JPWO2010090049A1 - Ddr型ゼオライト粉体、及びddr型ゼオライト粉体の製造方法 - Google Patents

Ddr型ゼオライト粉体、及びddr型ゼオライト粉体の製造方法 Download PDF

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Abstract

微細な粒子から構成され、大半の粒子の粒子径が平均粒子径付近に収束する粒度分布が示されるDDR型ゼオライト粉体、及びその製造方法を提供する。1−アダマンタンアミンを溶解させたエチレンジアミン、シリカ(SiO2)、及び水が、モル比において1−アダマンタンアミン/SiO2が0.002〜0.5かつ水/SiO2が10〜500にて混合されており、さらに平均粒子径10〜300nmのDDR型ゼオライト種結晶が0.001〜1.0質量%にて分散されている原料溶液を、100〜180℃にて加熱処理することにより、前記DDR型ゼオライト種結晶を核として平均粒子径が0.1μm以上2.5μm未満となるまで結晶成長させる工程を有するDDR型ゼオライト粉体の製造方法。

Description

本発明は、触媒、触媒担体、吸着剤、ガス分離膜、浸透気化膜などに利用されるDDR型ゼオライト粉体、及びDDR型ゼオライト粉体の製造方法に関する。
ゼオライトは、触媒、触媒担体、吸着材等として利用されている。ゼオライトは、分子篩作用を有し、ゼオライトを膜状にしたゼオライト膜は、ガス分離膜や浸透気化膜として利用されている。
ゼオライトは、その結晶構造から、LTA、MFI、MOR、AFI、FER、FAU、DDR等の型に分類される。これらの中でもDDR(Deca−Dodecasil 3R)型ゼオライトは、主成分がシリカからなる結晶であり、その結晶構造内に細孔を有する。この細孔は、酸素8員環を含む多面体によって形成され、細孔径が4.4×3.6オングストロームである。
DDR型ゼオライトの細孔径は、ゼオライトの中では比較的小さい。そのため、DDR型ゼオライトは、水素(H)、二酸化炭素(CO)、メタン(CH)、エタン(C)、エチレン(C)、プロパン(C)、プロピレン(C)等の低分子ガスのみを分離する吸着剤や分離篩膜に利用できる。
非特許文献1〜3には、DDR型ゼオライトの製造方法が開示されている。これらの製造方法では、構造規定剤(以下、「SDA」と記す)に1−アダマンタンアミンを用い、テトラメトキシシラン、エチレンジアミン、及び水を原料とし、水熱合成によって、アルミニウムを含まないオールシリカのDDR型ゼオライト粉体を製造する。
特許文献1には、非特許文献1〜3に記載のDDR型ゼオライトの製造方法を簡便化した技術が開示されている。この技術では、エチレンジアミンに溶解させた1−アダマンタンアミンを含んだ原料溶液に、種結晶としてDDR型ゼオライト粉末を添加して分散させた後(或いは、種結晶であるDDR型ゼオライト粉末を付着せしめた支持体を浸漬させた後)、水熱合成する。
特開2004−83375号公報
H. Gies, Journal of Inclusion Phenomena 2, (1984)275−278 A. Stewart, D. W. Johnson and M. D. Shannon, Studies in Surface Science and Catalysis vol.37, (1988)57−64 M. J. den Exter, J. C. Jansen, H. van Bekkum, Studies in Surface Science and Catalysis vol.84, Ed. by J. Weitkamp et al., Elsevier (1994)1159−1166
しかしながら、非特許文献1〜3のDDR型ゼオライトの製造方法では、粒子の粉砕や分級を経ることなく、平均粒子径2.5μm未満の微細なDDR型ゼオライト粉体を得られない。
さらに、粒子の粉砕と分級を施した場合でも、得られたDDR型ゼオライト粉体は、平均粒子径付近に大半の粒子の粒子径が収束する粒度分布を示し難い。また、粉砕によって粒子に外力が加わるため、非晶質の含有率が高い粒子を多数生成する。
よって、従来の製造方法では、平均粒子径2.5μm未満の微細なDDR型ゼオライト粉体を得ようとした場合、非晶質の含有率が高く、DDR型ゼオライト結晶の含有率が低いものになってしまう。
DDR型ゼオライト粉体は、非晶質の含有率が高い場合、DDR型ゼオライトの結晶構造に起因した種々の有用な特性が発揮されにくくなる。例えば、吸着等に有効な細孔の容積が小さくなり、低分子ガスを分離の対象とする吸着剤としての性能も劣る。
また、特許文献1には、得られる粉体の粒度分布やDDR型ゼオライト結晶の含有率などは開示されておらず、粒度分布や結晶の含有率を最適化するための条件も開示されていない。
上記の問題に鑑みて、本発明の課題は、微細な粒子から構成され、大半の粒子の粒子径が平均粒子径付近に収束する粒度分布が示されるDDR型ゼオライト粉体、及びその製造方法を提供することにある。
上述の課題を解決するため、本発明者等は、鋭意検討した結果、所定の平均粒子径のDDR型ゼオライトの種結晶を結晶成長させる好適な条件を見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明によれば、以下に示すゼオライト粉体及びゼオライト粉体の製造方法が提供される。
[1] 平均粒子径が0.1μm以上2.5μm未満であり、全粒子の80%以上の粒子径が前記平均粒子径に対して−45%〜+90%の範囲内に含まれる粒度分布を有するDDR型ゼオライト粉体。
[2] 前記平均粒子径が、0.2μm以上1.0μm未満である前記[1]に記載のDDR型ゼオライト粉体。
