JP2016500622A - Sapo−34分子篩及びその合成方法 - Google Patents

Sapo−34分子篩及びその合成方法 Download PDF

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Abstract

本発明は無水状態の化学組成がmSDA・(SixAlyPz)O2(ここで、m=0.08〜0.3であり、x=0.01〜0.60、y=0.2〜0.60、z=0.2〜0.60であり、且つx+y+z=1である)であるSAPO−34分子篩に関する。当該分子篩の微細孔にテンプレートであるSDAが存在し、SDAが(CH3)2NRN(CH3)2の構造を有する有機アミンであり、Rが炭素数2〜5の直鎖状又は分岐状の飽和の炭化水素基である。当該分子篩の結晶体は、表面にケイ素がやや富化され、表面のケイ素の含有量と結晶体のバルクのケイ素の含有量の比は1.50〜1.01であり、且つ400〜700℃、空気中で焙焼してから、酸触媒反応、酸素含有化合物からオレフィンへの転換反応の触媒、及びガス吸着剤として用いられる。【選択図】なし

Description

本発明はCHA構造を有するシリコアルミノホスフェート分子篩(silicoaluminophosphate molecular sieve)及びその合成方法、並びに前記材料が酸触媒反応及び酸素含有化合物から低炭素オレフィンへ転換する反応における触媒の応用に関するものである。
1984年に、ユニオンカーバイド社(UCC)がシリコアルミノホスフェートシリーズであるSAPO分子篩を開発した(USP 4440871)。該分子篩は一種の結晶シリコアルミノリン酸塩であり、その三次元骨格構造はPO2 +、AlO2 -とSiO2の四面体より構成される。その内、SAPO−34は菱沸石の様な構造であり、主なチャンネルは八員環により構成され、孔口が0.38nm×0.38nmである。SAPO−34分子篩は優れた酸性とチャンネル構造を有するため、メタノールから低炭素数のオレフィン(MTO)を製造する反応において優れた触媒性能が有することが注目されている。
SAPO−34分子篩の合成は一般的に水熱合成法を採用し、水を溶媒として、密閉の圧力釜で行う。合成の成分にアルミニウム源、シリコン源、リン源、テンプレートと脱イオン水が含まれる。シリコン源としてはシリカゾル、活性シリカとオルトケイ酸エステルが挙げられ、アルミニウム源としては活性アルミナ、擬ベーマイトとアルミニウムアルコキシドが挙げられる。好ましいシリコン源とアルミニウム源はシリカゾルと擬ベーマイトである。一般的にリン源は85%のリン酸を用いる。よく使われているテンプレートには水酸化テトラエチルアンモニウム(TEAOH)、モルホリン(MOR)、ピペリジン(Piperidine)、イソプロピルアミン(i−PrNH2)、トリエチルアミン(TEA)、ジエチルアミン(DEA)、ジプロピルアミン等及びそれらの混合物が含まれる。SAPO−34の水熱合成において、有機アミンのモル用量は水のモル用量より遥かに少ないことが必要である。合成の連続相及び主体な溶媒として、水と有機アミンのテンプレートとのモル比は一般的に10より大きい。ジエチルアミンをテンプレートとしてSAPO−34を水熱合成する研究では、合成系においてテンプレートの用量が徐々に増加することに伴い、製品の収率と結晶化度は一定の低下が見られる。Microporous and Mesoporous Materials, 2008, 114(1−3): 4163の表1を参照する。
SAPO分子篩の合成において、多数の研究者により合成された分子篩の表面にケイ素が富化される特徴を有することが報告されている。それは、SAPO分子篩の初期のゲルは一般的に酸性又は中性に近いため、結晶化の進行に伴い、リン酸が徐々に消耗されることにより(結晶化による分子篩を形成する)、合成系のpHが連続に増加することを引き起こす。シリコン源は結晶化の初期において一般的に凝集状態の形で存在し、比較的低い等電点を有するため、合成系におけるpHの増加に伴い、酸化ケイ素が徐々に解重合され、そのためケイ素がSAPO分子篩骨格の形成に関与する割合を増大させて、さらに分子篩結晶粒の表面にケイ素の富化引き起こす。例えば、以前でジエチルアミンを用いてSAPO−34を合成する研究において、ケイ素がSAPO−34分子篩の結晶体において分布が不均一で、核から殻までの含有量が増加し、且つ表面のケイ素の含有量(モル比Si/(Si+Al+P))と結晶体のバルクのケイ素の含有量の比は1.41(Microporous and Mesoporous Materials, 2008, 114(1−3): 4163)であることが分かった。Akolekar氏らはSAPO−44に対する研究において、その表面のケイ素の含有量とバルクのケイ素の含有量の比は6−10と高かったことが発見された。(Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 146 (1999) 375−386)。一般的に、SAPO分子篩は結晶粒の表面にケイ素の富化の特徴を有するが、しかしながら、注意すべきことは、同一種類のSAPO分子篩に対しても、その表面の元素組成とバルク組成は合成条件と用いたテンプレートの変化により大きな差が存在する。
