DD261747A1 - PROCESS FOR PREPARING ALUMINUM-FREE PENTASIL ZEOLITHES AS CATION EXCHANGERS - Google Patents
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Abstract
Die Erfndung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aluminiumfreien, ZSM-5 aehnlichen Pentasilzeolithen als Ionenaustauscher fuer ein- oder mehrwertige Kationen. Aufgrund ihrer anwendungstechnischen Eigenschaften, wie Temperaturbestaendigkeit bis 1 100C, Saeurestabilitaet und Strahlenbestaendigkeit sind sie fuer Ionenaustauschvorgaenge unter komplizierten Bedingungen geeignet. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass aus einem Gel mit Silicasol und Tetrapropylammoniumbromid durch Schuetteln im Autoklaven Kristalle erzeugt werden, die mit Salzsaeure behandelt werden.The Erfndung relates to a process for the preparation of aluminum-free, ZSM-5 similar Pentasilzeolithen as an ion exchanger for mono- or polyvalent cations. Due to their performance properties, such as temperature stability up to 1 100C, Saureestabilitaet and radiation resistance they are suitable for Ionenaustauschvorgaenge under complicated conditions. The essence of the invention is that crystals are generated from a gel with silica sol and tetrapropylammonium bromide by shaking in an autoclave, which are treated with hydrochloric acid.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aluminiumfreien, ZSM-5-ähnlichen Pentasilzeolithen als lonenaustauscherfür ein- und mehrwertige Kationen. Im Unterschied zu den anorganischen Ionenaustauschern vom Faujasittyp in den organischen Austauschharzen besitzen die aluminiumfreien Pentasile solche herausragenden anwendungstechnischen Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit bis 11000C, Säurestabilität gegenüber konzentrierten Mineralsäuren wie z. B. 5n HNO3 und Strahlenbeständigkeit. Die aluminiumfreien Pentasilizeolithe können deshalb vorteilhaft für lonenaustauschvorgänge unter diesen Bedingungen eingesetzt werden. Ein Anwendungsfall ist die Entfernung von radioaktiven Metallionen.The invention relates to a process for the preparation of aluminum-free, ZSM-5-like pentasil zeolites as ion exchangers for mono- and polyvalent cations. In contrast to the inorganic ion exchangers of the faujasite type in the organic exchange resins, the aluminum-free pentasils have such outstanding performance properties such as temperature resistance up to 1100 0 C, acid stability against concentrated mineral acids such. B. 5n HNO3 and radiation resistance. The aluminum-free pentasilizeolites can therefore be used advantageously for ion exchange processes under these conditions. One application is the removal of radioactive metal ions.
Hauptanwendungsgebiet für anorganische Ionenaustauscher, insbesondere die Zeolithe, war die Wasserenthärtung. Auf dem Gebiet der Wasseraufbereitung sind die zeolithischen Austauscher heute jedoch fast vollständig durch organische Austauscherharze verdrängt. Das gilt auch für ihren Einsatz in der Nahrungs- und Genußmittelindustrie, seitdem es möglich ist, Polymerisationsharze ohne geschmacksbeeinträchtigende Substanzen herzustellen.Main field of application for inorganic ion exchangers, in particular the zeolites, was water softening. In the field of water treatment, however, the zeolitic exchangers are today almost completely replaced by organic exchange resins. This also applies to their use in the food and beverage industry, since it is possible to produce polymerization resins without taste-impairing substances.
Eine Renaissance erlebten synthetische anorganische Ionenaustauscher auf dem Waschmittelsektor. Zeolithe vom Typ NaA und NaX werden hierbei in breitem Umfang als Kationenaustauscher in Waschmitteln eingesetzt (z. B. DE 3.301.577, EP 11.963, US 4,438.012). Es erfolgt dabei ein Na+-Ca++ Kationenaustausch zur Enthärtung der Waschlauge.A renaissance experienced synthetic inorganic ion exchangers on the detergent sector. Zeolites of the NaA and NaX type are used here to a large extent as cation exchangers in detergents (eg DE 3,301,577, EP 11,963, US 4,438,012). There is a Na + -Ca ++ cation exchange to soften the wash liquor.
