JP6815844B2 - ゼオライトの製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1には、Ceが、触媒組成物中に、交換セリウムイオン、単量体セリア、オリゴマーセリア及びそれらの組み合わせから選択される状態で存在することが記載されている。
なお、本明細書における「同時にイオン交換する」とは、イオン交換自体が同時に起こることを特定するものではなく、Cuイオン交換とCeイオン交換を同じ工程で行うことを意味している。
このイオン交換は、原料としてのCHA型ゼオライトと酢酸銅と酢酸セリウムを混合して混合粉末として、混合粉末を300〜800℃で加熱することによって行う。混合粉末を加熱することにより行うイオン交換は固相でのイオン交換であり、特許文献1に記載された初期湿潤法による含浸によるCeの添加とは異なる方法である。
CuイオンとCeイオンを固相で同時にイオン交換させる場合、Cu塩及びCe塩としてどのような化合物を用いてもよいわけではない。その理由について以下に説明する。
一方、Ceイオンを単独で固相でイオン交換させる場合の塩として硝酸セリウム、酢酸セリウム、硫酸セリウムのいずれかを使用する場合、酢酸セリウムは最もイオン交換されやすく、次いで硫酸セリウムがイオン交換されやすく、硝酸セリウムが最もイオン交換されにくい傾向が実験的に得られた。
このような関係からは、硝酸銅と酢酸セリウムを組み合わせて使用することが良いと予想されるが、実際はこの組み合わせではイオン交換効率が高くならない。
本発明者らはこの理由について以下のように推定している。
硝酸銅によるCuイオン交換を行うと系中に硝酸イオン(NO3 −)が存在する。この状態は、Ceイオンが最もイオン交換されにくい塩である硝酸セリウムが存在する状態と類似した状態となっていると考えられる。そのため、硝酸イオンによってCeイオンのイオン交換が阻害されるものと推定される。
このように、一度のイオン交換工程によりCuとCeを同時にイオン交換できると、工程が簡便になるため有利である。
そして、CuイオンとCeイオンが共に高いイオン交換効率でイオン交換されてなるゼオライトは、NOx浄化性能の高いSCR触媒として使用することができる。
本発明では、上記のように固相でのイオン交換を採用するものであるが、混合粉末中の水分量を極端に規制するものではない。上記混合粉末が空気中の水分を含み、水分量が40重量%以下で存在しても、Cu及びCeのイオン交換効率を損ねることはない。
[酢酸銅中のCu元素量/(原料としてのCHA型ゼオライト+酢酸セリウム中のCe元素量+酢酸銅中のCu元素量)]×100 (1)
Cu元素量が上記範囲であると、少量のゼオライトで高いNOx浄化性能を得ることができ、かつ、高温でのアンモニア酸化によるNOx浄化性能の低下を防止できる。
[酢酸セリウム中のCe元素量/(原料としてのCHA型ゼオライト+酢酸セリウム中のCe元素量+酢酸銅中のCu元素量)]×100 (2)
Ce元素量が1重量%以上であると、NOx浄化性能をより高めることができる。また、Ce元素量を7重量%を超えて多くしても、イオン交換されるCeの量がそれほど増えないので酢酸セリウムの添加の効果が発揮されにくくなる。本発明の製造方法によるイオン交換方法によれば、Ceを高効率でイオン交換して、ゼオライトに担持されたCe元素量を1〜7重量%にすることができる。
その組成比SiO2/Al2O3が15以下であることにより、NOxの浄化性能をさらに高めることができる。その理由は、SiO2/Al2O3が15以下であることにより、ゼオライト中のアルミナ量が増え、それに比例して触媒として機能するCu及びCeの担持量を多くできるからである。また、SARが15以下であると、より容易にCu及びCeの固相でのイオン交換をすることができ、上記した固相でのイオン交換による効果をより発揮できる。
[ゼオライト]
まず、本発明のゼオライトの製造方法により得られるゼオライトについて説明する。
本発明のゼオライトの製造方法により得られるゼオライトは、Cu及びCeでイオン交換されているCHA型ゼオライトである。
CHA型ゼオライトは、国際ゼオライト学会(International Zeolite Association:IZA)において、CHAという構造コードで命名され、分類されており、天然に産出するチャバサイト(chabazite)と同等の結晶構造を有するゼオライトである。
また、ゼオライトに担持されたCe元素量は1〜7重量%であることが好ましく、3〜5重量%であることがより好ましい。
ゼオライトに担持されたCu元素量及びCe元素量は、イオン交換されたCu元素及びCe元素を含むほか、ゼオライト粒子にCuOやCeO2といった酸化物の形で付着したCu元素及びCe元素等も含む量である。
ゼオライトに担持されたCu元素量及びCe元素量は、ICP発光分光分析により測定したゼオライトに含まれる元素比率から求めることができる。
ゼオライトにCeイオンがイオン交換されているかは、Ce占有率を測定することにより確認することができる。
具体的には、ゼオライトのXRD測定および解析を以下の手順で行う。まず、X線回折装置(リガク社製、Smart Lab)を用い、XRD測定を行い、XRDデータを得る。このとき、測定条件は、線源:CuKα(λ=0.154nm)、測定法:連続法、回折角:2θ=5〜90°、ステップ幅:0.01°、スキャンスピード:メインピークが10000カウントを超えるように設定、ISスリット:1/6°、IS長手:10mm、ISソーラースリット:2.5°、PAS:オープン、加速電圧:40kV、加速電流:30mAとする。
次に得られたXRDデータをもとに、空間群をNo.166(R−3m)としてリートベルト解析を行う。なお、ソフトウェアはリガク製PDXL−2を用いることができる。
また、このリートベルト解析においてCu元素の配置をみることで、Cuがイオン交換されているかも確認することができる。
なおゼオライトのモル比(SiO2/Al2O3)は、蛍光X線分析(XRF)を用いて測定することができる。
なお、所望の粒子径のゼオライトを得る方法として、例えば、Si源として、比表面積が150〜500m2/gのシリカゾル、Al源として、乾燥水酸化アルミニウムゲルを選択する方法等が挙げられる。
次に、本発明のゼオライトの製造方法について説明する。
本発明の原料としてのCHA型ゼオライトと酢酸銅と酢酸セリウムを混合して混合粉末として、上記混合粉末を300〜800℃で加熱することによって、CuイオンとCeイオンを同時にイオン交換することを特徴とする。
Si源としては、例えば、コロイダルシリカ、無定型シリカ、珪酸ナトリウム、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等を用いることができ、これらを二種以上併用してもよい。これらの中では、コロイダルシリカが望ましい。
構造規定剤としては、N,N,N−トリアルキルアダマンタンアンモニウムをカチオンとする水酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩、メチルカーボネート塩、硫酸塩及び硝酸塩;及びN,N,N−トリメチルベンジルアンモニウムイオン、N−アルキル−3−キヌクリジノールイオン、またはN,N,N−トリアルキルエキソアミノノルボルナンをカチオンとする水酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩、メチルカーボネート塩、硫酸塩及び硝酸塩からなる群から選ばれる少なくとも一種を用いることができる。これらの中では、N,N,N−トリメチルアダマンタンアンモニウム水酸化物(以下、TMAAOHとも記載する)、N,N,N−トリメチルアダマンタンアンモニウムハロゲン化物、N,N,N−トリメチルアダマンタンアンモニウム炭酸塩、N,N,N−トリメチルアダマンタンアンモニウムメチルカーボネート塩及びN,N,N−トリメチルアダマンタンアンモニウム硫酸塩からなる群から選ばれる少なくとも一種を用いることが望ましく、TMAAOHを用いることがより望ましい。
以下、イオン交換の方法について説明する。
本発明のゼオライトの製造方法では、Cuをイオン交換させるためのCu化合物として酢酸銅を、Ceをイオン交換させるためのCe化合物として酢酸セリウムを使用する。
CHA型ゼオライトは通常粉末である。酢酸銅としては粉末、酢酸銅の溶液のいずれも使用することができる。酢酸セリウムとしては粉末、酢酸セリウムの溶液のいずれも使用することができる。
酢酸銅及び酢酸セリウムの配合量に比べ、CHA型ゼオライトの配合量のほうが通常は多いので、酢酸銅及び酢酸セリウムが溶液の状態で加えられたとしても、水分はゼオライトの粉末に吸収されて粉末の状態が維持される。すなわち、固相でのイオン交換となる。
このイオン交換は、固相でのイオン交換であることが好ましいが、混合物中の水分量を極端に規制するものではない。
上記混合物中の水分量は40重量%以下であることが好ましく、該水分量であってもCu及びCeのイオン交換効率を高める効果を損ねることがない。好ましい混合物中の水分量は1〜20重量%である。水分量を1重量%以上とすることで、混合物中で粉末が静電気に帯電せず、より偏りなく混合することが可能となる。なお混合物中の水分量は、加熱乾燥式水分計(A&D社製 MX−50)で設定温度を200℃にして測定できる。
加熱手段としては、マッフル炉(デンケン・ハイデンタル製 KDF−S100)、雰囲気炉(中外炉工業社製 FQ−5270)、等の加熱炉を使用することができる。
上記工程により、Cu及びCeでイオン交換されたCHA型ゼオライトが得られる。
[酢酸銅中のCu元素量/(原料としてのCHA型ゼオライト+酢酸セリウム中のCe元素量+酢酸銅中のCu元素量)]×100 (1)
Cu元素量が上記範囲であると、少量のゼオライトで高いNOx浄化性能を得ることができ、かつ、高温でのアンモニア酸化によるNOx浄化性能の低下を防止できる。
[酢酸セリウム中のCe元素量/(原料としてのCHA型ゼオライト+酢酸セリウム中のCe元素量+酢酸銅中のCu元素量)]×100 (2)
Ce元素量が1重量%以上であると、NOx浄化性能をより高めることができる。また、Ce元素量を7重量%を超えて多くしても、イオン交換されるCeの量がそれほど増えないので酢酸セリウムの添加の効果が発揮されにくくなる。本発明の製造方法によるイオン交換方法によれば、Ceを高効率でイオン交換して、ゼオライトに担持されたCe元素量を1〜7重量%にすることができる。
その組成比SiO2/Al2O3が15以下であることにより、NOxの浄化性能をさらに高めることができる。その理由は、SiO2/Al2O3が15以下であることにより、ゼオライト中のアルミナ量が増え、それに比例して触媒として機能するCu及びCeの担持量を多くできるからである。
アンモニア溶液を用いたイオン交換方法としては、上記のアンモニア溶液にゼオライトを浸漬することで行うことができる。アンモニア溶液の温度は例えば4〜50℃、大気圧で、浸漬時間は例えば0.1時間〜2時間である。このようにして、NH4 +型ゼオライトが得られる。
加熱温度は、例えば350〜650℃である。
加熱時間は、例えば0.5時間〜48時間である。
加熱手段としては、市販されている加熱炉を利用することができる。
本発明のゼオライトの製造方法で得られたゼオライトは、無機バインダと混合して押出成形し、焼成することによりハニカム触媒とすることができる。
ハニカム触媒は、複数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に並設されたハニカム焼成体を備えていることが好ましい。
ハニカム触媒は、NOx浄化用の触媒として使用することができる。
また、ハニカム触媒は、単一のハニカム焼成体を備えていてもよいし、接着層を介して接着された複数個のハニカム焼成体を備えていてもよい。
(ゼオライトの調製)
Si源としてコロイダルシリカ(日産化学工業社製、スノーテックス)、Al源として乾燥水酸化アルミニウムゲル(富田製薬社製)、アルカリ源として水酸化ナトリウム(トクヤマ社製)と水酸化カリウム(東亜合成社製)、構造規定剤(SDA)としてN,N,N−トリメチルアダマンタンアンモニウム水酸化物(TMAAOH)25%水溶液(Sachem社製)、種結晶としてSSZ−13、脱イオン水を混合し、原料組成物を準備した。原料組成物のモル比は、SiO2:15mol、Al2O3:1mol、NaOH:2.6mol、KOH:0.9mol、TMAAOH:1.1mol、H2O:300molの割合とした。また原料組成物中のSiO2、Al2O3に5.0重量%の種結晶を加えた。原料組成物を500Lオートクレーブに装填し、加熱温度160℃、加熱時間48時間で水熱合成を行い、ゼオライトを合成した。続いて、ゼオライト細孔内に残存するTMAAOHを除去するために、空気中で、550℃、4時間の条件で加熱処理を行った。
硫酸アンモニウム1molを1Lの水に溶かした後、得られた溶液4gに対して上記で得られたゼオライトを1gの割合で添加し、大気圧で1時間撹拌を行い、NH4 +型ゼオライトを得た。
上記で得られたNH4 +型ゼオライトを、空気中で、550℃、4時間の条件で加熱処理を行い、H+型ゼオライトを得た。
続いて、上記で得られたH+型ゼオライトに対し、Cu量が3.68重量%となるように、酢酸銅(II)を混合し、Ce量が5.0重量%となるように、酢酸セリウム(III)を混合して混合粉末を得た。
なおこの混合工程では、乳鉢を使用し、混合温度は室温であり、混合時間は0.5時間とした。また混合粉末の水分量は、20重量%であった。
加熱装置:中外炉工業社製、装置型番FQ−5270
加熱温度:700℃
加熱雰囲気:N2雰囲気
加熱時の圧力:大気圧
加熱時間:5時間
以上のようにして、Cu及びCeでイオン交換されたCHA型ゼオライトを製造した。
実施例1に記載された手順で調製したH+型ゼオライトに対し、Cuの塩として硝酸銅(II)を、Ceの塩として酢酸セリウム(III)を混合して混合粉末を得た。
硝酸銅(II)及び酢酸セリウム(III)の配合量は実施例1と同様である。
この混合粉末を実施例1と同様の条件で加熱処理し、Cu及びCeでイオン交換されているCHA型ゼオライトを製造した。
実施例1に記載された手順で調製したH+型ゼオライトに対し、Cuの塩として硝酸銅(II)を、Ceの塩として硫酸第二セリウムを混合して混合粉末を得た。
硝酸銅(II)及び硫酸第二セリウム(III)の配合量は実施例1と同様である。
この混合粉末を実施例1と同様の条件で加熱処理し、Cu及びCeでイオン交換されているCHA型ゼオライトを製造した。
蛍光X線分析装置(XRF、リガク社製 ZSX Primus2)を用いて、各実施例及び比較例で使用した、イオン交換前のゼオライトのモル比(SAR:SiO2/Al2O3)を測定した。測定条件は、X線管:Rh、定格最大出力:4kW、検出元素範囲:F〜U、定量法:SQX法、分析領域:10mmφとした。
なお、イオン交換前後でSARは変化しないと考えられるため、各実施例及び比較例で得られたゼオライトのSARも同じ値となると考えられる。
X線回折装置(リガク社製、Smart Lab)を用い、各実施例及び比較例で得られたゼオライトについて、XRD測定を行い、XRDデータを得た。
測定条件は、線源:CuKα(λ=0.154nm)、測定法:連続法、回折角:2θ=5〜90°、ステップ幅:0.01°、スキャンスピード:メインピークが10000カウントを超えるように設定、ISスリット:1/6°、IS長手:10mm、ISソーラースリット:2.5°、PAS:オープン、加速電圧:40kV、加速電流:30mAとした。
得られたXRDデータをもとに、空間群をNo.166(R−3m)としてリートベルト解析を行った。なお、ソフトウェアはリガク社製PDXL−2を用いた。Ce占有率の結果を表1に示した。
Claims (6)
- 原料としてのCHA型ゼオライトと酢酸銅と酢酸セリウムを混合して混合粉末として、前記混合粉末を300〜800℃で加熱することによって、CuイオンとCeイオンを同時にイオン交換することを特徴とする、CuとCeがイオン交換されたゼオライトの製造方法。
- 前記混合粉末中の水分量が40重量%以下である請求項1に記載のゼオライトの製造方法。
- 前記酢酸銅を、下記式(1)で表される酢酸銅中のCu元素量が2〜6重量%となるように配合する請求項1又は2に記載のゼオライトの製造方法。
[酢酸銅中のCu元素量/(原料としてのCHA型ゼオライト+酢酸セリウム中のCe元素量+酢酸銅中のCu元素量)]×100 (1) - 前記酢酸セリウムを、下記式(2)で表される酢酸セリウム中のCe元素量が1〜7重量%となるように配合する請求項1〜3のいずれかに記載のゼオライトの製造方法。
[酢酸セリウム中のCe元素量/(原料としてのCHA型ゼオライト+酢酸セリウム中のCe元素量+酢酸銅中のCu元素量)]×100 (2) - 前記原料としてのCHA型ゼオライトのSiO2/Al2O3組成比(SAR)が5〜15である請求項1〜4のいずれかに記載のゼオライトの製造方法。
- 前記CHA型ゼオライトがSSZ−13である請求項1〜5のいずれかに記載のゼオライトの製造方法。
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