JP7690763B2 - Composite material, nitrogen oxide adsorbent, nitrogen oxide adsorption method, and nitrogen oxide removal device - Google Patents
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Description
本発明は、窒素酸化物吸着材などに使用される複合材に関するものであり、例えば、種々の排ガス、特に自動車などの内燃機関から排出される排ガスの浄化用に適用される。 The present invention relates to a composite material used as a nitrogen oxide adsorbent, and is used, for example, to purify various exhaust gases, particularly exhaust gases emitted from internal combustion engines of automobiles.
自動車などの内燃機関から排出される窒素酸化物を含有する排ガスの浄化においては、尿素を用いて、尿素の分解反応により生成するアンモニアを還元剤として使用し、SCR(Selective Catalytic Reduction)触媒に排ガスを接触させる方法が実用化されている。しかしながら、エンジン始動時においては、SCR触媒が作動温度に達していないため、窒素酸化物が浄化されずにそのまま排出されるという問題がある。例えば、ディーゼルエンジンの排ガス温度は、エンジン始動から約800秒間は100~200℃という低い温度であり、この間は無害化処理できなかった窒素酸化物が排ガス中に含まれている(非特許文献1)。 In the purification of exhaust gases containing nitrogen oxides emitted from internal combustion engines of automobiles and the like, a method has been put into practical use in which urea is used, and the ammonia produced by the decomposition reaction of urea is used as a reducing agent to bring the exhaust gas into contact with a selective catalytic reduction (SCR) catalyst. However, when the engine is started, the SCR catalyst has not yet reached its operating temperature, so there is a problem that the nitrogen oxides are not purified and are emitted as they are. For example, the temperature of the exhaust gas from a diesel engine is a low temperature of 100 to 200°C for about 800 seconds after the engine is started, and during this time, nitrogen oxides that could not be detoxified are contained in the exhaust gas (Non-Patent Document 1).
現在のディーゼルエンジンに搭載されている尿素-SCR法は、尿素がアンモニアに分解し、SCR触媒が活性化するために、一般的には尿素投与位置の温度がおよそ150℃以上は必要とされている。150℃未満では、触媒が活性化する温度にも達成しておらず、始動時などの低温領域では、窒素酸化物が浄化されずに排出されるという問題がある。
ところで、2023年からカリフォルニアで、排ガスに含まれる窒素酸化物の排出量を現状の1割程度に減らす厳しい規制が開始する予定があり、エンジン始動時に排出される排ガス中に含まれる窒素酸化物を更に減らす方法が必要とされている。
In the urea-SCR method currently installed in diesel engines, the temperature at the urea injection point generally needs to be about 150°C or higher in order for the urea to decompose into ammonia and activate the SCR catalyst. If the temperature is below 150°C, the temperature at which the catalyst is activated is not reached, and there is a problem that nitrogen oxides are discharged without being purified in low temperature regions such as during startup.
Incidentally, strict regulations are scheduled to come into effect in California from 2023 that will reduce emissions of nitrogen oxides in exhaust gases to about 10% of the current level, and so a method is needed to further reduce the amount of nitrogen oxides in the exhaust gases emitted when the engine is started.
エンジン始動時に排出される窒素酸化物を減らす方法としては、非特許文献2のようにゼオライトなどの吸着材を排ガス浄化用触媒の上流側に配置し、エンジン始動時の低温度域で窒素酸化物を吸着し、排ガス浄化用触媒が活性化する温度以上に達した後で、吸着材から窒素酸化物を脱離させて、下流側の排ガス浄化用触媒で浄化するシステムが提案されている。 As a method for reducing nitrogen oxides emitted when the engine is started, a system has been proposed in which an adsorbent such as zeolite is placed upstream of an exhaust gas purification catalyst as in Non-Patent Document 2, and nitrogen oxides are adsorbed in the low temperature range when the engine is started, and once the temperature reaches or exceeds the activation temperature of the exhaust gas purification catalyst, the nitrogen oxides are desorbed from the adsorbent and purified by the downstream exhaust gas purification catalyst.
また、特許文献1には、ゼオライトにロジウムを担持した前段触媒を排ガス上流側に配置し、白金又はパラジウムを担持した後段触媒をその下流側に配置した排ガス浄化用触媒が記載されている。この排ガス浄化用触媒によれば、低温度域では、前段触媒に窒素酸化物が吸着し、高温域で、前段触媒から脱離した窒素酸化物が後段触媒で還元浄化される方法が提案されている。 Patent Document 1 also describes an exhaust gas purification catalyst in which a front-stage catalyst made of zeolite carrying rhodium is placed upstream of the exhaust gas, and a rear-stage catalyst carrying platinum or palladium is placed downstream of that. This exhaust gas purification catalyst proposes a method in which nitrogen oxides are adsorbed onto the front-stage catalyst in the low temperature range, and in the high temperature range, the nitrogen oxides desorbed from the front-stage catalyst are reduced and purified by the rear-stage catalyst.
特許文献2においては、リーン排気ガスからの窒素酸化物が200℃未満の温度で吸着され、続いて200℃より上の温度で熱的に放出されるシステムを開示する。窒素酸化物吸着剤は、パラジウム、及びセリウム酸化物又は混合酸化物、あるいはセリウム及び少なくとも1の他の4列の遷移金属を含有する複合酸化物からなることが教示される。 Patent document 2 discloses a system in which nitrogen oxides from lean exhaust gas are adsorbed at temperatures below 200° C. and subsequently thermally released at temperatures above 200° C. The nitrogen oxide adsorbent is taught to consist of palladium and cerium oxide or mixed oxides, or composite oxides containing cerium and at least one other fourth row transition metal.
特許文献3においては、ゼオライト結晶構造中の最大細孔径が酸素8員環から構成される小細孔ゼオライトにパラジウムを担持した吸着材(Passive NOx Adsorber;PNA)が、低温で吸着した窒素酸化物をより高温で放出することが報告されている。更に、セリア酸化物を担体に用いた吸着材と比べて、ゼオライトで構成される吸着材はS成分に対する耐性が高いことが教示される。
非特許文献3においても、パラジウムを担持したCHA型ゼオライトは、150℃以上の温度で窒素酸化物が脱離するため、窒素酸化物を高温まで保持できる事を報告している。
In Patent Document 3, it is reported that an adsorbent (Passive NOx Adsorber; PNA) in which palladium is supported on a small-pore zeolite in which the maximum pore diameter in the zeolite crystal structure is composed of an 8-membered oxygen ring, adsorbs nitrogen oxides at low temperatures and releases them at higher temperatures. Furthermore, it is taught that an adsorbent composed of zeolite has higher resistance to S components than an adsorbent using ceria oxide as a carrier.
Non-Patent Document 3 also reports that palladium-supported CHA-type zeolite can retain nitrogen oxides up to high temperatures because nitrogen oxides are released at temperatures of 150° C. or higher.
特許文献1に記載の前段触媒など、ゼオライトを利用した低温窒素酸化物の吸着材においては、排ガス中に含まれる水分の影響によって、窒素酸化物の吸着量が低下するという現象があった。従って、原因は定かではないが、ロジウムを担持したゼオライトは安定性が低いという課題があった。 In low-temperature nitrogen oxide adsorbents that use zeolite, such as the pre-catalyst described in Patent Document 1, there is a phenomenon in which the amount of nitrogen oxide adsorbed decreases due to the influence of moisture contained in exhaust gas. Therefore, although the cause is unclear, there is an issue that zeolites supporting rhodium have low stability.
このようにゼオライトに担持した金属の種類によっては、水との相互作用が強く、自動車排ガス中のように水が共存する場合は、優先的に水が吸着し、窒素酸化物の吸着性能が低下することが考えられた。
例えば、特許文献3には、パラジウムを担持したCHA型ゼオライトのような細孔径(リングサイズ)の小さい8員環ゼオライトにパラジウムを担持した窒素酸化物吸着材が有効とされており、更に、非特許文献4ではPd/ZSM-5とPd/CHAの吸着特性を比較した結果、120℃でのNO吸着においては、リングサイズの小さいPd/CHAの方が水の影響を受けにくいと報告している。しかし、これは水の吸着力が弱くなる高温領域での吸着性能を比較した結果にすぎず、水がゼオライトに吸着しやすいのはエンジン始動時から排ガス中に窒素酸化物が排出される温度の120℃よりも低い温度領域であり、水を含むガス雰囲気下での吸着特性が重要であるにもかかわらずその温度領域における水と窒素酸化物の競争吸着における吸着特性は明らかにはされてなかった。実際に本特許の参考例1と2に記載の通り、水が共存する雰囲気下においては吸着温度を120℃から80℃に下がると窒素酸化物の吸着量が低下していることが分かる。
It was thought that, depending on the type of metal supported on the zeolite, there may be a strong interaction with water, and when water coexists, such as in automobile exhaust gas, the water is preferentially adsorbed, resulting in a decrease in the nitrogen oxide adsorption performance.
For example, Patent Document 3 states that a nitrogen oxide adsorbent in which palladium is supported on an 8-membered ring zeolite with a small pore size (ring size), such as a CHA-type zeolite supported with palladium, is effective, and Non-Patent Document 4 reports that, as a result of comparing the adsorption characteristics of Pd/ZSM-5 and Pd/CHA, Pd/CHA with a small ring size is less affected by water in NO adsorption at 120°C. However, this is merely a result of comparing the adsorption performance in a high temperature range where the adsorption power of water is weak, and water is easily adsorbed by zeolite in a temperature range lower than 120°C, the temperature at which nitrogen oxides are emitted in exhaust gas from the start of the engine, and although the adsorption characteristics in a gas atmosphere containing water are important, the adsorption characteristics in the competitive adsorption of water and nitrogen oxides in that temperature range have not been clarified. In fact, as described in Reference Examples 1 and 2 of this patent, it can be seen that the amount of nitrogen oxide adsorption decreases when the adsorption temperature is lowered from 120°C to 80°C in an atmosphere in which water coexists.
本特許では80℃での窒素酸化物の吸着における水濃度影響について、Pd/CHAを用いて、吸着性能を評価した。その結果、水濃度が増加するにつれて、窒素酸化物吸着量が減少傾向を示すことを明らかにした(比較例2参照)。従って、Pd/CHAは、高温領域においては、Pd/ZSM-5よりも有効な吸着剤と考えられるが、低温領域においては水の影響を受ける課題が確認された。 In this patent, the adsorption performance was evaluated using Pd/CHA to examine the effect of water concentration on the adsorption of nitrogen oxides at 80°C. As a result, it was revealed that the amount of nitrogen oxide adsorption showed a decreasing trend as the water concentration increased (see Comparative Example 2). Therefore, Pd/CHA is considered to be a more effective adsorbent than Pd/ZSM-5 in the high temperature range, but the issue of being affected by water in the low temperature range was confirmed.
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、低温でかつ水を含むガス雰囲気下においても、高い窒素酸化物吸着性能を有する複合材を提供することにある。 The present invention was made to solve the above problems, and its purpose is to provide a composite material that has high nitrogen oxide adsorption performance even at low temperatures and in a gas atmosphere containing water.
本発明者らは、International Zeolite Association(IZA)がcomposite building unit(CBU)として定めるltaを骨格中に含み、SiO2/Al2O3モル比が11以上の特定の範囲にあるゼオライトに、パラジウムなどの貴金属を担持した複合材が、水共存下においても窒素酸化物の吸着性能が低下するどころか、水共存下の方が窒素酸化物の吸着量が増えるという驚くべき効果を持つ窒素酸化物吸着材の開発に成功し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、以下の[1]~[9]を提供する。
[1]貴金属及びゼオライトを含む複合材であって、該ゼオライトのInternational Zeolite Association(IZA)がcomposite building unitとして定めるltaを骨格中に含み、SiO2/Al2O3モル比が11以上であることを特徴とする複合材。
[2]前記ゼオライトの最大リングサイズが3.6Å以下である上記[1]に記載の複合材。
[3]前記ゼオライトがRHO型ゼオライトである、上記[1]または[2]に記載の複合材。
[4]前記貴金属がパラジウムであり、その含有量が0.1質量%以上である上記[1]乃至[3]のいずれか1項に記載の複合材。
[5]窒素酸化物200体積ppm及び酸素5体積%を含み、水蒸気含有量が0体積%であるガスを前記複合材に80℃で流通させたときの窒素酸化物吸着量をA1とし、窒素酸化物200体積ppm及び酸素5体積%を含み、水蒸気含有量が5体積%であるガスを前記複合材に80℃で流通させたときの窒素酸化物吸着量をA2とすると、比(A2/A1)で表される窒素酸化物吸着量変化率が、0.6以上2.0以下である、上記[1]乃至[4]のいずれか1項に記載の複合材。
[6]貴金属及びゼオライトを含む複合材であって、窒素酸化物200体積ppm及び酸素5体積%を含み、水蒸気含有量が0体積%であるガスを前記複合材に80℃で流通させたときの窒素酸化物吸着量をA1とし、窒素酸化物200体積ppm及び酸素5体積%を含み、水蒸気含有量が5体積%であるガスを前記複合材に80℃で流通させたときの窒素酸化物吸着量をA2とすると、比(A2/A1)で表される窒素酸化物吸着量変化率が、0.6以上2.0以下である、複合材。
[7]上記[1]乃至[6]の何れか1項に記載の複合材を備える窒素酸化物吸着材。
[8]水及び窒素酸化物を含有する気体中の窒素酸化物を、上記[1]乃至[6]の何れか1項に記載の複合材により、吸着する方法。
[9]上記[1]乃至[6]の何れか1項に記載の複合材を備えた窒素酸化物の除去装置であって、前記複合材により、水及び窒素酸化物を含有する気体から窒素酸化物を吸着することにより、該気体中の窒素酸化物を除去する除去装置。
The present inventors have succeeded in developing a nitrogen oxide adsorbent having the surprising effect that a composite material carrying a precious metal such as palladium on a zeolite having an lta in its framework, as defined by the International Zeolite Association (IZA) as a composite building unit (CBU) and having a SiO2 / Al2O3 molar ratio in a specific range of 11 or more, does not lose its nitrogen oxide adsorption performance even in the presence of water, but rather the amount of nitrogen oxide adsorbed is increased in the presence of water, thereby arriving at the present invention.
That is, the present invention provides the following [1] to [9].
[1] A composite material containing a precious metal and a zeolite, the composite material being characterized in that the zeolite contains an lta defined as a composite building unit by the International Zeolite Association (IZA) in the framework, and has a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of 11 or more.
[2] The composite material described in [1] above, wherein the maximum ring size of the zeolite is 3.6 Å or less.
[3] The composite material according to [1] or [2] above, wherein the zeolite is an RHO type zeolite.
[4] The composite material according to any one of [1] to [3] above, wherein the precious metal is palladium and the content thereof is 0.1 mass% or more.
[5] The composite material according to any one of the above [1] to [4], wherein the nitrogen oxide adsorption amount change rate, expressed as the ratio (A2/A1), is 0.6 or more and 2.0 or less, where A1 is the nitrogen oxide adsorption amount when a gas containing 200 ppm by volume of nitrogen oxide and 5 vol.% of oxygen and having a water vapor content of 0 vol.% is passed through the composite material at 80°C, and A2 is the nitrogen oxide adsorption amount when a gas containing 200 ppm by volume of nitrogen oxide and 5 vol.% of oxygen and having a water vapor content of 5 vol.% is passed through the composite material at 80°C.
[6] A composite material comprising a precious metal and a zeolite, wherein, when a gas containing 200 ppm by volume of nitrogen oxide and 5 vol. % of oxygen and having a water vapor content of 0 vol. % is passed through the composite material at 80° C., the nitrogen oxide adsorption amount is A1, and when a gas containing 200 ppm by volume of nitrogen oxide and 5 vol. % of oxygen and having a water vapor content of 5 vol. % is passed through the composite material at 80° C., the nitrogen oxide adsorption amount change rate, expressed as a ratio (A2/A1), is 0.6 or more and 2.0 or less.
[7] A nitrogen oxide adsorbent comprising the composite material according to any one of [1] to [6] above.
[8] A method for adsorbing nitrogen oxides in a gas containing water and nitrogen oxides by using the composite material described in any one of [1] to [6] above.
[9] A nitrogen oxide removal device comprising the composite material described in any one of [1] to [6] above, the nitrogen oxide removal device removing nitrogen oxides from a gas containing water and nitrogen oxides by using the composite material.
本発明によれば、エンジン始動時などの低温でかつ水を含むガス雰囲気下においても、水の影響を受けることなく、高い窒素酸化物吸着性能を有する複合材を提供できる。 The present invention provides a composite material that has high nitrogen oxide adsorption performance without being affected by water, even at low temperatures such as during engine start-up and in a gas atmosphere that contains water.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、以下の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はこれらの内容に何ら限定されない。 The following describes in detail the embodiments of the present invention, but the following description is one example (representative example) of the embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to these contents in any way.
[複合材]
本発明の一実施形態に係る複合材は、貴金属及びゼオライトを含む複合材であって、該ゼオライトのInternational Zeolite Association(IZA)がcomposite building unitとして定めるltaを骨格中に含み、SiO2/Al2O3モル比が11以上であることを特徴とする。以下、本発明の一実施形態に係る複合材について詳細に説明する。
[Composite material]
A composite material according to one embodiment of the present invention is a composite material containing a precious metal and a zeolite, and is characterized in that the zeolite contains lta, which is defined as a composite building unit by the International Zeolite Association (IZA), in its framework and has a SiO2 / Al2O3 molar ratio of 11 or more. The composite material according to one embodiment of the present invention will be described in detail below.