Trotz ihrer vergleichsweise hohen Austauschkapazitäten haben A- und X-Zeolithe über ihren Einsatz als Waschmittelzusatz hinaus nur wenig Verwendung als Ionenaustauscher gefunden. Dafür bestehen die folgenden Ursachen:Despite their comparatively high exchange capacities, A and X zeolites have found little use as ion exchangers beyond their use as detergent additives. There are the following causes:
a) A- und X-Zeolithe neigen wie alle anderen anorganischen Kationenaustauscher sowohl in sauren Wässern (pH < 6,5) als auch in alkalischen Wässern (pH > 8,5) sowie in Wässern mit geringem Kieselsäure- oder Salzgehalt zum Zerfall, meist unter Abgabe von Kieselsäure.a) A- and X-zeolites, like all other inorganic cation exchangers, tend to disintegrate, both in acidic waters (pH <6.5) and in alkaline waters (pH> 8.5) and in waters with a low silica or salt content with release of silica.
b) A- und X-Zeolithe sind nicht temperaturbeständig, bei Temperaturen über 6000C wird das Kristallgefüge zerstört, es bilden sich neue Phasen und amorphe Produkte, Quarz, Christobalit oder Nephelin.b) A and X zeolites are not temperature resistant, at temperatures above 600 0 C, the crystal structure is destroyed, it forms new phases and amorphous products, quartz, Christobalite or nepheline.
c) Faujasite, d.h. Zeolithe vom Typ A und X, mit einem Si/Al-Verhältnis < 1,7 können weder durch H+- noch NHj-Austausch in eine stabile Η-Form überführt werden. Deshalb können im Anwendungsfall als Kationenaustauscher nur Metallionen ausgetauscht werden.c) Faujasites, ie zeolites of type A and X, with an Si / Al ratio <1.7 can not be converted to a stable Η form by H + or NHj exchange. Therefore, in the application as a cation exchanger only metal ions can be exchanged.
d) Im Unterschied zu den polymeren Austauschharzen besitzen die synthetischen Molekularsiebe vom Zeolithtyp auf Grund ihrer Kristallstruktur bereits eine erhöhte Härte. Diese ist jedoch für zahlreiche Anwendungsfälle noch unzureichend. Mit zunehmendem SiO2-Gehalt nimmt die Festigkeit weiter zu, die Austauschkapazität aber ab.d) In contrast to the polymeric exchange resins, the zeolite type synthetic molecular sieves already have an increased hardness due to their crystal structure. However, this is still insufficient for many applications. With increasing SiO 2 content, the strength increases further, but the exchange capacity decreases.
Die genannten Nachteile ließen sich durch Verwendung hochsilikatischer Zeolithe mit einem Si/Al-Verhältnis, das über 100 liegen müßte, zwar beheben — solche, praktisch aluminiumfreien Zeolithe besitzen jedoch kaum Austauschäquivalente (vgl. Tab. 1), da diese bei der üblichen Herstellung von Zeolithen eng mit dem Aluminiumgehalt verbunden sind. Ursache hierfür ist, daß bei zeolithischen Austauschern das Kristallgefüge durch den Einbau von dreiwertigen Metallatomen, vor allem Al3+, an Si-Gitterplätze eine negative Gerüstladung trägt, die von Gegenionen wie K+, Na+ oder Ca2+ kompensiert wird.Although the disadvantages mentioned could be overcome by using highly silicic zeolites with a Si / Al ratio which would have to be more than 100, such virtually aluminum-free zeolites have hardly any exchange equivalents (see Table 1), since these are normally used in the production of Zeolites are closely related to the aluminum content. The reason for this is that in zeolitic exchangers the crystal structure carries a negative framework charge to Si lattice sites through the incorporation of trivalent metal atoms, especially Al 3+ , which is compensated by counterions such as K + , Na + or Ca 2+ .
