JP4886179B2 - Nitrogen-containing zeolite, production method thereof, adsorbent containing nitrogen-containing zeolite, heat utilization system, adsorption heat pump and cold storage heat system - Google Patents
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Description
本発明は、特定の含有量の窒素を含むゼオライト(以下、窒素含有ゼオライトという。)、その製造方法、窒素含有ゼオライトを含む吸着材、熱利用システム、吸着ヒートポンプ及び蓄冷熱システムに関するものである。 The present invention relates to a zeolite containing nitrogen with a specific content (hereinafter referred to as nitrogen-containing zeolite), a production method thereof, an adsorbent containing nitrogen-containing zeolite, a heat utilization system, an adsorption heat pump, and a cold storage heat system.
ゼオライトは、吸着材、酸反応や酸化反応用等の触媒、分離材、量子ドットや量子ワイヤーなどの光学材料、磁気材料となる半導体微粒子や蛍光体、色素などのホスト材料として広く用いられている。ゼオライトには、International Zeolite Association(国際ゼオライト協会。本願において、IZAという。)の規定による結晶性シリケート類、結晶性アルミノフォスフェート類などが含まれる。 Zeolites are widely used as adsorbents, catalysts for acid reactions and oxidation reactions, separation materials, optical materials such as quantum dots and quantum wires, and host materials such as semiconductor fine particles, phosphors, and dyes used as magnetic materials. . Zeolite includes crystalline silicates, crystalline aluminophosphates, and the like according to the provisions of the International Zeolite Association (referred to herein as IZA).
ゼオライトは、通常、ゼオライト原料と構造指示材(structure-directing agent。有機テンプレートともいう。)を用いて水熱合成した後、焼成、抽出などの方法で有機テンプレートを除去することにより製造されるが、一般的には、可能な限り有機テンプレートを除去したゼオライトが、工業的に有用なゼオライトとして触媒や吸着材等に供されている。有機テンプレートを可能な限り除去する理由としては、水熱合成等によって得られた有機テンプレート除去前のゼオライト(本願において、ゼオライト前駆体という。)は、細孔内の空間が有機テンプレートで占められており、反応基質又は吸着物質がその細孔に入り込むことができず、触媒や吸着材としての機能が発現しないからである。従って、工業的に有用なゼオライトは、通常、ゼオライト前駆体から有機テンプレートが可能な限り除去された形態のものである。 Zeolite is usually produced by hydrothermal synthesis using a zeolite raw material and a structure-directing agent (also referred to as an organic template), and then removing the organic template by a method such as calcination or extraction. In general, zeolite from which an organic template has been removed as much as possible is used as an industrially useful zeolite for a catalyst, an adsorbent, or the like. The reason for removing the organic template as much as possible is that the zeolite before removal of the organic template obtained by hydrothermal synthesis or the like (referred to as a zeolite precursor in this application) has the space in the pores occupied by the organic template. This is because the reaction substrate or the adsorbed substance cannot enter the pores and the function as a catalyst or an adsorbent is not exhibited. Therefore, industrially useful zeolite is usually in a form in which the organic template is removed from the zeolite precursor as much as possible.
ところで、下記特許文献1には、ゼオライトの細孔構造の一部が有機テンプレート又は有機テンプレートの分解物により占められている場合、保存又は輸送中に大気中の水分の吸着が妨げられるので触媒活性が低下しないことを教示し、そして、その実施例には、炭素原子が8.20重量%又はそれ以上残存している例が示されている。一方、ゼオライトを触媒として使用する際には、活性化処理として、含酸素雰囲気で焼成又は燃焼処理を行い、ゼオライトの細孔構造から有機テンプレート等を完全に除去することが教示されている。 By the way, in Patent Document 1 below, when a part of the pore structure of zeolite is occupied by an organic template or a decomposition product of the organic template, since the adsorption of moisture in the atmosphere is prevented during storage or transportation, the catalytic activity Does not decrease, and the examples show examples where 8.20% by weight or more of carbon atoms remain. On the other hand, when using zeolite as a catalyst, it is taught that as an activation treatment, firing or combustion treatment is performed in an oxygen-containing atmosphere to completely remove the organic template and the like from the pore structure of the zeolite.
また、ゼオライトのうち、特にヘテロ原子として鉄を用いた鉄アルミノフォスフェートの製造方法として、下記特許文献2には、鉄アルミノフォスフェートのゼオライト前駆体から有機テンプレートを除去するに際し、空気流通下又は窒素流通下でゼオライト前駆体を加熱して有機テンプレートを分解除去する(焼成)方法が記載されている。
In addition, as a method for producing iron aluminophosphate using iron as a hetero atom among zeolites, in
また、下記非特許文献1は、炭素原子を3.99重量%から6.09重量%、窒素原子を4.83重量%から6.09重量%残存しているGIS構造を有するシリコアルミノフォスフェート(SAPO−43)が、CO2、H2O、H2S等の選択的な吸着能を示すことを報告している。しかしながら、そのゼオライトは有機テンプレートを完全に除去した状態では本質的に不安定であり、有機テンプレートを除去するに従って結晶構造の崩壊が進行し、有機テンプレートを完全に除去した状態では吸着能をほぼ完全に失うことが示されている。さらに、そのゼオライトにおいて、有機テンプレートを残存させることによって構造を保ちつつ得られたゼオライトの吸着容量は、吸着水が水の場合、8重量%と極めて低いものであった。
上述のように、従来のゼオライトは、ゼオライト中に有機テンプレート又はそれに由来する物質が比較的多量に残存しているか、可能な限り除去されているか、あるいは、有機テンプレートを完全に除去した状態では安定に存在できないゼオライトにおいて、完全には結晶構造が崩壊しない程度に有機テンプレートを除去したものである。 As described above, conventional zeolites have a relatively large amount of organic template or a substance derived from the zeolite remaining in the zeolite, removed as much as possible, or stable when the organic template is completely removed. In the zeolite that cannot be present in the above, the organic template is removed to such an extent that the crystal structure is not completely destroyed.
従って、従来のゼオライトは、吸着材として使用する場合の吸着容量が不十分であるか、吸着容量が十分の場合には吸着材として繰り返し使用したときの耐久性が不十分なものであった。 Therefore, the conventional zeolite has insufficient adsorption capacity when used as an adsorbent, or has insufficient durability when repeatedly used as an adsorbent when the adsorption capacity is sufficient.
これに対し、我々は、ゼオライト中の有機テンプレートを完全に除去した状態で安定なゼオライトでさえも、細孔中の有機テンプレートが完全に除去されていると、初期の吸着容量あるいは触媒活性は高いが、使用に伴い粒子の粉化や結晶構造の破壊が起こり、それらに伴い吸着性能が低下する場合があることを見いだした。一方で、有機テンプレートの一部がある含有量以上ゼオライトの細孔中に残留している場合には、保存中に大気中の水分等により触媒活性が低下するのを防ぐには有効であっても、そのままでは初期から吸着容量等が充分に得られない問題が判明した。 In contrast, even if the zeolite is stable with the organic template in the zeolite completely removed, the initial adsorption capacity or catalytic activity is high when the organic template in the pores is completely removed. However, it has been found that the powdering of the particles and the destruction of the crystal structure occur with use, and the adsorption performance may be lowered accordingly. On the other hand, if a part of the organic template remains in the pores of the zeolite above a certain content, it is effective to prevent the catalyst activity from being reduced by moisture in the atmosphere during storage. However, it has been found that the adsorption capacity and the like cannot be sufficiently obtained from the initial stage.
本発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであって、その目的は、繰り返しの使用又は長時間の使用における性能劣化が少ないゼオライト及びその製造方法を提供すること、特に吸着材として使用した場合に、吸着容量が充分に大きく、且つ繰り返しの使用に伴うゼオライト粒子の粉化、結晶構造の破壊、及びそれに伴う吸着容量の低下が起こらないゼオライト及びその製造方法を提供することにある。また、そうしたゼオライトを含む吸着材、その吸着材を利用した熱利用システム、吸着ヒートポンプ及び蓄冷熱システムを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its object is to provide a zeolite with little performance deterioration in repeated use or long-time use, and a method for producing the same, particularly as an adsorbent. In this case, an object of the present invention is to provide a zeolite having a sufficiently large adsorption capacity, and which does not cause pulverization of zeolite particles, crystal structure destruction, and accompanying decrease in adsorption capacity due to repeated use, and a method for producing the zeolite. Another object of the present invention is to provide an adsorbent containing such zeolite, a heat utilization system using the adsorbent, an adsorption heat pump, and a cold storage heat system.
本発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、ゼオライトがMe(ただし、Meは、周期表2A族、7A族、8族、1B族及び2B族の元素から選ばれる少なくとも1種類の元素である。以下同じ。)を含有していてもよいアルミノフォスフェートであって、そのゼオライト中に残存する有機テンプレート又はそれに由来する物質の量をコントロールし、結果としてゼオライト中の窒素含有量及び炭素含有量を特定量にコントロールしたゼオライトが上記課題を解決することを見出した。更に、本発明者らは、窒素含有量及び炭素含有量を調整したゼオライトを用いた吸着材が耐久性に優れることを見出した。更に、本発明者らは、その吸着材を、熱利用システムや蓄冷熱システムに利用することが有効であること、具体的には、蓄冷熱システム、吸着ヒートポンプ、除湿や加湿の調湿空調装置用等の吸着材として有効に利用できることを見出した。 As a result of intensive studies on the above problems, the present inventors have found that the zeolite is Me (where Me is at least one element selected from the elements of Groups 2A, 7A, 8, 1B and 2B of the periodic table). Aluminophosphate, which may contain the same, and controls the amount of organic template or material derived from the zeolite remaining in the zeolite, resulting in a nitrogen content and carbon content in the zeolite. It has been found that a zeolite whose amount is controlled to a specific amount solves the above-mentioned problems. Furthermore, the present inventors have found that an adsorbent using zeolite with adjusted nitrogen content and carbon content is excellent in durability. Furthermore, the present inventors are effective in using the adsorbent in a heat utilization system or a cold storage heat system, specifically, a cold storage heat system, an adsorption heat pump, a dehumidification or humidification humidity control air conditioner. It has been found that it can be effectively used as an adsorbent for general purpose.
すなわち、上記課題を解決する本発明のゼオライトは、窒素含有量が0.5重量%以上12重量%以下で、炭素含有量が1重量%以上8重量%以下であり、アルミニウムがMeで一部置換されていてもよいアルミノフォスフェートであることを特徴とする。 That is, the zeolite of the present invention that solves the above problems has a nitrogen content of 0.5 wt% or more and 12 wt% or less, a carbon content of 1 wt% or more and 8 wt% or less, and aluminum is partially Me. It is characterized by being an aluminophosphate which may be substituted.
この発明によれば、上記範囲の窒素及び炭素を含有するゼオライトは、例えば吸着材として使用した場合に、吸着容量が大きく、繰り返しの使用に伴う結晶構造の破壊やそれに伴う吸着容量の低下が起こらないという優れた効果を有する。 According to the present invention, the zeolite containing nitrogen and carbon in the above range has a large adsorption capacity when used, for example, as an adsorbent, resulting in the destruction of the crystal structure accompanying repeated use and the accompanying decrease in adsorption capacity. It has an excellent effect of not being.
上記本発明のゼオライトにおいては、窒素に対する炭素の重量比(C/N重量比)が0.8以上6.5以下であることが好ましく、そのC/N重量比が1.0以上4.0以下であることが特に好ましい。 In the zeolite of the present invention, the weight ratio of carbon to nitrogen (C / N weight ratio) is preferably 0.8 or more and 6.5 or less, and the C / N weight ratio is 1.0 or more and 4.0. It is particularly preferred that
上記本発明のゼオライトにおいては、前記Meを含有してもよいアルミノフォスフェートの骨格構造を構成するMe、Al及びPの各モル比が、下記式1〜3を満足することが好ましく、このとき、前記Meのモル比が、下記式1’を満足することが更に好ましい。 In the zeolite of the present invention, it is preferable that each molar ratio of Me, Al, and P constituting the framework structure of the aluminophosphate that may contain Me satisfies the following formulas 1 to 3. More preferably, the molar ratio of Me satisfies the following formula 1 ′.
0≦x≦0.3 …1
(xは、Me、Al及びPの合計に対するMeのモル比を示す)
0.2≦y≦0.6 …2
(yは、Me、Al及びPの合計に対するAlのモル比を示す)
0.3≦z≦0.6 …3
(zは、Me、Al及びPの合計に対するPのモル比を示す)
0.001≦x≦0.3 …1’
(xは、Me、Al及びPの合計に対するMeのモル比を示す)
0 ≦ x ≦ 0.3… 1
(X represents the molar ratio of Me to the sum of Me, Al and P)
0.2 ≦ y ≦ 0.6 2
(Y represents the molar ratio of Al to the sum of Me, Al and P)
0.3 ≦ z ≦ 0.6 3
(Z represents the molar ratio of P to the sum of Me, Al and P)
0.001 ≦ x ≦ 0.3… 1 ′
(X represents the molar ratio of Me to the sum of Me, Al and P)
また、上記本発明のゼオライトにおいては、フレームワーク密度が10T/nm3以上17.4T/nm3以下であることが好ましい。また、ゼオライトは、有機テンプレートを完全に除去した状態で構造が保たれるものが好ましい。骨格構造については、IZAが定めるコードで表されたAEI、AFR、AFS、AFT、AFX、ATS、CHA、ERI、LEV、LTA及びVFIから選ばれる構造であることが好ましく、特に、AEI、CHA及びLEVから選ばれる構造であることが好ましい。Meについては、Fe、Ni、Co、Mg及びZnから選ばれる少なくとも1種類の元素であることが好ましく、特にFeであることが好ましい。Meに対する窒素のモル比が0.2以上3以下であることが好ましい。また、上記ゼオライトを焼成して炭素含有量及び窒素含有量を0.3重量%未満とした場合に、焼成前の骨格構造が保たれることが好ましい。 In the zeolite of the present invention, it is preferred framework density is 10T / nm 3 or more 17.4T / nm 3 or less. Further, the zeolite is preferably one whose structure is maintained in a state where the organic template is completely removed. The skeletal structure is preferably a structure selected from AEI, AFR, AFS, AFT, AFX, ATS, CHA, ERI, LEV, LTA and VFI represented by a code defined by IZA, and in particular, AEI, CHA and A structure selected from LEV is preferred. Me is preferably at least one element selected from Fe, Ni, Co, Mg and Zn, and particularly preferably Fe. The molar ratio of nitrogen to Me is preferably 0.2 or more and 3 or less. Moreover, it is preferable that the skeletal structure before calcination is maintained when the zeolite is calcined to have a carbon content and a nitrogen content of less than 0.3% by weight.
また、上記本発明のゼオライトにおいては、下記に従って該ゼオライトの繰り返し耐久性試験を行った場合、該試験前の結晶構造が保持されることが好ましい。本願において、「繰り返し耐久性試験」とは、ゼオライトを90℃に保たれた真空容器内に保持し、真空状態と90℃の飽和水蒸気雰囲気とにそれぞれ90秒曝す操作を500回繰り返す試験である。また、「結晶構造が保持される」とは、同一装置、同一測定条件、同一サンプルホルダー及び同一サンプル重量でXRD測定を行った場合に、繰り返し耐久性試験後の最も強いピーク強度が、繰り返し耐久性試験前の最も強いピーク強度の50%以上であることをいう。ただし、ピーク強度は、ピーク高さのことであり、ピークトップのカウント数からバックグラウンドのカウント数を差し引いたもので定義される。 Moreover, in the zeolite of the present invention, when the repeated durability test of the zeolite is performed according to the following, it is preferable that the crystal structure before the test is maintained. In the present application, the “repetitive durability test” is a test in which the operation of holding the zeolite in a vacuum vessel maintained at 90 ° C. and exposing it to a vacuum state and a saturated steam atmosphere at 90 ° C. for 90 seconds is repeated 500 times. . “Crystal structure is retained” means that the strongest peak intensity after repeated endurance test is repeated endurance when XRD measurement is performed with the same equipment, the same measurement conditions, the same sample holder and the same sample weight. It means 50% or more of the strongest peak intensity before the property test. The peak intensity is the peak height and is defined by subtracting the background count from the peak top count.
上記課題を解決する本発明のゼオライトの製造方法は、上述したゼオライトを製造するための方法であって、少なくともゼオライトを構成する金属元素の化合物を構造指示材の存在下で水熱合成し、得られたゼオライト前駆体を酸素濃度が0.1vol%以上20vol%以下の雰囲気で焼成することを特徴とする。 A method for producing a zeolite according to the present invention that solves the above-mentioned problems is a method for producing the above-mentioned zeolite, and is obtained by hydrothermally synthesizing at least a metal element compound constituting the zeolite in the presence of a structure indicating material. The obtained zeolite precursor is calcined in an atmosphere having an oxygen concentration of 0.1 vol% or more and 20 vol% or less.
この製造方法の発明において、ゼオライト前駆体を焼成する温度が、300℃以上440℃以下であることが好ましい。また、ゼオライト前駆体が2種以上の構造指示材の存在下で水熱合成されたものであり、当該構造指示材が、(1)窒素を含む脂環式複素環化合物、(2)シクロアルキル基を有するアミン、及び(3)アルキル基を有するアミン、からなる群の2以上の群から選択されたものであることが望ましい。また、ゼオライト前駆体が、モルホリン、シクロヘキシルアミン、トリエチルアミン、イソプロピルアミン、N,N−ジイソプロピルエチルアミン、N−メチル−n−ブチルアミン、イソブチルアミン、ヘキサメチレンイミン、N,N−ジエチルエタノールアミン及びN,N−ジメチルエタノールアミンから選ばれる少なくとも1種類の含窒素有機化合物を構造指示材とした存在下で合成されたものであることが望ましい。 In the invention of this production method, the temperature at which the zeolite precursor is calcined is preferably 300 ° C. or higher and 440 ° C. or lower. Further, the zeolite precursor is hydrothermally synthesized in the presence of two or more kinds of structure indicating materials, and the structure indicating materials are (1) an alicyclic heterocyclic compound containing nitrogen, (2) cycloalkyl. It is desirable to be selected from two or more groups consisting of an amine having a group and (3) an amine having an alkyl group. Also, the zeolite precursor is morpholine, cyclohexylamine, triethylamine, isopropylamine, N, N-diisopropylethylamine, N-methyl-n-butylamine, isobutylamine, hexamethyleneimine, N, N-diethylethanolamine and N, N -It is desirable to be synthesized in the presence of at least one nitrogen-containing organic compound selected from dimethylethanolamine as a structure indicating material.
これらの製造方法の発明によれば、上記効果を奏する本発明のゼオライトを安定して製造することができる。 According to the inventions of these production methods, the zeolite of the present invention that exhibits the above effects can be produced stably.
上記課題を解決する本発明の吸着材は、上述した本発明の窒素含有ゼオライトを含むことを特徴とする。 The adsorbent of the present invention that solves the above-described problems includes the above-described nitrogen-containing zeolite of the present invention.
この吸着材の発明において、(i)ゼオライトが、25℃で測定した吸着等温線において、相対蒸気圧0.01以上0.5以下の範囲で相対蒸気圧が0.15変化したときの吸着物質の吸着量変化が0.1g/g以上の相対蒸気圧域を有することが好ましい。また、この発明の吸着材が、(ii)吸着材への吸着物質の吸着により発生する吸着熱を利用する熱利用システム、及び/又は、吸着物質が吸着材から蒸発する際に発生する蒸発潜熱を利用する熱利用システム、に使用されることが好ましく、(iii)その熱利用システムが、(a)廃熱を吸着材に供給して吸着物質を脱着するための構成と、(b-1)吸着物質が吸着材に吸着する際に発生する吸着熱を暖機運転の必要な機器に供給するための構成、及び/又は(b-2)吸着物質が吸着材から蒸発する際に発生する蒸発潜熱を冷房用冷凍機内を循環する冷却媒体に供給する構成と、を有する蓄冷熱システムであることが好ましい。また、この発明の吸着材が、(iv)前記の蓄冷熱システムに使用される吸着材であって、その吸着材に含まれるゼオライトが、55℃で測定した吸着等温線において、相対蒸気圧0.02以上0.1以下の範囲で相対蒸気圧が0.05変化したときの吸着物質の吸着量変化が0.05g/g以上となる相対蒸気圧領域を有することが望ましい。また、この発明において、(v)前記の熱利用システムが吸着ヒートポンプであることが好ましい。 In this adsorbent invention, (i) zeolite is an adsorbed material when the relative vapor pressure changes by 0.15 in the range of the relative vapor pressure of 0.01 to 0.5 on the adsorption isotherm measured at 25 ° C. It is preferable to have a relative vapor pressure region in which the change in the adsorption amount of 0.1 g / g or more. Further, the adsorbent of the present invention is (ii) a heat utilization system that uses adsorption heat generated by adsorption of the adsorbent on the adsorbent, and / or latent heat of vaporization that is generated when the adsorbent is evaporated from the adsorbent. preferably used in the heat utilization system, utilizing, (iii) the heat utilization system, the configuration for desorbing the adsorbed material was supplied to the adsorbent: (a) waste heat, (b-1 ) Configuration to supply the heat of adsorption generated when the adsorbed material is adsorbed to the adsorbent, and / or (b-2) generated when the adsorbed material evaporates from the adsorbent. that it is preferable as the structure for supplying a cooling medium circulating through the cooling refrigeration machine the evaporation latent heat, a cold storage heat system with. Further, the adsorbent of the present invention is (iv) an adsorbent used in the cold storage heat system, and the zeolite contained in the adsorbent is at an adsorption isotherm measured at 55 ° C. with a relative vapor pressure of 0. It is desirable to have a relative vapor pressure region where the adsorption amount change of the adsorbed material is 0.05 g / g or more when the relative vapor pressure is changed by 0.05 in the range of 0.02 to 0.1. In the present invention, it is preferable that (v) the heat utilization system is an adsorption heat pump.