一般的に、SAPO分子篩においてケイ素の含有量の増加に伴い、ケイ素の配位構造も最初の簡単のSi(4Al)から多種のケイ素の配位構造の共存であるSi(nAl)(n=0−4)(異なるSAPO分子篩はその骨格に存在できる最大の単一のケイ素の分散量が異なる。J.Phys.Chem.,1994, 98,9614を参考)に変更しつつである。ケイ素の配位構造が変化することによって、その酸の濃度と酸の強度が大きな変化を引き起こし、酸強度は以下のような順番Si(1Al) >Si(2Al)> Si(3Al)> Si(4Al) を有する。一方、SAPO分子篩骨格においてケイ素の島の現われにつれ、各ケイ素原子が対応して生成された酸中心の量が低下し(Si(4Al)の場合では1であり、多種類のケイ素の配位構造の場合では1より小さく)、即ち、酸の密度が低下する。酸触媒としてのSAPO分子篩は、分子篩の結晶粒内のケイ素の分布が不均一であれば、その酸性質も不均一となり、そうすると分子篩の触媒性能に対して重大な影響を与えるはずであると想定できる。分子篩の結晶粒の表面にケイ素が富化されることであれば、結晶粒の外殻領域に近づければ、ケイ素の配位構造は内部より複雑になることが示される。Weckhuysen氏らは、メタノールからオレフィンを製造する反応(MTO)において、まず、SAPO−34の結晶粒の表面領域の近くに反応が行い、反応の進行に伴って大きな炭素析出物質が徐々に形成されてチャネルが塞がれ、結晶粒の内部の生成物が拡散するのが難しくなった(Chemistry−A European Journal,2008,14,11320−11327、J.Catal.,2009, 264,77−87)ということを報告した。これは、分子篩の結晶粒の表面の酸性の環境は触媒反応に対して特に重要であることが同時に実証された。分子篩の表面にのケイ素の富化の度合いを有効的に制御する方法を開発することは重要なことである。
分子篩の表面の元素組成の測定は一般的にXPS方法を用いて測定するが、結晶粒をスライス標本にして、走査型電子顕微鏡のEDXを用いて、ラインスキャンを行うことで核から殻までの元素分布を得ることもできる。
欧州特許0043562には、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミンをテンプレートとして用いて、AlPO−21分子篩を水熱合成したことが報告されている。欧州特許0538958には、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミンをテンプレートとしてリン酸アルミニウム分子篩SCS−24を合成したことが報告されている。アメリカ特許4898660には、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,3−プロパンジアミンとN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミンを用いてAlPO−21を合成したことが報告されている。アメリカ特許5370851には、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,6−ヘキサメチレンジアミンを用いてSAPO−56を合成したことが報告されている。WilsonらによりN,N,N’,N’−テトラメチル−1,6−ヘキサメチレンジアミンを用いてAlPO−17、SAPO−17、とSAPO−56(Mico. Meso. Mater. 1999, 28(1), 117−126)を合成したことが報告されている。フランスのM.Goepper氏の博士論文(Universite Haute Alsace, Mulhouse, France, 1990)に、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン(TMED)をテンプレートとして用いて、フッ化水素の存在下でAlPO−34を合成したことが報告されている(合成の配比が1.0HF:1.5TMED:1Al23:1P25:80H2Oであり、200℃下で24時間結晶化する)。二価の金属イオンを上記の合成系に加えると、CHA構造を有する製品を得ることができない。合成系においてフッ素イオンが存在しなければ、合成された製品はAlPO−21である。アメリカ特許6835363には、二つのジメチルアミノ基を有する有機アミンをテンプレートとして用いて、フッ化水素の存在下で、AlPO−34と低ケイ素のSAPO−34分子篩を水熱合成したことが報告されている。
以上の文献から、二つのジメチルアミノ基を有する有機アミンをテンプレートとして分子篩を合成する研究では、合成系にフッ素イオンを加えると、適度な条件下でAlPO−34とSAPO−34を合成することができる。フッ素イオンが存在しない水熱合成系において、他の構造を有する分子篩が合成される。これらの結果から、フッ素イオンはCHA構造を有するリン酸アルミニウム分子篩の水熱合成において重要な役割を果たしていることが証明される。
周知のように、フッ素イオンは鋼鉄に対して強い腐食作用を有する。上記のAlPO−34とSAPO−34分子篩の合成系において、フッ素イオンの存在による合成釜の腐食が大規模製造では無視できない問題となっている。効率、迅速的な、且つフッ素なしのシステムでSAPO−34分子篩の合成を探ることは重要な研究と実用的な価値がある。
