DE1098929B - Verfahren zur Herstellung kristalliner zeolithischer Molekularsiebe - Google Patents

Verfahren zur Herstellung kristalliner zeolithischer Molekularsiebe

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DE1098929B
DE1098929B DEU6121A DEU0006121A DE1098929B DE 1098929 B DE1098929 B DE 1098929B DE U6121 A DEU6121 A DE U6121A DE U0006121 A DEU0006121 A DE U0006121A DE 1098929 B DE1098929 B DE 1098929B
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zeolite
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silica
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DEU6121A
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Donald Wesley Breck
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Union Carbide Corp
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/20Silicates
    • C01B33/26Aluminium-containing silicates, i.e. silico-aluminates
    • C01B33/28Base exchange silicates, e.g. zeolites
    • C01B33/2807Zeolitic silicoaluminates with a tridimensional crystalline structure possessing molecular sieve properties; Isomorphous compounds wherein a part of the aluminium ore of the silicon present may be replaced by other elements such as gallium, germanium, phosphorus; Preparation of zeolitic molecular sieves from molecular sieves of another type or from preformed reacting mixtures
    • C01B33/2838Zeolitic silicoaluminates with a tridimensional crystalline structure possessing molecular sieve properties; Isomorphous compounds wherein a part of the aluminium ore of the silicon present may be replaced by other elements such as gallium, germanium, phosphorus; Preparation of zeolitic molecular sieves from molecular sieves of another type or from preformed reacting mixtures of faujasite type, or type X or Y (UNION CARBIDE trade names; correspond to GRACE's types Z-14 and Z-14HS, respectively)
    • C01B33/2853Zeolitic silicoaluminates with a tridimensional crystalline structure possessing molecular sieve properties; Isomorphous compounds wherein a part of the aluminium ore of the silicon present may be replaced by other elements such as gallium, germanium, phosphorus; Preparation of zeolitic molecular sieves from molecular sieves of another type or from preformed reacting mixtures of faujasite type, or type X or Y (UNION CARBIDE trade names; correspond to GRACE's types Z-14 and Z-14HS, respectively) of type Y

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Description

  • Verfahren zur Herstellung kristalliner zeolithischer Molekularsiebe Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von bestimmten synthetischen kristallinen zeolithischen Natriumaluminosilicaten vom Molekularsiebtyp, die sich als Adsorptionsmittel eignen. Molekularsiebe sind schon bekannt, z. B. die Zeolithe X und A aus den französischen Patentschriften 1 117 756 und 1117 776.
  • Natürliche kristalline hydratisierte Metallaluminosilikate werden Zeolithe genannt. Zur Unterscheidung von anderen Stoffen wird das hier beschriebene neue synthetische kristalline Natriumaluminosilicat nachstehend als »Zeolith Y<c bezeichnet.
  • Bestimmte Adsorbenzien einschließlich der Zeolithe Y haben die Eigenschaft, Moleküle auf Grund ihrer Größe und Form selektiv zu adsorbieren, und werden daher molekulare Siebe genannt. Derartige molekulare Siebe haben Sorptionsbereiche an der Innenseite einer großen Zahl gleichmäßig großer Poren von molekularen Abmessungen. Bei dieser Anordnung treten Molekel bestimmter Größe und Form in die Poren ein und werden dort adsorbiert, während größere oder anders geformte Molekel ausgeschlossen sind. Nicht alle Adsorbenzien verhalten sich wie molekulare Siebe. Die üblichen Adsorbenzien, wie beispielsweise aktivierte Kohlen und Kieselsäuregele,haben nicht die Wirkungvonmolekularen Sieben.
  • Durch Entwässerung zwecks Entfernung des Hydratwassers entstehen Kristallite, zwischen denen sichKanäle von molekularen Dimensionen mit sehr großen Oberflächenbereichen für die Adsorption von Fremdmolekeln befinden. Faktoren, die die Okklusion durch aktivierte Zeolith-Y-Kristalle beeinflussen, sind die Größe und Polarisierungskraft des Zwischenraumkations, die Polarisierbarkeit und Polarität der okkludierten Molekeln, die Größe und Form der sorbierten Molekeln im Verhältnis zu denen der Kanäle, die Dauer und das Ausmaß der Dehydration und Desorption und die Gegenwart von Fremdmolekeln in den Zwischenraumkanälen. Die abweisenden Eigenschaften von Zeolith Y sind ebenso wichtig wie die adsorptiven oder positiven Adsorptionseigenschaften, wenn wirksame Trennungen erzielt werden sollen.
  • Die chemische Formel für Zeolith Y, ausgedrückt als Molverhältnis der Oxyde, kann wie folgt geschrieben werden 0,9 ± 0,2 Na2O : A1203 : W Si02 : X H2,0. In dieser Formel hat W einen Wert über 3 und unter 5 und X einen Wert bis zu 9.
  • Zeolith Y hat ein charakteristisches Röntgenstrahlen-Beugungsbild, das zur Identifizierung von Zeolith Y dienen kann. Die Röntgendiagramme sind in Tabelle A gegeben. Die Werte für den Zwischenebenenabstand d sind in t1 angegeben und die relativen Intensitäten der Linien des Röntgenstrahlen-Beugungsbildes als sehr stark, stark, mittel, schwach bzw. sehr schwach bezeichnet.