これらの吸着材の発明によれば、その吸着材を構成するゼオライトは、繰り返しの使用に伴う結晶構造の破壊やそれに伴う吸着容量の低下が起こらないという好適な特性を持つので、吸着材自体も優れた耐久性を持っている。そのため、この吸着材を、熱利用システムに、吸着ヒートポンプに、又は蓄冷熱システムに好ましく使用できる。 According to the inventions of these adsorbents, the zeolite constituting the adsorbent has suitable characteristics that the crystal structure is not broken and the adsorbing capacity is reduced due to repeated use. Has excellent durability. Therefore, this adsorbent can be preferably used in a heat utilization system, an adsorption heat pump, or a cold storage heat system.
上記課題を解決する本発明は、上述した吸着材を用いた、熱利用システム、吸着ヒートポンプ及び蓄冷熱システムからなるものである。 The present invention for solving the above-described problems comprises a heat utilization system, an adsorption heat pump, and a cold storage heat system using the adsorbent described above.
この発明によれば、上述した本発明のゼオライトを含有する耐久性に優れた吸着材を用いるので、システムの耐久性に優れている。 According to this invention, since the adsorbent excellent in durability containing the zeolite of the present invention described above is used, the durability of the system is excellent.
以上説明したように、本発明のゼオライトによれば、上記所定量の窒素及び炭素を含有するので、特に吸着材として使用した場合に、吸着容量が大きく且つ繰り返しの使用に伴う粒子の粉化、結晶構造の破壊やそれに伴う吸着容量の低下が起こらないという優れた効果を有する。 As described above, according to the zeolite of the present invention, since it contains the predetermined amount of nitrogen and carbon, especially when used as an adsorbent, the adsorption capacity is large and the particles are pulverized with repeated use, It has an excellent effect that the crystal structure is not destroyed and the adsorption capacity is not lowered.
また、本発明のゼオライトを含有する吸着材を利用する熱利用システムは、上記本発明のゼオライトを含有する吸着材を用いていることにより、システムの耐久性に優れるという効果を有する。 Moreover, the heat utilization system using the adsorbent containing the zeolite of the present invention has an effect that the durability of the system is excellent by using the adsorbent containing the zeolite of the present invention.
以下、本発明の窒素含有ゼオライト(本願においては、単に「ゼオライト」ということがある。)、その製造方法、窒素含有ゼオライトを含む吸着材、熱利用システム、吸着ヒートポンプ及び蓄冷熱システムについて、順次説明する。 Hereinafter, the nitrogen-containing zeolite of the present invention (in the present application, sometimes simply referred to as “zeolite”), a production method thereof, an adsorbent containing nitrogen-containing zeolite, a heat utilization system, an adsorption heat pump, and a cold storage heat system are sequentially described. To do.
(窒素含有ゼオライト)
本発明に係るゼオライトは、窒素を0.5重量%以上12重量%以下含有し、炭素を1重量%以上8重量%以下含有することにより、例えば吸着材として使用した場合に、繰り返しの使用に伴う結晶構造の破壊やそれに伴う吸着容量の低下が起こらないという優れた効果を有するという特徴がある。
(Nitrogen-containing zeolite)
The zeolite according to the present invention contains 0.5 wt% or more and 12 wt% or less of nitrogen, and contains 1 wt% or more and 8 wt% or less of carbon. For example, when used as an adsorbent, the zeolite is used repeatedly. There is a feature that it has an excellent effect that the accompanying crystal structure is not destroyed and the accompanying adsorption capacity is not reduced.
こうした特徴を奏する本発明のゼオライトは、International Zeolite Association(国際ゼオライト協会:IZA)の規定による分類で、結晶性シリケート類、結晶性アルミノフォスフェート類などに属する構造を有するものであり、特に後述する吸着材としての耐久性と吸着特性の観点から、アルミノフォスフェート中のアルミニウムがヘテロ原子(本願においては、Meで表している。)で一部置換されていてもよい(Me−)アルミノフォスフェートである。ここで、Meは、周期表2A族、7A族、8族、1B族及び2B族の元素から選ばれる少なくとも1種類の元素である。なお、以下において、Meを含有していてもよいアルミノフォスフェートを、「(Me−)アルミノフォスフェート」で表すことがある。 The zeolite of the present invention exhibiting such characteristics has a structure belonging to crystalline silicates, crystalline aluminophosphates, etc. according to the classification of International Zeolite Association (International Zeolite Association: IZA), and will be described later. From the viewpoint of durability as an adsorbent and adsorption characteristics, aluminum in the aluminophosphate may be partially substituted with a heteroatom (in this application, represented by Me) (Me-) aluminophosphate. It is. Here, Me is at least one element selected from elements of Groups 2A, 7A, 8, 1B, and 2B of the periodic table. In the following, the aluminophosphate that may contain Me may be represented by “(Me−) aluminophosphate”.
上記(Me−)アルミノフォスフェートにおいては、その骨格構造を構成するMe、Al及びPの各モル比が、下記式1〜3を満足することが好ましい。なお、このとき、Meのモル比が、下記式1’を満足することがより好ましい。 In the (Me-) aluminophosphate, it is preferable that each molar ratio of Me, Al and P constituting the skeleton structure satisfies the following formulas 1 to 3. At this time, it is more preferable that the molar ratio of Me satisfies the following formula 1 '.
0≦x≦0.3 …1
(xは、Me、Al及びPの合計に対するMeのモル比を示す)
0.2≦y≦0.6 …2
(yは、Me、Al及びPの合計に対するAlのモル比を示す)
0.3≦z≦0.6 …3
(zは、Me、Al及びPの合計に対するPのモル比を示す)
0.001≦x≦0.3 …1’
(xは、Me、Al及びPの合計に対するMeのモル比を示す)
0 ≦ x ≦ 0.3… 1
(X represents the molar ratio of Me to the sum of Me, Al and P)
0.2 ≦ y ≦ 0.6 2
(Y represents the molar ratio of Al to the sum of Me, Al and P)
0.3 ≦ z ≦ 0.6 3
(Z represents the molar ratio of P to the sum of Me, Al and P)
0.001 ≦ x ≦ 0.3… 1 ′
(X represents the molar ratio of Me to the sum of Me, Al and P)
Meのモル比を示すxが上記範囲の上限よりも大きいと、不純物が混入する傾向がある。一方、xは0であっても本発明の効果を奏するが、その下限が0に近い場合には、吸着材に用いた場合において吸着物質の圧力が低い領域での吸着量が小さくなったり合成が困難になる傾向があることから、xの下限は上記式1’で示したように0.001であることが好ましい。また、Alのモル比を示すy及びPのモル比を示すzが上記範囲外になると、合成が困難になる。 When x indicating the molar ratio of Me is larger than the upper limit of the above range, impurities tend to be mixed. On the other hand, even if x is 0, the effect of the present invention is obtained. However, when the lower limit is close to 0, the amount of adsorption in the region where the pressure of the adsorbent is low or the synthesis is reduced when used as an adsorbent. Therefore, the lower limit of x is preferably 0.001 as shown by the above formula 1 ′. Further, when y indicating the molar ratio of Al and z indicating the molar ratio of P are out of the above ranges, the synthesis becomes difficult.
Me、Al及びPの各モル比については、下記式4〜6を満たすことがより好ましく、(Me−)アルミノフォスフェートの合成をより容易にし、また、不純物の混入を抑制し、更に、所望の吸着特性が得やすくなる。 About each molar ratio of Me, Al, and P, it is more preferable to satisfy the following formulas 4 to 6, and the synthesis of (Me-) aluminophosphate is further facilitated, contamination of impurities is suppressed, and further desired It becomes easy to obtain the adsorption characteristics.
0.01≦x≦0.3 …4
(xは、Me、Al及びPの合計に対するMeのモル比を示す)
0.3≦y≦0.5 …5
(yは、Me、Al及びPの合計に対するAlのモル比を示す)
0.4≦z≦0.5 …6
(zは、Me、Al及びPの合計に対するPのモル比を示す)
0.01 ≦ x ≦ 0.3… 4
(X represents the molar ratio of Me to the sum of Me, Al and P)
0.3 ≦ y ≦ 0.5 5
(Y represents the molar ratio of Al to the sum of Me, Al and P)
0.4 ≦ z ≦ 0.5 ... 6
(Z represents the molar ratio of P to the sum of Me, Al and P)
Meは、周期表2A族、7A族、8族、1B族及び2B族の元素から選ばれる少なくとも1種類の元素であればよく、2種以上含まれていてもよい。好ましいMeは、周期表第3周期に属する元素(Mg)及び第4周期に属する元素(Ca,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn)である。これらのうち、2価の状態でイオン半径が0.3Å以上、0.8Å以下であるもの(Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Mg)が好ましく、更に好ましくは、2価であり且つ4配位の状態でイオン半径が0.4Å以上、0.7Å以下のもの(Fe,Co,Cu,Zn,Mg)である。その中でも、合成の容易さと吸着特性の点から、Fe,Co,Mg,Znから選ばれる1種類又は2種類の元素であることが好ましく、特にFeであることが好ましい。なお、1Åは、10nmに換算される単位である。 Me may be at least one element selected from the elements of Group 2A, Group 7A, Group 8, Group 1B, and Group 2B of the periodic table, and may be included in two or more. Preferable Me is an element (Mg) belonging to the third period of the periodic table and an element (Ca, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) belonging to the fourth period. Among these, those having an ionic radius of 0.3 to 0.8 in the divalent state (Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mg) are preferable, and more preferably, they are divalent. In addition, in the four-coordinate state, the ion radius is 0.4 to 0.7 (Fe, Co, Cu, Zn, Mg). Among these, from the viewpoint of easy synthesis and adsorption characteristics, one or two elements selected from Fe, Co, Mg, and Zn are preferable, and Fe is particularly preferable. 1Å is a unit converted to 10 nm.
上記の構成からなる(Me−)アルミノフォスフェートは、その骨格構造を構成する成分とは別に、他のカチオンとイオン交換可能なカチオン種を持つものを含んでいてもよい。そうしたカチオン種としては、プロトン、Li、Na、K等のアルカリ元素、Mg、Ca等のアルカリ土類元素、La、Ce等の希土類元素、Fe、Co、Ni等の遷移金属元素などが挙げられる。中でも、プロトン、アルカリ元素、アルカリ土類元素が好ましい。 The (Me-) aluminophosphate having the above-described configuration may include a component having a cation species capable of ion exchange with other cations, in addition to the component constituting the skeleton structure. Examples of such cationic species include protons, alkaline elements such as Li, Na, and K, alkaline earth elements such as Mg and Ca, rare earth elements such as La and Ce, and transition metal elements such as Fe, Co, and Ni. . Among these, protons, alkali elements, and alkaline earth elements are preferable.
本発明に係るゼオライトは、そのフレームワーク密度が、通常、10T/nm3以上17.4T/nm3以下であることが好ましい。フレームワーク密度が上記範囲の下限未満では、ゼオライトの構造が不安定となる傾向があり、一方、フレームワーク密度が上記範囲の上限を超えると吸着量が小さくなる傾向がある。こうしたフレームワーク密度は、12T/nm3以上であることがより好ましく、13T/nm3以上であることが更に好ましい。一方、そのフレームワーク密度は、16T/nm3以下であることがより好ましく、15T/nm3以下であることが更に好ましい。ここで、Tとは、ゼオライトの骨格を構成する酸素原子以外の原子であり、T/nm3は、nm3あたり存在するT原子の個数(フレームワーク密度)を示す単位である。 Zeolites of the present invention, the framework density, it is usually preferable 10T / nm 3 or more 17.4T / nm 3 or less. If the framework density is less than the lower limit of the above range, the structure of the zeolite tends to be unstable, whereas if the framework density exceeds the upper limit of the above range, the amount of adsorption tends to be small. Such framework density, more preferably 12T / nm 3 or more, more preferably 13T / nm 3 or more. On the other hand, the framework density is more preferably 16T / nm 3 or less, and more preferably 15T / nm 3 or less. Here, T is an atom other than oxygen atoms constituting the skeleton of the zeolite, and T / nm 3 is a unit indicating the number of T atoms (framework density) present per nm 3 .
本発明に係るゼオライトの骨格構造は、IZAが定めるコードで、AEI、AFR、AFS、AFT、AFX、ATS、CHA、ERI、LEV、LTA及びVFIから選ばれる構造である。中でも、吸着特性と構造安定性の点からは、AEI、CHA、LEVから選ばれる構造であることが好ましく、特にCHAが好ましい。 The framework structure of the zeolite according to the present invention is a code determined by IZA, and is a structure selected from AEI, AFR, AFS, AFT, AFX, ATS, CHA, ERI, LEV, LTA and VFI. Among these, from the viewpoint of adsorption characteristics and structural stability, a structure selected from AEI, CHA, and LEV is preferable, and CHA is particularly preferable.
本発明に係るゼオライトである(Me−)アルミノフォスフェートは、これを焼成して炭素含有量及び窒素含有量の両方を0.3重量%未満とした場合に、焼成前の骨格構造が保たれるものが好ましい。ここで、炭素含有量及び窒素含有量の両方を0.3重量%未満とした場合に焼成前の骨格構造が保たれるとは、その(Me−)アルミノフォスフェート固有の骨格構造が保持されることを意味し、下記の(1)又は(2)を満足する場合にその固有の骨格構造が保持されているとみなし、好ましくは下記の(1)及び(2)の両方を満足する場合である。以下、(1)及び(2)について説明する。 The (Me-) aluminophosphate, which is a zeolite according to the present invention, retains the skeletal structure before calcination when the carbon content and the nitrogen content are both less than 0.3% by weight. Are preferred. Here, when both the carbon content and the nitrogen content are less than 0.3% by weight, the skeleton structure before firing is maintained. This means that the (Me-) aluminophosphate-specific skeleton structure is maintained. When the following (1) or (2) is satisfied, the inherent skeleton structure is considered to be retained, and preferably both the following (1) and (2) are satisfied It is. Hereinafter, (1) and (2) will be described.
(1)理想的な骨格構造を保っていると仮定した場合の理想的な水蒸気吸着量をQiとし、炭素含有量及び窒素含有量の両方が0.3重量%未満になるまで焼成した後の水蒸気吸着量(25℃、相対蒸気圧0.5)をQcとしたとき、Qc/Qiが0.4以上である。但し、Qiは、下記(1−1)又は(1−2)に従って決定される。なお、ここでいう構造骨格とは、IZAが定めるコードを指し、骨格を構成する元素が異なっていても同一のコードで記載されるものは同一の骨格構造とみなす。 (1) An ideal water vapor adsorption amount assuming that an ideal skeleton structure is maintained is Qi, and after firing until both the carbon content and the nitrogen content are less than 0.3% by weight. When the water vapor adsorption amount (25 ° C., relative vapor pressure 0.5) is Qc, Qc / Qi is 0.4 or more. However, Qi is determined according to the following (1-1) or (1-2). Note that the structural skeleton here refers to a code defined by IZA, and even if the elements constituting the skeleton are different, those described with the same code are regarded as the same skeleton structure.
(1−1)水和状態のゼオライトの骨格構造の構造解析がなされている場合;水和状態の結晶の式量に対する、含有されている水の割合をQiとする。 (1-1) When structural analysis of the framework structure of zeolite in a hydrated state has been made; the ratio of the contained water to the formula weight of the crystal in the hydrated state is defined as Qi.
(1−2)水和状態のゼオライトの骨格構造の構造解析がなされていない場合; D.W.Breck, "ZEOLITE MOLECULAR SIEVES: STRCTURE, CHEMISTRY, AND USE", A WILEY-INTERSCIENCE PUBLICATION, 1974, の48頁〜50頁及び表2.4において、該当する構造を有するゼオライトの Void Fraction をもってQiとする。 (1-2) If the skeletal structure of the hydrated zeolite has not been analyzed; DWBreck, "ZEOLITE MOLECULAR SIEVES: STRCTURE, CHEMISTRY, AND USE", A WILEY-INTERSCIENCE PUBLICATION, 1974- In page 50 and Table 2.4, the Void Fraction of the zeolite having the corresponding structure is defined as Qi.
(2)粉末X線回折パターンにおいて、焼成前の状態で測定したピークのうち、該当する結晶構造に由来する強度比の大きい3本のピークの少なくとも一つが、焼成により炭素含有量及び窒素含有量の両方を0.3重量%未満とした後も焼成前の50%以上のピーク高さを有する。なお、ピーク強度の測定は、同一のサンプルホルダーを用いて同一のサンプル重量で行うものとする。 (2) In the powder X-ray diffraction pattern, among the peaks measured in the state before firing, at least one of the three peaks having a large intensity ratio derived from the corresponding crystal structure is carbon content and nitrogen content by firing. Even after setting both of these to less than 0.3% by weight, it has a peak height of 50% or more before firing. In addition, the measurement of peak intensity shall be performed with the same sample weight using the same sample holder.
ピーク強度の測定にあたっては、測定精度の点から、以下の(A)又は(B)の方法で行う。 The peak intensity is measured by the following method (A) or (B) from the viewpoint of measurement accuracy.
(A)内部標準物質を使用しない場合:同一条件で測定を行い、測定対象試料のピーク強度の絶対値を比較する。測定対象試料のピーク強度を測定する前後に同一サンプルを測定したとき、ピーク強度の絶対値の変化が10%以下であるのが好ましい。 (A) When an internal standard is not used: Measure under the same conditions and compare the absolute values of the peak intensities of the samples to be measured. When the same sample is measured before and after measuring the peak intensity of the sample to be measured, the change in absolute value of the peak intensity is preferably 10% or less.
(B)内部標準物質を使用する場合:内部標準物質を一定重量比で混合し、測定対象試料のピーク強度と内部標準物質ピーク強度との比(ピーク強度比)を測定し、測定対象試料のピーク強度比を比較する。 (B) When using an internal standard substance: Mix the internal standard substance at a certain weight ratio, measure the peak intensity of the sample to be measured and the peak intensity of the internal standard substance (peak intensity ratio), Compare peak intensity ratios.
より具体的には、例えば、以下の手法が挙げられる。 More specifically, for example, the following methods can be mentioned.
(a)同一装置を用い、サンプルを乳鉢等で人力でよく粉砕し、測定サンプル量を同一とし、同一の条件で測定する。この際、強度の比較を行うサンプルの測定は、可能な限り時間的に近接していることが望ましい。その他、X線源の状態が可能な限り一定に保たれるよう、一般的なXRD測定を行う者にとって周知の配慮がなされるものとする。また、比較測定の前後で同一サンプルを測定して回折強度の変化が10%以下であることを確認するものとする。 (A) Using the same apparatus, the sample is pulverized well manually with a mortar or the like, the measurement sample amounts are the same, and the measurement is performed under the same conditions. At this time, it is desirable that the measurements of the samples for comparing the intensities are as close as possible in time. In addition, in order to keep the state of the X-ray source as constant as possible, a well-known consideration shall be given to those who perform general XRD measurements. In addition, the same sample is measured before and after the comparative measurement to confirm that the change in diffraction intensity is 10% or less.
