JP2014501683A - ゼオライトのメカノケミカル製造 - Google Patents
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Abstract
発明の主題は、次のステップを含むゼオライトの合成のための方法である:
a)ケイ素源を供給すること;b)アルミニウム源を供給すること;c)任意的に少なくとも一つのテンプレートを供給すること;d)ケイ素源、アルミニウム源及び任意的なテンプレートを、合成ゲルを作製するために混合すること;e)合成ゲルを粉砕すること;f)結晶ゼオライトを作製するために、粉砕された合成ゲルを水熱条件下で処理すること。また本発明は、この方法で得られるゼオライトに関する。本方法で得られる製品は、触媒又は触媒助剤として使用される。
【選択図】図1
a)ケイ素源を供給すること;b)アルミニウム源を供給すること;c)任意的に少なくとも一つのテンプレートを供給すること;d)ケイ素源、アルミニウム源及び任意的なテンプレートを、合成ゲルを作製するために混合すること;e)合成ゲルを粉砕すること;f)結晶ゼオライトを作製するために、粉砕された合成ゲルを水熱条件下で処理すること。また本発明は、この方法で得られるゼオライトに関する。本方法で得られる製品は、触媒又は触媒助剤として使用される。
【選択図】図1
Description
本発明は、ゼオライトを製造するための方法、また、この方法によって得られるゼオライトに関する。
ゼオライト材料は水熱合成、すなわち、加圧下・昇温下の水性溶媒中における合成によって製造されうる。水熱合成を通じて、合成ゲルは対応するゼオライトに結晶化される。合成ゲルは通常、ケイ素源(例えばケイ酸)、アルミニウム源(例えばアルミン酸ナトリウム、水酸化アルミニウム、硫酸アルミニウム等)、テンプレート(好ましくは、四級アンモニウム化合物。構造指向剤として供される)及び水を含む。
しかしながら、公知の合成法は不利な点を有する。それは、水熱合成の場合のゼオライトの結晶化時間がかなり長く、また、得られるゼオライトがしばしば単一物質ではない混合物であることである。
すなわち本発明の目的は、単純な方法、短い結晶化時間で、結晶化ゼオライト、特に高い相純度を有するゼオライトを得ることが可能な方法を提供することである。
このような方法を見出すために、発明者らは多くの試験を実施した。合成ゲルの作製の後に行われる追加的な粉砕ステップが、結晶化時間を短縮し、高い相純度のゼオライトを与えるという驚くべきことが見いだされた。また、この追加的な方法のステップは、相純度に悪影響を与えることなく、テンプレートの使用量を低減することを可能にする。このことは製造コストを顕著に引き下げる。本発明はこの発見に基づいて知覚された。
本発明は、ゼオライトを合成するための方法に関し、当該方法は次のステップを含む:
a)ケイ素源を供給すること;b)アルミニウム源を供給すること;c)任意的に、少なくとも一つのテンプレートを供給すること;d)ケイ素源、アルミニウム源及び任意的なテンプレートを、合成ゲルを作製するために混合すること;e)合成ゲルを粉砕すること;f)結晶ゼオライトを作製するために、粉砕された合成ゲルを水熱条件下で処理すること。
a)ケイ素源を供給すること;b)アルミニウム源を供給すること;c)任意的に、少なくとも一つのテンプレートを供給すること;d)ケイ素源、アルミニウム源及び任意的なテンプレートを、合成ゲルを作製するために混合すること;e)合成ゲルを粉砕すること;f)結晶ゼオライトを作製するために、粉砕された合成ゲルを水熱条件下で処理すること。
本発明のさらなる局面は、本発明の方法によって得られるゼオライトに関する。好ましくはベータゼオライトやMFIゼオライトが製造される;特に好ましくはSi:Alモル割合が10〜400、さらに好ましくは20〜50であるベータゼオライトや、Si:Alモル割合が12〜800、さらに好ましくは24〜500、特に好ましくは75〜250であるMFIゼオライトである。
さらに本発明は、ケイ素源、アルミニウム源及び任意的に少なくとも一つのテンプレートを含む合成ゲルを、水熱条件下で結晶ゼオライトを作製する前に処理するための、少なくとも一つの粉砕装置の使用を教示する。