[3] X線回折分析により得られる回折強度に基づき、下記式(I)にて算出されるDDR型ゼオライト結晶に起因する回折ピークの回折強度Aと、下記式(II)にて算出されるDDR型ゼオライト粉体に含まれる非晶質に起因する回折強度Bとの比として下記式(III)にて算出されるYの値が、100以上である前記[1]又は[2]に記載のDDR型ゼオライト粉体:
A=Ca−{(C2−C1)/(θ2−θ1)×(θa−θ1)+C1}(I):
B=Cb−{(C2−C1)/(θ2−θ1)×(θb−θ1)+C1}(II):
Y=A/B (III)。
(但し、C1は、DDR型ゼオライト結晶の(012)面に由来する回折ピークと同(104)面に由来する回折ピークとの間の回折強度の最小値、θ1は、C1を示す回折角(2θ)、C2は、DDR型ゼオライト結晶の(606)面に由来する回折ピークと同(1 2 20)面に由来する回折ピークとの間の回折強度の最小値、θ2は、C2を示す回折角(2θ)、Caは、DDR型ゼオライト結晶の(024)面に由来する回折ピークの回折強度、θaは、Caを示す回折角(2θ),Cbは、DDR型ゼオライト結晶の(122)面に由来する回折ピークと同(027)面に由来する回折ピークとの間の回折強度の最小値、θbは、Cbを示す回折角(2θ))
[4] 1−アダマンタンアミンを溶解させたエチレンジアミン、シリカ(SiO)、及び水が、モル比において1−アダマンタンアミン/SiOが0.002〜0.5かつ水/SiOが10〜500にて混合されており、さらに平均粒子径10〜300nmのDDR型ゼオライト種結晶が0.001〜1.0質量%にて分散されている原料溶液を、100〜180℃にて加熱処理することにより、前記DDR型ゼオライト種結晶を核として平均粒子径が0.1μm以上2.5μm未満となるまで結晶成長させる工程を有するDDR型ゼオライト粉体の製造方法。
[5] 前記原料溶液に含まれる前記シリカの質量と前記DDR型ゼオライト種結晶の質量との合計に対する得られたDDR型ゼオライト粉体の質量の百分率比が、50%以上である前記[4]に記載のDDR型ゼオライト粉体の製造方法。
本発明のDDR型ゼオライト粉体は、微細な粒子から構成され、大半の粒子の粒子径が平均粒子径付近に収束する粒度分布を示す。また、本発明のDDR型ゼオライト粉体の製造方法では、微細な粒子から構成され、大半の粒子の粒子径が平均粒子径付近に収束する粒度分布を示すDDR型ゼオライト粉体を得られる。
DDR型ゼオライト粉体のX線回折パターンの一例を表す図である。 実施例1のDDR型ゼオライト粉体の粒度分布を表す図である。 実施例2のDDR型ゼオライト粉体の粒度分布を表す図である。 実施例3のDDR型ゼオライト粉体の粒度分布を表す図である。 比較例2のDDR型ゼオライト粉体の粒度分布を表す図である。 実施例1のDDR型ゼオライト粉体のX線回折パターンを表す図である。 実施例2のDDR型ゼオライト粉体のX線回折パターンを表す図である。 実施例3のDDR型ゼオライト粉体のX線回折パターンを表す図である。 比較例2のDDR型ゼオライト粉体のX線回折パターンを表す図である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
1.DDR型ゼオライト粉体:
1−1.本発明のDDR型ゼオライト粉体の概要:
本発明のDDR型ゼオライト粉体は、平均粒子径が0.1μm以上2.5μm未満であって、全粒子の80%以上の粒子径が平均粒子径に対して−45%〜+90%の範囲内に含まれる粒度分布を有する。
「DDR型ゼオライト粉体」は、DDR型ゼオライトと称される結晶構造を有する粒子が含まれている粉体である。
ゼオライト結晶は、(SiO4−及び/又は(AlO5−の四面体構造を基本単位とし、この基本単位が連結して細孔を有した構造である。
DDR型ゼオライトの結晶構造を有する粒子には、完全結晶の粒子はもちろん、1個の粒子中にDDR型ゼオライト結晶の格子欠陥があるものや不純物を含んだものも包含される。
DDR型ゼオライトの結晶構造を有する粒子が含まれる粉体とは、固体の粒子が集合したものである。固体の粒子には、先に定義したDDR型ゼオライトの結晶構造を有する粒子はもちろん、DDR型ゼオライト粉体が調製される時などに不可避的に含有された粒子も含まれる。
「平均粒子径」とは、DDR型ゼオライト粉体を構成する固体の粒子の粒子径の分布におけるメジアン径(d50)である。例えば、平均粒子径は、レーザードップラー法による粒度分布測定でのメジアン径(d50)として規定される。
本発明のDDR型ゼオライト粉体は、例えば吸着剤として用いる際に吸着効率が向上される観点からは、平均粒子径が、0.2μm以上1.0μm未満であることが好ましい。
「粒子径が前記平均粒子径に対して−45%〜+90%の範囲内」とは、粉体を構成する粒子の粒子径の値が、粉体の平均粒子径値の55%以上190%以下にあることをいう。
ここでいう「粒度分布」は、当業者が通常用いる手段によって得られるものであればよく、例えば、レーザードップラー法による粒度分布測定に基づき得られる。
1−2.DDR型ゼオライト結晶の含有率が高い粉体:
本発明のDDR型ゼオライト粉体は、X線回折分析により得られる回折強度に基づき、下記式(I)にて算出されるDDR型ゼオライト結晶に起因する回折ピークの回折強度Aと、下記式(II)にて算出されるDDR型ゼオライト粉体に含まれる非晶質に起因する回折強度Bとの比として下記式(III)にて算出されるYの値が、100以上であるものが好ましい:
A=Ca−{(C2−C1)/(θ2−θ1)×(θa−θ1)+C1}(I):
B=Cb−{(C2−C1)/(θ2−θ1)×(θb−θ1)+C1}(II):
Y=A/B (III)。
上記式(I)〜(III)中の表されるC1、θ1、C2、θ2、Ca、θa、Cb、及びθbは、次に説明するものである。
図1は、CuKα1線のX線の照射による、DRR型ゼオライト粉末のX線回折分析の結果を表し、横軸が回折角(2θ)、縦軸が回折強度(cps)である。以下、図1を参照し説明する。下記の説明での回折角に関する具体的な数値は、CuKα1線のX線が照射される場合に適用されるものである点に留意する。