上記ゼオライトは、骨格がltaを有しているため、窒素酸化物の吸着に有効な貴金属を担持しやすい。
また、ゼオライトは、骨格構造を構成する原子として、少なくとも酸素、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)を含むものであり、これらの原子の一部が他の原子(Me)で置換されていてもよい。ゼオライトは、AlPO系やSAPO系ゼオライトよりも、アルミノシリケートゼオライトが好ましい。
ltaを有するアルミノシリケートゼオライトのなかでも、骨格が酸素8員環構造を有しているゼオライトが好ましい。また、International Zeolite Association(IZA)が定めるゼオライトの骨格構造を規定するコードでRHO構造のゼオライト(以下、RHO型ゼオライトという)がより好ましい。
The above zeolite has an lta framework and is therefore likely to support precious metals that are effective in adsorbing nitrogen oxides.
Zeolite contains at least oxygen, aluminum (Al) and silicon (Si) as atoms constituting the framework structure, and some of these atoms may be substituted with other atoms (Me). The zeolite is preferably an aluminosilicate zeolite rather than an AlPO-based or SAPO-based zeolite.
Among the aluminosilicate zeolites having lta, zeolites having an 8-membered oxygen ring structure are preferred. Zeolites having an RHO structure (hereinafter referred to as RHO-type zeolites) according to the code for defining the zeolite skeletal structure defined by the International Zeolite Association (IZA) are more preferred.
ゼオライトの構造は、X線回折のデータにより特徴付けられる。ただし、実際に作製されたゼオライトを測定する場合には、ゼオライトの成長方向や、構成する元素の比、吸着した物質、欠陥の存在、乾燥状態、アルカリカチオン種などの影響を受け、各ピークの強度比やピーク位置に若干のずれを生じるため、IZAの規定に記載されたRHO構造の各パラメーターと必ずしも全く同じ数値が得られるわけではなく、20%程度の幅は許容される。
RHO型ゼオライトの主だったピークとしては、CuKα線を用いた場合、例えば、2θ=9.1°±0.2°に110面のピーク、2θ=15.8°±0.2°に211面のピーク、2θ=20.4°±0.2°に301もしくは310面のピーク、2θ=24.2°±0.2°に312もしくは321面のピーク、2θ=27.5°±0.2°に330もしくは411面のピークなどが挙げられる。
The structure of zeolite is characterized by X-ray diffraction data. However, when actually measuring a produced zeolite, the intensity ratio and peak position of each peak may vary slightly due to the influence of the zeolite growth direction, the ratio of constituent elements, adsorbed substances, the presence of defects, the drying state, the alkali cation species, etc., so the values obtained are not necessarily exactly the same as the parameters of the RHO structure described in the IZA regulations, and a margin of about 20% is allowed.
When CuKα radiation is used, major peaks of RHO zeolite include, for example, the peak of the 110 plane at 2θ=9.1°±0.2°, the peak of the 211 plane at 2θ=15.8°±0.2°, the peak of the 301 or 310 plane at 2θ=20.4°±0.2°, the peak of the 312 or 321 plane at 2θ=24.2°±0.2°, and the peak of the 330 or 411 plane at 2θ=27.5°±0.2°.
本発明の複合材は、上記の通り、貴金属及びゼオライトを含む。本発明の複合材は、ゼオライトに貴金属が担持されていることが好ましい。複合材に使用する貴金属は、例えば、白金、パラジウム、ロジウム、金、銀、イリジウム、ルテニウム、オスミウム及びそれらの混合物からなる群から選択される。
これらの中では、窒素酸化物に対する親和性に優れることから、パラジウムが好ましい。貴金属の価数は、特に限定されるものではなく、1価でも2価でもよい。また、本発明の複合材においては、貴金属の存在状態としては、通常、ゼオライトの骨格構造には含まれない。
As described above, the composite material of the present invention contains a precious metal and a zeolite. In the composite material of the present invention, the precious metal is preferably supported on the zeolite. The precious metal used in the composite material is, for example, selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, gold, silver, iridium, ruthenium, osmium, and mixtures thereof.
Among these, palladium is preferred because of its excellent affinity for nitrogen oxides. The valence of the precious metal is not particularly limited, and may be monovalent or divalent. In the composite material of the present invention, the precious metal is usually not included in the zeolite framework.
貴金属は、吸着材において窒素酸化物の吸着点となるため、窒素酸化物を多量に吸着するには、貴金属量が多いことが好ましい。そのような観点から、複合材に含まれる貴金属の含有量は、通常0.1質量%以上、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは0.7質量%以上、特に好ましくは0.8質量%、最も好ましくは1.0質量%以上である。
貴金属がゼオライトに多量に固定され、細孔を貴金属により塞いでしまうことなく処理対象の気体が細孔内に侵入しやすいことから、複合材に含まれる貴金属の含有量は、通常は10質量%以下であり、8質量%以下が好ましく、6.0質量%以下がより好ましく、5.0質量%以下が更に好ましく、4.0質量%以下が特に好ましく、3.0質量%以下がとりわけ好ましい。
Since the precious metal serves as an adsorption site for nitrogen oxides in the adsorbent, a large amount of the precious metal is preferable in order to adsorb a large amount of nitrogen oxides. From this viewpoint, the content of the precious metal in the composite is usually 0.1 mass% or more, preferably 0.5 mass% or more, more preferably 0.7 mass% or more, particularly preferably 0.8 mass% or more, and most preferably 1.0 mass% or more.
Since a large amount of the precious metal is fixed to the zeolite and the gas to be treated can easily penetrate into the pores without the pores being blocked by the precious metal, the content of the precious metal in the composite is usually 10 mass% or less, preferably 8 mass% or less, more preferably 6.0 mass% or less, even more preferably 5.0 mass% or less, particularly preferably 4.0 mass% or less, and especially preferably 3.0 mass% or less.
ゼオライトのSiO2/Al2O3モル比は、11以上である。SiO2/Al2O3モル比が高いことにより、水を含む低温のガス雰囲気下においても、水の影響を受けずに、高い窒素酸化物吸着性能を維持しやすい。
触媒や吸着剤として使用する場合は、活性点や吸着点が多い方が好ましいことから、SiO2/Al2O3モル比は、小さいことが好ましく、具体的には、100以下が好ましく、より好ましくは50以下、更に好ましくは30以下、特に好ましくは25以下、とりわけ好ましくは22以下、最も好ましくは20以下である。
一方、骨格内のAl量が少ないゼオライトは、水蒸気を含むガスに曝された場合であっても、骨格内のAlの脱離による構造破壊が起こり難いため、SiO2/Al2O3モル比は大きいことが好ましい。すなわち、SiO2/Al2O3モル比が高い方が、水の影響を受けずに高い窒素酸化物吸着性能を維持できる。これら観点から、SiO2/Al2O3モル比は、通常は11以上、好ましくは12以上、より好ましくは13以上、特に好ましくは14以上である。
The SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of the zeolite is equal to or greater than 11. Due to the high SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio, even in a low-temperature gas atmosphere containing water, the zeolite is not affected by water and tends to maintain high nitrogen oxide adsorption performance.
When used as a catalyst or adsorbent, the more active sites and adsorption sites there are, the more preferable it is, and therefore the SiO2 / Al2O3 molar ratio is preferably small, specifically, preferably 100 or less, more preferably 50 or less, even more preferably 30 or less, particularly preferably 25 or less, particularly preferably 22 or less, and most preferably 20 or less.
On the other hand, since zeolites with a small amount of Al in the framework are less likely to suffer structural destruction due to the elimination of Al from the framework even when exposed to a gas containing water vapor, it is preferable that the SiO2 / Al2O3 molar ratio is large. In other words, the higher the SiO2 / Al2O3 molar ratio, the higher the nitrogen oxide adsorption performance can be maintained without being affected by water. From these viewpoints, the SiO2 / Al2O3 molar ratio is usually 11 or more, preferably 12 or more, more preferably 13 or more, and particularly preferably 14 or more.
なお、ゼオライト構造中にCBUとしてltaを含むゼオライトは、通常低SAR(以下「SAR」という場合がある)であり、例えば、Microporous Materials Volume 4, Issues 2-3, June 1995, Pages 231-238に記載されているように、SiO2/Al2O3モル比は、高くても10以下である。それに対して、本実施形態に係る複合材は、ltaを骨格中に含みながらもSiO2/Al2O3モル比を11以上とするものであり、それにより、水を含み、かつ低温のガス雰囲気下においても、水の影響を受けることなく高い窒素酸化物吸着性能を発現することができる。 Zeolites containing lta as CBU in the zeolite structure usually have a low SAR (hereinafter may be referred to as "SAR") and, for example, as described in Microporous Materials Volume 4, Issues 2-3, June 1995, Pages 231-238, have a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of at most 10. In contrast, the composite material according to the present embodiment has a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of 11 or more while containing lta in the framework, and therefore can exhibit high nitrogen oxide adsorption performance without being affected by water even in a gas atmosphere containing water and at a low temperature.
複合材におけるゼオライト構造中にCBUとしてltaを含むゼオライトとしては、特に限定は無く、例えば、CLO、KFI、LTA、LTN、PAU、RHO、TSC、UFI、MWFが好ましく、KFI、LTA、LTN、PAU、RHO、MWFがさらに好ましく、MWF、LTA、PAU、RHOが特に好ましく、MWF、PAU、RHOがとりわけ好ましく、RHOが最も好ましい。ゼオライト構造中にCBUとしてltaが含まれていることが好ましい点としては、ガスはltaの有するd8rを経由して拡散するが、d6rよりもd8rはサイズが大きいため、水が吸着してもガスが拡散するだけの十分な大きさの細孔を有していることにより吸着した水の影響を受けにくい事が挙げられる。また、これらのゼオライトはガスの侵入するリングサイズが小さいことから、自動車排ガス中に含まれるサイズの大きい炭化水素による細孔閉塞を起こしにくい効果がある。 The zeolite containing lta as a CBU in the zeolite structure of the composite material is not particularly limited, and for example, CLO, KFI, LTA, LTN, PAU, RHO, TSC, UFI, and MWF are preferable, KFI, LTA, LTN, PAU, RHO, and MWF are more preferable, MWF, LTA, PAU, and RHO are particularly preferable, MWF, PAU, and RHO are particularly preferable, and RHO is most preferable. The reason why lta is preferable as a CBU in the zeolite structure is that gas diffuses through the d8r contained in lta, but since d8r is larger in size than d6r, even if water is adsorbed, it has pores large enough for the gas to diffuse, and is therefore less susceptible to the effects of the adsorbed water. In addition, since the ring size through which gas penetrates is small, these zeolites have the effect of being less likely to cause pore blockage due to the large hydrocarbons contained in automobile exhaust gas.
複合材におけるゼオライトは、最大リングサイズが小さい方が、細孔内への水や炭化水素の侵入を防ぎやすい点から、ゼオライトの結晶構造中の最大リングサイズは3.7Å以下が好ましく、3.6Å以下が最も好ましい。一方最大リングサイズの下限値は、吸着点となる貴金属の担持やガスの侵入に影響しない大きさが必要であり、通常、2.0Å以上、好ましくは2.5Å以上、より好ましくは3.0Å以上、特に好ましくは3.2Å以上、とりわけ好ましくは3.4Å以上、最も好ましくは3.5Å以上である。なお、ゼオライトの結晶構造中の最大リングサイズは、Ch.BaerlocherらによるATLAS OF ZEOLITE FRAME WORK TYPES(Sixth Revis ed Edition、2007、ELSEVIER)に記載の値である。 The maximum ring size of the zeolite in the composite material is preferably 3.7 Å or less, and most preferably 3.6 Å or less, because the smaller the maximum ring size, the easier it is to prevent water and hydrocarbons from penetrating into the pores. On the other hand, the lower limit of the maximum ring size must be a size that does not affect the support of the precious metal that serves as the adsorption point or the penetration of gas, and is usually 2.0 Å or more, preferably 2.5 Å or more, more preferably 3.0 Å or more, particularly preferably 3.2 Å or more, particularly preferably 3.4 Å or more, and most preferably 3.5 Å or more. The maximum ring size in the crystal structure of the zeolite is the value described in ATLAS OF ZEOLITE FRAME WORK TYPES (Sixth Revis ed Edition, 2007, ELSEVIER) by Ch. Baerlocher et al.
本発明におけるゼオライトのフレームワーク密度は(以下、「FD」と略すことがある。)、特に限定されるものではないが、通常12.0T/nm3以上、好ましくは、12.5T/nm3以上、より好ましくは13.0T/nm3以上である。また、一方で、通常14.4T/nm3以下、好ましくは14.3T/nm3以下、特に好ましくは14.2T/nm3以下、最も好ましくは14.1T/nm3以下である。なお、フレームワーク密度(T/nm3)は、ゼオライトの単位体積nm3あたり存在するT原子(ゼオライトの骨格を構成する酸素以外の元素の原子)の数を意味し、この値はゼオライトの構造により決まるものである。FDが高いと、構造が安定であり、十分な耐久性が得られる傾向があり、一方、FDが低いと十分な吸着量が得られ、吸着剤としての使用に適する。上記フレームワーク密度は、Ch.BaerlocherらによるATLAS OF ZEOLITE FRAME WORK TYPES(Sixth Revis ed Edition、2007、ELSEVIER)に記載の値である。 The framework density of the zeolite in the present invention (hereinafter sometimes abbreviated as "FD") is not particularly limited, but is usually 12.0 T/nm 3 or more, preferably 12.5 T/nm 3 or more, more preferably 13.0 T/nm 3 or more. On the other hand, it is usually 14.4 T/nm 3 or less, preferably 14.3 T/nm 3 or less, particularly preferably 14.2 T/nm 3 or less, and most preferably 14.1 T/nm 3 or less. The framework density (T/nm 3 ) means the number of T atoms (atoms of elements other than oxygen constituting the zeolite framework) present per unit volume nm 3 of the zeolite, and this value is determined by the structure of the zeolite. When the FD is high, the structure is stable and sufficient durability tends to be obtained, while when the FD is low, a sufficient amount of adsorption is obtained and it is suitable for use as an adsorbent. The above framework density is as described in Ch. These values are described in ATLAS OF ZEOLITE FRAME WORK TYPES by Baerlocher et al. (Sixth Revis ed Edition, 2007, ELSEVIER).
ゼオライトの粒径は、特に限定されないが、吸着材として用いた場合におけるガスの拡散性が高くなりやすいことから、0.01μm以上が好ましく、0.1μm以上が更に好ましく、1.0μm以上が特に好ましく、2.0μm以上が最も好ましい。また、一方で、10μm以下が好ましく、8μm以下が更に好ましく、6μm以下が特に好ましく5.5μm以下がとりわけ好ましく、5.0μm以下が最も好ましい。なお、粒径は、平均粒径であり、具体的には、後述の実施例の項に記載される方法で測定される。
ゼオライトの比表面積は、特に限定されないが、細孔内表面に存在する活性点が多くなることから、以下の範囲であることが好ましい。すなわち、200m2/g以上が好ましく、より好ましくは300m2/g以上、更に好ましくは400m2/g以上である。また、一方で、1000m2/g以下が好ましく、より好ましくは800m2/g以下、更に好ましくは700m2/g以下である。なお、ゼオライトの比表面積は、後述の実施例の項に記載されるBET法により測定される。
ゼオライトの酸量は、好ましくは0.5mmol/g以上、より好ましくは0.7mmol/g以上、更に好ましく0.9mmol/g以上、特に好ましくは1.2mmol/g以上である。また、一方で、好ましくは3.0mmol/g以下、より好ましくは2.5mmol/g以下である。なお、ゼオライトの酸量は、後述の実施例の項に記載される方法で測定される。
The particle size of the zeolite is not particularly limited, but since the gas diffusion is likely to be high when the zeolite is used as an adsorbent, it is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, particularly preferably 1.0 μm or more, and most preferably 2.0 μm or more. On the other hand, it is preferably 10 μm or less, more preferably 8 μm or less, particularly preferably 6 μm or less, particularly preferably 5.5 μm or less, and most preferably 5.0 μm or less. The particle size is an average particle size, and is specifically measured by the method described in the Examples section below.
The specific surface area of the zeolite is not particularly limited, but since the number of active sites present on the inner surface of the pores increases, it is preferably in the following range. That is, it is preferably 200 m 2 /g or more, more preferably 300 m 2 /g or more, and even more preferably 400 m 2 /g or more. On the other hand, it is preferably 1000 m 2 /g or less, more preferably 800 m 2 /g or less, and even more preferably 700 m 2 /g or less. The specific surface area of the zeolite is measured by the BET method described in the Examples section below.
The acid amount of the zeolite is preferably 0.5 mmol/g or more, more preferably 0.7 mmol/g or more, even more preferably 0.9 mmol/g or more, and particularly preferably 1.2 mmol/g or more. On the other hand, it is preferably 3.0 mmol/g or less, more preferably 2.5 mmol/g or less. The acid amount of the zeolite is measured by the method described in the Examples section below.