さらに本発明は、本発明の方法によって得られうるゼオライトの、特に酸触媒反応、酸化、還元、吸着のための触媒又は触媒担体としての使用を教示する。特に好ましくは、炭化水素の接触分解(分解)や炭化水素の水素化分解(水素化分解、穏やかな水素化分解、及び/又は脱ろう);オレフィン、アルコール又は含ハロゲンパラフィンでの芳香族のアルキル化;芳香族のアルキル化;オレフィンでのイソパラフィンのアルキル化;(特に芳香族の)トランスアルキル化;不均化;異性化;水素異性化;二量化;オリゴマー化;ポリマー化;エーテル化;エステル化;水和;脱水;吸着;濃縮;酸化:アセタール化;脱アルキル化及び環化のための使用である。
本発明は一般的に、ゼオライトを製造するための方法に関し、合成ゲルは第一にケイ素源、アルミニウム源と任意的に少なくとも一つのテンプレートから製造される。ケイ素源、アルミニウム源及び任意的に一又は複数のテンプレートを混合することによる合成ゲルの作製は、本発明の教示に基づいて当業者に公知の方法ですることができる。ケイ素源、アルミニウム源及び一又は複数のテンプレートはそのままで、又は流体の形態、例えば溶液、懸濁液又はゲルで一緒に混合され、又は、溶媒又は溶媒混合物に添加されうる。水又は水性溶媒混合物が、溶媒として好ましく使用される。ケイ素源、アルミニウム源、任意的なテンプレート、及び/又は合成ゲルは、特に、水性溶媒中に存在しうる。
ケイ素源、アルミニウム源及び任意的に一又は複数のテンプレートを混合するステップは、好ましくは混合又はホモジナイズを含む。
ケイ素源が、沈降ケイ酸、コロイド状ケイ酸、及びそれらの混合物からなる群から選択されるケイ素源であるときに、特に良い結果が得られる。ケイ素源は特に、沈降ケイ酸を含み、又は、沈降ケイ酸からなる。アルミニウム源は、アルミン酸塩(特にアルミン酸ナトリウム)、水酸化アルミニウム、硫酸アルミニウム及びそれらの混合物からなる群から選択されうる。当業者の一般的な知識や本発明の教示に基づくあらゆるテンプレートがテンプレートとして使用され、構造指向剤として供される四級アンモニウム化合物が好ましい。テトラアルキルアンモニウム塩は使用されうるテンプレートの一例である。アルキル基は好ましくは同一でも異なっていてもよく、炭素数が1から10(好ましくは1から4)である直鎖又は分岐のアルキル基を有する、テトラアルキルアンモニウムヒドロキシド及び/又はテトラアルキルアンモニウムブロミドの使用がより好ましい。テトラエチルアンモニウムヒドロキシド(TEAOH)やテトラプロピルアンモニウムブロミド(TPABr)が特に好ましい。テンプレートは、ケイ素源の中のSiのモル量に対して、例えば1〜50モル%の量で、特に1〜30モル%で、好ましくは4〜20モル%の量で使用される。一又は複数のテンプレートが使用されうる;一種のテンプレートの使用がより好ましい。
MFI−ゼオライト(ゼオライトZSM−5)の合成における合成ゲルは、Siに対するAlのモル割合が、例えば0.00125:1から0.0833:1の範囲、好ましくは0.002:1から0.0416:1の範囲、特に好ましくは0.004:1から0.0133:1の範囲とできる。また/或いは、Siに対するNaのモル割合は、0.01:1から0.2:1の範囲、好ましくは0.02:1から0.15:1の範囲、特に好ましくは0.04:1から0.14:1の範囲とできる。好ましくは合成ゲルはSiO21モルに対して少なくとも10モルの水、より好ましくは18〜30モルの水を含む。
ベータゼオライト(BEA)の合成における合成ゲルは、Siに対するAlのモル割合が、例えば0.0025:1から0.1:1、好ましくは0.02:1から0.08:1の範囲とできる。また/或いは、Siに対するNaのモル割合は、0.001:1から0.1:1の範囲、好ましくは0.01:1から0.08:1の範囲とできる。好ましくは合成ゲルは、SiO21モルに対して少なくとも5モルの水、さらに好ましくは10〜50モルの水を含む。
合成ゲルの作製では、下に説明されるように、合成ゲルの粉砕が行われる。本発明の文脈の中で「合成ゲル」という用語は、ゲル様又はゼラチン状の塊として存在するものと、流体の形態で存在するもの、例えば懸濁液の形態の両方を含む。粉砕された合成ゲルは、水熱条件下で結晶ゼオライトに変換され、そして、結晶ゼオライトは続いて水相から分離されて任意的に乾燥され、焼成される。
本発明による方法は、下記にベータゼオライトの合成とMFIゼオライトの合成を参照して説明されるが、これらのゼオライトの合成に制限されない。
本発明の方法によって得られるゼオライトは好ましくは80%、好ましくは90%、好ましくは95%、特に好ましくは98%を超える相純度を有する。相純度はX線回折測定によって、100%純度のサンプルに対して決定される。
