DE10056362A1 - Synthese und Stabilisierung von nanoskaligen Zeolithteilchen - Google Patents
Synthese und Stabilisierung von nanoskaligen ZeolithteilchenInfo
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Abstract
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von Zeolith-Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 1000 nm bereitgestellt, wobei DOLLAR A a) eine Lösung einer Silikat- und/oder Germanat-Quelle und einer Base hergestellt wird, DOLLAR A b) eine Lösung einer Aluminat- und/oder Gallat-Quelle und einer Base hergestellt wird, und DOLLAR A c) die Lösungen a) und b) zusammengegeben, gemischt und umgesetzt werden.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Zeolithe, deren durch
schnittliche Dimensionen im Bereich von Nanometern liegen, und
Verfahren zu ihrer Herstellung. Diese Zeolithe können insbeson
dere nach ihrer Reinigung stabile, kolloidale Suspensionen mit
einer sehr geringen Sedimentationsgeschwindigkeit bilden. Die
Erfindung betrifft insbesondere Verfahren, bei denen nanoskali
ge Zeolithe unter speziellen Bedingungen aus alkalischen Alumi
niumsilicatgelen hergestellt werden, die keine organischen Ba
sen enthalten.
Aluminiumsilicatzeolithe sind eine wohlbekannte Klasse von Mo
lekularsieben, die in vielen chemischen Verfahren Verwendung
finden (D. Breck, "Zeolite Molecular Sieves", John Wiley and
Sons, New York, 1974). Zum Beispiel wird Zeolith A (dessen Syn
these zum Beispiel in der DE 10 95 795 (3.10.1958) beschrieben
wird) seit langem als Ionenaustauscher in Vorrichtungen zum
Weichmachen von Wasser und in Detergenzien verwendet. Im letz
teren Fall dient der Zeolith dazu, einen Teil oder die Gesamtmenge
an anorganischen Phosphatbuildern, wie Natriumtripolyphos
phat, zu ersetzen (E. V. R. Borgstedt, H. S. Sherry, J. P. Slobogin,
"Studies in Surface Science and Catalysis", Bd. 105, 1659-1666,
Elsevier 1997). Zum Beispiel wird in der EP 0 002 960 A1
(27.12.1978) gelehrt, dispergierte Kristalle von Zeolith A mit
einer einheitlichen Teilchengröße zwischen 1 und 10 µm dadurch
herzustellen, daß Natrium-Aluminium-Silicatgele mit einer spe
ziellen Anzahl von gemahlenen Impfkristallen mit einer durch
schnittlichen Teilchengröße von weniger als etwa 0,5 µm ver
setzt werden. Das Patent DE 30 02 278 A1 (23.01.1980) lehrt ein
zweistufiges Verfahren zur Herstellung von Zeolith 4A (die Na
triumform von Zeolith A) mit Teilchengrößen zwischen etwa
2-10 µm, insbesondere zur Verwendung bei Waschmitteldetergenzien.
Ein anderer, interessanter Zeolith für Waschanwendungen ist Zeo
lith P (zum Beispiel wird ein kontinuierliches Herstellungsver
fahren in der WO 96/14270, 07.11.1994 beschrieben).
Zeolith Y ist von großem Interesse als Katalysatorträger, zum
Beispiel bei katalytischer Fluidcrackung. Die US 4,576,807
(18.03.1986) lehrt die Herstellung von Zeolith Y durch Beimpfen
von Natriumsilicat bei Raumtemperatur mit einer geringen Menge
von Zeolith-Y-Impfkristallen, gefolgt von Zugabe von Natriuma
luminat und Erhitzen.
Zeolithkristalle, die unter üblichen Synthesebedingungen herge
stellt werden, weisen oft eine durchschnittliche Teilchengröße
zwischen 1 und 5 µm auf. Die Teilchengrößenverteilung ist im
allgemeinen breit. Für einige Zwecke ist die Verwendung von
kleinen Zeolithteilchen wünschenswert, und oft verbessert sich
die Qualität der Zeolithkristalle, wenn die Kristallgröße ver
ringert wird. Bei einigen Anwendungen wäre es auch nützlich,
wenn die Zeolithteilchen klein genug zur Bildung einer kolloi
dalen Suspension wären. Neben Anwendungen in der chemischen
Verfahrensindustrie können die kleinen Zeolithteilchen als
Impfkristalle bei der Zeolithsynthese verwendet werden, um die
Verfahrensbedingungen und Produkteigenschaften zu steuern. Da
her sind für eine Anzahl von industriellen Anwendungen nanoska
lige Zeolithteilchen mit einer im wesentlichen einheitlichen
reproduzierbaren und steuerbaren Größe erforderlich. Zum Bei
spiel sind kleine Zeolithkristalle in Formulierungen von Wasch
mitteln nützlich, bei denen Weichmachen von Wasser durch
schnellen Ionenaustausch von Calcium und Magnesium, eine größe
re Builder-Kapazität, eine schnellere Suspendierbarkeit, eine
geringere, mechanische Abnutzung der Ausrüstung und verringerte
Rückstände auf dem Gewebe gewünschte Eigenschaften sind. Ferner
werden stabile, kolloidale Suspensionen, die Teilchen mit einer
Sub-Micronteilchengröße erfordern, in flüssigen Waschmitteln
gebraucht. Es wird auch angenommen, daß eine höhere Konzentra
tion an gelöstem Silicat in Gegenwart von kleinen Kristalliten
die Korrosionsverhinderung fördern kann (EP 0 315 282 A1,
04.11.1987). Detergensformulierungen können oft leichter herge
stellt werden, wenn Aufschlämmungen in Sprühtürmen verwendet
werden (in Abhängigkeit von der Entfernung zum Zeolithherstel
ler); dadurch wird die Verwendung von stabilen, kolloidalen Sus
pensionen begünstigt. Wenn die Teilchengröße für die Bildung
von stabilen Suspensionen zu groß ist, werden komplexe Stabili
sierungssysteme einschließlich nichtionischer, grenzflächenaktiver
Mittel (wie Oxoalkohol), Natriumalkylbenzolsulfonat und Polyme
re benötigt, um ein Absetzen zu vermeiden (EP-A-357,989). Da
durch werden die Kosten gesteigert und die Freiheit bei der
Formulierung des Detergens begrenzt.
Im Zusammenhang mit katalytischen Reaktionen führt eine geringe
Kristallgröße zu einem verringerten Diffusionswiderstand (K.
Beschmann, L. Riekert, J. Catal., 1993, 141, 548-565) und
möglicherweise zu einer Verringerung der Deaktivierungsge
schwindigkeit des Zeoliths wegen der Ablagerung von Abrieb auf
der Außenfläche der Kristalle (M. Yamamura, K. Chaki, T. Wa
katsuki, H. Okado, K. Fujimoto, "Zeolites", 1994, 14, 643-649).
Eine Anzahl von Verfahren zur Herstellung von kleinen und Sub-
Micron-Zeolithkristallen werden bereits in der Literatur und in
Patenten beschrieben.
