JP2021172529A - Type-a zeolite single crystal, and method of producing the same - Google Patents

Type-a zeolite single crystal, and method of producing the same Download PDF

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Abstract

To provide a type-A zeolite single crystal with a length of one side thereof being 100 μm or longer, and a method of producing the same.SOLUTION: The synthesis of a type-A cubic zeolite single crystal with a length of one side thereof being 100 μm or longer, can be produced by optimizing the composition of a type-A zeolite synthesis solution. A large-sized type-A zeolite single crystal is expected to develop a novel application of a type-A zeolite, such as a sensor and an electronic device.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、A型ゼオライト単結晶およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an A-type zeolite single crystal and a method for producing the same.

多孔質結晶であるゼオライトは、天然品と合成品に大別され、合成ゼオライトにはその組成や構造の違いにより、例えばA型、X型、Y型、L型などがあり、分子ふるい、ガス吸着、イオン交換、固体酸触媒等、産業と密接した機能・特性を有している。100種以上の骨格構造種が知られているゼオライトの中で、A型ゼオライトは、結晶サイズが10μm以下の粉末として通常、合成・利用されている。A型ゼオライトは、Al、Si、Oによる共有結合性骨格を形成し、図1に示すようにナノサイズの細孔が規則的に配列している構造を有している。また、イオン交換特性、ガス吸着特性を有し、これらの特性を応用し、洗剤用ビルダーや除湿機等のガス吸着剤として利用されている。 Zeolites, which are porous crystals, are roughly classified into natural products and synthetic products. Synthetic zeolites are classified into, for example, A-type, X-type, Y-type, and L-type, depending on their composition and structure, and are molecular sieves and gases. It has functions and characteristics closely related to industry, such as adsorption, ion exchange, and solid acid catalyst. Among zeolites for which more than 100 kinds of skeletal structure species are known, type A zeolite is usually synthesized and used as a powder having a crystal size of 10 μm or less. The A-type zeolite forms a covalent skeleton composed of Al, Si, and O, and has a structure in which nano-sized pores are regularly arranged as shown in FIG. In addition, it has ion exchange characteristics and gas adsorption characteristics, and by applying these characteristics, it is used as a gas adsorbent for detergent builders, dehumidifiers, and the like.

結晶サイズがより大きなA型ゼオライトの単結晶は、ガスセンサーや電子デバイス等の新規な用途への展開を図るために欠かせないと期待されている。1971年にCharnellによる最初の単結晶合成報告(非特許文献1)以来、その合成法を改良した単結晶サイズを増大する試みが国内外で行われ、その結果、Al源、Si源、アルカリ源以外に、合成溶液に添加するトリエタノールアミン(N(C24OH)3、以下、「TEA」ともいう。)の添加量に、得られる結晶サイズが依存し、TEAの添加量を増すと結晶サイズが増大することが示された(非特許文献2)。しかしながら、より大きいA型ゼオライト単結晶は、宇宙空間(微小重力環境)での合成により、最大85μmの立方体の単結晶が得られたという報告(非特許文献3)の他にはなされていない。ちなみに、同じ組成の合成溶液を用いて地上で合成すると、50μmとなることが報告されている。 Single crystals of A-type zeolite, which have a larger crystal size, are expected to be indispensable for developing new applications such as gas sensors and electronic devices. Since the first single crystal synthesis report by Charnell in 1971 (Non-Patent Document 1), attempts have been made at home and abroad to increase the single crystal size by improving the synthesis method, and as a result, Al source, Si source, and alkali source. In addition, the amount of triethanolamine (N (C 2 H 4 OH) 3 , hereinafter also referred to as "TEA") added to the synthetic solution depends on the obtained crystal size, and the amount of TEA added is increased. It was shown that the crystal size increased (Non-Patent Document 2). However, there is no report other than the report (Non-Patent Document 3) that a larger A-type zeolite single crystal was obtained by synthesis in outer space (micro-gravity environment) to obtain a cubic single crystal having a maximum length of 85 μm. Incidentally, it has been reported that when synthesized on the ground using a synthetic solution having the same composition, the thickness becomes 50 μm.

TEAの過剰な添加は、競合する結晶相であるX型ゼオライトの生成を容易にするため,目的とするA型ゼオライトの生成を阻害する欠点となることも、85μmという結果を超えるサイズのA型単結晶の合成に至っていない理由の一つである。他にも、合成溶液中のSi源、Al源の比率(SiO2/Al23比)を高めたり、合成溶液を調製する際のAl源、Si源の混合温度を下げる方法が報告(非特許文献4)されているが、今のところA型ゼオライトでは、一辺が35〜40μmの単結晶しか得られていない。 Excessive addition of TEA facilitates the formation of X-type zeolite, which is a competing crystalline phase, and thus has a drawback of inhibiting the formation of the desired A-type zeolite. This is one of the reasons why single crystals have not been synthesized. In addition, a method of increasing the ratio of Si source and Al source in the synthetic solution (SiO 2 / Al 2 O 3 ratio) and lowering the mixing temperature of Al source and Si source when preparing the synthetic solution has been reported ( Although Non-Patent Document 4), so far, only a single crystal having a side of 35 to 40 μm has been obtained for type A zeolite.

