JPH10259018A - 高シリカ珪酸塩系分子篩の合成方法 - Google Patents
高シリカ珪酸塩系分子篩の合成方法Info
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Abstract
少ないゼオライトを直接合成することにより、高い耐熱
性及び耐水熱性を発現させ、且つ合成プロセスの簡易化
及び収率の向上に寄与することができる高シリカ珪酸塩
系分子篩の合成方法を提供する。 【解決手段】 Al,H,OおよびSi以外の元素とし
て少なくともFeを含み、Si/Feモル比が50以
上、かつSi/Feモル比が80以下(細孔構造がβ型
の場合には、Si/Feモル比が45以下)である原料
を用いて水熱合成後、酸化雰囲気下300℃以上で熱処
理したものである。
Description
テムの炭化水素吸着材として好適に使用できる高シリカ
珪酸塩系分子篩の合成方法に関する。
媒が、その触媒作用を発揮するためには、触媒が排ガス
の熱などによって所定温度以上に昇温される必要があ
る。したがって、エンジンの冷始動時のように排ガス温
度が低いときは、排ガス中の有害成分(炭化水素(H
C)、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx))が浄化
され難い。特にHCは冷始動時に大量に排出されるた
め、その浄化は重要な課題となっている。
効率を向上させるために、ゼオライト等の結晶性アルミ
ノ珪酸塩からなる分子篩をHC吸着材として用い、触媒
が作用温度に達するまでの間、この吸着材でHCを吸着
しておくという技術が知られている。
は、Y型ゼオライト又はモルデナイトをHC吸着材に用
いた自動車排気ガス浄化装置が開示されている。また、
特開平4−293519号公報は、水の吸着の影響を解
消し、HC吸着能力の向上と吸着可能な温度域を拡大す
るために、H+型ZSM−5ゼオライトをCu及びPd
でイオン交換した吸着材を用いることを主張している。
同様の目的で、特開平6−63392号公報には、H、
Cu又はPdでイオン交換したペンタシル型メタロシリ
ケートを吸着材に用いることが提案されている。
造の総称)ゼオライトは、比較的高シリカ品の合成が容
易であり、テンプレート(鋳型剤)を使うことにより、
Si/Alモル比が事実上無限大(Al無し)のものま
で合成できる。しかしながら、テンプレート無しで高S
i/Alモル比(>50)のペンタシル型ゼオライトを
直接合成することは困難であった。
は、ペンタシル型と比較してAlを含まない時の格子歪
が大きく、Siとイオン半径が異なるAlが加わること
で歪が解消されて生成しやすくなること、及びペンタシ
ル型の時ほどテンプレートが強力ではないことのため、
Si/Alモル比が50程度のものまでしか直接水熱合
成することができなかった。
は、その結晶構造にもよるが、同じ構造のものでは、A
l含有量が多いほど低い。したがって、耐熱性、耐水熱
性を向上させる方法としてAlの含有量を下げることが
行われる。しかしながら、吸着したいHC分子に適した
細孔構造をもつゼオライトが、必要な耐熱性が得られる
位の少ないAl含有量で直接生成するとは限らない。こ
のため、目的よりもAl含有量の多い場合、水蒸気処
理、酸洗等で、Alを取り除くこと(脱Al操作)が行
われ、目的のAl含有量になるまで繰り返す必要があっ
た。
な従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的と
するところは、脱Al操作をすることなしに、Al含有
量の少ないゼオライトを直接合成することにより、合成
プロセスの簡易化及び収率の向上に寄与することができ
る高シリカ珪酸塩系分子篩の合成方法を提供するもので
ある。更に、本発明で合成された高シリカ珪酸塩系分子
篩は、内燃機関の排ガス浄化システム、例えばインライ
