JP2017521347A - Osdaなしでのゼオライト転換を介した高シリカゼオライトの合成 - Google Patents

Osdaなしでのゼオライト転換を介した高シリカゼオライトの合成 Download PDF

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Abstract

有機構造規定剤の非存在下でゼオライト転換によって、Si/Al比が少なくとも10であるゼオライトを調製する方法を提供する。この方法は、コストのかかる有機構造規定剤及びプラントでの廃棄物処理を排除するので、コスト効果が高く、設備が少なくて済む。

Description

本発明は、有機構造規定剤を使用せずにゼオライトを調製する方法に関する。より具体的には、本方法は、有機SDAなしでのゼオライト転換(interzeolite transformation)を含む。
アルミノシリケートゼオライトは、SiO 4−及びAlO 5−四面体単位の配置によって構成された多様な骨格構造及び空隙ネットワークを有する結晶性微小孔質固体である。これらの材料は、吸着、触媒及びイオン交換プロセスに広く使用されている。ゼオライトは、一般的には、水酸化物又はフッ化物媒体中の無機(例えば、Na、K、等)又は有機構造規定剤(OSDA:organic structure−directing agents)の存在下で、非晶質アルミノシリケートゲルを水熱処理することによって合成される。 特に、OSDA試薬は、多くの大規模ゼオライト合成のコスト及び環境負荷を増加させる。
そのようなコスト、並びにゼオライト空隙内に含まれる有機種を分解するのに必要とされる合成又はその後の処理の間に生成されるガス流及び水流中の有毒種の排出を低減するために、OSDAフリーの合成手順の開発に多くの努力が注がれてきた。近年、いくつかのグループが、OSDA種を使用せずに、非晶質アルミノシリケートゲルからゼオライトの種結晶介在(seed−assisted)水熱合成をするための、改良された手順を報告している。これらの方法は、目的とする骨格を安定化させるために、高濃度のアルカリカチオンを使用し、その結果、主にAlリッチな骨格(Si/Al<10)の合成に成功している。同様の手順は、構造及び酸部位の安定性が高いことからしばしば好ましいとされるAl含有量の低い目的のゼオライト(例えば、CHA、STF、MTW、MFI等)のOSDAフリーの合成には、依然として利用できない。いくつかの例において、Si/Alが10未満、又は7未満の条件で、目的の所定のゼオライト構造(例えば、STF、MTW等)を成長させることは、単に不可能である。
ゼオライトは、密度の高い骨格構造(例えば、α-石英)への転換に対して速度論的に(kinetically)安定である(ただし、熱力学的にはそうではない)。結果として、それらの合成は、しばしば最終的な目的の構造を形成する過程において中間安定性を有する構造の形成を伴い、それらは特定の有機又は無機カチオンを使用することによってのみ安定化される。あるゼオライト構造から別のゼオライト構造への転換が検討されており、それは、しばしばより短い合成時間で、特定の構造の選択的合成のための方策を提供することができるからである。しかし、そのようなゼオライト転換の機構的詳細は依然として不明であり、その成功を予測することは概ね経験的である。
最も多く報告された相互転換では、骨格の核生成を誘発するために、又は構造を形成するために、OSDA部分を使用するが、前者の場合は、実際には、より低い骨格密度であって親ゼオライトよりも安定性の低いものであり、後者の場合は、OSDAの存在なしには全く形成しない構造である。骨格の核生成を誘発するためにOSDA部分を使用するか、又はOSDAの存在なしに全く形成しない構造を形成する。いくつかの研究では、OSDA種の助けを借りずに所望の構造の形成を補助する種結晶(seeds)を使用している。他の研究では、種結晶とOSDAの両方の存在下で、ゼオライト転換を誘発した。種結晶又はOSDAのいずれもなしで成功したゼオライト転換は、低いSi/Al比(Si/Al比が10未満、一般に2〜5)のゼオライトについてのみ報告されている。今日まで、より高いSi/Al比(Si/Al>10)を有する目的の材料は、OSDA種の助けなしでのゼオライト転換を介して合成されていないようである。
高シリカゼオライトを合成するための、より容易でコスト効果の高い方法を提供することは、触媒産業にとって大きな価値がある。
したがって、有機SDAを使用せずに、より低い骨格密度のゼオライトを、より高い骨格密度値を有する高いSi/Al比のゼオライトに転換する方法が提供される。この方法は、より高い骨格密度のゼオライトに転換されるべき骨格密度の低いゼオライトを提供し、次いで、その骨格密度の低いゼオライトを、高いSi/Al比(例えば、比が少なくとも10)のゼオライトに転換することを含む。転換は、OSDA非存在下で行われる。転換は、一般に直接水熱合成によって達成される。このプロセスは、コストのかかるSDA及びプラントでの廃棄物処理を排除する。したがって、このプロセスは、コスト効率がより高く、設備をより少なくする。
本質的に、本発明者らは、ゼオライト転換手順を介した有機構造規定剤(OSDA)フリーのゼオライトの合成のための方策及び一組の指針を開発した。より具体的には、一例として、高シリカMFI(ZSM−5)、CHA(チャバザイト)、STF(SSZ−35)及びMTW(ZSM−12)ゼオライトが、FAU(ファウジャサイト)又はBEA(ベータ)親ゼオライトから、これらの方法を介して、合成することができる。良好な転換の場合、速度論的な障害を克服しつつ、骨格密度(FD)を高めるために微小孔質材料の熱力学的傾向を利用することを必要とする。ゼオライト転換の速度論的障壁は、種結晶の使用を通じて、親ゼオライトと子ゼオライトとの間の一般的なコンポジットビルディングユニット(CBU)なしのゼオライトについて克服される。開始及び最終構造がCBU成分を共有する場合、種結晶の使用は一般的には必要とされない。これらのゼオライト転換現象は、本質的に仮像(pseudomorphic)であるように見える。この転換は、親結晶が占有する体積を維持し、子材料において同様のサイズと結晶形状とをもたらす。このような現象は、構造変化の空間維持性(space−conserving)と子ゼオライトの骨格がより高密度であることとの自然な帰結として、新しい構造の初期核生成が親結晶の外側領域で起こり、転換中のメソ多孔性の核生成につながることを反映する。
親ゼオライト(i)BEA及び(ii)FAUから、(a,b)直接、c)テンプレート介在、及び(d)種結晶介在(MFI種結晶(S)を使用)転換を介して合成された生成物のX線回折図を示す。合成は、423Kで、NaOH/SiO=0.35(BEAから)及び0.50(FAUから)、並びにHO/SiO=65(BEAから)及び95(FAUから)で行った(表1)。
MFI種結晶(a)S及び(b)S、並びに、MFI種結晶(c)S及び(d)Sを用いて親ゼオライトFAU(Si/Al=40)のゼオライト転換を介して合成された生成物のTEM画像を示す。合成は、423Kで、10重量%のMFI種結晶と共に、NaOH/SiO=0.5、HO/SiO=95で、40時間行った。
合成時間を(a)4時間、(b)8時間、(c)20時間、(d)24時間、(e)29時間、及び(f)40時間とした場合の、親ゼオライトFAU(Si/Al=40)の種結晶介在転換を介して合成された生成物のX線回折パターンを示す。合成は、423Kで、10重量%のMFI種結晶(S)と共に、NaOH/SiO=0.5、HO/SiO=95で行った。
合成時間を(a)0時間(親ゼオライトFAU)、(b)4時間、(c)8時間、(d)20時間、(e)29時間、及び(f)40時間とした場合の、親ゼオライトFAU(Si/Al=40)の種結晶介在転換を介して合成された生成物のTEM画像を示す。
親ゼオライトFAU、及び親ゼオライトFAU(Si/Al=40)の種結晶介在転換を介して合成された生成物MFI(MFI−S1)の結晶サイズ分布を示す。合成は、423Kで、10重量%のMFI種結晶(S)と共に、NaOH/SiO=0.5、HO/SiO=95で、40時間行った。
FAU(Si/Al=40)の種結晶介在転換を介して合成された生成物MFI(MFI−S1)のAr吸着及び脱着プロファイルを示す。合成は、423Kで、10重量%のMFI種結晶(S)と共に、NaOH/SiO=0.5、HO/SiO=95で、40時間行った。
(a)種結晶介在ありで50%BEAと共に;(b)種結晶介在なしで50%BEAとともに、(c)種結晶介在なしで10%BEAとともに、(d)種結晶介在なしで5%BEAとともに、それぞれにおいて、FAU及びBEAの混合物の転換を介して合成された生成物のX線回折図を示す。合成は、423Kで、10重量%のMFI種結晶(S)と共に/又はなしで、NaOH/SiO=0.45、HO/SiO=80で、40時間行った。
10重量%のCHA種結晶を用い、NaOH/SiOを(a)0.50、(b)0.68、(c)0.85とした場合の、FAU(Si/Al=40)の転換から合成された生成物のX線回折パターンを示す。合成は、423Kで、HO/SiO=95で、40時間行った。
(a)STF及び(b)MTWに対応する種結晶を使用して、それぞれ10重量%の種結晶と共に、親ゼオライトFAU(Si/Al=40)のゼオライト転換を介して合成された生成物のX線回折図を示す。合成は、423Kで、NaOH/SiO=0.68、HO/SiO=95で、40時間行った。
10重量%のSTF種結晶の存在下で、様々な温度で、FAU(Si/Al=40)の種結晶介在転換をすることによって合成された生成物のX線回折パターンを示す。合成は、NaOH/SiO=0.5、HO/SiO=95で、40時間行った。
合成時間を10日とし、10重量%の(a)MFI、(b)CHA、(c)STF、及び(d)MTW種結晶を用いて、FAU(Si/Al=40)の種結晶介在転換を介して合成された生成物のX線回折図を示す。合成は、423Kで、NaOH/SiO=0.5(MFIの場合)及びNaOH/SiO=0.68(CHA、STF、及びMTWの場合)、並びにHO/SiO=95で行った。
(a)CHA種結晶、並びに、(b)10重量%のCHA種結晶を用い、非晶質Si及びAl供給源から合成された生成物、及び、(c)10重量%のCHA種結晶を用い、親FAUから合成された生成物、のX線回折図を示す。合成は、423Kで、0.68NaOH:1.0SiO:0.0125Al:95.0HOで、40時間行った。生成物の固体収率は、(b)では6%、(c)では25%であった。
本発明の方法は、Si/Al比が少なくとも10であるゼオライトを調製する。本方法は、第1のゼオライト、例えば親ゼオライトを提供する工程と、次いで第1のゼオライトを、第1のゼオライトよりも高い骨格密度を有し、且つSi/Al比が少なくとも10である第2のゼオライト又は目的とするゼオライトに転換する工程とを含む。転換の際に得られる第2のゼオライトのSi/Al比は、例えば、11〜25の範囲であり得るか、又は40以上であり得る。全体の転換は、有機構造規定剤(OSDA)の非存在下で行われる。
有機構造規定剤の非存在下とは、合成において、可溶性OSDAが含まれないことを意味する。本発明の合成は、従来の合成のようにOSDA試薬を使用する必要がない。従って、合成に可溶性OSDAは存在しない。ゼオライトの種結晶を使用することができる(すなわち、そのような種結晶は、作製されたそのままの状態の材料であり、外部から添加される)が、種結晶と結合し得るSDAはゼオライト内部に捕捉され、且つゼオライトの外部に出て合成に影響を及ぼすことができないことが見出されている。言い換えると、新しいゼオライトは、種結晶から遊離したSDAによって核生成されない。種結晶から遊離したSDAは存在せず、合成には依然として可溶性SDAは含まれない。
