JP7142005B2 - ナノメートルゼオライトｙを調製する方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ＦＡＵ構造型のゼオライトＹを調製するための新規な方法であって、このゼオライトの結晶サイズが１００ｎｍ未満であり、この結晶サイズは、本明細書の以降の全体にわたって「ナノメートルゼオライト」と呼ばれ、Ｓｉ／Ａｌ構造比は、２超であり、非常に良好な結晶化度であり、前記方法は、好ましくは、有機構造化種の非存在下に行われ、熟成工程中の明確な時期において、四価元素Ａ（好ましくはＡ＝Ｓｉ）の供給源を添加することによって特徴付けられる、方法に関する。前記ＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹには、有利には、触媒、吸着剤または分離剤としてのそれの適用が見出される。
ゼオライト、またはモレキュラーシーブスは、三次元配置の相互接続されたＴＯ４四面体から構成される結晶性材料である（Ｔは、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐ、Ｇｅ、Ｔｉ、ＧａまたはＦｅを示してよい）。ＴＯ４要素の組織化により、チャネルおよびキャビティから構成されるミクロ細孔の秩序立ったネットワークが生じ、その寸法は、小サイズ化された有機分子に適合する。骨格原子が配列される方法に応じて、種々のゼオライト構造が区別される（現時点で２２０超存在する（非特許文献１））。各構造は、それ故に、固有の結晶ネットワークを有し、この結晶ネットワークは、それのｘ線回折図によって確認されてよい。
ゼオライトは、数多くの適用および関係分野を有している。例えば、触媒作用、吸着、イオン交換または精製である。ゼオライトの使用は、それの細孔ネットワークの特徴（寸法等）およびそれの化学組成によって調整される。アルミノケイ酸塩ゼオライトは、ケイ素に対して各アルミニウム原子によって与えられた電荷不足の理由で、負に荷電された骨格を有し、それ故に、それは、容易に交換可能な補償カチオン（Ｎａ＋、Ｋ＋等）の存在を必要とする。この補償カチオンが部分的または全体的にアンモニウムカチオンＮＨ４ ＋と置換される場合、ゼオライトを焼成して、酸構造を得ることが可能である（ＮＨ４ ＋は、ＮＨ３の除去によってＨ＋に変換される）。このような材料には、酸触媒作用において適用が見出され、そこでは、それらの活性およびそれらの選択性は、酸部位の強度、それらの密度およびそれらの局在化に依存することになり、さらには、それらの利用可能性に依存することになる。
現今において用いられている主要なゼオライトの中に、ＦＡＵ構造型のゼオライトがあり、これらは、数多くの工業的方法において用いられており、例えば、重質石油フラクションの接触分解である。これらのゼオライトは、天然に存在する：フォージャサイトは、最初に、ドイツにおけるそれの発見の後に１８４２年において記載された（非特許文献２）が、最初に研究所において得られたのは、１世紀の後を超えるまでなかった。合成の状態において、２つの形態が区別される：ゼオライトＸ；Ｓｉ／Ａｌ構造比：１～１．５（R. M. Miltonの特許文献１，１９５９）およびゼオライトＹ；Ｓｉ／Ａｌ比：１．５超（D. W. Breckの特許文献２，１９６４）。
フォージャサイトの１９２ＴＯ４四面体（空間群Ｆｄ－３ｍ）を有する面心立方構造は、１９５８年において解決され（非特許文献３）、ソーダライトケージのアセンブリとして記載されてよく、これは、２４の四面体から構成され、逆心タイプの非対称にある６－６構築ユニット（「６員二重環」またはｄ６ｒ）を介して共に結合されている。フォージャサイトの格子パラメータａ０は、骨格Ｓｉ／Ａｌ比に応じて２４．２～２４．８Åの範囲にわたってよい（非特許文献４～６）。構造の内側において、四面体の配置は、最大径１１．６Åを有しかつ炭化水素の分解およびガスの吸着に適したナノリアクターとして作用するスーパーケージを起こす；さらに、フォージャサイトの細孔であって、１２ＴＯ４四面体について７．４Åの径を有するものは、細孔ネットワーク内の分子の良好な拡散を可能にする（非特許文献７）。
本発明の一つの目的は、ナノメートル寸法を有するＦＡＵ構造型のゼオライトＹを調製する方法を提供することにある。ナノメートルゼオライトは、それらの改善された拡散特性の理由で触媒作用において非常に興味深いものである：ミクロメートルゼオライトでは、結晶内拡散経路の長さにより、触媒性能品質が制限され（非特許文献８）、かつ、触媒が徐々に失活する（非特許文献９）ことになるのとは対照的に、ナノメートルゼオライトにより、活性および選択性における利得が示される（非特許文献１０～１１）。本発明により、結晶サイズが１００ｎｍ未満であるＦＡＵ構造型のゼオライトＹを得ることが可能となる。
本発明による調製方法の本質的な面は、このようなＦＡＵ構造型であると同時に１００ｎｍ未満の結晶サイズ、高いＡ／Ｂ比、好ましくはＳｉ／Ａｌ比：特には２超を有し、さらには、非常に良好な結晶化度を有するナノメートルゼオライトＹを得ることができるという面にあり、これに対して、従来技術の通常の方法では、高いＡ／Ｂ比、好ましくはＳｉ／Ａｌ比を有するゼオライトＹを得ることは可能とならない。
結晶化度は、本発明では、窒素吸着により決定される、ゼオライトのミクロ細孔容積：０．２５ｃｍ３／ｇ超、好ましくは０．２８ｃｍ３／ｇ超、非常に好ましくは０．３ｃｍ３／ｇ超によって定義される。
用語「ミクロ細孔（micropores）」は、開口が２ｎｍ未満である細孔を意味する。
ミクロ細孔容積は、窒素ポロシメトリによって測定される。ミクロ多孔性の定量分析は、「ｔ」法（Lippens-De Boer（１９６５）の方法）を用いて行われ、これは、非特許文献１２に記載された出発吸着等温線の変換に相当する。
