Новый синтетический кристаллический материал EMM-26, его получение и применение
NEW SYNTHETIC CRYSTALLINE MATERIAL EMM-26, PREPARATION AND USE THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к новому синтетическому кристаллическому материалу ЕММ-26 и к способу его получения. Данное изобретение относится также к применению пористых форм ЕММ-26 в реакциях превращения органических веществ и в процессах сорбции.
Предпосылки создания изобретения
Как известно, цеолитные материалы, как природные, так и синтетические, находят применение в качестве сорбирующих материалов и обладают каталитическими свойствами в отношении различных типов реакций превращения углеводородов. Некоторые цеолитные материалы представляют собой упорядоченные, пористые, кристаллические металлосиликаты, имеющие выраженную кристаллическую структуру, что установлено методом рентгеновской дифракции, внутри которой имеется большое количество более мелких полостей, которые могут быть взаимосвязаны друг с другом посредством множества еще меньших по размеру каналов или пор. Внутри специфического цеолитного материала эти полости и поры являются однородными по размеру. Так как размеры этих пор являются такими, что они могут принять для сорбции молекулы определенных размеров, в то же время отторгая более крупные молекулы, эти материалы стали известны как «молекулярные сита»; и их применяют разнообразными способами, позволяющими получить преимущества от этих свойств.
4
4
4
Такие молекулярные сита, как природные, так и синтетические, включают большое разнообразие содержащих положительные ионы кристаллических силикатов и замещенных силикатов, в которых кремний частично или полностью заменен другими четырехвалентными элементами. Эти силикаты можно описать как жесткую трехмерную структуру из тетраэдров SiO и, возможно, тетраэдров оксида трехвалентного элемента, например, AlO и/или ВО, в которой тетраэдры образуют поперечные межмолекулярные связи путем обобществления атомов кислорода, в то время как локальное соотношение общего количества атомов трехвалентного элемента и кремния к атомам кислорода составляет ~1:~2. Ионная валентность тетраэдров, содержащих трехвалентный элемент, скомпенсирована путем включения в кристалл катиона, например, катиона щелочного или щелочноземельного металла. Это может быть выражено отношением трехвалентного элемента, например, алюминия, к количеству различных катионов, таких как Са/2, Sr/2, Na, К или Li, примерно равным единице. Один тип катиона можно заменить, полностью или частично, другим типом катиона с применением обычным образом технологий ионного обмена. Посредством такого катионного обмена можно было изменять свойства данного силиката, путем соответствующего выбора катиона.
Технологии существующего уровня техники приводили к образованию большого разнообразия синтетических цеолитов. Многие из этих цеолитов обозначают буквой или другими подходящими символами, как это иллюстрируют цеолит А (Патент США 2882243), цеолит X (Патент США 2882244), цеолит Y (Патент США 3130007), цеолит ZK-5 (Патент США 3247195), цеолит ZK-4 (Патент США 3314752), цеолит ZSM-5 (Патент США 3702886), цеолит ZSM-11 (Патент США 3709979), цеолит ZSM-12 (Патент США 3832449), цеолит ZSM-20 (Патент США 3972983), (цеолит) ZSM-35 (Патент США 4016245), цеолит ZSM-23 (Патент США 4076842), цеолит МСМ-22 (Патент США 4954325) и цеолит МСМ-35 (Патент США 4981663), просто чтобы назвать несколько из них.
В настоящее время Международная Ассоциация по цеолитам признает свыше 200 известных структур кристаллической решетки цеолитов. Существует необходимость в новых структурах, имеющих свойства, отличные от свойств известных материалов, для улучшения эффективности многих процессов превращения органических соединений и сорбции. Каждая структура имеет уникальные размеры пор, каналов и ячеек, что обеспечивает ее конкретные свойства, как описано выше. ЕММ-26 представляет собой новый синтетический кристаллический материал, имеющий уникальную структуру кристаллической решетки с двумерной системой пор, образованной 10-членными кольцами из тетраэдрически координированных атомов с размерами пор . ЕММ-26 может применяться в процессах превращения органических соединений и/или в процессах сорбции.
Краткое описание изобретения
Соответственно, в одном аспекте настоящего изобретения предложен новый синтетический кристаллический материал ЕММ-26, который в некоторых формах проявляет микропористость и имеет уникальную кристаллическую решетку из тетраэдрических атомов (Т), соединенных мостиковыми атомами. Кристаллическая решетка ЕММ-26 из тетраэдрических атомов образуется путем соединения ближайших тетраэдрических атомов (Т) таким образом, как это указано ниже в Таблице 1.
В одном или нескольких примерах воплощения кристаллическая решетка ЕММ-26 из тетраэдрических атомов может быть образована элементарной ячейкой с координатами атомов (в Ангстремах), приведенными ниже в Таблице 2; при этом каждое значение координаты может изменяться в пределах ±1 Ангстрема.
В некоторых примерах воплощения ЕММ-26 можно идентифицировать, по меньшей мере в его форме, полученной непосредственно после синтеза, дифрактограммой, содержащей линии, перечисленные ниже в Таблице 3.
В одном или нескольких примерах воплощения ЕММ-26 в форме, полученной непосредственно после синтеза, может иметь состав, включающий, состоящий по существу из или представляющий собой:
2
3
2
2
aHal:bQ:cXO:YO:zHO,
где Hal представляет собой галогенид-ион; Q представляет собой органический структурообразующий агент, выбранный из одного или нескольких дикатионов 1,6-бис(N-метилпирролидиний) гексана и дикатионов 1,6-бис(N-метилпиперидиний) гексана; X представляет собой трехвалентный элемент; Y представляет собой четырехвалентный элемент; а представляет собой число, имеющее значение от равное или более 0 до менее или равное 0,2; b представляет собой число, имеющее значение от более 0 до менее или равное 0,10; 0,015<с<0,125; и z представляет собой число, имеющее значение от равное или более 0 до менее или равное 0,15. В некоторых примерах воплощения X может включать бор и/или алюминий, a Y может включать кремний и/или германий.