(b)同一の装置を使用できない場合、あるいは同一装置でもX線源の状態が著しく変化している可能性がある場合は、測定サンプルに一定重量比で同一の内部標準物質を添加し、乳鉢等で良く混合した後、XRD測定を行う。サンプル間のピーク強度の比較は、内部標準物質由来のある回折ピークの強度と、ゼオライト由来の回折ピーク強度の比をもって行う。内部標準物質は、強度比較をしようとするゼオライト由来の回折ピーク位置に回折ピークを有さないことなど当業者に公知の知見をもって選択するものとする。 (B) If the same device cannot be used, or if the X-ray source state may change significantly even in the same device, add the same internal standard substance to the measurement sample at a constant weight ratio, and mortar After mixing well, etc., XRD measurement is performed. Comparison of peak intensities between samples is performed by a ratio of the intensity of a diffraction peak derived from an internal standard substance and the diffraction peak intensity derived from zeolite. The internal standard substance is selected with knowledge known to those skilled in the art, such as not having a diffraction peak at the diffraction peak position derived from the zeolite whose intensity is to be compared.
なお、焼成して炭素含有量及び窒素含有量の両方を0.3重量%未満とするとの指標は、(Me−)アルミノフォスフェートの製造に使用される有機テンプレートを除去した状態を指す指標であって、検出限界によって決定された値である。 In addition, the indicator that both the carbon content and the nitrogen content are less than 0.3% by weight after firing is an indicator that indicates a state in which the organic template used for the production of (Me-) aluminophosphate is removed. It is a value determined by the detection limit.
また、焼成して炭素含有量及び窒素含有量の両方を0.3重量%未満とする場合の焼成条件としては、例えば、含酸素雰囲気中、450℃以上・2時間とすることができる。 Moreover, as a calcination condition in the case where both the carbon content and the nitrogen content are less than 0.3% by weight by calcination, for example, it can be 450 ° C. or more and 2 hours in an oxygen-containing atmosphere.
焼成後に焼成前の骨格構造を保たない(Me−)アルミノフォスフェートの場合には、その骨格構造に起因して、例えば吸着材として繰り返し使用した場合に結晶構造が破壊し易く吸着特性が低下する傾向となる。 In the case of (Me-) aluminophosphate that does not retain the pre-firing skeletal structure after firing, due to the skeletal structure, for example, when repeatedly used as an adsorbent, the crystal structure tends to break down and the adsorption characteristics are reduced. Tend to.
本発明に係るゼオライトは、上述したように、窒素を0.5重量%以上12重量%以下含有し、炭素を1重量%以上8重量%以下含有する。この範囲の窒素と炭素を含有するゼオライトは、例えば吸着材として使用した場合に、繰り返しの使用に伴う結晶構造の破壊やそれに伴う吸着容量の低下が起こらないという優れた効果がある。特に、結晶構造の破壊が起き難く、耐久性が向上するという効果を奏し、そのため、各種の実用用途に好ましく適用することができる。実用用途としては、後述の熱利用システム、吸着ヒートポンプ、蓄冷熱システムなどが挙げられる。 As described above, the zeolite according to the present invention contains 0.5% by weight to 12% by weight of nitrogen and 1% by weight to 8% by weight of carbon. Zeolite containing nitrogen and carbon in this range has an excellent effect that, for example, when used as an adsorbent, the crystal structure is not broken and the adsorbing capacity is lowered due to repeated use. In particular, the crystal structure is hardly broken and the durability is improved. Therefore, it can be preferably applied to various practical uses. Examples of practical applications include a heat utilization system, an adsorption heat pump, and a cold storage heat system described later.
窒素含有量及び炭素含有量が上記範囲の上限を超えると、特に吸着材として使用する場合に吸着量が低下し、吸着材としての性能が不十分となる。一方、窒素含有量及び炭素含有量が上記範囲の下限未満では、特に吸着材として使用した場合に、繰り返しの使用による耐久性に問題が生じることがある。 When the nitrogen content and the carbon content exceed the upper limits of the above ranges, the adsorption amount decreases particularly when used as an adsorbent, and the performance as an adsorbent becomes insufficient. On the other hand, when the nitrogen content and the carbon content are less than the lower limit of the above range, there may be a problem in durability due to repeated use, particularly when used as an adsorbent.
窒素含有量は、0.5重量%以上が好ましく、0.8重量%以上がより好ましく、1.0重量%以上が特に好ましい。また、この窒素含有量は、5重量%以下が好ましく、3重量%以下が特に好ましい。一方、炭素含有量は、1.5重量%以上が好ましく、2重量%以上がより好ましい。また、この炭素含有量は、6重量%以下が好ましく、5重量%以下が特に好ましい。 The nitrogen content is preferably 0.5% by weight or more, more preferably 0.8% by weight or more, and particularly preferably 1.0% by weight or more. Further, the nitrogen content is preferably 5% by weight or less, and particularly preferably 3% by weight or less. On the other hand, the carbon content is preferably 1.5% by weight or more, and more preferably 2% by weight or more. Further, the carbon content is preferably 6% by weight or less, and particularly preferably 5% by weight or less.
こうした範囲の窒素及び炭素を含有するゼオライトの耐久性が向上する理由は充分に明らかではないが、吸脱着時における結晶構造の変化、格子定数の変化、及び結合状態の変化がいずれも小さいためであると考えられる。 The reason why the durability of zeolite containing nitrogen and carbon in this range is improved is not clear enough, but the change in crystal structure, change in lattice constant, and change in bonding state during adsorption / desorption are all small. It is believed that there is.
本発明のゼオライトにおいては、窒素に対する炭素の重量比(C/N重量比)が、0.8以上、6.5以下であることが好ましく、1.0以上、4以下特に3.5以下であることがより好ましい。このC/N重量比が上記範囲内にあると耐久性が高く且つ吸着容量がも大きい傾向がある。一方、C/N重量比が0.8未満になると耐久性が低下する傾向がある。 In the zeolite of the present invention, the weight ratio of carbon to nitrogen (C / N weight ratio) is preferably 0.8 or more and 6.5 or less, 1.0 or more, 4 or less, particularly 3.5 or less. More preferably. If this C / N weight ratio is within the above range, the durability tends to be high and the adsorption capacity tends to be large. On the other hand, when the C / N weight ratio is less than 0.8, the durability tends to decrease.
ゼオライトにMeが含まれる場合におけるMeに対する窒素のモル比(N/Me比)は、0.1以上、10以下であることが好ましい。中でも、N/Me比が0.2以上であることが好ましく、特に0.5以上であることが好ましい。一方、N/Me比は、5以下が好ましく、特に2以下が好ましい。N/Me比が上記範囲の上限を超えると、吸着量が低下する傾向があり、N/Me比が上記範囲の下限未満では、耐久性が低下する傾向がある。 When Me is contained in the zeolite, the molar ratio of nitrogen to Me (N / Me ratio) is preferably 0.1 or more and 10 or less. Especially, it is preferable that N / Me ratio is 0.2 or more, and it is especially preferable that it is 0.5 or more. On the other hand, the N / Me ratio is preferably 5 or less, and particularly preferably 2 or less. When the N / Me ratio exceeds the upper limit of the above range, the adsorption amount tends to decrease, and when the N / Me ratio is less than the lower limit of the above range, the durability tends to decrease.
本発明に係るゼオライトは、その細孔構造のうち、吸着物質(吸着質ということもある。)が出入りできる部分の割合(下記式7で定義される細孔利用率のこと。)が、0.6以上0.99以下であることが好ましい。この細孔利用率は、0.7以上であることがより好ましく、0.8以上であることが特に好ましい。一方、この細孔利用率は、0.95以下であることがより好ましく、0.93以下であることが特に好ましい。 In the zeolite according to the present invention, the proportion of the portion where the adsorbed substance (sometimes referred to as an adsorbate) can enter and leave the pore structure (the pore utilization rate defined by the following formula 7) is 0. It is preferable that it is .6 or more and 0.99 or less. The pore utilization rate is more preferably 0.7 or more, and particularly preferably 0.8 or more. On the other hand, the pore utilization rate is more preferably 0.95 or less, and particularly preferably 0.93 or less.
細孔利用率=Q1/Qs …7
ここで、Qsは構造指示材を完全に除去した場合の水蒸気吸着量であり、Q1は本発明に係るゼオライトの水蒸気吸着量である。但し、この水蒸気吸着量は、相対蒸気圧0.5、室温(25℃)における単位重量あたりの水蒸気吸着容量を表す。
Pore utilization factor = Q1 / Qs ... 7
Here, Qs is the water vapor adsorption amount when the structure indicating material is completely removed, and Q1 is the water vapor adsorption amount of the zeolite according to the present invention. However, this water vapor adsorption amount represents the water vapor adsorption capacity per unit weight at a relative vapor pressure of 0.5 and room temperature (25 ° C.).
本発明のゼオライトは、下記に従って繰り返し耐久性試験を行った場合、その繰り返し耐久性試験前の結晶構造が保持されるのが好ましい。 When the zeolite of the present invention is subjected to a repeated durability test according to the following, it is preferable that the crystal structure before the repeated durability test is maintained.
本願において、「繰り返し耐久性試験」とは、ゼオライトを90℃に保たれた真空容器内に保持し、真空状態と90℃の飽和水蒸気雰囲気とにそれぞれ90秒曝す操作を500回繰り返す試験のことである。ここで、「結晶構造が保持される」とは、同一装置、同一測定条件、同一サンプルホルダー及び同一サンプル重量でXRD測定を行った場合に、上記の繰り返し耐久性試験後の最も強いピーク強度が、繰り返し耐久性試験前の最も強いピーク強度の50%以上であることを言う。ただし、ピーク強度とは、ピーク高さのことであり、ピークトップのカウント数からバックグラウンドのカウント数を差し引いたもので定義される。 In the present application, the “repetitive durability test” is a test in which the operation of holding the zeolite in a vacuum vessel maintained at 90 ° C. and exposing it to a vacuum state and a saturated steam atmosphere at 90 ° C. for 90 seconds is repeated 500 times. It is. Here, “the crystal structure is retained” means that the strongest peak intensity after the repeated durability test is performed when the XRD measurement is performed with the same apparatus, the same measurement conditions, the same sample holder and the same sample weight. It means that it is 50% or more of the strongest peak intensity before the repeated durability test. The peak intensity is the peak height, and is defined by subtracting the background count from the peak top count.
又、本発明のゼオライトは、上記と同様にして繰り返し耐久性試験を行った場合、25℃・相対蒸気圧0.5での水蒸気吸着量が試験前の80%以上であることが好ましい。 Further, when the zeolite of the present invention is subjected to repeated durability tests in the same manner as described above, the amount of water vapor adsorption at 25 ° C. and a relative vapor pressure of 0.5 is preferably 80% or more before the test.
又、本発明のゼオライトは、200℃から350℃に加熱した場合の重量減少率(g1)が0重量%以上3重量%以下であることが好ましい。重量減少率(g1)は小さい方が好ましく、その上限は、好ましくは2重量%、更に好ましくは1.5重量%である。重量減少率(g1)が大きすぎると、熱安定性が不十分となる。 Further, the zeolite of the present invention preferably has a weight reduction rate (g1) of from 0 wt% to 3 wt% when heated from 200 ° C. to 350 ° C. The smaller weight loss rate (g1) is preferred, and the upper limit thereof is preferably 2% by weight, more preferably 1.5% by weight. When the weight reduction rate (g1) is too large, the thermal stability becomes insufficient.
一方、本発明のゼオライトを350℃から700℃に加熱した場合の重量減少率(g2)は、2重量%以上9.5重量%以下が好ましい。重量減少率(g2)は、好ましくは2.5重量%以上、更に好ましくは3重量%以上であり、一方、好ましくは5.5重量%以下である。重量減少率(g2)が小さすぎると、耐久性が劣る傾向があり、重量減少率(g2)が大きすぎると、ゼオライトを吸着材として使用した場合に吸着量が不十分となる傾向がある。 On the other hand, the weight reduction rate (g2) when the zeolite of the present invention is heated from 350 ° C. to 700 ° C. is preferably 2% by weight or more and 9.5% by weight or less. The weight loss rate (g2) is preferably 2.5% by weight or more, more preferably 3% by weight or more, and preferably 5.5% by weight or less. If the weight reduction rate (g2) is too small, the durability tends to be inferior, and if the weight reduction rate (g2) is too large, the amount of adsorption tends to be insufficient when zeolite is used as the adsorbent.
尚、重量減少率は、200℃での重量をw1、350℃での重量をw2、700℃での重量をw3とするとき、下記式8,9で算出される。 The weight reduction rate is calculated by the following formulas 8 and 9, where w1 at 200 ° C., w2 at 350 ° C., and w3 at 700 ° C.
重量減少率(g1)=(w1−w2)/w1×100 …8
重量減少率(g2)=(w2−w3)/w1×100 …9
Weight reduction rate (g1) = (w1-w2) / w1 × 100 ... 8
Weight reduction rate (g2) = (w2-w3) / w1 × 100 ... 9
(窒素含有ゼオライトの製造方法)
次に、本発明の窒素含有ゼオライトの製造方法について説明する。
(Method for producing nitrogen-containing zeolite)
Next, the manufacturing method of the nitrogen containing zeolite of this invention is demonstrated.
本発明に係るゼオライトの製造方法は、上記の組成及び構造上の特徴を有した本発明に係るゼオライトを製造するための方法であって、少なくともゼオライトを構成する金属元素の化合物を構造指示材の存在下で水熱合成し、得られたゼオライト前駆体を酸素濃度が0.1vol%以上20vol%以下の雰囲気で焼成することにより製造される。 A method for producing a zeolite according to the present invention is a method for producing a zeolite according to the present invention having the above-mentioned composition and structural characteristics, wherein at least a compound of a metal element constituting the zeolite is used as a structure indicating material. It is produced by hydrothermal synthesis in the presence and calcining the obtained zeolite precursor in an atmosphere having an oxygen concentration of 0.1 vol% or more and 20 vol% or less.
最初に、本発明に係るゼオライトを製造するための構成原料について説明する。使用される構成原料としては、アルミニウム源、Me源(特に好ましくは鉄源)、リン源及び構造指示材としての有機テンプレートが用いられる。そして、これらの各原料を混合した後、水熱合成することによりゼオライト前駆体が得られる。 First, constituent raw materials for producing the zeolite according to the present invention will be described. As the constituent materials used, an aluminum source, a Me source (particularly preferably an iron source), a phosphorus source, and an organic template as a structure indicating material are used. And after mixing these each raw material, a zeolite precursor is obtained by carrying out hydrothermal synthesis.
アルミニウム源;アルミニウム源は特に限定されず、通常、擬ベーマイト、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムトリエトキシド等のアルミニウムアルコキシド、水酸化アルミニウム、アルミナゾル、アルミン酸ナトリウムなどが使用される。中でも、取り扱いやすさと反応性の観点から、擬ベーマイトが好ましく使用される。 Aluminum source: The aluminum source is not particularly limited, and aluminum alkoxides such as pseudoboehmite, aluminum isopropoxide, aluminum triethoxide, aluminum hydroxide, alumina sol, sodium aluminate and the like are usually used. Among these, pseudoboehmite is preferably used from the viewpoint of ease of handling and reactivity.
Me源;用いることがあるMe源も特に限定されず、通常、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、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、無機酸塩又は有機酸塩が好ましく使用される。場合によってはコロイド状の酸化物を用いてもよい。Me源として、Meの価数が2価のものが好ましい。Meの種類については上記記載の通りである。 Me source; Me source that may be used is not particularly limited, and usually, inorganic acid salts such as sulfate, nitrate, phosphate, chloride, bromide, organic acids such as acetate, oxalate, citrate, etc. Organic metal compounds such as salts, pentacarbonyl and ferrocene are used. Of these, inorganic acid salts or organic acid salts are preferably used from the viewpoint of solubility in water. In some cases, a colloidal oxide may be used. As the Me source, those having a valence of Me of 2 are preferred. The type of Me is as described above.
リン源;リン源は、通常、リン酸が使用されるが、リン酸アルミニウムを用いてもよい。 Phosphorus source: Phosphoric acid is usually used as the phosphorus source, but aluminum phosphate may be used.
有機テンプレート;水熱合成において構造指示材としての役割を持つ有機テンプレートとしては、アミン、イミン、四級アンモニウム塩を使用できるが、好ましくは、(1)ヘテロ原子として窒素を含む脂環式複素環化合物、(2)シクロアルキル基を有するアミン、及び(3)アルキル基を有するアミンからなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物を用いることが好ましい。それらは入手し易く安価であり、更に、製造された(Me−)アルミノフォスフェートの取り扱いも容易で構造破壊も起き難いという効果がある。 Organic template: As an organic template having a role as a structure indicating material in hydrothermal synthesis, amine, imine, and quaternary ammonium salt can be used. Preferably, (1) an alicyclic heterocycle containing nitrogen as a hetero atom It is preferable to use at least one compound selected from the group consisting of a compound, (2) an amine having a cycloalkyl group, and (3) an amine having an alkyl group. They are easy to obtain and inexpensive, and also have the effect that the (Me-) aluminophosphate produced is easy to handle and structural destruction is less likely to occur.
ここで、有機テンプレートとして好ましく用いられる上記の各アミン類について更に詳しく説明する。 Here, each said amine preferably used as an organic template is demonstrated in more detail.
ヘテロ原子として窒素を含む脂環式複素環化合物;ヘテロ原子として窒素を含む脂環式複素環化合物は、通常5〜7員環であり、好ましくは6員環である。複素環に含まれるヘテロ原子の個数は、通常3個以下、好ましくは2個以下である。含まれるヘテロ原子の種類は、窒素以外は特に限定されないが、合成のし易さの観点からは窒素に加えて酸素を含むものが好ましい。ヘテロ原子の位置は特に限定されないが、合成のし易さの観点からはヘテロ原子が相互に隣り合わないものが好ましい。分子量としては、250以下であり、合成のし易さの観点からは200以下が好ましく、150以下がより好ましい。 An alicyclic heterocyclic compound containing nitrogen as a heteroatom; The alicyclic heterocyclic compound containing nitrogen as a heteroatom is usually a 5- to 7-membered ring, preferably a 6-membered ring. The number of heteroatoms contained in the heterocycle is usually 3 or less, preferably 2 or less. The type of heteroatoms contained is not particularly limited except for nitrogen, but those containing oxygen in addition to nitrogen are preferred from the viewpoint of ease of synthesis. The positions of the heteroatoms are not particularly limited, but those in which the heteroatoms are not adjacent to each other are preferable from the viewpoint of ease of synthesis. The molecular weight is 250 or less, preferably 200 or less, more preferably 150 or less from the viewpoint of ease of synthesis.
このようなヘテロ原子として窒素を含む脂環式複素環化合物としては、モルホリン、N−メチルモルホリン、ピペリジン、ピペラジン、N,N‘−ジメチルピペラジン、1,4−ジアザビシクロ(2,2,2)オクタン、N−メチルピペリジン、3−メチルピペリジン、キヌクリジン、ピロリジン、N−メチルピロリドン、ヘキサメチレンイミンなどが挙げられる。これらのうち、合成のし易さの観点から、モルホリン、ヘキサメチレンイミン、ピペリジンが好ましく、モルホリンが特に好ましい。 Examples of such alicyclic heterocyclic compounds containing nitrogen as a heteroatom include morpholine, N-methylmorpholine, piperidine, piperazine, N, N′-dimethylpiperazine, 1,4-diazabicyclo (2,2,2) octane. , N-methylpiperidine, 3-methylpiperidine, quinuclidine, pyrrolidine, N-methylpyrrolidone, hexamethyleneimine and the like. Of these, morpholine, hexamethyleneimine, and piperidine are preferred from the viewpoint of ease of synthesis, and morpholine is particularly preferred.
シクロアルキル基を有するアミン;シクロアルキル基を有するアミンにおいて、そのシクロアルキル基の個数は、アミン1分子に2個以下であることが好ましく、1個であることがより好ましい。また、シクロアルキル基の炭素数は、通常5〜7個で、好ましくは6個である。シクロアルキルのシクロ環の数は特に限定されないが、通常1個が好ましい。また、シクロアルキル基がアミン化合物の窒素原子と結合しているのが、合成のし易さの点で好ましい。分子量としては、250以下、合成のし易さの観点からは200以下が好ましく、150以下がより好ましい。 An amine having a cycloalkyl group; In an amine having a cycloalkyl group, the number of cycloalkyl groups is preferably 2 or less, more preferably 1 per amine molecule. The cycloalkyl group usually has 5 to 7 carbon atoms, preferably 6 carbon atoms. The number of cycloalkyl cyclo rings is not particularly limited, but usually one is preferred. Moreover, it is preferable from the point of easiness of a synthesis | combination that the cycloalkyl group has couple | bonded with the nitrogen atom of the amine compound. The molecular weight is 250 or less, preferably 200 or less, more preferably 150 or less from the viewpoint of ease of synthesis.
