Код документа: RU2154021C2
Настоящее изобретение относится главным образом к кристаллическим металлофосфатам, а более конкретно к кристаллическим алюмофосфатам и кремний-алюмофосфатам типа молекулярных сит с новой структурой, обозначенной UIO-6, и к способу их получения.
Композиции микропористых кристаллических алюмофосфатов, имеющих незамкнутую каркасную структуру, образованную тетраэдрическими звеньями Al2O и PO2, соединенными посредством обобществления угловых атомов кислорода, и отличающуюся наличием незамкнутых пор однородных размеров, описаны к настоящему времени во многих публикациях. В патенте США N 4310440 описаны алюмофосфаты, которые образуют общий класс нецеолитных материалов типа молекулярных сит, обладающих способностью претерпевать полную и обратимую дегидратацию, при сохранении одинаковой основной каркасной топологии как в безводном, так и в гидратированном состоянии.
Композиции микропористых кристаллических кремний-алюмофосфатов, имеющих незамкнутую каркасную структуру,
образованную
тетраэдрическими звеньями Al2O, PO2 и SiO2, соединенными посредством обобществления угловых атомов кислорода, и отличающуюся наличием незамкнутых пор
однородных
размеров, описаны ранее, например, в патенте США N 4440871. Эти продукты имеют следующий химический состав на безводной основе:
mR:(SixAlyPz)O2,
где R представляет собой по меньшей мере одно органическое темплатное соединение, которое находится во внутрикристаллической пористой системе; m представляет собой количество молей R,
приходящихся на моль (SixAlyPz)O2, при этом m имеет величину от 0 до 0,3, причем максимальное значение в каждом случае зависит от размеров молекулы
темплатного соединения и от объема пор, присутствующих в структуре соответствующего кремний-алюмофосфата; x, y и z представляют собой мольные доли кремния, алюминия и фосфора, соответственно,
присутствующие в виде тетраэдрических оксидов. Минимальное значение x, y и z равно 0,01, а максимальное значение x равно 0,98, y равно 0,6 и z равно 0,52. Минимальное значение m в приведенной выше
формуле составляет 0,02. Кремний-алюмофосфаты также образуют общий класс нецеолитных материалов типа молекулярных сит, обладающих способностью претерпевать полную и обратимую дегидратацию, при
сохранении одинаковой основной каркасной топологии как в безводном, так и в гидратированном состоянии.
Термином "основная каркасная топология" или "основная каркасная структура" в том виде, как он использован в вышеупомянутых патентах, а также в описании и формуле настоящего изобретения, обозначают пространственное расположение первичных химических связей Al-O, Si-O и P-O.
Из патента США N 5370851 стали известны также кремний-алюмофосфатные молекулярные сита с таким же составом, однако, отличающиеся картиной дифракции рентгеновских лучей. В синтезе также использованы хлориды.
В заявке на патент W 093/13013 описан синтез кремний-алюмофосфатов с улучшенной стабильностью при их активации и с регулируемым содержанием кремния. В синтезе использована хлористоводородная кислота.
Известны также другие микропористые алюмофосфаты, которые претерпевают структурные перегруппировки, либо обратимые, либо необратимые, при частичной или полной дегидратации, например, минералы варисцит и метаварисцит, и некоторые синтетические метастабильные алюмофосфаты, описанные F.D'Yvoire в [Bull. Soc. Chim. France, 1762 (1961)].
Синтез микропористых кристаллических кремний-алюмофосфатов, где реакционную смесь модифицируют ионами фторидов, описан ранее, например, в патенте США N 4786487.
Настоящее изобретение относится к микропористому кристаллическому металлофосфату с новой структурой, UIO-6. Кальцинированный продукт имеет основную каркасную структуру, идентифицированную с помощью картины отражений при порошковой дифракции характеристических рентгеновских лучей, приведенных в таблице 1.
Более конкретно продукт демонстрирует картину порошковой дифракции рентгеновских лучей в кальцинированной форме, которая содержит по меньшей мере такие значения d-параметра, как приведены в таблице II.
