JP5693724B2 - 改変された混合水酸化物を使用するゼオライトあるいはゼオライト様物質の水熱合成 - Google Patents
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Description
−T-原子源、すなわち、例えば、ケイ素及び/又はアルミニウム源
−テンプレート、
−鉱化剤、
−溶媒、および
−場合により、種晶
−0.223〜0.414のイオン半径比 R (Tn+)/R (O2-) (Pauling's rule)
−酸素との安定した結合を可能にする電気陰性度
−酸化状態が+2と+5の間にある
−溶解度が、ポリアニオンまたはTO2-単位の形成に起因して改善される
−結果として得られる構造が、-1と0の間の電荷を有する電荷中心を持つ
−ソディウムウォーターグラス(ケイ酸ナトリウム溶液)、メタケイ酸アルカリおよびアルカリウォーターグラス溶液、
−沈降シリカ、
−発熱性ケイ酸、SiO2-リッチなフライアッシュおよび不溶性ケイ酸塩、
−ケイ素リッチなアルミナ、
−シリカゾル(コロイド様に溶解されたSiO2)
−有機ケイ素化合物(たいていはオルトケイ酸エステル)
−鉱酸または有機酸のアルミニウム塩
−アルミニウムの酸化物または水酸化物およびそのゾル(コロイド状の溶液)
−アルミニウムアルコラート
−アルミニウム元素
−アルミニウムリッチな土壌、アルミニウムリッチなフライアッシュ、
−ゼオライト・フェリエライト(FER)の合成のためのSr2+もしくはK+
−ZSM-5(MFI)の合成のためのテトラメチルアンモニウムカチオン
−ゼオライトMCM-61(MSO)あるいはEMC-2(EMT)の合成のためのK+[18-クラウン-6]
−ゼオライトUTD-1(DON)の合成のための[ビス(ペンタメチルシクロペンタジエニル)Co(II)]+錯体
−ゲル調製
−過飽和化
−核形成、および
−結晶成長
a SiO2:Al2O3:b MxO:c NyO:d R:e H2O
8 K2O:Al2O3:20 SiO2:200 H2O
(1)沈殿物を得るために、溶液1、溶液2および任意に少なくとも一種のさらなる溶液を、塩基性溶液3と混合する
(2)混合水酸化物を得るために、前記沈殿物を分離しおよび任意で乾燥する、および任意に
(3)合成ゲルを得るために、前記混合水酸化物を塩基性溶液4中に溶解あるいは懸濁する
前記方法において、
前記溶液1は、水もしくは水-アルコール混合物中に、ケイ素源、および任意に、チタン源、ゲルマニウム源、スズ源及び/又はリン源を含む溶液であり、
前記溶液2は、水もしくは水-アルコール混合物中に、アルミニウム源、および任意に、ホウ素源、ガリウム源、インジウム源及び/又はリン源を含む溶液であり、
前記溶液1、2、前記任意のさらなる溶液および前記塩基性溶液3中で使用される化合物の物質量(モル量)は、下記の式(1)を満たす
ΣnBaは、使用した塩基Ba(pKb<8、好ましくはpKb<5)の物質量に、それぞれ、pK b <8のプロトン移動反応段階(proton-transfer reaction stages)の数nを掛けたものの合計を意味し、
ΣnSrは、使用した酸Sr(pK a <4.5)の物質量に、それぞれ、pK a <4.5のプロトン移動反応段階の数nを掛けたものの合計を意味し、
nAlは、使用したアルミニウムの物質量の合計を意味する。
ΣnBaは、使用した塩基Ba(pKb<8)の物質量に、それぞれ、pKb<8のプロトン移動反応段階の数nを掛けたものの合計を意味し、
ΣnSrは、使用した酸Sr(pK a <4.5)の物質量に、それぞれ、pK a <4.5のプロトン移動反応段階の数nを掛けたものの合計を意味し、
nAlは、使用したアルミニウムの物質量の合計を意味する。
(M2O+NO)/SiO2 = 0.15−1.0;
K+/SiO2 = 0.20−2.0;
H2O/SiO2 = 5.0−30.0;
SiO2/Al2O3 = 3.0−20.0;
ここで、Mは、Li、Na、KおよびNH4から選択され、Nは、Ba,CaおよびSrから選択される。
M2O/SiO2 = 0.40−0.50;
K+/SiO2 = 0.30−1.0;
H2O/SiO2 = 10.0−20.0;