転換は、一般に、水熱条件下、塩基性溶液中で行われる。添加プロセスで使用される温度は、第1のゼオライトの結晶化温度より高くてもよい。塩基性溶液のpHは、7より大きく、11まで、又はさらに13までの範囲にすることができる。第2のゼオライトの種結晶は、転換を助けることができ、一般に、転換前又は転換中のいずれかに、第1のゼオライトに添加される。
一実施形態では、第1のゼオライトは、BEA又はFAUを含む。一実施形態では、第2のゼオライトは、ZSM−5、SSZ−35、ZSM−12、又はチャバザイトを含む。
したがって、本発明は、Si/Al比が少なくとも10、11〜25、及びさらには少なくとも40である高シリカゼオライトの合成方法を提供する。MFI、CHA、STF及びMTWゼオライトは、本発明のOSDAフリーのゼオライト転換方法によって合成することができる。親ゼオライト、例えば、骨格密度(FD)15.3であるBEA(骨格密度(FD)は、T原子数/nmと定義され、ここでTはゼオライト骨格中のSi又はAlの原子数を表す)、又はFD13.3であるFAU等は、水熱条件で、水性NaOH中で再結晶化することによって、目的とする子構造、例えば、MFI(FD18.4)、CHA(FD15.1)、STF(FD16.9)、及びMTW(FD18.2)等に転換することができる。低い骨格密度を有する構造は、より高い骨格密度を有するより安定な高シリカ構造に、首尾よく転換することができる。骨格密度(FD)値は、絶対値、又は理論上の全シリカ骨格構造に基づいて正規化された値であり得る。いずれも、より高いか又はより低い骨格密度値を一貫して反映する相対的な値として使用することができる。
付随する速度論的な障害は、親構造と目的とする構造との間に共通のCBUの存在を必要とする可能性があり、又はそれらの不存在下では、種結晶の添加を必要とする可能性がある。種結晶の添加により、所望の目的の構造も確保することができる。種結晶介在転換のための本質的に疑似相似性(pseudomorphic)のある妥当な合成メカニズムは、子構造内の晶癖及び結晶内メソ多孔性の空隙と同様に、親Si/Al比、NaOH/SiO比、並びに必要とされる合成温度及び時間の、観察された効果と一致する。結果として得られる概念及び方策は、反応座標に沿った共通の構造単位か、又は目的とする生成物の種結晶のいずれかによって媒介される速度論を用いて、熱力学によって決定される方向で、広範囲のゼオライト骨格を合成するための予測指針を提供する。
親ゼオライトから生成物ゼオライトへの転換が成功するための一般的要件は以下のように要約される:
(1)目的とするゼオライトは、親ゼオライトよりも高い骨格密度を有するべきである。なぜなら、熱力学的に好ましい骨格密度構造に起因して、転換において骨格密度スケールが上昇するからである。
(2)親構造及び所望の生成物が共通のCBUを共有しない場合には、目的とするゼオライトを合成における種材料として添加すべきである。
(3)種結晶は、一般に、合成条件が所望のゼオライトに対して最適化されている限り、共通のCBU成分の存在下で必要とされないであろう。
(4)高シリカ親ゼオライトの使用は重要である。なぜなら、Si/Al比は、擬似変態法によって高シリカ生成ゼオライトを再構成し、形成する能力を決定するからであり、一実施形態では、FAUゼオライト供給源は、10より大きいSi/Alを有する。
(5)転換が成功するためには、種結晶断片の破砕と親ゼオライトの再構成とが同期することが必要である。
(6)合成ゲルのNaOH/SiO比及びSi/Al比は、そのような同期において重要な役割を果たし、最適化されるべきである。なぜなら、親ゼオライト又は種ゼオライトは、それらが互いに相互作用して所望の構造を核生成する前に完全に溶解すべきではないからである。
(7)ゲル及び合成条件の化学組成は、さらに、純粋で高結晶性のゼオライト生成物を得るために最適化されるべきである。
これらの要件の妥当性は、FAU(FD13.3)のゼオライト転換を介しての、高シリカCHA(FD14.5)、STF(FD17.3)及びMTW(FD19.4)ゼオライトの合成によって確認される。
本発明の方法の実施では、条件及び成分のバランスによって、改善された結果をもたらすことができる。例えば、NaOH含有量は、合成方法に用いられる時間及び温度でバランスがとられる。合成において、一般に、シリカ及びアルミナは、ゼオライト供給源(例えばFAU)及び任意の結晶種によって与えられる。種結晶が使用される場合、それらは合成において5重量%よりも多くなり得る。NaOH/SiO比は、一般に、0.25〜1.00の範囲であり、HO/SiO比は、一般的に50よりも大きい。一実施形態において、合成のための時間は約1から約80時間の範囲であり、一実施形態において、温度は、約130℃〜160℃の範囲であり得る。作製されたゼオライト生成物は一般に準安定であるので、与えられた因子が多すぎると、所望の生成物よりも高い骨格密度を有する生成物が生じ得るカスケード反応効果をもたらす可能性がある。例えば、いくつかの反応における長時間の加熱によって、石英とモルデナイトとの混合物を生成する可能性があり、これは、所望されるものよりも凝集した稠密な生成物である。したがって、所望の結果を最適化するためにバランスをとることが必要であり、当業者は、本明細書の説明及び以下に記載される実施例に基づいて行うことができる。
以下の実施例は、本発明の方法を例示することを目的として提供され、本発明の方法を限定することを意味するものではない。
実施例に使用された材料として、フュームドSiO(Cab−O−Sil、HS−5、310m−1)、NaOH(99.995%、Sigma Aldrich)、FAU(CBV780、Zeolyst、H−FAU、Si/Al=40)、FAU(CBV712、Zeolyst、NH−FAU、Si/Al=6)、BEA(CP811E−75、Zeolyst、H−BEA、Si/Al=37.5)、BEA(CP814E、Zeolyst、NH−BEA、Si/Al=12.5)、及び、臭化テトラプロピルアンモニウム(TPABr、98%、Sigma Aldrich)が挙げられ、これらは受け取った状態で使用された。
種結晶
一般的な合成において、水649g、1mol dm−3NaOH(Baker Reagent)740g、臭化テトラプロピルアンモニウム(Kodak Chemicals)98gをLudox AS−30コロイダルSiO(Dupont)872gに添加した。次いで合成混合物をハステロイでライニングされたステンレス鋼製オートクレーブ(3.8dm)に移し、圧力試験を行い、対流式オーブン内で回転(78rpm)の下、423Kで4日間保持した。4日後、オートクレーブを冷却し、結果として得られた個体をろ過により回収し、洗い流した液体のpHが7〜8に達するまで脱イオン水(抵抗率17.9MΩ・cm)で洗浄した。結果として得られた生成物は、Si/Al〜300(誘導結合プラズマ原子発光分光法(ICP−AES)分析による)、及び〜6μmサイズのゼオライト結晶(透過型電子顕微鏡(TEM)による)を有する結晶質MFIであった(粉末X線回折(XRD)により確認された)。これらのMFI種結晶(S)は、他に言及されない限り、FAUからMFIへの種結晶介在ゼオライト転換に使用された。MFI(S)は、Al(OH)(53%Al、Reheis−F2000乾燥ゲル、0.44g)を、脱イオンHO(38g)、水酸化テトラプロピルアンモニウム(TPAOH、40重量%、Sigma Aldrich、7.5g)、及びKOH(脱イオン水HO中の1M溶液、Fisher,15g)を含有する溶液中に溶解することによって合成した。Ludox AS−30コロイダルシリカ(18g)を溶液に添加し、次いで混合物をテフロン(登録商標)でライニングされたステンレス鋼製オートクレーブ(Parr、125cm)に移し、静的条件下で、423Kで3日間保持した。結果として得られた固体を、フリットディスクブフナー漏斗(Chemglass、150ml、F)を通してろ過により回収し、洗い流した液体のpHが8〜9に達するまで脱イオン水(抵抗率17.9MΩ・cm)で洗浄し、試料を373Kで一晩、対流式オーブン内で加熱した。本実施例では、種結晶として使用した材料は、CHA、STF、及びMTWゼオライトに関して先に記載した合成手順を用いて調製した。
(1)Zones S. I.、US8,007,763B2、2011年8月30日;(2)Musilova−Pavlackova S.、Zones S. I.、Cejka J.、Top. Catal.、2010年、53巻、273頁;(3)Jones A. J.、Zones S. I.、Iglesia E.、J. Phys. Chem. C、2014年、118巻、17787頁参照。
(例1)
一般的な合成において、NaOH水溶液にゼオライトBEA又はFAUを添加(0.5〜1.0g)し、ここにMFI種結晶又は構造規定剤(TPABr)を添加し、下記表1に記載されるモル組成を有する最終混合物を調製した。これらの混合物を密封されたポリプロピレン容器(Nalgene、125cm)内に入れ、環境温度で1時間、マグネチックスターラーで激しく攪拌(400rpm;IKA RCT Basic)することにより均質化した。次いで混合物をテフロン(登録商標)でライニングされたステンレス鋼製オートクレーブに移し、静的条件下で、423Kで24〜40時間保持した。結果として得られた固体を、フリットディスクブフナー漏斗(Chemglass、150ml、F)を通してろ過により回収し、洗い流した液体のpHが8〜9に達するまで脱イオン水(抵抗率17.9MΩ・cm)で洗浄した。試料を373Kで一晩、対流式オーブン内で加熱した。結果として得られた生成物の固体収率を、以下の数式(1)として定義した。
次いで、試料を管状炉内で、乾燥空気流(1.67cm−1−1)中、0.03Ks−1で773Kに処理し、この温度で3時間保持した。直接ゼオライト転換(−D)、テンプレート介在(template−assisted)ゼオライト転換(−T)、及び種結晶介在(seed−assisted)ゼオライト転換(−S)における、処理後の試料を、BEAから合成した場合はMFI−D、MFI−T、MFI−Sと、FAUから合成した場合はMFI−D、MFI−T、MFI−Sと、それぞれ表した。
(例2)
CHA、STF、及びMTWゼオライトの合成は、親ゼオライトとしてのFAUのゼオライト転換によって達成された。xNaOH:1.0SiO:0.0125Al:95.0HO(x=0.50、0.68、0.85)のモル組成を達成するために、NaOH水溶液にFAU(0.5〜1.0g)を添加し、ここに10重量%(親FAUに基づく重量%)の種結晶(CHA、STF、又はMTW)を添加し、下記表2に記載されるモル組成を有する最終混合物を調製した。これらの混合物を密封されたポリプロピレン容器(Nalgene、125cm)内に入れ、環境温度で1時間、マグネチックスターラーで激しく攪拌(400rpm;IKA RCT Basic)することにより均質化した。次いでこれらの混合物をテフロン(登録商標)でライニングされたステンレス鋼製オートクレーブに移し、静的条件下で、所望の結晶化温度(423K、428K、又は433K)で40時間保持した。結果として得られた固体を、フリットディスクブフナー漏斗(Chemglass、150ml、F)を通してろ過により回収し、洗い流した液体のpHが7〜8に達するまで脱イオン水(抵抗率17.9MΩ・cm)で洗浄した。試料を373Kで一晩、対流式オーブン内で加熱した。次いで、試料を管状炉内で、乾燥空気流(1.67cm−1−1)中、0.03Ks−1で873Kに処理し、この温度で3時間保持した。CHA、STF、及びMTWの種結晶を用いてFAUのゼオライト転換を介して合成され、結果として得られた処理後の試料を、CHA−S、STF−S、MTW−Sとそれぞれ表した。