Композиция микропористого кристаллического металлофосфата в
кальцинированной безводной форме имеет следующий химический состав, выраженный в виде мольных отношений оксидов:
(MxAlyPz)O2,
где M
представляет собой кремний, x+y+z=1, при этом x, y и z представляют собой мольные доли кремния, алюминия и фосфора, присутствующих в продукте, и где x может иметь значение от 0 до 0,5, y может иметь
значение от 0,25 до 0,5 и z может иметь значение от 0,25 до 0,5.
В той форме, как он синтезирован, продукт демонстрирует картину порошковой дифракции характеристических рентгеновских лучей, которая содержит по меньшей мере такие d-параметры, как показано в таблице III.
Более конкретно продукт демонстрирует картину порошковой дифракции рентгеновских лучей в той форме, как он синтезирован, которая содержит по меньшей мере такие значения d-параметра, как приведены в таблице IV.
Композиция, в той форме, как она синтезирована, выраженная в виде
мольных отношений оксидов, может быть представлена:
mR(MxAlyPz)O2,
где M представляет собой кремний, R представляет собой по меньшей мере
один органический темплатный агент, m может иметь значение от 0,02 до 0,3, x+y+z= 1, где x, y и z представляют собой мольные доли кремния, алюминия и фосфора, присутствующих в продукте, и где x может
иметь значение от 0 до 0,5, y может иметь значение от 0,25 до 0,5, и z может иметь значение от 0,25 до 0,5, и где может присутствовать одновалентный катион и одна химически активная форма фторида в
эффективном количестве для получения продукта.
Настоящее изобретение относится также к способу получения композиции микропористых кристаллических металлофосфатов. UIO-6 может быть получен с помощью гидротермической кристаллизации из реакционной смеси, приготовленной путем комбинирования химически активных доноров фосфора и алюминия с водой и фтористоводородной кислотой и с по меньшей мере одним структурообразующим агентом ("темплатным агентом" или "темплатом"), который может включать органические амины и четвертичные соединения аммония, а наиболее предпочтительно тетраэтиламмоний гидроксид. Синтез продуктов отличается тем, что гель алюмофосфата, содержащий органический амин, должен быть модифицирован с использованием как фторида, так и неорганического (или NH4+) катиона.
Если продукт, полученный посредством гидротермической кристаллизации, в той форме, как он синтезирован, не был подвергнут следующей за синтезом обработке, влияющей на удаление любого из не образующих каркас компонентов, то, как органический (темплатный) структурообразующий агент, так и неорганические ионы (если они присутствуют в синтезированном геле), содержатся внутри каркасной структуры алюмофосфата. Не образующие каркас компоненты легко удаляются посредством кальцинирования и промывки, и, как представляется, не являются основными составляющими продукта.
Процесс получения, как правило, включает получение реакционной смеси, которая в виде мольных отношений оксидов содержит:
1,0 Al2
O3 : 0,5-1,3 P2O5 : 0-1,2 SiO2 : 0,5-3 R : 0-1,0 HF : 0-0,5 M : 7-200 H2O
и содержит по меньшей мере один органический темплатный агент
(R), одновалентный катион (M) и одну химически активную форму фторида в эффективном количестве, которое определяет получение продукта UIO-6. Типичное количество используемого здесь органического
темплатного агента составляет от 0,5 приблизительно до 5 молей органического темплатного агента и от 0,05 до 1 моля F- на моль Al2O3. Реакционную смесь помещают в
реакционный сосуд, инертный по отношению к реакционной смеси, и нагревают до температуры по меньшей мере 70oC, предпочтительно от 75oC до 200oC при автогенном
давлении,
до тех пор, пока не произойдет кристаллизация, обычно в течение периода времени от 2 часов до 3 недель и более. Твердый кристаллический реакционный продукт затем извлекают любым
общепринятым методом,
таким как фильтрация или центрифугирование, промывают водой и сушат на воздухе при температуре между температурой окружающей среды и около 110oC.
В
предпочтительном способе
кристаллизации приготавливают раствор из водного раствора фосфорной кислоты, фтористоводородной кислоты и органического темплатного агента, а затем его нагревают
приблизительно до 120oC в
течение от 1 до 4 суток. Предпочтительное соотношение неорганических оксидов в исходном растворе составляет:
Al2O3 : 0,6-1 P2O5 : 0-0,4 SiO2 : 40-60 H2O
Предпочтительно исходный раствор содержит от 0,5 до 1 моля органического темплатного агента, от 0,2 до 0,7 молей F- и от 0 до 0,5 моля катионов на
моль Al2O3.
