KR100301080B1 - 합성적층물질mcm-56,그의합성및용도 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하기 일반식으로 표시되는 몰 관계를 포함하는 조성을 갖고, 하소된 합성 물질 1 g 당 1,3,5-트리메틸벤젠의 흡착능이 적어도 약 35 ㎕ 이며, 하소된 합성 물질 g 당 2,2-디메틸부탄의 약 20 초 미만의 초기 흡수력이 15 mg 이고, 하소된 합성 물질에 대한 X-선 회절 패턴의 d-간격이 12.4 ± 0.2 옹스트롬, 9.9 ± 0.3 옹스트롬, 6.9 ±0.1 옹스트롬, 6.2 ± 0.1 옹스트롬, 3.55 ± 0.07 옹스트롬 및 3.42 ± 0.07 옹스트롬에서 최대치를 나타냄을 특징으로 하는 MCM-56으로 언급되는 합성 적층 물질에 관한 것이다:
X2O3: (n)YO2
상기식에서,
n 은 약 35 미만이고,
X 는 3 가 원소이며,
Y 는 4 가 원소이다.
Description
본 발명은 합성 적층 물질 MCM-56, 그의 제조 방법 및 유기 화합물의 전환을 위한 흡착제 또는 촉매 성분으로서의 그의 용도에 관한 것이다.
다공성 무기 고체는 공업용 촉매 및 분리 매질로서 유용한 것으로 밝혀졌다. 이들 미세 구조물의 개공성(openness)은 분자들이 이들 물질의 비교적 큰 표면적과 접촉할 수 있도록 하며, 이것은 이들의 촉매능 및 흡착성을 증진시키는 것이다. 현재 사용되고 있는 다공성 물질들은 이들 미세 구조물의 세부 구조를 분류의 기초로서 사용하여 세 가지의 광범위한 카테고리로 분류할 수 있다. 이들 카테고리들은 무정형 및 불규칙 결정성(paracrystalline)의 지지체, 결정성 분자체 및 변형된 적층물질(layered material)이다. 이들 물질들의 미세 구조에 있어서의 세부적 차이는 그 자체가 이들 물질의 표면적, 기공의 크기 및 기공 크기의 가변성, X-선 회절패턴의 존재 또는 부재 및 이러한 패턴에서의 세부사항과 같은 이들을 특정하는데 사용되는 여러가지 관측 가능한 특성, 및 이들 미세 구조물을 투과 전자현미경 및 전자 회절법에 의해 검사했을때의 물질의 외관에 있어서의 차이와 이 물질들의 촉매 작용 및 흡착 작용에 있어서의 중요한 차이점으로 나타난다.
무정형 및 불규칙 결정성의 물질은 수년동안 공업용으로 사용되어온 다공성 무기 고체의 중요한 부류이다. 이들 물질들의 대표적인 예로는 촉매 제제에서 통상적으로 사용되는 무정형 실리카 및 고체산 촉매와 석유 개질 촉매 지지체로서 사용되는 불규칙 결정성의 전이 알루미나가 있다. 용어 "무정형" 은 여기에서 장거리 질서(long range order) 를 갖지 않는 물질을 나타내기 위해 사용되나, 거의 모든 물질들이 적어도 국소적인 범위에서는 어느정도 질서를 이루고 있기 때문에, 다소 오해될 수도 있다. 이들 물질을 설명하기 위해 사용되는 또 다른 용어로는 "X-선 미분화(X-ray indifferent)"가 있다. 실리카의 미세구조는 입자들간의 공간으로 인한 다공성을 갖는 조밀한 무정형 실리카 (Kirk-Othmer Encyclop-edia of Chemical Technology, 3rd Edition, Vol. 20, Jonh Wiley & Sons, New York, p.766-781, 1982) 의 100 내지 250 옹스트롬의 입자로 구성된다. 이들 물질들에는 장거리 질서가 없기 때문에 기공 크기는 보다 넓은 범위에 걸쳐 분포되는 경향이 있다. 이러한 질서의 결여는 또한 X-선 회절 패턴에서 명백히 나타나는데, 이것은 일반적으로 특징이 없다.
전이 알루미나와 같은 불규칙 결정성 물질은 또한 광범위한 분포의 기공크기를 갖지만, 통상 몇개의 광범위한 피크로 구성되는 보다 더 잘 규정된 X-선 회절패턴을 갖는다. 이들 물질의 미세 구조는 응축된 알루미나상의 작은 결정 영역들로 구성되고, 이들 물질의 다공성은 이들 영역들 사이의 불규칙한 공간에 기인한다 (K. Wefers and Chanakya Misra, "Oxides and Hydroxides of Aluminum", Technical Paper No.19 Revised, Alcoa Research Laboratories, p.54-59, 1987). 이 두가지 물질은 모두 물질내에 기공의 크기를 조절하는 장거리 질서가 없기 때문에, 기공 크기에서의 가변성이 일반적으로 매우 높다. 이들 물질내의 기공의 크기는, 본 발명의 목적을 위해서는 15 내지 200 옹스트롬인 메소다공성(mesoporous)범위라 불리우는 한계영역에 속한다.
이들 구조적으로 불명확한 고체와는 매우 대조적인 것으로, 기공 크기 분포가 물질의 미세 구조의 정밀하게 반복되게 결정성에 의해 조절 되기 때문에 기공 크기분포가 매우 협소한 물질이 있다. 예를 들어, 제올라이트는 X-선 회절에 의해 결정된 것으로 명확한 결정 구조를 갖는 규칙적인 다공성 결정성 물질, 대표적으로는 알루미노실리케이트이며, 여기에는 다수의 작은 채널 또는 기공으로 연결될 수 있는 여러개의 작은 공극이 존재한다. 이들 공극 및 기공은 특정 제올라이트물질내에서 그 크기가 균일하다. 이들 기공의 크기로 인해 특정 크기의 분자는 흡착하고, 이 보다 큰 크기의 분자는 물질은 배제하기 때문에 이들 물질은 "분자체" 라고 부르며, 이러한 성질의 장점을 취하는 각종 방법에 이용된다.