このようなシクロアルキル基を有するアミンとしては、シクロヘキシルアミン、ジシクロヘキシルアミン、N−メチルシクロヘキシルアミン、N,N−ジメチルシクロヘキシルアミン、シクロペンチルアミン等が挙げられ、特にシクロヘキシルアミンが好ましい。 Examples of the amine having such a cycloalkyl group include cyclohexylamine, dicyclohexylamine, N-methylcyclohexylamine, N, N-dimethylcyclohexylamine, and cyclopentylamine, and cyclohexylamine is particularly preferable.
アルキル基を有するアミン;アルキル基を有するアミンにおいて、そのアルキル基は、アミン1分子に何個入っていてもよいが、好ましくは3個である。アルキル基の炭素数は、4個以下が好ましく、1分子中の全アルキル基の炭素数の合計が10個以下であることがより好ましい。分子量としては、250以下であり、合成のし易さの観点からは200以下が好ましく、150以下がより好ましい。 An amine having an alkyl group; in an amine having an alkyl group, any number of alkyl groups may be contained in one amine molecule, but preferably three. The number of carbon atoms of the alkyl group is preferably 4 or less, and more preferably the total number of carbon atoms of all alkyl groups in one molecule is 10 or less. The molecular weight is 250 or less, preferably 200 or less, more preferably 150 or less from the viewpoint of ease of synthesis.
このようなアルキル基を有するアミンとしては、ジ−n−プロピルアミン、トリ−n−プロピルアミン、トリ−イソプロピルアミン、トリエチルアミン、トリエタノールアミン、N,N−ジエチルエタノールアミン、N,N−ジメチルエタノールアミン、N−メチルジエタノールアミン、N−メチルエタノールアミン、ジ−n−ブチルアミン、ネオペンチルアミン、ジ−n−ペンチルアミン、イソプロピルアミン、t−ブチルアミン、エチレンジアミン、ジ−イソプロピル−エチルアミン、N−メチル−n−ブチルアミン等があげられ、ジ−n−プロピルアミン、トリ−n−プロピルアミン、トリ−イソプロピルアミン、トリエチルアミン、ジ−n−ブチルアミン、イソプロピルアミン、t−ブチルアミン、エチレンジアミン、ジ−イソプロピル−エチルアミン、N−メチル−n−ブチルアミンが合成のし易さの点で好ましく、N,N−ジエチルエタノールアミン、N,N−ジメチルエタノールアミン、トリエチルアミンが更に好ましい。最も好ましいのはN,N−ジエチルエタノールアミン、トリエチルアミンである。 Examples of amines having such alkyl groups include di-n-propylamine, tri-n-propylamine, tri-isopropylamine, triethylamine, triethanolamine, N, N-diethylethanolamine, N, N-dimethylethanol. Amine, N-methyldiethanolamine, N-methylethanolamine, di-n-butylamine, neopentylamine, di-n-pentylamine, isopropylamine, t-butylamine, ethylenediamine, di-isopropyl-ethylamine, N-methyl-n -Butylamine and the like, di-n-propylamine, tri-n-propylamine, tri-isopropylamine, triethylamine, di-n-butylamine, isopropylamine, t-butylamine, ethylenediamine, di-isopropyl Le - ethylamine, preferably in that N- methyl -n- butylamine synthetic ease, N, N- diethylethanolamine, N, N- dimethylethanolamine, triethylamine is more preferable. Most preferred are N, N-diethylethanolamine and triethylamine.
好ましく用いられる上記(1)ヘテロ原子として窒素を含む脂環式複素環化合物、(2)シクロアルキル基を有するアミン、及び(3)アルキル基を有するアミンは、単独で用いても2種以上を併用してもよい。上記アミン類の中から1種用いる場合は、合成の容易さの点から、(1)ヘテロ原子として窒素を含む脂環式複素環化合物の中のモルホリン、又は、(2)シクロアルキル基を有するアミンの中のシクロヘキシルアミンが好ましく、その中でもモルホリンが特に好ましい。 The (1) alicyclic heterocyclic compound containing nitrogen as a hetero atom, (2) an amine having a cycloalkyl group, and (3) an amine having an alkyl group are preferably used alone or in combination of two or more. You may use together. When one of the above amines is used, from the viewpoint of ease of synthesis, (1) a morpholine in an alicyclic heterocyclic compound containing nitrogen as a hetero atom or (2) a cycloalkyl group Of the amines, cyclohexylamine is preferable, and morpholine is particularly preferable.
一方、所望の組成のものを純度よく合成するため、2種類以上のアミン類を組み合わせて用いるのが好ましい。これらのうち、好ましい組み合わせとしては、有機テンプレートとして、(1)ヘテロ原子として窒素を含む脂環式複素環化合物、(2)シクロアルキル基を有するアミン、及び(3)アルキル基を有するアミン、からなる群の2以上の群からそれぞれ1種以上の化合物を用いることが好ましい。このように組み合わせることにより、所望の元素割合のものや、結晶性の高いゼオライトを合成し易いという利点がある。中でも、(1)ヘテロ原子として窒素を含む脂環式複素環化合物を含む2種以上の組み合わせの場合は、所望の元素割合のものや、結晶性の高いゼオライトを合成し易いので、より好ましい。具体的な好ましい組み合わせとしては、モルホリン、トリエチルアミン又はN,N−ジエチルエタノールアミン及びシクロヘキシルアミンから2種以上、中でもモルホリンを含む2種以上の組み合わせの場合がより好ましい。 On the other hand, in order to synthesize a desired composition with high purity, it is preferable to use a combination of two or more amines. Among these, as a preferable combination, as an organic template, (1) an alicyclic heterocyclic compound containing nitrogen as a hetero atom, (2) an amine having a cycloalkyl group, and (3) an amine having an alkyl group, It is preferable to use one or more compounds from two or more groups. By combining in this way, there is an advantage that it is easy to synthesize zeolite having a desired element ratio or high crystallinity. Among these, (1) in the case of a combination of two or more containing an alicyclic heterocyclic compound containing nitrogen as a heteroatom, a compound having a desired element ratio and a zeolite with high crystallinity are easily synthesized. As a specific preferred combination, a combination of two or more of morpholine, triethylamine or N, N-diethylethanolamine and cyclohexylamine, more preferably a combination of two or more containing morpholine is more preferable.
これらの有機テンプレート各群の混合比率は、条件に応じて適時選ぶ必要があるが、混合させる2種の有機テンプレートのモル比は、1:20〜20:1の範囲であり、所望の元素割合のものや結晶性の高いゼオライトの合成のし易さの観点から、1:10〜10:1が好ましい。なお、その他の有機テンプレートが入っていてもよいが、その場合には、モル比で通常20%以下であることが好ましく、10%以下であることがより好ましい。これらの有機テンプレートは、価格も安く、従来の有機テンプレート(例えばテトラエチルアンモニウムヒドロキシド)等に比べて扱い易く腐食性等も少ないという利点がある。 The mixing ratio of each group of these organic templates needs to be selected as appropriate according to the conditions, but the molar ratio of the two organic templates to be mixed is in the range of 1:20 to 20: 1, and the desired element ratio From the viewpoint of ease of synthesis of zeolites having high crystallinity and high crystallinity, 1:10 to 10: 1 is preferable. In addition, although other organic templates may be contained, in that case, the molar ratio is usually preferably 20% or less, and more preferably 10% or less. These organic templates are advantageous in that they are inexpensive and easy to handle and less corrosive than conventional organic templates (eg, tetraethylammonium hydroxide).
本発明のゼオライトの製造方法において、複数の有機テンプレートを併用して製造すると共に、更にその製造条件を選択することにより、(i)ゼオライトの合成過程における結晶化速度を向上させることができ、(ii)不純物の生成を抑制して所望構造のゼオライトを容易に製造することができ、更に、(iii)壊れ難い安定した構造のゼオライトを製造することができる、という効果を得ることができる。 In the method for producing zeolite of the present invention, it is produced by using a plurality of organic templates in combination, and further by selecting the production conditions, (i) the crystallization speed in the zeolite synthesis process can be improved, ii) It is possible to easily produce a zeolite having a desired structure while suppressing the generation of impurities, and (iii) to produce a zeolite having a stable structure which is difficult to break.
本発明のゼオライトの製造方法においては、上述した(1)〜(3)から選択された化合物を複数種の組み合わせた有機テンプレートが好ましく用いられ、それらの有機テンプレートが示す相乗作用により単独の有機テンプレートでは得られない上記(i)〜(iii)の効果を得ることができるという利点がある。 In the method for producing a zeolite of the present invention, an organic template obtained by combining a plurality of compounds selected from the above-described compounds (1) to (3) is preferably used, and a single organic template is produced by a synergistic action exhibited by these organic templates. There is an advantage that the effects (i) to (iii) which cannot be obtained by the above can be obtained.
次に、本発明に係るゼオライトの製造方法における水熱合成について説明する。以下においては、Meを含有させる場合について説明する。 Next, hydrothermal synthesis in the method for producing zeolite according to the present invention will be described. Below, the case where Me is contained is demonstrated.
先ず、Me源、アルミニウム源、リン酸源、有機テンプレート及び水からなる構成原料を混合して水性ゲルを調合する。構成原料を混合する順序は制限がなく、用いる条件により適宜選択すればよいが、通常は、先ず水にリン酸源とアルミニウム源を混合し、これにMe源と有機テンプレートを混合する。 First, an aqueous gel is prepared by mixing constituent materials consisting of a Me source, an aluminum source, a phosphoric acid source, an organic template and water. The order of mixing the constituent raw materials is not limited, and may be appropriately selected depending on the conditions to be used. Usually, however, first a phosphoric acid source and an aluminum source are mixed in water, and a Me source and an organic template are mixed therewith.
水性ゲルの組成は、所望のものの合成し易さに影響し、アルミニウム源、Me源及びリン酸源を酸化物のモル比であらわすと、MeO/Al2O3の値は、通常0より大きく1.0以下であり、好ましくは0.02以上であり、好ましくは0.9以下であり、更に好ましくは0.8以下である。また、P2O5/Al2O3の比は、所望のものの合成し易さに影響し、通常0.6以上、好ましくは0.8以上、更に好ましくは1以上であり、通常1.8以下、好ましくは1.7以下、更に好ましくは1.6以下である。 The composition of the aqueous gel affects the ease of synthesis of the desired one. When the aluminum source, the Me source, and the phosphate source are expressed by the molar ratio of the oxide, the value of MeO / Al 2 O 3 is usually larger than 0. 1.0 or less, preferably 0.02 or more, preferably 0.9 or less, more preferably 0.8 or less. The ratio of P 2 O 5 / Al 2 O 3 affects the ease of synthesis of the desired product, and is usually 0.6 or more, preferably 0.8 or more, more preferably 1 or more. It is 8 or less, preferably 1.7 or less, more preferably 1.6 or less.
有機テンプレートの総量は、所望のものの合成し易さと経済性に影響し、P2O5に対する有機テンプレートのモル比(有機テンプレート/P2O5)で、通常0.2以上、好ましくは0.5以上、更に好ましくは1以上であって、通常4以下、好ましくは3以下、更に好ましくは2.5以下である。また、2種以上の有機テンプレートの混合比は、所望のものの合成し易さに影響し、条件に応じて適宜選ぶ必要があるが、既述したように、例えばモルホリンとトリエチルアミンを用いる場合、モルホリン/トリエチルアミンのモル比が0.03〜20、好ましくは0.05〜10、更に好ましくは0.1〜9、最も好ましいのは0.2〜4である。
The total amount of the organic template, affects the ease of synthesis and economics of desired ones, in a molar ratio of organic templates for P 2 O 5 (organic template /
前記2つ以上の群から各群につき1種以上選択された有機テンプレートを混合する順番は特に限定されず、有機テンプレートを調製した後その他の物質と混合してもよいし、各有機テンプレートをそれぞれ他の物質と混合した後にその混合物を調合してもよい。 The order of mixing one or more organic templates selected from each of the two or more groups is not particularly limited, and may be mixed with other substances after preparing the organic template. The mixture may be formulated after mixing with other substances.
また、水の割合の下限としては、Al2O3に対して、モル比(水/Al2O3)で3以上であり、合成のし易さの観点からは5以上が好ましく、10以上がより好ましい。水の割合の上限としては、モル比(水/Al2O3)で200以下、合成のし易さと生産性の高さの観点からは150以下が好ましく、120以下がより好ましい。 The lower limit of the proportion of water, relative to Al 2 O 3, and at at least 3 molar ratio (water / Al 2 O 3), preferably 5 or more from the viewpoint of ease of synthesis, more than 10 Is more preferable. The upper limit of the ratio of water is 200 or less in terms of molar ratio (water / Al 2 O 3 ), preferably 150 or less, and more preferably 120 or less from the viewpoint of ease of synthesis and high productivity.
水性ゲルのpHは、4〜10であり、合成のし易さの観点からは5〜9が好ましく、5.5〜7.5がより好ましい。pHの調整は、有機テンプレートの添加量の調節、又は塩酸、硫酸等の酸の添加により行われる。なお、水性ゲル中には、原料の溶解性を向上させるため、又は鉱化剤等の役割を期待して、上記以外の成分を共存させてもよい。このような成分としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属の水酸化物や塩、アルコール等の親水性有機溶媒が挙げられる。共存成分の割合は、所望のものの合成し易さに影響し、アルカリ金属やアルカリ土類金属の水酸化物や塩の場合は、Al2O3に対してモル比(共存成分/Al2O3)で通常0.2以下、好ましくは0.1以下であり、アルコール等の親水性有機溶媒の場合は、水に対してモル比で通常0.5以下、好ましくは0.3以下である。 The pH of the aqueous gel is 4 to 10, preferably 5 to 9 and more preferably 5.5 to 7.5 from the viewpoint of ease of synthesis. The pH is adjusted by adjusting the amount of organic template added or by adding an acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid. In addition, in order to improve the solubility of a raw material or the role of a mineralizer etc., you may coexist components other than the above in aqueous gel. Examples of such components include hydrophilic organic solvents such as hydroxides and salts of alkali metals and alkaline earth metals, and alcohols. The ratio of the coexisting component affects the ease of synthesis of the desired compound. In the case of a hydroxide or salt of an alkali metal or alkaline earth metal, the molar ratio with respect to Al 2 O 3 (coexisting component / Al 2 O 3 ) is usually 0.2 or less, preferably 0.1 or less, and in the case of a hydrophilic organic solvent such as alcohol, it is usually 0.5 or less, preferably 0.3 or less, in molar ratio to water. .
こうした条件下で、水性ゲルを耐圧容器に入れ、自己発生圧下又は結晶化を阻害しない気体加圧下で、攪拌又は静置状態で所定温度を保持することにより水熱合成を行う。 Under such conditions, hydrothermal synthesis is performed by placing the aqueous gel in a pressure-resistant container and maintaining a predetermined temperature under stirring or standing under self-generated pressure or gas pressure that does not inhibit crystallization.
水熱合成の反応温度は、所望のものの合成し易さに影響し、通常100℃以上、好ましくは120℃以上、更に好ましくは130℃以上であって、通常300℃以下、好ましくは250℃以下、更に好ましくは180℃以下である。 The reaction temperature of hydrothermal synthesis affects the ease of synthesis of the desired product, and is usually 100 ° C. or higher, preferably 120 ° C. or higher, more preferably 130 ° C. or higher, and usually 300 ° C. or lower, preferably 250 ° C. or lower. More preferably, it is 180 ° C. or lower.
反応時間は、所望のものの合成し易さに影響し、通常2時間以上、好ましくは3時間以上、更に好ましくは5時間以上であって、通常30日以下、好ましくは10日以下、更に好ましくは4日以下である。反応温度は、この時間の反応中、一定でもよいし段階的に変化させてもよい。 The reaction time affects the ease of synthesis of the desired product, and is usually 2 hours or more, preferably 3 hours or more, more preferably 5 hours or more, and usually 30 days or less, preferably 10 days or less, more preferably 4 days or less. The reaction temperature may be constant during the reaction for this time or may be changed stepwise.
水熱合成後においては、生成物を分離する。生成物の分離方法は特に限定されないが、通常、濾過又はデカンテーション等により分離し、水洗後、室温(25℃)から150℃以下の温度で乾燥し、生成物である有機テンプレートを含有したゼオライト前駆体を分離できる。 After the hydrothermal synthesis, the product is separated. The method for separating the product is not particularly limited. Usually, the product is separated by filtration or decantation, washed with water, dried at a temperature of room temperature (25 ° C.) to 150 ° C. and below, and the zeolite containing the organic template as the product The precursor can be separated.
次に、本発明に係るゼオライトの製造方法における焼成工程について説明する。 Next, the firing step in the method for producing zeolite according to the present invention will be described.
焼成工程は、上記のように水熱合成され分離されたゼオライト前駆体を、窒素で希釈した空気等の流通下又は減圧下で、所定の条件で加熱処理するプロセスであり、その結果、所定量の窒素と炭素を含む本発明のゼオライトが製造される。 The calcining step is a process in which the zeolite precursor hydrothermally synthesized and separated as described above is heat-treated under predetermined conditions under a flow of air or the like diluted with nitrogen or under reduced pressure. Of the present invention containing the nitrogen and carbon.
この焼成工程においては、焼成条件を制御し、窒素を含む有機テンプレートの除去をコントロールして所定量の窒素と炭素を含有するゼオライトが製造される。また、焼成により完全に有機テンプレートを除去した後に、含有窒素化合物、例えばメチルアミン、エチルアミン等の有機アミン類等の有機化合物を細孔内に吸着させることにより、所定量の窒素と炭素を含有するゼオライトを製造してもよい。このとき、ゼオライトには、窒素を含む有機テンプレート分子がその構造を保って残留していてもよいが、有機テンプレートが化学反応を起こして炭素又は水素の少なくとも1部が除かれた構造で残留しているのが好ましい。ゼオライトに残留する含窒素化合物は、もとの有機テンプレートと比較して、炭素に対する窒素の含有量が高いものが好ましく、例えば前記のC/N重量比で表せば1.0〜3.5程度であることが好ましい。なお、有機テンプレートが残留しているか否かは、例えばCHN元素分析、熱重量−質量分析(TG−MASS)等の解析手段により確認することができる。 In this calcination step, the calcination conditions are controlled, and the removal of the organic template containing nitrogen is controlled to produce a zeolite containing a predetermined amount of nitrogen and carbon. In addition, after completely removing the organic template by firing, a predetermined amount of nitrogen and carbon is contained by adsorbing organic compounds such as organic amines such as methylamine and ethylamine in the pores after the organic template is completely removed. Zeolite may be produced. At this time, the organic template molecule containing nitrogen may remain in the zeolite while maintaining its structure, but the organic template remains in a structure in which at least a part of carbon or hydrogen is removed by causing a chemical reaction. It is preferable. The nitrogen-containing compound remaining in the zeolite preferably has a high nitrogen content relative to carbon as compared with the original organic template. For example, about 1.0 to 3.5 in terms of the C / N weight ratio. It is preferable that Whether or not the organic template remains can be confirmed by an analysis means such as CHN elemental analysis, thermogravimetric-mass spectrometry (TG-MASS), or the like.
焼成温度は、通常、200℃以上800℃以下であり、250℃以上が好ましく、280℃以上が更に好ましく、300℃以上が特に好ましい。一方、700℃以下が好ましく、500℃以下がより好ましく、440℃以下が更に好ましい。焼成温度を300℃以上440℃以下とすることにより、炭素及び窒素の含有量の制御が容易であるという効果がある。焼成時間は、最高温度の保持時間が1分間から15時間であり、2分間から10時間が好ましく、5分間から8時間がより好ましい。焼成時の圧力は、減圧でも加圧でもよいが、通常は大気圧又は大気圧付近で行われる。 The firing temperature is usually 200 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, preferably 250 ° C. or higher, more preferably 280 ° C. or higher, and particularly preferably 300 ° C. or higher. On the other hand, 700 ° C. or lower is preferable, 500 ° C. or lower is more preferable, and 440 ° C. or lower is still more preferable. By setting the firing temperature to 300 ° C. or higher and 440 ° C. or lower, there is an effect that the control of the carbon and nitrogen contents is easy. The firing time is a maximum temperature holding time of 1 minute to 15 hours, preferably 2 minutes to 10 hours, and more preferably 5 minutes to 8 hours. The pressure at the time of firing may be reduced pressure or increased pressure, but is usually performed at or near atmospheric pressure.
