CN1260241A - 一种制备钛硅分子筛的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备具有MFI结构的钛硅分子筛(TS－1)的方法,其特征在于该方法包括将钛的水解溶液与已经合成出的TS－1分子筛按照分子筛(克):Ti(摩尔)=(200～1500)∶1的比例混合均匀,将所得混合物在反应釜中于120～200℃的温度下反应1～8天,过滤、洗涤并干燥,得到本发明的加钛合成的TS－1分子筛。本发明方法所得TS－1分子筛由于骨架含钛量提高,从而使其催化氧化活性和选择性与现有技术相比明显提高,同时具有较好的催化活性稳定性。

Description

一种制备钛硅分子筛的方法
本发明涉及一种钛硅分子筛的制备方法，更具体地说是涉及一种具有MFI结构的五元环钛硅分子筛(TS-1)的制备方法。
钛硅分子筛是八十年代初开始开发的新型杂原子分子筛。目前已合成出的有MFI型结构的TS-1，MEL型结构的TS-2，以及具有较大孔结构的TS-48等。这类分子筛对许多有机氧化反应，例如烯烃的环氧化、芳烃羟基化、环己酮肟化、醇的氧化等反应具有优良的催化活性和定向氧化性能，它们作为氧化还原(redox)型分子筛催化剂具有良好的应用前景。
TS-1分子筛是将过渡金属元素钛引入具有ZSM-5结构的分子筛骨架中所形成的一种具有优良定向氧化催化性能的新型钛硅分子筛。TS-1不但具有钛的催化氧化作用，而且还具有ZSM-5分子筛的择形作用和优良的稳定性。由于TS-1分子筛在有机物的氧化反应中，可采用无污染的低浓度过氧化氢作为氧化剂，避免了氧化过程工艺复杂和污染环境的问题，具有传统氧化体系无可比拟的节能、经济和环境友好等优点，并具有良好的反应选择性，因此有着良好的工业应用前景。
TS-1的合成方法由意大利的Marco Taramasso等人于1981年首次公开(GB2071071A、USP 4,410,501)。该方法是先制备一种含有硅源、钛源、有机碱(RN+)和/或碱性氧化物(Men/2O)的反应混合物，将此反应混合物在高压釜中于130～200℃水热晶化6～30天，然后分离、洗涤、干燥、焙烧而得产品。其中的硅源可以是四烷基硅酸酯、胶态SiO2或碱金属硅酸盐，钛源可以是可水解的钛化合物，优选Ti(OC2H5)4，有机碱优选四丙基氢氧化铵，其中反应混合物的摩尔组成范围为：
SiO2/TiO2：  5～200            35～65
OH-/SiO2：    0.1～1.0          0.3～0.6
H2O/SiO2：   20～200           60～100
Me/SiO2：     0～0.5            0
RN+/SiO2：   0.1～2.0          0.4～1.0
Thangaraj等人认为上述方法合成出的TS-1分子筛中进入骨架的有效钛含量很少，于是他们在1992年公开了一种能有效增加骨架钛含量的合成TS-1分子筛的方法(Zeolites，1992，Vol.12，第943～950页)，据称能将Taramasso等人提出的方法所得分子筛的Si/Ti比从39降到20。该方法是将适量的四丙基氢氧化铵(TPAOH)水溶液加入到硅酸乙酯溶液中搅拌溶解一定时间，然后在剧烈搅拌下缓慢加入钛酸四丁酯的异丙醇溶液得到澄清的液体混合物(必须缓慢滴加以防止钛酸四丁酯水解过快而形成白色TiO2沉淀)，搅拌15分钟后，再缓慢加入适量的TPAOH水溶液，然后将反应混合物于75～80℃赶醇3～6小时后转移至高压釜中于170℃下水热晶化3～6天，干燥后得TS-1分子筛。其中反应混合物的摩尔组成为：SiO2∶(0.01～0.10)TiO2∶0.36 TPAOH∶35 H2O。
杜宏伟等在CN1167082A中提出了一种TS-1分子筛的制备方法，该方法是将钛源溶于四丙基氢氧化铵(TPAOH)水溶液中，并与固体硅胶小球混合均匀得到反应混合物，将该反应混合物在高压釜中于130～200℃水热晶化1～6天，然后按常规方法过滤、洗涤、干燥和焙烧。
