JP2017081809A - Aei型ゼオライト及びその製造方法と用途 - Google Patents

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Abstract

【課題】原料として高価なY型ゼオライトを使用することなく、また危険なフッ酸を使用することなく、安価で高性能なAEI型ゼオライト及びSi/Al比が6.5以下のAEI型ゼオライトを製造する方法を提供する。
【解決手段】ケイ素原子原料、アルミニウム原子原料、アルカリ金属原子原料、有機構造規定剤、及び水を含む混合物を調製し、得られた混合物を水熱合成してSi/Al比が50以下のAEI型ゼオライトを製造する方法であって、前記アルミニウム原子原料は、Si含有率が20重量%以下のアルミニウムを含有する化合物であり、かつ前記混合物中にFramework densityが14T/1000Å以上のゼオライトを、前記混合物中のSiが全てSiOになっているとした時のSiOに対して0.1重量%以上含むことを特徴とするAEI型ゼオライトの製造方法。
【選択図】図1

Description

本発明は、AEI型のゼオライト及びその製造方法に関し、詳しくは、原料として高価なY型ゼオライトを使用することなく、また危険なフッ酸を使用することなく、安価で高性能なAEI型ゼオライトを製造する方法と、これにより製造され、Y型ゼオライトを原料とした場合より触媒性能の高いAEI型ゼオライト、及びその用途に関する。
ゼオライトはその骨格構造に由来する細孔による分子ふるい効果やイオン交換能、触媒能、吸着能などの特性をもっており、現在、吸着材、イオン交換剤、工業触媒、環境触媒として幅広く利用されている。
例えば排ガス用触媒であれば、銅などの金属を担持させたゼオライト、具体的にはCHA型アルミノシリケートゼオライトやシリコアルミノホスフェート(SAPO)ゼオライトを用いたものが開発されている。このAEI型、CHA型のような表記は、IZA(International Zeolite Association)が定めるゼオライトの骨格構造を規定するコードである。
AEI型ゼオライトは、ゼオライトの細孔の大きさはCHA型と同じだが、より触媒活性の高い構造であることが知られている。AEI型ゼオライトをSCR(Selective Catalytic Reduction)触媒に使用した例としては、特許文献1に詳しい。自動車等の排気ガス処理用のSCR触媒として用いる場合、特にスタート時のような低温での動作時の排気ガスの処理を確実に行うためには、Si/Al比の低い触媒の方が好適に使用できることが判っている。これはアルミノシリケート系のゼオライトの場合、活性点となる遷移金属等の配位箇所がアルミニウムサイトになるため、活性点が多くなるSi/Al比の低い触媒の方が有利であることによる。
またAEI型ゼオライトの一般的な製造方法としては、特許文献2に記載されている製造方法が基本になるものである。特許文献2には、具体的な製造方法として、Y型ゼオライト(Framework density:12.7T/1000Å)とコロイダルシリカを原料とし、ここに有機構造規定剤(SDA)として、例えばDMDMPOH(N,N−ジメチル−3,5−ジメチルピペリジニウムハイドロオキサイド)を加え、NaOH存在下で撹拌し、8日間水熱合成することにより、AEI型ゼオライトを得ることが記載されている。この特許文献2では、硝酸アルミニウムや、水酸化アルミニウム等を用いても合成が可能であるとしているが、実際には実施例も実質全てがY型ゼオライトを原料として、SDAを変えて実験したものである。そして実際にY型ゼオライトを使用しないと、AEI型ゼオライトを合成することはできないのが現在の技術常識である。これは例えば非特許文献1などに、「Al(OH)を原料に用いた合成を試みたが、結晶性酸化物は得られなかった」との記載があることからも裏付けられる。
また特許文献1でも、Y型ゼオライトを原料としている。
特許文献3では、安価な硝酸アルミニウムを原料としてAEI型ゼオライトを製造する方法として、硝酸アルミニウムとTEOS(テトラエチルオルトシリケート)を用い、これをSDAと混合した後、フッ酸を添加することにより、AEI型ゼオライトが得られることを開示している。特許文献3に開示されている方法は、フッ酸を使用することにより、Alがなるべくゼオライト中にとりこまれないようにしてSi/Al比が200以上のAEI型ゼオライトを製造する方法である。
また特許文献4には、酸化アルミニウムからAEI型ゼオライトが得られることが記載されているが、実施例等でAEI型ゼオライトを実際に製造できたことは示していない。また、特許文献4では、ドライゲルコンバージョン法と言われる、ゼオライト合成の原料混合物を乾燥して得られるドライゲルを、水蒸気もしくは揮発性有機アミンを含む水蒸気で処理してゼオライトに結晶化する製造方法を用いている。この方法では、均質なゼオライトを工業的に大量生産することはまだ難しく、実績のある水熱合成法で製造できることが望まれている。
また、非特許文献2ではリン含有構造規定剤とY型ゼオライトを含む原料からAEI型ゼオライトを合成する方法を開示している。しかし、リン化合物を構造規定剤に用いた場合、構造規定剤を除去するために合成されたゼオライトを焼成すると、有害な五酸化二リンが発生する可能性があり、また抽出等の処理でリンを除去する場合は工程が複雑化するため、リン含有構造規定剤を用いる方法は工業的には望ましくない方法である。
また、いずれの方法を用いても、Si/Al比を7程度までしか下げることができず、特許文献5の比較例3で、Y型ゼオライトを原料に用い、Si/Al比が5.5のAEI型ゼオライトを製造したことが記載されているものの、水熱耐久処理後にほとんど活性が無くなってしまうなど、結晶性が極めて低いものしか得ることができていない。このため任意のSi/Al比のAEI型ゼオライトを製造できる製造方法、特により低いSi/Al比を有するAEI型ゼオライトと、その製造方法が求められていた。
国際公開WO2013/159825号 米国特許第5958370号公報 国際公開WO2005/063624号 特表2010−514662号公報 国際公開WO2015/005369号
Chemical,Communications、48、8264−8266. Chemistry Letters(2014)、Vol.43、No.3 P302−304
特許文献3で使用されるフッ酸は非常に危険な酸であり、ましてや高温になる水熱合成時に使用することは、工業的には現実的ではない。また、前述のとおり、Y型ゼオライトを原料とするものでは、そのコスト面から、自動車等の排ガス等に含まれるNOxの選択的還元反応(SCR)触媒のような大量に使用するものには適用しがたいという課題がある。
また、前述の通り、任意のSi/Al比の結晶性のよいAEI型ゼオライトを製造できる製造方法、特により低いSi/Al比を有するAEI型ゼオライトと、その製造方法が求められている。
本発明の目的は、原料として高価なY型ゼオライトを使用することなく、また危険なフッ酸を使用することなく、安価で高性能なAEI型ゼオライトを製造する方法と、この方法により製造された、Y型ゼオライトを原料としたゼオライトよりも触媒性能の高いAEI型ゼオライトと、このAEI型ゼオライトよりなる触媒を提供することにある。また、本発明の他の目的は、Si/Al比を自由に変更できるAEI型ゼオライトの製造方法を提供することにあり、さらにまた、Si/Al比が6.5以下で結晶性の良いAEI型ゼオライトを提供することにある。
本発明者らは、フッ酸を使用せず、また、Y型ゼオライトも使用することなく水熱合成法でAEI型ゼオライトを製造する方法について鋭意検討の結果、原料の一部として、Framework densityが14T/1000Å以上のゼオライトを使用することにより、Y型ゼオライトを使用することなく、かつフッ酸のような危険な薬品を使用することなく、AEI型ゼオライトを得ることができ、その収率も高いこと、この方法で製造したAEI型ゼオライトが、従来のY型ゼオライトを原料として得られたAEI型ゼオライトよりも、触媒活性に優れていること、そして、任意のSi/Al比のAEI型ゼオライトを製造することができ、結晶性の良いSi/Al比6.5以下のAEI型ゼオライトの製造も可能であることを見出し、本発明に到達した。
[1] ケイ素原子原料、アルミニウム原子原料、アルカリ金属原子原料、有機構造規定剤、及び水を含む混合物を調製する工程、前記工程で得られた混合物を水熱合成する工程、を含む、Si/Al比が50以下のAEI型ゼオライトを製造する方法であって、前記アルミニウム原子原料はSi含有率が20重量%以下のアルミニウムを含有する化合物であり、かつ前記混合物中にFramework densityが14T/1000Å以上のゼオライトを、前記混合物中のSiが全てSiOになっているとした時のSiOに対して0.1重量%以上含むことを特徴とするAEI型ゼオライトの製造方法。
[2] 前記混合物中のアルカリ金属原子原料に含まれるアルカリ金属原子の50モル%以上がナトリウム原子であり、前記混合物中の有機構造規定剤に対するナトリウム原子のモル比が0.1以上、2.5以下である[1]に記載のAEI型ゼオライトの製造方法。
[3] 前記混合物中のアルカリ金属原子原料に含まれるアルカリ金属原子の50モル%未満がナトリウム原子であり、前記混合物中の有機構造規定剤に対するアルカリ金属原子の合計のモル比が1.0以上、10以下である[1]に記載のAEI型ゼオライトの製造方法。
[4] 前記アルミニウム原子原料が、水酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、酸化アルミニウム、アルミン酸ナトリウム、ベーマイト、擬ベーマイト、及びアルミニウムアルコキシドよりなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする[1]乃至[3]のいずれかに記載のAEI型ゼオライトの製造方法。
[5] 前記Framework densityが14T/1000Å以上のゼオライトが、International Zeolite Association(IZA)がcomposite building unitとして定めるd6rを骨格中に含むことを特徴とする[1]乃至[4]のいずれかに記載のAEI型ゼオライトの製造方法。
[6] 前記Framework densityが14T/1000Å以上のゼオライトがAEI型及び/又はCHA型であることを特徴とする[1]乃至[5]のいずれかに記載のAEI型ゼオライトの製造方法。
[7] 前記混合物中の有機構造規定剤がN,N−ジメチル−3,5−ジメチルピペリジニウムハイドロオキサイドであることを特徴とする[1]乃至[6]のいずれかに記載のAEI型ゼオライトの製造方法。
[8] 酸量が1.2mmol/g以上、3.0mmol/g以下であり、Si/Al比が6.5以下であるAEI型ゼオライト。
[9] アルミニウムに対し、カリウム及び/又はセシウムをモル比で0.001以上、1.0以下含む[8]に記載のAEI型ゼオライト。
[10] 平均一次粒子径が0.01μm以上、3μm以下である[8]又は[9]に記載のAEI型ゼオライト。
[11] 焼成により有機構造規定剤を除去した後のAEI型ゼオライトについてSi−NMRにより求めたSi/Al比が6.5以下である[8]乃至[10]のいずれかに記載のAEI型ゼオライト。
[12] 29Si−NMRで求めた焼成後のゼオライトのSi/Al比と、XRFから算出したSi/Al比である29Si−NMR(Si/Al比)/XRF(Si/Al比)が%表示で90%以上200%以下であり、XRF(Si/Al比)が20以下であるAEI型ゼオライト。