В других примерах воплощения ЕММ-26 в форме, полученной непосредственно после синтеза, может иметь следующий состав:
2
3
2
2
mM:bQ:cXO:YO:zHO,
где М представляет собой щелочной или щелочноземельный металл; Q представляет собой органический структурообразующий агент, выбранный из одного или нескольких дикатионов 1,6-бис(N-метилпирролидиний) гексана и дикатионов 1,6-бис(N-метилпиперидиний) гексана; X представляет собой трехвалентный элемент; Y представляет собой четырехвалентный элемент; m представляет собой число, имеющее значение от равное или более 0 до менее или равное 0,1; b представляет собой число, имеющее значение от более 0 до менее или равное 0,10; 0,015<с<0,125; и z представляет собой число, имеющее значение от равное или более 0 до менее или равное 0,15. В некоторых примерах воплощения X может включать бор и/или алюминий, a Y может включать кремний и/или германий.
В дополнительном аспекте данное изобретение заключается в способе получения ЕММ-26, включающем: обеспечение реакционной смеси, включающей источник воды, оксид четырехвалентного элемента Y, оксид трехвалентного элемента X и структурообразующий агент Q, выбранный из одного или нескольких дикатионов 1,6-бис(N-метилпирролидиний) гексана и дикатионов 1,6-бис(N-метилпиперидиний) гексана; нагревание реакционной смеси при некоторой температуре и в течение некоторого времени, достаточного для образования кристаллов ЕММ-26; и необязательно, но предпочтительно, очистку и/или выделение кристаллических продуктов ЕММ-26 из реакционной смеси.
x
x
В еще одном аспекте данное изобретение заключается в способе выделения диоксида углерода из смеси, содержащей диоксид углерода и одно или более веществ, выбранных из алкана, кислорода, азота, SO и NO; при этом способ включает приведение этой смеси в контакт с пористой формой ЕММ-26 для селективной сорбции указанного диоксида углерода таким образом, чтобы образовался поток продукта, имеющего более низкое содержание диоксида углерода, чем содержание диоксида углерода в смеси с диоксидом углерода.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 изображена рентгеновская дифрактограмма продукта по Примеру 1.
На Фиг. 2 показаны полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) изображения продукта по Примеру 1.
На Фиг. 3 изображена рентгеновская дифрактограмма продукта по Примеру 2.
На Фиг. 4 изображены рентгеновские дифрактограммы продуктов по Примеру 3 непосредственно после получения, после обжига и после обработки озоном.
На Фиг. 5 показаны СЭМ изображения продукта по Примеру 3 непосредственно после получения.
11
На Фиг. 6 изображены спектры В MAS NMR (ядерный магнитный резонанс при вращении образца под магическим углом) продуктов по Примеру 3, непосредственно после получения и после обработки озоном.
На Фиг. 7 показаны СЭМ изображения продукта по Примеру 4 непосредственно после получения.
На Фиг. 8 изображена дифрактограмма продукта по Примеру 6.
На Фиг. 9 показаны СЭМ изображения продукта по Примеру 6 непосредственно после получения.
2
4
2
На Фиг. 10 представлен график зависимости относительных сорбционных емкостей продукта ЕММ-26 по Примеру 3 после обжига для СО, СН и N в сравнении с эквивалентными емкостями для цеолитов с кристаллической решеткой типа оксид кремния-СНА и оксид кремния-DDR.
2
4
2
На Фиг. 11 представлен график сравнения относительных сорбционных емкостей ЕММ-26 продуктов после обжига по Примерам 3 и 6 для СО, СН и N.
Подробное описание примеров воплощения
ЕММ-26 представляет собой новую композицию, являющуюся предметом настоящего изобретения, имеющую уникальную структуру кристаллической решетки с двумерной системой пор, образуемой 10-членными кольцами из тетраэдрически координированных атомов, с размерами пор . В некоторых формах, особенно непосредственно после синтеза, поры ЕММ-26 могут быть частично или полностью заблокированы избыточным материалом кристаллической решетки. В своих пористых формах ЕММ-26 может применяться в процессах превращения органических соединений и/или в процессах сорбции.
Уникальная кристаллическая структура ЕММ-26 может, в некоторых примерах воплощения, образовываться за счет наличия связей между тетраэдрически координированными атомами в каждой элементарной ячейке. В частности, каждая элементарная ячейка ЕММ-26 может иметь кристаллическую решетку из тетраэдрических атомов (Т), соединенных мостиковыми атомами, при этом решетка из тетраэдрических атомов может образовываться путем соединения ближайших тетраэдрических атомов (Т) способом, изображенным ниже в Таблице 1.
Тетраэдрически координированные атомы - это атомы, которые способны иметь тетраэдрическую координацию, включая один или более, но не ограничиваясь указанными, из бора (В), лития (Li), бериллия (Be), алюминия (Al), фосфора (Р), кремния (Si), галлия (Ga), германия (Ge), цинка (Zn), хрома (Cr), магния (Mg), железа (Fe), кобальта (Со), никеля (Ni), марганца (Mn), мышьяка (As), индия (In), меди (Cu), олова (Sn), сурьмы (Sb), титана (Ti) и циркония (Zr). Мостиковые атомы представляют собой атомы, которые способны соединять два тетраэдрически координированных атома; примеры их включают один или более, но не ограничиваясь указанными, из кислорода (О), азота (N), фтора (F), серы (S), селена (Se) и углерода (С).