また、特許文献1には、X型ゼオライトの45〜70μmの単結晶の製造方法が記載され、特許文献2、3には、500μm以上のサイズを有するゼオライト単結晶、およびその合成法が記載されている。しかしながら、特許文献2、3には、合成されたゼオライトの化学組成、結晶構造、形(板状・針状・球状等)を同定する実験結果等が開示されておらず、多様な結晶構造、化学組成を有するゼオライトの中で、具体的にどのゼオライトの巨大単結晶が得られたのか、不明である。
ちなみに、特許文献2の実施例の追試を試みたところ、その生成物の粉末X線回折パターンは非特許文献5に記載されるアナルサイム(Analcime)[化学式:Na16Al16Si3296・(H2O)16、結晶構造情報:空間群Ia-3d、格子定数 a=1.373nm]のそれに完全一致し、A型ゼオライドではないことが判明した。
Further, Patent Document 1 describes a method for producing a single crystal of X-type zeolite having a size of 45 to 70 μm, and Patent Documents 2 and 3 describe a zeolite single crystal having a size of 500 μm or more and a method for synthesizing the same. ing. However, Patent Documents 2 and 3 do not disclose the chemical composition, crystal structure, experimental results for identifying the shape (plate-like, needle-like, spherical, etc.) of the synthesized zeolite, and various crystal structures, It is unclear which of the zeolites having a chemical composition specifically obtained a giant single crystal.
Incidentally, when a follow-up test of the examples of Patent Document 2 was attempted, the powder X-ray diffraction pattern of the product was found in Analcime described in Non-Patent Document 5 [Chemical formula: Na 16 Al 16 Si 32 O 96 · ( H 2 O) 16 , crystal structure information: space group Ia-3d, lattice constant a = 1.373 nm], and it was found that it was not A-type zeolide.

特許第2642893号公報Japanese Patent No. 2642893 特許第3718534号公報Japanese Patent No. 3718534 特開平11−157998号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-157998

J. Cryst. Growth (1971) Vol.8, p.291-294J. Cryst. Growth (1971) Vol.8, p.291-294 Zeolites (1990) Vol.10, p.44-50Zeolites (1990) Vol.10, p.44-50 J. Cryst. Growth (2000) Vol.220, p.140-149J. Cryst. Growth (2000) Vol.220, p.140-149 Microporous Mesoporous Mater. (2006) Vol.90, p.53-61Microporous Mesoporous Mater. (2006) Vol.90, p.53-61 Collection of simulated XRD powder patterns for zeolites (4th revised edition),Elsevier, Amsterdam (2001) pp. 50-51Collection of simulated XRD powder patterns for promotings (4th revised edition), Elsevier, Amsterdam (2001) pp. 50-51

本発明は、ガス吸着剤、イオン交換剤、触媒としてだけでなく、ガスセンサー、電子デバイス等にも使用できる大きなサイズのA型ゼオライト単結晶を提供することを課題とする。また、本発明は、そのような大きなサイズのA型ゼオライト単結晶の製造方法を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a large-sized A-type zeolite single crystal that can be used not only as a gas adsorbent, an ion exchanger, and a catalyst, but also as a gas sensor, an electronic device, and the like. Another object of the present invention is to provide a method for producing such a large size A-type zeolite single crystal.

多孔質結晶のゼオライトは、通常数μm程度の結晶が集まった粉末として合成されるため、その用途はイオン交換剤やガス吸着剤、触媒などの化学産業に向けたものが主であった。ゼオライト単結晶の合成は、A型以外では複数の結晶構造・組成に対して知られており、大きな単結晶物質は、電子デバイスなどの創製における基盤となる。
A型はゼオライトの中でも最も合成され,利用されているものの一つであるが、大きなサイズの単結晶合成は困難を極めている。A型ゼオライトを、従来用途に留まらず、電子デバイスなどの新規用途に用いるために、地上の重力環境下で更に大きく合成する方法,およびその方法から得られる単結晶は非常に重要である。
Since porous crystalline zeolite is usually synthesized as a powder in which crystals of about several μm are gathered, its use is mainly for the chemical industry such as ion exchangers, gas adsorbents, and catalysts. The synthesis of zeolite single crystals is known for a plurality of crystal structures and compositions other than type A, and large single crystal substances are the basis for the creation of electronic devices and the like.
Type A is one of the most synthesized and used zeolites, but it is extremely difficult to synthesize large-sized single crystals. In order to use A-type zeolite not only in conventional applications but also in new applications such as electronic devices, a method for synthesizing a larger zeolite under the gravitational environment on the ground and a single crystal obtained from the method are very important.

