JP5116880B2 - Ｆｅ（ＩＩ）置換ベータ型ゼオライト、それを含むガス吸着剤及びその製造方法、並びに一酸化窒素及びハイドロカーボンの除去方法 - Google Patents

Ｆｅ（ＩＩ）置換ベータ型ゼオライト、それを含むガス吸着剤及びその製造方法、並びに一酸化窒素及びハイドロカーボンの除去方法 Download PDF

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Description

本発明は、Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライト、それを含むガス吸着剤及びその製造方法に関する。また本発明は内燃機関の排気ガス等の気相中の一酸化窒素ガスやハイドロカーボンガスを吸着除去するための吸着剤及び気相中から一酸化窒素ガスやハイドロカーボンガスを除去する方法に関する。
自動車の排気ガス浄化用触媒として、鉄イオンでイオン交換したベータ型ゼオライトを用いることが提案されている（特許文献１ないし３参照）。例えば特許文献１には、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3のモル比が１５〜３００であるベータ型ゼオライトを、０．１〜１５質量％のＦｅ3+イオンでイオン交換してなる担体と、該担体に担持された酸化第二鉄とを有する脱硝触媒が記載されている。
特許文献２には、29Ｓｉ ＭＡＳ ＮＭＲスペクトルで観測されるゼオライト骨格のＱ4に帰属されるＳｉ含有率が３５〜４７質量％である骨格構造を有し、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3のモル比が２０以上１００未満であるベータ型ゼオライトをイオン交換してＦｅ3+を担持させ、これを、窒素酸化物を含有する排気ガスと接触させることが記載されている。
特許文献３には、ＮＯx吸着材の製造方法が記載されている。この方法においては、ベータ型ゼオライトに塩化鉄水溶液を含浸させて塩化鉄含有ゼオライトとする含浸工程と、該塩化鉄含有ゼオライトを、水分を含まない雰囲気にて３３０℃〜５００℃で加熱してＦｅをイオン交換するイオン交換工程と、該イオン交換工程後の該塩化鉄含有ゼオライトを非酸化性雰囲気にて熱処理する熱処理工程とを有している。
国際公開第２００６／０１１５７５号パンフレット 特開２００７−０７６９９０号公報 特開２００８−２６４７０２号公報
しかし、一酸化窒素の触媒的除去を行うときに、排気ガス中に酸素が高濃度で存在する場合や、排気ガスの温度が低い場合には、上述した材料を用いても一酸化窒素を効果的に吸着除去することが容易でない。
本発明者らは鋭意検討した結果、二価の鉄でイオン交換されてなり、かつ特定の物性を有するＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを用いることで、前記の目的が達成されることを知見した。
すなわち本発明は、Ｆｅ(II)イオンによってイオン交換されたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトであって、
ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が１０〜１８であり、ＢＥＴ比表面積が４００〜７００ｍ2／ｇであり、ミクロ孔比表面積が２９０〜５００ｍ2／ｇであり、かつミクロ孔容積が０．１５〜０．２５ｃｍ3／ｇであるＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを提供するものである。
また本発明は、前記のＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを含むガス吸着剤を提供するものである。
また本発明は、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が１０〜１６であり、ナトリウム型の状態で測定されたＢＥＴ比表面積が５００〜７００ｍ2／ｇであり、ミクロ孔比表面積が３５０〜５００ｍ2／ｇであり、かつミクロ孔容積が０．１５〜０．２５ｃｍ3／ｇであるベータ型ゼオライトを、二価の鉄の水溶性化合物水溶液中に分散し、混合撹拌することで、該ベータ型ゼオライトにＦｅ(II)イオンを担持させる工程を有する、Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトの製造方法を提供するものである。
また本発明は、Ｆｅ(II)イオンによってイオン交換されており、
ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が１０〜１８であり、ＢＥＴ比表面積が４００〜７００ｍ2／ｇであり、ミクロ孔比表面積が２９０〜５００ｍ2／ｇであり、かつミクロ孔容積が０．１５〜０．２５ｃｍ3／ｇであるＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを一酸化窒素又は一酸化窒素を含むガスと接触させて、一酸化窒素を該Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトに吸着させる一酸化窒素の除去方法を提供するものである。
