DE2143638A1 - Verfahren zur Herstellung von Zeolithen faujasitischen Typs mit Natrium- und Kaliumkationen und die durch dieses Verfahren gewonnenen Zeolithe - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Zeolithen faujasitischen Typs mit Natrium- und Kaliumkationen und die durch dieses Verfahren gewonnenen ZeolitheInfo
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- C01B33/2838—Zeolitic 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)
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Description
2U3638
Dr.-!ng. R. B E E T Z Jr.
8 München 22, Steinsdorfetr. 10
500-17.478P 31.8.1971
AZOTE et PRODUITS CHIMIQUES S. A. 1^3, Route d'Espagne, 31 Toulouse
Verfahren zur Herstellung von Zeolithen faujasitischen Typs mit Natrium- und
Kaliumkationen und die durch dieses Verfahren gewonnenen Zeolithe
Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Zeolithen faujasitischen Typs mit Na - und
K+-Kationen und die durch dieses Verfahren gewonnenen
Zeolithe. Es ist bekannt, daß Zeolithe natürliche kristalline Aluminosilikate sind, die aus einem Raumnetz aus
SiO^- und AlOj,-Tetraedern aufgebaut sind, bei welchen jeweils
ein Sauerstoffatom zwei Tetraedern gemeinsam ist.
Die negativen Überschußladungen der AlOj,-Tetraeder werden durch Kationen eines Alkali» oder Erdalkalimetalls neutralisiert«
Aufgrund der regelmäßigen Anordnung der SiOj- und AlO^-Tetraeder weist die Struktur der Zeolithe Hohl-
5OO-(2O3/M32)All-HaTp-r (7)
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zellen und Höhlungen von Molekülgröße auf, die unter sich durch Kanäle verbunden sind, welche Wasser und austauschbare
Neutralisierungskationen enthalten. Im dehydratisierten oder aktiven Zustand adsorbieren die Zeolithe selektiv
die Moleküle, deren Größe mit den Abmessungen der Kanäle
kompatibel ist. Diese Eigenschaft hat ihnen die Bezeichnung "Molekülsiebe" eingetragen.
kompatibel ist. Diese Eigenschaft hat ihnen die Bezeichnung "Molekülsiebe" eingetragen.
^ Die allgemeine Formel der Zeolithe kann nach folgender
Weise geschrieben werden:
U2ZnO; Al2O3; ySiO2; ZH3O
M steht für ein oder mehrere Metalle, η bedeutet deren Wertigkeit, y und ζ geben die Zahl der Mole von SiO» und
H2O an. . .
H2O an. . .
Die Molekülsiebe werden in zahlreichen industriellen Verfahren benutzt: Austausch von Ionen, selektive Adsorption,
katalytische Umwandlung von organischen Molekülen
und insbesondere Konversion von Kohlenwasserstoffen.
und insbesondere Konversion von Kohlenwasserstoffen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Zeolithen, welche eine dem natürlichen Faujasit
analoge Struktur haben, d, h. ein kubisch flächenzentriertes Kristallgitter mit einer Gitterkonetante a zwischen
24,5 und 25 A*.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten Herstellung eines Faujasites, welcher K+-Ionen
und Na+-Ionen enthält und mit Siliziumdioxyd angereichert ist.
und Na+-Ionen enthält und mit Siliziumdioxyd angereichert ist.
