JPS60264319A - 膠質土を原料としたzsm−5ゼオライトの製造法 - Google Patents

膠質土を原料としたzsm−5ゼオライトの製造法

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JPS60264319A
JPS60264319A JP11668084A JP11668084A JPS60264319A JP S60264319 A JPS60264319 A JP S60264319A JP 11668084 A JP11668084 A JP 11668084A JP 11668084 A JP11668084 A JP 11668084A JP S60264319 A JPS60264319 A JP S60264319A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 この発明は、天然の膠質上を用いて、高シリカアルミナ
比の反応組成物を得るようにしたZSM−5ゼオライト
の新規な製造法に関するものである。
〔従来技術〕
ゼオライトとは一部の結晶性アルミノケイ酸塩の総称で
あり、鉱物として天然にも産するが、現在では天然物と
同一の結晶構造を持つものや、さらに天然に産しないも
のまで合成されて多種多様である。結晶構造は(8i0
4)四面体と(AlO4>四面体とが酸素原子を共有し
て交叉結合し、三次元的網目構造を形成している。この
網目が空洞を形成し、さらにとの大きい空洞は縦横の孔
路により互いに連絡している。この空洞中には結晶水と
(Alo、 )の負電荷に対応するカチオンが含まれて
いる。結晶水は加熱または減圧することにより仕較的容
易に一部または全部を脱離させることができる。またカ
チオンも他のカチオンと溶液中で容易に交換できる。し
かもこれらの処理を行ったあともゼオライトの結晶構造
は本質的な変化をうけJl な“・ このよう々特徴を有するゼオライトは、当初結晶水を脱
離したあとにできる空洞を利用した吸着剤としての応用
が注目された。1960年にはゼオライトの触媒作用が
発見されて以来、おもに固体酸触媒としてのすぐれた性
質が注目され、その用途は急速に拡大されている。
今「4、ゼオライトの次のような性質が利用されている
(イ)結晶構造を有するため均一の空1101(細孔お
よび細孔入口径)をもつ。この空洞を[ふるい−1と考
え、反応物分子の大きさがふるいより大きければ空洞に
入ることができないが、小さければ空洞の中に入り、そ
こで反応することができる。また反応生成物も空洞より
大きければ外へ出られず空洞がつまってしまうが、小さ
ければ外へ出ることができる。つまり空洞の大きさによ
って分子をふるい分けて反応を進行させ、生成物もふる
い分けられることによって選択的な生成物を得ることが
できる。
(ロ)ゼオライトの触媒作用の本質は固体酸性にある。
金属イオンを含んでいない水素型ゼオライトは焼成温度
によって、ブレンステッド酸点あるい= 3− はルイス酸点とルイス塩基点を発現させ、さらに酸点の
強さと数も決めることができる。1すなわち酸点の種類
と強さと数によって色々な反応に対する触媒作用を選ぶ
ことができる。
(ハ)ゼオライト合成時のナトリウムカチオンあるいは
水素イオン(プロトン)を溶液中で容易に他のアルカリ
金属、遷移金属、希土類等のカチオンとイオン交換する
ことができる。これによって交換したカチオン特有の触
媒作用と、カチオンの大きさによって空洞が狭められる
ことによる分子ふるい作用とが複合して反応を選ぶこと
ができる。
に) さらにゼオライトの金属カチオンを金属微粒子ま
で水素で還元すると、結晶構造をもつゼオライトに金属
が均一に分散し、担持された非常に大きい比表面積の触
媒ができる。この触媒作用もまた特異である。
(ホ)直接の触媒作用ではないのであるが、最近、分離
の非常に難しい異性体等にゼオライトを接触させ、分子
ふるい作用と吸着能によって一部の異性体のみ吸着させ
、後にゼオライトから異性体を4− 脱離させて、難分離物を分離する方法が行なわれている
以上の一般的なゼオライトの特性に加え、表1で示され
る粉末X線回折パターンを有するZSM=5ゼオライト
は、メタノールからガソリン留分を合成できる結晶性ア