更に本発明は、Ｆｅ(II)イオンによってイオン交換されており、
ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が１０〜１８であり、ＢＥＴ比表面積が４００〜７００ｍ2／ｇであり、ミクロ孔比表面積が２９０〜５００ｍ2／ｇであり、かつミクロ孔容積が０．１５〜０．２５ｃｍ3／ｇであるＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトをハイドロカーボン又はハイドロカーボンを含むガスと接触させて、ハイドロカーボンを該Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトに吸着させるハイドロカーボンの除去方法を提供するものである。
本発明によれば、各種のガスの触媒的除去に有用なＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライト及びその製造方法が提供される。特に本発明によれば、一酸化窒素やハイドロカーボンの触媒的除去を行うときに、浄化すべきガス中に酸素が高濃度で存在する場合や、浄化すべきガスの温度が低い場合であっても、該ガス中に含まれる一酸化窒素やハイドロカーボンを効果的に吸着除去することができる。
図１は、本発明で用いる置換前ベータ型ゼオライトを製造するための工程図である。 図２は、実施例１で得られた置換前ベータ型ゼオライトのＸ線回折図である。 図３は、実施例１で得られたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトのＸ線回折図である。 図４は、実施例２で得られたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトのＸ線回折図である。 図５は、実施例３で得られたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトのＸ線回折図である。 図６は、実施例４で得られたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトのＸ線回折図である。 図７（ａ）は、比較例１で用いた置換前ベータ型ゼオライトのＸ線回折図であり、図７（ｂ）は、比較例１で用いたＦｅ(II)ベータ型ゼオライトのＸ線回折図である。 図８（ａ）は、比較例２で用いた置換前ベータ型ゼオライトのＸ線回折図であり、図８（ｂ）は、比較例２で用いたＦｅ(II)ベータ型ゼオライトのＸ線回折図である。
以下、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明する。本発明は、ベータ型ゼオライトをＦｅ(II)イオンによってイオン交換して得られたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトに関するものである。また、本発明は、該Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを含むガス吸着剤に関するものである。Ｆｅ(II)イオンは、ベータ型ゼオライトにおける［ＡｌＯ2］-サイトに存在するカチオンとイオン交換されることで、ベータ型ゼオライトに担持される。本発明で重要な点は、ベータ型ゼオライトに含まれるカチオンとイオン交換される鉄イオンがＦｅ(II)イオンであるという点である。カチオンとイオン交換される鉄イオンがＦｅ(III)イオンである場合には、所望とするレベルのガス除去効果を発現することができない。この理由は、ベータ型ゼオライトとして、後述する特定の物性値を有するものを用いることと関連があるのではないかと本発明者は考えている。
カチオンとイオン交換される鉄イオンがＦｅ(III)イオンである場合には所望とするレベルのガス除去効果を発現することはできないが、このことは、本発明で用いるＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトがＦｅ(III)イオンを担持することを妨げるものではない。つまりＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトがＦｅ(III)イオンを担持することは許容される。
本発明において、Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを用いた吸着の対象となるガスとしては、例えば内燃機関の排気ガスに含まれるガスである一酸化窒素ガスやハイドロカーボンガスが挙げられる。ハイドロカーボンガスに関しては、特にメタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ｎ−ヘプタン及びイソオクタンなどのアルカン類、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、メチルペンテン、ヘキセン及びメチルヘキセン等のアルケン類、ベンゼン、トルエン、キシレン及びトリメチルベンゼン等の芳香族類などの吸着に、本発明のＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトは有効である。処理の対象となるガス中に一酸化窒素及びハイドロカーボンの双方が含まれている場合、本発明のＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを用いれば、これら双方のガスを同時に吸着することができる。
Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトに含まれるＦｅ(II)の量、すなわち担持量は、Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトに対して０．０１〜６．５質量％であることが好ましく、０．０５〜６．０質量％であることが更に好ましく、０．１〜５．０質量％であることが一層好ましく、０．６〜５．０質量％であることが更に一層好ましい。Ｆｅ(II)の担持量をこの範囲に設定することで、一酸化窒素やハイドロカーボンの吸着効率を効果的に高めることができる。
Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトに含まれるＦｅ(II)の担持量は、次の方法で測定される。まず、測定対象となるＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを秤量する。このＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトをフッ化水素（ＨＦ）によって溶解し、溶解液中の二価の鉄の量を、誘導結合プラズマ発光分光分析装置を用いて定量する。定量された二価の鉄の質量を、Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトの質量で除し、１００を乗じることで、Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトに含まれるＦｅ(II)の担持量（％）を算出する。
ベータ型ゼオライトにＦｅ(II)イオンを担持させるには、例えば次の方法を採用することができる。二価の鉄の水溶性化合物水溶液中にベータ型ゼオライトを分散し、攪拌混合する。ベータ型ゼオライトは、前記の水溶液１００質量部に対して０．５〜７質量部の割合で混合することが好ましい。二価の鉄の水溶性化合物の添加量は、イオン交換の程度に応じて適切に設定すればよい。
混合攪拌は室温で行ってもよく、あるいは加熱下に行ってもよい。加熱下に混合攪拌を行う場合には、液温を１０〜３０℃に設定することが好ましい。また混合攪拌は大気雰囲気下で行ってもよく、あるいは窒素雰囲気下などの不活性ガス雰囲気下で行ってもよい。
混合攪拌に際しては、二価の鉄が三価の鉄に酸化されることを防止する化合物を水中に添加してもよい。そのような化合物としては、Ｆｅ(II)イオンのイオン交換を妨げず、かつＦｅ(II)イオンがＦｅ(III)イオンに酸化されることを防止し得る化合物であるアスコルビン酸が好ましい。アスコルビン酸の添加量は、添加する二価の鉄のモル数の０．１〜３倍、特に０．２〜２倍とすることが、二価の鉄の酸化を効果的に防止する観点から好ましい。
混合攪拌を所定時間行った後、固形分を吸引濾過し、水洗し乾燥させることで、目的とするＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトが得られる。このＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトのＸ線回折図は、Ｆｅ(II)イオンを担持させる前のベータ型ゼオライトのＸ線回折図とほぼ同じである。つまりゼオライトの結晶構造はイオン交換によっては変化していない。
本発明で用いられるＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトは、そのＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が１０〜１８であり、好ましくは１０〜１７である。また、ＢＥＴ比表面積が４００〜７００ｍ2／ｇであり、好ましくは４００〜６００ｍ2／ｇ、更に好ましくは４００〜５２０である。更に、ミクロ孔比表面積が２９０〜５００ｍ2／ｇ、好ましくは３００〜４８０ｍ2／ｇであり、かつミクロ孔容積が０．１５〜０．２５ｃｍ3／ｇ、好ましくは０．１６〜０．２４ｃｍ3／ｇである。Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトとしてこのような物性値を有するものを用いることで、一酸化窒素やハイドロカーボンの吸着特性が向上する。なお、後述するように、これらの物性値は、Ｆｅ(II)イオンによってイオン交換される前のベータ型ゼオライトにおける対応する物性値と大きく変わらない。
本発明で用いられるＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトは、内燃機関のコールドスタート時に排出される一酸化窒素やハイドロカーボンのトラップ性に特に優れたものである。ガソリンエンジンやディーゼルエンジンのコールドスタート時には三元触媒の温度が十分に高くなっていないので、三元触媒による排気ガスの浄化を効果的に行うことが困難であるところ、この三元触媒とは別に本発明で用いられるＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを含む吸着剤（触媒）を用いることで、コールドスタート時の比較的低温の排気ガスに含まれる一酸化窒素をトラップすることができ、排気ガスを浄化することができる。コールドスタートから数分が経過して三元触媒の動作温度近傍に達すると、本発明で用いられるＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトにトラップされていた一酸化窒素やハイドロカーボンが放出され、放出された一酸化窒素やハイドロカーボンは、動作温度に達した三元触媒によって浄化される。
Ｆｅ(II)イオンによってイオン交換されるゼオライトであるベータ型ゼオライトとして、本発明においては特定の物性値を有するベータ型ゼオライトを用いることが好ましい。詳細には、本発明で用いられるベータ型ゼオライト（以下、このゼオライトのことを、Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトとの対比で「置換前ベータ型ゼオライト」という。）は、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が低いアルミニウムリッチなものであるにもかかわらず、高ＢＥＴ比表面積、高ミクロ孔比表面積及び高ミクロ孔容積を有する点に特徴の一つを有する。ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が低いベータ型ゼオライトはこれまでにも知られていたが、そのようなベータ型ゼオライトのＢＥＴ比表面積やミクロ孔比表面積、ミクロ孔容積は高いものではなかった。従来知られているベータ型ゼオライトにおいて、ＢＥＴ比表面積やミクロ孔比表面積、ミクロ孔容積を高くしようとすると、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比を高くせざるを得なかった。
置換前ベータ型ゼオライトは、そのＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が、１０〜１６、好ましくは１０〜１４であり、アルミニウムリッチなものである。このようなアルミニウムリッチな置換前ベータ型ゼオライトは、ナトリウム型の状態で測定されたＢＥＴ比表面積が５００〜７００ｍ2／ｇ、好ましくは５５０〜７００ｍ2／ｇという高い値を有する。また、ナトリウム型の状態で測定されたミクロ孔比表面積が３５０〜５００ｍ2／ｇ、好ましくは３８０〜５００ｍ2／ｇという高い値を有する。しかも、ナトリウム型の状態で測定されたミクロ孔容積が０．１５〜０．２５ｃｍ3／ｇ、好ましくは０．１８〜０．２５ｃｍ3／ｇという高い値を有する。
先に述べたとおり、置換前ベータ型ゼオライトにおけるＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比、ＢＥＴ比表面積、ミクロ孔比表面積及びミクロ孔容積の値は、Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトにおける対応する値と大きく変わらない。
置換前ベータ型ゼオライトは、ナトリウム型のものも包含し、更にナトリウムイオンがプロトンとイオン交換されてＨ+型になったものも包含する。ベータ型ゼオライトがＨ+型のタイプである場合には、上述の比表面積等の測定は、プロトンをナトリウムイオンで置換した後に行う。ナトリウム型のベータ型ゼオライトをＨ+型に変換するには、例えば、ナトリウム型のベータ型ゼオライトを硝酸アンモニウム等のアンモニウム塩水溶液中に分散し、ゼオライト中のナトリウムイオンをアンモニウムイオンと置換する。このアンモニウム型のベータ型ゼオライトを焼成することで、Ｈ+型のベータ型ゼオライトが得られる。
上述の比表面積や容積は、後述する実施例で説明されているとおり、ＢＥＴ表面積測定装置を用いて測定される。
本発明で用いられる置換前ベータ型ゼオライトは、上述したＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比、ＢＥＴ比表面積、ミクロ孔比表面積及びミクロ孔容積の値が、従来のベータ型ゼオライトと異なることに加え、Ｘ線回折図も相違する点に特徴を有する。具体的には、従来のベータ型ゼオライトにおいては、２θ＝２３度付近に観察されるピーク高さと、２θ＝７度付近に観察されるピーク高さとがほぼ同一であるが（後述する図７（ａ）及び図８（ａ）参照）、本発明で用いられる置換前ベータ型ゼオライトは、２θ＝２３度付近に観察されるピーク高さに対して、２θ＝７度付近に観察されるピーク高さが非常に低くなっている（後述する図３ないし図６参照）。
