JP6026649B2 - Rho骨格構造を有する金属シリコアルミノホスフェート分子篩及びその製造方法 - Google Patents
Rho骨格構造を有する金属シリコアルミノホスフェート分子篩及びその製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明の別の目的として、上記分子篩の製造方法を提供する。
本発明の別の目的として、酸触媒反応の触媒を提供する。
本発明の別の目的として、選択酸化反応の触媒を提供する。
また、本発明の別の目的として、ガス吸着剤を提供する。
mR・nMe・(SixAlyPz)O2
(式中、Rは、分子篩の微細孔に存在するテンプレートであって、ジエチルアミン(DEA)、ジエチルアミンとトリエチルアミン、ジエチルアミンとモルホリン、若しくはジエチルアミンと水酸化テトラエチルアンモニウムの混合物であり、その内、ジエチルアミンの混合物におけるモル比が70%を超え、mは、(SixAlyPz)O21モル当たりのテンプレートのモル数を表し、m=0.1〜0.5であり、Meは、分子篩骨格に入る金属原子であり、nは、(SixAlyPz)O21モル当たりのMeのモル数であって、n=0.001〜0.30であり、x、y、zは、それぞれSi、Al、Pのモル分率を表し、その範囲がそれぞれx=0.01〜0.60、y=0.2〜0.60、z=0.2〜0.60であり、且つx+y+z=1である。)
好ましくは、分子篩骨格に入る金属原子Meとしては、銅、コバルト、マンガン、マグネシウム、鉄、ニッケル及び亜鉛からなる群より選ばれる1種又は2種以上の金属原子である。
好ましくは、分子篩骨格に入る金属原子Meとしては、銅、コバルト、マンガン、マグネシウム、亜鉛からなる群より選ばれる1種又は2種以上の金属原子である。
ステップ1:金属源、シリコン源、アルミニウム源、リン源、界面活性剤、テンプレート及び脱イオン水を攪拌して均一に混ぜ合わせ、一次のゲル混合物を得る。各原料は、酸化物の分子比でそれぞれ以下のとおりである。即ち、
Me/Al2O3=0.01〜1.0、
SiO2/Al2O3=0.01〜2.0、
P2O5/Al2O3=0.5〜2.0、
H2O/Al2O3=21〜200、
S/Al2O3=0.01〜0.5、Sは、界面活性剤であり、
R/Al2O3=0.5〜5.5、Rは、ジエチルアミンである。
ステップ2:一次のゲル混合物を合成釜に仕込み、密封した後、回転しつつ加熱して結晶化させる。結晶化温度は155〜230℃であり、結晶化時間は1〜72時間である。
ステップ3:結晶化が終了すると、固体の結晶産物を洗浄、乾燥し、RHO骨格構造を有する金属シリコアルミノホスフェート分子篩を原料パウダーとして得る。
1)該新規の分子篩多孔質材料の合成方法を提供する。
2)酸触媒反応に使用可能な触媒を提供する。例えば、メタノールからオレフィンを製造する反応に用いられる触媒、メタノールとアンモニアを反応させてメチルアミンを製造する際の触媒として利用することができる。
3)酸化還元反応に使用可能な触媒を提供する。遷移金属がSAPO分子篩の骨格に進入することにより、分子篩に酸性とともに酸化還元性を付与し、よって、選択酸化反応において触媒として利用することができる。一方、我々の実験からしてみれば、MeAPSO−RHO分子篩は、その特徴的な骨格構造から直鎖アルカンの選択酸化に対して極めて高い転換率を示し、また、RHO骨格に存在する遷移金属原子が変化しやすいため、酸化反応を促進することができる。