C1は、DDR型ゼオライト結晶の(012)面に由来する回折ピークと同(104)面に由来する回折ピークとの間の回折強度の最小値である。θ1は、C1を示す回折角(2θ)である。
C2は、DDR型ゼオライト結晶の(606)面に由来する回折ピークと同(1 2 20)面に由来する回折ピークとの間の回折強度の最小値である。θ2は、C2を示す回折角(2θ)である。
Caは、DDR型ゼオライト結晶の(024)面に由来する回折ピークの回折強度である。θaは、Caを示す回折角(2θ)である。
Cbは、DDR型ゼオライト結晶の(122)面に由来する回折ピークと同(027)面に由来する回折ピークとの間の回折強度の最小値である。θbは、Cbを示す回折角(2θ)である。
C1、θ1、C2、θ2、Ca、θa、Cb、及びθbは、Collection of Simulated XRD Powder Patterns for Zeolites, Eds.: M.M.J.Treacy and J.B.Higgins, Elsevier (2001)、に記述されているDDR型ゼオライト結晶のX線回折分析に関する知見、及び本発明者等による以下の考察に基づいて規定されている。
C1及びC2は、バックグランドの算出に用いる値である。図1中の座標(θ1、C1)と座標(θ2、C2)とを結ぶ直線は、バックグラウンドを表す。
回折強度は、実測値からこのバックグランドの値を減じることによって、補正される。
DDR型ゼオライト粉末のX線回折分析では、DDR型ゼオライト粉体に含まれる非晶質に由来する回折ピークが、通常、回折角15〜30度付近に現れる(例えば図9を参照、詳しくは後述)。
そこで、C1、C2は、DDR型ゼオライト結晶に由来する回折強度、及び非晶質に由来する回折強度による影響が少ない、回折角15度未満、又は回折角30度超の部分から選ぶ。具体的には、回折角θ1が15度未満、回折角θ2が30度超から選択され、θ1及びθ2は、それぞれ次の考察に基づいて規定されている。
回折角15度未満では、DDR型ゼオライト結晶の(012)面に由来する回折ピークと同(104)面に由来する回折ピークとの間が、他の明瞭な回折ピークがなくて最も広い(図1参照)。よって、DDR型ゼオライト結晶の(012)面に由来する回折ピークと同(104)面に由来する回折ピークとの間では、DDR型ゼオライト結晶に由来する回折強度、及び非晶質に由来する回折強度による影響が少ない。
C1は、この間隔内において結晶及び非晶質に由来する回折強度の影響が最も少ないと推察される前記両ピークの裾、すなわちDDR型ゼオライト結晶の(012)面に由来する回折ピークと同(104)面に由来する回折ピークとの間の回折強度の最小値とする。θ1は、C1を示す回折角として規定されている。
回折角30度超では、DDR型ゼオライト結晶に由来する回折ピークが多数存在するため、C2は、C1と同様に規定することが困難である。
回折角30度超では、DDR型ゼオライト結晶に由来する回折ピークのうち、同回折ピークで最も強い回折強度を示す、(024)面に由来する回折ピークの回折強度に対して、0.7%以上の回折強度を示す回折ピークのみをピックアップする。
このようにピックアップされた回折ピークの分布では、DDR型ゼオライト結晶の(606)面に由来する回折ピークと(1 2 20)面に由来する回折ピークとの間が、他の明瞭な回折ピークがなくて最も広くなる。よって、DDR型ゼオライト結晶の(606)面に由来する回折ピークと同(1 2 20)面に由来する回折ピークとの間では、DDR型ゼオライト結晶に由来する回折強度、及び非晶質に由来する回折強度による影響が少ない。
C2は、この間隔内において結晶及び非晶質に由来する回折強度の影響が最も少ないと推察される前記両ピークの裾、すなわちDDR型ゼオライト結晶の(606)面に由来する回折ピークと同(1 2 20)面に由来する回折ピークとの間の回折強度の最小値とする。θ2は、C2を示す回折角として規定されている。
Caは、DDR型ゼオライト結晶に由来する回折ピークのうち、最も大きい回折強度を示す(024)面に由来する回折強度である。この回折ピークは、粉体中の非晶質の含有率が増加しても、他のDDR型ゼオライト結晶由来の回折ピークと比較して識別されやすい。
上記式(I)の右辺は、上述のCaが、回折角θaでのバックグラウンドの値によって減ぜられていることを表す。すなわち、Aの値は、DDR型ゼオライト結晶に起因する回折ピークの回折強度の補正後の値である。
続いて、DDR型ゼオライト粉体に含まれる非晶質に起因する回折強度である、Cbについて説明する。
DDR型ゼオライト粉体に含まれる非晶質に由来する回折強度は、通常、回折角23度付近が最も大きい(例えば図9を参照、詳しくは後述)。DDR型ゼオライト結晶に由来する回折ピークは、回折角23度付近に多数現れる(図1参照)。そのため、DDR型ゼオライト粉体に含まれる非晶質のみに由来する回折強度を把握するのは困難である。
本発明者等は、粉末の回折パターンを多数検討し、回折角23度近傍において、DDR型ゼオライト結晶の(122)面に由来する回折ピークと同(027)面に由来する回折ピークとの間に着目している。この両回折ピーク間では、DDR型ゼオライト結晶に由来する回折強度の影響を受けにくいと考えられるためである。
Cbは、この間隔内においてDDR型ゼオライト結晶に由来する回折強度の影響が最も少ないと推察される前記両ピークの裾、すなわちDDR型ゼオライト結晶の(122)面に由来する回折ピークと同(027)面に由来する回折ピークとの間の回折強度の最小値とする。θbは、Cbを示す回折角として規定されている。
上記式(II)の右辺は、上述のCbが、回折角θbでのバックグラウンドの値によって減ぜられることを表す。すなわち、Bの値は、DDR型ゼオライト粉体に含まれる非晶質に起因する回折強度の補正後の値である。