米国特許第２８８２２４４号明細書 米国特許第３１３０００７号明細書
http://www.iza-structure.org/databases A. Damour著、「Annales des Mines 4」、１８４２年、ｐ３９５ G. Bergerhoff、W. H. Baur、W. Nowaki著、「Neues Jahrb. Mineral. Monatsh.」、１９５８年、第９巻、ｐ．１９３ D. W. Breck、E. M. Flanigen著、「Molecular Sieves」、Society of Chemical Industry、ロンドン、１９６８年、ｐ．４７ J. R. Sohn、S. J. DeCanio、J. H. Lunsford、D. J. O’Donnell著「Zeolites」１９８６年、第６巻、ｐ．２２５ H. Fichtner-Schmittler、U. Lohse、G. Engelhardt、V. Patzelova著、「Cryst. Res. Technol.」、１９８４年、第１９巻 C. Baerlocher、L. B. McCusker、D. H. Olson著「Atlas of Zeolite Framework Type」、第６改訂版、Elsevier、２００７年 Y. Tao、H. Kanoh、L. Abrams、K. Kaneko著、「Chem. Rev.」、２００６年、第１０６巻、ｐ．８９６ K. Na、M. Choi、R. Ryoo著、「Micro. Meso. Mater.」、２０１３年、第１６６巻、ｐ．３ D. Karami、S. Rohani著、「Petroleum Science and Technology」、２０１３年、第３１巻、ｐ．１６２５ Q. Cui、Y. Zhou、Q. Wei、X. Tao、G. Yu、Y. Wang、J. Yang著「Energy & Fuels」、２０１２年、第２６巻、ｐ．４６６４ F. Rouquerol、J. RouquerolおよびK. Sing著、「Adsorption by powders and porous solids. Principles, methodology and applications」Academic Press, 1999
（発明の概要）
本発明の一つの主題は、ＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹを調製する方法であって、このゼオライトは、１００ｎｍ未満の結晶サイズを有し、Ａ／Ｂ比、好ましくはＳｉ／Ａｌ比が２超、好ましくは２．３超、好ましくは２．５超、非常に好ましくは２．６超であり、前記方法は、少なくとも以下の工程：
ｉ） 水性媒体中で、ケイ素、ゲルマニウムおよびチタンから単独または混合物として選ばれる少なくとも１種の四価元素Ａの少なくとも１種の供給源ＡＯ２と、アルミニウム、ホウ素、鉄、インジウムおよびガリウムから単独または混合物として選ばれる少なくとも１種の三価元素Ｂの少なくとも１種の供給源ＢＯｂと、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウムおよびマグネシウムから単独または混合物として選ばれるアルカリ金属またはアルカリ土類金属Ｃの少なくとも１種の供給源Ｃ２／ｍＯとを混合して、ゲルを得る工程であって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属Ｃの前記供給源Ｃ２／ｍＯは、水酸化物イオンの少なくとも１種の供給源も含み、反応混合物は、以下のモル組成：
ｖＡＯ２：ｗＢＯｂ：ｘＣ２／ｍＯ：ｙＨ２Ｏ
式中、
－ ｖは、１～４０、好ましくは１～２０、非常に好ましくは１５～２０であり、
－ ｗは、０．１～５、好ましくは０．２～１．５であり、
－ ｘは、１～４０、好ましくは１～２０であり、
－ ｙは、３０～１０００、好ましくは１００～４００であり、
－ ｂは、１～３であり、ｂは、整数または有理数であり、
－ ｍは、１または２に等しい、
を有する、工程、
ｉｉ） 工程（ｉ）の終結の際に得られたゲルを、－１５℃～６０℃、好ましくは０℃～５０℃、非常に好ましくは２０℃～４０℃の温度で、撹拌を伴ってまたは伴わずに、１０時間～６０日、好ましくは１０時間～３０日、非常に好ましくは１日～３０日、一層より好ましくは１日～２０日の期間にわたって熟成させる工程、
ｉｉｉ） 最短１０時間かつ７２時間未満の熟成の後に、単回でまたは繰り返して、ケイ素、ゲルマニウムおよびチタンから単独または混合物として選ばれる少なくとも１種の四価元素Ａの少なくとも１種の供給源ＡＯ２を、前記ゲルに添加する工程であって、添加の終結の際のゲルのモル組成は、以下：
ｖＡＯ２：ｗＢＯｂ：ｘＣ２／ｍＯ：ｙＨ２Ｏ
式中、
－ ｖは、５～５０、好ましくは１０～３５、非常に好ましくは２０～３０であり、
－ ｗは、０．１～５、好ましくは０．２～１．５であり、
－ ｘは、１～４０、好ましくは１～２０であり、
－ ｙは、２００～１０００、好ましくは２００～５００であり、
－ ｂは、１～３であり、ｂは、整数または有理数であり、
－ ｍは、１または２に等しい、
の通りである、工程、
ｉｖ） 工程（ｉｉｉ）の終結の際に得られたゲルを、２０℃～２００℃、好ましくは４０℃～１４０℃、好ましくは５０℃～１００℃、非常に好ましくは６０℃～８０℃の温度で、自発反応圧力において、１時間～１４日、好ましくは６時間～７日、好ましくは１０時間～３日、非常に好ましくは１６時間～２４時間の期間にわたって水熱処理して、前記ＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹの結晶化を得る工程
を含む、方法である。