水熱条件下の処理前の合成ゲルの粉砕は、使用されたケイ素源、例えば、沈降ケイ酸の分散の増大を与える。このことはまた、結晶化プロセスの促進を導く。さらに、驚くべきことに、異質な相の形成が阻害され、又は抑制される。このようにして、合成のために必要なテンプレートの量はまた付加的に低減されうるので、製造コストの低減につながる。
さらに、好ましい態様によれば、合成ゲルの作製に続く粉砕プロセスゆえに、コロイド状ケイ酸は部分的に又は完全に、大幅に安価な沈降ケイ酸に代替されうる。このようにしてゼオライトの製造コストの顕著な低減が達成される。そのようなものの合成には、原料として通常、コロイド状ケイ酸源を使用する。さらに好ましくは、ゼオライトの種結晶が必要とされず、すなわち特にベータゼオライトの合成において、製造コストが低減されうる。
さらに、合成ゲルの作製において高純度の開始材料の代わりに母液が使用されうる。ゼオライト合成の完了後の、合成ゲルからの固体の分離で得られる第一の濾液が、母液として説明される。この第一の濾液は、固体分とともにゼオライト合成の間に転換されなかった原料をまだ含んでいる。
粉砕は、好ましくは粉砕完了後の合成ゲルの平均粒径d50が、粉砕開始時の合成ゲルの平均粒径d50に対して少なくとも10%、より好ましくは少なくとも15%、好ましくは少なくとも20%小さくなるように行われる。
粉砕は一般に、何らかの適切な粉砕装置で行われる。粉砕の間、大量のエネルギー(例えば、約0.5〜10kW/L、好ましくは約1〜10kW/L)が機械的なエネルギーを通じて系に与えられる。好ましい態様によれば、粉砕の最終段階において、エネルギー量は例えば2〜5kW/Lに低減されうる。
粉砕の間、粘度の顕著な低下が起こり、本発明の好ましい態様によれば、粉砕の完了後の合成ゲルの粘度は、粉砕の開始時の合成ゲルの粘度に対して、例えば少なくとも10%、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%低下する。
さらなる態様によれば、開始材料、特に水相に不溶である開始材料はまた、合成ゲルの作製の前により強い粉砕にかけられる。合成ゲルの作製前に、ケイ素源及び/又はアルミニウム源(溶液状態で存在しているとしても)が粉砕されることがさらに好ましい。
混合による合成ゲルの作製の間、また、粉砕の開始まで、また任意的に粉砕の間の一部又は全部の間、合成ゲルは加圧下に置かれることが好ましい。2.4barを超えない加圧下、より好ましくは1.9barを超えない加圧下、さらに好ましくは1.5barを超えない加圧下、最も好ましくは1.1barを超えない加圧下である。また/或いは、128℃を超えない温度に加熱され、さらに好ましくは110℃を超えない温度に加熱され、より好ましくは100℃を超えない温度に加熱され、最も好ましくは70℃を超えない温度に加熱される。特に非常に好ましくは35℃を超えない温度である。
粉砕は、好ましくは約0℃〜100℃の間の温度、特に0℃〜50℃の間で行われる。合成ゲルは例えば粉砕球で満たされた粉砕室を通ってポンプ輸送される。
好ましい態様によれば、粉砕は、粉砕球で満たされた粉砕室を含むミルにおいて行われる。例えばボールミル、環状ギャップミル、ビーズミル、マントン−ガウリンミル又はこれらの粉砕装置の一又は複数を含む組み合わせ粉砕装置において行われる。マルチステージ粉砕装置が好ましく使用され、例えば、マルチステージのボール又は環状ギャップミルが使用され、それらは、最終ステップの粗い画分は再び第一ステップに返される。さらに好ましくは一又は複数の粉砕装置は、粉砕球で満たされた粉砕室を含むミルからなる群から選択され、特に、ボールミル、環状ギャップミル、ビーズミル、マントン−ガウリンミル及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも一つの粉砕装置を含みうる。マントン−ガウリンミルは例えば、US4,664,842に詳細が説明されており、その明細書で開示されたそのものに関する開示は、参照によって本出願に含まれる。
当業者は、一般的な知識に基づいて代替的な粉砕装置を選択することができる。所望であれば、異なる数種類又は同一種の粉砕装置が、連続して又は同時に使用されうる。
より高い温度、すなわち100℃を超える温度も、粉砕プロセスが加圧下で行われるならば可能である。この場合はまた、粉砕室へ出入りする合成ゲルの流入と流出とが制御されなくてはならない。