本発明の目的は、無水状態の化学組成がmSDA・(SixAlyz)O2であるSAPO−34分子篩であり、SDAが分子篩の微細孔に存在するテンプレートであり、mが(SixAlyz)O21モル当たりのテンプレートのモル数を表し、m=0.08〜0.3であり、x、y、zがそれぞれSi、Al、Pのモル分率を表し、その範囲がそれぞれx=0.01〜0.60、y=0.2〜0.60、z=0.2〜0.60であり、且つx+y+z=1であるSAPO−34分子篩を提供することである。その中、SDAが(CH32NRN(CH32の構造を有する有機アミンであり、Rが炭素数2〜5の直鎖状又は分岐状の飽和の炭化水素基である。前記テンプレートであるSDAはN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルプロピレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルテトラメチレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルジアミノペンタン、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,2−ジアミノプロパン、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,3−ジアミノブタン、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,4−ジアミノペンタンからなる群より選ばれる少なくとも1種である。分子篩の結晶体の表面にケイ素がやや富化され、表面のケイ素の含有量(Si/(Si+Al+P)のモル比)と結晶体のバルクのケイ素の含有量との比が1.50〜1.01であり、好ましくは1.42〜1.02、より好ましくは1.35〜1.03、最も好ましくは1.30〜1.03である。分子篩の結晶体において、核から殻までのケイ素の含有量は均一的に増加してもよく、不均一的に増加してもよい。
本発明の別の目的としては、上記のSAPO−34分子篩の合成方法を提供するものである。
本発明の別の目的としては、上記の方法に従って合成された分子篩、及びそれにより調製された酸触媒反応の触媒又は酸素含有化合物からオレフィンへの転換反応の触媒を提供するものである。
本発明の別の目的としては、上記の方法に従って合成された分子篩、及びそれにより調製されたガス吸着剤を提供することである。
本発明が解決しようとする課題はフッ素イオンの使用なしで、(CH32NRN(CH32の構造を有する有機アミンを用いて迅速に高収率でSAPO−34分子篩を合成するものである。本発明者らは実験研究により、(CH32NRN(CH32の構造を有する有機アミンを合成系の主溶剤とテンプレートと同時に用いて、適宜な配合順番で、初期のゲルにおける(CH32NRN(CH32/H2Oのモル比を制御し、SAPO−34分子篩を迅速に合成することが実現でき、且つ合成の収率は通常の同じテンプレートを用いたフッ素含有の水熱プロセスより著しく高くなったことを見出した。さらに重要なことは、合成された製品の結晶粒は表面にケイ素がやや富化される特徴を有する。この状況はおそらく合成系が強アルカリ性の環境にあることと関連する。即ち、結晶化の初期と後期において、合成系のpHの変化が小さい。シリコン源は結晶化の合成の初期においてすでに低い重合度を有しており、結晶化による分子篩の形成に寄与できる割合が従来の方法より高いため、合成の試料の表面にのケイ素の富化の度合いが大幅に低下することをもたらした。
本発明はa)シリコン源、アルミニウム源、リン源、脱イオン水とSDAを混合して、以下のモル比を有する初期のゲル混合物を得るステップ、
SiO2/Al23=0.01〜1、
25/Al23= 0.5〜1.5、
2O/Al23= 1〜19、
SDA/Al23= 5〜30、
SDA/H2O=0.27〜30、
SDAが(CH32NRN(CH32の構造を有する有機アミンであり、Rが炭素数2〜5の直鎖状又は分岐状の飽和の炭化水素基であり、
b)ステップa)で得られた初期のゲル混合物を合成釜に仕込んで密閉して、170〜220℃までに昇温して自発生圧力で0.5〜48時間かけて結晶化させるステップ、
c)結晶化が終了した後、固体生成物を遠心分離し、脱イオン水で中性になるまで洗浄して、乾燥してSAPO−34分子篩を得るステップ、を含むSAPO−34分子篩を合成する方法に関する。
ステップa)において、初期のゲル混合物におけるシリコン源はシリカゾル、活性シリカ、オルトケイ酸エステル、メタカオリンからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、アルミニウム源はアルミニウム塩、活性アルミナ、アルミニウムアルコキシド、メタカオリンからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、リン源はオルトリン酸、リン酸水素アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム、有機リン化合物及びリン酸化物からなる群より選ばれる少なくとも1種である。
ステップa)において、初期のゲル混合物における有機アミンのSDAと水とのモル比がSDA/H2O=0.5〜30であり、好ましくは1.0〜30である。
ステップa)において、初期のゲル混合物におけるSDAとAl23のモル比がSDA/Al23=7.0〜30である。
ステップa)において、SDAはN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルプロピレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルテトラメチレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルジアミノペンタン、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,2−ジアミノプロパン、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,3−ジアミノブタン、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,4−ジアミノペンタンからなる群より選ばれる少なくとも1種である。