これらのゼオライトのH型の合成のために、処理したNa型ゼオライトを、353Kで4時間撹拌しながらNHNO水溶液に添加した。このプロセスをさらに2回繰り返してNH−ゼオライトを回収し、これを管状炉内で、乾燥空気流(1.67cm−1−1)中、0.03Ks−1で873Kに3時間処理してH−ゼオライトを生成させた。
(例3)
生成物ゼオライトの同一性及び相純度は、粉末XRD測定(CuKα放射λ=0.15418nm、40kV、40mA、Bruker D8 Advance)によって実証された。回折像は、2秒の走査時間で0.02°間隔で5〜35°の2θ値について収集した。試料のSi、Al、及びNa含量は、ICP−AES(IRIS Intrepid spectrometer;Galbraith Laboratories)によって測定した。TEM画像は、120kVで操作されるPhilips/FEI Tecnai 12顕微鏡で撮影した。TEM分析の前に、試料をエタノール中に懸濁させ、400メッシュのCuグリッド(Ted Pella Inc.)上に支持された極薄炭素/ホーリー炭素フィルム上に分散させた。ゼオライト生成物のアルゴン(Ar)吸着−脱着測定を、87Kで、Quantachrome Autosorb−1で実施した。測定の前に、すべての試料を、真空下、623Kで4時間脱気した。最終pH値は、Orion Star A215メーター(pH 7.00、10.01及び12.00の緩衝液を用いて較正)を用い、Orion Ross組合せ電極(Orion 8103BNUMP)を使用して、周囲温度で測定した。
(例4)
低いSi含量(Si/Al=12.5)を有する親BEAゼオライトは、水熱条件下、423Kで、NaOH水溶液(NaOH/SiO=0.35、HO/SiO=65;表1)中で、非晶質固体のみを形成した(X線回折図;図1(i)(a))。これは、明らかに、MFI骨格は、高いSi/Al含量のゲル中で優先的に形成されるため、MFI中の豊富な5員環は、高いAl含量を嫌うからである。
しかしながら、MFI結晶は、423Kの自生圧力下、NaOH水溶液中(NaOH/SiO=0.35、HO/SiO=65;表1)で、低いAl含量を有する親BEAゼオライトから容易に形成された(Si/Al=37.5;(X線回折図;図1(i)b、収率46%(式1);表1)。興味深いことに、この転換は、いかなる種結晶又はOSDAの存在を必要とすることなく、自発的に起こった。MFI生成物のSi/Al比(Si/Al=22;表1)は、親BEAのSi/Al比(Si/Al=37.5)よりもずっと低く、固体収率は46%であり(表1)、親BEA中のAlのほぼ全てが生成物MFIに取り込まれたが、一部のSiOは溶液中に溶解したままであった。結晶性MFIは、親BEA(Si/Al=37.5)の転換から得られた(テンプレート介在(TPABrを用いる)及び、種結晶介在(10重量%のMFI種結晶を用いる)からの両方について、X線回折図;図1(i)c、図1(i)d、47%収率(式1))。したがって、高Si含量(Si/Al=37.5)の親BEAは、MFI骨格を好むような親BEAにおけるSi/Al比で、MFI種結晶又はOSDAの個々の存在下で、MFIに自発的に転換されたと結論付けることができる。
親BEA及び生成物MFIの骨格構造及びコンポジットビルディングユニット(CBU)は、共通のmor構造モチーフを含むことに留意されたい。したがって、BEA中に存在し、MFI形成に必要とされるCBUは、BEAからMFIへの転換の間、BEA由来の中間体内で基本的に元のままである(remains intact)という説明が妥当であると思われる。このCBUはMFIの局所的な核生成を補助し得、且つそうすることで固有の速度論的な障害を最小化し、その結果、種結晶又はOSDAがなくてもBEAのMFIへの転換を可能とする。この共通CBUは、子構造の核を形成するための速度論的メディエータとしての役割を果たし、共通CBUを含有するゼオライトは、それらがゼオライトの熱力学的傾向によって決定づけられる方向に転換することを妨げる速度論的障害を乗り越え、より大きい骨格密度を有する構造を形成できる可能性があることを示す。MFIゼオライトは、親BEAゼオライトから24時間後に得られ(図1(i))、一方で、非晶質アルミノシリケートゲルからの水熱MFI合成は、OSDAの有無にかかわらず、一般的には2〜15日を要する。したがって、BEA構造の存在は、おそらくMFIを有するその共通のCBUのために、核生成がより迅速であることに起因して合成時間を短縮する。
(例5)
Si/Al比が6及び40の親FAUゼオライトは、水熱の水性NaOH環境(NaOH/SiO=0.5、HO/SiO=95;表1)において、423Kで、非晶質固体のみを与えた(X線回折図;図1(ii)a、(ii)b)。これは、おそらく、共通のCBUが欠如しているため、熱力学的に有利(FAU、FD13.3;MFI、FD18.4)であるにもかかわらず克服できない速度論的な障害と一致する。しかし、FAU(Si/Al=40)を同様の水熱環境で処理したものの、合成混合物中にMFI種結晶を含む場合は、MFIが形成された(X線回折図;図1(ii)c、1(ii)d、それぞれ収率58%及び47%(式1);表1)。これらの結果は、そのような速度論的な媒介(kinetic mediation)がない場合でもMFIを形成する、BEA前駆体の能力と対照的である。親FAUゼオライトの場合には、好ましいMFI構造の核生成を助けるために種結晶が必要である。
図2は、異なる結晶サイズの2つのMFI種結晶のTEM画像(6μm;種結晶S;図2a、及び、0.2μm;種結晶S;図2b)、並びにこれらの種結晶をそれぞれ用いてFAU親ゼオライトから形成されたMFI生成物のTEM画像(それぞれ、図2c及び図2d)を示す。晶癖及びサイズは、種結晶S用いた場合(TEM、図2c)と種結晶Sを用いた場合(TEM、図2d)とで類似しており(〜0.7μmの直径)、種結晶MFIを用いた場合(TEM、図2a及び図2b)とは著しく異なる。種結晶MFIを用いた場合は、それらが親FAU結晶からの核生成を媒介するので、元のまま(remain intact)ではない。これらの種結晶は、元の核生成部位としては機能せず、その代わりに、非晶質アルミノシリケートゲルからの種結晶介在水熱合成の間の均一な核生成及び成長の場合のように、CBU又は小さな断片(fragment)を提供する。その生成物結晶は、種結晶S(〜6μmの結晶、図2a)よりも実際に小さく(〜0.7μmの結晶、図2c)、種結晶上にMFI結晶をエピタキシャル成長させることは不可能である。
FAU回折線は、合成時間4時間の後に消失したが、一方でその後、MFI線は常に検出可能であった(4〜40時間;図3a〜3f)。回折図(図3;2θ=20〜30°)における非晶質のバックグラウンドは消失し、MFI回折線が、24時間後の唯一の識別可能な特徴であった。これらのデータは、FAU結晶が、NaOH媒体中で、ある時間スケールで長距離秩序を失うことを示すが、それでも依然としてMFI種結晶の同一性は保持されおり、FAU親構造のMFIへの最終的な再結晶化のための必須成分を提供する。MFI結晶のサイズ及び形状は、MFIへの種結晶介在FAU転換から形成されたものであって、合成中に著しく変化せず(4〜40時間;TEM;図4b〜4f)、親FAUゼオライトのサイズ及び形状と似ている(TEM;図4a)。MFI平均結晶サイズは、FAU親ゼオライトよりわずかに大きいだけである(結晶サイズヒストグラム;図5)。これは、種結晶介在成長と一致している。この種結晶介在成長においては、FAU構造が膨張して局所的な秩序のない構造を形成し、MFI種結晶からの砕けたMFI断片が、その外表面にMFI骨格の核生成を誘発し、そうして、親結晶の晶癖及びサイズを保持する外皮を固定する(下記のスキーム1参照)。
スキーム1:親FAUから子MFIゼオライトへの種結晶介在転換についての提案されたメカニズムの模式図。
このような体積を保存する(擬似的な)転換は、種結晶の断片と、FAUドメインの局所的に破壊された外表面との、そうでなければ、元のFAUのドメイン(これらのFAUのドメインの外側から内側の領域までMFIは核化される)との排他的接触を反映している。これらのプロセスの擬似的な性質は、FAUからMFIへの転換に固有の骨格密度の増加を説明するために、空隙の核生成を必要とする。スキーム1に示されているメカニズムの仮説は、良好な転換のためには、FAU構造の局所破砕と、MFI種結晶からの核生成断片の脱落との同期が必要であることを示唆している。高シリカMFI生成物を形成するための高シリカFAU親ゼオライトに必要な要件は、このような同期化と関係している。
MFI種結晶を用いたFAUの転換から合成された生成物のAr吸着及び脱着測定(40時間後)(図6)によれば、P/Po値が0.4の後のヒステリシスを示し、これはサンプル中のメソ細孔の存在を示している 。典型的なゼオライト合成条件においてヒドロゲル成分との反応からMFIを成長させた場合には、生成物のAr吸着−脱着曲線にヒステリシスは観察されなかった。したがって、これらのArの吸着 - 脱離測定から、MFI生成物中のメソ細孔の存在を確認する。これは、メソ細孔が、ワンポット合成によって形成され、脱シリル化のような後合成処理を必要とせず、 典型的にはメソ細孔を形成するために使用される。このようなメソ細孔は、元の結晶では広く知られているように拡散距離を減少させるので、実際に有用である。
FAU由来の種結晶はその物理的完全性を保持する。そして、目的とする生成物の構造の初期核生成が、MFI種結晶に由来する破砕されたサブユニット又はCBU種によって、親結晶の外側領域で起こり、それらは、FAU由来ドメインのMFI結晶への転換を助けるのに必要な局所的なMFI構造を保持する。この転換の空間を維持する性質は、形成されたMFI結晶内のメゾスコピックな空隙の核生成を必要とする。なぜなら、それらの骨格密度が、親FAUの骨格密度よりも高いからである。
(例6)
BEAからMFIへの転換は、いかなる顕著な速度論的障害も伴わずに、MFI種結晶がなくても、自発的に起こる。一方で、MFI種結晶は、共通のCBUが存在しない場合に必要とされ、FAUをMFIに転換して、速度論的媒介を提供するのに有用である。したがって、BEAとFAUの混合物は、種結晶なしで、MFI種結晶のその場(in−situ)生成によって、又はBEAのmor構造単位(MFIに共通)を介した支援によって、MFIに転換することが可能である、というのが妥当である。
MFI生成物は、予想通り、10重量%のMFI種結晶を含む50〜50重量%のFAU−BEA混合物の転換において得られ(X線回折図;図7a)、また、MFI種結晶が存在しない場合の直接転換においても同様であった(X線回折図;図7b)。さらに、MFI生成物は、90〜10及び95〜5重量%の転換において得られた。種結晶なしの場合のFAU−BEA混合物(X線回折図;図7c、7d)は、BEA又はFAUのみの転換で観察される収率(46%〜47%、表1)と同様の収率(46〜48%)であった。
このデータは、BEAが、FAUからのMFIの核生成を支援し得ることを示唆しており、その支援は、mor構造単位(MFIに共通)を提供することにより、又は、BEAの直接転換からのMFI種結晶のその場生成により、それらのいずれかによって達成される。