4)ガス吸着剤を提供する。現在、ガス吸着、分離研究の対象となる分子篩として、多くはシリカアルミナからなるゼオライト分子篩である。本研究者らは、MeAPSO−RHO分子篩が有する特徴(即ち、微細孔八員環のチャンネル、チャンネルの容積が比較的大きく、なお、金属原子が一旦分子篩の骨格に入ると、より強い酸性中核が生成可能であると言ったもの)を生かしてガス吸着剤として用いることで、CO2に対して優れた吸着容量(分子篩の中の強いB酸中心はCO2の吸着に有利となる)を示し、CO2/CH4及びCO2/N2に対して高い吸着選択性を示すことを実証した。現在、MeAPSO分子篩をガス吸着、分離に用いることに関してはまだ報告がない。我々の研究は、MeAPSO分子篩の応用に斬新で且つ価値のある分野を開設することに大きく寄与した。
表1に、具体的な配合量と結晶化条件を示す。具体的な配合プロセスとしては、無定形の擬ベーマイト(Al2O3が質量%で72.5%)10gと脱イオン水58mlを混合し、攪拌しながら順にオルトリン酸(H3PO4が質量%で85%)16.4g、テトラエトキシシラン6.09gを加えた。セチルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)3.88gを脱イオン水60mlに溶解し、上記ゲルシステムに加え、激しく撹拌して均一に混ぜ合せ、最後にゲルシステムにジエチルアミン(DEA)10.38gを加えて均一になるまで攪拌した。ゲル混合物をステンレス製合成釜に移って密封し、200℃、及び自己加圧の条件下で24時間かけて動的に結晶化させた。固体生成物を遠心分離し、脱イオン水で中性になるまで洗浄し、100℃の空気中で乾燥させてRHO−SAPO分子篩を原料パウダーとして得た。表2に、試料のXRD結果を示す。合成された分子篩がRHO構造を有し、XRF分析によって試料の元素組成がAl0.50P0.37Si0.13であると確認できた。
表1に、具体的な配合量と結晶化条件を示す。配合は、順に2/3量の脱イオン水をリン酸に加えて均一に混ぜ合わせ、金属源を加えてから30分間攪拌した。その後、アルミニウム源を加えて30分間攪拌し、上記混合物にシリコン源を加えて30分間攪拌した。残りの脱イオン水で界面活性剤を溶かし、上述の混合物に加えて2時間攪拌した。最後に、有機アミンを加えて均一になるまで攪拌した。ゲル混合物をステンレス製合成釜に移って密封し、一定温度の条件下で一定時間かけて動的に結晶化させた。固体産物を遠心分離し、脱イオン水で中性になるまで洗浄し、100℃の空気中で乾燥させてRHO−SAPO分子篩を原料パウダーとして得た。実施例2〜8の試料のXRD結果を表3〜9に示す。合成された分子篩がRHO構造を有することが確認できる。これらの結果を表1と比べると、表に示される各回折ピークの相対強度に変化が生じたことが確認でき、金属原子が分子篩の骨格に進入して面間隔等を変化させることが考えられる。実施例9〜14に係る試料のXRD結果は、実施例8の試料と同様である。
0.08Mg・(Al0.48P0.41Si0.11)O2
0.10Zn・(Al0.47P0.40Si0.13)O2
0.08Mn・ Al0.48P0.39Si0.13)O2
0.07Co・(Al0.50P0.37Si0.13)O2
0.07Cu・(Al0.47P0.33Si0.20)O2
0.08Ni・(Al0.50P0.37Si0.13)O2
0.02Ni・(Al0.49P0.38Si0.13)O2
0.23Ni・(Al0.50P0.37Si0.13)O2
有機アミンをジエチルアミン7.76gとモルホリン3.1gの混合物に変えた以外に、具体的な配合量、配合プロセス及び結晶化条件は実施例2と同様である。結晶化が終了した後、固体の生成物を遠心分離し、中性になるまで脱イオン水で洗浄し、100℃の空気中で乾燥させてFeAPSO分子篩を原料パウダーとして得た。試料のXRD結果は、実施例2の試料と同様であり、合成された分子篩がRHO構造を有することが確認できた。