ステップa)における配合の順番は、まず、アルミニウム源をSDAに加え、均一に撹拌して混合物Aを得て、別途にシリコン源、リン源及び脱イオン水を混合して、一定の時間かけて撹拌し続けた後、混合物Aに入れて均一まで混ぜ合わせ、初期のゲル混合物を得るものである。
ステップb)において、好ましい結晶化条件は:結晶化温度が180〜210℃であり、結晶化時間が1〜24時間であり、より好ましい結晶化条件は:結晶化温度が190〜210℃であり、結晶化時間が1〜12時間である。
ステップb)における結晶化過程は動的過程である。
合成されたSAPO−34の試料の固体収率が85%より大きい。固体収率の計算方法は、製品を600℃で焙焼してテンプレートを除いた後の質量×100%/初期スラリーにおける無機酸化物の質量である。
また、本発明は上記のSAPO−34分子篩又は上記の方法で合成されたSAPO−34分子篩を、400〜700℃、空気中で焙焼することで得る酸触媒反応の触媒にも関するものである。
更に、本発明は上記のSAPO−34分子篩又は上記の方法で合成されたSAPO−34分子篩を400〜700℃、空気中で焙焼することで得る酸素含有化合物からオレフィンへの転換反応の触媒に関するものである。
本発明による有益な効果は、以下のとおりである。
(1)結晶粒の表面にケイ素がやや富化される特徴を有する、(CH32NRN(CH32の構造を有する有機アミンをテンプレートとしたSAPO−34分子篩が得られる。表面のケイ素の含有量(モル比Si/(Si+Al+P))と結晶体のバルクのケイ素の含有量の比は1.50〜1.01である。
(2)フッ素イオンは毒性と腐食性を有し、環境汚染を引き起こしやすい。本発明は始めてフッ素なしの環境下で、(CH32NRN(CH32の構造を有する有機アミンを同時に合成系における有機溶媒及びテンプレートとして、SAPO−34を合成した。
(3)テンプレートとして(CH32NRN(CH32の構造を有する有機アミンを用いたSAPO−34のフッ素イオン含有の水熱合成プロセスと比べ、本発明による合成方法は合成の収率(計算方法:製品の無水ベース質量/仕込みの酸化物の無水ベース総量×100%)を高めることができる。
(4)合成系における水の用量が少なく、有機アミンの分離と回収に有利する。合成プロセスにおける廃液の生成量を大幅に低減させ、環境に優しい。
(5)調製したSAPO−34分子篩は触媒反応において優れた触媒性能とガス吸着性能を有する。
バルク組成はパナリティカル製X’Pert PRO X線回折装置(XRF)を用いて測定し、測定条件がCuターゲット、Kα放射線源(λ=0.15418nm)、電圧40KV、電流100mAであった。
表面の元素組成のXPSはX線光電子分光分析装置であるThermo ESCALAB 250Xiを用いて測定し(単色化したAlKαを励起源として)、試料表面のAl2O3のAl2p=74.7eVを内部標準として試料表面の荷電を補正した。
以下は実施例を通じて本発明を詳細に説明するが、本発明以下の実施例に限定されるものではない。
実施例1−18
具体的な配合量と結晶化条件を表1に示す。具体的な配合プロセスは以下の通りである。アルミニウム源と有機アミン(純度がすべて99.5wt%)を均一まで撹拌して混合し、得られた混合物を混合物Aとする。シリコン源、リン源と脱イオン水を混合して30分間攪拌した後、その混合物を混合物Aに加えて、密閉した状態で30分間激しく攪拌して、均一まで混合させた後、ゲルをステンレス製の反応釜に移して、一定の温度までに昇温して一定の時間かけて動的結晶化させた。結晶化終了後に、固体生成物を遠心分離し、洗浄して、100℃の空気の中で乾燥した後、原粉末を得た。試料をXRDより分析したところ、合成の生成物はSAPO−34分子篩であった。実施例1の製品におけるXRDの結果を表2に示す。実施例2−18におけるXRDの結果は実施例1と類似、即ち、ピークの位置が同じであり、各ピークの相対強度が有機アミンの変化によりやや差があり、±10%の範囲内で変動する。合成の生成物がSAPO−34分子篩であることを示している。XPSとXRFによる分子篩製品の表面とバルクの無機元素組成の分析結果を表1に示す。CHNアナライザーにて試料における有機物の含有量を測定した。CHNによる元素の分析結果と、XRF測定による無機元素組成の分析結果との正規化により、分子篩の原粉末の組成が得られた。その結果を表1に示す。
Figure 2016500622
Figure 2016500622
実施例19
有機アミンを30gのN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミンと30gのN,N,N’,N’−テトラメチルプロピレンジアミンに変更した以外に、配合プロセス、配合量と結晶化条件は実施例1と同様であった。結晶化終了後に、固体生成物を遠心分離し、洗浄して、100℃の空気中で乾燥した後、原粉末19.4gを得て(600℃で焙焼すると失重率が15%)、固体収率が88.5%であった。試料をXRDより分析して、XRDの結果が実施例1の試料と類似、即ち、ピークの位置が同じであり、各ピークの相対強度が±10%範囲内で変動する。合成の生成物がSAPO−34分子篩であることを示している。XPSとXRFにより分子篩製品の表面とバルクの組成を分析し、Si表面/Siバルクの比は1.25であった。
実施例20
