説明

アルミノシリケートの製造方法

【課題】高シリカのCHA型アルミノシリケートを、構造規定剤を用いることなく、安価にかつ効率的に製造する方法を提供する。
【解決手段】Si元素源、Al元素源、アルカリ金属源および水を含む反応混合物を用いた水熱合成により、CHA構造を有し、Alに対するSiOのモル比が5以上のアルミノシリケートを製造する方法であって、該反応混合物が、カリウム源と、カリウム源以外のアルカリ(土)金属源を含み、該反応混合物中のSi元素に対するアルカリ(土)金属の合計のモル比が0.8以上であり、該反応混合物中に構造規定剤を含まず、かつ該反応混合物に種結晶を添加して水熱合成することを特徴とするアルミノシリケートの製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アルミノシリケートの製造方法に係り、詳しくは、Si元素源、Al元素源、アルカリ金属源および水を含む反応混合物を用いた水熱合成により、CHA構造を有し、Alに対するSiOのモル比が5以上の高シリカのアルミノシリケートを製造する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
アルミノシリケートは、触媒、吸着材、分離材等の諸種の用途に用いられている。特に、高シリカ(SiO2/Al23モル比が5以上)のCHA(チャバサイト)構造をもつアルミノシリケート(特許文献1)は、細孔径が小さく、酸強度が大きく、例えばオレフィン製造用の高性能の触媒として期待されている。
【0003】
しかしながら、一般的に、SiO2/Al23モル比が大きいアルミノシリケートは合成が非常に困難であり、特許文献1に記載の方法では、構造規定剤(「テンプレート」とも称される。)としてN,N,N−トリメチル−1−アダマンタンアンモニウムカチオン(以下これを、「TMADA」ということがある。)等の高価な化合物をTMADA/Siモル比で0.13〜0.39もの多量使用を余儀なくされている。それ故、製品は高価とならざるを得ず、それにより用途拡大が阻まれてきた。
【0004】
高シリカのCHA構造をもつアルミノシリケートの製造方法として、特許文献1の改良方法も含めて諸種の提案(特許文献2〜4)がなされている。例えば、特許文献2には、TMADA/Siモル比を0.5程度とし、フッ化水素を添加して水熱合成する方法、特許文献3には、構造規定剤としてN,N,N−トリアルキルシクロヘキシルアンモニウムカチオン(以下これを、「TACHA」ということがある。)/Siモル比を0.18〜0.22、アルカリ金属/Siモル比を0.04〜0.13として水熱合成する方法が提案されている。
【0005】
また、フッ化水素を使用しない方法として、特許文献4には、構造規定剤としてTMADAとN,N,N−トリアルキルベンジルアンモニウムカチオン(以下これを、「TABA」ということがある。)の混合物(TMADA:TABA=1:1〜1:7、TMADA/Siモル比=0.013〜0.1)を用いて水熱合成する方法、特許文献5には、TABA/Siモル比を0.18、アルカリ金属/Siモル比を0.21〜0.33、H2O/Siモル比を4.8〜5.0として水熱合成する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】米国特許第4544538号明細書
【特許文献2】米国特許出願公開第2003/0176751号明細書
【特許文献3】米国特許出願公開第2007/0100185号明細書
【特許文献4】米国特許出願公開第2008/0075656号明細書
【特許文献5】米国特許出願公開第2008/0159950号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特許文献1〜5等に記載の方法には諸種の問題があり、必ずしも満足すべき結果は得られていない。すなわち、特許文献1、2に記載の方法では、上記のとおり、高価な構造規定剤を多量に使用する必要があり、また、特許文献2のようにフッ化水素を添加する方法では、フッ化水素の取り扱いに注意を要し、また、特別な材質の反応器が必要となるなど、製造設備面でも困難を伴う。特許文献3に記載の方法は、低収率(収率は、フッ化水素なしで11%程度、フッ化水素添加で30%程度)である。特許文献4に記載の方法は、TMADAに加えTABAも必要となる。特許文献5に記載の方法では、水が少なく、反応混合物の撹拌操作が十分に行えないため、合成が極めて困難である。