    Tabelle A
    kkl 11,2+k2+121 d in 1@ Intensität
    111 3 14,3 bis 14,4 sehr stark
    220 8 8,73 bis 8,80 mittel
    311 11 7,45 bis 7,50 mittel
    331 19 5,67 bis 5,71 stark
    333,511 27 4,75 bis.4,79 mittel
    440 32 4,37 bis 4,46 mittel
    620 40 3,90 bis 3,93 schwach
    533 43 3,77 bis 3,79 stark
    444 48 3,57 bis 3,59 sehr schwach
    551,711 51 3,46 bis 3,48 sehr schwach
    642 56 3,30 bis 3,33 stark
    553,731 59 3,22 bis 3,24 schwach
    733 67 3,02 bis 3,04 mittel
    660,822 72 2,90 bis 2,93 mittel
    555,751 75 2,85 bis 2,87 stark
    840 80 2,76 bis 2,78 - mittel
    753,911 83 2,71 bis 2,73 schwach
    664 88 2,63 bis 2,65 mittel
    931 91 2,59 bis 2,61 mittel
    844 96 2,52 bis 2,54 sehr schwach
    862; 10, 2, 0 104 2,42 bis 2,44 sehr schwach
    666; 10, 2, 2 108 2,38 bis 2,39 mittel
    775; 11, 1, 1 123 2,22 bis 2,24 sehr schwach
    880 128 2,18 bis 2,20 schwach
    955;971;11,3,1 131 2,16 bis 2,18 sehrschwach
    Fortsetzung Tabelle A'
    hkl 11,2+k2+121 d in A Intensität
    973;11, 3, 3_ : 139 2,10 bis 2,11 schwach
    884; 12, 0, 0 144 2,06 bis 2,07 sehr schwach
    886;10,8,0; 164 1,93 bis 1,94 sehr schwach
    12, 4, 2
    10, 8, 2 168 1,91 bis 1,92 sehr schwach
    995;13, 3, 3 187 1,81 bis 1,82 sehr schwach
    11, 7, 5; 13, 5,1 195 _ 1,77 bis 1,78 sehr schwach
    10, 8, 6; 10, 10, 0; 200 1,75 bis 1,76 schwach
    14, 2,0
    997; 11, 9, 3 211 -1,70 bis 1,71 schwach
    Wird als hauptsächliche Quelle der Kieselsäure ein wäßriges kolloides Kieselsänresol verwendet, kann Zeolith Y aus einem wäßrigen Natriumaluminosilicatgemisch hergestellt werden, dessen Zusammensetzung, ausgedrückt in Molverhältnissen der Oxyde, in einen der in Tabelle B genannten Bereiche fällt.
    Tabelle B
    Bereich 1. Bereich 2 - Bereich 3
    Na2O : Si02 . . . . 0,2 bis 0;4 0,4 bis 0,6 0,6 bis 0,8
    Si02 : AI203 . . . . -10 bis 40*- 10 bis 30 7 bis 30
    H20: Na, 0 .... 25 bis 60. 20 bis 60 20 bis 60
    Die Mischung wird bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 125°C gehalten, . bis sich Kristalle gebildet haben, die von der Mutterlauge abgetrennt werden.
  • Der bevorzugte Bereich der Zusammensetzung, ausgedrückt als Molverhältnisse der Oxyde, bei Verwendung eines wäßrigen kolloiden Kieselsäuresols als Hauptquelle der Kieselsäure ist in Tabelle _C angegeben.
    Tabelle C
    Na2O : SiO2 ....... . . . . . . . . . . . . . . 0,4 bis 0,6
    S'02: A'201 ......... ........... 20 bis 30
    H20: Na20 ......... ............. 20 bis 50
    Die Kristallisation wird am vorteilhaftesten bei einer Temperatur im Bereich zwischen 80 und 125°C durchgeführt. Bei niedrigeren Temperaturen sind die gebildeten Kristalle kleiner als bei höheren Temperaturen.
  • Bei Verwendung von Natriumsilicat als Hauptquelle der Kieselsäure kann Zeolith Y aus einer wäßrigen Natriumaluminosilicatmischung, derenZusammensetzung, ausgedrückt in Molverhältnissen der Oxyde, innerhalb der in Tabelle D genannten Bereiche liegt, hergestellt werden.
    Tabelle D
    Bereich 1 Bereich 2 1 Bereich 3
    Na2O : 5i02 ..... 0,6 bis 1,0 1,5 bis 1,7 1,9 bis 2,1
    5i02 :M203 ..... 8 bis 30 10 bis 30 10
    H,0: Na, 0 .... 12 bis 90 20 bis 90 40 bis 90
    Die vorzugsweise verwendeten Zusammensetzungen für die Herstellung von Zeolith Y aus Natriumsilicat sind in Tabelle E genannt.
    Tabelle E
    Bereich 1 Bereich 2
    Na2O : 5i02 . . . . 0,70 bis 0,90 1,5 bis 1,7
    Si 02:A12 03 . . . : 10 bis 25 10 bis 20
    H20: Na20 .... 12 bis 90 20 bis 90
    Die Kristallisation wird durchgeführt, indem die Reaktionsmischung im Temperaturbereich von 20 bis 125°C gehalten wird, bis sich das kristalline Produkt gebildet hat. Bevorzugt werden Temperaturen von 80 bis 125°C.