有機アミンを40gのN,N,N’,N’−テトラメチルプロピレンジアミンと20gのN,N,N’,N’−テトラメチル−1,2−ジアミノプロパンに変更した以外に、配合プロセス、配合量と結晶化条件は実施例1と同様であった。結晶化終了後に、固体生成物を遠心分離し、洗浄し、100℃の空気中で乾燥した後、原粉末20.1gを得て(600℃で焙焼すると失重率が16.5%)、固体収率が90.1%であった。試料をXRDより分析して、XRDの結果が実施例1の試料と類似、即ち、ピークの位置が同じであり、各ピークの相対強度が±10%範囲内で変動する。合成の生成物がSAPO−34分子篩であることを示している。XPSとXRFにより分子篩製品の表面とバルクの組成を分析し、Si表面/Siバルクの比は1.15であった。
実施例21
実施例1−3の合成試料3gを取り、ポリビーカーに入れ、氷水浴の条件下で40%のフッ酸溶液3mlを加えて分子篩骨格を溶解した。その後、15mlの四塩化炭素を加えて、その中の有機物を溶解した。有機物の組成をGC−MSにより分析し、その中に含まれる有機物はそれぞれN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルプロピレンジアミンとN,N,N’,N’−テトラメチルテトラメチレンジアミンであった。
実施例22
実施例1の合成試料を取り(SEMにて菱面体結晶構造を呈し、結晶粒のサイズが1〜5μmである)、エポキシ樹脂で固化した後、研磨機にて磨いて、SEM−EDXのラインスキャンモードを利用して、結晶体の核心に近い結晶面を選択し、核から殻に向けて組成の分析を行った。結果として、結晶体の内核領域のSi/Alの原子比は約0.18であり、表面に近い領域のSi/Al原子比は約0.28であった。
実施例2の合成試料を取り(SEMにて菱面体結晶構造を呈し、結晶粒のサイズが1〜5μmである)、エポキシ樹脂で固化した後、研磨機にて磨いて、SEM−EDXのラインスキャンモードを利用して、結晶体の核心に近い結晶面を選択し、核から殻に向けて組成の分析を行った。結果から、結晶体の内核領域のSi/Al原子比は約0.17であり、表面に近い領域のSi/Al原子比は約0.25であった。
実施例3の合成試料を取り(SEMにて菱面体結晶構造を呈し、結晶粒のサイズが1〜5μmである)、エポキシ樹脂で固化した後、研磨機にて磨いて、SEM−EDXのラインスキャンモードを利用して、結晶体の核心に近い結晶面を選択し、核から殻に向けて組成の分析を行った。結果として、結晶体の内核領域のSi/Al原子比は約0.10であり、表面に近い領域のSi/Al原子比は約0.16であった。
実施例18の合成試料を取り(SEMにて菱面体結晶構造を呈し、結晶粒のサイズが1〜5μmである)、エポキシ樹脂で固化した後、研磨機にて磨いて、SEM−EDXのラインスキャンモードを利用して、結晶体の核心に近い結晶面を選択し、核から殻に向けて組成の分析を行った。結果として、結晶体の内核領域のSi/Al原子比は約0.09であり、表面に近い領域のSi/Al原子比は約0.14であった。
実施例23 (有機アミン溶液のサイクル)
配合プロセス、配合量と結晶化条件は実施例1と同様であり、ステンレス製の合成釜において190℃で12時間かけて結晶化した後、取り出し、水で急冷した。その後、合成釜を開け、換気キャビネットで有機アミンを合成釜から分離した(合成系の水量が少ないため、最終的な合成系は静止状態で自動的に二つの相に分けられ、即ち、上層の有機アミン相と下層の低流動性のゲル状物質相である)。合計で57.6gの有機アミン溶液を收集した。クロマトグラフィーとLC−MSの分析(毛細管カラムSE−30)により、その中に、1.5gの水、56.1gのN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミンが含まれた。
收集した有機アミン溶液を再び合成に用いた(別途で少量のN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミンを加えた)。配合プロセス、配合の割合と結晶化条件は実施例1と同様である。結晶化終了後に、固体生成物を遠心分離し、洗浄し、100℃の空気中で乾燥した後、原粉末20.3gを得て(600℃で焙焼すると失重率が16.1%)、固体収率が91.4%であった。試料をXRDより分析して、合成生成物がSAPO−34分子篩であることを示している。XRDの結果は表2と類似し、即ち、ピークの形とピークの位置が同じであり、最高ピークの強度は実施例1の試料の約105%であった。
比較例1
合成釜に順に16.4gリン酸(85重量%)、17.6g水、10g擬ベーマイト(72.5重量%)を加えて、30分間かけて攪拌して均一な混合物を得た。8.3gのN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン、2.3gのテトラエトキシシラン、1.4gのHF溶液(50%)と11.2gの脱イオン水を混合して均一まで攪拌した後、得られた前記混合物に加え、密封した状態で2h攪拌して均一な初期合成のゲルが得られた。ゲルをステンレス製合成釜に移して、150℃まで昇温し、12時間かけて動的結晶化させた。合成釜を取り出して冷却した。固体生成物を遠心分離し、脱イオン水で中性になるまで洗浄し、100℃の空気中で乾燥後、原粉末8.5gを得て(600℃で焙焼すると失重率が16.4%)、固体収率が39.5%であった。XRD分析により得られた固体がSAPO−34分子篩であることが分かった。XRDの結果は表2に類似し、即ち、ピークの位置が同じであり、各ピークの強度は実施例1の試料より低く、最高ピークの強度は実施例1の試料の約70%であった。XPSとXRFにより分子篩製品の表面とバルクの組成を分析し、バルク組成はAl0.500.44Si0.06であり、Si表面/Siバルクの比は2.0であった。