これらの結果は、ゼオライト転換手順の実用的な用途を示唆しており、それは、合成中にその場で所望の種結晶を生成することができる供給源が存在する限り、高価な種結晶又はOSDAは必要とされないからである。さらに、これらの結果は、提案された合成指針と一致しており、これは、生成物又は生成物種結晶に共通するCBUの存在が、合成において、親構造よりも稠密で熱力学的に好ましいゼオライトの合成のための速度論的な障壁を克服するのに役立つことを示唆している。
(例7)
FAU(Si/Al=40)は、種結晶の非存在下で非晶質固体に転換した(0.5NaOH:1.0SiO:0.0125Al:95HO;表1)。例5において先に記載したように(X線回折図;図1)、これは、所望の結晶生成物を得ることができるように合成条件を最適化する必要があることを示している。しかし、このような最適化がない場合は、合成においてCHA種結晶を使用して、CHA生成物を形成すべきである。実際に、CHAゼオライト(Si/Al=19)が、10重量%のCHA種結晶を使用して(0.5NaOH:1.0SiO:0.0125Al:95HO;表2)423Kで40時間の合成を行い、親FAUの転換によって、形成された(X線回折図;図8)。合成条件(CHA種結晶あり)は、BEA又はFAUからMFIへの転換で使用されたものと同じである。得られた生成物の固体収率は46%であり(表2)、これはFAU又はBEAの種結晶介在転換によって合成されたMFIのもの(46〜47%;表1)とほぼ同じであった。しかしながら、得られた生成物は、20〜30度の2θ範囲で広いバックグラウンドシグナルによって示されるいくつかの非晶質固体を含むようであり(図8)、CHA種結晶と親FAUとが不適切に同期して分解していること示唆している。これは明らかに、CHA種結晶のSi含量(Si/Al=15)が、MFI種結晶のSi含量(Si/Al〜300)よりも低いためであり、これを高めれば、CHAは合成条件(表2)で分解しにくくなる。
NaOH/SiO比が0.68のCHA生成物もまた形成された(図8)。これらの生成物の結晶化度(66%;表2)は、NaOH/SiO比が0.50で合成した生成物の結晶化度(50%;表2)よりも高かった。これは、おそらく、合成ゲルのNaOH/SiO比が高くなり、且つ、親FAU及びCHA種結晶材料の溶解度を増加させる高い溶液pHに起因して、CHAの分解とFAUの再構成がより良好に同期化したためであろう。固体収率(表2)については46%から25%に減少し、それにより生成物のSi/Alが生成物のSi/Al比が19から11になった。これも、高い合成pHのためである(そのようなpHでは、溶解度が高いためにSi種は溶液中に存在しやすい)。NaOH/SiO比をさらに0.85に増加させると、副産物としてCHA(図8)と共にMOR相が形成された。これは、合成ゲルの非常に高いNaOH濃度によって、親又は種材料の迅速な溶解に起因する溶液中の複数の相の迅速な核生成を引き起こし、その後、それらの急速な結晶成長を引き起こすことを示している。したがって、非常に高いNaOH/SiO比は、これらの方法による純粋なゼオライト相の形成にとって望ましくない。したがって、高シリカCHA(Si/Al=11)の合成は、開発された合成指針を用いて、CHA種結晶を用いたFAUの転換から達成された。しかしながら、より高い結晶性のCHAを得るためには、合成パラメータをさらに最適化する余地がある。10重量%のCHA種結晶を含む同様の合成条件(0.68NaOH:1.0SiO:0.0125Al:95HO)下での非晶質アルミノシリケートゲルは、わずか6%の収率を有する生成物としてCHA及びMORゼオライトの混合物をもたらした(図S1)。これにより、これらの転換において親FAUゼオライトは完全には溶解せず、非晶質アルミノシリケート種を形成することが確認された。その結果を図12に示す。
(例8)
STF及びMTWゼオライトを、NaOH水溶液中で、親FAUの転換から形成した(X線回折図;図9)。この形成には、それぞれSTF及びMTW種結晶を用いて、423K、40時間の合成を行い(0.5NaOH:1.0SiO:0.0125Al:95.0HO;表2)、合成条件はFAUからMFIへの転換に使用したものと同じ条件とした。しかし、得られた生成物は、結晶化度が低く、このことは、回折図(図9)中の非晶質固体の広いバックグラウンドによって示されている。したがって、合成ゲルのNaOH/SiO比を、0.50〜0.85に変化させた。結果は、CHAと同様に、STF及びMTWゼオライトについて達成され、NaOH/SiO比が0.68の場合に、純粋な所望のゼオライト相の最も高い結晶化度をもたらした(X線回折図;図9)。高シリカSTF(Si/Al=20)及びMTW(Si/Al=30)の生成物が、FAU(0.68NaOH:1.0SiO:0.0125Al:95.0HO;表2)の転換から形成され、固体収率はそれぞれ26%及び29%であった(表2)。これらは、同じ合成条件(Si/Al=11.25%収率、表2)でFAUから形成したCHAのものと類似している。STF及びMTW試料の結晶化度はそれぞれ78%及び60%であった(表2)。
STF種結晶を用いたFAUの転換における、合成温度の423Kから428Kへの増加は、生成物の結晶化度に有意な影響を及ぼさなかった(X線回折図、図10)。このことは、同じ合成時間(40時間)後に形成されて得られた生成物の回折線強度、収率及びSi/Al比の変化が検出されないこと(表2)によって示されている。しかしながら、合成温度の428Kから433Kへの更なる増加は、より稠密なゼオライト構造であるMFIへの転換を促進した(X線回折図、図10)。このことは、これらの転換からの生成物が速度論的に捕捉されている(kinetically trapped)ことを示唆している。生成物の速度論的捕捉の仮説は、合成の時間を長くすることによっても確認された。これはまた、より密な構造への転換をさらに促進するはずである。MFI、CHA、STF又はMTW種結晶を用い、FAUを転換して得られた生成物は、時間の経過と共により稠密な構造に転換され、合成の10日間後に稠密なゼオライト相の混合物をもたらした(X線回折パターン;図11)。このデータにより、ある特定の合成条件の組合せに対して、ゼオライト転換の生成物は速度論的に捕捉された構造であること、及び、これらの構造は、時間又は温度と共に、熱力学的により安定した構造(より稠密な相)に転換することが確認される。これらの転換は、一纏めに捉えると、親ゼオライトのSi/Al比、合成ゲルのNaOH/SiO比、並びに、温度及び時間が、それぞれ、高シリカゼオライトの再構成と形成のための能力を決定すること、親及び種結晶の同期した分解を確実にすること、並びに、所望の構造を速度論的に捕捉すること、に対して、重要な役割を果たすことの証拠を提供する。高シリカCHA、STF及びMTWゼオライトの合成は、合成ガイドラインの妥当性を支持する。しかしながら、より高結晶性の生成物を形成するためには、合成する組成物及び合成条件のさらなる最適化が必要とされる。本発明者らは、高シリカゼオライトの合成のための開発されたゼオライト転換手順が、それらの骨格密度及びCBU成分に基づいて、異なる骨格、空隙環境及び骨組組成のゼオライトに、さらに拡大され得ることを期待する。この方法は、OSDAなしでゼオライトを合成するだけでなく、ゼオライト細孔に対する反応物質の接近性を改善することが知られているメソ多孔性の結晶を形成し、これにより反応の回転率を高め、反応選択性を調整する可能性がある。
要約すると、OSDAフリーのゼオライト転換を介して、有用な高シリカゼオライト、例えばMFI、CHA、STF及びMTWを合成する方法が提供されている。低い骨格密度の親ゼオライト(例えば、FAU又はBEA)を、水性NaOH中で、水熱条件で再結晶化することにより、より高い骨格密度の子ゼオライト(例えば、MFI、CHA、STF及びMTW)に転換することができる。良好な転換のためには、速度論的な障害を克服する必要があり、一方で、微小孔質固体の熱力学的傾向を利用しながら骨格密度を高めることが必要である。BEAからMFIへの転換は、有意な速度論的障害及び熱力学的障害なしに、自発的に起こりうるが、その一方で、FAUから、MFI、CHA、STF及びMTWへの転換は、生成物種結晶を必要とし、これらの場合には十分な速度論的駆動力がないことを示唆している。シード介在型ゼオライト転換は、本質的に仮像であることが提案された。そのような転換は、親結晶が占有する体積を維持し、生成物ゼオライトにおいて同様のサイズ及び結晶形状をもたらす。新しい構造の初期核生成は、膨潤した親結晶の外側領域で起こり、擬似転換及び子骨格密度の高密度の空間維持性に基づき、転換中のメソ多孔性の核生成につながる。良好な転換はまた、親結晶の緩みと種結晶の破砕との同期を必要とするようであり、その不在は非晶質の固体につながる。合成メカニズム及び開発されたガイドラインは、所望のゼオライトの合成条件を設計することを可能にし、これらの方法によって合成することができるゼオライトの骨格タイプの多様性を拡大する。
特に、本方法は、Si/Alが約7以上、さらには10以上の、安定な、OSDAを含まないゼオライトを製造することを可能にする。先行技術では、合成において、SDAなしで、Si/Alが6以下の材料の製造を例示しているが、ゼオライト生成物中の空隙を満たすSDAなしでは、より高いSi/Alでの生成物は安定ではない。なぜなら、全体のアルミニウム含量が低下するにつれて、そのように空隙を満たす水和カチオンがほとんどないからである。より高いSi/Al生成物は、通常、構造中により多くの5環構造を有するが、この構造はアルミニウムを好まない。一方で、本発明の合成は、合成において可溶性SDAを使用せずに10より大きいSi/Alを有する安定なゼオライトを製造することを可能にする。例えば、SSZ−35はSDAフリーとすることができる。このようなSSZ−35には5環が備えられており、25に近いSi/Alを有する。したがって、本発明の合成は、高シリカゼオライトを合成するための、より容易でコスト効果の高い方法を提供する。
上記の明細書、実施例及びデータは、本発明の方法について完全な説明を提供する。本発明の多くの追加の実施形態は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく行うことができるため、本発明は、ここに提供される特許請求の範囲に属する。
本発明は、有機構造規定剤を使用せずにゼオライトを調製する方法に関する。より具体的には、本方法は、有機SDAなしでのゼオライト転換(interzeolite transformation)を含む。
アルミノシリケートゼオライトは、SiO 4−及びAlO 5−四面体単位の配置によって構成された多様な骨格構造及び空隙ネットワークを有する結晶性微小孔質固体である。これらの材料は、吸着、触媒及びイオン交換プロセスに広く使用されている。ゼオライトは、一般的には、水酸化物又はフッ化物媒体中の無機(例えば、Na、K、等)又は有機構造規定剤(OSDA:organic structure−directing agents)の存在下で、非晶質アルミノシリケートゲルを水熱処理することによって合成される。 特に、OSDA試薬は、多くの大規模ゼオライト合成のコスト及び環境負荷を増加させる。