  • Im allgemeinen sind bei den niedrigeren Temperaturen etwas längere Kristallisationszeiten erforderlich, als in der Praxis gewöhnlich erwünscht. Der bei diesen niedrigeren Temperaturen erhaltene Zeolith Y pflegt geringere Teilchengrößen zu haben als die bei höheren Temperaturen hergestellten Zeolithe Y.
  • Wird als Hauptquelle der Kieselsäure Natriumsilicat in der wäßrigen Natriumaluminosficatmischung verwendet, liegen die Kieselsäure-Aluminiumoxyd-Verhältnisse (5i02 : A1203) im üblicherweise erhaltenen Zeolith Y im Bereich von über 3 bis zu 3,9. In diesem Bereich ändert sich die. Elementarzellenkonstante der Kristalle von 24,87 bis 24,77 Ä. Werden Zeolithe Y mit Kieselsäure-Aluminiumoxyd-Verhältnissen von über 3,9 gewünscht, müssen als Hauptquelle für die Kieselsäure Stoffe, wie die wäßrigen kolloiden Kieselsäuresole, in den wäßrigen Natriumaluminosilicatmischungen verwendet werden. Beispiel 1 5 g Natriumaluminat, das 30,0 Gewichtsprozent Na20, 44,1 Gewichtsprozent A1203 und 25,9 Gewichtsprozent H20 enthielt, und 22 g Natriumhydroxyd (enthaltend 77,5 Gewichtsprozent Na20) wurden in 89,5 cm3 destilliertem Wasser gelöst. Dieser Lösung wurden 124,2 g eines wäßrigen kolloiden Kieselsäuresols, das 29,5 Gewichtsprozent Si 02 enthielt, zugesetzt. Die erhaltene Mischung, die eine molare Zusammensetzung von 13,9 Na. 0 : Al, 03 : 28,2 5i02 : 471 H20 hatte, wurde gerührt, bis sie homogen war. Das Reaktionsgefäß aus Glas wurde verschlossen und 21 Stunden in ein Dampfbad von 100°C gestellt, um Kristallisation der Reaktionsmischung zu bewirken. Nach beendeter Kristallisation wurden die Feststoffe durch Absaugen von der Mutterlauge getrennt und mit destilliertem Wasser gewaschen, bis der p$-Wert des Waschwassers etwa 10,5 betrug. Das Pulver wurde dann bei 100°C getrocknet. Das Produkt wurde mit Hilfe von Röntgenstrahlenbeugungsbildern als Zeolith Y identifiziert. Die chemische Analyse ergab folgende Zusammensetzung: 0,92 Na20 : 1,00 A1203: 4,00 SiO2 : 7,0 11,0. Das Produkt hatte eine kubische Elementarzelle, deren Röntgendiagramm durch die in Tabelle F genannten Werte gekennzeichnet ist, wobei I die Intensität und d den Zwischenebenenabstand bedeutet.
    Tabelle F
    h2-j-k2+121100I/Imaal d (beob ')
    h2+k2+121100I/Imaxl d (beob .)
    3 100 14,3 75 48 2,858
    8 29 8,75 80 20 2,767
    11 24 7,46 83 7 2,717
    19 44 5,68 88 19 2,638
    27 23 4,76 91 11 2,595
    32 35 4,38 108 13 2,382
    40 12 3,91 128 8 2,188
    43 47 3,775 131 4 2,162
    48 4 3,573 139 8 2,100
    51 9 3,466 144 7 2,063
    56 37 3,308 164 4 1,933
    59 8 3,222 168 5 1,910
    67 16 3,024 195 5 1,772
    72 21 2,917 200 9 1,750
    211 12 1,704
    Beispiel 2 5 g Natriumaluminat, das 30,0 Gewichtsprozent Na, 0, 44,1 Gewichtsprozent A1203 und 25,9 Gewichtsprozent H20 enthielt, und 27,3 g Natriumhydroxyd (enthaltend 77,5 Gewichtsprozent Na20) wurden in 219 cm3 Wasser gelöst. Der Lösung wurden 124,2g eines wäßrigen kolloiden Kieselsäuresols, das 29,5 Gewichtsprozent Kieselsäure enthielt, zugegeben. Die erhaltene Mischung hatte folgende molare Zusammensetzung: 16,9 Na, 0 : A1203 : 28,2 Si 0, : 808 H20.
