母液作为用于形成凝胶组合物的水的部分重新使用以获得高产率。但是，由于母液含有未反应的osda，因此，需要时，可以使用母液代替其中混合了原料的水的至少一部分以形成凝胶组合物。为了促进aei型沸石的结晶和沉淀，其中混合30原料(参见图1)的水的量与二氧化硅的摩尔比率(h2o:sio2)通常为至少7:1且不大于15:1，如下文进一步限定。
[0045]
根据本公开的一方面，可以通过每种原料相对于二氧化硅(sio2)的量的摩尔比率进一步描述凝胶组合物。这些摩尔比率包括表1中所示的那些，其中m指碱金属离子，r指衍生自有机结构导向剂(osda)的有机部分。
[0046]
表1：凝胶组合物中的原料比率
[0047][0048]
或者，凝胶组合物可以通过原料相对于二氧化硅(sio2)的量的摩尔比率来描述，可以包括表2中提供的那些，其中m指碱金属，r指衍生自osda的有机部分。
[0049]
表2：另一凝胶组合物中的原料比率
[0050][0051][0052]
在图1中方法1的步骤viii中形成的凝胶组合物可以在制备后立即经历水热条件，或在经过一段时间的混合后，例如在低温(包括但不限于，约室温或低于100℃)老化约5分钟至30分钟小时范围的时间段后，当需要时再经历水热条件。在大规模生产期间，可能不希望原料的混合变差，因为必须有足够的掺混状态才能实现aei型沸石的高收率和适当的结晶。
[0053]
仍然参考图1，在实施方法1的过程中，使凝胶组合物在预定的结晶温度加热45预定的时间。这种水热合成利用范围为约180℃至最高达220℃、或约200℃至约220℃、或约210℃至约220℃、或约220℃的结晶温度。在其间维持50该温度以使aei沸石结晶和沉淀的时间段小于2小时、或约1小时或更小、或小于或等于30分钟。
[0054]
水热反应完成后，将结晶沉淀物形式的aei型沸石与剩余液体(例如母液)分离。可以丢弃母液，或者在需要时可以将其重复使用，以替代用于制备另一批次的aei型沸石的水的至少一部分。该分离可以使用任何已知的常规方法，包括但不限于过滤、倾析或直接干燥(例如蒸发)。
[0055]
从母液中分离后，会收集到可能包含一些osda和/或碱金属离子的aei型沸石，任选地用水洗涤，然后干燥。干燥的载体材料可以干燥状态用于某些应用，或者在用于其他应用之前经历煅烧。高温(例如，＞200℃、＞300℃等)煅烧aei型沸石除去存在于多孔结构中的任何残留的osda。
[0056]
根据本公开的另一方面，根据上述工艺形成并在本文中进一步限定的干燥的aei型沸石表现出小于1微米(μm)，或者，小于0.5微米；或者，约0.3μm或更小的平均颗粒尺寸。aei型沸石的平均颗粒尺寸可使用任何已知的常规方法来测量，包括但不限于激光衍射、动态光散射和筛分。
[0057]
本文形成的“干燥的”aei型沸石也可以表现出大于500m2/g、或者至少600m2/g、或
者等于或大于700m2/g的bet比表面积。aei型沸石的比表面积可以使用常规的brunauer
–
emmett
–
teller(bet)方法来测量。
[0058]“干燥的”aei型沸石表现出的形态可以类似于立方体、方形薄片、不规则颗粒、或其组合或混合物。或者，aei型沸石的形态类似于立方体、方形薄片、或其混合物。
[0059]
现在参考图2，管式反应器100包括凝胶进料泵105、第一压力表110a和第二压力表110b、安全阀115、盘管120、工作温度为180℃至220℃的油浴或加压水浴、和调节器130。管式反应器100中的每个组件通过连接管140彼此流体连通。第一压力表110a位于管式反应器100的入口处或附近，而第二压力表110b位于管式反应器100的出口处或附近。压力表110a、110b监测管式反应器100内的压力。调节器130被配置为使得它能够调节管式反应器100内的压力。换言之，调节器130可以是背压调节器。任选地，管式反应器100可以包括能够混合原料以形成凝胶的凝胶罐135或与其流体连接。
