KR20100074198A - 고 활성도의 ｚｓｍ-48의 합성 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 하나 이상의 실리카 공급원, 하나 이상의 알루미나 공급원, 하나 이상의 하이드록실 이온 공급원, 하나 이상의 화학식 (CH3)3N+(CH2)5N+(CH3)3의 다이4차 알킬암모늄 이온(R2 +) 공급원, 및 선택적으로 ZSM-48 시드 결정을 포함하는 수성 반응 혼합물을 결정화하는 단계를 포함하되, 상기 반응 혼합물이 R2 +:SiO2 몰비가 0.1 미만이고, SiO2:Al2O3 몰비가 100 미만인 조성을 갖는, ZSM-48의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고 활성도의 ＺＳＭ-48의 합성{SYNTHESIS OF HIGH ACTIVITY ZSM-48}
본 발명은 고 활성도의 ZSM-48의 합성, 및 그의, 특히 탄화수소 공급물스탁의 탈왁스화에서의 촉매로서의 용도에 관한 것이다.
ZSM-48은, 10원 고리의 비-상호연결된 선형 채널을 갖고 그의 이상적인 크기가 5.5×5.6Å인 사방정계 또는 슈도-사방정계 구조를 갖는 제올라이트이다. ZSM-48은 탄화수소 공급물스탁의 탈왁스화를 위한 촉매로서 매력적인 특성을 나타낸다(예를 들어, 미국특허 제 5,075,269 호 및 제 6,884,339 호, 및 국제특허 공개공보 제 WO 01/64339 호 참조). 따라서, ZSM-48, 특히 높은 산 활성도(즉, 낮은 실리카/알루미나 몰 비)를 갖는 ZSM-48를 합성하는 새로운 방법을 찾는 것이 상당히 흥미로울 것이다.
ZSM-48은 구조유도제(structure-directing agent)로서 C4 내지 C12의 유기 다이아민을 사용하여 롤만 등에 의해 처음으로 합성되었다(미국특허 제 4,423,021 호 참고). 롤만 등에 의해 합성된 제올라이트는 거의 또는 전혀 알루미늄을 함유하고 있지 않아서, 작은 산 활성도를 나타냈다.
높은 실리카/알루미나 몰비를 갖는 ZSM-48의 합성은, 미국특허 제 4,397,827 호에서는 C2 내지 C12 알킬아민 및 C3 내지 C5 테트라메틸암모늄 화합물의 혼합물의 존재하에서 수행되었고, 미국특허 제 4,585,747 호에서는 비스(N-메틸피리딜)에틸리늄 양이온의 존재하에서 수행되었다.
미국특허 제 5,961,951 호는, 구조유도제로서 에틸렌 다이아민의 존재하에서의 ZSM-48의 합성을 개시하고 있다. 그러나, 광범위한 정의의 반응 혼합물은 100 이상의 실리카/알루미나 몰비를 요구하고, ZSM-48 생성물의 조성이 언급된 유일한 실시예인 실시예 2는 170의 실리카/알루미나 몰비를 보고하고 있을 뿐이다.
유럽 특허 공개공보 제 EP-A-14317 호는 하기 화학식의 특정한 선형 다이4차(diquaternary) 화합물의 존재에서의 ZSM-48의 합성을 개시하고 있다:
[(R')3N+(Z)m[(R')3N+](X-)2
상기 식에서,
R'은 각각 탄소수 1 내지 20의 알킬 또는 헤테로알킬기, 탄소수 3 내지 6의 사이클로알킬 또는 사이클로헤테로알킬기, 또는 아릴 또는 헤테로아릴기이고;
Z는 탄소수 1 내지 20의 알킬렌 또는 헤테로알킬렌기, 탄소수 2 내지 20의 알케닐렌 또는 헤테로알케닐렌기, 또는 아릴렌 또는 헤테로아릴렌기이고;
m은 5, 6, 8, 9 또는 10이고;
X는 음이온이다.
유럽 특허출원 제 EP-A-142317 호에서는 반응 혼합물의 실리카/알루미나 몰비가 100 이상이어야만 하는데, 그 이유는 보다 낮은 값에서는 상이한 실리케이트 골격이 제조되기 때문이라고 보고하고 있다.
미국특허 제 6,923,949 호에는 약 150/1 미만의 XO2/Y2O3(여기서 X는 Si 및 Ge 중 하나 이상이고, 바람직하게는 Si이고, Y는 Al, Ga, B, Fe, Ti, V 및 Zr 중 하나 이상이고, 바람직하게는 Al이다) 비를 갖는 순수한 상의 ZSM-48이 개시되어 있는데, 여기에는 실질적으로 섬유상 형상이 없고 약 1㎛ 미만의 직경을 갖는 케냐이트(Kenyaite) 및 ZSM-50 불순물이 없다. 상기 물질은, ZSM-5, ZSM-11, ZSM-12, 콜로이드성 BEA, 베타, X 및 Y 제올라이트 중에서 선택된 헤테로구조(heterostructural) 제올라이트, 및 유기 선형 다이4차 알킬 암모늄 화합물 및 선형 다이아미노 알케인 중에서 선택된 하나 이상의 유기 템플레이트 물질을 포함하는 반응 혼합물을 결정화함으로써 제조된다. 실시예에서는 선형 다이4차 알킬 암모늄 화합물로서 헥사메쏘늄 클로라이드를 사용하여, 67.7로 낮은 SiO2/Al2O3 몰비를 갖는 ZSM-48 결정이 제조된다.
국제특허 공개공보 제 2007/070521 호에는, ZSM-48 이외의 결정이나 ZSM-50이 없는, 110 이하의 실리카:알루미나 몰비를 갖는 ZSM-48 결정을 포함하는 조성물의 합성이 개시되어 있는데, 상기 합성법은 실리카 또는 실리케이트 염, 알루미나 또는 알루미네이트 염, 헥사메쏘늄 염 및 알칼리 염기의 수성 혼합물을 포함하는 반응 혼합물을 결정화함으로써 수행되며, 여기서 반응 혼합물은 70 내지 110의 실리카:알루미나의 몰비; 0.1 내지 0.3의 염기:실리카의 몰비, 및 0.01 내지 0.05의 헥사메쏘늄 염:실리카의 몰비의 조성을 갖는다. 80 정도로 낮은 실리카:알루미나 몰비를 갖는 ZSM-48 결정의 제조도 예시되어 있다.