【0008】
また、構造規定剤を用いる方法では、構造規定剤自体が高価であるといった問題に加えて、水熱合成後に生成物から構造規定剤を除去するための焼成等の工程が必要となる;構造規定剤由来の有機物質や有害物質を含む廃液の処理が必要となる;この廃液が環境負荷の要因となる;といった問題もある。
【0009】
このように、従来においては、高シリカのCHA構造をもつアルミノシリケートの製造方法に係る諸種の問題は未だ解決されておらず、安価で効率的な製造方法の確立が望まれていた。
【0010】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、高シリカのCHA構造をもつアルミノシリケートを、構造規定剤を用いることなく、安価にかつ効率的に製造する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、水熱合成において、アルカリ金属としてカリウムとカリウム以外のアルカリ(土)金属とを用い、反応混合物中のアルカリ(土)金属/Siモル比を特定の値以上とすると共に、種結晶を添加することにより、構造規定剤を用いることなく、目的とする高シリカのCHA構造をもつアルミノシリケートを効率的に合成することが可能となることを見出した。
【0012】
本発明はこのような知見に基づいて達成されたものであり、以下の[1]〜[4]を要旨とする。
【0013】
[1] Si元素源、Al元素源、アルカリ金属源および水を含む反応混合物を用いた水熱合成により、CHA構造を有し、Alに対するSiOのモル比が5以上のアルミノシリケートを製造する方法であって、該反応混合物が、カリウム源と、カリウム源以外のアルカリ金属源および/またはアルカリ土類金属源(以下、アルカリ金属とアルカリ土類金属を「アルカリ(土)金属」と総称する。)の1種または2種以上とを含み、該反応混合物中のSi元素に対するアルカリ(土)金属の合計のモル比が0.8以上であり、該反応混合物中に構造規定剤を含まず、かつ該反応混合物に種結晶を添加して水熱合成することを特徴とするアルミノシリケートの製造方法。
【0014】
[2] 前記反応混合物中の全アルカリ(土)金属中のカリウムの含有モル比率が、0.5以下であることを特徴とする[1]に記載のアルミノシリケートの製造方法。
【0015】
[3] 前記種結晶がCHA型ゼオライトであることを特徴とする[1]または[2]に記載のアルミノシリケートの製造方法。
【0016】
[4] 前記反応混合物中におけるSi元素に対する水のモル比が30以上であることを特徴とする[1]ないし[3]のいずれかに記載のアルミノシリケートの製造方法。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、従来法では、構造規定剤を用いることなく製造することが困難であった高シリカのCHA構造をもつアルミノシリケートを、構造規定剤を用いることなく、効率的に製造することができる。このように高価ないしは取り扱い上注意を要する構造規定剤が不要となることから、従来法に比べて製造コストを大幅に低減することができる。また、有機物質や有害物質を使うことなく製造することができる上に、これらの物質が廃液に含まれなくなるため、環境負荷も低減される。
また、本発明によれば、生成物から構造規定剤を除去するための焼成等の工程も不要となる上に、水熱合成時の反応速度が上がり、従来法の1/2〜1/3程度の時間での合成が可能になるため、生産効率は大幅に高められる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】実施例1で得られた物質のX線回折(XRD)パターンである。
【図2】実施例2で得られた物質のX線回折(XRD)パターンである。
【図3】実施例3で得られた物質のX線回折(XRD)パターンである。
【図4】実施例4で得られた物質のX線回折(XRD)パターンである。
【図5】実施例5で得られた物質のX線回折(XRD)パターンである。
【図6】実施例6で得られた物質のX線回折(XRD)パターンである。
【図7】実施例7で得られた物質のX線回折(XRD)パターンである。
【図8】実施例8で得られた物質のX線回折(XRD)パターンである。
【図9】比較例1で得られた物質のX線回折(XRD)パターンである。