合成ゲルのpHは合成条件に対応して設定され、一般的に約9〜14である。特に粉砕は約9〜14、好ましくは約10〜13の範囲のpHで実行される。pHは当業者に公知の方法によって設定されうる。例えば酸、アルカリ及び/又は緩衝塩の混合物の添加による。
合成ゲル又はそこから得られる反応混合物は、数回の通過やより長い滞留時間で、粉砕室を通じて運ばれうる。合成ゲルやそこから得られる反応混合物は、付加的に、結晶核としてゼオライト前駆体を含んでもよく、それから続く水熱処理に供されてもよい。得られた生成物は任意的に反応混合物から分離され、乾燥され、任意的に焼成される。特に、水熱条件下での作製の後、得られた結晶ゼオライトが分離され、乾燥され、任意的に焼成されうる。
さらなる態様によれば、粉砕は2回又はより多い回数、つまり2回、3回又は4回行われる。
抽出物や形成された結晶核の粉砕に依存して、水熱ゼオライト合成の経過は、合成時間について、抽出物、収率、結晶化の度合い、及び相純度の選択に関して柔軟に、最適化される。好ましい態様によれば、粉砕プロセスの導入は、少量のテンプレートを用いたゼオライト合成を可能にする。
合成ゲル又はそこから得られる反応混合物は、粉砕室を通ってポンプ輸送されうる。ある態様によれば、結晶核を含む粉砕の後に得られる懸濁液が、さらに水熱条件の通常の方法で加工され、最終製品まで仕上げられる。可能な態様によれば、沈降プロセス及びエイジングプロセス(触媒前駆体の結晶化)が、結晶核を用いて最適化される。
本発明の方法によれば、原料(ケイ素源、アルミニウム源及びアルカリ源)は例えば、懸濁液を製造するためにテンプレートと完全脱塩水と一緒に撹拌される。懸濁液はここに示される一又は複数の粉砕装置を通される。
機械的に活性化された細粒は、続く水熱処理において結晶核として働く。この処理の後、結晶ゼオライトは懸濁液から分離され、乾燥され任意的に焼成される。乾燥は、約60〜200℃の温度、好ましくは約80〜150℃で、例えば0.5〜10時間行われてもよく、焼成は、もし行われるならば約250〜750℃、好ましくは300〜500℃、例えば1〜10時間で行われる。
こうして得られる製造物は、触媒又は触媒助剤として使用されうる。
本発明は特に、水熱条件下の結晶ゼオライトの作製の前ステップにおいて、ケイ素源とアルミニウム源と任意的に少なくとも一つのテンプレートとを含む合成ゲルの処理のための、少なくとも一つの粉砕装置の使用を教示する。この使用は、製造されるゼオライトの相純度の向上及び/又は結晶性の向上に役立ちうる。
さらなる局面によれば、本発明は、本発明の方法によって得られるゼオライトを提供する。特にゼオライトはMFIゼオライトであり、特にSi:Alモル割合が12〜800の範囲であり、好ましくは24〜500の範囲であり、特に好ましくは75〜250の範囲であり、或いはベータゼオライトである。
ゼオライトの触媒的に活性な形態、例えばベータゼオライトやMFIゼオライトは、追加的に、周期表の1A,2A,3A〜8A,1B,2B又は3B族の金属、つまりB,Al,Ga,Si,Ge又はP、好ましくはLi、Na,K、Mg,Ca,Ba,La,Ce,Ti,Zr,Nb,Ta,Mo,W,Mn,Re,Fe,Ru,Co,Rh,Ni,Pd,Pt,Cu,Zn,B,Al,Ga,Si,Ge又はPを含むことができる。特に好ましくは、触媒的に活性なゼオライトは、次のものの一又は複数を含む:Pt,Pd,Cu,Fe,Rh,Ru、P及びNi。この交換は例えば、イオン交換プロセス、含浸又は物理的な混合プロセスの助けによることができる。元のカチオンを交換するためのさらなるプロセスは、当業者には公知でありここでは詳細に説明されない。
所望の使用に応じて、本発明の方法によって得られるゼオライトは、さらなる組成物と混合され、又は、さらなる処理がされる。ゼオライトの好ましいさらなる処理は、水性イオン交換、固相イオン交換(例えばEP0955080Aで説明されている)、例えば希釈鉱酸や希釈有機酸処理、水熱処理(R. Szostak, Studies in Surface Science Catalysis, 137 (2001) 261-297を参照)による脱アルミ化、例えば押出し、タブレット化又はスプレードライなどの従来法によるあらゆるサイズ及び形態に成型されたものの製造、また、バインダーの追加、成形物特にハニカムの、ゼオライトとバインダーの懸濁液によるいわゆるウォッシュコートコーティング、などを含みうる。
