JP2016500622A - Sapo−34分子篩及びその合成方法 - Google Patents
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Abstract
Description
SiO2/Al2O3=0.01〜1、
P2O5/Al2O3= 0.5〜1.5、
H2O/Al2O3= 1〜19、
SDA/Al2O3= 5〜30、
SDA/H2O=0.27〜30、
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。
(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、(CH3)2NRN(CH3)2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。
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。
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。
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。
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。
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Al0.50P0.44Si0.06であり、Si表面/Siバルクの比は2.0であった。
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Al0.49P0.41Si0.10、Si表面/Siバルクの比は2.15であった。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (15)
- 無水状態の化学組成がmSDA・(SixAlyPz)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(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り、
mは(SixAlyPz)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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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/Al2O3=0.01〜1、
P2O5/Al2O3= 0.5〜1.5、
H2O/Al2O3= 1〜19、
SDA/Al2O3= 5〜30、
SDA/H2O=0.27〜30、
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。 - 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。 - 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。
- 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Al2O3のモル比がSDA/Al2O3=7.0〜30であることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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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