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Bisher wurden die Zeolithe dieses Typs in einem zweistufigen Verfahren hergestellt. In einer ersten Stufe wurde
durch Kristallisation von Mischungen aus SiO9, AIpO-,
Na 0 und HpO ein Faujasit erzeugt, der nur Na -Ionen enthielt;
dann führte man in diesen Faujasiten durch Kationenaustausch K+-Ionen ein· Es handelt sich um ein langwieriges
und kompliziertes Verfahren. Man hat außerdem vorgeschlagen, Faujasite mit Na und K durch direkte Synthese zu
erzeugen, aber bislang hat man nur Faujasite erhalten, in welchen das Verhältnis SiOg/AlgO- verhältnismäßig klein ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein direktes Herstellungsverfahren anzugeben, welches gestattet, Faujasite mit Na - und K -Ionen zu erzeugen, welche
im dehydratisierten Zustand die folgende Molekülzusammensetzung haben:
1 ί 0,15 [xK20; (1"X) Na2°]; A12°3; 2·9 " °'6 Si02« wobei
x zwischen 0,1 und 0,8 schwankt.
Sie sollen also einen höheren Siliziumdioxydgehalt als die Zeolithe desselben Typs haben, die bislang durch Direktsynthese
erzeugt wurden, bei welchem das Molekülverhältnis 2,25 nicht überschreitet.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, mit dem diese Aufgabe gelöst wird, werden die Zeolithe aus einer amorphen
Mischung kristallisiert, welche SiO2, AlgO«, Na3O, KgO und
H2O in den in der folgenden Tabelle I angegebenen molaren
Mischungsverhältnissen enthält.
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Mol-Verhältnisse | möglicher | Bereich | bevorzugter | Bereich | 6 | 5 |
SiO2Al2O3 | 2,5 | - 8 | 3 | 6, | 6 | |
Na£0 + K2O/A12O3 | 3 | -8 | 3,5 - | O1 | 200 | |
K20/Na20 + K2O | 0,05 | - 0,7 | 0,1 - | |||
H2OAl2O3 | 75 | - 300 | 100 - |
Obwohl die erfindungsgemäßen Zeolithe an Siliziumdioxyd
angereichert sind, werden sie aus amorphen Mischungen kristallisiert, deren Siliziumdioxydgehalt verhältnismäßig
schwach ist: Wie aus Tabelle I ersichtlich, übersteigt das Mol verhältnis von SiO2AIp0I ni°ht den Wert u.
Erfindungsgemäß wird die amorphe Mischung nach folgender
Weise hergestellt: In einer ersten Stufe erzeugt man ein Natrium- und/oder Kalium-Aluminosilikatgel aus einer
Mischung, deren Zusammensetzung durch die in Tabelle II angegebenen MolVerhältnisse bestimmt ist.
Mol-Verhältnisse | mögliche Miach- verhältnisse |
bevorzugte Misch verhält nie se |
SiO2Al2O3 Na2O + K2OAl2O3 H2OAl2O3 |
1,5 - 3 0,8 - 3,5 75 - 300 |
2-2,5 1-3 100 - 200 |
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Um dieses erste Gel herzustellen, wird eine Lösung von Silikat durch Auflösung von Siliziumdioxyd in Soda und/oder
Pottasche oder dadurch hergestellt, daß man Lösungen von Natrium- oder Kaliumsilikat, die bereits vorbereitet sind,
wie z. B. Wasserglas oder Metasilikat miteinander vermischt. Der so erhaltenen Silikatlösung gibt man anschließend unter
Umrühren eine wäßrige Natriumaluminatlösung in dem in Tabelle 2 angegebenen Verhältnis zu. Die Aluminatiösung
wird vorzugsweise bei normaler Temperatur zugefügt. Die beiden Lösungen werden unter Umrühren vermischt, bis das
entstandene Gel gut homogen ist. Das so erhaltene Gel kann dann direkt der zweiten Stufe des Verfahrens zugeführt werden.
Es wird dazu vorzugsweise gefiltert, gewaschen, bei einer Temperatur unter 80 C getrocknet und anschließend
aufbewahrt, bis es in der zweiten Verfahrensstufe benötigt
wird..