Tabelle 1 Austauschkapazitäten ausgewählter Zeolithe bei 270C und pH = 7 für Na+-Ionen.Table 1 Exchange capacities of selected zeolites at 27 0 C and pH = 7 for Na + ions.
Die lonenaustauscheigenschaften der Zeolithe werden in einem ganz anderen Sinne genutzt, um Zeolithe für ihren Einsatz als Adsorbenzien und Katalysatoren zu modifizieren. So werden z. B. bei Zeolith A durch den Austausch der Natriumionen gegen die großvolumigen Kaliumkationen die effektiven Porendurchmesser verringert und der Zeolith X wird ein selektives Adsorbenz (z.B. GB 1.574.915, DE 3.035.482). Andererseits kann durch den Austausch der Natriumionen gegen Calciumionen der Porendurchmesser von A-Zeolithen vergrößert werden, da durch die doppelt-positive Ladung des Calcium bestimmte Kationenpositionen in den Zugangsporen der Faujasite nicht mehr besetzt werden (DD 140.450, US 4.354.929). Derartige Porenveränderungen bilden die Grundlage für die technische Verwendung von Zeolithen als Selektivadsorbenzien. Auch als Katalysatoren werden Zeolithe fast ausschließlich nach vorherigem !ionenaustausch eingesetzt. Für die katalytische Aktivität sind insbesondere die sauren Zentren sowie das elektrostatische Feld im Inneren der Poren verantwortlich. Letzteres kann durch den Austausch unterschiedlich geladener Ionen beeinflußt und gesteuert werden, (z. B. US 4.329.531, US 4.326.947). Darüber hinaus lassen sich Platin- oder Palladiumkomplexe in ionischer Form leicht in den Zeolith eintauschen und in situ zu den hydrieraktiven Metallen reduzieren (z.B. US 4.276.151, GB 2.042.490).The ion exchange properties of the zeolites are used in quite a different sense to modify zeolites for use as adsorbents and catalysts. So z. For example, in the case of zeolite A, the replacement of the sodium ions by the large volume potassium cations reduces the effective pore diameters and the zeolite X becomes a selective adsorbent (e.g., GB 1,574,915, DE 3,035,482). On the other hand, by exchanging the sodium ions for calcium ions, the pore diameter of A zeolites can be increased, since the double-positive charge of the calcium makes certain cation positions in the access pores of the faujasites unoccupied (DD 140,450, US 4,354,929). Such pore changes form the basis for the technical use of zeolites as selective adsorbents. Even as catalysts, zeolites are used almost exclusively after prior ion exchange. For the catalytic activity in particular the acidic centers and the electrostatic field inside the pores are responsible. The latter can be influenced and controlled by the exchange of differently charged ions (eg US 4,329,531, US 4,326,947). In addition, platinum or palladium complexes in ionic form are readily exchanged into the zeolite and reduced in situ to the hydrogenation-active metals (e.g., US 4,276,151, GB 2,042,490).