[0060]
仍参考图2，管式反应器通常在180℃至220℃的温度范围运行。用于控制管式反应器100中的凝胶浆料结晶时间的凝胶进料泵105的速度和调节器130可以根据管140的直径和长度预先调整或预定。均匀的凝胶组合物或浆料根据特定的摩尔比率来制备，并任选地用aei型沸石晶种接种。使凝胶组合物进入管式反应器100。使凝胶组合物通过管式反应器100的速度可以通过调节管式反应器100中的背压来控制。收集和分离aei型沸石和母液形成湿饼，随后洗涤并干燥以获得aei型沸石145。
[0061]
根据本公开的另一方面，提供了一种凝胶组合物，其包括二氧化硅来源、氧化铝来源、有机结构导向剂(osda)；碱金属离子来源、水和任选的少量aei
‑
沸石作为“晶种”。凝胶组合物中存在的每种原料的量相对于二氧化硅的量以表1或表2中所示的比率提供。该凝胶组合物在180℃至约220℃的温度反应小于2小时后形成结晶aei型沸石，其二氧化硅与氧化铝的比率(sio2：al2o3)大于14:1。
[0062]
根据本公开的方法形成的aei型沸石的用途可以包括但不限于作为催化剂的载体材料、吸附剂、或分离材料。“干燥的”aei型沸石可以在煅烧之前或之后使用。
[0063]
催化剂可以包括具有与骨架中的原子进行了交换或以其他方式浸渍到沸石的孔和/或腔中的一种或者多种催化金属离子的aei型沸石。可以掺入aei型沸石中的催化金属离子的几个实例包括但不限于过渡金属离子、铂族金属(pgm)离子、贵金属(如金或银)离子、碱土金属离子、稀土金属离子、或其混合物。过渡金属可以包括，基本上由以下组成，或由以下组成：铜、镍、锌、铁、钨、钼、钴、钛、锆、铬或锡。铂族金属可以包括但不限于钌、铑、钯、铟和铂。碱土金属包括铍、镁、钙、锶和钡。稀土金属包括镧、铈、镨、钕、铕、铽、铒、镱和钇。
[0064]
给出以下具体实施例以说明本公开，并且不应将其解释为限制本公开的范围。根据本公开，本领域技术人员将理解，在不脱离或不超出本公开的精神或范围的情况下，在本文公开的具体实施方案中可以做许多改变，并仍获得相同或相似的结果。
[0065]
在以下实施例中，使用horiba la
‑
920激光粒度仪测量颗粒尺寸分布，使用rigaku miniflex ii desktop x射线衍射仪测量相和结晶度，使用micromeritics tristar ii 3020测量bet表面积，使用spectro analytical instruments型号fcpsa83d icp进行化学组成分析，并使用扫描电子显微镜(sem)测量沸石的形态。
[0066]
实施例1：使用管式反应器制备和表征一批次aei型沸石
[0067]
在该实施例中使用以下比率：sio2/al2o3＝15:1至100:1，m2o/sio2＝0.15:1至0.30:1，roh/sio2＝0.06:1至0.12:1，和h2o/sio2＝7:1至15:1。选择m为碱金属离子，r为源自osda的有机部分。将二氧化硅来源、氧化铝来源、有机结构导向剂(osda)、碱金属离子和水放入凝胶反应器中并混合以形成凝胶组合物。然后使凝胶组合物进入管式反应器，在其中加热至180℃至220℃范围的结晶温度。使凝胶组合物在结晶温度保持小于2小时。在该反应时间，观察到aei型沸石结晶并沉淀，从而形成aei型沸石的结晶沉淀物和母液。然后将结晶沉淀物与母液分离。
[0068]
