KR100237271B1 - 단위 격자 상수가 낮은 안정한 제올라이트 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
단위 격자 상수가 24.14Å미만인 Y형 제올라이트가 탈알루미늄화 및 알루미늄 이온 교환 방법을 개량함으로써 제조된다. 이와 같이 낮은 단위 격자 상수를 갖는 제올라이트는 예전에 알려지지 않았었다.
Description
[발명의 명칭]
단위 격자 상수가 낮은 안정한 제올라이트 및 그의 제조 방법
[발명의 배경]
본 발명은 제올라이트 Y의 탈알루미늄화를 수반하는 공정과, 알루미늄 이온교환, 하소 및 산 처리를 수반하는 후속 단계들에 의하여 제조되는 단위 격자 상수(ao)가 매우 낮은 안정화된 제올라이트 Y에 관한 것이다. 특히, 이 제올라이트 Y생성물은 24.14 Å 이하의 ao를 가진다. 이와 같이 낮은 ao값은 탈알루미늄화 및 안정화 공정에 대해 전에는 알려지지 않았던 제어를 행함으로써 실현된다.
각종 형태의 안정화된 제올라이트 Y가 탄화수소 전환 촉매의 지지체로서 사용된다. 안정화된 제올라이트 Y는 각종 열수 및 화학 처리를 통하여 제올라이트 결정 구조로부터 알루미나의 일부를 제거(탈알루미늄화)함으로써 형성된다. 탈알루미늄화는 aO의 축소 및 나트륨의 제거를 동반한다.
각종 탈알루미늄화 방법의 재검토 및 제조 제품의 설명은 쉐르제르(Sherzer)의 문헌 “Catalysts Materials: Relationship Between Structure and Reactivity” ACS Symposium Series, 휘테, 쥬니어(T.E. Whyte, Jr.) 등의 편집, 248, 151 (1984)에 실려 있다. 이 참조 문헌은 ao값이 24.25Å인 고도로 탈알루미늄화된 Y 제올라이트를 나타낸다.
탈알루미늄화된 Y 제올라이트는 알루미늄 이온을 사용하여 이온 교환시킨 후, 증기 하소시킴으로써 추가로 처리될 수 있다. 국제특허 출원 제PCT/SE87/0044호(국제공개 제WO 89/003367호)에서는 24.15 Å 만큼 낮은 ao값을 갖는 제올라이트 Y 물질을 생성하는 방법을 교시하고 있다.
본 발명의 목적은 ao값이 24.14 Å 이하인 제올라이트 Y 물질이 제조될 수 있도록 제올라이트 Y의 탈알루미늄화 및 안정화 방법을 제어하는 것이다.
[발명의 개요]
발명의 개량된 방법에 있어서 제1 단계는 제올라이트 Y의 암모늄 교환이다. 이 교환된 물질은 증기로 하소되어 수소 Y형 제올라이트를 제공하고, 이어서 수소 Y형 제올라이트는 암모늄 교환되어 극도로 안정한 Y형 제올라이트를 제공한다. USY라고 알려져 있는 이 물질은 알루미늄 이온을 함유하는 용액에 의하여 이온 교환되고, 이어서 증기 하소되어 수소 알루미늄 Y형 제올라이트를 제공한다. 알루미늄 교환 및 증기 하소는 수소 알루미늄 Y형 제올라이트가 24.31 내지 24.35 Å의 ao를 갖도록 제어되어야 한다. 이어서, 이 물질은, 높은 SiO2/Al2O3비와 24.09 내지 24.14 Å의 ao를 갖는 본 발명의 신규 생성물인 Y형 제올라이트를 제공하기 위하여 무기 강산으로 처리되어야 한다.
이 처럼 낮은 ao를 갖는 Y형 제올라이트가 예전에는 제조된 바가 없었기 때문에 이 물질을 제조하는 것은 놀라운 일이다. 특히 ao값이 24.31 미만인 제올라이트를 산으로 처리하면 ao값이 24.15 Å을 초과하는 생성물을 얻게 하는 결과를 가져오기 때문에, 중간 생성물의 ao를 24.31 내지 24.35로 조절해야 한다는 것도 또한 놀라운 일이다.
[발명의 상세한 설명]
제올라이트 Y (종종 “NaY”로 약칭함)는 본 발명의 방법을 위한 출발 물질이다. 이 제올라이트 Y는, 미합중국 특허 제3,130,007호를 포함한 다수의 미합중국특허에 기재된 바와 같이 SiO2/Al2O3및 Na2O의 공급원을 열수 처리함으로써 제조되는 시판 제품이다. 이들 물질의 SiO2/Al2O3몰비는 3에서 6까지 변한다. 본 발명의 방법에서 유용한 NaY는 4.5 내지 5.5 또는 그 이상의 SiO2/Al2O3비를 가진다.
NaY는 활발하게 이온 교환되어 Na2O 약 1내지 4 %, 바람직하게는 Na2O 1.5 내지 3 %를 함유하는 화학명 NH4NaY의 암모늄 교환 제올라이트를 제공한다.