문헌["Reinvestigation into the synthesis of zeolites using diquaternary alkylammonium ions (CH3)3N+(CH2)nN+(CH3)3 with n = 3-10 as structure-directing agents", Microporous and Mesoporous Materials, 68 (2004), 97-104, Song-Ho Lee 등]에는, 구체적으로 Me6-다이쿼트-n(여기서, n은 3 내지 10이다) 이온의 존재하에서 제올라이트 결정화의 상 선택성에 대한 알칼리 양이온의 유형 및 농도와 같은 합성 변수의 효과에 대해 개시하고 있다. 특히, 이 성호 등은 표 2에서, Me6-다이쿼트-5를 함유하고 60의 실리카/알루미나 몰비 및 0.1의 다이쿼트/실리카 몰비를 갖는 합성 혼합물을 사용하여 결정화할 때, 혼합물의 OH-/SiO2 몰비가 0.33 이하이면 ZSM-48이 제조되지만, 0.47의 OH-/SiO2 몰비에서는 ZSM-12가 제조되고, 0.6 및 0.73의 OH-/SiO2 몰비에서는 MCM-22가 제조됨을 보고하였다. OH-/SiO2 몰비가 높을수록, 생성물은 모데나이트 및/또는 방비석(analcime)이다.
본 발명에 따르면, 구조유도제로서 Me6-다이쿼트-5를 사용하여 고 활성도의 ZSM-48를 합성하는 경우, 다이쿼트/실리카 몰비가 생성물의 상 선택성에 영향을 미치는 중요한 변수임이 밝혀졌다. 게다가, 구조유도제로서 Me6-다이쿼트-5 및 Me6-다이쿼트-6의 조합을 사용함으로써 생성물인 ZSM-48 결정의 형상 제어가 가능함이 발견되었다.
발명의 요약
하나의 양태에서, 본 발명은 (a) 하나 이상의 실리카 공급원, 하나 이상의 알루미나 공급원, 하나 이상의 하이드록실 이온 공급원, 하나 이상의 화학식 (CH3)3N+(CH2)5N+(CH3)3의 다이4차 알킬암모늄 이온(R2 +) 공급원, 및 선택적으로 시드 결정을 포함하는 수성 반응 혼합물을 제공하되, 상기 반응 혼합물이 R2 +:SiO2 몰비가 0.1 미만이고, SiO2:Al2O3 몰비가 100 미만이고, OH-:SiO2 몰비가 0.2 미만의 조성을 갖는, 단계; 및 (b) 상기 반응 혼합물을 상기 ZSM-48를 제조하기에 효과적인 조건하에서 결정화하는 단계를 포함하는, ZSM-48의 제조방법에 관한 것이다.
유리하게는, 상기 반응 혼합물은, R2+:SiO2 몰비가 약 0.01 내지 약 0.05이고, SiO2:Al2O3 몰비가 약 50 내지 100 미만이고, OH-:SiO2 몰비가 약 0.1 내지 약 0.2인 조성을 갖는다.
유리하게는, 상기 반응 혼합물은 30 미만의 H2O:SiO2 몰비를 갖고, 하나의 실시양태에서는 전형적으로 혼합물의 Na+:SiO2 몰비가 0.2 미만이도록 나트륨 양이온 공급원을 포함한다.
유리하게는, 상기 반응 혼합물은 화학식 (CH3)3N+(CH2)nN+(CH3)3(이때, n은 3, 4, 6, 7, 8, 9 또는 10이고, 특히 n은 6이다)의 추가의 다이4차 알킬암모늄 이온 공급원을 포함한다.
추가의 양태에서, 본 발명은, 하나 이상의 실리카 공급원, 하나 이상의 알루미나 공급원, 하나 이상의 하이드록실 이온 공급원, 하나 이상의 화학식 (CH3)3N+(CH2)5N+(CH3)3의 제 1 다이4차 알킬암모늄 이온 공급원; 하나 이상의 화학식 (CH3)3N+(CH2)nN+(CH3)3(이때, n은 3, 4, 6, 7, 8, 9 또는 10이고, 특히 6이다)의 제 2 다이4차 알킬암모늄 이온 공급원, 및 선택적으로 시드 결정을 포함하는 수성 반응 혼합물을 결정화하는 단계를 포함하는 ZSM-48의 제조 방법에 관한 것이다.
유리하게는, 상기 반응 혼합물의 SiO2:Al2O3 몰비는 100 미만이다.
유리하게는, 반응 혼합물 중 전체 다이4차 알킬암모늄 이온:SiO2 몰비는 0.1 미만이다.
전술한 모든 실시양태에서, 반응 혼합물은 바람직하게는 시드 결정, 보다 바람직하게는 ZSM-48 시드 결정을 포함한다. 유리하게는, ZSM-48 시드 결정은 반응 혼합물의 중량을 기준으로 약 50 중량ppm 내지 약 50,000 중량ppm의 양으로 존재한다.
유리하게는, 결정화 조건은, 약 12 내지 약 200 시간의 시간 및 약 120℃ ℃ 내지 약 200℃의 온도를 포함한다.
추가의 양태에서, 본 발명은 탈왁스화 조건하에서 본원의 방법에 의해 제조된 ZSM-48를 탄화수소 공급물스탁과 접촉시키는 단계를 포함하는, 탄화수소 공급물스탁의 탈왁스화 방법에 관한 것이다.
본 발명은, ZSM-48, 특히 100 미만의 실리카/알루미나 몰비를 갖는 고 활성도의 ZSM-48의 제조방법 및 탄화수소 공급물스탁의 탈왁스화 촉매로서의 결과물인 ZSM-48의 용도에 관한 것이다.
