JP2013511462A - Cha構造を有するゼオライトの製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、CHA骨格構造を有し、(n SiO2):X23モル比(式中、Xは三価の元素である)で、nが少なくとも10である組成を持つゼオライトの製造方法であって、
(i)少なくとも一種のX23供給源(Xは、AlとBとGaと2つ以上の混合物から選ばれる)と、少なくとも一種のSiO2供給源と、少なくとも一種の、テトラメテルアンモニウムヒドロキシド(TMAOH)以外のCHA構造へのテンプレートとして働く有機構造指向剤(SDA)と、テトラメテルアンモニウムヒドロキシド(TMAOH)とを含む水溶液を調製し(ただし、該SDAまたはそれらの混合物は、(i)中の水溶液のSDA:TMAOHモル比が0.01〜5となるような量で用いられる)、
(ii)(i)の水溶液を水熱結晶化する(ただし、(i)の水溶液は、銅を0.005Cu:((n SiO2)+X23)未満の量で含み、nは少なくとも10である)ことを含む方法に関する。
本発明はまた、本プロセスで得られる及び/又は得られたゼオライト材料やCHA骨格構造をもち、(n SiO2):X23モル比(Xは三価の元素であり、nは少なくとも10である)の組成をもち、走査型電子顕微鏡で求めたゼオライト形材料の結晶サイズが1マイクロメータより大きく、チャバザイト骨格の相が純粋で、X線回折で求めた他のゼオライト骨格不純物の量が5%未満であるゼオライト材料に関する。
【選択図】なし

Description

本発明は、CHA骨格構造を有し、(n SiO2):X23モル比(式中、Xは三価の元素である)で、nが少なくとも10である組成を持つゼオライトの製造方法であって、
該プロセスが、
(i)少なくとも一種のX23供給源(Xは、AlとBとGaと2つ以上の混合物から選ばれる)と、少なくとも一種のSiO2供給源と、少なくとも一種の、テトラメテルアンモニウムヒドロキシド(TMAOH)以外のCHA構造へのテンプレートとして働く有機構造指向剤(SDA)と、テトラメテルアンモニウムヒドロキシド(TMAOH)とを含む水溶液を調製し(ただし、該SDAまたはそれらの混合物は、(i)中の水溶液のSDA:TMAOHモル比が0.01〜5となるような量で用いられる);
(ii)(i)の水溶液を水熱結晶化する(ただし、(i)の水溶液は、銅を0.005Cu:((n SiO2)+X23)未満の量で含み、nは少なくとも10である)ことからなる方法に関する。
本発明はまた、本プロセスで得られる及び/又は得られたゼオライト材料、およびCHA骨格構造をもち、上記の(n SiO2):X23モル比(Xは三価の元素であり、nは少なくとも10である)の組成をもち、走査型電子顕微鏡で求めたゼオライト材料の結晶サイズが1マイクロメータより大きく、該チャバザイト骨格の相が純粋で、X線回折で求めた他のゼオライト骨格不純物の量が5%未満であるゼオライト材料に関する。
チャバザイト(CHA)骨格構造を有するゼオライト材料は、重要な実際の技術分野で、例えば自動車産業で広く使用され、ここではこれらの材料が触媒として使用されている。金属促進性ゼオライトで触媒されると、アンモニアを用いて酸化窒素を還元して窒素とH2Oを形成する反応が、酸素によるアンモニアの酸化に優先して、あるいはN2Oなどの望ましくない副生成物の形成に優先して起こりうる。このため、このプロセスはしばしば、酸化窒素の「選択的」触媒還元(Selective Catalytic Reduction,「SCR」)と呼ばれ、時には単に「SCR」プロセスと呼ばれる。このSCRプロセスで用いる触媒は理想的には、広範囲の使用温度条件下で、例えば200℃〜600℃以上の温度条件下で、水熱条件下で、また硫黄化合物の存在下で好ましい触媒活性を保持する必要がある。実際には、例えば触媒付すすフィルター(排気ガスの後処理に必要な部品)の再生の際には、高温の水熱条件に遭遇することが多い。したがって、これらの材料は経済的またエコロジー的に興味がある。上記技術分野のため、またその結果としてのこれら材料に対するニーズが高いため、これらの材料の効率的な製造方法に対する需要が膨らんでいる。
モレキュラーシーブは、国際純正応用化学連合のゼオライトの命名法に関する委員会の規則にしたがって国際ゼオライト学会の構造委員会により分類されている。この分類によると、構造が明白な骨格型ゼオライトや他の結晶性微多孔性モレキュラーシーブには、3文字コードが与えられ、ゼオライト骨格型のアトラス(Atlas of Zeolite Framework Types)、第5版、Elsevier、London、England (2001)に記載されている。チャバザイトは、構造が解明されているモレキュラーシーブの一つであり、この骨格型の材料にはCHAのコードが付与されている。本明細書中で用いるゼオライト材料は、アルミノケイ酸塩とボロケイ酸塩とガロケイ酸塩を含む金属ケイ酸塩骨格と定義される。MeAPSO、APSO、またはAIPO系の材料は含まれない。
チャバザイトは、天然に生成するゼオライトであり、また合成品もある。合成品は、Breckによる「ゼオライトモレキュラーシーブ」(1973)に記載されている。チャバザイトの構造は、MeierとOlsonの「ゼオライト構造型のアトラス」(1978)に記載されている。このチャバザイト構造は、構造コード「CHA」で示されている。
天然チャバザイトは自然に存在し、SiO2:Al23比が通常10未満である。この低いSiO2:Al23範囲の合成品には、ゼオライト“K−G”やゼオライトD、ゼオライトRが含まれる。ゼオライト“K−G”は、Barrerらにより、J. Chem. Soc、1956、p2892に報告されている。ゼオライトDは、英国特許868,846に報告されている。ゼオライトRは、US3,030,181に報告されている。
高シリカチャバザイト(SiO2:Al23が>10)の合成がUS4,544,538やUS6,709,644、US2003/0176751A1に報告されている。
US6,709,644には、NOxのSCR用途に用いられる結晶サイズが小さな(<0.5ミクロン)高シリカCuチャバザイト(SSZ−62)が開示されている。
WO2008/106519には、CHA結晶構造をもち、シリカ:アルミナモル比が15より大きく、銅:アルミニウム原子比が0.25を越えるゼオライトを含む触媒が開示されている。この触媒は、硫酸銅または酢酸銅でNH4 +型のCHAを銅交換して製造されている。850℃で6時間水熱処理しても、触媒活性はほとんど保持されている。
WO2008/132452には、鉄及び/又は銅を負荷可能な、CuSSZ−13を含む多くのゼオライト材料が開示されている。900℃で1時間CuSSZ−13を水熱処理しても、触媒活性はほとんど維持されている。Naのレベルについては明確に記載されていないが、Naを除くために、Cu交換に先立ってアンモニウム交換が行われると述べられている。
WO2008/118434には、900℃で10%の水蒸気中で1〜16時間の水熱処理した後でも少なくとも80%の表面積と細孔容量を保持するCuSSZ−13材料(SiO2:Al23が15〜60)が
SCR用途に好適であろうことが示されている。実施例3には、残存Naを除去するためにアンモニウム交換が行われると示されている。また、SAPO−34の中型と大型の結晶を比較の結果、大きな結晶がより大きな安定性をもつことが示されている。
いずれの場合も、Cuの導入前に、まずNaがアンモニウム交換で除かれる。その結果のNa含量は開示されていない。US4,544,538の表8には、例えば2回〜5回のアンモニウム交換により、Na含量として>0.5%Na2Oが報告されている。アンモニウム交換の前では、アルカリ金属水酸化物で製造したチャバザイトは、その合成ゲル中に>0.5重量%のNa2Oを含むと予想される。
最先端のCuチャバザイト製造技術は、以下の主要工程で記述される。
1.アルカリ金属/SDAを含むチャバザイトの結晶化と合成ゲルからの分離
2.乾燥と焼成によるSDA除去でのH−Na(アルカリ)型チャバザイトの生成
3.アンモニウム交換でのアルカリ金属の除去
4.銅交換によるCuの導入。
本発明は、以下の工程からなる改善方法を開示する。
1.アルカリ金属/SDAを含むチャバザイトの結晶化と合成ゲルからの分離
2.乾燥と焼成によるSDA除去でのH型チャバザイトの生成
3.銅交換によるCuの導入。
アルカリ金属の除去はSCR触媒の安定性と活性のために重要である。WO2008/132452は、アルカリ金属含有Cuチャバザイトの低いSCR性能が、酸サイトの被毒に帰することができ、フレッシュな触媒ででも低い活性を報告していると示唆している。一方、2009年11月4日に出願のUS出願12/612,142は、類似の母材から製造したCuチャバザイトで、そのアルカリ金属がほとんど除かれたものが良好なSCR性能を持つことを示しており、低アルカリ金属含有量が重要であることを支持している。
多くのゼオライト材料の触媒用途では、H型が使用され、このため本発明のプロセスの工程2は、さらに加工の必要がない活性物質を提供する。このような用途には、メタノールからオレフィンへの化学反応に用いられる触媒が含まれる。