それ故に、本発明により、ケイ素、ゲルマニウムおよびチタンから単独または混合物として選ばれる四価元素Ａの供給源が加えられる熟成工程を行うことによって、ＦＡＵ構造型であると同時に１００ｎｍ未満のサイズの結晶およびＡ／Ｂ比、好ましくはＳｉ／Ａｌ比：２超を有するゼオライトＹを得ることが可能となる。
本発明による方法により、ＦＡＵ構造型のゼオライト結晶であって、Ａ／Ｂ比、好ましくはＳｉ／Ａｌ比：２超、サイズ１００ｎｍ未満を有し、かつ、それの結晶化度が従来技術に対して改善されているゼオライト結晶を得ることも可能となる。このことは、窒素吸着によって決定される、ゼオライトのミクロ細孔容積：０．２５ｃｍ３／ｇ超、好ましくは０．２８ｃｍ３／ｇ超、非常に好ましくは０．３ｃｍ３／ｇ超によって反映される。
（発明の説明）
本発明によると、少なくとも１種の四価元素Ａの少なくとも１種のＡＯ２供給源が、調製方法の工程（ｉ）に組み入れられる。本発明によると、Ａは、ケイ素、ゲルマニウムおよびチタン、およびこれらの四価元素の少なくとも２種の混合物から選ばれ、非常に好ましくは、Ａはケイ素である。前記四価元素（１種または複数種）Ａの供給源（１種または複数種）は、元素Ａを含み、かつ、この元素を、水溶液中に活性な形態で放出することのできるあらゆる化合物であってよい。元素Ａは、酸化された形態ＡＯ２または別の形態で混合物に組み入れられる。Ａがチタンである場合、Ｔｉ（ＥｔＯ）４がチタンの供給源として有利に用いられる。Ａがゲルマニウムである場合、無定形ＧｅＯ２がゲルマニウムの供給源として有利に用いられる。Ａがケイ素である好ましい場合、ケイ素の供給源は、ゼオライト合成のために一般的に用いられている前記供給源のいずれか１種であってよく、例えば、粉体状シリカ、ケイ酸、コロイドシリカ、溶解シリカまたはテトラエトキシシラン（tetraethoxysilane：ＴＥＯＳ）である。粉体状シリカの中で、沈殿シリカ、特に、アルカリ金属ケイ酸塩の溶液からの沈殿によって得られたもの、ヒュームドシリカ、例えば、Cab-O-Sil（登録商標）、およびシリカゲルの使用がなされてよい。種々の粒子サイズ、例えば、１０～１５ｎｍまたは４０～５０ｎｍの平均等価径を有するコロイドシリカが用いられてよく、例えば、登録ブランド名の下に販売されるもの、例えば、Ludox（登録商標）である。好ましくは、ケイ素の供給源は、Ludox（登録商標）である。
本発明によると、アルカリ金属またはアルカリ土類金属Ｃの少なくとも１種のＣ２／ｍＯ供給源は、調製方法の工程（ｉ）に組み入れられる。本発明によると、Ｃは、１種または複数種のアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属であり、好ましくは、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウムおよびマグネシウム、およびこれらの金属の少なくとも２種の混合物から選ばれ、非常に好ましくは、Ｃはナトリウムである。前記アルカリ金属またはアルカリ土類金属ＣのＣ２／ｍＯ供給源（１種または複数種）は、元素Ｃを含み、かつ、この元素を水溶液中に活性な形態で放出することのできるあらゆる化合物であってよい。
本発明によると、アルカリ金属またはアルカリ土類金属Ｃの前記Ｃ２／ｍＯ供給源は、水酸化物イオンの少なくとも１種の供給源を水溶液中に放出してもよい。
好ましくは、水酸化物イオンの少なくとも１種の供給源も含むアルカリ金属またはアルカリ土類金属ＣのＣ２／ｍＯ供給源は、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウムおよび水酸化マグネシウムから単独または混合物として選ばれる。
本発明によると、少なくとも１種の三価元素Ｂの少なくとも１種のＢＯｂ供給源は、調製方法の混合工程（ｉ）において加えられる。本発明によると、前記三価元素Ｂは、アルミニウム、ホウ素、鉄、インジウムおよびガリウム、またはこれらの三価元素の少なくとも２種の混合物から選ばれ、非常に優先的には、Ｂはアルミニウムである。前記三価元素（１種または複数種）Ｂの供給源（１種または複数種）は、元素Ｂを含み、かつ、この元素を水溶液中に活性な形態で放出することのできるあらゆる化合物であってよい。元素Ｂは、混合物中に、酸化された形態ＢＯｂ（１≦ｂ≦３；ｂは、整数または有理数である）または任意の他の形態で組み入れられてよい。Ｂがアルミニウムである好ましい場合、アルミニウムの供給源は、好ましくは、アルミン酸ナトリウムまたはアルミニウム塩、例えば、塩化物、硝酸塩、水酸化物または硫酸塩、アルミニウムアルコキシドまたはアルミナ自体、好ましくは水和されたまたは水和可能な形態にあるアルミナ、例えば、コロイドアルミナ、プソイドベーマイト、ガンマ－アルミナまたはアルファまたはベータのアルミナ三水和物である。上記の供給源の混合物の使用がなされてもよい。
本発明によると、種々の供給源が、混合工程（ｉ）に加えられ、その結果、反応混合物は、以下のモル組成：
ｖＡＯ２：ｗＢＯｂ：ｘＣ２／ｍＯ：ｙＨ２Ｏ
式中、
－ ｖは、１～４０、好ましくは１～２０、非常に好ましくは１５～２０であり、
－ ｗは、０．１～５、好ましくは０．２～１．５であり、
－ ｘは、１～４０、好ましくは１～２０であり、
－ ｙは、３０～１０００、好ましくは１００～４００であり、
－ ｂは、１～３であり、ｂは、整数または有理数であり、
－ ｍは、１または２に等しい、
を有し、ここで、Ａ、ＢおよびＣは、前記と同一の定義を有し、すなわち、Ａは、以下の元素：ケイ素、ゲルマニウムおよびチタンによって形成される群から選ばれる１種または複数種の四価元素であり、非常に好ましくは、Ａはケイ素であり、Ｂは、以下の元素：アルミニウム、鉄、ホウ素、インジウムおよびガリウムによって形成される群から選ばれる１種または複数種の三価元素であり、非常に好ましくは、Ｂはアルミニウムであり、Ｃは、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウムおよびマグネシウム、およびこれらの金属の少なくとも２種の混合物から選ばれる１種または複数種のアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属であり、非常に好ましくは、Ｃはナトリウムである。