有機アミンをジエチルアミン9.5gとトリエチルアミン3.6gの混合物に変えた以外に、具体的な配合量、配合プロセス及び結晶化条件は実施例2と同様である。結晶化が終了した後、固体の生成物を遠心分離し、中性になるまで脱イオン水で洗浄し、100℃の空気中で乾燥させてFeAPSO分子篩を原料パウダーとして得た。試料のXRD結果は、実施例2の試料と同様であり、合成された分子篩がRHO構造を有することが確認された。
界面活性剤をジメチルセチル[3−トリメチルシリルプロピル]塩化アンモニウム4gに変えた以外に、具体的な配合量、配合プロセス及び結晶化条件は実施例5と同様である。結晶化が終了した後、固体の生成物を遠心分離し、中性になるまで脱イオン水で洗浄し、100℃の空気中で乾燥させてMnAPSO分子篩を原料パウダーとして得た。試料のXRD結果は、実施例5の試料と同様であり、合成された分子篩がRHO構造を有することが確認された。
界面活性剤をドデシルトリメチルアンモニウムクロリド4gに変えた以外に、具体的な配合量、配合プロセス及び結晶化条件は実施例5と同様である。結晶化が終了した後、固体の生成物を遠心分離し、中性になるまで脱イオン水で洗浄し、100℃の空気中で乾燥させてMnAPSO分子篩を原料パウダーとして得た。試料のXRD結果は、実施例5の試料と同様であり、合成された分子篩がRHO構造を有することが確認できた。
界面活性剤をテトラデシルトリメチルアンモニウムクロリド4gに変えた以外に、具体的な配合量、配合プロセス及び結晶化条件は実施例5と同様である。結晶化が終了した後、固体の生成物を遠心分離し、中性になるまで脱イオン水で洗浄し、100℃の空気中で乾燥させてMnAPSO分子篩を原料パウダーとして得た。試料のXRD結果は、実施例5の試料と同様であり、合成された分子篩がRHO構造を有することが確認された。
具体的な配合量及び結晶化条件は、実施例2と同様である。但し、配合プロセスを以下のように変更した。すなわち、アルミニウム源と1/2の脱イオン水を混合し、攪拌しながら順にリン源とシリコン源を加えた。1/4の脱イオン水でセチルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)を溶解した後、上述のゲルシステムに加え、激しく撹拌して均一にして混合物Aと記した。一方、金属源(何れも分析純)を残りの脱イオン水と混合し、攪拌して溶解させた後に混合物Aに加え、最後にゲルシステムにジエチルアミンを加え、均一なるまで攪拌した。ゲル混合物をステンレス製合成釜に仕込んで密封し、一定温度の条件下で一定時間をかけて動的に結晶化させた。固体の生成物を遠心分離し、脱イオン水で中性になるまで洗浄し、100℃の空気中で乾燥させて産物を得た。産物についてXRD分析を行った結果、主な結晶相がRHOであり、同時に少量のCHA結晶相が含まれていることが確認できた。
具体的な配合量及び結晶化条件は、実施例3と同様である。但し、配合プロセスを以下のように変更した。すなわち、アルミニウム源を1/2量の脱イオン水と混合し、攪拌しながら順にリン源とシリコン源を加えた。1/4量の脱イオン水でセチルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)を溶解した後に上記ゲルシステムに加え、激しく撹拌して均一にして混合物Aと記した。一方、金属源(何れも分析純)を残りの脱イオン水と混合し、攪拌して溶解させた後に混合物Aに加え、最後にゲルシステムにジエチルアミンを加え、均一になるまで攪拌した。ゲル混合物をステンレス製合成釜に仕込んで密封し、一定温度の条件下で一定時間かけて動的に結晶化させた。固体の生成物を遠心分離し、脱イオン水で中性になるまで洗浄し、100℃の空気中で乾燥させて生成物を得た。生成物についてXRD分析を行った結果、主な結晶相がRHOであり、同時に少量のCHA結晶相が含まれていることが確認できた。