SiO2/Al2O3 = 5.0−12.0;
ここで、Mは、Na、KおよびNH4から選択される。
水と水酸化アルカリの溶液を、撹拌機を有する沈殿チャンバー内に入れる。少なくとも一つの溶液1と少なくとも一つの溶液2が、特定の温度および特定の圧力でこの溶液に添加され、未加工の前駆体(混合水酸化物)が沈殿する。
45.1kgのケイ酸ナトリウム溶液(10.4wt%のNaOH及び26.6wt%のSiO2、PQ社;溶液1)を受器に入れ、31.1kgの硫酸アルミニウム溶液(8.1wt%のAl2O3、Giulini社;溶液2)をさらなる受器に入れる。120dm3の撹拌容器中で、38.9kgの脱塩水中の5.02kgの水酸化カリウム(86wt%、MERCK)の溶液が調製される(溶液3)。環境気圧(およそ1 bar)および25℃の温度にて、150〜500cm3/分の体積流量で撹拌しながら、溶液1および2は同時に溶液3の入った前記撹拌容器内に導入される。前記混合水酸化物が、沈殿物の形態で沈殿する。沈殿の進行をモニターするためにpHが記録される。沈殿の終わりに、7.5〜9の範囲のpHが達成される。当該バッチは、その後、25℃および環境気圧(およそ1 bar)での3時間の撹拌を伴って、エージングされる。前記バッチはフィルタープレスに移され、固体部分は分離され、洗浄され、その後乾燥される(120℃、10h)。得られた混合水酸化物A(前駆体)の化学分析は、以下の結果を与える。
強熱減量: 13.3 wt%
Si/Al物質量比: 4.00
K/Al物質量比: 0.75
Na/Al物質量比: 0.31
(Na+K)/Al 物質量比: 1.06
得られた前駆体は、その後以下の合成ゲルの製造のために使用される:
[1.000 SiO2 : 0.125 Al2O3 : 0.094 K2O : 0.038 Na2O] : 0.150 K2O : 0.200 K2CO3: 15.000 H2O
その後、容器を閉じ、撹拌しながら2時間以内で130℃に加熱する。その後、撹拌機のスイッチを切り、バッチをさらに30時間130℃に保つ。
1.00 Al2O3 : 1.00 K2O : 5.80 SiO2
約10のSiO2/Al2O3比(SAR)を有する混合水酸化物B(表1参照)を使用して、合成ゲルが製造される。
合成は、170℃で24時間の期間にわたり行われる(例2、表3)。合成の終了後に収集された物質は、X線回析ダイアグラムによれば、純粋なゼオライトLである。例2の最終製品のSi/Al比は3.1である(表4参照)。
約8のSiO2/Al2O3比(SAR)を有する混合水酸化物A(表1参照)を使用して、合成ゲルが製造される。
約8.14のSiO2/Al2O3比(SAR)を有する混合水酸化物D(表1参照)を使用して、合成ゲルが製造される。混合水酸化物DのSARは、混合水酸化物AのSARと同一であるが、混合水酸化物Dは、濾過の終わりに乾燥工程を施されなかったため、より高い水分含有量を有する。結晶相の性質に対する混合水酸化物中の水の量の影響が調査された。塩基性溶液4は、2つのカリウム源である、水酸化カリウムおよび炭酸カリウムを混合することによって製造され、0.15 K1 2O/SiO2および0.20 K2CO3/SiO2の完成ゲルのモル組成が得られる(表2参照、合成ゲルm)。混合水酸化物ゲル中の総カリウム含量 Ktotal 2O/SiO2は0.44である。合成は、130℃で30時間の期間にわたり行われる(例7、表3)。合成の終了後に収集された物質は、X線回析ダイアグラムによれば、純粋なゼオライトLであり(X線回析ダイアグラム参照)、ゼオライトW相の痕跡は観察されなかった。これは、一定のモル比のゲル組成および一定の合成期間および時間で作業された場合、混合水酸化物中の水分含有量が、ゼオライトLの最終製品の特性に影響を与えないことを示す。それゆえ、乾燥した濾過ケーキの代わりに、湿った濾過ケーキも同様に良好に使用できる。
約7の低いSiO2/Al2O3比(SAR)を有する混合水酸化物C(表1参照)を使用して、合成ゲルが製造される。塩基性溶液4は、2つのカリウム源である、水酸化カリウムおよび炭酸カリウムを混合することによって製造され、0.15 K1 2O/SiO2および0.20 K2CO3/SiO2の完成ゲルのモル組成が得られる(表2参照、合成ゲルk)。混合水酸化物ゲル中の総カリウム含量 Ktotal 2O/SiO2は0.45である。