好ましくは、前記混合工程（ｉ）は、有機構造化剤の非存在下に行われる。
本発明による方法の工程（ｉ）は、ゲルと呼ばれ、かつ、少なくとも１種の四価元素Ａの少なくとも１種のＡＯ２供給源と、少なくとも１種の三価元素Ｂの少なくとも１種のＢＯｂ供給源（Ｂは、好ましくはアルミニウムである）と、少なくとも１種のアルカリ金属またはアルカリ土類金属Ｃの少なくとも１種のＣ２／ｍＯ供給源（Ｃは、好ましくはナトリウムである）とを含有する水性反応混合物を調製することからなる。前記試薬の量は、このゲルに、ＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹとしてのそれの結晶化を可能にする組成を与えるように調節される。
ＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹ結晶の形成に必要とされる時間および／または全結晶化時間を短縮するために本発明の方法の前記工程（ｉ）の間に反応混合物に種を加えることが有利であってよい。前記種は、不純物を減じて前記ＦＡＵ構造型のゼオライトＹの形成も促進する。このような種は、結晶化固体を含み、好ましくは、ＦＡＵ構造型のゼオライトの結晶である。結晶種は、一般的には、反応混合物において用いられる元素Ａ、好ましくは酸化物ＡＯ２の供給源の質量の０．０１％～１０％の割合で加えられる。
本発明による方法の工程（ｉｉ）は、混合工程（ｉ）の終結の際に得られたゲルの熟成を行うことからなる。前記熟成工程は、撹拌を伴ってまたは伴わずに、静的な条件下に行われてよい。前記工程が撹拌を伴って行われる場合、それは、好ましくは、磁気的撹拌または機械的撹拌により行われ、撹拌速度は、０～１０００ｒｐｍである。前記熟成工程は、有利には、－１５℃～６０℃、好ましくは０℃～５０℃、非常に好ましくは２０℃～４０℃の温度で、１０時間～６０日、好ましくは１０時間～３０日、非常に好ましくは１日～３０日、一層より好ましくは１日～２０日の期間にわたって行われる。
本発明による方法の工程（ｉｉｉ）によると、最短１０時間かつ７２時間未満の熟成の後、好ましくは、最短１０時間かつ厳密に７２時間未満の熟成の後、好ましくは最短１２時間かつ４８時間未満の熟成の後、非常に好ましくは最短２４時間かつ４８時間未満の熟成の後に、ケイ素、ゲルマニウムおよびチタンから単独または混合物として選ばれる少なくとも１種の四価元素Ａの少なくとも１種のＡＯ２供給源が、混合工程（ｉ）の終結の際に得られたゲルに加えられる。
少なくとも前記ＡＯ２供給源の添加は、それ故に、熟成工程（ｉｉ）の間に、前記熟成工程における極めて特殊な瞬間において行われる。熟成は、それ故に、添加の後に、１０時間～６０日、好ましくは１０時間～３０日、非常に好ましくは１日～３０日、一層より好ましくは１日～２０日の期間にわたって継続する。
少なくとも１種の四価元素Ａの少なくとも１種のＡＯ２供給源の添加は、有利には、１回以上、同一のまたは異なる量で繰り返されてよい。前記繰り返された添加は、有利には、５分～１日、好ましくは６～１２時間の期間だけ離されてよい。Ａは、以前と同一の定義を有し、すなわち、Ａは、以下の元素：ケイ素、ゲルマニウム、チタンによって形成された群から選ばれる１種または複数種の四価元素であり、非常に好ましくは、Ａは、ケイ素である。四価元素（１種または複数種）Ａの供給源（１種または複数種）は、元素Ａを含み、かつ、この元素を水溶液中に活性な形態で放出することのできるあらゆる化合物であってよい。元素Ａは、酸化された形態ＡＯ２または他の形態で混合物に組み入れられてよい。
好ましくは、本発明による方法の熟成工程（ｉｉｉ）において加えられる四価元素Ａは、混合工程（ｉ）において加えられた四価元素Ａと同一であっても異なっていてもよく、好ましくは、同一である。
Ａがケイ素である好ましい場合、ケイ素の供給源は、ゼオライト合成のために一般的に用いられておりかつ混合工程（ｉ）において記載された前記供給源のいずれか一つであってよい。
好ましくは、ＡＯ２以外の反応混合物の構成元素の他の供給源は、本発明による方法の前記工程（ｉｉｉ）において加えられない。
工程（ｉｉｉ）による添加の終結の際に、ゲルのモル組成は以下：
ｖＡＯ２：ｗＢＯｂ：ｘＣ２／ｍＯ：ｙＨ２Ｏ
式中：
－ ｖは、５～５０、好ましくは１０～３５、非常に好ましくは２０～３０であり、
－ ｗは、０．１～５、好ましくは０．２～１．５であり、
－ ｘは、１～４０、好ましくは１～２０であり、
－ ｙは、２００～１０００、好ましくは２００～５００であり、
－ ｂは、１～３であり、ｂは、整数または有理数であり、
－ ｍは、１または２に等しい
の通りである。
本発明による方法の工程（ｉｖ）によると、少なくとも１種の四価元素Ａの添加の工程（ｉｉｉ）の終結の際に得られたゲルは、水熱処理に付され、これは、２０℃～２００℃、好ましくは４０℃～１４０℃、好ましくは５０℃～１００℃、非常に好ましくは６０℃～８０℃の温度で、自発反応圧力において、１時間～１４日、好ましくは６時間～７日、好ましくは１０時間～３日、非常に好ましくは１６時間～２４時間の期間にわたって行われ、これにより、前記ＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹの結晶化が得られる。ゲルは、有利には、水熱条件下、自発反応圧力で、場合によっては、ガス、例えば窒素を加えることによって置かれる。本発明による調製方法の工程（ｉｖ）は、静的条件下にまたは撹拌を伴って行われる。