また、このイオン交換工程では酸性のpH条件が用いられるため、脱アルミニウム化/脱ボロン化が起こることがある。この脱アルミニウム化/脱ボロン化は交換容量の低下を引き起こすため、導入可能な活性カチオンの量を制限し、ゼオライト構造の不安定化をもたらすことがある。脱アルミニウム化は、CuZSM−5などのSCR触媒の不安定性とつながっている(Journal of Catalysis, 1996, p43−)。
したがって、この多段階合成経路の欠点は、イオン交換工程の間に起こりうる脱アルミニウム化である。また、各交換工程は、そのプロセスにさらなるコストと複雑性をもたらす。高価なテンプレート分子、例えばトリメチルアダマンチルアンモニウムヒドロキシドをテトラメテルアンモニウムヒドロキシドで部分的に置き換えると、さらなるコスト低減が可能となる。本発明のプロセスにより、H型チャバザイトや他の金属含有型チャバザイトの製造のための低コストで、より単純でより温和な合成経路が得られる。
テトラメテルアンモニウムヒドロキシド(TMAOH)は、多くのゼオライトやゼオライト材料(例えば、ボロケイ酸塩、ガロケイ酸塩等)また非ゼオライト材料(即ち、AIPO、MeAPO、MeAPSO組成物)の合成で、例えばATTやCAN、CHA、EAB、ERI、ERI/OFF、FAU、FER、GIS、GME、LTA、MAZ、OFF、SODの製造で、テンプレート剤やOH供給源として用いられている。
Barrerらは、OH-の鉱化剤としての役割と、アルカリ金属や有機添加物またはテンプレートなどのカチオンの構造指向的な役割を検討している(Zeolites, 1981, p130)。両方の制御が、ゼオライト相の選択的結晶化に極めて重要である。
多くのアルミノリン酸塩材料は、AIPO−12(ATT−J. Phys. Chem.,1986、p6122)やAIPO−33(ATT−US4,473,663)、ZnAP−SO−43(GIS−EP158,975)、ALPO−20(SOD−US4,310,440)、BeAPSO−20(SOD−US4.737.353)、MgAPSO−20(SOD−EP158,348)、MnAPSO−20(SOD−EP161,490)、ZnAPSO−20(SOD−EP158,975)などのTMAOHを用いて結晶化できる。これらの系は、アルミノケイ酸塩材料より中性に近いpHあるいは弱アルカリ性のpHで結晶化するため、アルカリ金属水酸化物の非存在下で合成される。この結果、これらの材料はアルカリ金属非含有と考えられる。テトラメチルアンモニウム(TMA)は、結晶化の際に材料の微孔の内部に取り込まれる。
アルミノケイ酸塩のERIとOFFの合成は、多くの文献に記載されている。これは、これらの合成条件が重複しているため、ZSM−34として知られる両者の共成長生成物を与えるためである。この複雑性については、包括的にZeolites, 1986, p745.に述べられている。いずれの場合も、TMAと組み合わせてアルカリ金属水酸化物が用いられている。この論文は、ケージ内にTMAカチオンを含むERIとOFFの構造を示している。ゲルの組成を注意深く制御することで複数の独立相を作ることができる。Barrerらは、CANやLTA、OFF、ERI、EAB、GME、SOD、MAZの製造に、TMAとアルカリ金属水酸化物の組合せを報告している(Zeolites, 1981, p130)。アルミノケイ酸塩のEABは、約80℃の温度で、NaまたはKとTMAゲルから結晶化する(J. Solid State Chem., 1981, p204)。いずれの場合も、その合成では、TMAとアルカリ金属の組合せが用いられ、その結果としてゼオライト生成物中に両方が導入されることを報告している。
KとNaとTMAの混合物(Kが好ましい)で、低SiO2:Al23比のチャバザイト(ゼオライトZK−14)も生成すると報告されている(Molec. Sieves, Soc. Chem. Ind., 1968, p85)。US4,544,538は、トリメチルアダマンチルアンモニウムヒドロキシド(TMAA)と水酸化ナトリウム反応ゲルとから高シリカチャバザイトの合成を報告している。より多くのテンプレートの添加で水酸化ナトリウムを置き換えることができるが、このテンプレートは通常二員環複素原子化合物であると述べられている。SiO2:Al23比が>20のチャバザイトを形成するのに好ましいOH/Si比は<0.96であるされている。しかしながら、より多くのテンプレートの添加はコストの大幅な増加をもたらし、また結晶化後の母液中に残留する有機物が増えるため排水の問題を引き起こす可能性がある。
ゼオライトのRUT(Nu−1−US4,060,590、RUB10、Z. Kristallogr.,1995、p475)は、150〜200℃の結晶化温度と約1.5〜3日間の反応時間でTMAOHを含むゲルから形成される。これは、類似の反応条件のため、チャバザイト合成においてアルカリ金属水酸化物にかえてTMAOHを用いる場合の共通の不純物相である。TMAOHの増量で、RUTが大部分の相となる。
US3,306,922には、かなり多い重量パーセントの、ナトリウムまたは他の金属カチオン以外のカチオンを含むゼオライトN−XとN−Y(FAU)、N−B、N−A(LTA)の合成が記載されている。具体的には、TMAOHを唯一のOH-供給源及び構造方向として用いて低Na生成物を得ることができる。
先行技術は、アルカリ金属の非存在下でTMAOHを唯一の有機源として使用すると、ゼオライトRUT、N−X、N−Y、N−BまたはN−Aが生成することを示している。TMAOHのみの存在下でのチャバザイトの形成の報告はない。
US4,544,538 US6,709,644 WO2008/106519
J. Chem. Soc、1956、p2892
したがって、本発明の目的は、短時間で実施可能な低コストの、CHA骨格構造を有するゼオライト材料の製造方法を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、新規のCHA骨格構造を有するゼオライト材料の製造方法であって、ゼオライトRUTなどの不純物を含まない実質的に純粋な相のチャバザイトを与えるプロセスを提供することである。
本発明のもう一つの目的は、新規のCHA骨格構造を有するゼオライト材料の製造方法であって、該ゼオライト材料の結晶サイズが約1ミクロンより大きなプロセスを提供することである。
本発明のもう一つの目的は、新規のCHA骨格構造を有するゼオライト材料の製造方法であって、実質的にアルカリ及び/又はアルカリ土類金属を含まないチャバザイトを与えるプロセスを提供することである。
本発明のもう一つの目的は、新規のCHA骨格構造を有するゼオライト材料の製造方法であって、該ゼオライト材料がSiとAlを高いSi:Alモル比で含むプロセスを提供することである。
したがって、本発明は、CHA骨格構造を有し、(n SiO2):X23モル比(式中、Xは三価の元素である)で、nが少なくとも10である組成を持つゼオライトの製造方法であって、
(i)少なくとも一種のX23供給源(Xは、AlとBとGaと2つ以上の混合物から選ばれる)と、少なくとも一種のSiO2供給源と、少なくとも一種の、テトラメテルアンモニウムヒドロキシド(TMAOH)以外のCHA構造へのテンプレートとして働く有機構造指向剤(SDA)と、
テトラメテルアンモニウムヒドロキシド(TMAOH)とを、含む水溶液を調製し(ただし、該SDAまたはそれらの混合物は、(i)中の水溶液のSDA:TMAOHモル比が0.01〜5となるような量で用いられる);
(ii)(i)の水溶液を水熱結晶化する(ただし、(i)の水溶液は、銅を0.005Cu:((n SiO2)+X23)未満の量で含み、nは少なくとも10である)ことからなる方法に関する。
本発明は、アルカリ/アルカリ土類金属水酸化物(例えばNaOHまたはKOH)に代えてTMAOHを使用して、実質的にアルカリ/アルカリ土類金属を含まないチャバザイトを製造するコスト効率的な合成経路である。この合成で、ゼオライトRUTなどの不純物を含まない実質的に純粋相のチャバザイトが得られる。また、この生成物の結晶サイズは約1ミクロンより大きい。
