分子筛SSZ-108、其合成及用途的制作方法

本申请要求2017年1月17日提交的美国临时申请序列号no.62/446,979的优先权，其公开内容通过引用全部并入本文。本公开涉及名为ssz-108的新型合成结晶分子筛、其合成及其在吸附和催化过程中的用途。背景过去已经证明天然和合成的分子筛材料可用作吸附剂并对各种类型的烃转化反应具有催化性能。某些分子筛，例如沸石、铝磷酸盐和中孔材料，是通过x射线衍射测定的具有确定结晶结构的有序多孔结晶材料。在结晶分子筛材料内，存在大量的腔，其可以通过多个通道或孔互连。这些空腔和孔在特定分子筛材料内的尺寸均匀。因为这些孔的尺寸使得能够接受某些尺寸的吸附分子，同时排除较大尺寸的分子，因此被称为“分子筛”，并被用于各种工业过程中。虽然已经发现了许多不同的结晶分子筛，但是仍然需要具有用于气体分离和干燥、化学转化反应和其它应用的期望性质的新型分子筛。根据本发明，现在已经使用1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓阳离子和1-丁基-1-甲基哌啶鎓阳离子中的一种或多种作为结构导向剂合成了一种称为ssz-108、并且具有独特的x射线衍射图的新的分子筛。概述在一个方面，提供了一种分子筛，所述分子筛在其合成后原样且无水形式下具有包括表2中列出的峰的x射线衍射图。在其合成后原样且无水形式下，所述分子筛具有包括以下摩尔关系的化学组成：宽泛值典型值sio2/al2o35至255至15q/sio2>0至0.1>0至0.1m/sio2>0至0.1>0至0.1其中q包括1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓阳离子和1-丁基-1-甲基哌啶鎓阳离子中的一种或多种；m是第1族或第2族金属。在另一个方面，提供了一种分子筛，所述分子筛在其煅烧后形式下具有包括表3中列出的峰的x射线衍射图。在其煅烧后形式下，所述分子筛具有包括以下摩尔关系的化学组成：al2o3:(n)sio2其中n的值为5至25。在另一个方面，提供了合成本文所述分子筛的方法，所述方法包括：(a)制备反应混合物，所述反应混合物包含：(1)氧化硅源；(2)氧化铝源；(3)第1族或第2族金属源；(4)包含1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓阳离子和1-丁基-1-甲基哌啶鎓阳离子中的一种或多种的结构导向剂；(5)氢氧根离子；和(6)水；以及(b)使所述反应混合物经受足以形成所述分子筛晶体的结晶条件。在一个方面，提供了一种有机化合物转化方法，所述方法包括使所述有机化合物在有机化合物转化条件下与包含本文所述分子筛的活性形式的催化剂接触。在另一个方面，提供了选择性还原氮氧化物(nox)的方法，所述方法包括使含有氮氧化物的气流与包含本文所述分子筛的催化剂接触。附图简介图1显示实施例1的合成后原样的分子筛的粉末x射线衍射(xrd)图。图2是实施例1的合成后原样的分子筛的扫描电子显微照片(sem)图像。图3显示实施例6的煅烧后的分子筛的粉末x射线衍射(xrd)图。详述介绍本文使用的术语“合成后原样的”是指在结晶之后、去除结构导向剂之前形式的分子筛。本文使用的术语“无水”是指基本上不含物理吸附水和化学吸附水两者的分子筛。如本文所使用的，元素周期表族的编号方案如chem.eng.news1985,63(5),26-27中所公开的那样。