【図10】比較例2で得られた物質のX線回折(XRD)パターンである。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下に本発明を実施するための代表的な態様を具体的に説明するが、本発明は、その要
旨を超えない限り、以下の態様に限定されるものではなく、種々変形して実施することが
できる。
【0020】
本発明のアルミノシリケートの製造方法は、Si元素源、Al元素源、アルカリ金属源および水を含む反応混合物を用いた水熱合成により、CHA構造を有し、Alに対するSiOのモル比が5以上の高シリカのアルミノシリケートを製造する方法である。本発明において、該反応混合物は、カリウム源と、カリウム源以外のアルカリ金属源および/またはアルカリ土類金属源(アルカリ(土)金属)の1種または2種以上とを含み、該反応混合物中のSi元素に対するアルカリ(土)金属の合計のモル比が0.8以上であり、該反応混合物中に構造規定剤を含まず、かつ該反応混合物に種結晶を添加して水熱合成を行う。
【0021】
[CHA型アルミノシリケート]
先ず、本発明の方法で製造されるCHA構造をもつアルミノシリケート(以下、これを、「CHA型アルミノシリケート」と称す場合がある。また、本発明の方法で製造されるアルミノシリケートを「本発明のアルミノシリケート」と称す場合がある。)の物理化学的性質について説明する。
【0022】
本発明において、CHA構造とは、International Zeolite Associationが定めるゼオライトの構造を規定するコードでCHA構造のものを示す。これは、天然に産出するチャバサイト(chabazite)と同等の結晶構造を有するアルミノシリケートである。
【0023】
CHA構造のアルミノシリケートは、3.8×3.8Åの径を有する酸素8員環からなる3次元細孔を有することを特徴とする構造をとり、その構造はX線回折データにより特徴付けられる。また、そのフレームワーク密度は14.5T/1000Å3である。ここで、フレームワーク密度とは、アルミノシリケートの1000Å3あたりの酸素以外の骨格を構成する元素の数を意味し、この値はアルミノシリケートの構造により決まるものである。なおフレームワーク密度とアルミノシリケートとの構造の関係は、ATLAS OF ZEOLITE FRAMEWORK TYPES Fifth Revised Edition 2001 ELSEVIERに示されている。
【0024】
[SiO2/Al23モル比]
本発明のアルミノシリケートのAl23に対するSiO2のモル比(SiO2/Al23モル比)は、通常5以上、好ましくは8以上、より好ましくは10以上である。また、SiO2/Al23モル比の上限は、通常1000以下、好ましくは300以下、より好ましくは100以下である。なお、アルミノシリケートのAl23に対するSiO2のモル比は、生成したアルミノシリケート中のSi元素源がすべてSiO2として含まれ、Al元素源がすべてAl23として含まれると仮定して求める値である。
【0025】
このモル比は、後述するとおり、水熱合成における反応混合物中のSi元素源とAl元素源の比によって決まるものである。かかるSiO2/Al23モル比を持つものを、本明細書において、高シリカのアルミノシリケートという。高シリカのアルミノシリケートは、高度な耐酸性と高い水熱安定性を有する。
【0026】
通常、アルミノシリケートは、酸性条件や水熱条件下に曝されるとアルミニウムがアルミノシリケート骨格から脱離し、脱離するアルミニウムが多い場合にはアルミノシリケートの骨格が崩壊してしまうこともあるが、高シリカのアルミノシリケートはアルミニウムが脱離しにくい。さらに、高シリカとすることで、疎水性となるので、吸着材として用いた際には、炭化水素等の疎水性の分子の吸着が起こりやすくなる。また、触媒として用いた際には、疎水性分子が細孔内に入りやすくなるために、疎水性分子の反応が進行しやすくなる。
【0027】
[反応混合物]
上記物性をもつ本発明の高シリカのCHA型アルミノシリケートは、特定の組成に調整された、Si元素源、Al元素源、アルカリ金属源および水を含む反応混合物を、水熱合成することにより製造される。ここで「反応混合物」とは、水熱合成に供するための原料混合物を意味する。本発明では、この反応混合物中に構造規定剤を含まず、また、種結晶存在下で水熱合成を行う。
【0028】