Ziel der Erfindung ist, ein neues bzw. verbessertes Verfahren zur Synthese eines zeolithischen Ionenaustauschers zu entwickeln, der säurestabil und temperaturbeständig ist und über eine vertretbare Austausch kapazität verfügt. In Frage kommen hierfür nur aluminiumfreie Zeolithe. Die für den Ionenaustausch erforderlichen Plätze können durch die gezielte Erzeugung von Strukturdefekten in Form innerer Silanolgruppen geschaffen werden. Diese Silanolgruppen müssen über Austauschkapazität verfügen.The aim of the invention is to develop a new or improved process for the synthesis of a zeolitic ion exchanger, which is acid stable and temperature resistant and has a reasonable exchange capacity. In question come only aluminum-free zeolites. The sites required for ion exchange can be created by the targeted generation of structural defects in the form of internal silanol groups. These silanol groups must have exchange capacity.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen aluminiumfreien ZSM-5-ähnlichen Zeolith vom Pentasiltyp herzustellen, der über eine hohe Konzentration an inneren Silanolgruppen als Kationenaustauschzentren verfügt. Erfindungsgemäß werden die aluminiumfreien, ZSM-5-ähnlichen Zeolithe vom Pentasiltyp mit einer hohen Konzentration an inneren Silanolgruppen durch Kristallisation aus einem Ausgangsgel einer bestimmten chemischen Zusammensetzung durch kontinuierliches Schütteln des Autoklaven während des Kristallisationsvorganges mit Schüttelfrequenzen zwischen 0,01 Hz und 0,5 Hz erhalten. Für die Herstellung des Ausgangsgeles finden eineSilikasollösung (20% bis 50% SiO2), und eine 0,5m bis 2 m Lösung von Tetrapropyiammoniumbromid in Wasser Verwendung. Mit dem Ziel, dieses kostenintensive Tetrapropylammoniumsalz einzusparen, kann ein vergleichsweise hohes Verhältnis von SiO2 zu Tetrapropyiammoniumbromid von 10 bis 50 gewählt werden. Mit 15 bis 35 H2O pro SiO2 stellt das Ausgangsgel eine relativ niedrig kondensierte Phase dar. Das Ausgangsgel wird 10min gerührt und in Autoklaven gefüllt. Die Kristallisation erfolgt bei Temperaturen zwischen 1400C und 2100C, vorzugsweise bei 1700C, in Kristallisationszeiten zwischen 1 und 8 h, vorzugsweise 5 h, wobei der Autoklav kontinuierlich mit Frequenzen zwischen 0,01 Hz und 0,5 Hz, vorzugsweise 0,2Hz, geschüttelt wird. Das erhaltene kristalline Produkt wird gewaschen, 6h bei 5000C in Luft kalziniert und schließlich durch zweifachen H+- lonenaustausch mit 0,5m HCI im Überschuß bei 270C in die für den Ionenaustausch aktive Η-Form überführt. Im Ergebnis der röntgenographischen Bestimmung der Kristallinitätergeben sich in jedem Fall Kristallinitätenüber93%. Benutzt wird hierzu die Cu-Ka-Strahlung, nach der Summationsmethode werden die Peakintensitäten im Diffraktogramm zwischen 20 = 26° und 20 = 29° ausgewertet und mit Standardproben verglichen. Die 29 Si-Festkörperkernresonanz ergibt ein typisches Spektrum für Pentasile mit zahlreichen Strukturdefekten. Mit der hochauflösenden Protonen-Festkörperkernresonanz, der 1H-MAS NMR, werden im erfindungsgemäß hergestellten Zeolith quantitativ die inneren Silanolgruppen bestimmt. Es wird die überraschend hohe Zahl von bis zu 15 x 1020 Silanolgruppen prog gefunden. Diese Silanolgruppen (^Si-OH) befinden sich an Defektzentren im Inneren des Zeolithen, dort, wo durch den erfindungsgemäßen Herstellungsprozeß die Siloxanbindungen (=Si—O—Si=) in einer kontrollierten Weise nicht aufgebaut wurden. Bei der Behandlung der Η-Form des Pentasilzeolith mit Natronlauge zeigten diese Silanolgruppen überraschenderweise lonenaustauscheigenschaften: =Si-OH + NaOH —* =Si-ONa + H2O. Im umgekehrten Fall kann die Na-Form des Zeolithen mit HCI in die Η-Form rückgeführt werden: =Si-ONa + HCI —> =Si-OH + NaCI.The object of the invention is to produce an aluminum-free ZSM-5-like zeolite of the pentasil type, which has a high concentration of internal silanol groups as cation exchange centers. According to the invention, the aluminum-free, ZSM-5-like zeolites of the pentasil type having a high concentration of internal silanol groups are obtained by crystallization from a source gel of a given chemical