そのようなコスト、並びにゼオライト空隙内に含まれる有機種を分解するのに必要とされる合成又はその後の処理の間に生成されるガス流及び水流中の有毒種の排出を低減するために、OSDAフリーの合成手順の開発に多くの努力が注がれてきた。近年、いくつかのグループが、OSDA種を使用せずに、非晶質アルミノシリケートゲルからゼオライトの種結晶介在(seed−assisted)水熱合成をするための、改良された手順を報告している。これらの方法は、目的とする骨格を安定化させるために、高濃度のアルカリカチオンを使用し、その結果、主にAlリッチな骨格(Si/Al<10)の合成に成功している。同様の手順は、構造及び酸部位の安定性が高いことからしばしば好ましいとされるAl含有量の低い目的のゼオライト(例えば、CHA、STF、MTW、MFI等)のOSDAフリーの合成には、依然として利用できない。いくつかの例において、Si/Alが10未満、又は7未満の条件で、目的の所定のゼオライト構造(例えば、STF、MTW等)を成長させることは、単に不可能である。
ゼオライトは、密度の高い骨格構造(例えば、α-石英)への転換に対して速度論的に(kinetically)安定である(ただし、熱力学的にはそうではない)。結果として、それらの合成は、しばしば最終的な目的の構造を形成する過程において中間安定性を有する構造の形成を伴い、それらは特定の有機又は無機カチオンを使用することによってのみ安定化される。あるゼオライト構造から別のゼオライト構造への転換が検討されており、それは、しばしばより短い合成時間で、特定の構造の選択的合成のための方策を提供することができるからである。しかし、そのようなゼオライト転換の機構的詳細は依然として不明であり、その成功を予測することは概ね経験的である。
最も多く報告された相互転換では、骨格の核生成を誘発するために、又は構造を形成するために、OSDA部分を使用するが、前者の場合は、実際には、より低い骨格密度であって親ゼオライトよりも安定性の低いものであり、後者の場合は、OSDAの存在なしには全く形成しない構造である。骨格の核生成を誘発するためにOSDA部分を使用するか、又はOSDAの存在なしに全く形成しない構造を形成する。いくつかの研究では、OSDA種の助けを借りずに所望の構造の形成を補助する種結晶(seeds)を使用している。他の研究では、種結晶とOSDAの両方の存在下で、ゼオライト転換を誘発した。種結晶又はOSDAのいずれもなしで成功したゼオライト転換は、低いSi/Al比(Si/Al比が10未満、一般に2〜5)のゼオライトについてのみ報告されている。今日まで、より高いSi/Al比(Si/Al>10)を有する目的の材料は、OSDA種の助けなしでのゼオライト転換を介して合成されていないようである。
高シリカゼオライトを合成するための、より容易でコスト効果の高い方法を提供することは、触媒産業にとって大きな価値がある。
したがって、有機SDAを使用せずに、より低い骨格密度のゼオライトを、より高い骨格密度値を有する高いSi/Al比のゼオライトに転換する方法が提供される。この方法は、より高い骨格密度のゼオライトに転換されるべき骨格密度の低いゼオライトを提供し、次いで、その骨格密度の低いゼオライトを、高いSi/Al比(例えば、比が少なくとも10)のゼオライトに転換することを含む。転換は、OSDA非存在下で行われる。転換は、一般に直接水熱合成によって達成される。このプロセスは、コストのかかるSDA及びプラントでの廃棄物処理を排除する。したがって、このプロセスは、コスト効率がより高く、設備をより少なくする。
本質的に、本発明者らは、ゼオライト転換手順を介した有機構造規定剤(OSDA)フリーのゼオライトの合成のための方策及び一組の指針を開発した。より具体的には、一例として、高シリカMFI(ZSM−5)、CHA(チャバザイト)、STF(SSZ−35)及びMTW(ZSM−12)ゼオライトが、FAU(ファウジャサイト)又はBEA(ベータ)親ゼオライトから、これらの方法を介して、合成することができる。良好な転換の場合、速度論的な障害を克服しつつ、骨格密度(FD)を高めるために微小孔質材料の熱力学的傾向を利用することを必要とする。ゼオライト転換の速度論的障壁は、種結晶の使用を通じて、親ゼオライトと子ゼオライトとの間の一般的なコンポジットビルディングユニット(CBU)なしのゼオライトについて克服される。開始及び最終構造がCBU成分を共有する場合、種結晶の使用は一般的には必要とされない。これらのゼオライト転換現象は、本質的に仮像(pseudomorphic)であるように見える。この転換は、親結晶が占有する体積を維持し、子材料において同様のサイズと結晶形状とをもたらす。このような現象は、構造変化の空間維持性(space−conserving)と子ゼオライトの骨格がより高密度であることとの自然な帰結として、新しい構造の初期核生成が親結晶の外側領域で起こり、転換中のメソ多孔性の核生成につながることを反映する。
図1A及び図1Bは、親ゼオライトBEA(図1A)びFAU(図1B)から、(a,b)直接、c)テンプレート介在、及び(d)種結晶介在(MFI種結晶(S)を使用)転換を介して合成された生成物のX線回折図を示す。合成は、423Kで、NaOH/SiO=0.35(BEAから;図1A)及びNaOH/SiO 0.50(FAUから;図1B)、並びにHO/SiO=65(BEAから;図1A)及び O/SiO 95(FAUから;図1B)で行った(表1)。
図2A、図2B、図2C及び図2Dは、MFI種結晶S (図2A)びMFI 種結晶S (図2B)、並びに、MFI種結晶S (図3C)びMFI種結晶S (図2D)を用いて親ゼオライトFAU(Si/Al=40)のゼオライト転換を介して合成された生成物のTEM画像を示す。合成は、423Kで、10重量%のMFI種結晶と共に、NaOH/SiO=0.5、HO/SiO=95で、40時間行った。
合成時間を(a)4時間、(b)8時間、(c)20時間、(d)24時間、(e)29時間、及び(f)40時間とした場合の、親ゼオライトFAU(Si/Al=40)の種結晶介在転換を介して合成された生成物のX線回折パターンを示す。合成は、423Kで、10重量%のMFI種結晶(S)と共に、NaOH/SiO=0.5、HO/SiO=95で行った。
図4A〜図4Fは、合成時間を、0時間(親ゼオライトFAU)(図4A)、4時間(図4B)、8時間(図4C)、20時間(図4D)、29時間(図4E)、及び40時間(図4F)とした場合の、親ゼオライトFAU(Si/Al=40)の種結晶介在転換を介して合成された生成物のTEM画像を示す。
親ゼオライトFAU、及び親ゼオライトFAU(Si/Al=40)の種結晶介在転換を介して合成された生成物MFI(MFI−S1)の結晶サイズ分布を示す。合成は、423Kで、10重量%のMFI種結晶(S)と共に、NaOH/SiO=0.5、HO/SiO=95で、40時間行った。
FAU(Si/Al=40)の種結晶介在転換を介して合成された生成物MFI(MFI−S1)のAr吸着及び脱着プロファイルを示す。合成は、423Kで、10重量%のMFI種結晶(S)と共に、NaOH/SiO=0.5、HO/SiO=95で、40時間行った。
(a)種結晶介在ありで50%BEAと共に;(b)種結晶介在なしで50%BEAとともに、(c)種結晶介在なしで10%BEAとともに、(d)種結晶介在なしで5%BEAとともに、それぞれにおいて、FAU及びBEAの混合物の転換を介して合成された生成物のX線回折図を示す。合成は、423Kで、10重量%のMFI種結晶(S)と共に/又はなしで、NaOH/SiO=0.45、HO/SiO=80で、40時間行った。
10重量%のCHA種結晶を用い、NaOH/SiOを(a)0.50、(b)0.68、(c)0.85とした場合の、FAU(Si/Al=40)の転換から合成された生成物のX線回折パターンを示す。合成は、423Kで、HO/SiO=95で、40時間行った。
図9Aは、STF及びそれに対応する種結晶を使用して、それぞれ10重量%の種結晶と共に、親ゼオライトFAU(Si/Al=40)のゼオライト転換を介して合成された生成物のX線回折図を示す。図9Bは、MTW及びそれに対応する種結晶を使用して、それぞれ10重量%の種結晶と共に、親ゼオライトFAU(Si/Al=40)のゼオライト転換を介して合成された生成物のX線回折図を示す。合成は、423Kで、NaOH/SiO=0.68、HO/SiO=95で、40時間行った。
10重量%のSTF種結晶の存在下で、様々な温度で、FAU(Si/Al=40)の種結晶介在転換をすることによって合成された生成物のX線回折パターンを示す。合成は、NaOH/SiO=0.5、HO/SiO=95で、40時間行った。
合成時間を10日とし、10重量%の(a)MFI、(b)CHA、(c)STF、及び(d)MTW種結晶を用いて、FAU(Si/Al=40)の種結晶介在転換を介して合成された生成物のX線回折図を示す。合成は、423Kで、NaOH/SiO=0.5(MFIの場合)及びNaOH/SiO=0.68(CHA、STF、及びMTWの場合)、並びにHO/SiO=95で行った。
(a)CHA種結晶、並びに、(b)10重量%のCHA種結晶を用い、非晶質Si及びAl供給源から合成された生成物、及び、(c)10重量%のCHA種結晶を用い、親FAUから合成された生成物、のX線回折図を示す。合成は、423Kで、0.68NaOH:1.0SiO:0.0125Al:95.0HOで、40時間行った。生成物の固体収率は、(b)では6%、(c)では25%であった。
図13は、親FAUから子MFIへの、種結晶介在ゼオライト転換の提案され たメカニズムの概略図である。
本発明の方法は、Si/Al比が少なくとも10であるゼオライトを調製する。本方法は、第1のゼオライト、例えば親ゼオライトを提供する工程と、次いで第1のゼオライトを、第1のゼオライトよりも高い骨格密度を有し、且つSi/Al比が少なくとも10である第2のゼオライト又は目的とするゼオライトに転換する工程とを含む。転換の際に得られる第2のゼオライトのSi/Al比は、例えば、11〜25の範囲であり得るか、又は40以上であり得る。全体の転換は、有機構造規定剤(OSDA)の非存在下で行われる。
有機構造規定剤の非存在下とは、合成において、可溶性OSDAが含まれないことを意味する。本発明の合成は、従来の合成のようにOSDA試薬を使用する必要がない。従って、合成に可溶性OSDAは存在しない。ゼオライトの種結晶を使用することができる(すなわち、そのような種結晶は、作製されたそのままの状態の材料であり、外部から添加される)が、種結晶と結合し得るSDAはゼオライト内部に捕捉され、且つゼオライトの外部に出て合成に影響を及ぼすことができないことが見出されている。言い換えると、新しいゼオライトは、種結晶から遊離したSDAによって核生成されない。種結晶から遊離したSDAは存在せず、合成には依然として可溶性SDAは含まれない。
転換は、一般に、水熱条件下、塩基性溶液中で行われる。添加プロセスで使用される温度は、第1のゼオライトの結晶化温度より高くてもよい。塩基性溶液のpHは、7より大きく、11まで、又はさらに13までの範囲にすることができる。第2のゼオライトの種結晶は、転換を助けることができ、一般に、転換前又は転換中のいずれかに、第1のゼオライトに添加される。
一実施形態では、第1のゼオライトは、BEA又はFAUを含む。一実施形態では、第2のゼオライトは、ZSM−5、SSZ−35、ZSM−12、又はチャバザイトを含む。
したがって、本発明は、Si/Al比が少なくとも10、11〜25、及びさらには少なくとも40である高シリカゼオライトの合成方法を提供する。MFI、CHA、STF及びMTWゼオライトは、本発明のOSDAフリーのゼオライト転換方法によって合成することができる。親ゼオライト、例えば、骨格密度(FD)15.3であるBEA(骨格密度(FD)は、T原子数/nmと定義され、ここでTはゼオライト骨格中のSi又はAlの原子数を表す)、又はFD13.3であるFAU等は、水熱条件で、水性NaOH中で再結晶化することによって、目的とする子構造、例えば、MFI(FD18.4)、CHA(FD15.1)、STF(FD16.9)、及びMTW(FD18.2)等に転換することができる。低い骨格密度を有する構造は、より高い骨格密度を有するより安定な高シリカ構造に、首尾よく転換することができる。骨格密度(FD)値は、絶対値、又は理論上の全シリカ骨格構造に基づいて正規化された値であり得る。いずれも、より高いか又はより低い骨格密度値を一貫して反映する相対的な値として使用することができる。