NH4NaY 제올라이트는 이 물질을 탈암모니아화시키고 여전히 Na2O 1내지 4 %를 함유하는 수소 Y형 제올라이트(HY)를 제공하는 조건하에서 증기로 하소된다. 이 하소는 0.2 내지 1 기압의 증기 분압에서 482 내지 704 ℃(900 내지 1,300℉)로 0.5 내지 2 시간 동안 실시된다.
이어서, HY형 제올라이트는 암모늄염을 함유하는 용액으로 이온 교환되어 잔류 나트륨을 거의 모두 제거한다. 이 물질(USY)은 Al(NO3)3와 같은 알루미늄염을 함유하는 용액과 접촉된다. 제올라이트의 알루미늄 이온 교환도는 당량 기준으로 약 50 내지 90 %이다. 이어서, 알루미늄 교환 USY는 증기 하소되어 알루미늄과 일부 수소 이온을 함유하는 Y형 제올라이트를 제공한다. 알루미늄 교환도, 하소온도, 함수량 및 하소 시간은 24.31 내지 24.35 Å의 ao를 갖는 물질을 제공하도록 제어되어야 한다. 하소 온도는 593 내지 704 ℃(1,100 내지 1,300 ℉)일 수 있다. 하소 시간은 0.5 내지 2 시간일 수 있고, 증기 분압은 0.5 내지 1.0 기압일 수 있다. 일반적으로, 실현되는 ao값은 알루미늄 교환도, 하소 온도, 증기 분압 및 하소 기간에 반비례한다. 사실상, 고도로 교환된 제올라이트는 24.31 내지 24.35 Å의 필요한 ao를 제공하도록 보다 낮은 온도에서 그리고(또는) 보다 짧은 시간 동안 하소되어야 한다. 알루미늄 치환량이 보다 적은 제올라이트는 보다 고온에서 보다 긴 기간 동안 처리될 수 있다.
이제, 이와 같이 증기 하소된 물질은 제올라이트로부터 알루미늄을 제거하는 무기 강산으로 처리되어 24.09 내지 24.14 Å의 ao를 갖는 높은 SiO2/Al2O3비의 본 발명의 신규 생성물을 제공한다. 본 발명의 생성물에서 실현된 a0값은 중간 물질, 즉 24.34 또는 24.35Å의 중간 생성물로부터 제조되는 24.09Å의 재료의 a0값에 반비례한다. 세척 및 건조 처리를 행하여 a0값이 매우 낮은 본 발명의 안정한 탈알루미늄화된 Y형 제올라이트의 제조를 종결한다.
산 처리는 적어도 1 노르말(N) 농도의 산을 사용하여 90 내지 100℃에서 1 내지 5시간 동안 실시한다. 20.14Å미만의 a0값을 얻기 위하여 제올라이트 1그람 당 적어도 20meqH+, 바람직하게는 적어도 30meqH+를 충분히 제공할 수 있는 산을 사용하여야 한다.
본 발명의 생성물은 SiO2/Al2O3비가 약 40 내지 70, 표면적이 700 내지 900m2/g, a0값이 24.09 내지 24.14Å인 안정화된 제올라이트 Y이다. 이것은 각종 탄화수소 전환 촉매, 특히 방향족 탄화수소의 수소화 촉매를 위한 지지체로서 유용하다.
[실시예]
이하의 실시예들은 본 발명의 특정한 실시태양들을 예시한다. 이들 실시태양은 본 명세서에 기재되어 있고, 특허 청구의 범위에서 진술하는 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 비율은 달리 지시하지 않는 한, 중량부(pbw), 중량 백분율(%) 또는 100만분의 1부(ppm) 단위로 나타낸다. 단위 격자 상수(a0)는 “파우자사이트형 제올라이트의 단위 격자 치수의 측정(Determination of Unit Cell Dimension of a Faujasite-type Zeolite)”에 관한 ASTM 방법 D3942-80에 기재된 바에 따라 구한다. 결정화율은 변성 제올라이트의 X선 데이타와 제올라이트 NaY의 X선 데이타를 비교함으로써 구한다.
본 발명의 방법에 사용된 제올라이트 Y는 Al2O31몰에 대해 SiO25.4몰을 가지며, Na2O 13.3%와 24.66Å의 a0를 가졌다. 이 물질은 2.5%의 Na2O 값을 생성하기 위한 조건하에서 NH4NO3용액을 사용하여 이온 교환시킴으로써 NH4NaY로 전환되었다. 이 NH4NaY를 0.2 기압의 증기 분압에서 704℃(1,300℉)로 1시간동안 증기 하소시켰다. 이 처리에 의하여 상기 물질은 탈암모니아화되고, HNaY를 생성하였다. NH4NO3용액을 사용하여 이온 교환시킴으로써 잔류나트륨이 거의 전부 제거되었고, 0.2% Na2O와 24.56Å의 a0값을 갖는 USY를 제공하였다. 이 USY를 후속 처리에 사용하였다.
