JP7185433B2 - Gas separation method - Google Patents
Gas separation method Download PDFInfo
- Publication number
- JP7185433B2 JP7185433B2 JP2018137717A JP2018137717A JP7185433B2 JP 7185433 B2 JP7185433 B2 JP 7185433B2 JP 2018137717 A JP2018137717 A JP 2018137717A JP 2018137717 A JP2018137717 A JP 2018137717A JP 7185433 B2 JP7185433 B2 JP 7185433B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- zeolite
- gas
- less
- adsorption
- peak
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
- Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
- Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
- Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
- Silicates, Zeolites, And Molecular Sieves (AREA)
Description
本発明は、ガス分離方法に関する。 The present invention relates to gas separation methods.
近年では、天然ガスのニーズの拡大やバイオマスの資源化など、メタンと二酸化炭素の分離に対するニーズが拡大している。さらに、炭酸ガスの排出削減に向け、発電所や鉄鋼業において、排気ガスからの二酸化炭素の分離、回収へのニーズも高まっており、二酸化炭素の分離技術開発が盛んに行われている。二酸化炭素の分離方法はいくつかあるが、その一つとして吸着剤を用いた分離方法がある。吸着剤を用いた分離方法には、ガスの吸着時の圧力より脱離時の圧力を下げ、高圧力時の吸着量と低圧力時の吸着量の差を利用してガスの分離を行う圧力スイング式吸着分離方法(PSA:Pressure Swing Adsorption)と、ガスの吸着時の温度より脱離時の温度を上げ、低温時の吸着量と高温時の吸着量の差を利用してガスの分離を行う温度スイング式吸着分離方法(TSA:Thermal Swing Adsorption)とがある。さらに、これらを組み合わせた圧力・温度スイング式吸着脱離法(PTSA:Pressure and Therml Swing Adsorption)がある。天然ガスの様な高圧のガスを分離精製する場合は、PSAでは吸着時に高圧で二酸化炭素を吸着、圧力を下げて吸着した二酸化炭素を脱離させ、分離回収することでエネルギー効率が高い回収方法となる。バイオマスや発電所などの排気ガスのように、常圧に近いガスの場合は、予めコンプレッサーで圧力を高めてから吸着剤に吸着させ、圧力を下げて二酸化炭素を脱離させてもよいし、吸着剤に吸着させてから真空ポンプで圧力を下げて、二酸化炭素を脱離させてもよい。これらのガス分離はTSAでも行うことが出来る。発電所や製鉄所など、利用できる熱源がある場合はそれを脱離に用いることが出来るため、吸着剤からの脱離、再生に係るコストの低減が図れる。ある温度で排気ガスと吸着剤を接触させ、その温度よりも高温にすれば吸着したガスが脱離して分離回収ができる。高温にする方法は吸着剤を入れた容器を外部から加熱してもよいし、容器の内部にヒーターや熱交換器を入れて加熱してもよいし、高温のガスを、吸着剤を入れた容器に流通させて加熱してもよい。高温に加熱したガスは、二酸化炭素を分離する場合は分離回収した二酸化炭素を加熱して流通させれば高純度の二酸化炭素を収集できる点で優れている。また、高温に加熱したガスに水蒸気を含有させた場合は、水は熱容量が大きいので加熱効率が高いことに加え、二酸化炭素が水に溶解するため、より高効率で二酸化炭素を吸着剤から脱離させることができるので優れている。吸着するときは、吸着エネルギーにより吸着剤が加熱されるため、吸着量の増加と共に吸着量が減る傾向にある。逆に、脱離の際は気化熱により吸着剤が冷却されるため、脱離が進むと脱離の効率が低下する。そこで、吸着剤を充填する容器を複数設置し、熱交換器等を導入することで吸着を行う容器と脱離を行う容器の吸着熱と気化熱を交換することで吸脱着に要するエネルギーの低減が図れる。熱交換器は容器を金属などの高熱伝導性の材料で接続してもよいし、容器の内部に熱媒を通した管を通してもよいし、燃焼排ガス処理装置等に見られる、高熱伝導性のローターに吸着剤充填層を複数設けて連続的に吸着と脱離をさせる、ローター式熱交換器を用いてもよい。
吸着剤として広く用いられるのは活性炭である。しかし、活性炭は吸着容量が少なく、二酸化炭素の選択吸着性も不十分である。近年は、ゼオライトの一種である、FAU型ゼオライトやFAU型ゼオライトをLi型にイオン交換した吸着剤が用いられている(特許文献1)。さらに、最近、極めて高い二酸化炭素選択吸着性を持つゼオライトとしてGIS型ゼオライト(特許文献2)とMWF型ゼオライト(特許文献3)が開示されている。
In recent years, the need for separation of methane and carbon dioxide has increased due to the expansion of the need for natural gas and the utilization of biomass as a resource. Furthermore, in order to reduce carbon dioxide emissions, there is an increasing need for separating and recovering carbon dioxide from exhaust gas in power plants and the steel industry, and the development of carbon dioxide separation technology is being actively carried out. There are several methods for separating carbon dioxide, one of which is a method using an adsorbent. In the separation method using an adsorbent, the pressure at the time of desorption is lowered from the pressure at which the gas is adsorbed, and the difference between the adsorption amount at high pressure and the adsorption amount at low pressure is used to separate the gas. A swing type adsorption separation method (PSA: Pressure Swing Adsorption) raises the temperature at the time of desorption from the temperature at the time of gas adsorption, and separates the gas using the difference between the adsorption amount at low temperature and the adsorption amount at high temperature. There is a temperature swing adsorption separation method (TSA: Thermal Swing Adsorption). Furthermore, there is a pressure and temperature swing type adsorption desorption method (PTSA: Pressure and Thermal Swing Adsorption) that combines these methods. When separating and refining a high-pressure gas such as natural gas, PSA adsorbs carbon dioxide at high pressure during adsorption, desorbs the adsorbed carbon dioxide by reducing the pressure, and separates and recovers it, resulting in a highly energy-efficient recovery method. becomes. In the case of gases close to normal pressure, such as biomass and exhaust gas from power plants, the pressure may be increased in advance with a compressor and then adsorbed on an adsorbent, and the pressure may be reduced to desorb carbon dioxide. After being adsorbed by an adsorbent, the pressure may be lowered with a vacuum pump to desorb carbon dioxide. These gas separations can also be performed with TSA. If there is an available heat source such as a power plant or ironworks, it can be used for desorption, so the cost for desorption and regeneration from the adsorbent can be reduced. Exhaust gas and adsorbent are brought into contact at a certain temperature, and if the temperature is raised above that temperature, the adsorbed gas is desorbed and can be separated and recovered. As for the method of increasing the temperature, the container containing the adsorbent may be heated from the outside, or a heater or heat exchanger may be placed inside the container to heat it. You may heat by making it distribute|circulate to a container. A gas heated to a high temperature is excellent in that, when carbon dioxide is separated, high-purity carbon dioxide can be collected by heating and circulating the separated and recovered carbon dioxide. In addition, when water vapor is added to the gas heated to a high temperature, the heating efficiency is high because water has a large heat capacity. It is excellent because it can be separated. Since the adsorbent is heated by adsorption energy during adsorption, the adsorption amount tends to decrease as the adsorption amount increases. Conversely, since the adsorbent is cooled by the heat of vaporization during desorption, the efficiency of desorption decreases as desorption progresses. Therefore, by installing multiple vessels filled with adsorbents and introducing heat exchangers, the energy required for adsorption and desorption can be reduced by exchanging the heat of adsorption and the heat of vaporization between the vessels performing adsorption and the vessels performing desorption. can be achieved. The heat exchanger may connect the container with a material with high thermal conductivity such as metal, or may have a pipe through which a heat medium passes through the interior of the container. A rotor-type heat exchanger may be used in which a rotor is provided with a plurality of adsorbent-filled layers for continuous adsorption and desorption.
Activated carbon is widely used as an adsorbent. However, activated carbon has a low adsorption capacity and insufficient selective adsorption of carbon dioxide. In recent years, FAU-type zeolite, which is a kind of zeolite, and adsorbents obtained by ion-exchanging FAU-type zeolite to Li-type have been used (Patent Document 1). Furthermore, GIS-type zeolite (Patent Document 2) and MWF-type zeolite (Patent Document 3) have recently been disclosed as zeolites having extremely high selective adsorption of carbon dioxide.
特許文献1に記載のLi交換型FAU型ゼオライトは、二酸化炭素の吸収量は多いものの、窒素やメタンとの吸着選択率が不十分であるため、ガス分離効率としては未だ改善の余地がある。また、特許文献2及び3によれば、GIS型ゼオライト及びMWF型ゼオライトを適切に合成し、XRDスペクトル強度比を適当に制御すれば、二酸化炭素を効率良く吸着分離できる。XRDスペクトルにおけるピークの半値幅は狭い方が好ましいことが示されており、結晶性は高い方が良いと考えられる。しかし、XRDスペクトルのピークの半値幅は結晶子サイズにも影響され、結晶子サイズが大きい程、半値幅は狭くなる。結晶子サイズが大きくなると、結晶が大きくなって表面積が減少したり、ガス分子が流通できるような粒界や結晶欠陥等も少なくなる。表面積や粒界、結晶欠陥が低減すると結晶の二酸化炭素以外の物質が吸着するサイトが低減するため、二酸化炭素の選択吸着性は向上すると考えられるが、PSA、TSA又はPTSAによる二酸化炭素の吸着分離を行う際には、二酸化炭素の吸着容量の低減や、吸脱着時にゼオライト格子の中を移動する必要がある距離が長くなり、吸着速度、脱離速度の低減につながる可能性がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、特定のガスを効率良く分離できるガス分離方法を提供することを目的とする。
Although the Li-exchanged FAU-type zeolite described in
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a gas separation method capable of efficiently separating a specific gas.
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、PSA、TSA又はPTSAによるガス分離方法において、GIS型ゼオライトあるいはMWF型ゼオライトのXRDスペクトルにおけるピークの半値幅が所定の範囲内にある場合に、当該課題を解決できることを見出し、さらに、K交換型GIS型ゼオライトでもXRDスペクトルにおけるピークの半値幅が所定の範囲内にある場合にも、同様に当該課題を解決できることを見出し、本発明をなすに至った。 The present inventors have made intensive studies to solve the above problems, and as a result, in the gas separation method by PSA, TSA or PTSA, the half width of the peak in the XRD spectrum of GIS type zeolite or MWF type zeolite is within a predetermined range. In some cases, we found that the problem can be solved, and furthermore, we found that the problem can be solved in the same way when the half width of the peak in the XRD spectrum is within a predetermined range even with K-exchanged GIS zeolite. I came up with the invention.
すなわち、本発明は以下のとおりである。
〔1〕
吸着剤を用いて、温度スイング式吸着ガス分離法、圧力スイング式吸着ガス分離法又は圧力・温度スイング式吸着脱離法によりガスの分離を行う方法であって、
前記吸着剤が、XRDスペクトルにおける2θ=12.4°付近のピークの半値幅が0.05°以上0.44°以下であるGIS型ゼオライト、XRDスペクトルにおける2θ=12.7°付近のピークの半値幅が0.08°以上0.55°以下であるK交換型GIS型ゼオライト、及びXRDスペクトルにおける2θ=11.1°付近のピークの半値幅が0.06°以上0.31°以下であるMWF型ゼオライトからなる群より選択される少なくとも1種を含む、ガス分離方法。
〔2〕
前記吸着剤が、前記GIS型ゼオライトを含み、当該GIS型ゼオライトが、X線回折により得られるピークにおいて、2θ=12.4及び21.6°付近のピーク高さをそれぞれA及びBとしたとき、1.37<A/Bを満たす、〔1〕に記載のガス分離方法。
〔3〕
前記吸着剤が、前記MWF型ゼオライトを含み、当該MWF型ゼオライトが、2θ=11.1及び13.8°付近のピーク高さをそれぞれA及びBとしたとき、0.61≦B/A≦0.83を満たす、〔1〕又は〔2〕に記載のガス分離方法。
〔4〕
炭化水素、メタン、窒素、一酸化炭素、水素、ヘリウム及びアルゴンからなる群より選択される少なくとも1種と二酸化炭素とを含む混合ガスから、前記二酸化炭素を分離する、〔1〕~〔3〕のいずれかに記載のガス分離方法。
That is, the present invention is as follows.
[1]
A method for separating gases by a temperature swing adsorption gas separation method, a pressure swing adsorption gas separation method, or a pressure/temperature swing adsorption desorption method using an adsorbent,
The adsorbent is a GIS-type zeolite in which the half width of the peak near 2θ = 12.4° in the XRD spectrum is 0.05 ° or more and 0.44 ° or less, and the peak near 2θ = 12.7 ° in the XRD spectrum K-exchanged GIS zeolite having a half-value width of 0.08° or more and 0.55° or less, and a half-value width of the peak near 2θ = 11.1° in the XRD spectrum of 0.06° or more and 0.31° or less A gas separation method comprising at least one selected from the group consisting of certain MWF-type zeolites.
[2]
When the adsorbent contains the GIS-type zeolite and the peak heights near 2θ = 12.4 and 21.6 ° in the peak obtained by X-ray diffraction of the GIS-type zeolite are A and B, respectively , 1.37<A/B, the gas separation method according to [1].
[3]
The adsorbent contains the MWF-type zeolite, and the MWF-type zeolite is 0.61 ≤ B / A ≤ when the peak heights near 2θ = 11.1 and 13.8 ° are A and B, respectively. The gas separation method according to [1] or [2], which satisfies 0.83.
[4]
Separating carbon dioxide from a mixed gas containing carbon dioxide and at least one selected from the group consisting of hydrocarbons, methane, nitrogen, carbon monoxide, hydrogen, helium and argon, [1] to [3] Gas separation method according to any one of.
本発明によれば、特定のガスを効率良く分離できるガス分離方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the gas separation method which can isolate|separate a specific gas efficiently can be provided.
以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明する。本発明は、以下の記載に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施できる。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form (henceforth "this embodiment") for implementing this invention is demonstrated in detail. The present invention is not limited to the following description, and various modifications can be made within the scope of the gist thereof.
本実施形態のガス分離方法は、吸着剤を用いて、温度スイング式吸着ガス分離法、圧力スイング式吸着ガス分離法又は圧力・温度スイング式吸着脱離法によりガスの分離を行う方法であって、前記吸着剤が、XRDスペクトルにおける2θ=12.4°のピークの半値幅が0.05°以上0.44°以下であるGIS型ゼオライト、XRDスペクトルにおける2θ=12.7°のピークの半値幅が0.08°以上0.55°以下であるK交換型GIS型ゼオライト、及びXRDスペクトルにおける2θ=11.1°のピークの半値幅が0.06°以上0.31°以下であるMWF型ゼオライトからなる群より選択される少なくとも1種を含む。本実施形態のガス分離方法は、上記のように構成されているため、特定のガスを効率良く分離できる。
以下、本実施形態において吸着剤として機能するGIS型ゼオライト、K交換型GIS型ゼオライト及びMWF型ゼオライトを各々詳細に説明する。なお、本明細書において、これらのゼオライトを総称して「本実施形態のゼオライト」と記載する場合がある。
The gas separation method of the present embodiment uses an adsorbent to separate gases by a temperature swing adsorption gas separation method, a pressure swing adsorption gas separation method, or a pressure/temperature swing adsorption desorption method. , the adsorbent is a GIS-type zeolite in which the half width of the peak at 2θ = 12.4° in the XRD spectrum is 0.05 ° or more and 0.44 ° or less, half of the peak at 2θ = 12.7 ° in the XRD spectrum K-exchanged GIS zeolite with a value width of 0.08° or more and 0.55° or less, and MWF whose half width of the peak at 2θ = 11.1° in the XRD spectrum is 0.06° or more and 0.31° or less At least one selected from the group consisting of type zeolites. Since the gas separation method of this embodiment is configured as described above, it is possible to efficiently separate a specific gas.
The GIS-type zeolite, K-exchanged GIS-type zeolite, and MWF-type zeolite that function as adsorbents in this embodiment will be described in detail below. In this specification, these zeolites may be collectively referred to as "the zeolite of the present embodiment".
<GIS型ゼオライト>
(XRDピーク半値幅)
本実施形態におけるGIS型ゼオライトの25℃におけるX線回折ピークのうち、2θ=12.4°付近のピークは(1 0 1)の回折ピークであり、典型的には12.15°~12.75°の範囲に観測される。X線回折により得られるピーク半値幅は、その回折が発生する結晶格子面の結晶性及び結晶子サイズを示しており、狭い方が結晶性は高いことから好ましい。一方で半値幅が狭いと結晶子サイズは大きくなり、結晶の大きさは大きくなり、粒界や結晶欠陥等、ガス分子の吸着サイトやガス分子が拡散しやすい細孔が減少したり、結晶の表面積が減少するため、ガス分子の吸着サイトの量や、ガス吸着、脱着における速度という観点では半値幅はある程度広い方が好ましい。したがって、本実施形態におけるGIS型ゼオライトの2θ=12.4付近のピーク半値幅の範囲は、0.05°以上0.44°以下であり、好ましくは、0.06°以上0.43°以下であり、より好ましくは、0.07°以上0.42°以下である。このようなピーク半値幅を有することにより示唆されるGIS型ゼオライトの構造によれば、CH4などのCO2以外の分子を結晶格子内に透過することなく、吸着量が少なくなり、CO2の吸着サイトの欠損も無くなることでこれらの吸着量を最大限にしつつ、適度な表面積とガス分子の拡散経路を確保することができるため、CO2の選択吸着性を最大にすることができると発明者は推定している。
なお、上記ピーク半値幅の値は、いずれも、混合ゲルの組成比、混合ゲルの熟成時間、水熱合成時の条件(加熱温度や加熱時間)等を後述する好ましい範囲に調整する方法等により、上記範囲に調整することができる。
<GIS type zeolite>
(XRD peak half width)
Among the X-ray diffraction peaks at 25° C. of the GIS-type zeolite in the present embodiment, the peak near 2θ=12.4° is the (1 0 1) diffraction peak, typically from 12.15° to 12.4°. Observed in the range of 75°. The peak half-value width obtained by X-ray diffraction indicates the crystallinity and crystallite size of the crystal lattice plane where the diffraction occurs, and the narrower the peak, the higher the crystallinity. On the other hand, if the half-value width is narrow, the crystallite size becomes larger, the size of the crystal becomes larger, the adsorption sites of gas molecules such as grain boundaries and crystal defects, and the pores through which gas molecules can easily diffuse are reduced. Since the surface area is reduced, the half width is preferably wide to some extent from the viewpoint of the amount of adsorption sites for gas molecules and the rate of gas adsorption and desorption. Therefore, the range of the peak half width near 2θ = 12.4 of the GIS-type zeolite in the present embodiment is 0.05° or more and 0.44° or less, preferably 0.06° or more and 0.43° or less. and more preferably 0.07° or more and 0.42° or less. According to the structure of GIS-type zeolite, which is suggested by having such a peak half-width, molecules other than CO 2 such as CH 4 do not permeate the crystal lattice, the amount of adsorption is reduced, and the amount of CO 2 is reduced. By eliminating the lack of adsorption sites, the amount of these adsorptions can be maximized, and an appropriate surface area and diffusion path for gas molecules can be secured, so the selective adsorption of CO 2 can be maximized. presumed by
The half-value width of the peak is determined by a method of adjusting the composition ratio of the mixed gel, the aging time of the mixed gel, the conditions during hydrothermal synthesis (heating temperature and heating time), etc. to the preferable range described later. , can be adjusted to the above range.
(X線回折ピーク強度比)
本実施形態におけるGIS型ゼオライトは、X線回折により得られるピークにおいて、2θ=12.4°及び21.6°付近のピーク高さをそれぞれA及びBとしたとき、1.37<A/Bを満たすことが好ましい。2θ=12.4°付近のピークは、典型的には12.15°~12.75°の範囲に観測され、2θ=21.6°付近のピークは、典型的には2θ=20.1°~24.1°の範囲に観測される。
本実施形態におけるGIS型ゼオライトの25℃におけるX線回折ピークのうち、2θ=12.4°及び21.6°付近のピークはそれぞれ、(1 0 1)及び(2 1 1)の回折ピークである。(1 0 1)の回折ピークはGIS型ゼオライトの酸素8員環の周期構造を反映する回折であり、(2 1 1)の回折ピークはより微細な構造を反映する回折である。(1 0 1)及び(2 1 1)の回折ピークの高さをそれぞれA、Bとした場合、A/Bが大きい場合はより大きな周期構造、すなわち8員環構造を含む構造が明瞭であることを示している。ゼオライトに含まれるカチオンは移動できることが知られており、8員環構造を含む大きな周期構造に欠損が無く、明瞭に形成されていることでカチオンの移動度が高まり、二酸化炭素が細孔内に侵入してきた場合に妨げとならず移動することによって二酸化炭素の吸着能が発現すると考えられる。この観点から、A/Bは1.37より大きいことが好ましく、1.40より大きいことがより好ましく、1.50以上がさらに好ましい。
なお、上記A/Bの値及び半値幅は、後述する実施例に記載の方法により測定することができ、いずれも、混合ゲルの組成比、混合ゲルの熟成時間、水熱合成時の条件(加熱温度や加熱時間)等を後述する好ましい範囲に調整する方法等により、上記範囲に調整することができる。
(X-ray diffraction peak intensity ratio)
In the GIS-type zeolite of the present embodiment, in the peak obtained by X-ray diffraction, when the peak heights near 2θ = 12.4 ° and 21.6 ° are A and B, respectively, 1.37 < A / B is preferably satisfied. A peak near 2θ = 12.4° is typically observed in the range of 12.15° to 12.75°, and a peak near 2θ = 21.6° is typically observed at 2θ = 20.1°. ° to 24.1°.
Among the X-ray diffraction peaks at 25° C. of the GIS-type zeolite in the present embodiment, the peaks near 2θ=12.4° and 21.6° are the (1 0 1) and (2 1 1) diffraction peaks, respectively. be. The (1 0 1) diffraction peak is diffraction reflecting the periodic structure of the eight-membered oxygen ring of the GIS-type zeolite, and the (2 1 1) diffraction peak is diffraction reflecting a finer structure. When the heights of the diffraction peaks of (1 0 1) and (2 1 1) are A and B, respectively, when A/B is large, a larger periodic structure, that is, a structure containing an 8-membered ring structure is clear. It is shown that. It is known that the cations contained in zeolite can move, and the large periodic structure including the 8-membered ring structure has no defects and is clearly formed, which increases the mobility of cations and allows carbon dioxide to enter the pores. It is thought that the ability to adsorb carbon dioxide develops by moving without hindrance when it invades. From this point of view, A/B is preferably greater than 1.37, more preferably greater than 1.40, and still more preferably 1.50 or more.
The above A/B value and half value width can be measured by the method described in Examples below, and all of them are determined by the composition ratio of the mixed gel, the aging time of the mixed gel, and the conditions during hydrothermal synthesis ( The above range can be adjusted by a method for adjusting the heating temperature, heating time, etc., within a preferable range described later.