composition by continuous shaking of the autoclave during the crystallization process with shaking frequencies between 0.01 Hz and 0.5 Hz , For the preparation of the starting gel, use is made of a silica sol solution (20% to 50% SiO 2 ) and a 0.5m to 2 m solution of tetrapropylammonium bromide in water. With the aim of saving this expensive tetrapropylammonium salt, a comparatively high ratio of SiO 2 to tetrapropyiammonium bromide of from 10 to 50 can be selected. With 15 to 35 H 2 O per SiO 2 , the starting gel is a relatively low-condensed phase. The starting gel is stirred for 10 minutes and filled into autoclaves. The crystallization takes place at temperatures between 140 0 C and 210 0 C, preferably at 170 0 C, in crystallization times between 1 and 8 h, preferably 5 h, the autoclave continuously with frequencies between 0.01 Hz and 0.5 Hz, preferably 0.2Hz, shaking. The crystalline product obtained is washed, 6h calcined at 500 0 C in air, and finally by two times the H + - ion exchange transferred with 0.5M HCI in excess at 27 0 C in the active for the ion exchange Η-shape. As a result of the X-ray determination of the crystallinity, in each case crystallinities exceed 93%. For this purpose, the Cu-K a radiation is used; according to the summation method, the peak intensities in the diffractogram between 20 = 26 ° and 20 = 29 ° are evaluated and compared with standard samples. The 29 Si solid state nuclear resonance gives a typical spectrum for pentasils with numerous structural defects. With the high-resolution proton solid-state nuclear resonance, the 1 H-MAS NMR, the internal silanol groups are determined quantitatively in the zeolite prepared according to the invention. It is found the surprisingly high number of up to 15 x 10 20 silanol groups prog. These silanol groups (^ Si-OH) are located at defect centers in the interior of the zeolite, where the siloxane bonds (= Si-O-Si =) were not built up in a controlled manner by the production process according to the invention. In the treatment of the Η-form of the pentasil zeolite with sodium hydroxide solution, these silanol groups surprisingly showed ion-exchange properties: = Si-OH + NaOH - * = Si-ONa + H 2 O. In the opposite case, the Na form of the zeolite can be mixed with HCl in the Η- Be recycled form: = Si-ONa + HCI -> = Si-OH + NaCl.
Aus einer Silicasollösung (30% SiO2) wird ein Ausgangsgel der Zusammensetzung 70SiO2 · 12,5Na2O · 3,5TPABr · 1 650H2O gebildet. Dieses wird nach 10min. Rühren in Autoklaven gefüllt. Die Kristallisation erfolgt bei 1700C unterständigem Schütteln des Autoklaven mit einer Frequenz von 0,2Hz. Nach 5h wird das kristalline Zeolithmaterial entnommen, mehrfach mit destilliertem Wasser gewaschen, bei 5000C 6h kalziniert und durch Ionenaustausch mitO,5n HCI im Überschuß bei 27°Cin die zum Ionenaustausch aktive Η-Form überführt. Die Röntgendiffraktogramme und die 29Si-NMR charakterisieren das erhaltene Material als einen aluminiumfreien ZSM-5-ähnlichen Pentasilzeolith von orthorhombischer Symmetrie mit zahlreichen Strukturdefekten. Die Kristallgröße beträgt 13pm. Mit Röntgenmethoden können keine amorphen Anteile nachgewiesen werden. DIe1H-MAS NMR erlaubt die Aussage, daß insgesamt 5 x 1020Silanolgruppen pro g vorliegen.From a silica solution (30% SiO 2 ), a starting gel of the composition 70SiO 2 .12.5Na 2 O .3.5TPABr. 1 650H 2 O is formed. This will be after 10min. Stirring in autoclave filled. Crystallization is carried out at 170 0 C with constant shaking of the autoclave at a frequency of 0.2 Hz. After 5 h, the crystalline zeolite material is removed, washed several times with distilled water, calcined at 500 0 C for 6 h and transferred by ion exchange with O, 5n HCI in excess at 27 ° C in the ion exchange active Η-form. X-ray diffractograms and 29 Si NMR characterize the resulting material as an aluminum-free ZSM-5-like pentasil zeolite of orthorhombic symmetry with numerous structural defects. The crystal size is 13pm. With X-ray methods no amorphous parts can be detected. The 1 H-MAS NMR allows the statement that a total of 5 x 10 20 silanol groups per g are present.