反应混合物通常，本发明的分子筛通过以下方法合成：(a)制备反应混合物，所述反应混合物包含：(1)氧化硅源；(2)氧化铝源；(3)第1族或第2族金属(m)源；(4)包含1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓阳离子和1-丁基-1-甲基哌啶鎓阳离子中的一种或多种的结构导向剂(q)；(5)氢氧根离子；和(6)水；以及(b)使所述反应混合物经受足以形成所述分子筛晶体的结晶条件。形成分子筛的所述反应混合物以摩尔比计的组成，如下表1所示：表1反应物宽泛值典型值sio2/al2o310至10015至80m/sio20.05至1.000.10至0.60q/sio20.05至0.500.10至0.35oh/sio20.10至1.000.40至0.80h2o/sio210至6015至40合适的氧化硅源包括胶态二氧化硅、热解法二氧化硅、沉淀二氧化硅、碱金属硅酸、原硅酸四烷基酯。合适的氧化铝源包括水合氧化铝和水溶性铝盐(例如硝酸铝)。另外或可选地，可以使用氧化硅和氧化铝的组合源，并且可以包括硅铝酸盐沸石(例如y沸石)和粘土或处理过的粘土(例如偏高岭土)。所述结构导向剂(q)包括1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓阳离子和1-丁基-1-甲基哌啶鎓阳离子中的一种或多种，分别由以下结构(1)和(2)表示：合适的q源是所述季铵化合物的氢氧化物、氯化物、溴化物和/或其他盐。第1族或第2族金属(m)的实例包括钠、钾和钙，优选钠。金属通常作为氢氧化物存在于反应混合物中。可选的，反应混合物可以包括分子筛材料的晶种，例如来自先前合成的ssz-108晶体，其量为反应混合物的以重量计0.01-10,000ppm(例如以重量计100-5000ppm)。对于本文所述的每个实施方案，所述分子筛反应混合物可以由多于一种来源供应。而且，两种或更多种反应组分可以由一种来源提供。反应混合物可以分批或连续制备。本文描述的分子筛的晶体尺寸、形态和结晶时间可以随着反应混合物的性质和结晶条件而变化。结晶和后处理来自上述反应混合物的分子筛的结晶可以在静态、翻转或搅拌条件下在合适的反应器容器中进行，例如聚丙烯罐或特氟隆衬里或不锈钢高压釜，温度为从120°到200℃下保持足以在所用温度下发生结晶的时间，例如1天至15天。结晶通常在自生压力下在密闭系统中进行。一旦形成分子筛晶体，通过标准机械分离技术如离心或过滤将固体产物从反应混合物回收。将晶体水洗，然后干燥以获得合成的分子筛晶体。干燥步骤通常在低于200℃的温度下进行。作为结晶过程的结果，回收的结晶分子筛产物在其孔结构内含有至少一部分在合成中使用的结构导向剂。可以对本文所述的分子筛进行后续处理，以除去其合成中使用的部分或全部结构导向剂。这可以通过热处理方便地进行，其中可将所述合成后原样的材料在至少370℃的温度下加热至少1分钟并且不长于24小时。热处理可在高达925℃的温度下进行。虽然可以采用低于常压和/或高于常压的压力进行热处理，但是为了方便起见通常希望是常压。另外或可替代地，可以通过用臭氧处理除去结构导向剂(参见，例如，a.n.parikh等,micropor.mesopor.mater.2004,76,17-22)。所述合成后原样沸石中的最初的第1族或第2族金属阳离子(例如，na+)可根据本领域熟知的技术通过与其它阳离子的离子交换进行取代。优选的取代阳离子包括金属离子、氢离子、氢前体离子(例如铵离子)及其混合物。特别优选的取代阳离子是那些定制催化活性的用于某些化学转化反应的阳离子。这些包括氢、稀土金属和元素周期表第2-15族的金属元素。理想的是将本发明的分子筛与对有机转化方法中所用温度和其它条件具有抗性的另一组分结合。