매우 다양한 합성 제올라이트를 제조하기 위한 선행 기술이 있었다. 많은 이러한 제올라이트는 제올라이트 A(미합중국 특허 제 2,882,243 호); 제올라이트 X(미합중국 특허 제 2,882,244 호); 제올라이트 Y(미합중국 특허 제 3,130,007 호); ZK-5(미합중국 특허 제 3,247,195 호); ZK-4(미합중국 특허 제 3,314,752 호); ZSM-5(미합중국 특허 제 3,702,886 호); ZSM-11(미합중국 특허 제 3,709,979 호); ZSM-12(미합중국 특허 제 3,832,449 호); ZSM-20(미합중국 특허 제 3,972,983 호); ZSM-35(미합중국 특허 제 4,016,245 호); ZSM-23(미합중국 특허 제 4,076,842 호); MCM-22(미합중국 특허 제 4,954,325 호); MCM-35(미합중국 특허 제 4,981,663 호); MCM-49(WO 92/22498) 및 PSH-3(미합중국 특허 제 4,439,409 호) 와 같이 문자 또는 그밖의 다른 편리한 기호로 표시되어 왔다.
미합중국 특허 제 4,439,409 호는 PSH-3 물질의 결정성 분자체 조성물 및 헥사메틸렌이민과 본 발명의 적층 MCM-56 의 합성을 위해 지향제(directing agent) 로서 작용하는 유기 화합물을 함유하는 반응 혼합물로 부터 PSH-3 물질의 결정성 분자체 조성물을 합성하는 방법을 기재하고 있다. 추가의 구조적 성분들을 함유하는 것을 제외하고 미합중국 특허 제 4,439,409 호의 PSH-3 물질과 동일한 물질의 조성물이 유럽 특허 공개 제 293,032 호에 기술되어 있다. 헥사메틸렌이민은 또한 결정성 분자체 MCM-22(미합중국 특허 제 4,954,325 호); MCM-35(미합중국 특허 제 4,981,663 호); MCM-49(WO 92/22498) 및 ZSM-12(미합중국 특허 제 5,021,141 호)의 합성에 사용되었다. 제올라이트 SSZ-25 로서 언급된 물질의 분자체 조성물이 미합중국 특허 제 4,826,667 호 및 유럽 특허 공개 제 231,860 호에 기재되어 있으며, 이 제올라이트는 아다만탄 사급 암모늄 이온을 함유하는 반응 혼합물로 부터 합성된다.
팽윤제에 의해 분리될 수 있는 층들을 함유하는 특정의 적층 물질들은 주상화되어(pillared) 고도의 다공성을 갖는 물질을 제공할 수 있다. 이러한 적층 물질의 예로는 점토가 포함된다. 이러한 점토는 물에 의해 팽윤될 수 있고, 이에 의해점포의 층들이 물분자에 의해 분리된다. 그밖의 다른 적층 물질들은 물에 의해 팽윤될 수 없으나, 아민 및 사급 암모늄 화합물과 같은 특정의 유기 팽윤제에 의해 팽윤될 수 있다. 이와같은 물에 의해 팽윤되지 않는 적층 물질의 예들이 미합중국 특허 제 4,859,648 호에 기술되어 있으며, 적층 실리케이트, 마가디이트(magadiite), 케냐이트(kenyaite), 트리티타네이트(trititanate) 및 페로브스키트(perovskite) 가 포함된다. 특정의 유기 팽윤제에 의해 팽윤될 수 있는, 물에 의해 팽윤되지 않는 적층 물질의 또 다른 예는 미합중국 특허 제 4,831,006 호에 기술되어 있는 공극-함유 티타노메탈레이트 (titanometallate) 물질이다.
적층 물질이 일단 팽윤되면, 이 물질들은 분리된 층들 사이에 실리카 같은 열-안정성 물질을 도입시킴으로써 주상화시킬 수 있다. 예를 들어 상기 언급된 미합중국 특허 제 4,831,006 호 및 제 4,859,648 호에는 동 특허에 기술되어 있는 물에 의해 팽윤되지 않는 적층 물질을 주상화시키는 방법이 기술되어 있다. 주상 생성물 및 적층 물질을 주상화시키는 그밖의 다른 특허로는 미합중국 특허 제 4,216,188 호; 제 4,248,739 호; 제 4,176,090 호 및 제 4,367,163 호; 및 유럽 특허 공개 제 205,711 호가 포함된다.
주상화된 적층 물질의 X-선 회절 패턴은 팽윤 및 주상화가 이러한 경우 이외에는 통상적으로 잘 배열되어 있는 적층 미세구조를 파괴하는 정도에 따라 상당히 변화할 수 있다. 일부 주상화된 적층 물질들에서는 미세 구조의 규칙성이 꽤 심하게 파괴되어, 주상화된 물질내의 층간 반복에 상응하는 d-간격(d-spacing)에서 X-선 회절패턴의 저각영역(low-angle region) 내에 단지 하나의 피크만이 관찰된다. 파괴가 적은 물질은 이 영역내에서 여러개의 피크를 나타낼 수 있으며, 이것은 일반적으로 이러한 기본적 반복의 질서이다. 이러한 층들의 결정성 구조로 부터의 X-선 반사가 또한 때때로 관찰된다. 이들 주상화된 적층 물질내의 기공 크기 분포는 무정형 및 불규칙 결정성 물질의 기공 크기 분포 보다는 더 협소하지만, 결정성 골격 물질의 기공 크기 분포보다는 더 넓다.
본 발명은 하기 일반식으로 표시되는 몰 관계를 포함하는 조성을 갖고, 하소된 합성 물질 1 g 당 1,3,5-트리메틸벤젠의 흡착능이 적어도 약 35 ㎕ 이며, 하소된 합성 물질 g 당 2,2-디메틸부탄의 약 20 초 미만의 초기 흡수력이 15 ㎎ 이고, 하소된 합성 물질에 대한 X-선 회절 패턴의 d-간격이 12.4 ± 0.2 옹스트롬, 9.9 ± 0.3 옹스트롬, 6.9 ±0.1 옹스트롬, 6.2 ± 0.1 옹스트롬, 3.55 ± 0.07 옹스트롬 및 3.42 ± 0.07 옹스트롬에서 최대치를 나타냄을 특징으로 하는 MCM-56으로 언급되는 합성 적층 물질에 관한 것이다:
X2O3: (n)YO2
상기식에서,
n 은 약 35 미만이고,
X 는 3 가 원소이며,
Y 는 4 가 원소이다.