In der zweiten Verfahrensstufe wird die Zusammensetzung
des in der ersten Stufe erhaltenen Gels entsprechend den in Tabelle I vorgesehenen Mischverhältnissen dadurch
korrigiert, daß man bei einer Temperatur von 20 bis 30 0C
amorphes reaktionsfähiges Siliziumdioxyd von weniger als 100 Ai Korngröße und außerdem in dem notwendigen Maße Wasser,
Soda oder Pottasche zugibt. Bs sei darauf hingewiesen,
daß man nicht mehr Aluminiumoxyd zugibt, da das ganze benötigte Aluminiumoxyd in der ersten Verfahrensstufe zugegeben
wurde.
Die so erhaltene amorphe Mischung mit Mischverhältnissen, wie sie durch die in Tabelle I angegebenen Grenzen bestimmt
sind, wird dann fUr die Umwandlung in kristallisierten Zeolithe behandelt. Diese Umwandlung wird bei einer
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Temperatur zwischen 20 und 105 C vorgenommen. Sie kann
also bei Raumtemperatur vor sich gehen, ohne daß es notwendig wäre, die Mischung zu erhitzen. Bei 20 C benötigt
man für die Bildung eines Zeolithkristails 15 bis 80 Tage.
Bei höheren Temperaturen ist die Kristallisationszeit kürzer. Bei 95 °C beträgt sie z. B. 3 big 2k Stunden. Wenn
man die Kristallisation bei Temperaturen über 30 C herbeiführt,
läßt man vorzugsweise die amorphe Masse bei einer Temperatur von 20 bis 30 °C während 2k bis 72 Stunden
reifen, ehe man sie auf die Kristallisationstemperatur bringt. Auf diese Weise erhält man besser kristallisierte
und reinere Erzeugnisse. Die Kristallisation kann ohne Umrühren herbeigeführt werden.
Wenn die Kristallisation beendet ist, filtert und wäscht man die ausgefällten Kristalle in an sich bekannter
Weise solange mit Wasser, bis das Waschwasser einen . pH-Gehalt hat, der unter 10 liegt und man trocknet diese
Produkte z. B. durch Erhitzung bei einer Temperatur von 50 0C.
Um die Zeolithe zu aktivieren, erhitzt man sie auf eine Temperatur zwischen 250 und 600 °C, vorzugsweise zwischen
3^0 und 36O 0C, bei einem Druck von weniger als 10"
mmHg.
Die an Siliziumdioxyd angereicherten Faujasite, die
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt werden, haben eine erhöhte thermische Stabilität.. Xn der Tat sind sie
noch bei Temperaturen in der Größenordnung von 700 0C beständig.
Sie haben auch eine erhöhte chemische Widerstands-
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fähigkeit. Deshalb können sie als Adsorptionsmittel oder
zur Herstellung von Katalysatoren verwendet werden.
Man stellt eine Lösung von Natriumsilikat mit 4,7 g amorphem Siliziumdioxyd(Wassergehalt 10,4 $), 1,4 g Soda
(NaOH) und 42 ml Wasser her. Dazu gibt man kalt unter Umrühren
eine Lösung von Natriumaluminat, die 10,4 g handelsübliches Natriumaluminat enthält (Zusammensetzung A12O„ =
34,5 #; Na2O = 49,5 #; H2O = 16,O $), und 45 ml Wasser.
Man erhält ein Gel, dessen Zusammensetzung in Molverhältnissen
ausgedrückt die folgende ist:
SiO2/Al2O3 = 2; Na2OAl2O3 = 2,8; H3OAl2O3 = 14O.
Durch Hinzufügung von 2,35 g amorphem Siliziumdioxyd einer Korngröße von weniger als 50 /U und von 8,6 g KOH
mit 15 i» Wassergehalt werden die Molverhältnisse im Gel:
O3 = 3; Na2O + K2OAl2O3 = 4,7;
K20/K20 + Na2O = 0,4; H2OAl2O3 = 145.