本発明の複合材中には、主に原料に由来するアルカリ金属原子、例えばナトリウム、カリウム、セシウム等が含まれていてもよいが、その含有量は、複合材中のアルミニウムに対するモル比として、0.001以上、1.0以下であることが好ましい。含有量が少ないことにより、水蒸気雰囲気下におけるアルカリ金属原子によるゼオライトの構造の破壊が起こり難い。また、複合材中からアルカリ金属原子を無理に除去すると、ゼオライトの骨格などにダメージを与えることがあるため、触媒中のアルミニウムに対するアルカリ金属原子のモル比は、上記下限値以上であることが好ましい。 The composite material of the present invention may contain alkali metal atoms, such as sodium, potassium, cesium, etc., derived mainly from the raw materials, but the content thereof, as a molar ratio to the aluminum in the composite material, is preferably 0.001 or more and 1.0 or less. The low content makes it difficult for the alkali metal atoms to destroy the structure of the zeolite in a steam atmosphere. In addition, forcibly removing the alkali metal atoms from the composite material may damage the zeolite framework, so the molar ratio of the alkali metal atoms to the aluminum in the catalyst is preferably equal to or more than the above lower limit.
本発明の複合材は、窒素酸化物(NO)200体積ppm及び酸素5体積%を含み、かつ水蒸気含有量が0体積%であるガスを該複合材に80℃で流通させたときの窒素酸化物吸着量をA1とし、窒素酸化物(NO)200体積ppm及び酸素5体積%を含み、かつ水蒸気含有量が5体積%であるガスを該複合材に80℃で流通させたときの窒素酸化物吸着量をA2とすると、比(A2/A1)で表される窒素酸化物吸着量変化率が、0.6以上2.0以下であることが好ましい。上記窒素酸化物吸着量変化率は、0.7以上がより好ましく、0.8以上がさらに好ましく、0.9以上が特に好ましく、1.0以上が最も好ましい。また、一方で、1.5以下がより好ましく、1.3以下がさらに好ましく、1.25以下が特に好ましく、1.20以下が最も好ましい。窒素酸化物吸着量変化率を上記範囲内とすることにより、低温の水蒸気雰囲気下でも、複合材の窒素酸化物吸着性能を良好に維持できる。
なお、窒素酸化物吸着量変化率は、具体的には後述の実施例の項に記載される方法で測定される。
In the composite material of the present invention, when a gas containing 200 ppm by volume of nitrogen oxide (NO), 5% by volume of oxygen, and a water vapor content of 0% by volume is passed through the composite material at 80° C., the nitrogen oxide adsorption amount A1 is the nitrogen oxide adsorption amount A2 ...
The rate of change in the amount of adsorbed nitrogen oxides is specifically measured by the method described in the Examples section below.
本発明の別の実施形態において、複合材は、貴金属及びゼオライトを含み、かつ上記した比(A2/A1)で表される窒素酸化物吸着量変化率が、0.6以上2.0以下である。別の実施形態に係る複合材は、窒素酸化物吸着量変化率を上記範囲内とすることで、低温でかつ水を含むガス雰囲気下においても、高い窒素酸化物吸着性能を有することができる。
別の実施形態係る複合材は、SiO2/Al2O3モル比が11以上でなくてもよく、また、ゼオライト構造中にCBUとしてltaを含まなくてもよいが、SiO2/Al2O3モル比は11以上であってもよく、また、ゼオライト構造中にCBUとしてltaを含んでもよい。
別の実施形態に係る複合材の詳細は、上記した一実施形態に係る複合材で説明したとおりであり、その説明は省略する。
In another embodiment of the present invention, the composite material contains a precious metal and a zeolite, and has a nitrogen oxide adsorption amount change rate, represented by the above-mentioned ratio (A2/A1), of 0.6 to 2.0. By setting the nitrogen oxide adsorption amount change rate within the above range, the composite material according to the another embodiment can have high nitrogen oxide adsorption performance even at low temperatures and in a gas atmosphere containing water.
In another embodiment, the composite material does not need to have a SiO2 / Al2O3 molar ratio of 11 or more, and does not need to include lta as a CBU in the zeolite structure, but may have a SiO2 / Al2O3 molar ratio of 11 or more, and may include lta as a CBU in the zeolite structure.
Details of the composite material according to the other embodiment are as described in the composite material according to the above embodiment, and therefore description thereof will be omitted.
[複合材の製造方法]
上記各実施形態に係る複合材を製造する方法としては、特に制限はないが、例えば、ゼオライトを合成後、金属担持工程を経て所定量の貴金属を担持させる方法が挙げられる。即ち、Al、Siを骨格構造に含み、且つSiO2/Al2O3モル比が11以上であるゼオライトを製造し、これに、ゼオライトの質量に対し所望の量の貴金属を担持させる方法等が挙げられる。
以下、複合材の製造に用いるゼオライトの製造例について、アルミノシリケートゼオライトを例として説明する。なお、以下の製造方法の説明では、アルミノシリケートゼオライトを単に「ゼオライト」ということがある。
[Method of manufacturing composite material]
The method for producing the composite material according to each of the above embodiments is not particularly limited, and examples thereof include a method in which a zeolite is synthesized, and then a predetermined amount of a precious metal is supported through a metal supporting process, i.e., a zeolite containing Al and Si in its framework structure and having a SiO2 / Al2O3 molar ratio of 11 or more is produced, and a desired amount of a precious metal is supported on the zeolite relative to its mass.
Hereinafter, a manufacturing example of zeolite used in manufacturing a composite material will be described using an aluminosilicate zeolite as an example. In the following description of the manufacturing method, aluminosilicate zeolite may be simply referred to as "zeolite".
<ゼオライトの製造方法>
ゼオライトは、通常、各原料を混合し、反応前混合物を得た後、水熱合成することにより得られる。ゼオライトの原料は、通常、アルミニウム原子原料、ケイ素原子原料、アルカリ金属原子原料及び水を用いる。また、更に、有機構造規定剤や種晶を用いてもよい。
<Method of manufacturing zeolite>
Zeolite is usually obtained by mixing each raw material to obtain a pre-reaction mixture, and then performing hydrothermal synthesis. The raw materials for zeolite are usually an aluminum atom raw material, a silicon atom raw material, an alkali metal atom raw material, and water. In addition, an organic structure directing agent and a seed crystal may be further used.
<アルミニウム原子原料>
ゼオライトを製造するために使用するアルミニウム原子原料は、特に限定されず、アモルファスの水酸化アルミニウム、ギブサイト構造を有する水酸化アルミニウム、バイヤーライト構造を有する水酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、酸化アルミニウム、アルミン酸ナトリウム、ベーマイト、擬ベーマイト、アルミニウムアルコキシド、更には、ゼオライトのようにシリカを含む化合物をアルミニウム原子原料として用いることができる。
ゼオライトを製造するために使用するアルミニウム原子原料としては、特に、FAU型ゼオライトのように、RHO型ゼオライトと共通のbuilding unitを持つアルミノシリケートゼオライトが好ましい。この場合、FAU型ゼオライトに含まれるSi含有率は、よりたくさんのbuilding unitをゼオライト原料として反応前混合物に加えることができる点から高い方が好ましく、具体的には、SiO2/Al2O3モル比が、5以上が好ましく、7以上がより好ましく、10以上が更に好ましく、20以上が特に好ましく、25以上がとりわけ好ましく、30以上が最も好ましい。
アルミニウム原子原料は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の比率と組み合わせで用いてもよい。
<Aluminum atom source>
The aluminum atom raw material used to produce zeolite is not particularly limited, and examples of the aluminum atom raw material that can be used include amorphous aluminum hydroxide, aluminum hydroxide having a gibbsite structure, aluminum hydroxide having a bayerite structure, aluminum nitrate, aluminum sulfate, aluminum oxide, sodium aluminate, boehmite, pseudo-boehmite, aluminum alkoxides, and even compounds containing silica such as zeolites.
As the aluminum atom raw material used for producing zeolite, an aluminosilicate zeolite having a common building unit with RHO-type zeolite, such as FAU-type zeolite, is particularly preferred. In this case, the Si content of FAU-type zeolite is preferably high in order to add more building units to the pre-reaction mixture as the zeolite raw material, and specifically, the SiO2 / Al2O3 molar ratio is preferably 5 or more, more preferably 7 or more, even more preferably 10 or more, particularly preferably 20 or more, particularly preferably 25 or more, and most preferably 30 or more.
The aluminum atom source may be used alone or in any combination of two or more kinds in any ratio.
アルミニウム原子原料の使用量は、反応前混合物ないしはこれを熟成して得られた水性ゲルの調製しやすさや生産効率の点から、種晶以外の反応前混合物に含まれるSiO2/Al2O3モル比で、通常100以下、好ましくは50以下、より好ましくは40以下、更に好ましくは30以下である。また、下限は特に限定されないが、水性ゲル中にアルミニウム原子原料を均一に溶解させる点から、通常10以上、好ましくは15以上、より好ましくは18以上、更に好ましくは20以上である。
なお、アルミニウム原子原料の使用量として示したSiO2/Al2O3モル比において、SiO2は、反応前混合物に含まれるケイ素(Si)がすべてSiO2であるとした時のSiO2のモル量であり、Al2O3は、反応前混合物に含まれるアルミニウム(Al)がすべてAl2O3であるとした時のAl2O3のモル量である。
The amount of aluminum atom raw material used, in terms of ease of preparation of the pre-reaction mixture or the aqueous gel obtained by aging the pre-reaction mixture, and production efficiency, is usually 100 or less, preferably 50 or less, more preferably 40 or less, and even more preferably 30 or less, in terms of the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio contained in the pre-reaction mixture other than the seed crystals. In addition, the lower limit is not particularly limited, but in terms of uniformly dissolving the aluminum atom raw material in the aqueous gel, it is usually 10 or more, preferably 15 or more, more preferably 18 or more, and even more preferably 20 or more.
In the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio shown as the amount of aluminum atom raw material used, SiO 2 is the molar amount of SiO 2 when all of the silicon (Si) contained in the pre-reaction mixture is assumed to be SiO 2 , and Al 2 O 3 is the molar amount of Al 2 O 3 when all of the aluminum (Al) contained in the pre-reaction mixture is assumed to be Al 2 O 3 .
<ケイ素原子原料>
本発明に用いるゼオライトを製造するために使用するケイ素原子原料としては、特に限定されず、公知の種々の物質を使用することができる。例えば、ゼオライトを使用してもよく、コロイダルシリカ、無定型シリカ、珪酸ナトリウム、トリメチルエトキシシラン、テトラエチルオルトシリケート、アルミノシリケートゲルなどを用いることができる。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の比率と組み合わせで用いてもよい。特に、FAU型ゼオライトのように、RHO型ゼオライトと共通のbuilding unitを有するアルミノシリケートゼオライトが好ましい。
ケイ素原子原料は、ケイ素原子原料に対する他の原料の使用量がそれぞれ前述ないしは後述の好適範囲となるように用いられる。
<Silicon atom source>
The silicon atom raw material used to produce the zeolite used in the present invention is not particularly limited, and various known substances can be used. For example, zeolite may be used, and colloidal silica, amorphous silica, sodium silicate, trimethylethoxysilane, tetraethylorthosilicate, aluminosilicate gel, etc. can be used. These may be used alone or in any ratio and combination of two or more. In particular, aluminosilicate zeolites having a common building unit with RHO-type zeolites, such as FAU-type zeolites, are preferred.
The silicon atom source is used so that the ratio of the amount of the other source to the amount of the silicon atom source falls within the preferred ranges described above or below.
<アルカリ金属原子原料>
ゼオライトを製造するために用いられるアルカリ金属原子原料に含まれるアルカリ金属原子は、特に限定されず、ゼオライトの合成に使用される公知のものが使用できる。アルカリ金属原子は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム及びセシウムからなる群から選ばれる1種、もしくは2種以上を用いることで、アルカリ金属イオンを存在させて結晶化させることが好ましい。このうち、特に好ましくは、ナトリウム原子とセシウム原子の両方を含んでいることである。
アルカリ金属原子原料としては、上記のアルカリ金属原子の水酸化物、酸化物、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩、塩化物、臭化物等の無機酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、クエン酸塩等の有機酸塩などを用いることができる。アルカリ金属原子原料は、1種または2種以上含まれていてもよい。
<Alkali metal atom source>
The alkali metal atoms contained in the alkali metal atom raw material used to produce zeolite are not particularly limited, and known ones used in the synthesis of zeolite can be used. The alkali metal atoms are preferably one or more selected from the group consisting of lithium, sodium, potassium, rubidium, and cesium, and are crystallized in the presence of alkali metal ions. Among these, it is particularly preferable that both sodium and cesium atoms are contained.
As the alkali metal atom source, inorganic acid salts such as hydroxides, oxides, sulfates, nitrates, phosphates, chlorides, bromides, etc., and organic acid salts such as acetates, oxalates, citrates, etc., of the above-mentioned alkali metal atoms can be used. One or more kinds of alkali metal atom sources may be contained.
アルカリ金属原子原料は、その適当量を使用することにより、後述する有機構造規定剤がアルミニウムに好適な状態で配位しやすくなり、結晶構造を作りやすくなる。アルカリ金属原子原料(R)の種晶以外の反応前混合物に含まれるケイ素(Si)に対するモル比(R/Si)は、通常0.1以上、好ましくは0.2以上、より好ましくは0.25以上、さらに好ましくは0.3以上であり、また、通常2.0以下、好ましくは1.5以下、より好ましくは1.0以下、さらに好ましくは0.8以下、特に好ましくは0.6以下、最も好ましくは0.4以下である。
なお、アルカリ金属原子原料は、アルミニウム原子原料やケイ素原子原料としてアルカリ金属原子成分を含むものを用いる場合には、これらの原料中のアルカリ金属原子成分との合計で上記R/Siの範囲内となるように用いるとよい。
By using an appropriate amount of the alkali metal atom raw material, the organic structure directing agent described later can be easily coordinated to aluminum in a suitable state, and the crystal structure can be easily formed. The molar ratio (R/Si) of the alkali metal atom raw material (R) to silicon (Si) contained in the pre-reaction mixture other than the seed crystal is usually 0.1 or more, preferably 0.2 or more, more preferably 0.25 or more, and even more preferably 0.3 or more, and is usually 2.0 or less, preferably 1.5 or less, more preferably 1.0 or less, even more preferably 0.8 or less, particularly preferably 0.6 or less, and most preferably 0.4 or less.
In addition, when an alkali metal atom source containing an alkali metal atomic component is used as an aluminum atom source or a silicon atom source, it is preferable to use the alkali metal atom source so that the total of the alkali metal atomic components in these sources falls within the above-mentioned R/Si range.
<有機構造規定剤>
ゼオライトの製造においては、有機構造規定剤(「テンプレート」とも呼称される。以下、有機構造規定剤を「OSDA」と称す場合がある。)を用いることが好ましい。有機構造規定剤は、クラウンエーテルに代表される大環状化合物が好ましく用いられる。テンプレートとしては、特に限定されるものではないが、電子供与性(ドナー)原子として酸素、窒素、硫黄などのヘテロ原子をもつ大環状化合物が好ましく、ゼオライト結晶の生成しやすさなどの点から、特に12-クラウン-4-エーテル、15-クラウン-5-エーテル、18-クラウン-6-エーテル、24-クラウン-8-エーテル、ジベンゾ-18-クラウン-6-エーテル、クリプタンド[2.2]、クリプタンド[2.2.2]が好ましい。テンプレートは1種のみを用いてもよく、2種以上を任意の比率で併用してもよい。このうち、特に好ましくは18-クラウン-6-エーテルである。
<Organic structure directing agent>
In the production of zeolite, it is preferable to use an organic structure directing agent (also called "template". Hereinafter, the organic structure directing agent may be referred to as "OSDA"). As the organic structure directing agent, a macrocyclic compound represented by crown ether is preferably used. The template is not particularly limited, but a macrocyclic compound having a heteroatom such as oxygen, nitrogen, or sulfur as an electron donor atom is preferable, and from the viewpoint of ease of formation of zeolite crystals, 12-crown-4-ether, 15-crown-5-ether, 18-crown-6-ether, 24-crown-8-ether, dibenzo-18-crown-6-ether, cryptand [2.2], and cryptand [2.2.2] are particularly preferable. Only one type of template may be used, or two or more types may be used in combination in any ratio. Among these, 18-crown-6-ether is particularly preferable.
また、テンプレートとしては、polydiallyldimethylammonium chloride(以下、PDADMAC)のような高分子を用いてもよい。この場合は、非特許文献のMicroporous and Mesoporous Materials 132 (2010) 352-356に記載されているように、アルカリ金属としてセシウムを使用しなくてもRHO型ゼオライトを合成することができる。
これらの有機構造規定剤を用いる場合は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の比率と組み合わせで用いてもよい。
Alternatively, a polymer such as polydiallyldimethylammonium chloride (hereinafter, PDADMAC) may be used as the template. In this case, as described in the non-patent literature Microporous and Mesoporous Materials 132 (2010) 352-356, it is possible to synthesize an RHO-type zeolite without using cesium as an alkali metal.
When these organic structure directing agents are used, one kind may be used alone, or two or more kinds may be used in any ratio and combination.