본 발명의 MCM-56 은 다수의 결정성 골격 물질, 일반적으로 MCM-22 및 MCM-49, 및 특정의 다른 적층 물질과 구별되지만, 이들과 특정의 유사성을 갖는다. MCM-56 은 층간 브리지의 형성없이 약 25.5 옹스트롬의 평균 단위 셀 c-파라미터를 갖는다. 합성된 MCM-56 이 예를 들어 540 ℃ 에서 하소된 경우에, 구조는 응축되지 않고 적층 형태를 유지한다. 하소된 MCM-56 은 g 당 적어도 약 35 ㎕ 의 1,3,5-트리메틸벤젠을 흡수하며, 이것은 하소된 MCM-22 또는 MCM-49 의 적어도 약 4 배 되는 양의 1,3,5-트리메틸벤젠이다. 흡착 데이타는 또한 하소된 MCM-56 이 2,2-디메틸부탄을 초기에 빨리 흡수하기 때문에 이를 하소된 MCM-22 및 MCM-49 와 구별시킨다. MCM-56 은 MCM-22 및 MCM-49 와 비교하여 독특한 흡착력 및 촉매능을 나타낸다.
구체적으로, 본 발명의 MCM-56 물질은 검출 가능한 순수하지 못한 결정 또는 층상이 없거나 또는 있다 하더라도 거의 없는 실제적으로 순수한 물질이며, 하기 표 Ⅰ(합성된 물질) 및 Ⅱ(하소된 물질) 에 표시된 바와 같이 다른 공지된 합성 물질 또는 열 처리된 물질의 X-선 회절 패턴에 대해 라인 위치 및 세기가 다른 X-선 회절 패턴을 나타낸다. 이들 표에서, 세기는 12.4 옹스트롬에서 d-간격 라인에 대해 정의된 것이다.
표 1의 데이타를 위해 사용된 물질은 적층된 MCM-56 습윤 케이크, 하소시 MCM-22 로 변환되는 동일한 유기 지향제로 합성된 적층 물질 습윤 케이크 및 결정성 MCM-49 습윤 케이크이다. 표 Ⅱ의 데이타를 위해 사용된 물질은 표 1의 데이타를 위해 사용된 하소된 물질이다. 각 물질의 하소는 540 ℃ 에서 공기 중에서 2 내지 20 시간 동안 수행된다. MCM-56 과 이러한 부류의 다른 멤버(MCM-22 및 MCM-49 타입 물질) 를 초기에 차별화시키는 가장 효과적인 진단 특징은 8.8 내지 11.2 옹스트롬의 d-간격 부분에서 관찰된다. 후자의 물질은 약 8.8 내지 9.2 옹스트롬 및 10.8 내지 11.2 에서 뚜렷한 디프레션(depression) 현상을 나타내는 두개의 분리된 최대 피크를 나타낸다. MCM-56 은 d-간격 9.9 옹스트롬 주변에 중심부를 갖는 광폭 밴드로 특정화 된다. 밴드는 예를 들어 반곡점(inflection)을 갖는 비대칭 프로파일을 가질 수 있으며, 디프레션의 출현은 MCM-49 의 형성 및 MCM-56 의 소멸의 개시를 나타내는 지침일 수 있다.
구리 K-알파 방사를 이용하여 게르마늄 고체상태 검출기가 장치된 씬태그 회절 시스템(Scintag diffraction system) 으로 X-선 회절 데이타를 수집하였다.
회절 데이타는 2-θ의 0.02˚에서 스텝-스캐닝에 의해 기록되고, 여기에서 θ는 브래그 각도이며, 각 단계에 대하여 10 초의 카운팅 시간이다. 면사이의 간격 d's 는 옹스트롬 단위(A) 에서 계산되고, 라인의 상대적 세기 I/Io 는 배경상에서 가장 강한 라인의 세기의 100 분의 1 이고 프로파일 피팅 루틴(profile fitting routine)(또는 이차 미분 알고리듬) 을 사용하여 유도된다. 이 세기는 로렌쯔 및 편광 효과에 대해 보정되지 않았다. 상대세기는 다음과 같은 용어 즉, vs = 매우 강함(60 내지 100), s=강함 (40 내지 60), m=중간 (20 내지 40) 및 w=약함(0 내지 20) 으로 주어진다. 이들 샘플에 대해 단일 라인으로 기록된 회절 데이타는 결정학적 변화의 차이와 같은 특정 조건하에서 분리되거나 부분적으로 분리된 라인들로 나타날 수 있는 다중 중첩된 라인으로 구성된 것이라고 이해될 수 있다. 전형적으로, 결정학적 변화는 구조 변화 없이 단위 셀 파라미터의 미미한 변화 및/또는 결정 대칭의 변화를 포함할 수 있다. 상대세기의 변화를 포함한 이러한 미미한 효과들은 또한 양이온 함량, 골격 조성, 기공 충전의 특성 및 정도, 열 및/또는 열수내력(hydrothermal history) 의 차이의 결과로 나타날 수도 있다. 회절 패턴에서의 그밖의 다른 변화는 MCM-56 과 이와 유사한 물질, 예를 들어 MCM-49, MCM-22 및 PSH-3 을 비교하는 경우에 있어서 물질들 간의 중요한 차이를 나타내는 지침일 수 있다.
이들 물질들의 X-선 회절 패턴에서의 차이의 중요성은 물질들의 구조의 공지사항으로부터 설명될 수 있다. 하소시 하나의 축 디멘젼에서의 상당한 변화에 의해 설명될 수 있는 X-선 회절 패턴에서의 변화가 있기 때문에, MCM-22 및 PSH-3 는 통상적이지 않은 물질 부류의 멤버이다. 이는 물질내의 결합에서의 강렬한 변화를 의미하는 것이지 합성에서 사용된 유기물질의 간단한 손실은 아니다. 이 부류의 전구체 멤버는 하소된 멤버로부터 X-선 회절에 의해 명백히 구별 될 수 있다(예를 들어, 표 1 및 표 2 의 중간 컬럼을 비교). 두 전구체 및 하소형태의 X-선 회절 패턴을 조사하여 매우 유사한 위치 및 세기를 갖는 많은 반사를 나타내는 반면에, 다른 피크는 상이하다. 이들 차이의 일부는 축 디멘젼 및 결합에서의 변화에 직접 관련된 것이다.