上述合成TS-1分子筛的现有技术中存在的主要问题是：一方面进入分子筛骨架的有效钛含量较少，另一方面不易稳定地获得具有良好催化氧化活性的TS-1分子筛，所得TS-1分子筛的活性稳定性较差，因此制约了TS-1分子筛的工业应用。
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种制备具有MFI结构的钛硅分子筛(TS-1)的方法，使所得TS-1分子筛具有更好的催化氧化活性和较好的活性稳定性。
本发明所提供的制备钛硅分子筛(TS-1)的方法包括：
(1).按现有技术的方法合成出TS-1分子筛；
(2).将含钛化合物、异丙醇、有机胺和水按照1∶(0.0～50)∶(0.3～10)∶(120～450)的摩尔比，优选为1∶(0.0～20)∶(0.8～4.5)∶(220～350)的摩尔比混合均匀，并让其水解，得到钛的水解溶液；
(3).将(1)所说分子筛和(2)所说钛的水解溶液按照分子筛(克)∶Ti(摩尔)＝(200～1500)∶1的比例，优选(300～650)∶1的比例混合均匀，将所得混合物放入反应釜中，在120～200℃的温度下放置1～8天时间，优选的是在150～180℃的温度下放置1～4天，将所得产物过滤、洗涤并干燥，得到本发明的加钛合成的TS-1分子筛。
本发明所提供的方法中还可以包括重复一次或多次步骤(3)所述过程，以进一步提高分子筛骨架中的含钛量从而提高其催化氧化活性。
本发明所提供的方法中步骤(1)所说的TS-1分子筛可以是按照现有技术中的各种方法合成出的TS-1分子筛，它可以经过或不经过焙烧处理，即可以含或不含有机模板剂。
本发明所提供的方法中步骤(2)所说的含钛化合物可以是无机含钛化合物如TiCl4、TiOCl2、Ti(SO4)2等，也可以是有机含钛化合物钛酸酯Ti(OR)4，其中R为具有2～5个碳原子的烷基，优选的为丁基。
本发明所提供的方法中步骤(2)所说的有机胺为脂肪胺类，醇胺类或者季铵碱类化合物，其中优选的为季铵碱类化合物。
所说的脂肪胺类化合物其通式为R(NH2)n，其中R为具有1～4个碳原子的烷基，n＝1～2，其中优选的脂肪胺类化合物为乙胺、正丁胺、丁二胺或己二胺。
所说的醇胺类化合物其通式为(HOR′)mN，其中R′为具有1～4个碳原子的烷基，m＝1～3，其中优选的醇胺类化合物为单乙醇胺、二乙醇胺或三乙醇胺。
所说的季铵碱类化合物其通式为R″3NOH，其中R″为具有1～4个碳原子的烷基，优选的为丙基。
本发明所提供的方法中步骤(2)中所说水解的时间为2～90分钟，优选5～30分钟，水解时的温度没有特别的限制，一般为室温。
图1为实施例1所得样品的X射线衍射(XRD)晶相图。
本发明由于采用加钛合成的方法，使所得TS-1分子筛的骨架含钛量提高，从而使其催化氧化活性和选择性与现有技术相比明显提高(见实施例10)，同时具有较好的催化活性稳定性(见实施例11)。
以下的实施例将对本发明作进一步的说明。在下述各实施例中，所用的四丙基氢氧化铵为日本东京化成产品，其余试剂均为市售的化学纯试剂。
                           对比例1
本对比例说明未按照本发明的、现有技术(Zeolites，1992，Vol.12，第943～950页)的方法合成TS-1分子筛的效果。
将22.5克正硅酸四乙酯与7.0克四丙基氢氧化铵混合，并加入59.8克蒸馏水，混合均匀后于常压及60℃下水解1.0小时，得到正硅酸四乙酯的水解溶液，在剧烈搅拌下缓慢地加入由1.1克钛酸四丁酯与5.0克无水异丙醇所组成的溶液，将所得混合物在75℃下搅拌3小时，得到澄清透明胶体。将此胶体放入不锈钢反应釜，在170℃的温度下恒温放置3天，得到晶化产物的混合物；将此混合物过滤、用水洗涤至pH为6～8，并于110℃干燥60分钟，得到TS-1原粉。将此TS-1原粉于550℃温度下焙烧3小时，得TS-1分子筛，其XRD晶相图与图1类似。
                        实施例1