这类组分可包括活性和非活性材料以及合成或天然存在的沸石，以及无机材料如粘土、二氧化硅和/或金属氧化物如氧化铝。后者可以为天然存在的或者为包含二氧化硅和其它金属氧化物的混合物的凝胶状沉淀物或凝胶的形式。使用与ssz-108一起(即与其结合或者在结晶材料的合成期间存在的，其可以为其活性状态)的材料可倾向于改变某些化学转化方法中的转化率水平和/或催化剂的选择性。非活性材料可适当地用作稀释剂，例如用于控制给定方法中的转化率的量，使得产物可以以经济且有序方式而得到，例如不使用其它方法控制反应速率。这些材料可结合到天然存在的粘土(如膨润土和/或高岭土)中以改进催化剂在商业操作条件下的压碎强度。这些材料(即粘土、氧化物等)可充当催化剂的粘合剂。可以为理想的是提供具有良好压碎强度的催化剂，因为在商业使用中，可以为理想的是防止/限制催化剂以防分解成粉末状材料(细粒)。这些粘土和/或氧化物粘合剂可例如仅用于改进催化剂的压碎强度。可与ssz-108复合的天然存在粘土可包括蒙脱石和高岭土族，所述族包括次膨润土，和通常称为dixie、mcnamee、georgia和florida粘土的高岭土，以及其中主要矿物组分为埃洛石、高岭石、迪开石、珍珠石或蠕陶土的那些。这类粘土可以以原状态(作为原始开采的)使用和/或首先经受煅烧、酸处理和/或化学改性。另外或者作为选择，用于与ssz-108复合的粘合剂包括无机氧化物，例如二氧化硅、氧化锆、二氧化钛、氧化镁、氧化铍、氧化铝及其混合物。除上述材料外或者作为选择，根据需要，可将ssz-108与多孔基体材料，例如二氧化硅-氧化铝、二氧化硅-氧化镁、二氧化硅-氧化锆、二氧化硅-氧化钍、二氧化硅-氧化铍、二氧化硅-二氧化钛，以及三元组合物如二氧化硅-氧化铝-氧化钍、二氧化硅-氧化铝-氧化锆、二氧化硅-氧化铝-氧化镁、二氧化硅-氧化镁-氧化锆及其混合物。ssz-108和无机氧化物基体的相对比例可宽泛地变化，其中ssz-108含量通常为基于总复合物重量的1％至90重量％(例如2重量％至80重量％)。分子筛的表征在其合成后原样且无水形式下，本发明的分子筛具有包含以下摩尔关系的化学组成：宽泛值典型值sio2/al2o35至255至15q/sio2>0至0.1>0至0.1m/sio2>0至0.1>0至0.1其中组成变量q和m如上所述。应该注意的是，本发明的分子筛的合成后原样形式可以具有与用于制备合成后原样形式的反应混合物的反应物的摩尔比不同的摩尔比。该结果可能发生是由于不完全引入100％的反应物到形成的晶体中(从反应混合物中)。在其煅烧后形式下，本发明的分子筛具有包含以下摩尔关系的化学组成：al2o3:(n)sio2其中n的值为5至25(例如，5至20、或5至15)。新型分子筛结构ssz-108的特征在于粉末x射线衍射图，所述x射线衍射图，在所述分子筛的合成后原样形式下包括至少在下表2中列出的峰，在所述分子筛的煅烧后形式下包含至少在下表3中列出的峰。表2合成后原样的ssz-108的特征峰(a)±0.20(b)所提供的粉末xrd图基于相对强度等级，其中xrd图中最强谱线的指定值为100：w＝弱(>0至≤20)；m＝中等(>20至≤40)；s＝强(>40至≤60)；vs＝非常强(>60至≤100)。(c)峰展宽的特征在于xrd峰的半高宽(fwhm)。基于fwhm值，峰被分类为：sh＝尖锐(≤2×最小fwhm)；b＝宽(〉2×最小fwhm)。表3煅烧后的ssz-108的特征峰(a)±0.20(d)所提供的粉末xrd图基于相对强度等级，其中xrd图中最强谱线的指定值为100：w＝弱(>0至≤20)；m＝中等(>20至≤40)；s＝强(>40至≤60)；vs＝非常强(>60至≤100)。