焼成は、通常、不活性ガス中に酸素を含有したガス中で行う。ガス中に酸素を含有させた場合における酸素濃度は、下限が0.1vol%であり、0.5vol%以上が好ましく、1vol%以上がより好ましく、2vol%以上が更に好ましい。一方、含有させる酸素濃度は、上限が20vol%であり、15vol%以下が好ましく、10vol%以下が更に好ましい。ガス中に酸素を含有させ且つガス中の酸素濃度をこの範囲で制御することにより、焼成時における有機テンプレートの発熱を抑制し、焼成の制御を容易にする効果がある。また、有機テンプレートの酸化分解に伴う急激な発熱を回避するために、窒素等の不活性ガス気流下で焼成した後、含酸素ガス気流中で焼成することもできる。この場合は、不活性ガス中での焼成時に有機テンプレートの一部が除去されているので、2段目の含酸素ガス中での焼成時の発熱を抑制することができ、上記同様に焼成時の制御が容易になる。酸素以外の含有ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスが用いられるが、場合によっては水蒸気又は窒素酸化物を体積比で10%まで混合させても構わない。 Firing is usually performed in a gas containing oxygen in an inert gas. The lower limit of the oxygen concentration in the case where oxygen is contained in the gas is 0.1 vol%, preferably 0.5 vol% or more, more preferably 1 vol% or more, and further preferably 2 vol% or more. On the other hand, the upper limit of the oxygen concentration to be contained is 20 vol%, preferably 15 vol% or less, and more preferably 10 vol% or less. By containing oxygen in the gas and controlling the oxygen concentration in the gas within this range, there is an effect of suppressing the heat generation of the organic template during firing and facilitating the control of firing. Moreover, in order to avoid the rapid heat_generation | fever accompanying the oxidative decomposition | disassembly of an organic template, after baking in inert gas flow, such as nitrogen, it can also bake in oxygen-containing gas flow. In this case, since a part of the organic template is removed during firing in the inert gas, heat generation during firing in the second stage oxygen-containing gas can be suppressed. It becomes easy to control. As the gas other than oxygen, an inert gas such as nitrogen, argon, or helium is used, but in some cases, water vapor or nitrogen oxide may be mixed up to 10% by volume.
本発明に係るゼオライトを得るための焼成条件の決定にあたっては、予めゼオライト前駆体の熱分解性を検証し、熱分解が開始する温度に近い温度で且つ低めの温度で焼成を行うのが好ましい。そのため、上記の温度範囲のなかでも、比較的低めの温度を採用し、酸素含有量が比較的低いガスの存在下で行うのが耐久性向上の点で好ましい。 In determining the firing conditions for obtaining the zeolite according to the present invention, it is preferable to verify the thermal decomposability of the zeolite precursor in advance and perform the firing at a temperature close to the temperature at which thermal decomposition starts and at a lower temperature. Therefore, in the above temperature range, it is preferable to adopt a relatively low temperature and to perform in the presence of a gas having a relatively low oxygen content from the viewpoint of improving durability.
本発明の特性を持つゼオライトは、所望のゼオライトの構成元素の種類、構成比、フレームワーク密度等に基づいて、上記の焼成条件から選択することにより製造される。中でも、前記の好ましい構造指示材を用い、焼成温度を300〜440℃、焼成時間を2〜8時間とし、酸素を上記好ましい範囲に記載の割合で含有する不活性ガス雰囲気下の条件を選択することにより得られる傾向がある。本発明の特性を持つゼオライトを製造するための好ましい焼成条件として、例えば、酸素を3〜7vol%含有する不活性ガス中で、焼成温度300〜440℃、焼成時間4〜8時間の反応条件を挙げることができる。 The zeolite having the characteristics of the present invention is produced by selecting from the above firing conditions based on the kind of constituent elements of the desired zeolite, the constituent ratio, the framework density, and the like. Among them, the above preferred structure indicating material is used, the firing temperature is set to 300 to 440 ° C., the firing time is set to 2 to 8 hours, and the conditions under an inert gas atmosphere containing oxygen in the ratio described in the preferred range are selected. There is a tendency to be obtained. As preferable baking conditions for producing the zeolite having the characteristics of the present invention, for example, in an inert gas containing 3 to 7 vol% of oxygen, a reaction condition of a baking temperature of 300 to 440 ° C. and a baking time of 4 to 8 hours is used. Can be mentioned.
更に、本発明の特性を持つゼオライトが必須の構成元素としてMeを含む場合には、焼成条件として特に酸素を上記好ましい範囲に記載の割合で含有する不活性ガス雰囲気下で行うことにより得られる傾向があり、更には、上記焼成温度範囲の中でも比較的低めの温度(例えば300〜400℃)での焼成を、酸素を上記好ましい範囲に記載の割合で含有する不活性ガス雰囲気下で行うことにより得られる傾向がある。 Further, when the zeolite having the characteristics of the present invention contains Me as an essential constituent element, the tendency to be obtained by performing in an inert gas atmosphere containing oxygen in a proportion described in the above preferred range as the firing condition. Furthermore, by performing firing at a relatively low temperature (for example, 300 to 400 ° C.) in the above firing temperature range in an inert gas atmosphere containing oxygen at a ratio described in the above preferred range. There is a tendency to be obtained.
焼成ガスを、焼成装置内に流通させてもよいし、させなくてもよいが、流通させる場合には、焼成するゼオライト前駆体に対する空間速度(GHSV:gasous hourly space velocity)が所定の範囲であることが好ましい。その空間速度(GHSV)としては、10hr−1以上、10000hr−1以下が好ましく、20hr−1以上、3000hr−1以下がより好ましい。GHSVが小さすぎると、有機テンプレートの除去が遅くなり、GHSVが高すぎると、焼成に要するガス流量が大きすぎることになるので経済的に好ましくない。焼成装置としては、マッフル炉や、管状炉、キルン等の任意の加熱装置を用いることができ、固定床又は流動床形式で行われる。なお、ここでのGHSVは、単位時間当たりの「流すガス容量/ゼオライト前駆体容量」で表される。 The calcining gas may or may not be circulated in the calcining apparatus, but when it is circulated, the space velocity (GHSV) relative to the zeolite precursor to be calcined is within a predetermined range. It is preferable. As the space velocity (GHSV), 10 hr -1 or more, preferably 10000 hr -1 or less, 20 hr -1 or more, 3000 hr -1 or less is more preferable. If the GHSV is too small, removal of the organic template is delayed, and if the GHSV is too high, the gas flow rate required for firing is too large, which is economically undesirable. As a baking apparatus, arbitrary heating apparatuses, such as a muffle furnace, a tubular furnace, and a kiln, can be used, and it carries out in a fixed bed or a fluidized bed format. Here, GHSV is represented by “flowing gas volume / zeolite precursor volume” per unit time.
以上の方法により、窒素と炭素を所定量含有した本発明に係るゼオライトが製造される。 By the above method, the zeolite according to the present invention containing a predetermined amount of nitrogen and carbon is produced.
(窒素含有ゼオライトの使用)
本発明に係るゼオライトは、吸着材、酸反応や酸化反応用等の触媒、分離材、量子ドットや量子ワイヤー等の光学材料、磁気材料となる半導体微粒子や蛍光体、色素等のホストとして広く用いることができる。特に、繰り返し使用による結晶構造の破壊が少なく、吸着特性の劣化が小さいことから、吸着材として好適に使用される。
(Use of nitrogen-containing zeolite)
The zeolite according to the present invention is widely used as a host for adsorbents, catalysts for acid reactions and oxidation reactions, separation materials, optical materials such as quantum dots and quantum wires, and semiconductor fine particles, phosphors and dyes that serve as magnetic materials. be able to. In particular, it is suitably used as an adsorbent because the crystal structure is hardly destroyed by repeated use and the deterioration of adsorption characteristics is small.
(吸着材としての使用)
本発明に係るゼオライトは、構造破壊が起き難い等、耐久性に優れるので、繰り返し使用される吸着材として好ましく使用される。
(Use as adsorbent)
The zeolite according to the present invention is preferably used as an adsorbent that is used repeatedly because it is excellent in durability, such as hardly causing structural destruction.
特に、熱利用システム用の吸着材としての使用が好ましく、例えば、吸着材への吸着物質の吸着により発生する吸着熱、及び/又は、吸着物質が蒸発することにより発生する吸着物質の蒸発潜熱を利用する熱利用システム用の吸着材に好適に使用できる。なお、ここでいう熱利用システムとは、吸着熱として回収される熱エネルギーを他の物質を加熱するための熱源として利用し、及び/又は、蒸発潜熱として回収される熱エネルギー(冷熱)を他の物質を冷却するための熱源として利用するシステムを意味し、具体的には、蓄冷熱システム、吸着ヒートポンプ、除湿や加湿の調湿空調装置等が挙げられる。 In particular, it is preferably used as an adsorbent for a heat utilization system. For example, the adsorption heat generated by adsorption of an adsorbent on the adsorbent and / or the latent heat of vaporization of the adsorbent generated by evaporation of the adsorbent It can be suitably used as an adsorbent for the heat utilization system to be utilized. Note that the heat utilization system here refers to the use of thermal energy recovered as adsorption heat as a heat source for heating other substances and / or other thermal energy (cold heat) recovered as latent heat of evaporation. This means a system that is used as a heat source for cooling the substance, and specifically includes a cold storage heat system, an adsorption heat pump, a humidity control air conditioner for dehumidification and humidification, and the like.
本発明のゼオライトは、それ自体吸着性能を有するが、上記の熱利用システムに使用する場合には、その吸着特性として、25℃で測定した吸着等温線において相対蒸気圧0.01以上0.5以下の範囲で相対蒸気圧が0.15変化したときの吸着物質(例えば水)の吸着量変化が0.1g/g以上の相対蒸気圧域を有するものであることが好ましい。すなわち、0.01以上の相対蒸気圧で脱着でき、0.5以下の相対蒸気圧で吸着できるような比較的親水的なものが適している。なお、熱利用システムにおいては、そのシステムにより、150℃以上の高温の熱源を利用することも可能であり、脱着に必要な相対湿度を十分低くすることができる。しかし、吸着の場合は、外気温などの環境の影響を受けるので、吸着に必要は相対湿度を0.5より大きくすることは難しい。 The zeolite of the present invention itself has an adsorption performance, but when used in the above heat utilization system, as its adsorption characteristic, a relative vapor pressure of 0.01 or more and 0.5 in an adsorption isotherm measured at 25 ° C. It is preferable that the adsorption amount change of the adsorbing substance (for example, water) when the relative vapor pressure changes by 0.15 in the following range has a relative vapor pressure region of 0.1 g / g or more. That is, a relatively hydrophilic material that can be desorbed at a relative vapor pressure of 0.01 or more and can be adsorbed at a relative vapor pressure of 0.5 or less is suitable. In the heat utilization system, a heat source having a high temperature of 150 ° C. or higher can be used depending on the system, and the relative humidity required for desorption can be sufficiently reduced. However, in the case of adsorption, since it is affected by the environment such as the outside air temperature, it is difficult to make the relative humidity larger than 0.5 necessary for the adsorption.
ここで、熱利用システムの操作蒸気圧範囲は、脱着側相対蒸気圧(φ1a)と吸着側相対蒸気圧(φ2a)とによって決定される。φ1とφ2は下記式10,11により算出でき、φ1aとφ2aとの間が操作可能な相対蒸気圧範囲となる。
Here, the operating vapor pressure range of the heat utilization system is determined by the desorption side relative vapor pressure (φ1a) and the adsorption side relative vapor pressure (φ2a). φ1 and φ2 can be calculated by the following
脱着側相対蒸気圧(φ1a)=平衡蒸気圧(Tlow1)/平衡蒸気圧(Thigh) …10
吸着側相対蒸気圧(φ2a)=平衡蒸気圧(Tcool)/平衡蒸気圧(Tlow2) …11
Desorption side relative vapor pressure (φ1a) = Equilibrium vapor pressure (Tlow1) / Equilibrium vapor pressure (Thigh)… 10
Adsorption side relative vapor pressure (φ2a) = Equilibrium vapor pressure (Tcool) / Equilibrium vapor pressure (Tlow2)… 11
ここで、平衡蒸気圧(Tlow1)、平衡蒸気圧(Thigh)、平衡蒸気圧(Tcool)及び平衡蒸気圧(Tlow2)は、それぞれ、Tlow1、Thigh、Tcool及びTlow2の温度における平衡蒸気圧を意味する。この式中、Thigh(高温熱源温度)は、吸着材から吸着物質を脱着して吸着材を再生する際に加熱する熱媒の温度であり、Tlow1(低温熱源温度)は、凝縮器の吸着物質の温度であり、Tlow2(低温熱源温度)は、再生後の吸着材を吸着に供する際に冷却する熱媒の温度であり、Tcool(冷熱生成温度)は、蒸発器の吸着物質の温度すなわち生成した冷熱の温度である。なお、平衡蒸気圧は、吸着物質の平衡蒸気圧曲線を用いて、温度から求めることができる。 Here, the equilibrium vapor pressure (Tlow1), the equilibrium vapor pressure (Thigh), the equilibrium vapor pressure (Tcool) and the equilibrium vapor pressure (Tlow2) mean the equilibrium vapor pressure at the temperature of Tlow1, Thigh, Tcool and Tlow2, respectively. . In this equation, Thigh (high temperature heat source temperature) is the temperature of the heating medium that is heated when the adsorbent is desorbed from the adsorbent and regenerated, and Tlow1 (low temperature heat source temperature) is the adsorbent of the condenser. Tlow2 (low temperature heat source temperature) is the temperature of the heat medium that cools the regenerated adsorbent when it is subjected to adsorption, and Tcool (cold heat generation temperature) is the temperature of the adsorbed material in the evaporator, that is, the generation The temperature of the cold. The equilibrium vapor pressure can be obtained from the temperature using the equilibrium vapor pressure curve of the adsorbed substance.
上述した熱利用システムの吸着過程においては、低温熱源温度Tlow2が低ければ低いほど、吸着に必要な相対湿度が大きくなり、使用できる相対湿度が広くなる。しかし、実際には、吸着材が吸着物質を吸着する際に発生する吸着熱の除熱を完全に行うことは難しく、また外気温などの環境因子にも影響されるので、通常は、低温熱源温度Tlow2を20℃以下にすることは難しい。すなわち、吸着物質が水である場合において、例えば10℃の冷熱生成温度Tcoolを得ようとする場合に、低温熱源温度Tlow2を20℃とした場合の相対湿度0.52より大きい操作相対水蒸気圧範囲で操作するのは熱利用システムには適さない。
In the adsorption process of the heat utilization system described above, the lower the low-temperature heat source temperature Tlow2, the greater the relative humidity necessary for adsorption and the wider the relative humidity that can be used. However, in practice, it is difficult to completely remove the heat of adsorption generated when the adsorbent adsorbs the adsorbed material, and it is also affected by environmental factors such as outside temperature. It is difficult to keep the temperature Tlow2 below 20 ° C. That is, when the adsorbed material is water, for example, when trying to obtain a cold heat generation temperature Tcool of 10 ° C., an operating relative water vapor pressure range greater than a relative humidity of 0.52 when the low temperature heat
一方、上述した熱利用システムの脱着過程においては、高温熱源温度Thighが高ければ高いほど、脱着に必要な相対湿度が小さくなり、使用できる相対湿度は広くなる。なお、システムにより高温熱源温度Thighは100℃以上、場合によっては120℃以上、又は200℃近くの熱源を得ることも可能である。この場合には、例えば、低温熱源温度Tlow1が除熱の不具合や環境因子の影響等により上昇し、低温熱源温度Tlow1が50℃となったと仮定しても、高温熱源温度Thighが200℃の場合には、相対湿度は0.01程度である。 On the other hand, in the desorption process of the heat utilization system described above, the higher the high temperature heat source temperature Thigh, the smaller the relative humidity necessary for desorption and the wider the relative humidity that can be used. Depending on the system, it is possible to obtain a heat source having a high temperature heat source temperature Thigh of 100 ° C. or higher, and in some cases 120 ° C. or higher, or near 200 ° C. In this case, for example, when the low-temperature heat source temperature Thigh is 200 ° C. even if it is assumed that the low-temperature heat source temperature Tlow1 rises due to heat removal failure or environmental factors, and the low-temperature heat source temperature Tlow1 becomes 50 ° C. The relative humidity is about 0.01.
以上のことから、本発明の熱利用システムでは、相対湿度が0.01から0.5の範囲で吸着量が変化する吸着特性を備えた本発明に係るゼオライトを吸着材として使用することが好ましい。 From the above, in the heat utilization system of the present invention, it is preferable to use, as an adsorbent, the zeolite according to the present invention having an adsorption characteristic in which the amount of adsorption changes within a relative humidity range of 0.01 to 0.5. .
なお、相対蒸気圧が0.15変化したときの吸着物質の吸着量変化が0.1以上であるとは、上記相対蒸気圧範囲の比較的狭い相対蒸気圧変化で急激に吸着物質(例えば水)の吸着量が変化することを示している。こうした変化量は、比較的狭い相対蒸気圧範囲で吸着量の変化が大きいことを意味するので、同じ条件で同等の吸着量を得るために必要な吸着材の量を減らすことができ、冷却熱源と加熱熱源の温度差が小さくても熱利用システムを駆動することが可能となる。 The change in the amount of adsorption of the adsorbed material when the relative vapor pressure changes by 0.15 is 0.1 or more. This means that the adsorbed material (for example, water) suddenly changes with a relatively narrow relative vapor pressure change in the relative vapor pressure range. ) Changes in the adsorption amount. This amount of change means that the change in adsorption amount is large in a relatively narrow relative vapor pressure range, so the amount of adsorbent required to obtain an equivalent adsorption amount under the same conditions can be reduced, and the cooling heat source Even if the temperature difference between the heat source and the heating heat source is small, the heat utilization system can be driven.
こうした吸着特性は、本発明のゼオライトのうち、比較的フレームワーク密度の小さいもの、例えば17.4T/nm3以下、好ましくは16T/nm3以下のものが備えている。 Such adsorption properties, of the zeolites of the present invention, relatively framework intended density of small, e.g. 17.4T / nm 3 or less, preferably includes those 16T / nm 3 or less.
本発明のゼオライトを吸着材として使用するに際しては、成形体として用いてもよい。成形体とする場合には、本発明のゼオライトの吸着特性をできるだけ低下させないように留意し、必要に応じて他の成分、例えば公知の吸着材用結合剤等の結合剤や本発明のゼオライト以外の他の吸着性物質等を混合した混合物で成形することができる。結合剤としては、例えばアルミナ、シリカ、粘土等の無機バインダーが挙げられる。その混合物は、撹拌造粒、噴霧造粒等による造粒、又は静水圧による成型方法(CIP)により造粒され、成形体に加工される。また、必要に応じて、成形体を破砕してもよい。 When the zeolite of the present invention is used as an adsorbent, it may be used as a molded body. In the case of forming a molded body, care should be taken not to reduce the adsorption characteristics of the zeolite of the present invention as much as possible. Other components such as binders such as known binders for adsorbents and zeolites of the present invention can be used. It can be molded with a mixture in which other adsorbing substances are mixed. Examples of the binder include inorganic binders such as alumina, silica, and clay. The mixture is granulated by agitation granulation, granulation by spray granulation or the like, or a molding method (CIP) by hydrostatic pressure, and processed into a molded body. Moreover, you may crush a molded object as needed.
吸着材に含まれる本発明のゼオライトの含有割合は、60重量%以上、好ましくは70重量%以上であり、100%であってもよい。100%の場合とは、本発明のゼオライトのみを構成材料として吸着材が構成されている場合である。 The content of the zeolite of the present invention contained in the adsorbent is 60% by weight or more, preferably 70% by weight or more, and may be 100%. The case of 100% is a case where the adsorbent is composed of only the zeolite of the present invention as a constituent material.
(蓄冷熱システムへの適用)
次に、本発明のゼオライトからなる又は含む吸着材を、蓄冷熱システムに適用した態様について説明する。
(Application to cold storage system)
Next, the aspect which applied the adsorbent which consists of or contains the zeolite of this invention to the cool storage heat system is demonstrated.