本発明者は、合成溶液調製時の構成原料比について、既報の合成条件にはとらわれない、最適化された合成条件を探求して鋭意研究を行った。その結果、最大結晶サイズを増大させ、かつ合成溶液から得られる粉末結晶相を単相とするための好適な合成条件を見出し、一辺が約100μmの立方体形状のA型ゼオライト単結晶を、地上の重力環境下で合成することに成功した。 The present inventor has conducted diligent research on the ratio of constituent raw materials at the time of preparing a synthetic solution by searching for optimized synthetic conditions that are not bound by the previously reported synthetic conditions. As a result, a suitable synthetic condition for increasing the maximum crystal size and making the powder crystal phase obtained from the synthetic solution a single phase was found, and a cube-shaped A-type zeolite single crystal having a side of about 100 μm was obtained on the ground. Succeeded in synthesizing in a gravitational environment.

好適な合成条件のポイントは、(1)トリエタノールアミンの添加量を過度に増やさない。(2)合成溶液中のSi源、Al源の比率(SiO2/Al23比)を高めない。(3)Si源、Al源を水に溶解させるためのアルカリ源(NaOH)を増やさない。という(1)〜(3)の3点であり、従来の合成条件とはむしろ方向性が逆の条件であることを見出し、これらを組み合わせることにより最適な合成条件を設定することができる。 The points of suitable synthetic conditions are (1) not to excessively increase the amount of triethanolamine added. (2) Do not increase the ratio of Si source and Al source (SiO 2 / Al 2 O 3 ratio) in the synthetic solution. (3) Do not increase the alkali source (NaOH) for dissolving the Si source and Al source in water. These are the three points (1) to (3), and it is found that the direction is opposite to the conventional synthesis condition, and the optimum synthesis condition can be set by combining these.

本発明は、下記(1)〜(3)のA型ゼオライト単結晶、または下記(4)のA型ゼオライト単相の粉末集合体に係るものである。
(1)単結晶の一辺の長さが100μm以上であるA型ゼオライト単結晶。
(2)前記単結晶の形状が立方体状である、上記(1)に記載のA型ゼオライト単結晶。
(3)前記単結晶の一辺の長さが100μm〜150μmである、上記(1)または(2)に記載のA型ゼオライト単結晶。
(4)上記(1)ないし(3)のいずれかに記載のA型ゼオライト単結晶を含む、A型ゼオライト単相の粉末集合体。
The present invention relates to the following (1) to (3) A-type zeolite single crystal or the following (4) A-type zeolite single-phase powder aggregate.
(1) A-type zeolite single crystal having a side length of 100 μm or more.
(2) The A-type zeolite single crystal according to (1) above, wherein the single crystal has a cubic shape.
(3) The A-type zeolite single crystal according to (1) or (2) above, wherein the length of one side of the single crystal is 100 μm to 150 μm.
(4) A powder aggregate of A-type zeolite single phase containing the A-type zeolite single crystal according to any one of (1) to (3) above.

また、本発明は、下記(5)〜(8)のA型ゼオライト単結晶の製造方法に係るものである。
(5)上記(1)ないし(3)のいずれかに記載のA型ゼオライト単結晶の製造方法であって、Ai源とSi源の各水酸化ナトリウム水溶液とトリエタノールアミン(TEA)を混合して、酸化物で表記した場合のモル比で、SiO2/Al23が0.4〜0.7およびNa2O/Al23が1.3〜1.6の割合で含有する合成溶液を調製し、該合成溶液を加熱して単結晶を合成する、A型ゼオライト単結晶の製造方法。
(6)前記合成溶液が、酸化物で表記したAi源とTEAをモル比で、TEA/Al23が3.5〜5.5の割合で含有する、上記(5)に記載のA型ゼオライト単結晶の製造方法。
(7)前記合成溶液を温度70〜100℃において、2週間以上加熱することを特徴とする上記(5)または(6)に記載のA型ゼオライト単結晶の製造方法。
(8)前記合成溶液から合成した上記(4)に記載のA型ゼオライト単相の粉末集合体をろ過回収し、該粉末集合体から単結晶の一辺の長さが100μm以上のA型ゼオライト単結晶を分離する工程を含む、上記(5)ないし(7)のいずれかに記載のA型ゼオライト単結晶の製造方法。
The present invention also relates to the following methods (5) to (8) for producing a type A zeolite single crystal.
(5) The method for producing a type A zeolite single crystal according to any one of (1) to (3) above, wherein each sodium hydroxide aqueous solution of Ai source and Si source and triethanolamine (TEA) are mixed. In terms of the molar ratio expressed in terms of oxide, SiO 2 / Al 2 O 3 is contained in a ratio of 0.4 to 0.7 and Na 2 O / Al 2 O 3 is contained in a ratio of 1.3 to 1.6. A method for producing a type A zeolite single crystal, wherein a synthetic solution is prepared and the synthetic solution is heated to synthesize a single crystal.
(6) The A according to (5) above, wherein the synthetic solution contains an Ai source represented by an oxide and TEA in a molar ratio of TEA / Al 2 O 3 in a ratio of 3.5 to 5.5. A method for producing a type zeolite single crystal.
(7) The method for producing a type A zeolite single crystal according to (5) or (6) above, wherein the synthetic solution is heated at a temperature of 70 to 100 ° C. for 2 weeks or more.
(8) The powder aggregate of the A-type zeolite single phase according to (4) above, which was synthesized from the synthetic solution, was collected by filtration, and the single crystal A-type zeolite single having a side length of 100 μm or more was collected from the powder aggregate. The method for producing a type A zeolite single crystal according to any one of (5) to (7) above, which comprises a step of separating crystals.