有機構造規定剤を用いる場合の使用量は、結晶の生成しやすさの観点から、種晶以外の原料混合物に含まれるケイ素(Si)に対するモル比で、通常0.01以上、好ましくは0.03以上、より好ましくは0.05以上、更に好ましくは0.08以上、とり分け好ましくは0.10以上である。また、コストダウンの効果を十分得るために、通常1以下、好ましくは0.8以下、より好ましくは0.5以下、更に好ましくは0.3以下、とり分け好ましくは0.2以下である。なお、Molecular Sieves, Adv. Chem. Ser., 121 (1973), 106頁のように有機構造規定剤を使用しなくても、RHO型ゼオライトを得ることはできる。 When an organic structure directing agent is used, the molar ratio of the organic structure directing agent to the silicon (Si) contained in the raw material mixture other than the seed crystals is usually 0.01 or more, preferably 0.03 or more, more preferably 0.05 or more, even more preferably 0.08 or more, and especially preferably 0.10 or more, from the viewpoint of ease of crystal formation. Also, in order to obtain a sufficient cost reduction effect, the molar ratio is usually 1 or less, preferably 0.8 or less, more preferably 0.5 or less, even more preferably 0.3 or less, and especially preferably 0.2 or less. Incidentally, as shown in Molecular Sieves, Adv. Chem. Ser., 121 (1973), p. 106, it is possible to obtain RHO-type zeolite without using an organic structure directing agent.
<水>
水の使用量は、原料ゲルの混練性や結晶が生成しやすいという観点から、種晶として添加するゼオライト以外の原料混合物に含まれるケイ素(Si)に対するモル比で、通常1以上、好ましくは3以上、より好ましくは5以上、更に好ましくは7以上、とりわけ好ましくは10以上である。この範囲にすると、結晶がより生成しやすく好ましい。また、廃液処理にかかるコストダウンの効果を十分得るために、通常100モル以下、好ましくは80以下、より好ましくは50以下、更に好ましくは25以下、とりわけ好ましくは15以下がよい。
<Water>
From the viewpoint of kneadability of the raw material gel and ease of crystal formation, the amount of water used is, in terms of a molar ratio to silicon (Si) contained in the raw material mixture other than the zeolite added as seed crystals, usually 1 or more, preferably 3 or more, more preferably 5 or more, even more preferably 7 or more, and particularly preferably 10 or more. This range is preferable because it makes crystal formation easier. In addition, in order to fully obtain the effect of reducing the cost of waste liquid treatment, the amount of water used is usually 100 moles or less, preferably 80 or less, more preferably 50 or less, even more preferably 25 or less, and particularly preferably 15 or less.
<種晶>
本発明に用いるゼオライトを製造するために種晶を用いてもよい。本発明で種晶として用いるゼオライトは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の比率と組み合わせで用いてもよい。
種晶を用いる場合の量は、反応速度を速め、不純物の生成を抑制する点では多いことが好ましい。そこで、種晶として添加するゼオライト以外の原料混合物に含まれるケイ素(Si)がすべてSiO2であるとした時のSiO2に対して、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.5質量%以上、さらに好ましくは1.0質量%以上、特に好ましくは1.5質量%以上、最も好ましくは2.0質量%以上である。また、本発明で添加するゼオライトの使用量の上限は、特に限定されないが、コストダウンの効果を十分得るために、通常10質量%以下、好ましくは8質量%以下、より好ましくは5質量%以下、更に好ましくは3質量%以下である。
<Seed crystal>
Seed crystals may be used to produce the zeolite used in the present invention. The zeolite used as the seed crystal in the present invention may be one type alone or two or more types in any ratio and combination.
The amount of seed crystals used is preferably large in terms of accelerating the reaction rate and suppressing the generation of impurities. Therefore, the amount of zeolite added as seed crystals is preferably 0.1 mass% or more, more preferably 0.5 mass% or more, even more preferably 1.0 mass% or more, particularly preferably 1.5 mass% or more, and most preferably 2.0 mass% or more, based on the SiO 2 when all silicon (Si) contained in the raw material mixture other than the zeolite added as seed crystals is SiO 2. The upper limit of the amount of zeolite added in the present invention is not particularly limited, but in order to fully obtain the effect of reducing costs, it is usually 10 mass% or less, preferably 8 mass% or less, more preferably 5 mass% or less, and even more preferably 3 mass% or less.
種晶として用いるゼオライトは、ゼオライトであれば特に限定はされない。結晶構造を構成するbuilding unitに少なくともd8r及びltaの少なくとも何れかを含むゼオライトが好ましく、少なくともltaを含むゼオライトがより好ましく、両方含むゼオライトが更に好ましい。また、結晶構造を構成するbuilding unitのゼオライトが好ましく、RHO型ゼオライトを製造する場合、RHO型が最も好ましい。d8rを含むゼオライトは、MER型、SBE型、PAU型、RHO型、TSC型などが挙げられる。ltaを含むゼオライトは、KFI型、LTA型、LTN型、UFI型、MWF型、PAU型、RHO型、TSC型などが挙げられる。そして、両方を含むゼオライトは、PAU型、RHO型、TSC型などが挙げられる。 The zeolite used as the seed crystal is not particularly limited as long as it is a zeolite. Zeolites containing at least one of d8r and lta in the building units constituting the crystal structure are preferred, zeolites containing at least lta are more preferred, and zeolites containing both are even more preferred. Zeolites containing building units constituting the crystal structure are preferred, and when producing RHO-type zeolites, RHO-type is most preferred. Zeolites containing d8r include MER-type, SBE-type, PAU-type, RHO-type, and TSC-type. Zeolites containing lta include KFI-type, LTA-type, LTN-type, UFI-type, MWF-type, PAU-type, RHO-type, and TSC-type. Zeolites containing both include PAU-type, RHO-type, and TSC-type.
種晶として用いるゼオライトは、水熱合成後に焼成を行っていない未焼成品でも水熱合成後に焼成を行った焼成品でもよいが、ゼオライトが結晶の核としての機能が発現しやすくするためには、アルカリに対して溶解しにくい方がよいため、未焼成品が好ましい。ただし、原料混合物中の組成あるいは温度条件によっては、未焼成のゼオライトが溶解し難く、結晶の核としての機能を発現し難い場合がある。このような場合、溶解性を高くするため、焼成によりOSDAを除去したゼオライトを用いることが好ましい。 The zeolite used as the seed crystals may be uncalcined, that is, not calcined after hydrothermal synthesis, or calcined after hydrothermal synthesis. However, in order for the zeolite to function as a crystal nucleus, it is better for it to be less soluble in alkali, and therefore uncalcined zeolite is preferred. However, depending on the composition or temperature conditions in the raw material mixture, uncalcined zeolite may be less soluble and less likely to function as a crystal nucleus. In such cases, it is preferable to use zeolite from which the OSDA has been removed by calcination in order to increase solubility.
<原料の混合>
ゼオライトの製造方法においては、通常、各原料を混合した後に水熱合成する。
原料の混合順序は、特に限定はないが、アルカリ溶液を調製した後に、ケイ素原子原料、アルミニウム原子原料を添加した方が、より均一に原料が溶解しやすい点から好ましい。具体的には、水及びアルカリ金属原子原料を混合し、あるいは、有機構造規定剤を使用する場合には、水、アルカリ金属原子原料、及び有機構造規定剤を混合してアルカリ金属水溶液を調製した後、これにアルミニウム原子原料及びケイ素原子原料を添加し、あるいは、アルミニウム原子原料及びケイ素原子原料をこの順番で添加することにより混合することが好ましい。また、種晶を使用する場合には、アルミニウム原子原料及びケイ素原子原料を添加した後にさらに種晶を添加することが好ましい。
<Mixing of ingredients>
In the method for producing zeolite, the raw materials are usually mixed and then hydrothermally synthesized.
The order of mixing the raw materials is not particularly limited, but it is preferable to add the silicon atom raw material and the aluminum atom raw material after preparing the alkaline solution, since the raw materials are more easily dissolved uniformly. Specifically, it is preferable to mix water and the alkali metal atom raw material, or, when an organic structure directing agent is used, to prepare an alkali metal aqueous solution by mixing water, an alkali metal atom raw material, and an organic structure directing agent, and then add the aluminum atom raw material and the silicon atom raw material to it, or to add the aluminum atom raw material and the silicon atom raw material in this order to mix them. In addition, when a seed crystal is used, it is preferable to add the seed crystal after adding the aluminum atom raw material and the silicon atom raw material.
<クラウンエーテル-アルカリ水溶液の調製>
有機構造規定剤として、クラウンエーテルを用いる場合、上記のとおり、水、アルカリ金属原子原料、及び有機構造規定剤としてのクラウンエーテルを混合して、クラウンエーテル-アルカリ水溶液を調製するとよい。その際、各原料の混合順序は制限がなく、用いる条件により適宜選択すればよいが、通常は、まず水にアルカリ金属原子原料を溶解し、その後、クラウンエーテルを添加して混合する。この際、室温で混合してもよいが、原料が溶解しやすくするために、混合温度は、通常50℃以上、好ましくは60℃以上、より好ましくは80℃以上がよい。また、その上限に関しては、特に限定されないが、通常200℃以下、好ましくは150℃以下、特に好ましくは100℃以下がよい。なお、室温とは、実験室内で厳密な温度管理をしない状態に置いたときの温度である。
<Preparation of crown ether-alkali aqueous solution>
When a crown ether is used as the organic structure directing agent, as described above, water, an alkali metal atom raw material, and a crown ether as an organic structure directing agent may be mixed to prepare a crown ether-alkali aqueous solution. In this case, the order of mixing the raw materials is not limited and may be appropriately selected depending on the conditions used, but usually, the alkali metal atom raw material is first dissolved in water, and then the crown ether is added and mixed. In this case, mixing may be performed at room temperature, but in order to make the raw materials easily dissolve, the mixing temperature is usually 50° C. or higher, preferably 60° C. or higher, and more preferably 80° C. or higher. In addition, the upper limit is not particularly limited, but is usually 200° C. or lower, preferably 150° C. or lower, and particularly preferably 100° C. or lower. Note that room temperature refers to the temperature when the material is placed in a laboratory without strict temperature control.
ゼオライト結晶の生成しやすさの点から、クラウンエーテル-アルカリ水溶液中のクラウンエーテルの濃度は、3.0質量%以上であることが好ましく、5.0質量%以上であることがより好ましく、また、一方で、80質量%以下であることが好ましく、60質量%以下であることがより好ましい。 From the viewpoint of the ease of forming zeolite crystals, the concentration of crown ether in the crown ether-alkali aqueous solution is preferably 3.0% by mass or more, more preferably 5.0% by mass or more, and on the other hand, it is preferably 80% by mass or less, more preferably 60% by mass or less.
クラウンエーテル-アルカリ水溶液は、アルミニウム原子原料及びケイ素原子原料を実質的に含有しないことが好ましい。ここで、「実質的に含有しない」とは、クラウンエーテル-アルカリ水溶液中の含有量が0.1質量%以下であることが好ましく、全く含有しないことがより好ましい。 It is preferable that the crown ether-alkali aqueous solution does not substantially contain aluminum atom raw materials and silicon atom raw materials. Here, "substantially does not contain" preferably means that the content in the crown ether-alkali aqueous solution is 0.1 mass% or less, and more preferably, no raw materials are contained at all.
なお、ゼオライトの製造においては、上記の物質以外に、ゼオライトの合成を助けるための成分となる補助剤、例えば、反応を促進させたる酸成分、ポリアミンのような金属の安定化剤などの添加剤を必要に応じて、任意の工程で添加混合して、反応前混合物を調製してもよい。 In addition to the above substances, in the production of zeolite, additives such as auxiliary agents that aid in the synthesis of zeolite, for example, acid components that promote the reaction, and metal stabilizers such as polyamines, may be added and mixed at any step as necessary to prepare a pre-reaction mixture.
<熟成>
上記のようにして調製された反応前混合物は、調製後直ちに水熱合成してもよいが、不純物の少ない、または高い結晶性を有するRHO型ゼオライトを得るために、所定の温度条件下で一定時間熟成することが好ましい。熟成温度は、通常100℃以下、好ましくは80℃以下、より好ましくは50℃以下であり、その下限は特に設けないが、通常0℃以上、好ましくは10℃以上である。熟成温度は、熟成中一定でもよいし、段階的又は連続的に変化させてもよい。熟成時間は、特に限定されないが、通常2時間以上、好ましくは3時間以上、更に好ましくは5時間以上、より好ましくは10時間以上、特に好ましくは12時間以上であり、また、一方で、通常10日以下、好ましくは5日以下、より好ましくは2日以下、更に好ましくは1日以下である。
<Aging>
The pre-reaction mixture prepared as described above may be hydrothermally synthesized immediately after preparation, but in order to obtain an RHO zeolite with few impurities or high crystallinity, it is preferable to age it for a certain period of time under a predetermined temperature condition. The aging temperature is usually 100° C. or less, preferably 80° C. or less, more preferably 50° C. or less, and although there is no particular lower limit, it is usually 0° C. or more, preferably 10° C. or more. The aging temperature may be constant during aging, or may be changed stepwise or continuously. The aging time is not particularly limited, but is usually 2 hours or more, preferably 3 hours or more, more preferably 5 hours or more, more preferably 10 hours or more, and particularly preferably 12 hours or more, and on the other hand, it is usually 10 days or less, preferably 5 days or less, more preferably 2 days or less, and even more preferably 1 day or less.
<水熱合成>
水熱合成は、通常、上記のようにして得られた反応前混合物を耐圧容器に入れ、自己発生圧力下、又は結晶化を阻害しない程度の気体加圧下で、撹拌下、又は、容器を回転ないしは揺動させながら、或いは静置状態で、所定温度を保持することにより行われる。
水熱合成の温度は、通常110℃以上、200℃以下であるが、好ましくは190℃以下、より好ましくは180℃以下、更に好ましくは170℃以下である。反応時間は、特に限定されないが、通常5時間以上、好ましくは10時間以上、より好ましくは12時間以上、更に好ましくは1日以上であり、また、一方で、通常10日以下、好ましくは6日以下、より好ましくは5日以下、更に好ましくは4日以下、とりわけ好ましくは3日以下である。反応温度は、反応中一定でもよいし、段階的又は連続的に変化させてもよい。
以上説明したゼオライトの製造方法は、目的とするゼオライトの収率が向上し、異なるタイプのゼオライトが生成し難くなるため好ましい。
<Hydrothermal synthesis>
Hydrothermal synthesis is usually carried out by placing the pre-reaction mixture obtained as described above in a pressure-resistant container and maintaining a predetermined temperature under self-generated pressure or under gas pressure to an extent that does not inhibit crystallization, while stirring, rotating or rocking the container, or leaving it still.
The temperature of the hydrothermal synthesis is usually 110° C. or higher and 200° C. or lower, but is preferably 190° C. or lower, more preferably 180° C. or lower, and even more preferably 170° C. or lower. The reaction time is not particularly limited, but is usually 5 hours or higher, preferably 10 hours or higher, more preferably 12 hours or higher, and even more preferably 1 day or higher, and on the other hand, is usually 10 days or lower, preferably 6 days or lower, more preferably 5 days or lower, even more preferably 4 days or lower, and especially preferably 3 days or lower. The reaction temperature may be constant during the reaction, or may be changed stepwise or continuously.
The above-described method for producing zeolite is preferable because it improves the yield of the target zeolite and makes it difficult for a different type of zeolite to be produced.
<ゼオライトの回収>
水熱合成後、生成したゼオライトを、反応液より分離する。得られたゼオライト(以下、「OSDA等含有ゼオライト」と称する場合がある。)は、通常、細孔内にアルカリ金属原子を含有している。また、有機構造規定剤を用いた場合は、これも細孔内に含有している。反応液からのOSDA等含有ゼオライトの分離方法は、特に限定されないが、通常、濾過、デカンテーション、又は直接乾燥等の方法が挙げられる。
反応液から分離されたOSDA等含有ゼオライトは、有機構造規定剤等を除去するために、必要に応じて水洗、乾燥した後、焼成等を行うことにより、有機構造規定剤等を含有しないゼオライトを得ることができる。なお、後述する吸着材としては、これらを除去した後のゼオライトを使用することが好ましい。
<Zeolite Recovery>
After the hydrothermal synthesis, the produced zeolite is separated from the reaction solution. The obtained zeolite (hereinafter, sometimes referred to as "OSDA-containing zeolite") usually contains alkali metal atoms in the pores. When an organic structure-directing agent is used, it is also contained in the pores. The method for separating the OSDA-containing zeolite from the reaction solution is not particularly limited, but typically includes filtration, decantation, direct drying, and the like.
The OSDA etc.-containing zeolite separated from the reaction solution is washed with water, dried, and then calcined, if necessary, in order to remove the organic structure-directing agent etc., to obtain a zeolite that does not contain the organic structure-directing agent etc. Note that it is preferable to use the zeolite from which these have been removed as the adsorbent described below.