본 발명의 방법에서, ZSM-48은, 하나 이상의 실리카 공급원, 하나 이상의 알루미나 공급원, 하나 이상의 하이드록실 이온 공급원, 하나 이상의 화학식 (CH3)3N+(CH2)5N+(CH3)3의 다이4차 알킬암모늄 이온인 Me6-다이쿼트-5 이온(본원에서, 펜타메쏘늄 이온으로도 지칭됨)을 포함하는 유도제(directing agent), 및 선택적으로 시드 결정을 포함하는 수성 반응 혼합물로서, R2+:SiO2 몰비가 0.1 미만, 예를 들어 약 0.01 내지 약 0.05이고, SiO2:Al2O3 몰비가 100 미만, 예를 들어 약 50 내지 100 미만이고, OH-:SiO2 몰비가 0.2 미만, 예를 들어 약 0.1 내지 약 0.2인 조성을 갖는 수성 반응 혼합물을 결정화함으로써 제조된다.
일반적으로, 반응 혼합물에서 또한 H2O:SiO2의 몰비가 30 미만, 심지어는 20 미만인 경우, 목적하는 ZSM-48 생성물은 높은 수율로 제조될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 반응 혼합물은 추가로 나트륨 양이온 공급원을 포함하며, 전형적으로 반응 혼합물에서 Na+:SiO2의 몰비가 0.2 미만이다. 나트륨 이온의 적당한 공급원은 수산화나트륨이며, 이는 또한 하이드록실 이온의 적합한 공급원을 제공한다.
반응 혼합물은 바람직하게는 시드 결정, 전형적으로는 ZSM-48과 상이하거나 동일한 골격을 갖는 제올라이트 시드 결정을 함유한다. 보다 바람직한 시드 결정은 ZSM-48 시드 결정이다. 사용되는 경우, ZSM-48 시드 결정은 수성 반응 혼합물에 약 50 중량ppm 내지 약 50,000 중량ppm의 양으로 존재하도록 수성 반응 혼합물에 일반적으로 첨가된다. 일반적으로, 반응 혼합물의 100 중량ppm 이상, 바람직하게는 100 중량ppm 내지 5000 중량ppm, 보다 바람직하게는 500 중량ppm 내지 3000 중량ppm의 시드 결정이 사용된다. 하나의 실시양태에서, 시드 결정으로서 사용하기 위해 선택된 ZSM-48은 100 미만의 실리카/알루미나 몰비를 갖는다.
임의의 반응성 형태의 실리카가 본 발명의 반응 혼합물내 실리카 공급원으로서 사용될 수 있으며, 적합한 시판중인 물질로는 퓸드 실리카, 침강 실리카, 실리카 겔, 규산, 테트라알킬 오르쏘실리케이트, 또는 실리카의 수성 콜로이드성 현탁액이다. 일반적으로, 퓸드 실리카가 낮은 실리카/알루미나 몰비 및 고 순도의 ZSM-48을 제조하는데 보조하는 것으로 보인다.
유사하게, 일반적으로 알루미나의 수용성 공급원, 예를 들어 알루미네이트 또는 알루미늄 니트레이트와 같은 알루미늄 염이 바람직하지만, 어떠한 반응성 형태의 알루미나도 알루미나 공급원으로서 사용될 수 있다. 알루미나의 다른 적합한 공급원은 수화된 알루미나, 예를 들어 감마-알루미나, 슈도보헤마이트 및 콜로이드성 알루미나를 포함한다.
반응 혼합물내 Me6-다이쿼트-5 이온 공급원은 임의의 용이하게 입수가능한 펜타메쏘늄 염, 예를 들어 다이할라이드, 특히 다이클로라이드 또는 다이브로마이드, 또는 펜타메쏘늄 다이하이드록사이드일 수 있다.
본 발명의 합성 방법이 유일한 구조유도제로서 Me6-다이쿼트-5 이온을 사용할 수도 있지만, 일부 실시양태에서 구조유도제로서 Me6-다이쿼트-5 이온과 하나 이상의 상이한 다이4차 암모늄 화합물의 혼합물을 사용하는 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 경우에, 상이한 다이4차 암모늄 화합물은 화학식 (CH3)3N+(CH2)nN+(CH3)3 (이때, n은 3, 4, 6, 7, 8, 9 또는 10이고, 특히 n은 6이다)을 갖는다. Me6-다이쿼트-6 양이온은, 헥사메쏘늄 양이온으로서 본원에서 지칭된다. 따라서, 이러한 다이4차 암모늄 화합물의 혼합물, 구체적으로, Me6-다이쿼트-5 이온과 Me6-다이쿼트-6 이온의 혼합물을 사용함으로써, 둘 중 하나의 다이쿼트를 단독으로 사용함으로써 수득가능한 것과는 상이한 형상을 갖고/갖거나 이 보다 낮은 실리카/알루미나 몰비를 갖는 ZSM-48을 제조하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, Me6-다이쿼트-5는 단독으로 침상형 또는 섬유형 형상을 갖는 ZSM-48를 형성하는 것을 선호하는 것으로 보이지만, Me6-다이쿼트-5 이온과 Me6-다이쿼트-6 이온의 혼합물은 직경에 대한 길이의 비가 작은 결정을 선호하는 것으로 보인다.
하나 이상의 상이한 다이4차 암모늄 화합물과 Me6-다이쿼트-5 이온의 혼합물이 구조유도제로서 사용되는 경우, 상기 하나 이상의 상이한 다이4차 암모늄 화합물에 대한 Me6-다이쿼트-5 이온의 몰비는 일반적으로 Me6-다이쿼트-5-이온이 일반적으로 전체 다이4차 알킬암모늄 이온의 10% 내지 90%를 나타내도록 하는 값이다. 게다가, 반응물 중 Me6-다이쿼트-5 이온 및 상기 하나 이상의 상이한 다이4차 암모늄 화합물의 총량은, 전체 다이4차 알킬암모늄 이온:SiO2 몰비가 0.1 미만이도록, 일반적으로 조정된다.