本発明によれば、A型ゼオライトの単結晶として、一辺の長さが100μm以上の大きなサイズの単結晶を得ることができた。しかも、そのような大きな単結晶を、特別な装置や無重力のような特殊環境を必要とせず、合成条件を工夫することで得ることができる。
一辺の長さが100μmの大きさのA型ゼオライトの単結晶は、センサーや電子デバイスというA型ゼオライトの新た用途を切り開くものである。
According to the present invention, as a single crystal of A-type zeolite, a single crystal having a large size with a side length of 100 μm or more could be obtained. Moreover, such a large single crystal can be obtained by devising synthetic conditions without requiring a special device or a special environment such as weightlessness.
A single crystal of A-type zeolite having a side length of 100 μm opens up new applications for A-type zeolite such as sensors and electronic devices.

A型ゼオライトの結晶構造の模式図。Schematic diagram of the crystal structure of A-type zeolite. 実施例1、2で合成したA型ゼオライト粉末のX線回折(XRD)データ。X-ray diffraction (XRD) data of the A-type zeolite powder synthesized in Examples 1 and 2. 実施例1で合成したA型ゼオライト粉末の走査型電子顕微鏡(SEM)写真。Scanning electron microscope (SEM) photograph of the A-type zeolite powder synthesized in Example 1. 実施例2で合成したA型ゼオライト粉末の走査型電子顕微鏡(SEM)写真。Scanning electron microscope (SEM) photograph of the A-type zeolite powder synthesized in Example 2. 比較例1、2で合成したA型ゼオライト粉末のX線回折(XRD)データ。X-ray diffraction (XRD) data of the A-type zeolite powder synthesized in Comparative Examples 1 and 2. 比較例1で合成したA型ゼオライト粉末の走査型電子顕微鏡(SEM)写真。A scanning electron microscope (SEM) photograph of the A-type zeolite powder synthesized in Comparative Example 1. 比較例2で合成したA型ゼオライト粉末の走査型電子顕微鏡(SEM)写真。Scanning electron microscope (SEM) photograph of the A-type zeolite powder synthesized in Comparative Example 2.

本発明は、一辺の長さが100μm以上である大きなサイズのA型ゼオライト単結晶とその製造方法に関する。 The present invention relates to a large-sized A-type zeolite single crystal having a side length of 100 μm or more and a method for producing the same.

A型ゼオライトの結晶構造を図1に示す。A型ゼオライトは、単位胞がa=2.46nm[空間群:Fm-3c]である立方体の結晶であり、この場合の一般的化学式は、Na96Al96Si96384・216H2Oである。Al、Si、O原子から骨格は構成され、格子点で表されるSiとAl原子を共有結合でつなぐO原子が稜線中央付近に存在するが、図1では骨格構造を見やすくするために省略してある。また、Alと同数の交換性Na+イオンがこの骨格の隙間に存在するが、これらも省略してある。このほか、吸着水分子も細孔内には存在しうる。 The crystal structure of the A-type zeolite is shown in FIG. A zeolite, unit cell is a = 2.46nm [space group: Fm-3c] a crystal of cubic a general chemical formula of this case is the Na 96 Al 96 Si 96 O 384 · 216H 2 O be. The skeleton is composed of Al, Si, and O atoms, and the O atom that connects the Si and Al atoms represented by the lattice points by a covalent bond exists near the center of the ridgeline, but it is omitted in FIG. 1 to make the skeleton structure easier to see. There is. In addition, the same number of commutative Na + ions as Al are present in the gaps of this skeleton, but these are also omitted. In addition, adsorbed water molecules may also be present in the pores.

本発明者は、A型ゼオライト結晶の合成条件を好適化することにより、100μm以上の大きなサイズのA型ゼオライト単結晶の合成に初めて成功した。好適な合成条件のポイントは、(1)トリエタノールアミン(TEA)の添加量を過度に増やさない、(2)合成溶液中のSi源、Al源の比率(SiO2/Al23比)を高めない、(3)Si源、Al源を水に溶解させるためのアルカリ源(NaOH)を増やさない、という3点であり、これらを組み合わせることにより、合成条件を最適化できる。 The present inventor has succeeded in synthesizing a large size A-type zeolite single crystal of 100 μm or more for the first time by optimizing the synthesis conditions of the A-type zeolite crystal. The points of suitable synthesis conditions are (1) do not excessively increase the amount of triethanolamine (TEA) added, and (2) the ratio of Si source and Al source in the synthesis solution (SiO 2 / Al 2 O 3 ratio). (3) The Si source and the Alkaline source (NaOH) for dissolving the Al source in water are not increased. By combining these points, the synthesis conditions can be optimized.