[13] FAU型ゼオライトを原料に含まない[8]乃至[12]のいずれかに記載のAEI型ゼオライト。
[14] [8]乃至[13]のいずれかに記載のAEI型ゼオライトを含む触媒。
[15] 前記AEI型ゼオライトにSi及びAl以外の金属を担持させてなる[14]に記載の触媒。
[16] 前記AEI型ゼオライトにCuを担持させてなる[15]に記載の触媒。
[17] Cu含有量が0.1重量%以上、10重量%以下である[16]に記載の触媒。
[18] 前記AEI型ゼオライトがカリウム及び/又はセシウムを含み、触媒中のアルミニウムに対するカリウム及び/又はセシウムのモル比が0.001以上、1.0以下である[14]乃至[17]のいずれかに記載の触媒。
[19] 排ガス処理用触媒である[14]乃至[18]のいずれかに記載の触媒。
[20] 窒素酸化物を含む排ガスの選択的還元触媒である[19]に記載の触媒。
[21] [1]乃至[7]のいずれかに記載のAEI型ゼオライトの製造方法で得られたAEI型ゼオライトにCuを担持させる触媒の製造方法。
[22] [19]または[20]に記載の触媒がハニカムに塗布されたハニカム触媒。
[23] [19]または[20]に記載の触媒を成形してなる触媒成形品。
[24] [19]、[20]または[22]に記載の触媒の存在下で、窒素酸化物を還元剤と接触させることを特徴とする窒素酸化物浄化方法。
[25] 前記還元剤が窒素含有化合物である[24]に記載の窒素酸化物浄化方法。
[26] 前記窒素含有化合物がアンモニアである[25]に記載の窒素酸化物浄化方法。
[27] [19]、[20]または[22]に記載の触媒を含む選択還元型窒素酸化物浄化触媒を備えた排気浄化システム。
[28] 前記選択還元型窒素酸化物浄化触媒の下流にアンモニア酸化触媒を備えた[27]に記載の排気浄化システム。
[29] アンモニアを選択還元型窒素酸化物浄化触媒に吸着させ、吸着されたアンモニアを還元剤として用いて窒素酸化物を選択還元する工程を含む排気浄化方法であって、該選択還元型窒素酸化物浄化触媒として[19]、[20]または[22]に記載の触媒を用いることを特徴とする排気浄化方法。
[30] 前記アンモニアを還元剤として窒素酸化物を選択還元する工程の下流に、余剰のアンモニアを酸化する工程を含むことを特徴とする[29]に記載の排気浄化方法。
本発明によれば、高価なY型ゼオライトを使用せずに原料コストを下げ、また危険なフッ酸を使用することなく良好な作業環境のもとに、AEI型ゼオライトを得ることができる。しかも、本発明により得られたAEI型ゼオライトは、従来のY型ゼオライトを原料とするゼオライトより、触媒特性に優れており、排ガス処理用触媒、特に、窒素酸化物を含む排ガスの選択的還元触媒として好適に用いることができる。また、本発明の製造方法により、Si/Al比が6.5以下の結晶性に優れたAEI型ゼオライトを製造することができ、これをSCR触媒とすることで、優れた排ガス処理能力を有する触媒を得ることができる。またY型ゼオライトを原料とする場合よりも収率に優れ、かつ得られるAEI型ゼオライトのSi/Al比を、従来法より広く変更することができる。
図1は、実施例1で合成したゼオライト1のXRDパターンを示すチャートである。 図2は、実施例6の触媒1A及び実施例30の触媒2Aと比較例4の触媒3Aの触媒活性の評価結果を示すグラフである。 図3は、実施例6の触媒1B及び実施例30の触媒2Bと比較例4の触媒3Bの触媒活性の評価結果を示すグラフである。 図4は、実施例31で得られた未焼成のAEI型ゼオライトについて、29Si−NMRの分析を行った結果を示すチャートである。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、以下の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はこれらの内容に何ら限定されない。また、本発明の実施態様は適宜組み合わせることもできる。なお、本明細書において「〜」はその前後に記載される数値を含む範囲を意味する。
[AEI型ゼオライトの製造方法]
本発明のAEI型ゼオライトの製造方法は、ケイ素原子原料、アルミニウム原子原料、アルカリ金属原子原料、有機構造規定剤、及び水を含む混合物を調製する工程、前記工程で得られた混合物を水熱合成する工程、を含む、Si/Al比が50以下のAEI型ゼオライトを製造する方法であって、前記アルミニウム原子原料は、Si含有率が20重量%以下のアルミニウムを含有する化合物であり、かつ前記混合物中にFramework densityが14T/1000Å以上のゼオライトを、前記混合物中のSiが全てSiOになっているとした時のSiOに対して0.1重量%以上含むことを特徴とする。
本発明により製造されるAEI型ゼオライト(以下、「本発明のAEI型ゼオライト」と称す場合がある。)とは、International Zeolite Association(IZA)が定めるゼオライトの骨格構造を規定するコードでAEI構造のものを示す。その構造は、X線回折のデータにより特徴付けられる。ただし、実際に作製されたゼオライトを測定する場合には、ゼオライトの成長方向や、構成する元素の比、吸着した物質、欠陥の存在、乾燥状態などの影響を受け、各ピークの強度比やピーク位置に若干のずれを生じるため、IZAの規定に記載されたAEI構造の各パラメータと全く同じ数値が得られるわけではなく、10%程度の幅は許容される。
X線回折における主だったピークとしては、例えば、線源にCuKα線を用いた場合、2θ=9.5°±0.2°に110面のピーク、2θ=16.1°±0.2°に202及び−202面のピーク(非常に近いので重なることが多い)、16.9°±0.2°に022面のピーク、20.6°±0.2°に310面のピークなどが挙げられる。
ゼオライトとは、International Zeolite Association(IZA)が定義するゼオライトであるが、好ましくはアルミノシリケートゼオライトである。アルミノシリケートゼオライトは骨格構造を構成する原子として、少なくとも酸素(O)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)を含むものであり、これらの原子の一部が他の原子(Me)で置換されていてもよい。
アルミノシリケートゼオライトの骨格構造を構成しているMe、AlおよびSiの構成割合(モル比)は、特に限定されるものではないが、Me、Al、Siの合計に対するMeのモル比をx、Alのモル比をy、Siのモル比をzとすると、xは通常0以上であり、0.3以下である。xがこの上限値以下とすることで、合成時に不純物が混入しにくく好ましい。
また前記yは通常0.001以上であり、好ましくは0.005以上、より好ましくは0.01以上、更に好ましくは0.05であり、通常0.5以下であり、好ましくは0.4以下、より好ましくは0.3以下、更に好ましくは0.25以下である。
また前記zは通常0.5以上であり、好ましくは0.6以上、より好ましくは0.7以上、更に好ましくは0.75以上であり、通常0.999以下であり、好ましくは0.995以下、より好ましくは0.99以下、更に好ましくは0.98である。
y、zが上記範囲内であると、合成が容易で、触媒として用いた場合に十分な酸点があり十分な活性が得られやすい。
他の原子Meは、1種でも2種以上含まれていてもよい。好ましいMeは、周期表第3又は第4周期に属する元素である。
<Framework densityが14T/1000Å以上のゼオライト>
本発明のAEI型ゼオライトの製造方法の特徴は、フッ酸を使用しないこと、アルミニウム原子原料としてSi含有率が20重量%以下のアルミニウムを含有する化合物を用いること、そしてFramework densityが14T/1000Å以上のゼオライト(以下、このゼオライトを「本発明で添加するゼオライト」と称す場合がある。)を添加することである。ここで、Framework densityは、Ch.BaerlocherらによるATLAS OF ZEOLITE FRAME WORK TYPES(Sixth Revised Edition、2007、ELSEVIER)に記載の値であり、骨格密度を表す値である。
即ち、Framework densityは、ゼオライトの単位体積1000Åあたりに存在するT原子(ゼオライトの骨格構造を構成する酸素原子以外の原子)の数を意味し、この値はゼオライトの構造により決まるものである。
Framework densityが14T/1000Å以上のゼオライトを用いることによるAEI型ゼオライトの製造工程での作用効果については、当該ゼオライトは、水熱合成前の原料混合物中で、完全に各元素のイオンに分解するのではなく、数個の分子がつながったエンブリオの形となって、混合物中に溶けている状態になること、また、AEI型ゼオライトの水熱合成の進行を補助していることが推測される。原料混合物中で完全に各元素単体のイオンになりにくいという点において、Framework densityは14T/1000Å以上であり、14.1T/1000Å以上であることが好ましく、14.2T/1000Å以上であることがより好ましく、14.3T/1000Å以上であることが更に好ましく、14.4T/1000Å以上であることが特に好ましい。ただしFramework densityが過度に大きいと本発明で添加するゼオライトが溶解しない状態で混合物中に存在するため、本発明で添加するゼオライトのFramework densityは20T/1000Å以下、より好ましくは19T/1000Å以下、更に好ましくは18.5T/1000Å以下、特に18T/1000Å以下であることが好ましい。
また、上記本発明で添加するゼオライトの作用機構の観点から、Framework densityが14T/1000Å以上のゼオライトの中でも、International Zeolite Association(IZA)がcomposite building unitとして定めるd6r(二重6員環)を骨格中に含むものが好ましい。
具体的にはAEI、AFT、AFX、CHA、EAB、ERI、GME、KFI、LEV、LTL、LTN、MOZ、MSO、MWW、OFF、SAS、SAT、SAV、SZR、WENであり、より好ましくはAEI、AFT、AFX、CHA、ERI、KFI、LEV、LTL、MWW、SAV、更に好ましくはAEI、AFT、CHA、特に好ましくはCHA型およびAEI型ゼオライトである。
本発明で添加するゼオライトは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
本発明において、本発明で添加するゼオライトの使用量は、本発明で添加するゼオライト以外の原料混合物に含まれるケイ素(Si)がすべてSiOであるとした時のSiOに対して0.1重量%以上であり、また反応をより円滑に進めるために、好ましくは0.5重量%以上、より好ましくは2重量%以上、更に好ましくは3重量%以上、特に好ましくは4重量%以上である。また、本発明で添加するゼオライトの使用量の上限は特に限定されないが、コストダウンの効果を十分得るために通常20重量%以下、好ましくは10重量%以下、より好ましくは8重量%以下、更に好ましくは5重量%以下である。
なお、本発明で添加するゼオライトは、水熱合成後に焼成を行っていない未焼成品でも水熱合成後に焼成を行った焼成品でもよいが、ゼオライトが結晶の核としての機能を発現するためにはアルカリに対して溶解しにくい方がよいため、焼成品よりも未焼成品を用いるのが好ましい。ただし、原料混合物中の組成あるいは温度条件によっては、未焼成のゼオライトが溶解せず、結晶の核としての機能を発現できない場合がある。このような場合、溶解性を高くするため焼成によりSDAを除去したゼオライトを用いるとよい。