ルミノシリケートゼオライトの一つとしてオイルショッ
ク以後石油のみの依存から脱却するためのエネルギー資
源の多様化に対応する。
表1 生成物の粉末X線回折パターン −7− 但し、測定条件はCu管球、Ni フィルター、40k
V、20mA、2000 cps、T Cl、P Sr
、8810、R80,15mm、27m1n、2cm/
minである。
なお誤差は次の表のようにみこまれる。
このZSM−5ゼオライトは所謂高シリカアルミナ比で
あるため、例えば米国特許第3702866号、米国特
許第3894106号、米国特許第3928483号お
よび英国特許第1402981号などに製造法が発明さ
れているが、いずれも、 (イ)天然物でない純正試薬のみを原料にしていること
fil 水酸化ナトリウムや水酸化カリウムのような無
機塩基だけでは合成できず、表2のような有機塩基を主
とした有機化合物試薬のいずれかを原料に添加している
こと。
(ハ)合成時間が数日を要すること。
などの問題点や欠点があった。
表2ZSM−5ゼオライト合成に有効な有機化合物 〔第一級アミン〕 C2エタノールアミン C4n−ブチルアミンC3n−
プロピルアミン ClIn−アミルアミンイソ プロピ
ルアミン C6n−ヘキシルアミンC7n−ヘプチルア
ミン C0n−ノニルアミンC8n−オクチルアミン 
Ckln−デシルアミン〔ジアミン〕 C51,5−ペンタンジアミン C61,6−ヘキサンジアミン = 8− 〔テトラアルキルアンモニウム〕 テトラ−n−プロピルアンモニウム 〔アミド〕 ラクトアミド アセトアミド アミノベンズアミド 〔アルコール〕 エタノール 表2のうち最も普通に使われているのは、畠価なテトラ
−n−プロピルアンモニウム(通称T PA)である。
ZSM−5ゼオライトの価格は′1゛PAで決まるとい
って過言でない。
一方1合成ゼオライトは、すべて出発原料として化学薬
品を使用したものだけでなく、天然のケイ酸塩鉱物、た
とえば膠質上などの粘土鉱物、火山ガラスを使うことも
できる。これらはゼオライトに必要なケイ酸、アルミナ
を含んでいるので。
アルカリを添加すればゼオライトの合成条件を満すこと
になる。しかもこれらは天然に膨大な量で産出し、経済
的にも安価である。すでにアロフエンからゼオライトの
合成の例は一連の加電化工業によるゼオライ)Aの合成
(特公昭46−31129.33216)、モルデナイ
ト型ゼオライトの合成(特公昭46−32574)があ
る。
〔発明の概要〕
この発明は、天然に産出する膠質上を主原料とし、これ
を精製または鉱酸処理すると共に高シリカ分にするため
に必要なシリカ、水酸化ナトリウムのようなアルカリ金
属カチオンの水溶液を含有する混合物を原料として調製
し、前記膠質上の有するコロイド性強熱減量中に含有す
る有機質の両方を活用して、前記混合物を高シリカアル
ミナ比の例えば表1に示すような粉末X線回折パターン
を有する結晶性アルミノンリケードゼオライトすなわち
28M−5ゼオライトの結晶が生成するまで、80℃〜
200℃の温度に保ちながら、水熱合成することを特色
とするZSM−5ゼオライト2 OaffimK:係6
(d7)?!;L。
したがって従来法に対するこの発明の特徴は、(イ)純
度の高い化学試薬品でなく、天然物である膠質上を、化
学的に純度を変えなくても、そのまま必須の原料として
用いることができる。
(ロ) したがってM2O,S i02. k120g
であられされる純粋な成分だけでなく、上記M20以外
のNa20、Fe2O3、Tio、Cab、MgO,に
、0などが不純物として合成原料混合物中に、結晶生成
中も共存していること。(Mはアルカリ金属イオン) (ハ)そして有機塩基などの有機化合物試薬を特別に添
加しなくてもよいこと。
に)それでも表1に示すような粉末X線回折パターンを
有する結晶性アルミノシリケイトゼオライトが得られる
こと。
亦)シかも合成時間が比較的短いこと。
(へ) また1合成原料混合物を数時間比較的低温で反
応して結晶核を生成させ、次いでその結晶核の成長とさ
らに熟成を促進させるために、加圧上高温例えば160
〜180℃にするような複雑な二段階工程をとるのでは
なく、一段の工程で一気に水熱合成温度例えば160〜
