JP2017218367A - 高耐水熱性チャバザイト型ゼオライトおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
5≦ケイバン比
100%≦結晶度
本発明の製造方法は、ケイバン比及び結晶度が上記の範囲にあるCHA型ゼオライト(以下ではスチーム処理を施す前のCHA型ゼオライトを、前駆体ともいう。)をスチーム処理して、結晶度及び耐水熱性が高いCHA型ゼオライト(以下では本発明の製造方法によって得られたCHA型ゼオライトを、本発明のゼオライトともいう。)を得る方法である。CHA型ゼオライトをスチーム処理すると、CHA型ゼオライトの結晶構造から、Alの一部が除去される。CHA型ゼオライトの結晶構造からAlの一部が除去されたCHA型ゼオライトは、耐水熱性が高くなる。但し、CHA型ゼオライトの結晶構造からAlの一部が除去されるとき、その結晶構造がダメージを受けるため、得られるCHA型ゼオライトの結晶度が低下する。そこで、ケイバン比と結晶度が一定の範囲にあるCHA型ゼオライトを前駆体として特定の条件でスチーム処理することで、結晶度及び耐水熱性が高いCHA型ゼオライトを得ることができる。以下、本発明の製造方法について、詳述する。
なお、CHA構造の有無は、前述の前駆体のX線回折パターンから判断できる。具体的には、前述の前駆体のX線回折パターンにCHA構造に由来する回折ピークがある場合、CHA構造を有すると判断できる。詳細な測定条件等は、後述する。
5≦ケイバン比
また、前述の前駆体のケイバン比は、下記の範囲にあることが好ましい。ケイバン比が7より低い場合、スチーム処理して得られる本発明のゼオライトの結晶度が低下するので好ましくない。また、ケイバン比が15より大きい場合、スチーム処理しても耐水熱性がそれほど向上しない。
7≦ケイバン比≦15
更に、前述の前駆体のケイバン比は、下記の範囲にあることが特に好ましい。ケイバン比がこの範囲にある前述の前駆体をスチーム処理すると、耐水熱性がより向上する。
7≦ケイバン比<10
なお、前述の前駆体のケイバン比は、前述の前駆体のSiおよびAlの含有量から算出することができる。具体的には、前駆体のSiおよびAlの質量パーセント濃度をそれぞれSiO2とAl2O3のモル濃度に換算して、SiO2のモル濃度をAl2O3のモル濃度で除して算出される。詳細な測定条件等は、後述する。
100%≦結晶度
また、前述の前駆体の結晶度は、下記の範囲にあることが好ましい。
200%≦結晶度
結晶度が100%より低い前駆体をスチーム処理すると、得られる本発明のゼオライトの結晶度が低下するので、好ましくない。結晶度の低い本発明のゼオライトは、CHA構造に由来する細孔が十分に発達していないため、その細孔を利用する触媒反応や吸着反応に用いる場合、それぞれの性能が低下するため好ましくない。具体的には、その細孔を利用する触媒反応に使用する場合は、触媒活性や選択性が低下する。そして、その細孔を利用する吸着反応に使用する場合は、特定の化学物質を選択的に吸着できなかったり、吸着量が低下したりする。一方、結晶度が高い前述の前駆体をスチーム処理すると、得られる本発明のゼオライトの結晶度も高くなるので好ましい。
なお、前述の前駆体の結晶度は、本発明の前駆体と標準試料のX線回折パターンから算出される。具体的には、国際ゼオライト学会のHP(http://www.iza-online.org/synthesis/)又はWERIFIED SYNTHESES OF ZEOLITIC MATERIALS」H.Robson編、K.P.Lillerud XRD図:2001年発行、第2版、第123頁〜第125頁に記載されたChabaziteの合成方法に基づいて合成したCHA型ゼオライトを標準試料として、標準試料と前述の前駆体のX線回折パターンの特定のピークの高さの比から算出される。詳細な測定条件は、後述する。