Предпочтительные тетраэдрические атомы в кристаллической решетке ЕММ-26 могут включать один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из В, Al, Si и Ge.
Полную структуру ЕММ-26 можно построить, соединяя многочисленные элементарные ячейки, указанные выше, в полностью связанную трехмерную кристаллическую решетку. Тетраэдрически координированные атомы в одной элементарной ячейке можно соединить с определенными тетраэдрически координированными атомами во всех прилегающих к ней элементарных ячейках. В то время как Таблица 1 приводит соединения всех тетраэдрически координированных атомов для данной элементарной ячейки ЕММ-26, эти связи могут относиться не к конкретному атому в той же самой элементарной ячейки, а к соседней элементарной ячейке. Все связи, приведенные в Таблице 1, можно обеспечить таким образом, чтобы они были направлены к ближайшим тетраэдрически координированным атомам независимо от того, находятся они в той же самой элементарной ячейке или в соседних элементарных ячейках.
Дополнительно или в качестве альтернативы, структуру ЕММ-26 можно описать с помощью координат х, у и z (в декартовой системе координат) положения каждого тетраэдрически координированного атома в элементарной ячейке. В такой конструкции каждый тетраэдрически координированный атом может быть связан с мостиковыми атомами, которые в свою очередь могут быть связаны с соседними тетраэдрически координированными атомами. Так как тетраэдрически координированные атомы могут перемещаться в результате действия других сил в кристаллической решетке (например, из-за присутствия неорганических или органических частиц) и/или в результате выбора тетраэдрически координированных и/или мостиковых атомов, положения координат х, у и z приведены здесь с погрешностью ±1,0 Ангстрем. Примерные положения координат х, у и z тетраэдрически координированных атомов (Т-атомов) в ЕММ-26 в единицах Ангстрем, которые типичны в случае, когда Т представляет собой кремний, а мостиковые атомы представляют собой кислород, приведены в Таблице 2 ниже.
Формы ЕММ-26 непосредственно после синтеза и после обжига могут иметь характерные рентгеновские дифрактограммы (XRD), характеристический профиль которого может быть представлен в Таблице 3 (форма непосредственно после синтеза) и в Таблице 4 (прокаленная форма). Отклонения могут происходить в зависимости от конкретной композиции и степени его содержания в структуре. Из этих соображений относительные интенсивности и межплоскостные расстояния (d-расстояния) представлены в Таблицах 3 и 4 в виде диапазонов.
Рентгеновские дифрактограммы (XRD) в Таблицах 3 и 4 были получены с излучением Cu Кα с помощью дифрактометра PANalytical X'Pert с детектором X'celerator, геометрией Bragg-Brentano, напряжением и током в трубке ~45 кВ и ~40 мА, зафиксированными на -1/8° щелью расходимости и антирассеивающими щелями, щелями Соллера ~0,04 радиан и величиной шага ~0,017°.
В одном или более примеров воплощения ЕММ-26 в форме, полученной непосредственно после синтеза, может иметь следующий состав:
2
3
2
2
aHal:bQ:cXO:YO:zHO,
где Hal представляет собой галогенид-ион, такой как, например, хлорид-ион или фторид-ион; Q представляет собой органический структурообразующий агент, выбранный из одного или более дикатионов 1,6-бис(N-метилпирролидиний) гексана и дикатионов 1,6-бис(N-метилпиперидиний) гексана; X представляет собой трехвалентный элемент; Y представляет собой четырехвалентный элемент; а представляет собой число, имеющее значение от равное или более 0 до менее или равное 0,2; b представляет собой число, имеющее значение от более 0 до менее или равное 0,10; 0,015<с<0,125; и z представляет собой число, имеющее значение от равное или более 0 до менее или равное 0,15. В некоторых примерах воплощения X может включать бор и/или алюминий, a Y может включать кремний и/или германий.
В дополнительных или альтернативных примерах воплощения ЕММ-26 в форме, полученной непосредственно после синтеза, может иметь следующий состав:
2
3
2
2
mM:bQ:cXO:YO:zHO,
где М представляет собой щелочной или щелочноземельный металл; Q представляет собой органический структурообразующий агент, выбранный из одного или более дикатионов 1,6-бис(N-метилпирролидиний) гексана и дикатионов 1,6-бис(N-метилпиперидиний) гексана; X представляет собой трехвалентный элемент; Y представляет собой четырехвалентный элемент; m представляет собой число, имеющее значение от равное или более 0 до менее или равное 0,1; b представляет собой число, имеющее значение от более 0 до менее или равно 0,10; 0,015<с<0,125; и z представляет собой число, имеющее значение от равное или более 0 до менее или равное 0,15. В некоторых примерах воплощения X может включать бор и/или алюминий, a Y может включать кремний и/или германий.
Из вышеуказанных органических структурообразующих агентов дикатион 1,6-бис(N-метилпирролидиний)гексана имеет следующую структурную формулу:
а дикатион 1,6-бис(N-метилпиперидиний)гексана имеет следующую структурную формулу:
Вышеуказанные дичетвертичные аммониевые соединения можно легко синтезировать по реакции N-метилпирролидина и N-метилпиперидина, соответственно, с 1,6-дибромгексаном, применяя известные методы.
Новый кристаллический материал ЕММ-26 можно получить из реакционной смеси, содержащей источники воды, оксид четырехвалентного элемента Y, предпочтительно кремния и/или германия, оксид трехвалентного элемента X, предпочтительно бора и/или алюминия, и структурообразующий агент (Q), выбранный из одного или более дикатионов 1,6-бис(N-метилпирролидиний)гексана и дикатионов 1,6-бис(N-метилпиперидиний)гексана.