図1に、実施例1のCHA骨格型を有する焼成ゼオライト材料のXRDパターンを示す。この粉末X線回折パターンは、単色Cu Kα1線を用いてジーメンスD−5000で測定したものであり、好ましい配向を避けるため毛細管試料ホルダーを使用したものである。この回折データは、ブラウン社の位置検出型検出器を用い、8〜96°(2θ)の範囲内で0.0678°のステップ幅で測定したものである。粉末パターンの番号付けは、粉末X線装置内でトレオール90を用いて行った(トレオール90は、以下のURLから自由にアクセス可能なパブリックドメインプログラムである:http://www.ch.lucr.org/sincris−top/logiciel/)。図中では、角度2θ(単位:°)を横軸に、強度(LC=ラインカウント)を縦軸にプロットした。 図2は、SEMで決定した、実施例1のCHA骨格型を持つ焼成ゼオライト材料の結晶子を示す(二次電子が5kVの図;スケール:1000:1)。 図3は、SEMで決定した、実施例1のCHA骨格型を持つ焼成ゼオライト材料の結晶子を示す(二次電子が5kVの図;スケール:5000:1)。 図4は、SEMで決定した、実施例1のCHA骨格型を持つ焼成ゼオライト材料の結晶子を示す(二次電子が5kVの図;スケール:20000:1)。 図5は、実施例2で得られた材料を実施例3の多孔性セラミックコアに塗布したもの(フレッシュSCR)のSCR試験の結果を示す。NOxとNH3の変換率には、略語「%」を使用。N2O生成率には略語「ppm」を使用。曲線の記号は以下の化学化合物を示す: ◆NOx(変換率) ■NH3(変換率) ▲N2O(生成率) 図6は、実施例2で得られた材料を実施例3の多孔性セラミックコアに塗布したもの(処理後のSCR)のSCR試験の結果を示す。NOxとNH3の変換率には、略語「%」を使用。N2O生成率には略語「ppm」を使用。曲線の記号は以下の化学化合物を示す: ◆NOx(変換率) ■NH3(変換率) ▲N2O(生成率) 図7は、実施例4のCHA骨格型をもつ焼成ゼオライト材料のXRDパターンを示す。XRDパターンの測定方法については、図1を参照。 図8は、SEMで測定した、実施例4のCHA骨格型をもつ焼成ゼオライト材料の結晶子を示す(二次電子が5kVの図;スケール:5000:1)。 図9は、SEMで測定した、実施例4のCHA骨格型をもつ焼成ゼオライト材料の結晶子を示す(二次電子が5kVの図;スケール:20000:1)。 図10は、SEMで測定した、実施例4のCHA骨格型をもつ焼成ゼオライト材料の結晶子を示す(二次電子が5kVの図;スケール:50000:1)。 図11は、比較例1のCHA骨格型を有するCu含有焼成ゼオライト材料のXRDパターンを示す。XRDパターンの測定方法については、図1を参照。 図12は、SEMで測定した、比較1のCHA骨格型をもつ焼成ゼオライト材料の結晶子を示す(二次電子が5kVの図;スケール:5000:1)。 図13は、SEMで測定した、比較1のCHA骨格型をもつ焼成ゼオライト材料の結晶子を示す(二次電子が5kVの図;スケール:20000:1)。 図14は、SEMで測定した、比較1のCHA骨格型をもつ焼成ゼオライト材料の結晶子を示す(二次電子が5kVの図;スケール:50000:1)。 図15は、比較例2で得られた材料を比較例3の多孔性セラミックコアに塗布したもの(フレッシュSCR)のSCR試験の結果を示す。NOxとNH3の変換率には、略語「%」を使用。N2O生成率には略語「ppm」を使用。曲線の記号は以下の化学化合物を示す:◆NOx(変換率) ■NH3(変換率) ▲N2O(生成率) 図16は、比較例2で得られた材料を比較例3の多孔性セラミックコアに塗布したもの(処理後のSCR)のSCR試験の結果を示す。NOxとNH3の変換率には、略語「%」を使用。N2O生成率には略語「ppm」を使用。曲線の記号は以下の化学化合物を示す: ◆NOx(変換率) ■NH3(変換率) ▲N2O(生成率) 図17は、比較例4のCHA骨格型を有する焼成ゼオライト材料のXRDパターンを示す。XRDパターンの測定方法については、図1を参照。 図18は、SEMで測定した、比較例4のCHA骨格型をもつ焼成ゼオライト材料の結晶子を示す(二次電子が5kVの図;スケール:50000:1)。
特記しない場合、本明細書と添付の請求項中においては、単数形の表現は、複数のものを含んでいるものとする。従って、例えば「ある触媒」は、2種以上の触媒の混合物などを含んでいる。
このチャバザイトモレキュラーシーブは、アルミノケイ酸塩とホウケイ酸塩とガロケイ酸塩組成物のすべてを含むことが好ましい。これらには、SSZ−13やSSZ−62、天然チャバザイト、ゼオライトK−G、リンデD、リンデR、LZ−218、LZ−235、LZ−236、ZK−14が含まれるが、これらに限定されるのではない。この材料が、アルミノケイ酸塩組成物、例えばSSZ−13やSSZ−62をもつことが最も好ましい。
本発明の工程(i)によれば、ゼオライト骨格を形成させることのでき、本発明においてはゼオライト骨格の一部としてX23と呼ばれる、可能なあらゆる三価元素Xの供給源が使用可能である。
好ましくは、この三価元素Xは、AlとBとGa、およびこれらの二つ以上の混合物からなる群から選ばれる。
一般に、すべての適当なB23供給源が使用できる。例えば、ボレート塩及び/又はホウ酸、メタホウ酸、メタホウ酸アンモニウム、及び/又はホウ酸トリエチルエステルやホウ酸トリメチルエステルなどのホウ酸エステルがあげられる。一般に、すべての適当なGa23供給源がしようできる。例えば、硝酸Gaがあげられる。
一般に、すべての適当なAl23供給源が使用できるが、Al23供給源は、アルカリ及び/又はアルカリ土類金属の非存在下で、特にナトリウムの非存在下で使用することが好ましい。例えば、アルミニウム粉などの金属アルミニウムや、アルカリ金属アルミネートなどの適当なアルミネート塩、アルミニウムリイソプロピラートなどのアルミニウムアルコラート、水酸化アルミニウムがあげられる。しかしながら、本発明のある好ましい実施様態によれば、Al23供給源は、アルカリ及び/又はアルカリ土類金属の非存在下で、特にナトリウムの非存在下で使用される。水酸化アルミニウムとAl(OH)3とアルミニウムトリイソプロピラートが、特に好ましい。
本発明の特に好ましい実施様態によれば、三価元素XがAlであり、より好ましくは他の三価元素を使用せず、AlがCHAゼオライト骨格構造を形成する唯一の三価元素となっている。
一般的には、すべての適当なSiO2供給源が使用できるが、SiO2供給源は、アルカリ及び/又はアルカリ土類金属の非存在下で、特にナトリウムの非存在下で使用することが好ましい。例えば、ケイ酸塩やシリカ、ケイ酸、コロイダルシリカ、ヒュームドシリカ、テトラアルコキシシラン、シリカ水酸化物、沈降性シリカ、クレーがあげられる。この点で、いわゆる「湿式法二酸化ケイ素」といわゆる「乾式法二酸化ケイ素」の両方が使用可能である。特に、コロイド状二酸化ケイ素は、ルドックス(R)、シトン(R)、ナルコ(R)、またはスノーテックス(R)として市販されている。「湿式法」二酸化ケイ素は、特に、ハイ・シル(R)、ウルトラシル(R)、ブルカシル(R)、サントセル(R)、バルロン・エステルシル(R)、トクシル(R)またはニプシル(R)として市販されている。特に、「乾式法」二酸化ケイ素は、アエロジル(R)、レオロシル(R)、キャブ−O−シル(R)、フランシル(R)またはアークシリカ(R)として市販されている。例えば、テトラエトキシシランまたはテトラプロポキシシランなどのテトラアルコキシシランをあげることができる。
本発明のある好ましい実施様態によれば、乾式法シリカまたはコロイダルシリカが用いられる。コロイダルシリカを使用する場合、このコロイダルシリカがアルカリ及び/又はアルカリ土類金属の非存在下で、特にナトリウムの非存在下で安定化されていることがさらに好ましい。コロイダルシリカが使用されるさらに好ましい実施様態では、(i)で水溶液として用いられるコロイダルシリカがアンモニアで安定化されている。
一般的には、(ii)に置いてCHA骨格構造を有するゼオライトが得られるなら、(i)の水溶液の調整で、X23とSiO2の供給源はいかなる量とモル比で用いてもよい。
本発明のある好ましい実施様態によれば、この少なくとも一種のSiO2供給源と少なくとも一種のX23供給源は、(i)で得られる水溶液のモル比(nSiO2):X23で、nが10であり、より好ましくは少なくとも15であるような量で使用される。より好ましくは、nは15〜80の範囲であり、より好ましくは15〜60、より好ましくは15〜50、具体的には、15、20、25、30、35、40、45、50である。
(ii)でCHA骨格構造を有するゼオライト材料が得られるなら、(i)で用いられる構造指向剤に関して制限はない。
例えば、適当なN−アルキル−3−キヌクリジノールや、適当なN,N,N−トリアルキルエキソアミノノルボルナン、適当なN,N,N−トリメチル−1−アダマンチルアンモニウム化合物、適当なN,N,N−トリメチル−2−アダマンチルアンモニウム化合物、適当なN,N,N−トリメチルシクロヘキシルアンモニウム化合物、適当なN,N−ジメチル−3,3−ジメチルピペリジニウム化合物、適当なN,N−メチルエチル−S.S−ジメチルピペリジニウム化合物、適当なN,N−ジメチル−2−メチルピペリジニウム化合物、1,3,3,6,6−ペンタメチル−6−アゾニノ−ビシクロ(3.2.1)オクタン、N,N−ジメチルシクロヘキシルアミン、または適当なN,N,N−トリメチルベンジルアンモニウム化合物があげられる。上述の化合物の水酸化物も好適な化合物としてあげることができる。N,N,N−トリメチル−1−アダマンチルアンモニウムヒドロキシドをSDAとして用いることが好ましい。
適当なN,N,N−トリメチルアダマンチルアンモニウム(1−アダマンチルトリメチルアンモニウム)化合物を使用することが好ましい。必要なら、この適当な1−アダマンチルトリメチルアンモニウム化合物を、N,N,N−トリメチルベンジルアンモニウム(ベンジルトリメチルアンモニウム)化合物、テトラメチルアンモニウム化合物、あるいはベンジルトリメチルアンモニウムとテトラメチルアンモニウム化合物の混合物などの少なくとも一種の他のアンモニウム化合物と組み合わせて使用することができる。