  • Die Mischung wurde gerührt, bis sie homogen war. Das Reaktionsgefäß wurde dann verschlossen und 3 Stunden bei 120°C in einen Autoklav gestellt. In der Reaktionsmischung bildeten sich Kristalle. Nach beendeter Kristallisation wurden die Feststoffe durch Absaugen von der Mutterlauge getrennt und mit destilliertem Wasser gewaschen, bis der pH-Wert des Waschwassers etwa 10,5 betrug. Das erhaltene Pulver wurde dann bei 100°C getrocknet. Das Produkt wurde durch das Röntgendiagramm als Zeolith Y identifiziert. Die chemische Analyse des Produkts ergab folgende Zusammensetzung: 1,00 Na20 : 1,00 A1203: 3,69 Si 02 : 6,7 H20. Beispiel 3 5,9g Natriumaluminat, das 31,0GewichtsprozentNa20, 45,1 Gewichtsprozent A1203 und 23,0 Gewichtsprozent H20 enthielt, und 14,4 g Natriumhydroxyd (77,5 Gewichtsprozent Na20) wurden in 76,8 cm3 Wasser gelöst. Der Lösung wurden 100 g eines wäßrigen kolloiden Kieselsäuresols, das 31,6 Gewichtsprozent Kieselsäure enthielt, zugegeben. Die erhaltene Mischung hatte folgende molare Zusammensetzung: 8 Na20 : A1203: 20 S'02: 320 H20. Sie wurde gerührt, bis sie homogen war. Das Reaktionsgefäß wurde dann verschlossen und in ein Dampfbad von 100°C gestellt. In der Reaktionsmischung bildeten sich Kristalle. Nach beendeter Kristallisation wurden die Feststoffe durch Absaugen von der Mutterlauge getrennt und mit destilliertem Wasser gewaschen, bis der pH-Wert des abfließenden Waschwassers etwa 10,0 betrug. Das erhaltene Pulver wurde dann bei 100°C getrocknet. Das Produkt wurde durch das Röntgendiagramm als ZeolithY mit Spurenmengen eines anderen synthetischen Zeoliths identifiziert. Die chemische Analyse des Produkts ergab folgende Zusammensetzung: 0,91 Na, 0 :1,00 A1203 : 4,5 S'02 : 8 H20. Beispiel 4 11,5 g Natriumaluminat, das 30,0 Gewichtsprozent Ha20, 46,6 Gewichtsprozent A1203 und 23,4 Gewichtsprozent H20 enthielt, und 6,9g Natriumhydroxyd (77,5 Gewichtsprozent Na20) wurden in 233 cm3 Wasser gelöst. Der Lösung wurden 100 g einer wäßrigen Lösung von Natriumsilicat, das 19,7 Gewichtsprozent Na20 und 36,6 Gewichtsprozent S'02 enthielt, zugegeben. Die erhaltene Mischung hatte folgende molare Zusammensetzung: 9 Na20 : A1203:12 S'02: 314 H20. Sie wurde gerührt, bis sie homogen war. Das Reaktionsgefäß wurde verschlossen und 67 Stunden in einem Dampfbad von 100°C gehalten, um Kristallisation der Reaktionsmischung zu bewirken. Die Feststoffe wurden durch Absaugen von der Mutterlauge getrennt und mit destilliertem Wasser gewaschen, bis der pH-Wert des ablaufenden Waschwassers 10,0 bis 10,5 betrug. Das Pulver wurde bei 100°C getrocknet. Das Produkt wurde durch das Röntgendiagramm als Zeolith Y mit Spurenmengen eines anderen synthetischen Zeoliths identifiziert. Die chemische Analyse ergab folgende Zusammensetzung des Produkts 0,92 Na, 0 : 1,00 A1203 : 3,29 Si 0, : 7 H20. Beispiel 5 7,0gNatriumaluminat, das 30,0Gewichtsprozent Na20, 46,6 Gewichtsprozent A1203 und 23,4 Gewichtsprozent H20 enthielt, und 21g Natriumhydroxyd (77,5 Gewichtsprozent Na20) wurden in 280 cm3 Wasser gelöst. Der Lösung wurden 100 g einer wäßrigen Lösung von Natriumsilicat, das 19,7 Gewichtsprozent Na, 0 und 35,6 Gewichtsprozent Si02 enthielt, zugegeben. Die erhaltene Mischung hatte folgende molare Zusammensetzung: 20 Nag O : Ale 03 : 20 Si 02 : 600 H,0. Sie wurde gerührt, bis sie homogen war. Das Reaktionsgefäß wurde verschlossen und 67 Stunden in einem Dampfbad von 100°C gehalten, um Kristallisation der Reaktionsmischung zu bewirken. Die Feststoffe wurden durch Absaugen von der Mutterlauge getrennt und mit destilliertem Wasser gewaschen, bis der pH-Wert des ablaufenden Waschwassers 10,0 bis 10,5 betrug. Das Pulver wurde bei 100°C getrocknet. Das Produkt wurde durch Röntgenanalyse als Zeolith Y mit Spurenmengen eines anderen synthetischen Zeoliths identifiziert. Die chemische Analyse ergab folgende Produktzusammensetzung: 1,0 Na20 : 1,00 A1203 : 3,4 S'02: 8 H20. Beispiel 6 27,4g Natriumaluminat, das 31,0 Gewichtsprozent Na, 0, 45,1 Gewichtsprozent A1203 und 23,0 Gewichtsprozent 11,0 enthielt, und 95,5g Natriumhydroxyd (77,5 Gewichtsprozent Na20) wurden in 375 cm3 Wasser gelöst. Der Lösung wurden 460 g eines wäßrigen kolloiden Kieselsäuresols, das 31,6 Gewichtsprozent Kieselsäure enthielt, zugegeben. Die erhaltene Mischung hatte folgende molare Zusammensetzung: 11 Na2O : A1203: 20 S'02: 330 11,0. Diese Mischung wurde gerührt, bis sie homogen war. Das Reaktionsgefäß wurde verschlossen und 8 Wochen in einem Wasserbad von 25°C gehalten. In der Reaktionsmischung bildeten sich Kristalle. Nach beendeter Kristallisation wurden die Feststoffe durch Absaugen von der Mutterlauge getrennt und mit destilliertem Wasser gewaschen, bis der pH-Wert des ablaufenden Waschwassers etwa 10,0 betrug. Das erhaltene Pulver wurde bei 100°C getrocknet. Die chemische Analyse ergab folgende Produktzusammensetzung: 1,02 Na, 0 : 1,00 A120, : 3,5 S'02 : 8 H20. Beispiel 7 80g Natriumaluminat, das 30,0 Gewichtsprozent Na, 0, 46,6 Gewichtsprozent A120, und 23,4 Gewichtsprozent H20 enthielt, und 286 g Natriumhydroxyd (77,5 Gewichtsprozent Na20) wurden in 1024 cmg Wasser gelöst. Der Lösung wurden 1840 g eines wäßrigen kolloiden Kieselsäuresols, das 31,6 Gewichtsprozent Kieselsäure enthielt, zugegeben. Die erhaltene Mischung hatte folgende molare Zusammensetzung: 11 Na2O : A12O, : 27 S'02: 366 H20.