Подходящие источники четырехвалентного элемента Y могут зависеть от выбранного элемента Y и, в предпочтительных примерах воплощения, в которых Y содержит или представляет собой кремний и/или германий, может включать коллоидные суспензии оксида кремния, высокодисперсные (пирогенные) оксиды кремния; осажденные оксиды кремния; силикаты щелочных металлов, тетраалкилортосиликаты, оксид германия или т.п., или их комбинацию. Подходящие источники трехвалентного элемента X также могут зависеть от выбранного элемента, и, если X содержит или представляет собой бор и/или алюминий, могут включать борную кислоту и водорастворимые соли борной кислоты, гидратированный оксид алюминия и водорастворимые соли алюминия, такие как нитрат алюминия и т.п., а также их комбинации. Дополнительно или в качестве альтернативы можно применять комбинированные источники X и Y, которые могут включать, например, алюмосиликатные цеолиты, такие как цеолит Y, и глины или обработанные глины, например, метакаолин.
Подходящие источники Q представляют собой гидроксиды, хлориды, бромиды и/или другие соли соответствующих дичетвертичных аммониевых соединений.
В некоторых примерах воплощения реакционная смесь может включать один или более источников галогенид-ионов (Hal), предпочтительно хлорид-ионы и/или фторид-ионы, если они присутствуют. В таких примерах воплощения реакционная смесь может иметь состав, выраженный в молярных соотношениях оксидов, в пределах следующих диапазонов:
В некоторых примерах воплощения реакционная смесь может включать один или более источников гидроксид-ионов. В таких примерах воплощения реакционная смесь может иметь состав, выраженный в молярных соотношениях оксидов, в пределах следующих диапазонов:
Реакционная смесь может также содержать зародыши кристаллического материала, например ЕММ-26, полученные в предыдущем синтезе, желательно в количестве примерно от 0,01 млн частей по массе до 10000 млн частей по массе, например, примерно от 100 млн частей по массе до 5000 млн частей по массе, от реакционной смеси.
Кристаллизацию ЕММ-26 из вышеуказанной смеси для синтеза можно провести в стационарных условиях или в условиях перемешивания в подходящей реакционной емкости, например в полипропиленовых банках или в футерованных тефлоном или изготовленных из нержавеющей стали автоклавах, при температуре примерно от 100°С до 200°С, например примерно от 130°С до 180°С, в течение времени, достаточного для проведения кристаллизации при используемой температуре, например, примерно от 2 до 168 часов или примерно от 5 до 40 дней. После этого кристаллы можно отделить от жидкости/смеси и извлечь.
Полученный данным способом непосредственно после синтеза ЕММ-26 можно подвергнуть последующей обработке для удаления части или всего органического структурообразующего агента Q, применяемого при его синтезе. Это удобно осуществить путем термообработки, при которой материал, полученный непосредственно после синтеза, можно нагревать при температуре по меньшей мере около 370°С в течение по меньшей мере ~1 минуты и обычно не дольше, чем примерно 24 часа. В то время как для термообработки можно применять давления ниже и/или выше атмосферного, из соображений удобства обычно желательно применять атмосферное давление. Термообработку можно проводить при температуре примерно до 925°С. Дополнительно или в качестве альтернативы, органический структурообразующий агент Q можно удалять путем обработки озоном (см., например, Parikh et al., Microporous and Mesoporous Materials 76 (2004) 17-22).
2
3
2
Любые катионы щелочного или щелочноземельного металла в полученном непосредственно после синтеза ЕММ-26 можно заменить другими катионами до желаемой степени и в зависимости от молярного соотношения XO/YO в материале в соответствии с хорошо известными на существующем уровне техники технологиями посредством ионного обмена. Предпочтительные замещающие катионы могут включать ионы металлов, ионы водорода, предшественник водорода, например, ионы аммония, а также их смеси. Особенно предпочтительные катионы могут включать катионы, которые определяют каталитическую активность для определенных реакций превращения углеводородов. Они могут включать, не ограничиваясь указанными, водород, редкоземельные металлы и металлы групп 2-15 Периодической системы элементов. Как используют в тексте настоящей заявки, система нумерации групп Периодической системы соответствует описанному в Chemical and Engineering News, 63(5), 27 (1985).
Продукт по данному изобретению может быть непосредственно соединен с гидрирующим компонентом, таким как молибден, рений, никель, кобальт, хром, марганец и/или благородный металл, например платина или палладий, если могут осуществлять функцию гидрирования-дегидрирования. Такой компонент может попасть в композицию при совместной кристаллизации, путем обмена по месту расположения трехвалентного элемента X, например, алюминия, путем пропитки композиции, тщательного физического смешивания с ней или посредством любого подходящего способа, известного специалистам. Такой компонент можно импрегнировать в/на готовую каталитическую композицию, например, в случае платины, путем обработки силиката раствором, содержащим включающий платину ион. Таким образом, подходящие для этой цели соединения платины включают хлороплатиновую кислоту, хлорид платины (II) и различные соединения, содержащие аминовый комплекс платины.
Данный кристаллический материал, при использовании его в качестве сорбента и/или катализатора, обычно следует дегидратировать, по меньшей мере частично. Это можно сделать путем нагревания до температуры в диапазоне примерно от 200°С до 370°С, в такой атмосфере, как воздух, азот и т.д., и при давлениях, равных, ниже или выше атмосферного, в течение примерно от 30 минут до 48 часов. Дополнительно или в качестве альтернативы, дегидрирование можно провести при комнатной температуре (~20-25°С), просто помещая ЕММ-26 в вакуум, но для получения достаточной степени дегидрирования может потребоваться более длительное время.