将钛酸四丁酯、无水异丙醇、四丙基氢氧化铵和蒸馏水按照1∶8.76∶1.24∶185.56的摩尔比混合均匀，于常压及25℃下水解25分钟，得到钛酸四丁酯的水解溶液。取对比例1所得的TS-1分子筛按照分子筛(克)∶Ti(摩尔)＝358.53∶1的比例与上述钛酸四丁酯的水解溶液混合均匀，于常压及70℃下搅拌分散4小时，得到均匀的分散体。将该分散体放入不锈钢反应釜，在170℃温度下恒温放置1天时间，得到含有液体和固体的混合物。将此混合物过滤、用水洗涤至pH值＝6～8，并于110℃烘干50分钟，得到本发明的加钛合成的TS-1分子筛。其XRD晶相图见图1，表明为MFI结构。
                        实施例2
将钛酸四丁酯、无水异丙醇、四丙基氢氧化铵和蒸馏水按照1∶13.78∶1.58∶333.46的摩尔比混合均匀，于常压及30℃下水解15分钟，得到钛酸四丁酯的水解溶液。取对比例1所得的TS-1分子筛按照分子筛(克)∶Ti(摩尔)＝583.73∶1的比例与上述钛酸四丁酯的水解溶液混合均匀，于常压及75℃搅拌分散3小时，得到均匀的分散体。将该分散体放入不锈钢反应釜中，在160℃的温度下恒温放置2天时间，得到含有液体和固体的混合物。将此混合物过滤、用水洗涤至pH为6～8，并于110℃烘干50分钟，得到本发明的加钛合成的TS-1分子筛。其XRD晶相图与图1类似。
                        实施例3
将钛酸四丁酯、无水异丙醇、四丙基氢氧化铵和蒸馏水按照1∶32.42∶5.78∶423.56的摩尔比混合均匀，于常压及35℃水解10分钟，得到钛酸四丁酯的水解溶液。取对比例1所得的TS-1分子筛按照分子筛(克)∶Ti(摩尔)＝634.42∶1的比例与上述钛酸四丁酯的水解溶液混合均匀，于常压及65℃搅拌分散2.5小时，得到均匀的分散体。将该分散体放入不锈钢反应釜中，在155℃的温度下恒温放置3天时间，得到含有液体和固体的混合物。将此混合物过滤、用水洗涤至pH为6～8，并于110℃烘干50分钟，得到本发明的加钛合成的TS-1分子筛。其XRD晶相图与图1类似。
                        实施例4
将钛酸四乙酯、无水异丙醇、三乙醇胺和蒸馏水按照1∶8.34∶3.42∶270.54的摩尔比混合均匀，于常压及25℃下水解25分钟，得到钛酸四丁酯的水解溶液。取对比例1所得的未经过焙烧的TS-1原粉按照TS-1(克)∶Ti(摩尔)＝634.35∶1的比例与上述钛酸四丁酯的水解溶液混合均匀，于常压及90℃搅拌分散4.5小时，得到均匀的分散体。将该分散体放入不锈钢反应釜中，在180℃的温度下恒温放置2.5天时间，得到含有液体和固体的混合物。将此混合物过滤、用水洗涤至pH为6～8，并于110℃烘干60分钟，然后在550℃焙烧3小时，得到本发明的加钛合成的TS-1分子筛。其XRD晶相图与图1类似。
                        实施例5
将钛酸四丁酯、无水异丙醇、四乙基氢氧化铵和蒸馏水按照1∶45.35∶67.53∶430.47的摩尔比混合均匀，于常压及35℃下水解8分钟，得到钛酸四丁酯的水解溶液。取对比例1所得的TS-1分子筛按照分子筛(克)∶Ti(摩尔)＝228.46∶1的比例与上述钛酸四丁酯的水解溶液混合均匀，于常压及85℃搅拌分散2小时，得到均匀的分散体。将该分散体放入不锈钢反应釜中，在155℃的温度下恒温放置3.5天时间，得到含有液体和固体的混合物。将此混合物过滤、用水洗涤至pH为6～8，并于115℃烘干45分钟，得到本发明的加钛合成的TS-1分子筛。其XRD晶相图与图1类似。
                        实施例6
将钛酸四丁酯、无水异丙醇、四乙基氢氧化铵和蒸馏水按照1∶10.55∶4.55∶435.32的摩尔比混合均匀，于常压及25℃下水解25分钟，得到钛酸四丁酯的水解溶液。取对比例1所得的TS-1分子筛按照分子筛(克)∶Ti(摩尔)＝463.36∶1的比例与上述钛酸四丁酯的水解溶液混合均匀，于常压及95℃搅拌分散5.5小时，得到均匀的分散体。将该分散体放入不锈钢反应釜中，在175℃的温度下恒温放置3天时间，得到含有液体和固体的混合物。将此混合物过滤、用水洗涤至pH为6～8，并于120℃烘干40分钟，得到本发明的加钛合成的TS-1分子筛。其XRD晶相图与图1类似。