合成試料を取り(SEMにて菱面体結晶構造を呈し、結晶粒のサイズが1−3μmである)、エポキシ樹脂で固化した後、研磨機にて磨いて、SEM−EDXのラインスキャンモードを利用して、結晶体の核心に近い結晶面を選択し、核から殻に向けて組成の分析を行った。結果として、結晶体の内核領域のSi/Alの原子比は約0.08であり、表面に近い領域のSi/Alの原子比は約0.22であった。
比較例2
合成釜に順に16.4gリン酸(85重量%)、17.6g水、10g擬ベーマイト(72.5重量%)を加えて、30分間かけて攪拌して均一な混合物を得た。8.3gのN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン、4.6gのテトラエトキシシラン、1.4gのHF溶液(50%)と11.2gの脱イオン水を混合して均一まで攪拌した後、得られた前記の混合物に加えて、密封した状態で2h攪拌して均一な初期合成のゲルが得られた。ゲルをステンレス製合成釜に移して、190℃まで昇温して12時間かけて動的結晶化させた。合成釜を取り出して冷却した。固体生成物を遠心分離し、脱イオン水で中性になるまで洗浄し、100℃の空気中で乾燥後、原粉末16.1gを得て(600℃で焙焼すると失重率が16.0%)、固体収率が75.1%であった。XRD分析により、得られた固体がSAPO−34分子篩であることが分かった。XRDの結果は表2に類似し、即ち、ピークの位置が同じであり、各ピークの強度は実施例1の試料より低く、最高ピークの強度は実施例1の試料の約80%であった。XPSとXRFにより分子篩製品の表面とバルクの組成を分析し、バルク組成はAl0.490.41Si0.10、Si表面/Siバルクの比は2.15であった。
合成試料を取り(SEMにて菱面体結晶構造を呈し、結晶粒のサイズが1−3μmである)、エポキシ樹脂で固化した後、研磨機にて磨いて、SEM−EDXのラインスキャンモードを利用して、結晶体の核心に近い結晶面を選択し、核から殻に向けて組成の分析を行った。結果として、結晶体の内核領域のSi/Alの原子比は約0.15であり、表面に近い領域のSi/Alの原子比は約0.41であった。
比較例3
合成釜に順に16.4gリン酸(85重量%)、17.6g水、10g擬ベーマイト(72.5重量%)を加え、30分間かけて攪拌して均一な混合物を得た。12.5gのN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン、2.3gのテトラエトキシシランと11.2gの脱イオン水を混合して均一まで攪拌した後、得られた上記の混合物に加え、密封した状態で2h攪拌して均一な初期合成のゲルが得られた。ゲルをステンレス製合成釜に移して、190℃まで昇温して12時間かけて動的結晶化させた。合成釜を取り出して冷却した。固体生成物を遠心分離し、脱イオン水で中性になるまで洗浄し、100℃の空気中で乾燥した。XRD分析により、得られた固体がSAPO−34分子篩ではないことが分かった。
比較例4(配合順番を変更する)
配合順番に変更があることを除き、配合量と結晶化条件は実施例1と同様であった。具体的な配合プロセスは以下のように変更した。アルミニウム源と有機アミンを均一まで撹拌して混合し、その後にリン源を加え、密閉して20分間かけて攪拌した後、シリコン源と脱イオン水を加え、密閉した状態で30分間激しく攪拌して、均一まで混合させた。その後、ゲルをステンレス製反応釜に移して、190℃まで昇温して12時間かけて動的結晶化させた。結晶化終了後に、合成釜を取り出して冷却した。固体生成物を遠心分離し、脱イオン水で中性になるまで洗浄し、100℃の空気中で乾燥後、原粉末18.5gを得て(600℃で焙焼すると失重率が15.6%)、固体収率が83.7%であった。XRD分析により得られた固体がSAPO−34分子篩であることが分かった。XRDの結果は表2に類似し、即ち、ピークの位置が同じであり、各ピークの強度は実施例1の試料より低く、最高ピークの強度は実施例1の試料の約85%であった。XPSとXRFにより分子篩製品の表面とバルクの組成を分析し、Si表面/Siバルクの比は1.69であった。
比較例5 (配合順番を変更する)
配合順番に変更があることを除き、配合量と結晶化条件は実施例4と同様であった。具体的な配合プロセスは以下のように変更した。アルミニウム源と有機アミンを均一まで撹拌して混合し、その後、リン源を加え、密閉して20分間かけて攪拌した後、シリコン源と脱イオン水を加え、密閉した状態で30分間激しく攪拌して、均一まで混合させた。その後、ゲルをステンレス製反応釜中に移して、190℃まで昇温して12時間かけて動的結晶化させた。結晶化終了後に、合成釜を取り出して冷却した。固体生成物を遠心分離し、脱イオン水で中性になるまで洗浄し、100℃の空気中で乾燥後、原粉末17.9gを得て(600℃で焙焼すると失重率が15.1%)、固体収率が81.6%であった。XRD分析により得られた固体がSAPO−34分子篩であることが分かった。XRDの結果は表2に類似し、即ち、ピークの位置が同じであり、各回折ピークの相対強度がやや差がある(<±10%)。XPSとXRFにより分子篩製品の表面とバルクの組成を分析し、Si表面/Siバルクの比は1.79であった。
比較例6 (配合順番を変更する)