Sub-Micronkristallite von Zeolith 4A und P1 mit einer Größe im
wesentlichen zwischen 100 und 1000 nm werden zur Verwendung in
Flüssigdetergenzien in der EP 0 315 282 A1 (04.11.1987) bean
sprucht. Im Fall von P1 wurde eine heiße Lösung von Natriumalu
minat (bei 90°C) mit einer heißen Lösung Natriummetasilicat
pentahydrat unter heftigem Rühren gemischt, 5 Stunden lang bei
90°C gehalten und dann filtriert. Zur Herstellung von kleinem
Zeolith A wird auf Beispiel 2 in dem deutschen Patent DE 10 95 795
(3.10.1958) Bezug genommen, obwohl dieses Patent kei
ne Teilchengröße angibt. Es wird beansprucht, daß 80 Gew.-% des
Zeolith-A-Produkts kleiner als 800 nm sind. Zeolith P mit einer
geringen Teilchengröße (etwa 50 Gew.-% sind kleiner als
800 nm), der durch Naßmahlen erhalten wurde, wird in der
WO 96/34828 (01.05.1995) beansprucht. Es wird angegeben, daß
Mahlen die Detergenseigenschaften des Zeoliths nicht beein
trächtigt.
Das Patent EP 1 002 764 A1 (02.11.1999) beschreibt ein Verfah
ren zur Herstellung von kleinen Zeotypkristallen (Zeolithe und
verwandte Materialien), das die Herstellung eines Vorläufergels
innerhalb eines porösen Materials mit Poren von weniger als et
wa 100 nm aufweist, zum Beispiel Kohlenstoff oder MgO, oder
Aluminosilicat. Die Synthese von ZSM-5 in Kohlenstoff und MgO
sowie LTA und SOD in Aluminosilicat und SOD in MgAl2O4 wird be
schrieben.
Die Verwendung einer kalten Silicatvorläuferlösung (-9 bis
+10°C) zur Herstellung von kleinen Kristallen von Zeolith Z-14
(einer Form von Zeolith X) wird in der FR 1,566,843
(16.04.1968) beschrieben. Zeolithteilchengrößen zwischen 20 und
100 nm werden beansprucht.
Mono- oder Disaccharide können verwendet werden, um die Kri
stallgröße von Faujasite (Zeolith X und Y) kleinzuhalten, wie
in der US 4,372,931 (08.02.1983) beschrieben. Zu einem üblichen
Aluminiumsilicatreaktionsgemisch, das durch Mischen von wäßri
gen Alkalimetallsilicat- und Alkalimetallaluminatlösungen bei
tiefen Temperaturen erhalten wurde, werden Succhrose, Dextrose
oder andere Saccharide zugegeben, gefolgt von Altern und einer
hydrothermalen Synthese. Kristallgrößen zwischen etwa 30 und
40 nm werden beansprucht; die Produkte werden aber nicht bezüg
lich ihrer kolloidalen Eigenschaften charakterisiert.
In vielen der vorstehenden Patente wird die Herstellung von
kleinen Zeolithteilchen beansprucht. Die Eigenschaften der ent
standenen Suspensionen werden jedoch nicht im Detail darge
stellt. Dieser Punkt wird in zwei jüngeren Patenten für spezi
elle, synthetische Systeme angesprochen.
In der WO 93/08125 (23.10.1991) werden Molekularsiebe bean
sprucht, die Kristalle oder Agglomerate mit einem durchschnitt
lichen Durchmesser von 100 nm oder weniger umfassen. Von diesen
Materialien wird gesagt, daß sie stabile, kolloidale Suspensio
nen von Zeolithen einschließlich MFI, MEL und BEA bilden und
daß sie durch Herstellung einer kochenden, wäßrigen Synthese
mischung aus der Silicatquelle und einem organischen, struk
turdirigierenden Mittel (in der Form eines Hydroxids) in einer
(überschüssigen) Menge hergestellt werden, die ausreicht, um
eine Auflösung des Siliciumdioxids zu bewirken. Die Kristallgröße
wurde durch Wahl der Kristallisationstemperatur (geringe
re Größe bei niedrigerer Temperatur) gesteuert.
In der WO 94/05597 (02.09.1992) werden kolloidale Suspensionen
aus diskreten Teilchen eines Zeoliths aus klaren Aluminosili
catlösungen hergestellt, die mit Tetraalkylammonium stabili
siert sind. Der größere Teil des Alkalis wird als Tetraalkylam
moniumhydroxid (TMAOH) bereitgestellt. Das Aluminium wird als
Tetraalkylammoniumaluminat bereitgestellt und zu einem mit Al
kali stabilisierten Silicagel oder Silicat unter starkem Mi
schen gegeben, gefolgt von einer hydrothermalen Synthese bei
bis zu 100°C und Zentrifugation. Verschiedene Zeolithe wie
Zeolith A, Faujasite, ZSM-2 und Hydroxysodalit werden dadurch
erhalten, daß zusätzliche Metallhydroxidlösung zugegeben wird.
Suspensionen mit einer recht engen Teilchengrößenverteilung mit
einer Durchschnittsgröße von weniger als 250 nm und geringen
Sedimentationsgeschwindigkeiten werden beschrieben. Der Ionen
austausch der Zeolithe in dem Sol mit einem Ionenaustauscher
harz als auch Suspensionen der Teilchen in Ethanol werden eben
falls beschrieben.
Es sei festgestellt, daß sowohl in der WO 93/08125 als auch in
der WO 94/05597 teuere Alkylammoniumsalze in großem Umfang ver
wendet werden, die entweder als strukturdirigierende Mittel
und/oder Stabilisatoren für die Gerüstvorläuferspezies verwen
det werden.
Wie vorstehend dargestellt, kann die Größe der Zeolithkristalle
dadurch beinflußt werden, daß die Ausgangszusammensetzung und
die Kristallisationsbedingungen gesteuert werden. Viele Zeo
lithmaterialien können in Form von kleinen Kristallen herge
stellt werden, bei denen die Größe der Einzelkristalle im Be
reich von Nanometern liegt. Bei typischen Zeolithsynthesen bil
den die Kristalle jedoch Aggregate einer größeren Größe und einer
breiten Teilchengrößenverteilung. Die aus derartigen Pro
dukten hergestellten Suspensionen weisen nicht die Eigenschaf
ten typischer, kolloidaler Suspensionen auf, sondern neigen da
zu, sich abzuscheiden. Die Herstellung von Zeolithteilchen mit
einer nanoskaligen Größe und einer engen Teilchengrößenvertei
lung, die kolloidale Suspensionen bilden können, erfordert üb
licherweise spezielle Bedingungen. Wie vorstehend beschrieben,
sind zum Beispiel große Mengen von organischen, strukturdirigie
renden Mitteln, ein geringer Alkaligehalt, spezielle Silicat-
und Aluminatquellen und klare, homogene Ausgangslösungen verwen
det worden (WO 94/05597, WO 93/08125).