一般にゼオライトの製造方法において、種晶の添加により収率を向上させるという技術は散見されるが、本発明のように、そのままでは所望するタイプのゼオライトが作れなかった原料混合物に特定のゼオライトを添加することにより、所望するタイプのゼオライトが製造できるようになるということはほとんど知られていない。
<アルミニウム原子原料>
本発明においては、アルミニウム原子原料のSi含有率が低いと、アルカリに対する溶解性が一般に高くなり、原料混合物が均一化し、結晶化が容易になる点から、Si含有率が20重量%以下、好ましくは15重量%以下、より好ましくは12重量%以下、更に好ましくは10重量%以下のアルミニウムを含有する化合物を使用する。この条件を満たしていれば、アルミニウム原子原料は特に限定されないが、好ましくは、実質的にSiを含まないものであり、アモルファスの水酸化アルミニウム、ギブサイト構造を持つ水酸化アルミニウム、バイヤーライト構造を持つ水酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、酸化アルミニウム、アルミン酸ナトリウム、ベーマイト、擬ベーマイト、アルミニウムアルコキシドである。特に好ましくはアモルファスの水酸化アルミニウム、ギブサイト構造を持つ水酸化アルミニウム、バイヤーライト構造を持つ水酸化アルミニウムであり、これらの中でもアモルファスの水酸化アルミニウムがとりわけ好ましい。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。これらの原料は安定した品質のものを容易に入手でき、本発明の効果の一つであるコストダウンにも大きく貢献する。
アルミニウム原子原料の使用量は、反応前混合物ないしはこれを熟成して得られた水性ゲルの調製しやすさや生産効率の点から、本発明で添加するゼオライト以外の原料混合物に含まれるケイ素(Si)に対するアルミニウム原子原料中のアルミニウム(Al)のモル比で通常0.02以上、好ましくは0.04以上、より好ましくは0.06以上、更に好ましくは0.08以上である。また上限は特に限定されないが、水性ゲル中にアルミニウム原子原料を均一に溶解させる点から通常2以下、好ましくは1以下、より好ましくは0.7以下、更に好ましくは0.6以下、特に好ましくは0.4以下、最も好ましくは0.2以下である。
<ケイ素原子原料>
本発明に用いられるケイ素原子原料としては、特に限定されず、公知の種々の物質を使用することができ、例えばFramework densityが14T/1000Å未満のゼオライトを使用してもかまわないが、好ましくはゼオライト以外のケイ素を含む化合物であり、コロイダルシリカ、無定型シリカ、珪酸ナトリウム、トリメチルエトキシシラン、テトラエチルオルトシリケート、アルミノシリケートゲルなどを用いることができる。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
これらのうち、他の成分と十分均一に混合できる形態のものであって、特に水に溶解しやすい原料が好ましく、コロイダルシリカ、トリメチルエトキシシラン、テトラエチルオルトシリケート、アルミノシリケートゲルが好ましい。
ケイ素原子原料は、ケイ素原子原料に対する他の原料の使用量がそれぞれ前述ないしは後述の好適範囲となるように用いられる。
<アルカリ金属原子原料>
本発明に用いられるアルカリ金属原子原料に含まれるアルカリ金属は、特に限定されず、ゼオライトの合成に使用される公知のものが使用できるが、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム及びセシウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のアルカリ金属イオンを含むことが好ましい。以下の理由から、このうち特に好ましくはナトリウム原子を含んでいることである。
即ち、特にゼオライトを吸着材や触媒として使用する際、合成過程でゼオライトの結晶構造中に取り込まれるアルカリ金属原子を、イオン交換により結晶内から取り除く場合がある。この時、アルカリ金属原子の除去工程を簡便にするためには、合成に使用するアルカリ金属原子がナトリウム原子であることが好ましい。そのため、アルカリ金属原子原料に含まれるアルカリ金属原子の50モル%以上をナトリウム原子にすることが好ましく、より好ましくはアルカリ金属原子原料に含まれるアルカリ金属原子中の80モル%以上がナトリウム原子であることであり、最も好ましくは実質的にすべてがナトリウム原子であることである。
一方、後述する有機構造規定剤の量を低く抑える場合には、アルカリ金属原子原料に含まれるアルカリ金属原子中のナトリウム原子が50モル%を超えないようにすることが好ましく、この場合には、原料混合物中の有機構造規定剤に対するアルカリ金属原子の合計のモル比が1.0以上、10以下であることが好ましい。
この場合において、原料混合物中に含まれる主たるアルカリ金属原子としては、例えばカリウム原子単独、セシウム原子単独、或いはカリウム原子とセシウム原子の混合などが好ましい。
これらのアルカリ金属原子が含まれることにより、結晶化の進行が容易となり、また副生物(不純物結晶)が生成しにくくなる。
アルカリ金属原子原料としては、上記のアルカリ金属原子の水酸化物、酸化物、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩、塩化物、臭化物等の無機酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、クエン酸塩等の有機酸塩などを用いることができる。アルカリ金属原子原料は、1種でも2種以上含まれていてもよい。
アルカリ金属原子原料は、その適当量を使用することにより、アルミニウムに後述の有機構造規定剤が好適な状態に配位しやすくなるため、結晶構造を作りやすくできる。特に原料混合物中のアルカリ金属原子原料に含まれるアルカリ金属原子の50モル%以上がナトリウム原子である場合には、原料混合物中の有機構造規定剤に対するナトリウム原子のモル比が0.1以上、2.5以下であることが好ましく、このモル比の下限値は、より好ましくは0.15以上、更に好ましくは0.2以上、特に好ましくは0.3以上、とりわけ好ましくは0.35以上であり、一方、より好ましくは2.4以下、更に好ましくは2以下、特に好ましくは1.6以下、とりわけ好ましくは1.2以下である。
一方、アルカリ金属原子原料に含まれるアルカリ金属原子の50モル%未満が、ナトリウム原子である場合も、アルカリ金属原子原料を適当量使用することにより、アルミニウムに後述の有機構造規定剤が好適な状態に配位しやすくなるため、結晶構造を作りやすくできる点から、原料混合物中の有機構造規定剤に対するアルカリ金属原子のモル比が1.0以上、10以下となるように用いることが好ましく、このモル比は、より好ましくは1.3以上、更に好ましくは1.5以上、特に好ましくは1.8以上、とりわけ好ましくは2.0以上であり、一方、より好ましくは8以下、更に好ましくは6以下、特に好ましくは5以下、とりわけ好ましくは4以下である。アルカリ金属原子原料に含まれるアルカリ金属原子の50モル%未満が、ナトリウム原子である場合の好ましいアルカリ金属原子原料は、前述のとおりカリウム原子原料単独、セシウム原子原料単独、カリウム原子原料とセシウム原子原料の混合などが好ましい。カリウム原子原料やセシウム原子原料を用いた場合、ナトリウム原子原料を単独で用いた場合に比べ、ゼオライトの収率が高くなる傾向があり、特にカリウム原子原料とセシウム原子原料の混合であることが特に好ましい。カリウム原子原料やセシウム原子原料を用いた場合、AEI型ゼオライト中にこれが残存し、アルミニウムに対し、カリウム及び/又はセシウムをモル比で0.001以上、1.0以下含むゼオライトが得られる。このモル比は、カリウム及びセシウムが含まれる場合はカリウムとセシウムの合計量のモル比とする。これは、ゼオライト中の重量%とすると、通常0.01重量%以上、10重量%以下、より好ましくは0.05重量%以上、5重量%以下となる。このようなゼオライトは、製造方法においては有機構造規定剤の使用量が少なくて済み、かつ水熱合成時間も短くて済む。
<有機構造規定剤>
有機構造規定剤(「テンプレート」とも呼称される。以下有機構造規定剤を「SDA」と称す場合がある。)としては、テトラエチルアンモニウムハイドロオキサイド(TEAOH)やテトラプロピルアンモニウムハイドロオキサイド(TPAOH)などの公知の各種の物質を使用することができる。また、例えば特許文献2に記載の窒素含有系有機構造規定剤として、以下のような物質を使用することができる。
N,N−ジエチル−2,6−ジメチルピペリジニウムカチオン、N,N−ジメチル−9−アゾニアビシクロ[3.3.1]ノナン、N,N−ジメチル−2,6−ジメチルピペリジニウムカチオン、N−エチル−N−メチル−2,6−ジメチルピペリジニウムカチオン、N,N−ジエチル−2−エチルピペリジニウムカチオン、N,N−ジメチル−2−(2−ヒドロキシエチル)ピペリジニウムカチオン、N,N−ジメチル−2−エチルピペリジニウムカチオン、N,N−ジメチル−3,5−ジメチルピペリジニウムカチオン、N−エチル−N−メチル−2−エチルピペリジニウムカチオン、2,6−ジメチル−1−アゾニウム[5.4]デカンカチオン、N−エチル−N−プロピル−2,6−ジメチルピペリジニウムカチオン等。このうち特に好ましい窒素含有系有機構造規定剤としては、N,N−ジメチル−3,5−ジメチルピペリジニウムカチオンが好ましく、具体的には、N,N−ジメチル−3,5−ジメチルピペリジニウムハイドロオキサイドを用いることが好ましい。
また、リン含有系有機構造規定剤として非特許文献2に記載されている、テトラブチルホスホニウム、ジフェニルジメチルホスホニウムのような物質を使用することができる。
しかし、前述の通り、リン化合物は、合成されたゼオライトを焼成してSDAを除去する時に有害物質である五酸化二リンを発生する可能性があるため、好ましくは窒素含有系有機構造規定剤である。
これらの有機構造規定剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
有機構造規定剤の使用量は、結晶の生成しやすさの観点から、本発明で添加するゼオライト以外の原料混合物に含まれるケイ素(Si)に対するモル比で通常0.01以上、好ましくは0.03以上、より好ましくは0.08以上、更に好ましくは0.1以上、特に好ましくは0.15以上である。また、コストダウンの効果を十分得るために、通常1以下、好ましくは0.8以下、より好ましくは0.6以下、更に好ましくは0.5以下である。
<水>
水の使用量は、結晶が生成しやすいという観点から、本発明で添加するゼオライト以外の原料混合物に含まれるケイ素(Si)に対するモル比で通常5以上、好ましくは7以上、より好ましくは9以上、更に好ましくは10以上である。この範囲にすると、結晶がより生成しやすく好ましい。また廃液処理にかかるコストダウンの効果を十分得るために、本発明で添加するゼオライト以外の原料混合物に含まれるケイ素(Si)に対するモル比で通常50以下、好ましくは40以下、より好ましくは30以下、更に好ましくは25以下である。
<原料の混合(反応前混合物の調製)>
本発明の製造方法においては、以上に述べた、アルミニウム原子原料、ケイ素原子原料、アルカリ金属原子原料、有機構造規定剤、及び水を混合し得られた混合物に、本発明で添加するゼオライトを十分に混合し、得られた反応前混合物を水熱合成する。