Предполагают, что обычно не все темплатные агенты, пригодные для использования при получении всех алюмофосфатов, подходят для получения UIO-6. Обнаружено, что при использовании тетраэтиламмоний гидроксида он действует при получении продукта как приемлемый темплатный агент.
Композиции в той форме, как они синтезированы, после синтеза извлекают и вслед за этим промывают водой.
Композиции в той форме, как они синтезированы, могут содержать во внутрикристаллической пористой системе органический темплатный агент. Органический темплатный агент может иметь форму поглощенных молекулярных групп (или он может присутствовать в виде балансирующего заряд катиона). Обычно органический темплатный агент желательно удалять посредством кальцинирования при температуре, достаточной для удаления по существу всего органического темплатного агента. Температура кальцинирования составляет, как правило, от 300o C приблизительно до 700oC, т.е. благодаря этому органический темплатный агент удаляется за счет термической деструкции.
Все представленные здесь данные по картинам дифракции рентгеновских лучей были получены с помощью применения стандартной методики порошковой дифракции рентгеновских лучей при использовании порошкового дифрактометра рентгеновских лучей Siemems D-500, оборудованного рентгеновской трубкой с медной мишенью и германиевым монохроматором, обеспечивающим жесткое монохроматическое Cu-al излучение.
Интенсивности определяли по высоте дифракционных пиков после вычитания фона, причем интенсивность каждого из пиков выражали в процентах от интенсивности самой мощной линии или пика.
Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, параметры 2 тэта и интенсивность, независимо от используемой методики, подвержены влиянию как субъективной, так и механической ошибки, которые в сумме могут привести к погрешности около 0,4o для каждого полученного значения 2 тэта. Эта погрешность отражается, конечно, и на полученных значениях d-параметра, который рассчитывают исходя из значений 2 тэта. Наблюдаемые относительные интенсивности, наряду с экспериментальной погрешностью, являются чувствительными к воде, заполняющей микропоры в этих материалах, и могут поэтому показывать значительные отклонения, зависящие от степени сухости материала и относительной влажности воздуха в лаборатории во время регистрации данных. Эта неточность вообще-то характерна для данной области техники, но недостаточна, чтобы не позволить отличить кристаллические материалы по настоящему изобретению от композиций из предшествующих технических решений.
Когда композиции в той форме, как они синтезированы, подвергают кальцинированию, т.е. нагреванию до достаточно высокой температуры (как правило, в диапазоне приблизительно от 300oC до 700oC) или обрабатывают иным образом, таким как химическое окисление, для удаления по существу всего органического темплатного агента, находящегося в системе внутрикристаллических пор, и обеспечивают возможность их повторной гидратации на воздухе окружающей среды, то композиция демонстрирует картину порошковой дифракции рентгеновских лучей, которая содержит по меньшей мере такие значения d-параметра, как приведены в таблице I и таблице II.
UIO-6 демонстрирует характеристики поверхности, которые делают его пригодным для использования в качестве катализатора или носителя катализатора при различных превращениях углеводородов и процессах окислительного горения. Продукты могут быть связаны с каталитически активными металлами, например, посредством структурного замещения, пропитки, легирования и т.п. с помощью способов, традиционно используемых в данной области техники для получения каталитических композиций.
К числу реакций превращения углеводородов, которые могут быть катализированы с помощью предложенных композиций, относятся крекинг, гидрокрекинг, алкилирование как ароматических, так и изопарафиновых типов углеводородов, изомеризация, включающая изомеризацию ксилола, полимеризация, реформинг, гидрогенизация, дегидрогенизация, переалкилирование, деалкилирование, гидродециклизация и дегидроциклизация.
Результаты кроме того показывают, что UIO-6 имеет размер пор приблизительно 6,2 ангстрема, что делает его пригодным для использования в качестве молекулярного сита для отделения молекулярных частиц и выполнения селективного к форме катализа.
Следующие ниже примеры приведены для иллюстрации изобретения и не должны быть истолкованы как его ограничение.