180℃11− で結晶核の発生と成長、熟成を行なう簡単な方法である
こと。したがって前記二段階工程法で発生した結晶核と
核自体が異ガること。
(ト) さらに、合成条件混合物中に塩化ナトリウムを
意図的に存在せしめて結晶の晶出、成長、熟成をする必
要がないこと。
である。
原料として使用する膠質上とは、わが国にも広く分布し
ている火山灰が風化作用によって生じた軽土層中の鉱物
学でいうアロフェンを主成分としているシリカ−アルミ
ナゲルである。地方によって鹿沼土、架上(栃木県)、
味噌上(長野類)。
水上(島根県)、はらす、赤はや(凡用)、オんしく四
国)などと称せられ、その化学分析を表3に示す。
これら産地より掘出した原子を水ひして磁鉄鉱、輝石、
長石、石英などの岩石部分を除くことによって、精製し
た膠質上の収率の比較的高い栃木集塵のうち、主に寺内
産出鹿沼土の実施例を中心に詳細に述べる。
12− 表3 膠質上の化学組成の−例 表3 膠質上の化学組成の一例(つづき)表3 膠質上
の化学組成の一例(つづき)15一 実施例1 (イ)精製膠質上の調製 栃木県真岡市寺内から採集した原子を水と共にボールミ
ル粉砕器に入れ、適宜時間粉砕すると淡黄色の泥水が得
られる1、これをノーベル水ひ装置に通すと、上流には
夾雑物として含まれる比重の大きい前記岩石部分が捕集
され、比重の小さい泥水のみが通過することによって下
流に集められ分級できる。集めた泥水をフィルタープレ
スによって脱水分離し、淡黄色の板状ケーキとして精製
膠質上を得た。
精製膠質上の含水率は65〜70重量%でその化学組成
は表3−3列目の栃木県寺内に示した。
(ロ) 結晶性アルミノシリケイトゼオライ)(Na型
)の調製 調製原料は、 精製膠質±(S + 02 /Alt Os =1.7
3.66.52重量悌1−120) 0.8961 に高シリカアルミナ比にするに必要なシリカ分を補充す
るための 16− 沈降シリカ(88,25チS iO,) 1.6091
.?アルカリと水 水酸化ナトリウム(87,09% NaOH) 0.5
1.03.9蒸溜水 14.4021g を24m1オートクレーブ中に調合した。この混合物の
組成は酸化物のモル比表示で sNa、0−238i02−A1203−75011.
.0である。前記オートクレーブを175℃に保ち、毎
秒10 cmの振幅で振とうさせながら24時間結晶化
させた。
得られた結晶生成物を濾過によって母液から分離し、水
洗し、150℃で1時間半乾燥させた。
このNa型生成物の粉末X線回折パターンは表1と同様
であった。
また、Na型生成物を500℃、16時間空気中で焼成
したときの比表面積は273r&/IB、 lfl、T
法、液体窒素温度)であった。
ちなみに、前記酸化物組成を同一にして、原料混合物と
して膠質上を添加せず、純正試薬の沈降シリカ、塩化ア
ルミニウム、水酸化ナトリウムおよび蒸溜水によって調
製した場合は、175℃、24時間の合成条件では結晶
化しなかった。
(ハ)結晶性アルミノンリケイトゼオライトのイオン交
換による1]型の調製 Na型生成物1.9にっき1規定NH,NO,水溶液2
5rr+lを加えて、80℃に1時間保ち、ナトリウム
イオンをアンモニアイオンにカチオン交換した。そして
NH3型生成物を母液から分離後、120℃、2時間空
気中で乾燥し、さらに450℃、6時間空気中でか焼し
た後■1型結晶性アルミノンリケイトゼオライトを得た
。この生成物の粉末X線回折パターンは表1と同様であ
った。
に)結晶性アルミノシリケイトの反応性前記14型結晶
性アルミノシリケイトゼオライトの触媒能を水素炎型検
出器付パルス反応器でi1^]べた。条件は下記に示す
反 応:メタノールによるトルエンのアルキル化反応 J” アやや工2ヮ)55 I’[3+++。。78□
、7,7カウス製 カラム 担体 ダイヤソリッドL−1 60〜80メツシュ 液相 5チペントン34と 5%D I I) I) 90℃ 3.7m 検出器 F I f) 実験条件:前処理 ヘリウム気流中 430 ℃2時間 キャリアガス ヘリウム 流量20mA’/分 触媒量 0.02.9 反応液注入量 0.23μl 実験結果(1回がら3回までのパルス実験の平均値) 二軸化率 20.9% 生成物 生成率 選択率 P−キシレン 16.2% 77.4%ベンゼン 1.