(合成方法)
本実施形態におけるGIS型ゼオライトの製造方法は、例えば、珪素を含むシリカ源、アルミニウムを含むアルミ源、アルカリ金属(M1)及びアルカリ土類金属(M2)から選ばれる少なくとも1種を含むアルカリ金属源、リンを含むリン源、及び水を含有する混合ゲルの調製工程を含むものとすることができる。以下、混合ゲル及びこれに含まれる各成分について説明する。
(Synthesis method)
The method for producing a GIS-type zeolite in the present embodiment includes, for example, a silica source containing silicon, an aluminum source containing aluminum, an alkali metal source containing at least one selected from alkali metals (M1) and alkaline earth metals (M2). , a phosphorus source containing phosphorus, and a step of preparing a mixed gel containing water. The mixed gel and each component contained therein will be described below.
〔混合ゲル〕
本実施形態における混合ゲルとは、シリカ源、アルミ源、アルカリ金属源、及び水を成分として含み、必要に応じてリン源、有機構造規定剤を含む混合物のことである。
シリカ源とは、該混合ゲルから製造されたゼオライトに含まれる珪素の原料となる該混合ゲル中の成分をいい、アルミ源とは、該混合ゲルから製造されたゼオライトに含まれるアルミニウムの原料となる該混合ゲル中の成分をいい、アルカリ金属源とは、該混合ゲルから製造されたゼオライトに含まれるアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属の原料となる該混合ゲル中の成分をいい、リン源とは、該混合ゲルから製造されたゼオライトに含まれるリンの原料となる該混合ゲル中の成分をいう。
[Mixed gel]
The mixed gel in the present embodiment is a mixture containing a silica source, an aluminum source, an alkali metal source and water as components, and optionally a phosphorus source and an organic structure directing agent.
The silica source means a component in the mixed gel that serves as a raw material for silicon contained in the zeolite produced from the mixed gel, and the aluminum source means a raw material for aluminum contained in the zeolite produced from the mixed gel. An alkali metal source refers to a component in the mixed gel that serves as a raw material for the alkali metal and/or alkaline earth metal contained in the zeolite produced from the mixed gel, and phosphorus A source refers to a component in the mixed gel that is a source of phosphorus contained in the zeolite produced from the mixed gel.
〔シリカ源〕
シリカ源としては、一般的に使用されるものであれば特に限定されないが、具体例としては、ケイ酸ナトリウム、無定形シリカ、コロイダルシリカ、湿式法シリカ、乾式法シリカ、シリカゲル、無定形アルミノシリケートゲル、テトラエトキシシラン(TEOS)、トリメチルエトキシシラン等が挙げられる。これらの化合物は、単独で使用しても、複数を組み合わせて使用してもよい。ここで、無定形アルミノシリケートゲルは、シリカ源であるとともにアルミ源となる。
これらの中でも、結晶化度の高いゼオライトが得られる傾向にあることから、ケイ酸ナトリウムであることが好ましい。
[Silica source]
The silica source is not particularly limited as long as it is commonly used, but specific examples include sodium silicate, amorphous silica, colloidal silica, wet silica, dry silica, silica gel, and amorphous aluminosilicate. gel, tetraethoxysilane (TEOS), trimethylethoxysilane, and the like. These compounds may be used singly or in combination. Here, the amorphous aluminosilicate gel serves as both a silica source and an aluminum source.
Among these, sodium silicate is preferred because it tends to yield a zeolite with a high degree of crystallinity.
〔アルミ源〕
アルミ源としては、一般的に使用されるものであれば特に限定されないが、具体例としては、アルミン酸ナトリウム、硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、塩化アルミニウム、アルミニウムアルコキシド、金属アルミニウム、無定形アルミノシリケートゲル等が挙げられる。これらの化合物は、単独で使用しても、複数を組み合わせて使用してもよい。
これらの中でも、結晶化度の高いゼオライトが得られる傾向にあることから、アルミン酸ナトリウム、硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、塩化アルミニウム、アルミニウムアルコキシドであることが好ましい。同様の観点からアルミン酸ナトリウム、水酸化アルミニウムであることがより好ましく、アルミン酸ナトリウムであることがさらに好ましい。
[Aluminum source]
The aluminum source is not particularly limited as long as it is commonly used, but specific examples include sodium aluminate, aluminum sulfate, aluminum nitrate, aluminum acetate, aluminum hydroxide, aluminum oxide, aluminum chloride, and aluminum alkoxide. , metallic aluminum, amorphous aluminosilicate gel, and the like. These compounds may be used singly or in combination.
Among these, sodium aluminate, aluminum sulfate, aluminum nitrate, aluminum acetate, aluminum hydroxide, aluminum chloride, and aluminum alkoxide are preferred because they tend to yield zeolite with a high degree of crystallinity. From the same point of view, sodium aluminate and aluminum hydroxide are more preferred, and sodium aluminate is even more preferred.
〔アルカリ金属源〕
アルカリ金属源におけるアルカリの種類は特に限定されず、任意のアルカリ金属、及び/又は任意のアルカリ土類金属化合物を使用することができる。
アルカリ金属源は、以下に限定されないが、例えば、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物、炭酸水素塩、炭酸塩、酢酸塩、硫酸塩、硝酸塩などが挙げられる。これらの化合物は、単独でも、複数を組み合わせて使用してもよい。
アルカリ金属源として用いるアルカリ金属及びアルカリ土類金属は、通常Li、Na、K、Rb、Cs、Ca、Mg、Sr、Ba等を用いることができる。GIS型骨格の結晶形成がより容易となる観点から、Na、Kであることが好ましく、Naであることがより好ましい。また、アルカリ金属源として用いるアルカリ金属及びアルカリ土類金属は単独でも、複数を組み合わせて使用してもよい。
具体的には、アルカリ金属源としては、以下に限定されないが、例えば、水酸化ナトリウム、酢酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、水酸化カリウム、酢酸カリウム、硫酸カリウム、硝酸カリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、水酸化リチウム、酢酸リチウム、硫酸リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム、炭酸水素リチウム、水酸化ルビジウム、酢酸ルビジウム、硫酸ルビジウム、硝酸ルビジウム、炭酸ルビジウム、炭酸水素ルビジウム、水酸化セシウム、酢酸セシウム、硫酸セシウム、硝酸セシウム、炭酸セシウム、炭酸水素セシウム、水酸化カルシウム、酢酸カルシウム、硫酸カルシウム、硝酸カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸水素カルシウム、水酸化マグネシウム、酢酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、硝酸マグネシウム、炭酸マグネシウム、炭酸水素マグネシウム、水酸化ストロンチウム、酢酸ストロンチウム、硫酸ストロンチウム、硝酸ストロンチウム、炭酸ストロンチウム、炭酸水素ストロンチウム、水酸化バリウム、酢酸バリウム、硫酸バリウム、硝酸バリウム、炭酸バリウム、炭酸水素バリウム等が挙げられる。
これらの中でも、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウムが好ましく、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウムがより好ましく、水酸化ナトリウムがさらに好ましい。
[Alkali metal source]
The type of alkali in the alkali metal source is not particularly limited, and any alkali metal and/or any alkaline earth metal compound can be used.
Alkali metal sources include, but are not limited to, alkali metal or alkaline earth metal hydroxides, bicarbonates, carbonates, acetates, sulfates, nitrates, and the like. These compounds may be used alone or in combination.
Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Mg, Sr, Ba and the like can be used as alkali metals and alkaline earth metals used as alkali metal sources. Na and K are preferred, and Na is more preferred, from the viewpoint of facilitating crystal formation of the GIS-type skeleton. Also, the alkali metals and alkaline earth metals used as the alkali metal source may be used singly or in combination.
Specifically, examples of alkali metal sources include, but are not limited to, sodium hydroxide, sodium acetate, sodium sulfate, sodium nitrate, sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydroxide, potassium acetate, potassium sulfate, potassium nitrate. , potassium carbonate, potassium hydrogen carbonate, lithium hydroxide, lithium acetate, lithium sulfate, lithium nitrate, lithium carbonate, lithium hydrogen carbonate, rubidium hydroxide, rubidium acetate, rubidium sulfate, rubidium nitrate, rubidium carbonate, rubidium hydrogen carbonate, hydroxide Cesium, cesium acetate, cesium sulfate, cesium nitrate, cesium carbonate, cesium hydrogen carbonate, calcium hydroxide, calcium acetate, calcium sulfate, calcium nitrate, calcium carbonate, calcium hydrogen carbonate, magnesium hydroxide, magnesium acetate, magnesium sulfate, magnesium nitrate , magnesium carbonate, magnesium hydrogen carbonate, strontium hydroxide, strontium acetate, strontium sulfate, strontium nitrate, strontium carbonate, strontium hydrogen carbonate, barium hydroxide, barium acetate, barium sulfate, barium nitrate, barium carbonate, barium hydrogen carbonate, etc. be done.
Among these, sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, rubidium hydroxide, cesium hydroxide, calcium hydroxide, magnesium hydroxide, strontium hydroxide and barium hydroxide are preferred, and sodium hydroxide, potassium hydroxide, Lithium hydroxide, rubidium hydroxide and cesium hydroxide are more preferred, and sodium hydroxide is even more preferred.
〔リン源〕
リン源としては、一般的に使用されるものであれば特に限定されないが、具体例としては、リン酸水溶液、リン酸ナトリウム、リン酸アルミニウム、リン酸カリウム、リン酸リチウム、リン酸カルシウム、リン酸バリウム等が挙げられる。これらの化合物は、単独で使用しても、複数を組み合わせて使用してもよい。
これらの中でも、結晶化度の高いゼオライトが得られる傾向にあることから、リン酸水溶液、リン酸ナトリウム、リン酸アルミニウムであることが好ましい。同様の観点からリン酸水溶液、リン酸ナトリウムであることがより好ましく、リン酸水溶液であることがさらに好ましい。
[Phosphorus source]
The phosphorus source is not particularly limited as long as it is commonly used, but specific examples include phosphoric acid aqueous solution, sodium phosphate, aluminum phosphate, potassium phosphate, lithium phosphate, calcium phosphate, and barium phosphate. etc. These compounds may be used singly or in combination.
Among these, phosphoric acid aqueous solution, sodium phosphate, and aluminum phosphate are preferred because they tend to yield zeolite with a high degree of crystallinity. From the same point of view, an aqueous phosphoric acid solution and sodium phosphate are more preferred, and an aqueous phosphoric acid solution is even more preferred.
〔有機構造規定剤〕
混合ゲルを水熱合成することによってゼオライトを製造する場合の有機構造規定剤は、ゼオライト構造への結晶化を促進する作用をする化合物である。ゼオライトの結晶化においては、必要に応じて有機構造規定剤を用いることができる。
有機構造規定剤は、所望のGIS型ゼオライトを形成しうるものであれば種類は問わず、如何なるものであってもよい。また、有機構造規定剤は単独でも、複数を組み合わせて使用してもよい。
有機構造規定剤としては、以下に限定されないが、例えば、アミン類、4級アンモニウム塩類、アルコール類、エーテル類、アミド類、アルキル尿素類、アルキルチオ尿素類、シアノアルカン類、ヘテロ原子として窒素を含む脂環式複素環化合物類を用いることができ、好ましくはアルキルアミン類、より好ましくはイソプロピルアミンを用いる。
このような塩は、アニオンを伴うものがある。このようなアニオンを代表するものには、以下に限定されないが、例えば、Cl-、Br-、I-などのハロゲンイオンや水酸化物イオン、酢酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、炭酸イオン及び炭酸水素イオンが含まれる。これらの中で、GIS型骨格の結晶形成がより容易となる観点からハロゲンイオン、水酸化物イオンであることが好ましく、ハロゲンイオンであることがより好ましい。
[Organic Structure Directing Agent]
The organic structure-directing agent in producing zeolite by hydrothermally synthesizing a mixed gel is a compound that promotes crystallization into a zeolite structure. In crystallization of zeolite, an organic structure-directing agent can be used as necessary.
The organic structure-directing agent may be of any type as long as it can form a desired GIS-type zeolite. Also, the organic structure-directing agents may be used singly or in combination.
Examples of organic structure-directing agents include, but are not limited to, amines, quaternary ammonium salts, alcohols, ethers, amides, alkylureas, alkylthioureas, cyanoalkanes, containing nitrogen as a heteroatom. Alicyclic heterocyclic compounds can be used, preferably alkylamines, more preferably isopropylamine.
Some such salts are associated with an anion. Representatives of such anions include, but are not limited to, halogen ions such as Cl − , Br − , I − , hydroxide ions, acetate ions, sulphate ions, nitrate ions, carbonate ions and carbonate ions. Contains hydrogen ions. Among these, halogen ions and hydroxide ions are preferred, and halogen ions are more preferred, from the viewpoint of facilitating the formation of crystals of the GIS type skeleton.
〔混合ゲルの組成比〕
混合ゲル中のシリカ源とアルミ源の比は、それぞれの元素の酸化物のモル比、すなわちSiO2/Al2O3として表す。
このSiO2/Al2O3は、ゼオライトが形成可能な比であれば特に限定されないが、GIS型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制できる傾向にあることから、4.0以上70.0以下が好ましく、4.2以上68.0以下がより好ましく、5.0以上60.0以下であることがさらに好ましく、5.3以上58.0以下であることがよりさらに好ましく、6.0以上50.0以下であることが一層好ましく、6.5以上49.0以下であることがより一層好ましい。
混合ゲル中のアルミ源とアルカリ金属源の比は、Al2O3に対するM12OとM2Oの加算モル比、すなわち(M12O+M2O)/Al2O3として表す(ここで、M1はアルカリ金属を示し、M2はアルカリ土類金属を示す)。なお、この(M12O+M2O)/Al2O3は、GIS型骨格の結晶形成がより容易となる観点から、1.3以上であることが好ましく、1.4以上であることがより好ましく、1.5以上であることがさらに好ましく、1.6以上であることがよりさらに好ましく、1.7以上であることが一層好ましく、1.8以上であることがより一層好ましい。
(M12O+M2O)/Al2O3は、GIS型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制できる観点から2.0以上80.0以下であることが好ましく、2.2以上78.0以下であることがより好ましく、2.5以上70.0以下がさらに好ましく、2.7以上68.0以下がよりさらに好ましく、3.0以上60.0以下であることが一層好ましく、3.3以上56.0以下であることがより一層好ましい。
混合ゲル中のリン源とアルミ源の比は、それぞれの元素の酸化物のモル比、すなわちP2O5/Al2O3として表す。
このP2O5O2/Al2O3は、ゼオライトが形成可能な比であれば特に限定されないが、GIS型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制できる傾向にあることから、1.0未満が好ましく、0.6以下であることがより好ましく、0.4以下であることがさらに好ましく、0であることがとりわけ好ましい。
混合ゲル中に有機構造規定剤を含む場合は、混合ゲル中のアルミ源と有機構造規定剤の比は、Al2O3に対する有機構造規定剤のモル比、すなわちR/Al2O3として表す(ここでRは有機構造規定剤を示す)。GIS型骨格の結晶形成がより容易となる、及び/又は合成時間が短くなり、ゼオライトを製造する際の経済性に優れる点から、10.0未満であることが好ましく、8.0以下がより好ましく、6.0以下であることがさらに好ましい。
混合ゲル中のアルミ源と水の比は、Al2O3に対する水のモル比、すなわちH2O/Al2O3として表す。混合ゲル中の成分がより均一に分散される傾向にあることから、100以上であることが好ましく、200以上であることがより好ましい。GIS型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制でき、結晶性の高いGIS型ゼオライトを生成できる観点から、300以上であることがさらに好ましい。
H2O/Al2O3が高いと結晶性は向上するが、結晶成長の核の発生数が少なくなり、結晶子サイズは大きくなると同時に、粒子径も大きくなる傾向にある。さらに成長中の結晶同士が接触して一体化することも少なくなるため、結晶子の数が少なく粒界や結晶欠陥の少ない単結晶に近い高結晶性GISの成長が可能となる。高い結晶性はGISの8員環構造を明瞭に形成するため、二酸化炭素の選択性の向上のために重要であるが、実際に吸着剤としてPSAやTSAに用いる場合は粒子径が小さく表面積が多く、二酸化炭素の吸着サイトが多数存在することで吸着容量を増やすことと、結晶子の粒界や欠陥など、ガスの拡散の速い経路が存在することで吸脱着速度が速いことも重要である。したがって、結晶性が高すぎると吸着剤としての性能は低下してしまうため、H2O/Al2O3は高すぎると好ましくない。さらに、H2O/Al2O3が低い方が合成時間が短くなり、ゼオライトを製造する際の経済性に優れる。以上の観点から、1500未満であることが好ましく、1400以下であることがより好ましく、さらに1300以下であることがさらに好ましい。
以上のとおり、本実施形態におけるGIS型ゼオライトの製造方法は、珪素を含むシリカ源と、アルミニウムを含むアルミ源と、アルカリ金属(M1)及びアルカリ土類金属(M2)から選ばれる少なくとも1種を含むアルカリ金属源と、リン源と、水と、を含有する混合ゲルの調製工程を含み、前記混合ゲルにおける各成分のモル比を、前記珪素、アルミニウム、アルカリ金属(M1)及びアルカリ土類金属(M2)、リン源については各元素の酸化物として算出するとき、下記式(1)、(2)、(3)及び(4)で表されるモル比α、β、γ、δが、4.0≦α≦70.0、2.0≦β≦80.0、0≦γ<1.0及び100≦δ≦3000を満たすことが好ましく、4.2≦α≦68.0、2.2≦β≦78.0、0≦γ<1.0及び100≦δ≦1500を満たすことが好ましい。本実施形態におけるGIS型ゼオライトは、上述した本実施形態におけるGIS型ゼオライトの製造方法により得られるものであることが特に好ましい。
α=SiO2/Al2O3 (1)
β=(M12O+M2O)/Al2O3 (2)
γ=P2O5/Al2O3 (3)
δ=H2O/Al2O3 (4)
さらに、本実施形態におけるGIS型ゼオライトの製造方法において、モル比α、β、γ、δが上記範囲を満たし、かつ、混合ゲルが、さらに有機構造規定剤Rを含む場合、下記式(5)で表されるモル比εが、ε<10を満たすことが好ましい。
ε=R/Al2O3 (5)
必ずしも混合ゲル中に種結晶を存在させる必要は無いが、予め製造したGIS型ゼオライトを種結晶として混合ゲルに添加して、本実施形態におけるGIS型ゼオライトを得ることもできる。
[Composition ratio of mixed gel]
The ratio of silica source and aluminum source in the mixed gel is expressed as the molar ratio of the oxides of the respective elements, ie SiO2 / Al2O3 .
The ratio of SiO 2 /Al 2 O 3 is not particularly limited as long as it can form zeolite. 0 or less is preferable, 4.2 or more and 68.0 or less is more preferable, 5.0 or more and 60.0 or less is still more preferable, and 5.3 or more and 58.0 or less is even more preferable. It is more preferably 0 or more and 50.0 or less, and even more preferably 6.5 or more and 49.0 or less.
The ratio of the aluminum source and the alkali metal source in the mixed gel is expressed as the additive molar ratio of M12O and M2O to Al2O3, that is, (M12O + M2O ) / Al2O3 (where M1 is an alkali metal and M2 represents an alkaline earth metal). From the viewpoint of facilitating crystal formation of the GIS-type skeleton, this (M1 2 O+M2O)/Al 2 O 3 ratio is preferably 1.3 or more, more preferably 1.4 or more. It is more preferably 1.5 or more, even more preferably 1.6 or more, still more preferably 1.7 or more, and even more preferably 1.8 or more.
(M1 2 O+M2O)/Al 2 O 3 is preferably 2.0 or more and 80.0 or less, more preferably 2.2 or more and 78.0 or less, from the viewpoint of suppressing the formation of zeolite having a skeleton different from the GIS type skeleton. more preferably 2.5 or more and 70.0 or less, even more preferably 2.7 or more and 68.0 or less, even more preferably 3.0 or more and 60.0 or less, 3.3 It is even more preferable that it is not less than 56.0 and not more than 56.0.
The ratio of the phosphorus source and the aluminum source in the mixed gel is expressed as the molar ratio of the oxides of the respective elements, ie P2O5 / Al2O3 .
The ratio of P 2 O 5 O 2 /Al 2 O 3 is not particularly limited as long as the ratio is such that zeolite can be formed. It is preferably less than 0, more preferably 0.6 or less, even more preferably 0.4 or less, and particularly preferably 0.
When the mixed gel contains an organic structure directing agent, the ratio of the aluminum source to the organic structure directing agent in the mixed gel is expressed as the molar ratio of organic structure directing agent to Al2O3 , i.e., R/ Al2O3 . (where R represents an organic structure directing agent). It is preferably less than 10.0, more preferably 8.0 or less, from the viewpoint of easier crystal formation of the GIS-type skeleton and/or shorter synthesis time and excellent economic efficiency in producing zeolite. It is preferably 6.0 or less, more preferably 6.0 or less.
The ratio of aluminum source to water in the mixed gel is expressed as the molar ratio of water to Al2O3 , H2O / Al2O3 . It is preferably 100 or more, more preferably 200 or more, because the components in the mixed gel tend to be more uniformly dispersed. From the viewpoint of suppressing the formation of zeolite having a skeleton different from the GIS-type skeleton and producing a GIS-type zeolite with high crystallinity, it is more preferably 300 or more.
When the H 2 O/Al 2 O 3 ratio is high, the crystallinity is improved, but the number of nuclei generated for crystal growth is reduced, and the crystallite size tends to increase and the particle size also tends to increase. Furthermore, since the crystals during growth are less likely to come into contact with each other and be integrated, it is possible to grow a highly crystalline GIS with a small number of crystallites and few grain boundaries and crystal defects. High crystallinity clearly forms the 8-membered ring structure of GIS, which is important for improving carbon dioxide selectivity. It is also important to increase the adsorption capacity due to the presence of many carbon dioxide adsorption sites, and to increase the adsorption and desorption rate due to the presence of fast gas diffusion paths such as grain boundaries and defects in crystallites. . Therefore, if the crystallinity is too high, the performance as an adsorbent is lowered, so if the H 2 O/Al 2 O 3 ratio is too high, it is not preferable. Furthermore, the lower the H 2 O/Al 2 O 3 ratio, the shorter the synthesis time and the more economical the production of zeolite. From the above viewpoints, it is preferably less than 1500, more preferably 1400 or less, and even more preferably 1300 or less.
As described above, in the method for producing a GIS-type zeolite in the present embodiment, a silica source containing silicon, an aluminum source containing aluminum, and at least one selected from alkali metals (M1) and alkaline earth metals (M2) are used. a step of preparing a mixed gel containing an alkali metal source, a phosphorus source, and water, wherein the molar ratio of each component in the mixed gel is adjusted to the silicon, aluminum, alkali metal (M1) and alkaline earth metal (M2), when calculating the phosphorus source as an oxide of each element, the molar ratios α, β, γ, δ represented by the following formulas (1), (2), (3) and (4) are 4.0 ≤ α ≤ 70.0, 2.0 ≤ β ≤ 80.0, 0 ≤ γ < 1.0 and 100 ≤ δ ≤ 3000 are preferably satisfied, 4.2 ≤ α ≤ 68.0, 2 .2≤β≤78.0, 0≤γ<1.0 and 100≤δ≤1500 are preferably satisfied. It is particularly preferable that the GIS-type zeolite in this embodiment is obtained by the method for producing a GIS-type zeolite in this embodiment described above.