本発明では、Al源として金属Alやアルミン酸ナトリウムやアルミニウムイソプロポキシド(C9213Al)等を用いることができ、99.99%以上の高純度Al金属を水酸化ナトリウム水溶液で溶解させて用いるのが好ましい。TEAは全量このAl源を含む水酸化ナトリウム水溶液に加えることが好適である。
また、Si源として金属Si、テトラエトキシシラン(TEOS)、メタケイ酸ナトリウム、コロイダルシリカ等を用いることができ、99.99%以上の純度の高いTEOSを水酸化ナトリウム水溶液で溶解させて用いるのが好ましい。不純物が0.1%を越えるSi源を用いると、核の発生が多くなる結果,微細結晶の析出が多くなるため、大型の単結晶が得られにくい。
In the present invention, Al source as can be a metal Al and sodium aluminate and aluminum isopropoxide (C 9 H 21 O 3 Al ) or the like, a high-purity Al metal 99.99 percent aqueous sodium hydroxide It is preferable to dissolve and use it. It is preferable to add all the TEA to the aqueous sodium hydroxide solution containing this Al source.
Further, metal Si, tetraethoxysilane (TEOS), sodium metasilicate, colloidal silica and the like can be used as the Si source, and TEOS having a high purity of 99.99% or more is dissolved in an aqueous sodium hydroxide solution before use. preferable. If a Si source containing more than 0.1% of impurities is used, the number of nuclei generated increases, and as a result, the precipitation of fine crystals increases, so that it is difficult to obtain a large single crystal.

上記Al源、Si源をそれぞれ0.2μm程度のメンブレンフィルターを通過させることにより不純物を除去し、その後室温にて混合する。Al源、Si源を含む水溶液はともに透明であるが、混合により調製した合成溶液は、混合後直ちに一様な乳白色となる。この合成溶液の調製においては、結晶化初期に生成する核の数を制限するために、各溶液の混合を室温で行い、かつ混合時間をできるだけ短縮するのが望ましく、10分間以内で合成溶液の調製を完了するとよい。
また、合成溶液調製および反応を行う際の容器や器具は、全て高分子系樹脂製のものを利用するのが好ましい。ガラス製器具等は塩基環境で溶解等が生じ、不純物混入の一因となる。
Impurities are removed by passing the above Al source and Si source through a membrane filter of about 0.2 μm, respectively, and then mixed at room temperature. Both the aqueous solution containing the Al source and the Si source are transparent, but the synthetic solution prepared by mixing becomes a uniform milky white color immediately after mixing. In the preparation of this synthetic solution, in order to limit the number of nuclei generated in the early stage of crystallization, it is desirable to mix each solution at room temperature and shorten the mixing time as much as possible. The preparation should be completed.
Further, it is preferable to use all the containers and instruments made of polymer resin for preparing the synthetic solution and performing the reaction. Glass appliances and the like are dissolved in a basic environment, which contributes to contamination with impurities.

本発明の製造方法においては、上記Al源、Si源の各水酸化ナトリウム水溶液を、酸化物で表記した場合のモル比で、SiO2/Al23が0.4〜0.7およびNa2O/Al23が1.3〜1.6の割合になるように合成溶液を調製する。
さらに、Al源の水酸化ナトリウム水溶液に添加するTEAの量は、Si源の水酸化ナトリウム水溶液に添加する場合のTEAの量と合わせて、酸化物で表記したAl源とTEAがモル比で、TEA/Al23が3.5〜5.5の割合で添加することが好ましい。
モル比が前記範囲外であると、X型ゼオライトが副生成物として混入しやすく、Si源とAl源を消費する。このため,大きく、純度のよいA型ゼオライト単結晶が得られにくい。
In the production method of the present invention, SiO 2 / Al 2 O 3 is 0.4 to 0.7 and Na in the molar ratio when each of the sodium hydroxide solutions of the Al source and the Si source is expressed as an oxide. Prepare the synthetic solution so that the ratio of 2 O / Al 2 O 3 is 1.3 to 1.6.
Further, the amount of TEA added to the sodium hydroxide aqueous solution of the Al source is the amount of TEA when added to the sodium hydroxide aqueous solution of the Si source, and the Al source expressed in oxide and TEA are in molar ratio. It is preferable to add TEA / Al 2 O 3 in a ratio of 3.5 to 5.5.
When the molar ratio is out of the above range, the X-type zeolite is likely to be mixed as a by-product and consumes the Si source and the Al source. Therefore, it is difficult to obtain a large, high-purity A-type zeolite single crystal.

次に、このようにして調製した合成溶液を、温度70〜100℃において、2週間以上加熱して結晶化させることにより、結晶子径の大きな純度の高いA型ゼオライト単結晶が得られる。70℃未満では大型単結晶の成長に時間がかかり過ぎ、100℃を越える温度では多結晶化したり、異なる結晶構造の生成物が得られることなどが知られる。100μm以上の大型単結晶を得るためには、反応時間は一般に1〜2ヶ月は必要である。 Next, the synthetic solution thus prepared is crystallized by heating at a temperature of 70 to 100 ° C. for 2 weeks or more to obtain a highly pure A-type zeolite single crystal having a large crystallite diameter. It is known that if the temperature is lower than 70 ° C., it takes too much time to grow a large single crystal, and if the temperature exceeds 100 ° C., polycrystallization occurs or a product having a different crystal structure can be obtained. In order to obtain a large single crystal of 100 μm or more, a reaction time of 1 to 2 months is generally required.