본 발명의 방법에서 사용된 결정화 조건은 엄밀하게 제어되지는 않지만, 일반적으로 약 120℃ 내지 약 200℃, 예를 들어 약 140℃ 내지 약 180℃의 온도 및 약 12 내지 약 200 시간, 예를 들어 약 20 내지 약 120 시간을 포함한다. 결정화는 적합한 반응기 용기, 예를 들어 폴리프로필렌 용기 또는 테플론(Teflon, 등록상표)-라이닝 또는 스테인레스강 오토클레이브에서 정류 상태 또는 바람직하게는 교반 조건하에서 수행될 수 있다. 결정화가 완료되면, ZSM-48 생성물은, 전형적으로 여과 또는 원심분리에 의해 모액으로부터 분리되고 회수된다.
본 발명의 방법에 의해 제조된 ZSM-48은 합성상태 그대로의 무수 형태에서 하기의 몰 조성을 갖는다:
(0.01 내지 0.1 미만)R2+:(0.1 내지 0.2 미만)M2/n:x Al2O3:SiO2
상기 식에서,
R2+는 Me6-다이쿼트-5를 포함하는 하나 이상의 다이4차 암모늄 화합물이고,
M은 n가의 하나 이상의 알칼리 또는 알칼리 금속 양이온, 특히 나트륨이고,
x는 0.01 초과, 전형적으로는 0.0125 초과, 예를 들어 약 0.013 내지 약 0.02이다.
본 발명의 방법에 의해 제조된 ZSM-48은, 이들의 합성상태 그대로의 무수 형태에서 하기 표 1에서 설명한 선을 포함한 X-선 회절 패턴을 갖는다.
Figure pct00001
이러한 값들은 표준 기법에 의해 측정되었다. 방사선은, 구리의 K-알파 이중선이고, 스트립 챠트 펜 기록기(strip chart pen record)를 갖는 섬광 계수기가 장착된 회절계가 사용되었다. 분광광도계 챠트로부터, 피크 높이, 강도(I), 및 2×θ(여기서, θ는 브래그 각(Brragg angle)이다)의 함수인 위치를 판독하였다. 이로부터, 상대 강도, 즉 100 I/I0(여기서, I0는 가장 강한 선 또는 피크의 강도이다) 및 d(obs.)(이는 기록된 선에 해당하는 면간 간격(Å)이다)를 계산하였다. 표 1에서, 상대 강도는, 약한 경우에는 "W"로, 매우 강한 경우에는 "VS"로, 약한 것부터 강한 것까지(양이온 형태에 따라)는 W-S로 표시하였다. 양이온으로 나트륨 이온을 이온 교환하면, 면간 간격 측면에서는 일부 적은(minor) 쉬프트를 갖지만 실질적으로 동일한 패턴이나, 상대 강도는 변한다. 구체적인 샘플의 규소/알루미늄 비 및 열 처리에 적용되었는지 여부에 따라 또다른 적은 변화가 발생할 수 있다.
본 발명의 ZSM-48 생성물은 일반적으로 반응 혼합물로부터의 물을 함유하고, 일반적으로 예를 들어 촉매로서 사용하기 전에 적어도 부분적인 탈수를 요구한다. 탈수는 일반적으로, 합성상태 그대로의 생성물을, 예를 들어 공기, 질소 등과 같은 분위기에서, 약 1 내지 약 48시간의 대기압하에서 약 100℃ 내지 약 600℃의 온도 범위에서 합성상태 그대로의 생성물을 가열함으로써 달성된다. 진공에 ZSM-48를 놓음으로써 상온에서 탈수시킬 수도 있지만, 충분히 탈수시키기 위해서 보다 긴 시간이 요구된다.
합성상태 그대로의 ZSM-48 생성물은 합성시 유도제로서 사용된 다이4차 암모늄 화합물을 또는 이들 각각을 함유할 수 있고, 따라서, 사용하기 전에, 유기 물질을 제거하여 분자체의 미세다공질 채널내의 활성 촉매 부위를 공급물스탁과의 접촉을 위해 개방된 상태로 만듦으로써 일반적으로 상기 생성물을 활성화시킨다. 활성화 공정은 전형적으로, 합성상태 그대로의 ZSM-48 생성물을, 일반적으로 산소-함유 기체의 존재하에서 약 200℃ 내지 약 800℃의 온도에서 가열함으로써 달성된다.
본 발명의 방법에 의해 제조된 ZSM-48 생성물이 촉매로서 사용되는 경우, ZSM-48을, 유기 전환 공정에서 사용된 온도 및 다른 조건에 대해 내성을 갖는 다른 물질과 조합하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 물질로는, 촉매적으로 활성 및 불활성인 물질 및 합성 또는 천연 제올라이트, 뿐만 아니라 무기 물질, 예를 들어 활석, 실리카 및/또는 금속 옥사이드를 들 수 있다. 후자는 천연 형태이거나 젤리형 침전물 또는 실리카와 금속 옥사이드의 혼합물을 포함하는 겔일 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 ZSM-48과 함께 촉매작용 활성 물질을 사용하면, 특정 유기 전환 공정에서의 촉매의 선택성 및/또는 전환율이 개선될 수 있다. 불활성 물질은, 반응 속도를 조절하기 위해 다른 수단을 사용하지 않은 채 생성물을 경제적으로 수득할 수 있도록, 주어진 공정에서 전환량을 제어하는 희석제로서 적당하게 작용한다. 이러한 물질은 천연 점토, 예를 들어 벤토나이트 및 카올린에 혼입되어, 상업적 조작 조건하에서의 촉매의 분쇄 강도(crush strength)를 개선할 수 있다. 이러한 물질, 즉 점토, 옥사이드 등은 촉매를 위한 결합제로서 작용한다. 양호한 크로쉬 강도를 갖는 촉매를 제공하는 것이 바람직한데, 이는 석유 정제시에, 촉매가 종종 가혹하게 취급되어, 촉매를 분말형 물질로 부수는 경향이 있어서, 가공 중에 문제를 야기하기 때문이다. 이러한 점토 결합제는 촉매의 분쇄 강도를 개선시킬 목적으로 사용되고 있다.