  • Sie wurde gerührt, bis sie homogen war. Das Reaktionsgefäß wurde verschlossen und in ein Dampfbad von 100°C gestellt. Im Reaktionsgemisch bildeten sich Kristalle. Nach beendeter- Kristallisation wurden die Feststoffe durch Absaugen von der' utterlauge getrennt und mit destilliertem Wasser gewaschen, bis der pH-Wert des ablaufenden Waschwassers etwa 10,0 betrug. Das erhaltene Pulver wurde bei 100°C getrocknet. Die chemische Analyse ergab eine Produktzusammensetzung von 0,94 Na, 0 : 1,00 A1203 : 4,8 Si 0, : 9 H20. Dieses Produkt hatte eine kubische Elementarzelle, deren Röntgendiagramm durch die Werte in Tabelle G gekennzeichnet ist, wobei I die Intensität und d den Zwischenebenenabstand darstellt.
    Tabelle G
    lthl 1,2+h2+12 100 /,Milz d (neob.)
    in @
    111 3 100 14,3
    220 8 18 8,73
    311 11 12 7,45
    331 19 31 5,67
    333,511 27 13 4,75
    440 32 20 4,37
    620 40 7 3,90
    533 43 30 3,77
    444 48 2 3,57
    551,711 51 3 3,46
    642 56 20 3,30
    553,731 59 4 3,22
    733 67 8 3,02
    660,822 72 11 2,90
    555,751 75 24 2,85
    840 80 8 2,76
    753,911 83 2 2,71
    664 88 8 2,63
    931 91 4 2,59
    844 96 1 2,52
    862; 10, 2, 0 104 1 2,42
    666; 10, 2, 2 108 5 2,38
    775; 11, 1, 1 123 1 2,23
    880 128 3 2,18
    955; 971; 11, 3, 1 131 2 2,16
    866;10, 6, 0 136 1 2,12
    973; 11, 3, 3 139 4 2,10
    984; 12, 0, 0 144 2 2,06
    886; 10, 8, 0 ; 12, 4, 2 164 1 1,93
    10,8 ; 2 168 2 1,91
    977; 11, 7, 3; 12, 3,1 179 1 1,86
    995;13, 3, 3 187 1 1,81
    11,7,5;13,5,1 195 1 1,77
    10, 8, 6; 10, 10, 0; 200 3 1,75
    14,2,0
    997; 11, 9, 3 211 4 1,70
    Beispiel 8 54,8g Natriumaluminat, das 30,0 Gewichtsprozent N,20, 46,6 Gewichtsprozent A1203 und 23,4 Gewichtsprozent 11,0 enthielt, und 191 g Natriumhydroxyd (77,5 Gewichtsprozent N,20) wurden in 750 cm3 Wasser gelöst. Der Lösung wurden 920 g eines wäßrigen kolloiden Kieselsäuresols, das 31,6 Gewichtsprozent Kieselsäure enthielt, zugegeben. Die: erhaltene Mischung hatte folgende molare Zusammensetzung: 11 Nag 0 : Ale 0,: 20 Si 0,: 330 H2 0 Die Mischung wurde gerührt, bis sie homogen war. -Das Reaktionsgefäß wurde verschlossen und in ein Dampfbad von 100°C gestellt. In der Reaktionsmischung bildeten sich Kristalle. Nach beendeter Kristallisation wurden die Feststoffe durch Absaugen von der Mutterlauge getrennt und mit destilliertem Wasser gewaschen, bis der pH-Wert des ablaufenden Waschwassers etwa 10,0 betrug. Das erhaltene Pulver wurde bei 100°C getrocknet. Die chemische Analyse ergab folgende Produktzusammensetzung 1,03 Na, 0 : 1,00 A1203 : 3,8 Si 0, : 8 H20. Das Produkt hatte eine kubische Elementarzelle, deren Röntgendiagramm durch die in Tabelle H angegebenen Werte gekennzeichnet war, wobei I die Intensität und d den Zwischenebenenabstand darstellt.