测量收集和干燥的沸石的x射线衍射(xrd)图，发现显示存在aei型结构或骨架。测得的xrd图进一步证明这种aei型沸石基本上不含任何其他类型的结晶沸石相或结构，例如方沸石在2θ～15.78
°
、18.24
°
、25.98
°
和丝光沸石在2θ～6.5
°
处的竞争相峰。
[0069]
使用扫描电子显微镜发现aei型沸石的形态主要包括平均尺寸小于一(1)微米的立方体。
[0070]
将收集的粉末在马弗炉中在超过200℃的温度煅烧以从沸石笼中去除任何残留的osda，然后将煅烧的粉末在室温使用氯化铵进行两次离子交换过程，持续1小时。固体和液体分离后，固体用水洗涤，然后烘箱干燥过夜以获得氨形式的aei沸石。质子型aei沸石可以通过将氨形式的aei沸石在450℃煅烧16小时来获得。
[0071]
使用电感耦合等离子体icp测量在该实施例中形成的aei型沸石的二氧化硅与氧化铝比率(sar)。aei型沸石表现出的sar为至少14:1，残留的na2o以20ppm或更少的含量存在。
[0072]
比表面积(sa)、孔体积(pv)和孔径(pd)使用常规的brunauer
‑
emmett
‑
teller(bet)方法来测量。aei型沸石的新鲜样品的比表面积大于500m2/g。
[0073]
出于本公开的目的，由于本领域技术人员已知的预期变化(例如，测量的限制和可变性)，本文相对于可测量的值和范围使用术语“约”和“基本上”。
[0074]
出于本公开的目的，本文中陈述为“在[第一数字]和[第二数字]之间”或“从[第一数字]到[第二数字]”的任何参数范围旨在包括所引的数字。换句话说，该范围旨在与被指定为“[第一数字]至[第二数字]”的范围类似地解释。
[0075]
出于本公开的目的，术语“重量”是指质量值，例如具有克、千克等单位。此外，由端点引出的数值范围包括端点和该数值范围内的所有数字。例如，浓度为40重量％至60重量％的范围包括40重量％的浓度、60重量％的浓度、以及它们之间的所有浓度(例如40.1％、41％、45％、50％、52.5％、55％、59％等)。
[0076]
出于本公开的目的，术语要素中的“至少一个(种)”和“一个(种)或多个(种)”可以互换使用并且可以具有相同的含义。这些术语表示包括单个要素或多个要素，也可以由要素末尾的后缀“(s)”表示。例如，“至少一种金属”、“一种或多种金属”和“金属(s)”可以互换使用，并且旨在具有相同的含义。
[0077]
在本说明书中，已经以使得能够写出清楚简洁的说明书的方式描述了实施方式，但是旨在并且将理解的是，在不脱离本发明的情况下，可以对实施方式进行各种组合或拆分。例如，将意识到，本文描述的所有优选特征均适用于本文描述的本发明的所有方面。
[0078]
根据本公开的教导，本领域技术人员会理解，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在本文公开的具体实施方案中可以做许多改变，并仍获得相同或相似的结果。本领域
技术人员将进一步理解，这里报告的任何性质都代表常规测量的性质，可以通过多种不同的方法获得。本文所描述的方法代表一种这样的方法，并且其他方法可以在不超出本公开范围的情况下使用。
[0079]
已经出于说明和描述的目的提供了本发明的多种形式的前述描述。其并非旨在穷举本发明或将本发明限制于所公开的精确形式。根据以上的教导，许多修改或变化是可能的。选择并描述所讨论的形式是为了最好地说明本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的普通技术人员能够以多种形式以适合预期的具体用途的各种修改来最好地利用本发明。当附加权利要求书根据其公正、合法和公平的权利范围进行解释时，所有这些修改和变化都在由附加权利要求确定的本发明的范围内。