JP2009013058A - 凝集ゼオライト吸着剤と、その製造方法および工業ガスの非極低温分離での利用 - Google Patents
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Abstract
【解決方法】Si/Al比が1であるフォージャサイトXの凝集塊。この凝集塊の不活性バインダはアルカリ性溶液でゼオライト化して活性ゼオライトに変換され、リチウム交換される。本発明吸着剤は窒素吸着能(1バール/25℃)が少なくと26cm3/gで、空気からの非極低温でのガスの分離および水素精製の優れた吸着剤になる。
【選択図】なし
Description
吸着剤の性能はいくつかのファクタに関係するが、特に、窒素吸着能(カラムの寸法を決定するための決定要因)、窒素/酸素選択性(生成した酸素と導入した酸素との比)および吸着速度(サイクル時間の最適化と、設備の生産性を向上させる)を挙げることができる。
窒素に対する選択性を有する吸着剤としてモレキュラーシーブを使用する方法は広く知られている。マックロビー(McRobbie)の下記米国特許には少なくとも0.4nm(4Å)の孔径を有するゼオライトを用いた酸素/窒素混合物の分離方法が記載されている。
チャオ(Chao)の下記米国特許以来、この吸着剤の能力が十分に高い交換率、典型的には88%以上の交換率を有することは知られている。
最初の工業設備は1976年のUCCの米国特許に記載されており、現在に至るまで5A型のモレキュラーシーブがゼオライト型吸着剤として使用されている。
モレキュラーシーブを用いた工業ガスの非極低温分離プロセスは益々重要になるので、高性能な吸着剤の開発はガス製造会社およびモレキュラーシーブ供給会社にとって重要な課題になっている。
ブレック達、D.W. Breck, John Wiley and Sons, New York、Zeolite Molecular Sieves
クズニキ(Kuznicki)とその共同研究者は、カオリンの凝集塊をSi/Al比が1であるゼオライトXに変換することが可能であることを明らかにした(下記米国特許参照)。
(a) ゼオライトLSXより成る凝集塊を約100℃の温度で塩化リチウム溶液で1回または複数回交換し、必要な場合にはLSXの交換可能なカチオン部位を周期律表IA、IIA、IIIAおよびIIIB族のイオン、ランタニド系または希土類金属の三価のイオン、亜鉛(II)イオン、第二銅(II)イオン、クロム(III)イオン、第二鉄(III)イオン、アンモニウムイオンおよび/またはヒドロニウムイオンでさらに交換し(好ましいイオンはカルシウム、ストロンチウム、亜鉛および希土類金属イオンである)、
(b) (a)で交換した凝集塊を、固体に対する塩化物含有率が十分低い値(0.02重量%以下)になるまで繰り返し洗浄し、
(c) (b)で洗浄した生成物を乾燥し、ゼオライト構造の劣化を引き起こさないような方法で熱で活性化させる
からなる、リチウム交換ゼオライトLSX(以下、LiLSX)の凝集塊の製造方法において、ゼオライトLSX本体が下記(i)〜(v) 段階で得られることを特徴とする方法を提供する:
(i) ゼオライトLSX粉末をゼオライトに変換可能なクレイを少なくとも80%含むバインダーで凝集させ、
(ii) (i)で得られた混合物を成形し、
(iii) 乾燥後に500〜700℃、好ましくは500〜600℃の温度で焼成し、
(iv) (iii)で得られた固体生成物を少なくとも0.5モル濃度の苛性水溶液と接触させ、
(v) 洗浄し、乾燥し、ゼオライト構造の劣化が起こらない方法で300〜600℃、好ましくは500〜600℃で活性化させる。
ゼオライトへの変換を水酸化ナトリウムを用いて行う場合にはカラムで行うのが特に有利である。すなわち、構造からカリウムを除去することができ、後のリチウム交換の際にリチウム排出液中にカリウムが存在せず、従って、選択的再結晶化処理の負担が少なくなるという利点がある。