図1は、本発明の蓄冷熱システムの一例を示す概念図である。本発明の蓄冷熱システム11は、循環水供給器12と、吸脱着器13と、及び蒸発器兼凝縮器14とを主要な構成とする吸着式蓄冷熱装置を備えている。ここで、吸脱着器13は、吸着材を備え、蒸発器兼凝縮器14から吸着物質(例えば水)が供給されたり、蒸発器兼凝縮器14に吸着物質を供給する装置である。蒸発器兼凝縮器14は、吸着物質を蒸発させて吸脱着器13に供給するための蒸発器と、吸脱着器13から供給された吸着物質を凝縮するための凝縮器とを兼ね備える装置である。循環水供給器12は、吸脱着器13に高温水Aを供給したり低温水Bを供給する装置である。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of a cold storage heat system of the present invention. The regenerative
この蓄冷熱システム11は、(構成a)廃熱(循環水供給器12の循環水)を吸着材(吸脱着器13内)に供給して吸着材から吸着物質(例えば水)を脱着するための構成と、(構成b−1)蒸発器兼凝縮器14から供給された吸着物質が吸着材に吸着する際に発生する熱(吸着熱)を暖機運転の必要な機器に供給する構成、及び/又は、(構成b−2)蒸発器兼凝縮器14から供給された吸着物質が吸着材に吸着する際に発生する吸着物質の蒸発潜熱を冷房用冷凍機内を循環する冷却媒体に供給する構成と、を備えるシステムである。
The cold
吸着材の機能を利用した吸着式蓄冷熱装置は、吸着材が吸着物質を吸脱着する能力を駆動源として利用している。吸着式蓄冷熱装置においては、吸着物質として、水、エタノール又はアセトンなどが使用できるが、中でも安全性、価格及び蒸発潜熱の大きさから、水が最も好ましく、かかる吸着物質は、水蒸気として吸着材に吸着される。 The adsorption-type regenerative heat storage device using the function of the adsorbent uses the ability of the adsorbent to adsorb and desorb the adsorbed material as a drive source. In the adsorption-type regenerative heat storage device, water, ethanol, acetone, or the like can be used as an adsorbent, but water is most preferable from the viewpoint of safety, price, and latent heat of vaporization, and the adsorbent is adsorbent as water vapor. To be adsorbed.
本発明のゼオライト自体からなる吸着材又はこれを含有する吸着材は、既述したように、繰り返し使用時における優れた構造強度を持つ機械的特性及び吸着特性を有しているので、蓄冷熱システム用の吸着材として好適に使用可能である。中でも、狭い相対蒸気圧範囲で吸着量の変化が大きい吸着特性を有する吸着材は、同じ条件で同等の吸着量を得るために必要な吸着材の量を減らすことができるので特に好ましいと共に、冷却熱源と加熱熱源の温度差が小さくても蓄冷熱装置を駆動できるという利点がある。 As described above, the adsorbent comprising the zeolite itself of the present invention or the adsorbent containing it has mechanical characteristics and adsorption characteristics with excellent structural strength during repeated use. It can be suitably used as an adsorbent for use. Among them, an adsorbent having an adsorption characteristic with a large change in adsorption amount in a narrow relative vapor pressure range is particularly preferable because it can reduce the amount of adsorbent necessary to obtain an equivalent adsorption amount under the same conditions, and cooling. Even if the temperature difference between the heat source and the heating heat source is small, there is an advantage that the cold storage heat device can be driven.
(吸着ヒートポンプへの適用)
次に、本発明のゼオライトからなる又は含む吸着材を、吸着ヒートポンプに適用した態様について説明する。
(Application to adsorption heat pump)
Next, the aspect which applied the adsorption material which consists of or contains the zeolite of this invention to the adsorption heat pump is demonstrated.
図2は、本発明の吸着ヒートポンプの一例を示す概念図である。本発明の吸着ヒートポンプ21は、吸着物質と、吸着物質を吸脱着する吸着材と、吸着材が充填され且つ吸着物質の吸脱着により発生した熱を熱媒に伝達する吸脱着器22,23と、吸着物質の蒸発により得られた冷熱を外部へ取り出す蒸発器24と、吸着物質の凝縮により得られた温熱を外部へ放出する凝縮器25とから主に構成されている。吸脱着器22,23には、循環水供給器26,27から高温水又は低温水が供給され、各吸脱着器22,23と蒸発器24及び凝縮器25との間には開閉バルブ28〜31が取り付けられている。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of the adsorption heat pump of the present invention. The
吸着ヒートポンプの作動原理としては、例えば、(1)開閉バルブ29,30が開いており、吸脱着器22には循環水供給器26から低温水が供給され、吸脱着器23には循環水供給器27から高温水が供給された場合において、(i)吸脱着器22においては、吸着材が蒸発器24から供給された吸着物質(例えば水)を吸着し、その吸着時に発生する吸着熱により温水が得られ、(ii)吸脱着器23においては、吸着材が吸着物質を脱着し、その脱着時に発生する蒸発潜熱により冷水が得られる。一方、(2)開閉バルブ28,31が開いており、吸脱着器22には循環水供給器26から高温水が供給され、吸脱着器23には循環水供給器27から低温水が供給された場合において、(i)吸脱着器22においては、吸着材が吸着物質を脱着し、その脱着時に発生する蒸発潜熱により冷水が得られ、(ii)吸脱着器23においては、吸着材が蒸発器24から供給された吸着物質(例えば水)を吸着し、その吸着時に発生する吸着熱により温水が得られる。
The operating principle of the adsorption heat pump is, for example, (1) Open /
吸着ヒートポンプ21は、開閉バルブの操作により、こうした2つの動作を繰り返して常時冷却水を得ることができる熱利用システムである。こうした吸着ヒートポンプの構成と作動原理についてのより詳しい内容は、例えば特開2002−372332に記載されている。
The
本発明の吸着ヒートポンプは、本発明のゼオライトからなる吸着材又はそれを含む吸着材を適用した吸着ヒートポンプであり、その吸着材は、既述したように、繰り返し使用時における優れた構造強度を持つ機械的特性及び吸着特性を有しているので、吸着ヒートポンプ用の吸着材として好適に使用可能である。中でも、狭い相対蒸気圧範囲で吸着量の変化が大きい吸着特性を有する吸着材は、同じ条件で同等の吸着量を得るために必要な吸着材の量を減らすことができるので特に好ましいと共に、冷却熱源と加熱熱源の温度差が小さくても吸着ヒートポンプを駆動できるという利点がある。 The adsorption heat pump of the present invention is an adsorption heat pump to which the adsorbent comprising the zeolite of the present invention or an adsorbent containing the adsorbent is applied, and the adsorbent has excellent structural strength during repeated use as described above. Since it has mechanical characteristics and adsorption characteristics, it can be suitably used as an adsorbent for adsorption heat pumps. Among them, an adsorbent having an adsorption characteristic with a large change in adsorption amount in a narrow relative vapor pressure range is particularly preferable because it can reduce the amount of adsorbent necessary to obtain an equivalent adsorption amount under the same conditions, and cooling. There is an advantage that the adsorption heat pump can be driven even if the temperature difference between the heat source and the heating heat source is small.
(除湿空調装置への適用)
次に、本発明のゼオライトからなる又は含む吸着材を、除湿空調装置に適用した態様について説明する。
(Application to dehumidifying air conditioner)
Next, the aspect which applied the adsorbent which consists of or contains the zeolite of this invention to the dehumidification air conditioner is demonstrated.
図3は、本発明の除湿空調装置の一例を示す概念図である。本発明の除湿空調装置61は、吸着物質(例えば水)を吸脱着可能な吸着材と、その吸着材を備えた吸脱着器61と、吸着材を再生させるための機構63とを備えた装置である。なお、この除湿空調装置61には、必要により調湿されるための空気62(調湿用空気ともいう。)を流通させるための空気経路(図示しない)、又は、調湿した後の空気を強制排気させるための装置(図示しない)を設けてもよい。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of the dehumidifying air conditioner of the present invention. The dehumidifying
吸脱着器61は、吸着材と調湿用空気62とが充分に接触可能な形状となっていればよく、その形状としては、ハニカム構造を持つロータ形状等が挙げられる。
The adsorber /
吸着材を再生させるための機構63は、(i)除湿用途の場合においては、吸着材の再生のために必要な80℃程度の熱を吸脱着器61に供給できる熱供給機構であればよい。また、(ii)装置の内部で電気加熱等によって熱を発生させる場合においては、ヒーター、加熱コイル等の熱源、熱を充分に吸脱着器61に伝えるためのブロア等の機構であればよい。また、(iii)装置外部から熱源を得る場合においては、その高温ガスを供給する配管等の機構であればよい。このときの外部からの熱源は、吸着ヒートポンプ同様特に限定されず、例えばガスエンジンやガスタービンなどのコジェネレーション機器及び燃料電池などが挙げられる。また、(iv)加湿用途の場合においては、再吸湿させるための高湿度空気が流通する経路であればよい。
The
除湿空調装置を用いた調湿の動作方法について、図4を参照しつつその一例を具体的に説明するが、これに限定されるものではない。 An example of the humidity control method using the dehumidifying air conditioner will be specifically described with reference to FIG. 4, but is not limited thereto.
図4は、除湿空調装置であるデシカント空調装置の一例を概念図である。デシカント空調装置70は、処理空気経路71と、再生空気経路72と、吸着材を付着させたデシカントロータ73と、2つの顕熱交換器74,75と、加熱源からの熱供給機構76と、加湿器77とを主な構成機器としている。処理空気は、デシカントロータ73で除湿され、デシカントの水分吸着熱によって温度上昇する。処理空気は、その後、第1の顕熱交換器74で再生空気と熱交換して冷却された後、加湿器77で加湿され、空調空間78に供給される。その一方で、再生空気は、外部空間から取り入れられ、第1の顕熱交換器74で処理空気と熱交換して温度上昇した後、熱供給機構76によって加熱されて相対湿度が低下した状態でデシカントロータ73を通過し、デシカントロータ73の水分を脱着再生する。再生後の再生空気の顕熱分は、加熱前の再生空気と第2の顕熱交換器75で熱交換して回収した後、外部79に放出される。
FIG. 4 is a conceptual diagram of an example of a desiccant air conditioner that is a dehumidifying air conditioner. The
この除湿空調装置に、本発明のゼオライトからなる吸着材又はそれを含む吸着材を適用することにより、その吸着材は、既述したように、繰り返し使用時における優れた構造強度を持つ機械的特性及び吸着特性を有しているので、除湿空調装置用の吸着材として好適に使用可能である。 By applying the adsorbent comprising the zeolite of the present invention or an adsorbent containing the same to this dehumidifying air conditioner, the adsorbent has mechanical properties with excellent structural strength during repeated use as described above. And adsorbing properties, it can be suitably used as an adsorbent for a dehumidifying air conditioner.
上記の原理に準じて、例えば、吸着材から水分を吸着させた再生後の空気を室内に供給することにより加湿を行うことも可能である。 In accordance with the above principle, for example, it is possible to perform humidification by supplying the regenerated air in which moisture is adsorbed from the adsorbent into the room.
(適用用途と吸着特性)
本発明のゼオライトを吸着材に使用した熱利用システムは、吸着熱として回収される熱エネルギーを他の物質を加熱するための熱源として利用し、及び/又は、蒸発潜熱として回収される熱エネルギー(冷熱)を他の物質を冷却するための熱源として利用するシステムであり、具体的には、上述したように、蓄冷熱システム、吸着ヒートポンプ、除湿や加湿の調湿空調装置等が挙げられる。
(Application and adsorption properties)
The heat utilization system using the zeolite of the present invention as an adsorbent uses the thermal energy recovered as adsorption heat as a heat source for heating other substances and / or the thermal energy recovered as latent heat of vaporization ( This is a system that uses (cold heat) as a heat source for cooling other substances. Specifically, as described above, a cold storage heat system, an adsorption heat pump, a humidity control air conditioner for dehumidification and humidification, and the like.
こうした熱利用システムにおいては、吸着物質(例えば水)は蒸気として吸着材に吸着されるが、その吸着材は、狭い相対蒸気圧範囲で吸着物質の吸着量変化が大きい材料であることが好ましい。この吸着特性は、吸着材が使用される用途によって多少相違する。 In such a heat utilization system, an adsorbent (for example, water) is adsorbed on the adsorbent as a vapor, and the adsorbent is preferably a material having a large change in the amount of adsorbent adsorbed in a narrow relative vapor pressure range. This adsorption characteristic differs somewhat depending on the application for which the adsorbent is used.
最初に、本発明の吸着材が吸着ヒートポンプに適用される場合における好ましい吸着特性について説明する。 First, preferable adsorption characteristics when the adsorbent of the present invention is applied to an adsorption heat pump will be described.
吸着ヒートポンプに適用される吸着材は、その吸着材に含まれる本発明のゼオライトが、25℃で測定した吸着等温線において、相対蒸気圧0.05以上、0.30以下の範囲で相対蒸気圧が0.15変化したときに、吸着物質である水の吸着量変化が0.1g/g以上の相対蒸気圧域を有することが望ましい。このとき、吸着物質である水の吸着量変化は、好ましくは、0.12g/g以上、より好ましくは0.15g/g以上、更に好ましくは0.18g/g以上である。 The adsorbent applied to the adsorption heat pump is the relative vapor pressure of the zeolite of the present invention contained in the adsorbent in the range of relative vapor pressure of 0.05 to 0.30 on the adsorption isotherm measured at 25 ° C. It is desirable that the change in the amount of adsorption of water as an adsorbent has a relative vapor pressure range of 0.1 g / g or more when the value changes by 0.15. At this time, the change in the amount of water adsorbed is preferably 0.12 g / g or more, more preferably 0.15 g / g or more, and still more preferably 0.18 g / g or more.
こうした吸着特性が好ましい理由を、100℃以下の比較的低温のガスエンジンコージェネレーション、固体高分子型燃料電池又は自動車エンジンの排熱を利用して吸着ヒートポンプを駆動する場合で説明する。なお、水を吸着物質とした場合の操作蒸気圧範囲で説明する。 The reason why such adsorption characteristics are preferable will be described in the case where the adsorption heat pump is driven by utilizing the relatively low temperature gas engine cogeneration at 100 ° C. or lower, the solid polymer fuel cell, or the exhaust heat of the automobile engine. The operation vapor pressure range when water is used as an adsorbent will be described.
100℃以下の比較的低温のガスエンジンコージェネレーション、固体高分子型燃料電池又は自動車エンジンの排熱を利用して吸着ヒートポンプを駆動する場合において、例えば、高温熱源温度が80℃で低温熱源温度が30℃の場合には、操作蒸気圧範囲(φ1a〜φ2a)は0.09〜0.29となる。同様に、高温熱源温度が60℃で低温熱源温度が30℃の場合には、操作相対水蒸気圧範囲は(φ1a〜φ2a)は0.21〜0.29となる。また、特開2000−140625号の記載を基に自動車エンジンの排熱を利用して吸着ヒートポンプを駆動する場合について推算すると、高温熱源温度が約90℃で低温熱源温度が30℃であり、この場合には、操作相対水蒸気圧範囲(φ1a〜φ2a)は0.06〜0.29となる。 When an adsorption heat pump is driven using exhaust heat from a relatively low temperature gas engine cogeneration of 100 ° C. or lower, a polymer electrolyte fuel cell or an automobile engine, for example, the high temperature heat source temperature is 80 ° C. and the low temperature heat source temperature is In the case of 30 ° C., the operating vapor pressure range (φ1a to φ2a) is 0.09 to 0.29. Similarly, when the high temperature heat source temperature is 60 ° C. and the low temperature heat source temperature is 30 ° C., the operating relative water vapor pressure range (φ1a to φ2a) is 0.21 to 0.29. Further, when the case where an adsorption heat pump is driven using exhaust heat of an automobile engine based on the description in JP-A-2000-140625, the high-temperature heat source temperature is about 90 ° C. and the low-temperature heat source temperature is 30 ° C. In this case, the operation relative water vapor pressure range (φ1a to φ2a) is 0.06 to 0.29.
これらより、上記の排熱を利用して吸着ヒートポンプを駆動する場合においては、操作相対水蒸気圧範囲(φ1a〜φ2a)は0.05〜0.30、更に好ましくは0.06〜0.29となる。したがって、加熱により相対水蒸気圧を下げて吸着材を再生する際においては、相対水蒸気圧が0.05、好ましくは0.06以上の範囲で脱着が完了する吸着特性を備えた吸着材を用いることが好ましい。一方、吸着という点では、相対水蒸気圧0.30、好ましくは0.29以下の範囲で充分な吸着量が得られる吸着特性を備えた吸着材を用いることが好ましい。 Accordingly, when the adsorption heat pump is driven using the exhaust heat, the operation relative water vapor pressure range (φ1a to φ2a) is 0.05 to 0.30, more preferably 0.06 to 0.29. Become. Therefore, when regenerating the adsorbent by lowering the relative water vapor pressure by heating, use an adsorbent having an adsorption characteristic that completes desorption when the relative water vapor pressure is in the range of 0.05, preferably 0.06 or more. Is preferred. On the other hand, in terms of adsorption, it is preferable to use an adsorbent having an adsorption characteristic capable of obtaining a sufficient adsorption amount within a relative water vapor pressure of 0.30, preferably 0.29 or less.
以上より、適用される操作湿度範囲の中で吸着量の変化が大きい材料が好ましく、通常は、相対水蒸気圧0.05〜0.30好ましくは0.06〜0.29の範囲において、上述したように、吸着量が大きく変化する材料が好ましい。 In view of the above, a material having a large change in the adsorption amount in the applied operating humidity range is preferred, and the relative water vapor pressure is generally 0.05 to 0.30, preferably 0.06 to 0.29. Thus, a material whose adsorption amount varies greatly is preferable.
上記吸着特性を有する吸着材は、本発明のゼオライトからなる又は含む吸着材の中から選定すればよいが、特にFe、Ni、Co、Mg及びZnから選ばれる少なくとも1種類のMe元素を含むアルミノフォスフェートであることが好ましく、その中でもMeがFeであるものが特に好ましい。なお、骨格構造については、AEI、CHA及びLEVから選ばれる構造であるものが好ましく、含まれるMe金属の割合が、骨格構造を形成する酸素以外の元素全体に対するMeのモル比((Me)/(Me+Al+P))で0.01以上0.15以下、好ましくは0.02以上0.1以下であることが望ましい。 The adsorbent having the above adsorbing characteristics may be selected from adsorbents comprising or containing the zeolite of the present invention, and in particular, an alumino containing at least one kind of Me element selected from Fe, Ni, Co, Mg and Zn. Phosphate is preferred, and among them, Me is particularly preferred. Note that the skeleton structure is preferably a structure selected from AEI, CHA, and LEV, and the ratio of Me metal contained is the molar ratio of Me to the entire elements other than oxygen ((Me) / (Me + Al + P)) is 0.01 to 0.15, preferably 0.02 to 0.1.
次に、本発明の吸着材が蓄冷熱システムに適用される場合における好ましい吸着特性について説明する。 Next, preferable adsorption characteristics when the adsorbent of the present invention is applied to a cold storage heat system will be described.
蓄冷熱システムに適用される吸着材は、その吸着材に含まれる本発明のゼオライトが、55℃で測定した吸着等温線において、相対蒸気圧0.02での吸着物質の吸着量が0.15g/g以下であり、相対蒸気圧0.1での吸着物質の吸着量が0.10g/g以上であり、相対蒸気圧0.02以上0.1以下の範囲で相対蒸気圧が0.05変化したときの吸着物質の吸着量変化が0.05g/g以上となる相対蒸気圧領域を有することが望ましい。また、55℃で測定した吸着等温線において、相対蒸気圧0.02での吸着物質の吸着量が0.12g/g以下であり、相対蒸気圧0.1での吸着物質の吸着量が0.13g/g以上であり、相対蒸気圧0.02以上0.1以下の範囲で相対蒸気圧が0.05変化したときの吸着物質の吸着量変化が0.08g/g以上となる相対蒸気圧領域を有することがより望ましい。また、相対蒸気圧0.02での吸着物質の吸着量が0.04g/g以下であり、相対蒸気圧0.1での吸着物質の吸着量が0.15g/g以上であり、相対蒸気圧0.02以上0.1以下の範囲で相対蒸気圧が0.05変化したときの吸着物質の吸着量変化が0.10g/g以上となる相対蒸気圧領域を有するものが特に望ましい。 The adsorbent applied to the cold storage heat system has an adsorption amount of 0.15 g of the adsorbed substance at a relative vapor pressure of 0.02 on the adsorption isotherm measured at 55 ° C. in the zeolite of the present invention contained in the adsorbent. / G or less, the amount of adsorbed material adsorbed at a relative vapor pressure of 0.1 is 0.10 g / g or more, and the relative vapor pressure is 0.05 or more and 0.1 or less and the relative vapor pressure is 0.05. It is desirable to have a relative vapor pressure region where the amount of adsorption of the adsorbed material when changed is 0.05 g / g or more. Further, in the adsorption isotherm measured at 55 ° C., the adsorption amount of the adsorbent at a relative vapor pressure of 0.02 is 0.12 g / g or less, and the adsorption amount of the adsorbent at a relative vapor pressure of 0.1 is 0. .13 g / g or more, and relative vapor pressure at which the adsorption amount change of the adsorbed material becomes 0.08 g / g or more when the relative vapor pressure is changed by 0.05 in the range of relative vapor pressure of 0.02 or more and 0.1 or less. It is more desirable to have a pressure region. Further, the adsorption amount of the adsorbing substance at a relative vapor pressure of 0.02 is 0.04 g / g or less, and the adsorption amount of the adsorbing substance at a relative vapor pressure of 0.1 is 0.15 g / g or more. It is particularly desirable to have a relative vapor pressure region in which the adsorption amount change of the adsorbed material is 0.10 g / g or more when the relative vapor pressure is changed by 0.05 within a pressure range of 0.02 to 0.1.