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstel
lung von nanoskaligen (< 1000 nm) Zeolithen bereitzustellen,
die insbesondere nach Reinigung stabile, kolloidale Suspensionen
bilden.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur
Herstellung von nanoskaligen Zeolithen ohne die Verwendung von
(oft teuren und toxischen) organischen, strukturdirigierenden
Mitteln während der Synthese bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, nanoskalige Zeolithe
herzustellen, die insbesondere nach einer Postsynthesebehand
lung stabile, kolloidale Suspensionen bilden.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur
Stabilisierung von kleinen Zeolithteilchen in Form von kolloi
dalen Suspensionen bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur
Herstellung von redispergierbaren, kleinen Zeolithkristallen be
reitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung von
nanoskaligen Zeolith-Teilchen gelöst, das dadurch gekennzeich
net ist, daß
- a) eine insbesondere wäßrige Lösung einer Silicat- oder Germa nat-Quelle und einer Base hergestellt wird,
- b) eine insbesondere wäßrige Lösung einer Aluminat- oder Gal lat-Quelle und einer Base hergestellt wird und
- c) die Lösungen a) und b) zusammengegeben und gemischt und um gesetzt werden
und durch die Bereitstellung von Zeolith-Teilchen, die nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können.
Durch die vorliegende Erfindung wird damit ein Verfahren zur
Herstellung von nanoskaligen Zeolithkristallen bereitgestellt,
die insbesondere nach Reinigung und Stabilisierung typische Ei
genschaften von kolloidalen Dispersionen oder Suspensionen und
insbesondere eine sehr geringe Sedimentationsgeschwindigkeit
aufweisen. Das Syntheseverfahren unterscheidet sich von den in
der Patentliteratur beschriebenen Verfahren (WO 94/05597, WO 93/08125)
insbesondere dadurch, daß dort extensive Mengen von
teueren Alkylammoniumbasen verwendet werden und daß erfindungs
gemäß vorzugsweise die Verwendung von organischen, strukturdiri
gierenden Mitteln vermieden wird.
Vorzugsweise beträgt dabei das molare Verhältnis von Base zu
Silicat- oder Germanat-Quelle in Schritt a) mindestens 2 : 1,
stärker bevorzugt mindestens 7 : 1, noch stärker bevorzugt 10-
20 : 1 und besonders bevorzugt 25-30 : 1, und das molare Verhältnis
von Base zu Aluminat- oder Gallat-Quelle in Schritt b) minde
stens 2 : 1, stärker bevorzugt mindestens 7 : 1.
Vorzugsweise werden als Basen Alkali- und/oder Erdalkalibasen
eingesetzt.
Durch die vorliegende Erfindung werden insbesondere die Bedin
gungen für eine steuerbare Synthese von nanoskaligen Zeo
lithteilchen für Zeolithe identifiziert, die in weitem Umfang
in der Industrie verwendet werden, wie LTA-, FAU- und EDI-
artige Zeolithe.
Eine spezielle Eigenschaft von nanoskaligen Teilchen ist deren
große, äußere Oberfläche. Im Gegensatz zu üblichen Zeolithen,
bei denen die Oberfläche typischerweise im Bereich von einigen
bis zu 20 m2/g liegt, weisen die hier beschriebenen, nanoskali
gen Zeolithe äußere Oberflächen von mehr als 50 m2/g, vorzugs
weise von mehr als 100 m2/g auf.
In einigen Fällen können die Teilchengrößen der Zeolithe immer
noch zu groß für bestimmte, gewünschte Anwendungen sein, und/oder
das Agglomerationsverhalten der entstandenen Zeolithkristalle
muß weiter verbessert werden. Bei diesen Situationen stellt die
Erfindung ein Verfahren zur Reinigung und/oder zur Stabilisie
rung von nanoskaligen Zeolithteilchen bereit. Die Reinigung
kann z. B. dadurch erfolgen, daß ein Teil der Alkali- und/oder
Erdalkaliionen entfernt wird. So können z. B. bis zu 30, vor
zugsweise bis zu 70 und besonders bevorzugt mehr als 90 Gew.-%
der Ionen entfernt werden. Dabei können die kleinen Ionen durch
größere Ionen, wie NH+ 4 ersetzt werden. Die Stabilisierung kann
auch durch Zugabe geringer Mengen (typisch sind 0.05 bis 3 Gew.-%
Dispergiermittel, bezogen auf die Gesamtmenge des Zeo
liths) von grenzflächenaktiven Kopplungsmitteln und/oder geeig
neten, grenzflächenaktiven Mitteln oder Polymeren entweder in
die Syntheselösung c) oder in die gereinigte Suspension d) er
folgen. Die sowohl zur Steuerung der Teilchengröße als auch des
Agglomerationsverhaltens in der Syntheselösung verwendeten Mit
tel umfassen Silankopplungsmittel, wie Aminopropylmethoxysilan,
Glycidyloxypropyltrimethoxysilan, Trimethylmethoxysilan, orga
nische Ester von Phosphon- oder Phosphorsäuren, wie Dimethylme
thylphosphonat oder Dibutylphosphat. Diese Mittel können zu ir
gendeinem geeigneten Zeitpunkt während des Reaktionsverlaufes
zugegeben werden.
Insbesondere nach Reinigung der nanoskaligen Zeolithe können
Dispergiermittel zugegeben werden, um die kolloidalen Suspen
sionen zusätzlich oder alternativ gegen Agglomeration zu stabi
lisieren. Diese Dispergiermittel wirken entweder durch steri
sche Wechselwirkungen, wobei sich gewisse Gruppen wie Alkyl-
oder Oligoethylenoxidketten in das Lösungsmittel erstrecken,
oder durch abstoßende, elektrostatische Kräfte oder durch eine
Kombination davon. Diese Mittel umfassen monomere, grenzflächen
aktive Mittel, wie Metalloleate, Natriumalkylbenzolsulfonat, He
xadecyltrimethylammoniumbromid oder Natrium-N-methyl-N-
oleyllaurat. Polymere sind oft besonders wirksam und umfassen
Homopolymere, wie Poly(ethylenimin), Poly(ammoniumacrylat), Po
ly(aminosäuren) oder Poly(ethylenglykol) und Copolymere, wie
Acrylsäure-Methacrylsäurecopolymer oder Formaldehyd-
Natriumalkylnaphthalinsulfonat. Es geht aus den vorstehenden
Beispielen hervor, daß die Dispergiermittel nichtionische, ka
tionische und anionische, grenzflächenaktive Mittel in monomerer
oder polymerer Form umfassen. Zusätzlich zu den vorstehend er
wähnten Dispergiermitteln ist heute eine große Anzahl von ge
eigneten Dispergiermitteln erhältlich, und Fachleute können ge
eignete Mittel für spezielle Zwecke, wie die Stabilisierung in
Wasser, in organischen Lösungsmitteln oder bei gewissen Teil
chenkonzentrationen, auswählen. Typische Mengen liegen im Be
reich von 0,05 bis 3 Gew.-% Dispergiermittel der Gesamtmenge
des Zeoliths in der Suspension. Repräsentative Beispiele werden
in Z. Amjad, "Dispersion of iron oxide particles in industrial
waters. The influence of polymer structure, ionic charge and
molecular weight. Tenside, Surfactants, Deterg.", 36, 1999,
50-56; S. Wache, J. Plank, I. Moertlbauer, "Wasserlösliche Polyme
re als Dispergiermittel für keramische Suspensionen", DE 198 30 771,
09.07.1998; K. Yoshitake, T. Yokoyama, "Process for pro
ducing hydrophobic organosilica sol", EP 881192, 26.05.1997; J.