付随する速度論的な障害は、親構造と目的とする構造との間に共通のCBUの存在を必要とする可能性があり、又はそれらの不存在下では、種結晶の添加を必要とする可能性がある。種結晶の添加により、所望の目的の構造も確保することができる。種結晶介在転換のための本質的に疑似相似性(pseudomorphic)のある妥当な合成メカニズムは、子構造内の晶癖及び結晶内メソ多孔性の空隙と同様に、親Si/Al比、NaOH/SiO比、並びに必要とされる合成温度及び時間の、観察された効果と一致する。結果として得られる概念及び方策は、反応座標に沿った共通の構造単位か、又は目的とする生成物の種結晶のいずれかによって媒介される速度論を用いて、熱力学によって決定される方向で、広範囲のゼオライト骨格を合成するための予測指針を提供する。
親ゼオライトから生成物ゼオライトへの転換が成功するための一般的要件は以下のように要約される:
(1)目的とするゼオライトは、親ゼオライトよりも高い骨格密度を有するべきである。なぜなら、熱力学的に好ましい骨格密度構造に起因して、転換において骨格密度スケールが上昇するからである。
(2)親構造及び所望の生成物が共通のCBUを共有しない場合には、目的とするゼオライトを合成における種材料として添加すべきである。
(3)種結晶は、一般に、合成条件が所望のゼオライトに対して最適化されている限り、共通のCBU成分の存在下で必要とされないであろう。
(4)高シリカ親ゼオライトの使用は重要である。なぜなら、Si/Al比は、擬似変態法によって高シリカ生成ゼオライトを再構成し、形成する能力を決定するからであり、一実施形態では、FAUゼオライト供給源は、10より大きいSi/Alを有する。
(5)転換が成功するためには、種結晶断片の破砕と親ゼオライトの再構成とが同期することが必要である。
(6)合成ゲルのNaOH/SiO比及びSi/Al比は、そのような同期において重要な役割を果たし、最適化されるべきである。なぜなら、親ゼオライト又は種ゼオライトは、それらが互いに相互作用して所望の構造を核生成する前に完全に溶解すべきではないからである。
(7)ゲル及び合成条件の化学組成は、さらに、純粋で高結晶性のゼオライト生成物を得るために最適化されるべきである。
これらの要件の妥当性は、FAU(FD13.3)のゼオライト転換を介しての、高シリカCHA(FD14.5)、STF(FD17.3)及びMTW(FD19.4)ゼオライトの合成によって確認される。
本発明の方法の実施では、条件及び成分のバランスによって、改善された結果をもたらすことができる。例えば、NaOH含有量は、合成方法に用いられる時間及び温度でバランスがとられる。合成において、一般に、シリカ及びアルミナは、ゼオライト供給源(例えばFAU)及び任意の結晶種によって与えられる。種結晶が使用される場合、それらは合成において5重量%よりも多くなり得る。NaOH/SiO比は、一般に、0.25〜1.00の範囲であり、HO/SiO比は、一般的に50よりも大きい。一実施形態において、合成のための時間は約1から約80時間の範囲であり、一実施形態において、温度は、約130℃〜160℃の範囲であり得る。作製されたゼオライト生成物は一般に準安定であるので、与えられた因子が多すぎると、所望の生成物よりも高い骨格密度を有する生成物が生じ得るカスケード反応効果をもたらす可能性がある。例えば、いくつかの反応における長時間の加熱によって、石英とモルデナイトとの混合物を生成する可能性があり、これは、所望されるものよりも凝集した稠密な生成物である。したがって、所望の結果を最適化するためにバランスをとることが必要であり、当業者は、本明細書の説明及び以下に記載される実施例に基づいて行うことができる。
以下の実施例は、本発明の方法を例示することを目的として提供され、本発明の方法を限定することを意味するものではない。
実施例に使用された材料として、フュームドSiO(Cab−O−Sil、HS−5、310m−1)、NaOH(99.995%、Sigma Aldrich)、FAU(CBV780、Zeolyst、H−FAU、Si/Al=40)、FAU(CBV712、Zeolyst、NH−FAU、Si/Al=6)、BEA(CP811E−75、Zeolyst、H−BEA、Si/Al=37.5)、BEA(CP814E、Zeolyst、NH−BEA、Si/Al=12.5)、及び、臭化テトラプロピルアンモニウム(TPABr、98%、Sigma Aldrich)が挙げられ、これらは受け取った状態で使用された。
種結晶
一般的な合成において、水649g、1mol dm−3NaOH(Baker Reagent)740g、臭化テトラプロピルアンモニウム(Kodak Chemicals)98gをLudox AS−30コロイダルSiO(Dupont)872gに添加した。次いで合成混合物をハステロイでライニングされたステンレス鋼製オートクレーブ(3.8dm)に移し、圧力試験を行い、対流式オーブン内で回転(78rpm)の下、423Kで4日間保持した。4日後、オートクレーブを冷却し、結果として得られた個体をろ過により回収し、洗い流した液体のpHが7〜8に達するまで脱イオン水(抵抗率17.9MΩ・cm)で洗浄した。結果として得られた生成物は、Si/Al〜300(誘導結合プラズマ原子発光分光法(ICP−AES)分析による)、及び〜6μmサイズのゼオライト結晶(透過型電子顕微鏡(TEM)による)を有する結晶質MFIであった(粉末X線回折(XRD)により確認された)。これらのMFI種結晶(S)は、他に言及されない限り、FAUからMFIへの種結晶介在ゼオライト転換に使用された。MFI(S)は、Al(OH)(53%Al、Reheis−F2000乾燥ゲル、0.44g)を、脱イオンHO(38g)、水酸化テトラプロピルアンモニウム(TPAOH、40重量%、Sigma Aldrich、7.5g)、及びKOH(脱イオン水HO中の1M溶液、Fisher,15g)を含有する溶液中に溶解することによって合成した。Ludox AS−30コロイダルシリカ(18g)を溶液に添加し、次いで混合物をテフロン(登録商標)でライニングされたステンレス鋼製オートクレーブ(Parr、125cm)に移し、静的条件下で、423Kで3日間保持した。結果として得られた固体を、フリットディスクブフナー漏斗(Chemglass、150ml、F)を通してろ過により回収し、洗い流した液体のpHが8〜9に達するまで脱イオン水(抵抗率17.9MΩ・cm)で洗浄し、試料を373Kで一晩、対流式オーブン内で加熱した。本実施例では、種結晶として使用した材料は、CHA、STF、及びMTWゼオライトに関して先に記載した合成手順を用いて調製した。
(1)Zones S. I.、US8,007,763B2、2011年8月30日;(2)Musilova−Pavlackova S.、Zones S. I.、Cejka J.、Top. Catal.、2010年、53巻、273頁;(3)Jones A. J.、Zones S. I.、Iglesia E.、J. Phys. Chem. C、2014年、118巻、17787頁参照。
(例1)
一般的な合成において、NaOH水溶液にゼオライトBEA又はFAUを添加(0.5〜1.0g)し、ここにMFI種結晶又は構造規定剤(TPABr)を添加し、下記表1に記載されるモル組成を有する最終混合物を調製した。これらの混合物を密封されたポリプロピレン容器(Nalgene、125cm)内に入れ、環境温度で1時間、マグネチックスターラーで激しく攪拌(400rpm;IKA RCT Basic)することにより均質化した。次いで混合物をテフロン(登録商標)でライニングされたステンレス鋼製オートクレーブに移し、静的条件下で、423Kで24〜40時間保持した。結果として得られた固体を、フリットディスクブフナー漏斗(Chemglass、150ml、F)を通してろ過により回収し、洗い流した液体のpHが8〜9に達するまで脱イオン水(抵抗率17.9MΩ・cm)で洗浄した。試料を373Kで一晩、対流式オーブン内で加熱した。結果として得られた生成物の固体収率を、以下の数式(1)として定義した。
次いで、試料を管状炉内で、乾燥空気流(1.67cm−1−1)中、0.03Ks−1で773Kに処理し、この温度で3時間保持した。直接ゼオライト転換(−D)、テンプレート介在(template−assisted)ゼオライト転換(−T)、及び種結晶介在(seed−assisted)ゼオライト転換(−S)における、処理後の試料を、BEAから合成した場合はMFI−D、MFI−T、MFI−Sと、FAUから合成した場合はMFI−D、MFI−T、MFI−Sと、それぞれ表した。
(例2)
CHA、STF、及びMTWゼオライトの合成は、親ゼオライトとしてのFAUのゼオライト転換によって達成された。xNaOH:1.0SiO:0.0125Al:95.0HO(x=0.50、0.68、0.85)のモル組成を達成するために、NaOH水溶液にFAU(0.5〜1.0g)を添加し、ここに10重量%(親FAUに基づく重量%)の種結晶(CHA、STF、又はMTW)を添加し、下記表2に記載されるモル組成を有する最終混合物を調製した。これらの混合物を密封されたポリプロピレン容器(Nalgene、125cm)内に入れ、環境温度で1時間、マグネチックスターラーで激しく攪拌(400rpm;IKA RCT Basic)することにより均質化した。次いでこれらの混合物をテフロン(登録商標)でライニングされたステンレス鋼製オートクレーブに移し、静的条件下で、所望の結晶化温度(423K、428K、又は433K)で40時間保持した。結果として得られた固体を、フリットディスクブフナー漏斗(Chemglass、150ml、F)を通してろ過により回収し、洗い流した液体のpHが7〜8に達するまで脱イオン水(抵抗率17.9MΩ・cm)で洗浄した。試料を373Kで一晩、対流式オーブン内で加熱した。次いで、試料を管状炉内で、乾燥空気流(1.67cm−1−1)中、0.03Ks−1で873Kに処理し、この温度で3時間保持した。CHA、STF、及びMTWの種結晶を用いてFAUのゼオライト転換を介して合成され、結果として得られた処理後の試料を、CHA−S、STF−S、MTW−Sとそれぞれ表した。
これらのゼオライトのH型の合成のために、処理したNa型ゼオライトを、353Kで4時間撹拌しながらNHNO水溶液に添加した。このプロセスをさらに2回繰り返してNH−ゼオライトを回収し、これを管状炉内で、乾燥空気流(1.67cm−1−1)中、0.03Ks−1で873Kに3時間処理してH−ゼオライトを生成させた。
(例3)
生成物ゼオライトの同一性及び相純度は、粉末XRD測定(CuKα放射λ=0.15418nm、40kV、40mA、Bruker D8 Advance)によって実証された。回折像は、2秒の走査時間で0.02°間隔で5〜35°の2θ値について収集した。試料のSi、Al、及びNa含量は、ICP−AES(IRIS Intrepid spectrometer;Galbraith Laboratories)によって測定した。TEM画像は、120kVで操作されるPhilips/FEI Tecnai 12顕微鏡で撮影した。TEM分析の前に、試料をエタノール中に懸濁させ、400メッシュのCuグリッド(Ted Pella Inc.)上に支持された極薄炭素/ホーリー炭素フィルム上に分散させた。ゼオライト生成物のアルゴン(Ar)吸着−脱着測定を、87Kで、Quantachrome Autosorb−1で実施した。測定の前に、すべての試料を、真空下、623Kで4時間脱気した。最終pH値は、Orion Star A215メーター(pH 7.00、10.01及び12.00の緩衝液を用いて較正)を用い、Orion Ross組合せ電極(Orion 8103BNUMP)を使用して、周囲温度で測定した。