2
x
x
2
3
2
2
Описанный в настоящей заявке ЕММ-26 можно применять в качестве сорбента, например, при отделении диоксида углерода от смеси, содержащей диоксид углерода и один или более алканов, таких как метан, этан, пропан и/или бутан, и/или от смеси, содержащей диоксид углерода и кислород, азот, HS, SO и/или NO. Процесс отделения может использовать равновесную селективность ЕММ-26, кинетическую селективность ЕММ-26, или и равновесную, и кинетическую селективность ЕММ-26 в отношении диоксида углерода по отношению к другому компоненту (другим компонентам) смеси. В частности, материалы ЕММ-26, имеющие молярное соотношение ВО к SiO примерно от 0,125 до 0,033, обычно могут обладать сорбционной емкостью по CO при ~100 кПа (~1 атм) примерно от 0,8 ммоль/г до 2,0 ммоль/г.В качестве альтернативы или в дополнение, и особенно в его алюмосиликатной форме, ЕММ-26 можно использовать в качестве катализатора для облегчения одного или более процессов превращения органических соединений, включая многие процессы, имеющие в настоящее время коммерческое/промышленное значение.
Как и в случае многих катализаторов, применяемых в процессах превращения органических соединений (углеводородов), может быть желательно объединить данный ЕММ-26 с другим материалом, стойким к температурам и другим условиям, применяемым в процессах превращения органических веществ. Такие материалы могут включать активные и инертные материалы и синтетические и встречающиеся в природе цеолиты, а также неорганические материалы, такие как глины, оксид кремния и/или оксиды металлов, например, оксид алюминия. Последние могут находиться в форме, встречающейся в природе, и в форме студенистых осадков или гелей, включая смеси оксида кремния и оксидов металлов. Применение какого-либо активного материала в сочетании с данным ЕММ-26, то есть объединенного с ним и/или присутствующего в ходе синтеза нового кристалла, может стремиться изменить степень превращения и/или селективность данного катализатора в некоторых процессах превращения органических веществ. Инертные материалы могут, соответственно, служить разбавителями для регулирования степени превращения в данном процессе таким образом, чтобы можно было получать продукты экономичным и упорядоченным образом, не используя других (более дорогостоящих) средств для регулирования скорости реакции. Такие материалы можно объединять с встречающимися в природе глинами, например бентонитом и каолином, для повышения прочности при раздавливании катализатора в промышленных рабочих условиях. Указанные материалы, то есть глины, оксиды и т.д., могут действовать как связующие для катализатора. Может быть желательно обеспечить катализатор, имеющий хорошую прочность при раздавливании, поскольку при коммерческом использовании может быть желательно предотвратить разрушение катализатора до порошкообразных материалов (истирание). Эти связующие из глин и/или оксидов обычно применяли только с целью повышения прочности катализатора при раздавливании.
Существующие в природе глины, которые можно смешивать с данным ЕММ-26, могут включать, без ограничения, семейства монтмориллонита и каолина, которые включают суббентониты, а также каолины, обычно известные как глины Dixie, McNamee, Georgia и Florida, или другие, в которых основными минеральными составляющими являются галлоизит, каолинит, дикит, накрит или аноксит. Такие глины можно использовать в сыром состоянии, как они исходно добыты или исходно подвергнуты обжигу, обработке кислотой или химической модификации. Связующие, пригодные для составления композиции с ЕММ-26, могут дополнительно или в качестве альтернативы включать неорганические оксиды, такие как оксид кремния, оксид циркония, оксид титана, оксид магния, оксид бериллия, оксид алюминия и их смеси.
В качестве альтернативы или в дополнение к предшествующим материалам, данный ЕММ-26 может смешиваться в композицию с пористым материалом матрицы, таким как оксид кремния-оксид алюминия, оксид кремния-оксид магния, оксид кремния-оксид циркония, оксид кремния-оксид тория, оксид кремния-оксид бериллия, оксид кремния-оксид титана и/или одной или более трехкомпонентной композицией, такой как оксид кремния-оксид алюминия-оксид тория, оксид кремния-оксид алюминия-оксид циркония, оксид кремния-оксид алюминия-оксид магния и оксид кремния-оксид магния-оксид циркония.
Относительные соотношения ЕММ-26 и матрицы из неорганического оксида могут изменяться в широких пределах с изменением содержания ЕММ-26 в диапазоне примерно от 1% масс, до 90% масс, и, чаще всего, особенно если композит получен в форме гранул, в диапазоне примерно от 2% масс, до 80% масс, от общего содержания композита. В качестве примера, диапазон содержания матрицы может включать примерно от 10% масс, до 50% масс.
Дополнительно или в качестве альтернативы, данное изобретение преимущественно может включать один или более из следующих примеров воплощения.
Пример воплощения 1. Синтетический кристаллический материал, имеющий кристаллическую решетку из тетраэдрических атомов (Т), соединенных мостиковыми атомами, где кристаллическая решетка из тетраэдрических атомов образована путем соединения ближайших тетраэдрических атомов так, как показано в Таблице 1.
Пример воплощения 2.
Синтетический кристаллический материал, имеющий кристаллическую решетку из тетраэдрических атомов (Т), соединенных мостиковыми атомами; где кристаллическая решетка из тетраэдрических атомов образована элементарной ячейкой с координатами атомов в Ангстремах, указанными в Таблице 2, где каждое положение координаты может изменяться в пределах ±1 Ангстрем.
Пример воплощения 3. Синтетический пористый кристаллический материал, имеющий, в его прокаленной форме, рентгеновскую дифрактограмму, включающую межплоскостные расстояния d и относительные интенсивности, указанные в Таблице 4.