Использованные аббревиатуры
В
приведенных ниже примерах композиции UIO-6 получали с использованием
многих реагентов. К использованным реагентам и их аббревиатурам, если используют любые из них, наряду с другими аббревиатурами,
относятся следующие:
a) LOI: потери при прокаливании;
b) H3PO4: 85%-ный (вес.) водный раствор фосфорной кислоты;
c) TEAOH: водный раствор
тетраэтиламмоний гидроксида;
d) Ludox: коллоидный кремнезем;
e)
TEFLON (политетрафторэтилен): является торговой маркой фирмы E.l.du Pont de Nemours & Co, Wilmington, DE, США;
и
f) HF: 48%-ный (вес.) водный раствор фтористоводородной кислоты.
Примесные фазы
Как должно быть понятно специалистам в данной области, помимо UIO-6 в продукте могут
оказаться и другие фазы. Только некоторые и наиболее интенсивные линии могут
быть видны на картине дифракции от этих примесных фаз. Это должно зависеть от количества примесной фазы в продукте. К
обнаруженным примесям относятся AlPO4-5 (патент США N 4310440), SAPO-5
и SAPO 20 (обе из патента США N 4440871) и UIO-4 (предполагается опубликовать).
Пример 1 - Получение
AlPO4 UIO-6
Реакционную смесь получили комбинированием 3,71 г
фазы псевдо-бемита (73,2% вес. Al2O3) и 8,50 г H2O, к которым добавили 6,20 г 85%-ной
(вес.) ортофосфорной кислоты (H3PO4), и перемешивали до
получения гомогенного состояния. В эту смесь подмешали 0,27 г 48%-ной (вес.) фтористоводородной кислоты (HF). К этой смеси
добавили 11,32 г 35%-ного (вес.) водного раствора тетраэтиламмоний
гидроксида (TEAOH) и перемешивали до получения гомогенного состояния. Состав готовой смеси в виде мольных отношений оксидов был
следующим:
1,0 Al2O3 : 1,0 P2
O5 : 1,0 TEAOH : 0,2 HF : 40 H2O
Реакционную смесь (30 г) герметизировали в тефлоновом сосуде и
нагревали в термостате при 120oC в течение 24 часов. Твердые
вещества извлекли центрифугированием, промыли водой и высушили на воздухе при температуре окружающей среды.
Сухой продукт в количестве 3,2 г имел картину порошковой дифракции рентгеновских лучей, которая выявила наличие UIO-6 с небольшим количеством примесных фаз AlPO4-5 и UIO-4. Параметры отражения характеристических рентгеновских лучей для этих примесных фаз приведены в таблице V и таблице VI, соответственно.
Пример 2 - Получение AlPO4 UIO-6
Реакционную смесь получили комбинированием 3,67 г фазы псевдо-бемита (73,2%
вес. Al2O3) и 8,32 г H2O, к которым добавили 6,13 г 85%-ной (вес.) ортофосфорной кислоты
(H3PO4), и перемешивали до получения гомогенного
состояния. К этой смеси добавили смесь, содержащую 0,31 г KF, 0,40 г 35%-ной (вес. ) фтористоводородной кислоты (HF) и 11,18 г
35%-ного (вес.) водного раствора тетраэтиламмоний гидроксида (TEAOH), и
всю целиком реакционную смесь перемешивали до получения гомогенного состояния. Состав готовой смеси в виде мольных отношений
оксидов был следующим:
1,0 Al2O3 : 1,0
P2O5 : 1,0 TEAOH : 0,5 HF : 0,2 KF : 40 H2O
Реакционную смесь (приблизительно 30 г)
герметизировали в тефлоновом сосуде и нагревали в термостате при 150oC в течение 24 часов. Твердые вещества извлекли центрифугированием, промыли водой и высушили на воздухе при температуре
окружающей среды.
Фторид и катионы присоединили к
продукту, в том виде, как он синтезирован, имеющему следующий состав:
{(C2H5)4N+
K+1,5F-3}[Al16P16O32] 6H2O
Сухой продукт в количестве 3 г имел картину порошковой
дифракции рентгеновских лучей, которая выявила наличие UIO-6 с
небольшим количеством примесной фазы AlPO4-5. Параметры отражения характеристических рентгеновских лучей для этих примесных
фаз приведены в таблице V.