α=SiO 2 /Al 2 O 3 (1)
β=(M1 2 O+M2O)/Al 2 O 3 (2)
γ=P 2 O 5 /Al 2 O 3 (3)
δ=H 2 O/Al 2 O 3 (4)
Furthermore, in the method for producing a GIS-type zeolite according to the present embodiment, when the molar ratios α, β, γ, and δ satisfy the above ranges and the mixed gel further contains an organic structure directing agent R, the following formula (5) The molar ratio ε represented by preferably satisfies ε<10.
ε=R/Al 2 O 3 (5)
Although seed crystals do not necessarily exist in the mixed gel, the GIS-type zeolite of the present embodiment can be obtained by adding previously produced GIS-type zeolite as seed crystals to the mixed gel.
〔混合ゲルの調製工程〕
混合ゲルの調製工程は、特に限定されないが、例えば、シリカ源、アルミ源、アルカリ金属源、水、及び必要に応じて有機構造規定剤を一時にあるいは多段階で混合する混合工程と、この混合工程で得られた混合物の熟成工程とを含んでもよい。
混合工程は、シリカ源、アルミ源、アルカリ金属源、水、及び必要に応じて有機構造規定剤を含むこれら成分を一時にあるいは多段階で混合することができる。
多段階で混合する際の順序は限定されず、用いる条件により適宜選択すればよい。多段階で混合する際には、撹拌あるいは無撹拌のどちらで行ってもよい。
撹拌する際には、一般的に使用される撹拌方法であれば特に限定されないが、具体例としては、翼撹拌、振動撹拌、揺動撹拌、遠心式撹拌などを用いる方法が挙げられる。
撹拌の回転速度は一般的に用いられる撹拌速度であれば特に限定されないが、例えば、1rpm以上2000rpm未満であることが挙げられる。
混合工程の温度は一般的に用いられる温度であれば特に限定されないが、例えば、-20℃以上80℃未満が挙げられる。
混合工程の時間は、特に限定されず、混合工程の温度により適宜選択することができるが、例えば、0分を超え、1000時間以下が挙げられる。
熟成工程は静置あるいは撹拌のどちらで行ってもよい。
熟成工程で撹拌する際には、一般的に使用される撹拌方法であれば特に限定されないが、具体例としては、翼撹拌、振動撹拌、揺動撹拌、遠心式撹拌などを用いる方法が挙げられる。
撹拌の回転速度は一般的に用いられる撹拌速度であれば特に限定されないが、例えば、1rpm以上2000rpm未満であることが挙げられる。
熟成工程の温度は一般的に用いられる温度であれば特に限定されないが、例えば、-20℃以上80℃未満が挙げられる。
熟成工程の時間は、特に限定されず、熟成工程の温度により適宜選択することができるが、例えば、0分を超え、1000時間以下が挙げられる。
ゼオライトは原料の混合工程、熟成工程において、原料の溶解とゼオライト前駆体の生成及び再溶解が起きていると考えられる。8員環を含む大きな周期構造が欠陥等を生じずに形成するためには、ゼオライト前駆体の形成が過度に進んでいない方が好ましい。また、ゼオライトの前駆体の形成が過度に進んだ場合、より安定な構造であるANA型ゼオライトの生成が増加する傾向にあることからも過度に熟成しないことが好ましい。一方で原料は十分に混合し、原料ゲルが均一な状態が好ましい。これらの観点から、混合工程と熟成工程を合わせた時間は1分以上24時間未満が好ましく、1分以上23時間未満がより好ましく、2分以上12時間以下がさらに好ましく、2分以上10時間以下がよりさらに好ましく、3分以上2時間以下が一層好ましく、3分以上1.5時間以下がより一層好ましい。
[Preparation process of mixed gel]
The process for preparing the mixed gel is not particularly limited. and aging the mixture obtained in the step.
In the mixing step, these components including a silica source, an aluminum source, an alkali metal source, water, and, if necessary, an organic structure-directing agent can be mixed at once or in multiple stages.
The order of mixing in multiple stages is not limited, and may be appropriately selected depending on the conditions used. Mixing in multiple stages may be carried out with or without stirring.
The stirring is not particularly limited as long as it is a generally used stirring method, but specific examples include methods using blade stirring, vibration stirring, rocking stirring, centrifugal stirring, and the like.
The rotation speed for stirring is not particularly limited as long as it is a generally used stirring speed, and is, for example, 1 rpm or more and less than 2000 rpm.
The temperature of the mixing step is not particularly limited as long as it is a temperature that is generally used, but for example, -20°C or higher and lower than 80°C can be mentioned.
The time of the mixing step is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the temperature of the mixing step.
The aging step may be carried out either by standing still or by stirring.
When stirring in the aging step, there is no particular limitation as long as it is a generally used stirring method, but specific examples include methods using blade stirring, vibration stirring, rocking stirring, centrifugal stirring, and the like. .
The rotation speed for stirring is not particularly limited as long as it is a generally used stirring speed, and is, for example, 1 rpm or more and less than 2000 rpm.
The temperature of the aging step is not particularly limited as long as it is a commonly used temperature, and for example, -20°C or higher and lower than 80°C.
The time for the aging process is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the temperature of the aging process.
It is considered that the zeolite is dissolved in the raw material and the zeolite precursor is formed and re-dissolved in the raw material mixing process and the aging process. In order to form a large periodic structure containing an 8-membered ring without causing defects or the like, it is preferable that the formation of the zeolite precursor does not proceed excessively. In addition, when the formation of the zeolite precursor proceeds excessively, the formation of ANA-type zeolite, which has a more stable structure, tends to increase, so it is preferable not to ripen excessively. On the other hand, it is preferable that the raw materials are sufficiently mixed and the raw material gel is uniform. From these points of view, the combined time of the mixing step and the aging step is preferably 1 minute or more and less than 24 hours, more preferably 1 minute or more and less than 23 hours, still more preferably 2 minutes or more and 12 hours or less, and 2 minutes or more and 10 hours or less. , more preferably 3 minutes or more and 2 hours or less, and even more preferably 3 minutes or more and 1.5 hours or less.
〔水熱合成工程〕
本実施形態におけるGIS型ゼオライトの製造方法において、水熱合成温度が80℃~145℃である水熱合成工程をさらに含むことが好ましく、当該水熱合成温度は80℃~140℃であることがより好ましい。すなわち、好ましくは、調製工程により得た混合ゲルを所定の温度で、所定の時間、撹拌又は静置状態で保持することにより水熱合成する。
水熱合成の温度は、一般的に用いられる温度であれば特に限定されないが、合成時間が短くなり、ゼオライト製造する際の経済性に優れる点から、80℃以上であることが好ましい。GIS型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制できる観点から、90℃以上であることがより好ましく、100℃以上であることがさらに好ましい。
GIS型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制できる観点から、145℃以下であることがより好ましく、140℃以下であることがさらに好ましく、135℃以下であることがさらに好ましい。
水熱合成の温度は一定でもよいし、段階的に変化させてもよい。
水熱合成の時間は一般的に用いられる時間であれば特に限定されず、水熱合成の温度により適宜選択することができる。
水熱合成の時間は、GIS骨格が形成される点から、3時間以上であることが好ましく、10時間以上であることがより好ましい。高結晶性のGIS型ゼオライトが得られる観点から、さらに好ましくは24時間以上である。
ゼオライトの粒子径を大きく成長させ過ぎず、ゼオライト製造する際の経済性に優れる点から、水熱合成の時間は10日未満であることが好ましく、9日以下であることがより好ましく、8日以下であることがさらに好ましい。
水熱合成工程において、混合ゲルを入れる容器は一般的に用いられる容器であれば特に限定されないが、所定の温度において容器内の圧力が高まる場合、又は、結晶化を阻害しない気体加圧下とする場合には、耐圧容器に入れ、水熱合成することが好ましい。
耐圧容器は、特に限定されず、例えば、球形状、縦長状、横長状等の各種の形状を用いることができる。
耐圧容器内の混合ゲルを撹拌する際には、耐圧容器を上下方向に及び/又は左右方向に回転させるが、好ましくは上下方向に回転させる。
耐圧容器を上下方向に回転させる場合、その回転速度は一般的に用いられる範囲であれば特に限定されないが、1~50rpmが好ましく、10~40rpmであることがより好ましい。
水熱合成工程において、混合ゲルを好ましく撹拌するには、耐圧容器として縦長のものを用い、これを上下方向に回転させる方法が挙げられる。
[Hydrothermal synthesis step]
The method for producing a GIS-type zeolite in the present embodiment preferably further includes a hydrothermal synthesis step in which the hydrothermal synthesis temperature is 80°C to 145°C, and the hydrothermal synthesis temperature is 80°C to 140°C. more preferred. That is, preferably, the mixed gel obtained in the preparation step is hydrothermally synthesized by holding the mixed gel at a predetermined temperature for a predetermined time while stirring or standing still.
The temperature for hydrothermal synthesis is not particularly limited as long as it is a temperature generally used, but it is preferably 80° C. or higher from the viewpoint of shortening the synthesis time and improving the economic efficiency of zeolite production. From the viewpoint of suppressing the formation of zeolite having a skeleton different from the GIS-type skeleton, the temperature is more preferably 90° C. or higher, and even more preferably 100° C. or higher.
From the viewpoint of suppressing the formation of zeolite having a skeleton different from the GIS-type skeleton, the temperature is more preferably 145° C. or lower, even more preferably 140° C. or lower, and even more preferably 135° C. or lower.
The temperature for hydrothermal synthesis may be constant or may be changed stepwise.
The hydrothermal synthesis time is not particularly limited as long as it is a generally used time, and can be appropriately selected depending on the hydrothermal synthesis temperature.
The hydrothermal synthesis time is preferably 3 hours or longer, more preferably 10 hours or longer, from the viewpoint of formation of the GIS skeleton. From the viewpoint of obtaining highly crystalline GIS-type zeolite, the time is more preferably 24 hours or longer.
The hydrothermal synthesis time is preferably less than 10 days, more preferably 9 days or less, more preferably 8 days, in order to prevent the zeolite particle size from growing too large and to be economical when producing zeolite. More preferably:
In the hydrothermal synthesis step, the container in which the mixed gel is placed is not particularly limited as long as it is a commonly used container. In that case, it is preferable to put it in a pressure vessel and perform hydrothermal synthesis.
The pressure-resistant container is not particularly limited, and various shapes such as a spherical shape, a vertically long shape, and a horizontally long shape can be used.
When stirring the mixed gel in the pressure container, the pressure container is rotated vertically and/or horizontally, preferably vertically.
When rotating the pressure container in the vertical direction, the rotation speed is not particularly limited as long as it is within the range generally used, but is preferably 1 to 50 rpm, more preferably 10 to 40 rpm.
In the hydrothermal synthesis step, in order to preferably stir the mixed gel, there is a method of using a vertically long pressure vessel and rotating it vertically.
〔分離・乾燥工程〕
水熱合成工程後、生成物である固体と水を含む液体とを分離するが、その分離方法は一般的な方法であれば特に限定されず、濾過、デカンテーション、噴霧乾燥法(回転噴霧、ノズル噴霧及び超音波噴霧など)、回転蒸発器を用いた乾燥法、真空乾燥法、凍結乾燥法、又は自然乾燥法等を用いることができ、通常は濾過又はデカンテーションにより分離することができる。
分離されたものはそのまま用いても、水、又は所定の溶剤で洗浄しても構わない。必要に応じ、分離されたものを乾燥することができる。
分離されたものを乾燥する温度は、一般的な乾燥する温度であれば特に限定されないが、通常、室温から150℃以下である。
乾燥する際の雰囲気は、一般的に用いられる雰囲気であれば特に限定されないが、通常、空気雰囲気、窒素、アルゴンなどの不活性ガスや酸素を付加した雰囲気が用いられる。
[Separation/drying process]
After the hydrothermal synthesis step, the product solid and liquid containing water are separated, but the separation method is not particularly limited as long as it is a general method, and filtration, decantation, spray drying (rotary spray, Nozzle spraying, ultrasonic spraying, etc.), a drying method using a rotary evaporator, a vacuum drying method, a freeze-drying method, a natural drying method, or the like can be used, and the separation can be usually performed by filtration or decantation.
The separated material may be used as it is or washed with water or a predetermined solvent. If desired, the separated material can be dried.
The temperature for drying the separated material is not particularly limited as long as it is a common drying temperature, but it is usually from room temperature to 150°C or less.
The atmosphere for drying is not particularly limited as long as it is a generally used atmosphere, but an air atmosphere, an inert gas such as nitrogen or argon, or an oxygen-added atmosphere is usually used.
〔焼成工程〕
必要に応じて、GIS型ゼオライトを焼成して用いることができる。焼成する温度は、一般的に用いられる温度であれば特に限定されないが、有機構造規定剤を除去したい場合、その残っている割合を少なくできることから、300℃以上であることが好ましく、350℃以上であることがより好ましい。焼成の時間が短くなり、ゼオライトを製造する際の経済性に優れる点から、400℃以上であることがさらに好ましい。
ゼオライトの結晶性が保持される傾向にあることから、550℃未満であることが好ましく、530℃以下であることがより好ましく、500℃以下であることがさらに好ましい。
焼成する時間は、有機構造規定剤が十分除去される時間であれば特に限定されず、焼成の温度により適宜選択することができるが、有機構造規定剤が残っている割合を少なくできる傾向にあることから、0.5時間以上であることが好ましく、1時間以上であることがより好ましく、3時間以上であることがさらに好ましい。
ゼオライトの結晶性が保持される傾向にあることから、20日以下であることが好ましく、10日以下であることがより好ましく、7日以下であることがさらに好ましい。
焼成の雰囲気は、一般的に用いられる雰囲気であれば特に限定されないが、通常、空気雰囲気、窒素、アルゴンなどの不活性ガスや酸素を付加した雰囲気が用いられる。
[Baking process]
If necessary, calcined GIS type zeolite can be used. The firing temperature is not particularly limited as long as it is a temperature generally used, but when the organic structure directing agent is to be removed, the remaining ratio can be reduced, so it is preferably 300° C. or higher, and 350° C. or higher. is more preferable. A temperature of 400° C. or higher is more preferable from the viewpoint of shortening the calcination time and being excellent in economic efficiency in producing zeolite.
Since the crystallinity of zeolite tends to be maintained, the temperature is preferably less than 550°C, more preferably 530°C or less, and even more preferably 500°C or less.
The calcination time is not particularly limited as long as the organic structure-directing agent is sufficiently removed, and can be appropriately selected depending on the calcination temperature. Therefore, the time is preferably 0.5 hours or longer, more preferably 1 hour or longer, and even more preferably 3 hours or longer.
Since the crystallinity of zeolite tends to be maintained, the time is preferably 20 days or less, more preferably 10 days or less, and even more preferably 7 days or less.
The firing atmosphere is not particularly limited as long as it is a generally used atmosphere, but an air atmosphere, an atmosphere containing an inert gas such as nitrogen or argon, or an oxygen-added atmosphere is usually used.
<K型GIS型ゼオライト>
(X線回折ピーク)
一般的なGIS型ゼオライトは、ICDD(International Centre for Diffraction Data)などに記載(例えば00-039-0219)があるように、X線回折により得られるスペクトルにおいて、2θ=12.45°及び33.36°付近にそれぞれの(1 0 1)及び(3 1 2)の回折ピークを持つ。
一方、本実施形態におけるGIS型ゼオライトは、X線回折により得られるスペクトルにおいて、(1 0 1)の回折ピークが2θ=12.55°~12.90°の範囲に観測される。また、本実施形態におけるGIS型ゼオライトは、X線回折により得られるスペクトルにおいて、(3 1 2)の回折ピークが33.70°~34.25°の範囲に観測されることが好ましい。
(1 0 1)の回折ピークはGIS型ゼオライトの8員環構造の周囲にある構造のdcc構造の周期構造を反映する回折である。本実施形態におけるGIS型ゼオライトにおける(1 0 1)の回折ピークは高角度側にシフトしており、周期構造としては短くなっていると考えられ、一般的には格子定数が小さくなった場合等に見られる現象である。周期構造が短くなれば、細孔径も小さくなり二酸化炭素が細孔内により入れなくなり吸着量が減ることが予想される。ところが、本実施形態におけるGIS型ゼオライトは適切な範囲に(1 0 1)の回折ピークが観測される結晶となるように調整することで二酸化炭素吸着量を増加させることができる。なお、一般的なGIS型ゼオライトの8員環構造は歪んでおり、長軸が4.5Å、短軸が3.1Åの楕円形をしており、平均分子径が3.3Åである二酸化炭素分子が細孔へ容易に侵入できない。しかし、最適に結晶を合成、調整することで歪みが緩和され、細孔が円形に近づくことで二酸化炭素の細孔への侵入を容易にさせ、吸着量が増大すると考えられる。その最適な歪み緩和状態が(1 0 1)の周期構造が僅かに短くなった状態であり、その時のX線回折ピークが2θ=12.55°~12.90°となる。上記と同様の観点から、(1 0 1)の回折ピークの2θの値は2θ=12.58°~12.85°であることが好ましく、より好ましくは2θ=12.60°~12.80°である。他の回折ピークについても同様に最適なピーク位置があると考えられるが、ピークシフトが顕著であり、他のピークとの重なりが無く明瞭に判別できる観点から(1 0 1)の回折ピークの他、(3 1 2)の回折ピークでも最適な構造であるか判別が可能である。(3 1 2)の回折ピークの2θの値は33.70°~34.25°であり、より好しくは2θ=33.85°~34.22°であり、さらに好ましくは2θ=34.00°~34.20°である。
K交換型GIS型ゼオライトにおいても、GIS型ゼオライトと同じく、X線回折により得られるピーク半値幅は、その回折が発生する結晶格子面の結晶性及び結晶子サイズを示しており、狭い方が結晶性は高いことから好ましい。一方で半値幅が狭いと結晶子サイズは大きくなり、結晶の大きさは大きくなり、粒界や結晶欠陥等、ガス分子の吸着サイトやガス分子が拡散しやすい細孔が減少したり、結晶の表面積が減少するため、ガス分子の吸着サイトの量や、ガス吸着、脱着における速度という観点では半値幅はある程度広い方が好ましい。これらの観点から、K交換型GIS型ゼオライトのXRDスペクトルにおけるピークの半値幅は2θ=12.7°付近のピークの半値幅は0.08°以上、0.55°以下であり、好ましくは0.09°以上0.54°以下であり、より好ましくは0.10°以上0.53°以下である。2θ=12.7°付近のピークとは12.55°~12.90°の範囲に存在するピークのうち最大のものを指す。
なお、上記回折ピークの回折角2θの値及び半値幅は、後述する実施例に記載の方法により測定することができ、いずれも、混合ゲルの組成比、混合ゲルの熟成時間、水熱合成時の条件(加熱温度や加熱時間)、カチオンの最適化等を後述する好ましい範囲に調整する方法等により、上記範囲に調整することができる。
<K-type GIS-type zeolite>
(X-ray diffraction peak)
A typical GIS-type zeolite has 2θ=12.45° and 33.0° in a spectrum obtained by X-ray diffraction, as described in ICDD (International Center for Diffraction Data) (for example, 00-039-0219). They have respective (1 0 1) and (3 1 2) diffraction peaks near 36°.
On the other hand, the GIS-type zeolite in the present embodiment has a (1 0 1) diffraction peak in the range of 2θ=12.55° to 12.90° in the spectrum obtained by X-ray diffraction. In addition, the GIS-type zeolite in the present embodiment preferably has a (3 1 2) diffraction peak in the range of 33.70° to 34.25° in the spectrum obtained by X-ray diffraction.
The (1 0 1) diffraction peak is diffraction reflecting the periodic structure of the dcc structure around the 8-membered ring structure of the GIS type zeolite. The diffraction peak of (1 0 1) in the GIS-type zeolite in the present embodiment is shifted to the high angle side, and it is considered that the periodic structure is short, and generally the lattice constant is reduced. This is a phenomenon seen in If the periodic structure is shortened, the pore size is also reduced, and it is expected that carbon dioxide will not be able to enter the pores and the amount of adsorption will be reduced. However, the GIS-type zeolite in the present embodiment can increase the amount of carbon dioxide adsorption by adjusting the crystal so that the (1 0 1) diffraction peak is observed in an appropriate range. In addition, the eight-membered ring structure of a general GIS-type zeolite is distorted, has an elliptical shape with a major axis of 4.5 Å and a minor axis of 3.1 Å, and carbon dioxide with an average molecular diameter of 3.3 Å. Molecules cannot easily enter the pores. However, it is thought that by optimally synthesizing and adjusting the crystal, the strain is relaxed and the pores become circular, making it easier for carbon dioxide to enter the pores, increasing the amount of adsorption. The optimum strain relaxation state is a state in which the (1 0 1) periodic structure is slightly shortened, and the X-ray diffraction peak at that time is 2θ=12.55° to 12.90°. From the same viewpoint as above, the 2θ value of the (1 0 1) diffraction peak is preferably 2θ = 12.58° to 12.85°, more preferably 2θ = 12.60° to 12.80. °. Other diffraction peaks are considered to have optimum peak positions in the same way, but the peak shift is remarkable, and from the viewpoint that they can be clearly distinguished without overlapping with other peaks, the diffraction peak other than (1 0 1) , (3 1 2) can also be used to determine whether the structure is optimal. The 2θ value of the diffraction peak of (3 1 2) is 33.70° to 34.25°, preferably 2θ=33.85° to 34.22°, still more preferably 2θ=34. 00° to 34.20°.
In K-exchanged GIS zeolite, as with GIS zeolite, the peak half width obtained by X-ray diffraction indicates the crystallinity and crystallite size of the crystal lattice plane where the diffraction occurs, and the narrower the crystal It is preferred because of its high resilience. On the other hand, if the half-value width is narrow, the crystallite size becomes larger, the size of the crystal becomes larger, the adsorption sites of gas molecules such as grain boundaries and crystal defects, and the pores through which gas molecules can easily diffuse are reduced. Since the surface area is reduced, the half width is preferably wide to some extent from the viewpoint of the amount of adsorption sites for gas molecules and the rate of gas adsorption and desorption. From these viewpoints, the half-value width of the peak in the XRD spectrum of the K-exchanged GIS-type zeolite is 0.08° or more and 0.55° or less, preferably 0 0.09° or more and 0.54° or less, more preferably 0.10° or more and 0.53° or less. The peak near 2θ=12.7° refers to the largest peak existing in the range of 12.55° to 12.90°.
The value of the diffraction angle 2θ and the half-value width of the diffraction peak can be measured by the method described in Examples below, and all of them are the composition ratio of the mixed gel, the aging time of the mixed gel, and the time of hydrothermal synthesis. conditions (heating temperature and heating time), the optimization of cations, etc. can be adjusted to the above range by a method of adjusting to a preferable range described later.