上記アンモニウム化合物に関して、アンモニウム化合物の適当な塩を使用することができる。好ましくは、このような塩を用いる場合、この塩または塩混合物は、水熱結晶化にかけられる水溶液に望ましいpHを与えることが必要であり、必要なら上記pHとするために、例えば適当なヒドロキシド供給源などの適当な塩基を上記の塩(類)に添加することができる。本発明によれば、このようなアンモニウム塩またはアンモニウム塩混合物は適当な塩基、好ましくはヒドロキシド供給源であり、アンモニウム化合物(混合物)は、水酸化物(混合物)として用いることが好ましい。
上記アンモニウム化合物に関して、本発明によれば、それぞれのアミン化合物を、必要なら少なくとも一種の適当な塩基と、例えば適当なヒドロキシド供給源と組み合わせて用いることができる。
(ii)でCHA骨格構造を有するゼオライトが得られるのなら、一般に、X23とSiO2の供給源と構造指向剤は、(i)の水溶液の調整にいずれの量やモル比で用いることもできる。
本発明のある好ましい実施様態によれば、この少なくとも一種のSiO2供給源と少なくとも一種のX23供給源は、(i)で得られる水溶液が構造指向剤(SDA)、必要ならSDAの合計の、(n X23)とSiO2の合計に対するモル比、(p SDA):((n SiO2)+X23)において、pが少なくとも0.035となるように、より好ましくは少なくとも0.07、より好ましくは少なくとも0.15となるように使用される。さらに好ましくは、pが0.6以下であり、より好ましくは0.5以下、より好ましくは0.4以下、より好ましくは0.3以下、より好ましくは0.2以下である。したがって、本発明の好ましい実施様態によれば、pが0.035〜0.6の範囲であり、より好ましくは0.07〜0.4、さらに好ましくは0.15〜0.2である。
(i)で得られ、(ii)で水熱結晶化にかけられた水溶液のpHは、少なくとも10であることが好ましく、より好ましくは少なくとも11であり、さらに好ましくは少なくとも12である。より好ましくは、(ii)の水熱結晶化にかけられた水溶液のpHは、10〜14の範囲であり、さらに好ましくは12〜14の範囲である。したがって、本発明はまた、上記のプロセスであって、(ii)にかけられた水溶液のpHが12〜14であるものに関する。
用いる出発原料によっては、テトラメテルアンモニウムヒドロキシドが、(ii)の水熱結晶化にかけられた水溶液のpHとOH/Si比を調整し、pHを上記の値とするために用いられる。
本発明のある好ましい実施様態によれば、この構造指向剤(SDA)またはそれらの混合物は、(i)で得られる水溶液が、テトラメテルアンモニウムヒドロキシド(TMAOH)対構造指向剤(SDA)モル比、(r TMAOH):(SDA)で、rが好ましくは0.1〜5の範囲になる、好ましくは0.7〜5、さらに好ましくは0.7〜4、さらに好ましくは0.7〜3、さらに好ましくは1.1〜3、さらに好ましくは1.1〜2、さらに好ましくは1.1〜1.6となるように用いられる。
テトラメテルアンモニウムヒドロキシドに加えて、アルカリ及び/又はアルカリ土類金属を含まない塩基、好ましくはナトリウムを含まない塩基を、pHの調整に用いることができる。
本発明のある好ましい実施様態によれば、(i)で得られる水溶液のOH-/Si比率が、0.1〜1の範囲であることが好ましく、より好ましくは0.1〜0.5の範囲、さらに好ましくは0.1〜0.3の範囲、さらに好ましくは0.1〜0.2の範囲、さらに好ましくは0.12〜0.2の範囲である。
上述のように、この少なくとも一種のSiO2供給源と少なくとも一種のX23供給源、好ましくはAl23は、アルカリ及び/又はアルカリ土類金属を含まず、特にナトリウムを含まない。本発明のさらに好ましい実施様態においては、(i)で得られ(ii)の水熱結晶化にかけられた水溶液は、アルカリ及び/又はアルカリ土類金属を含まず、特にナトリウムを含まない。
本発明において、「アルカリ金属を含まない」や「ナトリウムを含まない」とは、ナトリウム、特にアルカリ金属を必須成分として含む出発原料を、例えばアルミン酸ソーダをAl23供給源として使用しないことに関する。しかしながらこの用語は、出発原料が特定量のナトリウムを、特にアルカリ金属を不純物として含むと明示されているような実施様態を排除するものではない。例えばこのような不純物は、通常1000ppm以下の量で、好ましくは500ppm以下、より好ましくは300ppm以下の量で存在している。本発明において「Xppm以下のアルカリ金属含有量」は、存在するすべてのアルカリ金属の量がXppmを越えない実施様態に関する。いずれの場合でも、アルカリ金属含有量は、その金属の酸化物として報告され、例えばNa2Oとして1000ppmと報告される。ゼオライト気孔内にNa+カチオンが残留することが観察されている。
したがって、本発明はまた、上記のプロセスであって、(ii)の水熱結晶化にかけられた水溶液がアルカリ及び/又はアルカリ土類金属を含まない、特にアルカリ金属を含まないものに関する。
他の実施様態においては、(i)で得られた水溶液が、他の金属を、例えば、TiやFe、Mo及び/又はCoなどの遷移金属、及び/又はLa、Ce、Yなどのランタニドを含むことができる。
(i)で得られる水溶液が、銅を0.5wt%未満の量で、好ましくは0.1wt%未満の量で含むことがより好ましい。(i)で得られる水溶液が銅を含まないことがさらに好ましい。
本発明において「銅と含まない]とは、銅を含む出発原料を使用していないことを意味する。しかしながらこの用語は、出発原料が特定量の銅を不純物として含むと明示されているような実施様態を排除するものではない。例えば、このような不純物は、通常1000ppm以下の量で存在し、好ましくは500ppm以下、より好ましくは100ppm以下の量で存在する。
一般に、(i)の水溶液を得るためにどのような順番で出発原料を混合するかに関して制限はない。
本発明のある実施様態においては、少なくとも一種の構造指向剤とTMAOHを含む水溶液が、必要に応じてアンモニアと混合される。この溶液中で、少なくとも一種のX23供給源、好ましくはAl23と、少なくとも一種のYO2供給源、好ましくはSiO2とが懸濁される。
本発明の他の実施様態においては、少なくとも一種のX23供給源、好ましくはAl23を含む水溶液が、少なくとも構造指向剤とTMAOHと混合され、次いで、この少なくとも一種のYO2供給源、好ましくはSiO2が添加される。
本発明のある好ましい実施様態によれば、この少なくとも一種のSiO2供給源と少なくとも一種のX23供給源が、(i)で得られた水溶液が、水:(n X23)とSiO2の合計:構造指向剤(SDA)、場合によってはSDAの総量:TMAOHのモル比:

(q H2O):[(n SiO2)+X23]:(s SDA):(t TMAOH)

において、qが好ましくは少なくとも10となる、より好ましくは少なくとも15、さらに好ましくは少なくとも20となる;
nが好ましくは5〜1000となる、より好ましくは5〜100、さらに好ましくは10〜50となる;
sが好ましくは0.025〜0.1となる、より好ましくは0.05〜0.075、さらに好ましくは0.05〜0.065となる;
tが好ましくは0.01〜0.1となる、より好ましくは0.01〜0.1、さらに好ましくは0.03〜0.1となる量で使用される。
上記のqは、さらに好ましくは70以下であり、より好ましくは65以下、より好ましくは60以下、より好ましくは55以下、より好ましくは50以下である。したがって、本発明のある好ましい実施様態によれば、qは10〜70の範囲であり、より好ましくは15〜60、さらに好ましくは20〜50の範囲である。
(i)の水溶液の調整中の温度は、好ましくは10〜40℃の範囲であり、より好ましくは15〜35℃の範囲、特に好ましくは20〜30℃の範囲である。
原理的には、CHA骨格構造のゼオライト材料が溶液中で結晶化さえするなら、いずれか適当な圧力といずれか適当な温度または複数の温度で(ii)の水溶液を加熱することができる。ある特定の圧力で、(i)で得られる溶液の沸点を越える温度が好ましい。大気圧で最高で200℃までの温度がより好ましい。本発明で用いられる「大気圧」は、理想的には、101325Paの圧力を意味するが、これは当業界の熟練者には公知の幅で変動可能である。
本発明のプロセスの特に好ましい実施様態においては、(ii)の水熱結晶化がオートクレーブ中で行われる。
(ii)のオートクレーブ内で用いられる温度は好ましくは100〜200℃の範囲であり、より好ましくは130〜190℃の範囲、より好ましくは140〜180℃の範囲である。
本発明のさらに好ましい実施様態においては、(ii)の水熱結晶化を実施するのに用いられるオートクレーブが、オートクレーブの内容物を加熱冷却する手段をもち、より好ましくは外部加熱手段を、例えば適当な加熱/冷却ジャケットをもつ。