Пример 3 - Получение
AlPO4 UIO-6
Реакционную смесь получили комбинированием 3,22 г фазы псевдо-бемита (73,2% вес. Al2O3) и 12,13 г H2O, к которым добавили 5,37 г
85%-ной (вес.) ортофосфорной кислоты (H3PO4), и перемешивали до получения гомогенного состояния. К этой смеси
добавили смесь, содержащую 0,10 г NaF, 0,35 г 35%-ной (вес. )
фтористоводородной кислоты (HF) и 8,83 г 35%-ного (вес.) водного раствора тетраэтиламмоний гидроксида (TEAOH), и всю целиком реакционную
смесь перемешивали до получения гомогенного состояния. Состав
готовой смеси в виде мольных отношений оксидов был следующим:
1,0 Al2O3 : 1,0 P2O5 :
0,9 TEAOH : 0,4 HF : 0,1 NaF : 50 H2O
Реакционную смесь (приблизительно 30 г) герметизировали в тефлоновом сосуде и нагревали в термостате при 150oC в течение 48 часов.
Твердые вещества извлекли центрифугированием, промыли
водой и высушили на воздухе при температуре окружающей среды. Сухой продукт в количестве 3 г имел картину порошковой дифракции рентгеновских лучей,
которая выявила наличие UIO-6.
Фторид и катионы присоединили к продукту, в том виде, как он синтезирован, имеющему следующий состав:
{(C2H5)4
N+ Na+0,
5 F-1,5}[Al16P16O32] 3H2O
Порцию кальцинированного UIO-6 поместили в
стандартный термо-гравиметрический
аппарат Stanton Recicraft и активировали в сухом азоте при температуре 450oC в течение ночи. После этого были получены данные по абсорбции, которые
приведены ниже в таблице VIII. Между
всеми изменениями абсорбата выполняли активацию в сухом азоте при 400oC.
Эти данные по абсорбции показывают, что продукт UIO-6 представляет собой молекулярное сито с размером пор по меньшей мере 6,0 ангстрем.
Когда исследовали структуру UIO-6, то обнаружили, что она имеет одномерную структуру, состоящую из 12 колец с удлиненными порами с размером свободных ячеек сита 6,2 ангстрема.
Пример 4 - Получение SAPO4 UIO-6
Реакционную смесь получили комбинированием 3,17 г фазы
псевдо-бемита (73,2% вес. Al2
O3) и 10,85 г H2O, к которым добавили 5,29 г 85%-ной (вес.) ортофосфорной кислоты (H3PO4), и перемешивали до
получения гомогенного состояния и в эту смесь
подмешали 0,57 г 40%-ной (вес.) HF, после чего в гель добавили 0,46 г Ludox LS (30% SiO2). К этой смеси добавили 9,66 г 35%-ного (вес. )
водного раствора тетраэтиламмоний гидроксида
(TEAOH), и всю целиком реакционную смесь перемешивали до получения гомогенного состояния. Состав готовой смеси в виде мольных отношений оксидов был
следующим:
1,0 Al2O3
: 1,0 P2O5 : 0,1 SiO2 : 1,0 TEAOH : 0,5 HF : 50 H2O
Реакционную смесь (приблизительно 30 г)
герметизировали в тефлоновом сосуде и нагревали в
термостате при 150oC в течение 21 часа. Твердые вещества извлекли центрифугированием, промыли водой и высушили на воздухе при температуре
окружающей среды.
Сухой продукт в количестве 1,6 г имел картину порошковой дифракции рентгеновских лучей, которая выявила наличие UIO-6 с небольшим количеством примесных фаз SAPO4-5, UIO-4 и SAPO-20. Параметры отражения характеристических рентгеновских лучей для этих примесных фаз приведены в таблице V, таблице VI и таблице VII, соответственно.