本実施形態において、K交換型GIS型ゼオライトの8員環楕円構造を変形させる観点から、K交換型GIS型ゼオライト中のカリウム原子の含有量が3質量%以上であることが好ましく、より好ましくは3.3質量%以上であり、さらに好ましくは3.6質量%以上である。一方、不純物の生成や、K交換型GIS型ゼオライトの結晶性低下を防止する観点から、K交換型GIS型ゼオライト中のカリウム原子含有量は21質量%以下であることが好ましく、より好ましくは18質量%以下であり、さらに好ましくは16質量%以下である。
上記カリウム原子の含有量は、後述する実施例に記載の方法により測定することができ、混合ゲルの組成比を後述する好ましい範囲に調整する方法等により、上記範囲に調整することができる。
In the present embodiment, from the viewpoint of deforming the 8-membered ring elliptical structure of the K-exchanged GIS zeolite, the content of potassium atoms in the K-exchanged GIS zeolite is preferably 3% by mass or more, more preferably It is 3.3% by mass or more, more preferably 3.6% by mass or more. On the other hand, from the viewpoint of preventing the formation of impurities and the deterioration of the crystallinity of the K-exchanged GIS zeolite, the potassium atom content in the K-exchanged GIS zeolite is preferably 21% by mass or less, more preferably 18% by mass. % by mass or less, more preferably 16% by mass or less.
The content of potassium atoms can be measured by the method described in the examples below, and can be adjusted to the above range by a method for adjusting the composition ratio of the mixed gel to a preferable range described below.
〔カチオン交換〕
本実施形態におけるK交換型GIS型ゼオライトは、本実施形態におけるGIS型ゼオライトをカリウムでカチオン交換を行い、得ることができる。カチオン交換は、以下に限定されないが、例えば、KNO3などの硝酸塩、あるいは前記硝酸塩に含まれる硝酸イオンをハロゲン化物イオン、硫酸イオン、炭酸イオン、炭酸水素イオン、酢酸イオン、リン酸イオン又はリン酸水素イオンに変更した塩、硝酸や塩酸などの酸を用いることができる。
カチオン交換の温度は、一般的なカチオン交換の温度であれば特に限定されないが、通常、室温から100℃以下である。
カチオン交換後のゼオライトを分離する際、その分離方法は一般的な方法であれば特に限定されず、濾過、デカンテーション、噴霧乾燥法(回転噴霧、ノズル噴霧及び超音波噴霧など)、回転蒸発器を用いた乾燥法、真空乾燥法、凍結乾燥法、又は自然乾燥法等を用いることができ、通常は濾過又はデカンテーションにより分離することができる。
分離されたものはそのまま用いても、水、又は所定の溶剤で洗浄しても構わない。必要に応じ、分離されたものを乾燥することができる。
分離されたものを乾燥する温度は、一般的な乾燥する温度であれば特に限定されないが、通常、室温から150℃以下である。
乾燥する際の雰囲気は、一般的に用いられる雰囲気であれば特に限定されないが、通常、空気雰囲気、窒素、アルゴンなどの不活性ガスや酸素を付加した雰囲気が用いられる。
[Cation exchange]
The K-exchanged GIS zeolite in this embodiment can be obtained by subjecting the GIS zeolite in this embodiment to cation exchange with potassium. Cation exchange can be carried out, for example, but not limited to, nitrates such as KNO3 , or nitrate ions contained in said nitrates, for halide ions, sulfate ions, carbonate ions, bicarbonate ions, acetate ions, phosphate ions or phosphate ions. Salts modified into hydrogen ions and acids such as nitric acid and hydrochloric acid can be used.
The temperature for cation exchange is not particularly limited as long as it is a general cation exchange temperature, but it is usually from room temperature to 100°C or less.
When separating the zeolite after cation exchange, the separation method is not particularly limited as long as it is a general method, filtration, decantation, spray drying method (rotary atomization, nozzle atomization, ultrasonic atomization, etc.), rotary evaporator can be used, such as drying, vacuum drying, freeze-drying, or air-drying, and usually separation can be carried out by filtration or decantation.
The separated material may be used as it is or washed with water or a predetermined solvent. If desired, the separated material can be dried.
The temperature for drying the separated material is not particularly limited as long as it is a common drying temperature, but it is usually from room temperature to 150°C or less.
The atmosphere for drying is not particularly limited as long as it is a generally used atmosphere, but an air atmosphere, an inert gas such as nitrogen or argon, or an oxygen-added atmosphere is usually used.
<MWF型ゼオライト>
〔X線回折ピーク〕
X線回折により得られるピーク半値幅は、その回折が発生する結晶格子面の結晶性を示しており、狭い方が好ましい。その中でも特に2θ=11.1°付近のピークは8員環構造等の高次構造を示しており、細孔の適切な形成を表していることから、MWF型ゼオライトの細孔での大きなガス分子の遮蔽による分子篩効果に影響を与えるため、その半値幅が狭いことは特に重要である。一方で半値幅が狭いと結晶子サイズは大きくなり、結晶の大きさは大きくなり、粒界や結晶欠陥等、ガス分子の吸着サイトやガス分子が拡散しやすい細孔が減少したり、結晶の表面積が減少するため、ガス分子の吸着サイトの量や、ガス吸着、脱着における速度という観点では半値幅はある程度広い方が好ましい。したがって、本実施形態におけるMWF型ゼオライトのXRDスペクトルにおける2θ=11.1°付近のピーク半値幅は、0.06°以上0.31°以下であり、好ましくは、0.065°以上0.315°以下であり、より好ましくは、0.07°以上0.30°以下である。
なお、上記ピーク半値幅の値は、混合ゲルの組成比、水熱合成時の条件(加熱温度や加熱時間)等を後述する好ましい範囲に調整する方法等により、上記範囲に調整することができる。
<MWF-type zeolite>
[X-ray diffraction peak]
The peak half-value width obtained by X-ray diffraction indicates the crystallinity of the crystal lattice plane where the diffraction occurs, and is preferably narrower. Among them, the peak near 2θ = 11.1 ° in particular shows a higher-order structure such as an 8-membered ring structure, and represents the appropriate formation of pores. The narrow half-width is particularly important because it affects the molecular sieve effect due to molecular shielding. On the other hand, if the half-value width is narrow, the crystallite size becomes larger, the size of the crystal becomes larger, the adsorption sites of gas molecules such as grain boundaries and crystal defects, and the pores through which gas molecules can easily diffuse are reduced. Since the surface area is reduced, the half width is preferably wide to some extent from the viewpoint of the amount of adsorption sites for gas molecules and the rate of gas adsorption and desorption. Therefore, the half width of the peak near 2θ = 11.1° in the XRD spectrum of the MWF-type zeolite in the present embodiment is 0.06° or more and 0.31° or less, preferably 0.065° or more and 0.315°. ° or less, more preferably 0.07° or more and 0.30° or less.
The value of the peak half-value width can be adjusted to the above range by a method of adjusting the composition ratio of the mixed gel, the conditions (heating temperature and heating time) during hydrothermal synthesis, etc. to the preferable range described later. .
本実施形態におけるMWF型ゼオライトは、X線回折により得られるピークにおいて、2θ=11.1及び13.8°付近のピーク高さをそれぞれA及びBとしたとき、0.61≦B/A≦0.83を満たすことが好ましい。
ここで、X線回折パターンとはゼオライトを粉末用無反射試料板上に均一に固定した表面にCuKαを線源とするX線を照射して、走査軸をθ/2θとして得るものである。
2θ=11.1°付近のピークとは11.1°±0.1°の範囲に存在するピークのうち最大のものを指す。
2θ=13.8°付近のピークとは13.8°±0.2°の範囲に存在するピークで最大のものを指す。
In the MWF-type zeolite of the present embodiment, in the peak obtained by X-ray diffraction, when the peak heights near 2θ = 11.1 and 13.8 ° are A and B, respectively, 0.61 ≤ B / A ≤ 0.83 is preferred.
Here, the X-ray diffraction pattern is obtained by irradiating the surface of zeolite uniformly fixed on a non-reflective sample plate for powder with X-rays from CuKα as a radiation source, with the scanning axis as θ/2θ.
The peak near 2θ=11.1° refers to the maximum peak existing in the range of 11.1°±0.1°.
The peak near 2θ=13.8° refers to the maximum peak existing in the range of 13.8°±0.2°.
本実施形態におけるMWF型ゼオライトの25℃におけるX線回折ピークのうち、2θ=11.1及び13.8°付近のピークはそれぞれ、(4 4 0)及び(5 5 0)の回折ピークである。すなわち、これらはそれぞれ平行な結晶格子面による回折であり、(4 4 0)及び(5 5 0)の回折ピークの高さをそれぞれA、Bとした場合、B/Aが大きい場合はより微細な構造が明瞭であることを示している。すなわち、Si-OあるいはAl-O結合に欠損が少なく、結合距離と角度の均一性が高く、CH4が結晶格子内に侵入するような欠陥や、CO2の吸着サイトの欠損が発生しにくい為、CO2/CH4の吸着量比を最大にできると考えられる。この観点から、B/Aは0.61以上であることが好ましく、0.63以上であることがより好ましく、0.635以上であることがさらに好ましく、0.64以上であることがよりさらに好ましい。
一方、ピーク高さAの値が大きいことは、8員環構造等の高次構造が明瞭である、すなわち、微細な構造が規則正しく配列し、細孔が適切に形成されていることを示唆していると考えられる。細孔構造が適切に欠損なく形成されることで、大きさの異なるガス分子に対するMWF型ゼオライトの分子篩効果が働き、CO2は細孔内に入れるが、CH4は細孔内に入りにくくなるためCO2/CH4の吸着量比を最大にできると考えられる。この観点から、Aの値が大きいことも重要であり、B/Aは0.83以下であることが好ましく、0.80以下であることがより好ましく、0.79以下であることがさらに好ましく、0.78以下であることがよりさらに好ましい。
つまり、B/Aの範囲は、微細な構造が明瞭で、Si-OあるいはAl-O結合に欠損が少なく、ガス吸着サイトの欠損が発生しにくいこと、及び高次構造が明瞭で、細孔が適切に形成されており、MWF型ゼオライトの分子篩効果が働くことの観点から0.61~0.83の範囲である。
Of the X-ray diffraction peaks at 25° C. of the MWF-type zeolite in the present embodiment, the peaks near 2θ=11.1 and 13.8° are the (4 4 0) and (5 5 0) diffraction peaks, respectively. . That is, these are diffractions by parallel crystal lattice planes, and when the heights of the (4 4 0) and (5 5 0) diffraction peaks are A and B, respectively, the higher the B/A, the finer the diffraction peak. structure is clear. That is, there are few defects in Si--O or Al--O bonds, the uniformity of bond distance and angle is high, and defects such as CH 4 entering the crystal lattice and defects of CO 2 adsorption sites are less likely to occur. Therefore, it is considered that the adsorption amount ratio of CO 2 /CH 4 can be maximized. From this point of view, B/A is preferably 0.61 or more, more preferably 0.63 or more, further preferably 0.635 or more, and even more preferably 0.64 or more. preferable.
On the other hand, a large value of peak height A indicates that a higher-order structure such as an eight-membered ring structure is clear, that is, fine structures are regularly arranged and pores are appropriately formed. It is thought that By properly forming the pore structure without defects, the molecular sieve effect of MWF-type zeolite works for gas molecules of different sizes, allowing CO 2 to enter the pores, but making it difficult for CH 4 to enter the pores. Therefore, it is considered that the adsorption amount ratio of CO 2 /CH 4 can be maximized. From this point of view, it is also important that the value of A is large, and B/A is preferably 0.83 or less, more preferably 0.80 or less, and even more preferably 0.79 or less. , 0.78 or less.
That is, in the range of B/A, the fine structure is clear, there are few defects in Si—O or Al—O bonds, defects in gas adsorption sites are unlikely to occur, and the higher-order structure is clear, and pores is formed appropriately, and is in the range of 0.61 to 0.83 from the viewpoint that the molecular sieve effect of MWF-type zeolite works.
また、2θ=51.6°付近のピークは(18 18 0)の回折ピークであり、このピーク高さをCとした場合、B/AはSN比が高く、高さ比を比較しやすいのに対し、C/AはCが高角反射であり、結晶格子の変化に対し、ピークそのものの測定精度が高いことからB/A、C/Aのいずれも適切な範囲にすることでCO2/CH4選択性高くなるが、C/Aを用いることでより高精度となり、CO2/CH4の吸着量比を更に高める観点から、C/Aが0.36以上であることが好ましく、0.37以上であることがより好ましく、0.38以上がさらに好ましい。
ピーク高さCとAとの関係についても、上記と同様の観点から、C/Aが0.52以下であることが好ましく、0.50以下であることがより好ましく、0.48以下であることがさらに好ましい。
ここで、2θ=51.6°付近のピークとは51.6°±0.4°の範囲に存在するピークのうち最大のものを指す。
In addition, the peak near 2θ = 51.6° is the diffraction peak of (18 18 0). On the other hand, for C/A, C is a high-angle reflection, and the measurement accuracy of the peak itself is high with respect to changes in the crystal lattice . Although the CH 4 selectivity is increased, the use of C/A provides higher accuracy, and from the viewpoint of further increasing the CO 2 /CH 4 adsorption amount ratio, the C / A is preferably 0.36 or more. 0.37 or more is more preferable, and 0.38 or more is even more preferable.
Regarding the relationship between the peak heights C and A, from the same viewpoint as above, C/A is preferably 0.52 or less, more preferably 0.50 or less, and 0.48 or less. is more preferred.
Here, the peak near 2θ=51.6° refers to the maximum peak existing in the range of 51.6°±0.4°.
他にも、2θ=12.7°付近のピークは(5 4 1)の回折ピークであり、結晶軸の3方向に逆格子ベクトルを持つ回折である。従って、このピーク高さをDとした場合、Dは結晶の軸の3方向の歪みに対する感度がある。一方、Aは8員環構造等の長周期構造の数と結晶性を反映することから、D/Aは8員環構造等の長周期構造に対する3方向の結晶格子の歪みを表しており、D/Aが高い方が結晶格子に歪みが少なく等方的であると言える。結晶格子に潜在的な歪みが少ない方が細孔の空間が保持されることから、D/Aが一定以上の値とすることで細孔径に入ることができる小さいガス分子が入りやすく、かつ、脱離しやすい傾向になり、ゼオライトの細孔内にガス吸着させて分離する際に、吸着分子を脱着して再生して用いるのに適している。好ましいD/Aは0.75以上であり、0.78以上であることがより好ましく、0.80以上がさらに好ましい。
ここで、2θ=12.7°付近のピークとは12.7°±0.2°の範囲に存在するピークのうち最大のものを指す。
In addition, the peak near 2θ=12.7° is the (5 4 1) diffraction peak, which is diffraction having reciprocal lattice vectors in three directions of the crystal axis. Therefore, if this peak height is D, D is sensitive to strain in three directions of the crystal axis. On the other hand, A reflects the number and crystallinity of long-period structures such as an 8-membered ring structure, so D / A represents the distortion of the crystal lattice in three directions for a long-period structure such as an 8-membered ring structure. It can be said that the higher the D/A, the less the distortion in the crystal lattice and the isotropic. The smaller the potential strain in the crystal lattice, the more the pore space is retained. It tends to be easily desorbed, and is suitable for use by desorbing and regenerating the adsorbed molecules when the gas is adsorbed in the pores of the zeolite and separated. D/A is preferably 0.75 or more, more preferably 0.78 or more, and even more preferably 0.80 or more.
Here, the peak near 2θ=12.7° refers to the maximum peak existing in the range of 12.7°±0.2°.
なお、上記B/A及びC/Aの値は、後述する実施例に記載の方法により測定することができ、いずれも、混合ゲルの組成比、水熱合成時の条件(加熱温度や加熱時間)等を後述する好ましい範囲に調整する方法等により、上記範囲に調整することができる。 The above B/A and C/A values can be measured by the method described in the examples below, and both are determined by the composition ratio of the mixed gel, the conditions during hydrothermal synthesis (heating temperature and heating time ), etc. can be adjusted to the above range by a method for adjusting to a preferable range described later.
〔ガス飽和吸着量〕
本実施形態におけるMWF型ゼオライトは、次のように特定することもできる。すなわち、当該MWF型ゼオライト及び二酸化炭素を25℃、760mmHgの系に置いた場合に測定される当該MWF型ゼオライトの二酸化炭素飽和吸着量をa(cm3/g)とし、また、当該MWF型ゼオライト及びメタンを25℃、760mmHgの系に置いた場合に測定される当該MWF型ゼオライトのメタン飽和吸着量をb(cm3/g)とするとき、aをbで除した値(a/b)が23以上である。
また、本実施形態におけるMWF型ゼオライトは、次のように特定することもできる。すなわち、MWF型ゼオライト及び二酸化炭素を25℃、760mmHgの系に置いた場合に測定される当該MWF型ゼオライトの二酸化炭素飽和吸着量aが25℃、760mmHgで10cm3/g以上であり、当該MWF型ゼオライト及びメタンを25℃、760mmHgの系に置いた場合に測定される当該MWF型ゼオライトのメタン飽和吸着量bが3.5cm3/g以下である。
本実施形態におけるMWF型ゼオライトは、このような特徴を有することから示唆されるように、純度が高く、二酸化炭素(CO2)吸着の選択性が高い。すなわち、本実施形態におけるMWF型ゼオライトは、二酸化炭素(CO2)に対する吸着能が高く、メタンに対する吸着能が低く、二酸化炭素(CO2)に対する飽和吸着量とメタン(CH4)に対する飽和吸着量との比が大きいものということができる。このように、本実施形態におけるMWF型ゼオライトは、その純度の高さ及び二酸化炭素(CO2)吸着の選択性の高さから、当該MWF型ゼオライトによる吸着量の大きい気体成分と小さい気体成分とを分離することができる。すなわち、この吸着能の差を利用して気体を分離する用途に好適に用いることができる。
上記の各飽和吸着量は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。また、上記a/bの値は、例えば、後述するMWF型ゼオライトの製法方法に基づいてMWF型ゼオライトを製造すること等により、上記範囲に調整することができる。より詳細には、後述する混合ゲルの成分・組成、水熱合成温度、焼成温度などを最適化することで、MWF型骨格の結晶が適切に形成される、結晶内の欠陥が少なくなる、MWF型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制されている、焼成においてMWF型骨格が保たれている等の要因が推定され、結果としてa/bの値が増加する傾向にある。ただし、上記作用機序に限定されるものではない。一方、混合ゲルの組成を後述する好ましい範囲から変更する場合や、反応温度を高温にするなどしてMWF型骨格と異なる骨格を有するゼオライトが多く形成される場合、選択性は低下する傾向にある。
さらに、上記の各飽和吸着量a及びbについても、例えば、後述するMWF型ゼオライトの製法方法に基づいてMWF型ゼオライトを製造すること等により、それぞれ上記範囲に調整することができる。より詳細には、MWF型骨格より大きい細孔径、及び異なる骨格を有するゼオライトが形成する場合、CO2飽和吸着量もCH4飽和吸着量も増加する傾向にある。また、細孔が塞がれるなどした場合には、CO2飽和吸着量もCH4飽和吸着量も減少する傾向にある。
[Gas saturation adsorption amount]
The MWF-type zeolite in this embodiment can also be specified as follows. That is, the saturated adsorption amount of carbon dioxide of the MWF zeolite measured when the MWF zeolite and carbon dioxide are placed in a system at 25 ° C. and 760 mmHg is a (cm 3 /g), and the MWF zeolite and the value obtained by dividing a by b (a/b), where b (cm 3 /g) is the methane saturated adsorption amount of the MWF-type zeolite measured when methane is placed in a system at 25 ° C. and 760 mmHg. is 23 or more.
Moreover, the MWF-type zeolite in this embodiment can also be specified as follows. That is, the carbon dioxide saturated adsorption amount a of the MWF zeolite measured when the MWF zeolite and carbon dioxide are placed in a system at 25 ° C. and 760 mmHg is 10 cm 3 /g or more at 25 ° C. and 760 mmHg, and the MWF The methane saturated adsorption amount b of the MWF-type zeolite measured when the zeolite and methane are placed in a system at 25° C. and 760 mmHg is 3.5 cm 3 /g or less.
The MWF-type zeolite in the present embodiment has high purity and high carbon dioxide (CO 2 ) adsorption selectivity, as suggested by these characteristics. That is, the MWF-type zeolite in the present embodiment has a high adsorption capacity for carbon dioxide (CO 2 ), a low adsorption capacity for methane, and a saturated adsorption amount for carbon dioxide (CO 2 ) and a saturated adsorption amount for methane (CH 4 ). It can be said that the ratio of . As described above, the MWF-type zeolite in the present embodiment has a high purity and a high carbon dioxide (CO 2 ) adsorption selectivity, so that the MWF-type zeolite has a large amount of gas components and a small amount of gas components adsorbed by the MWF-type zeolite. can be separated. That is, it can be suitably used for the purpose of separating gases by utilizing this difference in adsorption capacity.
Each of the above saturated adsorption amounts can be measured by the method described in the examples below. Further, the value of a/b can be adjusted to the above range, for example, by producing MWF-type zeolite based on the method for producing MWF-type zeolite described later. More specifically, by optimizing the components and composition of the mixed gel, the hydrothermal synthesis temperature, the firing temperature, etc., which will be described later, the crystals of the MWF-type skeleton are properly formed, the defects in the crystals are reduced, and the MWF It is presumed that the formation of zeolite having a skeleton different from the type skeleton is suppressed, the MWF type skeleton is maintained during calcination, etc. As a result, the value of a/b tends to increase. However, it is not limited to the mechanism of action described above. On the other hand, when the composition of the mixed gel is changed from the preferable range described later, or when a large amount of zeolite having a skeleton different from the MWF type skeleton is formed by raising the reaction temperature to a high temperature, the selectivity tends to decrease. .
Furthermore, each of the above saturated adsorption amounts a and b can also be adjusted within the above range, for example, by producing an MWF-type zeolite based on the method for producing an MWF-type zeolite, which will be described later. More specifically, when a zeolite with a larger pore size than the MWF-type framework and a different framework is formed, both the CO2 saturated adsorption amount and the CH4 saturated adsorption amount tend to increase. Moreover, when the pores are clogged, both the CO 2 saturated adsorption amount and the CH 4 saturated adsorption amount tend to decrease.
〔合成方法〕
本実施形態におけるMWF型ゼオライトの製造方法は、珪素を含むシリカ源、アルミニウムを含むアルミ源、アルカリ金属(M1)及びアルカリ土類金属(M2)から選ばれる少なくとも1種を含むアルカリ金属源、及び水を含有する混合ゲルの調製工程を含むものである。
以下、混合ゲル及びこれに含まれる各成分について説明する。
[Synthesis method]
The method for producing an MWF-type zeolite in the present embodiment includes a silica source containing silicon, an aluminum source containing aluminum, an alkali metal source containing at least one selected from alkali metals (M1) and alkaline earth metals (M2), and It includes a step of preparing a mixed gel containing water.
The mixed gel and each component contained therein will be described below.