ン型排ガス浄化システムのHC吸着材等のような高い耐
熱性、耐水熱性が要求される分野に好適に用いることが
できる。
l,H,OおよびSi以外の元素として少なくともFe
を含み、Si/Alモル比が50以上Si/Feモル比
が80以下である原料を用いて水熱合成後、酸化雰囲気
下300℃以上で熱処理することを特徴とする高シリカ
珪酸塩系分子篩の合成方法が提供される。
i以外の元素として少なくともFeを含み、Si/Al
モル比が50以上、かつSi/Feモル比が45以下で
ある原料を用いて水熱合成後、酸化雰囲気下300℃以
上で熱処理することを特徴とする細孔構造がβ型の高シ
リカ珪酸塩系分子篩の合成方法が提供される。
源を含み、そのNa+源としてNaOHを含むことが好
ましく、またNa+源としてNaOHとNaClを含
み、NaOH:NaCl(モル比)が3:4〜7:0で
あることが好ましい。
650℃以上1050℃以下で熱処理することが、特に
好ましい。
篩の合成方法は、Al,H,OおよびSi以外の元素と
して少なくともFeを含み、Si/Alモル比が50以
上、かつSi/Feモル比が80以下である原料を用い
て水熱合成後、酸化雰囲気下300℃以上、好ましく
は、650℃以上1050℃以下で熱処理することであ
る。
気も含む)の存在下で、室温以上に加熱される操作一般
を指す。通常の水性ゲルをオートクレーブ中で加熱する
方法に限定されない。例えば、原料が液体、気体、固
体、溶液、コロイド等の様々な形態がありうる。また、
加熱せずに常圧で行う場合やCVD(化学気相成長)法
のように、減圧で行うこともある。
則的な細孔を有する無機質分子篩の中で、特にアルミノ
珪酸塩(Alシリケート)からなるものを指すが、その
骨格中のAlの一部又は全部を特定の元素で置換するこ
とができるものである。
て、原料にFe化合物(またはFe単体)を加えてゼオ
ライトを合成する方法を用いる。この方法によれば、比
較的均一な組成のゼオライトである高シリカ珪酸塩系分
子篩を合成することが可能である。尚、Fe化合物(ま
たはFe単体)の添加量や目的とする細孔構造によっ
て、ゼオライト合成条件の最適化をする必要があるた
め、少なくとも一つ以上の原料組成で目的とする細孔構
造のゼオライト合成条件が確立していることが好まし
い。
Feをゼオライトの結晶構造に入れることにより、結晶
格子間の歪が解消され、結晶化しやすくなるため、その
細孔構造が生成する通常の範囲よりもAl含有量の少な
いゼオライトも比較的容易に直接合成することができ
る。これにより、ゼオライトのAl含有量の調節も容易
にでき、従来に無い特性を持つ分子篩の合成に寄与する
ことができる。
Feを含有させただけでなく、原料のSi/Alモル比
とSi/Feモル比、更には、Na原料が比表面積、耐
水熱性等に及ぼす影響についても詳細に検討し、それら
の値について規定した。
関排ガス浄化用HC吸着材に必要な耐水熱性を得るため
には、Si/Alモル比が50以上であり、Si/Fe
モル比が80以下である原料を用いることが好ましい。
ただし、一般にAlの含有量が少ないほど耐水熱性が高
いので、Si/Alモル比は50以上で、かつなるべく
大きい方が好ましいといえる。
いては、Alが少ないことによる格子歪を解消して目的
の細孔構造が生成するには一定量以上のFeが必要であ
るため、Feが不足すると対応する分のSiが結晶化せ
ずに残り、収率が下がる。そのため、原料のSi/Fe
モル比が、多くとも80以下であることが好ましい。特
に、細孔構造がβ型の場合には、Si/Fe比が45以
下である方がより好ましく、30以下である方が更に好
ましく、20以下であることが特に好ましい。
好ましい。尚、そのNa+源としてNaOHを含むこと
が好ましく、また、NaOHとNaClを含み、NaO
H:NaCl(モル比)が3:4〜7:0であることが