<OSDA等含有ゼオライトからの有機構造規定剤等の除去>
OSDA含有ゼオライトからの有機構造規定剤等を除去する方法としては、生産性の点で、焼成による除去が好ましい。焼成温度は、好ましくは300℃以上、より好ましくは400℃以上、さらに好ましくは450℃以上であり、とりわけ好ましくは500℃以上であり、また、一方で、好ましくは800℃以下、より好ましくは700℃以下、さらに好ましくは600℃以下である。雰囲気は、酸素を含むガスが好ましいが、不活性ガスである窒素などを用いて炭化してもよい。
ゼオライトの製造方法においては、原料の選択し、その比率等を調整することにより、所望の結晶型でSiO2/Al2O3モル比等を有するゼオライトを製造することができる。
<Removal of organic structure-directing agents, etc. from zeolite containing OSDA, etc.>
As a method for removing the organic structure directing agent from the OSDA-containing zeolite, removal by calcination is preferred from the viewpoint of productivity. The calcination temperature is preferably 300° C. or higher, more preferably 400° C. or higher, even more preferably 450° C. or higher, and particularly preferably 500° C. or higher, and on the other hand, is preferably 800° C. or lower, more preferably 700° C. or lower, and even more preferably 600° C. or lower. The atmosphere is preferably a gas containing oxygen, but carbonization may be performed using an inert gas such as nitrogen.
In the method for producing zeolite, by selecting raw materials and adjusting the ratio thereof, etc., it is possible to produce a zeolite having a desired crystal type and a desired SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio, etc.
(ゼオライトのカウンターカチオン種)
貴金属の担持処理がなされる前のゼオライトが保有するカウンターカチオンとしては、特に限定はされないが、好ましくは、ナトリウムカチオン等のアルカリカチオン、アンモニウムカチオン、及びプロトンである。イオン半径の小さいカチオンの方がイオン交換反応は進行しやすい。一方、プロトンは、イオン交換後に液中で酸として存在するとゼオライトの構造を不安定にすることがあるため、より好ましくはナトリウムカチオン及びアンモニウムカチオンであり、特に好ましくはアンモニウムカチオンである。
(Zeolite counter cation species)
The counter cation held by the zeolite before the precious metal loading treatment is not particularly limited, but is preferably an alkali cation such as sodium cation, an ammonium cation, or a proton. The ion exchange reaction proceeds more easily with a cation having a smaller ionic radius. On the other hand, if a proton exists as an acid in the liquid after ion exchange, it may destabilize the structure of the zeolite, so that sodium cation and ammonium cation are more preferable, and ammonium cation is particularly preferable.
ゼオライトは、貴金属を担持させる前にイオン交換処理を行うことで、ゼオライトが保有するカウンターカチオンの種類を変更できる。例えば、アルカリ金属原子原料、アルミニウム原子原料、ケイ素原子原料、有機構造規定剤、及び本発明で添加するゼオライトに含まれるアルカリ金属原子由来のアルカリ金属部分を、プロトン型やアンモニウム型に変換して用いることもでき、その方法は公知の技術を採用することができる。例えば、NH4NO3、NaNO3などのアンモニウム塩あるいは塩酸などの酸で、通常、室温から100℃で処理後、水洗する方法などにより行うことができる。 Zeolite can be subjected to ion exchange treatment before carrying a precious metal, thereby changing the type of counter cation held by the zeolite. For example, the alkali metal atom source, aluminum atom source, silicon atom source, organic structure directing agent, and alkali metal portion derived from the alkali metal atom contained in the zeolite added in the present invention can be converted to a proton type or an ammonium type and used, and a known technique can be adopted for this method. For example, this can be done by treating with an ammonium salt such as NH 4 NO 3 or NaNO 3 or an acid such as hydrochloric acid at room temperature to 100° C., followed by washing with water.
<貴金属を担持する方法>
上記のように製造されたアルミノシリケートゼオライトは、貴金属を担持させることにより貴金属を含有させるとよい。貴金属を担持させる際に使用する貴金属原料としては、貴金属を含む酸化物、水酸化物、硫酸塩、硝酸塩、塩化物、臭化物等の無機酸塩、酢酸塩等の有機酸塩などが挙げられる。
ゼオライトに貴金属を担持させる方法は、具体的には、含浸担持法、液相イオン交換法、固相イオン交換法、沈殿担持法、CVD法、噴霧乾燥法などが挙げられる。また、液相イオン交換法、あるいは固相イオン交換法で担持した後に、含浸法による担持を組み合わせてもよい。
上記の中では、好ましくは、固相イオン交換法、含浸担持法、噴霧乾燥法、特に好ましくは含浸担持法により、ゼオライトに貴金属を担持させることが好ましい。
<Method of supporting precious metal>
The aluminosilicate zeolite produced as described above may contain a precious metal by supporting the precious metal. Examples of the precious metal raw material used for supporting the precious metal include inorganic acid salts such as oxides, hydroxides, sulfates, nitrates, chlorides, and bromides containing the precious metal, and organic acid salts such as acetates.
Specific examples of methods for supporting a precious metal on a zeolite include impregnation support, liquid phase ion exchange, solid phase ion exchange, precipitation support, CVD, spray drying, etc. In addition, after supporting by the liquid phase ion exchange or solid phase ion exchange, supporting by the impregnation method may be combined.
Of the above methods, it is preferable to support the precious metal on the zeolite by the solid phase ion exchange method, the impregnation support method, or the spray drying method, and it is particularly preferable to support the precious metal on the zeolite by the impregnation support method.
(含浸担持法)
含浸担持法に用いる溶媒は、貴金属原料が溶解すれば水であっても有機溶媒であってもよいが、通常は水が好ましい。含浸担持処理に用いる溶媒の量は、ゼオライトに対する質量比で決めればよい。一般的には、水の量が少ない方がイオン交換処理後の廃液量が少なくて済むため、ゼオライトに対する質量比で100以下が好ましく、50以下がより好ましく、25以下がさらに好ましく、20以下が特に好ましく、15以下が殊更に好ましく、10以下が最も好ましい。一方、撹拌しやすく均一な含浸担持を行いやすいことから、通常は、ゼオライトに対する質量比で1以上であり、好ましくは3以上であり、より好ましくは5以上であり、更に好ましくは7以上であり、特に好ましくは9以上である。
(Impregnation support method)
The solvent used in the impregnation support method may be water or an organic solvent as long as the precious metal raw material dissolves therein, but water is usually preferred. The amount of the solvent used in the impregnation support treatment may be determined by the mass ratio to the zeolite. In general, the smaller the amount of water, the smaller the amount of waste liquid after the ion exchange treatment, so the mass ratio to the zeolite is preferably 100 or less, more preferably 50 or less, even more preferably 25 or less, particularly preferably 20 or less, especially preferably 15 or less, and most preferably 10 or less. On the other hand, since it is easy to stir and to perform uniform impregnation support, the mass ratio to the zeolite is usually 1 or more, preferably 3 or more, more preferably 5 or more, even more preferably 7 or more, and particularly preferably 9 or more.
含浸担持処理は、通常、溶媒に貴金属原料を溶解することにより、ゼオライトを加えたスラリー液を調製し、これに減圧加熱処理を行うことにより有機溶媒を除去することにより行う。加熱温度は、溶媒が気化する条件であればよく、圧力によっても変わるが、通常、100℃以下で行われ、80℃以下が好ましく、70℃以下がより好ましく、60℃以下が更に好ましい。一方、溶媒が気化しやすいことから、通常は0℃以上で行われるが、10℃以上が好ましく、15℃以上がより好ましく、20℃以上が更に好ましく、30℃以上が特に好ましい。 The impregnation process is usually carried out by dissolving the precious metal raw material in a solvent to prepare a slurry liquid to which zeolite has been added, and then carrying out a reduced pressure heating process to remove the organic solvent. The heating temperature may be any temperature that allows the solvent to evaporate, and varies depending on the pressure, but is usually carried out at 100°C or lower, preferably 80°C or lower, more preferably 70°C or lower, and even more preferably 60°C or lower. On the other hand, since the solvent is easily evaporated, it is usually carried out at 0°C or higher, preferably 10°C or higher, more preferably 15°C or higher, even more preferably 20°C or higher, and particularly preferably 30°C or higher.
含浸担持処理において溶媒を除去した後、再び溶媒を加えて再度除去する工程を繰り返し行うことにより、より均一に貴金属をゼオライト表面に担持させることができる。そのため、溶媒添加と溶媒除去を処理する工程の回数は特に限定されることはなく、目的とする効果が得られるまで処理を繰り返してよい。 In the impregnation support process, after removing the solvent, the process of adding and removing the solvent again is repeated, so that the precious metal can be supported more uniformly on the zeolite surface. Therefore, there is no particular limit to the number of times the solvent addition and solvent removal processes are performed, and the process may be repeated until the desired effect is obtained.
(水蒸気処理)
表面に含浸担持された貴金属は、通常、その多くが酸化物としてゼオライト表面近傍に担持されている。そのため、ゼオライトの細孔内に貴金属カチオンとして担持するためには、水蒸気処理を行うことが好ましい。水蒸気処理温度は、高い方がより効果的に細孔内に貴金属カチオンを分散させることができるため、好ましくは500℃以上、より好ましくは600℃以上、更に好ましくは650℃以上、特に好ましくは700℃以上、最も好ましくは750℃以上である。一方、ゼオライト酸点のAlの脱離による構造破壊が起こり難い点では低温が好ましく、900℃以下が好ましく、より好ましくは875℃以下、更に好ましくは850℃以下、特に好ましくは825℃以下、最も好ましくは800℃以下である。
(Steam treatment)
The precious metal impregnated and supported on the surface is usually supported in the vicinity of the zeolite surface as an oxide. Therefore, in order to support the precious metal cation in the pores of the zeolite, it is preferable to perform steam treatment. The higher the steam treatment temperature, the more effectively the precious metal cation can be dispersed in the pores, so that the steam treatment temperature is preferably 500°C or higher, more preferably 600°C or higher, even more preferably 650°C or higher, particularly preferably 700°C or higher, and most preferably 750°C or higher. On the other hand, a low temperature is preferable in terms of preventing structural destruction due to the detachment of Al from the zeolite acid site, and is preferably 900°C or lower, more preferably 875°C or lower, even more preferably 850°C or lower, particularly preferably 825°C or lower, and most preferably 800°C or lower.
水蒸気処理において、処理ガス中に含まれる水の濃度は、高い方がより効果的に細孔内に貴金属カチオンを分散させることができるため、好ましくは1体積%以上、より好ましくは5体積%以上、更に好ましくは8体積%以上、特に好ましくは10体積%以上、最も好ましくは20体積%以上である。一方、ゼオライト酸点のAlの脱離による構造破壊が起こり難い点からは、低いことが好ましいため、水の濃度は、100体積%以下が好ましく、90体積%以下がより好ましく、80体積%以下が更に好ましく、70体積%以下がとりわけ好ましく、60体積%以下が特に好ましく、50体積%以下が最も好ましい。
水蒸気処理ガスの接触条件は、特に限定されるものではないが、空間速度(SV)で通常100/h以上、好ましくは1000/h以上であり、また、一方で、通常500000/h以下、好ましくは300000/h以下、より好ましくは100000/h以下である。
水蒸気処理の時間は、温度や水蒸気濃度、SV等の因子によって変わるため、条件によっては最適時間が変わるが、通常、1時間以上、より好ましくは3時間以上、更に好ましくは5時間以上である。また、水蒸気処理の時間の上限は、特に限定されないが、例えば24時間である。
In the steam treatment, the higher the concentration of water contained in the treatment gas, the more effectively the precious metal cations can be dispersed in the pores, so it is preferably 1 vol% or more, more preferably 5 vol% or more, even more preferably 8 vol% or more, particularly preferably 10 vol% or more, and most preferably 20 vol% or more. On the other hand, a low concentration is preferable from the viewpoint of preventing structural destruction due to desorption of Al from the zeolite acid sites, so the water concentration is preferably 100 vol% or less, more preferably 90 vol% or less, even more preferably 80 vol% or less, particularly preferably 70 vol% or less, particularly preferably 60 vol% or less, and most preferably 50 vol% or less.
The contact conditions for the steam treatment gas are not particularly limited, but the space velocity (SV) is usually 100/h or more, preferably 1000/h or more, and on the other hand, usually 500,000/h or less, preferably 300,000/h or less, more preferably 100,000/h or less.
The time for the water vapor treatment varies depending on factors such as temperature, water vapor concentration, SV, etc., and therefore the optimal time varies depending on the conditions, but is usually 1 hour or more, more preferably 3 hours or more, and even more preferably 5 hours or more. The upper limit of the time for the water vapor treatment is not particularly limited, but is, for example, 24 hours.
また、ゼオライトは、貴金属の含浸担持後に、焼成を行ってもよい。具体的には、ゼオライトは、好ましくは300℃~900℃、より好ましくは350℃~850℃、さらに好ましくは400℃~800℃で、1秒~24時間、好ましくは10秒~8時間、さらに好ましくは30分~5時間程度焼成してもよい。この焼成は、必ずしも必要ではないが、焼成を行うことにより、ゼオライトの骨格構造に担持させた貴金属の分散性を高めることができ、吸着能力の向上に有効である。焼成は、例えば、上記水蒸気処理の前に行うとよい。 The zeolite may be calcined after impregnation with the precious metal. Specifically, the zeolite may be calcined at preferably 300°C to 900°C, more preferably 350°C to 850°C, and even more preferably 400°C to 800°C for 1 second to 24 hours, preferably 10 seconds to 8 hours, and even more preferably 30 minutes to 5 hours. Although this calcination is not necessarily required, calcination can increase the dispersibility of the precious metal supported in the zeolite framework, and is effective in improving the adsorption capacity. Calcination may be performed, for example, before the steam treatment.
ただし、ゼオライトに貴金属を含有させる方法は、アルミノシリケートゼオライトを合成後に、貴金属を担持させる方法に限定されず、他の方法で行ってもよい。例えば、前述の水熱合成前に貴金属(単体でも化合物でもよい)を加えることにより、貴金属を含有させたゼオライトを直接合成してもよい。 However, the method of incorporating a precious metal into zeolite is not limited to the method of supporting a precious metal after synthesizing an aluminosilicate zeolite, and other methods may be used. For example, a precious metal (which may be a simple substance or a compound) may be added before the hydrothermal synthesis described above to directly synthesize a zeolite incorporating a precious metal.
[用途]
本発明の複合材の用途は、特に制限はなく、触媒、吸着材、分離材料などとして、好適に用いられる。本発明の複合材は、窒素酸化物の吸着材として用いることがより好ましい。
[Application]
The use of the composite material of the present invention is not particularly limited, and it is preferably used as a catalyst, an adsorbent, a separation material, etc. It is more preferable to use the composite material of the present invention as an adsorbent for nitrogen oxides.
<窒素酸化物吸着材>
窒素酸化物吸着材は、上記した複合材を備えるものである。窒素酸化物吸着材は、上記した複合材単体からなるものでもよいが、複合材に加え、例えば、シリカ、アルミナ、粘土鉱物等のバインダー等を含んでもよい。
例えば、窒素酸化物吸着材は、上記複合材に必要に応じてバインダーを混合し、造粒し、また所定の形状に成形したものでもよく、好ましくは、ハニカム状に成形して用いる。
<Nitrogen oxide adsorbent>
The nitrogen oxide adsorbent includes the above-mentioned composite material. The nitrogen oxide adsorbent may be composed of the above-mentioned composite material alone, or may include a binder such as silica, alumina, or a clay mineral in addition to the composite material.
For example, the nitrogen oxide adsorbent may be prepared by mixing the above composite material with a binder as required, granulating the mixture, and molding the mixture into a predetermined shape, preferably a honeycomb shape.
本発明の窒素酸化物吸着材を成形によって得る場合、通常、貴金属及びゼオライトを含む複合材を、シリカ、アルミナ等の無機バインダーやアルミナ繊維、ガラス繊維等の無機繊維と混練し、押出法や圧縮法等により成形を行い、引き続き焼成を行うことにより得ることができ、好ましくは、この際にハニカム形状に成形することにより、ハニカム状の吸着材を得ることができる。 When the nitrogen oxide adsorbent of the present invention is obtained by molding, it can usually be obtained by kneading a composite material containing a precious metal and zeolite with an inorganic binder such as silica or alumina, or inorganic fibers such as alumina fiber or glass fiber, molding the mixture by an extrusion method or compression method, and then firing the mixture. Preferably, the mixture is molded into a honeycomb shape at this time to obtain a honeycomb-shaped adsorbent.
また、窒素酸化物吸着材は、塗布法により得てもよい。窒素酸化物吸着材を塗布法によって得る場合、通常、本発明の貴金属及びゼオライトを含む複合材とシリカ、アルミナ等の無機バインダーとを混合し、スラリーを作製し、これをコージェライト等の無機物で作製された成形体の表面に塗布し、焼成することにより作製され、好ましくは、この際にハニカム形状の成形体に塗布することにより、ハニカム状の吸着材を得ることができる。なお、ここでは、後述する排ガス処理用吸着材を例に説明しているため、無機バインダーを用いているが、用途や使用条件によっては有機バインダーを用いてもよい。 The nitrogen oxide adsorbent may also be obtained by a coating method. When the nitrogen oxide adsorbent is obtained by a coating method, it is usually produced by mixing the composite material containing the precious metal and zeolite of the present invention with an inorganic binder such as silica or alumina to produce a slurry, which is then coated on the surface of a molded body made of an inorganic substance such as cordierite, and then sintered. Preferably, the slurry is coated on a honeycomb-shaped molded body at this time, thereby producing a honeycomb-shaped adsorbent. Note that an inorganic binder is used here because an adsorbent for exhaust gas treatment, which will be described later, is used as an example, but an organic binder may be used depending on the application and conditions of use.