〔混合ゲルの調製工程〕
混合ゲルの調製工程は、特に限定されないが、例えば、シリカ源、アルミ源、アルカリ金属源、水、及び必要に応じて有機構造規定剤を一時にあるいは多段階で混合する混合工程と、この混合工程で得られた混合物の熟成工程とを含んでもよい。
混合工程は、シリカ源、アルミ源、アルカリ金属源、水、及び必要に応じて有機構造規定剤を含むこれら成分を一時にあるいは多段階で混合することができる。
多段階で混合する際の順序は限定されず、用いる条件により適宜選択すればよい。多段階で混合する際には、撹拌あるいは無撹拌のどちらで行ってもよいが、MWF型ゼオライトの構成要素であり、有機構造規定剤を含有しないと考えられるgis構造を形成させる前駆体を作る観点から、アルカリ金属源、アルミ源、シリカ源を含む混合液を用い、撹拌工程と熟成工程があることが好ましい。アルミ源とシリカ源を混合し、熟成する際には、AlとSiの過度な縮合反応を抑制し、前駆体の形成と均一混合を両立させる観点から、低温にすることが好ましい。具体的には、混合、撹拌、熟成工程の温度は15℃以下であることが好ましい。混合、撹拌、熟成工程の時間は、過度な縮合反応を防げ、十分に均一混合できる観点から、10分以上、24時間以下が好ましく、20分以上、12時間以下がさらに好ましく、30分以上、8時間以下が最も好ましい。
[Preparation process of mixed gel]
The process for preparing the mixed gel is not particularly limited. and aging the mixture obtained in the step.
In the mixing step, these components including a silica source, an aluminum source, an alkali metal source, water, and, if necessary, an organic structure-directing agent can be mixed at once or in multiple steps.
The order of mixing in multiple stages is not limited, and may be appropriately selected depending on the conditions used. Mixing in multiple stages may be carried out either with stirring or without stirring, but a precursor that forms a gis structure, which is a constituent element of MWF-type zeolite and does not contain an organic structure-directing agent, is produced. From the point of view, it is preferable to use a mixed solution containing an alkali metal source, an aluminum source, and a silica source, and to have a stirring step and an aging step. When the aluminum source and silica source are mixed and aged, the temperature is preferably low from the viewpoint of suppressing excessive condensation reaction between Al and Si and achieving both precursor formation and uniform mixing. Specifically, the temperature in the mixing, stirring and aging steps is preferably 15°C or less. From the viewpoint of preventing excessive condensation reaction and sufficiently uniform mixing, the time for mixing, stirring and aging steps is preferably 10 minutes or more and 24 hours or less, more preferably 20 minutes or more and 12 hours or less, 30 minutes or more, Eight hours or less is most preferred.
MWF型ゼオライト内部構造であるgis構造の前駆体を形成してから、それらを囲み、有機構造規定剤を含有するltaやpau構造の前駆体を形成させてMWF型ゼオライトの骨格形成を促す観点から、アルカリ金属源、アルミ源、シリカ源を先に混合させて、これらを含む混合液に有機構造規定剤を添加することが好ましい。アルカリ金属源、アルミ源、シリカ源に有機構造規定剤を混合した混合ゲルの混合、撹拌、熟成工程の温度及び時間は過度な縮合反応を防げ、十分に均一混合できる観点から、15℃以下、10分以上、24時間以下が好ましく、12℃以下、20分以上、12時間以下がさらに好ましく、10℃以下、45分以上、8時間以下が最も好ましい。以上により、微細構造と長周期構造が適切に形成され、高結晶化することで、B/Aと半値幅が最適化され、高CO2選択性が得られると推定している。
撹拌する際には、一般的に使用される撹拌方法であれば特に限定されないが、具体例としては、翼撹拌、振動撹拌、揺動撹拌、遠心式撹拌などを用いる方法が挙げられる。
撹拌の回転速度は一般的に用いられる撹拌速度であれば特に限定されないが、例えば、1rpm以上2000rpm未満であることが挙げられる。
混合工程の時間は、特に限定されず、混合工程の温度により適宜選択することができるが、例えば、0分を超え、1000時間以下が挙げられる。
混合工程における原料の添加速度は、経済性に優れる観点から、速い方が、生産効率が高く好ましい。一方で、AlとSiの過度な縮合反応を抑制し、前駆体の形成と均一混合を両立させる観点から、添加速度は遅い方が好ましい。これらの観点から、100cc程度の混合ゲルを調整する場合、0.1cc/min以上100cc/min以下であることが好ましく、0.2cc/min以上50cc/min以下であることがさらに好ましく、0.5cc/min以上10cc/min以下であることが最も好ましい。
熟成工程は静置あるいは撹拌のどちらで行ってもよい。
熟成工程で撹拌する際には、一般的に使用される撹拌方法であれば特に限定されないが、具体例としては、翼撹拌、振動撹拌、揺動撹拌、遠心式撹拌などを用いる方法が挙げられる。
撹拌の回転速度は一般的に用いられる撹拌速度であれば特に限定されないが、例えば、1rpm以上2000rpm未満であることが挙げられる。
From the viewpoint of promoting the formation of the MWF-type zeolite skeleton by forming precursors of the gis structure, which is the internal structure of the MWF-type zeolite, and surrounding them to form precursors of lta and pau structures containing an organic structure-directing agent. , an alkali metal source, an aluminum source, and a silica source are mixed first, and then the organic structure-directing agent is added to the mixed solution containing these sources. The temperature and time of the mixing, stirring, and aging processes of the mixed gel obtained by mixing the organic structure-directing agent with the alkali metal source, aluminum source, and silica source are set to 15°C or less from the viewpoint of preventing excessive condensation reaction and sufficiently uniform mixing. 10 minutes or more and 24 hours or less are preferable, 12° C. or less, 20 minutes or more and 12 hours or less are more preferable, and 10° C. or less and 45 minutes or more and 8 hours or less are most preferable. From the above, it is presumed that the fine structure and the long-period structure are properly formed and high crystallization is achieved, thereby optimizing the B/A and the half-value width and obtaining high CO 2 selectivity.
The stirring is not particularly limited as long as it is a generally used stirring method, but specific examples include methods using blade stirring, vibration stirring, rocking stirring, centrifugal stirring, and the like.
The rotation speed for stirring is not particularly limited as long as it is a generally used stirring speed, and is, for example, 1 rpm or more and less than 2000 rpm.
The time of the mixing step is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the temperature of the mixing step.
From the standpoint of excellent economic efficiency, the faster the rate of addition of the raw materials in the mixing step, the higher the production efficiency. On the other hand, from the viewpoint of suppressing excessive condensation reaction between Al and Si and achieving both precursor formation and uniform mixing, a slow addition rate is preferable. From these points of view, when preparing a mixed gel of about 100 cc, it is preferably 0.1 cc/min or more and 100 cc/min or less, more preferably 0.2 cc/min or more and 50 cc/min or less, and 0.1 cc/min or more and 100 cc/min or less. Most preferably, it is 5 cc/min or more and 10 cc/min or less.
The aging step may be carried out either by standing still or by stirring.
When stirring in the aging step, there is no particular limitation as long as it is a generally used stirring method, but specific examples include methods using blade stirring, vibration stirring, rocking stirring, centrifugal stirring, and the like. .
The rotation speed for stirring is not particularly limited as long as it is a generally used stirring speed, and is, for example, 1 rpm or more and less than 2000 rpm.
〔混合ゲル〕
本実施形態における混合ゲルとは、シリカ源、アルミ源、アルカリ金属源、及び水を必須成分として含み、好ましくは有機構造規定剤を含む混合物のことである。
シリカ源とは、該混合ゲルから製造されたゼオライトに含まれる珪素の原料となる該混合ゲル中の成分をいい、アルミ源とは、該混合ゲルから製造されたゼオライトに含まれるアルミニウムの原料となる該混合ゲル中の成分をいい、アルカリ金属源とは、該混合ゲルから製造されたゼオライトに含まれるアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属の原料となる該混合ゲル中の成分をいう。
[Mixed gel]
The mixed gel in the present embodiment is a mixture containing a silica source, an aluminum source, an alkali metal source and water as essential components, preferably containing an organic structure directing agent.
The silica source means a component in the mixed gel that serves as a raw material for silicon contained in the zeolite produced from the mixed gel, and the aluminum source means a raw material for aluminum contained in the zeolite produced from the mixed gel. The alkali metal source refers to a component in the mixed gel that serves as a raw material for the alkali metal and/or alkaline earth metal contained in the zeolite produced from the mixed gel.
〔シリカ源〕
シリカ源としては、一般的に使用されるものであれば特に限定されないが、具体例としては、無定形シリカ、コロイダルシリカ、湿式法シリカ、乾式法シリカ、シリカゲル、ケイ酸ナトリウム、無定形アルミノシリケートゲル、テトラエトキシシラン(TEOS)、トリメチルエトキシシラン等が挙げられる。これらの化合物は、単独で使用しても、複数を組み合わせて使用してもよい。ここで、無定形アルミノシリケートゲルは、シリカ源であるとともにアルミ源となる。
これらの中でも、結晶化度の高いゼオライトが得られる傾向にあることから、無定形シリカ、コロイダルシリカ、湿式法シリカ、乾式法シリカ、シリカゲルであることが好ましい。同様の観点から、コロイダルシリカ、湿式法シリカ、乾式法シリカであることがより好ましい。
コロイダルシリカとしては、以下に限定されないが、例えば、Ludox(登録商標)、Syton(登録商標)、Nalco(登録商標)、Snowtex(登録商標)が挙げられる。
湿式法シリカとしては、以下に限定されないが、例えば、Hi-Sil(登録商標)、Ultrasil(登録商標)、Vulcasil(登録商標)、Santocel(登録商標)、Valron-Estersil(登録商標)、Tokusil(登録商標)、Zeosil(登録商標)、Carplex(登録商標)、Mizukasil(登録商標)、Sylysia(登録商標)、Syloid(登録商標)、Gasil(登録商標)、Silcron(登録商標)、Nipgel(登録商標)、Nipsil(登録商標)が挙げられる。
乾式法シリカは、例えば、HDK(登録商標)、Aerosil(登録商標)、Reolosil(登録商標)、Cab-O-Sil(登録商標)、Fransil(登録商標)、ArcSilica(登録商標)が挙げられる。
[Silica source]
The silica source is not particularly limited as long as it is commonly used, but specific examples include amorphous silica, colloidal silica, wet silica, dry silica, silica gel, sodium silicate, and amorphous aluminosilicate. gel, tetraethoxysilane (TEOS), trimethylethoxysilane, and the like. These compounds may be used singly or in combination. Here, the amorphous aluminosilicate gel serves as both a silica source and an aluminum source.
Among these, amorphous silica, colloidal silica, wet silica, dry silica, and silica gel are preferred because they tend to yield zeolite with a high degree of crystallinity. From the same point of view, colloidal silica, wet-process silica, and dry-process silica are more preferable.
Examples of colloidal silica include, but are not limited to, Ludox®, Syton®, Nalco®, Snowtex®.
Examples of wet-process silica include, but are not limited to, Hi-Sil (registered trademark), Ultrasil (registered trademark), Vulcasil (registered trademark), Santocel (registered trademark), Valron-Estersil (registered trademark), Tokusil ( registered trademark), Zeosil (registered trademark), Carplex (registered trademark), Mizukasil (registered trademark), Sylysia (registered trademark), Syloid (registered trademark), Gasil (registered trademark), Silcron (registered trademark), Nipgel (registered trademark ), and Nipsil®.
Examples of dry process silica include HDK (registered trademark), Aerosil (registered trademark), Reolosil (registered trademark), Cab-O-Sil (registered trademark), Fransil (registered trademark), and ArcSilica (registered trademark).
〔アルミ源〕
アルミ源としては、一般的に使用されるものであれば特に限定されないが、具体例としては、アルミン酸ナトリウム、硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、塩化アルミニウム、アルミニウムアルコキシド、金属アルミニウム、無定形アルミノシリケートゲル等が挙げられる。これらの化合物は、単独で使用しても、複数を組み合わせて使用してもよい。
これらの中でも、結晶化度の高いゼオライトが得られる傾向にあることから、アルミン酸ナトリウム、硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、塩化アルミニウム、アルミニウムアルコキシドであることが好ましい。同様の観点からアルミン酸ナトリウム、水酸化アルミニウムであることがより好ましく、アルミン酸ナトリウムであることがさらに好ましい。
[Aluminum source]
The aluminum source is not particularly limited as long as it is commonly used, but specific examples include sodium aluminate, aluminum sulfate, aluminum nitrate, aluminum acetate, aluminum hydroxide, aluminum oxide, aluminum chloride, and aluminum alkoxide. , metallic aluminum, amorphous aluminosilicate gel, and the like. These compounds may be used singly or in combination.
Among these, sodium aluminate, aluminum sulfate, aluminum nitrate, aluminum acetate, aluminum hydroxide, aluminum chloride, and aluminum alkoxide are preferred because they tend to yield zeolite with a high degree of crystallinity. From the same point of view, sodium aluminate and aluminum hydroxide are more preferred, and sodium aluminate is even more preferred.
〔アルカリ金属源〕
アルカリ金属源におけるアルカリの種類は特に限定されず、任意のアルカリ金属、及び/又は任意のアルカリ土類金属化合物を使用することができる。
アルカリ金属源は、以下に限定されないが、例えば、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物、炭酸水素塩、炭酸塩、酢酸塩、硫酸塩、硝酸塩などが挙げられる。これらの化合物は、単独でも、複数を組み合わせて使用してもよい。
アルカリ金属源として用いるアルカリ金属及びアルカリ土類金属は、通常Li、Na、K、Rb、Cs、Ca、Mg、Sr、Ba等を用いることができる。MWF型骨格の結晶形成がより容易となる観点から、Na、Kであることが好ましく、Naであることがより好ましい。また、アルカリ金属源として用いるアルカリ金属及びアルカリ土類金属は単独でも、複数を組み合わせて使用してもよい。
具体的には、アルカリ金属源としては、以下に限定されないが、例えば、水酸化ナトリウム、酢酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、水酸化カリウム、酢酸カリウム、硫酸カリウム、硝酸カリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、水酸化リチウム、酢酸リチウム、硫酸リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム、炭酸水素リチウム、水酸化ルビジウム、酢酸ルビジウム、硫酸ルビジウム、硝酸ルビジウム、炭酸ルビジウム、炭酸水素ルビジウム、水酸化セシウム、酢酸セシウム、硫酸セシウム、硝酸セシウム、炭酸セシウム、炭酸水素セシウム、水酸化カルシウム、酢酸カルシウム、硫酸カルシウム、硝酸カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸水素カルシウム、水酸化マグネシウム、酢酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、硝酸マグネシウム、炭酸マグネシウム、炭酸水素マグネシウム、水酸化ストロンチウム、酢酸ストロンチウム、硫酸ストロンチウム、硝酸ストロンチウム、炭酸ストロンチウム、炭酸水素ストロンチウム、水酸化バリウム、酢酸バリウム、硫酸バリウム、硝酸バリウム、炭酸バリウム、炭酸水素バリウム等が挙げられる。
これらの中でも、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウムが好ましく、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウムがより好ましく、水酸化ナトリウムがさらに好ましい。
[Alkali metal source]
The type of alkali in the alkali metal source is not particularly limited, and any alkali metal and/or any alkaline earth metal compound can be used.
Alkali metal sources include, but are not limited to, alkali metal or alkaline earth metal hydroxides, bicarbonates, carbonates, acetates, sulfates, nitrates, and the like. These compounds may be used alone or in combination.
Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Mg, Sr, Ba and the like can be used as alkali metals and alkaline earth metals used as alkali metal sources. Na and K are preferable, and Na is more preferable, from the viewpoint of facilitating crystal formation of the MWF-type skeleton. Also, the alkali metals and alkaline earth metals used as the alkali metal source may be used singly or in combination.
Specifically, examples of alkali metal sources include, but are not limited to, sodium hydroxide, sodium acetate, sodium sulfate, sodium nitrate, sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydroxide, potassium acetate, potassium sulfate, potassium nitrate. , potassium carbonate, potassium hydrogen carbonate, lithium hydroxide, lithium acetate, lithium sulfate, lithium nitrate, lithium carbonate, lithium hydrogen carbonate, rubidium hydroxide, rubidium acetate, rubidium sulfate, rubidium nitrate, rubidium carbonate, rubidium hydrogen carbonate, hydroxide Cesium, cesium acetate, cesium sulfate, cesium nitrate, cesium carbonate, cesium hydrogen carbonate, calcium hydroxide, calcium acetate, calcium sulfate, calcium nitrate, calcium carbonate, calcium hydrogen carbonate, magnesium hydroxide, magnesium acetate, magnesium sulfate, magnesium nitrate , magnesium carbonate, magnesium hydrogen carbonate, strontium hydroxide, strontium acetate, strontium sulfate, strontium nitrate, strontium carbonate, strontium hydrogen carbonate, barium hydroxide, barium acetate, barium sulfate, barium nitrate, barium carbonate, barium hydrogen carbonate, etc. be done.
Among these, sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, rubidium hydroxide, cesium hydroxide, calcium hydroxide, magnesium hydroxide, strontium hydroxide and barium hydroxide are preferred, and sodium hydroxide, potassium hydroxide, Lithium hydroxide, rubidium hydroxide and cesium hydroxide are more preferred, and sodium hydroxide is even more preferred.
〔有機構造規定剤〕
混合ゲルを水熱合成することによってゼオライトを製造する場合の有機構造規定剤は、ゼオライト構造への結晶化を促進する作用をする化合物である。ゼオライトの結晶化においては、必要に応じて有機構造規定剤を用いることができる。MWF型骨格の結晶形成がより容易となる、及び/又は合成時間が短くなり、ゼオライトを製造する際の経済性に優れる点から、有機構造規定剤を含む混合ゲルを用いて合成する方が好ましい。
有機構造規定剤は、所望のMWF型ゼオライトを形成しうるものであれば種類は問わず、如何なるものであってもよい。また、有機構造規定剤は単独でも、複数を組み合わせて使用してもよい。
有機構造規定剤としては、以下に限定されないが、例えば、アミン類、4級アンモニウム塩類、アルコール類、エーテル類、アミド類、アルキル尿素類、アルキルチオ尿素類、シアノアルカン類、ヘテロ原子として窒素を含む脂環式複素環化合物類を用いることができ、好ましくは4級アンモニウム塩、より好ましくはテトラアルキルアンモニウム塩、さらに好ましくはテトラエチルアンモニウム塩を用いる。
このような塩は、アニオンを伴う。このようなアニオンを代表するものには、以下に限定されないが、例えば、Cl-、Br-、I-などのハロゲンイオンや水酸化物イオン、酢酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、炭酸イオン及び炭酸水素イオンが含まれる。これらの中で、MWF型骨格の結晶形成がより容易となる観点からハロゲンイオン、水酸化物イオンであることが好ましく、ハロゲンイオンであることがより好ましい。
〔混合ゲルの組成比〕
混合ゲル中のシリカ源とOH-の比は、SiO2に対するOH-のモル比、すなわちOH-/SiO2で表す(OH-はアルカリ金属源、及び/又は有機構造規定剤に含まれる水酸化物イオンである)。本実施形態におけるMWF型ゼオライトを合成するには、前駆体オリゴマーを合成する条件を制御することが望ましい。
8員環構造が欠損なく形成されることで分子篩効果が発現し、CH4吸着量が低減する。8員環構造等の高次構造に由来するピークAの強度比が高い、すなわち、8員環構造を明瞭に形成させるためには、gis構造等やその前駆体が崩壊することなく組み上がって高次構造を形成することが望ましい。これらの観点から、成長したゼオライトの再溶解を防ぐことが好ましく、溶解を抑制するためにはOH-が少ない方が好ましい。
一方で、8員環や骨格を構成する微細構造、すなわち、Si-OやAl-Oの結合に欠損や歪みがあるとCO2吸着サイトが低減し、CO2吸着量が低減する可能性がある。この様な微細構造が欠損や歪みなく形成された場合は、ピークAに帰属する面と平行で、より微細な構造に由来するピークBやCが相対的に高くなる。Si-OあるいはAl-Oの欠損や結合の歪を発生させないためには、原料となるシリカ源やアルミ源をより溶解させる方が好ましく、これらをより溶解させるためにはOH-が多い方が好ましい。
したがって、CO2吸着量が多いと同時にCH4吸着量が少ないMWF型ゼオライトはB/AとC/Aが特定の範囲にある場合に限られる。発明者が鋭意検討した結果、合成液中に存在するOH-の量は、SiO2に対し、0.10≦OH-/SiO2≦0.60であれば、Si-OあるいはAl-Oの欠損や結合の歪を発生させることなく、B/AとC/Aを特定比にすることができるMWF型ゼオライトを合成できる。
OH-/SiO2は上記の範囲の中でも、0.15以上であることがより好ましく、0.18以上であることがさらに好ましい。
OH-/SiO2は上記の範囲の中でも、0.40未満であることがより好ましく、0.35以下であることがさらに好ましい。
混合ゲル中のシリカ源とアルミ源の比は、それぞれの元素の酸化物のモル比、すなわちSiO2/Al2O3として表す。
このSiO2/Al2O3は、ゼオライトが形成可能な比であれば特に限定されないが、MWF型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制できる傾向にあることから、5.0以上が好ましく、6.0以上であることがより好ましい。同様の観点から、6.8以上であることがさらに好ましい。
SiO2/Al2O3は、MWF型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制できる傾向にあることから、12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。同様の観点から、7.8以下であることがさらに好ましい。
混合ゲル中のアルミ源とアルカリ金属源の比は、Al2O3に対するM12OとM2Oの加算モル比、すなわち(M12O+M2O)/Al2O3として表す(ここで、M1はアルカリ金属を示し、M2はアルカリ土類金属を示す)。なお、この(M12O+M2O)/Al2O3は、MWF型骨格の結晶形成がより容易となる観点から、1.3以上であることが好ましく、1.5以上であることがより好ましい。同様の観点から、1.7以上であることがさらに好ましい。
(M12O+M2O)/Al2O3は、MWF型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制できる観点から3.2以下であることが好ましく、2.5以下がより好ましい。同様の観点から、2.2以下であることがさらに好ましい。
混合ゲル中に有機構造規定剤を含む場合は、混合ゲル中のアルミ源と有機構造規定剤の比は、Al2O3に対する有機構造規定剤のモル比、すなわちR/Al2O3として表す(ここでRは有機構造規定剤を示す)。MWF型骨格の結晶形成がより容易となる、及び/又は合成時間が短くなり、ゼオライトを製造する際の経済性に優れる点から、2.0以上であることが好ましく、3.0以上がより好ましい。MWF型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制できる観点から、4.0以上であることがさらに好ましい。
R/Al2O3は、合成時間が短くなり、ゼオライトを製造する際の経済性に優れる点から、50以下であることが好ましく、30以下であることがより好ましい。MWF型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制できる観点から、20以下であることがさらに好ましい。
混合ゲル中のアルミ源と水の比は、Al2O3に対する水のモル比、すなわちH2O/Al2O3として表す。混合ゲル中の成分がより均一に分散される傾向にあることから、100以上であることが好ましく、200以上であることがより好ましい。MWF型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制でき、結晶性の高いMWF型ゼオライトを生成できる観点から、300以上であることがさらに好ましい。
H2O/Al2O3が高いと結晶性は向上するが、結晶成長の核の発生数が少なくなり、結晶子サイズは大きくなると同時に、粒子径も大きくなる傾向にある。さらに成長中の結晶同士が接触して一体化することも少なくなるため、結晶子の数が少なく粒界や結晶欠陥の少ない単結晶に近い高結晶性MWFの成長が可能となる。高い結晶性はMWFの8員環構造を明瞭に形成するため、二酸化炭素の選択性の向上のために重要であるが、実際に吸着剤としてPSAやTSAに用いる場合は粒子径が小さく表面積が多く、二酸化炭素の吸着サイトが多数存在することで吸着容量を増やすことと、結晶子の粒界や欠陥など、ガスの拡散の速い経路が存在することで吸脱着速度が速いことも重要である。したがって、結晶性が高すぎると吸着剤としての性能は低下してしまうため、H2O/Al2O3は高すぎると好ましくない。さらに、H2O/Al2O3が低い方が合成時間が短くなり、ゼオライトを製造する際の経済性に優れる。以上の観点から、500未満であることが好ましく、490以下であることがより好ましく、さらに485以下であることがさらに好ましい。
以上のとおり、本実施形態におけるMWF型ゼオライトの製造方法は、珪素を含むシリカ源と、アルミニウムを含むアルミ源と、アルカリ金属(M1)及びアルカリ土類金属(M2)から選ばれる少なくとも1種を含むアルカリ金属源と、水と、を含有する混合ゲルの調製工程を含み、前記混合ゲルにおける各成分のモル比を、前記珪素、アルミニウム、アルカリ金属(M1)及びアルカリ土類金属(M2)については各元素の酸化物として算出するとき、下記式(1)、(2)、(3)及び(4)で表されるモル比α、β、γ、δが、5.0≦α≦12、1.3≦β≦3.2、100≦γ<500及び0.10≦δ≦0.60を満たすことがとりわけ好ましい。本実施形態におけるMWF型ゼオライトは、上述した本実施形態におけるMWF型ゼオライトの製造方法により得られるものであることが特に好ましい。
α=SiO2/Al2O3 (1)
β=(M12O+M2O)/Al2O3 (2)
γ=H2O/Al2O3 (3)
δ=OH-/SiO2 (4)
さらに、本実施形態におけるMWF型ゼオライトの製造方法において、モル比α、β、γ、δが上記範囲を満たし、かつ、混合ゲルが、さらに有機構造規定剤Rを含み、かつ、下記式(5)で表されるモル比εが、2.0≦ε≦50を満たすことが一層好ましい。
ε=R/Al2O3 (5)
必ずしも混合ゲル中に種結晶を存在させる必要は無いが、予め製造したMWF型ゼオライトを種結晶として混合ゲルに添加して、本実施形態におけるMWF型ゼオライトを得ることもできる。
[Organic Structure Directing Agent]
The organic structure-directing agent in producing zeolite by hydrothermally synthesizing a mixed gel is a compound that promotes crystallization into a zeolite structure. In the crystallization of zeolite, an organic structure-directing agent can be used as necessary. It is preferable to synthesize using a mixed gel containing an organic structure directing agent in terms of easier crystal formation of the MWF-type skeleton and/or shorter synthesis time and excellent economic efficiency in producing zeolite. .