(b)峰展宽的特征在于xrd峰的半高宽(fwhm)。基于fwhm值，峰被分类为：sh＝尖锐(≤2×最小fwhm)；b＝宽(〉2×最小fwhm)。通过标准技术收集本文所示的粉末x射线衍射图。辐射为cukα辐射。从峰的相对强度(针对背景调整)读取作为2θ(其中θ是布拉格角)的函数的峰高度和位置，并且可计算出与记录线相对应的面间距d。在x射线衍射图案中的微小变化归因于晶格常数的改变，可能由特定样品的骨架种类的摩尔比的变化造成。此外，足够无序的材料和/或小的晶体将影响峰的形状和强度，导致显著的峰加宽。在衍射图中的微小变化可以由制备过程中使用的有机化合物的变化而造成。煅烧也可导致在xrd图中微小偏移。尽管有这些微小的扰动，但基本晶格结构保持不变。吸附和催化本发明的分子筛可用作各种化学反应的吸附剂或催化剂。本发明的分子筛特别适合用作有机转化方法的催化剂和用于还原气流中的氮氧化物的催化剂。可由本发明分子筛催化的有机转化方法的实例包括但不限于活化低级醇并将有机含氧化合物转化为一种或多种烯烃。可以通过在足以影响所述转化的条件下使各自的原料与包含ssz-108的催化剂接触来催化这种反应。本发明的分子筛可用于将有机含氧化合物催化转化成一种或多种烯烃，特别是乙烯和丙烯。术语“有机含氧化合物”在本文中定义为包括脂族醇、醚、羰基化合物(例如，醛、酮、羧酸、碳酸酯等)，以及含有杂原子的化合物，例如卤化物、硫醇、硫化物、胺和它们的混合物。脂族部分通常含有1至10个碳原子(例如，1至4个碳原子)。代表性的有机含氧化合物包括低级直链或支链脂族，它们的不饱和对应物，以及它们的氮、卤素和硫类似物。合适的有机含氧化合物的实例包括甲醇；乙醇；正丙醇；异丙醇；c4至c10醇；甲乙醚；二甲醚；乙醚；二异丙醚；甲醛；碳酸二甲酯；丙酮；醋酸；正烷基胺，正烷基卤化物，具有3-10个碳原子的正烷基的正烷基硫化物；及其混合物。特别合适的含氧化合物是甲醇、二甲醚或其组合，尤其是甲醇。在本发明的含氧化合物转化方法中，包含有机含氧化合物(任选地含有一种或多种稀释剂)的原料在有效工艺条件下在反应区中与包含本发明分子筛的催化剂在气相中接触，以产生所需的烯烃。或者，所述方法可以在液相或混合的蒸气/液相中进行。当所述方法在液相或混合的汽/液相中进行时，取决于催化剂和反应条件，可能产生不同的转化率和原料对产物的选择性。当存在时，稀释剂通常对原料或分子筛催化剂组合物是非反应性的，并且通常用于降低原料中含氧化合物的浓度。非限制性的合适的稀释剂例子包括氦气、氩气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、水、基本上非反应性的链烷烃(尤其是烷烃，如甲烷、乙烷和丙烷)、基本上非反应性的芳族化合物，以及它们的混合物。最优选的稀释剂是水和氮气，特别优选水。稀释剂可占总进料混合物的1至99摩尔％。含氧化合物转化方法中使用的温度可在宽范围内变化，例如200℃至1000℃(例如，250℃至800℃、300℃至650℃、或400℃至600℃)。轻烯烃产物将在宽范围的压力下形成，但不一定是最佳量，包括自生压力和0.1kpa至10mpa(例如，7kpa至5mpa、或50kpa至1mpa)范围内的压力。前述压力不包括稀释剂(如果存在的话)，并且当涉及含氧化合物和/或其混合物时，指的是原料的分压。压力的下限和上限可能对选择性、转化率、结焦速率和/或反应速率产生不利影响；然而，仍然可能形成轻质烯烃如乙烯和/或丙烯。该含氧化合物转化方法应持续足以产生所需烯烃产物的一段时间。反应时间可以从十分之几秒到几小时不等。反应时间很大程度上取决于反应温度、压力、所选催化剂、重时空速、相(液体或蒸汽)和所选择的工艺设计特征。