加熱による結晶化工程において、合成溶液は加熱後、乳白色(下層)と透明(上層)に分離するが、結晶成長(合成反応)が水溶液内で進行するに伴い、上層と下層の界面は下降していく。界面の下降が完全に停止した時点で結晶成長が完了したと判断し、加熱を停止する。その後生成物を容器から取り出し、超純水で洗浄の上乾燥することにより、A型単結晶を含むA型ゼオライト単相の粉末集合体をろ過回収する。このザラザラとした粒状感のある粉末集合体から、単結晶の一辺の長さが100μm以上であるA型ゼオライト単結晶を分離、回収する。 In the crystallization step by heating, the synthetic solution separates into milky white (lower layer) and transparent (upper layer) after heating, but as the crystal growth (synthesis reaction) progresses in the aqueous solution, the interface between the upper layer and the lower layer descends. To go. When the descent of the interface is completely stopped, it is judged that the crystal growth is completed, and the heating is stopped. After that, the product is taken out from the container, washed with ultrapure water and dried to filter and recover the powder aggregate of the A-type zeolite single phase containing the A-type single crystal. A type A zeolite single crystal having a side length of 100 μm or more of the single crystal is separated and recovered from this rough and grainy powder aggregate.

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
[A型ゼオライト単結晶の合成]
実施例1、2と比較例1、2において、以下のそれぞれの組成の合成溶液を調製してA型ゼオライトの単結晶を作成した。実施例1、2および比較例1、2では、合成溶液の組成以外の合成条件は、以下の1)〜5)に記載のとおりであり、同じである。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
[Synthesis of A-type zeolite single crystal]
In Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, synthetic solutions having the following compositions were prepared to prepare single crystals of type A zeolite. In Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, the synthesis conditions other than the composition of the synthesis solution are as described in 1) to 5) below, and are the same.

TEA以外を酸化物で表記した場合の、各合成溶液の化学組成は以下のとおりである。
(実施例1)
Al23:SiO2:Na2O:TEA:H2O=1:0.55:1.42:4.5:200
(実施例2)
Al23:SiO2:Na2O:TEA:H2O=1:0.55:1.42:4.5:200
(比較例1)
Al23:SiO2:Na2O:TEA:H2O=1:1.12:2.02:5.8:200
(比較例2)
Al23:SiO2:Na2O:TEA:H2O=1:0.70:1.72:8.0:200
The chemical composition of each synthetic solution when other than TEA is expressed as an oxide is as follows.
(Example 1)
Al 2 O 3 : SiO 2 : Na 2 O: TEA: H 2 O = 1: 0.55: 1.42: 4.5: 200
(Example 2)
Al 2 O 3 : SiO 2 : Na 2 O: TEA: H 2 O = 1: 0.55: 1.42: 4.5: 200
(Comparative Example 1)
Al 2 O 3 : SiO 2 : Na 2 O: TEA: H 2 O = 1: 1.12: 2.02: 5.8: 200
(Comparative Example 2)
Al 2 O 3 : SiO 2 : Na 2 O: TEA: H 2 O = 1: 0.70: 1.72: 8.0: 200

1)Al源として99.99%(4N)以上の純度のAl金属を水酸化ナトリウム水溶液で溶解し、TEAを添加する。
2)Si源として純度99.9999%(6N)以上のTEOSを水酸化ナトリウム水溶液で溶解し、必要に応じてTEAを添加する。
3)上記Al源、Si源を共にアドバンデック製0.2μmのメンブレンフィルターを通過させて不純物を除去した後、室温で混合する。Al源、Si源は共に透明であるが、混合後の合成溶液は、混合後直ちに一様な乳白色となる。
1) As an Al source, an Al metal having a purity of 99.99% (4N) or more is dissolved in an aqueous sodium hydroxide solution, and TEA is added.
2) As a Si source, TEOS having a purity of 99.9999% (6N) or more is dissolved in an aqueous sodium hydroxide solution, and TEA is added as necessary.
3) Both the Al source and the Si source are passed through an Advandec 0.2 μm membrane filter to remove impurities, and then mixed at room temperature. Both the Al source and the Si source are transparent, but the synthetic solution after mixing becomes a uniform milky white color immediately after mixing.