0.05μm≦一次粒子のサイズ≦10μm
前述の前駆体の一次粒子のサイズが0.05μmより小さい場合、前述の前駆体の結晶度が100%より低くなる可能性があるため、好ましくない。また、スチーム処理によって前述の前駆体の結晶が破壊されやすくなるので、得られる本発明のゼオライトの結晶度が低下することがあり好ましくない。前述の前駆体の一次粒子サイズが10μmより大きい場合、結晶度が高くなりやすいので好ましい。しかし、一次粒子のサイズが10μmより大きい前述の前駆体は、合成することが困難である。
また、前述の前駆体の一次粒子のサイズは、下記の範囲にあることがより好ましい。
0.1μm≦一次粒子のサイズ≦5μm
一次粒子のサイズが上記の範囲にある前述の前駆体は、スチーム処理を行っても結晶が破壊されにくいので、得られる本発明のゼオライトの結晶度が高くなり好ましい。
なお、前述の一次粒子のサイズは、一次粒子を電子顕微鏡で観察して算出する。具体的には、電子顕微鏡写真から10個の一次粒子をランダムに抽出し、その一次粒子の長径の平均値を一次粒子のサイズとする。詳細な測定条件等は、後述する。
0ppm≦アルカリ金属≦5000ppm
前述の前駆体に含まれるアルカリ金属は、前述の前駆体の原料に由来するものであって、その多くがCHA型ゼオライトの陽イオンサイトにイオン交換された状態で存在している。前述の前駆体に含まれるCHA型ゼオライトの骨格中にアルカリ金属が多く含まれる状態でスチーム処理を行うと、理由は定かではないが、スチーム処理の効果が小さい。
これらのアルカリ金属は、前述の前駆体をHやNH3でイオン交換することで除去することができる。具体的には、HClやNH4NO3等が溶解した水溶液に前述の前駆体を浸漬することにより、アルカリ金属を除去できる。本発明の製造方法では、前述の前駆体をNH4NO3が溶解した水溶液でイオン交換することが好ましい。NH4NO3が溶解した水溶液で前述の前駆体をイオン交換すると、前述の前駆体の結晶度を低下させることなく、アルカリ金属を除去できる。
50%≦水分の含有量
前述の水分の含有量は、下記の範囲にあることが好ましい。
50%≦水分の含有量≦100%
水分の含有量が上記の範囲にある状態でスチーム処理を行うと、前述の前駆体に含まれるCHA型ゼオライトの結晶構造を過度に破壊せずに、結晶構造からAlの一部を除去できる。水分の含有量が、飽和水蒸気量の50%より低い場合、前述の前駆体に含まれるCHA型ゼオライトの結晶構造からAlが除去されにくくなり、得られる本発明のゼオライトの耐水熱性が向上しにくくなるので好ましくない。一方、水分の含有量が飽和水蒸気量より高い場合(すなわち、水分の含有量が100%を超える場合)、加熱温度にもよるが、前述の前駆体に含まれるCHA型ゼオライトの結晶構造からAlが急激に除去されて結晶構造がダメージを受け、得られる本発明のゼオライトの結晶度が低下する可能性があるので好ましくない。
450℃≦処理温度≦800℃
前述の処理温度は、下記の範囲にあることが好ましい。
500℃≦処理温度≦675℃
前述の処理温度が上記の範囲にある状態でスチーム処理を行うと、前述の前駆体に含まれるCHA型ゼオライトの結晶構造を過度に破壊せずに、結晶構造からAlの一部を除去できる。前述の処理温度が、450℃より低い場合、前述の前駆体に含まれるCHA型ゼオライトの結晶構造からAlが除去されにくくなり、得られる本発明のゼオライトの耐水熱性が向上しにくくなるので好ましくない。一方、前述の処理温度が800℃より高い場合、前述の水分の含有量にもよるが、前述の前駆体に含まれるCHA型ゼオライトの結晶構造からAlが急激に除去されて結晶構造がダメージを受け、得られる本発明のゼオライトの結晶度が低下する可能性があるので好ましくない。前述の水分の含有量や、後述の処理時間を適切な範囲にコントロールして、ゆっくりとAlを除去することで、CHA型ゼオライトの結晶度を維持することができる。