ゼオライトに変換可能なクレイはカオリナイト(kaolinite)、ハロイサイト(halloysite)、ナクライト(nacrite)、またはジッカイト(dickite)に属する。カオリンは極めて簡単に使用できる。
リチウム交換操作と上記のカチオン性部位の交換操作は当業者に周知の条件で行われる。リチウムおよび他のカチオンの消費を最小限に抑えるためにこれらの操作をカラムで行うのが好ましい。
(c)段階のLiLSXsの活性化は構造を維持するために、欧州特許第0,421,875号に従って、カラム内で高温の空気を用いて活性化する方法が推奨される。
リチウムが全交換率の少なくとも50%を占め、
カルシウムは全交換率に対して最大で40%を占めることができ、
ストロンチウムは全交換率に対して最大で40%を占めることができ、
亜鉛は全交換率に対して最大40%を占めることができ、
希土類金属は全交換率に対して最大50%を占めることができる。
本発明の塊状ゼオライトは空気からガスを分離するための非常に優れた窒素の吸着剤でり且つ水素精製用の非常に優れた窒素および/または一酸化炭素の吸着剤である。交換率(段階(a)で交換されるカチオン性部位の合計に相当)がゼオライト中の全カチオン性部位に対して95%以上である塊状ゼオライトは特に好ましく、25℃、1バールにおける窒素吸着能が26cm3/g以上である。吸着プロセスは一般にPSAまたはVSAプロセスを用いる。
以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
水酸化カリウムを用いた従来のフォージャサイトLSXの調製
下記溶液を混合してSi/Al比が1のフォージャサイト型ゼオライトを合成する。
溶液A:
136gの水酸化ナトリウムと73gの水酸化カリウム(純粋物)を、280gの水に溶解する。溶液を100℃〜115℃の沸点に加熱した後、78gのアルミナを溶解する。溶解後、溶液を放冷し、蒸発した水を補うために水を加えて570gとする。
溶液B:
300gの水と235.3gの珪酸ナトリウム (SiO2で25.5%、Na2Oで7.75%)とを緩やかに撹拌しながら混合する。レイネリ(Rayneri)型の解凝集型タービンミキサを用いて2500rpm(周速=3.7m/s)で激しく撹拌しながら約2分かけてアルミン酸塩溶液に珪酸塩溶液を添加し、その後、精製したゲルを撹拌せずに24時間60℃に放置する。24時間経過後、静置によってかなり分離する。これは結晶化プロセスの特徴である。その後、混合物を濾過し、固体1gあたり約15mlの水を用いて残渣を洗浄する。続いて残渣を80℃のオーブンで乾燥させる。ゲルの組成は次の通りであり:
4Na2O・1.3K2O・1Al2O3・2SiO2・91H2O
合成で得られた固体の化学分析の結果は下記組成である:
0.77Na2O・0.23K2O・2SiO2・1Al2O3
X線回折分析の結果、生成した粉末はほぼ純粋なフォージャサイトで構成されており、痕跡量のゼオライトAを含む。ゼオライトAの含有率は2%以下であることが確認された。不活性雰囲気下、550℃で2時間焼成後、トルエン吸着能を測定したところ、分圧0.5、温度25℃での吸着能は22.5%であった。
塊状LiLSXの調製
42.5gの粉末(焼成後の当量)、7.5gの繊維状クレイ(焼成後の当量)、1gのカルボキシメチルセルロースおよび水(直径1.6mm、長さ約4mmの押出し物にするのに必要な量の水)を混合して、粉末の一部を成形する。押出し物を80℃で乾燥し、次いで、不活性雰囲気下、550℃で2時間焼成する。その後、1Mの塩化リチウム溶液を固体1gあたり20mlの割合で使用して、連続5回の交換を行う。各交換操作は100℃で4時間行い、間に各段階の過剰な塩を除去するための洗浄操作を行う。最終段階として室温で4回洗浄操作(20ml/gの割合で)を行い
、濾紙上の残留塩化物レベルを0.05%以下まで低下させる。得られた固体の特徴は下記の通り:
トルエン吸着能
(25℃、P/Po=0.5) 21%
Li交換度(%)
(Li2O/(Li2O+K2O+Na2Oで表される) 98.4%
本発明によるゼオライト化バインダで凝集した塊状LSXの調製
実施例1の粉末状ゼオライトLSXを、モンノリロナイト型のクレイ(15%)、カオリン型のクレイ(85%)、少量のカルボキシメチルセルロースおよび水の混合物で凝集させた。押し出し後、80℃で乾燥し、水蒸気を含まない不活性雰囲気下、600℃で2時間焼成した。
100mlの水を用いて16.7gの水酸化ナトリウムペレットおよび7.7gの水酸化カリウム(100%基準)を含む溶液を調製する。この溶液17mlに新たに焼成したゼオライトの顆粒10gを浸漬し、混合物全体を撹拌せずに95℃に加熱する。
3、6および24時間後に固体サンプルを取り、経時的な結晶度の変化をモニターした。各サンプルを20ml/gの割合で水に浸漬して洗浄し、塊状LSXは4回洗浄する。
塊状LSX (NaOH+KOH未処理) 18.2%
塊状LSX (NaOH+KOH被処理、3時間反応) 21.7%
塊状LSX (NaOH+KOH被処理、6時間反応) 21.6%
塊状LSX (NaOH+KOH被処理、24時間反応) 21.6%
X線回析図から主成分のフォージャサイトと共に凝集前の粉末について測定された量と同様の痕跡量のゼオライトAの存在が示された。化学分析の結果、全体のSi/Al比は1.04 となり、これは所望の目的に相当する。硅素N.M.Rで測定したSi/Al比は1.01で、結晶格子の比に相当する。
得られた固体を実施例1と同じ交換操作して得られた吸着剤は下記特徴を示す:
トルエン吸着能
(25℃−P/Po=0.5) 23.9%
Li交換率(%)
(Li2O/Li2O+Na2O+K2Oで表される 98.1%
本発明によるゼオライト化バインダで凝集した塊状LiLSXの調製
実施例1の粉末状ゼオライトLSXを、モンノリロナイト型のクレイ(15%)、カオリン型のクレイ(85%)、少量のカルボキシメチルセルロースおよび水の混合物で凝集させた。押出し後、80℃で乾燥し、水蒸気を含まない不活性雰囲気下で600℃で2時間焼成した。
凝集塊10gを220g/lの水酸化ナトリウム溶液17mlに95℃で3時間浸漬する。その後、凝集塊を水に浸漬させて4回洗浄する。
塊状LSX(未処理) 18.2%
塊状LSX(NaOH処理) 22.4%
この塊状LSXは優れたトルエン吸着能を有し、これは上記実施例よりも結晶度が高いことを反映している。さらに、硅素N.M.Rによって結晶格子のSi/Al比が1.01であることが確認された。
得られた固体を実施例1と同じの交換操作して得られる吸着剤は下記特徴を示す:
トルエン吸着能
(25℃−P/Po=0.5) 24.3%
Li交換率(%)
(Li2O/Li2O+Na2O+K2Oで表される) 982%
実施例2、3および4のLi含有吸着剤を0.002mmHgの減圧下300℃で15時間脱気後に25℃の恒温で窒素および酸素の吸着能を測定した。結果を以下にまとめて示す。
本発明によるゼオライト化バインダで凝集した塊状LiLSXおよび塊状LiCaLSXの調製
実施例3で調製された塊状LSXを1Mの塩化リチウム溶液(100℃)を用いて交換し、リチウム交換率が91%の(Li91LSX)の凝集塊を得た。
この凝集塊を0.23Mの塩化カルシウム溶液70℃)で1時間処理する。操作終了後、生成物を濾過し、凝集塊1gあたり10mlの水を用いて洗浄する。得られた凝集塊全体のリチウム+カリウム交換率は91%である。これは69%のリチウムと22%のカリウムとに分けられる(Li69Ca22LSX)。
結果を〔表2〕に示す。〔表2〕には2種類の気体に関する1バールにおける吸着能と、1バールにおける吸着能と0.2バールにおける吸着能との比が示してある。これによって温度を一定とした場合の情報が得られる。
Claims (13)
- 下記段階(a)〜(c):