Пример воплощения 4. Синтетический пористый кристаллический материал, имеющий, в его форме, полученной непосредственно после синтеза, рентгеновскую дифрактограмму, включающую межплоскостные расстояния d и относительные интенсивности, указанные в Таблице 3.
Пример воплощения 5. Кристаллический материал по любому из предшествующих примеров воплощения, в котором тетраэдрические атомы включают один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из Li, Be, В, Al, Р, Si, Ga, Ge, Zn, Cr, Mg, Fe, Co, Ni, Cu, Mn, As, In, Sn, Sb, Ti и Zr, например, один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из В, Al и Si.
Пример воплощения 6. Кристаллический материал по любому из предшествующих примеров воплощения, в котором мостиковые атомы включают один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из О, N, F, S, Se и С, например, включают кислород.
2
3
2
2
Пример воплощения 7. Кристаллический материал по любому из примеров воплощения 1-2 и 4-6, имеющий следующий состав: aHal:bQ:сХО:YO:zHO, где Hal представляет собой галогенид-ион, Q представляет собой органический структурообразующий агент, выбранный из одного или более дикатионов 1,6-бис(N-метилпирролидиний)гексана и дикатионов 1,6-бис(N-метилпиперидиний)гексана, X представляет собой трехвалентный элемент, Y представляет собой четырехвалентный элемент, а представляет собой число, имеющее значение от равное или более 0 до менее или равное 0,2, b представляет собой число, имеющее значение от более 0 до менее или равное 0,10; 0,015<с<0,125; и z представляет собой число, имеющее значение от равное или более 0 до менее или равное 0,15.
2
3
2
2
Пример воплощения 8. Кристаллический материал по любому из примеров воплощения 1-2 и 4-6, имеющий следующий состав: mM:bQ:cXO:YO:zHO, где М представляет собой щелочной или щелочноземельный металл, Q представляет собой органический структурообразующий агент, выбранный из одного или более дикатионов 1,6-бис(N-метилпирролидиний)гексана и дикатионов 1,6-бис(N-метилпиперидиний)гексана, X представляет собой трехвалентный элемент, Y представляет собой четырехвалентный элемент, m представляет собой число, имеющее значение от равное или более 0 до менее или равное 0,1; b представляет собой число, имеющее значение от более 0 до менее или равное 0,10; 0,015<с<0,125 и z представляет собой число, имеющее значение от равное или более 0 до менее или равное 0,15.
2
3
2
2
Пример воплощения 9. Кристаллический материал по примеру воплощения 7 или по примеру воплощения 8, в котором X содержит бор, a Y содержит кремний, молярное соотношение BO к SiO в котором возможно составляет примерно от 0,125 до 0,033 и сорбционная емкость которого в отношении CO при давлении примерно 100 кПа (1 атм) возможно составляет примерно от 0,8 ммоль/г до 2,0 ммоль/г.
Пример воплощения 10. Способ получения кристаллического материала независимо от или по любому из предшествующих примеров воплощения, включающий стадии: (а) обеспечения реакционной смеси, включающей источники воды, оксид четырехвалентного элемента Y, оксид трехвалентного элемента X, возможно источник галогенид-ионов, возможно источник гидроксид-ионов, а также структурообразующий агент (Q), выбранный из одного или более дикатионов 1,6-бис(N-метилпирролидиний)гексана и дикатионов 1,6-бис(N-метилпиперидиний)гексана; (b) нагревания реакционной смеси в условиях проведения кристаллизации, которые включают температуру от 100°С до 200°С, до тех пор, пока не образуются кристаллы кристаллического материала; (с) извлечения кристаллов, полученных на стадии (b) и, возможно, (d) обработки кристаллов, извлеченных на стадии (с), для удаления по меньшей мере части структурообразующего агента (Q).
Пример воплощения 11. Синтетический пористый кристаллический материал, полученный способом по примеру воплощения 10.
2
x
x
Пример воплощения 12. Способ отделения диоксида углерода от смеси, содержащей диоксид углерода и одно или более веществ, выбранных из алкана, кислорода, азота, HS, SO и NO, включающий приведение данной смеси в контакт с пористым кристаллическим материалом по любому из одного или более примеров воплощения 1-9 и 11.
Пример воплощения 13. Способ отделения диоксида углерода от смеси, содержащей диоксид углерода и метан, включающий приведение данной смеси в контакт с пористым кристаллическим материалом по любому одному или более примеров воплощения 1-9 и 11.
Теперь данное изобретение будет описано более подробно, со ссылкой на следующие Примеры и сопровождающие чертежи.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
2
Реакционную смесь получали в герметичном реакторе из нержавеющей стали емкостью ~1,5 (мл) при следующих молярных соотношениях, используя борную кислоту в качестве источника бора, Ludox AS-40™ в качестве источника оксида кремния, HCl в качестве источника галогенид-ионов и гидроксид 1,6-бис(N-метилпирролидиний)гексана в качестве структурообразующего агента Q: Q/Si≈0,2; Si/B≈5; HCl/Si≈0,10 и HO/Si≈35.
Реакционную смесь нагревали в конвекционной печи в условиях взбалтывания в барабане (примерно 30 об/мин) в течение ~56 дней при ~160°С. Образец обрабатывали в помощью трех последовательных циклов центрифугирования, декантации, повторного суспендирования и промывки деионизированной водой. Порошковая дифрактограмма продукта приведена на Фиг. 1; она показывает, что продукт представляет собой смесь новой фазы, ЕММ-26, с аморфным материалом и небольшим количеством примеси бета-цеолита. На Фиг. 2 приводятся СЭМ изображения этого продукта и показано, что продукт, как оказалось, включает большие кристаллы примерно 5 микрон в длину, ~1-2 микрон в ширину и около 0,3 микрон в толщину.