Clayton, "Pigment/dispersant interactions in waterbased coa
tings, Pigm. Resin Technol.", 27, 1998, 231-239; A. Dromard, C.
Richard, "Stable aqueous suspensions of precipitated silica
(onium salt dispersants)", EP 368722, 08.11.1988; J. Schmitz, H.
Frommelius, U. Pegelow, H.-G. Schulte, R. Hofer, "A new concept
for dispersing agents in aqueous coatings, Prog. Org. Coat.", 35,
1999, 191-196); P. Calvert, R. Lalanandham, M. Parish, E.
Tormey, "Dispersants in ceramic processing, Br. Ceram. Proc.", 37,
1986, 249-53; und N. Tsubokawa, "Modification of particle sur
faces by grafting of functional polymers, Spec. Publ. - R. Soc.
Chem.", 235, 1999, 36-51 diskutiert.
Somit stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Her
stellung von Zeolithkristallen oder Aggregaten derartiger Kri
stalle nanoskaliger Größe mit einer relativ engen Teilchengrö
ßenverteilung von z. B. ±30%, bevorzugt ±20% bereit, wobei
von Lösungen ausgegangen wird, die Monomere und/oder Silicat-
oder Germanatteilchen geringer Masse und Aluminat- oder Gal
latteilchen enthalten, wobei vorzugsweise wie folgt vorgegangen
wird:
- - Verwendung von Silicat- oder Germanatquellen und Aluminat- oder Gallatquellen, die nach Auflösung vorzugsweise einen Teilchendurchmesser von ≦ 10, stärker bevorzugt ≦ 5 und be sonders bevorzugt ≦ 3 nm aufweisen,
- - Zugabe von Alkali- und/oder Erdalkalibasen in einer Menge, die zur vollständigen Lösung der Silicat- oder Germanat- und Aluminat oder Gallatquellen ausreicht. Vorzugsweise liegen Alkali- und/oder Erdalkalibase und Silicat oder Ger manatquelle im molaren Verhältnis von mindestens 2 : 1, be vorzugt mindestens 7 : 1 vor,
- - heftiges Mischen der Vorläuferlösungen, um ein Synthesege misch mit einer möglichst homogenen Verteilung der Kompo nenten in dem Ausgangssystem herzustellen. Die Teilchen weisen nach dem Mischen eine Teilchengröße von vorzugsweise ≦ 2, besonders bevorzugt ≦ 0,5 mm auf. Meist liegt vor dem Mischen ein Gel vor, das durch das Mischen in dispergierte Teilchen, wie z. B. Flocken, mit einer Teilchengröße von vorzugsweise ≦ 2 mm, besonders bevorzugt ≦ 0,5 mm zerklei nert wird,
- - Kristallisation des Synthesegemisches bei einer mäßigen Temperatur für jeden bestimmten Zeolithen, die zur ge wünschten Teilchengröße führt. Derartige Temperaturen be tragen vorzugsweise 10 bis 60°C, besonders bevorzugt 20 bis 60°C oder 30 bis 60°C,
- - gegebenenfalls Behandlung mit einem grenzflächenaktiven Mittel oder Stabilisierungsmittel.
Erfindungsgemäß werden als Silikat-, Germanat-, Aluminat- und
Gallatquellen Verbindungen bezeichnet, aus denen unter basi
schen Bedingungen Silikate, Aluminate und Gallate freigesetzt
werden können.
Die in dieser Anmeldung erwähnten Teilchengrößen (= Teilchen
durchmesser) können durch dynamische Lichtstreuung bestimmt
werden. Alkali- und Erdalkalisilikate, wie Natriumsilikate und
Silicasole, Aerosile und organische Siliciumkomplexe, wie Sili
ciumalkoxide, sind bevorzugte Silikatquellen und weiter jede Si
likatquelle, die nach Auflösung einen Teilchendurchmesser von
vorzugsweise 10 nm, stärker bevorzugt 5 nm und besonders
bevorzugt ≦ 3 nm aufweist. Entsprechende Germanate etc. sind
bevorzugte Germanatquellen. Die Aluminat- oder Gallatquellen
und/oder die Silikat- oder Germanatquellen und insbesondere das
Silicasol können unabhängig voneinander nach Auflösung z. B.
eine durchschnittliche Teilchengröße von bis zu 50 nm, bevor
zugt bis zu 40 nm, stärker bevorzugt bis zu 10 nm, stärker be
vorzugt bis zu 5 nm und besonders bevorzugt bis zu 3 nm aufwei
sen.
Amorphe Aluminiumhydroxide mit einer geringen Teilchengröße,
Alkalialuminate oder Aluminiumalkoxide sind bevorzugte Alumi
natquellen. Entsprechende Gallate etc. sind bevorzugte Gallat
quellen.
Die Alkalikationen werden in das Synthesegemisch vorzugsweise
in Form eines Hydroxids eingeführt. Bevorzugte Alkalimetalle
sind Natrium und Kalium, aber es ist auch die Verwendung von
Li, Rb, Cs, NH4 und auch die Verwendung von Erdalkalimetallen,
wie Ca, Ba, Sr etc., möglich.
Die Alkali- oder Erdalkalibasen sollten in den Vorläuferlösun
gen in Mengen vorliegen, die die Bildung von Monomeren und Si
licat- bzw. Germanatspezies mit einer geringen Masse (Teilchen
größe nach Auflösung vorzugsweise ≦ 10 nm, stärker bevorzugt
≦ 5 nm und besonderes bevorzugt ≦ 3 nm) ermöglicht. Typischerwei
se wird dazu ein molares Verhältnis von Alkali- und/oder Erdal
kalibasen zum Silicat oder Germanat von 2 : 1 oder mehr erforder
lich sein. Bevorzugte Verhältnisse sind: ≧ 7 : 1. Die Gesamtmenge
des Alkalis in dem Zeolithvorstufensystem sollte vorzugsweise
ausreichen, um die Bildung einer separaten Aluminat- oder Gal
latlösung zu ermöglichen, in der Al(OH)- 4 bzw. Ga(OH)- 4 die do
minante, anionische Spezies ist.
Die Zeolithkristallisation hängt stark von der Natur bzw. dem
Zustand der Silikat- bzw. Germanatspezies in der Vorstufe ab.