The organic structure-directing agent may be of any type as long as it can form a desired MWF-type zeolite. Further, the organic structure-directing agents may be used singly or in combination.
Examples of organic structure-directing agents include, but are not limited to, amines, quaternary ammonium salts, alcohols, ethers, amides, alkylureas, alkylthioureas, cyanoalkanes, containing nitrogen as a heteroatom. Alicyclic heterocyclic compounds can be used, preferably quaternary ammonium salts, more preferably tetraalkylammonium salts, and even more preferably tetraethylammonium salts.
Such salts are associated with anions. Representatives of such anions include, but are not limited to, halogen ions such as Cl − , Br − , I − , hydroxide ions, acetate ions, sulphate ions, nitrate ions, carbonate ions and carbonate ions. Contains hydrogen ions. Among these, halogen ions and hydroxide ions are preferred, and halogen ions are more preferred, from the viewpoint of facilitating crystal formation of the MWF-type skeleton.
[Composition ratio of mixed gel]
The ratio of the silica source and OH - in the mixed gel is represented by the molar ratio of OH - to SiO 2 , that is, OH - /SiO 2 (OH - is the alkali metal source and/or the hydroxide contained in the organic structure directing agent). ions). In order to synthesize the MWF-type zeolite in this embodiment, it is desirable to control the conditions for synthesizing the precursor oligomer.
Since the 8-membered ring structure is formed without defects, the molecular sieve effect is exhibited, and the CH 4 adsorption amount is reduced. The intensity ratio of peak A derived from a higher-order structure such as an 8-membered ring structure is high. It is desirable to form higher-order structures. From these points of view, it is preferable to prevent re-dissolution of the grown zeolite, and in order to suppress dissolution, it is preferable that OH - is as small as possible.
On the other hand, if there is a defect or distortion in the fine structure that constitutes the 8-membered ring or skeleton, that is, in the Si—O or Al—O bond, the number of CO 2 adsorption sites may decrease, and the amount of CO 2 adsorption may decrease. be. When such a fine structure is formed without defects or distortion, the peaks B and C, which are parallel to the plane belonging to the peak A and originate from finer structures, are relatively high. In order not to cause Si--O or Al--O defects and bond strain, it is preferable to dissolve more of the raw material silica source and aluminum source. preferable.
Therefore, the MWF-type zeolite, which has a large amount of CO 2 adsorption and a small amount of CH 4 adsorption, is limited to cases where B/A and C/A are within specific ranges. As a result of intensive studies by the inventors, the amount of OH - present in the synthesis liquid relative to SiO 2 is such that if 0.10≦OH - /SiO 2 ≦0.60, Si—O or Al—O It is possible to synthesize an MWF-type zeolite capable of achieving a specific ratio of B/A and C/A without causing defects or bond strain.
Within the above range, OH − /SiO 2 is more preferably 0.15 or more, even more preferably 0.18 or more.
Within the above range, OH - /SiO 2 is more preferably less than 0.40, more preferably 0.35 or less.
The ratio of silica source and aluminum source in the mixed gel is expressed as the molar ratio of the oxides of the respective elements, ie SiO2 / Al2O3 .
The ratio of SiO 2 /Al 2 O 3 is not particularly limited as long as the ratio is capable of forming zeolite, but is preferably 5.0 or more because the formation of zeolite having a skeleton different from the MWF type skeleton tends to be suppressed. , 6.0 or more. From the same point of view, it is more preferably 6.8 or more.
SiO 2 /Al 2 O 3 is preferably 12 or less, more preferably 10 or less, since the formation of zeolite having a framework different from the MWF-type framework tends to be suppressed. From the same point of view, it is more preferably 7.8 or less.
The ratio of the aluminum source and the alkali metal source in the mixed gel is expressed as the additive molar ratio of M12O and M2O to Al2O3, that is, (M12O + M2O ) / Al2O3 (where M1 is an alkali metal and M2 represents an alkaline earth metal). This (M1 2 O+M2O)/Al 2 O 3 is preferably 1.3 or more, more preferably 1.5 or more, from the viewpoint of facilitating crystal formation of the MWF-type skeleton. From the same point of view, it is more preferably 1.7 or more.
(M1 2 O+M2O)/Al 2 O 3 is preferably 3.2 or less, more preferably 2.5 or less, from the viewpoint of suppressing the formation of zeolite having a framework different from the MWF-type framework. From the same point of view, it is more preferably 2.2 or less.
When the mixed gel contains an organic structure directing agent, the ratio of the aluminum source to the organic structure directing agent in the mixed gel is expressed as the molar ratio of organic structure directing agent to Al2O3 , i.e., R/ Al2O3 . (where R represents an organic structure directing agent). It is preferably 2.0 or more, and more preferably 3.0 or more, in terms of easier crystal formation of the MWF-type skeleton and/or shorter synthesis time and excellent economic efficiency in producing zeolite. preferable. From the viewpoint of suppressing the formation of zeolite having a skeleton different from the MWF-type skeleton, it is more preferably 4.0 or more.
R/Al 2 O 3 is preferably 50 or less, more preferably 30 or less, from the viewpoint of shortening the synthesis time and improving the economic efficiency in producing zeolite. From the viewpoint of suppressing the formation of zeolite having a skeleton different from the MWF-type skeleton, it is more preferably 20 or less.
The ratio of aluminum source to water in the mixed gel is expressed as the molar ratio of water to Al2O3 , H2O / Al2O3 . It is preferably 100 or more, more preferably 200 or more, because the components in the mixed gel tend to be more uniformly dispersed. From the viewpoint of suppressing the formation of zeolite having a skeleton different from the MWF-type skeleton and producing an MWF-type zeolite with high crystallinity, it is more preferably 300 or more.
When the H 2 O/Al 2 O 3 ratio is high, the crystallinity is improved, but the number of nuclei generated for crystal growth is reduced, and the crystallite size tends to increase and the particle size also tends to increase. Furthermore, since crystals during growth are less likely to come into contact with each other and be integrated, it is possible to grow a highly crystalline MWF with a small number of crystallites and few grain boundaries and crystal defects. High crystallinity clearly forms the eight-membered ring structure of MWF, which is important for improving carbon dioxide selectivity. It is also important to increase the adsorption capacity due to the presence of many carbon dioxide adsorption sites, and to increase the adsorption and desorption rate due to the presence of fast gas diffusion paths such as grain boundaries and defects in crystallites. . Therefore, if the crystallinity is too high, the performance as an adsorbent is lowered, so if the H 2 O/Al 2 O 3 ratio is too high, it is not preferable. Furthermore, the lower the H 2 O/Al 2 O 3 ratio, the shorter the synthesis time and the more economical the production of zeolite. From the above viewpoints, it is preferably less than 500, more preferably 490 or less, and even more preferably 485 or less.
As described above, in the method for producing an MWF-type zeolite in the present embodiment, a silica source containing silicon, an aluminum source containing aluminum, and at least one selected from alkali metals (M1) and alkaline earth metals (M2) are used. and water, wherein the molar ratio of each component in the mixed gel is determined with respect to the silicon, aluminum, alkali metal (M1) and alkaline earth metal (M2) When calculated as an oxide of each element, the molar ratios α, β, γ, δ represented by the following formulas (1), (2), (3) and (4) are 5.0 ≤ α ≤ 12 , 1.3≦β≦3.2, 100≦γ<500 and 0.10≦δ≦0.60. It is particularly preferable that the MWF-type zeolite in the present embodiment is obtained by the method for producing the MWF-type zeolite in the present embodiment described above.
α=SiO 2 /Al 2 O 3 (1)
β=(M1 2 O+M2O)/Al 2 O 3 (2)
γ=H 2 O/Al 2 O 3 (3)
δ=OH − /SiO 2 (4)
Furthermore, in the method for producing MWF-type zeolite in the present embodiment, the molar ratios α, β, γ, and δ satisfy the above ranges, the mixed gel further contains an organic structure directing agent R, and the following formula (5 ) more preferably satisfies 2.0≦ε≦50.
ε=R/Al 2 O 3 (5)
Although seed crystals do not necessarily exist in the mixed gel, MWF-type zeolite according to the present embodiment can also be obtained by adding previously produced MWF-type zeolite as seed crystals to the mixed gel.
〔水熱合成工程〕
本実施形態におけるMWF型ゼオライトの製造方法において、水熱合成温度が100℃~170℃である水熱合成工程をさらに含むことが好ましい。すなわち、好ましくは、調製工程により得た混合ゲルを所定の温度で、所定の時間、撹拌又は静置状態で保持することにより水熱合成する。
水熱合成の温度は、一般的に用いられる温度であれば特に限定されないが、合成時間が短くなり、ゼオライト製造する際の経済性に優れる点から、100℃以上であることが好ましい。MWF型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制できる観点から、110℃以上であることがより好ましく、115℃以上であることがさらに好ましい。
有機構造規定剤の分解を抑制できる傾向にあることから、170℃以下であることが好ましい。MWF型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制できる観点から、155℃以下であることがより好ましく、145℃以下であることがさらに好ましい。
水熱合成の温度は一定でもよいし、段階的に変化させてもよい。
水熱合成の時間は一般的に用いられる時間であれば特に限定されず、水熱合成の温度により適宜選択することができる。
水熱合成の時間は、MWF骨格が形成される点から、3時間以上であることが好ましく、10時間以上であることがより好ましい。MWF型ゼオライトの収量が高まり、経済性に優れる観点から、さらに好ましくは24時間以上である。
有機構造規定剤の分解を抑制できる傾向にあることから、30日以下であることが好ましく、20日以下であることがより好ましい。MWF型骨格と異なる骨格を有するゼオライトの形成が抑制できる観点から、10日以下であることがさらに好ましい。
水熱合成工程において、混合ゲルを入れる容器は一般的に用いられる容器であれば特に限定されないが、所定の温度において容器内の圧力が高まる場合、又は、結晶化を阻害しない気体加圧下とする場合には、耐圧容器に入れ、水熱合成することが好ましい。
耐圧容器は、特に限定されず、例えば、球形状、縦長状、横長状等の各種の形状を用いることができる。
耐圧容器内の混合ゲルを撹拌する際には、耐圧容器を上下方向に及び/又は左右方向に回転させるが、好ましくは上下方向に回転させる。
耐圧容器を上下方向に回転させる場合、その回転速度は一般的に用いられる範囲であれば特に限定されないが、1~50rpmが好ましく、10~40rpmであることがより好ましい。
水熱合成工程において、混合ゲルを好ましく撹拌するには、耐圧容器として縦長のものを用い、これを上下方向に回転させる方法が挙げられる。
[Hydrothermal synthesis step]
The method for producing MWF-type zeolite in the present embodiment preferably further includes a hydrothermal synthesis step in which the hydrothermal synthesis temperature is 100°C to 170°C. That is, preferably, the mixed gel obtained in the preparation step is hydrothermally synthesized by holding the mixed gel at a predetermined temperature for a predetermined time while stirring or standing still.
The temperature of the hydrothermal synthesis is not particularly limited as long as it is a commonly used temperature, but it is preferably 100° C. or higher from the viewpoint of shortening the synthesis time and improving the economic efficiency of zeolite production. From the viewpoint of suppressing the formation of zeolite having a skeleton different from the MWF-type skeleton, the temperature is more preferably 110° C. or higher, and even more preferably 115° C. or higher.
The temperature is preferably 170° C. or lower because it tends to suppress the decomposition of the organic structure-directing agent. From the viewpoint of suppressing the formation of zeolite having a skeleton different from the MWF-type skeleton, the temperature is more preferably 155° C. or lower, and even more preferably 145° C. or lower.
The temperature for hydrothermal synthesis may be constant or may be changed stepwise.
The hydrothermal synthesis time is not particularly limited as long as it is a generally used time, and can be appropriately selected depending on the hydrothermal synthesis temperature.
The hydrothermal synthesis time is preferably 3 hours or longer, more preferably 10 hours or longer, in order to form the MWF skeleton. It is more preferably 24 hours or more from the viewpoint of increasing the yield of MWF-type zeolite and being excellent in economic efficiency.
It is preferably 30 days or less, more preferably 20 days or less, because it tends to suppress the decomposition of the organic structure-directing agent. From the viewpoint of suppressing the formation of zeolite having a skeleton different from the MWF-type skeleton, it is more preferably 10 days or less.
In the hydrothermal synthesis step, the container in which the mixed gel is placed is not particularly limited as long as it is a commonly used container. In that case, it is preferable to put it in a pressure vessel and perform hydrothermal synthesis.
The pressure-resistant container is not particularly limited, and various shapes such as a spherical shape, a vertically long shape, and a horizontally long shape can be used.
When stirring the mixed gel in the pressure container, the pressure container is rotated vertically and/or horizontally, preferably vertically.
When rotating the pressure container in the vertical direction, the rotation speed is not particularly limited as long as it is within the range generally used, but is preferably 1 to 50 rpm, more preferably 10 to 40 rpm.
In the hydrothermal synthesis step, in order to preferably stir the mixed gel, there is a method of using a vertically long pressure vessel and rotating it vertically.
〔分離・乾燥工程〕
水熱合成工程後、生成物である固体と水を含む液体とを分離するが、その分離方法は一般的な方法であれば特に限定されず、濾過、デカンテーション、噴霧乾燥法(回転噴霧、ノズル噴霧及び超音波噴霧など)、回転蒸発器を用いた乾燥法、真空乾燥法、凍結乾燥法、又は自然乾燥法等を用いることができ、通常は濾過又はデカンテーションにより分離することができる。
分離されたものはそのまま用いても、水、又は所定の溶剤で洗浄しても構わない。必要に応じ、分離されたものを乾燥することができる。
分離されたものを乾燥する温度は、一般的な乾燥する温度であれば特に限定されないが、通常、室温から150℃以下である。
乾燥する際の雰囲気は、一般的に用いられる雰囲気であれば特に限定されないが、通常、空気雰囲気、窒素、アルゴンなどの不活性ガスや酸素を付加した雰囲気が用いられる。
[Separation/drying process]
After the hydrothermal synthesis step, the product solid and liquid containing water are separated, but the separation method is not particularly limited as long as it is a general method, and filtration, decantation, spray drying (rotary spray, Nozzle spraying, ultrasonic spraying, etc.), a drying method using a rotary evaporator, a vacuum drying method, a freeze-drying method, a natural drying method, or the like can be used, and the separation can be usually performed by filtration or decantation.
The separated material may be used as it is or washed with water or a predetermined solvent. If desired, the separated material can be dried.
The temperature for drying the separated material is not particularly limited as long as it is a common drying temperature, but it is usually from room temperature to 150°C or less.
The atmosphere for drying is not particularly limited as long as it is a generally used atmosphere, but an air atmosphere, an inert gas such as nitrogen or argon, or an oxygen-added atmosphere is usually used.
〔焼成工程〕
必要に応じて、MWF型ゼオライトを焼成して用いることができる。焼成する温度は、一般的に用いられる温度であれば特に限定されないが、有機構造規定剤を除去したい場合、その残っている割合を少なくできることから、300℃以上であることが好ましく、350℃以上であることがより好ましい。焼成の時間が短くなり、ゼオライトを製造する際の経済性に優れる点から、400℃以上であることがさらに好ましい。
ゼオライトの結晶性が保持される傾向にあることから、550℃未満であることが好ましく、530℃以下であることがより好ましく、500℃以下であることがさらに好ましい。
焼成する時間は、有機構造規定剤が十分除去される時間であれば特に限定されず、焼成の温度により適宜選択することができるが、有機構造規定剤が残っている割合を少なくできる傾向にあることから、0.5時間以上であることが好ましく、1時間以上であることがより好ましく、3時間以上であることがさらに好ましい。
ゼオライトの結晶性が保持される傾向にあることから、20日以下であることが好ましく、10日以下であることがより好ましく、7日以下であることがさらに好ましい。
焼成の雰囲気は、一般的に用いられる雰囲気であれば特に限定されないが、通常、空気雰囲気、窒素、アルゴンなどの不活性ガスや酸素を付加した雰囲気が用いられる。
[Baking process]
If necessary, the MWF-type zeolite can be calcined and used. The firing temperature is not particularly limited as long as it is a temperature generally used, but when the organic structure-directing agent is desired to be removed, the remaining ratio can be reduced. is more preferable. A temperature of 400° C. or higher is more preferable from the viewpoint of shortening the calcination time and being excellent in economic efficiency in producing zeolite.
Since the crystallinity of zeolite tends to be maintained, the temperature is preferably less than 550°C, more preferably 530°C or less, and even more preferably 500°C or less.
The calcination time is not particularly limited as long as the organic structure-directing agent is sufficiently removed, and can be appropriately selected depending on the calcination temperature. Therefore, the time is preferably 0.5 hours or longer, more preferably 1 hour or longer, and even more preferably 3 hours or longer.
Since the crystallinity of zeolite tends to be maintained, the time is preferably 20 days or less, more preferably 10 days or less, and even more preferably 7 days or less.
The firing atmosphere is not particularly limited as long as it is a generally used atmosphere, but an air atmosphere, an atmosphere containing an inert gas such as nitrogen or argon, or an oxygen-added atmosphere is usually used.
〔カチオン交換〕
必要に応じて、MWF型ゼオライトを、所望のカチオン型へカチオン交換を行うことができる。カチオン交換は、以下に限定されないが、例えば、NH4NO3、LiNO3、NaNO3、KNO3、RbNO3、CsNO3、Be(NO3)2、Ca(NO3)2、Mg(NO3)2、Sr(NO3)2、Ba(NO3)2など硝酸塩、あるいは前記硝酸塩に含まれる硝酸イオンがハロゲン化物イオン、硫酸イオン、炭酸イオン、炭酸水素イオン、酢酸イオン、リン酸イオン、リン酸水素イオンである塩、硝酸や塩酸などの酸を用いることができる。
カチオン交換の温度は、一般的なカチオン交換の温度であれば特に限定されないが、通常、室温から100℃以下である。
カチオン交換後のゼオライトを分離する際、その分離方法は一般的な方法であれば特に限定されず、濾過、デカンテーション、噴霧乾燥法(回転噴霧、ノズル噴霧及び超音波噴霧など)、回転蒸発器を用いた乾燥法、真空乾燥法、凍結乾燥法、又は自然乾燥法等を用いることができ、通常は濾過又はデカンテーションにより分離することができる。
分離されたものはそのまま用いても、水、又は所定の溶剤で洗浄しても構わない。必要に応じ、分離されたものを乾燥することができる。
分離されたものを乾燥する温度は、一般的な乾燥する温度であれば特に限定されないが、通常、室温から150℃以下である。
乾燥する際の雰囲気は、一般的に用いられる雰囲気であれば特に限定されないが、通常、空気雰囲気、窒素、アルゴンなどの不活性ガスや酸素を付加した雰囲気が用いられる。
さらに、アンモニウム型ゼオライトは該ゼオライトを焼成することによりプロトン型ゼオライトに変換することもできる。
[Cation exchange]
If desired, the MWF-type zeolite can be cation-exchanged to the desired cation form. Cation exchange includes, but is not limited to, NH4NO3 , LiNO3 , NaNO3 , KNO3 , RbNO3 , CsNO3 , Be ( NO3 ) 2 , Ca( NO3 ) 2 , Mg( NO3 ) 2 , Sr(NO 3 ) 2 , Ba(NO 3 ) 2 and other nitrates, or the nitrate ions contained in the nitrates are halide ions, sulfate ions, carbonate ions, bicarbonate ions, acetate ions, phosphate ions, phosphorus Salts that are oxyhydrogen ions and acids such as nitric acid and hydrochloric acid can be used.
The temperature for cation exchange is not particularly limited as long as it is a general cation exchange temperature, but it is usually from room temperature to 100°C or less.
When separating the zeolite after cation exchange, the separation method is not particularly limited as long as it is a general method, filtration, decantation, spray drying method (rotary atomization, nozzle atomization, ultrasonic atomization, etc.), rotary evaporator can be used, such as drying, vacuum drying, freeze-drying, or air-drying, and usually separation can be carried out by filtration or decantation.
The separated material may be used as it is or washed with water or a predetermined solvent. If desired, the separated material can be dried.