上記式(III)のYの値は、DDR型ゼオライト粉体における、DDR型ゼオライト結晶に起因する回折ピークの回折強度Aと、DDR型ゼオライト粉体に含まれる非晶質に起因する回折強度Bとの比である。Yの値が大きいときは、DDR型ゼオライト結晶の含有率が高く、これに相関して非結晶の含有率が低い状態を表している。
DDR型ゼオライト粉体は、上記式(III)のYの値が100以上の場合、DDR型ゼオライト結晶構造に特徴的な細孔の容積が十分に確保される。この場合、低分子ガスを対象とした吸着剤に利用すると、良好な吸着性能を発揮する。
以上で説明した本発明のDDR型ゼオライト粉体は、次に述べる製造方法(本発明のDDR型ゼオライト粉体の製造方法)によって得られる。
2.DDR型ゼオライト粉体の製造方法:
2−1.本発明のDDR型ゼオライト粉体の製造方法の概要:
本発明のDDR型ゼオライト粉体の製造方法(以下、「本発明の製造方法」)は、1−アダマンタンアミンを溶解させたエチレンジアミン、シリカ(SiO)、及び水が、モル比において1−アダマンタンアミン/SiOが0.002〜0.5かつ水/SiOが10〜500にて混合されており、さらに平均粒子径10〜300nmのDDR型ゼオライト種結晶が0.001〜1.0質量%にて分散されている原料溶液を、100〜180℃にて加熱処理することにより、前記DDR型ゼオライト種結晶を核として平均粒子径が0.1μm以上2.5μm未満となるまで結晶成長させる工程を有する。以下、本発明の製造方法について、諸工程を時系列に沿って詳しく説明する。
2−2.DDR型ゼオライト種結晶の調製:
ここでいう「DDR型ゼオライト種結晶」とは、水熱合成(詳しくは後述)において、結晶成長の核となるDDR型ゼオライト結晶の粒子である。
DDR型ゼオライト種結晶は、例えば非特許文献3に記載の方法など、従来公知の方法によってDDR型ゼオライト結晶を作製し、これを粉砕して得られる。また、粉砕後、適宜分級などを行い、所望の平均粒子径の粒子のみを選別してもよい。粉砕及び分級についても、当業者が通常用いうる方法が適用できる。
本発明の製造方法では、平均粒子径10〜300nmのDDR型ゼオライト種結晶を調製する。
2−3.原料溶液の調製:
原料溶液は、1−アダマンタンアミンを溶解させたエチレンジアミン、シリカ(SiO)、及び水が混合されており、さらに上述の平均粒子径10〜300nmのDDR型ゼオライト種結晶が分散されているように調製される。
1−アダマンタンアミンは、DDR型ゼオライト結晶の合成に用いられるSDA(構造規定剤)、即ち、DDR型ゼオライトの結晶構造を形成させるための鋳型となる物質である。
1−アダマンタンアミンとDDR型ゼオライトの原料であるシリカ(SiO)とのモル比(1−アダマンタンアミン/SiOモル比)が重要である。1−アダマンタンアミン/SiOモル比は、0.002〜0.5の範囲内であることが必要であり、0.01〜0.3の範囲内であることが好ましく、0.01〜0.1の範囲内であることが更に好ましい。1−アダマンタンアミン/SiOモル比がこの範囲より少ないと、SDAとして働く1−アダマンタンアミンが不足してDDR型ゼオライトを形成することが困難となる。1−アダマンタンアミン/SiOモル比がこの範囲を超えると、高価な1−アダマンタンアミンが必要以上に添加されることになり、製造コストの面から好ましくない。
1−アダマンタンアミンは、水に対して難溶性である。そのため、1−アダマンタンアミンは、エチレンジアミンに溶解させた後、原料溶液の調製に供される。1−アダマンタンアミンをエチレンジアミンに完全に溶解させ、原料溶液が均一な状態にて調製されることにより、均一な結晶サイズを有するDDR型ゼオライト結晶を結晶成長させることが可能となる。
エチレンジアミンと1−アダマンタンアミンとのモル比(エチレンジアミン/1−アダマンタンアミンモル比)は、4〜35の範囲内であることが必要であり、8〜24の範囲内であることが好ましく、10〜20の範囲内であることが更に好ましい。エチレンジアミン/1−アダマンタンアミンモル比がこの範囲より少ないとき、エチレンジアミンの量が、1−アダマンタンアミンを完全に溶解させるのに不充分である。一方、エチレンジアミン/1−アダマンタンアミンモル比がこの範囲を超えると、エチレンジアミンが必要以上に使用されることになり、製造コストの面から好ましくない。
本発明の製造方法では、原料溶液に混合されているシリカ(SiO)の供給源としてシリカゾルを用いることができる。シリカゾルは、市販のシリカゾルを好適に用いることができる。他に、シリカゾルは、微粉末状シリカを水に溶解し、或いは、アルコキシドを加水分解することにより調製できる。
本発明の製造方法では、溶媒である水とシリカ(SiO)とのモル比(水/SiOモル比)は、10〜500の範囲内であることが必要であり、14〜250の範囲内であることが好ましく、14〜112の範囲内であることが更に好ましい。水/SiOモル比がこの範囲より小さいと、原料溶液のSiO濃度が高すぎるために、結晶化しない未反応のSiOが多量に残存する点において好ましくない。一方、水/SiOモル比がこの範囲を超えると、原料溶液のSiO濃度が低すぎるために、DDR型ゼオライト結晶を結晶成長させることが困難になる点において好ましくない。
本発明の製造方法によれば、オールシリカ型のDDR型ゼオライトの他、その骨格にアルミニウムと金属カチオンを含むDDR型ゼオライト(以下、「ローシリカ型のDDR型ゼオライト」と記す)も製造できる。このローシリカ型のDDR型ゼオライトは、細孔にカチオンを有するため、吸着性能や触媒性能がオールシリカ型のDDR型ゼオライトとは異なる。ローシリカ型のDDR型ゼオライトを製造する場合には、溶媒である水とシリカゾルの他、アルミニウム源、カチオン源を添加して原料溶液を調製する。