                        实施例7
将四氯化钛、己二胺和蒸馏水按照1∶1.34∶296.64的摩尔比混合均匀，于常压及32℃下水解20分钟，得到钛的水解溶液。取对比例1所得的TS-1分子筛按照分子筛(克)∶Ti(摩尔)＝331.28∶1的比例与上述钛酸四丁酯的水解溶液混合均匀，于常压及85℃搅拌分散3小时，得到均匀的分散体。将该分散体放入不锈钢反应釜中，在150℃的温度下恒温放置3天时间，得到含有液体和固体的混合物。将此混合物过滤、用水洗涤至pH为6～8，并于105℃烘干60分钟，得到本发明的加钛合成的TS-1分子筛。其XRD晶相图与图1类似。
                        实施例8
将Ti(SO4)2、无水异丙醇、四乙基氢氧化铵和蒸馏水按照1∶0∶4.28∶135.40的摩尔比混合均匀，于常压及28℃下水解15分钟，得到Ti(SO4)2的水解溶液。取对比例1所得的TS-1分子筛按照分子筛(克)∶Ti(摩尔)＝648.45∶1的比例与上述钛酸四丁酯的水解溶液混合均匀，于常压及80℃搅拌分散2.5小时，得到均匀的分散体。将该分散体放入不锈钢反应釜中，在160℃的温度下恒温放置2天时间，得到含有液体和固体的混合物。将此混合物过滤、用水洗涤至pH为6～8，并于120℃烘干30分钟，得到本发明的加钛合成的TS-1分子筛。其XRD晶相图与图1类似。
                        实施例9
重复一次实施例8所述步骤，所不同的是用按实施例8的方法得到的TS-1分子筛代替其中所说对比例1所得的TS-1分子筛，即得到按照本发明的再次加钛合成的TS-1分子筛。其XRD晶相图与图1类似。
                        实施例10
本实施例说明本发明方法和对比例的方法所得TS-1分子筛用于苯酚羟基化的催化氧化反应的效果。
将上述实施例和对比例所制备的TS-1分子筛按照TS-1∶苯酚∶丙酮＝1∶20.0∶16.0的重量比在一个带有冷凝管的三口烧瓶中混合均匀，升温至80℃，然后在搅拌状态下按照苯酚∶过氧化氢＝1∶0.39的重量比加入浓度为30重％的过氧化氢，在此温度下反应6小时，所得产物在Varian3400色谱仪上使用OV-101毛细管柱(30m×0.25mm)测定各产品(产品不含间苯二酚)分布，结果见表1。在表1中：
Figure A9810135700102
Figure A9810135700103
表1
分子筛 苯酚转化率％ 苯二酚选择性％              产品分布％
邻苯二酚 对苯二酚   苯醌
实施例1  21.70  100.00  59.13     40.87     0.00
实施例2  21.38  100.00  56.92     43.08     0.00
实施例3  21.57  100.00  58.14     41.86     0.00
实施例4  20.52  100.00  53.73     46.27     0.00
实施例5  21.26  100.00  50.94     49.06     0.00
实施例6  21.16  100.00  56.52     43.48     0.00
实施例7  18.71  100.00  48.50     51.50     0.00
实施例8  19.43  100.00  51.26     48.74     0.00
实施例9  22.31  100.00  50.32     49.68     0.00
对比例1  5.30  88.87  38.30     50.57     11.13
从表1数据可以看出，本发明提供的方法所得TS-1分子筛与对比例分子筛相比，在苯酚氧化反应中不仅反应活性大大提高，而且没有苯醌副产物
                        实施例11
本实施例说明本发明方法和对比例的方法所得TS-1分子筛用于环己酮氨氧化的催化氧化反应的效果。