合成は、130℃で24時間の期間にわたり行われる(例8、表3)。合成の終了後に収集された物質は、X線回析ダイアグラムによれば、純粋なゼオライトLである。この例は、純粋なゼオライトL生成物が、混合水酸化物ゲル中のSARを7の値に低下させたこれらの合成条件下で合成できることを示す。しかしながら、SARが10(例3)および8(合成5)で実施された合成と対比して、最終製品中のSi/Alモル比ははるかに低く、2.4付近となる。
カリウム源として水酸化カリウムのみを含む合成ゲルが製造された。合成ゲル中のSARは、使用する混合水酸化物の性質を変更することによって変動し、9.82(表3、例9、混合水酸化物C)、8.00(表3、例10、混合水酸化物A)および7.02(表3、例11、混合水酸化物B)であった。全てのケースにおいて、塩基性溶液4中で0.15 K1 2O/SiO2の完成ゲルのモル組成が得られ、混合水酸化物ゲル中の総カリウム含量 Ktotal 2O/SiO2は0.21〜0.25の範囲となる。収集された物質のX線回析ダイアグラムは、ゼオライトL型の物質と一致するピーク並びにゼオライトW副産物の明確な痕跡を示す(12.4°、16.5°、17.8、28.1および 30.4°の典型的な2θXRD反射から明白である)。
少量の水酸化カリウムおよび第二のカリウム源(炭酸カリウム)を含む合成ゲルが製造された。これらのゲルを使用した場合、総カリウム含量は高レベルに保たれた。全てのケースにおいて、塩基性溶液4中で0.10 K1 2O/SiO2および0.20 K2CO3/SiO2の完成ゲルのモル組成が得られ(表2参照)、混合水酸化物ゲル中の総カリウム含量 Ktotal 2O/SiO2は0.36〜0.40の範囲となる。合成ゲル中のSARは、使用する混合水酸化物の性質を変更することによって変動し、9.82(表3、例14、混合水酸化物B)、8.00(表3、例13、混合水酸化物A)および7.02(表3、例12、混合水酸化物C)であった。
元の合成ゲル中のSARに関係なく、収集された物質のX線回析ダイアグラムは、ゼオライトL型の物質と一致するピーク、並びに、生成物中の非晶質物質の存在を示唆する広範なシグナル(バックグラウンド)を有する。ゼオライトW副産物の証拠は発見されなかった。これらの結果は、混合水酸化物ゲル中の低アルカリK1 2O/SiO2が、高い総カリウム含量 Ktotal 2O/SiO2と相まって、結晶化のキネティクスに影響を与えるが、結晶相の性質には影響を与えないことを示す。
少量の水酸化カリウムおよび少量の第二のカリウム源(炭酸カリウム)を含む合成ゲルが製造された。全てのケースにおいて、塩基性溶液4中で0.10 K1 2O/SiO2および0.10 K2CO3/SiO2の完成ゲルのモル組成が得られ(表2参照)、混合水酸化物ゲル中の総カリウム含量 Ktotal 2O/SiO2は0.26である。合成ゲル中のSARは9.82であった(表3、例15、混合水酸化物B)。
この結果は、混合水酸化物ゲル中の低アルカリK1 2O/SiO2が、低い総カリウム含量 Ktotal 2O/SiO2と相まって、核形成並びにゲルの結晶化のキネティクスに影響を与えることを示す。
少量の水酸化カリウムおよび少量の第二のカリウム源(炭酸カリウム)を含む合成ゲルが製造された。完成ゲルのモル組成は、塩基性溶液4中で0.10 K1 2O/SiO2および0.05 K2CO3/SiO2であり(表2参照、合成ゲルb)、混合水酸化物ゲル中の総カリウム含量 Ktotal 2O/SiO2は0.21である。
合成ゲル中のSARは9.82であった(表3、例16、混合水酸化物B)。収集された物質のX線回析ダイアグラムは、最終物質が完全に非晶質であることを示す。この結果は、混合水酸化物ゲル中の低アルカリK1 2O/SiO2が、低すぎる総カリウム含量 Ktotal 2O/SiO2と相まって、もはやゼオライトLの形成をもたらさないことを示す。