好ましく、4:3〜7:0であることが、さらに好まし
い。
せることによる利点および効果を以下に説明する。本発
明で用いたFeは、酸化物において室温で最も安定な原
子価が、Alと同じ3価で、その時のイオン半径が比較
的Alに近く、Alとの置換が容易である。
塩系分子篩の結晶格子から脱離し易い。しかし、脱離し
てもAlと異なり、そのゼオライト構造の破壊を促進す
ることはほとんどない。むしろ、結晶格子外に脱離した
Feが粒内に留まって接着剤の働きをし、結晶構造の破
壊を抑制しているようである。さらに、十分には判って
いないが、粒内に留まったFeが、脱離したAlと固溶
し、Alの移動を妨げて結晶構造の破壊を防いでいると
推測される。
ように、酸化雰囲気下300℃以上、好ましくは、65
0℃以上1050℃以下で熱処理することにより、Fe
を脱離させ、高シリカの珪酸塩系分子篩を生成すること
ができる。また、実際に使用される温度領域で、予め熱
処理することにより、高シリカ珪酸塩系分子篩の結晶構
造の安定化に寄与することができる。
系分子篩の合成方法は、脱Al操作をすることなしに、
Al含有量の少ないゼオライトが直接合成ができること
から、合成プロセスの簡易化及び収率の向上に寄与する
ことができる。
高シリカ珪酸塩分子篩は、同程度のSi/Alモル比の
ゼオライト(Alシリケート)と同等か又は、より高い
温度まで、その結晶構造を維持することができることか
ら、内燃機関の排ガス浄化システム、例えばインライン
型排ガス浄化システムのHC吸着材等のような高い耐熱
性、耐水熱性が要求される分野に好適に用いることがで
きる。
篩の好ましい細孔構造は、特に、内燃機関の排ガス浄化
用HC吸着材として用いる場合、以下の点を考慮して選
ばれる。尚、本明細書では、代表的な名称でゼオライト
類の型を表したが、これには対応する同形なども含まれ
るものとする。
オライト類では、1nm3中のT原子(酸素原子に囲ま
れてTO4型四面体を形成している原子)の数で表す)
が高い方が好ましい。たとえば、ペンタシル型やフェリ
エライト型は、細孔径の大きさの割に格子密度が高い。
るHC分子が入るだけの大きさが必要であるが、その値
は吸着するHC分子の大きさに近い方が吸着力が強いの
で好ましい。たとえば、β型やモルデナイト型は、ペン
タシル型よりも一回り大きい細孔を持つため、より大き
なHC成分まで吸着できる。また、β型が得意とするC
6〜C8の芳香族と共に、主要な排ガス成分であるC2,
C3のアルケンについては、より細孔径の小さいチャバ
ザイト型やシグマ−1型が適している。
堆積することがあるので、細孔が枝分れのない一次元の
構造である場合、細孔の2箇所がコークで詰まると、そ
の間は吸着に寄与しなくなるため、二次元もしくは三次
元の細孔構造を持つものが好ましい。たとえば、前記の
ペンタシル型、フェリエライト型、β型、モルデナイト
型、チャバザイト型及びシグマ−1型は、いずれも二次
元以上の細孔構造をもつ。
なHC成分まで吸着できる上に、その吸着容量も大き
く、また本発明により十分な耐熱性を付与できるため好
ましい。
説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではない。
カβ型珪酸塩系分子篩の合成およびその耐熱性評価1)
FeとAlおよびTEA陽イオン[(CH3CH2)
4N+]を添加した水性シリカゲルをオートクレーブ中で
自生圧力下に135℃で6日間処理して結晶化し、濾
過、水洗、乾燥した後、空気中540℃で3.5時間熱
処理してTEAを除去すると共にFeを珪酸塩系分子篩
の結晶格子外に脱離させ高シリカ化した。更に、NH4 +
イオンでイオン交換し、仮焼してNa+イオンを除去
し、Feを含むβ型珪酸塩系分子篩を合成した(実施例
1〜3,比較例1,2)。尚、比較例3は、Feをほと
んど含まず、Si/Alモル比が15の原料を用いて合