Пример 2
Пример 1 был повторен, за исключением того, что в качестве структурообразующего агента Q использовали гидроксид 1,6-бис(N-метилпиперидиний)гексана; к реакционной смеси не добавляли HCl и реакционную смесь нагревали в течение ~28 дней. Порошковая дифрактограмма продукта (Фиг. 3) показала, что продукт представляет собой чистую форму новой фазы, ЕММ-26, которую наблюдали в Примере 1. Порошковая дифрактограмма могла указывать на С-центрированную орторомбическую ячейку, в которой а≈19,43, b≈15,75 и с≈17,85 .
Пример 3
2
Примерно 1,67 граммов раствора гидроксида 1,6-бис(N-метилпирролидиний)гексана (~25,8% масс.) смешивали с ~5,39 граммами деионизированной воды внутри тефлонового вкладыша для стального автоклава Парра емкостью ~23-мл. Затем к раствору добавляли примерно 0,19 граммов борной кислоты и перемешивали до почти полного растворения. Затем к смеси добавляли ~2,25 г Ludox AS-40™ и ~1,50 граммов ~1 н-ной HCl, и перемешивали до получения относительно однородной суспензии, имеющей следующий молярный состав: Q/Si≈0,1; Si/B≈5; HCl/Si≈0,10 и HO/Si≈35.
К суспензии добавляли примерно 0,04 грамма кристаллических зародышей продукта из Примера 1, вкладыш закрывали крышкой, герметизировали внутри автоклава емкостью ~23-мл и нагревали при ~160°С в условиях перемешивания в барабане (примерно 40 об/мин.). Реактор вынимали через ~14 дней, быстро охлаждали и твердые вещества выделяли с помощью фильтрования, тщательно промывали деионизированной водой, сушили и анализировали методом порошковой дифрактометрии. На Фиг. 4 (нижняя дифрактограмма) изображена порошковая дифрактограмма новой фазы, ЕММ-26, а на Фиг. 5 приведены СЭМ изображения этой фазы.
Часть продукта из Примера 3 непосредственно после получения нагревали внутри муфельной печи от температуры окружающей среды (~20-25°С) до ~400°С со скоростью ~4°С/мин в атмосфере азота, а затем нагревали до ~550°С со скоростью ~4°С/мин. на воздухе, а затем выдерживали при ~550°С на воздухе в течение ~2 часов. Средняя дифрактограмма на Фиг. 4, по-видимому, показывает заметное снижение интенсивности дифракционных пиков и смещение положений пиков после прокаливания. Тем не менее, наблюдали, что характер порошковой дифрактограммы после прокаливания сохраняется.
3
11
Другую часть продукта Примера 3 непосредственно после получения обрабатывали озоном для разложения/удаления окклюдированных органических веществ из структуры цеолита. Тонкий слой продукта помещали в горизонтальную трубчатую печь с потоком воздуха ~3500 см/мин от генератора озона. Генератор озона производил поток воздуха примерно с 1% озона. Продукт нагревали в присутствии озон-содержащего потока от температуры окружающей среды (~20-25°С) до ~300°С на протяжении ~30-минутного периода. Температуру поддерживали при ~300°С в течение ~4 часов, генерирование озона прекращали, а затем печь оставляли остывать до комнатной температуры (~20-25°С). Верхняя дифрактограмма на Фиг. 4 показывает порошковую дифрактограмму обработанного озоном продукта. Здесь можно видеть, что пики на дифрактограмме обработанного озоном материала, как оказалось, имеют такие же положения, как и пики материала непосредственно после получения. Дифрактограммы материала непосредственно после получения и материала, обработанного озоном, можно отнести к одинаковым С-центрированным орторомбическим элементарным ячейкам. На Фиг. 6 показаны В MAS NMR спектры новой фазы ЕММ-26 в формах непосредственно после получения и после обработки озоном. Резонансная частота около -3,3 м.д. (миллионных долей), как предполагают, связана с тетраэдрически координированный бором, а широкая полоса, центр которой находится около 11,5 м.д., как предполагают, связана с нететраэдрически координированным бором. По-видимому, около 53% бора становится нететраэдрическим после обработки озоном.
Пример 4
2
2
~0,99 граммов тетраметилортосиликата и ~2,93 граммов щелочного раствора гидроксида 1,6-бис(N-метил-пирролидиний)гексана ([ОН]≈1,11 ммол/г) смешивали друг с другом в предварительно взвешенном тефлоновом вкладыше длястального автоклава Парра емкостью ~23 мл. Суспензии позволяли частично гидролизоваться в течение примерно 20 минут, а затем добавляли ~0,13 граммов ~50% раствора HF и ~0,033 грамма борной кислоты и перемешивали до получения относительно однородной пасты. Тефлоновые вкладыши помещали в вытяжной шкаф для обеспечения испарения в течение ночи (~8-16 часов). Затем к смеси добавляли дополнительное количество деионизированной воды для подстройки молярного соотношения HO/Si до ~10. Добавляли примерно 0,01 грамма зародышей продукта из Примера 3 непосредственно после изготовления, с получением геля, имеющего следующий состав: Q/Si≈0,25; Si/B≈12; F/Si≈0,5 и HO/Si≈10.