결정성 MCM-49 는 이 부류의 하소된 일원과 유사한 축 디멘젼을 가지므로, 그들의 X- 선 회절 패턴에서의 유사성이 있다. 그럼에도 불구하고, MCM-49 축 디멘젼은 하소된 물질에서 관찰된 것과 상이하다. 예를 들어, MCM-22 에서 축 디멘젼에서의 변화는 이들 변화에 특히 민감한 피크의 위치로부터 측정할 수 있다. 이러한 두가지 피크는 전구체 MCM-22 에서 ~ 13.5 옹스트롬 및 ~ 6.75 옹스트롬에서 발견되고, 합성된 MCM-49 에서 ~ 12.8 옹스트롬 및 ~ 6.4 옹스트롬에서 발견되고, 하소된 MCM-22 에서 ~ 12.6 옹스트롬 및 ~ 6.30 옹스트롬에서 발견된다. MCM-49 에서 ~ 12.8 옹스트롬 피크는 모든 3 가지 물질에 대해 관찰된 강력한 ~ 12.4 옹스트롬 피크와 매우 밀접하고, 자주 그로부터 완전히 분리되지 않는다. 유사하게, 하소된 MCM-22 물질의 ~ 12.6 옹스트롬 피크는 강력한 ~ 12.4 옹스트롬 피크 상에 쇼울더로서 통상적으로 가시화된다.
상술한 유사한 물질로부터 MCM-56 을 총괄적으로 구별하는 다른 특징은 하기 표 3 에 요약되어 있다.
본 발명의 독특한 적층 물질 MCM-56 은 하기 몰 관계를 포함하는 조성을 갖는다:
X2O3: (n)YO2
상기식에서,
X 는 3 가 원소, 예를 들어 알루미늄, 붕소, 철 및/또는 갈륨, 바람직하게는 알루미늄이고;
Y 는 4가 원소, 예를 들어 실리콘 및/또는 게르마늄, 바람직하게는 실리콘이며;
n 은 약 35 미만, 예를 들어 5 내지 약 25 미만, 통상적으로 10 내지 20 미만, 더욱 통상적으로는 13 내지 18 이다.
합성된 형태에서, 물질은 무수물을 기준으로 하여 YO2의 n 몰 당 산화물의 몰수로 정의된 일반식을 하기와 같이 갖는다:
(0-2)M2O : (1-2)R : X2O3: (n)YO2
상기식에서,
M 은 알칼리 또는 알칼리 토금속이고;
R 은 유기 잔기이다.
M 및 R 성분은 합성하는 동안 그들 존재의 결과로서 물질과 회합되어 있고, 이후에 더욱 특히 기술될 합성후(post-synthesis) 방법에 의해 용이하게 제거된다.
본 발명의 MCM-56 물질은 열처리될 수 있고, 하소 형태에서는 하소된 PSH-3, SSZ-25, MCM-22 및 MCM-49 과 같은 전술한 물질들과 비교할 때, 높은 표면적(300 ㎡/gm 이상) 및 특정한 거대 분자들에 대한 통상적이지 않은 큰 흡착능을 나타낸다. MCM-56 습윤 케이크, 즉 합성된 MCM-56 는 팽윤가능하고, 이는 팽윤될 수 없는 MCM-49 와 반대로 층간 브릿지의 부재를 의미한다.
목적하는 정도까지, 합성된 물질중 원래의 알칼리 또는 알칼리 토금속, 즉 나트륨의 양이온들은 당업계에 익히 공지된 기술에 따라 적어도 일부가 이온 교환반응에 의해 다른 양이온들로 치환될 수 있다. 바람직한 치환 양이온들로는 금속 이온, 수소 이온, 수소 전구체, 즉 암모늄 이온 및 그의 혼합물들을 포함한다. 특히 바람직한 양이온들은 특정한 탄화수소 전환반응에 대한 촉매 활성을 갖는 것들이다. 이들은 수소, 희 토금속, 및 원소 주기율표 중 ⅡA, ⅢA, ⅣA, IB, ⅡB, ⅢB, ⅣB, 및 Ⅷ 족 금속 들을 포함한다.
촉매로서 사용하는 경우, 본 발명의 MCM-56 적층 물질은 통상적으로는 하소화 처리를 하여 존재하는 유기 성분 중 일부 또는 전부를 제거할 수 있다. 결정성 물질은 또한 수소화 또는 탈수소화 기능이 수행되어야 할 텅스텐, 바나듐, 몰리브덴, 레늄, 니켈, 코발트, 크롬, 망간 등의 수소화 성분 또는 백금 또는 팔라듐과 같은 귀금속과의 완전히 결합한 촉매로서 사용될 수도 있다. 이와 같은 성분은 보조-결정화(cocrystalline) 에 의해 조성물에 존재하고, 이 조성물이 어느 정도까지는 ⅢA 족 원소들로 교환되며, 즉 알루미늄은 구조중에 있어서 그 내부에 함침되어 있거나 물리적으로는 그와 함께 완전 혼합된다. 이와 같은 성분은 함침되어 있거나 그 자체, 예를 들어, 백금의 경우에는 실리케이트를 백금 금속-함유 이온을 함유하는 용액으로 처리할 수 있다. 따라서 이러한 목적을 위해 적절한 백금 화합물은 클로로플라틴산, 염화 제 1 백금 및 백금 아민 착물을 함유하는 각종 화합물을 포함한다.
MCM-56 은 열처리 이후에도 여전히 팽윤할 수 있는 그의 적층 구조에 영향을 미치지 않고 열처리할 수 있다. 열처리는 일반적으로 적어도 약 370 ℃ 에서 1 분 이상 및 일반적으로 20 시간 이하로 가열함으로써 수행된다. 열처리를 하기 위해 대기압 이하의 압력을 가할 수도 있는 반면, 대기압이 편의상의 이유로 바람직하다. 열처리는 약 925 ℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다. 특히 그의 금속, 수소 및 암모늄 형태에서 열처리된 생성물은 특정한 유기, 즉 탄화수소 전환 반응의 촉매작용에 특히 유용하다. 이와 같은 반응들의 비-제한 실시예들은 미합중국 특허 제 4,954,325 호; 제 4,973,784 호; 제 4,992,611 호; 제 4,956,514 호; 제 4,962,250 호; 제 4,982,033 호; 제 4,962,257 호; 제 4,962,256 호; 제 4,992,606 호; 제 4,954,663 호; 제 4,992,615호; 제 4,983,276 호; 제 4,982,040 호; 제 4,962,239 호; 제 4,968,402 호; 제 5,000,839 호; 제 5,001,296 호; 제 4,986,894 호; 제 5,001,295 호; 제 5,001,283 호; 제 5,012,033 호; 제 5,019,670 호; 제 5,019,665 호; 제 5,019,664 호; 및 제 5,013,422 호에 기재된 것들을 포함한다.