原則として、結晶化が所望の程度にまで進行するまで、この水溶液が(ii)で加熱温度で維持される。なお、最長で340時間の処理時間が、より好ましくは1時間〜260時間、より好ましくは8〜110時間の処理時間が好ましい。本発明のさらに好ましい実施様態においては、この結晶化時間が12〜72時間であり、より好ましくは24〜48時間である。
結晶化の際に、1〜20barの範囲の、より好ましくは2〜10bar、さらに好ましくは5〜8barの圧力または複数の圧力をかけることが特に好ましい。
(ii)での結晶化のために、この水溶液を適度に攪拌することが好ましい。結晶化を行う反応容器を回転させることも可能である。上記の攪拌または回転の典型的な値は、40〜250rpm(1分あたりの回転数)の範囲であり、例えば50〜250rpmである。
本発明において、適当な種結晶材料を、例えば必要に応じて乾燥した及び/又は焼成したCHA骨格構造を有するゼオライト材料を工程(ii)にかけられる溶液に添加することもできる。種結晶の添加は、特に得られるチャバザイト材料の結晶性と水熱結晶化時間の面で有利となるかもしれない。AlまたはGaまたはこれらの混合物をX23として使用する場合、水熱結晶化を、特に本発明のプロセス全体を種結晶材料を使わずに行うことが好ましい。
(ii)の水熱結晶化の後で、本発明のCHA骨格構造を有するゼオライト材料をこの母液から分離することが適当である。分離の前に、ゼオライト材料を含む母液の温度を適当な冷却速度で目標値まで適度に低下させてもよい。典型的な冷却速度は15〜45℃/hの範囲であり、好ましくは20〜40℃/h、さらに好ましくは25〜35℃/hである。
本発明のCHA骨格構造を有するゼオライト材料を含む冷却母液の典型的な温度は25〜55℃の範囲であり、好ましくは35〜50℃の範囲である。
本発明のプロセスのある実施様態においては、このCHA骨格構造を有するゼオライト材料が、少なくとも一つの工程で適当な方法で懸濁液、即ち(ii)で得られたゼオライト材料を含む母液から分離される。この分離は、熟練者には公知のすべての適当な方法で行うことができ、例えばデカンテーション、濾過、限外濾過、透析濾過または遠心分離法、あるいは例えば噴霧乾燥や噴霧造粒法で行うことができる。
したがって、本発明はまた、上記のプロセスであって、(iii)このゼオライト材料を、得られる懸濁液から分離することからなる方法に関する。
例えばこのゼオライト材料を(ii)で得られる懸濁液の濾過または遠心分離または濃縮で分離する場合、分離されたゼオライト物質を適当に乾燥させることが好ましい。分離されたゼオライト物質の乾燥の前に、少なくとも1回適当な洗浄剤で洗浄してもよく、少なくとも二つの洗浄工程がある場合、同一または異なる洗浄剤を用いてもよいし、洗浄剤混合物を用いてもよく、少なくとも2つの乾燥工程の場合同一または異なる乾燥温度を用いてもよい。
当業界の熟練者には公知のように、用いる洗浄剤は、例えば、水、メタノールやエタノール、プロパノールなどのアルコール、またはこれらの2つ以上の混合物であってもよい。
この乾燥温度は、好ましくは室温〜200℃の範囲であり、より好ましくは60〜180℃、より好ましくは80〜160℃、より好ましくは100〜150℃の範囲である。乾燥時間は、好ましくは2〜48時間の範囲であり、より好ましくは4〜36時間の範囲である。
また、本発明はまた、上述の方法であって、さらに
(iii)(ii)で得られた懸濁液からゼオライト材料を分離する工程と、
(iv)(iii)で分離されたゼオライト材料を100〜150℃の範囲の温度で乾燥する工程を含む方法に関する。
本発明のプロセスの特に好ましい実施様態においては、(iii)または(iv)の後で、好ましくは(iv)の後で得られたゼオライト材料を、少なくとも一つの他の工程で焼成する。
したがって、本発明はまた、上記のプロセスであって、さらに(v)ゼオライト材料を焼成する工程からなる方法に関する。
原則的には、このゼオライト材料を含む懸濁液を直接焼成に送ることもできる。焼成の前に、上述のように(iii)でゼオライト材料を懸濁液から分離することが好ましい。ゼオライト材料を焼成の前に乾燥することがさらに好ましい。この焼成条件は当分野の熟練者には公知である。
したがって、本発明はまた、上記のプロセスであって、さらに
(iii)(ii)で得られた懸濁液からゼオライト材料を分離する工程と、
(iv)(iii)で分離されたゼオライト材料を、好ましくは100〜150℃の範囲の温度で乾燥する工程と、
(v)(iv)で乾燥されたゼオライト材料を好ましくは300〜750℃の範囲の温度で焼成する工程とを含む方法に関する。
本発明はまた、上記のプロセスで得られるあるいは得られたCHA骨格構造を有するゼオライト材料に関する。
本発明はまた、CHA骨格構造をとり、(n SiO2):X23のモル比において、Xが三価元素であり、nが少なくとも10であり、好ましくは少なくとも15である組成をもち、走査型電子顕微鏡で求めたその結晶サイズが1マイクロメータより大きく、そのチャバザイト骨格が、他のゼオライト骨格の、例えばRUTの不純物の含量が5%未満である純粋相であるゼオライト材料に関する。
この点で、「CHA骨格構造を有するゼオライト材料」は、実質的に水を含まず、焼成により構造指向剤や有機酸などの他のいずれの有機化合物も実質的に除かれた焼成ゼオライト材料に関する。
好ましくは、nは15〜70の範囲であり、より好ましくは15〜60の範囲、より好ましくは15〜50の範囲である。例えば、nの特に好ましい値は、15、20、25、30、40、45、あるいは50である。
好ましくは、上記三価元素Xは、AlとBとG、およびこれらの二種以上の混合物からなる群から選ばれる。本発明の特に好ましい実施様態によれば、この三価元素XがAlであり、さらに好ましくは、AlがCHAゼオライト骨格構造を形成する唯一の三価元素である。
上述の焼成ゼオライト材料が、アルカリ及び/又はアルカリ土類金属を含まないこと、特にナトリウムを含まないことがさらに好ましい。本発明において、「アルカリ金属を含まない」と「ナトリウムを含まない]とは、アルカリ金属含有量とナトリウム含有量が、それぞれ1000ppm以下、好ましくは500ppm以下、より好ましくは300ppm以下であるゼオライト材料に関する。
本発明のある実施様態においては、上述の焼成ゼオライト材料の、または上述の方法で得られるあるいは得られた焼成ゼオライト材料の結晶子の少なくとも90%、好ましくは少なくとも95%の辺が、SEMで求めた平均長で1〜10ミクロンの範囲、より好ましくは1〜5ミクロンの範囲、さらに好ましくは1〜2マイクロメータの範囲にある。
本発明のある好ましい実施様態によれば、このチャバザイト骨格は、他のゼオライト骨格の、例えばRUTの不純物を、好ましくは5%未満、さらに好ましくは2%未満、さらに好ましくは1%未満で含む純粋相である。
本発明のある好ましい実施様態によれば、本発明のプロセスで得られるあるいは得られた焼成ゼオライト材料の、あるいはゼオライト材料でCHA骨格構造を持つもののTOC含量は、ゼオライト材料の総重量に対して0.1重量%以下である。
本発明のある好ましい実施様態によれば、本発明のプロセスで得られるあるいは得られた焼成ゼオライト材料の、またはゼオライト材料でCHA骨格構造をもつものの、DIN66131に準じて求めたBET表面は300〜700m2/gの範囲にあり、好ましくは400〜700m2/gの範囲にある。
本発明のある好ましい実施様態によれば、本発明のプロセスで得られるあるいは得られた焼成ゼオライト材料の、またはゼオライト材料でCHA骨格構造をもつものの、DIN66135に準じて求めたラングミュア表面は、400〜975m2/gの範囲にあり、好ましくは550〜975m2/gの範囲にある。
本発明のゼオライト材料は、上記の分離方法で得られた、具体的にはデカンテーション、濾過、遠心分離、または吹き付けで得られた粉末または噴霧材料の形で提供することもできる。
多くの工業用途においては、利用者の側では、このゼオライト材料を粉末または噴霧材料として、即ち母液からこの材料を分離して、さらには洗浄や乾燥、また続く焼成を行って得られたゼオライト材料として使用せず、さらに加工して成形物としたゼオライト材料を使用することが望ましいことが多い。このような成型物は、特に多くの工業プロセスで、例えば本発明のゼオライト材料が触媒または吸着剤として用いられる多くのプロセスで必要である。このような成型物は、一般的には当業界の熟練者には公知である。
したがって、本発明はまた、本発明のCHA骨格構造を有するゼオライト材料を含む成形物に関する。
一般に、上述のゼオライト材料は、モレキュラーシーブ、吸着剤、触媒、触媒支持体またはそのバインダーとして使用可能である。特に触媒としての利用が好ましい。例えばこのゼオライト材料は、分子の選択的分離のための、例えば炭化水素またはアミドの分離及び/又は貯蔵のための、乾燥ガスまたは液体用のモレキュラーシーブとして使用でき、またイオン交換体として、化学担体として、吸着剤、特に炭化水素またはアミドの分離用の吸着剤として、あるいは触媒として使用できる。本発明のゼオライト材料を触媒として使用することが最も好ましい。
したがって上述のように、本発明はまた、CHA骨格構造のゼオライト材料を含む触媒、好ましくは成型触媒に関する。本発明はまた、上述のCHA骨格構造を有するゼオライト材料の触媒としての利用に関する。