Тефлоновый вкладыш закрывали крышкой, герметизировали внутри стального автоклава Парра, а затем нагревали при ~150°С в течение ~22 дней в автоклавах емкостью ~23 мл с вращением (~50 об/мин). Затем автоклавы извлекали из печи и быстро охлаждали до температуры окружающей среды (~20-25°С). Твердые вещества выделяли путем фильтрации, интенсивно промывали деионизированной водой, сушили и анализировали методом порошковой дифрактометрии. Порошковые дифрактограммы показали, что образцы, как оказалось, представляют собой ЕММ-26 с небольшим количеством бета-цеолита. На Фиг. 7 приведены изображения продукта, полученные с помощью СЭМ.
Пример 5
2
Повторяли Пример 4, за исключением того, что синтез проводили с молярным соотношением HO/Si ~7 и соотношением Si/B ~20; и реакционную смесь нагревали при ~175°С в течение ~14 дней. Порошковая дифрактограмма показала, что продукт представлял собой смесь ЕММ-26 и бета-цеолита.
Пример 6
Повторяли Пример 5, за исключением того, что использовали молярное соотношение Si/B ~12 и реакционную смесь нагревали только в течение ~7 дней. Порошковая дифрактограмма (Фиг. 8) показывает, что продукт представляет собой чистый ЕММ-26. На Фиг. 9 приведены изображения продукта, полученные с помощью СЭМ. Кристаллы на этих изображениях обычно были толще, чем кристаллы на Фиг. 5 и Фиг. 7.
Пример 7
2
4
2
Была проведена серия экспериментов по определению относительных сорбционных емкостей только что прокаленного продукта ЕММ-26 из Примера 3 - в отношении СО, СН и N в сравнении с эквивалентными емкостями для цеолитов с типом кристаллической решетки оксид кремния-СНА и оксид кремния-DDR. Перед проведением измерений цеолиты дегазировали при ~400°С под вакуумом (например, не более 1,33 Па (~0,01 торр)). Изотермы сорбции измеряли с помощью автоматизированного волюмометрического прибора Autosorb-1™ производства Quantachrome Instruments.
2
4
CO2/CH4
2
2
CO2/N2
Результаты приведены на Фиг. 10, где величины сорбционного поглощения были рассчитаны на основе массы сухого образца. Кроме того, в Таблице 5 приведены равновесная селективность сорбции CO/СН (S) и равновесная селективность сорбции CO/N (S) для каждого из цеолитов, испытанных при парциальном давлении соответствующего газа 106,64 КПа (~800 торр).
2
2
4
2
2
Экспериментальные данные показывают, что СО, как оказалось, имеет доступ в пористую структуру ЕММ-26 и, как было измерено, равновесные селективности сорбции СО/СН и CO/N для ЕММ-26 оказались выше, чем соответствующие значения для цеолитов оксид кремния-DDR и оксид кремния-СНА.
Пример 8
Эксперименты по сорбции из Примера 7 были повторены с прокаленным продуктом ЕММ-26 из Примера 6. Результаты обеих серий экспериментов построены в виде графика на Фиг. 11, где образец А соответствует продукту из Примера 3, а образец В соответствует продукту из Примера 6. Видно, что, как оказалось, продукт из Примера 6 обладает более высокой сорбционной емкостью, чем продукт из Примера 3.
Пример 9
2
4
2
4
2
4
4
4
2
4
2
2
2
2
2
Диффузия СО и СН в структуре ЕММ-26 была смоделирована с с помощью метода молекулярно-динамического моделирования в соответствии с установленной методикой, описанной в "Diffusion in Nanoporous Materials" (Диффузия в нанопористых материалах), J. Karger, D.N. Ruthven, D.N. Theodorou, Wiley-VCH, 2012, с. 227 [Karger et al.]. Равновесное молекулярно-динамическое моделирование проводили в устройстве NVT при различных температурах, с применением термостата Nose. Молекулярная модель для молекулы CO была взята из статьи J.J. Potoff, J.I. Siepmann, AlChE Journal, 47 (2001), с. 1676; a молекулярная модель для молекулы СН была взята из статьи C.D. Wick, M.G. Martin, J.L. Siepmann, J. Phys. Chem., В 104 (2000) 8008. Были использованы взаимодействия с кристаллической решеткой цеолита, описанные в статье O. Talu, A.L. Myers, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 187-188 (2001) 83, с применением комбинационных правил Лоренца-Бертло (Lorentz-Berthelot). Было определено, что заряды на кристаллической решетке цеолита составляли Si(+2) и O(-1). Коэффициенты самодиффузии рассчитывали из среднеквадратичного смещения молекул с применением уравнения Эйнштейна (см. Karger et al.). Модели предсказывали величину коэффициента диффузии СО при температуре окружающей среды (~300К) и низких загрузках (<~1 ммоль/г), от 1Е-10 м/с до 1Е-9 м/с. Модели предсказывали значительно более низкий коэффициент диффузии для СН. Оцененный коэффициент диффузии СН составлял порядка 1Е-13 м/с. Это моделирование было проведено в условиях жесткой структуры кристаллической решетки. Предполагают, что при использовании более реалистичной гибкой модели кристаллической решетки, например, как это описано в R. Awati, P.I., Ravikovitch, D.S. Sholl, J. Phys. Chem. C117 (2013) 13462, коэффициент диффузии CH составит порядка от 1Е-12 м/с до 1Е-11 м/с. Результаты моделирования предполагают, что ЕММ-26 должен быть в высокой степени кинетически селективным, с коэффициентами разделения, определяемыми как отношение коэффициентов диффузии CO и СН, более ~10, более вероятно более ~100, а возможно даже более ~500.
В то время как данное изобретение было описано и проиллюстрировано со ссылкой на конкретные примеры воплощения, специалистам будет понятно, что данное изобретение допускает вариации, не обязательно проиллюстрированные в тексте данного описания. Из этих соображений для целей определения истинного объема данного изобретения следует обращаться только к прилагаемой формуле настоящего изобретения.