低い水酸化カリウム含量並びに少量の第二のカリウム源(炭酸カリウム)を含む合成ゲルが製造された。完成ゲルのモル組成は、塩基性溶液4中で0.05 K1 2O/SiO2および0.30 K2CO3/SiO2であり(表2参照、合成ゲルa)、混合水酸化物ゲル中の総カリウム含量 Ktotal 2O/SiO2は0.44である。合成ゲル中のSARは8.0であった(表1、混合水酸化物A)。
収集された物質のX線回析ダイアグラムは、最終物質が完全に非晶質であることを示す。この結果は、総カリウム含量 Ktotal 2O/SiO2が十分高くても、低すぎる混合水酸化物ゲル中のアルカリK1 2O/SiO2は、ゼオライトLの形成をもたらさないことを示す。
高い水酸化カリウム含量を有し、第二のカリウム源を有さない合成ゲルが製造された。塩基性溶液4中で0.30 K1 2O/SiO2および0.00 K2CO3/SiO2の完成ゲルのモル組成が得られ(表2参照、合成ゲルo)、混合水酸化物ゲル中の総カリウム含量 Ktotal 2O/SiO2は0.36である。合成ゲル中のSARは9.82であった(表1、混合水酸化物B)。
収集された生成物のX線回析ダイアグラムは、弱い強度の典型的なゼオライトLのピークを有し、これは、最終物質が多量の非晶質生成物並びにいくらかのゼオライトLを含むことを示す。この結果は、総カリウム含量 Ktotal 2O/SiO2が十分高くても、強すぎるアルカリ性の混合水酸化物ゲル中のK1 2O/SiO2は、高結晶性ゼオライトLの形成をもたらさないことを示す。
が存在する(0.10〜0.15の範囲)ことを明確に示している。
Claims (18)
- 構造型LTLのケイ酸アルミニウム(ゼオライトL)を製造するための合成ゲルの製造方法であって、
(1)沈殿物を得るために、溶液1および溶液2を、塩基性溶液3と混合する、
(2)混合水酸化物を得るために、前記沈殿物を分離する、および、
(3)合成ゲルを得るために、前記混合水酸化物を塩基性溶液4中に溶解あるいは懸濁する
ことを含み、
前記溶液1は、ケイ素源を水または水-アルコール混合物中に含み、
前記溶液2は、アルミニウム源を水または水-アルコール混合物中に含み、
前記溶液1および2、および前記塩基性溶液3中で使用される化合物の物質量が、以下の式(1)を満たし、
ΣnBaは、使用した塩基Ba(pK b <8)の物質量に、それぞれ、pK b <8のプロトン移動反応段階の数nを掛けたものの合計を意味し、
ΣnSrは、使用した酸Sr(pK a <4.5)の物質量に、それぞれ、pK a <4.5のプロトン移動反応段階の数nを掛けたものの合計を意味し、
nAlは、使用したアルミニウムの物質量の合計を意味する)、且つ、
前記塩基性溶液4が、水または水-アルコール-混合物中に溶解された水酸化カリウムを含み、この際、水酸化カリウムの物質量は、合成ゲル中のK1 2O/SiO2が0.10〜0.15の範囲となり、合成ゲル中のKtotal 2O/SiO2が0.35〜0.50の範囲となるように選択される(K1は、溶液4の水酸化カリウムを由来とする合成ゲル中のカリウムであり、Ktotalは、合成ゲル中のカリウム種の合計である)
ことを特徴とする方法。 - 前記工程(1)において、前記溶液1および2と、少なくとも一種のさらなる溶液を、前記塩基性溶液3と混合すること、
前記溶液1および2、前記の少なくとも一種のさらなる溶液および前記塩基性溶液3中で使用される化合物の物質量が、前記式(1)を満たす
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記塩基性溶液4が、さらに、水または水-アルコール-混合物中に溶解された炭酸カリウムを含み、この際、水酸化カリウムおよび炭酸カリウムの物質量は、合成ゲル中のK 1 2 O/SiO 2 が0.10〜0.15の範囲となり、合成ゲル中のK total 2 O/SiO 2 が0.35〜0.50の範囲となるように選択される
ことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。 - 前記ΣnBaが、使用した塩基Ba(pK b <5)の物質量に、それぞれ、pK b <5のプロトン移動反応段階の数nを掛けたものの合計を意味する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記溶液1が、ケイ素源およびリン源を含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記溶液2が、アルミニウム源およびリン源を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ケイ素源が、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、二酸化ケイ素、ケイ酸、およびアルコキシシランから選択される少なくとも一種であり、