Die in ein feuerfestes Glasrohr gegebene Mischung wird während 60 Tagen bei einer Temperatur von 30 0C unter zeitweiligem
Umrühren aufbewahrt. Nach Filterung und Trocknung hat der gebildete Faujasit das in Tabelle IXI wiedergegebene
RöntgenbeugungsSpektrum.
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Synthetischer Faujasit | mw | stark | d(i) | Natürlicher Faujasit | d(Ä) | = sehr schwach | |
Na, K | 14,35 | vom Kaiserstuhl | 14,4O | ||||
(1Ik1) | I/I | 8,82 | 1Z1O | 8,78 | |||
1 11 | sS | 7,49 | sS | 7,49 | |||
220 | mS | m | 7,17 | ||||
311 | m | 5,74 | W | 5,70 | |||
222 | WW | 5,06 | |||||
331 | mS | 4,80 | mS | 4,77 | |||
422 | 4,41 | WW | 4,39 | ||||
333 u. 511 | W | 4,22 | m | ||||
44ο | W | 3,93 | S | 3,91 | |||
531 | WW | 3,80 | 3,78 | ||||
620 | W | W | 3,58 | ||||
533 | W | β | 3,47 | ||||
444 | 3,342 | WW | 3,316 | ||||
711 u. 551 | 3,258 | win | 3,230 | ||||
642 | S | 3,045 | 8 | 3,025 | |||
731 u. 553 | WW | 2,942 | W | 2,919 | |||
733 | W | 2,882 | mw | 2,862 * | |||
822 u. 66θ | mw | 2,792 | ns | 2,769 | |||
751 U. 555 | mw | S | |||||
840 | m | wm | |||||
sS = βehr stark m | = schwach | ||||||
β = stark | |||||||
ms = mittel | |||||||
= mittel w | |||||||
= mittel bis ww | |||||||
schwach |
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Die chemische Analyse ergibt die folgenden Resultate: 0,54 Na2O; 0,49 K.,0; Al3O3; 2,7 SiO2; 5,1 H3O.
Das Wasseradsorptionsvermögen bei 25 °C unter einem Partialwasserdampfdruck von 13»5 mmHg beträgt 26 g Wasser
auf 100 g dehydratisierten Zeolith.
Das Adsorptionsvermögen von η-Hexan bei 25 C unter einem
Partialdampfdruck von η-Hexan von 102 mm Hg beträgt
19 g n-Hexan auf 100 g dehydratisierten Zeolith.
Man schüttet bei Raumtemperatur unter starkem Umrühren eine Aluminatlösung mit 520 g Natriumaluminat (Zusammensetzung
Al2O3 = 3^,5 #; Na2O = 49,5 #i H2O = 16 i>) und
2,25 Liter Wasser in eine Silikatlösung, die 230 g amorphes Siliziumdioxyd mit einem Wassergehalt von 10,4 $ und 2,1
Liter Wasser enthält. Das gebildete Gel läßt man 8 Stunden ruhen, dann filtert man es, wäscht es dreimal mit Wasser
und läßt es zwischen jeder Waschung in Wasser suspendieren. Nach Trocknung bei 30 0C hat das Gel folgende Zusammensetzung
:
2 : 32,9 £, A12°3 : 22'6 £» Na2° : 15·1 *» H2° : 28»6 **
Das entspricht folgenden MolVerhältnissen:
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Man entnimmt 11,3 g dieses getrockneten Gels und mischt
es mit 4,2 g amorphem Siliziumdioxyd mit einer Korngröße von unter 50 /U, 28 ml Wasser, 29 ml 5N NaOH-Lösung und
10 ml 5N KOH-Lösung. Die molaren Verhältnisse in der neuen
Mischung sind:
SiO2Al2O = 5; Na2O + KgO/AlgO^ = 5;
Na2O = 0,2; H2OAl2O3 = I50.