0.1hr≦処理時間≦48hr
前述の処理時間が、0.1hrより短い場合、前述の前駆体に含まれるCHA型ゼオライトの結晶構造からAlが十分に除去されず、得られる本発明のゼオライトの耐水熱性が向上しにくくなるので好ましくない。一方、前述の加熱時間が48hrより長くても、前述の前駆体に含まれるCHA型ゼオライトの結晶構造からのAlの除去量は大きく変わらない。
なお、本発明におけるスチーム処理の処理時間とは、加熱温度に達してからの保持時間を指すものとする。
本発明のゼオライトは、前述の本発明の製造方法により得られる。以下に、本発明のゼオライトについて、詳述する。
13.74Å≦格子定数
また、本発明のゼオライトの格子定数は、下記の範囲にあることが好ましい。
13.50Å≦格子定数≦13.72Å
格子定数が13.74Åより大きい本発明のゼオライトは、耐水熱性が低くなる可能性があるので好ましくない。耐水熱性が低いCHA型ゼオライトは、高温・高湿環境下で使用する触媒(例えば、NH3によるNOx除去反応用:NH3−SCR反応ともいう。)に用いた場合、CHA構造が破壊されるので、触媒活性が低下しやすくなる。
一方、格子定数が13.50Åより小さい本発明のゼオライトは、耐水熱性は高くなるものの、結晶度が低くなりやすいので好ましくない。また、格子定数が13.50Åより小さい本発明のゼオライトを吸着剤として使用する場合、結晶がかなり縮んだ状態のため、吸着する化合物が結晶構造内に拡散しにくくなるため好ましくない。更に、本発明のゼオライトは、必要によって、その陽イオンサイトをCuやFeなどの陽イオンで交換する場合があるが、格子定数が13.50Åより小さいと、これらの陽イオンが結晶構造内で拡散しにくくなるため、好ましくない。
なお、本発明のゼオライトの格子定数は、X線回折パターンから算出することができる。具体的には、本発明のゼオライトのX線回折パターンからCHA構造の(2−10)(3−1−1)面に帰属される回折ピークを探し、そのピークの2θの値から算出される。詳細な測定条件等は、後述する。
80.5質量%≦Siの含有量≦90質量%
10質量%≦Alの含有量≦19.5質量%
なお、本発明のゼオライトのSi及びAlの含有量は、ICP発光分光分析法で測定することができる。詳細な測定方法は、後述する。
7≦ケイバン比<15
ケイバン比が上記の範囲にある本発明のゼオライトは、NH3−SCR反応に用いた場合、触媒活性と耐久性に優れる。なお、本発明のゼオライトのケイバン比の測定方法は、後述する。
140% ≦ 結晶度
本発明のゼオライトの結晶度が低すぎると、CHA構造が十分に発達していないので、触媒として用いた場合に触媒活性が低くなるため好ましくない。また、本発明のゼオライトの結晶度は、下記の範囲にあることがより好ましい。
200% ≦ 結晶度 ≦ 300%
本発明のゼオライトの結晶度が上記の範囲にある場合、触媒として用いた場合に触媒活性が特に優れる。
0.2ml/g≦細孔容積≦0.4ml/g
細孔容積が上記の範囲にある本発明のゼオライトは、吸着剤として使用する場合、吸着量が増加するので好ましい。触媒として使用する場合も、触媒活性や選択性に優れる。
なお、細孔容積は、窒素吸着測定により得られる吸着等温線から算出される。詳細な測定条件は、後述する。
350m2/g≦比表面積≦600m2/g
比表面積が低すぎると、触媒活性が低くなるため好ましくない。比表面積が600m2/gを超える本発明のゼオライトは、合成が困難である。
なお、比表面積は、窒素吸着測定により得られる吸着等温線から算出される。詳細な測定条件は、後述する。
7m2/g≦外表面積≦20m2/g
外表面積が大きい本発明のゼオライトは、触媒として用いた場合、触媒活性に優れる。