(例4)
低いSi含量(Si/Al=12.5)を有する親BEAゼオライトは、水熱条件下、423Kで、NaOH水溶液(NaOH/SiO=0.35、HO/SiO=65;表1)中で、非晶質固体のみを形成した(X線回折図;図1(a))。これは、明らかに、MFI骨格は、高いSi/Al含量のゲル中で優先的に形成されるため、MFI中の豊富な5員環は、高いAl含量を嫌うからである。
しかしながら、MFI結晶は、423Kの自生圧力下、NaOH水溶液中(NaOH/SiO=0.35、HO/SiO=65;表1)で、低いAl含量を有する親BEAゼオライトから容易に形成された(Si/Al=37.5;(X線回折図;図1A(、収率46%(式1);表1)。興味深いことに、この転換は、いかなる種結晶又はOSDAの存在を必要とすることなく、自発的に起こった。MFI生成物のSi/Al比(Si/Al=22;表1)は、親BEAのSi/Al比(Si/Al=37.5)よりもずっと低く、固体収率は46%であり(表1)、親BEA中のAlのほぼ全てが生成物MFIに取り込まれたが、一部のSiOは溶液中に溶解したままであった。結晶性MFIは、親BEA(Si/Al=37.5)の転換から得られた(テンプレート介在(TPABrを用いる)及び、種結晶介在(10重量%のMFI種結晶を用いる)からの両方について、X線回折図;図1A()及び図1A(、47%収率(式1))。したがって、高Si含量(Si/Al=37.5)の親BEAは、MFI骨格を好むような親BEAにおけるSi/Al比で、MFI種結晶又はOSDAの個々の存在下で、MFIに自発的に転換されたと結論付けることができる。
親BEA及び生成物MFIの骨格構造及びコンポジットビルディングユニット(CBU)は、共通のmor構造モチーフを含むことに留意されたい。したがって、BEA中に存在し、MFI形成に必要とされるCBUは、BEAからMFIへの転換の間、BEA由来の中間体内で基本的に元のままである(remains intact)という説明が妥当であると思われる。このCBUはMFIの局所的な核生成を補助し得、且つそうすることで固有の速度論的な障害を最小化し、その結果、種結晶又はOSDAがなくてもBEAのMFIへの転換を可能とする。この共通CBUは、子構造の核を形成するための速度論的メディエータとしての役割を果たし、共通CBUを含有するゼオライトは、それらがゼオライトの熱力学的傾向によって決定づけられる方向に転換することを妨げる速度論的障害を乗り越え、より大きい骨格密度を有する構造を形成できる可能性があることを示す。MFIゼオライトは、親BEAゼオライトから24時間後に得られ(図1)、一方で、非晶質アルミノシリケートゲルからの水熱MFI合成は、OSDAの有無にかかわらず、一般的には2〜15日を要する。したがって、BEA構造の存在は、おそらくMFIを有するその共通のCBUのために、核生成がより迅速であることに起因して合成時間を短縮する。
(例5)
Si/Al比が6及び40の親FAUゼオライトは、水熱の水性NaOH環境(NaOH/SiO=0.5、HO/SiO=95;表1)において、423Kで、非晶質固体のみを与えた(X線回折図;図1B(a)及び図1B()。これは、おそらく、共通のCBUが欠如しているため、熱力学的に有利(FAU、FD13.3;MFI、FD18.4)であるにもかかわらず克服できない速度論的な障害と一致する。しかし、FAU(Si/Al=40)を同様の水熱環境で処理したものの、合成混合物中にMFI種結晶を含む場合は、MFIが形成された(X線回折図;図1B()及び図1B(、それぞれ収率58%及び47%(式1);表1)。これらの結果は、そのような速度論的な媒介(kinetic mediation)がない場合でもMFIを形成する、BEA前駆体の能力と対照的である。親FAUゼオライトの場合には、好ましいMFI構造の核生成を助けるために種結晶が必要である。
図2A、図2B、図2C及び図2Dは、異なる結晶サイズの2つのMFI種結晶のTEM画像(6μm;種結晶S;図2、及び、0.2μm;種結晶S;図2)、並びにこれらの種結晶をそれぞれ用いてFAU親ゼオライトから形成されたMFI生成物のTEM画像(それぞれ、図2及び図2)を示す。晶癖及びサイズは、種結晶S用いた場合(TEM、図2)と種結晶Sを用いた場合(TEM、図2)とで類似しており(〜0.7μmの直径)、種結晶MFIを用いた場合(TEM、図2及び図2)とは著しく異なる。種結晶MFIを用いた場合は、それらが親FAU結晶からの核生成を媒介するので、元のまま(remain intact)ではない。これらの種結晶は、元の核生成部位としては機能せず、その代わりに、非晶質アルミノシリケートゲルからの種結晶介在水熱合成の間の均一な核生成及び成長の場合のように、CBU又は小さな断片(fragment)を提供する。その生成物結晶は、種結晶S(〜6μmの結晶、図2)よりも実際に小さく(〜0.7μmの結晶、図2)、種結晶上にMFI結晶をエピタキシャル成長させることは不可能である。
FAU回折線は、合成時間4時間の後に消失したが、一方でその後、MFI線は常に検出可能であった(4〜40時間;図3)。回折図(図3A〜図3F;2θ=20〜30°)における非晶質のバックグラウンドは消失し、MFI回折線が、24時間後の唯一の識別可能な特徴であった。これらのデータは、FAU結晶が、NaOH媒体中で、ある時間スケールで長距離秩序を失うことを示すが、それでも依然としてMFI種結晶の同一性は保持されおり、FAU親構造のMFIへの最終的な再結晶化のための必須成分を提供する。MFI結晶のサイズ及び形状は、MFIへの種結晶介在FAU転換から形成されたものであって、合成中に著しく変化せず(4〜40時間;TEM;図4)、親FAUゼオライトのサイズ及び形状と似ている(TEM;図4)。MFI平均結晶サイズは、FAU親ゼオライトよりわずかに大きいだけである(結晶サイズヒストグラム;図5)。これは、種結晶介在成長と一致している。この種結晶介在成長においては、FAU構造が膨張して局所的な秩序のない構造を形成し、MFI種結晶からの砕けたMFI断片が、その外表面にMFI骨格の核生成を誘発し、そうして、親結晶の晶癖及びサイズを保持する外皮を固定する(図13参照)。
このような体積を保存する(擬似的な)転換は、種結晶の断片と、FAUドメインの局所的に破壊された外表面との、そうでなければ、元のFAUのドメイン(これらのFAUのドメインの外側から内側の領域までMFIは核化される)との排他的接触を反映している。これらのプロセスの擬似的な性質は、FAUからMFIへの転換に固有の骨格密度の増加を説明するために、空隙の核生成を必要とする。図13に示されているメカニズムの仮説は、良好な転換のためには、FAU構造の局所破砕と、MFI種結晶からの核生成断片の脱落との同期が必要であることを示唆している。高シリカMFI生成物を形成するための高シリカFAU親ゼオライトに必要な要件は、このような同期化と関係している。
MFI種結晶を用いたFAUの転換から合成された生成物のAr吸着及び脱着測定(40時間後)(図6)によれば、P/Po値が0.4の後のヒステリシスを示し、これはサンプル中のメソ細孔の存在を示している 。典型的なゼオライト合成条件においてヒドロゲル成分との反応からMFIを成長させた場合には、生成物のAr吸着−脱着曲線にヒステリシスは観察されなかった。したがって、これらのArの吸着 - 脱離測定から、MFI生成物中のメソ細孔の存在を確認する。これは、メソ細孔が、ワンポット合成によって形成され、脱シリル化のような後合成処理を必要とせず、 典型的にはメソ細孔を形成するために使用される。このようなメソ細孔は、元の結晶では広く知られているように拡散距離を減少させるので、実際に有用である。
FAU由来の種結晶はその物理的完全性を保持する。そして、目的とする生成物の構造の初期核生成が、MFI種結晶に由来する破砕されたサブユニット又はCBU種によって、親結晶の外側領域で起こり、それらは、FAU由来ドメインのMFI結晶への転換を助けるのに必要な局所的なMFI構造を保持する。この転換の空間を維持する性質は、形成されたMFI結晶内のメゾスコピックな空隙の核生成を必要とする。なぜなら、それらの骨格密度が、親FAUの骨格密度よりも高いからである。
(例6)
BEAからMFIへの転換は、いかなる顕著な速度論的障害も伴わずに、MFI種結晶がなくても、自発的に起こる。一方で、MFI種結晶は、共通のCBUが存在しない場合に必要とされ、FAUをMFIに転換して、速度論的媒介を提供するのに有用である。したがって、BEAとFAUの混合物は、種結晶なしで、MFI種結晶のその場(in−situ)生成によって、又はBEAのmor構造単位(MFIに共通)を介した支援によって、MFIに転換することが可能である、というのが妥当である。
MFI生成物は、予想通り、10重量%のMFI種結晶を含む50〜50重量%のFAU−BEA混合物の転換において得られ(X線回折図;図7)、また、MFI種結晶が存在しない場合の直接転換においても同様であった(X線回折図;図7)。さらに、MFI生成物は、90〜10及び95〜5重量%の転換において得られた。種結晶なしの場合のFAU−BEA混合物(X線回折図;図7)は、BEA又はFAUのみの転換で観察される収率(46%〜47%、表1)と同様の収率(46〜48%)であった。
このデータは、BEAが、FAUからのMFIの核生成を支援し得ることを示唆しており、その支援は、mor構造単位(MFIに共通)を提供することにより、又は、BEAの直接転換からのMFI種結晶のその場生成により、それらのいずれかによって達成される。
これらの結果は、ゼオライト転換手順の実用的な用途を示唆しており、それは、合成中にその場で所望の種結晶を生成することができる供給源が存在する限り、高価な種結晶又はOSDAは必要とされないからである。さらに、これらの結果は、提案された合成指針と一致しており、これは、生成物又は生成物種結晶に共通するCBUの存在が、合成において、親構造よりも稠密で熱力学的に好ましいゼオライトの合成のための速度論的な障壁を克服するのに役立つことを示唆している。
(例7)
FAU(Si/Al=40)は、種結晶の非存在下で非晶質固体に転換した(0.5NaOH:1.0SiO:0.0125Al:95HO;表1)。例5において先に記載したように(X線回折図;図1A及び図1B)、これは、所望の結晶生成物を得ることができるように合成条件を最適化する必要があることを示している。しかし、このような最適化がない場合は、合成においてCHA種結晶を使用して、CHA生成物を形成すべきである。実際に、CHAゼオライト(Si/Al=19)が、10重量%のCHA種結晶を使用して(0.5NaOH:1.0SiO:0.0125Al:95HO;表2)423Kで40時間の合成を行い、親FAUの転換によって、形成された(X線回折図;図8)。合成条件(CHA種結晶あり)は、BEA又はFAUからMFIへの転換で使用されたものと同じである。得られた生成物の固体収率は46%であり(表2)、これはFAU又はBEAの種結晶介在転換によって合成されたMFIのもの(46〜47%;表1)とほぼ同じであった。しかしながら、得られた生成物は、20〜30度の2θ範囲で広いバックグラウンドシグナルによって示されるいくつかの非晶質固体を含むようであり(図8)、CHA種結晶と親FAUとが不適切に同期して分解していること示唆している。これは明らかに、CHA種結晶のSi含量(Si/Al=15)が、MFI種結晶のSi含量(Si/Al〜300)よりも低いためであり、これを高めれば、CHAは合成条件(表2)で分解しにくくなる。