本発明の製造方法では、アルミニウム源が原料溶液に添加される場合、アルミニウム源としては、硫酸アルミニウム、アルミン酸ナトリウム、金属アルミニウム等を用いることができる。
アルミニウムが酸化物として換算された場合における、SiO/Alモル比は、50〜1000の範囲内であることが必要であり、70〜300の範囲内であることが好ましく、90〜200の範囲内であることが更に好ましい。SiO/Alモル比がこの範囲より少ないと、DDR型ゼオライト以外のアモルファスSiOの比率が多くなってしまう点において好ましくない。SiO/Alモル比がこの範囲を超えると、DDR型ゼオライトは製造できるものの、アルミニウム及びカチオンの量が著しく少なくなることに起因して、ローシリカ型のDDR型ゼオライトとしての特性が備わったものが十分に得られず、オールシリカ型のゼオライトを製造したときと何ら違いがなくなってしまう点において好ましくない。
本発明の製造方法では、カチオンが原料溶液に添加される場合、カチオンとしては、アルカリ金属、即ち、K、Na、Li、Rb、Csの何れかのカチオンが挙げられる。カチオン源としては、Naの例で説明すると、水酸化ナトリウム、アルミン酸ナトリウム等を挙げることができる。
アルカリ金属が酸化物として換算された場合における、XO/Alモル比は、1〜25の範囲内であることが必要であり、3〜20の範囲内であることが好ましく、6〜15の範囲内であることが更に好ましい。XO/Alモル比がこの範囲より少ないと、目的とするSiO/Alモル比のDDR型ゼオライトが得難くなる点において好ましくない。一方、XO/Alモル比がこの範囲を超えると、生成物にアモルファスSiOが混入してしまう点において好ましくない。
特に好ましい原料溶液の調製方法の態様としては、1−アダマンタンアミンがエチレンジアミンに溶解された溶液、溶媒である水、シリカゾル(ローシリカ型のDDRを合成する場合にあっては、更に、アルミニウム源である硫酸アルミニウム、及びカチオン源である水酸化ナトリウム)を所定の比率で混合し、溶解させることにより、原料溶液を調製する方法が挙げられる。
特に、本発明の製造方法では、平均粒子径10〜300nmのDDR型ゼオライト種結晶が0.001〜1.0質量%にて分散されている原料溶液を用いる。
原料溶液にDDR型ゼオライト種結晶を分散させる方法は、本発明の属する技術分野の当業者が通常用い得る一般的な攪拌方法を採用すればよい。例えば、超音波処理等の方法によって、原料溶液にDDR型ゼオライト種結晶を分散させることができる。
2−4.加熱処理(水熱合成):
本発明の製造方法では、上述のように原料溶液にDDR型ゼオライト種結晶を添加・分散させた後、加熱処理する。これによって、DDR型ゼオライト種結晶を核として平均粒子径0.1μm以上2.5μm未満まで結晶成長させて、DDR型ゼオライト粉体を作製する(以上の加熱処理のことを「水熱合成」とも称する)。
本発明の製造方法では、加熱処理の温度は、100〜180℃の範囲内とすることが必要であり、130〜180℃の範囲内とすることが更に好ましい。加熱処理の温度がこの範囲より低いと、DDR型ゼオライトを形成することができない点において好ましくない。一方、加熱処理の温度がこの範囲を超えると、目的物ではないDOH型ゼオライトが形成されてしまう点において好ましくない。
本発明の製造方法では、この加熱処理の時間は、通常、8〜120時間という短時間で足りる。
本発明の製造方法では、加熱処理に際し、原料溶液を常時攪拌する必要はない。原料溶液に含まれる1−アダマンタンアミンがエチレンジアミンに既に溶解されているため、原料溶液が均一な状態にて保持されているからである。本発明の製造方法によれば、原料溶液を常時攪拌しなくとも、DOHは形成されず、DDRの単相結晶を形成させることができる。なお、従来の方法では、原料溶液を常時撹拌しないと、DDRとDOHとの混晶が形成されてしまう場合がある。
本発明の製造方法の一実施形態では、原料溶液に含まれるシリカの質量とDDR型ゼオライト種結晶の質量との合計に対する、得られたDDR型ゼオライト粉体の質量の百分率比を50%以上にできる。
3.本発明の作用・効果:
以上の本発明の製造方法によって、平均粒子径が0.1μm以上2.5μm未満であり、全粒子の80%以上の粒子径が前記平均粒子径に対して−45%〜+90%の範囲内に含まれる粒度分布を有するDDR型ゼオライト粉体、すなわち本発明のDDR型ゼオライト粉体を得ることができる。
本発明のDDR型ゼオライト粉体では、微細な粒子から構成され、大半の粒子の粒子径が平均粒子径付近に収束する粒度分布が示される。
以下、吸着剤として使用される場合を例に挙げて、本発明のDDR型ゼオライト粉体の作用・効果について述べる。短い吸着時間のうちに粒子の細孔の内部(深い部分)まで有効に分子が吸着されるためには、小さい粒子径の粒子からなる粉体であることが好ましい。なぜなら、粒子径が大きいと、短時間では細孔の奥深くまでは吸着対象の分子が到達しえないからである。また、粉体を構成する粒子の粒子径にバラツキが少ない方が、異なる製品ロット間での吸着性能の違いも少なくなる。これらの事情を考慮すると、本発明のDDR型ゼオライト粉体では、持ちうる吸着性能が、短時間のうちに、安定的に、充分に発揮される。さらに、上記式(III)のYの値が100以上である実施形態では、DDR型ゼオライト結晶の含有率が高く結晶構造が確保されているため、吸着機能などを有効に発揮しうる細孔数が多く、吸着効率が高い。
本発明のDDR型ゼオライト粉体は、上述の製造方法から得られた粉体そのままでも、あるいは他の粉体などと混合して使用することも可能である。例えば、他の粉体などと混合して使用された場合、先に定義した「DDR型ゼオライト粉体」を構成しうる粒子を抽出し、この抽出された粒子からなる粉体が、本発明のDDR型ゼオライト粉末に属する特徴(平均粒子径及び粒度分布、ときには上述の2つの特性に加えて、上記式(III)のYの値)を具備するときは、本発明のDDR型ゼオライト粉体の使用に該当するものとする。