本発明の複合材を窒素酸化物吸着材として用いる場合、通常、吸着された窒素酸化物は、吸着後に無害化される。エンジンシステムの中で用いる場合は、本発明の複合材は、SCR触媒よりも前段に設置すればよく、パーティクルフィルターよりも前段に設置してもよく、酸化触媒よりも前段に設置してもよい。また、本発明の窒素酸化物吸着材を酸化触媒に混ぜて設置してもよい。 When the composite material of the present invention is used as a nitrogen oxide adsorbent, the adsorbed nitrogen oxides are usually rendered harmless after adsorption. When used in an engine system, the composite material of the present invention may be installed in a stage preceding the SCR catalyst, or in a stage preceding the particle filter, or in a stage preceding the oxidation catalyst. The nitrogen oxide adsorbent of the present invention may also be mixed with the oxidation catalyst and installed.
本発明の複合材を窒素酸化物の吸着材に用いる場合、通常、本発明の複合材を、窒素酸化物を含有する気体と接触させることにより、該気体中に含まれる窒素酸化物を吸着させる。処理対象の気体には、窒素酸化物以外の成分が含まれていてもよく、例えば、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、窒素、酸素、硫黄酸化物、水などが含まれていてもよい。
本発明の吸着材は、水を含有する気体を処理する場合に優れた窒素酸化物の吸着能を発現する。本発明の複合材を用いた窒素酸化物の吸着は、具体的には、ディーゼル自動車、ガソリン自動車、定置発電・船舶・農業機械・建設機械・二輪車・航空機用の各種ディーゼルエンジン、ボイラー、ガスタービン等から排出される多種多様の排ガスに含まれる窒素酸化物の吸着に適用することができる。
When the composite material of the present invention is used as an adsorbent for nitrogen oxides, the composite material of the present invention is usually brought into contact with a gas containing nitrogen oxides to adsorb the nitrogen oxides contained in the gas. The gas to be treated may contain components other than nitrogen oxides, such as hydrocarbons, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, nitrogen, oxygen, sulfur oxides, water, etc.
The adsorbent of the present invention exhibits excellent nitrogen oxide adsorption ability when treating a gas containing water. Specifically, the adsorption of nitrogen oxides using the composite material of the present invention can be applied to the adsorption of nitrogen oxides contained in a wide variety of exhaust gases emitted from various diesel engines, boilers, gas turbines, etc. for diesel automobiles, gasoline automobiles, stationary power generation, ships, agricultural machinery, construction machinery, motorcycles, and aircraft.
また、本発明の吸着材は、低温環境下において水を含有する気体を処理する際に、特に優れた窒素酸化物の吸着能を発現する。したがって、吸着材は、例えば20~110℃の気体を処理するのに使用され、これら低温度域において窒素酸化物を吸着するとよい。また、吸着材は、吸着後に低温度域より高い温度(例えば、110℃より高い温度)環境下に置かれ、それにより、吸着した窒素酸化物を放出してもよい。 The adsorbent of the present invention also exhibits particularly excellent nitrogen oxide adsorption ability when treating gas containing water in a low-temperature environment. Therefore, the adsorbent may be used to treat gas at, for example, 20 to 110°C, and adsorb nitrogen oxides in this low temperature range. After adsorption, the adsorbent may also be placed in an environment with a higher temperature than the low temperature range (for example, a temperature higher than 110°C), thereby releasing the adsorbed nitrogen oxides.
<窒素酸化物除去装置>
本発明の複合材(窒素酸化物吸着材)は、窒素酸化物を除去する装置(窒素酸化物除去装置)として使用できる。窒素酸化物除去装置は、少なくとも上記複合材を備え、複合材は、例えば、装置内を流通しかつ水及び窒素酸化物を含有する気体から窒素酸化物を吸着する。気体は、水及び窒素酸化物以外の成分を含有してもよく、その詳細は上記の通りである。窒素酸化物除去装置は、例えば、自動車の排ガスを浄化するシステムとして使用できる。
<Nitrogen oxide removal device>
The composite material (nitrogen oxide adsorbent) of the present invention can be used as a device for removing nitrogen oxides (nitrogen oxide removal device). The nitrogen oxide removal device includes at least the above-mentioned composite material, and the composite material adsorbs nitrogen oxides from, for example, a gas that flows through the device and contains water and nitrogen oxides. The gas may contain components other than water and nitrogen oxides, the details of which are as described above. The nitrogen oxide removal device can be used, for example, as a system for purifying automobile exhaust gas.
窒素酸化物除去装置は、複合材に加えて、窒素酸化物還元触媒を備え、気体の流通経路において、複合材が、窒素酸化物還元触媒の前段に配置されることが好ましい。窒素酸化物還元触媒は、還元剤により窒素酸化物を還元する、選択還元型触媒(SCR触媒)であることが好ましく、還元剤としては、例えば、アンモニアなどが挙げられる。還元剤は、還元剤供給部よりSCR触媒に供給されればよく、供給される還元剤は、アンモニアそのものでもよいが、アンモニアを生成可能な化合物でもよい。アンモニアを生成可能な化合物としては尿素が挙げられる。SCR触媒は、特に限定されず、公知のSCR触媒を使用可能である。 The nitrogen oxide removal device preferably includes a nitrogen oxide reduction catalyst in addition to the composite material, and the composite material is disposed in front of the nitrogen oxide reduction catalyst in the gas flow path. The nitrogen oxide reduction catalyst is preferably a selective catalytic reduction (SCR catalyst) that reduces nitrogen oxides with a reducing agent, and examples of the reducing agent include ammonia. The reducing agent may be supplied to the SCR catalyst from a reducing agent supply unit, and the supplied reducing agent may be ammonia itself, or a compound capable of generating ammonia. Examples of compounds capable of generating ammonia include urea. The SCR catalyst is not particularly limited, and known SCR catalysts can be used.
上記したSCR触媒を有する窒素酸化物除去装置では、流通する気体(例えば排ガス)の温度が低温域(例えば、20~110℃)であると、排ガス中の窒素酸化物を複合材により吸着させる。また、排ガスの温度が高温域(例えば、110℃より高い温度)である場合には、通常、その高温の排ガスによって、吸着材に吸着されていた窒素酸化物が脱離させられる。一方で、SCR触媒は、高温域(例えば、110℃より高い温度)にて窒素酸化物を還元剤により還元できる触媒である。なお、一般的に、排ガスは、運転初期には低温であるが、運転開始から一定時間経過すると高温となる。 In the nitrogen oxide removal device having the SCR catalyst described above, when the temperature of the flowing gas (e.g. exhaust gas) is in the low temperature range (e.g. 20 to 110°C), the nitrogen oxides in the exhaust gas are adsorbed by the composite material. When the temperature of the exhaust gas is in the high temperature range (e.g. higher than 110°C), the high temperature exhaust gas usually causes the nitrogen oxides adsorbed by the adsorbent to be desorbed. On the other hand, the SCR catalyst is a catalyst that can reduce nitrogen oxides with a reducing agent in the high temperature range (e.g. higher than 110°C). Generally, exhaust gas is at a low temperature at the beginning of operation, but becomes hot after a certain time has passed since the start of operation.
したがって、SCR触媒を有する窒素酸化物除去装置では、例えば、低温の排ガスが排出され、窒素酸化物吸着材を通過するときには、排ガスに含まれる窒素酸化物は、窒素酸化物吸着材にて吸着され、それにより排ガスの窒素酸化物の量が低減される。一方で、高温の排ガスが排出され、複合材を通過するときには、複合材では窒素酸化物が吸着されず、さらには、吸着されていた窒素酸化物が脱離される。したがって、脱離された窒素酸化物も含む排ガスが、複合材からSCR触媒に送られる。SCR触媒では、排ガス中に含有される窒素酸化物が、還元剤によって窒素などに還元される。これにより、窒素酸化物除去装置は、排ガスが高温時のときも排ガスに含まれる窒素酸化物を低減することが可能になる。
また、窒素酸化物除去装置は、パーティクルフィルター、酸化触媒なども適宜備えてもよく、複合材は、例えば、酸化触媒と混合させて使用してもよい。
Therefore, in a nitrogen oxide removal device having an SCR catalyst, for example, when low-temperature exhaust gas is discharged and passes through the nitrogen oxide adsorbent, the nitrogen oxides contained in the exhaust gas are adsorbed by the nitrogen oxide adsorbent, thereby reducing the amount of nitrogen oxides in the exhaust gas. On the other hand, when high-temperature exhaust gas is discharged and passes through the composite material, the nitrogen oxides are not adsorbed by the composite material, and the adsorbed nitrogen oxides are desorbed. Therefore, the exhaust gas including the desorbed nitrogen oxides is sent from the composite material to the SCR catalyst. In the SCR catalyst, the nitrogen oxides contained in the exhaust gas are reduced to nitrogen and the like by a reducing agent. This makes it possible for the nitrogen oxide removal device to reduce the amount of nitrogen oxides contained in the exhaust gas even when the exhaust gas is at a high temperature.
The nitrogen oxide removing device may also be appropriately equipped with a particle filter, an oxidation catalyst, and the like, and the composite material may be used, for example, by being mixed with an oxidation catalyst.
以下、実施例により本発明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実施例により何ら限定されるものではない。 The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples as long as they do not exceed the gist of the invention.
〔分析・評価〕
以下の実施例及び比較例において、得られたゼオライトの分析及び性能評価は、以下の方法により行った。
[Analysis and Evaluation]
In the following Examples and Comparative Examples, the analysis and performance evaluation of the obtained zeolites were carried out by the following methods.
[粉末XRDの測定]
<試料の調整>
メノウ乳鉢を用いて粉砕したゼオライト100mgをサンプルホルダーに保持した。
<装置仕様及び測定条件>
粉末XRD測定装置仕様及び測定条件は、以下の表1、2に示す通りである。
[Powder XRD Measurement]
<Sample preparation>
100 mg of zeolite crushed using an agate mortar was held in a sample holder.
<Apparatus specifications and measurement conditions>
The specifications of the powder XRD measurement device and the measurement conditions are as shown in Tables 1 and 2 below.
[ゼオライトの平均粒径の測定]
本発明における粒径は、走査型電子顕微鏡による粒子観察において、任意に選択した30個以上の粒子の粒径を測定し、その平均値とした。粒径は、粒子の投影面積と等しい面積を持つ円の直径(円相当径)とした。
[Measurement of average particle size of zeolite]
In the present invention, the particle size is defined as the average value of the particle sizes of 30 or more randomly selected particles measured by particle observation using a scanning electron microscope. The particle size is defined as the diameter of a circle having an area equal to the projected area of the particle (equivalent circle diameter).
[ゼオライトの組成分析]
標準試料のゼオライト中のケイ素原子とアルミニウム原子含有量を、以下のようにして求めた。
標準試料のゼオライトを塩酸水溶液に加熱溶解させた後、ICP分析法により、ケイ素原子とアルミニウム原子の含有量(質量%)を求めた。そして、この標準試料の蛍光X線分析を行い、蛍光X線強度とICP分析法の元素濃度との検量線を作成した。この検量線により、蛍光X線(XRF)分析法でゼオライト試料中のケイ素原子、アルミニウム原子の含有量(質量%)を求めた。ICP分析は、株式会社堀場製作所製 装置名:ULTIMA 2Cを用いて行った。XRF分析は、株式会社島津製作所製 装置名:EDX-700を用いて行った。
[Zeolite composition analysis]
The silicon atom and aluminum atom contents in the standard zeolite samples were determined as follows.
After the standard sample of zeolite was dissolved by heating in an aqueous hydrochloric acid solution, the silicon atom and aluminum atom contents (mass%) were determined by ICP analysis. Then, X-ray fluorescence analysis was performed on this standard sample, and a calibration curve of the fluorescent X-ray intensity and the element concentration of ICP analysis was created. From this calibration curve, the silicon atom and aluminum atom contents (mass%) in the zeolite sample were determined by X-ray fluorescence (XRF) analysis. The ICP analysis was performed using an ULTIMA 2C device manufactured by Horiba, Ltd. The XRF analysis was performed using an EDX-700 device manufactured by Shimadzu Corporation.
[ゼオライトの比表面積の測定]
貴金属及びゼオライトを含む複合材20mgを石英セルに入れ、400℃で、2時間、減圧加熱処理を実施した後、マイクロトラック・ベル社製BELSORP-miniIIを用いて、液体窒素温度下で吸着等温線(吸着ガス:窒素)を測定した。
窒素吸着等温線からBET多点法により、比表面積を算出した。算出は、BETプロットで良好な直線性が得られるp/p0=0.01~0.10で行った。
前処理温度:400℃、前処理時間:2時間、前処理雰囲気:真空、吸着ガス:窒素、BET解析範囲:p/p0=0.01~0.10
[Measurement of zeolite specific surface area]
20 mg of a composite material containing a precious metal and zeolite was placed in a quartz cell and subjected to reduced pressure heat treatment at 400°C for 2 hours. Then, the adsorption isotherm (adsorbed gas: nitrogen) was measured at liquid nitrogen temperature using a BELSORP-miniII manufactured by Microtrac-Bell.
The specific surface area was calculated from the nitrogen adsorption isotherm by the BET multipoint method. The calculation was performed at p/p0 = 0.01 to 0.10, where good linearity was obtained in the BET plot.
Pretreatment temperature: 400°C, pretreatment time: 2 hours, pretreatment atmosphere: vacuum, adsorption gas: nitrogen, BET analysis range: p/p0 = 0.01 to 0.10
[ゼオライトの酸量の測定]
貴金属及びゼオライトを含む複合材のアンモニア昇温脱離法(NH3-TPD)による最大ピーク強度は、次のようにして求める。
貴金属及びゼオライトを含む複合材を、ガラスシャーレに広げ、飽和硝酸マグネシウム水溶液を用いて、相対湿度50%としたデシケータ内に12時間保管し吸湿させる。吸湿させた複合材を空気流通下で室温から800℃までの熱重量変化を測定し、その重量変化を含水率とする。吸湿した複合材50mgを石英ガラスセルに充填し、以下の条件で測定を行う。
測定装置:BELCAT-II(マイクロトラック・ベル社製)
前処理温度:450℃、前処理時間:1時間、アンモニア吸着温度:160℃、アンモニア吸着時間:15分、脱離温度範囲:160℃~800℃
[Measurement of the acidity of zeolite]
The maximum peak intensity of a composite material containing a noble metal and a zeolite, as determined by ammonia temperature programmed desorption (NH 3 -TPD), is determined as follows.
A composite material containing precious metals and zeolite is spread on a glass petri dish and stored in a desiccator with a saturated magnesium nitrate aqueous solution at a relative humidity of 50% for 12 hours to absorb moisture. The thermogravimetric change of the moisture-absorbed composite material is measured from room temperature to 800°C under air circulation, and the weight change is taken as the moisture content. 50 mg of the moisture-absorbed composite material is filled into a quartz glass cell, and measurements are performed under the following conditions.
Measuring device: BELCAT-II (Microtrack Bell)
Pretreatment temperature: 450°C, pretreatment time: 1 hour, ammonia adsorption temperature: 160°C, ammonia adsorption time: 15 minutes, desorption temperature range: 160°C to 800°C
[窒素酸化物吸着量の測定]
窒素酸化物吸着材に吸着された窒素酸化物量(吸着NO量)は、次のようにして求めた。なお、水蒸気含有量が0体積%であるガス、及び5体積%であるガスをそれぞれ流通させ、それぞれの場合について、吸着NO量を測定した。
(前処理条件)
ガス組成:窒素
昇温速度:10K/min
乾燥時間:500℃
保持時間:0.5時間
(NO吸着条件)
吸着温度:80℃、120℃
ガス組成:NO=200体積ppm、O2=5体積%、水=0体積%又は5体積%、バランスN2
空間速度(SV):70000/h
NO吸着時間:30分
NO吸着後、NOのみ供給を停止して30分ガスを流通し、その後、以下の条件にて昇温して、NOに吸着したガスを脱離させ、その脱離したNO量により吸着材に吸着された窒素酸化物吸着量を測定した。
(NO脱離条件)
昇温速度:10K/min
脱離温度範囲:80℃~600℃
(測定機器)
NOx計:ヤナコテクニカルサイエンス株式会社社製 ECL-88A Lite
[Measurement of nitrogen oxide adsorption amount]
The amount of nitrogen oxides adsorbed by the nitrogen oxide adsorbent (the amount of adsorbed NO) was determined as follows: A gas having a water vapor content of 0 vol. % and a gas having a water vapor content of 5 vol. % were passed through the nitrogen oxide adsorbent, and the amount of adsorbed NO was measured for each case.
(Pretreatment conditions)
Gas composition: nitrogen Heating rate: 10 K/min
Drying time: 500°C
Retention time: 0.5 hours (NO adsorption conditions)
Adsorption temperature: 80℃, 120℃
Gas composition: NO = 200 ppm by volume, O2 = 5% by volume, water = 0% or 5% by volume, balance N2
Space velocity (SV): 70000/h
After NOx adsorption, the supply of only NOx was stopped and the gas was allowed to flow for 30 minutes. Thereafter, the temperature was raised under the following conditions to desorb the gas adsorbed by NOx, and the amount of nitrogen oxide adsorbed by the adsorbent was measured based on the amount of desorbed NOx.