これらの原料の混合順序は、本発明で添加するゼオライトを含め特に限定はないが、好ましくはアルカリ溶液を調製した後にケイ素原子原料、アルミニウム原子原料を添加した方がより均一に原料が溶解する点から、水、有機構造規定剤、及びアルカリ金属原子原料を混合してアルカリ溶液を調製した後、このアルカリ溶液へアルミニウム原子原料、ケイ素原子原料、本発明で添加するゼオライトの順番で添加して混合することが好ましい。
なお、本発明においては、上記のアルミニウム原子原料、ケイ素原子原料、アルカリ金属原子原料、有機構造規定剤、水及び本発明で添加するゼオライト以外に、ゼオライトの合成を助けるための成分となる補助剤、たとえば反応を促進させる酸成分や、ポリアミンのような金属の安定化剤などの他の添加剤を必要に応じて任意の工程で添加混合して反応前混合物を調製してもよく、又後述のように触媒として働く銅などの金属を水熱合成時に添加してもよい。また、本発明においては、コストの観点から、FAU型ゼオライトを原料に用いないで製造することが好ましい。
(アルカリ土類金属の添加)
又、本発明においては、その合成時にアルカリ土類金属を添加して合成することもできる。ゼオライトにアルカリ土類金属を添加すると、耐水熱特性が向上することが、一般に知られている。本発明の製造方法でも、水熱合成前の原料混合物に、アルカリ土類金属を含有する化合物を添加して、AEI型ゼオライトを製造することができる。アルカリ土類金属としては、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどが使用でき、好ましくはマグネシウム又はカルシウム、最も好適にはカルシウムである。アルカリ土類金属は、通常化合物の形で供給することができ、酸化物、水酸化物、硫化物等、特に限定されないが、好ましくは水酸化物のかたちで添加するとよい。
<熟成>
上記のようにして調製された反応前混合物は、調製後直ちに水熱合成してもよいが、高い結晶性を有するゼオライトを得るために、所定の温度条件下で一定時間熟成することが好ましい。特に、スケールアップする場合は撹拌性が悪くなり原料の混合状態が不十分となりやすい。そのため一定期間原料を撹拌しながら熟成させることにより、原料をより均一な状態に改善することが好ましい。熟成温度は通常100℃以下、好ましくは95℃以下、より好ましくは90℃以下であり、その下限は特に設けないが、通常0℃以上、好ましくは10℃以上である。熟成温度は熟成中一定でもよいし、段階的又は連続的に変化させてもよい。熟成時間は特に限定されないが、通常2時間以上、好ましくは3時間以上、より好ましくは5時間以上であって、通常30日以下、好ましくは10日以下、さらに好ましくは4日以下である。
<水熱合成>
水熱合成は、上記のようにして調製された反応前混合物ないしはこれを熟成して得られる水性ゲルを耐圧容器に入れ、自己発生圧力下、又は結晶化を阻害しない程度の気体加圧下で、撹拌下、又は、容器を回転ないしは揺動させながら、或いは静置状態で、所定温度を保持することにより行われる。
水熱合成の際の反応温度は、通常120℃以上であって、通常230℃以下、好ましくは220℃以下、より好ましくは200℃以下、更に好ましくは190℃以下である。反応時間は特に限定されないが、通常2時間以上、好ましくは3時間以上、より好ましくは5時間以上、特に好ましくは1日以上であって、通常30日以下、好ましくは10日以下、より好ましくは7日以下、更に好ましくは5日以下である。反応温度は反応中一定でもよいし、段階的又は連続的に変化させてもよい。
上記の条件で反応させることにより、目的とするAEI型ゼオライトの収率が向上し、異なるタイプのゼオライトが生成し難くなるため好ましい。
<AEI型ゼオライトの回収>
上記の水熱合成後、生成物であるAEI型ゼオライトを、水熱合成反応液より分離する。
得られたゼオライト(以下、「SDA等含有ゼオライト」と称する。)は細孔内に有機構造規定剤及びアルカリ金属原子の両方又はいずれか一方を含有している。水熱合成反応液からのSDA等含有ゼオライトの分離方法は特に限定されないが、通常、濾過、デカンテーション、又は直接乾燥等による方法が挙げられる。
水熱合成反応液から分離回収したSDA等含有ゼオライトは、製造時に使用した有機構造規定剤等を除去するために、必要に応じて水洗、乾燥した後、焼成等を行って有機構造規定剤等を含有しないゼオライトを得ることができる。
本発明のAEI型ゼオライトを触媒(触媒担体も含む)や吸着材等の用途で使用する場合、必要に応じてこれらを除去した後に使用に供する。
<有機構造規定剤を含む分離液のリサイクル>
水熱合成反応液からAEI型ゼオライトを分離、回収した後に得られる分離液には、未反応の構造規定剤が含まれる。例えば、アルカリ金属原子原料として、アルカリ金属原子の50モル%以上がナトリウム原子であるアルカリ金属原子原料を用いた場合は、用いた有機構造規定剤のおよそ15重量%が、アルカリ金属原子の50モル%未満がナトリウム原子であるアルカリ金属原子原料を用いた場合は、用いた有機構造規定剤のおよそ8重量%が、水熱合成反応液からAEI型ゼオライトを分離、回収した後に得られる分離液中に未反応の構造規定剤として含まれていることが液体クロマトグラフの分析により確認された。これらの未反応の構造規定剤を含む分離液を用いて、本発明の水熱合成前のゲルと同じ仕込み組成となるように不足分のケイ素原子原料、アルミニウム原子原料、有機構造規定剤、および水等を加えて混合物を調製し、この混合物を水熱合成に供することで、分離液中の未反応の構造規定剤を再利用してAEI型ゼオライトを製造しても良い。
<SDA等含有ゼオライトからの有機構造規定剤等の除去>
SDA等含有ゼオライトからの有機構造規定剤及びアルカリ金属の両方又はいずれか一方の除去処理は、酸性溶液や有機構造規定剤分解成分を含んだ薬液を用いた液相処理、レジンなどを用いたイオン交換処理、熱分解処理を採用することができ、これらの処理を組合せて用いてもよい。通常、空気又は酸素含有の不活性ガス、あるいは不活性ガス雰囲気下に300℃から1000℃の温度で焼成したり、エタノール水溶液などの有機溶剤により抽出したりする等の方法により、含有される有機構造規定剤等を除去することができる。製造性の面で焼成による有機構造規定剤等の除去が好ましい。この場合、焼成温度については、好ましくは400℃以上、より好ましくは450℃以上、さらに好ましくは500℃以上であり、好ましくは900℃以下、より好ましくは850℃以下、さらに好ましくは800℃以下である。不活性ガスとしては、窒素などを用いることができる。
<AEI型ゼオライトの物性>
本発明の製造方法では、仕込み組成比を変えることにより、従来製造できなかった広い範囲のSi/Al比のAEI型ゼオライトを製造することができる。よって得られたAEI型ゼオライトのSi/Al比は特に限定されるものではないが、触媒としての活性点が多い方が好ましいことからSi/Al比は50以下が好ましく、より好ましくは25以下、更に好ましくは15以下、特に好ましくは10以下、とりわけ好ましくは7以下である。特にSi/Al比が6.5以下で、結晶性に優れたAEI型ゼオライトは過去に得られたことがなく、新しい物質である。一方、骨格内のAl量が多いゼオライトは水蒸気を含むガスにさらされた場合、骨格内Alが脱離して構造破壊が起きる可能性が高まるため、Si/Al比は好ましくは2以上、より好ましくは3以上、更に好ましくは4以上、とりわけ好ましくは4.5以上である。これらを総合して、骨格内Alの脱離の影響が小さく、かつ高い触媒活性を維持するためには、Si/Al比は好ましくは5.5以上7以下、より好ましくは5.5より大きく7より小さい、更に好ましくは6以上6.5以下である。
本発明によって得られたAEI型ゼオライトは、酸量が1.2mmol/g以上、3.0mmol/g以下であり、Si/Al比が4.5以上、6.5以下であることが特に好ましい。
尚、本発明のSi/Al比と酸量で規定するゼオライトにおいては、実施例でも示しているように、Si/Al比の測定をXRFにて行う。ただしXRFの検量線をICP発光分光分析(以下「ICP」ということがある)の分析結果から定めていることから明らかなように、XRFから得られるSi/Al比と、ICPでの分析により得られるSi/Al比は原理として同じになるため、ICPの結果を用いてよい。同様に、「XRF(Si/Al比)」とあるのも、同様にICPを使用しても良い。
XRFを用いた場合、結晶性の悪い状態でゼオライト骨格にとりこまれているAl等も測定してしまうため、このような結晶性の悪いゼオライトを除くため、酸量の規定を追加している。
ゼオライト骨格中に、結晶性よくとりこまれているSi/Al比のみを測定する場合には、29Si−(DD/)MAS−NMR(以下「29Si−NMR」ということがある)等で測定するとよい。この29Si−NMRを用いて測定する場合、本発明の低Si/Al比のAEI型ゼオライトは、単に「Si/Al比が6.5以下のAEI型ゼオライト」、と表現することができる。尚、この場合のSi/Al比の下限値は、上述の範囲と同じである。
また、本発明のAEI型ゼオライトが、結晶性に優れていることは、XRFにより求めたSi/Al比と、焼成後の29Si−NMRにて求めたSi/Al比の差が小さいことによっても示される。すなわち、焼成後のAEI型ゼオライトのXRFで求めたSi/Al比は、水熱合成時あるいは焼成により、壊れてしまった部分のケイ素とアルミニウムを含んだバルクとしてのSi/Al比であり、それに対し、焼成後の29Si−NMRにて求めたSi/Al比は、焼成後もゼオライト骨格中に保たれているケイ素とアルミニウムの比である。通常、脱アルミニウムの方が起こりやすいため、29Si−NMR(Si/Al比)/XRF(Si/Al比)を%で表せば、100%以上となる。特にSi/Al比が低い、例えば20以下のようなAEI型ゼオライトではアルミニウムの量が多く、結晶性も良くないいため、脱アルミニウムが容易に起こり、この値は200%を超えたものになってしまうものであった。
一方、本発明のAEI型ゼオライトはSi/Al比が低いにもかかわらず、結晶性が良いため焼成によっても脱Alが起きにくい。これは使用時の耐久性が高いことにつながる特性であり、このゼオライトを触媒として使用するときに好ましい特性である。具体的にはXRFの測定結果から算出したSi/Al比に対する、29Si−NMRにて求めた焼成品の骨格中のSi/Al比、式で表せば29Si−NMR(Si/Al比)/XRF(Si/Al比)を%で表して、下限値として90%以上、より好ましくは95%以上、更に好ましくは100%以上であり、上限値としては200%以下であり、より好ましくは190%以下、さらに好ましくは180%以下、特に好ましくは160%以下であるAEI型ゼオライトであることが好ましい。またこのようなゼオライトは、Si/Al比が上限として20以下、より好ましくは10以下、特に好ましくは6.5以下のゼオライトであることが好ましく、下限として2以上、好ましくは4以上であることが好ましい。
SCR触媒は窒素酸化物を含む排ガスの浄化性能と650℃以上の水熱耐久性が求められている。結晶性に差が無ければ、Si/Al比が低いゼオライトは、Si/Al比の高い触媒よりも活性点が多いため、窒素酸化物を含む排ガスに対して高い浄化性能を持つことが利点である。例えば、トラックでは700℃以下と比較的低温で、水蒸気を含むガス雰囲気下にSCR触媒として用いるため、水蒸気による骨格内Alの脱Alは進行しにくい。従って窒素酸化物を含む排ガスの浄化性能が優先され、ゼオライト骨格中の活性点が多い、Si/Al比が6.5以下のゼオライトの使用が望まれる。一方でSi/Al比の高いゼオライトは、ゼオライト骨格中のAl量が少ないことから水蒸気を含む高温のガス雰囲気下でも構造が崩壊しにくい利点がある。ディーゼル乗用車やガソリン車では800℃以上で水蒸気を含むガス雰囲気下にSCR触媒として用いるため、高い水蒸気耐性を求められる。従ってSi/Al比が6.5を超え、より好ましくは、10以上のゼオライトを使用することが望まれる。