本発明はまた、化学反応の触媒方法であって、本発明のCHA骨格構造を有するゼオライト材料が触媒活性物質として用いられているものに関する。
特に、上記触媒は、酸化窒素NOxの選択的還元(SCR)用の触媒として使用でき、NH3の酸化、特にディーゼルシステムの漏洩NH3の酸化に、N2Oの分解に、すすの酸化に、また予混合圧縮着火(HCCI)エンジンなどの先進の排ガスシステムの排ガス制御に、流体の触媒的クラッキング(FCC)プロセス中の添加物として、有機変換反応の触媒として、メタノールからオレフィンへの反応など、酸化物または酸化物混合物を含む供給原料から軽質オレフィンを製造する際の触媒として、「固定発生源」プロセスの触媒として、あるいはメタノールからオレフィンへの変換触媒として使用できる。
本発明のゼオライト材料または本発明で得られるゼオライト材料を、触媒として、好ましくは成型触媒として、さらに好ましくは成型触媒で、このゼオライト材料が適当な耐火性担体上に形成されているものとして、さらに好ましくは「ハニカム」担体として、酸化窒素NOxの選択的還元に、即ち酸化窒素のSCR(選択的触媒的還元)に用いることが最も好ましい。特に、本発明のゼオライト材料が触媒活性物質として使用されている酸化窒素の選択的還元は、アンモニアまたは尿素の存在下で行われているが、定置型の発電装置にはアンモニアが望ましい還元剤であり、可動型のSCRシステムには尿素が望ましい還元剤である。このSCRシステムは通常エンジンや車両の設計に組み込まれるが、このSCRシステムは通常、以下の主要部品を含んでいる。本発明のゼオライト材料を含むSCR触媒; 尿素貯蔵タンク;尿素ポンプ;尿素投入システム;尿素噴射器/ノズル;それぞれの制御装置。
したがって、本発明はまた、酸化窒素NOxを含む気流を、好ましくはアンモニアと尿素とを含む気流を、好ましくは成型触媒の形状の、さらに好ましくは成型触媒としての本発明のゼオライト材料または本発明にで得られるあるいは得られたゼオライト材料と接触させる選択的な酸化窒素NOxの還元方法であって、このゼオライト材料が適当な耐火性担体上に形成されている、さらに好ましくは「ハニカム」担体上に形成されているものに関する。
本発明で用いられる「酸化窒素NOx」は、窒素の酸化物をさし、特に一酸化二窒素(N2O)、一酸化窒素(NO)、三酸化二窒素(N23)、二酸化窒素(NO2)、四酸化二窒素(N24)、五酸化二窒素(N25)、過酸化窒素(NO3)をさす。
本発明のゼオライト材料を含む触媒、または本発明により得られるあるいは得られたゼオライト材料を用いて還元されるこれらの酸化窒素は、いずれのプロセスで得られるガス流、例えば排ガス流であってもよい。特に、アジピン酸や硝酸、ヒドロキシルアミン誘導体、カプロラクタム、グリオキサール、メチルグリオキサール、グリオキシル酸を製造する工程で得られる排ガス流や、窒素含有材料を燃焼する工程で得られる排ガス流があげられる。
特に、本発明のゼオライト材料を含む触媒または本発明により得られるあるいは得られたゼオライト材料を、化学量論的燃焼に必要な量より多量の空気を用いる燃焼条件で、即ち希薄燃焼条件で運転している内燃機関の、特にディーゼルエンジンの排ガスからの酸化窒素NOxの除去に使用することが好ましい。
したがって、本発明はまた、化学量論的燃焼に必要な量より多量の空気を用いる燃焼条件で、即ち希薄燃焼条件で運転している内燃機関の、特にディーゼルエンジンの排ガスからの酸化窒素NOxを除去する方法であって、本発明のゼオライト材料を含む触媒または本発明により得られるあるいは得られたゼオライト材料が触媒活性物質として用いられる方法に関する。
以下、実施例をもって本発明のプロセスと材料を説明する。
実施例1:アルカリ金属(Na)を含まないチャバザイトの製造とその触媒中での使用
1.1合成ゲルの製造
以下の出発原料を用いた:
−トリメチル−1−アダマンチルアンモニウムヒドロキシド(TMAA、13.26重量%水溶液)
−テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAOH、25重量%水溶液(アルドリッチ、ロット1368537))
−アルミニウムトリイソプロピラート(アルドリッチ217557)
−ルドックスAS40(グレース・デビソン)
5リットルのビーカー中で729.7gのTMAAと231.1のTMAOH溶液を混合した。この溶液を室温で10分間攪拌した。次いで、86.6gのアルミニウムトリイソプロピラートを添加し、この懸濁液を約60分間攪拌した。次いで、952.6gのルドックスAS40を加え、この懸濁液を約20分間攪拌した。
得られた懸濁液のpHは14.2であり、OH/Si比は0.172であった。
この懸濁液の組成は、以下のモル比であった。36SiO2:2.4Alイソプロピラート:2.6TMAA:3.6TMAOH:434H2O。このゲルを2.5リットルのオートクレーブに移した。
1.2水熱結晶化
このオートクレーブを密閉し、170℃の温度で加熱した。170℃の温度を48時間維持した。これにより、2.5Lのオートクレーブ中の混合物を200rpm(1分当りの回転数)で攪拌した。
1.3分離、乾燥、及び焼成
この水熱結晶化の後で得られた懸濁液のpHは12.6であった。この懸濁液を脱イオン水と混合(1:1)し、得られた懸濁液のpHを5%のHNO3で6に調整した。次いでこの懸濁液を直径が15cmの磁性吸引フィルターでろ過した。この湿った生成物を空気中で120℃の温度に加熱し、120℃で240分間乾燥させた。乾燥後の生成物を、次いで240分以内に600℃の温度に加熱し、大気下で600℃で300分間焼成した。収量は403gであった。焼成後の材料の試料をXRDで分析したところ、CHA骨格をもつゼオライトが得られていることが判明した(図1参照)。
1.4生成物の特性評価
1.3で得られた焼成材料の元素分析を行った結果、0.1重量%未満のCと、0.5重量%未満のNが見出された。Na含量は、絶乾状態でNa2Oとして0.09重量%であった。SiO2:Al23比は30:1であった。
焼成材料のDIN66131に準じて求めたBET表面積は505m2/gでありDIN66135に準じて求めたラングミュア表面積は677m2/gであった。典型的な結晶子の平均長は約1〜2マイクロメータであった(図新2〜4参照)。
実施例2:SCR用のCuチャバザイト触媒の製造
酢酸銅でのイオン交換でCuを含有する触媒を調整した。60℃で96gの銅塩を1.6Lの脱イオン水中に溶解して0.3Mの酢酸銅(II)一水和物の溶液を調整した。この溶液に300gの実施例1の焼成ゼオライトを添加した。このスラリーを60℃で1時間攪拌して、実施例1のH型焼成ゼオライトと銅イオンとの間のイオン交換反応を行った。反応中、pHは4.5と4.8の間であった。得られた混合物を濾過し、濾液の伝導度が<200μScm-1となるまで洗浄し(このことは、溶解した銅または遊離の銅が実質的に試料中に残留していないことを示す)、洗浄後の試料を90℃で乾燥させた。得られたCu触媒は、絶乾状態でCuOを3.29重量%、Naを300ppm含んでいた。DIN66131に準じて求めた焼成材料のBET表面は468m2/gであり、DIN66135に準じて求めたラングミュア表面積は636m2/gであった。
実施例3:実施例2からの試料のSCR試験
3.1スラリーの調整
150gの実施例6で得られた噴霧乾燥し焼成したCuを含有しCHA骨格構造をもつゼオライト材料を358mlの脱イオン水と混合した。この混合物をボールミル中で11時間破砕して、10マイクロメータ未満の粒子を90%含むスラリーを得た。攪拌しながら、このスラリーに26gの酢酸ジルコニウムの希酢酸溶液(30%のZrO2を含む)を添加した。
3.2塗布
このスラリーを、1“D×3”Lで気孔密度が65cpsc(1cm2当りの気孔数)(400cpsi(1平方インチ当りの気孔数))で壁厚が6.5mmの多孔性セラミックコア上に塗布した。この塗布後のコアを110℃で3時間乾燥し、400℃で1時間焼成した。この塗布プロセスを繰り返して、目標とする薄膜負荷量の0.146g/cm3(2.4g/in3)とした。薄膜の塗布量は、ハニカム体積当りの乾燥重量増で定義される。
3.3NOx選択的触媒還元(SCR)の効率の測定
500ppmのNOと500ppmのNH3、10%のO2、5%のH2Oを含み、残りがN2からなる供給ガス混合物を1“D×3”Lの触媒コアを内蔵する定常状態反応器に添加して、フレッシュな触媒コアの酸化窒素選択的触媒還元(SCR)の効率と選択性を測定した。
この触媒試験のために、上記塗装コアを、セラミックの絶縁マットで覆われた正方形断面に加工し、電気炉で加熱されたインコネル反応管中に納めた。O2(空気からの)とN2とH2Oとからなるガスは、反応器に入る前に予備加熱炉で加熱した。反応性ガスのNOとNH3は、予備加熱炉と反応器の間で導入した。
反応は、150℃〜460℃の温度範囲で空間速度が80,000h-1で行った。空間速度は、全反応混合物を含むガス流量を触媒コアの幾何的体積で割った値で定義される。このような条件で、フレッシュな触媒に対する標準試験を行った。