Diese Mischung läßt man 4o Stunden lang bei 25 °C reifen,
dann rührt man sie während 15 Tagen bei 60 0C in einem feuerfesten
Glasgefäß um. Der entstandene Faujasit hat die folgende chemische Zusammensetzung:
0,67 Na2O; 0,35 K3O; Al2O3; 3,1 SiO2; 6,2 H3O
Xm dehydratisierten Zustr. nd adsorbiert dieser Faujasit
28,2 g Wasser bei 25 °C unter einem partiellen Wasserdampfdruck von 13,5 mmHg.
Wie im Beispiel 2 stellt man, ausgehend von 11,3 g ge
trocknetem Gel, eine Mischung der dort angegebenen Zusammensetzung her. Man läßt diese Mischung während kO Stunden
bei 25 °C reifen, dann erhitzt man auf 95 °C während 12 Stunden ohne Umrühren. Man erhält einen Faujaeit-NaK mit
der Zusammensetzung:
0,69 Na2O; 0,35 K3O; Al3O3; 3,0 SiO2; 6,3 H2O.
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In dehydratisiertem Zustand adsorbiert dieser Faujasit
$ η-Hexan bei 25 Hexans von 102 ramHg.
$ η-Hexan bei 25 °C unter einem Partialdruck des n-
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Claims (6)
- Patentansprüche\1. Verfahren zur direkten Herstellung von Zeolithen faujasitischen Typs, die die Kationen Natrium und Kalium enthalten und an Siliziumdioxyd angereichert sind, dadurch gekennzeichnet , daß man ein erstes Natrium- und/oder Kaliumaluminosilikatgel aus einer Mischung herstellt, die die folgende Zusammensetzung hat:
Mol-Verhältnisse möglicher Bereich bevorzugter Bereich SiO2Al2O3
Na2O + K2OAl2O3
H2OAl2O31,5 - 3
0,8 - 3,5
75 - 3002 - 3,5
1 - 3
100 - 200nach der Tabelle, die Zusammensetzung dieses ersten Gels durch Hinzufügen von reaktionsfähigem amorphem Siliziumdioxyd jeweils erforderlichen Mengen Wasser, Soda und Pottasche berichtigt, so daß das Gel auf folgende Zusammensetzung gebracht wird:Mol-Verhältnisse möglicher Bereich - 8 bevorzugter Bereich - 6 SiO2Al2O3 2,5 - 8 3 - 6,5 Na2O + K2OAl2O3 3 - 0,7 3,5 - 0,6 K20/Na20 + K2O 0,05 - 300 0,1 - 200 H2OAl2O3 75 100 209811/12^4nach der Tabelle, die so erhaltene amorphe Mischung auf eine Temperatur zwischen 20 und 105 C bringt , um kristallisierte Ausfällungen von Zeolith zu erhalten, die kristallisierten Ausfällungen filtert, wäscht und trocknet und den so hergestellten Zeolith aktiviert. - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das erste Gel erzeugt, indem man einer Natrium- und/oder Kaliumsilikatlösung eine wäßrige Lösung von Natriumaluminat zusetzt.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Einstellung der Zusammensetzung des ersten Gels Siliziumdioxyd mit einer Körnung von weniger als 100 ΛΧ benutzt.
- 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß man die amorphe Mischung während 24 bis 72 Stunden bei einer Temperatur zwischen 20 und 30 0C reifenläßt, ehe man sie auf eine Kristallisationstemperatur zwischen 30 und 105 °C erhitzt.
- 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den auskristallisierten Zeolith durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 250 und 600 C unter einem Druck von weniger als 10~ mmHg aktiviert.
- 6. Zeolith, hergestellt nach einem der Ansprüche 1, 2,209811/12443, h oder 5» gekennzeichnet durch folgende molare Zusammensetzung im dehydratisierten Zustand:1 ± 0,15 [xK20; (1-x) Na2Ol; Al2O3; 2,9 ± 0,6 mit einem x-Wert zwischen 0,1 und 0,8.209811/1244
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