本発明によって得られたAEI型ゼオライトの平均一次粒子径は、特に限定されないが、触媒として用いた時のガス拡散性を高くするために、0.01〜10μmが好ましく、より好ましくは0.02〜8μm、更に好ましくは0.05〜5μmである。特に本発明のAEI型ゼオライトの平均一次粒子径は、0.01μm以上、3μm以下であることが好ましく、また、取扱いが容易である点から0.1〜3μmの範囲であることが好ましい。
なお、AEI型ゼオライトの平均一次粒子径は、具体的には後述の実施例の項に記載される方法で測定される。
本発明によって得られたAEI型ゼオライトの比表面積は、特に限定されないが、細孔内表面に存在する活性点が多くなることから、300〜1000m/gが好ましく、より好ましくは350〜800m/g、更に好ましくは450〜750m/gである。
なお、本発明のAEI型ゼオライトの比表面積は、BET法により測定される。
本発明によって得られたAEI型ゼオライトは、その結晶性に優れている。このことは、160℃以上のアンモニア吸着量で測定できる酸量により明らかである。本発明のAEI型ゼオライトの酸量は、好ましくは0.5〜3.0mmol/g、より好ましくは0.7〜3.0mmol/g、更に好ましく0.9〜3.0mmol/g、特に好ましくは1.2〜3.0mmol/g、最も好ましくは1.2〜2.5mmol/gである。本発明のAEI型ゼオライトの酸量は、具体的には、後述の実施例の項に記載される方法で測定される。
また、本発明によって得られたAEI型ゼオライトは、酸量が1.2mmol/g以上、3.0mmol/g以下であり、Si/Al比が6.5以下であることが特に好ましい。
本発明により製造されたAEI型ゼオライトのイオン交換能を、アルカリ金属原子原料、あるいはアルミニウム原子原料、ケイ素原子原料、有機構造規定剤、及び本発明で添加するゼオライトに含まれるアルカリ金属原子由来のアルカリ金属部分を、H型やNH型に変換して用いることもでき、その方法は公知の技術を採用することができる。例えば、NHNO、NaNOなどアンモニウム塩あるいは塩酸などの酸で、通常、室温から100℃で処理後、水洗する方法などにより行うことができる。
<金属の後担持による耐熱性向上>
本発明によって得られたAEI型ゼオライトの耐水熱性を向上させる方法として、水熱合成後のAEI型ゼオライトもしくは後述する触媒として使用するための金属(例えばCu)を担持した後の触媒に、金属を担持する方法が挙げられる。担持する金属としては、Mg、Ca、Sr、La、Pr、B、Zr、Ce、Feのいずれかが挙げられる。これらの金属を2種類以上混合して用いても良い。またAEI型ゼオライトの水熱合成前のゲルにこれらの金属の塩を加えて、金属を含有したAEI型ゼオライトを製造しても良い。この場合、通常、遷移金属の硫酸塩、リン酸塩、硝酸塩、塩化物、臭化物等の無機酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、クエン酸塩等の有機酸塩、ペンタカルボニル、フェロセン等の有機金属化合物などが使用される。これらの塩のうち、水に対する溶解性の観点から、無機酸塩、有機酸塩が好ましい。
これらの金属を担持させる効果としては、ゼオライト骨格中のAlに金属が配位することで、水蒸気からの保護効果が得られるものと考えられる。AEI型ゼオライトにこれらの金属を担持させる場合、金属担持AEI型ゼオライト中の金属の含有量は、AEI型ゼオライト中のアルミニウムに対する金属のモル比として0.0001以上、好ましくは0.0005以上、より好ましくは、0.001以上、更に好ましくは0.005以上である。この金属含有量の上限は特に限定されないが、触媒として使用する場合は活性点となる遷移金属もイオン交換する必要があるため、通常1以下、好ましくは0.95以下、更に好ましくは0.8以下、より好ましくは0.5以下である。
[AEI型ゼオライトの用途]
本発明のAEI型ゼオライトの用途としては特に制限はないが、触媒、吸着材、分離材料などとして、好適に用いられる。前述の特許文献1にも記載があるように、AEI型ゼオライトは特に自動車等の排ガス浄化用触媒等に好適に用いられる。特にSi/Al比が6.5以下のものは高い触媒活性が得られる。
<排ガス処理用触媒>
本発明のAEI型ゼオライトを自動車排気浄化触媒等の排ガス処理用触媒として用いる場合、本発明のAEI型ゼオライトはそのままで用いてもよく、必要に応じて金属を含有させたAEI型ゼオライトを用いてもよい。金属を含有させる方法として具体的には、含浸、液相または固相のイオン交換などの方法が挙げられる。また前述のように水熱合成前に金属(単体でも化合物でもよい)を加えることにより金属を含有させたゼオライトを直接合成してもよい。金属を含有させたゼオライトにおける金属の存在状態としては、骨格構造に含まれる場合と、含まれない場合がある。
本発明のAEI型ゼオライトを含む触媒は、バインダーと混合し、造粒して用いることやハニカム状等の所定の形状に成形して用いることができる。具体的には例えば、該触媒をシリカ、アルミナ、粘土鉱物等の無機バインダーや、アルミナ繊維、ガラス繊維等の無機繊維と混合した後、造粒するかまたは押出法や圧縮法等によりハニカム状等の所定の形状に成形し、続いて焼成することにより、粒状の触媒やハニカム触媒、触媒成形品を得る。
本発明のAEI型ゼオライトを含む触媒は、また、シートやハニカム等の基材に塗布して用いてもよい。具体的には、例えば、本発明のAEI型ゼオライトを含む触媒と、シリカ、アルミナ、粘土鉱物等の無機バインダーとを混合し、スラリーを作製し、コージェライト等の無機物で作製された基材の表面に塗布し、焼成する方法が挙げられる。好ましくはこの際にハニカム形状の基材に塗布することにより、触媒が塗布されたハニカム状のハニカム触媒を得ることができる。
ここでは排ガス処理用触媒を例にして説明しているため無機バインダーを用いているが、用途や使用条件によっては有機バインダーを用いてもよいことは言うまでもない。
本発明のAEI型ゼオライトを含む触媒は、窒素酸化物を含む排ガスを接触させて窒素酸化物を浄化する自動車排気浄化触媒等のNOxの選択的還元触媒として有効である。
また、本発明のAEI型ゼオライトにSi及びAl以外の金属を含有させてなる排ガス処理用触媒も、NOxの選択的還元触媒として、特に有効である。このような排ガス処理用触媒として、ゼオライトに含有させる金属元素としては遷移金属が好ましく、中でも、鉄、コバルト、パラジウム、イリジウム、白金、銅、銀、金、セリウム、ランタン、プラセオジウム、チタン、ジルコニウム等の中の群から選ばれる。更に好ましくは、鉄または銅の中から選ばれ、最も好ましくはCu(銅)である。これらの金属の2種以上を組み合わせて含有させてもよい。Si及びAl以外の金属の含有量は、Si及びAl以外の金属を含有させてなるAEI型ゼオライト全量中、通常0.1重量%以上、好ましくは0.3重量%以上、より好ましくは0.5重量%以上、特に好ましくは1.0重量%以上であり、通常20重量%以下、好ましくは10重量%以下、より好ましくは8重量%以下である。
特にゼオライトに含有させる金属が銅(Cu)であった場合には、触媒中の銅の含有量として、0.1重量%以上、10重量%以下が好ましく、より好ましい範囲は上述のとおりである。
本発明のAEI型ゼオライトに、上記の金属を含有させる方法としては、特に限定されないが、一般的に用いられるイオン交換法、含浸担持法、沈殿担持法、固相イオン交換法、CVD法、噴霧乾燥法等、好ましくは、固相イオン交換法、含浸担持法、噴霧乾燥法により、AEI型ゼオライトに金属を担持させる方法が好ましい。
<遷移金属を含有したAEI型ゼオライトの合成方法>
本発明によって得られたAEI型ゼオライトに遷移金属を含有させる場合、イオン交換法、含侵法などの方法を用いると、大量の廃液を排出するため廃液処理が問題となり、また、ゼオライト浸漬スラリーの濾過、洗浄などの工程数が多くなりがちである。これに対して、遷移金属原料である遷移金属酸化物や遷移金属塩をゼオライト合成工程のゲル、即ち、前述の反応前混合物に導入することにより、遷移金属を含むAEI型ゼオライトを一工程で合成するワンポット合成法であれば、この問題が解決される。
ワンポット合成法で用いる遷移金属原料は特に限定されず、通常、遷移金属の硫酸塩、リン酸塩、硝酸塩、塩化物、臭化物等の無機酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、クエン酸塩等の有機酸塩、ペンタカルボニル、フェロセン等の有機金属化合物などが使用される。これらのうち、水に対する溶解性の観点からは無機酸塩、有機酸塩が好ましく、より具体的には例えば硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩酸塩等が好ましい。場合によってはコロイド状の酸化物、あるいは微粉末状の酸化物を用いてもよい。
遷移金属としては、特に限定されるものではないが、吸着材用途や触媒用途での特性の点から、通常、鉄、コバルト、マグネシウム、亜鉛、銅、パラジウム、イリジウム、白金、銀、金、セリウム、ランタン、プラセオジウム、チタン、ジルコニウム等の周期表第3−12族の遷移金属が挙げられ、好ましくは鉄、コバルト、銅などの周期表第8、9、11族の遷移金属、より好ましくは周期表第8、11族の遷移金属である。ゼオライトに含有させる遷移金属は、これらの1種であってもよく、2種以上の遷移金属を組み合わせてゼオライトに含有させてもよい。これらの遷移金属のうち、特に好ましくは、鉄及び/又は銅であり、とりわけ好ましくは銅である。
遷移金属原料としては、遷移金属種、或いは化合物種の異なるものの2種以上を併用してもよい。
またゲル中で遷移金属を安定化させるためにポリアミンを用いて錯塩を形成させても良い。錯塩の形成に用いるポリアミンとしては、一般式HN−(Cn2nNH)x−H(式中、nは2〜6の整数、xは2〜10の整数)で表されるポリアミンが好ましい。
上記式において、nは2〜5の整数が好ましく、2〜4の整数がより好ましく、2又は3がさらに好ましく、2が特に好ましい。xは2〜6の整数が好ましく、2〜5の整数がより好ましく、3又は4がさらに好ましく、4が特に好ましい。
このようなポリアミンとしては、中でもジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミンが安価であり、好ましく、中でもトリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミンが特に好ましい。これらのポリアミンは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。また、分岐状のポリアミンを含んでいても良い。
ワンポット合成法を用いる場合には、上記遷移金属原料、あるいは遷移金属原料とポリアミンを用いる以外は、本発明のAEI型ゼオライトの製造方法に従い、遷移金属を含有したAEI型ゼオライトを得ることができる。