図5に、フレッシュな触媒の触媒効率と選択性を示すSCR試験の結果を示す。広い温度範囲で高性能である、特に低温性能が改善された材料を提供することが望ましい。性能には、NOx変換率だけでなく、SCRのN2への選択性、つまりN2O形成の抑制が含まれる。図から明らかなように、この触媒は、すべての温度範囲で高いNOx変換率と、また低いN2O生成率(<10ppmのN2O)を示す。これらの性能特性は、比較例3に記載の従来の多段階法生成物の特性とほぼ同等である。
3.4触媒の水熱安定性の測定
フレッシュな触媒コア(3.2に記載のもの)を10重量%のH2Oの存在下で850℃で6時間水熱処理し、3.3に概説したフレッシュな触媒コア上でのSCRの評価プロセスにより酸化窒素SCR効率と選択性を測定して、触媒の水熱安定性を測定した。
処理後の触媒のSCR効率と選択性の結果を図6に示す。既存のゼオライト材料より水熱耐久性を向上させることが望ましく、例えば最高で少なくとも約650℃以上の温度で、例えば約700℃〜約900℃の範囲で安定な触媒材料が望ましい。図から明らかなように、この触媒は、全温度範囲で高いNOx変換率を維持し、高い窒素選択性を示す。これは低いN2O収率(<20ppmのN2O)に反映されている。この結果は、比較例3の多段階生成物とほぼ同等であった。
実施例4:アエロジルをシリカ供給源とするアルカリ金属(Na)非含有チャバザイトの製造
4.1合成ゲルの調整
以下の出発原料を用いた。
−トリメチル−1−アダマンチルアンモニウムヒドロキシド(TMAA、13.26重量%水溶液)
−テトラメテルアンモニウムヒドロキシド(TMAOH、25重量%水溶液、アルドリッチ)
−アルミニウムトリイソプロピラート(アルドリッチ217557)
−アエロジル200(デグサ)
5リットルのビーカー中で、426.8gのTMAAと135.1gのTMAOH溶液と1164.7gの脱イオン水を混合した。この溶液を室温で10分間攪拌した。次いで、50.6gのアルミニウムトリイソプロピラートを添加し、得られた懸濁液を約60分間攪拌した。次いで、222.7gのアエロジルシリカを添加し、得られた懸濁液を約20分間攪拌した。
測定の結果、得られた懸濁液のpHは12.5で、OH/Si比は0.172であった。
この懸濁液の組成は、以下のモル比であった。36SiO2:2.4Alイソプロピラート:2.6TMAA:3.6TMAOH:881H2O。このゲルを2.5リットルのオートクレーブに移した。
4.2水熱結晶化
このオートクレーブを密閉し、170℃の温度まで加熱した。170℃の温度を48時間維持した。これにより、2.5Lのオートクレーブ中の混合物を、200rpm(1分当りの回転数)で攪拌した。
4.3分離、乾燥、及び焼成
水熱結晶化の後で得られた懸濁液のpHは10.5であった。この懸濁液を脱イオン水と混合(1:1)し、得られた懸濁液のpHを5%のHNO3で6に調整した。次いで、この懸濁液を直径が15cmの磁性吸引フィルターでろ過した。この湿った生成物を空気中で120℃の温度に加熱し、120℃で240分間乾燥させた。乾燥した生成物を次いで240分以内に600℃の温度に加熱し、大気下で600℃で300分間焼成した。収量は224gであった。焼成材料の試料をXRDで分析したところ、CHA骨格をもつゼオライトが得られていることが判明した(図7参照)。
4.4生成物の特性評価
4.3で得られた焼成材料の元素分析を行った結果、0.1重量%未満のCと、0.5重量%未満のNが見出された。Na含量は、絶乾状態でNa2Oとして0.03重量%であった。SiO2:Al23比は28:1であった。
焼成材料のDIN66131に準じて求めたBET表面積は493m2/gであり、DIN66135に準じて求めたラングミュア表面積は660m2/gであった。典型的な結晶子の平均長は約2〜4マイクロメータであった(図8〜10参照)。
比較例1:Naチャバザイトの調整とその触媒中での利用
1.1合成ゲルの調整
以下の出発原料を用いた。
−トリメチル−1−アダマンチルアンモニウムヒドロキシド(TMAA、13.26重量%水溶液)
−水酸化ナトリウム(>98%のNaOH(無水ペレット)、アルドリッチ)
−アルミニウムトリイソプロピラート(アルドリッチ217557)
−ルドックスAS40(グレース・デビソン)
5リットルのビーカー中で、894.7gのTMAAと31.2gのNaOH溶液を混合した。この溶液を室温で10分間攪拌した。次いで、106.2gのアルミニウムトリイソプロピラートを添加し、得られた懸濁液を約60分間攪拌した。次いで、1168gのルドックスAS40を添加し、得られた懸濁液を約20分間攪拌した。
測定の結果、得られた懸濁液のpHは13.75で、OH/Si比は0.172であった。
この懸濁液の組成は、以下のモル比であった。36SiO2:2.4Alイソプロピラート:2.6TMAA:3.6NaOH:379H2O。このゲルを2.5リットルのオートクレーブに移した。
1.2水熱結晶化
このオートクレーブを密閉し、170℃の温度まで加熱した。170℃の温度を40時間維持した。これにより、2.5Lのオートクレーブ中の混合物を、200rpm(1分当りの回転数)で攪拌した。
1.3分離、乾燥、及び焼成
水熱結晶化の後で得られた懸濁液のpHは11.9であった。この懸濁液を脱イオン水と混合(1:1)し、得られた懸濁液のpHを、5%のHNO3で7に調整した。次いで、この懸濁液を直径が15cmの磁性吸引フィルターでろ過した。この湿った生成物を空気中で120℃の温度に30分以内に加熱し、120℃で240分間乾燥させた。乾燥した生成物を次いで240分以内に600℃の温度に加熱し、大気下で600℃で300分間焼成した。収量は420gであった。焼成材料の試料をXRDで分析したところ、CHA骨格をもつゼオライトが得られていることが判明した(図11参照)。
1.4生成物の特性評価
1.3で得られた焼成材料の元素分析を行った結果、0.1重量%未満のCと、0.5重量%未満のNが見出された。Na含量は、絶乾状態でNa2Oとして0.7重量%であった。SiO2:Al23比は30:1であった。
焼成材料のDIN66131に準じて求めたBET表面積は592m2/gであり、DIN66135に準じて求めたラングミュア表面積は803m2/gであった。XRDで求めた典型的な結晶子の平均長は約73ナノメーターであった(図12〜14参照)。
比較例2:SCR用Cuチャバザイト触媒のNH4型の調整
2.1アンモニウム交換
材料のNa含量を低下させるためアンモニウム交換を行った。硝酸アンモニウムでイオン交換して、NH4型のゼオライトを調整した。混合しながら40gの硝酸アンモニウムを4000gの脱イオン水に溶解した。この溶液を60℃に加熱した。次いで、この溶液に、400gの比較例1.4の焼成Naゼオライトを添加した。アンモニウム交換を60℃で1時間行った。得られた混合物を濾過し、濾液の伝導度が<200μScm-1となるまで洗浄し(このことは、溶解性または遊離の銅が実質的に試料中に残留していないことを示す)、洗浄後の試料を90℃で乾燥させた。得られたNH4型ゼオライトは、NH4を0.62重量%、Na2Oを100ppm未満で含んでいた。
2.3銅交換
酢酸銅でイオン交換してCu含有触媒を調整した。60℃で47.9gの銅塩を800Lの脱イオン水溶液に溶解して、酢酸銅(II)アセテート一水和物溶液を調整した。200gの比較例2.1のNH4型ゼオライトをこの溶液に添加した。比較例2.1のNH4型ゼオライトと銅イオンの間のイオン交換反応は、このスラリーを60℃で1時間攪拌しながら行った。反応中pHは、5と5.3の間であった。得られた混合物を濾過し、濾液の伝導度が<200μScm-1となるまで洗浄し(このことは、溶解性または遊離の銅が実質的に試料中に残留していないことを示す)、洗浄後の試料を90℃で乾燥させた。得られたCu触媒は、CuOを3.4重量%、Na2Oを100ppm未満含んでいた。SiO2:Al23比は29であった。
比較例3:比較例2の試料のSCR試験
3.1スラリーの調整
150gの比較例2.3で得られた噴霧乾燥焼成後のCuを含有しCHA骨格構造をもつゼオライト材料を、358mlの脱イオン水と混合した。この混合物をボールミルで11時間粉砕して90%の10マイクロメータ未満の粒子を含むスラリーを得た。攪拌しながら、26gの酢酸ジルコニウムの希酢酸溶液(30%のZrO2を含有)を
このスラリーに添加した。
3.2塗布
このスラリーを、1“D×3”Lの気孔密度が65cpsc(1cm2当りの気孔数)(400cpsi(1平方インチ当りの気孔数))で壁厚が6.5mmの多孔性セラミックコア上に塗布した。この塗布後のコアを110℃で3時間乾燥し、400℃で1時間焼成した。この塗布プロセスを繰り返して、目標とする薄膜負荷量の0.146g/cm3(2.4g/in3)とした。薄膜の塗布量は、ハニカム体積当りの乾燥重量増で定義される。
3.3NOx選択的触媒的還元(SCR)の効率の測定
500ppmのNOと500ppmのNH3、10%のO2、5%のH2Oを含み、残りがN2からなる供給ガス混合物を1“D×3”Lの触媒コアを内蔵する定常状態反応器に添加して、フレッシュな触媒コアの酸化窒素選択的触媒還元(SCR)の効率と選択性を測定した。