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
4−1.DDR型ゼオライト粉体の製造:
(実施例1)
(1)DDR型ゼオライト種結晶の調製:
DDR型ゼオライト種結晶の調製のため、非特許文献3又は特許文献1に記載に基づきDDR型ゼオライト粉体を製造した。さらに、アシザワファインテック製ビーズミルMinicerを使用して、DDR型ゼオライト粉体を粉砕した。具体的には、DDR型ゼオライト粉体が水に分散されている分散液を調製し、回転数3820rpmにて2時間粉砕した。この粉砕後のDDR型ゼオライト分散液について、日立製作所製遠心分離機himacCT5Lを用い、3000rpm、15分間の遠心分離をして、粗粒を分級除去した。以上により得たDDR型ゼオライト分散液を、種結晶分散液とした。この種結晶分散液は、DDR型ゼオライト種結晶を平均粒子径172nmにて含有していた。
(2)原料溶液の調製:
フッ素樹脂製の100ml広口瓶に、4.21gのエチレンジアミン(和光純薬工業製)を入れた後、0.66gの1−アダマンタンアミン(アルドリッチ製)を加え、1−アダマンタンアミンの沈殿が残らないように溶解した。
別途用意したビーカーに、DDR型ゼオライト種結晶が0.5質量%含まれる上述の種結晶分散液47.60gを入れ、続いて30質量%コロイダルシリカ(スノーテックスS,日産化学製、分散媒:水)32.62gを加えて軽く攪拌した。さらに、この混合液を、エチレンジアミンと1−アダマンタンアミンとを混ぜておいた上述の広口瓶に入れて強く振り混ぜ、原料溶液を調製した。この原料溶液の組成は、DDR型ゼオライト種結晶の濃度が0.28質量%、1−アダマンタンアミン/SiOモル比が0.027、水/SiOモル比が24であった。
(3)加熱処理:
上述の広口瓶に入れられた原料溶液を、シェーカーを用いて、さらに1時間振り混ぜた。次いで、原料溶液を、内容積100mlのフッ素樹脂製内筒付きステンレス製耐圧容器内に注ぎ、加熱処理(水熱合成)を135℃にて48時間行った。加熱処理後、反応生成物を水洗し、さらに乾燥して、粉体を得た。得られた粉体についてX線回折を用いて結晶相を同定し、DDR型ゼオライト粉体であることを確認した。
(4)1−アダマンタンアミンの燃焼除去:
さらに、電気炉を用い、上述のDDR型ゼオライト粉体を、大気雰囲気中、650℃にて4時間加熱した。これにより、DDR型ゼオライト粒子の細孔内にあった1−アダマンタンアミンを燃焼除去した。
(実施例2、3)
(1)のDDR型ゼオライト種結晶の調製において、平均粒子径129nmのDDR型ゼオライト種結晶を含有する種結晶分散液を調製し、(3)の加熱処理において、160℃にて16時間の加熱処理を行った以外は、実施例1の(1)〜(4)と同じ操作を行った。
(比較例1)
(1)のDDR型ゼオライト種結晶の調製において、平均粒子径1.5μmのDDR型ゼオライト種結晶を含有する種結晶分散液を調製し、(2)の原料溶液の調製において、用いられた種結晶分散液中のDDR型ゼオライト種結晶の濃度が0.0011質量%、調製後の原料溶液におけるDDR型ゼオライト種結晶の濃度が0.00062質量%であり、(3)の加熱処理において、160℃にて48時間の加熱処理を行った以外は、実施例1の(1)〜(4)と同じ操作をした。
(比較例2)
DDR型ゼオライト粉体を粉砕することにより、平均粒子径132nmのゼオライト粉体を作製した。
4−2.DDR型ゼオライト粉体の粒度分布:
上述の(3)の工程の水洗後における実施例1〜3、比較例1、2の粉体の懸濁液について、粒度分布測定機ナノトラック(日機装製)を用い、DDR型ゼオライト粉体の粒度分布を測定した。ナノトラックは、レーザードップラー法に基づき粒子径を求める装置である。
図2〜5は、それぞれ実施例1〜3、比較例2で得られたDDR型ゼオライト粉体の粒度分布を表す。図2〜5は、横軸が粒子径(μm)、縦軸が頻度(%)を表し、横軸が対数目盛となっている片対数グラフを表す。実施例1〜3により得られたDDR型ゼオライト粉体は、比較例2と比較して、粒子径のバラツキが少なかった。平均粒子径(d50)等の具体的な結果に関しては、以下に記述する。
実施例1で得られたDDR型ゼオライト粉体では、累積分布において、平均粒子径(d50)が568nm、累積度数10%に相当する粒子径(d10)が平均粒子径−103nm、累積度数90%に相当する粒子径(d90)が平均粒子径+134nmであった。よって、実施例1で得られたDDR型ゼオライト粉体では、全粒子の80%の粒子径が、平均粒子径−18%〜平均粒子径+24%の範囲内にあった。
実施例2で得られたDDR型ゼオライト粉体では、累積分布において、平均粒子径(d50)は276nm、累積度数10%に相当する粒子径(d10)が平均粒子径−103nm、累積度数90%に相当する粒子径(d90)が平均粒子径+141nmであった。よって、実施例2で得られたDDR型ゼオライト粉体では、全粒子の80%の粒子径が、平均粒子径−37%〜平均粒子径+52%の範囲内にあった。
実施例3で得られたDDR型ゼオライト粉体では、累積分布において、平均粒子径(d50)は539nm、累積度数10%に相当する粒子径(d10)が平均粒子径−237nm、累積度数90%に相当する粒子径(d90)が平均粒子径+472nmであった。よって、実施例3で得られたDDR型ゼオライト粉体では、全粒子の80%の粒子径が、平均粒子径−44%〜平均粒子径+88%の範囲内にあった。