AEI型ゼオライトに上記遷移金属を担持させた後は、好ましくは300℃〜900℃、より好ましくは350℃〜850℃、さらに好ましくは400℃〜800℃で、1秒〜24時間、好ましくは10秒〜8時間、さらに好ましくは30分〜4時間程度焼成することが好ましい。この焼成は必ずしも必要ではないが、焼成を行うことにより、ゼオライトの骨格構造に担持させた金属の分散性を高めることができ、触媒活性の向上に有効である。
また、本発明の一実施形態である触媒は、主に原料に由来するアルカリ金属原子、例えばナトリウム、カリウム、セシウム等を含んでいてもよい。このうち容易に除去できるナトリウムに関しては、特に限定されないが、比較的除去の難しいカリウム、セシウム等に関しては、触媒中のアルミニウムに対するモル比として、0.001以上、1.0以下であることが好ましい。即ち、触媒から無理に除去することにより、ゼオライトの骨格などにダメージを与えることを防ぐ点から、触媒中のアルミニウムに対するカリウム及び/又はセシウムのモル比は、上述の範囲が好ましい。
また、本発明によって得られた触媒の比表面積は、特に限定されないが、細孔内表面に存在する活性点が多くなることから、300〜1000m/gが好ましく、より好ましくは350〜800m/g、更に好ましくは450〜750m/gである。なお、触媒の比表面積は、後述の実施例の項に記載されるBET法により測定される。
<排気浄化システム>
該排ガスには窒素酸化物以外の成分が含まれていてもよく、例えば炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、窒素、酸素、硫黄酸化物、水が含まれていてもよい。また、触媒使用時には、アンモニア、尿素、ヒドラジン、炭酸アンモニウム、カルバミン酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム及びギ酸アンモニウム等の窒素含有化合物(但し、窒素酸化物を除く)、炭化水素等の公知の還元剤を使用してもよい。具体的には、本発明の排ガス処理用触媒により、ディーゼル自動車、ガソリン自動車、定置発電・船舶・農業機械・建設機械・二輪車・航空機用の各種ディーゼルエンジン、ボイラー、ガスタービン等から排出される多種多様の排ガスに含まれる窒素酸化物を浄化することができる。
本発明のAEI型ゼオライトは、窒素酸化物浄化用触媒用途以外に、例えば、本発明の窒素酸化物浄化用触媒を用いて窒素酸化物の浄化を行った後段の工程において、窒素酸化物浄化で消費されなかった余剰の還元剤(例えばアンモニア)を酸化する酸化触媒用途に用いることができる。このように、本発明のAEI型ゼオライトを含む触媒は酸化触媒として余剰の還元剤を酸化し、排ガス中の還元剤を減少させることができる。その場合、酸化触媒として還元剤を吸着させるためのゼオライト等の担体に白金族等の金属を担持した触媒を用いることができるが、本発明のAEI型ゼオライトを該担体として使用したり、また、窒素酸化物の選択的還元触媒として使用される、例えば鉄及び/又は銅を担持した本発明のAEI型ゼオライトに、更に該白金族等の金属を担持して使用することもできる。
本発明のAEI型ゼオライトを含む触媒は様々な排気浄化システムにおいて用いることができる。該システムとしては、本発明の触媒を含む選択還元型窒素酸化物浄化触媒を備えた排気浄化システムが例示でき、更に該排気浄化システムにおいて前記選択還元型窒素酸化物浄化触媒の下流にアンモニア酸化触媒が配置されていてもよい。
本発明のAEI型ゼオライトを含む触媒は様々な排気浄化方法において用いることができる。該排気浄化方法としては、アンモニアを選択還元型窒素酸化物浄化触媒に吸着させ、吸着されたアンモニアを還元剤として窒素酸化物を選択還元する工程を含む排気浄化方法であって、選択還元型窒素酸化物浄化触媒としてAEIゼオライトを含む触媒を用いることが好ましい。更に、前記アンモニアを還元剤として窒素酸化物を選択還元する工程の下流に、余剰のアンモニアを酸化する工程を含んでいてもよい。
なお、前記アンモニアとしては、外部から排気浄化システム内に導入したアンモニアや、外部から排気浄化システム内に導入した尿素から生成したアンモニアを用いることができる。また、排気浄化システム内で排ガスからアンモニアを生成して用いることもできる。
本発明の触媒を使用する際の、触媒と排ガスの接触条件としては特に限定されるものではないが、排ガスの空間速度は通常100/h以上、好ましくは1000/h以上であり、更に好ましくは5000/h以上であり、通常500000/h以下、好ましくは400000/h以下、更に好ましくは200000/h以下であり、温度は通常100℃以上、より好ましくは125℃以上、更に好ましくは150℃以上、通常1000℃以下、好ましくは800℃以下、更に好ましくは600℃以下、特に好ましくは500℃以下で用いられる。
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り以下の実施例により何ら限定されるものではない。
〔分析・評価〕
以下の実施例及び比較例において得られたゼオライトの分析及び性能評価は以下の方法により行った。
[粉末XRDの測定]
<試料の調製>
めのう乳鉢を用いて人力で粉砕したゼオライト試料約100mgを同一形状のサンプルホルダーを用いて試料量が一定となるようにした。
<装置仕様及び測定条件>
粉末XRD測定装置仕様及び測定条件は以下の通りである。
Figure 2017081809
29Si−NMRによるSi/Al比の測定]
29Si−NMR測定装置仕様及び測定条件は以下の通りである。この方法は、ゼオライト骨格中のSi/Al比を求めることができる。
Figure 2017081809
[平均一次粒子径の測定]
本発明における平均一次粒子径とは、一次粒子の粒子径の平均値に相当する。平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡による粒子の観察において、任意に選択した30個以上の一次粒子について粒子径を測定し、その一次粒子の粒子径を平均して求められる。粒子径は粒子の投影面積と等しい面積を持つ円の直径(円相当径)とした。
[Cu含有量とゼオライト組成の分析]
標準試料であるゼオライト中のケイ素原子とアルミニウム原子含有量、及び含有された銅原子の元素分析は以下の通りとした。
ゼオライト試料を塩酸水溶液に加熱溶解させた後、ICP分析によりケイ素原子、アルミニウム原子と銅原子の含有量(重量%)を求めた。そして、標準試料中の分析元素の蛍光X線強度と分析元素の原子濃度との検量線を作成した。
この検量線により、蛍光X線分析法(XRF)でゼオライトよりなる触媒試料中のケイ素原子、アルミニウム原子及び銅原子の含有量(重量%)を求めた。ICP分析は、株式会社堀場製作所製 装置名:ULTIMA 2Cを用いて行った。XRFは、株式会社島津製作所製 装置名:EDX−700を用いて行った。
[BET比表面積の測定]
大倉理研社製 全自動粉体比表面積測定装置(装置名:AMS1000)を用いて、流通式一点法により測定を行った。
[酸量:アンモニア吸着量の測定]
通常ゼオライトの評価において酸量と言われるアンモニア吸着量を、日本ベル社製の全自動昇温脱離スペクトル装置(装置名:マイクロトラック・ベル社製 BELCAT−B)を使用して、以下の条件で測定した。
使用ガス:
キャリアガス:高純度He
吸着ガス:5%NH/He
前処理:Heの50sccm流通下で450℃にて1時間保持した。
NH吸着:160℃で、5%NH/Heを50sccmで流して15分間NHを吸着させた。
脱着・測定:Heの50sccm流通下で、160℃から800℃まで10℃/minで昇温してNHを脱着させ、脱着させたNH量をアンモニア吸着量、即ち、酸量とした。
[ICPの測定]
ゼオライトよりなる触媒試料をフッ酸水溶液で処理後、さらに塩酸水溶液で加熱溶解させた後、誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)発光分光分析によりカリウム原子、カルシウム原子の含有量を求めた。
[触媒活性の評価]
調製した触媒試料をプレス成形後、破砕して篩を通し、0.6〜1mmに整粒した。整粒した触媒試料1mlを常圧固定床流通式反応管に充填した。触媒層に下記表3の組成のガスを空間速度SV=200000/hで流通させながら、触媒層を加熱した。175℃、200℃、250℃、300℃、400℃、又は500℃の各温度において、出口NO濃度が一定となったとき、
NO浄化率(%)
={(入口NO濃度)−(出口NO濃度)}/(入口NO濃度) ×100
の値によって、触媒試料の窒素酸化物除去活性を評価した。
Figure 2017081809
[触媒の水蒸気処理方法]
水熱処理後の触媒活性を評価するために、触媒試料3gに800℃、10体積%の水蒸気を、空間速度SV=3000/hで、5時間通じ、水蒸気処理を行った。
〔ゼオライトの合成〕
[実施例1]
1.8gの水と、有機構造規定剤(SDA)として11.7gのN,N−ジメチル−3,5−ジメチルピペリジニウムハイドロオキサイド(セイケム社製)と、0.3gのNaOH(和光純薬製)を混合したものに、アモルファスAl(OH)(Al 53.5重量%、Aldrich社製)0.4gを加えて撹拌し、溶解させて透明溶液とした。これにスノーテックス40(シリカ濃度:40重量%、日産化学社製)5.5gを加えて室温で5分間撹拌した後、「本発明で添加するゼオライト」として0.1gの未焼成品のAEI型ゼオライト(Framework density:15.1T/1000Å:Si/Al比=7(シリカ/アルミナ比=SARでは14))を添加し、室温で2時間撹拌して反応前混合物を得た。
この反応前混合物を耐圧容器に入れ、170℃のオーブン中で回転させながら(15rpm)、4日間水熱合成を行った。この水熱合成反応後、反応液を冷却して、濾過により生成した結晶を回収した。回収した結晶を100℃で12時間乾燥した後、得られたゼオライト粉のXRDを測定したところ、格子面間隔表示で、表4に示すような位置にピーク及び相対強度を有するXRDパターンを示すAEI型のゼオライト1を合成することができたことが確認された。このゼオライト1のXRDパターンを図1に示す。図1中、縦軸は強度(cps)であり、横軸は回折角度2θ(°)である。XRF分析によるゼオライト1のSi/Al比は6.1であった。
Figure 2017081809
[実施例2]
反応前混合物の原料使用量を表10に示す通りとした他は、実施例1と同様に行ってゼオライト粉を得た。
得られたゼオライト粉のXRDを測定したところ、格子面間隔表示で表5に示すような位置にピーク及び相対強度を有するXRDパターンを示すAEI型のゼオライト2を合成することができたことが確認された。XRF分析によるゼオライト2のSi/Al比は5.8であった。
Figure 2017081809
[実施例3]
反応前混合物の原料使用量を表10に示す通りとした他は、実施例1と同様に行ってゼオライト粉を得た。
得られたゼオライト粉のXRDを測定したところ、格子面間隔表示で表6に示すような位置にピーク及び相対強度を有するXRDパターンを示すAEI型のゼオライト3を合成することができたことが確認された。XRF分析によるゼオライト3のSi/Al比は5.2であった。
Figure 2017081809
[実施例4]
水熱合成の反応温度(オーブン温度)を135℃としたこと以外は、実施例1と同様に行ってゼオライト粉を得た。
得られたゼオライト粉のXRDを測定したところ、格子面間隔表示で表7に示すような位置にピーク及び相対強度を有するXRDパターンを示すAEI型のゼオライト4を合成することができたことが確認された。XRF分析によるゼオライト4のSi/Al比は4.9であった。
Figure 2017081809
[実施例5]