本発明で用いるSi元素源としては、例えば、無定形シリカ、コロイダルシリカ、シリカゲル、ケイ酸ナトリウム、無定形アルミノシリケートゲル、テトラエトキシシラン(TEOS)、トリメチルエトキシシラン等が挙げられる。またSi元素源は、1種のみを用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
【0029】
Al元素源としては、例えば、アルミン酸ナトリウム、水酸化アルミニウム、硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、酸化アルミニウム、無定形アルミノシリケートゲル等が挙げられる。またAl元素源は、1種のみを用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
【0030】
なお、上記の通り、無定形アルミノシリケートゲルは、Si元素源とAl元素源とを兼ねるものである。
【0031】
アルカリ金属源としては、例えば、LiOH、NaOH、KOH、CsOH等のアルカリ金属水酸化物が挙げられる。また、アルカリ土類金属源としては、Mg(OH)2、Ca(OH)2、Sr(OH)2、Ba(OH)2等のアルカリ土類金属水酸化物等が挙げられる。
【0032】
本発明においては、これらのアルカリ(土)金属源のうち、カリウム源と、カリウム源以外のアルカリ(土)金属源とを併用することを特徴とする。カリウム源以外のアルカリ(土)金属源は、1種のみを用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
【0033】
カリウム源以外のアルカリ(土)金属源としては、CHA構造を指向しやすくなることからナトリウム源であることが好ましく、NaOHが好適に用いられる。
【0034】
本発明において、反応混合物中の全アルカリ(土)金属源(カリウム源とカリウム以外のアルカリ(土)金属源との合計)に対するカリウム源の占める割合は、過度に多過ぎるとCHA構造が得られにくくなる傾向があり、少な過ぎるとカリウム源を用いることによるCHA構造への結晶化の促進の効果を十分に得ることができない場合があり、反応に長時間を要するようになる傾向がある。従って、反応混合物中の全アルカリ(土)金属源中のカリウム源の割合は、全アルカリ(土)金属に対するカリウムのモル比率として0.5以下であることが好ましく0.4以下であることがより好ましく、0.3以下であることが特に好ましい。また、全アルカリ(土)金属に対するカリウムのモル比率は0.01以上であることが好ましく、0.05以上であることがより好ましく、0.1以上であることが特に好ましい。なお、ここで、反応混合物の全アルカリ(土)金属には、Al元素等の他の元素源が、アルカリ(土)金属を含む場合、これらの他の元素源に含まれるアルカリ(土)金属も合算される。即ち、例えばAl元素源としてアルミン酸ナトリウムを用いた場合、アルミン酸ナトリウム中のナトリウムも上記の全アルカリ(土)金属に含まれる。
【0035】
特に、本発明において、カリウム源としてKOHを用い、カリウム以外のアルカリ(土)金属源としてNaOHを用いた場合、NaOHとKOHとの使用割合(モル比)は、NaOH:KOH=1:0.05〜0.4、特に1:0.1〜0.3の範囲とすることが好ましい。
【0036】
反応混合物中のSi元素源とAl元素源の割合は、通常、反応混合物中に、原料として仕込んだSi元素源のSi元素がすべてSiO2として含まれ、Al元素源のAl元素がすべてAl23として含まれると仮定し、これらの酸化物のモル比(以下、「仕込SiO2/Al23モル比」という)として表す。この仕込SiO2/Al23モル比は、通常5以上、好ましくは8以上、より好ましくは10以上である。また上限は、通常1000以下、好ましくは300以下、より好ましくは100以下である。
【0037】
仕込SiO2/Al23モル比がこの範囲にあるとき、緻密なCHA型アルミノシリケートが結晶化する。また、十分な水熱安定性、耐酸性に優れるCHA型アルミノシリケートが得られる。仕込SiO2/Al23モル比が低すぎると、水熱安定性、耐酸性が低下してしまう。仕込SiO2/Al23モル比が高すぎると、Alが必要な、例えば、触媒としての利用や、イオン交換剤としての利用が制限される。
【0038】
反応混合物中のアルカリ(土)金属源とSi源の割合は、反応混合物中のSi元素に対するアルカリ(土)金属(カリウムとカリウム以外のアルカリ(土)金属との合計)のモル比(アルカリ(土)金属/Siモル比)として、通常0.8以上、好ましくは0.9以上、より好ましく1.0以上であり、また上限は、通常2.0以下、好ましくは1.8以下、より好ましくは1.5以下である。