The temperature for drying the separated material is not particularly limited as long as it is a common drying temperature, but it is usually from room temperature to 150°C or less.
The atmosphere for drying is not particularly limited as long as it is a generally used atmosphere, but an air atmosphere, an inert gas such as nitrogen or argon, or an oxygen-added atmosphere is usually used.
Furthermore, ammonium-type zeolite can also be converted into proton-type zeolite by calcining the zeolite.
<吸着剤の成型方法>
GIS型ゼオライト、K型GIS型ゼオライト及びMWF型ゼオライトは粉末状で得られることから成型して吸着剤として用いることが好ましい。本実施形態におけるゼオライトを成型することで吸着剤の充填や交換の際に作業が容易になるほか、適切な形状とすることでガスの拡散性を向上させ、より高効率に二酸化炭素を吸着することができる。
成型方法は特に限定されないが、粉末を圧縮成型する方法、バインダーと混合し、押出し成型する方法、バインダーや溶媒と混合し、支持体に塗布する方法などが挙げられる。
圧縮成型する方法は、適当な大きさの型に成型したいゼオライトを入れ、40kgN/cm2程度の圧力をかけて成型し、適度に粉砕したものを篩によって大きさをそろえることで成型できる。
押出し成型する場合は、バインダーと予め混合してから押出し成型する方法等が挙げられる。バインダーは、シリカ、アルミナ、ムライト、カオリン、カーボンや有機物を適当に混合して用いることが出来る。他にも炭素繊維やセルロースなどを用いることもできる。セルロースは水酸基があるためゼオライトとの密着性がよく、繊維状なため成型体内部でのガスの拡散性を高めることができる。押出し成型体の形状は特に限定されないが、棒状、俵状、中空状、ハニカム状等が挙げられる。棒状、俵状の場合は直径1から5mm程度で連続押出しし、2から20mm程度の長さで切断することで得られる。俵状の場合は、打錠成型してもよい。中空状やハニカム状の場合も押出し口の形状を変えることで、棒状と同様に成型することが出来る。
支持体に塗布する場合は、ゼオライトとバインダーと溶媒を適当に混合し、塗布、噴霧、ディップコートなどの方法で支持体に混合液を塗り、乾燥して溶媒を除去する方法等が挙げられる。バインダーにはシリカ、アルミナ、ムライト、カオリン、カーボン、有機物、炭素繊維、セルロース等を用いることが出来る。支持体はシリカ、アルミナ、ムライトなどの無機材料粒子を焼結した多孔質体や、ポリエチレン、PETなどを用いた有機物の多孔質フィルム、カーボン繊維やセルロース等を抄紙したフィルムやパルプなどを用いた一般的な紙を用いることもできる。フィルム状の支持体を用いた場合はロール状やスペーサーを設置して束ねた形状にして容器に充填することができる。支持体を用いてこれらの形状とすることで、ガス拡散性を向上させ、ガス吸着効率を向上させることができる。さらに支持体に高熱伝導性材料を用いた場合は、ガス吸着前の吸着剤の冷却やガス脱離時の加熱の際に短時間で処理が可能となることに加え、吸着熱と気化熱の熱交換をする場合は効率を高めることができる。
<Molding method of adsorbent>
Since GIS-type zeolite, K-type GIS-type zeolite, and MWF-type zeolite are obtained in the form of powder, they are preferably molded and used as adsorbents. Molding the zeolite in this embodiment facilitates the work of filling and replacing the adsorbent, and by making it an appropriate shape, the diffusivity of the gas is improved, and carbon dioxide is adsorbed more efficiently. be able to.
The molding method is not particularly limited, but examples include a method of compression molding a powder, a method of mixing with a binder and extrusion molding, and a method of mixing with a binder or a solvent and applying to a support.
In the compression molding method, the zeolite to be molded is placed in a mold of an appropriate size, molded by applying a pressure of about 40 kgN/cm 2 , and the crushed product is sieved to a uniform size.
In the case of extrusion molding, a method of pre-mixing with a binder and then extrusion molding may be used. As the binder, silica, alumina, mullite, kaolin, carbon and organic matter can be appropriately mixed and used. In addition, carbon fiber, cellulose, etc. can also be used. Since cellulose has a hydroxyl group, it has good adhesion to zeolite, and since it is fibrous, it can increase the diffusion of gas inside the molded body. The shape of the extruded body is not particularly limited, but may be rod-shaped, bale-shaped, hollow, honeycomb-shaped, or the like. In the case of a rod or bale shape, it is obtained by continuous extrusion with a diameter of about 1 to 5 mm and cutting into lengths of about 2 to 20 mm. In the case of a bale shape, it may be tablet-molded. A hollow or honeycomb shape can also be molded in the same way as a rod shape by changing the shape of the extrusion port.
In the case of coating on a support, zeolite, a binder and a solvent are appropriately mixed, the mixture is applied to the support by a method such as coating, spraying or dip coating, followed by drying to remove the solvent. Silica, alumina, mullite, kaolin, carbon, organic matter, carbon fiber, cellulose and the like can be used as the binder. As the support, a porous material obtained by sintering inorganic material particles such as silica, alumina, or mullite, an organic porous film using polyethylene, PET, or the like, a film or pulp made of carbon fiber, cellulose, or the like is used. Ordinary paper can also be used. When a film-like support is used, it can be packed into a container in the form of a roll or bundled with a spacer. By using the support to form these shapes, the gas diffusibility can be improved, and the gas adsorption efficiency can be improved. Furthermore, when a high thermal conductivity material is used for the support, it is possible to cool the adsorbent before gas adsorption and heat it during gas desorption in a short time. Efficiency can be increased when heat is exchanged.
<ガス吸着装置>
本実施形態のガス分離方法を実施する上で、分離対象となる原料ガスが吸着剤に接触することで特定のガスを分離できればよく、種々公知のガス吸着装置を用いることができる。ガス吸着装置の構成についても特に限定されないが、次に挙げるような装置が例示できる。
図1はPSAに用いるガス吸着装置の例である。原料タンク6に貯蔵された二酸化炭素を含む原料ガスは、精製手段1を経て、除塵、除湿、脱硫、脱硝が行われ、吸着剤を充填した容器2a及び2bのいずれか一方に導入される。原料ガスと同等の圧力まで容器の圧力が高まったら上流のバルブを閉じ、下流のバルブを開けて残留ガスを除去する。残留ガスを除去した後、ポンプ3により原料ガスの圧力よりも下げて、吸着剤に吸着された二酸化炭素を脱離する。脱離を行っている時に先に吸着を行わなかった容器の吸着剤に二酸化炭素を吸着させることで吸着工程と脱離工程を同時に行うことができるため高効率で二酸化炭素の吸着回収が行える。一般的に脱離工程の方が時間を要することから、容器をさらに複数増設してより時間的な効率を上げることもできる。脱離により得られた二酸化炭素を含むガスはCO2タンク4に回収される。回収したガスの二酸化炭素の濃度をさらに高めたい場合は、ポンプ5により圧力を高め、再度容器2a及び2bのいずれか一方に導入して二酸化炭素を吸着させてもよいし、原料ガスと混合して吸着を行ってもよい。吸着の際には吸着熱が発生し、脱離の際には気化熱による冷却が起きることから、容器を熱交換器に接続し、伝熱させることで投入エネルギーを低減することもできる。
図2はTSAに用いるガス吸着装置の例である。原料タンク16に貯蔵された二酸化炭素を含む原料ガスは、精製手段11を経て、除塵、除湿、脱硫、脱硝が行われ、吸着剤を充填した容器12a及び12bのいずれか一方に導入される。ガス導入が完了したら上流のバルブを閉じ、下流のバルブを開けて二酸化炭素が除去された残留ガスを除去する。次にCO2タンク14に回収された二酸化炭素をヒーター15で加熱し、二酸化炭素を吸着した容器に導入し、吸着剤を加熱して二酸化炭素を脱離、除去する。除去した二酸化炭素はCO2タンク14に回収される。二酸化炭素を除去した後の吸着剤は自然冷却、あるいは熱交換器13等で冷却される。冷却している間にもう一方の容器の吸着剤で二酸化炭素を含む原料ガスの二酸化炭素を吸着させることで、時間的な効率を向上させることが出来る。さらに吸着の際には吸着熱が発生し、脱離の際には気化熱による冷却が起きることから、熱交換器13を用いて熱交換させることで投入エネルギーを低減することもできる。
上記の他、PSAに用いるガス吸着装置としても特に限定されず、例えば、図1に例示したガス吸着装置と図2に例示したガス吸着装置の各構成を適宜組み合わせたガス吸着装置を用いることができる。
PSA、TSA又はPTSAによるガス吸着装置の運転条件としても特に限定されず、種々公知の条件を採用して本実施形態のガス分離方法を実施することができる。
<Gas adsorption device>
In carrying out the gas separation method of the present embodiment, it is sufficient that a specific gas can be separated by bringing the raw material gas to be separated into contact with the adsorbent, and various known gas adsorption apparatuses can be used. The configuration of the gas adsorption device is also not particularly limited, but the following devices can be exemplified.
FIG. 1 shows an example of a gas adsorption device used for PSA. The raw material gas containing carbon dioxide stored in the
FIG. 2 shows an example of a gas adsorption device used for TSA. The raw material gas containing carbon dioxide stored in the
In addition to the above, the gas adsorption device used for PSA is not particularly limited, and for example, a gas adsorption device in which each configuration of the gas adsorption device illustrated in FIG. 1 and the gas adsorption device illustrated in FIG. 2 are appropriately combined can be used. can.
The operating conditions of the PSA, TSA, or PTSA gas adsorption apparatus are not particularly limited, and various known conditions can be employed to carry out the gas separation method of the present embodiment.
本実施形態のガス分離方法において、分離対象となる原料ガスは特に限定されないが、炭化水素、メタン、窒素、一酸化炭素、水素、ヘリウム及びアルゴンからなる群より選択される少なくとも1種と二酸化炭素とを含む混合ガスであることが好ましい。すなわち、当該混合ガスから、二酸化炭素を分離することが好ましい。 In the gas separation method of the present embodiment, the raw material gas to be separated is not particularly limited, but at least one selected from the group consisting of hydrocarbons, methane, nitrogen, carbon monoxide, hydrogen, helium and argon and carbon dioxide is preferably a mixed gas containing That is, it is preferable to separate carbon dioxide from the mixed gas.
以下に実施例等を挙げて本実施形態を更に詳細に説明するが、これらは例示的なものであり、本実施形態は以下の実施例に限定されるものではない。当業者は、以下に示す実施例に様々な変更を加えて本実施形態として実施することができ、かかる変更は本実施形態の所定の要件を満たす限りにおいて、本発明の範囲に包含される。 EXAMPLES The present embodiment will be described in more detail below with examples and the like, but these are illustrative and the present embodiment is not limited to the following examples. A person skilled in the art can implement the present embodiment by adding various changes to the examples shown below, and such changes are included in the scope of the present invention as long as the predetermined requirements of the present embodiment are satisfied.
〔結晶構造解析〕
結晶構造解析は以下の手順で行った。
(1)各実施例及び比較例で得られた乾燥物を試料として、メノウ乳鉢で粉砕した。
(2)上記(1)の試料を粉末用無反射試料板上に均一に固定し、下記条件で結晶構造解析を行った。
X線回折装置(XRD):リガク社製粉末X線回折装置「RINT2500型」(商品名)
X線源:Cu管球(40kV、200mA)
測定温度:25℃
測定範囲:5~60°(0.02°/step)
測定速度:0.2°/分
スリット幅(散乱、発散、受光):1°、1°、0.15mm
(3)得られたX線回折スペクトルをXRDデータ解析ソフト「PDXL2」(ソフト名、リガク社製)を用い、解析ソフト内の設定値「αカット値」を3.00としてデータ解析を行い、ピークの2θの値、ピークの高さを計測した。この時、ピークが検出されなかった場合はピーク高さを0とした。
[Crystal structure analysis]
Crystal structure analysis was performed by the following procedure.
(1) The dried materials obtained in each of the examples and comparative examples were used as samples and pulverized in an agate mortar.
(2) The sample of (1) above was uniformly fixed on a non-reflective sample plate for powder, and crystal structure analysis was performed under the following conditions.
X-ray diffractometer (XRD): Rigaku powder X-ray diffractometer "RINT2500 type" (trade name)
X-ray source: Cu tube (40 kV, 200 mA)
Measurement temperature: 25°C
Measurement range: 5 to 60° (0.02°/step)
Measurement speed: 0.2°/min Slit width (scattering, divergence, light reception): 1°, 1°, 0.15 mm
(3) Data analysis is performed on the obtained X-ray diffraction spectrum using XRD data analysis software "PDXL2" (software name, manufactured by Rigaku) with the set value "α cut value" in the analysis software set to 3.00, The 2θ value of the peak and the height of the peak were measured. At this time, the peak height was set to 0 when no peak was detected.
〔ガス吸着分離性能評価〕
図3は吸着剤のガス吸着分離性能評価装置(PSA、TSA及びPTSAのいずれの方法にも対応する装置)である。原料ガスタンク25に分離対象となる原料ガスを充填した。この原料ガスの組成は10質量%のCO2と90質量%のN2であった。原料ガスはマスフローコントローラ21で流量を調整し、恒温槽26の中に設置された、吸着剤を充填した容器22を流通させた。容器22には後述する実施例又は比較例で製造した吸着剤と原料ガスとが接触するように吸着剤を充填した。吸着剤でガス分離精製されたガスは流量計23を通り、GC-MS(質量分析)24により組成分析し、原料ガスとの差から、吸着されたガスの量を算出した。吸着剤は吸着前に恒温槽で250℃、12時間以上保持し、吸着された水やガス分子を脱離させてから吸着量測定を行うこととした。吸着性能の評価としては、ガス吸着分離した後のガスのCO2濃度が1%以下となる時間(破過時間)から吸着の速さを評価し、再びCO2濃度が1%以上となるまでの時間と流量から吸着剤で吸着したCO2の量を算出し、吸着容量を評価した。
[Gas adsorption separation performance evaluation]
FIG. 3 shows an adsorbent gas adsorption separation performance evaluation apparatus (apparatus compatible with any of PSA, TSA and PTSA methods). The raw
〔実施例1〕
水155.48gと水酸化ナトリウム(NaOH、和光純薬工業株式会社製)8.78gと、アルミン酸ナトリウム(NaAlO2、和光純薬工業株式会社製)16.4gと水ガラス3号(キシダ化学製)248.3gを混合し、18分間撹拌することで混合ゲルを調製した。混合ゲルの組成は、α=SiO2/Al2O3=12.0、β=Na2O/Al2O3=4.0、γ=P2O5/Al2O3=0.0、δ=H2O/Al2O3=150、ε=R/Al2O3=0.0であった。混合ゲルをフッ素樹脂内筒の入った1000mLのステンレス製オートクレーブに仕込み、撹拌なしで130℃、6日間水熱合成し、生成物をろ過して120℃で乾燥した後、粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライトのXRDを測定、得られたスペクトルよりGIS型ゼオライトが生成していることが分かった。スペクトルには12.42°にピークがあり、半値幅は0.42°であった。また、2θ=12.4及び21.6°付近のピーク高さをそれぞれA及びBとしたとき、A/Bは1.77であった。
得られたGIS型ゼオライトにγ-アルミナを10wt%混合し、直径3mm、高さ2mmに打錠成型した。成型体を335℃で4時間加熱して焼結したものを吸着剤とした。
吸着剤10gをガス吸着分離性能評価装置のSUS製の容器に入れ、水や吸着分子を脱離させた後、原料ガスを100cc/分で流通させ、流通後から処理後のガスのCO2濃度が1質量%以下になる時間を測定したところ、15秒であった。再び処理後のガスのCO2濃度が1質量%以上になるまでに吸着したCO2の量は400ccであった。
[Example 1]
155.48 g of water, 8.78 g of sodium hydroxide (NaOH, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 16.4 g of sodium aluminate (NaAlO 2 , manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and water glass No. 3 (Kishida Chemical) A mixed gel was prepared by mixing 248.3 g of the product) and stirring for 18 minutes. The composition of the mixed gel is α=SiO 2 /Al 2 O 3 =12.0, β=Na 2 O/Al 2 O 3 =4.0, γ=P 2 O 5 /Al 2 O 3 =0.0. , δ=H 2 O/Al 2 O 3 =150, and ε=R/Al 2 O 3 =0.0. The mixed gel is charged into a 1000 mL stainless steel autoclave containing a fluororesin inner cylinder, hydrothermally synthesized at 130 ° C. for 6 days without stirring, the product is filtered and dried at 120 ° C., and powdered zeolite is obtained. rice field.
The XRD of the obtained zeolite was measured, and it was found from the obtained spectrum that GIS type zeolite was produced. The spectrum had a peak at 12.42° with a half-width of 0.42°. Further, when the peak heights near 2θ=12.4 and 21.6° were defined as A and B, respectively, A/B was 1.77.
10 wt % of γ-alumina was mixed with the obtained GIS-type zeolite, and the mixture was molded into tablets of 3 mm in diameter and 2 mm in height. The adsorbent was obtained by heating and sintering the compact at 335° C. for 4 hours.
Put 10 g of the adsorbent in a SUS container of a gas adsorption and separation performance evaluation device, desorb water and adsorbed molecules, and then flow the raw material gas at 100 cc / min. was 15 seconds. The amount of CO 2 adsorbed until the CO 2 concentration of the treated gas reached 1% by mass or more was 400 cc.
〔実施例2〕
水1554.8gとし、δ=H2O/Al2O3=1500として、ゲルの混合時間を60分間撹拌して、水熱合成時間を135℃、10日間とした以外は実施例1と同様にして、粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライトのXRDを測定、得られたスペクトルよりGIS型ゼオライトが生成していることが分かった。スペクトルには12.42°にピークがあり、半値幅は0.07°であった。また、2θ=12.4及び21.6°付近のピーク高さをそれぞれA及びBとしたとき、A/Bは1.79であった。
実施例1と同様に吸着剤を作成し、実施例1と同じ方法でガス吸着分離性能評価を行ったところ、流通後から処理後のガスのCO2濃度が1質量%以下になる時間は19秒であった。再び処理後のガスのCO2濃度が1質量%以上になるまでに吸着したCO2の量は380ccであった。
[Example 2]
Same as Example 1 except that 1554.8 g of water was used, δ=H 2 O/Al 2 O 3 =1500, the gel mixing time was stirred for 60 minutes, and the hydrothermal synthesis time was 135° C. for 10 days. to obtain a powdery zeolite.
The XRD of the obtained zeolite was measured, and it was found from the obtained spectrum that GIS type zeolite was produced. The spectrum had a peak at 12.42° with a half-width of 0.07°. Further, when the peak heights near 2θ=12.4 and 21.6° were set to A and B, respectively, A/B was 1.79.
An adsorbent was prepared in the same manner as in Example 1, and gas adsorption and separation performance was evaluated in the same manner as in Example 1. The time taken for the CO 2 concentration of the treated gas to become 1% by mass or less after circulation was 19%. was seconds. The amount of CO 2 adsorbed until the CO 2 concentration of the treated gas reached 1% by mass or more was 380 cc.
〔比較例1〕
水98.47gとし、δ=H2O/Al2O3=95として、ゲルの混合時間を180分間撹拌して、水熱合成時間を115℃、1日間とした以外は実施例1と同様にして、粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライトのXRDを測定、得られたスペクトルよりGIS型ゼオライトが生成していることが分かった。スペクトルには12.42°にピークがあり、半値幅は0.51°であった。また、2θ=12.4及び21.6°付近のピーク高さをそれぞれA及びBとしたとき、A/Bは1.55であった。
実施例1と同様に吸着剤を作成し、実施例1と同じ方法でガス吸着分離性能評価を行ったところ、流通後から処理後のガスのCO2濃度が1質量%以下になる時間は30秒であった。再び処理後のガスのCO2濃度が1質量%以上になるまでに吸着したCO2の量は190ccであった。
[Comparative Example 1]
Same as Example 1 except that water was 98.47 g, δ=H 2 O/Al 2 O 3 =95, the gel mixing time was stirred for 180 minutes, and the hydrothermal synthesis time was 115° C. for 1 day. to obtain a powdery zeolite.
The XRD of the obtained zeolite was measured, and it was found from the obtained spectrum that GIS type zeolite was produced. The spectrum had a peak at 12.42° with a half-width of 0.51°. Further, when the peak heights near 2θ=12.4 and 21.6° were set to A and B, respectively, A/B was 1.55.
An adsorbent was prepared in the same manner as in Example 1, and the gas adsorption and separation performance was evaluated in the same manner as in Example 1. The time taken for the CO concentration of the treated gas to become 1% by mass or less after circulation was 30%. was seconds. The amount of CO 2 adsorbed until the CO 2 concentration of the treated gas reached 1% by mass or more was 190 cc.
〔比較例2〕
水2073.07gとし、δ=H2O/Al2O3=2000として、ゲルの混合時間を180分間撹拌して、水熱合成時間を110℃、18日間とした以外は実施例1と同様にして、粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライトのXRDを測定、得られたスペクトルよりGIS型ゼオライトが生成していることが分かった。スペクトルには12.42°にピークがあり、半値幅は0.04°であった。また、2θ=12.4及び21.6°付近のピーク高さをそれぞれA及びBとしたとき、A/Bは1.88であった。
実施例1と同様に吸着剤を作成し、実施例1と同じ方法でガス吸着分離性能評価を行ったところ、流通後から処理後のガスのCO2濃度が1質量%以下になる時間は35秒であった。再び処理後のガスのCO2濃度が1質量%以上になるまでに吸着したCO2の量は220ccであった。
[Comparative Example 2]
Same as Example 1 except that water was 2073.07 g, δ=H 2 O/Al 2 O 3 =2000, the gel mixing time was stirred for 180 minutes, and the hydrothermal synthesis time was 110° C. for 18 days. to obtain a powdery zeolite.
The XRD of the obtained zeolite was measured, and it was found from the obtained spectrum that GIS type zeolite was produced. The spectrum had a peak at 12.42° with a half-width of 0.04°. Further, when the peak heights near 2θ=12.4 and 21.6° were set to A and B, respectively, A/B was 1.88.
An adsorbent was prepared in the same manner as in Example 1, and gas adsorption and separation performance was evaluated in the same manner as in Example 1. The time taken for the CO concentration of the treated gas to become 1% by mass or less after circulation was 35%. was seconds. The amount of CO 2 adsorbed until the CO 2 concentration of the treated gas reached 1% by mass or more was 220 cc.