実施例1と同様に行って反応前混合物を得た後に耐圧容器に入れ、90℃で2日間熟成させた後、170℃のオーブン中で回転させながら(15rpm)、4日間水熱合成を行った。この水熱合成反応後、反応液を冷却して、濾過により生成した結晶を回収した。回収した結晶を100℃で12時間乾燥した後、得られたゼオライト粉のXRDを測定したところ、格子面間隔表示で、表8に示すような位置にピーク及び相対強度を有するXRDパターンを示すAEI型のゼオライト5を合成することができたことが確認された。XRF分析によるゼオライト1のSi/Al比は5.3であった。
Figure 2017081809
[比較例1]
実施例1において、本発明で添加するゼオライトであるAEI型ゼオライトを使用せず(即ち、スノーテックス40を添加した後、5分間撹拌してAEI型ゼオライトを添加する工程を省略し)、反応前混合物の原料使用量を表11に示す通りとし、また、水熱合成の反応温度(オーブン温度)を135℃、反応時間を7日間としたこと以外は同様に水熱合成を行い、生成物を回収、乾燥して固形物1を得た。
得られた固形物1のXRDを測定したところ、ピークは得られず、アモルファスであることを確認した。
[比較例2]
実施例1において、AEI型ゼオライトを使用せず(即ち、スノーテックス40を添加した後、5分間撹拌してAEI型ゼオライトを添加する工程を省略し)、反応前混合物の原料使用量を表13に示す通りとしたこと以外は同様に水熱合成を行い、生成物を回収、乾燥して固形物2を得た。
得られた固形物2のXRDを測定したところ、ピークは得られず、アモルファスであることを確認した。
[比較例3]
1.9gの水と、5.5gのN,N−ジメチル−3,5−ジメチルピペリジニウムハイドロオキサイド(セイケム社製)と、20.5gの1M(mol/L)のNaOH水溶液(和光純薬製)を混合したものに、Y型ゼオライト(USY30 CBV720 ゼオリスト社製)(Framework density:12.7T/1000Å)2.4gを加えて撹拌し、溶解させ透明溶液とした。これにスノーテックス40(シリカ濃度:40重量%、日産化学社製)1.9gを加えて室温で2時間撹拌して反応前混合物を得た。
この反応前混合物を耐圧容器に入れ、135℃のオーブン中で回転させながら(15rpm)、7日間水熱合成を行った。この水熱合成反応後、反応液を冷却して、濾過により生成した結晶を回収した。回収した結晶を100℃で12時間乾燥した後、得られたゼオライト粉のXRDを測定したところ、格子面間隔表示で表9に示すような位置にピーク及び相対強度を有するXRDパターンを示すAEI型のゼオライト6を合成することができたことが確認された。XRF分析によるゼオライト6のSi/Al比は7.3であった。
Figure 2017081809
[実施例7〜29、31〜38、比較例5]
実施例1において、使用原料及びその仕込み量を表10〜13に示す通り変更し、表10〜13に示す水熱合成条件で同様の手順にてゼオライトの合成を行った。
ただし、比較例5では、ゼオライトを合成することができなかった。
合成に使用した原料の詳細は、以下のとおりである。
KOH:和光純薬製
CsOH:三津和化学製
Ca(OH):キシダ化学製
カタロイドSI−30:日揮触媒化成社製(シリカ濃度:30重量%)
フュームドシリカ(AEROSIL200):日本アエロジル製
焼成品のAEI型ゼオライトとしては、実施例1で使用したものを用いた。また、未焼成品のCHA型ゼオライトとしては、Framework densityが15.1T/1000Åのものを用い、焼成品のCHA型ゼオライトとしては、未焼成品のCHA型ゼオライトを600℃で焼成したものを用いた。
比較例5で用いたY型ゼオライトは、比較例3で用いたものと同じである。
表10〜13において、添加ゼオライトの種類の欄の「AEI型」、「CHA型」、「Y型」の右に記載した数値は、用いたゼオライトのSiO/Al比、シリカ/アルミナ比を示す。
[比較例6]
特許文献5の比較例3に記載されている、SiO/Al=11(つまりSi/Alが5.5)のAEI型ゼオライトを、特許文献5の比較例3の記載通りに作成した。すなわち純水、水酸化ナトリウム、FAU型ゼオライト(Y型、カチオンタイプ:アンモニウム型、SiO/Al比=11:日輝触媒化成社製)、及び3号珪酸ソーダ(キシダ化学社製)を、20%N,N−ジメチル−3、5−ジメチルピペラジニウム水酸化物(DMPOH)水溶液に添加、混合して、以下のモル組成の原料混合物を得た。
SiO/Al比 =31
Na/SiO比 =0.53
DMPOH/SiO比 =0.16
OH/SiO比 =0.69
O/SiO比 =46
得られた原料混合物を密閉容器内に充填し、これを回転させながら135℃、15日間の条件で原料混合物を結晶化させた。結晶化後の原料混合物を固液分離し、純水で洗浄した後、70℃で乾燥し、これを、空気雰囲気、600℃で6時間焼成した。得られたAEI型ゼオライトのSiO/AlをXRFにて測定したところ特許文献5の比較例3の11に対し、12(Si/Al=6)であり、特許文献5の比較例3と実質同一のAEI型ゼオライトが得られた。これの酸量を測定したところ、1.12mmol/gであった。SiO/Alが小さいのに酸量が小さいという結果は、ゼオライトとしての結晶性が非常に悪いことを意味している。これは特許文献5の[0108]段落において、「1時間の水熱耐久処理により、その窒素酸化物還元率は著しく低下することが分かった。」という記載に合致するものである。
上記の実施例1〜5、7〜29、31〜38及び比較例1〜3、5、6における反応前混合物の原料使用量、水熱合成条件、収率とSi/Al比、酸量及び平均一次粒子径を表10〜13にまとめて示す。
表10〜13中、各原料の使用量(g)の下のカッコ内の数値は、それぞれ以下のものを示す。
Al(OH):本発明で添加するゼオライト以外の原料混合物に含まれるSiに対するAlのモル比
アルカリ金属原子原料:原料混合物中のSDAに対するアルカリ金属原子(Na、KまたはCs)のモル比、ただしアルカリ土類金属原子(具体的にはCa)を使用した場合にも、この欄に記載している。
SDA:本発明で添加するゼオライト以外の原料混合物に含まれるSiに対するSDAのモル比
水:本発明で添加するゼオライト以外の原料混合物に含まれるSiに対する水のモル比
添加ゼオライト(本発明で添加するゼオライト):本発明で添加するゼオライト以外の原料混合物に含まれるSiをすべてSiOに換算した量に対する本発明で添加するゼオライトの割合(重量%)
また収率(重量%)は以下の式で計算した。
(収率)=(SDAを含むAEI型ゼオライトの重量(g))/{(製造時に添加したアルミニウム原子原料、ケイ素原子原料をそれぞれAl、SiOに換算した重量(g))+(本発明で添加するゼオライトの重量(g))}×100
Figure 2017081809
Figure 2017081809
Figure 2017081809
Figure 2017081809
実施例35〜38で得られた固形物を、実施例30と同様の方法で焼成し、Ca量をICPで分析した結果、
実施例35:0.889重量%
実施例36:0.843重量%
実施例37:0.575重量%
実施例38:0.482重量%
となった。これは、ゼオライト中にカルシウムが取り込まれている事を示している。
〔触媒の調製・触媒活性の評価〕
[実施例6]
ゼオライト中の有機物を除去するために、実施例1で合成したゼオライト1を600℃の空気気流下で6時間焼成した。次に焼成したゼオライト中のNaイオンを除去するために、焼成したゼオライトを3MのNHCl水溶液に分散させ、60℃で5時間イオン交換を行った。濾過によりゼオライトを回収し、イオン交換水での洗浄を3回行った。その後、前記のイオン交換と洗浄を更に繰り返し2回行った。得られたゼオライト粉を100℃で12時間乾燥して、NH型のゼオライト1Aを得た。ゼオライト1AについてXRFにて分析した結果、99%以上のNaが除去されていることを確認した。
1gのCu(OAc)・HO(キシダ化学製)を37gの水に溶解して、酢酸銅(II)水溶液を得た。ゼオライト1Aをこの酢酸銅(II)水溶液中に分散させ、40℃で1.5時間イオン交換を行った。濾過によりゼオライト(ゼオライト1B)を回収し、イオン交換水での洗浄を3回行った。その後、改めて1gのCu(OAc)・HO(キシダ化学製)を37gの水に溶解して酢酸銅(II)水溶液を調製し、ゼオライト1Bを該酢酸銅(II)水溶液中に分散させ、80℃で2時間イオン交換を行った。濾過によりゼオライト(ゼオライト1C)を回収し、イオン交換水での洗浄を3回行って、得られたゼオライト粉を100℃で12時間乾燥した後、空気中にて450℃で1時間焼成することにより、Cu含有AEI型ゼオライトよりなる触媒1Aを得た。
XRF分析による触媒1AのCuの含有量は3.9重量%であった。
触媒1AのBET比表面積を測定した結果、601m/gであった。
また触媒1Aの触媒活性の評価結果を表14及び図2に示した。
[実施例30]
ゼオライト中の有機構造規定剤等の有機物を除去するために、実施例26で合成したゼオライト26を550℃の空気気流下で6時間焼成した(焼成により得られたゼオライトを「固形物26a」と称す。)。次に焼成したゼオライト中のNa、Kイオンを除去するために、焼成したゼオライトを3MのNHCl水溶液に分散させ、70℃で5時間イオン交換を行った。濾過によりゼオライトを回収し、イオン交換水での洗浄を3回行った。得られたゼオライト粉を100℃で12時間乾燥して、NH型のゼオライト26Aを得た。
2.2gのCu(OAc)・HO(キシダ化学製)を74gの水に溶解して、酢酸銅(II)水溶液を得た。ゼオライト26Aをこの酢酸銅(II)水溶液中に分散させ、70℃で2時間イオン交換を行った。濾過によりゼオライト(ゼオライト26B)を回収し、イオン交換水での洗浄を3回行った。その後、改めて2.2gのCu(OAc)・HO(キシダ化学製)を74gの水に溶解して酢酸銅(II)水溶液を調製し、ゼオライト26Bを該酢酸銅(II)水溶液に分散させ、70℃で2時間イオン交換を行った。濾過によりゼオライト(ゼオライト26C)を回収し、イオン交換水での洗浄を3回行って、得られたゼオライト粉を100℃で12時間乾燥した後(乾燥により得られた固形物を「固形物26b」と称す。)、空気中にて500℃で3時間焼成することにより、Cu含有AEI型ゼオライトよりなる触媒2Aを得た。触媒2AについてICPにて分析した結果、0.77重量%のKが残存していることを確認した。
XRF分析による触媒2AのCuの含有量は4.8重量%であった。
触媒2AのBET比表面積を測定した結果、579m/gであった。
また、触媒2Aの触媒活性の評価結果を表14及び図2に示した。
29Si−NMRによる組成分析>
本発明の製造方法により得られたAEI型ゼオライトのゼオライト骨格中に存在するSi/Al比を算出するためには、前述のとおり29Si−NMRによる分析を行うと良い。
実施例31において得られた固形物について、未焼成の状態で29Si−NMRの分析を行った結果、骨格中のSi/Al比は4.9であることが分かった。この時の測定結果を図4に示す。ピークの帰属については、ピークトップが-99±1ppmのピークをQ(2Al)、-104±1ppmのピークをQ(1Al)、-110±1ppmのピークをQ(0Al)としてSi/Alを算出した。一方、XRFではバルクの状態でのSi/Al比が算出されるが、実施例31で得られた固形物をXRFにてSi/Al比を算出した結果、4.5であることが分かった。従って、29Si−NMRとXRFのSi/Al比の分析結果から、本製造方法によって得られた実施例31のAEI型ゼオライトはAlのほとんどがゼオライト骨格中に存在していることが分かった。