反応の終わりに、本発明の調製方法の前記工程（ｉｖ）の実施の後に前記ＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹが形成される場合、ＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹから形成される固相は、有利には、ろ別され、洗浄され、かつ乾燥させられる。乾燥処理は、好ましくは、２０℃～１５０℃、好ましくは７０℃～１２０℃の温度で、５～２０時間にわたって行われる。乾燥済みのＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹは、一般に、ｘ線回折によって分析され、この技術により、本発明の方法を介して得られた前記ゼオライトの純度を決定することも可能となる。非常に有利には、本発明の方法は、任意の他の結晶性または無定形の相の非存在下に、高純度のＦＡＵ構造型ナノメートルゼオライトＹの形成につながる。工程（ｉｖ）の終結の際に得られ、場合によっては乾燥させられた前記ＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹは、粗製合成ゼオライトと称される。
乾燥工程の終結の際に、前記粗製合成ゼオライトは、場合によっては、少なくとも１回の焼成工程と、少なくとも１回のイオン交換工程とを経る。これらの工程のために、当業者に知られているあらゆる従来の方法が採用されてよい。
本発明の方法により得られた粗製合成ＦＡＵ構造型ナノメートルゼオライトＹの焼成は、好ましくは、５００～７００℃の温度で５～１５時間の期間にわたって行われる。
本発明による調製方法により、結晶サイズ：１００ｎｍ未満、好ましくは６０ｎｍ未満、好ましくは５０ｎｍ未満およびＡ／Ｂ比、好ましくはＳｉ／Ａｌ比：２超、好ましくは２．３超、好ましくは２．５超、非常に好ましくは２．６超であるゼオライトＹの製造が可能となる。得られたゼオライト結晶のサイズは、１枚または複数枚の透過型電子顕微鏡画像により測定される；それは、画像において観察される最大サイズである。
概して、本発明の方法を介して得られたＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹのカチオンＣ（１種または複数種）は、任意の１種または複数種の金属カチオン、特に、第ＩＡ族、第ＩＢ族、第ＩＩＡ族、第ＩＩＢ族、第ＩＩＩＡ族、第ＩＩＩＢ族（希土類金属を含む）、第ＶＩＩＩ族（貴金属を含む）のもの、さらには、鉛、スズおよびビズマスと、イオン交換工程を介して置換されてよい。前記イオン交換工程は、適切なカチオンを含有するあらゆる水溶性塩を用いて行われる。
本発明による調製方法を介して得られるＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹの水素型を得ることも有利である。前記水素型は、酸、特に、強鉱酸、例えば、塩酸、硫酸または硝酸、または、化合物、例えば、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウムによるイオン交換を行うことによって得られてよい。前記イオン交換工程は、有利には、前記ＦＡＵ構造型ナノメートルゼオライトＹを懸濁液中に１回または複数回イオン交換溶液と共に置くことによって行われてよい。前記ゼオライトは、イオン交換工程の前またはその後または２回のイオン交換工程の間に焼成されてよい。イオン交換工程（１回または複数回）の後の前記ゼオライトの焼成により、その酸型を得ることが可能となる。ナノメートルゼオライトの前記酸型は、有利には、触媒作用の適用のために用いられてよい。
前記材料の構造は、ｘ線回折法によって、回折角度ドメイン２θ＝５°～４０°±０．０２°において、反射配置（reflection geometry）で確認される。ｘ線の供給源は、対陰極であり、これは、電圧４０ｋＶおよび電流４０ｍＡで印加され、かつ、単色放射線Ｃｕ－Ｋα１（λ＝１．５４０６Å）を供給する。本発明による方法を介して得られた前記ＦＡＵ構造型ゼオライトＹは、有利には、下記のゼオライトｘ線回折図に相当する表において与えられるラインを少なくとも含むｘ線回折図を有する。
Figure 0007142005000001
ＶＳ＝非常に強い；Ｓ＝強い；ｍ＝中程度；ｍｗ＝中程度に弱い；ｗ＝弱い；ｖｗ＝非常に弱い。
相対強度Ｉ／Ｉ０は、１００の値がｘ線回折図中の最も強いラインに帰せられる相対強度スケールとして与えられる：ｖｗ＜１５；１５≦ｗ＜３０；３０≦ｍｗ＜５０；５０≦ｍ＜６５；６５≦Ｓ＜８５；ＶＳ≧８５。
本発明の方法を介して得られたゼオライトは、イオン交換の後に、触媒作用のための酸性固体として、すなわち、精製および石油化学の分野における触媒として用いられてよい。それは、公害防止のための吸着剤としてまたは分離のためのモレキュラーシーブスとして用いられてもよい。
例えば、触媒としてそれが用いられる場合、本発明の方法により調製されたゼオライトは、焼成され、交換され、好ましくは、酸型にあり、かつ、無機マトリクスと組み合わされてよい。この無機マトリクスは、不活性であるかまたは触媒的に活性であってよく、金属相を有している。無機マトリクスは、小さいゼオライト粒子を、触媒作用のために知られている種々の形態（押出物、ペレット、ビードまたは粉体）で一緒に維持するためのバインダとして単純に存在してよいか、または、さもなければあまりに速くに進行して、大幅なコーク形成の結果としての触媒の汚れにつながるだろう方法において転化度を課すための希釈剤として加えられてよい。典型的な無機マトリクスは、特に、触媒担体材料、例えば、シリカ、種々の形態のアルミナ、マグネシア、ジルコニア、チタン、ホウ素またはジルコニウムの酸化物、アルミニウムまたはチタンのリン酸塩、カオリン粘土、ベントナイト、モンモリロナイト、セピオライト、アタパルジャイト、フラー土、多孔質合成材料、例えば、ＳｉＯ２－Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２－ＺｒＯ２、ＳｉＯ２－ＴｈＯ２、ＳｉＯ２－ＢｅＯ、ＳｉＯ２－ＴｉＯ２、またはこれらの化合物の任意の組合せである。無機マトリクスは、種々の化合物の化合物、特に、不活性相と活性相の混合物であってよい。
