PL162653B1 - Sposób wytwarzania zeolitu typu f ilipsytu o wlasnosciach sit molekularnych PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania zeolitu typu filipsytu o wlasnosciach sit molekularnych na drodze reakcji wodnych roztworów glinianu sodowego z dodatkiem wodorotlenku sodowego, wodorotlenku potasowego i wody destylowanej ze stabilnym stezonym hydrozolem kwasu krzemowego lub szerokoporowatym zelem kwasu krzemowego przy zachowaniu miedzy materialami wyjsciowymi takich proporcji, aby stosunki molowe tlenków w mieszaninie reakcyjnej wynosily: Na2O: (Na2O + K2O) = 0,7-0,8 (Na2O + K2O ): SiO2 = 0,3-0,5 H2O : (Na2O + K2O) = 35-45 i wówczas miesza sie materialy wyjsciowe, korzystnie w temperaturze 285-300K i kontynuuje mieszanie i rozcieranie mieszaniny w ciagu 0,3-0,7 godziny, nastepnie mieszanine kontaktuje sie ze szklem borokrzemia- nowym w takiej ilosci, aby stosunek powierzchni szkl a kontaktujacego sie z mieszanina reakcyjna do objetosci tej mieszaniny miescil sie w granicach 110 do 130 m2/m3, nastepnie swiezo otrzymany hydrozel glinokrzemia- nowy przed rozpoczeciem krystalizacji poddaje sie starzeniu w temperaturze 280-305K przez okres 12-24 godzin, po czym prowadzi sie, nie przerywajac kontaktu mieszaniny ze szklem borokrzemianowym, proces hydrotermalnej krystalizacji w temperaturze 350-400K przez 100-200 godzin, a po skonczonej krystalizacji oddziela sie krysztaly i przemywa woda destylowana do pH przesaczu okolo 10, znamienny tym, ze stosunek molowy SiO2 : Al2O3 w mieszaninie reakcyjnej przed jej skontaktowaniem ze szklem borokrzemianowym miesci sie w granicach: 2 = SiO2 : Al2O3 = 4.6. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania zeolitu typu filipsytu o własnościach sita molekularnego z efektywną średnicą porów około 0,28 nm.

Naturalny filipsyt krystalizuje w układzie rombowym, grupa przestrzenna B2mb. Jego skład chemiczny przedstawia molowy wzór tlenkowy:

/Ca,K2,Na₂/O · A^3 · 4,4Si02 ‘ 4(^0.

Wiele z pośród szeregu faz syntetycznych zaliczono w literaturze niesłusznie do typu filipsytu. Ostatnia przyjęto, że nazwa filipsyt przysługuje fazom, których widmo zgadza się z modelem teoretycznym Steinfinka. Zgadzają się z nim widma zeolitu ZK-19 otrzymanego przez KUhla z użyciem drugorzędowych fosforanów kompleksujących glin oraz wysokokrzemowej odmiany filipsytu opisanej w opisie patentowym PRL nr 100 912.

Sposób wytwarzania odmiany wysokokrzemowej filipsytu /moduł krzemowy Si02:Al^3 około 6/ według polskiego opisu patentowego nr 100 912 dotyczy układu pięcioskładnikowego Na20-K₂0-Si02-Al₂0j-H₂0. Reakcję prowadzi się tak, aby stosunki molowe tlenków w mieszaninie reakcyjnej wynosiły:

Na20: /Na₇0+K_r0/ = 0,7 - 0,0 /Na₂0+K20/ : SiO₂ = 0,35 - 0,45 Si02 : A^3 = 20-20 H₂0 : /Na₂0+K20/ =39-45

162 653 i tak aby procentowe zawartości poszczególnych tlenków w układzie mieściły się w zastrzeżonych granicach. HydroZel poddaje się starzeniu, a następnie prowadzi się hydrotermalną krystalizację w zamkniętym autoklawie stalowym w temperaturze 373 K przez okres 160-200 godzin i w czasie krystalizacji stosuje się mieszanie ciągłe lub periodyczne. Szczególnie charakterystyczne jest, Że moduł krzemowy w mieszaninie reakcyjnej był w granicach 20-28 a mieszanina była poddawana krystalizacji bez kontaktu ze szkłem borokrzemianowym.