(NO Release Conditions)
Heating rate: 10K/min
Desorption temperature range: 80°C to 600°C
(Measuring equipment)
NOx meter: ECL-88A Lite manufactured by Yanaco Technical Science Co., Ltd.
[実施例1]
〔RHO型ゼオライトの製造〕
RHO型ゼオライトを、次の通り合成した。
22.8gの18-クラウン-6-エーテル(東京化成社製)と5.8gのNaOH(キシダ化学社製)及び4.7gのCsOH・H2O(三津和化学社製)を84.1gの水に溶解させ、得られた溶液を80℃で3時間撹拌することにより、クラウンエーテル-アルカリ水溶液を得た。
[Example 1]
[Production of RHO-type zeolite]
The RHO-type zeolite was synthesized as follows.
22.8 g of 18-crown-6-ether (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), 5.8 g of NaOH (Kishida Chemical Industry Co., Ltd.), and 4.7 g of CsOH·H 2 O (Mitsuwa Chemical Industry Co., Ltd.) were dissolved in 84.1 g of water, and the resulting solution was stirred at 80° C. for 3 hours to obtain a crown ether-alkali aqueous solution.
29.8gのFAU型ゼオライト(SiO2/Al2O3モル比=30、Zeolyst社製 CBV720)に、上記のクラウンエーテル-アルカリ水溶液を滴下し、更に種晶としてMicroporous Materials 4 (1995)231-238に従って合成したRHO型ゼオライトを0.6g添加(原料混合物中のSiが全てSiO2になっているとした時のSiO2に対して2.0質量%)し、室温で2時間撹拌し、反応前混合物を調製した。この混合物の組成(種晶を除いたモル比)は、次の通りである。
SiO2/Al2O3/NaOH/CsOH/H2O/18-クラウン-6-エーテル =1/0.033/0.30/0.06/10/0.18
The above crown ether-alkali aqueous solution was dropped into 29.8 g of FAU zeolite ( SiO2 / Al2O3 molar ratio = 30, Zeolyst CBV720), and 0.6 g of RHO zeolite synthesized according to Microporous Materials 4 (1995) 231-238 was added as seed crystals (2.0 mass% relative to SiO2 when all Si in the raw material mixture is SiO2 ), and the mixture was stirred at room temperature for 2 hours to prepare a pre-reaction mixture. The composition of this mixture (molar ratio excluding seed crystals) is as follows:
SiO2 / Al2O3 / NaOH /CsOH/ H2O /18-crown-6-ether = 1/0.033/0.30/0.06/10/0.18
この反応前混合物を室温で24時間熟成させた後、耐圧容器に入れ、160℃のオーブン中に静置し、72時間水熱合成を行った。この水熱合成反応後、反応液を冷却し、濾過することにより、生成した結晶を回収した。回収した結晶を100℃で12時間乾燥後、得られた粉末をXRD測定したところ、図1に示す位置にピーク及び相対強度を有するRHO型ゼオライトが得られたことが確認された。XRF分析によるSiO2/Al2O3比は15で、平均粒径は5.0μmであった。 This pre-reaction mixture was aged at room temperature for 24 hours, then placed in a pressure-resistant container and placed in an oven at 160°C for 72 hours to carry out hydrothermal synthesis. After this hydrothermal synthesis reaction, the reaction liquid was cooled and filtered to recover the generated crystals. The recovered crystals were dried at 100°C for 12 hours, and the resulting powder was subjected to XRD measurement, confirming that an RHO-type zeolite having peaks and relative intensities at the positions shown in Figure 1 was obtained. The SiO2 / Al2O3 ratio by XRF analysis was 15, and the average particle size was 5.0 μm.
〔OSDA除去処理〕
ゼオライト中の有機物を除去するために、上記のとおり合成したRHO型ゼオライトを、500℃の空気気流下で5時間焼成した。
[OSDA Removal Processing]
In order to remove organic substances in the zeolite, the RHO type zeolite synthesized as described above was calcined in an air stream at 500° C. for 5 hours.
〔アンモニウム型へのイオン交換処理〕
次に、焼成したRHO型ゼオライト中に含まれるアルカリカチオン(ナトリウムカチオン、セシウムカチオン)を除去するために、1モル/LのNH4NO3水溶液に分散させ、80℃で2時間のイオン交換処理を行った。所定時間の処理が終了した後、濾過によりゼオライトを回収し、イオン交換水での洗浄を3回行った。その後、NH4NO3水溶液を用いたイオン交換処理と濾過回収と3回の洗浄を、5回繰り返し行った。得られたゼオライト粉を100℃で12時間乾燥することにより、アンモニウム型のRHO型ゼオライトを得た。
[Ion exchange treatment to ammonium form]
Next, in order to remove the alkali cations (sodium cations, cesium cations) contained in the fired RHO-type zeolite, the zeolite was dispersed in a 1 mol/L NH 4 NO 3 aqueous solution and subjected to ion exchange treatment at 80° C. for 2 hours. After the predetermined treatment time was completed, the zeolite was collected by filtration and washed three times with ion-exchanged water. Then, the ion exchange treatment using an NH 4 NO 3 aqueous solution, filtration collection, and three washings were repeated five times. The obtained zeolite powder was dried at 100° C. for 12 hours to obtain an ammonium-type RHO-type zeolite.
〔パラジウム担持処理〕
ゼオライトへのパラジウムの含浸処理は、以下の条件で行った。アンモニウム型のRHO型ゼオライトに3質量%のパラジウムが担持されるように、溶媒として10gのイオン交換水に0.075gの硝酸パラジウム(Aldrich社製)を溶解させた後、アンモニウム型のRHO型ゼオライトを1g加えて混合スラリーを作製した。混合スラリーをエバポレーターにて50℃で減圧蒸留しながら、溶媒である水を除去した。その後、再び10gのイオン交換水を加えてスラリー化した後にエバポレーターにて減圧蒸留する工程を、計3回繰り返し、パラジウムを含浸担持したRHO型ゼオライトを得た。
[Palladium Support Treatment]
The impregnation of zeolite with palladium was carried out under the following conditions. 0.075 g of palladium nitrate (manufactured by Aldrich) was dissolved in 10 g of ion-exchanged water as a solvent so that 3% by mass of palladium was supported on the ammonium-type RHO-type zeolite, and then 1 g of ammonium-type RHO-type zeolite was added to prepare a mixed slurry. The mixed slurry was distilled under reduced pressure at 50°C in an evaporator to remove water as a solvent. Thereafter, the process of adding 10 g of ion-exchanged water again to form a slurry and then distilling under reduced pressure in an evaporator was repeated three times in total to obtain an RHO-type zeolite impregnated with palladium.
〔水蒸気処理〕
パラジウムが担持されたRHO型ゼオライトに、750℃、10体積%の水蒸気を、空間速度SV=3000/hで、5時間通じ水蒸気処理を行い、パラジウム担持RHO型ゼオライトを得た。水蒸気処理した後のパラジウムが担持されたRHO型ゼオライトの比表面積は560m2/gであった。
[Steam treatment]
The palladium-supported RHO zeolite was subjected to steam treatment at 750° C. with 10% by volume of steam at a space velocity SV of 3000/h for 5 hours to obtain palladium-supported RHO zeolite. The specific surface area of the palladium-supported RHO zeolite after the steam treatment was 560 m 2 /g.
[実施例2]
パラジウムが担持されたRHO型ゼオライトを水蒸気処理する際の水蒸気濃度を20体積%に変更する以外は、実施例1と同じ方法で、パラジウム担持RHO型ゼオライトを得た。
[Example 2]
Palladium-supported RHO zeolite was obtained in the same manner as in Example 1, except that the steam concentration during the steam treatment of the palladium-supported RHO zeolite was changed to 20% by volume.
[比較例1]
(RHO型ゼオライトを一般的な方法で製造)
Microporous Materials 4 ( 1995 ) 231-238に記載された方法により、RHO型ゼオライトを合成した。そのXRDパターンを図2に示す。また、XRF分析によるSiO2/Al2O3比は10、平均粒径は1.9μmであった。
上記RHO型ゼオライトに、実施例1と同様の条件で、OSDA除去処理、アンモニウム型へのイオン交換処理、パラジウム担持処理、水蒸気処理を行い、パラジウム担持RHO型ゼオライトを得た。
[Comparative Example 1]
(RHO type zeolite produced by a conventional method)
RHO-type zeolite was synthesized by the method described in Microporous Materials 4 (1995) pp. 231-238. Its XRD pattern is shown in Figure 2. The SiO2 / Al2O3 ratio by XRF analysis was 10, and the average particle size was 1.9 μm.
The RHO zeolite was subjected to OSDA removal treatment, ion exchange treatment to convert to ammonium type, palladium support treatment, and steam treatment under the same conditions as in Example 1 to obtain a palladium-supported RHO zeolite.
[比較例2]
(CHA型ゼオライトの製造)
先ず、種晶とするCHA型ゼオライトを合成した。下記組成の反応前混合物を調製後、160℃、2日間水熱合成を行った後に、反応液を冷却して、濾過することにより生成した結晶を回収した。回収した結晶を100℃で12時間乾燥することにより、種晶用のCHA型ゼオライトを得た。
Al2O3/SiO2/NaOH/KOH/OSDA/H2O=0.033/1/0.1/0.06/0.07/20
[Comparative Example 2]
(Production of CHA-type zeolite)
First, CHA-type zeolite was synthesized as seed crystals. After preparing a pre-reaction mixture with the following composition, hydrothermal synthesis was performed at 160°C for 2 days, and the reaction liquid was cooled and filtered to recover the generated crystals. The recovered crystals were dried at 100°C for 12 hours to obtain CHA-type zeolite for seed crystals.
Al2O3 / SiO2 / NaOH /KOH/OSDA/ H2O =0.033/1/0.1/0.06/0.07/20
種晶の原料は、以下のとおりである。
Al源:Al(OH)3(Al2O3:53.5質量%、Aldrich社製)
Na源:NaOH(和光純薬製)
K源:KOH(和光純薬製)
OSDA:N,N,N-トリメチル-1-アダマンタンアンモニウムヒドロキシド(TMADAOH)水溶液(TMADAOHを25質量%含有、セイケム社製)
Si源:コロイダルシリカ(シリカ濃度:30質量%、カタロイドSi-30、日揮触媒化成社製)
The raw materials for the seed crystals are as follows:
Al source: Al(OH) 3 (Al 2 O 3 : 53.5% by mass, manufactured by Aldrich)
Na source: NaOH (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
K source: KOH (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
OSDA: N,N,N-trimethyl-1-adamantanammonium hydroxide (TMADAOH) aqueous solution (containing 25% by mass of TMADAOH, manufactured by Seichem Co., Ltd.)
Silicon source: colloidal silica (silica concentration: 30% by mass, Cataloid Si-30, manufactured by JGC Catalysts and Chemicals)
次に、下記組成の水熱合成用原料混合物を調製し、これに上述の種晶用CHA型ゼオライトを、原料混合物中のSiが全てSiO2になっているとした時のSiO2に対して2.0質量%になるように添加した。160℃、2日間水熱合成を行った後、反応液を冷却して、濾過することにより生成した結晶を回収した。回収した結晶を100℃で12時間乾燥してCHA型ゼオライトを得た。また、XRF分析によるSiO2/Al2O3モル比は25であった。
Al2O3/SiO2/NaOH/KOH/OSDA/H2O=0.033/1/0.1/0.06/0.07/20
Next, a raw material mixture for hydrothermal synthesis with the following composition was prepared, and the above-mentioned CHA-type zeolite for seed crystals was added thereto so that the amount was 2.0 mass% relative to SiO2 when all of the Si in the raw material mixture was assumed to be SiO2 . After performing hydrothermal synthesis at 160°C for 2 days, the reaction liquid was cooled and filtered to recover the generated crystals. The recovered crystals were dried at 100°C for 12 hours to obtain CHA-type zeolite. The SiO2 / Al2O3 molar ratio was 25 according to XRF analysis.
Al2O3 / SiO2 / NaOH /KOH/OSDA/ H2O =0.033/1/0.1/0.06/0.07/20
原料は以下のとおりである。
Al源:Al(OH)3(Al2O3:53.5質量%、Aldrich社製)
Na源:NaOH(和光純薬製)
K源:KOH(和光純薬製)
OSDA:N,N,N-トリメチル-1-アダマンタンアンモニウムヒドロキシド(TMADAOH)水溶液(TMADAOHを25質量%含有、セイケム社製)
Si源:コロイダルシリカ(シリカ濃度:30質量%、カタロイドSi-30、日揮触媒化成社製)
The raw materials are as follows:
Al source: Al(OH) 3 (Al 2 O 3 : 53.5% by mass, manufactured by Aldrich)
Na source: NaOH (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
K source: KOH (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
OSDA: N,N,N-trimethyl-1-adamantanammonium hydroxide (TMADAOH) aqueous solution (containing 25% by mass of TMADAOH, manufactured by Seichem Co., Ltd.)
Silicon source: colloidal silica (silica concentration: 30% by mass, Cataloid Si-30, manufactured by JGC Catalysts and Chemicals)
〔OSDA除去処理〕
ゼオライト中の有機物を除去するために、CHA型ゼオライトを600℃の空気気流下で5時間焼成した。
[OSDA Removal Processing]
In order to remove organic matter from the zeolite, the CHA-type zeolite was calcined in an air stream at 600° C. for 5 hours.
〔アンモニウム型へのイオン交換処理〕
次に、焼成したCHA型ゼオライト中に含まれるアルカリカチオン(ナトリウムカチオン、カリウムカチオン)を除去するために、1モル/LのNH4NO3水溶液に分散させ、80℃で2時間のイオン交換処理を行った。所定時間の処理が終了した後、濾過によりゼオライトを回収し、イオン交換水での洗浄を3回行った。その後、もう一回、1モル/LのNH4NO3水溶液を用いたイオン交換処理と洗浄を計2回行った。得られたゼオライト粉を100℃で12時間乾燥して、アンモニウム型のCHA型ゼオライトを得た。
[Ion exchange treatment to ammonium form]
Next, in order to remove the alkali cations (sodium cations, potassium cations) contained in the fired CHA-type zeolite, the zeolite was dispersed in a 1 mol/L NH 4 NO 3 aqueous solution and subjected to ion exchange treatment at 80°C for 2 hours. After the treatment for a predetermined time was completed, the zeolite was recovered by filtration and washed with ion-exchanged water three times. After that, ion exchange treatment and washing using a 1 mol/L NH 4 NO 3 aqueous solution were performed twice in total. The obtained zeolite powder was dried at 100°C for 12 hours to obtain ammonium-type CHA-type zeolite.
〔パラジウム担持処理〕
パラジウムを担持するための含浸処理は、以下の条件で行った。アンモニウム型のCHA型ゼオライトに3質量%のパラジウムが担持されるように、溶媒として10gのイオン交換水に0.075gの硝酸パラジウム(Aldrich社製)を溶解させた後、アンモニウム型のCHA型ゼオライトを1g加えて混合スラリーを作製した。混合スラリーをエバポレーターにて減圧蒸留しながら、溶媒である水を除去した。その後、再び10gのイオン交換水を加えてスラリー化してエバポレーターにて減圧蒸留する工程を、計3回繰り返し、パラジウムを含浸担持したCHA型ゼオライトを得た。
[Palladium Support Treatment]
The impregnation treatment for supporting palladium was carried out under the following conditions. 0.075 g of palladium nitrate (manufactured by Aldrich) was dissolved in 10 g of ion-exchanged water as a solvent so that 3 mass% of palladium was supported on the ammonium-type CHA-type zeolite, and then 1 g of ammonium-type CHA-type zeolite was added to prepare a mixed slurry. The mixed slurry was distilled under reduced pressure in an evaporator to remove the water as the solvent. Thereafter, the process of adding 10 g of ion-exchanged water again to make a slurry and distilling under reduced pressure in an evaporator was repeated three times in total to obtain a CHA-type zeolite impregnated with palladium.
〔水蒸気処理〕
パラジウムを含浸担持したCHA型ゼオライトに750℃、10体積%の水蒸気を、空間速度SV=3000/hで、15時間通じることにより、水蒸気処理を行い、パラジウム担持CHA型ゼオライトを得た。
[Steam treatment]
The palladium-impregnated CHA-type zeolite was subjected to a steam treatment by passing 10% by volume of steam at 750° C. and a space velocity SV of 3000/h for 15 hours to obtain a palladium-supported CHA-type zeolite.
[比較例3]
(AEI型ゼオライト1の製造)
下記組成の水熱合成用原料混合物を調製し、これに比較例2で合成したSAR=25のCHA型ゼオライト(未焼成品)を、原料混合物中のSiが全てSiO2になっているとした時のSiO2に対して5.0質量%になるように添加した。180℃、1日間水熱合成を行った後、反応液を冷却して、濾過することにより生成した結晶を回収した。回収した結晶を100℃で12時間乾燥してAEI型ゼオライト1を得た。また、XRF分析によるSiO2/Al2O3モル比は11であった。
Al2O3/SiO2/NaOH/OSDA/H2O=0.054/1/0.22/0.43/22
[Comparative Example 3]
(Production of AEI zeolite 1)
A raw material mixture for hydrothermal synthesis having the following composition was prepared, and CHA-type zeolite (uncalcined product) with SAR=25 synthesized in Comparative Example 2 was added thereto so that the amount was 5.0 mass% relative to SiO2 when all Si in the raw material mixture was converted to SiO2 . After performing hydrothermal synthesis at 180°C for 1 day, the reaction liquid was cooled and filtered to recover the generated crystals. The recovered crystals were dried at 100°C for 12 hours to obtain AEI-type zeolite 1. The SiO2 / Al2O3 molar ratio was 11 according to XRF analysis.