上述の物性を有するアルミニウムリッチな置換前ベータ型ゼオライトは、後述する製造方法によって好適に製造される。本発明において、置換前ベータ型ゼオライトが上述した物性を達成できた理由は、該製造方法を用いることで、得られる置換前ベータ型ゼオライトの結晶構造中に生じることのある欠陥の発生を抑制できたからではないかと推定されるが、詳細は明らかではない。
次に、置換前ベータ型ゼオライトの好適な製造方法について図１を参照しながら説明する。図１において、有機ＳＤＡを用いる従来のベータ型ゼオライトの合成法は、＜１＞、＜２＞、＜３＞の順で行われる。また、＜１＞、＜２＞、＜３＞、＜４＞、＜５＞、＜６＞、＜９＞の順で行われる方法も知られている（例えば中国特許出願公開第１０１２４９９６８Ａ号明細書（以下「従来法」ともいう。））。従来法においては、種結晶の使用が必須であり、種結晶の製造のためにはテトラエチルアンモニウムイオンという有機化合物を構造規定剤（以下「ＳＤＡ」ともいう。）が必須である。また、従来法で得られたベータ型ゼオライトを種結晶として使用するためには、高温焼成によってテトラエチルアンモニウムイオンを除去する必要がある。
この方法に対して、本発明においては６通りの方法で置換前ベータ型ゼオライトを製造することが可能である。一番目の方法は、従来法と同じ＜１＞、＜２＞、＜３＞、＜４＞、＜５＞、＜６＞、＜９＞の順に行われる方法である。ただし、種結晶のＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比と反応混合物の組成が従来法と異なる。したがって本発明によれば、幅広い範囲のＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比の置換前ベータ型ゼオライトを製造することができる。二番目の方法は＜１＞、＜２＞、＜３＞、＜４＞、＜５＞、＜７＞、＜６＞、＜９＞の順に行われる方法である。この方法では、熟成を行った後に静置加熱することによって、低ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比の種結晶を有効に使用できる。
三番目の方法は、＜１＞、＜２＞、＜３＞、＜４＞、＜５＞、＜７＞、＜８＞、＜９＞の順に行われる方法である。この方法では、種結晶のＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比と反応混合物組成が従来法と異なる。
本製造方法では、以下の三通りの順序も可能である。
・＜１０＞、＜５＞、＜６＞、＜９＞
・＜１０＞、＜５＞、＜７＞、＜６＞、＜９＞
・＜１０＞、＜５＞、＜７＞、＜８＞、＜９＞
これらの場合も種結晶のＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比や、反応混合物の組成が従来法と異なる。その上、これらの三通りの方法では、使用する種結晶として、本発明の方法によって得られた置換前ベータ型ゼオライトを用いている。すなわち、この三通りの製造方法では種結晶が繰り返し使用可能なので、本質的に有機ＳＤＡを使用しない。要するに、この三通りの製造方法は、環境負荷が究極的に小さいグリーンプロセスによるベータ型ゼオライトの製造方法ということができる。
本発明で用いる置換前ベータ型ゼオライトの方法について更に詳細に説明する。図１における＜１＞、＜２＞、＜３＞の順の方法については従来の有機ＳＤＡを用いる方法と同一である。図１における＜４＞の種結晶に関し、従来法においては、種結晶のＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比範囲は２２〜２５の狭い範囲に限定されている。これに対して本製造方法においては、図１における＜４＞に示す種結晶のＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が特徴の一つである。本製造方法では、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比＝８〜３０の範囲の種結晶を使用することが可能である。種結晶のＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が８よりも小さいベータ型ゼオライトは合成することが極めて困難であるため一般に使用することはない。また種結晶のＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が３０を超えると、反応混合物の組成に依存せず生成物はＺＳＭ−５となり易い。ま
た本製造方法における種結晶の添加量は、反応混合物中に含まれるシリカ成分に対して０．１〜２０質量％の範囲である。この添加量は少ない方が好ましいが、反応速度や不純物の抑制効果などを考慮して決められる。好ましい添加量は１〜２０質量％であり、更に好ましい添加量は１〜１０質量％である。