また、固形物26aについて、29Si−NMRを測定した結果、骨格中のSi/Al比は5.6だった。XRFのバルクの状態でのSi/Al比が4.7であり、焼成により若干の脱Alが起きたことが予想されるが、結晶性はほとんど低下してなかった。
通常、Si/Al比が小さいゼオライトは骨格中のAlの分散性が悪くなる事が考えられる。しかし本発明により得られたゼオライトはSi/Al比が小さいにもかかわらずSi−NMRの測定により得られたQ(1Al)におけるピーク面積の占める割合が多く、Alが分散していることが特徴である。1Alの割合が多いと、触媒の活性点となる遷移金属を導入しやすくなる。Q(0Al)はSiと酸素を介して結合するAlが0の存在率を示しており、その面積割合が多いほど遷移金属は導入できなくなることを示す。一方、Q(nAl)(n≧2)のピークはSiと酸素を介して結合するAlが2つ以上4つ以下存在することを示しており、Al同士が近くに存在する事で先に配位した遷移金属が近くのAlへ遷移金属が配位することを阻害すると考えられる。そのため、より多くの触媒の活性点となる遷移金属を導入するためには、Q(1Al)のピーク面積は通常、44%以上、好ましくは44.5%以上、より好ましくは、45%以上、更に好ましくは45.5%以上である。上限値は特に限定されない。
なお、フーリエ変換後のスペクトルの各ピークに対して、ローレンツ波形及びガウス波形或いは両者の混合により作成したピーク形状の最適化計算により、波形分離解析を行った。最適化計算では、中心位置、高さ、半値幅を可変パラメーターとして、非線形最小二乗法により最適値を算出した。
各ピークの同定は、「G. Engelhardt and D. Miche: “High-Resolution Solid-State NMR of Silicates and Zeolites”, (1987), (John Wiley & Sons, Chichester).」等を参考にした。
[比較例4]
ゼオライト中の有機物を除去するために、比較例3で合成したゼオライト6を600℃の空気気流下で6時間焼成した。次に焼成したゼオライト中のNaイオンを除去するために、焼成したゼオライトを3MのNHCl水溶液に分散させ、60℃で3時間イオン交換を行った。濾過によりゼオライトを回収し、イオン交換水での洗浄を3回行った。その後、前記のイオン交換と洗浄を更に繰り返し2回行った。得られたゼオライト粉を100℃で12時間乾燥して、NH型のゼオライト6Aを得た。ゼオライト6AについてXRFにて分析した結果、99%以上のNaが除去されていることを確認した。
1gのCu(OAc)・HO(キシダ化学製)を37gの水に溶解して、酢酸銅(II)水溶液を得た。ゼオライト6Aをこの酢酸銅(II)水溶液中に分散させ、60℃で1時間イオン交換を行った。濾過によりゼオライト(ゼオライト6B)を回収し、イオン交換水での洗浄を3回行った。その後、改めて1gのCu(OAc)・HO(キシダ化学製)を37gの水に溶解して、酢酸銅(II)水溶液を調製し、ゼオライト6Bを酢酸銅(II)水溶液に分散させ、80℃で1時間イオン交換を行った。濾過によりゼオライト(ゼオライト6C)を回収し、イオン交換水での洗浄を3回行って、得られたゼオライト粉を100℃で12時間乾燥した後、空気中にて450℃で1時間焼成することにより、Cu含有AEI型ゼオライトよりなる触媒3Aを得た。
XRF分析による触媒3AのCuの含有量は3.8重量%であった。
触媒3AのBET比表面積を測定した結果、612m/gであった。
また触媒3Aの触媒活性の評価結果を表14及び図2に示した。
Figure 2017081809
排ガス処理において重要とされる低温領域での活性について、触媒1A及び触媒2Aと触媒3Aの200℃で反応した後のガス中のNO残存濃度を比較すると、触媒1Aと触媒2Aは、触媒3Aと比較して残存したNO濃度が半分以下だった。
以上の結果から、本発明のAEI型ゼオライトはY型ゼオライトを原料としたAEI型ゼオライトに比べて高い触媒活性を有することが分かる。
触媒1A、2A、3Aを、前述の方法で水蒸気処理して得られた触媒をそれぞれ触媒1B、2B、3Bとした。触媒1B、2B、3Bの触媒活性の評価結果を表15及び図3に示した。
Figure 2017081809
通常は排ガス処理用の触媒を水熱処理すると、活性点として担持したCuが凝集し、NHの酸化が促進され、高温領域において活性が低下する傾向がみられる。しかし、今回水熱処理した各触媒を500℃で反応した後のガス中のNO残存濃度を比較すると、触媒1Bと触媒2Bは、触媒3Bと比較して残存したNO濃度が半分以下だった。
以上の結果から、本発明のAEI型ゼオライトはY型ゼオライトを原料としたAEI型ゼオライトと比べて、水熱処理後も高温領域で高い活性を有することが分かる。これは本発明のAEI型ゼオライトは、Y型ゼオライトを原料としたAEI型ゼオライトと比べてSi/Al比が低く、結晶構造を構成するd6rにAlがおよそ2個配位しており、2価のCuがd6rに最適に配位したことで安定性が増し、水熱処理によるCu同士の凝集が起こりにくかったことによると考えられる。
本発明により、安価で高性能なAEI型ゼオライトを得ることができ、排ガス処理やその他、触媒や分離膜等に好適に使用することができる。また、Si/Al比が6.5以下で結晶性の良いAEI型ゼオライトが提供できるため、これを用いた高性能で、特に低温時の処理能力に優れた触媒を提供することができる。

Claims (30)

  1. ケイ素原子原料、アルミニウム原子原料、アルカリ金属原子原料、有機構造規定剤、及び水を含む混合物を調製する工程、前記工程で得られた混合物を水熱合成する工程、を含む、Si/Al比が50以下のAEI型ゼオライトを製造する方法であって、
    前記アルミニウム原子原料はSi含有率が20重量%以下のアルミニウムを含有する化合物であり、
    かつ前記混合物中にFramework densityが14T/1000Å以上のゼオライトを、前記混合物中のSiが全てSiOになっているとした時のSiOに対して0.1重量%以上含むことを特徴とするAEI型ゼオライトの製造方法。
  2. 前記混合物中のアルカリ金属原子原料に含まれるアルカリ金属原子の50モル%以上がナトリウム原子であり、前記混合物中の有機構造規定剤に対するナトリウム原子のモル比が0.1以上、2.5以下である請求項1に記載のAEI型ゼオライトの製造方法。
  3. 前記混合物中のアルカリ金属原子原料に含まれるアルカリ金属原子の50モル%未満がナトリウム原子であり、前記混合物中の有機構造規定剤に対するアルカリ金属原子の合計のモル比が1.0以上、10以下である請求項1に記載のAEI型ゼオライトの製造方法。
  4. 前記アルミニウム原子原料が、水酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、酸化アルミニウム、アルミン酸ナトリウム、ベーマイト、擬ベーマイト、及びアルミニウムアルコキシドよりなる群から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乃至3のいずれかに記載のAEI型ゼオライトの製造方法。
  5. 前記Framework densityが14T/1000Å以上のゼオライトが、International Zeolite Association(IZA)がcomposite building unitとして定めるd6rを骨格中に含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のAEI型ゼオライトの製造方法。
  6. 前記Framework densityが14T/1000Å以上のゼオライトがAEI型及び/又はCHA型であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のAEI型ゼオライトの製造方法。
  7. 前記混合物中の有機構造規定剤がN,N−ジメチル−3,5−ジメチルピペリジニウムハイドロオキサイドであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のAEI型ゼオライトの製造方法。
  8. 酸量が1.2mmol/g以上、3.0mmol/g以下であり、Si/Al比が6.5以下であるAEI型ゼオライト。
  9. アルミニウムに対し、カリウム及び/又はセシウムをモル比で0.001以上、1.0以下含む請求項8に記載のAEI型ゼオライト。
  10. 平均一次粒子径が0.01μm以上、3μm以下である請求項8又は9に記載のAEI型ゼオライト。
  11. 焼成により有機構造規定剤を除去した後のAEI型ゼオライトについてSi−NMRにより求めたSi/Al比が6.5以下である請求項8乃至10のいずれかに記載のAEI型ゼオライト。
  12. 29Si−NMRで求めた焼成後のゼオライトのSi/Al比と、XRFから算出したSi/Al比である29Si−NMR(Si/Al比)/XRF(Si/Al比)が%表示で90%以上200%以下であり、XRF(Si/Al比)が20以下であるAEI型ゼオライト。
  13. FAU型ゼオライトを原料に含まない請求項8乃至12のいずれかに記載のAEI型ゼオライト。
  14. 請求項8乃至13のいずれかに記載のAEI型ゼオライトを含む触媒。
  15. 前記AEI型ゼオライトにSi及びAl以外の金属を担持させてなる請求項14に記載の触媒。
  16. 前記AEI型ゼオライトにCuを担持させてなる請求項15に記載の触媒。
  17. Cu含有量が0.1重量%以上、10重量%以下である請求項18に記載の触媒。
  18. 前記AEI型ゼオライトがカリウム及び/又はセシウムを含み、触媒中のアルミニウムに対するカリウム及び/又はセシウムのモル比が0.001以上、1.0以下である請求項14乃至17のいずれかに記載の触媒。
  19. 排ガス処理用触媒である請求項14乃至18のいずれかに記載の触媒。
  20. 窒素酸化物を含む排ガスの選択的還元触媒である請求項19に記載の触媒。
  21. 請求項1乃至7のいずれかに記載のAEI型ゼオライトの製造方法で得られたAEI型ゼオライトにCuを担持させる触媒の製造方法。
  22. 請求項19または20に記載の触媒がハニカムに塗布されたハニカム触媒。
  23. 請求項19または20に記載の触媒を成形してなる触媒成形品。
  24. 請求項19、20または22に記載の触媒の存在下で、窒素酸化物を還元剤と接触させることを特徴とする窒素酸化物浄化方法。
  25. 前記還元剤が窒素含有化合物である請求項24に記載の窒素酸化物浄化方法。
  26. 前記窒素含有化合物がアンモニアである請求項25に記載の窒素酸化物浄化方法。
  27. 請求項19、20または22に記載の触媒を含む選択還元型窒素酸化物浄化触媒を備えた排気浄化システム。
  28. 前記選択還元型窒素酸化物浄化触媒の下流にアンモニア酸化触媒を備えた請求項27に記載の排気浄化システム。
  29. アンモニアを選択還元型窒素酸化物浄化触媒に吸着させ、吸着されたアンモニアを還元剤として用いて窒素酸化物を選択還元する工程を含む排気浄化方法であって、該選択還元型窒素酸化物浄化触媒として請求項19、20または22に記載の触媒を用いることを特徴とする排気浄化方法。
  30. 前記アンモニアを還元剤として窒素酸化物を選択還元する工程の下流に、余剰のアンモニアを酸化する工程を含むことを特徴とする請求項29に記載の排気浄化方法。
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