実施例3で得た試料を、600℃で空気を注入して4時間焙焼し、その後に打錠し、20〜40目になるように粉砕した。試料1.0gを取って固定式反応器に仕込み、MTO反応を評価した。550℃で窒素ガスを注入して1時間かけて活性化させた後、450℃に冷却して引き続き反応させた。メタノールは、窒素ガスにより持ち込まれ、窒素ガスの流速が40ml/分間であり、メタノールの重量空間速度が2.0h-1である。オンラインガスクロマトグラフィを用いて反応産物を分析し(Varian3800、FID検出器、毛細管カラムPoraPLOT Q−HT)、結果を表10に示す。
実施例4で得た試料をCO2吸着剤とした。試料の吸着等温曲線は、米国Micromeritics会社製のASAP2020を用いて測定した。吸着ガスとしては、CO2(99.99%)、CH4(99.99%)及びN2(99.99%)を用いた。分子篩中の物理的に吸着した水による吸着測定への影響を避けるため、等温曲線測定を行う前に、試料を600℃で空気を注入しつつ4時間かけて焙焼し、その後にASAP2020において更に処理を施し、処理条件としては、極低真空度(5×10-3mmHg)において、1℃/分間の昇温速度で350℃まで温度を上げた後にそのまま8時間維持した。定温水槽(精度:±0.05℃)を用いてガス吸着温度を制御し、吸着温度を298Kとなるようにした。結果を図1に示す。試料のCO2、CH4及びN2に対する吸着量が、それぞれ4.75、0.38及び0.24mmol/g(圧力が101kPaである時)であり、当吸着量を以って算出した吸着選択性は、CO2/CH4=12.5、CO2/N2=19.8である。
実施例10で得た試料をCO2吸着剤とした。試料の吸着等温曲線は、米国Micromeritics会社製のASAP2020を用いて測定した。吸着ガスとしては、CO2(99.99%)、CH4(99.99%)及びN2(99.99%)を用いた。分子篩中の物理的に吸着した水による吸着測定への影響を避けるため、等温曲線測定を行う前に、試料を600℃で空気を注入しつつ4時間かけて焙焼し、その後にASAP2020において更に処理を施し、処理条件としては、極低真空度(5×10-3mmHg)において、1℃/分間の昇温速度で350℃まで温度を上げた後にそのまま8時間維持した。定温水槽(精度:±0.05℃)を用いてガス吸着温度を制御し、吸着温度を298Kとなるようにした。結果に示すように、試料のCO2、CH4及びN2に対する吸着量は、それぞれ4.75、0.38及び0.24mmol/g(圧力が101kPaの時)であり、該吸着量を以って算出した吸着選択性は、CO2/CH4=12.9、CO2/N2=22.3である。
文献に掲載された方法に従い、亜鉛源として硝酸亜鉛を用いてZnAPSO−34を合成し、ガス吸着剤とした(Catalysis Today V93-95 (2004) 735-742)。試料の元素組成についてXRF分析を行った結果、0.11Zn・(Al0.48P0.40Si0.12)O2であると確認できた。
実施例6で得た試料を、600℃で空気を注入しつつ4時間かけて焙焼し、n−オクタンの液体酸化反応の触媒とした。対照物として、実施例1の試料を触媒として用いた。また、文献に掲載された方法に従ってCoAPSO−34及びCoAPSO−11分子篩を合成し、触媒対照物とした(Catalysis Today, V93-95,(2004)735-742)。CoAPSO−34及びCoAPSO−11の元素組成についてXRF分析を行った結果、0.09Co・(Al0.50P0.40Si0.10)O2及び0.09Co・(Al0.50P0.42Si0.08)O2であると確認できた。
Claims (21)