Al2O3 / SiO2 / NaOH /OSDA/ H2O =0.054/1/0.22/0.43/22
原料は以下のとおりである。
Al源:Al(OH)3(Al2O3:53.5質量%、Aldrich社製)
Na源:NaOH(和光純薬製)
OSDA:N,N-ジメチル-3 ,5-ジメチルピペリジニウムハイドロオキサイド(35質量%含有、セイケム社製)
Si源:コロイダルシリカ(シリカ濃度:40質量%、ST-40、日産化学社製)
The raw materials are as follows:
Al source: Al(OH) 3 (Al 2 O 3 : 53.5% by mass, manufactured by Aldrich)
Na source: NaOH (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
OSDA: N,N-dimethyl-3,5-dimethylpiperidinium hydroxide (35% by mass, manufactured by Seichem Co., Ltd.)
Si source: colloidal silica (silica concentration: 40 mass%, ST-40, manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.)
〔OSDA除去処理〕
ゼオライト中の有機物を除去するために、AEI型ゼオライト1を600℃の空気気流下で5時間焼成した。
[OSDA Removal Processing]
In order to remove organic matter in the zeolite, AEI zeolite 1 was calcined in an air stream at 600° C. for 5 hours.
〔アンモニウム型へのイオン交換処理〕
次に、焼成したAEI型ゼオライト中に含まれるアルカリカチオン(ナトリウムカチオン)を除去するために、1モル/LのNH4NO3水溶液に分散させ、80℃で2時間のイオン交換処理を行った。所定時間の処理が終了した後、濾過によりゼオライトを回収し、イオン交換水での洗浄を3回行った。その後、もう一回、1モル/LのNH4NO3水溶液を用いたイオン交換処理と洗浄を計2回行った。得られたゼオライト粉を100℃で12時間乾燥して、アンモニウム型のAEI型ゼオライト1を得た。
[Ion exchange treatment to ammonium form]
Next, in order to remove the alkali cations (sodium cations) contained in the fired AEI zeolite, the zeolite was dispersed in a 1 mol/L NH 4 NO 3 aqueous solution and subjected to ion exchange treatment at 80° C. for 2 hours. After the predetermined treatment time was completed, the zeolite was recovered by filtration and washed with ion-exchanged water three times. Then, ion exchange treatment and washing using a 1 mol/L NH 4 NO 3 aqueous solution were performed twice in total. The obtained zeolite powder was dried at 100° C. for 12 hours to obtain ammonium-type AEI zeolite 1.
〔パラジウム担持処理〕
パラジウムを担持するための含浸処理は、以下の条件で行った。アンモニウム型のAEI型ゼオライト1に3質量%のパラジウムが担持されるように、溶媒として10gのイオン交換水に0.075gの硝酸パラジウム(Aldrich社製)を溶解させた後、アンモニウム型のAEI型ゼオライト1を1g加えて混合スラリーを作製した。混合スラリーをエバポレーターにて減圧蒸留しながら、溶媒である水を除去した。その後、再び10gのイオン交換水を加えてスラリー化してエバポレーターにて減圧蒸留する工程を、計3回繰り返し、パラジウムを含浸担持したAEI型ゼオライト1を得た。
[Palladium Support Treatment]
The impregnation treatment for supporting palladium was carried out under the following conditions. 0.075 g of palladium nitrate (manufactured by Aldrich) was dissolved in 10 g of ion-exchanged water as a solvent so that 3 mass % of palladium was supported on ammonium-type AEI zeolite 1, and then 1 g of ammonium-type AEI zeolite 1 was added to prepare a mixed slurry. The mixed slurry was distilled under reduced pressure in an evaporator to remove water as a solvent. Thereafter, the process of adding 10 g of ion-exchanged water again to form a slurry and distilling under reduced pressure in an evaporator was repeated three times in total to obtain AEI zeolite 1 impregnated with palladium.
〔水蒸気処理〕
パラジウムを含浸担持したAEI型ゼオライト1に750℃、10体積%の水蒸気を、空間速度SV=3000/hで、5時間通じることにより、水蒸気処理を行い、パラジウム担持AEI型ゼオライト1を得た。
[Steam treatment]
A steam treatment was carried out by passing 10% by volume of steam at 750° C. and a space velocity SV of 3000/h for 5 hours through the palladium-impregnated AEI zeolite 1, thereby obtaining palladium-supported AEI zeolite 1.
[比較例4]
〔パラジウム担持処理〕
パラジウムを担持するための含浸処理は、以下の条件で行った。アンモニウム型のAEI型ゼオライト1に1質量%のパラジウムが担持されるように、0.025gの硝酸パラジウム(Aldrich社製)を用いた以外は比較例3と同じ方法を用いてパラジウムを含浸担持したAEI型ゼオライト2を得た。
[Comparative Example 4]
[Palladium Support Treatment]
The impregnation treatment for supporting palladium was carried out under the following conditions: AEI zeolite 2 impregnated with palladium was obtained using the same method as in Comparative Example 3, except that 0.025 g of palladium nitrate (manufactured by Aldrich) was used so that 1 mass % of palladium was supported on ammonium-type AEI zeolite 1.
〔水蒸気処理〕
パラジウムを含浸担持したAEI型ゼオライト2に750℃、10体積%の水蒸気を、空間速度SV=3000/hで、5時間通じることにより、水蒸気処理を行い、パラジウム担持AEI型ゼオライト2を得た。
[Steam treatment]
A steam treatment was carried out by passing 10% by volume of steam at 750° C. and a space velocity SV of 3000/h for 5 hours through the palladium-impregnated AEI zeolite 2, thereby obtaining palladium-supported AEI zeolite 2.
[比較例5]
(AEI型ゼオライト2の製造)
米国特許5,958,370の実施例2に記載の方法によりAEI型ゼオライト2を得た。詳細は下記のとおりである。
1.9gの水と、5.5gのN,N-ジメチル-3,5-ジメチルピペリジニウムハイドロオキサイド(セイケム社製)と、20.5gの1M(mol/L)のNaOH水溶液(和光純薬製)を混合したものに、Y型ゼオライト(USY30 CBV720、ゼオリスト社製)(フレームワーク密度:12.7T/1000Å3)2.4gを加えて撹拌し、溶解させ透明溶液とした。これにスノーテックス40(シリカ濃度:40質量%、日産化学社製)1.9gを加えて室温で2時間撹拌して反応前混合物を得た。この反応前混合物を耐圧容器に入れ、135℃のオーブン中で回転させながら(15rpm)、7日間水熱合成を行った。この水熱合成反応後、反応液を冷却して、濾過により生成した結晶を回収した。回収した結晶を100℃で12時間乾燥し、AEI型ゼオライト2を得た。また、XRF分析によるSiO2/Al2O3モル比は15であった。
[Comparative Example 5]
(Production of AEI zeolite 2)
AEI zeolite 2 was obtained by the method described in Example 2 of U.S. Patent No. 5,958,370. The details are as follows.
1.9 g of water, 5.5 g of N,N-dimethyl-3,5-dimethylpiperidinium hydroxide (manufactured by Seichem Co., Ltd.), and 20.5 g of 1 M (mol/L) NaOH aqueous solution (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed, to which 2.4 g of Y-type zeolite (USY30 CBV720, manufactured by Zeolyst Co., Ltd.) (framework density: 12.7T/1000Å 3 ) was added and stirred to dissolve into a transparent solution. 1.9 g of Snowtex 40 (silica concentration: 40 mass%, manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) was added and stirred at room temperature for 2 hours to obtain a pre-reaction mixture. This pre-reaction mixture was placed in a pressure-resistant container and rotated (15 rpm) in an oven at 135° C. for 7 days to perform hydrothermal synthesis. After this hydrothermal synthesis reaction, the reaction solution was cooled and the generated crystals were collected by filtration. The collected crystals were dried at 100° C. for 12 hours to obtain AEI-type zeolite 2. The SiO2 / Al2O3 molar ratio was 15 according to XRF analysis.
〔OSDA除去処理〕
ゼオライト中の有機物を除去するために、AEI型ゼオライト2を600℃の空気気流下で5時間焼成した。
[OSDA Removal Processing]
In order to remove organic matter in the zeolite, AEI zeolite 2 was calcined in an air stream at 600° C. for 5 hours.
〔アンモニウム型へのイオン交換処理〕
次に、焼成したAEI型ゼオライト中に含まれるアルカリカチオン(ナトリウムカチオン)を除去するために、1モル/LのNH4NO3水溶液に分散させ、80℃で2時間のイオン交換処理を行った。所定時間の処理が終了した後、濾過によりゼオライトを回収し、イオン交換水での洗浄を3回行った。その後、もう一回、1モル/LのNH4NO3水溶液を用いたイオン交換処理と洗浄を計2回行った。得られたゼオライト粉を100℃で12時間乾燥して、アンモニウム型のAEI型ゼオライト2を得た。
[Ion exchange treatment to ammonium form]
Next, in order to remove the alkali cations (sodium cations) contained in the fired AEI zeolite, the zeolite was dispersed in a 1 mol/L NH 4 NO 3 aqueous solution and subjected to ion exchange treatment at 80° C. for 2 hours. After the predetermined treatment time was completed, the zeolite was recovered by filtration and washed with ion-exchanged water three times. Then, ion exchange treatment and washing using a 1 mol/L NH 4 NO 3 aqueous solution were performed twice in total. The obtained zeolite powder was dried at 100° C. for 12 hours to obtain ammonium-type AEI zeolite 2.
〔パラジウム担持処理〕
パラジウムを担持するための含浸処理は、以下の条件で行った。アンモニウム型のAEI型ゼオライト2に1質量%のパラジウムが担持されるように、溶媒として10gのイオン交換水に0.025gの硝酸パラジウム(Aldrich社製)を溶解させた後、アンモニウム型のAEI型ゼオライト2を1g加えて混合スラリーを作製した。混合スラリーをエバポレーターにて減圧蒸留しながら、溶媒である水を除去した。その後、再び10gのイオン交換水を加えてスラリー化してエバポレーターにて減圧蒸留する工程を、計3回繰り返し、パラジウムを含浸担持したAEI型ゼオライト3を得た。
[Palladium Support Treatment]
The impregnation treatment for supporting palladium was carried out under the following conditions. 0.025 g of palladium nitrate (manufactured by Aldrich) was dissolved in 10 g of ion-exchanged water as a solvent so that 1 mass % of palladium was supported on ammonium-type AEI zeolite 2, and then 1 g of ammonium-type AEI zeolite 2 was added to prepare a mixed slurry. The mixed slurry was distilled under reduced pressure in an evaporator to remove water as a solvent. Thereafter, the process of adding 10 g of ion-exchanged water again to form a slurry and distilling under reduced pressure in an evaporator was repeated three times in total to obtain AEI zeolite 3 impregnated with palladium.
〔水蒸気処理〕
パラジウムを含浸担持したAEI型ゼオライト3に750℃、10体積%の水蒸気を、空間速度SV=3000/hで、5時間通じることにより、水蒸気処理を行い、パラジウム担持AEI型ゼオライト3を得た。
[Steam treatment]
A steam treatment was carried out by passing 10% by volume of steam at 750° C. and a space velocity SV of 3000/h through the palladium-impregnated AEI zeolite 3, thereby obtaining a palladium-supported AEI zeolite 3.
〔窒素酸化物吸着性能評価〕
各実施例、及び比較例の複合材について、ガス中に含まれる水分量が各々0体積%、5体積%である場合における窒素酸化物吸着量(A1,A2)を測定し、その比(A2/A1)により、窒素酸化物吸着量変化率を求め、表3に示す。
また、参考例1では比較例2に記載のパラジウムを担持したCHA型ゼオライトを用いて、参考例2では比較例3に記載のパラジウムを担持したAEI型ゼオライトを用いて、吸着温度を120℃に変えた結果も表3に示す。
[Evaluation of nitrogen oxide adsorption performance]
For each of the composite materials in the Examples and Comparative Examples, the nitrogen oxide adsorption amounts (A1, A2) were measured when the moisture content in the gas was 0 vol % and 5 vol %, respectively, and the rate of change in the nitrogen oxide adsorption amount was calculated from the ratio (A2/A1), and is shown in Table 3.
In addition, in Reference Example 1, CHA-type zeolite carrying palladium as described in Comparative Example 2 was used, and in Reference Example 2, AEI-type zeolite carrying palladium as described in Comparative Example 3 was used, and the results are shown in Table 3 when the adsorption temperature was changed to 120°C.
本発明の貴金属を担持した特定のSARのRHO型ゼオライトは、実際に自動車排ガス中に含まれる水濃度に近いガス雰囲気下においても、窒素酸化物吸着量が低下するどころか、むしろ水を含む方が窒素酸化物吸着量は高いという特性を発現することが明らかとなった。
本発明の窒素酸化物吸着材は、同じRHO型の構造であっても、SARが高い方が水の影響を受けずに高い窒素酸化物吸着量を発現するという特徴を示した。一般的に、SARが高い方が、水の吸着点となるゼオライトの酸点が少ないために、ゼオライト細孔内に水が侵入し難くなることが知られている。しかしながら、上述のとおり、本願実施例のゼオライトは、SARが同等以上である比較例2や5よりも水の影響を受け難いことから、単にSARを高くすれば水の影響を受け難くなるという訳ではなく、窒素酸化物と水の共存下においては、特定の構造かつ特定のSARであることが重要であることを裏付けるものと推定される。
It has become clear that the specific SAR RHO-type zeolite of the present invention carrying a precious metal does not exhibit a decrease in the amount of nitrogen oxide adsorption even in a gas atmosphere having a water concentration close to that actually contained in automobile exhaust gas, and rather exhibits the characteristic that the amount of nitrogen oxide adsorption is higher when water is contained.
The nitrogen oxide adsorbent of the present invention exhibits the characteristic that, even if it has the same RHO type structure, the higher the SAR, the higher the nitrogen oxide adsorption amount is without being affected by water. It is generally known that the higher the SAR, the fewer the acid sites of the zeolite that are water adsorption sites, making it difficult for water to penetrate into the zeolite pores. However, as described above, the zeolite of the present application example is less susceptible to the influence of water than Comparative Examples 2 and 5, which have the same or higher SAR. This does not mean that the zeolite is less susceptible to the influence of water simply by increasing the SAR, but rather that it is important that the zeolite has a specific structure and a specific SAR in the coexistence of nitrogen oxides and water.
一方、比較例2のように、高SARのCHA型ゼオライトにパラジウムを担持した場合は、水の影響を受けることを明らかにしたが、これは、CHA型ゼオライトは、サイズの小さいd6rを構造に有しており、ガスが拡散する際にd6rに吸着された水によって、ガスの拡散性が低下し、窒素酸化物の吸着性能が低下したことによるものと推定される。
これに対し、本発明の窒素酸化物吸着材は、ゼオライト構造中にCBUとしてltaを含んでおり、ガスはltaの有するd8rを経由して拡散するが、d6rよりもd8rはサイズが大きいため、水が吸着してもガスが拡散するだけの十分な大きさの孔を有していたことにより吸着した水の影響を受け難かったと推定される。
それどころか、窒素酸化物よりも水の方がkinetic diameterが小さいため、好適に水が配位した方が、窒素酸化物だけが吸着点に配位するよりも、ガスが拡散しやすい状態を作り出し、本発明の窒素酸化物吸着材は、水を含むガスの方が、より多量の窒素酸化物を吸着したと考えられる。
以上のように、本発明では、水存在下においても、高い窒素酸化物吸着性能を発現する窒素酸化物吸着材として、特定のCBUとSiO2/Al2O3モル比を有するゼオライトに貴金属を担持した複合材を提供することができる。
On the other hand, it was revealed that when palladium was supported on a high SAR CHA-type zeolite, as in Comparative Example 2, it was affected by water. This is presumably because CHA-type zeolite has a small-sized d6r structure, and water is adsorbed by the d6r when the gas diffuses, reducing the diffusivity of the gas and reducing the adsorption performance of nitrogen oxides.
In contrast, the nitrogen oxide adsorbent of the present invention contains LTA as a CBU in the zeolite structure, and gas diffuses via the d8r contained in LTA. However, since d8r is larger in size than d6r, it is presumed that even if water is adsorbed, the adsorbent has pores large enough for the gas to diffuse through, and is therefore less susceptible to the effects of the adsorbed water.
On the contrary, since water has a smaller kinetic diameter than nitrogen oxide, it is believed that favorable coordination of water creates a state in which gas is more easily diffused than coordination of only nitrogen oxide at the adsorption point, and therefore the nitrogen oxide adsorbent of the present invention adsorbs a larger amount of nitrogen oxide when the gas contains water.
As described above, the present invention can provide a composite material in which a precious metal is supported on a zeolite having a specific CBU and a SiO2 / Al2O3 molar ratio, as a nitrogen oxide adsorbent that exhibits high nitrogen oxide adsorption performance even in the presence of water.
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