【0039】
アルカリ(土)金属/Siモル比が上記下限よりも小さく、アルカリ(土)金属の量が少ないと、CHA型ゼオライトの結晶化が起きない。即ち、本発明ではアルカリ(土)金属カチオンによる無機の構造規定剤としての作用を利用して、TMADA等の有機構造規定剤を用いることなくCHA型アルミノシリケートの結晶化を行う。このため、本発明では、通常の有機構造規定剤を用いる場合のアルカリ金属/Siモル比(前述の特許文献5にあるように、通常、この値は0.2〜0.3程度である。)よりもアルカリ(土)金属/Siモル比を大きく、0.8以上とする。
【0040】
ただし、アルカリ(土)金属の量が多すぎると、反応混合物中の水酸化物イオンが増えることになり、アルカリ性が高くなりすぎるため、CHA型ゼオライトの結晶化が起きなくなる。即ち、高アルカリ条件では反応混合物を水熱処理しても、シリカ源は溶解した状態で安定であり、結晶化は起こらなくなる。このため、アルカリ(土)金属/Siモル比は上記上限以下とすることが好ましい。
【0041】
なお、ここで、反応混合物の全アルカリ(土)金属には、Al元素等の他の元素源が、アルカリ(土)金属を含む場合、これらの他の元素源に含まれるアルカリ(土)金属も合算される。即ち、例えばAl元素源としてアルミン酸ナトリウムを用いた場合、アルミン酸ナトリウム中のナトリウムも上記の全アルカリ(土)金属に含まれる。
【0042】
反応混合物中のSi元素源と水の割合は、特に限定されるものではないが、Si元素に対する水のモル比(H2O/Siモル比)として、通常30以上、好ましくは35以上、より好ましくは40以上である。また上限は、特に限定はされないが、工業上の生産性やコストの面で、極端に水の量が多すぎない方が好ましく、具体的には、通常300以下、好ましくは150以下、より好ましくは100以下である。
【0043】
反応混合物中の水の割合が少なすぎると、反応混合物の粘性が高くなり、反応混合物の製造中、あるいは水熱合成による結晶化中の撹拌が困難になる傾向がある。一方、水の割合が多すぎると、反応混合物当たりに得られるアルミノシリケートの量が少なくなり、生産性が低下する傾向がある。
【0044】
なお、本発明のアルミノシリケートは、Si元素、Al元素およびアルカリ(土)金属以外に、他の元素、例えばGa、Fe、B、Ti、Zr,Sn、Zn等の元素を含んでいてもよい。これらの元素は、当該元素源化合物を反応混合物に添加して導入してもよく、水熱合成した後、生成したアルミノシリケートに担持または含浸させることにより含有させてもよい。
【0045】
[種結晶]
本発明においては、反応混合物に種結晶を添加して水熱合成を行うことを特徴とする。
【0046】
本発明で使用する種結晶は、結晶化を促進するものであれば種類は問わないが、効率よく結晶化させるためにはCHA型ゼオライト、中でもCHA型アルミノシリケートが好ましい。
【0047】
種結晶の粒子径は小さいほうが望ましく、必要に応じて粉砕して用いても良い。種結晶の粒子径は、通常0.5nm以上、好ましくは1nm以上、より好ましくは2nm以上であり、また、通常5μm以下、好ましくは3μm以下、より好ましくは1μm以下である。ここで、種結晶の粒子径とは1次粒子の値であり、最小直径の値である。
【0048】
また、この種結晶は、構造規定剤を用いて製造されたものであっても構造規定剤を用いずに製造されたものであってもよい。また、構造規定剤を用いて製造されたものの場合、焼成による構造規定剤の除去処理を行ったものを用いても、構造規定剤の除去処理を行っていないものを用いてもよい。
【0049】
種結晶は、適当な溶媒、例えば水に分散させて反応混合物に添加してもよいし、分散させずに添加してもよい。
【0050】
反応混合物に添加する種結晶の量は特に限定されないが、前述の反応混合物中のSi元素源に対する種結晶の添加量として、通常0.1重量%以上、好ましくは0.5重量%以上、より好ましくは1重量%以上であり、また、通常40重量%以下、好ましくは30重量%以下、より好ましくは25重量%以下である。
【0051】
種結晶の添加量が少なすぎると、CHA構造を指向する前躯体が減ることになるので、CHA構造が得られ難くなる。種結晶が多すぎると、生成物の中に含まれる種結晶の割合が増えることで、反応混合物から新たに製造されるCHAが減ることとなり、生産性が低くなる。