본 발명의 방법에 의해 제조된 ZSM-48과 조합될 수 있는 천연 점토는 몬트모릴로나이트 및 카올린류를 포함한다. 이러한 부류로는, 주요 광물 성분이 할로이사이트, 카올리나이트, 디카이트, 내크라이트 또는 아마우사이트인, 카올린(일반적으로 딕시(Dixie), 멕나미(McNamee), 조지아(Georgia) 및 플로리다(Floria) 점토 등으로 공지됨) 및 서브벤토나이트를 포함한다. 이러한 점토는 처음 채취된 상태인 조질 상태로 사용될 수 있거나, 초기에 하소, 산처리 또는 화학적 개질에 적용될 수도 있다. ZSM-48과 조합하기에 유용한 결합제로는 무기 옥사이드, 일명 알루미나를 들 수 있다.
전술한 물질 이외에, 본 발명의 방법에 의해 제조된 ZSM-48 생성물은 다공성 매트릭스 물질, 예를 들어 실리카-알루미나, 실리카-마그네시아, 실리카-지르코니아, 실리카-토리아, 실리카-베릴리아, 실리카-티타니아 뿐만 아니라 3원(ternary) 조성물, 예를 들어 실리카-알루미나-토리아, 실리카-알루미나-지르코니아, 실리카-알루미나-마그네시아, 및 실리카-마그네시아-지르코니아와 조합될 수 있다. 미분된 ZSM-48과 무기 옥사이드 겔 매트릭스의 상대적 비율은 광범위하게 변하며, ZSM-48의 함량은 복합체의 중량 기준으로 약 1 내지 약 90중량%이며, 보다 일반적으로, 특히 복합체가 비드 형태로 제조되는 경우, 복합체의 중량 기준으로 약 2 내지 약 70중량%의 양이다.
본원에서 제조된 ZSM-48은 광범위한 유기 전환 공정을 위한 촉매 및 흡착제로서 사용될 수 있지만, 일반적으로 탄화수소 탈왁스화 촉매로서 사용하고자 한다. 이러한 용도에서, 수소화-탈수소화 작용을 갖는 촉매를 제공할 수 있는 금속 성분과 함께 ZSM-48을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 적합한 금속 성분으로는, 텅스텐, 바나듐, 몰리브덴, 레늄, 니켈, 코발트, 크롬, 망간, 또는 귀금속, 예를 들어 백금 또는 팔라듐을 들 수 있다. 이러한 성분은 교환되어 조성물로 도입되거나, 여기에 함침되거나 서로 물리적으로 긴밀하게 혼합될 수 있다. 이러한 성분은, 예를 들어, 백금의 경우, 백금 금속 함유 이온을 함유하는 용액으로 처리함으로써, 그 위에 또는 그 내부로 함침될 수 있다. 따라서, 적합한 백금 화합물로는 염화백금산, 염화제1백금, 및 백금 암민 착체를 함유하는 다양한 화합물을 들 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 ZSM-48를 함유하는 촉매는 특히 윤활유(lube oil) 기제스탁(basestock)의 탈왁스화 촉매에서 특히 유용하다. 이러한 공급물스탁은, 윤활유 범위에서 비등하고, 전형적으로 ASTM D 86 또는 ASTM D2887에 따라 측정시 650℉(343℃) 초과의 10% 증류점을 갖는 왁스-함유 공급물이다. 이러한 공급물은, 예를 들어 라피네이트, 부분적 용매 탈왁스화된 오일, 탈아스팔트화된 오일, 증류물, 감압 경유(vacuum gas oil), 코커 경유, 슬랙 왁스, 풋오일(foot oil) 등과 같은 용매 정제 공정으로부터 유도된 오일, 및 피셔-트롭슈(Fischer-Tropsch) 왁스와 같은 여러개의 공급원으로부터 유도될 수 있다. 바람직한 공급물은 슬랙 왁스 및 피셔-트롭슈 왁스이다. 슬랙 왁스는 전형적으로 용매 또는 프로페인 탈왁스화에 의해 탄화수소 공급물로부터 유도된다. 슬랙 왁스는 일부 잔류 오일을 함유하고 전형적으로 탈오일화된 상태이다. 풋오일은 탈오일화된 슬랙 왁스로부터 유래한다. 피셔-트롭슈 왁스는 피셔-트롭슈 합성 공정에 의해 제조된다.
이러한 유활유 기제스탁의 탈왁스화 조건은 전형적으로 426℃ 이하의 온도, 예를 들어 약 250℃ 내지 약 400℃, 예를 들어 약 275℃ 내지 약 350℃의 온도, 약 791 내지 약 20786kPa(100 내지 3000psig), 예를 들어 약 1480 내지 약 17339kPa(200 내지 250psig)의 압력, 약 0.1 내지 약 10시간-1, 예를 들어 약 0.1 내지 약 5시간-1의 액체 시간당 공간 속도, 및 약 45 내지 약 1780m3/m3(250 내지 10000scf/B), 예를 들어 약 89 내지 약 890m3/m3(500 내지 5000scf/B)의 수소 처리 가스 비율을 포함한다.
추가로, 본 발명의 방법에 따라 제조된 ZSM-48-함유 촉매는, 특히 예를 들어 백금과 같은 수소화 성분과 함께 제공되는 경우, 직쇄 파라핀의 수첨이성질화를 위해 사용될 수도 있다. 전형적으로, 수첨이성질화는, 수소/탄화수소 몰비가 약 1:1 내지 약 5:1이도록 수소를 사용하여, 약 100℃ 내지 약 400℃, 예를 들어 약 150℃ 내지 약 300℃의 온도 및 약 0.01 내지 약 2 시간-1, 예를 들어 약 0.25 내지 약 0.50 시간-1의 액체 시간당 공간 속도에서 수행된다.
도 1a은 실시예 1의 합성상태 그대로의 생성물의 X-선 회절 패턴이다.
도 1b는 실시예 1의 합성상태 그대로의 생성물의 주사 전자 현미경 사진(SEM)이다.