Üblicherweise liegen viele verschiedene, anionische Silikat-
bzw. Germanatspezies in den alkalischen Vorstufenlösungen a)
vor, die bei der Zeolithsynthese verwendet werden. Die Art der
Polysilicat- bzw. Polygermanatanionen in einer alkalischen Lö
sung hängt von dem pH-Wert des Systems (z. B. pH 11-14), der
Art des Alkali- und/oder Erdalkalimetalls (z. B. Na+, K+), der
Gegenwart von Aluminium oder einigen Salzen in dem System (z. B.
Na2SO4), der Temperatur (z. B. Raumtemperatur bis 250°C),
der Herkunft der Silikatquelle und anderen Faktoren ab. Es ist
schwierig, eine genaue Kontrolle der Silikat- bzw. Germanata
nionen in den Zeolithvorläuferlösungen zu erreichen. Anderer
seits ist wohlbekannt, daß bei einem hohen pH-Wert Monomere und
Silikatspezies mit einer geringen Masse vorherrschen (R. K.
Iler, "The Chemistry of Silica", John Wiley and Sons, Chiche
ster, 1979).
Im Gegensatz zu den alkalischen Silicat- bzw. Germanatlösungen
ist die Chemie der alkalischen Aluminat- bzw. Gallatlösungen
relativ einfach, wobei Al(OH)- 4 bzw. Ga(OH)- 4 als anionische
Hauptspezies vorliegt (R. M. Barrer "Hydrothermal Chemistry of
Zeolites", Academic Press, London, 1982).
Heftiges Mischen der Alkalisilicat- oder Germanat- und Alumi
nat- oder Gallatlösung, die wie vorstehend beschrieben herge
stellt wurden, führt zu einem Zeolithvorstufengemisch, bei dem
alle Komponenten homogen in Gelteilchen verteilt sind.
Vorzugsweise sind die Silikat- bzw. Germanatquellen und die
Aluminat- bzw. Gallatquellen leicht in der Base löslich. Leicht
löslich sind derartige Quellen z. B., wenn sie unter Rühren nach
spätestens 30 min eine klare Lösung bilden. Derartige Lösungen
weisen z. B. Teilchen mit den vorstehend erwähnten Teilchengrö
ßen auf.
Es ist also gefunden worden, daß dadurch nanoskalige Zeo
lithteilchen mit einer engen Teilchengrößenverteilung erhalten
werden können, daß Alkali- und/oder Erdalkalialuminosilicat-
oder Germanatvorläufergele kristallisiert werden, welche durch
heftiges Mischen von Silicat- oder Germanat- und Aluminat- oder
Gallatlösungen hergestellt wurden, die Silikat- oder Germa
natspezies geringer Masse und Aluminat- oder Gallatspezies ent
halten. Die Zeolithteilchen können erfindungsgemäß eine durch
schnittliche Teilchengröße von ≦ 500 nm, bevorzugt ≦ 300 nm,
stärker bevorzugt ≦ 200 nm, besonders bevorzugt ≦ 100 nm auf
weisen.
Das Verfahren kann dazu verwendet werden, jeglichen Zeolith
oder jegliches zeolithartige Material herzustellen, das aus Al-
kalialuminosilicaten oder -germanaten oder verwandten Gelen
kristallisiert werden kann. Das Zeolithmaterial kann hauptsäch
lich aus Aluminosilikat zusammengesetzt sein, oder es können
Aluminium und/oder Silicium in verschiedenem Ausmaß durch Gal
lium, Germanium, Phosphor, Bor, Titan, Eisen, Chrom, Beryllium,
Vanadium und andere Elemente ersetzt werden. Daher kann das
Synthesegemisch andere Ausgangsmaterialien enthalten, die, wie
für die Synthese der gewünschten Molekularsiebe erforderlich,
eingestellt wurden.
Die Größe der Zeolithteilchen kann dadurch eingestellt werden,
daß die Zusammensetzung des Synthesegemisches (z. B. das Si/Al-
Verhältnis) und auch die Herstellungsparameter (z. B. die Tem
peratur) variiert werden. Der Gehalt an SiO2, GeO2, Al2O3, Ga2O3,
H2O und auch das OH-/SiO2- bzw. OH-/GeO2-Verhältnis weisen eine
starke Wirkung auf die finale Zeolithteilchengröße auf. Gemäß
der vorliegenden Erfindung sollte der Alkali- und/oder Erdalkaligehalt
in den Ausgangslösungen eingestellt werden (z. B. 2 : 1,
7 : 1, 10 : 1, besonders bevorzugt ≧ 12 : 1 wie 15 : 1), um die Lös
lichkeit der Silicat- bzw. Germanat- und Aluminat- bzw. Gallat
quellen zu steuern. Es können die anderen Komponenten jedoch in
einem großen Umfang variiert werden, um die Art und die Größe
der Zeolithteilchen zu steuern. Zum Beispiel kann die Teilchen
größe dadurch variiert werden, daß die Menge an Aluminium oder
Gallium und Wasser in dem System verändert wird. Üblicherweise
führt eine Zunahme des Aluminium- bzw. Galliumgehalts zu einer
Abnahme der Kristallgröße. Die Abnahme des Wassergehalts in dem
System kann eine ähnliche Wirkung aufweisen.
Die erfindungsgemäßen Kristalle oder Aggregate weisen vorzugs
weise Außenoberflächen von ≧ 50, bevorzugt ≧ 100 und stärker
bevorzugt von ≧ 200 m2/g auf.
Heftiges Mischen (z. B. wie vorstehend erwähnt) des Ausgangssy
stems ist ebenfalls ein bedeutender Faktor bei der Herstellung
der nanoskaligen Zeolithteilchen. Wenn alkalische Aluminat- bzw.
Gallat- und Silicat- bzw. Germanatlösungen gemischt werden,
wird üblicherweise schnell ein Gel gebildet. Das Mischen der
beiden Vorläuferlösungen ist zum Erhalt eines homogenen Aus
gangssystems sehr wichtig, das Nanokristalle einer konsistenten
Größe liefern kann. Es sollten vorzugsweise kräftige Rührmittel
(z. B. mit einer Rührgeschwindigkeit von ≧ 500 UpM) eingesetzt
werden, um Inhomogenitäten in dem System zu vermeiden. Die Ein
führungsgeschwindigkeit der Aluminat- bzw. Gallat- und Silicat-
bzw. Germanatlösungen in die Rühreinheit ist ebenfalls von Be
deutung (z. B. schneller als 0,01 l/s, bevorzugt schneller als
0,1 l/s oder schneller als 1 l/s).
Die Kristallisationstemperatur weist eine ausgeprägte Wirkung
auf die finale Kristallgröße auf. Als Regel kann festgestellt
werden, daß geringere Temperaturen zu geringeren Teilchengrößen
führen (z. B. bei Raumtemperatur bis 60°C wird ein Zeolith mit
einem Teilchendurchmesser von 100-400 nm erhalten). Ein Un
terscheidungsmerkmal des in der vorliegenden Erfindung be
schriebenen Systems ist die hohe Reaktivität, die eine Kristal
lisation bei überraschend geringen Temperaturen bei relativ
kurzen Kristallisationszeiten ermöglicht.