【0052】
[反応方法・反応条件]
本発明では、上述の、構造規定剤を含まない、種結晶が添加された反応混合物を反応容器中で加熱して水熱合成を行うことにより、高シリカのCHA型アルミシリケートの結晶を得る。
【0053】
水熱合成に用いられる反応容器は、それ自体既知の水熱合成に用い得るものであれば特に限定されず、オートクレーブなどの耐熱耐圧容器であればよい。これに反応混合物を種結晶とともに投入して密閉して加熱し、高シリカのCHA型アルミノシリケートを結晶化させる。
【0054】
加熱温度(反応温度)は特に限定されず、反応温度の下限は通常100℃以上、好ましくは120℃以上、より好ましくは150℃以上であり、また反応温度の上限は、通常200℃以下、好ましくは190℃以下、より好ましくは180℃以下である。
反応温度が低すぎると、CHA型アルミノシリケートが結晶化しない場合がある。また、反応温度が高すぎると、CHA型とは異なるタイプのアルミノシリケートが生成する場合がある。
【0055】
加熱時間(反応時間)の下限は、通常1時間以上、好ましくは5時間以上、より好ましくは10時間以上であり、また反応時間の上限は、通常10日間以下、好ましくは5日以下、より好ましくは2日以下である。
反応時間が短すぎると、CHA型アルミノシリケートが結晶化しない場合がある。また、反応時間が長すぎると、CHA型とは異なるタイプのアルミノシリケートが生成する場合がある。
【0056】
結晶化時の圧力は特に限定されず、密閉容器中に入れた反応混合物を上記温度範囲に加熱したときに生じる自生圧力で十分であるが、必要に応じて、窒素ガスなどの不活性ガスを加えて昇圧してもよい。
【0057】
水熱合成により得られたCHA型アルミノシリケートは、水洗した後、乾燥を行って目的とする高シリカのCHA型アルミノシリケートを得る。即ち、本発明では、構造規定剤を使用しないため、構造規定剤を除去するための焼成等の工程は不要とされる。
【0058】
なお、種結晶として構造規定剤を用いて製造され、焼成による種結晶の除去処理を行っていないものを用いた場合には、種結晶に由来する構造規定剤を除去するための処理を行ってもよい。
【0059】
この場合、構造規定剤の除去方法は特に限定されず、焼成や抽出等のそれ自体既知の通常用いられる方法で行えばよいが、焼成が望ましい。
【0060】
焼成温度は、通常350℃以上、好ましくは400℃以上、より好ましくは430℃以上、更に好ましくは480℃以上であり、また上限は、通常900℃以下、好ましくは850℃以下、より好ましくは800℃以下、更に好ましくは750℃以下である。
【0061】
焼成温度が低すぎると、構造規定剤の残存割合が多くなる傾向があり、アルミノシリケートの細孔容積が小さくなることがある。また、焼成温度が高すぎると、アルミノシリケートの骨格が崩壊し、結晶性が低下する、または結晶構造を保てなくなることがある。
【0062】
焼成時間は、構造規定剤が十分に取り除かれれば特に限定されないが、好ましくは1時間以上、より好ましくは5時間以上であり、また上限は、通常24時間以内である。
焼成は、酸素が含まれる雰囲気で行うのが好ましく、通常は、空気雰囲気で行われる。
【0063】
焼成の際の昇温速度は、通常5℃/min以下、好ましくは2℃/min以下、より好
ましくは1℃/min以下、更に好ましくは0.5℃/min以下である。また、通常、
作業性を考慮し0.1℃/分以上である。
【0064】
焼成後の降温速度は、特に限定されないが、通常6℃/min以下、好ましくは3℃/min以下、より好ましくは2℃/min以下、更に好ましくは1℃/min以下である。また、通常、作業性を考慮し0.1℃/分以上である。
昇温速度が速すぎると、構造規定剤の燃焼が短時間の間に一気に起き、その際に発生する燃焼熱によってアルミノシリケートの骨格が崩壊し、結晶性が低下する、または結晶構造を保てなくなることがある。
【0065】
かくして調製された高シリカのCHA型アルミノシリケートに、必要に応じて、さらに酸量の低下、金属元素の含浸や担持等の修飾により組成を変える等の処理を施してもよい。酸量の低下処理は、例えばシリル化、水蒸気処理、ジカルボン酸処理等により行えばよい。これら酸量の低下処理、組成の変更は、それ自体既知の通常用いられる方法により行うことができる。
【0066】