도 2a는 실시예 2의 합성상태 그대로의 생성물의 X-선 회절 패턴이다.
도 2b는 실시예 2의 합성상태 그대로의 생성물의 주사 전자 현미경 사진(SEM)이다.
도 3a는 실시예 4의 합성상태 그대로의 생성물의 X-선 회절 패턴이다.
도 3b는 실시예 4의 합성상태 그대로의 생성물의 주사 전자 현미경 사진(SEM)이다.
도 4a는 실시예 5의 합성상태 그대로의 생성물의 X-선 회절 패턴이다.
도 4b는 실시예 5의 합성상태 그대로의 생성물의 주사 전자 현미경 사진(SEM)이다.
도 5a는 실시예 6의 합성상태 그대로의 생성물의 X-선 회절 패턴이다.
도 5b는 실시예 6의 합성상태 그대로의 생성물의 주사 전자 현미경 사진(SEM)이다.
도 6A는 실시예 8의 n-데케인 이성질화 방법에서 온도에 대한 n-데케인 전환율의 그래프이다.
도 6B는 실시예 8의 n-데케인 이성질화에서의 n-데케인 전환율에 대한 아이소-데케인 수율의 그래프이다.
본 발명은 하기 비-제한적인 실시예에 따라 보다 구체적으로 기재될 수 있다.
실시예 1
낮은 OH - / SiO 2 비율에서 다이쿼트 -5를 사용하는 고 활성도의 ZSM -48의 제조
1040 g의 물, 45 g의 펜타메쏘늄 다이브로마이드(50% 용액), 200 g의 울트라실(Ultrasil) 실리카, 11 g의 나트륨 알루미네이트 용액(45%) 및 36 g의 50% 수산화나트륨 용액으로부터 혼합물을 제조하였다. 그다음, 5 g의 ZSM-48 시드를 상기 혼합물에 첨가하였다. 혼합물은 하기 몰 조성을 가졌다.
Figure pct00002
상기 혼합물을, 48시간 동안 350rpm으로 교반하면서 2리터들이의 오토클레이브에서 320℉(160℃)에서 반응시켰다. 상기 생성물을 여과하고, 탈이온수(DI water)로 세척하고, 250℉(120℃)에서 건조시켰다. 합성상태 그대로의 물질의 XRD 패턴(도 1a 참조)은 전형적인 순수한 상의 ZSM-48 형상을 나타냈다. 합성상태 그대로의 물질의 SEM(도 1b 참조)은, 상기 물질이 연장된 침상형 결정의 응집체로 구성됨을 나타냈다. 합성상태 그대로의 결정은 상온에서 암모늄 니트레이트 용액과 3회 이온 교환하여 수소 형태로 전환하고, 그다음 250℉(120℃)에서 건조시키고, 6시간 동안 1000℉(540℃)에서 하소시켰다. 결과물인 ZSM-48 결정의 SiO2/Al2O3 몰비는 90.4이고, 표면적은 265 m2/g이고, 알파값은 69이었다.
실시예 2(대조예)
낮은 OH - /SiO 2 비율 및 높은 SiO 2 /Al 2 O 3 에서 다이쿼트-5를 사용하는 중간 활성도의 ZSM-48의 제조
1100 g의 물, 65 g의 펜타메쏘늄 다이브로마이드(50% 용액), 228 g의 울트라실 실리카, 6 g의 나트륨 알루미네이트 용액(45%) 및 45 g의 50% 수산화나트륨 용액으로부터 혼합물을 제조하였다. 혼합물은 하기 몰 조성을 가졌다.
Figure pct00003
상기 혼합물을, 48시간 동안 350rpm으로 교반하면서 2리터들이의 오토클레이브에서 320℉(160℃)에서 반응시켰다. 상기 생성물을 여과하고, 탈이온수로 세척하고, 250℉(120℃)에서 건조시켰다. 합성상태 그대로의 물질의 XRD 패턴(도 2a 참조)은 전형적인 순수한 상의 ZSM-48 형상을 나타냈다. 합성상태 그대로의 물질의 SEM(도 2b 참조)은, 상기 물질이 섬유형 결정의 응집체로 구성됨을 나타냈다. 결과물인 ZSM-48의 합성상태 그대로의 결정의 SiO2/Al2O3 몰비는 170/1이었다.
실시예 3(대조예)
높은 OH - /SiO 2 비율에서 다이쿼트-5를 사용하는 고 활성도의 ZSM-48의 제조
360 g의 물, 39 g의 펜타메쏘늄 다이브로마이드(50% 용액), 35.6 g의 에어로실 130 실리카, 6.9 g의 Al(NO3)3.xH2O 및 14.4 g의 50% 수산화나트륨 용액으로부터 혼합물을 제조하였다. 그다음, 5 g의 ZSM-48 시드를 상기 혼합물에 첨가하였다. 혼합물은 하기 몰 조성을 가졌다.
Figure pct00004
상기 혼합물을, 24시간 동안 100rpm으로 교반하면서 상온에서 숙성시키고, 그다음 96시간 동안 100rpm으로 교반하면서 600ml들이의 오토클레이브에서 320℉(160℃)에서 반응시켰다. 상기 생성물을 여과하고, 탈이온수로 세척하고, 250℉(120℃)에서 건조시켰다. 합성상태 그대로의 물질의 XRD 패턴은 전형적인 상의 ZSM-48 형상을 나타냈다. 합성상태 그대로의 물질의 SEM은, 상기 물질이 섬유형 결정의 응집체로 구성됨을 나타냈다. 결과물인 합성상태 그대로의 ZSM-48 결정의 SiO2/Al2O3 몰비는 약 52/1이었다.
실시예 4
낮은 OH - /SiO 2 비율에서 다이쿼트-5를 사용하는 고 활성도의 ZSM-48의 제조
1195 g의 물, 69 g의 펜타메쏘늄 다이브로마이드(50% 용액), 228 g의 에어로실 200 실리카, 22.2 g의 45% 나트륨 알루미네이트 용액, 41 g의 50% 수산화나트륨 용액 및 1.3g의 47% H2SO4 용액으로부터 혼합물을 제조하였다. 그다음, 10 g의 ZSM-48 시드를 상기 혼합물에 첨가하였다. 혼합물은 하기 몰 조성을 가졌다.