4)合成溶液を内容物が確認できる透明容器に封入し、80℃に加熱する。
5)水溶液は乳白色の下層と透明な上層に分離するが、合成反応が水溶液内で進行するに伴い、上層と下層の界面は下降していく。界面の下降が完全に停止した時点で結晶成長が完了したと判断し、加熱を停止する。生成物を容器から取り出し、超純水で洗浄してから乾燥して、A型単結晶を含むザラザラとした粒状感のあるA型ゼオライト単相の粉末集合体を回収する。合成反応の完了には1〜6ヶ月を要する。
4) Enclose the synthetic solution in a transparent container whose contents can be confirmed, and heat to 80 ° C.
5) The aqueous solution separates into a milky white lower layer and a transparent upper layer, but as the synthetic reaction proceeds in the aqueous solution, the interface between the upper layer and the lower layer descends. When the descent of the interface is completely stopped, it is judged that the crystal growth is completed, and the heating is stopped. The product is taken out of the container, washed with ultrapure water, and then dried to recover a grainy A-type zeolite single-phase powder aggregate containing A-type single crystals. It takes 1 to 6 months to complete the synthetic reaction.

得られた生成物に対し,走査電子顕微鏡(SEM)観察による結晶外形とサイズの評価,更に,粉末X線回折法により生成物の結晶相の同定を行った。SEMとして日立S4800(加速電圧2KV)を用いた。粉末X線回折(XRD)はリガクSmartLabを用い,Cu−Kα1,2特性線により2θ=5〜50°の回折パターンを得た。 The crystal outline and size of the obtained product were evaluated by scanning electron microscope (SEM) observation, and the crystal phase of the product was identified by powder X-ray diffraction. Hitachi S4800 (acceleration voltage 2KV) was used as the SEM. For powder X-ray diffraction (XRD), a diffraction pattern of 2θ = 5 to 50 ° was obtained from the Cu-Kα 1,2 characteristic line using Rigaku SmartLab.

[実施例1、2の結果]
実施例1(試料1)、実施例2(試料2)で合成したA型ゼオライト粉末のXRDパターンを図2に示す。2θ≦9°では、回折線強度をそれぞれ1/2、1/10にしてある。試料1のXRDデータで観測される回折線ピークは全てA型ゼオライトに帰属されるため、単相のA型ゼオライトである。一方、試料2は「↓」で示される不純物が若干存在するが、これ以外の回折線ピークはA型ゼオライトに帰属される。
[Results of Examples 1 and 2]
The XRD pattern of the A-type zeolite powder synthesized in Example 1 (Sample 1) and Example 2 (Sample 2) is shown in FIG. When 2θ≤9 °, the diffraction line intensities are set to 1/2 and 1/10, respectively. Since all the diffraction line peaks observed in the XRD data of Sample 1 belong to the A-type zeolite, it is a single-phase A-type zeolite. On the other hand, sample 2 has some impurities indicated by "↓", but the other diffraction line peaks are attributed to the A-type zeolite.

実施例1と実施例2における生成物をSEMにより観察した結果を、図3、4としてそれぞれ示す。
図3のごとく、実施例1の生成物であるA型ゼオライト結晶は、立方体を基本とする形状を有し,その一辺(稜)の長さは最大で約90μmに達する。また、結晶表面は平滑である。一方、図4に示す実施例2で得られた生成物には、図3と同様に立方体形状のA型ゼオライト結晶が主要相として観察され、この立方体結晶の一辺の長さは最大約100μmに達する。ただし、10μm未満の不定形粒子が単結晶表面等に存在するが、これらは、図2のXRDデータで観測された不純物に対応すると考えられる。この不純物は、生成物を水に分散させ、超音波処理後に上澄み液を除去する等により、取り除くことができる。
The results of observing the products of Examples 1 and 2 by SEM are shown in FIGS. 3 and 4, respectively.
As shown in FIG. 3, the A-type zeolite crystal, which is the product of Example 1, has a cube-based shape, and the length of one side (ridge) thereof reaches a maximum of about 90 μm. Moreover, the crystal surface is smooth. On the other hand, in the product obtained in Example 2 shown in FIG. 4, a cube-shaped A-type zeolite crystal was observed as the main phase as in FIG. 3, and the length of one side of the cube crystal was up to about 100 μm. Reach. However, although amorphous particles of less than 10 μm are present on the surface of a single crystal or the like, these are considered to correspond to the impurities observed in the XRD data of FIG. This impurity can be removed by dispersing the product in water and removing the supernatant liquid after ultrasonic treatment.

[比較例1、2の結果]
比較例1、2における生成物のXRDパターンを図5に示す。2θ≦9°では、比較例1、2共に回折線強度を1/4倍している。
実施例1、2ではA型ゼオライト単相,または主成分であったのに対し,比較例1、2は、従来の合成指針または報告例にしがたって、TEA、Si源、水酸化ナトリウム量が多い環境で合成を行い、結晶サイズの増大を図ったものである。その結果、XRDパターンにはX型ゼオライト由来の回折線ピークが観測されるだけでなく、比較例2ではむしろX型ゼオライトが主成分である。
[Results of Comparative Examples 1 and 2]
The XRD pattern of the product in Comparative Examples 1 and 2 is shown in FIG. When 2θ≤9 °, the diffraction line intensity is multiplied by 1/4 in both Comparative Examples 1 and 2.
In Examples 1 and 2, the A-type zeolite was a single-phase or main component, whereas in Comparative Examples 1 and 2, the amounts of TEA, Si source, and sodium hydroxide were increased according to the conventional synthesis guideline or reported example. The crystal size was increased by synthesizing in many environments. As a result, not only the diffraction line peak derived from the X-type zeolite is observed in the XRD pattern, but also the X-type zeolite is rather the main component in Comparative Example 2.