(a) ゼオライトLSXの凝集塊を約100℃の温度で塩化リチウム溶液で1回または複数回の交換し、必要な場合にはLSXの交換可能なカチオン部位を周期律表IA、IIA、IIIAおよびIIIB族のイオン、ランタニド系または希土類金属の三価のイオン、亜鉛(II)イオン、第二銅(II)イオン、クロム(III)イオン、第二鉄(III)イオン、アンモニウムイオンおよび/またはヒドロニウムイオンでさらに交換し、
(b) (a)で交換したゼオライトLSXの凝集塊を繰り返し洗浄し、
(c) (b)で洗浄した生成物を乾燥し、熱で活性化する
からなる、少なくとも95%のSi/Al比が1であるリチウム交換したゼオライトXからなる凝集したゼオライト本体を製造する方法において、
ゼオライトLSX本体が下記(i)〜(v) 段階で得られることを特徴とする方法:
(i) ゼオライトLSX粉末をゼオライトに変換可能なクレイを少なくとも80%含むバインダーで凝集させ、
(ii) (i)で得られた混合物を成形し、
(iii) 乾燥後に500〜700℃の温度で焼成し、
(iv) (iii)で得られた固体生成物を少なくとも0.5モル濃度の苛性水溶液と接触させ、
(v) 洗浄し、乾燥し、ゼオライト構造の劣化が起こらない方法で300〜600℃で活性化させる。 - 苛性溶液が水酸化ナトリウムと水酸化カリウムの溶液であり、この溶液中の水酸化カリウムの最大含有率が水酸化ナトリウム+水酸化カリウムの合計に対して30モル%である請求項1に記載の方法。
- 苛性溶液が水酸化ナトリウム溶液である請求項1に記載の方法。
- ゼオライトに変換可能なバインダーがカオリナイト、ハロイサイト、ナクライトまたはジッカイトに属する請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- ゼオライトに変換可能なバインダがカオリンである請求項4に記載の方法。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法で得られる、少なくとも95%がリチウム交換されたゼオライトXで構成され、 必要に応じて1つまたは複数の周期律表IA、IIA、IIIAおよびIIIB族のイオン、ランタニド系または希土類金属のイオン、亜鉛(II)イオン、第二銅(II)イオン、クロム(III)イオン、第二鉄(III)イオン、アンモニウムイオンおよび/またはヒドロニウムイオンで交換されている、Si/Al比が1であるゼオライトの凝集塊。
- リチウムで交換された請求項6に記載のゼオライトの凝集塊。
- リチウムおよび/またはカルシウムおよび/またはストロンチウムおよび/または一種または複数の希土類金属で交換された請求項6に記載のゼオライトの凝集塊。
- 1バール、25℃における窒素吸着能が26cm3/g以上である請求項6〜8のいずれか一項に記載のゼオライトの凝集塊。
- 下記1)〜6)を特徴とする、請求項6〜9のいずれか一項に記載のゼオライトの凝集塊の工業ガスの非極低温分離での使用:
1) 段階(a)で交換される全カチオン性部位に対応する交換率がゼオライトの全カチオン性部位に対して80%以上であり、
2) リチウムが全交換率の少なくとも50%を占め、
3) カルシウムは全交換率に対して最大で40%を占めることができ、
4) ストロンチウムは全交換率に対して最大で40%を占めることができ、
5) 亜鉛は全交換率に対して最大40%を占めることができ、
6) 希土類金属は全交換率に対して最大50%を占めることができる。 - ゼオライトの凝集塊の、空気分離での窒素の吸着における請求項10に記載の使用。
- ゼオライトの凝集塊の、水素精製での窒素および/または一酸化炭素の吸着における請求項10に記載の使用。
- ゼオライトの凝集塊の、PSAまたはVSAプロセスにおける請求項10〜12のいずれか一項に記載の使用。
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