NaOH/SiO比が0.68のCHA生成物もまた形成された(図8)。これらの生成物の結晶化度(66%;表2)は、NaOH/SiO比が0.50で合成した生成物の結晶化度(50%;表2)よりも高かった。これは、おそらく、合成ゲルのNaOH/SiO比が高くなり、且つ、親FAU及びCHA種結晶材料の溶解度を増加させる高い溶液pHに起因して、CHAの分解とFAUの再構成がより良好に同期化したためであろう。固体収率(表2)については46%から25%に減少し、それにより生成物のSi/Alが生成物のSi/Al比が19から11になった。これも、高い合成pHのためである(そのようなpHでは、溶解度が高いためにSi種は溶液中に存在しやすい)。NaOH/SiO比をさらに0.85に増加させると、副産物としてCHA(図8)と共にMOR相が形成された。これは、合成ゲルの非常に高いNaOH濃度によって、親又は種材料の迅速な溶解に起因する溶液中の複数の相の迅速な核生成を引き起こし、その後、それらの急速な結晶成長を引き起こすことを示している。したがって、非常に高いNaOH/SiO比は、これらの方法による純粋なゼオライト相の形成にとって望ましくない。したがって、高シリカCHA(Si/Al=11)の合成は、開発された合成指針を用いて、CHA種結晶を用いたFAUの転換から達成された。しかしながら、より高い結晶性のCHAを得るためには、合成パラメータをさらに最適化する余地がある。10重量%のCHA種結晶を含む同様の合成条件(0.68NaOH:1.0SiO:0.0125Al:95HO)下での非晶質アルミノシリケートゲルは、わずか6%の収率を有する生成物としてCHA及びMORゼオライトの混合物をもたらした(図S1)。これにより、これらの転換において親FAUゼオライトは完全には溶解せず、非晶質アルミノシリケート種を形成することが確認された。その結果を図12に示す。
(例8)
STF及びMTWゼオライトを、NaOH水溶液中で、親FAUの転換から形成した(X線回折図;図9)。この形成には、それぞれSTF及びMTW種結晶を用いて、423K、40時間の合成を行い(0.5NaOH:1.0SiO:0.0125Al:95.0HO;表2)、合成条件はFAUからMFIへの転換に使用したものと同じ条件とした。しかし、得られた生成物は、結晶化度が低く、このことは、回折図(図9A及び図9B)中の非晶質固体の広いバックグラウンドによって示されている。したがって、合成ゲルのNaOH/SiO比を、0.50〜0.85に変化させた。結果は、CHAと同様に、STF及びMTWゼオライトについて達成され、NaOH/SiO比が0.68の場合に、純粋な所望のゼオライト相の最も高い結晶化度をもたらした(X線回折図;図9A及び図9B)。高シリカSTF(Si/Al=20)及びMTW(Si/Al=30)の生成物が、FAU(0.68NaOH:1.0SiO:0.0125Al:95.0HO;表2)の転換から形成され、固体収率はそれぞれ26%及び29%であった(表2)。これらは、同じ合成条件(Si/Al=11.25%収率、表2)でFAUから形成したCHAのものと類似している。STF及びMTW試料の結晶化度はそれぞれ78%及び60%であった(表2)。
STF種結晶を用いたFAUの転換における、合成温度の423Kから428Kへの増加は、生成物の結晶化度に有意な影響を及ぼさなかった(X線回折図、図10)。このことは、同じ合成時間(40時間)後に形成されて得られた生成物の回折線強度、収率及びSi/Al比の変化が検出されないこと(表2)によって示されている。しかしながら、合成温度の428Kから433Kへの更なる増加は、より稠密なゼオライト構造であるMFIへの転換を促進した(X線回折図、図10)。このことは、これらの転換からの生成物が速度論的に捕捉されている(kinetically trapped)ことを示唆している。生成物の速度論的捕捉の仮説は、合成の時間を長くすることによっても確認された。これはまた、より密な構造への転換をさらに促進するはずである。MFI、CHA、STF又はMTW種結晶を用い、FAUを転換して得られた生成物は、時間の経過と共により稠密な構造に転換され、合成の10日間後に稠密なゼオライト相の混合物をもたらした(X線回折パターン;図11)。このデータにより、ある特定の合成条件の組合せに対して、ゼオライト転換の生成物は速度論的に捕捉された構造であること、及び、これらの構造は、時間又は温度と共に、熱力学的により安定した構造(より稠密な相)に転換することが確認される。これらの転換は、一纏めに捉えると、親ゼオライトのSi/Al比、合成ゲルのNaOH/SiO比、並びに、温度及び時間が、それぞれ、高シリカゼオライトの再構成と形成のための能力を決定すること、親及び種結晶の同期した分解を確実にすること、並びに、所望の構造を速度論的に捕捉すること、に対して、重要な役割を果たすことの証拠を提供する。高シリカCHA、STF及びMTWゼオライトの合成は、合成ガイドラインの妥当性を支持する。しかしながら、より高結晶性の生成物を形成するためには、合成する組成物及び合成条件のさらなる最適化が必要とされる。本発明者らは、高シリカゼオライトの合成のための開発されたゼオライト転換手順が、それらの骨格密度及びCBU成分に基づいて、異なる骨格、空隙環境及び骨組組成のゼオライトに、さらに拡大され得ることを期待する。この方法は、OSDAなしでゼオライトを合成するだけでなく、ゼオライト細孔に対する反応物質の接近性を改善することが知られているメソ多孔性の結晶を形成し、これにより反応の回転率を高め、反応選択性を調整する可能性がある。
要約すると、OSDAフリーのゼオライト転換を介して、有用な高シリカゼオライト、例えばMFI、CHA、STF及びMTWを合成する方法が提供されている。低い骨格密度の親ゼオライト(例えば、FAU又はBEA)を、水性NaOH中で、水熱条件で再結晶化することにより、より高い骨格密度の子ゼオライト(例えば、MFI、CHA、STF及びMTW)に転換することができる。良好な転換のためには、速度論的な障害を克服する必要があり、一方で、微小孔質固体の熱力学的傾向を利用しながら骨格密度を高めることが必要である。BEAからMFIへの転換は、有意な速度論的障害及び熱力学的障害なしに、自発的に起こりうるが、その一方で、FAUから、MFI、CHA、STF及びMTWへの転換は、生成物種結晶を必要とし、これらの場合には十分な速度論的駆動力がないことを示唆している。シード介在型ゼオライト転換は、本質的に仮像であることが提案された。そのような転換は、親結晶が占有する体積を維持し、生成物ゼオライトにおいて同様のサイズ及び結晶形状をもたらす。新しい構造の初期核生成は、膨潤した親結晶の外側領域で起こり、擬似転換及び子骨格密度の高密度の空間維持性に基づき、転換中のメソ多孔性の核生成につながる。良好な転換はまた、親結晶の緩みと種結晶の破砕との同期を必要とするようであり、その不在は非晶質の固体につながる。合成メカニズム及び開発されたガイドラインは、所望のゼオライトの合成条件を設計することを可能にし、これらの方法によって合成することができるゼオライトの骨格タイプの多様性を拡大する。
特に、本方法は、Si/Alが約7以上、さらには10以上の、安定な、OSDAを含まないゼオライトを製造することを可能にする。先行技術では、合成において、SDAなしで、Si/Alが6以下の材料の製造を例示しているが、ゼオライト生成物中の空隙を満たすSDAなしでは、より高いSi/Alでの生成物は安定ではない。なぜなら、全体のアルミニウム含量が低下するにつれて、そのように空隙を満たす水和カチオンがほとんどないからである。より高いSi/Al生成物は、通常、構造中により多くの5環構造を有するが、この構造はアルミニウムを好まない。一方で、本発明の合成は、合成において可溶性SDAを使用せずに10より大きいSi/Alを有する安定なゼオライトを製造することを可能にする。例えば、SSZ−35はSDAフリーとすることができる。このようなSSZ−35には5環が備えられており、25に近いSi/Alを有する。したがって、本発明の合成は、高シリカゼオライトを合成するための、より容易でコスト効果の高い方法を提供する。
上記の明細書、実施例及びデータは、本発明の方法について完全な説明を提供する。本発明の多くの追加の実施形態は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく行うことができるため、本発明は、ここに提供される特許請求の範囲に属する。

Claims (19)

  1. Si/Al比が少なくとも10であるゼオライトを調製する方法であって、
    (a)第1のゼオライトを提供する工程、及び
    (b)有機構造規定剤(OSDA)非存在下で、第1のゼオライトを、第1のゼオライトよりも高い骨格密度を有し、且つSi/Al比が少なくとも10である第2のゼオライトに転換する工程
    を含む、上記方法。
  2. 転換前又は転換中に、第2のゼオライトの種結晶を第1のゼオライトに添加する、請求項1に記載の方法。
  3. 転換が、水熱合成により達成される、請求項1に記載の方法。
  4. 転換が、塩基性溶液中で達成される、請求項1に記載の方法。
  5. 塩基性溶液のpHが、7より大きく13までの範囲である、請求項4に記載の方法。
  6. 塩基性溶液のpHが、7より大きく11までの範囲である、請求項5に記載の方法。
  7. 転換の温度が、第1のゼオライトの結晶化温度を超える、請求項3に記載の方法。
  8. 転換の温度が、約130℃から約160℃の範囲である、請求項1に記載の方法。
  9. 第2のゼオライトのSi/Al比が、11から25の範囲である、請求項1に記載の方法。
  10. 第2のゼオライトのSi/Al比が、少なくとも40である、請求項1に記載の方法。
  11. 第1のゼオライトが、BEA又はFAUを含む、請求項1に記載の方法。
  12. 第2のゼオライトが、MFI、CHA、STF又はMTWゼオライトを含む、請求項1に記載の方法。
  13. 第2のゼオライトが、ZSM−5、SSZ−35、ZSM−12、又はチャバザイトを含む、請求項1に記載の方法。
  14. 第1のゼオライトが、Si/Al比が少なくとも10であるFAUを含む、請求項1に記載の方法。
  15. 転換工程の時間が、約10時間から約80時間の範囲である、請求項1に記載の方法。
  16. 転換工程が、50を超えるHO/SiO比を有する溶液中で行われる、請求項1に記載の方法。
  17. 転換工程が、0.25〜1.00の範囲のNaOH/SiO比を有する溶液中で行われる、請求項1に記載の方法。
  18. 第1のゼオライトがBEA又はFAUを含み;
    第2のゼオライトがMFI、CHA、STF又はMTWゼオライトを含み;
    転換工程の時間が、約10時間から約80時間の範囲であり;
    転換工程が、50を超えるHO/SiO比を有し、且つ0.25〜1.00の範囲のNaOH/SiO比を有する溶液中で行われる、
    請求項1に記載の方法。
  19. 第1のゼオライトが、Si/Al比が少なくとも10であるFAUを含む、請求項18に記載の方法。
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