本発明の方法により調製されたゼオライトは、少なくとも１種の他のゼオライトと組み合わされてもよく、かつ、主要な活性相または添加物として作用してよい。
金属相は、以下の元素：Ｃｕ、Ａｇ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｖ、Ｐ、Ｓｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒおよび元素周期律表の任意の他の元素から選ばれるカチオンまたは酸化物によるイオン交換または含浸によってゼオライトのみ、無機マトリクスのみ、または無機マトリクス－ゼオライトの組合せに導入される。
金属は、全て同じ方法で、または、異なる技術を介してかのいずれかで、調製中のあらゆる時に、成形する前または後に、あらゆる順序で導入されてよい。さらに、中間処理、例えば、焼成および／または還元が、種々の金属の沈着の間に適用されてよい。
本発明の方法により調製されたＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹを含む触媒組成物は、一般的に、主要な炭化水素変換方法および有機化合物、例えばエーテルの合成のための反応を行うのに適している。
当業者に知られているあらゆる成形方法が、ＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹを含む触媒に適している。例えば、ペレット化または押出の使用またはビーズへの成形の使用がなされてよい。本発明の方法により調製されかつ少なくとも部分的に酸型にあるゼオライトを含有する触媒の成形は、一般的に、触媒が好ましくはそれの使用の目的のために押出物またはビーズの形態にあるようになされる。
（図面の説明）
図１および２は、実施例１および２においてそれぞれ合成されたＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＸおよびＹの回折角度ドメイン２θ＝５°～４０°におけるｘ線回折図を示す。
図３は、本発明に合致する実施例３において合成されたＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹの回折角度ドメイン２θ＝３°～５０°におけるｘ線回折図を示す。
図４は、本発明に合致する実施例３において合成されたＦＡＵ構造型のゼオライトＹについての二原子窒素の吸着－脱着等温線を示す。
（実施例）
本発明は、後に続く実施例によって例証されるが、決して制限するものではない。
（実施例１：１．４に等しいＳｉ／Ａｌ比を有するＦＡＵ構造型ナノメートルゼオライトＸであって、ケイ素または任意の他の四価元素の供給源が熟成工程の間に加えられないという意味で、本発明に合致しない方法による、ものの調製）
元素ＳｉおよびＡｌを含有し、１．４に等しいＳｉ／Ａｌモル比を有するＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＸは、当業者に知られている調製方法により合成される。典型的には、アルミニウムの供給源（アルミン酸ナトリウム、Strem Chemicals、９９％）および鉱化剤（水酸化ナトリウム、Fluka、９９％）が、撹拌を伴って脱イオン水に溶解させられる。ケイ素の供給源（Ludox（登録商標） AS-40、４０％、Sigma-Aldrich）が、次いで、滴下により加えられ、反応混合物が得られ、そのモル組成は、１５．２ＳｉＯ２：１Ａｌ２Ｏ３：１７Ｎａ２Ｏ：３６０Ｈ２Ｏである。反応混合物は、１７日にわたって室温で激しい撹拌下に維持される。生成物は、次いで、ろ別され、洗浄され、その後に、１００℃で終夜オーブン乾燥させられる。ケイ素または任意の他の四価元素の供給源は、熟成工程の間に加えられない。
図１に示される材料のｘ線回折図は、ＦＡＵ構造型のゼオライトの立方晶系に割り出し可能である。ｘ線ディフラクトグラムの分析により、Fichtner-Schmittler式に従って１．４に等しいＳｉ／Ａｌモル比が与えられる。これらの特徴は、ＦＡＵ構造型のゼオライトＸに対応する。得られたゼオライト結晶のサイズは、８枚の透過型電子顕微鏡画像について測定されて、１５～５０ｎｍである。
熟成工程の間にケイ素または任意の他の四価元素の供給源を加えるあらゆる工程を含まない実施例１による方法は、それ故に、Ｓｉ／Ａｌ比＞２を有するゼオライトＹを得ることを可能にしないが、ゼオライトＸは、Ｓｉ／Ａｌ＝１．４を有している。
（実施例２：２．７に等しいＳｉ／Ａｌモル比を有するＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹであって、ケイ素の添加が、熟成７日後に行われるという意味で本発明に合致しない方法による、ものの調製）
ＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹであって、元素ＳｉおよびＡｌを含有し、２．７に等しいＳｉ／Ａｌモル比を有するものは、混合工程（ｉ）に関して実施例１に記載された調製方法により合成される。典型的には、アルミニウムの供給源（アルミン酸ナトリウム、Strem Chemicals、９９％）および鉱化剤（水酸化ナトリウム、Fluka、９９％）が、撹拌を伴って脱イオン水に溶解させられる。ケイ素の供給源（Ludox（登録商標）AS-40、４０％、Sigma-Aldrich）が、次いで、滴下により加えられ、これにより、反応混合物が得られ、そのモル組成は、１５．２ＳｉＯ２：１Ａｌ２Ｏ３：１７Ｎａ２Ｏ：３６０Ｈ２Ｏである。こうして形成されたゲルは、室温で激しい撹拌下に置かれる。７日の熟成の後、ケイ素の供給源（Ludox（登録商標） AS-40、４０％、Sigma-Aldrich）が滴下により加えられる。操作は、明くる日およびその後の日に繰り返される。ケイ素の供給源の３回の添加の後、こうして形成されたゲルは、以下の組成：２５ＳｉＯ２：１Ａｌ２Ｏ３：１８．４Ｎａ２Ｏ：４８０Ｈ２Ｏを有している。反応混合物は、室温でさらに４日にわたって激しい撹拌下に維持され、次いで、ポリプロピレンフラスコに移される。このフラスコは、６０℃で２４時間にわたって自発圧力でガスの付与なくオーブン中に置かれる。フラスコを室温に冷却した後、生成物は、ろ別され、洗浄され、次いで、オーブン中、１００℃で終夜乾燥させられる。
図２に示される材料のｘ線回折図は、ＦＡＵ構造型のゼオライトの立方晶系に割り出し可能である。ｘ線ディフラクトグラムの分析により、Fichtner-Schmittler式に従って２．７に等しいＳｉ／Ａｌモル比が与えられる。これらの特徴も、ＦＡＵ構造型のゼオライトＹに対応する。得られたゼオライト結晶のサイズは、８枚の透過型電子顕微鏡画像について測定されて、１５～５０ｎｍである。
しかしながら、実施例２により得られたゼオライトＹのミクロ細孔容積は、窒素吸着により決定されて、０．２４ｃｍ３／ｇに等しい。
（実施例３：２．４に等しいＳｉ／Ａｌモル比を有するＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹであって、ケイ素の供給源の添加が熟成の１日後に行われるという意味において本発明に合致する方法による、ものの調製）
ＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹであって、元素ＳｉおよびＡｌを含有し、２．４に等しいＳｉ／Ａｌモル比を有するものは、以下の調製方法により合成される。アルミニウムの供給源（アルミン酸ナトリウム、Sigma-Aldrich、５３％Ａｌ２Ｏ３、４３％Ｎａ２Ｏ、４％Ｈ２Ｏ）および鉱化剤（水酸化ナトリウム、Carlo Erba、９９％）が、撹拌を伴って脱イオン水に溶解させられる。ケイ素の供給源（Ludox（登録商標） AS-40、４０％、Sigma-Aldrich）が、次いで、滴下により加えられ、それにより、反応混合物が得られ、そのモル組成は、１５ＳｉＯ２：１Ａｌ２Ｏ３：１７Ｎａ２Ｏ：３６０Ｈ２Ｏである。こうして形成されたゲルは、室温で撹拌される。１日の熟成の後、ケイ素の供給源（Aerosil（登録商標） 130V、Evonik、＞９９．８％）が加えられる。ケイ素の供給源のこの添加の後に、こうして形成されたゲルは、以下の組成を有する：３６ＳｉＯ２：１Ａｌ２Ｏ３：１７Ｎａ２Ｏ：３６０Ｈ２Ｏ。反応混合物は、室温でさらなる６日にわたって撹拌を維持され、次いで、ポリプロピレンフラスコに移される。このフラスコは、オーブン中に７０℃で１６時間にわたって、自発圧力でガスを添加することなく置かれる。フラスコを室温に冷却した後、生成物は、遠心分離によって洗浄され、次いで、オーブン中１００℃で終夜乾燥させられる。
図１に示される材料のｘ線ディフラクトグラムは、ＦＡＵ構造型のゼオライトの立方晶系に割り出し可能である。ｘ線ディフラクトグラムの分析により、Breck-Flanigen式に従って２．４に等しいＳｉ／Ａｌモル比が与えられる。得られたゼオライト結晶の平均サイズは、全部で１００粒子について透過型電子顕微鏡法によって測定されて、約９０ｎｍである。
さらに、本発明に合致する実施例３により得られたゼオライトＹは、非常に良好な結晶化度を有する。具体的には、図２に示される二原子窒素の吸着－脱着等温線により、ゼオライトのミクロ細孔容積が０．３４ｃｍ３／ｇに等しいことを推論することが可能となる。
（実施例４：本発明に合致しない）
本発明に合致しない方法によると、実施例３において記載されたものと組成において同一のゲルは、ケイ素の供給源の添加の後に、第１の混合工程から調製される：３６ＳｉＯ２：１Ａｌ２Ｏ３：１７Ｎａ２Ｏ：３６０Ｈ２Ｏ。このゲルは、実施例３において調製されたゲルの全熟成期間に相当する７日にわたって室温で撹拌される。反応混合物は、次いで、ポリプロピレンフラスコに移される。このフラスコは、オーブン中に７０℃で１６時間にわたって自発圧力でガスの添加なしで置かれる。フラスコを室温に冷却した後、生成物は、遠心分離により洗浄され、次いで、オーブン中１００℃で終夜乾燥させられる。
得られた材料のｘ線ディフラクトグラムにより、７０℃での結晶化工程の終結の際に結晶生成物は形成されないことが示される。
この実施例に記載された調製方法は、それ故に、ＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトを得ることを可能にしない。
実施例１において合成されたＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＸの回折角度ドメイン２θ＝５°～４０°におけるｘ線回折図を示す。 実施例１２において合成されたＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹの回折角度ドメイン２θ＝５°～４０°におけるｘ線回折図を示す。 本発明に合致する実施例３において合成されたＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹの回折角度ドメイン２θ＝３°～５０°におけるｘ線回折図を示す。 本発明に合致する実施例３において合成されたＦＡＵ構造型のゼオライトＹについての二原子窒素の吸着－脱着等温線を示す。

Claims (14)