図6、7は、それぞれ比較例1、2での生成物のSEM像である。六面体である立方体形状(一面の形状が正方形)を基本構造とする結晶は、A型ゼオライトであるのに対し、正8面体形状(一面の形状が正三角形状)を基本構造とする結晶が単独、もしくは立方体形状の表面に存在しているのが確認された。比較例1では、A型ゼオライト結晶は一辺が最大50μmであり、X型ゼオライト結晶は一辺が最大20μmであった。一方、比較例2ではA型ゼオライト結晶は一辺が最大35μm程度、X型ゼオライト結晶は正三角形状表面の一辺が最大76μm程度であった。このように、実施例1、2を越えるサイズのA型ゼオライト結晶は、比較例1、2では実現できなかった。

6 and 7 are SEM images of the products of Comparative Examples 1 and 2, respectively. A crystal having a hexahedral cube shape (one side shape is a square) is a type A zeolite, whereas a crystal having a regular octahedron shape (one side shape is a regular triangle shape) is a single crystal. Or, it was confirmed that it was present on the surface of the cube shape. In Comparative Example 1, the A-type zeolite crystal had a maximum side of 50 μm, and the X-type zeolite crystal had a maximum side of 20 μm. On the other hand, in Comparative Example 2, the A-type zeolite crystal had a maximum side of about 35 μm, and the X-type zeolite crystal had a maximum side of about 76 μm on the regular triangular surface. As described above, A-type zeolite crystals having a size larger than those of Examples 1 and 2 could not be realized in Comparative Examples 1 and 2.

Claims (8)

単結晶の一辺の長さが100μm以上であるA型ゼオライト単結晶。 A type zeolite single crystal having a side length of 100 μm or more. 前記単結晶の形状が立方体状である、請求項1に記載のA型ゼオライト単結晶。 The A-type zeolite single crystal according to claim 1, wherein the single crystal has a cubic shape. 前記単結晶の一辺の長さが100μm〜150μmである、請求項1または2に記載のA型ゼオライト単結晶。 The A-type zeolite single crystal according to claim 1 or 2, wherein the length of one side of the single crystal is 100 μm to 150 μm. 請求項1ないし3のいずれかに記載のA型ゼオライト単結晶を含む、A型ゼオライト単相の粉末集合体。 A powder aggregate of A-type zeolite single phase containing the A-type zeolite single crystal according to any one of claims 1 to 3. 請求項1ないし3のいずれかに記載のA型ゼオライト単結晶の製造方法であって、Al源とSi源の各水酸化ナトリウム水溶液とトリエタノールアミン(TEA)を混合して、酸化物で表記した場合のモル比で、SiO2/Al23が0.4〜0.7、およびNa2O/Al23が1.3〜1.6の割合で含有する合成溶液を調製し、該合成溶液を加熱して単結晶を合成する、A型ゼオライト単結晶の製造方法。 The method for producing a type A zeolite single crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein each sodium hydroxide aqueous solution of an Al source and a Si source and triethanolamine (TEA) are mixed and represented by an oxide. A synthetic solution containing SiO 2 / Al 2 O 3 in a ratio of 0.4 to 0.7 and Na 2 O / Al 2 O 3 in a ratio of 1.3 to 1.6 was prepared. , A method for producing a type A zeolite single crystal, wherein the synthetic solution is heated to synthesize a single crystal. 前記合成溶液が、酸化物で表記したAl源とTEAをモル比で、TEA/Al23が3.5〜5.5の割合で含有する、請求項5に記載のA型ゼオライト単結晶の製造方法。 The A-type zeolite single crystal according to claim 5, wherein the synthetic solution contains an Al source represented by an oxide and TEA in a molar ratio of TEA / Al 2 O 3 in a ratio of 3.5 to 5.5. Manufacturing method. 前記合成溶液を温度70〜100℃において、2週間以上加熱することを特徴とする請求項5または6に記載のA型ゼオライト単結晶の製造方法。 The method for producing a type A zeolite single crystal according to claim 5 or 6, wherein the synthetic solution is heated at a temperature of 70 to 100 ° C. for 2 weeks or more. 前記合成溶液から、請求項4に記載のA型ゼオライト単相の粉末集合体をろ過回収し、該粉末集合体から単結晶の一辺の長さが100μm以上であるA型ゼオライト単結晶を分離する工程を含む、請求項5ないし7のいずれかに記載のA型ゼオライト単結晶の製造方法。

The powder aggregate of the A-type zeolite single phase according to claim 4 is filtered and recovered from the synthetic solution, and the A-type zeolite single crystal having a side length of 100 μm or more of the single crystal is separated from the powder aggregate. The method for producing a type A zeolite single crystal according to any one of claims 5 to 7, which comprises a step.

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