[실시예 1 : 알루미늄 교환 USY의 증기 하소]
여러 가지의 USY 시료를 다양한 알루미늄 교환 수준을 생성하기 위한 조건하에서 Al(NO3) 용액은 사용하여 이온 교환시켰다. 이들 시료를 704℃(1,300℉), 증기 분압 0.8 기압에서 1, 2 또는 3 시간 동안 하소시켰다. 얻어진 결과를 하기 표에 요약해서 나타낸다.
[표 1]
시료 3, 4, 5 및 6을 이용한 실시는 실시는 본 발명의 생성물을 제조하는 데 필요한 a0값을 갖는 물질을 제공하였다. 그 밖의 시료에 대한 실시는 a0값이 너무 크거나 또는 너무 작은 물질을 제공하였다.
[실시예 2 : 실시예 1의 생성물의 산 처리]
실시예 1의 시료 5를 사용하여 실시한 생성물을 1.5N HNO3로 93℃에서 단일 접촉으로 3 시간 동안 처리하였다. 제올라이트와 산의 비율은 제올라이트 1g에 대해서 36meqH+의 비율이었다. 본 발명의 생성된 생성물은 55의 SiO2/Al2O3비, 0.058% Na2O, 24.10Å의 a0값 및 743m2/g의 표면적을 가졌다.
[실시예 3 : 실시예 1의 생성물의 산 처리]
실시예 1의 시료 7을 사용하여 실시한 생성물을 다양한 노르말 농도의 HNO3으로 93℃에서 3시간 동안 처리하였다.
그 결과를 하기 표에 요약해서 나타낸다.
[표 2]
생성물들은 출발 제올라이트의 a0가 본 발명의 방법에서 요구되는 범위를 벗어난 24.30Å이었기 때문에 본 발명이 기술한 바와 같지 아니하였다.
[실시예 4 : 실시예 1에서 기재한 바와 같이 제조된 각종 생성물의 산 처리]
제올라이트들의 군을 실시예 1에 기재한 바와 같이 알루미늄 교환 및 증기 하소시켰다. 이들을 실시예 2에 기재한 바와 같이 산 처리하였다. 이들 중간 생성물 및 최종 생성된 제올라이트의 a0를 하기 표에서 비교하였다.
[표 3]
이들 결과는 24.31 내지 24.35Å범위의 제올라이트만이 산으로 처리되면 24.14Å 미만의 a0를 갖는 본 발명의 생성물인 HY형 제올라이트를 제공할 수 있음을 나타낸다.
Claims (6)
- Al2O31몰에 대해서 SiO240 내지 70몰, 24.14Å이하의 a0값 및 700 내지 900m2/g의 표면적을 갖는 안정화된 탈알루미늄화 제올라이트 Y.
- 제1항에 있어서, a0값이 24.09 내지 24.14Å인 안정화된 제올라이트 Y.
- a. USY 제올라이트를 이 제올라이트의 이온 교환 부위들의 50% 이상이 알루미늄 이온으로 치환되도록 알루미늄 이온(Al+3)을 함유하는 용액과 접촉시키는 단계, b. 알루미늄 교환된 제올라이트를 생성되는 중간 제올라이트가 24.31 내지 24.35Å의 a0값을 갖게 하는 조건하에서 증기 하소시키는 단계, c. 생성된 중간 제올라이트를 1 노르말 이상의 강산으로 90 내지 100℃에서 1 내지 5시간 동안 처리하여 최종 제올라이트를 생성하는 단계, 및 d. 최종 제올라이트를 세척 및 건조시키는 단계로 제조되는 것을 특징으로 하는, Al2O31몰에 대해서 SiO240 내지 70몰, 24.14Å이하의 a0값 및 700 내지 900m2/g의 표면적을 갖는 안정화된 탈알루미늄화 제올라이트 Y.
- 제3항에 있어서, 단계 b의 증가 하소 조건이 593 내지 704℃(1,100 내지 1,300℉), 0.5 내지 2시간 및 증기 분압 0.5 내지 1.0 기압인 제올라이트 Y.
- a. USY 제올라이트를 이 제올라이트의 이온 교환 부위들의 50% 이상이 알루미늄 이온으로 치환되도록 알루미늄 이온(Al+3)을 함유하는 용액과 접촉시키는 단계, b. 알루미늄 교환된 제올라이트를 생성되는 중간 제올라이트가 24.31 내지 24.35Å의 a0값을 갖게 하는 조건하에서 증기 하소시키는 단계, c. 생성된 중간 제올라이트를 1 노르말 이상의 강산으로 90 내지 100℃에서 1 내지 5시간 동안 처리하여 최종 제올라이트를 생성하는 단계, 및 d. 최종 제올라이트를 세척 및 건조시키는 단계로 이루어지는, Al2O31몰에 대해서 SiO240 내지 60몰, 24.14Å이하의 a0값 및 700 내지 900m2/g의 표면적을 갖는 안정화된 탈알루미늄화 제올라이트 Y의 제조 방법.
- 제5항에 있어서, 단계 b의 증기 하소 조건이 593 내지 704℃(1,100 내지 1,300℉), 0.5 내지 2시간 및 증기 분압 0.5 내지 1.0 기압인 방법.
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