なお、外表面積は、窒素吸着測定により得られる吸着等温線から算出される。詳細な測定条件は、後述する。
0.05μm≦一次粒子のサイズ≦10μm
本発明のゼオライトの一次粒子のサイズが0.05μmより小さい場合、本発明のゼオライトの結晶度が100%より低くなる可能性があるため、好ましくない。また、一次粒子のサイズが小さいCHA型ゼオライトは、耐水熱性が低くなる傾向があるので、可能な限り一次粒子径の大きいものが好ましい。しかし、一次粒子のサイズが10μmより本発明のゼオライトは、合成することが困難である。
また、本発明のゼオライトの一次粒子のサイズは、下記の範囲にあることがより好ましい。
0.1μm≦一次粒子のサイズ≦5μm
一次粒子のサイズが上記の範囲にある本発明のゼオライトは、結晶度および耐水熱性が高くなるので好ましい。
なお、前述の一次粒子のサイズは、一次粒子を電子顕微鏡で観察して算出する。具体的には、電子顕微鏡写真から10個の一次粒子をランダムに抽出し、その一次粒子の長径の平均値を一次粒子のサイズとする。詳細な測定条件等は、後述する。
2質量%≦添加元素≦10質量%
また、上記の添加元素は、本発明のゼオライトの表面に担持されていてもよく、本発明のゼオライトのイオン交換サイトにイオン交換されていてもよい。上記の添加元素は、本発明のゼオライトの用途によって、前述の添加元素から適切に選択される。例えば、本発明のゼオライトを自動車の排気ガス中に含まれる窒素酸化物の還元のための触媒に用いる場合は、CuやFeを含むことが好ましく、CuやFeは、本発明のゼオライトのイオン交換サイトにイオン交換されていることがより好ましい。イオン交換サイトにCuやFeがイオン交換された本発明のゼオライトは、窒素酸化物の還元活性に優れる。本発明のゼオライトに上記の添加元素を担持する方法としては、従来公知のイオン交換法を用いることができる。また、本発明のゼオライトを上記の添加元素を含む溶液に浸漬したのち、蒸発乾固する方法を用いることもできる。更に、本発明のゼオライトを上記の添加元素を含む溶液に浸漬したのち、噴霧乾燥する方法を用いることもできる。
Al2O3濃度22質量%、Na2O濃度17質量%のアルミン酸ナトリウム水溶液0.168kgを、NaOH濃度21.65質量%の水酸化ナトリウム水溶液1.35kgに撹拌しながら加えて溶解し、30℃まで冷却した。この溶液を撹拌しながら、SiO2濃度24質量%、Na2O濃度7.7質量%の珪酸ナトリウム水溶液1.361kgに添加した。このときの溶液の組成は、酸化物モル比で、
Na2O/Al2O3=16
SiO2/Al2O3=15
H2O/Al2O3=330
であった。ついで、この溶液を30℃で15時間静置してアルミノシリケート溶液を調製した。
Na2O/Al2O3=2.80
SiO2/Al2O3=8.70
H2O/Al2O3=108
であった。
[CHA構造の有無]
得られた前駆体(1)について、下記の条件でX線回折測定を行い、下記の判断基準からCHA構造の有無を判断した。
<X線回折測定条件>
装置 MiniFlex(株式会社リガク製)
操作軸 2θ/θ
線源 CuKα
測定方法 連続式
電圧 40kV
電流 15mA
開始角度 2θ=5°
終了角度 2θ=50°
サンプリング幅 0.020°
スキャン速度 10.000°/min
<判断基準>
上記測定により得られるX線回折パターンが、(100)、(200)、(20−1)、(21−1)、(211)、(3−1−1)、(310)、(3−1−2)のミラー指数に帰属されるピークをすべて有している場合、CHA構造を有していると判断する。
[ケイバン比の測定方法]
下記の条件でSi、Al、アルカリ金属及びPの含有量を測定した。各成分の含有量は、それぞれ酸化物に換算して質量%で算出した(SiはSiO2換算、AlはAl2O3換算、アルカリ金属はM2O換算:M=アルカリ金属、PはP2O5換算)。また、算出したSiO2とAl2O3の含有量をモル比に換算して、ケイバン比(SiO2/Al2O3)を算出した。