配合順番に変更があるとともに、合成系に少量のエタノールを添加し、エージングのプロセスを追加したことを除き、配合量と結晶化条件は実施例4と同様であった。具体的な配合プロセスは以下の通りであった。アルミニウム源と有機アミンを均一まで撹拌して混合した後、シリコン源を加え、密閉して20分間かけて攪拌した後、リン源、1.0gエタノールと脱イオン水を加え、密閉した状態で30分間激しく撹拌して均一にして、40℃において攪拌して12時間かけてエージングさせた。その後、ゲルをステンレス製反応釜中に移して、190℃まで昇温して12時間かけて動的結晶化させた。結晶化終了後に、合成釜を取り出して冷却した。固体生成物を遠心分離し、脱イオン水で中性になるまで洗浄し、100℃の空気中で乾燥後、原粉末16.9 gを得て(600℃で焙焼すると失重率が14.7%)、固体収率が77.4%であった。XRD分析により得られた固体がSAPO−34分子篩であることが分かった。XRDの結果は表2に類似し、即ち、ピークの位置が同じであり、各回折ピークの相対強度はやや差があった(<±10%)。XPSとXRFにより分子篩製品の表面とバルクの組成を分析し、Si表面/Siバルクの比は2.15であった。
実施例24
実施例18と比較例1で得た試料を、600(Cで空気を通して4時間焙焼し、その後に打錠し、20〜40目になるように粉砕した。試料1.0gを取り、固定床反応器に仕込み、メタノールからオレフィンへの転換反応を評価した。550℃で窒素ガスを通過させ、1時間活性化した。その後、470℃に冷却して引き続き反応させた。メタノールは、窒素ガスにより運ばれ、窒素ガスの流速が40ml/minであり、メタノールの重量空間速度が2.0h-1であった。オンラインガスクロマトグラフィーを用いて反応の産物を分析した(Varian3800、FID検出器、毛細管カラムPoraPLOT Q−HT)。結果を表3に示す。
Figure 2016500622
実施例25
実施例1と比較例2で得た試料を、600(Cで空気を通して4時間焙焼し、その後に打錠し、20〜40目になるように粉砕した。試料1.0gを取り、固定床反応器に仕込み、エタノールの脱水反応の評価を行った。550℃で窒素ガスを通過させ、1時間活性化した。その後、260℃に冷却して引き続き反応させた。エタノールは、窒素ガスにより運ばれ、窒素ガスの流速が40ml/minであり、エタノールの重量空間速度が2.0h-1であった。オンラインガスクロマトグラフィーを用いて反応の産物を分析した(Varian3800、FID検出器、毛細管カラムPoraPLOT Q−HT)。結果として、実施例1の試料の転化率は95%であり、エチレンの選択性は99.5%であった。比較例2の試料の転化率は70%であり、エチレンの選択性は90%であり、製品にメタン等の炭化水素類の副生成物を同時に含有した。
実施例26
実施例1で得た試料をプロピレンの吸着剤とした。試料の吸着等温曲線は、米国Micromeritics会社製のASAP2020を用いて測定した。吸着ガスとしては、プロピレン(99.99%)、及びプロパン(99.99%)を用いた。分子篩中の物理的に吸着した水による吸着測定への影響を避けるため、等温曲線測定を行う前に、試料を600°Cで空気を通しつつ4時間かけて焙焼した。その後にASAP2020において次の処理を施した。処理条件としては、極低真空(5×10−3mmHg)において、1℃/minの昇温速度で350℃まで温度を上げた後にそのまま8時間維持した。定温水槽(精度:±0.05℃)を用いて吸着温度を298Kとなるようにガスの吸着温度を制御した。結果として、試料のプロピレンとプロパンに対する吸着量がそれぞれ1.95と1.0mmol/g(圧力が101kPAである時)であった。吸着量により算出した吸着選択性は、プロピレン/プロパン=1.95であった。
吸着実験が終了した後の試料を、ASAP2020装置にて室温で30分間かけて真空引きし、再び吸着等温曲線を測定した結果、試料のプロピレン及びプロパンに対する吸着量がそれぞれ2.00と1.05mmol/g(圧力が101kPAである時)であった。良好な再生能力を有し、非常に穏やかな条件で再生できることが実証された。

Claims (15)

  1. 無水状態の化学組成がmSDA・(SixAlyz)O2であるSAPO−34分子篩であり、
    SDAが分子篩の微細孔に存在するテンプレートであり、
    SDAが(CH32NRN(CH32の構造を有する有機アミンであり、Rが炭素数2〜5の直鎖状又は分岐状の飽和の炭化水素基であり、
    mは(SixAlyz)O21モル当たりのテンプレートのモル数を表し、m=0.08〜0.3であり、x、y、zは、それぞれSi、Al、Pのモル分率を表し、その範囲がそれぞれx=0.01〜0.60、y=0.2〜0.60、z=0.2〜0.60であり、且つx+y+z=1であるSAPO−34分子篩。
  2. 分子篩の結晶体の表面にケイ素がやや富化され、表面のケイ素の含有量と結晶体のバルクのケイ素の含有量との比が1.50〜1.01であり、好ましくは1.42〜1.02、より好ましくは1.35〜1.03、最も好ましくは1.30〜1.03であり、
    ケイ素の含有量はSi/(Si+Al+P)のモル比であることを特徴とする、請求項1に記載のSAPO−34分子篩。
  3. 前記テンプレートであるSDAはN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルプロピレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルテトラメチレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルジアミノペンタン、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,2−ジアミノプロパン、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,3−ジアミノブタン、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,4−ジアミノペンタンからなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする、請求項1に記載のSAPO−34分子篩。