Somit kann die finale Größe eines speziellen Zeoliths dadurch
recht genau gesteuert werden, daß eine geeignete Kombination
der die Zeolithteilchengröße steuernden Faktoren ausgewählt
wird.
Beispiele von Molekularsieben, die gemäß dem Verfahren der vor
liegenden Erfindung in Form von stabilen, kolloidalen Suspensio
nen hergestellt werden können, umfassen LTA-, FAU- und EDI
artige Zeolithe, sind aber nicht darauf beschränkt.
Dieses Verfahren erläutert die Herstellung von nanoskaligen
LTA-Kristallen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von
210 nm und mit einer engen Teilchengrößenverteilung.
Die in diesem Experiment verwendeten Reaktanden werden nachste
hend angegeben. Die Masse eines jeden Reaktanden wird in Gramm
angegeben, und die Produktnummer eines jeden Reaktanden wird in
Klammern nach dem Hersteller-/Lieferantennamen angegeben:
Natriumhydroxidpellets (97%) | 47,70 (Aldrich, 22, 146-5) |
Natriumaluminat (53% Al2O3, 44, 5% Na2O) | 10,58 (Riedel-deHaen, 13404) |
Natriumsilicatlösung (27% SiO2, 10% NaOH) | 22,22 (Riedel-deHaen, 13729) |
Destilliertes Wasser | 200,00 |
Zwei Lösungen, ein Natriumaluminat (A) und ein Natriumsilicat
(B) wurden dadurch hergestellt, daß Aluminat- und Silicatquel
len jeweils mit Wasser gemischt und eine geeignete Menge Natri
umhydroxid zugegeben wurde. Die Masse der Reaktanden in Gramm
für jede Lösung betrug:
10,58 NaAlO2 + 74 H2O + 19 NaOH (A),
22,22 Na2Si3O7 + 12 6H2O + 28,7 NaOH (B).
22,22 Na2Si3O7 + 12 6H2O + 28,7 NaOH (B).
Die beiden Lösungen wurden in geschlossenen Gefäßen gerührt,
bis alle Komponenten vollständig gelöst waren. Die Lösung der
Komponenten wurde durch die Klarheit der Lösung angezeigt. Da
nach wurde Lösung (A) zur Lösung (B) unter heftigem Rühren (V =
700 Upm) gegeben und 45 Minuten homogenisiert, solange die Lö
sungen wegen der exothermen Reaktion der Lösung von Natriumhy
droxid noch warm (40-50°C) waren. Das resultierende Gemisch
ist milchweiß mit einer geringen Viskosität.
Die molare Zusammensetzung des Synthesegemisches betrug:
7 Na20 : 0,55 Al2O3 : 1,0 SiO2 : 120 H2O.
Die Synthese wurde in einer Polypropylenflasche 20 Stunden lang
bei 37°C durchgeführt. Das feste Produkt wurde von der Mutter
lauge durch Zentrifugation (V = 15000 Upm während 30 Minuten)
abgetrennt, in destilliertem Wasser unter Verwendung eines Ul
traschallbades redispergiert und danach bei denselben Bedingun
gen zentrifugiert. Das Waschen wurde wiederholt, bis der pH-
Wert des Waschwassers weniger als 9 betrug. Nach dem letzten
Waschschritt wurden die LTA-Kristalle wiederum in destilliertem
Wasser redispergiert und der pH-Wert auf einen Wert zwischen 9
und 10 durch Zugabe von verdünntem NH4OH eingestellt. Die Kri
stalle wiesen keine Neigung zur Sedimentation auf. Ein Röntgen
beugungsdiagramm-Muster, eine Elektronenmicrographie und die
Teilchengrößenverteilung des Produkts werden in Figuren 1, 2
bzw. 3 dargestellt. Die äußere Oberfläche des Produktes wurde
mit der BET-Methode zu 125 m2 bestimmt.
Dieses Beispiel erläutert den Einfluß der Synthesetemperatur
auf die Größe der kolloidalen LTA-Kristalle.
Die in diesem Experiment verwendeten Reaktanden, ihre Herstel
ler-/Lieferantennummer und die Masse eines jeden Reaktanden in
Gramm werden nachstehend angegeben:
Natriumhydroxidpellets (97%) | 180,00 (Aldrich, 22, 146-5) |
Aluminiumhydroxid (79,7% Al(OH)3) | 29,36 (Reheis, 4135) |
Kolloidales Siliciumdioxid (30% in Wasser) | 60,00 (Aldrich, 42,082-4) |
Destilliertes Wasser | 492,00 |
Zwei Lösungen, eine Natriumaluminat-(A)- und eine Natriumsili
cat-(B)-Lösung wurden dadurch hergestellt, daß die vorstehenden
Reaktanden in den folgenden Verhältnissen (in Gramm) gemischt
wurden:
29,36 Al(OH)3 + 182 H2O + 72 NaOH (A),
60 SiO2 (30%) + 310 H2O + 108 NaOH (B).
60 SiO2 (30%) + 310 H2O + 108 NaOH (B).
Die beiden Lösungen wurden in geschlossenen Gefäßen bis zur
vollständigen Lösung aller Komponenten gerührt, was durch die
Klarheit der Lösungen angezeigt wurde. Die Lösungen wurden auf
Raumtemperatur gekühlt und unter heftigem Rühren (V = 800 Upm)
gemischt. Das Gemisch wurde 60 Minuten lang homogenisiert. Die
molare Zusammensetzung des Reaktionsgemisches betrug:
7,5 Na2O : 0,50 Al2O3 : 1,0 SiO2 : 100 H2O.
Das Synthesegemisch wurde in vier gleiche Portionen unterteilt,
die bei 60°C 2 Stunden lang, bei 40°C 8 Stunden lang, bei
33°C 24 Stunden lang und bei 18-22°C 7 Tage lang kristalli
siert wurden. Die Synthesen wurden in Plastikflaschen durchge
führt. Die Produkte wurden gereinigt und, wie vorstehend be
schrieben, stabilisiert. Kleine Teile der Zeolithsuspensionen
wurden bis zur Trockene verdampft und durch Röntgenbeugungsdia
gramm analysiert. Alle Diffraktogramme wiesen das für Zeolith A
typische Beugungsmuster auf. Die SEM-Proben wurden durch Ver
dampfen von einigen Microlitern der stark verdünnten LTA-
Suspensionen auf einem SEM-Probenträger hergestellt. Der Unter
schied der Größe der LTA-Kristalle, die bei verschiedenen Tem
peraturen erhalten wurden, kann in Figur 4 beobachtet werden.
Die DLS-(Dynamische Lichtstreuung)-Daten der bei 33°C herge
stellten Probe werden in Figur 5 gezeigt. Die äußere Oberfläche
der bei 33° erzeugten Probe war 130 m2/g.