将实施例2中所得的TS-1分子筛按照TS-1∶叔丁醇∶25重％氨水＝1∶7.5∶7.5的重量比在淤浆床中混合均匀，升温至80℃，然后在此温度并在搅拌状态下以5.7毫升/小时的速度加入水和30重％的过氧化氢的混合物(水与过氧化氢的体积比为10∶9)，以10.5毫升/小时的速度加入环己酮和叔丁醇的混合物(环己酮和叔丁醇的体积比为1∶2.5)，以5.7毫升/小时的速度加入25重％氨水，上述三股物料流为同时加入，同时以相应的速度连续出料，反应稳定后每隔2小时对产物取样用色谱进行分析，环己酮肟的生成率定义如下，所得结果见表2。
Figure A9810135700111
表2
第一天均值 第二天均值 第三天均值 第四天均值 第五天均值
环己酮肟的生成率％   89.83   73.25   95.11   92.61   95.00
将对比例1所得的经过焙烧的TS-1分子筛按上述相同的方法进行环己酮氨氧化反应评价，每隔1小时对产物进行取样分析，所得结果列于表3中。
表2和表3的结果表明本发明方法所得TS-1分子筛具有较好的活性稳定性。
              表3
  第3小时   第8小时   第10小时
  环己酮肟的生成率％ 52.34 37.21 32.15

Claims (18)

1.一种制备具有MFI结构的钛硅分子筛(TS-1)的方法，其特征在于该方法包括：
(1).按现有技术的方法合成出TS-1分子筛；
(2).将含钛化合物、异丙醇、有机胺和水按照1∶(0.0～50)∶(0.3～10)∶(120～450)的摩尔比混合均匀，并让其水解，得到钛的水解溶液；
(3).将(1)所说分子筛和(2)所说钛的水解溶液按照分子筛(克)∶Ti(摩尔)＝(200～1500)∶1的比例混合均匀，将所得混合物在反应釜中于120～200℃的温度下反应1～8天，将所得产物过滤、洗涤并干燥。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于该方法还包括重复一次或多次步骤(3)所述过程。
3.按照权利要求1的方法，其中步骤(1)所说的TS-1分子筛是按照现有技术中的各种方法合成出的TS-1分子筛，它可以经过或不经过焙烧处理，即可以含或不含有机模板剂。
4.按照权利要求1的方法，其中步骤(2)所说的含钛化合物为包括TiCl4、TiOCl2和Ti(SO4)2在内的无机含钛化合物。
5.按照权利要求1的方法，其中步骤(2)所说的含钛化合物为有机含钛化合物钛酸酯Ti(OR)4，其中R为具有2～5个碳原子的烷基。
6.按照权利要求5的方法，其中R为丁基。
7.按照权利要求1的方法，其中步骤(2)所说的有机胺为脂肪胺类，醇胺类或者季铵碱类化合物。
8.按照权利要求7的方法，其中所说的有机胺为季铵碱类化合物。
9.按照权利要求7的方法，其中所说的脂肪胺类化合物其通式为R(NH2)n，其中R为具有1～4个碳原子的烷基，n＝1～2。
10.按照权利要求9的方法，其中所说脂肪胺类化合物为乙胺、正丁胺、丁二胺或己二胺。
11.按照权利要求7的方法，其中所说的醇胺类化合物其通式为(HOR′)mN，其中R′为具有1～4个碳原子的烷基，m＝1～3。
12.按照权利要求11的方法，其中所说醇胺类化合物为单乙醇胺、二乙醇胺或三乙醇胺。
13.按照权利要求7或8的方法，其中所说的季铵碱类化合物其通式为R″3NOH，其中R″为具有1～4个碳原子的烷基，优选的为丙基。
14.按照权利要求13的方法，其中R″为丙基。
15.按照权利要求1的方法，其中步骤(2)所说的含钛化合物、异丙醇、有机胺和水的摩尔比为1∶(0.0～20)∶(0.8～4.5)∶(220～350)。
16.按照权利要求1的方法，其中步骤(2)中所说水解的时间为2～90分钟。
17.按照权利要求1的方法，其中步骤(3)中分子筛(克)∶Ti(摩尔)＝(300～650)∶1。
18.按照权利要求1的方法，其中步骤(3)中所说反应是在150～180℃的温度下反应1～4天。
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