    Tabelle H
    lekl itt2+k2-;-12 100I/Imaz d (beob,)
    in Ä
    111 3 100 14,3
    220 8 22 8,78
    311 11 17 7,47
    331 19 41 5,68
    422 24 7 5,05
    333,511 27 17 4,78
    440 32 26 4,38
    620 40 10 3,92
    533 43 55 3,78
    551,711 51 5 3,46
    642 56 46 3,31
    553,731 59 10 2,23
    733 67 14 3,03
    660,822 72 26 2,92
    555,751 75 55 2,86
    840 80 22 2,77
    753,911 83 6 2,72
    664 88 20 2,64
    931 91 il 2,60
    844 96 4 2,53
    852; 10, 2, 0 104 2 2,43
    666; 10, 2, 2 108 11 2,39
    775; 11, 1, 1 123 3 2,24
    880 128 9 2,19
    955;971;11,3,1 131 5 2,17
    973; 11, 3, 3 139 7 2,10
    884;12,0,0 144 4 2,07
    886; 10, 8, 0 ; 12, 4, 2 164 2 1,94
    10, 8, 2 168 5 1,91
    995;13,3,3 187 5 1,81
    11, 7, 5; 13, 5, 1 195 4 1,77
    10, 8, 6; 10, 10, 0; 200 8 1,75
    14,2,0
    997;11,9,3 211 10 1,71
    Beispiel 9 8,9g Natriumaluminat, das 30,0 Gewichtsprozent N,20, 46,6 Gewichtsprozent AI203 und 23,4 Gewichtsprozent 11,0 enthielt, und 28,4g Natriumhydroxyd (77,5 Gewichtsprozent N,20) wurden in 421 cm3 Wasser gelöst. Die Lösung wurde in eine Lösung von l00 g Natriumsilicat, das 19,7 Gewichtsprozent N,20 und 36,6 Gewichtsprozent Si02 enthielt, in 420 cm3 Wasser gegeben. Die erhaltene Mischung hatte folgende molare Zusammensetzung 13,5 N,20 : A1203 : 15 Si 02 : 1215 H20.
  • Sie wurde gerührt, bis sie homogen war. Das Reaktionsgefäß wurde verschlossen und 40 Stunden in einem Dampfbad von 100°C gehalten, um Kristallisation der Reaktionsmischung zu bewirken. Das kristallisierte Produkt setzte sich am Boden des Behälters ab, die oben stehende Flüssigkeit war klar. Die Feststoffe wurden durch Absaugen von der Mutterlauge getrennt und mit destilliertem Wasser gewaschen, bis der p$-Wert des ablaufenden Wassers etwa 10 betrug. Das Pulver wurde bei 100°C getrocknet. Das Produkt wurde durch das Röntgendiagramm als Zeolith Y identifiziert. Die chemische Analyse ergab folgende Produktzusammensetzung: 1,0 Na. 0 : 1,00 A1203: 3,87 Si 02 : 7 H20. Zeolith Y kann auch bei Temperaturen bis zu etwa 175°C hergestellt werden, jedoch muß bei einer solchen Synthese die Reaktionsmischung aus einem wäßrigen Kieselsäuresol hergestellt werden. Die Reaktionsmischung soll die in Tabelle I angegebene Zusammensetzung haben.
    Tabelle I
    Na2O : Si02 ..................... etwa 0,6
    Si02 : A1203 ..................... 10 bis 35
    H20: Naz0 ..................... etwa 41
    Die Reaktionsmischung wird bei einer Temperatur von 20 bis etwa 175°C gehalten, bis Kristallisation stattfindet. Die Kristalle werden von der Mutterlauge abgetrennt. Wie bei den anderen Verfahren liegt der bevorzugte Temperaturbereich in der Nähe der oberen Grenzen, um die Kristallisationszeit abzukürzen.
  • Beispiel 10 Als Beispiel für eine Synthese bei höherer Temperatur wurde folgender Versuch durchgeführt: 5,43 g Natriumaluminat und 22,3 g Natriumhydroxyd wurden in 144,2 g Wasser gelöst. Diese Lösung wurde in 100,0 g eines wäßrigen kolloiden Kieselsäuresols, das 29,7 Gewichtsprozent Kieselsäure enthielt, gegeben. Es bildete sich eine Mischung mit folgender molarer Zusammensetzung: 1,22 Na, 0 : A1203 : 20 Si 0, : 496 H20. Die Mischung wurde gerührt, bis sie homogen war. Das Reaktionsgefäß aus Glas wurde in einen Behälter aus nichtrostendem Stahl gestellt, der verschlossen und 5 Stunden in einem Ölbad von 150°C gehalten wurde. In der Reaktionsmischung bildeten sich Kristalle. Nach beendeter Kristallisation wurden die Feststoffe durch Absaugen von der Mutterlauge getrennt und mit destilliertem Wasser gewaschen, bis der pg-Wert des ablaufenden Waschwassers etwa 10,0 betrug. Das Pulver wurde bei 110°C getrocknet. Das Produkt wurde durch das Röntgendiagramm als Zeolith Y identifiziert. Die chemische Analyse ergab folgende Produktzusammensetzung: 0,98 Na, 0 : 1,00 A1203 : 3,65 Si 0, : 5,5 H20. Beispiel 11 5,43 g Natriumaluminat und 22,3 g Natriumhydroxyd wurden in 144,2 g Wasser gelöst. DerLösung wurden 100,0 g eines wäßrigen kolloiden Kieselsäuresols, das 29,7 Gewichtsprozent Kieselsäure enthielt, zugegeben. Die erhaltene Mischung hatte folgende molare Zusammensetzung: 12,2 Nag O : A12 03: 20 Si 0, : 496 HZ O.