また、高シリカのCHA型アルミノシリケートは、その構造中のアルミニウムが有する対カチオン(イオン交換サイト)を、触媒などの用途に応じて、既知の方法により所望のイオン型に転換(イオン交換)することができる。触媒として利用する場合、前記イオン交換サイトをプロトン型(H型)に転換して利用することが一般的であるが、用途に応じてイオン交換サイトを、アンモニウムイオンや、ナトリウム、カリウム、リチウム等のアルカリ金属、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム等のアルカリ土類金属、ランタン、セリウム等の希土類金属、鉄、銅、コバルト、ニッケル、ルテニウム、パラジウム、白金、チタン、ジルコニウム、クロム、モリブデン、タングステン、亜鉛、等の周期表第4族から12族までの金属のカチオンに交換してもよい。イオン交換させたCHA型アルミノシリケートは1種類で使用しても、2種類以上のものを共存させて使用してもよい。
【実施例】
【0067】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
なお、以下の各例において、X線回折(XRD)パターンは、PANalytical社製のPW1700を用いて得た。X線源はCuKαであり(X線出力:40kV、30mA)、読込幅は0.05°、走査速度は3.0°/minである。
【0068】
[実施例1]
水4.6g、水酸化ナトリウム70mg、水酸化カリウム30mg、アルミン酸ナトリウム35mgを混合し、30分間撹拌した。その後ヒュームドシリカ150mgを加えてさらに60分間撹拌した。さらに種結晶として、構造規定剤を使用して合成し、その後焼成して構造規定剤を除去したCHA構造のアルミノシリケート(粒子径約200nm)を30mg(Si元素源であるヒュームドシリカに対して20重量%)加えて、撹拌することで原料ゲルを調製した。得られたゲルをオートクレーブに仕込み、20rpmでタンブリングした状態において、170℃で1日間加熱した。生成物を濾過、水洗した後、乾燥した。
【0069】
上記の反応混合物に用いた各原料使用量は表1に示す通りであり、SiO1モルに対するAl量は0.05(=0.100/2)であり、従って、SiO/Al23モル比=20である。
また、反応混合物中のNaとKとの合計に対するKのモル比率、K/(Na+K)=0.2(≒0.182/(0.679+0.149+0.182))である。
また、反応混合物中の(Na+K)/Siモル比は1.0(≒(0.679+0.149+0.182)/1)である。
【0070】
【表1】

【0071】
得られた白色粉末のXRDパターンを図1に示す。図1から、生成物はCHA構造を有するアルミノシリケートであることが確認された。
【0072】
[実施例2]
実施例1において、水の添加量を4.5gに変え、種結晶として実施例1の条件で合成されたCHA構造のアルミノシリケート(粒子径100nm)を添加したこと以外は実施例1と同様の条件で、原料ゲルの調製、水熱合成を行い、同様に生成物を濾過、水洗、乾燥した。
得られた白色粉末のXRDパターンを図2に示す。図2から、生成物はCHA構造を有するアルミノシリケートであることが確認された。
【0073】
[実施例3]
実施例1において、種結晶として、合成後に焼成を行っておらず、構造規定剤を内包した状態のCHA構造のアルミノシリケート(粒子径200nm)を添加し、水の添加量を9.0gに変えた以外は実施例1と同様の条件で、原料ゲルの調製、水熱合成を行い、同様に生成物を濾過、水洗、乾燥した。
得られた白色粉末のXRDパターンを図3に示す。図3から、生成物はCHA構造を有するアルミノシリケートであることが確認された。
【0074】
[実施例4]
実施例1において、水の添加量を4.5gに変え、種結晶の添加量を15mgに変えた以外は実施例1と同様の条件で、原料ゲルの調製、水熱合成を行い、同様に生成物を濾過、水洗、乾燥した。
得られた白色粉末のXRDパターンを図4に示す。図4から、生成物はCHA構造を有するアルミノシリケートであることが確認された。
【0075】
[実施例5]
実施例4において、種結晶の添加量を8mgに変えた以外は実施例4と同様の条件で、原料ゲルの調製、水熱合成を行い、同様に生成物を濾過、水洗、乾燥した。
得られた白色粉末のXRDパターンを図5に示す。図5から、生成物はCHA構造を有するアルミノシリケートであることが確認された。