上述の(3)の工程の水洗後における、比較例1の懸濁液では、ナノトラックでの測定に必要とされる測定時間2分間のうちに、大部分の粒子が、測定セル内で沈降してしまった。よって、比較例1で得られるゼオライト粉体では、大半の粒子が、ナノトラックの測定限界とされている、粒子径3μmを超えていると考えられた。ナノトラックによる測定が不可能なため、比較例1で得られたDDR型ゼオライト粉体については、図2〜5にて表されるような粒度分布のデータを得られなかった。そこで、比較例1については、上述の(3)の工程の乾燥後に得られた粉体から、電子顕微鏡写真上で任意に粒子10個を選択し、これら粒子の粒子径を測定した。10個の粒子の粒子径から算術平均によって算出された平均粒子径は、約85μmであった。
比較例2で得られたDDR型ゼオライト粉体では、累積分布において、平均粒子径(d50)が132nm、累積度数10%に相当する粒子径(d10)が平均粒子径−69nm、累積度数90%に相当する粒子径(d90)が平均粒子径+194nmであった。よって、実施例3で得られたDDR型ゼオライト粉体では、全粒子の80%の粒子径が、平均粒子径−52%〜平均粒子径+147%の範囲内にあった。
4−3.DDR型ゼオライト結晶が含有される率の評価試験:
実施例1〜3、比較例2により得られた粉体について、上記式(I)にて算出されるDDR型ゼオライト結晶に起因する回折ピークの回折強度Aと、上記式(II)にて算出されるDDR型ゼオライトの非晶質に起因する回折強度B、及び上記式(III)にて算出されるAとBとの比であるYの値を算出した。なお、粉体は、上記(4)1−アダマンタンアミンの燃焼除去を経たものである。比較例1で得られたDDR型ゼオライト粉体については、他と比べて粒子径が非常に大きく、本発明のDDR型ゼオライト粉体の特性とは大きく異なるため、本評価試験からは除外した。
4−3−1.X線回折分析、及びYの値の算出:
高分解能X線回折装置RINT2000(リガク製)を用いて、X線回折分析を実施した。照射されるX線は、CuKα1線とし、50kV、300mAにて使用した。走査モードは連続、走査軸は2θ/θ、走査範囲は5〜50度とした。スキャンステップは0.02度、スキャン速度は1度/分とした。得られた回折パターンから、上述の規定に従ってC1、θ1、C2、θ2、Ca,θa、Cb,及びθbを定め、これらの数値を上記式(I)〜(III)にあてはめてYの値を算出した。
4−3−2.結果及び評価:
実施例1〜3及び比較例2にて得られた、DDR型ゼオライト粉体に関するX線回折分析の結果として、それぞれの回折パターンを図6〜9に示す。さらに、実施例1〜3及び比較例2にて得られたDDR型ゼオライト粉体について、上記式(I)〜(III)中に表されるθ1、C1、θ2、C2、θa、Ca、θb、Cb,及び、Yの値を表1に示す。
Figure 2010090049
図6〜8から理解できるように、実施例1〜3により得られたDDR型ゼオライト粉体の回折パターンでは、DDR型ゼオライト結晶に由来する回折ピークが明瞭に現れていた。対して、図9から理解できるように、比較例2により得られたDDR型ゼオライト粉体の回折パターンでは、非晶質の回折パターンに特有なハローパターンがみられた。これらの回折パターンを裏付けるように、Yの値は、実施例1が735.5、実施例2が282.1、実施例3が213.6、比較例2が1.2であった。
実施例1〜3では、得られたDDR型ゼオライト粉体は、DDR型ゼオライト種結晶から結晶成長した粒子からなるため、DDR型ゼオライト結晶を含有する率が高く、非晶質を含有する率が低い。比較例2では、大きい粒子径のDDR型ゼオライト粒子を粉砕して粉体が得られたため、粉砕時に粒子に外力が加わり、非晶質の部分が多く生成されたと考えられる。
4−4.DDR型ゼオライト粉体の収率の測定:
DDR型ゼオライト粉体の収率は、原料溶液に含まれるシリカ(SiO)の質量とDDR型ゼオライト種結晶の質量との合計に対する、得られたDDR型ゼオライ粉体の質量の割合(百分率(%):DDR型ゼオライト粉体の質量/(原料溶液でのシリカの質量+ゼオライト種結晶の質量)×100)として算出した。DDR型ゼオライト粉体の収率は、実施例1では62%、実施例2では60%、実施例3では55%、比較例1では90%であった。
4−5.総合評価:
以上の結果から、本発明の製造方法の実施形態である実施例1〜3では、平均粒子径0.1μm以上2.5μm未満であり、全粒子の80%以上の粒子径が平均粒子径に対して−45〜+90%の範囲内にある粒度分布を有するDDR型ゼオライト粉体が製造された。さらに、これら実施例1〜3から得られた粉体は、上記式(I)〜(III)から算出されるYの値が100以上であった。すなわち、本発明の製造方法によって、先に述べた本発明のDDR型ゼオライト粉体を製造できることが判明した。
まとめると、本実施例は、本発明の製造方法が、次の3つの点において、従来の方法よりも優れていることを示す。第1に、本発明の製造方法では、従来の方法に必要であった、大きい粒子径のDDR型ゼオライト粉体から、さらに粉砕・分級するという工程が省略できるため、時間的コスト及び設備的コストの点に優れている。第2に、図2と図5との比較から明らかなように、本発明の製造方法では、平均粒子径0.1μm以上2.5μm未満の粉体が、粒子径のバラツキが少なく製造できる点が優れている。第3に、本発明の製造方法では、DDR型ゼオライト結晶を含有する率が高く、非結晶を含有する率が低い粉体を製造できる点に優れている。以上より、本実施例は、本発明の製造方法によって、触媒、触媒担体、吸着剤、及び低分子ガスの分離などへの適用において、非常に優れた性能が発揮されるDDR型ゼオライト粉体を安定的に製造できることを示す。
本発明は、本発明は、触媒、触媒担体、吸着剤、ガス分離膜、浸透気化膜などに利用されるDDR型ゼオライト粉体、及び、その製造方法として利用できる。
[3] X線回折分析により得られる回折強度に基づき、下記式(I)にて算出されるDDR型ゼオライト結晶に起因する回折ピークの回折強度の補正後の値Aと、下記式(II)にて算出されるDDR型ゼオライト粉体に含まれる非晶質に起因する回折強度の補正後の値Bとの比として下記式(III)にて算出されるYの値が、100以上である前記[1]又は[2]に記載のDDR型ゼオライト粉体:
A=Ca−{(C2−C1)/(θ2−θ1)×(θa−θ1)+C1}(I):
B=Cb−{(C2−C1)/(θ2−θ1)×(θb−θ1)+C1}(II):
Y=A/B (III)。
[5] 前記原料溶液にはアルミニウム源が添加され、前記アルミニウム源のアルミニウムが酸化物として換算された場合での前記原料溶液におけるSiO /Al モル比が50〜1000である前記[4]に記載のDDR型ゼオライト粉体の製造方法。
[6] 前記原料溶液にはカチオン源としてアルカリ金属(X)が添加され、前記アルカリ金属(X)が酸化物として換算された場合での前記原料溶液におけるX O/Al モル比が1〜25である前記[4]に記載のDDR型ゼオライト粉体の製造方法。
] 前記原料溶液に含まれる前記シリカの質量と前記DDR型ゼオライト種結晶の質量との合計に対する得られたDDR型ゼオライト粉体の質量の百分率比が、50%以上である前記[4]〜[6]のいずれかに記載のDDR型ゼオライト粉体の製造方法。
1−2.DDR型ゼオライト結晶の含有率が高い粉体:
本発明のDDR型ゼオライト粉体は、X線回折分析により得られる回折強度に基づき、下記式(I)にて算出されるDDR型ゼオライト結晶に起因する回折ピークの回折強度の補正後の値Aと、下記式(II)にて算出されるDDR型ゼオライト粉体に含まれる非晶質に起因する回折強度の補正後の値Bとの比として下記式(III)にて算出されるYの値が、100以上であるものが好ましい:
A=Ca−{(C2−C1)/(θ2−θ1)×(θa−θ1)+C1}(I):
B=Cb−{(C2−C1)/(θ2−θ1)×(θb−θ1)+C1}(II):
Y=A/B (III)。
上記式(III)のYの値は、DDR型ゼオライト粉体における、DDR型ゼオライト結晶に起因する回折ピークの回折強度の補正後の値Aと、DDR型ゼオライト粉体に含まれる非晶質に起因する回折強度の補正後の値Bとの比である。Yの値が大きいときは、DDR型ゼオライト結晶の含有率が高く、これに相関して非結晶の含有率が低い状態を表している。
比較例2で得られたDDR型ゼオライト粉体では、累積分布において、平均粒子径(d50)が132nm、累積度数10%に相当する粒子径(d10)が平均粒子径−69nm、累積度数90%に相当する粒子径(d90)が平均粒子径+194nmであった。よって、比較で得られたDDR型ゼオライト粉体では、全粒子の80%の粒子径が、平均粒子径−52%〜平均粒子径+147%の範囲内にあった。
4−3.DDR型ゼオライト結晶が含有される率の評価試験:
実施例1〜3、比較例2により得られた粉体について、上記式(I)にて算出されるDDR型ゼオライト結晶に起因する回折ピークの回折強度の補正後の値Aと、上記式(II)にて算出されるDDR型ゼオライトの非晶質に起因する回折強度の補正後の値B、及び上記式(III)にて算出されるAとBとの比であるYの値を算出した。なお、粉体は、上記(4)1−アダマンタンアミンの燃焼除去を経たものである。比較例1で得られたDDR型ゼオライト粉体については、他と比べて粒子径が非常に大きく、本発明のDDR型ゼオライト粉体の特性とは大きく異なるため、本評価試験からは除外した。

Claims (5)

  1. 平均粒子径が0.1μm以上2.5μm未満であり、全粒子の80%以上の粒子径が前記平均粒子径に対して−45%〜+90%の範囲内に含まれる粒度分布を有するDDR型ゼオライト粉体。
  2. 前記平均粒子径が、0.2μm以上1.0μm未満である請求項1に記載のDDR型ゼオライト粉体。
  3. X線回折分析により得られる回折強度に基づき、下記式(I)にて算出されるDDR型ゼオライト結晶に起因する回折ピークの回折強度Aと、下記式(II)にて算出されるDDR型ゼオライト粉体に含まれる非晶質に起因する回折強度Bとの比として下記式(III)にて算出されるYの値が、100以上である請求項1又は2に記載のDDR型ゼオライト粉体:
    A=Ca−{(C2−C1)/(θ2−θ1)×(θa−θ1)+C1}(I):
    B=Cb−{(C2−C1)/(θ2−θ1)×(θb−θ1)+C1}(II):
    Y=A/B (III)。
    (但し、C1は、DDR型ゼオライト結晶の(012)面に由来する回折ピークと同(104)面に由来する回折ピークとの間の回折強度の最小値、θ1は、C1を示す回折角(2θ)、C2は、DDR型ゼオライト結晶の(606)面に由来する回折ピークと同(1 2 20)面に由来する回折ピークとの間の回折強度の最小値、θ2は、C2を示す回折角(2θ)、Caは、DDR型ゼオライト結晶の(024)面に由来する回折ピークの回折強度、θaは、Caを示す回折角(2θ),Cbは、DDR型ゼオライト結晶の(122)面に由来する回折ピークと同(027)面に由来する回折ピークとの間の回折強度の最小値、θbは、Cbを示す回折角(2θ))
  4. 1−アダマンタンアミンを溶解させたエチレンジアミン、シリカ(SiO)、及び水が、モル比において1−アダマンタンアミン/SiOが0.002〜0.5かつ水/SiOが10〜500にて混合されており、さらに平均粒子径10〜300nmのDDR型ゼオライト種結晶が0.001〜1.0質量%にて分散されている原料溶液を、100〜180℃にて加熱処理することにより、前記DDR型ゼオライト種結晶を核として平均粒子径が0.1μm以上2.5μm未満となるまで結晶成長させる工程を有するDDR型ゼオライト粉体の製造方法。
  5. 前記原料溶液に含まれる前記シリカの質量と前記DDR型ゼオライト種結晶の質量との合計に対する得られたDDR型ゼオライト粉体の質量の百分率比が、50%以上である請求項4に記載のDDR型ゼオライト粉体の製造方法。
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