本発明による合成ゼオライトは特に、触媒として使用され、例えばゼオライトはHフォーム(卑金属及び/又は貴金属によるコーティング有り又は無し)で、酸触媒反応、酸化反応、還元反応及び吸着の触媒として使用されうる。
これらの反応は他にも、接触分解(FCC補助触媒)、炭化水素の水素化分解(穏やかな水素化分解、脱ろう、水素化分解);オレフィン、アルコール又は含ハロゲンパラフィンでの例えば芳香族のアルキル化;芳香族のアルキル化;オレフィンでのイソパラフィンのアルキル化;(芳香族の)トランスアルキル化;(例えば、トルエンの不均化などの)不均化;異性化及び水素異性化(例えば、パラフィン、オレフィン、芳香族、キシレンの異性化、イソ脱ろう化);二量化、オリゴマー化;ポリマー化;エーテル化及びエステル化;水素化及び脱水素化;吸着;濃縮;酸化;アセタール化;脱アルキル化及び環化;アルキル化及び水素脱アルキル化(エチルベンゼンからベンゼンへ);排気ガス浄化;酸触媒反応などがその例であり、また例えば、DE−A−4405876号に示されている。ここでは、特定の酸活性化された層状シリケートに基づき、バインダーによって粒子が共に結着されている触媒が使用される。
本発明の方法は下記に実施例を参照して説明されるが、これらに制限されるものではない。
a)粘度の測定
ペースト、懸濁液、分散液の粘度はDIN53019/ISO3219に従って測定された。Haake製のRheo−Stress600粘度計がメーカーの説明書に従って使用された。
b)平均粒径
平均粒径d50は、全粒子量の50%がより小さい粒径の粒子で構成されるように定義される。粒子径分布の測定に適切な方法は例えば、ISO13320−1に従うレーザー回折法である。
c)強熱減量
強熱減量は次のように測定される:清浄な陶製のるつぼが600℃に加熱され、続いて使用までデシケーターに保存される。ホモジナイズされたサンプルは計量して陶製るつぼに入れられ、続いて、標準的な実験室型のマッフル炉において1000℃で3時間、るつぼが加熱される。その後るつぼはデシケーターに取り出され、冷却される。強熱減量は、開始時の重量と最終重量の比較によって算出される。強熱減量は常に二回の測定によって確定される。
d)ゼオライトの化学組成
ゼオライトの化学組成を確定するために、ゼオライトは予め1000℃で加熱されて恒量とされ、続いて20℃に冷却されたものが使用される。Si及びAlの含量を確定するため、公知の元素分析がおこなわれる。
nSi/nAl値は、モル当たりのAl量に対するモル当たりのSi量の割合を意味する。各ゼオライトは予め1000℃に加熱して恒量とされる。
ペースト、懸濁液、分散液の粘度はDIN53019/ISO3219に従って測定された。Haake製のRheo−Stress600粘度計がメーカーの説明書に従って使用された。
b)平均粒径
平均粒径d50は、全粒子量の50%がより小さい粒径の粒子で構成されるように定義される。粒子径分布の測定に適切な方法は例えば、ISO13320−1に従うレーザー回折法である。
c)強熱減量
強熱減量は次のように測定される:清浄な陶製のるつぼが600℃に加熱され、続いて使用までデシケーターに保存される。ホモジナイズされたサンプルは計量して陶製るつぼに入れられ、続いて、標準的な実験室型のマッフル炉において1000℃で3時間、るつぼが加熱される。その後るつぼはデシケーターに取り出され、冷却される。強熱減量は、開始時の重量と最終重量の比較によって算出される。強熱減量は常に二回の測定によって確定される。
d)ゼオライトの化学組成
ゼオライトの化学組成を確定するために、ゼオライトは予め1000℃で加熱されて恒量とされ、続いて20℃に冷却されたものが使用される。Si及びAlの含量を確定するため、公知の元素分析がおこなわれる。
nSi/nAl値は、モル当たりのAl量に対するモル当たりのSi量の割合を意味する。各ゼオライトは予め1000℃に加熱して恒量とされる。
複数の標準(例えばDIN、ISO、ASTM標準など)が存在する場合には、本発明は、他の版を明確に指示していない限り、2008年10月1日時点の標準を参照する。
e)ゼオライトの相及び/又は結晶化度の測定
この方法では、結晶体がその格子構造について試験される。X線回折が、試験サンプルのそれぞれについておこなわれ、対応するリファレンスサンプルが直ちに続いて試験される。全スペクトラムの反射の比較、特に、約22.4°の2θにおける反射の線幅の参照が、相純度及び/又はサンプルの結晶度の情報を与える。Bruker社製のD4 Endeavor装置がX線回折の測定のために使用された。