유기 화합물 전환 공정에서 흡착제 또는 촉매로서 사용될 때의 본 발명에 의한 MCM-56 적층 물질은 적어도 일부가 탈수되어야 한다. 이는 공기, 질소 등의 대기하에 200 내지 370 ℃ 의 온도 범위에서 및 대기압, 대기압 이하 또는 대기압 이상의 압력에서 30 분 내지 48 시간동안 가열함으로써 수행될 수 있다. 또한 탈수 작용은 진공중에 MCM-56 을 위치시킴으로서 단지 실온에서도 수행될수 있지만, 충분한 탈수량을 수득하기 위해서는 장시간이 필요하다.
본 발명의 MCM-56 적층 물질은 알칼리, 또는 알칼리 토금속 (M) 의 공급원료, 즉 나트륨 또는 칼륨, 양이온, 3 가 원소 X, 즉 알루미늄의 산화물, 4 가 원소 Y, 즉 실리콘의 산화물, 지향제(R), 및 물을 포함하는 반응 혼합물로 부터 제조할 수 있으며, 이러한 반응 혼합물은 산화물의 몰비로 하기 범위의 조성을 가진다:
반응물 유용한 범위 바람직한 범위
YO2/X2O35 내지 35 10 내지 25
H2O/YO210 내지 70 16 내지 40
OH_/YO20.05 내지 0.5 0.06 내지 0.3
M/YO20.05 내지 3.5 0.06 내지 1.0
R/YO20.1 내지 1.0 0.3 내지 0.5
본 발명의 합성 방법에서, YO2의 공급원료는 대부분 고체 YO2, 예를 들어 본 발명의 결정 생성물을 수득하기 위해서는 약 30 중량 % 이상의 고체 YO2를 함유해야 한다. YO2가 실리카인 경우, 약 30 중량 % 이상의 고체 실리카, 즉 울트라실 (약 90 중량 % 실리카를 함유하는 침전되고 분무 건조된 실리카) 또는 히실(HiSil)(약 87 중량 % 의 실리카, 수화물 중 약 6 중량 % 의 유리 H2O 와 약 4.5 중량 % 의 결합된 H2O 를 함유하며, 입자 크기가 약 0.02 미크론인 침전되고 수화된 SiO2) 를 함유하는 실리카 공급원료의 사용은 요구되는 합성 조건하에서 상기 혼합물로 부터 결정성 MCM-56 을 생성한다. 그러므로 바람직하게는 YO2, 즉 실리카 공급원료는 약 30 중량 % 이상의 고체 YO2, 즉 실리카를 함유하며, 보다 바람직하게는 약 40 중량 % 이상의 고체 YO2, 즉 실리카를 함유한다.
지향체 R 은 사이클로알킬아민, 아자사이클로알칸, 디아자사이클로알칸 및 그의 혼합물로 구성된 그룹 중에서 선택되고, 여기에서 알킬의 탄소수는 5 내지 8 이다. R 의 비-제한 실시예들은 사이클로펜틸아민, 사이클로헥실아민, 사이클로헵틸아민, 헥사메틸렌이민, 헵타메틸렌이민, 호모피페라진 및 그의 배합물을 포함한다.
본 발명의 적층 물질의 결정화는 적절한 반응기 용기, 예를 들어, 폴리프로필렌 단지 또는 테플론 라인의 또는 스테인레스강 오토클레이브에서 정지 또는 교반 조건에서 수행할 수 있다. 결정화는 바람직하게는 80 내지 225 ℃ 의 온도에서 수행된다. 그러나 상기 반응 혼합물로 부터 MCM-56 합성을 중지하고, MCM-56 을 이용하여 MCM-49 을 생성하기 전에 반응을 퀀칭하는 것이 중요하다. 그 후 MCM-56 을 액체로부터 분리 회수한다. 이후 MCM-49 로의 계속적인 전환없이 MCM-56 을 합성하는데 필요한 시간은 사용된 반응 온도에 따라 달라질 것이다. 그러나 반응은 합성이 진행됨에 따라 9 내지 11 옹스트롬의 d-간격 범위에서 X-선 회절 패턴을 모니터링함으로써 MCM-49 을 생성하기 전에 퀀칭될 수 있도록 용이하게 조절할 수 있다. 따라서 표 1 에서 명백한 바와 같이, MCM-56 은 9.9 ± 0.3의 d-간격에서 단일 피크를 나타내는 반면, MCM-49 는 9.0 및 11.2 옹스트롬의 d-간격에서 집중된 2개의 피크를 나타낸다.
본 발명의 MCM-56 적층 물질은 MCM-56 에 대해 시차 흡착 특성을 갖는 증기 또는 액체 상 중의 성분들의 혼합물로부터 적어도 하나의 성분을 분리하기 위한 흡착제로서 사용될 수 있다. 따라서 하나의 성분을 선택적으로 흡착하기 위하여 혼합물을 MCM-56 과 접촉시킴으로써 MCM-56 에 대해 시차 흡착 특성을 갖는 성분들의 혼합물로 부터 적어도 한 성분을 부분적으로 또는 실질적으로는 전부 분리할 수 있다.