Figure pct00005
상기 혼합물을, 96시간 동안 250rpm으로 교반하면서 2리터들이의 오토클레이브에서 320℉(160℃)에서 반응시켰다. 상기 생성물을 여과하고, 탈이온수로 세척하고, 250℉(120℃)에서 건조시켰다. 합성상태 그대로의 물질의 XRD 패턴(도 3a 참조)은 전형적인 상의 ZSM-48 형상을 나타냈다. 합성상태 그대로의 물질의 SEM(도 3b 참조)은, 상기 물질이 연장된 침상형 또는 섬유형 결정의 응집체로 구성됨을 나타냈다. 합성상태 그대로의 결정은 상온에서 암모늄 니트레이트 용액과 3회 이온 교환시켜 수소 형태로 전환시키고, 그다음 250℉(120℃)에서 건조시키고, 6시간 동안 1000℉(540℃)에서 하소시켰다. 결과물인 ZSM-48 결정의 SiO2/Al2O3 몰비는 약 60이고, 알파값은 120이고, 표면적은 325 m2/g이고, n-헥세인 흡착율은 42.1mg/g이었다.
실시예 5
다이쿼트-5 및 다이쿼트-6(다이쿼트-5/다이쿼트-6의 몰비는 2.8임)의 혼합물을 사용하는 고 활성도의 ZSM-48의 제조
1200 g의 물, 17 g의 헥사메쏘늄 다이클로라이드(56% 용액), 60 g의 펜타메쏘늄 다이브로마이드(50% 용액), 228 g의 울트라실 실리카, 16 g의 나트륨 알루미네이트 용액(45%) 및 40 g의 50% 수산화나트륨 용액으로부터 혼합물을 제조하였다. 그다음, 10 g의 ZSM-48 시드를 상기 혼합물에 첨가하였다. 혼합물은 하기 몰 조성을 가졌다.
Figure pct00006
상기 혼합물을, 48시간 동안 350rpm으로 교반하면서 2리터들이의 오토클레이브에서 320℉(160℃)에서 반응시켰다. 상기 생성물을 여과하고, 탈이온수로 세척하고, 250℉(120℃)에서 건조시켰다. 합성상태 그대로의 물질의 XRD 패턴(도 4a 참조)은 생성물이 미량의 ZSM-50 불순물과 함께 ZSM-48 형상을 가짐을 나타냈다. 합성상태 그대로의 물질의 SEM(도 4b 참조)은, 상기 물질이 연장된 침상형/섬유형 결정의 응집체로 구성됨을 나타냈다. 합성상태 그대로의 결정은 상온에서 암모늄 니트레이트 용액과 3회 이온 교환시켜 수소 형태로 전환하고, 그다음 250℉(120℃)에서 건조시키고, 6시간 동안 1000℉(540℃)에서 하소시켰다. 결과물인 ZSM-48 결정의 SiO2/Al2O3 몰비는 74.2이고, 알파값은 Na=960ppm에서 57이고, 표면적은 222m2/g이고, n-헥세인 흡착율은 33.4mg/g이었다.
실시예 6
다이쿼트-5 및 다이쿼트-6(다이쿼트-5/다이쿼트-6의 몰비는 1임)의 혼합물을 사용하는 고 활성도의 ZSM-48의 제조
1200 g의 물, 17 g의 헥사메쏘늄 다이클로라이드(56% 용액), 23 g의 펜타메쏘늄 다이브로마이드(50% 용액), 228 g의 울트라실 실리카, 16 g의 나트륨 알루미네이트 용액(45%), 1.3g의 98% H2SO4 용액, 및 40 g의 50% 수산화나트륨 용액으로부터 혼합물을 제조하였다. 그다음, 10 g의 HA-ZSM-48 시드(약 70/1의 SiO2/Al2O3)를 상기 혼합물에 첨가하였다. 혼합물은 하기 몰 조성을 가졌다.
Figure pct00007
상기 혼합물을, 48시간 동안 350rpm으로 교반하면서 2리터들이의 오토클레이브에서 320℉(160℃)에서 반응시켰다. 상기 생성물을 여과하고, 탈이온수로 세척하고, 250℉(120℃)에서 건조시켰다. 합성상태 그대로의 물질의 XRD 패턴(도 5a 참조)은 전형적인 순수한 상의 ZSM-48 형상을 나타냈다. 합성상태 그대로의 물질의 SEM(도 5b 참조)은, 상기 물질이 실시예 5에 비해 보다 적은 L/D(결정의 길이/직경)을 갖는 연장된 침상형 응집체로 구성됨을 나타냈다. 합성상태 그대로의 결정은 상온에서 암모늄 니트레이트 용액과 3회 이온 교환시켜 수소 형태로 전환시키고, 그다음 250℉(120℃)에서 건조시키고, 6시간 동안 1000℉(540℃)에서 하소시켰다. 결과물인 ZSM-48 결정의 SiO2/Al2O3 몰비는 약 71이고, 알파값은 110이고, 표면적은 281 m2/g이고, n-헥세인 흡착율은 42.1 mg/g이었다.
실시예 7
n-데케인 시험을 위한 촉매의 제조
알루미나와 실시예 4의 H-형태의 ZSM-48를 조합함으로써 혼합물을 제조하였다. 분말은 막자사발과 막자를 사용하여 함께 혼합하고, 그다음 펠렛화하고, 14/24 메쉬로 사이징화하였다. 그다음, 이 물질을 250℉(120℃)에서 건조시키고, 6시간 동안 풀-에어(full air)에서 1000℉(540℃)에서 하소하였다. 그다음, 하소된 물질을 테트라암민백금 니트레이트를 사용하여 초기 습윤(incipient wetness)에 의해 백금과 함께 함침시키고, 그다음 250℉(120℃)에서 건조시키고, 3시간 동안 680℉(360℃)에서 풀-에어에서 하소하였다. 이러한 물질에 대한 수소 화학흡착(백금 분산) 데이터는 83%의 분산을 나타냈다.