この方法では、結晶体がその格子構造について試験される。X線回折が、試験サンプルのそれぞれについておこなわれ、対応するリファレンスサンプルが直ちに続いて試験される。全スペクトラムの反射の比較、特に、約22.4°の2θにおける反射の線幅の参照が、相純度及び/又はサンプルの結晶度の情報を与える。Bruker社製のD4 Endeavor装置がX線回折の測定のために使用された。
[実施例]
a)アルミニウム源の準備
アルミン酸ナトリウムがアルミニウム源として使用された。水性のアルミニウム源が、アルミン酸ナトリウム(及び、実施例4、比較例4の場合にはさらにNaOH粒子)を水に溶解することで調製された。アルミン酸ナトリウムを完全に溶解させるため、混合物は60〜100℃に加熱された。固体が溶解した後、黄色味でわずかに濁った液体が、室温まで冷却され、減量分は脱イオン水を追加することで修正された。
b)ケイ素源及び(少なくとも一つの)テンプレートの準備
ケイ素源の調製の間、ベータゼオライト(BEA)の場合には、テンプレートのテトラエチルアンモニウムヒドロキシド(TEAOH、SACHEM社製)が室温でまず水に混合された。MFIゼオライトの場合には、テンプレートのテトラプロピルアンモニウムブロミド(TPABr、SACHEM社製)が室温でまず水に混合された。テンプレートのテトラエチルアンモニウムヒドロキシドは、35wt%TEAOH溶液として使用された。テトラプロピルアンモニウムブロミドは>99wt%TPABrの固体として使用された。沈降ケイ酸(FK320、Degussa社製)が続いてスラリー化して添加された。
c)アルミニウム源及びケイ素源の混合及び合成ゲルの作製
この合成ステップにおいて、アルミニウム源は、連続的に、混合しながら室温(20℃)で反応容器内でケイ素源に添加された。得られた懸濁液は、室温(20℃)で、さらに140分(ベータゼオライトの場合)又は30分(MFIゼオライトの場合)撹拌された。
a)アルミニウム源の準備
アルミン酸ナトリウムがアルミニウム源として使用された。水性のアルミニウム源が、アルミン酸ナトリウム(及び、実施例4、比較例4の場合にはさらにNaOH粒子)を水に溶解することで調製された。アルミン酸ナトリウムを完全に溶解させるため、混合物は60〜100℃に加熱された。固体が溶解した後、黄色味でわずかに濁った液体が、室温まで冷却され、減量分は脱イオン水を追加することで修正された。
b)ケイ素源及び(少なくとも一つの)テンプレートの準備
ケイ素源の調製の間、ベータゼオライト(BEA)の場合には、テンプレートのテトラエチルアンモニウムヒドロキシド(TEAOH、SACHEM社製)が室温でまず水に混合された。MFIゼオライトの場合には、テンプレートのテトラプロピルアンモニウムブロミド(TPABr、SACHEM社製)が室温でまず水に混合された。テンプレートのテトラエチルアンモニウムヒドロキシドは、35wt%TEAOH溶液として使用された。テトラプロピルアンモニウムブロミドは>99wt%TPABrの固体として使用された。沈降ケイ酸(FK320、Degussa社製)が続いてスラリー化して添加された。
c)アルミニウム源及びケイ素源の混合及び合成ゲルの作製
この合成ステップにおいて、アルミニウム源は、連続的に、混合しながら室温(20℃)で反応容器内でケイ素源に添加された。得られた懸濁液は、室温(20℃)で、さらに140分(ベータゼオライトの場合)又は30分(MFIゼオライトの場合)撹拌された。
10例すべてについてこのステップまでは同じことがおこなわれた。実施例1〜4の合成バッチは、比較例1〜4のものと違って、さらなる製造ステップ、すなわち撹拌ボールミルでの粉砕に供された。
d)撹拌ボールミルにおける粉砕
この目的のために、各合成ゲルはホースポンプでボールミル(Fryma M32タイプ)の粉砕室に送られた。粉砕室が満たされた後にミルのローターがスタートされ、ローター運転中に、粉砕室を通じて全ての合成ゲルがポンプ輸送された。粉砕物はコンテナに回収され、第二の粉砕ステージに送られた。ポンプ輸送は3L/分であった(BEA,MFIの場合)。
この目的のために、各合成ゲルはホースポンプでボールミル(Fryma M32タイプ)の粉砕室に送られた。粉砕室が満たされた後にミルのローターがスタートされ、ローター運転中に、粉砕室を通じて全ての合成ゲルがポンプ輸送された。粉砕物はコンテナに回収され、第二の粉砕ステージに送られた。ポンプ輸送は3L/分であった(BEA,MFIの場合)。