Пример 5
- Получение SAPO4 UIO-6
Реакционную смесь получили комбинированием 3,12 г фазы псевдо-бемита (73,2% вес. Al2O3) и 11,24 г H2O, к которым добавили 5,
27 г 85%-ной (вес.) ортофосфорной кислоты
(H3PO4), и перемешивали до получения гомогенного состояния и в эту смесь подмешали 0,24 г 40%-ной (вес.) HF, после чего в гель добавили
1,36 г Ludox LS (30% SiO2). К
этой смеси добавили 8,60 г 35%-ного (вес.) водного раствора тетраэтиламмоний гидроксида (TEAOH), и всю целиком реакционную смесь перемешивали до получения
гомогенного состояния. Состав готовой смеси
в виде мольных отношений оксидов был следующим:
1,0 Al2O3 : 0,7 P2O5 : 0,3 SiO2 : 0,9 TEAOH
: 0,2 HF : 0,3 NaF : 50 H2O
Реакционную смесь (приблизительно 30 г) герметизировали в тефлоновом сосуде и нагревали в термостате при 150oC в течение 48 часов. Твердые
вещества извлекли центрифугированием,
промыли водой и высушили на воздухе при температуре окружающей среды.
Сухой продукт в количестве 2,6 г имел картину порошковой дифракции рентгеновских лучей, которая выявила наличие UIO-6 с небольшим количеством примесной фазы UIO-4. Параметры отражения характеристических рентгеновских лучей для этой примесной фазы приведены в таблице VI.
Пример 6 - Получение
SAPO4 UIO-6
Реакционную смесь получили комбинированием 3,72 г фазы псевдо-бемита (73,2% вес. Al2O3) и 9,5 г H2O, к которым добавили 6,31 г 85%-ной
(вес.) ортофосфорной кислоты (H3PO4), и перемешивали до получения гомогенного состояния и в эту смесь подмешали 0,24 г 40%-ной (вес.)
HF, после чего в гель добавили 0,52 г Ludox
LS (30% SiO2). К этой смеси добавили 10,2 г 35%-ного (вес.) водного раствора тетраэтиламмоний гидроксида (TEAOH), и всю целиком реакционную смесь
перемешивали до получения гомогенного
состояния. Состав готовой смеси в виде мольных отношений оксидов был следующим:
1,0 Al2O3 : 0,7 P2O5 : 0,1
SiO2 : 0,9 TEAOH : 0,2 HF :
0,3 HF : 40 H2O
Реакционную смесь (приблизительно 30 г) герметизировали в тефлоновом сосуде и нагревали в термостате при 150oC в
течение 68 часов. Твердые вещества
извлекли центрифугированием, промыли водой и высушили на воздухе при температуре окружающей среды.
Сухой продукт в количестве 4,7 г имел картину порошковой дифракции рентгеновских лучей, которая выявила наличие близкого к химически чистому UIO-S6 с минимальным количеством примесной фазы SAPO-5. Параметры отражения характеристических рентгеновских лучей для этой примесной фазы приведены в таблице V.
Химический состав полученного UIO-6 приведен в табл. IХ.
Предлагаемое изобретение относится главным образом к кристаллическим металлофосфатам, а более конкретно к кристаллическим алюмофосфатам и кремний-алюмофосфатам типа молекулярных сит с новой структурой, обозначенной UIO-6, и к способу их получения. Указанные металлофосфаты могут быть использованы в качестве катализатора или его носителя. Сущность изобретения состоит в композиции микропористых кристаллических металлофосфатов, имеющих основную каркасную структуру, идентифицированную по картине порошковой дифракции характеристических рентгеновских лучей, приведенной в табл.1 (см. формулу изобретения), и химический состав которых в кальцинированной безводной форме, выраженный в виде мольных отношений оксидов, может быть представлен в виде (Mx AlyPz)O2, где М представляет собой кремний, х+у+х=1, где х, у и z представляют собой мольные доли кремния, алюминия и фосфора, присутствующих в продукте, и где х может иметь значение от 0 до 0,5, у может иметь значение от 0,25 до 0,5 и z может иметь значение от 0,25 до 0,5. В изобретении предложен также способ получения продуктов из реакционной смеси, которая содержит как одновалентные катионы (М), так и фторид и имеет следующий состав в виде мольных отношений: 1,0 Al2O3 : 0,5-1,3 Р2O5 : 0-1,2 SiO2 : 0, 5-3 R : 0, 05-1,0 HF : 0-0,5 М : 7-200 H2O, где R - органический темплатный агент. Согласно изобретению получают микропористый кристаллический металлофосфат с новой структурой, UIO-6. UIO-6 демонстрируют характеристики поверхности, которые делают его пригодным для использования в качестве катализатора или носителя катализатора при различных превращениях углеводородов и процессах окислительного горения. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 9 табл.