실시예 8
N-데케인 시험
실시예 7로부터의 촉매를 대기압 n-데케인 이성질화 유닛에서 평가하였다. 약 1 g의 14/24 메쉬-사이징된 촉매를 테스트를 위해 사용하였다. 우선, 샘플을 질소 하에서 500℉(260℃)으로 가열하고, 그다음 유동물을 수소로 스위칭하였다. 시스템을 325℉(163℃)의 제 1 설정점으로 냉각하면서, 수소 및 n-데케인을 반응기를 통해 유동하였다. 이 온도에서 라이닝 아웃(lining out)한 후, 그다음 설정 온도에 도달할 때까지, 온-라인 가스 크로마토그래피로 이성질화 유닛으로부터 배출되는 생성물을 분석하였다. 촉매는 325℉(163℃) 내지 495℉(257℃)의 총 9개의 상이한 온도에서 평가하였다. 데이터를 회수하여 분석하였다. 결과를 도 6A 및 6B에 도시하였고, 이로부터 400℉(204℃)에서 약 80%의 n-데케인이 전환되고(도 6A 참조), 아이소-데케인에 대한 선택성은 50 내지 60%임을 나타냈다(도 6B).
본 발명은 구체적인 실시양태를 참고하여 기술하고 설명하고 있지만, 당업계의 숙련자들은 본 발명이 본원에서 필수적으로 설명하지 않은 변형까지 포함할 수도 있음을 인식할 것이다. 따라서, 이 때문에, 본 발명의 진정한 범주를 결정하기 위해서는 첨부된 청구의 범위만을 참고해야만 한다.

Claims (19)

  1. (a) 하나 이상의 실리카 공급원, 하나 이상의 알루미나 공급원, 하나 이상의 하이드록실 이온 공급원, 하나 이상의 화학식 (CH3)3N+(CH2)5N+(CH3)3의 다이4차 알킬암모늄 이온(R2 +) 공급원, 및 선택적으로 시드 결정을 포함하는 수성 반응 혼합물을 제공하되, 상기 반응 혼합물이 R2 +:SiO2 몰비가 0.1 미만이고, SiO2:Al2O3 몰비가 100 미만이고, OH-:SiO2 몰비가 0.2 미만인 조성을 갖는, 단계; 및
    (b) 상기 반응 혼합물을 상기 ZSM-48를 제조하기에 효과적인 조건하에서 결정화하는 단계
    를 포함하는, ZSM-48의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 혼합물이, R2+:SiO2 몰비가 약 0.01 내지 약 0.05이고, SiO2:Al2O3 몰비가 약 50 내지 100 미만이고, OH-:SiO2 몰비가 약 0.1 내지 약 0.2인 조성을 갖는, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 혼합물이, H2O:SiO2 몰비가 30 미만인, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 혼합물이 나트륨 양이온 공급원을 추가로 포함하고, 0.2 미만의 Na+:SiO2 몰비를 갖는, 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 혼합물이 화학식 (CH3)3N+(CH2)nN+(CH3)3(이때, n은 3, 4, 6, 7, 8, 9 또는 10이다)의 추가의 다이4차 알킬암모늄 이온 공급원을 추가로 포함하는, 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 반응 혼합물이 화학식 (CH3)3N+(CH2)6N+(CH3)3의 추가의 다이4차 알킬암모늄 이온 공급원을 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    반응 혼합물 중 전체 다이4차 알킬암모늄 이온:SiO2 몰비가 0.1 미만인, 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    단계 (b)에서의 상기 조건이 약 12 내지 약 200시간의 시간 및 약 120℃ 내지 약 200℃의 온도를 포함하는, 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    반응 혼합물이 ZSM-48 시드 결정을 포함하는, 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    ZSM-48 시드 결정이 반응 혼합물의 중량을 기준으로 약 50 중량ppm 내지 약 50,000 중량ppm의 양으로 존재하는, 방법.
  11. 하나 이상의 실리카 공급원, 하나 이상의 알루미나 공급원, 하나 이상의 하이드록실 이온 공급원, 하나 이상의 화학식 (CH3)3N+(CH2)5N+(CH3)3의 제 1 다이4차 알킬암모늄 이온 공급원, 하나 이상의 화학식 (CH3)3N+(CH2)nN+(CH3)3(이때, n은 3, 4, 6, 7, 8, 9 또는 10이다)의 제 2 다이4차 알킬암모늄 이온 공급원, 및 선택적으로 시드 결정을 포함하는 수성 반응 혼합물을 결정화하는 단계를 포함하는, ZSM-48의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 다이4차 알킬암모늄 이온이 (CH3)3N+(CH2)6N+(CH3)3인, 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 반응 혼합물의 SiO2:Al2O3 몰비가 100 미만이, 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    반응 혼합물 중 제 1 다이4차 알킬암모늄 이온과 제 2 다이4차 알킬암모늄 이온의 합:SiO2 몰비가 0.1 미만인, 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    반응 혼합물이 ZSM-48 시드 결정을 포함하는, 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    ZSM-48 시드 결정이 반응 혼합물의 중량을 기준으로 약 50 중량ppm 내지 약 50,000 중량ppm의 양으로 존재하는, 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 결정화 조건이, 약 12 내지 약 200 시간의 시간 및 약 120℃ 내지 약 200℃의 온도를 포함하는, 방법.
  18. 탈왁스화 조건하에서 제 1 항의 방법에 따라 제조된 ZSM-48과 탄화수소 공급물스탁을 접촉시키는 단계를 포함하는, 탄화수소 공급물스탁의 탈왁스화 방법.
  19. 탈왁스화 조건하에서 제 10 항의 방법에 따라 제조된 ZSM-48과 탄화수소 공급물스탁을 접촉시키는 단계를 포함하는, 탄화수소 공급물스탁의 탈왁스화 방법.
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