宽范围的重时空速(whsv)可以在本发明的含氧化合物转化方法中起作用。whsv定义为进料重量(不包括稀释剂)/小时/单位重量分子筛催化剂(不包括惰性物质和/或填料)的总反应体积。whsv通常可在0.01至500h-1的范围内(例如，0.5至300h-1、或1至200h-1)。本分子筛可用于氮氧化物的选择性催化还原(scr)。在该方法中，在还原剂和包含本发明分子筛的催化剂存在下，选择性地还原包含氮氧化物(nox)的气流。氮氧化物(主要是no和no2)被还原成n2，同时还原剂被氧化。当氨是还原剂时，n2也是氧化产物。理想地，唯一的反应产物是水和n2，尽管一些nh3通常用空气氧化成no或n2o。为了促进催化活性，可以将另外一种过渡金属掺入分子筛载体中。可以选择任何合适的过渡金属。在选择性催化还原过程中特别有效的过渡金属包括cr、mn、fe、co、ce、ni、cu、mo、ru、rh、pd、ag、re、ir和pt中的一种或多种。在一个实施方案中，过渡金属选自fe和cu。在一个示例性实施方案中，过渡金属是cu。在催化剂中可以使用任何合适和有效量的过渡金属。可包含在分子筛中的过渡金属的总量可以为0.01至20重量％(例如，0.1至10重量％、0.5至5重量％、或1至2.5重量％)，基于分子筛载体的总重量。分子筛催化剂可以以任何合适的形式使用。例如，分子筛催化剂可以粉末形式、挤出物、粒料或任何其它合适的形式使用。用于还原氮氧化物的分子筛催化剂可以涂覆在合适的基底整体件上，或者可以成形为挤出型催化剂，但优选用于催化剂涂层中。在一个实施方案中，将分子筛催化剂涂覆在流通整体型基材(即有许多平行的小通道沿轴向穿过整个部件的的蜂窝状整体型催化剂载体结构)或整体型过滤器基材上如壁流式过滤器等上。用于本文的分子筛催化剂可以涂覆(例如作为水洗涂层组分)在合适的整体型基材上，例如金属或陶瓷流通整体型基材或过滤基材，例如壁流式过滤器或烧结金属或部分过滤器。或者，分子筛可以直接合成到基材上和/或可以形成挤出型流通式催化剂。除了其他非nox气体如n2、o2、co、co2、so2、hcl和h2o之外，包含氮氧化物的气流可以包含no、no2和n2o中的一种或多种。气流可含有1至10,000ppm(例如10至1,000ppm、或50至500ppm)的no。包含氮氧化物的气流可以是来自燃烧过程的废气，例如来自内燃机(无论是移动的还是静止的)、燃气轮机或燃煤或燃油的燃烧设备。还原剂可以是氮化合物或短链(例如，c1-c8)烃。优选地，还原剂是氮化合物。合适的氮化合物包括氨、肼和氨前体(例如，尿素、碳酸铵、氨基甲酸铵、碳酸氢铵和甲酸铵)。包含氮氧化物的气流可以以5000至500,000h-1(例如10,000至200,000h-1)的气时空速接触催化剂。氮氧化物的还原可以在100℃至650℃(例如，250℃至600℃)的温度范围内进行。氮氧化物的还原可以在氧气存在下或在不存在氧气的情况下进行。实施例以下说明性实施例旨在是非限制性的。实施例1将4.62g去离子水、1.93g50％naoh溶液、14.14g16.33％1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓氢氧化物溶液和3.00gcbv760y-沸石粉末(zeolystinternational，sio2/al2o3摩尔比＝60)在特氟隆衬里中混合在一起。搅拌所得凝胶直至其变得均匀。然后将衬里加盖并置于parr钢高压釜反应器中。然后将高压釜置于烘箱中并在135℃下加热4天。通过离心回收固体产物，用去离子水洗涤并在95℃下干燥。