본 발명의 MCM-56 적층 물질을 사용하여 많은 상업상/산업상 중요성을 가지는 다양한 화학적 전환 공정을 촉매할 수 있다. MCM-56, 그 자체 또는 다른 결정성 촉매를 포함하는 하나 이상의 다른 촉매적 활성 물질과의 배합물에 의해 유효하게 촉매된 화학적 전환 공정의 예는 산 활성을 갖는 촉매를 요구하는 것들을 포함한다. 구체적인 예들은 하기와 같다:
(1) 온도 340 내지 500 ℃, 압력 100 내지 20,000 kPa (대기압 내지 200 대기압), 중량 시간당 공간 속도 2 내지 2000 시간-1및 방향족 탄화수소/올레핀 몰비 1/1 내지 20/1 를 포함하는 반응 조건하에서, 합성 세제를 제공하기 위하여 계속적으로 설폰화될 수 있는 장쇄 알킬 방향족 물질을 제공하기 위한 방향족 탄화수소, 즉 벤젠과 장쇄 올레핀, 즉 C14올레핀과의 알킬화 반응;
(2) 온도 10 내지 125 ℃, 압력 100 내지 3,000 kPa (1 내지 30 대기압), 방향족 탄화수소 중량 시간당 공간 속도 (WHSV) 5 내지 50 시간-1를 포함하는 반응 조건하에서, 단쇄 알킬 방향족 화합물을 제공하기 위한 방향족 탄화수소와 기체 올레핀과의 알킬화 반응, 즉 쿠멘을 제공하기 위한 벤젠과 프로필렌과의 알킬화 반응;
(3) 온도 315 내지 455 ℃, 압력 2860 내지 5620 kPa (400 내지 800 psig), WHSV-올레핀 0.4 내지 0.8 시간-1, WHSV-레포르메이트 1 내지 2 시간-1,및 기체 재순환 1.5 내지 2.5 vol/vol(연료 기체 공급물)을 포함하는 반응 조건하에서, 그중에서도 모노- 및 디알킬레이트를 제공하기 위하여 C5올레핀을 함유하는 연료 기체와 실질적인 양의 벤젠 및 톨루엔을 함유하는 레포르메이트의 알킬화 반응;
(4) 온도 160 내지 260 ℃, 압력 2510 내지 3200 kPa (350 내지 450 psig)를 포함하는 반응 조건하에서, 알킬화 방향족 윤활유 기본 원료를 제공하기 위한 장쇄 올레핀, 즉 C14, 올레핀과 방향족 탄화수소, 즉 벤젠, 톨루엔, 크실렌 및 나프탈렌과의 알킬화 반응;
(5) 온도 200 내지 250 ℃, 압력 1480 내지 2170 kpa (200 내지 300 psig), 및 총 WHSV 2 내지 10 시간-1를 포함하는 반응 조건하에서, 장쇄 알킬 페놀을 제공하기 위한 올레핀 또는 동당량의 알코올과 페놀과의 알킬화 반응;
(6) -25 내지 400 ℃, 즉 75 내지 200 ℃ 의 온도, 대기압 이하 내지 35000 kPa (5000 psig), 즉 100 내지 7000 kPa (1 내지 1000 psig), 올레핀을 기본으로 하는 중량 시간당 공간 속도 0.01 내지 100 시간-1, 즉 0.1 내지 20 시간-1, 및 총 이소알칸 대 총 올레핀의 몰비 1 : 2 내지 100 : 1, 즉 3 : 1 내지 30 : 1 을 포함하는 반응 조건하에서, 이소알칸, 즉 이소부탄과 올레핀, 즉 2-부텐과의 알킬화 반응.
많은 촉매의 경우에서와 같이, 유기 전환 공정에서 사용된 온도 및 다른 조건들에 내성을 가지는 다른 물질과 함께 MCM-56 을 혼입하는 것이 바람직하다. 이와 같은 물질들은 활성 및 불활성 물질과 합성 또는 천연 제올라이트는 물론 점토, 실리카와 같은 무기 물질 및/또는 알루미나와 같은 금속 산화물을 포함한다. 후자는 천연 또는 실리카와 금속 산화물의 혼합물을 포함하는 겔화 침전물 또는 겔의 형태로 존재할 수 있다. 활성인 MCM-56 을 합성하는 동안 MCM-56 과 관련된, 즉 그와 배합되어 있거나 존재하는 물질의 사용은 특정한 유기 전환 공정에서 촉매의 전환 및/또는 선택성을 변화시키려는 경향이 있다. 불활성 물질은 회석제로서 적절히 작용하여 주어진 반응에서 전환량을 조절함으로서 반응 속도를 조절하기 위한 다른 수단을 사용하지 않고서도 경제적으로 및 규칙적으로 생성물을 수득할 수 있다. 이 물질들은 천연 점토, 즉 벤토나이트 및 카올린에 혼입되어 상업용 조작 조건하에 촉매의 분쇄 강도를 향상시킬 수 있다. 이와 같은 물질, 즉 점토, 산화물 등은 촉매의 결합제로서 작용한다. 상업용으로 촉매가 분말-형 물질로 분해되는 것을 방지하는 것이 바람직하기 때문에 우수한 분쇄 강도를 가지는 촉매를 제공하는 것이 바람직하다. 이들 점토 및/또는 산화물 결합제는 통상적으로는 촉매의 분쇄 강도를 향상시킬 목적으로만 사용되었다.
신규 결정과 착화될 수 있는 천연 점토는 몬모릴로나이트 및 카올린 부류를 포함하며, 이 부류들은 서브벤토나이트, 및 딕스(Dixie), 맥나메(McNamee), 죠지아(Georgia) 및 플로피다(Florida) 점토로서 통상 공지된 카올린, 또는 주요 무기 성분이 할로이사이트, 카올리나이트, 딕카이트, 나크라이트 또는 아나욱사이트인 다른 것들을 포함한다. 이와 같은 점토들은 처음에 채광된 원료 상태로 또는 초기에 하소화, 산 처리 또는 화학적 변형을 한 상태로 사용될 수 있다. 본 발명의 MCM-56 적층 물질과 착화시키기에 유용한 결합제들은 또한 무기 산화물, 특히 알루미나를 포함한다.
전술한 물질이외에도, MCM-56 은 실리카-알루미나, 실리카-마그네시아, 실리카-지르코니아, 실리카-토리아, 실리카-베릴리아, 실리카-티타니아는 물론 실리카-알루미나-토리아, 실리카-알루미나-지르코니아, 실리카-알루미나-마그네시아 및 실리카-마그네시아-지르코니아 등의 3 차 조성물과 같은 다공성 매트릭스 물질과 착화될 수 있다.
미세 분할된 MCM-56 물질과 무기 산화물 매트릭스의 상대 비율은 크게 달라질 수 있는데, 즉 MCM-56 함량은 조성물중 1 내지 90 중량 %, 보다 통상적으로는, 특히 조성물을 비이드 형태로 제조시 조성물의 2 내지 80 중량 % 이다.
본 발명은 실시예 및 하기의 도면을 통해 보다 구체적으로 기술하려고 한다:
제1도는 실시예 1 의 건조 생성물 MCM-56 의 X-선 회절 패턴이다.