4〃6.6# エチルベンゼン 1.0# 5.Q。
メタン エーテル 根跡 トリメチルベンゼン ちなみに前記Na型結晶性アルミノシリケイトゼオライ
トは全く反応しなかった。
実施例2 実施例1と同じ方法で原料混合物の主成分の組成を酸化
物のモル比で表示したNa型結晶性アルミノシリケイト
ゼオライトの生成状態図を図1に示す。64例の結果を
まとめたものである。合成条件は175℃、24時間、
水分95%のものである。
ところで第1図に示す生成状態図は、5in2゜Na2
0 、 Al2O,を頂点とするモル分率表示の亘角相
図であって、51o2高モル側を図示したものである。
ちナミニ、5iO2−Na20軸の数字は51o2のモ
/l/分率を、Na20−Al2O3軸の数字はN a
 、、 00モル分率を、S i102−Al2O11
111(’)ta字r、i A40gのモル分率をそれ
ぞれ示している。
図中の記号は 2O− A−表1の粉末X線回折パターンを示す結晶性アルミノ
ンリケイトゼオライトの単−相B−モルデナイトゼオラ
イトの単−t’[JC−モルデナイトゼオライトとアナ
ルシンゼオライトの共存を目 D−アナルシンゼオライトの単−相 E−ゼオライトPの単−相 を示す。
なえ、合成条件は24時間、水分95チで第1図は17
5℃のもの、第2図は150℃のものである。
実施例3 実施例1ではシリカアルミナ比調製補充に沈降シリカを
用いたが、)湛質土は鉱酸によりシリカアルミナ比を変
化させることができるので、膠質上のみを用いた結晶性
アルミノンリケイトゼオライトの例を示す。
(イ)塩酸処理膠質上のn1Al製 表3の栃木県大沢赤喝色十に次の世論式2式% F e20s +6l−ICl→2P eCl、+31
L、0にしたがい必要な5N−11cllを算出し、そ
の2倍量を加え、80℃、2時間反応させると含有する
アルミナ分と鉄分が酸液中に溶出する。反応後犬量の水
で十分水洗した膠質中を母液から濾過によって分離した
。この時の母液のl) I−1iよ5.5であった。こ
の酸処理膠質上を110℃、24時間乾燥した後の化学
組成は次に示す。
吸着水分 24..52チ 強熱減量 5,01%Si
o2 85.43饅 A120 a 5.25係Pe2
03 0.58% 5i02/i20. 27.38 である。
(ロ)膠質上のみによる結晶性アルミノシリウ゛イトゼ
オライト(Na型)の調製 調製原料として 実施例1、(イ)の精製1疹賀土 o、0242J?イ
、・ 自i1i己j80契L3!IF”l−3,203
5P水酸化ナトリウl\(87,09%Na0l−i)
0.5784g 蒸溜水 16.3211.9 を24m1オートクレーブ中に調合した。この混合物の
組成は酸化物のモル比表示で 5Na20−23 S 102−Ad2e、−750l
−I20である。前記オートクレーブを175℃に保ち
、毎秒I Q cmの振幅で振とうさせながら24時間
結晶化させた。
得られた結晶生成物を濾過によって旬液から分離し、水
洗し、150℃、1時間半乾燥させた。
膠質中を塩酸処理した時の塩素イオンが調製時に残って
いたが、このNa型生成物の粉末X線回折パターンは表
1と一致した。
実施例4 実施例2と同じ系で、調製温度のみ150℃とした場合
の生成状態図を図2に示す。図中の記号は第1図と同じ
であるので、その説明は省く。
実施例5 (イIZsM−5ゼオライ)(Iぐ型)の調製に周ルツ
j京木Iは、 精製膠質上(S l o2/Al2O5”1.73.6
4.50重量係23− H,0) 0.8403 gに高シリカアルミナ比にす
るに必要なシリカ分を補充するための 沈降シリカ(88,25%Sin、 ) 1.6188
gアルカリと水 水酸化カリウム(85,0%KOH) 0.7346.