所述合成后原样产物的粉末xrd给出了图1中所示的图案，并且显示该产物为新相的纯的形式，命名为ssz-108。所述合成后原样产物的sem图像显示在图2中，显示为均匀的晶体场。通过icp元素分析测定，所述合成后原样产物的sio2/al2o3摩尔比为8.82。实施例2将27.89g去离子水、7.09g50％naoh溶液、39.27g16.33％1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓氢氧化物溶液和10.00gcbv760y-沸石粉末(zeolystinternational，sio2/al2o3摩尔比＝60)在特氟隆衬里中混合在一起。搅拌所得凝胶直至其变得均匀。然后将衬里加盖并置于parr钢高压釜反应器中。然后将高压釜置于烘箱中并在135℃下加热4天。通过离心回收固体产物，用去离子水洗涤并在95℃下干燥。粉末xrd显示所述产物纯的ssz-108。通过icp元素分析测定，所述合成后原样产物的sio2/al2o3摩尔比为8.24。实施例3将8.37g去离子水、2.32g50％naoh溶液、9.42g16.33％1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓氢氧化物溶液和3.00gcbv720y-沸石粉末(zeolystinternational，sio2/al2o3摩尔比＝30)在特氟隆衬里中混合在一起。搅拌所得凝胶直至其变得均匀。然后将衬里加盖并置于parr钢高压釜反应器中。然后将高压釜置于烘箱中并在135℃下加热4天。通过离心回收固体产物，用去离子水洗涤并在95℃下干燥。粉末xrd显示所述产物为ssz-108和ana骨架类型沸石的混合物。实施例4将32.74g去离子水、6.44g50％naoh溶液、27.66g20.19％1-丁基-1-甲基哌啶鎓氢氧化物溶液和10.00gcbv760y-沸石粉末(zeolystinternational，sio2/al2o3摩尔比＝60)在特氟隆衬里中混合在一起。搅拌所得凝胶直至其变得均匀。然后将衬里加盖并置于parr钢高压釜反应器中。然后将高压釜置于烘箱中并在135℃下加热5天。通过离心回收固体产物，用去离子水洗涤并在95℃下干燥。粉末xrd显示所述产物纯的ssz-108。通过icp元素分析测定，所述合成后原样产物的sio2/al2o3摩尔比为7.95。实施例5将9.82g去离子水、1.93g50％naoh溶液、8.30g20.19％1-丁基-1-甲基哌啶鎓氢氧化物溶液和3.00gcbv780y-沸石粉末(zeolystinternational，sio2/al2o3摩尔比＝80)在特氟隆衬里中混合在一起。搅拌所得凝胶直至其变得均匀。然后将衬里加盖并置于parr钢高压釜反应器中。然后将高压釜置于烘箱中并在135℃下加热4天。通过离心回收固体产物，用去离子水洗涤并在95℃下干燥。粉末xrd显示所述产物为ssz-108和ana骨架类型沸石的混合物。实施例6将合成后原样的实施例1的分子筛产物在马弗炉内在空气流下以1℃/分钟的速率加热至540℃煅烧，并在540℃下保持5小时，冷却，然后通过粉末xrd分析。煅烧后产物的粉末xrd给出图3中所示的图案，并且显示了材料煅烧以除去有机结构导向剂后稳定。实施例7将实施例6的煅烧后分子筛材料用10ml(每克分子筛)1n硝酸铵溶液在90℃下处理2小时。冷却混合物，倾析出溶剂并重复相同的过程。干燥后，使用n2作为吸附物并通过b.e.t.法对产物(nh4-ssz-108)进行微孔体积分析。分子筛的微孔体积为0.15cm3/g。当前第1页12