こうした吸着特性が好ましい理由を、自動車に装着される蓄冷熱システムで説明する。 The reason why such an adsorption characteristic is preferable will be described with reference to a cold storage system installed in an automobile.
自動車に搭載される蓄冷熱システムでは、廃熱で加熱された90℃程度の温水により吸脱着器が90℃程度に加熱され、加熱された吸脱着器内の吸着材が吸着物質を脱着し、その際に発生する蒸発潜熱により、冷却器内を循環する冷媒が冷却されて凝縮器が10℃程度に冷却される。このとき、それらの間の相対蒸気圧は約0.02となるので、相対蒸気圧0.02における吸着物質の吸着量が小さいことが好ましい。なお、吸脱着器の温度が90℃以下の低い温度(例えば60〜85℃程度)となる場合、又は、凝縮器の温度が10℃よりも高い温度(例えば15〜30℃程度)となる場合には、それらの間の相対蒸気圧は0.02よりも大きくなるので、0.02よりも高い相対蒸気圧で十分な脱着が行われることが必要である。したがって、相対蒸気圧0.02の条件下における吸着物質の吸着量は、より小さいことが好ましい。 In a cold storage heat system mounted on an automobile, the adsorption / desorption device is heated to about 90 ° C. by hot water heated at about 90 ° C., and the adsorbent in the heated adsorption / desorption device desorbs the adsorbed substance, The refrigerant circulating in the cooler is cooled by the latent heat of evaporation generated at that time, and the condenser is cooled to about 10 ° C. At this time, since the relative vapor pressure between them is about 0.02, it is preferable that the adsorption amount of the adsorbed substance at the relative vapor pressure 0.02 is small. When the temperature of the adsorption / desorption device is a low temperature of 90 ° C. or lower (for example, about 60 to 85 ° C.), or the temperature of the condenser is higher than 10 ° C. (for example, about 15 to 30 ° C.). Since the relative vapor pressure between them becomes larger than 0.02, it is necessary that sufficient desorption is performed at a relative vapor pressure higher than 0.02. Therefore, it is preferable that the adsorption amount of the adsorbed material under the condition of the relative vapor pressure of 0.02 is smaller.
なお、自動車等においては、吸脱着器の温度はラジエータで冷却された冷却水により45〜60℃程度となり、蒸発器の温度は熱交換器により10℃程度となる場合がある。この場合、吸脱着器と蒸発器との間の相対蒸気圧は約0.10となるので、相対蒸気圧0.10における吸着物質の吸着量は大きいものが好ましい。すなわち、この操作湿度範囲の中で、吸着量の変化が大きい吸着材を用いることが好ましいのである。 In automobiles and the like, the temperature of the adsorption / desorption device may be about 45 to 60 ° C. by the cooling water cooled by the radiator, and the temperature of the evaporator may be about 10 ° C. by the heat exchanger. In this case, since the relative vapor pressure between the adsorption / desorption device and the evaporator is about 0.10, it is preferable that the adsorption amount of the adsorbed substance at the relative vapor pressure 0.10 is large. That is, it is preferable to use an adsorbent having a large change in the amount of adsorption within this operating humidity range.
上記吸着特性を有する吸着材は、本発明に係るゼオライトからなる又は含む吸着材の中から選定すればよいが、特に(Me−)アルミノフォスフェートで、そのMeがFeである鉄アルミノフォスフェートであることが望ましい。骨格構造については、CHA構造であるものが好ましく、含まれるMe金属の割合が、骨格構造を形成する酸素以外の元素全体に対するMeのモル比((Me)/(Me+Al+P))で0.03以上0.25以下、好ましくは0.04以上0.20以下であることが望ましい。 The adsorbent having the above adsorbing characteristics may be selected from adsorbents comprising or including the zeolite according to the present invention, and in particular, (Me-) aluminophosphate, and iron aluminophosphate whose Me is Fe. It is desirable to be. The skeleton structure is preferably a CHA structure, and the ratio of the Me metal contained is 0.03 or more in terms of the molar ratio of Me to the entire elements other than oxygen forming the skeleton structure ((Me) / (Me + Al + P)). It is 0.25 or less, preferably 0.04 or more and 0.20 or less.
以上、吸着ヒートポンプ及び蓄冷熱システムを例にした熱利用システムと吸着特性との関係について説明したが、上記の好ましい吸着特性を示すゼオライトを選択し、それを含有する吸着材を利用した場合には、本発明のゼオライトの性能に起因する吸着材の耐久性のみならず、従来の吸着材に対比して、吸着プロセスがより低い相対蒸気圧条件下で起こり、脱着プロセスがより高い相対蒸気圧条件下で起こることとなる。その結果、わずかな相対湿度変化によりその吸着量が変化することになるので、廃熱が多量に発生し、エアコンを使用することで燃費が更に低下する問題を抱える自動車に搭載する吸着ヒートポンプや、蓄冷熱システムの吸着材として好ましく適用することができる。 As described above, the relationship between the heat utilization system and the adsorption characteristics taking the adsorption heat pump and the cold storage heat system as an example has been described, but when the zeolite having the above preferred adsorption characteristics is selected and the adsorbent containing the same is used, In addition to the durability of the adsorbent due to the performance of the zeolite of the present invention, as compared with the conventional adsorbent, the adsorption process occurs under a lower relative vapor pressure condition, and the desorption process is a higher relative vapor pressure condition. Will happen below. As a result, the adsorption amount changes due to a slight change in relative humidity, so an adsorption heat pump mounted on a car that has a problem that waste heat is generated and the fuel consumption further decreases by using an air conditioner, It can be preferably applied as an adsorbent for a cold storage heat system.
以上説明したように、本発明のゼオライト及びそれを含む吸着材は、炭素含有量が所定の範囲であることにより、特に吸着物質の吸脱着を繰り返し行う吸着材として使用した場合においては、繰り返し使用による吸着性能の劣化が少ないという好ましい特性を有している。従って、吸着材への吸着物質の吸着により発生する吸着熱、及び/又は、吸着物質が蒸発することにより発生する吸着物質の蒸発潜熱を利用する熱利用システム、具体的には、蓄冷熱システム、吸着ヒートポンプ、除湿空調装置のような、吸脱着を例えば数十万回以上も行うような過酷な条件での使用に耐えうるという有益な効果を有する。 As described above, the zeolite of the present invention and the adsorbent containing the same are used repeatedly, particularly when used as an adsorbent that repeatedly adsorbs and desorbs adsorbed substances because the carbon content is within a predetermined range. It has a preferable characteristic that the deterioration of the adsorption performance due to is small. Therefore, a heat utilization system that uses the adsorption heat generated by adsorption of the adsorbed substance on the adsorbent and / or the latent heat of vaporization of the adsorbed substance generated by evaporation of the adsorbed substance, specifically, a cold storage heat system, It has a beneficial effect of being able to withstand use under severe conditions such as adsorption heat pumps and dehumidifying air conditioners that perform adsorption and desorption, for example, several hundred thousand times or more.
以下、実施例と比較例により本発明を更に具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例により何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. In addition, this invention is not limited at all by the following examples.
最初に、実施例及び比較例中の各物性は下記の測定条件で行った。 First, each physical property in Examples and Comparative Examples was performed under the following measurement conditions.
<粉末X線回折(XRD)測定条件>
X線源:Cu−Kα線(λ=1.54Å)
出力設定:40kV・30mA
測定時光学条件:発散スリット=1°
散乱スリット:1°
受光スリット:0.2mm
回折ピークの位置:2θ(回折角)
測定範囲:2θ=4〜50°
試料:メノウ乳鉢を用いて人力で粉砕した試料約100mgを用い、同一形状のサンプルホルダーを使用して試料量がほぼ一定となるようにした。
<Powder X-ray diffraction (XRD) measurement conditions>
X-ray source: Cu-Kα ray (λ = 1.54Å)
Output setting: 40 kV, 30 mA
Optical conditions during measurement: Divergent slit = 1 °
Scattering slit: 1 °
Receiving slit: 0.2mm
Diffraction peak position: 2θ (diffraction angle)
Measurement range: 2θ = 4-50 °
Sample: About 100 mg of a sample pulverized manually using an agate mortar, and using a sample holder of the same shape, the amount of the sample was made almost constant.
<CN分析>
PERKIN ELMER 2400 SeriesII CHNS/O Analyzerを用いて行った。
<CN analysis>
PERKIN ELMER 2400 SeriesII CHNS / O Analyzer was used.
<元素分析>
試料を空気流通下、550℃で6時間焼成し、塩酸に溶解した後、ICP法により組成分析を行った。
<Elemental analysis>
The sample was calcined at 550 ° C. for 6 hours under air flow, dissolved in hydrochloric acid, and then subjected to composition analysis by the ICP method.
<重量減少率測定>
試料を、空気10ml/min流通下、昇温速度10℃/min、試料約10mgの条件で熱重量分析を行い、200℃、350℃及び700℃の重量から、上記に従って重量減少率(g1)及び重量減少率(g2)を求めた。
<Weight reduction rate measurement>
The sample was subjected to thermogravimetric analysis under the conditions of a heating rate of 10 ° C./min and a sample of about 10 mg under a flow of air of 10 ml / min. From the weights of 200 ° C., 350 ° C. and 700 ° C., the weight reduction rate (g1) The weight reduction rate (g2) was determined.
<吸着特性(25℃)>
25℃における水蒸気吸着量を水蒸気吸着量測定装置(ベルソーブ18:日本ベル(株)製)により測定した。
<Adsorption characteristics (25 ° C.)>
The water vapor adsorption amount at 25 ° C. was measured with a water vapor adsorption amount measuring device (Belsorb 18: manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.).
空気恒温槽温度:50℃
吸着温度:25℃
初期導入圧力:3.0torr
導入圧力設定点数:0
飽和蒸気圧:23.755torr
平衡時間:500秒
試料:120℃で5時間真空排気処理したのち測定した。
Air temperature chamber: 50 ° C
Adsorption temperature: 25 ° C
Initial introduction pressure: 3.0 torr
Introduced pressure setting points: 0
Saturated vapor pressure: 23.755 torr
Equilibrium time: 500 seconds Sample: Measured after evacuation at 120 ° C. for 5 hours.
<吸着特性(55℃)>
55℃における水蒸気吸着量を水蒸気吸着量測定装置(ベルソーブ18:日本ベル(株)製)により以下の方法で測定した。
<Adsorption characteristics (55 ° C.)>
The water vapor adsorption amount at 55 ° C. was measured by a water vapor adsorption amount measuring device (Belsorb 18: manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.) by the following method.
空気恒温槽温度:60℃
吸着温度:55℃
初期導入圧力:3.0torr
導入圧力設定点数:0
飽和蒸気圧:118.11torr
平衡時間:500秒
試料:120℃で5時間真空排気処理したのち測定した。
Air temperature chamber: 60 ° C
Adsorption temperature: 55 ° C
Initial introduction pressure: 3.0 torr
Introduced pressure setting points: 0
Saturated vapor pressure: 118.11 torr
Equilibrium time: 500 seconds Sample: Measured after evacuation at 120 ° C. for 5 hours.
<耐久性試験#1>
試料約0.5gを、内径約20mm(開口部内径約15mm)、高さ約40mmのガラス容器に入れ、25℃・湿度60%に保たれた環境に設置された温度プログラムが可能なオーブン内に入れた。オーブン内での温度サイクルとしては、40℃・20分保持した後、2℃/分で100℃まで昇温し、100℃で20分保持した後、2℃/分で40℃まで冷却する、というサイクルを100回繰り返した。
<Durability test # 1>
About 0.5 g of sample is placed in a glass container with an inner diameter of about 20 mm (opening inner diameter of about 15 mm) and a height of about 40 mm, and installed in an environment maintained at 25 ° C. and humidity of 60% in an oven capable of temperature programming. Put it in. As the temperature cycle in the oven, after holding at 40 ° C. for 20 minutes, the temperature is raised to 100 ° C. at 2 ° C./minute, held at 100 ° C. for 20 minutes, and then cooled to 40 ° C. at 2 ° C./minute. This cycle was repeated 100 times.
<耐久性試験#2>
試料を90℃に保たれた真空容器内に保持し、真空状態と90℃の飽和水蒸気雰囲気とにそれぞれ90秒曝す操作を500回繰り返した。
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The operation of holding the sample in a vacuum vessel maintained at 90 ° C. and exposing it to a vacuum state and a saturated steam atmosphere at 90 ° C. for 90 seconds was repeated 500 times.
(実施例1)
水熱合成と焼成を行い、窒素含有ゼオライトを以下のように作製した。
Example 1
Hydrothermal synthesis and calcination were performed to produce a nitrogen-containing zeolite as follows.
先ず、水28.05gに85%リン酸11.53gを加え、これに擬ベーマイト(25%水含有、コンデア製)5.44gをゆっくりと加えて撹拌した。これをA液とした。A液とは別に、硫酸第一鉄7水和物5.56g、モルホリン4.35g、トリエチルアミン5.06g及び水29gを混合した液を調製した。これをA液にゆっくりと加えて3時間攪拌し、以下の組成を有するゲル状の出発反応物を得た。 First, 11.53 g of 85% phosphoric acid was added to 28.05 g of water, and 5.44 g of pseudoboehmite (containing 25% water, manufactured by Condea) was slowly added thereto and stirred. This was designated as liquid A. Separately from Liquid A, a liquid was prepared by mixing 5.56 g of ferrous sulfate heptahydrate, 4.35 g of morpholine, 5.06 g of triethylamine and 29 g of water. This was slowly added to the liquid A and stirred for 3 hours to obtain a gel-like starting reaction product having the following composition.
0.4FeSO4:0.8Al2O3:P2O5:1.0モルホリン:1.0トリエチルアミン:70H2O 0.4FeSO 4: 0.8Al 2 O 3: P 2 O 5: 1.0 morpholine: 1.0 triethyl amine: 70H 2 O
得られた出発反応物をテフロン(登録商標)内筒の入った200ccのステンレス製オートクレーブに仕込み、静置状態で180℃で1日間反応させた。反応後冷却して、デカンテーションにより上澄みを除いて沈殿物を回収した。沈殿物を水で3回洗浄した後濾別し、120℃で乾燥し、ゼオライト前駆体を得た。 このゼオライト前駆体を粉末X線回折(XRD)により同定したところ、純粋なCHA構造であることがわかった。 The obtained starting reaction product was charged into a 200 cc stainless steel autoclave containing a Teflon (registered trademark) inner cylinder and allowed to react at 180 ° C. for 1 day in a stationary state. After the reaction, the reaction mixture was cooled and the supernatant was removed by decantation to collect a precipitate. The precipitate was washed three times with water, filtered, and dried at 120 ° C. to obtain a zeolite precursor. The zeolite precursor was identified by powder X-ray diffraction (XRD) and found to have a pure CHA structure.
乾燥後のゼオライト前駆体の一部(13mg)を用いて熱重量分析を行った。熱重量分析は、熱重量分析計(島津製作所TGA−50)を用い、ヘリウムで希釈した空気(酸素濃度7vol%)を30mL/minで流通させながら、室温(25℃)から700℃まで10℃/minで昇温して行った。その結果を図5に示す。 Thermogravimetric analysis was performed using a part (13 mg) of the dried zeolite precursor. Thermogravimetric analysis was performed at 10 ° C from room temperature (25 ° C) to 700 ° C while circulating air (oxygen concentration 7 vol%) diluted with helium at 30 mL / min using a thermogravimetric analyzer (Shimadzu Corporation TGA-50). The temperature was raised at / min. The result is shown in FIG.
次に、得られたゼオライト前駆体から3gを採取し、縦型の石英焼成管に入れ、空気175mL/分、窒素325mL/分の混合ガス(酸素濃度7vol%)を流通させながら、0.35℃/分で350℃まで昇温し、そのまま350℃(この温度は、図5に示した熱重量分析による分解温度付近の温度である。)で6時間焼成を行い、窒素含有ゼオライトである焼成物を得た。この焼成物をXRDにより同定した。図6は、得られた回折パターンであり、純粋なCHA構造(フレームワーク密度14.5T/nm3)であることがわかった。 Next, 3 g was collected from the obtained zeolite precursor, put into a vertical quartz fired tube, and 0.35 air was circulated through a mixed gas (oxygen concentration 7 vol%) of 175 mL / min and nitrogen 325 mL / min. The temperature was raised to 350 ° C. at a rate of 350 ° C./minute, and the calcination was carried out for 6 hours at 350 ° C. (this temperature is a temperature near the decomposition temperature by thermogravimetric analysis shown in FIG. 5). I got a thing. This fired product was identified by XRD. FIG. 6 shows the obtained diffraction pattern, which was found to be a pure CHA structure (framework density 14.5 T / nm 3 ).
焼成物のCN分析により、炭素:2.3重量%、窒素:1.1重量%であり、C/N重量比は2.12であった。元素分析の結果は、Al、P及びFeの合計に対する各成分の構成割合(モル比)で、Al:37.8mol%、P:50mol%、Fe:12.2mol%であった。水蒸気吸着量(25℃)は27重量%であった。焼成物の吸着特性(55℃)測定により、図7に示すような吸着等温線が得られた。上記式7から求めた細孔利用率は0.9であった。焼成物の耐久性試験#1後の水蒸気吸着量は、25℃・相対蒸気圧P/Ps=0.5で、27重量%であり、低下は認められなかった。図8は、焼成物の耐久性試験#1後のXRDパターンであり、CHA構造が確認されると共に、結晶性の顕著な低下は認められなかった。このとき、繰り返し前後でのXRD測定試料の重量はほぼ一定とした。焼成物の耐久性試験#1前後の粒子を観察した結果、粒子の破砕は観られなかった。図9は、焼成物の耐久性試験#2後のXRDパターンであり、CHA構造が確認された。耐久性試験#2後の焼成物における25℃・相対蒸気圧0.5での水蒸気吸着量は、27重量%であった。又、焼成物の重量減少率(g1)及び重量減少率(g2)を測定した。これらの結果を表1に示す。
According to CN analysis of the fired product, carbon was 2.3% by weight, nitrogen was 1.1% by weight, and the C / N weight ratio was 2.12. The results of elemental analysis were Al: 37.8 mol%, P: 50 mol%, and Fe: 12.2 mol% in terms of the constituent ratio (molar ratio) of each component with respect to the total of Al, P, and Fe. The water vapor adsorption amount (25 ° C.) was 27% by weight. The adsorption isotherm as shown in FIG. 7 was obtained by measuring the adsorption characteristics (55 ° C.) of the fired product. The pore utilization rate determined from the above formula 7 was 0.9. The water vapor adsorption amount after the durability test # 1 of the fired product was 27% by weight at 25 ° C. and relative vapor pressure P / Ps = 0.5, and no decrease was observed. FIG. 8 is an XRD pattern after the durability test # 1 of the fired product, in which a CHA structure was confirmed and no significant decrease in crystallinity was observed. At this time, the weight of the XRD measurement sample before and after repetition was substantially constant. As a result of observing the particles before and after durability test # 1 of the fired product, the particles were not crushed. FIG. 9 is an XRD pattern after the
(実施例2)
実施例1において、焼成温度を340℃、流通ガス中の酸素濃度を5vol%とした以外は実施例1と同様にして、窒素含有ゼオライトである焼成物を得た。
(Example 2)
In Example 1, a calcined product that was a nitrogen-containing zeolite was obtained in the same manner as in Example 1 except that the calcining temperature was 340 ° C. and the oxygen concentration in the flow gas was 5 vol%.