〔実施例3〕
水194.33gと水酸化ナトリウム(NaOH、和光純薬工業株式会社製)0.98gと、アルミン酸ナトリウム(NaAlO2、和光純薬工業株式会社製)20.50gと水ガラス3号(キシダ化学製)310.4gを混合し、25分間撹拌することで混合ゲルを調製した。混合ゲルの組成は、α=SiO2/Al2O3=12.0、β=Na2O/Al2O3=3.0、γ=P2O5/Al2O3=0.0、δ=H2O/Al2O3=150、ε=R/Al2O3=0.0であった。混合ゲルをフッ素樹脂内筒の入った1000mLのステンレス製オートクレーブに仕込み、撹拌なしで120℃、3日間水熱合成し、生成物をろ過して120℃で乾燥した後、粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライト10gを0.05Nの硝酸カリウム水溶液5000mLに入れ、60℃で3時間、400rpmで撹拌した。生成物をろ過して120℃で乾燥した後、カチオンの一部がカリウムに交換された粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライトのXRDを測定、得られたスペクトルよりK型のGIS型ゼオライトが生成していることが分かった。スペクトルには12.71°にピークがあり、半値幅は0.53°であった。
実施例1と同様に吸着剤を作成し、実施例1と同じ方法でガス吸着分離性能評価を行ったところ、流通後から処理後のガスのCO2濃度が1質量%以下になる時間は13秒であった。再び処理後のガスのCO2濃度が1質量%以上になるまでに吸着したCO2の量は420ccであった。
[Example 3]
194.33 g of water, 0.98 g of sodium hydroxide (NaOH, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 20.50 g of sodium aluminate (NaAlO 2 , manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and water glass No. 3 (Kishida Chemical) A mixed gel was prepared by mixing 310.4 g of the product) and stirring for 25 minutes. The composition of the mixed gel is α=SiO 2 /Al 2 O 3 =12.0, β=Na 2 O/Al 2 O 3 =3.0, γ=P 2 O 5 /Al 2 O 3 =0.0. , δ=H 2 O/Al 2 O 3 =150, and ε=R/Al 2 O 3 =0.0. The mixed gel is charged into a 1000 mL stainless steel autoclave containing a fluororesin inner cylinder, hydrothermally synthesized at 120 ° C. for 3 days without stirring, the product is filtered and dried at 120 ° C., and powdered zeolite is obtained. rice field.
10 g of the obtained zeolite was added to 5000 mL of a 0.05 N potassium nitrate aqueous solution and stirred at 60° C. for 3 hours at 400 rpm. After filtering the product and drying at 120° C., a powdery zeolite with some of the cations exchanged for potassium was obtained.
The XRD of the obtained zeolite was measured, and it was found from the obtained spectrum that K-type GIS-type zeolite was produced. The spectrum had a peak at 12.71° with a half-width of 0.53°.
An adsorbent was prepared in the same manner as in Example 1, and the gas adsorption and separation performance was evaluated in the same manner as in Example 1. The time taken for the CO concentration of the treated gas to become 1 % by mass or less after circulation was 13%. was seconds. The amount of CO 2 adsorbed until the CO 2 concentration of the treated gas reached 1% by mass or more was 420 cc.
〔実施例4〕
水1554.64gとし、δ=H2O/Al2O3=1200として、ゲルの混合時間を40分間、水熱合成を撹拌なしで125℃、10日間とした以外は実施例3と同じ方法で粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライト10gを実施例3と同じ方法でカチオンの一部がカリウムに交換された粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライトのXRDを測定、得られたスペクトルよりK型のGIS型ゼオライトが生成していることが分かった。スペクトルには12.70°にピークがあり、半値幅は0.10°であった。
実施例1と同様に吸着剤を作成し、実施例1と同じ方法でガス吸着分離性能評価を行ったところ、流通後から処理後のガスのCO2濃度が1質量%以下になる時間は18秒であった。再び処理後のガスのCO2濃度が1質量%以上になるまでに吸着したCO2の量は405ccであった。
[Example 4]
The same method as in Example 3 except that 1554.64 g of water was used, δ=H 2 O/Al 2 O 3 =1200, the gel mixing time was 40 minutes, and the hydrothermal synthesis was performed without stirring at 125° C. for 10 days. to obtain a powdery zeolite.
10 g of the obtained zeolite was treated in the same manner as in Example 3 to obtain powdery zeolite in which a part of the cations were exchanged with potassium.
The XRD of the obtained zeolite was measured, and it was found from the obtained spectrum that K-type GIS-type zeolite was produced. The spectrum had a peak at 12.70° with a half-width of 0.10°.
An adsorbent was prepared in the same manner as in Example 1, and gas adsorption and separation performance was evaluated in the same manner as in Example 1. The time taken for the CO 2 concentration of the treated gas to become 1% by mass or less after circulation was 18%. was seconds. The amount of CO 2 adsorbed until the CO 2 concentration of the treated gas reached 1% by mass or more was 405 cc.
〔比較例3〕
水98.46gとし、δ=H2O/Al2O3=95として、ゲルの混合時間を120分間、水熱合成を撹拌なしで110℃、1日間とした以外は実施例3と同じ方法で粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライト10gを実施例3と同じ方法でカチオンの一部がカリウムに交換された粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライトのXRDを測定、得られたスペクトルよりK型のGIS型ゼオライトが生成していることが分かった。スペクトルには12.72°にピークがあり、半値幅は0.57°であった。
実施例1と同様に吸着剤を作成し、実施例1と同じ方法でガス吸着分離性能評価を行ったところ、流通後から処理後のガスのCO2濃度が1質量%以下になる時間は31秒であった。再び処理後のガスのCO2濃度が1質量%以上になるまでに吸着したCO2の量は205ccであった。
[Comparative Example 3]
The same method as in Example 3 except that 98.46 g of water was used, δ=H 2 O/Al 2 O 3 =95, the gel mixing time was 120 minutes, and the hydrothermal synthesis was performed without stirring at 110° C. for 1 day. to obtain a powdery zeolite.
10 g of the obtained zeolite was treated in the same manner as in Example 3 to obtain powdery zeolite in which a part of the cations were exchanged with potassium.
The XRD of the obtained zeolite was measured, and it was found from the obtained spectrum that K-type GIS-type zeolite was produced. The spectrum had a peak at 12.72° and a half-width of 0.57°.
An adsorbent was prepared in the same manner as in Example 1, and the gas adsorption and separation performance was evaluated in the same manner as in Example 1. It was found that the time required for the CO 2 concentration of the treated gas to become 1% by mass or less after circulation was 31%. was seconds. The amount of CO 2 adsorbed until the CO 2 concentration of the treated gas reached 1% by mass or more was 205 cc.
〔比較例4〕
水2331.96gとし、δ=H2O/Al2O3=1800として、ゲルの混合時間を180分間、水熱合成を撹拌なしで110℃、18日間とした以外は実施例3と同じ方法で粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライト10gを実施例3と同じ方法でカチオンの一部がカリウムに交換された粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライトのXRDを測定、得られたスペクトルよりK型のGIS型ゼオライトが生成していることが分かった。スペクトルには12.71°にピークがあり、半値幅は0.05°であった。
実施例1と同様に吸着剤を作成し、実施例1と同じ方法でガス吸着分離性能評価を行ったところ、流通後から処理後のガスのCO2濃度が1質量%以下になる時間は35秒であった。再び処理後のガスのCO2濃度が1質量%以上になるまでに吸着したCO2の量は210ccであった。
[Comparative Example 4]
The same method as in Example 3 except that 2331.96 g of water was used, δ=H 2 O/Al 2 O 3 =1800, gel mixing time was 180 minutes, and hydrothermal synthesis was performed without stirring at 110° C. for 18 days. to obtain a powdery zeolite.
10 g of the obtained zeolite was treated in the same manner as in Example 3 to obtain powdery zeolite in which a part of the cations were exchanged with potassium.
The XRD of the obtained zeolite was measured, and it was found from the obtained spectrum that K-type GIS-type zeolite was produced. The spectrum had a peak at 12.71° with a half-width of 0.05°.
An adsorbent was prepared in the same manner as in Example 1, and the gas adsorption and separation performance was evaluated in the same manner as in Example 1. The time taken for the CO concentration of the treated gas to become 1% by mass or less after circulation was 35%. was seconds. The amount of CO 2 adsorbed until the CO 2 concentration of the treated gas reached 1% by mass or more was 210 cc.
〔実施例5〕
水85.69gと水酸化ナトリウム(NaOH、和光純薬工業株式会社製)2.73gとアルミン酸ナトリウム(NaAlO2、和光純薬工業株式会社製)4.91gを添加して溶解させ、水溶液を得た。この水溶液を10℃で撹拌しながらコロイダルシリカ(Ludox AS-40、Grace社製)32.01gを2cc/minの速度で添加した。この溶液を13℃で1時間撹拌した後、有機構造規定剤としてテトラエチルアンモニウムブロミド(東京化成工業株式会社製)33.45gを添加して混合し、13℃で4時間撹拌することで混合ゲルを調製した。混合ゲルの組成は、α=SiO2/Al2O3=7.1、β=Na2O/Al2O3=2.1、γ=H2O/Al2O3=175、δ=OH-/SiO2=0.32、ε=R/Al2O3=5.3であった。混合ゲルをフッ素樹脂内筒の入った200mLのステンレス製オートクレーブに仕込み、上下撹拌回転数40rpmで保持しながら125℃で4日間水熱合成し、生成物をろ過して120℃で乾燥した後、粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライトのXRDを測定、得られたスペクトルよりK型のGIS型ゼオライトが生成していることが分かった。スペクトルには11.11°にピークがあり、半値幅は0.30°であった。また、2θ=11.1及び13.8°付近のピーク高さをそれぞれA及びBとしたとき、B/Aは0.67であった。
実施例1と同様に吸着剤を作成し、実施例1と同じ方法でガス吸着分離性能評価を行ったところ、流通後から処理後のガスのCO2濃度が1質量%以下になる時間は16秒であった。再び処理後のガスのCO2濃度が1質量%以上になるまでに吸着したCO2の量は380ccであった。
[Example 5]
85.69 g of water, 2.73 g of sodium hydroxide (NaOH, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and 4.91 g of sodium aluminate (NaAlO 2 , manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) are added and dissolved to form an aqueous solution. Obtained. While stirring this aqueous solution at 10° C., 32.01 g of colloidal silica (Ludox AS-40, manufactured by Grace) was added at a rate of 2 cc/min. After stirring this solution at 13° C. for 1 hour, 33.45 g of tetraethylammonium bromide (manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) as an organic structure directing agent is added and mixed, and the mixed gel is obtained by stirring at 13° C. for 4 hours. prepared. The composition of the mixed gel is α=SiO 2 /Al 2 O 3 =7.1, β=Na 2 O/Al 2 O 3 =2.1, γ=H 2 O/Al 2 O 3 =175, δ= OH − /SiO 2 =0.32 and ε=R/Al 2 O 3 =5.3. The mixed gel is charged into a 200 mL stainless steel autoclave containing a fluororesin inner cylinder, hydrothermally synthesized at 125 ° C. for 4 days while maintaining a vertical stirring rotation speed of 40 rpm, the product is filtered and dried at 120 ° C., A powdery zeolite was obtained.
The XRD of the obtained zeolite was measured, and it was found from the obtained spectrum that K-type GIS-type zeolite was produced. The spectrum had a peak at 11.11° and a half width of 0.30°. Further, when the peak heights near 2θ=11.1 and 13.8° were set to A and B, respectively, B/A was 0.67.
An adsorbent was prepared in the same manner as in Example 1, and the gas adsorption and separation performance was evaluated in the same manner as in Example 1. The time taken for the CO concentration of the treated gas to become 1% by mass or less after circulation was 16%. was seconds. The amount of CO 2 adsorbed until the CO 2 concentration of the treated gas reached 1% by mass or more was 380 cc.
〔実施例6〕
水626.73gとし、δ=H2O/Al2O3=1280として、ゲルの混合時間を300分間、水熱合成を125℃、25日間とした以外は実施例5と同じ方法で粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライトのXRDを測定、得られたスペクトルよりK型のGIS型ゼオライトが生成していることが分かった。スペクトルには11.11°にピークがあり、半値幅は0.07°であった。また、2θ=11.1及び13.8°付近のピーク高さをそれぞれA及びBとしたとき、B/Aは0.78であった。
実施例1と同様に吸着剤を作成し、実施例1と同じ方法でガス吸着分離性能評価を行ったところ、流通後から処理後のガスのCO2濃度が1質量%以下になる時間は19秒であった。再び処理後のガスのCO2濃度が1質量%以上になるまでに吸着したCO2の量は385ccであった。
[Example 6]
A powder was prepared in the same manner as in Example 5 except that 626.73 g of water was used, δ=H 2 O/Al 2 O 3 =1280, the gel mixing time was 300 minutes, and the hydrothermal synthesis was 125° C. for 25 days. of zeolite was obtained.
The XRD of the obtained zeolite was measured, and it was found from the obtained spectrum that K-type GIS-type zeolite was produced. The spectrum had a peak at 11.11° and a half-width of 0.07°. Further, when the peak heights near 2θ=11.1 and 13.8° were set to A and B, respectively, B/A was 0.78.
An adsorbent was prepared in the same manner as in Example 1, and the gas adsorption and separation performance was evaluated in the same manner as in Example 1. The time taken for the CO concentration of the treated gas to become 1% by mass or less after circulation was 19%. was seconds. The amount of CO 2 adsorbed until the CO 2 concentration of the treated gas reached 1% by mass or more was 385 cc.
〔比較例5〕
水44.07gとし、δ=H2O/Al2O3=90として、ゲルの混合時間を240分間、水熱合成を135℃、1日間とした以外は実施例5と同じ方法で粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライトのXRDを測定、得られたスペクトルよりK型のGIS型ゼオライトが生成していることが分かった。スペクトルには11.12°にピークがあり、半値幅は0.37°であった。また、2θ=11.1及び13.8°付近のピーク高さをそれぞれA及びBとしたとき、B/Aは0.66であった。
実施例1と同様に吸着剤を作成し、実施例1と同じ方法でガス吸着分離性能評価を行ったところ、流通後から処理後のガスのCO2濃度が1質量%以下になる時間は38秒であった。再び処理後のガスのCO2濃度が1質量%以上になるまでに吸着したCO2の量は195ccであった。
[Comparative Example 5]
A powder was prepared in the same manner as in Example 5 except that 44.07 g of water was used, δ=H 2 O/Al 2 O 3 =90, the gel mixing time was 240 minutes, and the hydrothermal synthesis was 135° C. for 1 day. of zeolite was obtained.
The XRD of the obtained zeolite was measured, and it was found from the obtained spectrum that K-type GIS-type zeolite was produced. The spectrum had a peak at 11.12° and a half width of 0.37°. Further, when the peak heights near 2θ=11.1 and 13.8° were set to A and B, respectively, B/A was 0.66.
An adsorbent was prepared in the same manner as in Example 1, and the gas adsorption and separation performance was evaluated in the same manner as in Example 1. The time taken for the CO concentration of the treated gas to become 1% by mass or less after circulation was 38%. was seconds. The amount of CO 2 adsorbed until the CO 2 concentration of the treated gas reached 1% by mass or more was 195 cc.
〔比較例6〕
水734.45gとし、δ=H2O/Al2O3=1500として、ゲルの混合時間を240分間、水熱合成を130℃、40日間とした以外は実施例5と同じ方法で粉末状のゼオライトを得た。
得られたゼオライトのXRDを測定、得られたスペクトルよりK型のGIS型ゼオライトが生成していることが分かった。スペクトルには11.11°にピークがあり、半値幅は0.07°であった。また、2θ=11.1及び13.8°付近のピーク高さをそれぞれA及びBとしたとき、B/Aは0.80であった。
実施例1と同様に吸着剤を作成し、実施例1と同じ方法でガス吸着分離性能評価を行ったところ、流通後から処理後のガスのCO2濃度が1質量%以下になる時間は37秒であった。再び処理後のガスのCO2濃度が1質量%以上になるまでに吸着したCO2の量は190ccであった。
[Comparative Example 6]
A powder was obtained in the same manner as in Example 5 except that 734.45 g of water was used, δ=H 2 O/Al 2 O 3 =1500, the gel mixing time was 240 minutes, and the hydrothermal synthesis was 130° C. for 40 days. of zeolite was obtained.
The XRD of the obtained zeolite was measured, and it was found from the obtained spectrum that K-type GIS-type zeolite was produced. The spectrum had a peak at 11.11° and a half-width of 0.07°. Further, when the peak heights near 2θ=11.1 and 13.8° were defined as A and B, respectively, B/A was 0.80.
An adsorbent was prepared in the same manner as in Example 1, and the gas adsorption and separation performance was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the time required for the CO concentration of the treated gas to become 1 % by mass or less after circulation was 37%. was seconds. The amount of CO 2 adsorbed until the CO 2 concentration of the treated gas reached 1% by mass or more was 190 cc.
本発明によれば、PSA、TSA又はPTSAによるガス分離方法であって、GIS型ゼオライト、K交換型GIS型ゼオライト又はMWF型ゼオライトを吸着剤として用い、吸着容量が十分なガス分離方法を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a gas separation method by PSA, TSA or PTSA, which uses GIS type zeolite, K-exchanged GIS type zeolite or MWF type zeolite as an adsorbent and has sufficient adsorption capacity. be able to.
1 精製(除塵、除湿、脱硫、脱硝)手段
2a,2b 吸着剤を充填した容器
3 ポンプ
4 CO2タンク
5 ポンプ
6 原料タンク
11 精製(除塵、除湿、脱硫、脱硝)手段
12a,12b 吸着剤を充填した容器
13 熱交換器
14 CO2タンク
15 ヒーター
16 原料タンク
21 マスフローコントローラ
22 吸着剤を充填した容器
23 流量計
24 GC-MS
25 原料タンク
26 恒温槽
1 purification (dust removal, dehumidification, desulfurization, denitrification) means 2a, 2b container filled with
25
Claims (2)
前記吸着剤が、
(i)XRDスペクトルにおける2θ=12.4°付近のピークの半値幅が0.05°以上0.44°以下であり、かつ、2θ=12.4及び21.6°付近のピーク高さをそれぞれA及びBとしたとき、1.77≦A/B≦1.79を満たすGIS型ゼオライト、及び
(ii)XRDスペクトルにおける2θ=12.7°付近のピークの半値幅が0.08°以上0.55°以下であるK交換型GIS型ゼオライト
からなる群より選択される少なくとも1種を含む、ガス分離方法。 A method for separating gases by a temperature swing adsorption gas separation method, a pressure swing adsorption gas separation method, or a pressure/temperature swing adsorption desorption method using an adsorbent,
The adsorbent is
(i) The half width of the peak near 2θ = 12.4° in the XRD spectrum is 0.05° or more and 0.44° or less, and the peak height near 2θ = 12.4 and 21.6° GIS-type zeolite that satisfies 1.77 ≤ A / B ≤ 1.79, where A and B, respectively, and
(ii) K-exchanged GIS-type zeolite in which the half width of the peak near 2θ = 12.7° in the XRD spectrum is 0.08° or more and 0.55° or less
A gas separation method comprising at least one selected from the group consisting of
2. The gas of claim 1 , wherein carbon dioxide is separated from a mixed gas containing carbon dioxide and at least one selected from the group consisting of hydrocarbons, methane, nitrogen, carbon monoxide, hydrogen, helium and argon. Separation method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018137717A JP7185433B2 (en) | 2018-07-23 | 2018-07-23 | Gas separation method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018137717A JP7185433B2 (en) | 2018-07-23 | 2018-07-23 | Gas separation method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020014978A JP2020014978A (en) | 2020-01-30 |
JP7185433B2 true JP7185433B2 (en) | 2022-12-07 |
Family
ID=69581081
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018137717A Active JP7185433B2 (en) | 2018-07-23 | 2018-07-23 | Gas separation method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7185433B2 (en) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7243161B2 (en) * | 2018-12-05 | 2023-03-22 | 栗田工業株式会社 | Gas adsorption device and gas adsorption method |
US20230183081A1 (en) * | 2020-07-31 | 2023-06-15 | Asahi Kasei Kabushiki Kaisha | Gis-type zeolite |
WO2022259880A1 (en) * | 2021-06-07 | 2022-12-15 | 旭化成株式会社 | Gis-type zeolite molded body, adsorption device, separation method, and gis-type zeolite |
WO2023190600A1 (en) * | 2022-03-29 | 2023-10-05 | 旭化成株式会社 | Gis zeolite, zeolite molded body, adsorption device and method for producing purified gas |
WO2023190603A1 (en) * | 2022-03-29 | 2023-10-05 | 旭化成株式会社 | Gis-type zeolite, zeolite molded body, adsorption device, and purified gas production method |
JP7454199B1 (en) * | 2022-12-26 | 2024-03-22 | 大阪ガスケミカル株式会社 | Molecular sieve carbon, its manufacturing method, and gas separation device |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000157862A (en) | 1998-10-30 | 2000-06-13 | Boc Group Inc:The | Adsorbent composition composed of molecular sieve substance |
WO2017222028A1 (en) | 2016-06-23 | 2017-12-28 | 旭化成株式会社 | Mwf-type zeolite |
US20180036710A1 (en) | 2014-12-30 | 2018-02-08 | Postech Academy-Industry Foundation | Zeolite pst-20, preparation method thereof, and method for selectively separating carbon dioxide by using same |
WO2018110559A1 (en) | 2016-12-13 | 2018-06-21 | 旭化成株式会社 | Gis zeolite |
-
2018
- 2018-07-23 JP JP2018137717A patent/JP7185433B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000157862A (en) | 1998-10-30 | 2000-06-13 | Boc Group Inc:The | Adsorbent composition composed of molecular sieve substance |
US20180036710A1 (en) | 2014-12-30 | 2018-02-08 | Postech Academy-Industry Foundation | Zeolite pst-20, preparation method thereof, and method for selectively separating carbon dioxide by using same |
WO2017222028A1 (en) | 2016-06-23 | 2017-12-28 | 旭化成株式会社 | Mwf-type zeolite |
WO2018110559A1 (en) | 2016-12-13 | 2018-06-21 | 旭化成株式会社 | Gis zeolite |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2020014978A (en) | 2020-01-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7185433B2 (en) | Gas separation method | |
JP6552728B2 (en) | GIS type zeolite | |
JP6505323B2 (en) | MWF type zeolite | |
JP6714789B2 (en) | GIS type zeolite | |
JP7109184B2 (en) | MWF-type zeolite and gas separation method | |
JP6975635B2 (en) | MWF type zeolite | |
JP7505002B2 (en) | GIS type zeolite | |
JP6797045B2 (en) | MWF type zeolite | |
WO2023190603A1 (en) | Gis-type zeolite, zeolite molded body, adsorption device, and purified gas production method | |
WO2023190600A1 (en) | Gis zeolite, zeolite molded body, adsorption device and method for producing purified gas | |
WO2022259880A1 (en) | Gis-type zeolite molded body, adsorption device, separation method, and gis-type zeolite | |
WO2023067841A1 (en) | Gis-type zeolite, adsorbent, and separation method | |
WO2023190609A1 (en) | Zeolite molded article, adsorption device, method for producing purified gas, and method for producing zeolite molded article | |
WO2023067840A1 (en) | Gis-type zeolite, adsorbent, and separation method | |
JP2023147269A (en) | Zeolite molding, adsorption device, and method for producing purified gas | |
JP2023146805A (en) | Zeolite molding, adsorption device, and method for producing purified gas | |
JP2023146647A (en) | Zeolite molding, adsorption device, and method for producing purified gas | |
KR20240149940A (en) | GIS-type zeolite, zeolite molding, adsorption device, and method for producing purified gas |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210407 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20220127 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220203 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220328 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220623 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20221115 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20221125 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7185433 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |