DE4407872C2 - Verfahren zur Herstellung von hochsiliciumhaltigen Zeolithen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von hochsiliciumhaltigen ZeolithenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochsi
liciumhaltigen Zeolithen aus Silicium oder Silicium und Alumini
um enthaltenen Verbindungen, bei dem zur Herstellung eines Si-
Vorläufers oder eines Si/Al-Vorläufers eine Wasseraufschlämmung
von reinem Siliciumdioxid oder von reinem Siliciumdioxid mit
einer auf das Si/Al-Verhältnis berechneten Menge eines Alumini
umsalzes vermischt wird, das entstandene Gel getrocknet wird,
der getrocknete Si/Al-Vorläufer mit einer getrockneten Fluor
verbindung ausgewählt aus Fluorwasserstoff und Ammoniumfluori
den, und einem wasserfreien Templat in vorgegebenen molaren
Mengen intensiv vermischt wird und diese Mischung in einem
Druckaufschlußgerät bei Temperaturen zwischen 120°C bis 200°C 80
bis 300 Stunden behandelt wird.
Aus J. Chem. Soc., Chem. Commun., Seiten 659-660 (1993) ist
ein Verfahren zur Herstellung von Zeolith ZSM-35 bekannt, bei
dem aus Aluminiumsulfat Natriumsilikat als siliziumdioxidhalti
ges Material und Natriumhydroxid aus einem Alumosilikatgel ge
bildet wird und dieses Gel gewaschen und getrocknet wird. Aus
dem Aluminiumsilikatgel, Natriumhydroxid, Ethylendiamin und
Triethylamin wird dann nach Vermischung hydrothermal bei 453 bis
473 K binnen 60 bis 95 Stunden der Zeolith gebildet.
Aus WO 93/10044 A1 ist es ferner bekannt, für Zeolithe neben
einer Quelle für Siliziumdioxid, einer Quelle für Aluminiumoxid
und einem organischen stickstoffhaltigen Templat Fluorwasser
stoff dem Reaktionsgemisch zuzusetzen und durch hydrothermale
Reaktion dann den gewünschten Zeolith zu bilden. Der Fluorwas
serstoff wird als sogenannter Mineralisator eingesetzt und för
dert die Kristallisation des Zeoliths.
Der Zusatz von Fluorverbindungen zum Reaktionsgemisch ist auch
aus EP 0 053 499 A1 bekannt, wobei insbesondere Ammoniumfluorid
als Zusatz zur Förderung des Kristallwachstums dem Reaktions
gemisch zugesetzt wird.
Die als Hydrothermalverfahren bezeichneten Verfahren zur Her
stellung von hochsiliciumhaltigen Zeolithen werden bei Tempera
turen über 100° und unter Eigendruck durchgeführt. Zur Synthese
sind organische Kationen nötig; der Gehalt an Aluminium kann bis
auf Spuren reduziert werden. Als organische Kationen werden
häufig Template eingesetzt, die die Zeolithstruktur bestimmen.
Neben den Templaten spielt bei der Herstellung von hochsilicium
haltigen Zeolithen unter hydrothermalen Synthesebedingungen die
Temperatur und die Kristallisationszeit eine wichtige Rolle. Im
Ergebnis der Hydrothermalsynthese bei Anwesenheit von Templaten
entstehen Zeolithe, die nach einem Reinigungsschritt nachteili
gerweise zusätzlich einer Behandlung mit NH4+ Lösungen unterworfen
werden müssen, um dann in einem weiteren Calcinierungsschritt
die katalytisch aktive H-Form zu erhalten.
Ein weiterer Nachteil der wässrigen Synthesebedingungen ist die
Tatsache, daß der Modul insbesondere im Bereich niedriger Alumi
niumgehalte nicht exakt einstellbar ist.
Nach der im Journal of Chemical Society 1993, Seite 659 be
schriebenen Herstellung eines Zeolithen vom Typ ZSM-35 muß noch
ein Reinigungsschritt mit einer weiteren Ammoniumbehandlung
erfolgen, um nach dieser Behandlung durch Calcinierung zu der
katalytisch aktiven H-Form zu kommen. Auch wenn offensichtlich
zusätzlich kein Wasser zugegeben wird, bilden die anwesenden
Amine unter diesen Reaktionsbedingungen eine flüssige Phase.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
anzubieten, mit dem hochsiliciumhaltige Zeolithe hergestellt
werden können, die nach einem Reinigungsschritt sofort einer
Calcinierung zur Herstellung der katalytisch aktiven H-Form
unterworfen werden können. Dabei soll der Modul auch bei sehr
geringen Aluminiumgehalten durch entsprechende Wahl der Reak
tionsbedingungen exakt einstellbar sein.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren gemäß Haupt
anspruch. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß durch die Anwendung einer
lösungsmittelfreien insbesondere wasserfreien
Zeolithsynthese die erhaltenen Kristalle direkt, also ohne
zusätzlichen Reinigungsschritt calciniert werden können,
man erhält dann sofort die katalytisch aktive H-Form, die
bisher nur durch einen weiteren Arbeitsgang, nämlich durch
Behandlung mit NH4+ Lösung und anschließender Calcinierung
erhalten werden konnte.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, den
Templatgehalt dieser Synthese drastisch zu erniedrigen,
ohne daß die Partikelgrößenverteilung oder die
Partikelgröße nachteilig beeinflußt wird. Die trockene
Reaktionsführung ermöglicht es vorteilhafterweise ebenfalls
die Aluminiumgehalte drastisch zu senken, so daß im
Ergebnis praktisch aluminiumfreie Silicalite herstellbar
sind.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren geht von
vollständig wasserfreien Ausgangsstoffen aus. Das sich im
Verlaufe der sich im Druckaufschlußgerät abspielenden
Reaktionen entstehende Reaktionswasser liegt weit unter dem
Sättigungsdruck in diesem System, so daß zu keinem
Zeitpunkt während des Ablaufes des Verfahrens eine flüssige
Phase entsteht. Dadurch ist der Ablauf der Reaktionen über
die Gasphase gegeben. Die Kristallisationsvorgänge, die
über die Gasphase ablaufen, führen in der Regel zu großen
und gut ausgebildeten Kristallen. In flüssigen Phasen sind
naturgemäß größere Konzentrationen an störenden
Kristallkeimen zu erwarten.
Die Charakterisierung der nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Zeolithe, wurde an gewaschenen und
getrockneten oder an direkt calcinierten Proben
vorgenommen, wobei die Calcinierungsbedingungen bei 550°C
für 24 h liegen.
Die Röntgenfluoreszensanalyse (XRD) zeigte, daß im Falle
der Herstellung von ZSM-5 reiner ZSM-5 erhalten wurde, der
sich durch eine hohe Kristallinität auszeichnet (Fig. 1).
Auch Rasterelektronenmikroskopaufnahmen zeigen die typische
Morphologie von ZSM-5 (Fig. 2, 3 und 4).
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem
Anspruch 2 gegeben. Hierbei wird zur Herstellung
des Si/Al-Vorläufers Aluminiumsulfat
eingesetzt.
Gemäß Anspruch 3 werden erfindungsgemäß als weitere
Ausgestaltung und im weiteren Verlauf des Verfahrens bestimmte
Fluoride eingesetzt. Insbesondere eignen sich Fluoride, die
unter den Bedingungen des Verfahrens im Druckaufschlußgerät
einen nachweisbaren Sublimationsdruck besitzen.
Ammoniumfluorid eignet sich optimal zur Durchführung des
Verfahrens. Die weitere Ausgestaltung der
Erfindung, wie sie im Anspruch 3
dargestellt ist, läßt sich vorteilhafterweise zur
Herstellung von hochsiliciumhaltigen Zeolithen einsetzen.
Die weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens gemäß der Ansprüche 4 bis 7 offenbaren die
Template, mit denen unter den erfindungsgemäßen Bedingungen
bei Abwesenheit von Wasser die hochsiliciumhaltigen
Zeolithe hergestellt werden können. Es es ein Vorteil der
Erfindung, daß die Templatmengen gegenüber dem
Hydrothermalverfahren drastisch gesenkt werden können.
Die folgenden Aufstellung zeigt beispielhaft ohne Anspruch
auf Vollständigkeit, welche Zeolithe nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können:
Struktur | |
Templat | |
ZSM-5 | TPABr |
ZSM-6 | TMABr |
ZSM-8 | TPABr |
ZSM-11 | Tetralkylammonium-Kation (C1 bis C7) |
ZSM-12 | TEA-, TEMA-Katione |
ZSM-14 | organische Sulfonate |
ZSM-20 | TEABr |
ZSM-22 | Diethylamin, Ethylendiamin |
ZSM-23 | Pyrrolidin |
ZSM-35 | Ethylendiamin |
ZSM-38 | 2-Hydroxiethytriethylammonium-Kationen |
ZSM-48 | Dihydro-dipyrido-pyrazindiinium-dibromid |
Dodecasil 1H (DOH) | 1-Adamantanamin |
Dodecasil 3C (MTM) | Piperidin |
wobei
T = Tetra-
M = Methyl-
E = Ethyl-
A = Ammonium-
Br = Bromid-
P = Propyl-
bedeuten.
T = Tetra-
M = Methyl-
E = Ethyl-
A = Ammonium-
Br = Bromid-
P = Propyl-
bedeuten.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher
erläutert:
12,5 G Aerosil 200 (Degussa) und 1,75 Aluminiumsulfat
(Aldrich) werden in 200 ml Wasser aufgeschlämmt und an
schließend 5 h gerührt (500 Umdr./min). Das erhaltene Gel
wird in einen genügend großen Porzellantiegel gegeben und
anschließend in einem auf 650°C vorgeheiztem Ofen 24 h aus
geheizt. Man erhält einen Si/Al-Vorläufer mit einem rechne
rischen SiO2/Al2O3 = 78.
2 g Vorläufer werden mit 2 g getrocknetem Ammoniumfluorid
und 0,6 g TPABr in einen Mörser gegeben und 3 min. zu einem
feinen Pulver zerstoßen. Das erhaltene Pulver wird in einen
teflonausgekleideten 200 ml Stahlautoklaven gegeben, ver
schlossen und in einen, auf 180°C vorgeheizten Ofen
gegeben. Nach einer Reaktionszeit von 96 h wird der
Autoklav aus dem Ofen genommen und in einem Wasserbad
abgekühlt. Nach Öffnung des Autoklaven wird das erhaltene
Produkt mit Wasser gewaschen, getrocknet und
charakterisiert. Man erhält reinen ZSM-5.
Die molare Zusammensetzung dieses Ansatzes kann wie folgt
beschrieben werden:
78 SiO2 : 1 Al2O3 : 145 NH4F : 6 TPABr
Der ideal berechnete Wasserdruck in diesem System beträgt 5 bar
und liegt somit unter dem Wassersättigungsdruck bei
dieser Temperatur (10 bar).
Man geht exakt der Synthesevorschrift gemäß B.1. vor, mit
dem Unterschied, daß 4 g Ammoniumflorid eingesetzt werden.
Man erhält reinen ZSM-5.
Die molare Zusammensetzung dieses Ansatzes kann wie folgt
beschrieben werden:
78 SiO2 : 1 Al2O3 : 290 NH4F : 6 TPABr
Der ideal berechnete Wasserdruck in diesem System beträgt
10 bar und liegt somit unter dem Wassersättigungsdruck bei
dieser Temperatur (10 bar).
12,5 Aerosil 200 (Degussa) werden in 200 ml Wasser aufge
schlämmt und anschließend 5 h gerührt (500 Umdr./min). Das
erhaltene Gel wird in einen genügend großen Porzellantiegel
gegeben und anschließend in einem auf 650°C vorgeheizten
Ofen 24 h ausgeheizt. Man erhält einen Si-Vorläufer mit ei
nem rechnerischen SiO2/Al2O3 = unendl.
2 g Vorläufer werden mit 2 g getrocknetem Ammoniumfluorid
und 0,6 g TPABr in einen Mörser gegeben und 3 min. zu einem
feinen Pulver zerstoßen. Das erhaltene Pulver wird in einen
teflonausgekleideten 200 ml Stahlautoklaven gegeben, ver
schlossen und in einen, auf 180°C vorgeheizten Ofen
gegeben. Nach einer Reaktionszeit von 96 h wird der
Autoklav aus dem Ofen genommen und in einem Wasserbad
abgekühlt. Nach der Öffnung des Autoklaven wird das
erhaltene Produkt mit Wasser gewaschen, getrocknet und
charakterisiert. Man erhält reinen Silikat.
Die molare Zusammensetzung dieses Ansatzes kann wie folgt
beschrieben werden:
78 SiO2 : 145 NH4F : 6 TPABr
78 SiO2 : 145 NH4F : 6 TPABr
Der ideal berechnete Wasserdruck in diesem System beträgt 5 bar
und liegt somit unter dem Wassersättigungsdruck bei
dieser Temperatur (10 bar).
12,5 g Aerosil 200 (Degussa) und 3,5 g Aluminiumsulfat
(Aldrich) werden in 200 ml Wasser aufgeschlämmt und an
schließend 5 h gerührt (500 Umdr./min.). Das erhaltene Gel
wird in einen genügend großen Porzellantiegel gegeben und
anschließend in einem auf 650°C vorgeheizten Ofen 24 h aus
geheizt. Man erhält einen Si/Al-Vorläufer mit einem rechne
rischen SiO2/Al2O3 = 39.