ベータゼオライトでは、合成ゲルの粘度が根本的に変化していることが観察された。ベータゼオライトでは、懸濁液はスタート時は平均的な粘度であり、より低い粘度の懸濁液が粉砕の後に得られた。
e)オートクレーブへの充填と結晶化
各ケースで、合成ゲル9kgがオートクレーブに充填された。続いてオートクレーブは閉められ、撹拌がスタートされ、合成ゲルの加熱が開始された。
f)結晶化条件
合成は、オートクレーブにおいて150℃の動的条件で行われた。結晶化時間は、バッチによって1時間〜160時間であった。
各ケースで、合成ゲル9kgがオートクレーブに充填された。続いてオートクレーブは閉められ、撹拌がスタートされ、合成ゲルの加熱が開始された。
f)結晶化条件
合成は、オートクレーブにおいて150℃の動的条件で行われた。結晶化時間は、バッチによって1時間〜160時間であった。
g)合成品の仕上げ
全ての合成品は、ブフナー漏斗を用いて脱イオン水で繰り返し洗浄され、再懸濁され(電導度<90μS/cm)、120℃で16時間以上乾燥されて、仕上げられた。
全ての合成品は、ブフナー漏斗を用いて脱イオン水で繰り返し洗浄され、再懸濁され(電導度<90μS/cm)、120℃で16時間以上乾燥されて、仕上げられた。
[結果]
表1は、さまざまなテンプレート含量の、粉砕された又はされていない合成ゲルと得られた製品のまとめである。
表1は、さまざまなテンプレート含量の、粉砕された又はされていない合成ゲルと得られた製品のまとめである。
使用された合成ゲルのモル組成
BEA:
(0.08‐0.18) TEAOH : 0.04 Na2O : 0.04 Al2O3 : 1 SiO2 : 12 H2O
MFI:
0.055 TPABr : 0.0675 Na2O : 0.0014 Al2O3 : 1 SiO2 : 24.5 H2O
BEA:
(0.08‐0.18) TEAOH : 0.04 Na2O : 0.04 Al2O3 : 1 SiO2 : 12 H2O
MFI:
0.055 TPABr : 0.0675 Na2O : 0.0014 Al2O3 : 1 SiO2 : 24.5 H2O
粉砕された合成ゲルの合成は、相純度の高いゼオライトを導いた。粉砕されていない合成ゲルから得られたゼオライトは一つのケースで不純物を含んでいた。実施例1〜4、比較例2〜4の合成は各ケースで、所望の合成産物BEAおよびMFIを与えた。ベータゼオライトのケースでは、粉砕されていない合成ゲルの使用は、一つのケースで、MFIゼオライト不純物を含む結果となった(比較例1)。
図1は、粉砕された合成ゲル(実施例4)を用いたMFIゼオライトの結晶化時間は、粉砕されていない合成ゲル(比較例4)の結晶化時間が9時間であるのに対して、1時間であり、結晶化時間が顕著に低減されることを示している。結晶化の進行は、X線回折測定の手段によって、合成ゲル又は反応混合物サンプルのピーク強度を確定することによって決定された。実施例4の製品(MFIゼオライト)はさらに、初期結晶の結晶サイズの顕著な低減を示している。初期結晶の形は維持されているが、結晶長さは約3.8μmから約1.2μmに、すなわち約32%に下がっている。この効果は、合成ゲルの粉砕に依って、結晶成長段階でその上に実際のゼオライトが生長していくところの種結晶が、より多く形成されることが寄与しているようである。
得られた製品の化学組成が表2に示される。
得られた結果を参照すると、合成ゲルにおける粉砕とテンプレート含量のいずれもが、ゼオライトの結晶化時間に顕著な影響を有していることが明らかである。合成ゲルの粉砕によって、また、テンプレートを高含量とすることで、結晶化時間の短縮が達成される。合成ゲルを粉砕することによって、粉砕プロセス無しの合成と比較して、結晶化時間を例えば5〜80%短縮することが可能であり、多くの場合で少なくとも50%短い。
図2は、粉砕有り(実施例1)と粉砕無し(比較例1)の合成ゲル(モルSi含量に対するモルテンプレート含量=0.08)の場合における結晶化時間の比較を示す。図3は、粉砕有り(実施例2)と粉砕無し(比較例2)の合成ゲル(モルSi含量に対するモルテンプレート含量=0.12)の場合における結晶化時間の比較を示す。
結晶化の進行は、X線回折測定の手段によって、合成ゲルのピーク数を確定することによって測定された。