- RHO骨格構造を有する金属シリコアルミノホスフェート分子篩であって、その無水物の化学組成は、下記式で表される金属シリコアルミノホスフェート分子篩。
mR・nMe・(SixAlyPz)O2
(式中、Rは、分子篩の微細孔に存在するテンプレートであり、mは、(SixAlyPz)O21モル当たりのテンプレートのモル数を表し、m=0.1〜0.5であり、Meは、分子篩骨格に入る金属原子であり、nは、1モルの(SixAlyPz)O2の骨格中にあるMeのモル数であり、且つn=0.001〜0.30であり、x、y、zは、それぞれSi、Al、Pのモル分率を表し、その範囲がそれぞれx=0.01〜0.60、y=0.2〜0.60、z=0.2〜0.60であり、且つx+y+z=1である。) - 前記テンプレートRは、ジエチルアミン、ジエチルアミンとトリエチルアミン、ジエチルアミンとモルホリン、又はジエチルアミンとテトラエチル水酸化アンモニウムの混合物であることを特徴とする、請求項1に記載の金属シリコアルミノホスフェート分子篩。
- 前記テンプレートRは、ジエチルアミンとトリエチルアミン、ジエチルアミンとモルホリン、又はジエチルアミンとテトラエチル水酸化アンモニウムの混合物であり、ジエチルアミンの混合物におけるモル比が70%を越えることを特徴とする、請求項1に記載の金属シリコアルミノホスフェート分子篩。
- 前記分子篩骨格に入る金属原子Meは、バナジウム、銅、モリブデン、ジルコニウム、コバルト、マンガン、マグネシウム、鉄、ニッケル及び亜鉛からなる群より選ばれる1種又は2種以上の金属原子であることを特徴とする、請求項1に記載の金属シリコアルミノホスフェート分子篩。
- 前記分子篩骨格に入る金属原子Meは、銅、コバルト、マンガン、マグネシウム、鉄、ニッケル及び亜鉛からなる群より選ばれる1種又は2種以上の金属原子であることを特徴とする、請求項1に記載の金属シリコアルミノホスフェート分子篩。
- 前記分子篩骨格に入る金属原子Meは、銅、コバルト、マンガン、マグネシウム及び亜鉛からなる群より選ばれる1種又は2種以上の金属原子であることを特徴とする、請求項1に記載の金属シリコアルミノホスフェート分子篩。
- 請求項1に記載の金属シリコアルミノホスフェート分子篩の製造方法であって、
ステップ1:金属源、シリコン源、アルミニウム源、リン源、界面活性剤、テンプレート及び脱イオン水を攪拌して均一に混ぜ合わせ、以下のモル比を有する一次のゲル混合物を得、
Me/Al2O3=0.01〜1.0、
SiO2/Al2O3=0.01〜2.0、
P2O5/Al2O3=0.5〜2.0、
H2O/Al2O3=21〜200、
S/Al2O3=0.01〜0.5、その内、Sは、1種又は2種以上の界面活性剤の混合物であり、
R/Al2O3=0.5〜5.5、その内、Rは、ジエチルアミン、ジエチルアミンとトリエチルアミン、ジエチルアミンとモルホリン、又はジエチルアミンとテトラエチル水酸化アンモニウムの混合物であり、
ステップ2:一次のゲル混合物を合成釜に仕込んで密封した後、回転しつつ加熱して結晶化させ、その内、結晶化温度が155〜230℃であり、結晶化時間が1〜72時間であり、
ステップ3:結晶化が終了すると、固体の結晶産物を洗浄、乾燥し、RHO骨格構造を有する金属シリコアルミノホスフェート分子篩を原料パウダーとして得る、ことを含む製造方法。 - 前記シリコン源は、シリカゾル、シリカゲル、活性シリカ、又はオルトケイ酸エステルから選ばれる1種、若しくは2種以上であり、
前記アルミニウム源は、アルミニウム塩、活性アルミナ、アルミニウムアルコキシ、擬ベーマイト、又は無定形の擬ベーマイトから選ばれる1種、若しくは2種以上であり、
前記リン源は、オルトリン酸、リン酸塩、有機リン化合物、又は酸化リンから選ばれる1種、若しくは2種以上であり、