  1. １００ｎｍ未満の結晶サイズおよび２超のＡ／Ｂ比を有する、ＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹを調製する方法であって、少なくとも以下の工程：
    ｉ） 水性媒体中で、ケイ素、ゲルマニウムおよびチタンから単独または混合物として選ばれる少なくとも１種の四価元素Ａの少なくとも１種のＡＯ２供給源と、アルミニウム、ホウ素、鉄、インジウムおよびガリウムから単独または混合物として選ばれる少なくとも１種の三価元素Ｂの少なくとも１種のＢＯｂ供給源と、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウムおよびマグネシウムから単独または混合物として選ばれるアルカリ金属またはアルカリ土類金属Ｃの少なくとも１種のＣ２／ｍＯ供給源とを混合して、ゲルを得る工程であって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属Ｃの前記Ｃ２／ｍＯ供給源は、少なくとも１種の水酸化物イオンの供給源も含み、反応混合物は、以下のモル組成：
    ｖＡＯ２：ｗＢＯｂ：ｘＣ２／ｍＯ：ｙＨ２Ｏ
    式中、
    － ｖは、１～４０であり、
    － ｗは、０．１～５であり、
    － ｘは、１～４０であり、
    － ｙは、３０～１０００であり、
    － ｂは、１～３であり、ｂは、整数または有理数であり、
    － ｍは、１または２に等しい
    を有する、工程、
    ｉｉ） 工程（ｉ）の終結の際に得られたゲルを、－１５℃～６０℃の温度で、撹拌を伴ってまたは伴わずに、１～６０日の期間にわたって熟成させる工程、
    ｉｉｉ） 最短１０時間かつ７２時間未満の熟成の後に、ケイ素、ゲルマニウムおよびチタンから単独または混合物として選ばれる少なくとも１種の四価元素Ａの少なくとも１種のＡＯ２供給源を単一回でまたは繰り返して前記ゲルに添加する工程であって、添加の終結の際のゲルのモル組成は、
    ｖＡＯ２：ｗＢＯｂ：ｘＣ２／ｍＯ：ｙＨ２Ｏ
    式中、
    － ｖは、５～５０であり、
    － ｗは、０．１～５であり、
    － ｘは、１～４０であり、
    － ｙは、２００～１０００であり、
    － ｂは、１～３であり、ｂは、整数または有理数であり、
    － ｍは、１または２に等しい
    の通りである、工程、
    ここで、工程ｉｉ）の熟成は、工程ｉｉｉ）の添加の後、１０時間以上の期間にわたって継続し、
    ｉｖ） 工程（ｉｉ）の終結の際に得られたゲルを、２０℃～２００℃の温度、自発反応圧力で、１時間～１４日の期間にわたって水熱処理して、前記ＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹの結晶化を得る工程
    を含む、方法。
  2. Ａは、ケイ素である、請求項１に記載の方法。
  3. Ｂは、アルミニウムである、請求項１または２に記載の方法。
  4. Ｃは、ナトリウムである、請求項１～３のいずれか１つに記載の方法。
  5. 混合工程（ｉ）からの反応混合物は、以下のモル組成：
    ｖＡＯ２：ｗＢＯｂ：ｘＣ２／ｍＯ：ｙＨ２Ｏ
    式中、
    － ｖは、１５～２０であり、
    － ｗは、０．２～１．５であり、
    － ｘは、１～２０であり、
    － ｙは、１００～４００であり、
    － ｂは、１～３であり、ｂは、整数または有理数であり、
    － ｍは、１または２に等しい
    を有し、Ａ、ＢおよびＣは、上記と同一の定義を有する、請求項１～４のいずれか１つに記載の方法。
  6. ＦＡＵ構造型のゼオライトの結晶を含む種を混合工程（ｉ）の間に加える、請求項１～５のいずれか１つに記載の方法。
  7. 有機構造化剤の非存在下に前記混合工程（ｉ）を行う、請求項１～６のいずれか１つに記載の方法。
  8. 前記熟成工程（ｉｉ）を、２０～４０℃の温度で、１～３０日の期間にわたって行う、請求項１～７のいずれか１つに記載の方法。
  9. 本発明による方法の工程（ｉｉｉ）において加えられた四価元素Ａは、混合工程（ｉ）において加えられる四価元素Ａと同一であってもまたは異なってもよい、請求項１～８のいずれか１つに記載の方法。
  10. 前記工程（ｉｉｉ）における、少なくとも１種の四価元素Ａの少なくとも１種の供給源の単一回のまたは繰り返される添加を、最短１０時間かつ厳密に７２時間未満の後に行う、請求項１～９のいずれか１つに記載の方法。
  11. 少なくとも１種の四価元素Ａの少なくとも１種の供給源の単一回のまたは繰り返される添加を、最短１２時間かつ４８時間未満の後に行う、請求項１０に記載の方法。
  12. 工程（ｉｉｉ）における添加の終結の際のゲルのモル組成は、以下：
    ｖＡＯ２：ｗＢＯｂ：ｘＣ２／ｍＯ：ｙＨ２Ｏ
    式中、
    － ｖは、２０～３０であり、
    － ｗは、０．２～１．５であり、
    － ｘは、１～２０であり、
    － ｙは、２００～５００であり、
    － ｂは、１～３であり、ｂは、整数または有理数であり、
    － ｍは、１または２に等しい
    の通りであり、Ａ、ＢおよびＣは、上記と同一の定義を有する、請求項１～１１のいずれか１つに記載の方法。
  13. 工程（ｉｖ）の終結の際に形成されたＦＡＵ構造型のナノメートルゼオライトＹをろ別し、洗浄し、次いで、２０℃～１５０℃の温度で乾燥させる、請求項１～１２のいずれか１つに記載の方法。
  14. 乾燥工程の終結の際に得られた前記ゼオライトは、少なくとも１回の焼成工程と、少なくとも１回のイオン交換工程とを経る、請求項１３に記載の方法。
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