沈降ケイ酸(FK320)の使用は、コロイド状ケイ酸(Dupont社製、LUDOX(登録商標))の使用とほぼ同じ結果を達成させた。つまり粉砕プロセスゆえに、コロイド状ケイ酸の代わりに沈降ケイ酸をゼオライトに用いることが可能である。沈降ケイ酸はコロイド状ケイ酸よりも安価であるため、このことはかなりのコスト低減を導く。
Claims (14)
- 次のステップを含む、ゼオライトの合成のための方法:
a)ケイ素源を供給すること;
b)アルミニウム源を供給すること;
c)任意的に、一又は複数のテンプレートを供給すること;
d)前記ケイ素源、前記アルミニウム源及び任意的に少なくとも一つのテンプレートを、合成ゲルを作製するために混合すること;
e)前記合成ゲルを粉砕すること;
f)粉砕された合成ゲルを、水熱条件下で、結晶ゼオライトを作製するために処理すること。 - 前記ケイ素源、前記アルミニウム源、前記任意的な少なくとも一つのテンプレート及び/又は前記合成ゲルが、水性溶媒、好ましくは水中に存在することを特徴とする、請求項1の方法。
- 前記ケイ素源が、沈降ケイ酸を含み、又はそれからなることを特徴とする、請求項1又は2の方法。
- 前記ケイ素源及び/又は前記アルミニウム源が粉砕されることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかの方法。
- 粉砕が、少なくとも一つの粉砕装置でおこなわれ、前記少なくとも一つの粉砕装置は、粉砕球で満たされた粉砕室を含むミル、特に、ボールミル、環状ギャップミル、ビーズミル、マントン−ガウリンミキサー;及びそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかの方法。
- 粉砕が、約9〜14のpH範囲で行われることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかの方法。
- 前記テンプレートが、ケイ素源におけるSiのモル量に対して、1〜50モル%の量で、特に10〜30モル%で、より好ましくは4〜20モル%の量で使用されることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかの方法。
- 水熱条件下での作製の後に、得られた結晶ゼオライトが分離され、乾燥され、任意的に焼成されることを特徴とする、請求項1〜7のいずれかの方法。
- 前記乾燥が約60〜200℃の温度で、好ましくは80〜150℃の温度で、前記任意的な焼成が250〜750℃の温度で、好ましくは300〜550℃の温度で行われることを特徴とする、請求項8の方法。
- 粉砕の完了後における合成ゲルの平均粒径d50が、粉砕前の合成ゲルの平均粒径d50よりも、少なくとも10%、好ましくは少なくとも15%、好ましくは少なくとも20%小さいことを特徴とする、請求項1〜9のいずれかの方法。
- 前記合成ゲルは、Siに対するAlのモル割合が0.00125:1〜0.1:1の範囲であり、及び/又は、Siに対するNaのモル割合が0.01:1〜0.2:1の範囲であり、好ましくは、Siに対するAlのモル割合が0.00125:1〜0.1:1かつSiに対するNaのモル割合が0.001:1〜0.2:1であることを特徴とする、請求項1〜10のいずれかの方法。
- 請求項1〜11のいずれかの方法で得られるゼオライトの、触媒又は触媒助剤としての使用、特に、酸触媒反応、酸化、還元及び吸着、特に好ましくは炭化水素の接触分解;炭化水素の水素化−触媒分解;オレフィン、アルコール及び/又は含ハロゲンパラフィンでの芳香族のアルキル化;芳香族のアルキル化;オレフィンでのイソパラフィンのアルキル化;特に芳香族のトランスアルキル化;高級炭化水素の水素異性化、脱ろう;不均化;異性化;水素異性化;二量化;オリゴマー化;ポリマー化;エーテル化;エステル化;水和;脱水;吸着;濃縮;酸化;アセタール化;脱アルキル化及び/又は環化のための使用。
- ケイ素源、アルミニウム源及び任意的に少なくとも一つのテンプレートを含む合成ゲルを処理するための少なくとも一つの粉砕装置の使用であって、前記粉砕装置が、粉砕球で満たされた粉砕室を含むミル、特に、ボールミル、環状ギャップミル、ビーズミル及びマントン−ガウリンミル、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、使用。
- 請求項1〜11のいずれかの方法によって得られるゼオライト、特に、MFIゼオライト及びベータゼオライト。
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