9蒸溜水 14.4580.!i+ を24rr+lオートクレーブ中に調合した。この混合
物の組成は酸化物のモル比表示で 5KaO−238102−Al、0.−7501(,0
である。前記オートクレーブを175℃に保ち、毎秒1
0cmの振幅で振とうさせながら48時間結晶化させた
得られた結晶生成物を濾過によって母液から分離し、水
洗し、150℃で1時間半乾燥させた。このに型生成物
の粉末X線回折パターンは表1に示すゼオライトとモル
デナイトゼオライトとの共存を示した。
(ロ)結晶性アルミノシリケイトゼオライト(Na−に
型)の調製 前記(イ)の反応原料混合物の組成を酸化物のモル24
− 比表示で 3.75KaO−1,25Na20 23Si02−k
lJ20s 750H□02.5KaO−2,5N a
2o−2381o2−A1203−75011201.
25.KaO−3,75Na20−23Sio、 −A
120.−750L120と変化させて結晶化させた。
得られたNa−に型生成物の粉末X線回折パターンは、
表1に示すゼオライトとモルデナイトの共存を示したが
、Naが多くなるに従って、結晶化が早くなり、かつ表
1に示したゼオライトが多く々つだ。
〔発明の効果〕
この発明は斜上のように成るので、以下の効果を奏する
ものである。
(イ)天然物である膠質中を原料にしていることである
。ことさら原料を試薬の純度までめなくても、表3のよ
うな多成分の混合している膠質上で充分である。しかも
膠質上は火山国日本のいたる所で見うけられるが、]−
業資源の対象となりうるものは原子収得とその成分性負
より考慮しても乾燥原子推定量数体トンにもおよぶ一犬
国内資源であること。
回 膠質子は非晶質なシリカゲルとアルミナゲルが天然
に均一に分布していて多孔質(250rn’/11〜3
00rn’/、9)である。しかも、表3の強熱減量の
大部分として計測されている前記膠質土中の構造水が、
300℃〜500℃の合成温度以上まで保持されている
特性(示差熱分析曲線より)を有している。したがって
、合成温度では表3の成分は水酸化物として存在してい
るものも多いので、膠質上(S iO,) 、 (AA
’04)四面体をつくりやすく、緩かな合成条件におい
てさえも、短時間にゼオライト結晶構造をつくる能力を
有している。それを活用したこと。
(ハ)膠質土中強熱減量の一部として、天然に含有して
いる微量(数%〜5チ)の有機質のために。
上記(ロ)の結晶化能力との相乗効果により高価な有機
塩基などの試薬を特別に添加しなくても表1のゼオライ
ト合成が可能なこと。
1j:、・ 1261・表°011化鴇餅01°′。”
・CaO,MgO、アルカリ(K、01Na、0) 、
そして微量のTiOなどのカチオン類がすでに原料膠質
上の構造の一部として存在しており、新たに合成原料混
合物の一つとして添加したアルカリ金属カチオンと相乗
して、膠質上がゼオライトになりやすい潜在的能力が引
き出されたこと。
(ホ) したがって安価に早く合成できること。
である。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は、この発明に係る製造法で得られ
た実施例2および実施例4の結晶化アルミノンリケイト
ゼオライトの生成状態図を示す。 図中の記号は 八−表1の粉末X線回折パターンを示す結晶性アルミノ
シリケイトゼオライトの単−柑B−モルデナイトゼオラ
イトの単−相 C−モルデナイトゼオライトとアナルシンゼオライトの
共存相 1〕−アナルシンゼオライトの単−柑 E−ゼオライトPの単−相 を示す。 手続補正書 昭和59年9月78 特許庁長官 志賀 学 殿 1、事件の表示 昭和59年 特 許 願第11668
0号2発明の名称 膠質土を原料としたZSM−5ゼオライトの製造法3 