  • Die Mischung wurde gerührt, bis sie homogen war. Das Reaktionsgefäß aus Glas wurde in einen Behälter aus nichtrostendem Stahl gestellt, der dann verschlossen und 3 Stunden in einem Luftofen bei 175°C gehalten wurde. Im Reaktionsgemisch bildeten sich Kristalle. Nach beendeter Kristallisation wurden die Feststoffe durch Absaugen von der Mutterlauge getrennt und mit destilliertem Wasser gewaschen, bis der p$-Wert des ablaufenden Wassers etwa 10,0 betrug. Das Pulver wurde bei 110°C getrocknet. Das Produkt wurde durch das Röntgendiagramm als Zeolith Y mit einer geringen Menge eines anderen synthetischen Zeoliths identifiziert. Die Dimension der kubischen Elementarzelle wurde mit 24,79 berechnet.
  • Eine einfache Prüfung, die in »American Mineralogist«, 28, S. 545 (1943), beschrieben ist, ermöglicht eine schnelle Prüfung des Verhältnisses von Silicium zu Aluminium des Zeoliths Y. Gemäß der Beschreibung dieser Prüfung ergeben Zeolithmineralien mit einem dreidimensionalen Netzwerk, das Aluminium- und Siliciumatome im Atomverhältnis von Al: Si = 2 : 3 = 0,67 oder mehr enthält, ein Gel, wenn sie mit Salzsäure behandelt werden. Die meisten Zeolithe mit niedrigerem Verhältnis von Aluminium zu Silicium zersetzen sich in Gegenwart von Salzsäure und bilden gefällte Kieselsäure. Wenn eine Probe von Natriumzeolith-Y-Pulver mit Wasser und Salzsäure gemischt und dann erhitzt wird, scheidet sich gefällte Kieselsäure aus der Lösung ab.
  • Die Kristalle von Zeolith Y bestehen grundsätzlich aus einem dreidimensionalen Gitterwerk von Si 04 und A104 Tetraedern, die durch Vermittlung von Sauerstoffatomen vernetzt sind. Die Elektrovalenz jedes Aluminium enthaltenden Tetraeders ist durch ein in das Aluminiumsilicat-Gitterwerk eingeschlossenes Kation, z. B. durch ein Alkalimetallion, abgesättigt. Die Räume zwischen den Tetraedern sind durch Wassermoleküle besetzt.
  • Die Kristalle können durch Erhitzen, d. h. durch Entfernung des Hydratwassers, aktiviert werden. Zeolith Y kann durch Erhitzen an der Luft oder im Vakuum oder mit anderen geeigneten Gasen aktiviert werden. Für die Aktivierung erwiesen sich Temperaturen von etwa 450°C als ausreichend. Durch die Entwässerung entstehen Kristallite, zwischen denen sich Kanäle von molekularen Dimensionen mit sehr großen Oberflächenbereichen für die Adsorption von Fremdmolekeln und die erneute Adsorption von Wasser befinden.
  • Die Adsorption ist auf Moleküle beschränkt, deren Größe und Form derart sind, daß sie durch die Poren zu den inneren Sorptionsbereichen gelangen können, während alle anderen Moleküle ausgeschlossen sind. Die üblichen Adsorbenzien, wie beispielsweise aktivierte Kohlen und Kieselsäuregel, haben nicht die Wirkung von Molekularsieben.
  • Zeolith Y weist besonders gute Adsorptionseigenschaften auf, wie aus den Adsorptionswerten in Tabelle J ersichtlich ist.
    Tabelle J
    Druck, Temperatur, Gewichts-
    Adsorbat prozent
    mm Hg ° C adsorbiert
    H20 ........... 25 25 35,2
    Co, ........... 700 25 26,0
    n-Pentan ....... 200 25 14,9
    (C4F9)3N ....... 0,07 25 1,1
    (C4H9)3N ...... 0,5 50 21,4
    Krypton ....... 20 -I83 70,0
    Sauerstoff ...... 700 -183 35,7
    Diese Werte wurden wie folgt erhalten: Proben von Zeolith Y, die durch Entwässerung bei einer Temperatur von etwa 350°C im Vakuum aktiviert worden waren, wurden auf ihre Adsorptionseigenschaften untersucht. Die Messungen wurden in einem Adsorptionssystem nach MeBain vorgenommen. Die Zeolithproben wurden in
    leichte .Alt@zniniümbeiiUter gegeben, die-:ag tQuarz£edreia
    hingen ..N.a@ Aktivierüii; =n si_tu wurden. di,e-u unter=
    suchenden- Gase .oder 1)äri@pfe? dexli-.$ystem -zugeführt,
    Die Gewl@litszünghme cj`ea Adsorbens;wurde.,durchdie
    Fcder@üsdehnün ., @,b eles-en, an einem,, Kathetometez
    gemessen.-'In Jer .Tabelle J-ist. der füg J#@de: Adsotiozpn
    angegebene Drück der Druck des Adsorbatsx Unter
    »Gewichtsprozent- adsorbierte ist-, die prozentuale -Ge-
    wichtszunahme. des aktivieüen Asorbens zu, versteheß.
    Wie aus den Adsörgüönswerten m T4belle J'ersichtlich;
    kann Zeälith Y venyen.dei werden, um Moleküle, deren
    kritische Dimension größer ist als die, von Heptacosafluor-
    tributylaMin,. von 14falekülen.mit =geringeren kritischen
    Dimensionen zu trennen. Unter derkritischen Dimension
    eines-Moleküls ist der Durchmesser des kleinsten Zylinders
    zu verstehen, der ein unter Venuendung der besten ver-
    fügbaren van der Waalsschen@Radü,.Bindungswinkel und
    Bindungslängen- konstruiertes Modell. des Moleküls auf-
    -
    nehmen-kann.