Anzahl der Silanolgruppen/1020g~1 Kalzinierung der Zeolithe bei 550 0C, 6 h 2,2Number of silanol groups / 10 20 g ~ 1 calcination of the zeolites at 550 0 C, 6 h 2.2
Herstellung der H+- Form aus der kalzinierten Form mit 0,1 mHCI bei 27 "C, 6 h 5,0Preparation of the calcined form H + form with 0.1 mHCl at 27 "C, 6 h 5.0
Herstellung der Na+- Form durch Austausch derH+-FormmitPreparation of the Na + Form by Exchanging the H + Form
0,1m NaOH bei 27 0C, 6 h 2,00.1M NaOH at 27 0 C, 6 h 2.0
Rücktausch der Na+- FormindieH+-Form mit0,1 mHCI beiReverting the Na + - FormindieH + Form to 0.1 mHCl
27°C,6h 5,027 ° C, 6h 5.0
Ein erfindungsgemäß hergestellter aluminiumfreier Pentasilzeolith besitzt 8,5 χ 1020 Silanolgruppen pro g. Dieser Pentasilzeolith wird bei 95°Cfür5h in unverpreßter, d.h. Pulverform, in 0,1 η CsOH eingebracht, die Suspension wird gerührt. Aus der Abnahme der Cs-Konzentration in der Lösung und ihrer Zunahme im Zeolith (chemischer Aufschluß) kann geschlossen werden, daß der Zeolith nach dem Austausch 4,2 χ 1020Cs prog enthält. Durch Behandlung des Zeolithen mit 0,5 η HCI wird das Cs extrahiert, gleichzeitig erhält der Zeolith seine ursprüngliche Austauschkapazität in Form von 8,5 χ 1020 Silanolgruppen pro g zurück und ist zum nächsten lonenaustauschzyklus einsatzbereit.An aluminum-free pentasil zeolite prepared according to the invention has 8.5.10 20 silanol groups per g. This Pentasilzeolith is introduced at 95 ° Cfürfor 5h in unpressed, ie powder form, in 0.1 η CsOH, the suspension is stirred. From the decrease of the Cs concentration in the solution and its increase in the zeolite (chemical digestion), it can be concluded that the zeolite after the exchange contains 4.2 χ 10 20 Cs prog. By treatment of the zeolite with 0.5 η HCl, the Cs is extracted, while the zeolite retains its original exchange capacity in the form of 8.5 χ 10 20 silanol groups per g and is ready for the next ion exchange cycle.
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DD30456787A DD261747A1 (en) | 1987-07-03 | 1987-07-03 | PROCESS FOR PREPARING ALUMINUM-FREE PENTASIL ZEOLITHES AS CATION EXCHANGERS |
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DD (1) | DD261747A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
BE1009465A3 (en) * | 1995-05-04 | 1997-04-01 | Degussa | -CAPROLACTAME MANUFACTURING PROCESS. |
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1987
- 1987-07-03 DD DD30456787A patent/DD261747A1/en not_active IP Right Cessation
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BE1009465A3 (en) * | 1995-05-04 | 1997-04-01 | Degussa | -CAPROLACTAME MANUFACTURING PROCESS. |
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