<SiO2、Al2O3、アルカリ金属及びPの含有量測定>
測定方法:ICP発光分析
装置 :ICP730−ES(株式会社VARIAN製)
試料溶解:酸溶解
[結晶度の測定方法]
国際ゼオライト学会のHP(http://www.iza-online.org/synthesis/)に記載されたChabaziteの合成方法に基づいて合成を行った。具体的には、198.2mlのイオン交換水と45質量%のKOH溶液を26.8ml混合した溶液に25.0gのケイバン比5.2のHY型ゼオライトを添加し、30秒間撹拌した。このスラリーを95℃で96時間結晶化した。得られたスラリーは500mlの水で2回洗浄した後、乾燥し、標準物質を得た。
上記の方法で得られた前駆体(1)と標準物質について、下記の条件でX線回折測定を行った。
<X線回折測定条件>
装置 MiniFlex(株式会社リガク製)
操作軸 2θ/θ
線源 CuKα
測定方法 連続式
電圧 40kV
電流 15mA
開始角度 2θ=5°
終了角度 2θ=50°
サンプリング幅 0.020°
スキャン速度 10.000°/min
上記のX線回折測定により得られたX線回折パターンから、ミラー指数(100)、(20−1)、(3−1−1)に帰属される各ピークの高さの合計値を求め、下記の式により結晶度を求めた。
結晶度[%]=H/HR ×100
H :前駆体(1)の上記の各ピークの高さの合計
HR:標準物質の上記の各ピーク高さの合計
[一次粒子サイズの測定条件]
得られた前駆体(1)について、下記の条件で電子顕微鏡観察を行った。なお、倍率は、一次粒子のサイズが確認できる倍率であれば、必ずしも下記の条件でなくともよい。得られた画像から、一次粒子のサイズを測定した。
<電子顕微鏡観察条件>
測定装置 日本電子 JEOL JSM−7600
加速電圧 1.0kV
倍率 20,000倍
<一次粒子のサイズの算出方法>
電子顕微鏡の画像から10個の一次粒子をランダムに抽出し、その一次粒子の長径の平均値を一次粒子のサイズとした。
前駆体(1)100gを反応容器に充填し、反応容器内の水分の含有量が飽和水蒸気量の100%となるように水分を添加した。その後、800℃に昇温したのち、20分保持して、CHA型ゼオライトを得た
[格子定数の測定方法]
<X線回折測定>
標準試料 酸化チタン(アナターゼ)
標準試料の混合比 CHA型ゼオライト:酸化チタン=5:1
装置 MiniFlex(株式会社リガク製)
操作軸 2θ/θ
線源 CuKα
測定方法 連続式
電圧 40kV
電流 15mA
開始角度 2θ=5°
終了角度 2θ=50°
サンプリング幅 0.020°
スキャン速度 10.000°/min
<格子定数の算出>
リガク製の統合粉末X線解析ソフトウェアPDXLに上記測定データを読み込ませて、デフォルトの条件でデータ処理を行った。次に、チャバザイト構造に帰属される空間群を指定し、ミラー指数(2−10)(3−1−1)を用いて格子定数(a軸の大きさ)を算出した。なお、前述の格子定数は、酸化チタンを標準試料として、角度を補正して算出した。
[細孔容積および外表面積測定方法]
測定方法 窒素吸着法
測定装置 BEL SORP−miniII(マイクロトラック・ベル株式会社製)
サンプル量 約0.05g
前処理 300℃、2時間(真空下)
相対圧範囲 0〜1.0
算出方法 全細孔容積:0.990
比表面積、外表面積:t−plot法
[耐水熱性の評価方法]
実施例1で得られたCHA型ゼオライトを、下記の条件で水蒸気処理した。
<水蒸気処理条件>
装置 環状炉
温度 700℃
時間 3時間
ガス H2Oを1ml/minの速度で、環状炉に流通