前記アルミニウム源が、硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、塩化アルミニウム、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、アルミニウムアルコキシド、アルミン酸ナトリウムおよびアルミン酸カリウムから選択される少なくとも一種である、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。 - 前記溶液1が、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、二酸化ケイ素及び/又は沈降シリカから選択されるケイ素源を含み、前記溶液2が、アルミン酸ナトリウム、アルミン酸カリウム、硫酸アルミニウム及び/又は硝酸アルミニウムから選択されるアルミニウム源を含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記塩基性溶液3が、水または水-アルコール-混合物中に溶解された、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム及び/又は水酸化アンモニウムを含む、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記少なくとも1種のさらなる溶液が、水または水-アルコール-混合物中に溶解された少なくとも一種のアルカリ塩、アルカリ土類塩及び/又はアンモニウム塩から選択される一以上を含む、
請求項2〜10のいずれか1項に記載の方法。 - 前記工程(2)で得られた沈殿物が、水溶液中でのイオン交換によって、以下のカチオンの少なくとも1種で改変される、請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法:
Li+、Na+、K+、Cs+、Rb+、NH4 +、Be2+、Mg2+、Ca2+、Sr2+及び/又はBa 2+ 。 - 請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法によって得られる合成ゲルであって、前記物質量が、以下の条件を満たすことを特徴とする合成ゲル:
K1 2O/SiO2=0.10−0.15、および
Ktotal 2O/SiO2=0.35−0.50、
(K1は、溶液4の水酸化カリウムを由来とする合成ゲル中のカリウムであり、Ktotalは、合成ゲル中のカリウム種の合計である)。 - 前記物質量が以下の条件を満たす、請求項13に記載の合成ゲル:
(M2O+NO)/SiO2 0.15−1.0
K+/SiO2 0.2−2.0
H2O/SiO2 5.0−30.0
SiO2/Al2O3 3.0−20.0
(Mは、Li、Na,KおよびNH4から選択され、Nは、Ba,CaおよびSrから選択される)。 - 前記Al2O3に対するSiO2の物質量比が、7.0〜10.0の範囲にある、請求項14に記載の合成ゲル。
- 請求項13〜15のいずれか1項に記載の合成ゲルを、水熱処理することを含む、構造型LTLのケイ酸アルミニウムの製造方法。
- 請求項16に記載の方法によって得られる構造型LTLのケイ酸アルミニウムであって、
400m2/g未満のBET比表面積、及び/又は、30nm〜5μmの範囲の粒径D50を有し、且つ
100nm〜1000nmの範囲の直径、50〜300nmの高さ、1.0〜3.0の間の直径/高さの比を有するディスク状の基本構造を有するケイ酸アルミニウム。 - 炭化水素の変換あるいは吸着のための、請求項17に記載のケイ酸アルミニウムの使用。
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