この触媒試験のために、上記塗装コアを、セラミックの絶縁マットで覆われた正方形断面に加工し、電気炉により加熱されたインコネル反応管中に納めた。O2(空気の)とN2とH2Oからなるガスは、反応器に入る前に予備加熱炉で加熱した。反応性ガスのNOとNH3は、予備加熱炉と反応器の間で導入した。
反応は200℃〜460℃の温度範囲で、空間速度が80,000h-1で行った。空間速度は、全反応混合物を含むガス流量を触媒コアの幾何的体積で割った値と定義される。これらの条件により、フレッシュな触媒に対する標準試験を行った。
図15に、フレッシュな触媒の触媒効率と選択性を示すSCR試験の結果を示す。広い温度範囲で高性能である、特に低温性能が改善された材料の提供が望ましい。性能には、NOx変換率だけでなく、SCRのN2への選択性、つまりN2O形成の抑制が含まれる。図から明らかなように、この触媒は、すべての温度範囲で高いNOx変換率と、また低いN2O生成率(<10ppmのN2O)を示す。
3.4触媒の水熱安定性の測定
フレッシュな触媒コア(比較例の3.2に記載のもの)を10重量%のH2Oの存在下で850℃で6時間水熱処理し、比較例の3.3に概説したフレッシュな触媒コア上でのSCRの評価プロセスを用いて酸化窒素SCR効率と選択性を測定して、触媒の水熱安定性を測定した。
処理後の触媒のSCR効率と選択性の結果を図16に示す。既存のゼオライト材料より水熱耐久性を向上させることが望ましく、例えば最高で少なくとも約650℃以上の温度で、例えば約700℃〜約900℃の範囲で安定な触媒材料が望ましい。図から明らかなように、この触媒は、全温度範囲で高いNOx変換率を維持し、また高い窒素選択性を示す。これは低いN2O収率(<20ppmのN2O)に反映されている。
比較例4:多量のトリメチルアダマンチルアンモニウムヒドロキシドを用いるアルカリ金属非含有チャバザイトの製造
4.1合成ゲルの調整
以下の出発原料を用いた。
−トリメチル−1−アダマンチルアンモニウムヒドロキシド(TMAA、20.17重量%水溶液)
−アルミニウムトリイソプロピラート(アルドリッチ217557)
−ルドックスAS40(グレース・デビソン)
5リットルのビーカー中で1048.2gのTMAAを混合した。この溶液を室温で10分間攪拌した。次いで、79.3gのアルミニウムトリイソプロピラートを添加し、得られた懸濁液を約60分間攪拌した。次いで、872.5gのルドックスAS40を添加し、得られた懸濁液を約20分間攪拌した。
測定の結果、得られた懸濁液のpHは13.5で、OH/Si比は0.172であった。
この懸濁液の組成は以下のモル比であった。36SiO2:2.4Alイソプロピラート:6.2TMAA:468H2O。このゲルを2.5リットルのオートクレーブに移した。
4.2水熱結晶化
このオートクレーブを密閉し、170℃の温度まで加熱した。170℃の温度を48時間維持した。これにより、2.5Lのオートクレーブ中の混合物を200rpm(1分当りの回転数)で攪拌した。
4.3分離、乾燥、及び焼成
水熱結晶化の後、得られた懸濁液のpHは12.4であった。この懸濁液を脱イオン水と混合(1:1)し、得られた懸濁液のpHを5%のHNO3で6に調整した。次いで、この懸濁液を直径が15cmの磁性吸引フィルターでろ過した。この湿った生成物を空気中で120℃の温度に30分以内に加熱し、120℃で240分間乾燥させた。乾燥した生成物を次いで240分以内に600℃の温度に加熱し、大気下で600℃で300分間焼成した。収量は約368gであった。焼成材料の試料をXRDで分析したところ、CHA骨格をもつゼオライトが得られていることが判明した(図17参照)。
4.4生成物の特性評価
1.3で得られた焼成材料の元素分析を行った結果、0.1重量%未満のCと、0.5重量%未満のNが見出された。Na含量は、絶乾状態でNa2Oとして0.17重量%であった。この高いNa含量は、TMAA溶液からのNaのためである。SiO2/Al23比は30:1であった。
焼成材料のDIN66131に準じて求めたBET表面積は711m2/gであり、DIN66135に準じて求めたラングミュア表面積は960m2/gであった。生成物のSEM像から、生成物が約1ミクロンの凝集物を含むことがわかる。典型的な結晶子の一次粒子径は、平均長として約80ナノメーター未満である(図18参照)。これはXRD測定で確認された。
本発明は、通常低アルカリ金属含量の触媒組成物を得るのに必要なイオン交換工程を省くことができるため有利である。また、本プロセスは、CHA骨格構造を有するゼオライト材料の製造において時間とコストが短縮されたプロセスを提供し、追加の複雑なイオン交換工程を省くことができる。このイオン交換工程は、脱アルミニウムなどのプロセスでゼオライト材料を不安定化させることがある。本発明のプロセスで形成されるより大きな結晶は、安定性を増加させることができるかもしれない。

Claims (14)

  1. CHA骨格構造を有し、(n SiO2):X23のモル比(式中、Xは三価の元素であり、nが少なくとも10である)による組成を持つゼオライトの製造方法であって、
    (i)少なくとも一種のX23供給源(Xは、AlとBとGaと2つ以上の混合物から選ばれる)と、少なくとも一種のSiO2供給源と、少なくとも一種の、テトラメテルアンモニウムヒドロキシド(TMAOH)以外のCHA構造へのテンプレートとして働く有機構造指向剤(SDA)と、テトラメテルアンモニウムヒドロキシド(TMAOH)とを含む水溶液を調製し(ただし、該SDAまたはSDA混合物は、(i)中の水溶液のSDA:TMAOHモル比が0.01〜5となるような量で用いられる);
    (ii)(i)の水溶液を水熱結晶化する(ただし、(i)の水溶液は、銅を0.005Cu:((n SiO2)+X23)未満の量で含み、nは少なくとも10である)ことを特徴とする製造方法。
  2. XがAlである請求項1に記載の製造方法。
  3. (ii)により水熱結晶化にかけられる水溶液がアルカリ及び/又はアルカリ土類金属を含んでいない請求項1または2に記載の製造方法。
  4. 上記構造指向剤が、1−アダマンチルトリメチルアンモニウム化合物または1−アダマンチルトリメチルアンモニウム化合物とベンジルトリメチルアンモニウム化合物の混合物である請求項1〜3のいずれか一項に記載の製造方法。
  5. (i)で得られる水溶液のpHが10〜14の範囲である請求項1〜4のいずれか一項に記載の製造方法。
  6. SDA:TMAOH比が0.7〜3の範囲である請求項1〜5のいずれか一項に記載の製造方法。
  7. 上記少なくとも一種のSiO2供給源と上記少なくとも一種のX23供給源が、(i)で得られる水溶液における、水:(n X23)とSiO2の合計:構造指向剤(SDA)、場合によりSDAの合計:TMAOHのモル比、すなわち

    (q H2O): [(n SiO2)+X23]:(s SDA):(t TMAOH)

    (式中、qは少なくとも10であり、nは10〜1000であり、sは0.025〜0.1であり、tは0.01〜0.1である)となるような量で用いられる請求項1〜6のいずれか一項に記載の製造方法。
  8. (i)で得られた水溶液中のOH-/Si比率が0.1〜0.5である請求項1〜7のいずれか一項に記載の製造方法。
  9. さらに、(iii)(ii)で得られる懸濁液からゼオライト材料を分離し、
    (iv)(iii)で分離されたゼオライト材料を100〜150℃の範囲の温度で乾燥し、
    (v)(iv)で乾燥されたゼオライト材料を300〜750℃の範囲の温度で焼成することからなる請求項1〜8のいずれか一項に記載の製造方法。
  10. 請求項1〜9のいずれか一項に記載の製造方法により得られる、CHA骨格構造を有するゼオライト材料。
  11. CHA骨格構造を有し、(n SiO2):X23のモル比(Xは三価元素であり、XはAl、B、Ga、及びこれらの2種以上の混合物から選ばれ、nは少なくとも10である)の組成をもち、走査型電子顕微鏡で求めたゼオライト形材料の結晶サイズが1マイクロメータより大きく、チャバザイト骨格の相が純粋で、X線回折で求めた他のゼオライト骨格不純物の量が5%未満であるゼオライト材料。
  12. 結晶サイズが1〜5ミクロンの範囲である請求項11に記載のゼオライト材料。
  13. 上記チャバザイト骨格の相が純粋であり、他のゼオライト骨格の不純物量が1%未満である請求項11または12に記載のゼオライト材料。
  14. 請求項10〜13のいずれか一項に記載のゼオライト材料を、酸化窒素NOxの選択的還元(SCR)、NH3の酸化、N2Oの分解、又は予混合圧縮着火(HCCI)エンジンなどの先進の排ガスシステムの排ガス制御のための触媒として、流体の触媒的クラッキング(FCC)プロセスにおける添加物として、有機変換反応の触媒として、あるいは酸化物または酸化物混合物を含む供給原料から軽質オレフィン製造、例えばメタノールからオレフィンへの反応での触媒として、または「定置型排出源」プロセス中での触媒として使用する方法。
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