前記界面活性剤は、ドデシルトリメチルアンモニウムクロリド、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド、トリデシルトリメチルアンモニウムクロリド、トリデシルトリメチルアンモニウムブロマイド、テトラデシルトリメチルアンモニウムクロリド、テトラデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ペンタデシルトリメチルアンモニウムクロリド、ペンタデシルトリメチルアンモニウムブロミド、セチルトリメチルアンモニウムブロミド、セチルトリメチルアンモニウムクロリド、ジメチルセチル[3−トリメチルシリルプロピル] 塩化アンモニウム、ジメチルオクタデシル[3−トリメチルシリルプロピル]塩化アンモニウム、セチルトリメトキシシランから選ばれる1種、若しくは2種以上であることを特徴とする、請求項7に記載の製造方法。 - 前記金属源は、バナジウム、銅、モリブデン、ジルコニウム、コバルト、マンガン、マグネシウム、鉄、ニッケル及び亜鉛の酸化物無機塩、又は有機塩から選ばれる1種、若しくは2種以上であることを特徴とする、請求項7に記載の製造方法。
- 前記金属源は、銅、コバルト、マンガン、マグネシウム、鉄、ニッケル及び酸化亜鉛の酸化物、無機塩、又は有機塩から選ばれる1種、若しくは2種以上であることを特徴とする、請求項7に記載の製造方法。
- 前記金属源は、銅、コバルト、マンガン、マグネシウム、及び亜鉛の酸化物、無機塩又は有機塩から選ばれる1種、若しくは2種以上であることを特徴とする、請求項7に記載の製造方法。
- 前記ステップ1において、MeとAl2O3のモル比範囲が0.01〜0.5であることを特徴とする、請求項7に記載の製造方法。
- 前記ステップ1において、MeとAl 2 O 3 のモル比範囲が0.01〜0.35であることを特徴とする、請求項7に記載の製造方法。
- 前記ステップ1において、SとAl2O3のモル比範囲が0.05〜0.35であることを特徴とする、請求項7に記載の製造方法。
- 前記ステップ1において、RとAl2O3のモル比範囲が1.0〜4.0であることを特徴とする、請求項7に記載の製造方法。
- 前記ステップ1において、Rは、ジエチルアミンとトリエチルアミン、ジエチルアミンとモルホリン、又はジエチルアミンとテトラエチル水酸化アンモニウムの混合物であり、そのうち、ジエチルアミンの混合物におけるモル比が70%を越えることを特徴とする、請求項7に記載の製造方法。
- 前記ステップ1において、原料の配合は、順に2/3の脱イオン水をリン酸と混合した後に金属源を加え、均一に攪拌してアルミニウム源を加え、均一に攪拌してシリコン源を加え、残りの水で界面活性剤を溶かして前段階で調製した混合物に加え、少なくとも1時間かけて攪拌し、最後に有機アミンテンプレートを加え、少なくとも1時間かけて攪拌して均一な混合物ゲルを得ることを特徴する、請求項7に記載の製造方法。
- 前記ステップ2において、結晶化温度が170〜215℃であり、結晶化時間が2〜48時間であることを特徴とする、請求項7に記載の製造方法。
- 請求項1〜6項に記載の何れか1種の金属シリコアルミノホスフェート分子篩を、400〜700℃の空気中で焙焼したものの、酸触媒反応の触媒としての使用。
- 請求項1〜6に記載の何れか1種の金属シリコアルミノホスフェート分子篩を、400〜700℃の空気中で焙焼したものの、ガス吸着剤としての使用。
- 請求項1〜6に記載の何れか1種の金属シリコアルミノホスフェート分子篩を、400〜700℃空気中で焙焼したものの、選択酸化反応の触媒としての使用。
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