成したものである。以上の結果を表1に示す。
を含む雰囲気下に1000℃で4時間の耐久試験条件で
処理し、その前後の比表面積(BET値)を測定して、
処理後の値を処理前の値で割った比表面積保持率で耐熱
性を評価した。尚、比較例4は、比較例3で合成された
ものを水蒸気処理と酸洗浄を繰り返して脱Alしたもの
である。その結果を表2に示す。
系分子篩の合成およびその耐熱性評価2)コロイダルシ
リカ(30重量%SiO2)に水酸化ナトリウム(Na
OH)水溶液を加え、反応混合物を得た。この混合物
へ、硝酸第2鉄水和物(Fe(NO3)3・9H2O)と
硝酸アルミニウム水和物(Al(NO3)3・9H2O)
を35重量%の水酸化テトラエチルアンモニウム(TE
AOH)の水溶液中に混合して得た溶液を加え、更に塩
化ナトリウム(NaCl)水溶液を加え、混合物が均質
になるまで撹拌し、表3に示すような種々のNaOH:
NaCl(モル比)の混合物を作成した。最終反応混合
物組成は、いずれのNaOH:NaCl(モル比)にお
いても、次の通りであった。 21Na2O・Al2O3・6Fe2O3・300SiO2・
150TEAOH・6200H2O このように、このときの反応混合物のSi/Alモル比
は、150であり、Si/Feモル比は、25であっ
た。
れ、オートクレーブ中で自生圧力下で135℃、6日間
加熱した。固体反応生成物を遠心分離器で分離、洗浄を
行い、80℃にて乾燥させた後、空気中540℃で4時
間熱処理してテンプレートを除去した。更に、得られた
粉末を硝酸アンモニウム水溶液中、80℃にて1時間処
理し、イオン交換した。その後、分離、洗浄及び乾燥を
行った後、再び焼成を行い、H+型のFeを含むβ型珪
酸塩系分子篩を合成した。
を含む雰囲気下に1000℃で4時間の耐久試験条件で
処理し、その前後の比表面積(BET値)を測定して、
処理後の値を処理前の値で割った比表面積保持率で耐熱
性を評価した。その結果を表3に示す。
カ珪酸塩系分子篩の合成方法は、脱Al操作をすること
なしに、Al含有量の少ないゼオライトを直接合成する
ことができるので、合成プロセスの簡易化及び収率の向
上に寄与することができる。これらは、ゼオライト中の
AlとFeの性質に基づいているため、β型以外のゼオ
ライトの高シリカ化にも応用可能である。更に、本発明
で合成された高シリカ珪酸塩系分子篩は、内燃機関の排
ガス浄化システム、例えばインライン型排ガス浄化シス
テムのHC吸着材等のような高い耐熱性、耐水熱性が要
求される分野に好適に用いることができる。
Claims (6)
- 【請求項1】 Al,H,OおよびSi以外の元素とし
て少なくともFeを含み、Si/Alモル比が50以
上、かつSi/Feモル比が80以下である原料を用い
て水熱合成後、酸化雰囲気下300℃以上で熱処理する
ことを特徴とする高シリカ珪酸塩系分子篩の合成方法。 - 【請求項2】 Al,H,OおよびSi以外の元素とし
て少なくともFeを含み、Si/Alモル比が50以
上、かつSi/Feモル比が45以下である原料を用い
て水熱合成後、酸化雰囲気下300℃以上で熱処理する
ことを特徴とする細孔構造がβ型の高シリカ珪酸塩系分
子篩の合成方法。 - 【請求項3】 原料にNa+源を含む請求項1又は2に
記載の高シリカ珪酸塩系分子篩の合成方法。 - 【請求項4】 Na+源としてNaOHを含む請求項3
に記載の高シリカ珪酸塩系分子篩の合成方法。 - 【請求項5】 Na+源としてNaOHとNaClを含
み、NaOH:NaCl(モル比)が3:4〜7:0で
ある請求項3に記載の高シリカ珪酸塩系分子篩の合成方
法。 - 【請求項6】 酸化雰囲気下650℃以上1050℃以
下で熱処理する請求項1〜5のいずれか1項に記載の高
シリカ珪酸塩系分子篩の合成方法。
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