Znany z opisu patentowego PRL nr 136 902 sposób wytwarzania zeolitów zabezpieczający odtwarzalność, regulację czystości fazowej i wydajności produktu stałego syntezy hydrotermalnej wszystkich typów zeolitów dotyczy tych przypadków kiedy pola krystalizacji, a więc i korzystne stosunki molowe SiO2:^Al2^3 w mieszaninie reakcyjnej są znane. W przykładach podanych w tym opisie ograniczono się do dwóch najważniejszych przypadków. Oba przykłady dotyczą sytuacji gdy znane jest pole krystalizacji zeolitu typu erionitu-offretytu w szkle, w małej skali i chcemy zwiększyć skalę syntezy pozostając w szkle /przykład I/ lub równocześnie zwiększyć skalę syntezy i przejść do autoklawów stalowych, ale przy zachowaniu kontaktu mieszaniny reakcyjnej ze szkłem borokrzemianowym /przykład II/. Wtedy wystarczy do mieszaniny reakcyjnej wprowadzić dodatkowe elementy szklanne w takiej ilości w stosunku do objętości mieszaniny reakcyjnej, aby stosunek powierzchni szkła pochodzącego z naczynia i z wprowadzonych elementów szklannych, kontaktującego się z mieszaniną reakcyjną, do objętości tej mieszaniny był stały, po czyn prowadzi się w znany sposób procesy dojrzewania i krystalizacji. Sposób według opisu 136 902 może być także łatwo zastosowany do przypadku zmniejszania skali syntezy lub do przypadku przejścia od syntezy w naczyniach szklannych do stalowych bez zmiany skali, ale ciągle w kontakcie szkła z mieszaniną reakcyjną. I to wyczerpuje listę przypadków, w których można, bez dodatkowych badań zastosować praktycznie opis 136 902. Sposób według opisu 136 902 w przykładach I i II opiera się na znajomości pola krystalizacji zeolitu typu erionitu-offretytu w naczyniach szklannych, czyli opisu patentowego nr 100 926.

Specyficzną cechą dziedziny syntezy zeolitów jest fakt, że są fazami metastabilnymi i dlatego wynik syntezy silnie zależy od drogi reakcji,a więc od wielu czynników o charakterze Kinetycznym. Dlatego zależy od nich tak zwane pole krystalizacji zeolitu, czyli korzystny dla tworzenia danej struktury zeolitowej zakres składów chemicznych mieszanin reakcyjnych. Tłumaczy to fakt, że w omawianym układzie Na2O-K2O-Al2Oj-SiO2-H2O zmiana jednego parametru syntezy modułu krzemowego w mieszaninie reakcyjnej - przy niemal niezmiennych pozostałych parametrach syntezy, potrafi sterować procesem krystalizacji i w rezultacie dać raz filipsyt, raz chabazyt a raz erionit-offretyt. Ootyczy to zarówno krystalizacji w stali jak i krystalizacji w kontakcie mieszaniny reakcyjnej ze szkłem.

Sposooem według wynalazku syntetyczny zeolit typu filipsytu o własnościach sit molekularnych wytwarza się na drodze reakcji wodnych roztworów glinianu sodowego z dodatkiem wodorotlenku sodowego, wodorotlenku potasowego i wody destylowanej ze stabilnym stężonym hydrozolem kwasu krzemowego Iuo szerokoporowatym żelem kwasu krzemowego, przy czym doprowadza się do bezpośredniego kontaktu mieszaniny reakcyjnej ze szkłem borokrzemowym w takiej ilości aby stosunek powierzchni szkła kontaktującego się z mieszaniną do objętości tej mieszaniny był stały, po czym prowadzi się procesy starzenia hydrożelu i hydrotermalnej krystalizacji. Podczas zmieszania materiałów wyjściowych zachowuje się takie proporcje, aby stosunki molowe tlenków w mieszaninie wyjściowej wynosiły:

Na2O : /Na2O + ^O/ = 0,7 - 0,8 /Na2O + K2O/ : SiO2 = 0,3 - 0,5 2 <SiO2 : Al₂O₃ 4,6

H2O : /Na2O + K2O/ = 35 - 45.