【0076】
[実施例6]
実施例4において、種結晶の添加量を3mgに変えた以外は実施例4と同様の条件で、原料ゲルの調製、水熱合成を行い、同様に生成物を濾過、水洗、乾燥した。
得られた白色粉末のXRDパターンを図6に示す。図6から、生成物はCHA構造を有するアルミノシリケートであることが確認された。
【0077】
[実施例7]
実施例2において、合成時間を0.2日間にした以外は実施例2と同様の条件で、原料ゲルの調製、水熱合成を行い、同様に生成物を濾過、水洗、乾燥した。
得られた白色粉末のXRDパターンを図7に示す。図7から、生成物はCHA構造を有するアルミノシリケートであることが確認された。
【0078】
[実施例8]
実施例7において、水の添加量を1.8gに変え、合成時間を0.2日間にした以外は実施例2と同様の条件で、原料ゲルの調製、水熱合成を行い、同様に生成物を濾過、水洗、乾燥した。
得られた白色粉末のXRDパターンを図8に示す。図8から、生成物はCHA構造を有するアルミノシリケートであることが確認された。
【0079】
[比較例1]
実施例2において、種結晶を添加しなかったこと以外は実施例2と同様の条件で、原料ゲルの調製、水熱合成を行い、同様に生成物を濾過、水洗、乾燥した。
得られた白色粉末のXRDパターンを図9に示す。図9から、生成物はGIS構造を有するアルミノシリケートであることが確認された。
【0080】
[比較例2]
実施例8において、水酸化カリウムを加えずに水熱合成の加熱時間を1日間にしたこと以外は実施例8と同様の条件で、原料ゲルの調製、水熱合成を行い、同様に生成物を濾過、水洗、乾燥した。
得られた白色粉末のXRDパターンを図10に示す。図10から、生成物はCHA構造を有するアルミシリケートとGIS構造を有するアルミノシリケートの混合物であることが確認された。
【0081】
上記の結果を表2にまとめて示す。
【0082】
【表2】

【0083】
表2より、次のことが分かる。
比較例1の結果の通り、原料ゲル中に種結晶が存在しない場合にはCHA構造のアルミノシリケートを得ることができない。
また、比較例2の結果の通り、カリウム源を用いない場合、CHA構造とGIS構造の混合結晶となり、CHA構造のアルミノシリケートを得ることができない。
これに対して、カリウム源とカリウム以外のアルカリ(土)金属源を併用すると共に、種結晶を添加して水熱合成を行った実施例1〜8では、CHA構造の高シリカアルミノシリケートを比較的短時間の水熱合成で得ることができる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
Si元素源、Al元素源、アルカリ金属源および水を含む反応混合物を用いた水熱合成により、CHA構造を有し、Alに対するSiOのモル比が5以上のアルミノシリケートを製造する方法であって、
該反応混合物が、カリウム源と、カリウム源以外のアルカリ金属源および/またはアルカリ土類金属源(以下、アルカリ金属とアルカリ土類金属を「アルカリ(土)金属」と総称する。)の1種または2種以上とを含み、該反応混合物中のSi元素に対するアルカリ(土)金属の合計のモル比が0.8以上であり、該反応混合物中に構造規定剤を含まず、かつ該反応混合物に種結晶を添加して水熱合成することを特徴とするアルミノシリケートの製造方法。
【請求項2】
前記反応混合物中の全アルカリ(土)金属中のカリウムの含有モル比率が、0.5以下であることを特徴とする請求項1に記載のアルミノシリケートの製造方法。
【請求項3】
前記種結晶がCHA型ゼオライトであることを特徴とする請求項1または2に記載のアルミノシリケートの製造方法。
【請求項4】
前記反応混合物中におけるSi元素に対する水のモル比が30以上であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のアルミノシリケートの製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2013−1637(P2013−1637A)
【公開日】平成25年1月7日(2013.1.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−138099(P2011−138099)
【出願日】平成23年6月22日(2011.6.22)
【出願人】(000005968)三菱化学株式会社 (4,356)
【Fターム(参考)】