Dieses Beispiel erläutert die Herstellung von nanoskaligen FAU-
Kristallen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa
300 nm.
Eine Syntheselösung mit einer molaren Zusammensetzung von:
5 Na2O : 0,2 Al2O3 : 1,0 SiO2 : 200 H2O
wurde dadurch hergestellt, daß die nachstehend angegebenen Re
aktanden gemischt wurden. Die Masse eines jeden Reaktanden wird
in Gramm angegeben und die Produktnummer eines jeden Reaktanden
in Klammern nach dem Hersteller-/Lieferantennamen angegeben:
Natriumhydroxidpellets (97%) | 40,00 (Aldrich, 22, 146-5) |
Aluminiumhydroxid (79,7% Al(OH)3) | 3,91 (Reheis, 4135) |
Kolloidales Siliciumdioxid (30% in Wasser) | 20,00 (Aldrich, 42,082-4) |
Destilliertes Wasser | 346,00 |
Die Masse eines jeden Reaktanden in Gramm für beide Ausgangslö
sungen wird nachstehend angegeben:
3,91 Al(OH)3 + 20 H2O + 10 NaOH (A),
20 SiO2(30%) + 120 H2O + 30 NaOH (B).
20 SiO2(30%) + 120 H2O + 30 NaOH (B).
Die Ausgangsgemische wurden in geschlossenen Gefäßen gerührt,
bis klare Lösungen erhalten wurden. Lösungen (A) und (B) wurden
mit 80 bzw. 126 Gramm destilliertem Wasser verdünnt. Die klaren
Lösungen wurden unter heftigem Rühren (V = 600 Upm) gemischt
und 50 Minuten lang homogenisiert. Vor der Synthese wurde das
Gel in eine Polypropylenflasche überführt und 24 Stunden lang
bei Raumtemperatur gealtert. Die Kristallisation wurde in der
selben Plastikflasche 17 Stunden bei 80°C durchgeführt. Der
Feststoff wurde von der Mutterlauge abgetrennt und, wie vorste
hend beschrieben, gereinigt. Das Röntgenbeugungsmuster der Probe
und eine Elektronenmicrographie werden in den Figuren 6a und b
gezeigt. Die Teilchengrößen und die Teilchengrößenverteilung
werden in Figur 7 gezeigt.
Dieses Beispiel erläutert die Herstellung von nanoskaligen FAU-
Kristallen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa
230 nm.
Eine Syntheselösung mit einer molaren Zusammensetzung von:
3,8 Na2O : 0,2 Al2O3 : 1,0 SiO2 : 150 H2O
wurde durch Mischen der nachstehend angegebenen Reaktanden her
gestellt. Die Masse eines jeden Reaktanden wird in Gramm ange
geben, und die Produktnummer eines jeden Reaktanden wird in
Klammern nach dem Hersteller-/Lieferantennamen angegeben.
Natriumhydroxidpellets (97%) | 30,40 (Aldrich, 22, 146-5) |
Aluminiumhydroxid (79,7% Al(OH)3) | 3,91 (Reheis, 4135) |
Kolloidales Siliciumdioxid (30% in Wasser) | 20,00 (Aldrich, 42,082-4) |
Destilliertes Wasser | 256,00 |
Die Masse eines jeden Reaktanden in Gramm für die Ausgangslö
sungen war wie folgt:
3,91 Al(OH)3 + 20 H2O + 9 NaOH (A),
20,0 SiO2 (30%) + 80 H2O + 21,4 NaOH (B).
20,0 SiO2 (30%) + 80 H2O + 21,4 NaOH (B).
Die Ausgangsmischungen wurden in geschlossenen Gefäßen gerührt,
bis klare Lösungen erhalten wurden. Lösungen (A) und (B) wurden
mit 60 bzw. 96 g destilliertem Wasser verdünnt. Die klaren Lö
sungen wurden unter heftigem Rühren (V = 600 Upm) gemischt und
70 Minuten lang homogenisiert. Das Gel ließ man 20 Stunden bei
Raumtemperatur altern und erhitzte es danach 24 Stunden lang
auf 60°C. Das Röntgenbeugungsmuster des gereinigten Feststof
fes ist typisch für FAU-artige Materialien. Röntgenbeugungsmu
ster, Elektronenmicrographie und DLS-Teilchengrößenverteilung
für die Probe werden in Figuren 8, 9 bzw. 10 gezeigt.
Dieses Beispiel erläutert die Herstellung von nanoskaligen EDI-
artigen Kristallen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße
von etwa 400 nm.
Die in diesem Experiment verwendeten Reaktanden werden nachste
hend angegeben. Die Masse eines jeden Reaktanden wird in Gramm
angegeben, und die Produktnummer eines jeden Reaktanden wird in
Klammern nach dem Hersteller-/Lieferantennamen angegeben.
Natriumhydroxidpellets (97%) | 60,00 (Aldrich, 22, 146-5) |
Kaliumhydroxidpellets (85%) | 126,00 (Aldrich, 30, 656-8) |
Aluminiumhydroxid (79,7% Al(OH)3) | 24,47 (Reheis, 4135) |
Kolloidales Siliciumdioxid (30% in Wasser) | 50,00 (Aldrich, 42, 082-4) |
Destilliertes Wasser | 396,00 |
Die Ausgangslösungen wurden dadurch hergestellt, daß die fol
genden Reaktanden (in Gramm) gemischt wurden:
24,47 Al(OH)3 + 150 H2O + 30 NaOH + 50 KOH (A),
50 SiO2(30%) + 246 H2O + 30 NaOH + 76 KOH (B).
50 SiO2(30%) + 246 H2O + 30 NaOH + 76 KOH (B).
Die beiden Lösungen wurden in geschlossenen Gefäßen bis zur
vollständigen Lösung aller Komponenten gerührt, was durch die
Klarheit der Lösungen angezeigt wurde. Die Lösungen wurden auf
Raumtemperatur abgekühlt und unter heftigem Rühren (V = 800 Upm)
gemischt. Das Gemisch wurde 120 Minuten lang homogeni
siert. Die molare Zusammensetzung des Synthesegemisches betrug:
3,8 K2O : 3,0 Na2O : 0,50 Al2O3 : 1,0 SiO2 : 100 H2O.
Die resultierende, milchweiße Suspension wurde in eine Plastik
flasche überführt und 30 Stunden auf 60°C erhitzt. Der Fest
stoff wurde von der Mutterlauge abgetrennt und, wie vorstehend
beschrieben, behandelt. Das trockene Produkt wurde als ein EDI-
artiger Zeolith (K-F) mit Röntgenbeugungsmustern (Figur 11)
identifiziert. Die Teilchengrößenverteilung wird in Figur 12
angezeigt.