得られた焼成物の窒素含有量は、1.7重量%、炭素含有量は3.1重量%、C/N重量比は1.83であった。実施例1と同様に測定したXRDパターンから、純粋なCHA構造であることが判明した。また、水蒸気吸着量(25℃)は27重量%であった。上記式7から求めた細孔利用率は0.9であった。耐久性試験#1を行ったところ、吸着量の低下は認められず、結晶性にも変化がなかった。又、焼成物の重量減少率(g1)及び重量減少率(g2)を測定した。結果を表1に示す。 The obtained fired product had a nitrogen content of 1.7% by weight, a carbon content of 3.1% by weight, and a C / N weight ratio of 1.83. From the XRD pattern measured in the same manner as in Example 1, it was found to be a pure CHA structure. The water vapor adsorption amount (25 ° C.) was 27% by weight. The pore utilization rate determined from the above formula 7 was 0.9. When durability test # 1 was performed, no decrease in the amount of adsorption was observed, and there was no change in crystallinity. Further, the weight reduction rate (g1) and the weight reduction rate (g2) of the fired product were measured. The results are shown in Table 1.
(実施例3)
実施例1において、焼成温度を400℃、流通ガス中の酸素濃度を0.2vol%とした以外は実施例1と同様にして、窒素含有ゼオライトである焼成物を得た。
(Example 3)
In Example 1, a calcined product that was a nitrogen-containing zeolite was obtained in the same manner as in Example 1 except that the calcining temperature was 400 ° C. and the oxygen concentration in the flow gas was 0.2 vol%.
得られた焼成物の窒素含有量は1.7重量%、炭素含有量は5.0重量%、C/N重量比は2.86であった。実施例1と同様に測定したXRDパターンから、純粋なCHA構造(フレームワーク密度14.5T/nm3)であることが判明した。また、水蒸気吸着量(25℃)は23重量%であった。上記式7から求めた細孔利用率は0.77であった。耐久性試験#1を行ったところ、吸着量の低下は認められず、結晶性にも変化がなかった。又、焼成物の重量減少率(g1)及び重量減少率(g2)を測定した。結果を表1に示す。 The obtained fired product had a nitrogen content of 1.7% by weight, a carbon content of 5.0% by weight, and a C / N weight ratio of 2.86. From the XRD pattern measured in the same manner as in Example 1, it was found to be a pure CHA structure (framework density 14.5 T / nm 3 ). The water vapor adsorption amount (25 ° C.) was 23% by weight. The pore utilization factor obtained from the above formula 7 was 0.77. When durability test # 1 was performed, no decrease in the amount of adsorption was observed, and there was no change in crystallinity. Further, the weight reduction rate (g1) and the weight reduction rate (g2) of the fired product were measured. The results are shown in Table 1.
尚、上記実施例1〜3の窒素含有ゼオライトは、そのいずれにおいても、これを焼成して炭素含有量を0.3重量%未満とした場合に焼成前の骨格構造が保たれるものである。又、上記実施例1〜3で得られた窒素含有ゼオライトは、下記に従って繰り返し耐久性試験を行った場合、その繰り返し耐久性試験前の結晶構造が保持されるものである。 In addition, in any of the nitrogen-containing zeolites of Examples 1 to 3, the skeletal structure before calcination is maintained when the calcination is performed so that the carbon content is less than 0.3% by weight. . The nitrogen-containing zeolite obtained in Examples 1 to 3 retains the crystal structure before the repeated durability test when the repeated durability test is performed according to the following.
<繰り返し耐久性試験>:ゼオライトを90℃に保たれた真空容器内に保持し、真空状態と90℃の飽和水蒸気雰囲気とにそれぞれ90秒曝す操作を500回繰り返す。 <Repeated durability test>: The operation of holding the zeolite in a vacuum container maintained at 90 ° C. and exposing it to a vacuum state and a saturated steam atmosphere at 90 ° C. for 90 seconds is repeated 500 times.
又、上記に従って繰り返し耐久性試験を行った場合、25℃・相対蒸気圧0.5での水蒸気吸着量は、繰り返し耐久性試験前の80%以上である。 Further, when the repeated durability test is performed according to the above, the water vapor adsorption amount at 25 ° C. and the relative vapor pressure of 0.5 is 80% or more before the repeated durability test.
(比較例1)
実施例1において、焼成温度を550℃とした以外は実施例1と同様にして、鉄アルミノフォスフェートである焼成物を得た。
(Comparative Example 1)
In Example 1, a fired product that was iron aluminophosphate was obtained in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature was 550 ° C.
得られた焼成物の窒素及び炭素含有量は測定下限(0.3重量%)未満であった。実施例1と同様に測定したXRDパターンから、純粋なCHA構造(フレームワーク密度14.5T/nm3)であることが判明した。水蒸気吸着量(25℃)は30重量%であった。上記式7から求めた細孔利用率は1であった。耐久性試験#1を行ったところ、試験後の吸着量は15重量%と大きく低下した。図10及び図11は、耐久性試験#1前後のXRDパターンであり、試験後の結晶性の低下が認められた。又、焼成物の重量減少率(g1)及び重量減少率(g2)を測定した。結果を表1に示す。 The obtained fired product had a nitrogen and carbon content of less than the lower limit of measurement (0.3% by weight). From the XRD pattern measured in the same manner as in Example 1, it was found to be a pure CHA structure (framework density 14.5 T / nm 3 ). The water vapor adsorption amount (25 ° C.) was 30% by weight. The pore utilization rate obtained from the above formula 7 was 1. When durability test # 1 was performed, the amount of adsorption after the test was greatly reduced to 15% by weight. 10 and 11 show XRD patterns before and after the durability test # 1, and a decrease in crystallinity after the test was observed. Further, the weight reduction rate (g1) and the weight reduction rate (g2) of the fired product were measured. The results are shown in Table 1.
(比較例2)
水26gに85%リン酸11.5gを加え、これに擬ベーマイト(25%水含有、コンデア製)5.44gをゆっくりと加え、2時間攪拌した。これに、硫酸第一鉄7水和物8.3gを水26gに溶かした液を加え、さらにモルホリン2.18gとシクロヘキシルアミン7.43gを混合した液をゆっくりと加えてさらに2時間攪拌した。そして、以下の組成を有するゲル状の出発反応物を得た。
(Comparative Example 2)
11.5 g of 85% phosphoric acid was added to 26 g of water, and 5.44 g of pseudoboehmite (containing 25% water, manufactured by Condea) was slowly added thereto and stirred for 2 hours. A solution prepared by dissolving 8.3 g of ferrous sulfate heptahydrate in 26 g of water was added thereto, and a solution obtained by mixing 2.18 g of morpholine and 7.43 g of cyclohexylamine was slowly added thereto, followed by further stirring for 2 hours. And the gel-like starting reaction material which has the following compositions was obtained.
0.6FeSO4:0.8Al2O3:P2O5:0.5モルホリン:1.5シクロヘキシルアミン:60H2O 0.6FeSO 4: 0.8Al 2 O 3: P 2 O 5: 0.5 morpholine: 1.5 cyclohexylamine: 60H 2 O
得られた出発反応物をテフロン(登録商標)内筒の入った0.2Lのステンレス製オートクレーブに仕込み、静置状態で200℃で12時間反応させた。反応後冷却して、デカンテーションにより上澄みを除いて沈殿物を回収した。沈殿物を水で3回洗浄した後濾別し、120℃で乾燥した。得られた固体を比較例1と同様に焼成し、鉄アルミノフォスフェートである焼成物を得た。 The obtained starting reaction product was charged into a 0.2 L stainless steel autoclave containing a Teflon (registered trademark) inner cylinder and allowed to react at 200 ° C. for 12 hours in a stationary state. After the reaction, the reaction mixture was cooled and the supernatant was removed by decantation to collect a precipitate. The precipitate was washed with water three times, filtered off and dried at 120 ° C. The obtained solid was fired in the same manner as in Comparative Example 1 to obtain a fired product that was iron aluminophosphate.
得られた焼成物の窒素及び炭素含有量は測定下限(0.3重量%)未満であった。元素分析の結果、Al、P及びFeの合計に対する各成分の構成割合(モル比)で、Al:36.9mol%、P:50mol%、Fe:13.1mol%であった。XRDパターンから純粋なCHA構造(フレームワーク密度14.5T/nm3)であることが判明した。水蒸気吸着量(25℃)は30重量%であった。上記式7から求めた細孔利用率は1であった。耐久性試験#1の結果、試験後の吸着量は10重量%と大きく低下した。図12及び図13は、耐久性試験前後のXRDパターンであり、試験後の結晶性の低下が認められた。また、耐久性試験後の粒子を観察したところ、完全に粉化していた。又、焼成物の重量減少率(g1)及び重量減少率(g2)を測定した。結果を表1に示す。 The obtained fired product had a nitrogen and carbon content of less than the lower limit of measurement (0.3% by weight). As a result of elemental analysis, the constituent ratio (molar ratio) of each component with respect to the total of Al, P and Fe was Al: 36.9 mol%, P: 50 mol%, Fe: 13.1 mol%. The XRD pattern revealed a pure CHA structure (framework density 14.5 T / nm 3 ). The water vapor adsorption amount (25 ° C.) was 30% by weight. The pore utilization rate obtained from the above formula 7 was 1. As a result of durability test # 1, the amount of adsorption after the test was greatly reduced to 10% by weight. 12 and 13 are XRD patterns before and after the durability test, and a decrease in crystallinity after the test was observed. Further, when the particles after the durability test were observed, they were completely pulverized. Further, the weight reduction rate (g1) and the weight reduction rate (g2) of the fired product were measured. The results are shown in Table 1.
(比較例3)
比較例1と同様の方法で水熱合成、乾燥及び焼成を行った。得られた固体1gを内径6mmのパイレックス(登録商標)管に充填し、Heガス500mL/hr流通下、300℃で2時間処理した。He流通下、室温(25℃)まで放冷した後、流通ガスをアンモニア(NH3)を10vol%含むHeガス500mL/hrに切り替え、室温(25℃)で2時間処理した。その後、流通ガスをHeガスに切り替えて室温(25℃)でパージを行った。
(Comparative Example 3)
Hydrothermal synthesis, drying and firing were performed in the same manner as in Comparative Example 1. 1 g of the obtained solid was filled in a Pyrex (registered trademark) tube having an inner diameter of 6 mm and treated at 300 ° C. for 2 hours under a flow of He gas of 500 mL / hr. After allowing to cool to room temperature (25 ° C.) under He flow, the flow gas was switched to He gas containing 10 vol% of ammonia (NH 3 ) at 500 mL / hr and treated at room temperature (25 ° C.) for 2 hours. Thereafter, the flow gas was switched to He gas and purged at room temperature (25 ° C.).
得られた固体のCN分析を行ったところ、窒素:11.5重量%、炭素は検出下限(0.3重量%)未満であった。この固体を80℃で3hr真空排気した後、25℃・相対蒸気圧0.5での水蒸気吸着量は、30重量%であった。上記式7から求めた細孔利用率は1であった。図14は、NH3処理した固体のXRDパターンであり、CHA構造(フレームワーク密度14.5T/nm3)であることがわかった。図15は、NH3処理した固体の耐久性試験#1後のXRDパターンであり、アモルファス化しているのが確認された。これらの結果から、ゼオライトの細孔構造がほぼ完全に破壊されており、水蒸気吸着量が大幅に低下していることは明らかである。又、焼成物の重量減少率(g1)及び重量減少率(g2)を測定した。結果を表1に示す。 As a result of CN analysis of the obtained solid, nitrogen was 11.5% by weight and carbon was less than the lower limit of detection (0.3% by weight). After the solid was evacuated at 80 ° C. for 3 hours, the water vapor adsorption amount at 30 ° C. and a relative vapor pressure of 0.5 was 30% by weight. The pore utilization rate obtained from the above formula 7 was 1. FIG. 14 is an XRD pattern of a solid treated with NH 3 and was found to have a CHA structure (framework density 14.5 T / nm 3 ). FIG. 15 is an XRD pattern after durability test # 1 of a solid treated with NH 3 , and it was confirmed that the solid was amorphous. From these results, it is clear that the pore structure of the zeolite is almost completely destroyed and the water vapor adsorption amount is greatly reduced. Further, the weight reduction rate (g1) and the weight reduction rate (g2) of the fired product were measured. The results are shown in Table 1.
(比較例4)
焼成ガスを窒素、焼成温度を325℃とした以外は実施例1と同様にして固体を得た。
(Comparative Example 4)
A solid was obtained in the same manner as in Example 1 except that the firing gas was nitrogen and the firing temperature was 325 ° C.
CN分析を行ったところ、窒素2.7重量%、炭素10.0重量%であり、本発明の範囲外であった。この固体の水蒸気吸着量(25℃)は、7.1重量%であった。上記式7から求めた細孔利用率は0.24であった。本発明の範囲内にある実施例1のゼオライトの水蒸気吸着量(27重量%)と比較して吸着量が劣っていることが明らかである。又、焼成物の重量減少率(g1)及び重量減少率(g2)を測定した。結果を表1に示す。 As a result of CN analysis, nitrogen was 2.7% by weight and carbon was 10.0% by weight, which were outside the scope of the present invention. The water vapor adsorption amount (25 ° C.) of this solid was 7.1% by weight. The pore utilization factor obtained from the above formula 7 was 0.24. It is clear that the amount of adsorption is inferior compared to the amount of water vapor adsorption (27% by weight) of the zeolite of Example 1 within the scope of the present invention. Further, the weight reduction rate (g1) and the weight reduction rate (g2) of the fired product were measured. The results are shown in Table 1.
(比較例5)
窒素含有量が本発明の範囲の下限未満である鉄アルミノフォスフェートを米国特許4554143の実施例11にしたがって合成した。
(Comparative Example 5)
An iron aluminophosphate with a nitrogen content below the lower limit of the scope of the present invention was synthesized according to Example 11 of US Pat. No. 4,554,143.
水32gに85%リン酸11.6gを加え、これにアルミニウムイソプロポキシド16.4gをゆっくりと加え、3時間攪拌した。これに、硫酸第一鉄7水和物5.6gを加え、さらに35重量%テトラエチルアンモニウムヒドロキシド(TEAOH)水溶液42.1gを混合した液を加えてさらに3時間攪拌した。そして以下の組成を有するゲル状の出発反応物を得た。 11.6 g of 85% phosphoric acid was added to 32 g of water, and 16.4 g of aluminum isopropoxide was slowly added thereto, followed by stirring for 3 hours. To this, 5.6 g of ferrous sulfate heptahydrate was added, and a solution prepared by mixing 42.1 g of a 35 wt% tetraethylammonium hydroxide (TEAOH) aqueous solution was further added, followed by further stirring for 3 hours. A gel-like starting reaction product having the following composition was obtained.
0.4FeSO4:0.8Al2O3:P2O5:2.0TEAOH:68H2O 0.4FeSO 4: 0.8Al 2 O 3: P 2 O 5: 2.0TEAOH: 68H 2 O
得られた出発反応物をテフロン(登録商標)内筒の入った0.2Lのステンレス製オートクレーブに仕込み、静置状態で200℃で42時間反応させた。反応後冷却して、遠心分離機により沈殿物を回収した。沈殿物を水で洗浄、濾別し、120℃で乾燥した。乾燥後の固体はXRDパターンからCHA構造であることが判明した。元素分析によると、Al、P及びFeの合計に対する各成分の構成割合(モル比)で、Al:44.7mol%、P:50mol%、Fe:4.3mol%であった。 The obtained starting reaction product was charged into a 0.2 L stainless steel autoclave containing a Teflon (registered trademark) inner cylinder, and allowed to react at 200 ° C. for 42 hours in a stationary state. After the reaction, the reaction mixture was cooled and the precipitate was collected by a centrifuge. The precipitate was washed with water, filtered off and dried at 120 ° C. The solid after drying was found to have a CHA structure from the XRD pattern. According to elemental analysis, the constituent ratio (molar ratio) of each component with respect to the total of Al, P and Fe was Al: 44.7 mol%, P: 50 mol%, and Fe: 4.3 mol%.
得られたテンプレート含有ゼオライトの一部を採取し、焼成温度を450℃、流通ガスを窒素、焼成時間を2時間とした以外は実施例1と同様に焼成した。 A part of the obtained template-containing zeolite was sampled and calcined in the same manner as in Example 1 except that the calcining temperature was 450 ° C., the flow gas was nitrogen, and the calcining time was 2 hours.
焼成後の固体は、XRD測定からCHA構造(フレームワーク密度14.5T/nm3)であることが判明した。焼成によって得られたゼオライトの窒素含有量は、測定下限(0.3重量%)未満、炭素含有量は約1,0重量%であり、本発明の範囲外であった。得られた固体の25℃、相対蒸気圧0.5における水蒸気吸着量は20重量%であった。 The solid after firing was found to have a CHA structure (framework density 14.5 T / nm 3 ) by XRD measurement. The nitrogen content of the zeolite obtained by calcination was less than the lower limit of measurement (0.3 wt%), and the carbon content was about 10 wt%, which was outside the scope of the present invention. The water vapor adsorption amount of the obtained solid at 25 ° C. and relative vapor pressure 0.5 was 20% by weight.
得られた固体について、耐久性試験#2を行った。試験後の25℃、相対蒸気圧0.5における水蒸気吸着量は10重量%であり、試験前の50%まで低下していた。又、焼成物の重量減少率(g1)及び重量減少率(g2)を測定した。結果を表1に示す。
11 蓄冷熱システム
12、26、27 循環水供給器
13、22、23 吸脱着器
14 蒸発器兼凝縮器
21 吸着ヒートポンプ
24 蒸発器
25 凝縮器
28、29、30、31 開閉バルブ
61 除湿空調装置
62 空気
63 吸着材再生機構
70 デシカント空調装置
71 処理空気経路
72 再生空気経路
73 デシカントロータ
74、75 顕熱交換器
76 熱供給機構
77 加湿器
78 空調空間
79 外部
11 Cold
Claims (25)
0≦x≦0.3 …1
(xは、Me、Al及びPの合計に対するMeのモル比を示す)
0.2≦y≦0.6 …2
(yは、Me、Al及びPの合計に対するAlのモル比を示す)
0.3≦z≦0.6 …3
(zは、Me、Al及びPの合計に対するPのモル比を示す) The molar ratio of Me, Al, and P constituting the skeleton structure of the aluminophosphate that may contain Me satisfies the following formulas 1 to 3. The zeolite according to item 1.
0 ≦ x ≦ 0.3… 1
(X represents the molar ratio of Me to the sum of Me, Al and P)
0.2 ≦ y ≦ 0.6 2
(Y represents the molar ratio of Al to the sum of Me, Al and P)
0.3 ≦ z ≦ 0.6 3
(Z represents the molar ratio of P to the sum of Me, Al and P)
0.001≦x≦0.3 …1’
(xは、Me、Al及びPの合計に対するMeのモル比を示す) The zeolite according to claim 4, wherein the molar ratio of Me satisfies the following formula 1 '.
0.001 ≦ x ≦ 0.3… 1 ′
(X represents the molar ratio of Me to the sum of Me, Al and P)
「繰り返し耐久性試験」とは、ゼオライトを90℃に保たれた真空容器内に保持し、真空状態と90℃の飽和水蒸気雰囲気とにそれぞれ90秒曝す操作を500回繰り返す試験である。「結晶構造が保持される」とは、同一装置、同一測定条件、同一サンプルホルダー及び同一サンプル重量でXRD測定を行った場合に、繰り返し耐久性試験後の最も強いピーク強度が、繰り返し耐久性試験前の最も強いピーク強度の50%以上であることをいう。ただし、ピーク強度は、ピーク高さのことであり、ピークトップのカウント数からバックグラウンドのカウント数を差し引いたものである。 The zeolite according to any one of claims 1 to 11, wherein when a repeated durability test of the zeolite is conducted according to the following, the crystal structure before the test is maintained.
The “repetitive durability test” is a test in which the operation of holding the zeolite in a vacuum vessel maintained at 90 ° C. and exposing it to a vacuum state and a saturated steam atmosphere at 90 ° C. for 90 seconds is repeated 500 times. “Crystal structure is retained” means that when XRD measurement is performed with the same equipment, the same measurement conditions, the same sample holder and the same sample weight, the strongest peak intensity after the repeated durability test is the repeated durability test. It means 50% or more of the previous strongest peak intensity. However, the peak intensity is the peak height, and is obtained by subtracting the background count from the peak top count.
少なくともゼオライトを構成する金属元素の化合物を構造指示材の存在下で水熱合成し、得られたゼオライト前駆体を酸素濃度が0.1vol%以上20vol%以下の雰囲気で焼成することを特徴とするゼオライトの製造方法。 A method for producing a zeolite according to any one of claims 1 to 12,
Hydrothermal synthesis of at least a metal element compound constituting the zeolite in the presence of a structure indicating material, and the obtained zeolite precursor is calcined in an atmosphere having an oxygen concentration of 0.1 vol% or more and 20 vol% or less. A method for producing zeolite.
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