2 g Vorläufer werden mit 2 g getrocknetem Ammoniumfluorid
und 0,6 g TPABr in einen Mörser gegeben und 3 min zu einem
feinen Pulver zerstoßen. Das erhaltene Pulver wird in einen
teflonausgekleideten 200 ml Stahlautoklaven gegeben, ver
schlossen und in einen, auf 180°C vorgeheizten Ofen
gegeben. Nach einer Reaktionszeit von 96 h wird der
Autoklav aus dem Ofen genommen und in einem Wasserbad
abgekühlt. Nach Öffnung des Autoklaven wird das erhaltene
Produkt mit Wasser gewaschen, getrocknet und
charakterisiert. Man erhält reinen ZSM-5.
Die molare Zusammensetzung dieses Ansatzes kann wie folgt
beschrieben werden:
39 SiO2 : 1 Al2O3 : 145 NH4F : 6 TPABr
Der ideal berechnete Wasserdruck in diesem System beträgt 5 bar
und liegt somit unter dem Wassersättigungsdruck bei
dieser Temperatur (10 bar).
Man geht exakt der Synthesevorschrift gemäß B.1. vor, mit
dem Unterschied, daß 4 g Ammoniumflorid eingesetzt werden.
Man erhält reinen ZSM-5.
Die molare Zusammensetzung dieses Ansatzes kann wie folgt
beschrieben werden:
39 SiO2 : 1 Al2O3 : 290 NH4F : 6 TPABr
Der ideal berechnete Wasserdruck in diesem System beträgt
10 bar und liegt somit unter dem Wassersättigungsdruck bei
dieser Temperatur (10 bar)
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung von hochsiliciumhaltigen Zeolithen
aus Silicium oder Silicium und Aluminium enthaltenen
Verbindungen, bei dem zur Herstellung eines Si-Vorläufers
oder eines Si/Al-Vorläufers eine Wasseraufschlämmung von
reinem Siliciumdioxid oder von reinem Siliciumdioxid mit
einer auf das Si/Al-Verhältnis berechneten Menge eines
Aluminiumsalzes vermischt wird, das entstandene Gel ge
trocknet wird, der getrocknete Si- oder Si/Al-Vorläufer mit einer
getrockneten Fluorverbindung, ausgewählt aus Fluorwasserstoff
und Ammoniumfluoriden, und einem wasserfreien Templat in
vorgegebenen molaren Mengen intensiv vermischt wird, und
diese Mischung in einem Druckaufschlußgerät bei Temperaturen
zwischen 120°C bis 200°C 80 bis 300 Stunden behandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet dadurch,
daß als Aluminiumsalz Aluminiumsulfat eingesetzt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß als Fluorverbindungen Mono-, Di-, und/oder
Trialkylammoniumfluoride eingesetzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
gekennzeichnet dadurch,
daß als Template Tetraalkylammoniumhalogenide und/oder
-Hydroxide, substituierte Tetraalkylammoniumhalogenide
und/oder -Hydroxide, Tetraalkylamine, organische Sulfonate,
Dialkylamine und/oder Alkyldiamine eingesetzt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4,
gekennzeichnet dadurch,
daß als Alkyl-Gruppen Alkyle von C1 bis C7 eingesetzt
werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
gekennzeichnet dadurch,
daß als Template Tetramethylammoniumbromid, Tetrapropylam
moniumbromid, Tetraethylammoniumbromid, Diethylamin, Ethy
lendiamin, 2-Hydroxyethyltriethylammonium-Kationen- und/oder
Dihydro-dipyrido-pyrazindiinium-dibromid eingesetzt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
gekennzeichnet dadurch,
daß als Template Pyrrolidin, Piperidin oder 1-Adamantanamin
eingesetzt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
gekennzeichnet dadurch,
daß das Siliciumdioxid/Aluminiumoxid-Verhältnis größer als
20 ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
gekennzeichnet dadurch,
daß als hochsiliciumhaltige Zeolithe ZSM-5, ZSM-8, ZSM-11,
ZSM-12, ZSM-14, ZSM-20, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-38, ZSM-
48, Dodecasil 1H, Dodecasil 3C und Silicalite hergestellt
werden.
Priority Applications (1)
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DE19944407872 DE4407872C2 (de) | 1994-03-04 | 1994-03-04 | Verfahren zur Herstellung von hochsiliciumhaltigen Zeolithen |
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DE4407872A1 DE4407872A1 (de) | 1996-02-15 |
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Families Citing this family (2)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO1993010044A1 (en) * | 1991-11-20 | 1993-05-27 | The Dow Chemical Company | Process of growing crystalline microporous solids in a fluoride-containing, substantially non-aqueous growth medium |
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1994
- 1994-03-04 DE DE19944407872 patent/DE4407872C2/de not_active Expired - Fee Related
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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J.Chem.Soc., Chem. Commun., S. 659-660(1993) * |
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