제2도는 실시예 2 의 건조 생성물 MCM-56 의 X-선 회절 패턴이다.
제3도는 실시예 9 의 건조 생성물 MCM-56 의 X-선 회절 패턴이다.
제4도는 실시예 10 의 하소된 생성물 MCM-56 의 X-선 회절 패턴이다.
제5(a)도는 실시예 2 의 생성물의 X-선 회절 패턴이다.
제5(b)도는 실시예 3 의 생성물의 X-선 회절 패턴이다.
제5(c)도는 실시예 4 의 생성물의 X-선 회절 패턴이다.
제5(d)도는 실시예 5 의 생성물의 X-선 회절 패턴이다.
실시예에서 알파치를 계산할 때, 알파치는 표준 촉매와 비교할 때 촉매의 촉매 크래킹(cracking) 활성의 근사 지표이며, 이는 상대 속도상수 (단위 시간당 단위 촉매량당 노르말 헥산 전환율) 을 부여함을 주목해야 한다. 알파 1 (속도상수 = 0.016 초-1)로서 간주된 실리카-알루미나 분쇄 크래킹 활성에 근거해야 한다.
알파 시험은 문헌[참조: 미합중국 특허 제 3,354,078 호; Journal of Catalysis, Vol. 4, p. 527 (1965); Vol. 6, p. 278 (1966); Vol. 61, p. 395 (1980)] 에 기재되어 있다. 본 명세서에서 사용한 시험의 실험 조건들은 문헌[참조: Journal of Catalysis, Vol. 61, p. 395] 에 상세하게 기재된 바와 같이 538 ℃ 의 일정한 온도 및 가변 유속을 포함한다.
물 258 g, 50 % 수산화나트륨 용액 6 g, 나트륨 알루미네이트 용액 13.4 g (25.5% Al2O3및 19.5 % Na2O), 울트라실 (Ultrasil)(VN3) 51.4 g, 및 헥사메틸렌이민 (HMI) 27.1 g 의 혼합물을 143 ℃ 에서 600 ㎖ 의 교반된(400 rpm) 오토클레이브에서 반응시킨다.
반응 혼합물들은 하기 몰비의 조성을 가진다 :
SiO2/Al2O3= 23
OH_/SiO2= 0.21
Na/SiO2= 0.21
HMI/SiO2= 0.35
H2O/SiO2= 0.21
반응은 43 시간에 종결하였다. 생성물을 여과하고, 물로 세척하여 습윤 케이크를 형성하고, 분획을 110 ℃ 에서 오븐에 건조시켰다.
생성물 습윤 케이크의 분획 및 조건 분획을 X-선 분석시키고, MCM-56 으로 확인하였다. 건조 MCM-56 의 X-선 회절 패턴을 하기 표 4 및 제 1 도 에 기재하였다.
실시예 1 의 생성물의 화학적 조성 (중량 %) 은 하기와 같다 :
N = 1.61
Na = 1.1
Al2O3= 6.6
SiO2= 70.5
회분 = 78.2
이 생성물의 SiO2/Al2O3몰비는 18 이었다.
[실시예 2]
실시예 1 의 생성물의 분획은 1 M 질산 암모늄을 3 회 접촉시킨후, 540 ℃ 에서 공기중에서 6 시간 하소시킴으로서 교환된 암모늄이었다. 본 실시예의 하소 생성물의 X-선 회절선은 MCM-56 임이 입증되었고, 하기 표 5 및 제 2 도에 기재되어 있다.
[실시예 3]
비교 목적으로 미합중국 특허 제 4,954,325 호의 실시예 1 을 반복 실시하였다. MCM-22 전구체 또는 MCM-22 전구체 형태로서 언급된, 실시예의 이미-합성된 결정성 물질을 X-선 회절 분석에 의해 조사하였다. 그의 X-선 회절 패턴은 표 6 및 제 5 (b) 도에 기재되어 있다.
[실시예 4]
실시예 3 의 생성물을 538 ℃ 에서 20 시간동안 하소하였다. 이러한 하소된 생성물의 X-선 회절 패턴을 하기 표 7 및 제 5(c) 도에 기재하였다.
[실시예 5]
45 % 나트륨 알루미네이트 2.24 부를 오토클레이브에서 50 % NaOH 용액 1.0 부 및 H2O 43.0 부를 함유하는 용액에 가한다. 울트라실 침전된 실리카 8.57 부를 교반하면서 가한 후, HMI 4.51 부를 가한다.
반응 혼합물은 하기 몰비의 조성을 가진다 :
SiO2/Al2O3= 23
OH_/SiO2= 0.21
Na/SiO2= 0.21
HMI/SiO2= 0.35
H2O/SiO2= 19.3
혼합물을 150 ℃ 에서 84 시간동안 교반하면서 결정화하였다. 생성물은 MCM-49 로서 확인되었고, 표 8 및 제 5 (d) 도에 기재된 X-선 패턴을 가졌다.
생성물의 화학적 조성 (중량 %) 은 하기와 같다 :
N 1.70
Na 0.70
Al2O37.3
SiO274.5
회분 84.2
이 생성물의 실리카/알루미나의 몰비는 17.3 이었다.
538 ℃ 에서 9 시간동안 하소후 흡착능은 중량 % 로 다음과 같다 :
사이클로헥산, 40 토르 10.0
n-헥산, 40 토르 13.1
H2O, 12 토르 15.4
샘플의 분획을 538 ℃ 에서 공기중에 3 시간동안 하소하였다. 이 물질은 표 9 에 기재된 X-선 회절 패턴을 나타냈다.
[실시예 6]
실시예 2 의 생성물에 알파 시험을 수행하여 알파치 106 임을 보였다.
[실시예 7]
MCM-56, MCM-22 및 MCM-49 간의 미세다공성과 유효한 기공 개구부를 비교하기 위하여, 분자 크기가 증가된 탄화수소 화합물을 문헌[참조: E. L. Wu, G. R. Landolt, and A.W. Chester, in "New Developments in Zeolite Science and Technology", Studies in Surface Science and Catalysis, 28, 547 (1986)] 에 의해 기재된 방법에 따라 실시예들의 하소된 MCM-56, MCM-22 및 MCM-49 생성물의 분획에 연속적으로 흡착시켰다. 본 조사의 동적 흡착 결과는 하기 표 10 에 기재 되어 있다.