水蒸気処理後のCHA型ゼオライトについて、前述の結晶度の測定方法と同じ方法で、実施例1で得られたCHA型ゼオライトのミラー指数(100)、(20−1)、(3−1−1)に帰属される各ピークの高さの合計値Hsteamを算出した。
<結晶度維持率の算出方法>
前述の実施例1の結晶度の測定で得られたHと前述の水蒸気処理後のHsteamを用いて、下記の式から算出した。
結晶度維持率[%]=Hsteam/H×100
前駆体(1)100gを反応容器に充填し、反応容器内の水分の含有量が飽和水蒸気量の100%となるように水分を添加した。その後、750℃に昇温したのち、20分保持して、CHA型ゼオライトを得た。また、得られたCHA型ゼオライトについて、実施例1と同様の方法で評価した。結果を表2に示す。
前駆体(1)100gを反応容器に充填し、反応容器内の水分の含有量が飽和水蒸気量の100%となるように水分を添加した。その後、700℃に昇温したのち、20分保持して、CHA型ゼオライトを得た。また、得られたCHA型ゼオライトについて、実施例1と同様の方法で評価した。結果を表2に示す。
前駆体(1)100gを反応容器に充填し、反応容器内の水分の含有量が飽和水蒸気量の100%となるように水分を添加した。その後、650℃に昇温したのち、20分保持して、CHA型ゼオライトを得た。また、得られたCHA型ゼオライトについて、実施例1と同様の方法で評価した。結果を表2に示す。
前駆体(1)100gを反応容器に充填し、反応容器内の水分の含有量が飽和水蒸気量の100%となるように水分を添加した。その後、600℃に昇温したのち、20分保持して、CHA型ゼオライトを得た。また、得られたCHA型ゼオライトについて、実施例1と同様の方法で評価した。結果を表2に示す。
前駆体(1)100gを反応容器に充填し、反応容器内の水分の含有量が飽和水蒸気量の100%となるように水分を添加した。その後、550℃に昇温したのち、20分保持して、CHA型ゼオライトを得た。また、得られたCHA型ゼオライトについて、実施例1と同様の方法で評価した。結果を表2に示す。
前駆体(1)100gを反応容器に充填し、反応容器内の水分の含有量が飽和水蒸気量の100%となるように水分を添加した。その後、500℃に昇温したのち、20分保持して、CHA型ゼオライトを得た。
前駆体(1)を比較例として、実施例1と同様の方法で評価した。結果を表2に示す。
本発明のゼオライトを触媒反応に用いた一例として、NH3−SCR反応評価を行った。具体的には、実施例6で得られたCHA型ゼオライトに、下記の条件でCuを担持した。
<NH3−SCR反応評価条件>
反応装置 常圧固定床流通式反応管
触媒成形体 10cc
反応ガス NO:500ppm、NH3:500ppm、O2:10%、N2:バランス
反応ガス流量 6000cc/min
反応温度 150℃、200℃、300℃
<NOx除去率算出方法>
各反応温度において、定常状態になった時点における反応管入口のNOx濃度をCin、反応管出口のNOx濃度をCoutとして、下記の式から算出した。
NOx除去率[%]={(Cin‐Cout)/Cin}×100
Claims (2)
- 下記(a)、(b)の工程を備えるチャバザイト型ゼオライトの製造方法。
(a)下記(1)(2)(3)の構成を備える前駆体を準備する工程
(1)チャバザイト構造を有する
(2)5≦ケイバン比
(3)100%≦結晶度
(b)前述の前駆体を下記(4)(5)の構成を備える条件でスチーム処理する工程
(4)50%≦水分の含有量
(5)450℃≦処理温度≦800℃ - 下記(1)〜(4)の構成を備えるチャバザイト型ゼオライト。
(1)チャバザイト構造を有する
(2)Si及びAlを含む
(3)格子定数≦13.74Å
(4)140%≦結晶度
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