補正をする者 事件との関係 出願人 住所(居所) &4−(名称) 四国化成工業株式会社代表者 4、代 理 人 6 補正により増加する発明の数 7、補正の対象 明細書−一≠−1 (特許請求の範囲、発明の詳細な説明の各欄)8 補正
の内容 別紙のとおり 8 補正の内容 (イ)特許請求の範囲を次のように訂正する。 r(11g買上、シリカおよび金属カチオン水溶液を含
有する混合物を調整し、かつ、主成分が酸化物のモル比
で表わしてつぎの組成 S i02 / A 11 t 03 = 8以上M’
AO/ S i 02 = 0.01〜0.35H20
含有量=60〜99モル% (式中、Mはアルカリ金属−陽、イオン、1九LLルカ
リ土類金属陽イオン、nは原子価を示す。)を有する前
記混合物をゼオライトの結晶が生成するまで少くとも8
0℃の温度に保つことを特徴とする膠質土を原料とした
ZSM−5ゼオライトの製造法。 (2)アルカリ金属がナトリウムであることを特徴とす
る特許請求の範囲第1項記載の膠質土を原料としたZS
M−5ゼオライトの製造法。 (3)膠質土、鉱酸処理した膠質土、およびアルカリ金
属カチオン水溶液を含有する混合物を調製し、かつ主成
分が酸化物のモル比で表わして、つぎの組成 S i 02 /AAhOs −8以上M’AO/ S
 i 02 = 0.01〜035rho含有量=60
〜99モル% (式中、Mはアルカリ金属1イオン棗A1;乙巳カリ土
類金属陽イオン、nは原子価を示す。)を有する前記混
合物をゼオライトの結晶が生成するまで少くとも80℃
の温度に保つことを特徴とする膠質土を原料としたZS
M−5ゼオライトの製造法。 (4)アルカリ金属がナトリウムであることを特徴とす
る特許請求の範囲第3項記載の膠質土を′原料としたZ
SM−5ゼオライトの製造法。」(ロ)明細書12ペ一
ジ7行目から8行目にかけて、「(Mはアルカリ金属イ
オン)」とあるのをf(Mはアルカリ金属陽イオン、ま
たはアルカリ土類金属陽イオン)」と訂正する。 1−

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) 膠質上、シリカおよびアルカリ金属カチオン水
    溶液を含有する混合物を調整し、がっ、主成分が酸化物
    のモル比で表わしてっぎの組成8 i 0t /A4 
    Ug =8以上M”O/8i02=0.01〜0.35
    H20含有11= 60〜99−F−ル%(式中2Mは
    アルカリ金属イオン、nは原子価を示す。) を有する前記混合物をゼオライトの結晶が生成するまで
    少くとも80℃の温度に保つことを特徴とする膠質上を
    原料としたZSM−5ゼオライトの製造法。
  2. (2) アルカリ金属がナトリウムであることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の膠質上を原料としたZ
    SM−5ゼオライトの製造法。
  3. (3)膠質上、鉱酸処理した膠質上、およびアルカリ金
    属カチオン水溶液を含有する混合物を調製し、かつ主成
    分が酸化物のモル比で表わして、つぎの組成 S i o、 /A12 o、 = 8以上M ” O
    / 8 io、 =0.01〜0.35H,0含有量=
    60〜99モルチ (式中1Mはアルカリ金属イオン、nは原子価を示す。 ) を有する前記混合物をゼオライトの結晶が生成するまで
    少くとも80℃の温度に保つことを特徴とする膠質上を
    原料としたZSM−5ゼオライトの製造法。
  4. (4) アルカリ金属がナトリウムであることを特徴と
    する特許請求の範囲第3項記載の膠質上を原料としたZ
    SM−sゼオライトの製造法。
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