    Die hier behandelten.Zeolithe-entwickeln adsorptive Eigenschaften, die im Vergleich zu -denen, bekannter Adsorptionsmittel einmalig-.siiid,. Die- gewöhnlichen Adsörptiönsmittel, wie aktivierte.-Kohle-und Kieselsäuregel, zeigen -selektives@Ädsorptionavermögen, das vornehmlich vom Siedepunkt des Adsorbates abhängt. . Aktivierter Zeolith Y dagegen zeigt Selektivität. auf Grund der Größe und Form der ädsorbierten MölekeL. Unter-den Adsorbatmalekeln, deren Größe und-Form derart sind, daß sie durch Zeolith Y@ adsorbiiert werden, werden die polaren, polarfsierbaren und -üngesättigtgn-bevorzugt adsorbiert.
  • Die Verfahren zur Reaktivierung oder Regeneration des ZeQ11thS Y unterscheiden sich. von den bei gewöhnlichen Adsorptionsmitteln angewendeten. Unter den . Bedingungen der Aktivierung, Reaktivierung oder Regenera= tion, die sich für Zeolith Y als geeignet erwiesen, werden die meisten anderen Adsorptonsmittel entweder teilweise oder vollständig durch die Hitze zerstört oder durch die Luft oxydiert..Die Bedingungen für die Desorption eines Adsorbates von Zeolith Y ändern.sich mit dem Adsorbat; gewöhnlich wird aber eine der folgenden Maßnahmen für sich oder eine Kombination ,mehrerer -dieser Maßnahmen angewendet: Erhöhung der. Temperatur und Verminderung des Drucks, Partialdrucks oder der Konzentration des mit dem Adsörptiönsmittel- in Berührung stehenden Adsorbates. Nach einem anderen Verfahren wird das Adsorhat durch die Adsorption eines anderen, stärker festgehaltenen Adsorbates verdrängt. Beispielsweise kann die Desorption occludierter Moleküle von Zeolith Y durch Waschen mit Wasser oder Spülen mit Dampf oder einem Gas unter Erhitzen oder durch,Behandlung im Vakuum durchgeführt werden.
  • Zeolith Y unterscheidet sich von anderen Molekularsiebtypen durch seine außergewöhnliche Stabilität gegenüber -Dampf bei erhöhten Temperaturen. Auf Grund dieser Eigenschaft eignet sich Zeolitlr Y besonders für Verfahren wie die Gastrocknung, insbesondere in Fälleg, in denen das Adsorptionsmittel zahlreiche Adsorptionen und. Desorptionen aushalten muß. Unter »Stabilität« ist der Grad zu verstehen, in. dem Zeolith Y seine Gleich= gewichtskapazität für die Adsorption von Wasserdampf nach einer Dampfbehandlung bei 350°C für eine be: stimmte Zeit zurückbehält. Diese Zeit beträgt gewöhnlich wenigstens 24 Stunden. Die Stabilität von Zeolith Y gegenüber der Dampfbehandlung wird durch die.Werte
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    - ^ `-22 4 - - . ' 21,4 _ -4 -
    J
    ' Die Röntgenuntersuchung des Zeoliths Y nach der Prüfung zeigte, daß die Dampfbehandlung im wesentlichen keine Veränderung seiner Kristallstruktur bewirkte. Zeolith Y- kann in jeder geeigneten Form als Adsorptionsmittel verwendet werden. Gepulvertes kristallines Material ergibt ebenso ausgezeichnete Resultate wie eine gekörnte Form. Die gekörnten Formen können durch Verpressen.einer -Mischung von Zeolith Y und eines geeigneten Bindemittels, wie Ton, erhalten-werden. '

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: -Verfahren zur Herstellung kristalliner zeolither Molekularsiebe auf der Grundlage von Natriumalunvniumsilicaten der allgemeinen Formel 0,9 :J- 0,2 Na20 : A1203 :'W S102 : X H20 in .der W ein Zahlenwert von mehr als 3 und- kleiner als 5 und X. ein Zahlenwert bis zu 9 ist, mit einem Debye-Scherrer-Diagramm, das im wesentlichen dem in Tabelle A entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß Natriumaluminiumsilicat-Wasser-Mischungen der Zusammensetzunzen Molverhältnisse der Oxyde . Na2O: SiO2 _ f H@O: Na,0 a) 0,20 bis 0;40 10 bis 40: 25 bis 60 b) 0,41 bis 0,60 10 bis 30 20 bis 60 c). 0,61 bis 0,80 7 bis 30 .20 bis 60
    wenn die. Hauptquelle für die Kieselsäure in den Mischungen ein kolloides -Kieselsäuresol ist, oder - - Molverhältnisse der Oxyde - Na20 : Si02 I Si 02: A1203 I H# 0: Na, 0 -d) 0,6 bis. 1,0 8 bis 30- 12 bis 90 e) 1 #I is 0 10 bi is 30 -20 bis 90 ' f).:_' = 1,9: bis.2,I - etwa 1.0 --40.. bis 90 -
    wenn die »äüpt4uelle für die Kieselsäure in en Mischungen Natriumsilicat ist, hydrothermal bei Temperaturen .von 20 bis- 125'C bis zur Kristallbildung behandelt und die gebildeten Kristalle von der Mutterlauge abgetrennt werden.
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