Um die kolloidale Stabilität der Zeolithsuspensionen noch wei
ter zu verbessern, wurde nach der Synthese eine hydrothermale
Behandlung durchgeführt. Die in Beispiel 1 hergestellte, gerei
nigte Zeolith-A-Suspension (2,2 Gew.-% Zeolith) wurde mit 0,5 M
NH3-Lösung behandelt. 50,0 g der Zeolithsuspension wurden mit
50,0 g NH3-Lösung gemischt und 20 Stunden lang auf 60°C er
hitzt. Nach der hydrothermalen Behandlung wurde der Feststoff
von der Flüssigkeit durch Zentrifugation entfernt (V = 15.000 UpM,
30 min) in destilliertem Wasser unter Verwendung eines Ul
traschallbades redispergiert und danach bei denselben Bedingun
gen zentrifugiert. Das Waschen wurde wiederholt, bis der pH-
Wert des Waschwassers unter 9 lag. Nach dem letzten Wasch
schritt wurden die LTA-Kristalle wiederum in destilliertem Was
ser redispergiert und der pH-Wert durch Zugabe einer 0,1 M NH3-
Lösung auf einen Wert zwischen 9 und 10 eingestellt. Auch nach
dem sie mehrere Wochen bei Raumtemperatur gestanden hatten,
wiesen die nanoskaligen Zeolithteilchen keine Tendenz zur Ab
scheidung auf. Ein Teil der Suspension wurde bis zur Trocknung
eingedampft. Das Röntgenbeugungsmuster des Feststoffs ist ty
pisch für LTA-artige Materialien. Die Intensität der Peaks war
der der Ausgangsmaterialien ähnlich.
Eine weitere Verbesserung der kolloidalen Stabilität der
nanoskaligen Zeolithkristalle kann durch Anwendung von grenz
flächenaktiven Mitteln erreicht werden. Ein Teil der Suspensi
on, die nach der Synthese einer hydrothermalen Behandlung (Bei
spiel 6) unterzogen worden war, wurde in diesem Experiment ver
wendet. 10,0 g Suspension, die 0,75 Gew.-% Zeolith A enthielt,
wurden mit 1,0 g einer 0,025 M-Lösung von Brij 76
(C18H37(OCH2CH2)10OH), die von Aldrich geliefert wurde, gemischt.
Nach kurzem Mischen wurde die Lösung in eine Plastikflasche
überführt. Nachdem sie einen Monat bei Raumtemperatur gestanden
hatte, wies die Suspension keine Neigung zum Abscheiden auf.
Claims (29)
1. Verfahren zur Herstellung von Zeolith-Teilchen mit einer
durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 1000 nm,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) eine Lösung einer Silikat- und/oder Germanat-Quelle und einer Base hergestellt wird,
- b) eine Lösung einer Aluminat- und/oder Gallat-Quelle und einer Base hergestellt wird und
- c) die Lösungen a) und b) zusammengegeben, gemischt und umgesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
keine Alkylammoniumionen oder andere organische,
strukturdirigierende Mittel eingesetzt werden.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß
in Schritt a) das molare Verhältnis von Base zu Silikat-Quelle mindestens 2 : 1 beträgt und daß
in Schritt b) das molare Verhältnis von Base zu Aluminat- Quelle mindestens 2 : 1 beträgt.
in Schritt a) das molare Verhältnis von Base zu Silikat-Quelle mindestens 2 : 1 beträgt und daß
in Schritt b) das molare Verhältnis von Base zu Aluminat- Quelle mindestens 2 : 1 beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Basen Alkali- und/oder Erdalkalibasen
sind.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß
- 1. die Mischung c) gereinigt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mischung c) oder die gereinigte
Mischung d) stabilisiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Stabilisierung durch Zugabe mindestens eines
Stabilisierungsmittels, wie eines grenzflächenaktiven
Kopplungsmittels und/oder eines grenzflächenaktiven Mittels
oder Polymeren, zu der Mischung c) oder zu der gereinigten
Mischung d) erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittel Silankopplungsmittel, wie Aminopropyltrimethoxysilan,
Glycidyloxypropyltrimethoxysilan, Trimethylmethoxysilan oder
organische Ester von Phosphon- oder Phosphorsäure, wie
Dimethylmethylphosphonat oder Dibutylphosphat, sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß eine zusätzliche oder alternative
Stabilisierung durch Zugabe mindestens eines Dispergiermittels
zur gereinigten Mischung d) erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dispergiermittel nichtionische, kationische oder anionische,
grenzflächenaktive Mittel in monomerer, oligomerer oder
polymerer Form sind.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch .
gekennzeichnet, daß die Teilchen eine durchschnittliche
Teilchengröße von weniger als 500 nm aufweisen.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Teilchen eine Teichengrößenverteilung
von maximal ± 30% aufweisen.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Teilchen oder Aggregate
Außenoberflächen von mehr als 50 m2/g aufweisen.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Silikat-Quelle aus alkalischen
und/oder erdalkalischen Silikaten, Silicasols, Aerosilen oder
organischen Silicium-Komplexen, wie Siliciumalkoxiden,
ausgewählt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
das Silicasol eine durchschnittliche Teilchengröße von maximal
100 nm aufweist.
16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Aluminat-Quelle ausgewählt wird aus
Alkalialuminaten, Aluminiumalkoxiden oder amorphen
Aluminiumhydroxiden.
17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Silikat-Quelle und die Aluminat-Quelle
leicht in der Base löslich sind.
18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Basen in einer Menge zugegeben werden,
daß die Silikat-Quelle bzw. die Aluminat-Quelle vollständig
gelöst wird.
19. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in den Schritten a), b) und c) heftig
gemischt wird.
20. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß Schritt c) bei einer Temperatur im Bereich
von 10 bis 60°C durchgeführt wird.
21. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in Schritt a) und/oder b) zusätzlich
Quellen von Gallium-, Germanium-, Phosphor-, Bor-, Titan-,
Eisen-, Chrom-, Beryllium-, Vanadium- oder anderen Metallionen
zugesetzt werden.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
die Quellen Oxide der Metalle sind.
23. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß Schritte a) und b) bei einem pH-Wert im
Bereich von 11 bis 14 durchgeführt werden.
24. Nanoskalige Zeolith-Teilchen, erhältlich nach einem
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
25. Kolloidale Suspensionen, die nanoskalige Zeolith-Teilchen
nach Anspruch 24 enthalten.
26. Verwendung der nanoskaligen Zeolith-Teilchen und/oder
deren kolloidaler Suspensionen nach einem der Ansprüche 24
oder 25 als Ionenaustauscher, Molekularsiebe, Katalysatorträger,
Detergentien oder Saatkristalle bei der Zeolith-
Synthese.
27. Verwendung der nanoskaligen Zeolithteilchen und/oder deren
kolloidaler Suspensionen nach einem der Ansprüche 24 oder 25
in porösen Membranen.
28. Verwendung der nanoskaligen Zeolithteilchen und/oder deren
kolloidaler Suspensionen nach einem der Ansprüche 24 oder 25
als Pigmente oder Pigmentträger.
29. Verwendung der nanoskaligen Zeolithteilchen und/oder deren
kolloidaler Suspensionen nach einem der Ansprüche 24 oder 25
als Vorstufen für keramische Materialien.
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