흡착 결과는 시험 물질간 명백한 구분을 나타낸다. MCM-56 은 본 조사에서 사용된 가장 입체장애된 탄화수소 분자인 1,3,5-트리메틸벤젠에 대해서 MCM-22 및 MCM-49 능력의 4 배 이상을 가진다. MCM-56 은 또한 MCM-22 또는 MCM-49 보다 훨씬 더 빠른 2,2-디메틸부탄의 흡착력의 초기 속도 (373 ˚K, 80 토르에서 유동 헬륨중 흡착제인 2,2-디메틸부탄(g)에 대한 2,2-디메틸부탄의 초기 15 mg 을 흡착하는데 필요한 시간) 를 나타낸다. 전형적인 MCM-56, MCM-22 및 MCM-49 물질에 상응하는 시간은 각각 12, 252 및 233 초였다. n-헥산 흡착력의 초기 속도는 흡착제 g 당 초기 40 mg 의 n-헥산을 흡착하는데 필요한 시간이고, 1,3,5-트리메틸벤젠에 대하여는 흡착제 g 당 1,3,5-트리메틸벤젠의 초기 7 mg 을 흡착하는데 필요한 시간이다.
[실시예 8]
반응을 40 시간 때에 종결한 것을 제외하고는 실시예 1 을 반복실시하였다. X-선 분석을 통해 생성물이 MCM-56 임을 밝혀내었다.
[실시예 9]
물 258 g, 나트륨 알루미네이트 용액 (25.5 % Al2O3및 19.5 % Na2O) 20.5g, 울트라실 (VN3) 51.4g 및 헥사메틸렌이민 (HMI) 50 g 의 혼합물을 154 ℃ 에서 600 ㎖ 의 교반된(400 rpm) 오토클레이브에서 반응시킨다.
반응 혼합물은 하기 몰비의 조성을 가진다 :
SiO2/Al2O3= 15
OH_/SiO2= 0.17
Na/SiO2= 0.17
HMI/SiO2= 0.66
H2O/SiO2= 19
반응을 130 시간때에 종결하였다. 생성물을 여과하고, 물로 세척하여 습윤 케이크를 형성하고, 분획을 오븐에서 110 ℃, 2 시간 동안 건조시켰다.
생성물 습윤 케이크의 분획 및 건조된 분획을 X-선 분석을 통해 MCM-56 임을 확인하였다. 건조된 물질의 X-선 회절 패턴은 하기 표 11및 제 3 도에 기재되어 있다.
실시예 9 의 생성물의 화학적 조성 (중량 %) 은 하기와 같다 :
N = 1.42
Na = 2.3
Al2O3= 9.3
SiO2= 70.7
회분 = 82.3
이 생성물의 SiO2/Al2O3몰비는 13 이었다.
[실시예 10]
실시예 9 의 건조된 시료의 분획을 1 M 질산암모늄 용액으로 3-배 교환한다. 그후 고체를 질소하에 482 ℃ 에서 3 시간 가열하고, 약 130 ℃ 로 냉각시킨후, 공기중에 538 ℃ 에서 5 시간동안 하소하였다. 이 물질은 표 12 및 제 4 도에 나타난 X-선 회절 패턴을 나타냈다.
실시예 2 내지 5 의 생성물의 X-선 회절 패턴은 제 5 도에 기재되어 있다. 제 5 (a) 도는 실시예 2 의 MCM-56 생성물의 패턴을 나타내고; 제 5 (b) 도는 실시예 3 의 생성물의 패턴을 나타낸다. 실시예 4 의 MCM-22 생성물의 패턴은 제 5 (c) 도에 나타냈고, 제 5 (d) 도에 나타낸 패턴은 실시예 5의 MCM-49 생성물이다. 이들 패턴은 비교를 촉진시키기 위하여 본 도면에 기재되어 있다. 제 5 (b) 및 (c) 도는 하소시 결정성 MCM-22 및 결정성 MCM-22 으로 각각 변형시킨 합성된 적층 물질에서 유도된 것이다.
Claims (8)
- 하기 일반식으로 표시되는 몰 관계를 포함하는 조성을 갖고, 하소된 합성 물질 1 g 당 1,3,5-트리메틸벤젠의 흡착능이 적어도 약 35 ㎕ 이며, 하소된 합성 물질 g 당 2,2-디메틸부탄의 약 20 초 미만의 초기 흡수력이 15 mg 이고, 하소된 합성 물질에 대한 X-선 회절 패턴의 d-간격이 12.4 ± 0.2 옹스트롬, 9.9 ± 0.3 옹스트롬, 6.9 ±0.1 옹스트롬, 6.2 ± 0.1 옹스트롬, 3.55 ± 0.07 옹스트롬 및 3.42 ± 0.07 옹스트롬에서 최대치를 나타냄을 특징으로 하는 합성 적층 물질.X2O3: (n)YO2상기식에서,n 은 약 35 미만이고,X 는 3 가 원소이며,Y 는 4가 원소이다.
- 제1항에 있어서, X 가 알루미늄, 붕소, 철 및 갈륨 중에서 선택되고, Y 는 실리콘 및 게르마늄 중에서 선택되는 합성 물질.
- 제1항에 있어서, X 가 알루미늄을 함유하고 Y 가 실리콘을 함유하는 물질.
- 제1항에 있어서, n 이 5 내지 25 미만인 물질.
- 제6항에 있어서, n 이 10 내지 20 인 물질.
- 제1항에 있어서, 합성된 무수물을 기준으로 하여 YO2의 n 몰 당 산화물의 몰수로 정의된 하기 일반식의 조성을 갖는 물질.(0-2)M2O : (1-2)R : X2O3: (n)YO2상기식에서,M 은 알칼리 또는 알칼리 토금속이고;R 은 유기 잔기이다.
- 제6항에 있어서, R 이 사이클로알킬아민, 아자사이클로알칸, 디아자사이클로알칸, 및 그들의 혼합물(여기에서 알킬은 탄소수 5 내지 8 이다)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 물질.
- 유기 화합물을 함유하는 공급원료를 제1항에 따른 합성 적층 물질의 활성 형태를 함유하는 촉매와 접촉시킴을 특징으로 하여, 유기 화합물을 함유하는 공급 원료를 전환 생성물로 전환시키는 방법.
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