162 653

Miesza się materiały wyjściowe w temperaturze 285 - 300 K i kontynuuje mieszanie i rozcieranie mieszaniny w ciągu 0,3 - 0,7 godziny, następnie mieszaninę kontaktuje się ze szkłem borokrzemianowym w takiej ilości, aoy stosunek powierzchni szkła kontaktującego się z mieszaniną reakcyjną do oojętości tej mieszaniny mieścił się w granicach 110 do 130 m‘/m , po czym świeżo otrzymany hydrożel glinokrzemianowy przed rozpoczęciem krystalizacji poddaje się starzeniu w temperaturze 200 - 305 K przez okres 12 - 24 godzin, po czym prowadzi się, nie przerywając kontaktu mieszaniny ze szkłem borokrzemowym, proces hydrotermalnej krystalizacji w temperaturze 350 - 400 K przez okres 100 - 200 godzin, a po skończonej krystalizacji oddziela się kryształy i przemywa wodą destylowaną do pH przesączu około 10. W czasie krystalizacji nie stosuje się mieszania lub miesza się okresowo.

Identyfikacja i ocena własności produktu opiera się na badaniach mikroskopowych, proszkowej analizie rentgenowskiej, analizie chemicznej i badaniach sorpcyjnych. Widmo produktu porównuje się z widmem teoretycznym Steinfinka i z widmem zeolitu ZK-19 KUhla. Widmo zeolitu ZK-19 zamieszczono w tabeli I. Zważenie produktu i oznaczenie zawartości wody pozwala ocenić wydajność produktu stałego syntezy.

Obecny wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania zeolitu typu filipsytu o niskiej zawartości krzemionki /moduł krzemowy SiO₂:A1₂Oj od 3 do 4,5/ czyli odmiany wysokoglinowej, o odmiennych właściwościach fizykochemicznych: większej ilości pozycji kationowych w komórce elementarnej, wyższym stężeniu centrów jonowymiennych i adsorpcyjnych, odmiennej lokalizacji centrów w strukturze, zmienionej mocy centrów i ich dystrybucji, zmienionej trwałości termicznej i hydrolitycznej. Opis dotyczy nieznanego pola krystalizacji wysokoglinowej odmiany filipsytu co go wyraźnie odróżnia od sposobów według opisów 100 912 i 136 902. Sposób charakteryzuje się głównie krańcowo odmiennym modułem krzemowym w mieszaninie reakcyjnej przed jej skontaktowaniem ze szkłem i wynoszącym 24SiO₂:4^03^4,6 utrzymywaniem stałego kontaktu szkła borokrzemowego z mieszaniną reakcyjną podczas starzenia i krystalizacji. M sposobie według wynalazku konkretny stosunek powierzchni szkła do objętości mieszaniny reakcyjnej, rozszerzony zakres korzystnych temperatur i czasów krystalizacji,' możliwość krystalizacji bez użycia mieszania.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość zastępowania szklanycn naczyń krystalizacyjnych autoklawami stalowymi z użyciem dodatkowych elementów szklanych o powierzchni wyznaczonej stosunkiem powierzchni szkła do objętości mieszaniny reakcyjnej oraz zabezpieczenie odtwarzalności, czystości fazowej i wydajności syntezy przy przejściu od krystalizacji w szklanych naczyniach krystalizacyjnych w małej skali do krystalizacji w autoklawach stalowych w dużej skali.

Rozwiązanie według wynalazku jest objaśnione bliżej w przykładach wykonania.

Przykład I. 0o odważonej ilości stężonego zolu krzemionki dodano podczas mieszania w temperaturze pokojowej, wodnego roztworu wodorotlenków sodu i potasu, następnie wkroplono odważoną ilość stężonego, wodnego roztworu glinianu sodowego. Ilości wagowe surowców, odpowiadające im ilości moli składników /tlenków/ oraz stosunki molowe tlenków i skład mieszaniny wyjściowej /reakcyjnej/ podano w tabeli II. Mieszanie i rozcieranie kontynuowano przez 0,5 godziny, a następnie tak otrzymany hydrożel przeniesiono do autoklawu stalowego, gdzie wprowadzono obliczoną ilość elementów ze szkła Oorukrzemianuwego typu termisil.

Obliczenie ilości elementów szklanych oparto na założeniu, że stosunek sumy powierzchni dodanych elementów szklanych stykających się z hydrożelem - S, do objętości mieszaniny reakcyjnej - V powinien wynosić:

S/V = 121 m²/m3.

przykładzie użyto rurki ze szkła termisil o przeciętnej średnicy 0=0,0095 m. Objętość _-4 3 mieszaniny reakcyjnej V = 10 m . Stąd potrzebna powierzchnia szkła:

S = 121 · V = 121 · 10'4 m² = 121 · 10-4 _ffl2.

Biorąc pod uwagę, że rurka na kształt walca oraz że z hydrożelen styka się powierzchnia zewnętrzna i wewnętrzna mamy:

Srurk i ’ nigdzie: 0 - przeciętna średnica rurki = ♦ 0w_ewr)²

L - całkowita długość rurki w Jednym kierunku.

162 653

Ponieważ:

Srurki * S· stąd obliczamy całkowitą długość rurki:

L = S/2ΠD = 20,28 · i0² m.

_2

Dzieląc rurkę na odcinki o długości 1=5 * 10 m otrzymany ilość potrzebnych elementów szklanych:

n = L/1 = 4,06 = 4 sztuki.

Hydrożel z umieszczonymi w nim 4 rurkami ze szkła termisil poddano starzeniu w temperaturze pokojowej przez 24 godziny, bez mieszania. Następnie przeprowadzono hydrotermalną krystalizację w zamkniętym autoklawie stalowym, w temperaturze 373 K, bez mieszania, przez okres 168 godzin. Po krystalizacji osad oddzielono na filtrze próżniowym, wymyto wodą destylowaną do pH przesączu około 10, wysuszono w temperaturze 383 K i klimatyzowano w warunkach pokojowych przez 24 godziny.

Masa produktu klimatyzowanego wynosiła 36,62 ' 10*- kg, a masa produktu suchego w temperaturze 623 K wynosiła 30,76 ' 10*3 kg. Są to jednocześnie wydajności produktu stałego syntezy

-4 3 w przeliczeniu na 10 m mieszaniny reakcyjnej. Obraz mikroskopowy produktu przy powiększeniu 540-krotnym wykazał obecność średniej wielkości symetrycznych obiektów o kształcie krzyża oraz obiektów zaokrąglonych. Proszkowa analiza rentgenowska pozwoliła uzyskać widmo, które zamieszczono w tabeli 1 wraz z widmem zeolitu ZK-19 KUhla. Widoczne, znaczne podobieństwo obu widm, brak dodatkowych linii pochodzących od innych faz oraz charakter widma wskazują, ze sposobem według wynalazku otrzymano zeolit typu filipsytu bez domieszek krystalicznych, o wysokim stopniu krystaliczności.

Analiza chemiczna produktu pozwoliła ustalić jego wzór tlenowy:

0,70Na₂O · 0,42«2O · A^Oj · 4,34SiO₂ · 4,32H_;O.

Moduł krzemowy produktu okazał się wyższy od modułu w mieszaninie wyjściowej /4,2'' i jednocześnie znacznie niższy od modułu odmiany wysokokrzemowej opisanej w opisie patentowym PR. nr 100 9.12 /około 6/.

weoług pomiarów sorpcyjnych produkt uzyskany sposobem weoług wynalazku aktywowany w temperaturze 623 K adsurbuje w temperaturze 290 K przy ciśnieniu względnym p/p_ = 0,2

-3-1 ⁰

17,96 · 10 kg pary wodnej na 10 kg zeolitu, a w temperaturze 77 nie sorbuje azotu.

Przykład II. Do syntezy zastosowano te same materiały wyjściowe i w tych samych ilościach co w przykładzie I. Skład mieszaniny wyjściowej był taki san jak w przykładzie I /tabela II/. Różnica polegała na tym, że starzenie hydrożelu przed krystalizację i krystalizacja odbywały się w zatopionej, cylindrycznej ampułce ze szkła termisil. Obliczony na podstawie wymiarów ampułki i objętości mieszaniny reakcyjnej stosunek S/V wynosił 121 m'/rn.. Pozostałe warunki starzenia i krystalizacji były takie same jak w przykładzie I.

W rezultacie otrzymano czysty zeolit typu filipsytu, którego wydajność, własności sorpcyjne i skład chemiczny nie odbiegały od uzyskanych w przykładzie I.

Tabela I

Wskaźniki Millera	Zeolit ZK-19 według pracy KUhla	Zeolit otrzymany sposobem według wynalazku
hkl	d /nm/	100 · I Imax	d /nm/	100 · I Ima*
101	0.81.7	19	0.8207	17
002	0.713	00	0.7161	65
121	0.537	19	0.53853	15
022	0.503	11	0.50390	32
200	0.498	34	0.49939	42
103	0.429	12	0.42990	16

162 653 cd. tabeli

I-Γ	2	3	-;—	5
113	0.413	7	0.41253	32
220	0.406	26	0.39935	13
141	0.326	15	0.32526	35
024	0.313	100	0.31865	100
311	0.315	16	0.30830	12 i
321	0.294	30	0.29497	16 ί
105	0.274	23	0.27549	17 ;
224	0.2635	31	0.26905	32
323	0.254		0.25408	6
341	0.239	5	0.23900	5
244	0.224	5 1	0.22406 ; i	5

d - odległości międzypłaszczyznowe w na,

I - intensywność linii dyfrakcyjnej,

Imax - intensywność linii najsilniejszej.

Tabela II

1 Materiał 1 ! wyjściowy 1 1 j	Ilość mm teriału *g· 10*’	f^O	1- ' Ilość moli
; ^0	A^O’	S^	H^
roztwór glinianu sodowego	30.020	0.0949		0.0703		0.0970
! Stężony j zo1 | krzemionki	67.000	0.0023			0.3287	2.6151
! Stały NaOH .	0.315	0.0039				0.0039 j
Stały ; KOH |	3.751		0.0337			1 1 0.0337
Woda desty lowana i 1 1	33.677		-	-	-	1.8693
Razem i 1 1	134.902	0.1011	0.0337	0.0783	0.3287	5.4150

Stosunki molowe tlenków:

Na20 : /Na_z0 + KjO/ = 0.75 ; /0a+0 2 /₂0/ : Si0₂ = 0.41 ;

SiO₂ : A^Oj = 4.2 ; ł^O : /Na^ · K^/ = 40.2.

Procent wagowy składnika w bezwodnej mieszaninie reakcyjnej:

Na^ = 16.62% ; ^0 = 6.50% ; Al^ · 4.2Si0.2 = 74.38%.

Iljści tlenków, stosunki molowe i skład procentowy dotyczą okresu przed skontaktowaniem mieszaniny wyjściowej ze szkłem.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania zeolitu typu filipsytu o własnościach sit molekularnych na drodze reakcji wodnych roztworów glinianu sodowego z dodatkiem wodorotlenku sodowego, wodorotlenku potasowego i wody destylowanej ze stabilnym stężonym hydrozolem kwasu krzemowego lub szerokoporowatym żelem kwasu krzemowego przy zachowaniu między materiałami wyjściowymi takich proporcji, aby stosunki molowe tlenków w mieszaninie reakcyjnej wynosiły:

   Na₂O : /Na₂O + K₂O/ = 0,7 - 0,8 /Na₂O + K2O/ : SiO2 = 0,3 - 0,5 H2O : /Na2O + K2O/ =35-45 i wówczas miesza wię materiały wyjściowe korzystnie w temperaturze 285 - 300 K i kontynuuje mieszanie i rozcieranie mieszaniny w ciągu 0,3 - 0,7 godziny, następnie mieszaninę kontaktuje się ze szkłem borokrzemianowym w takiej ilości, aby stosunek powierzchni szkła kontaktującego się z mieszaniną reakcyjną do objętości tej mieszaniny mieścił się w granicach 110 do 130 m /m następnie świeżo otrzymany hydrożel glinokrzemianowy przed rozpoczęciem krystalizacji poddaje się starzeniu w temperaturze 260 - 305 K przez okres 12 - 24 godzin, po czym prowadzi się nie przerywając kontaktu mieszaniny ze szkłem borokrzemianowym, proces hydrotermalnej krystalizacji w temperaturze 350 - 400 K przez okres 100 - 200 godzin, a po skończonej krystalizacji oddziela się kryształy i przemywa wodą destylowaną do pH przesączu około 10, znamienny tym, że stosunek molowy SiO2:Al₂O3 w mieszaninie reakcyjnej przed jej skontaktowaniem ze szkłem borokrzemianowym mieści się w granicach:
2. 2 SiO₂:Al₂Oj 4.6.

   2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że proces hydrotermalnej krystalizacji prowadzi się bez mieszania ciągłego.