  4. CHA構造の分子篩の結晶体において、核から殻までのケイ素の含有量は均一的に増加することを特徴とする、請求項1に記載のSAPO−34分子篩。
  5. CHA構造の分子篩の結晶体において、核から殻までのケイ素の含有量は不均一的に増加することを特徴とする、請求項1に記載のSAPO−34分子篩。
  6. a)シリコン源、アルミニウム源、リン源、脱イオン水とSDAを混合して、以下のモル比を有する初期のゲル混合物を得るステップ、
    SiO2/Al23=0.01〜1、
    25/Al23= 0.5〜1.5、
    2O/Al23= 1〜19、
    SDA/Al23= 5〜30、
    SDA/H2O=0.27〜30、
    SDAが(CH32NRN(CH32の構造を有する有機アミンであり、Rが炭素数2〜5の直鎖状又は分岐状の飽和の炭化水素基であり、
    b)ステップa)で得られた初期のゲル混合物を合成釜に仕込んで密閉して、170〜220℃までに昇温して自発生圧力で0.5〜48時間かけて結晶化させるステップ、
    c)結晶化が終了した後、固体生成物を遠心分離し、脱イオン水で中性になるまで洗浄して、乾燥してSAPO−34分子篩を得るステップ、を含む請求項1に記載の分子篩を合成する方法。
  7. 前記ステップa)において、初期のゲル混合物におけるシリコン源はシリカゾル、活性シリカ、オルトケイ酸エステル、メタカオリンからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、
    アルミニウム源はアルミニウム塩、活性アルミナ、アルミニウムアルコキシド、メタカオリンからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、
    リン源はオルトリン酸、リン酸水素アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム、有機リン化合物及びリン酸化物からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
  8. 前記ステップa)において、初期のゲル混合物における有機アミンのSDAと水とのモル比がSDA/H2O=0.5〜30であり、好ましくは1.0〜30であることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
  9. 前記ステップa)において、初期のゲル混合物におけるSDAとAl23のモル比がSDA/Al23=7.0〜30であることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
  10. 前記ステップa)において、SDAはN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルプロピレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルテトラメチレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルジアミノペンタン、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,2−ジアミノプロパン、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,3−ジアミノブタン、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,4−ジアミノペンタンからなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
  11. 前記ステップa)における配合の順番は以下であり、
    まず、アルミニウム源をSDAに加え、均一に撹拌して混合物Aを得て、
    別途にシリコン源、リン源及び脱イオン水を混合して、一定の時間かけて撹拌し続けた後、混合物Aに入れて均一まで混ぜ合わせ、初期のゲル混合物を得ることを特徴する、請求項6に記載の製造方法。
  12. 前記ステップb)における結晶化温度が180〜210℃であり、好ましくは190〜210℃であり、結晶化時間が1〜24時間であり、好ましくは1〜12時間であることを特徴する、請求項6に記載の製造方法。
  13. 前記ステップb)における結晶化過程は動的過程であることを特徴する、請求項6に記載の製造方法。
  14. 請求項1〜5のいずれかに記載のSAPO−34分子篩又は請求項6〜13のいずれかに記載の方法で合成されたSAPO−34分子篩を、400〜700℃、空気中で焙焼することで得ることを特徴とする、酸触媒反応の触媒。
  15. 請求項1〜5のいずれかに記載のSAPO−34分子篩又は請求項6〜13のいずれかに記載の方法で合成されたSAPO−34分子篩を400〜700℃、空気中で焙焼することで得ることを特徴とする、酸素含有化合物からオレフィンへの転換反応の触媒。
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