本製造方法で用いるベータ型ゼオライト種結晶の平均粒子径は、１５０ｎｍ以上、好ましくは１５０〜１０００ｎｍ、一層好ましくは２００〜６００ｎｍである。合成によって得られる置換前ベータ型ゼオライトの結晶の大きさは、一般的に均一ではなく、ある程度の粒子径分布を持っている、その中で最大頻度を有する結晶粒子径を求めることは困難ではない。平均粒子径とは、走査型電子顕微鏡による観察における最大頻度の結晶の粒子直径を指す。有機ＳＤＡを用いるベータ型ゼオライトは一般的に平均粒子径が小さく、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲が一般的である。しかし、小さい粒子が凝集しているために粒子径が不明確であるか、又は１０００ｎｍを超えるものも存在する。また、１００ｎｍ以下の結晶を合成するためには特別な工夫が必要であり、高価なものとなってしまう。したがって、本製造方法では平均粒子径が１５０ｎｍ以上のベータ型ゼオライトを種結晶として用いる。本製造方法によって得られる置換前ベータ型ゼオライトもこの範囲の平均粒子径を有するので、種結晶として好適に使用することができる。
種結晶を添加する反応混合物は、以下に示すモル比で表される組成となるように、シリカ源、アルミナ源、アルカリ源、及び水を混合して得られる。反応混合物の組成がこの範囲外であると、目的とする置換前ベータ型ゼオライトを得ることができない。
・ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3＝４０〜２００
・Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2＝０．２２〜０．４
・Ｈ2Ｏ／ＳｉＯ2＝１０〜５０
更に好ましい反応混合物の組成の範囲は以下のとおりである。
・ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3＝４４〜２００
・Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2＝０．２４〜０．３５
・Ｈ2Ｏ／ＳｉＯ2＝１５〜２５
反応混合物の組成として、以下の範囲を採用することも好ましい。
・ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3＝１０〜４０
・Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2＝０．０５〜０．２５
・Ｈ2Ｏ／ＳｉＯ2＝５〜５０
更に好ましい反応混合物の組成の範囲は以下のとおりである。
・ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3＝１２〜４０
・Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2＝０．１〜０．２５
・Ｈ2Ｏ／ＳｉＯ2＝１０〜２５
前記のモル比を有する反応混合物を得るために用いられるシリカ源としては、シリカそのもの及び水中でケイ酸イオンの生成が可能なケイ素含有化合物が挙げられる。具体的には、湿式法シリカ、乾式法シリカ、コロイダルシリカ、ケイ酸ナトリウム、アルミノシリケートゲルなどが挙げられる。これらのシリカ源は単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。これらのシリカ源のうち、シリカ（二酸化ケイ素）を用いることが、不要な副生物を伴わずにゼオライトを得ることができる点で好ましい。
アルミナ源としては、例えば水溶性アルミニウム含有化合物を用いることができる。具体的には、アルミン酸ナトリウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウムなどが挙げられる。また、水酸化アルミニウムも好適なアルミナ源の一つである。これらのアルミナ源は単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。これらのアルミナ源のうち、アルミン酸ナトリウムや水酸化アルミニウムを用いることが、不要な副生物（例えば硫酸塩や硝酸塩等）を伴わずにゼオライトを得ることができる点で好ましい。
アルカリ源としては、例えば水酸化ナトリウムを用いることができる。なお、シリカ源としてケイ酸ナトリウムを用いた場合やアルミナ源としてアルミン酸ナトリウムを用いた場合、そこに含まれるアルカリ金属成分であるナトリウムは同時にＮａＯＨとみなされ、アルカリ成分でもある。したがって、前記のＮａ2Ｏは反応混合物中のすべてのアルカリ成分の和として計算される。
反応混合物を調製するときの各原料の添加順序は、均一な反応混合物が得られ易い方法を採用すればよい。例えば、室温下、水酸化ナトリウム水溶液にアルミナ源を添加して溶解させ、次いでシリカ源を添加して攪拌混合することにより、均一な反応混合物を得ることができる。種結晶は、シリカ源と混合しながら加えるか又はシリカ源を添加した後に加える。その後、種結晶が均一に分散するように攪拌混合する。反応混合物を調製するときの温度にも特に制限はなく、一般的には室温（２０〜２５℃）で行えばよい。
種結晶を含む反応混合物は、密閉容器中に入れて加熱して反応させ、ベータ型ゼオライトを結晶化する。この反応混合物には有機ＳＤＡは含まれていない。結晶化を行う一つの方法は、従来法に示されているように、熟成することなく静置法で加熱することである（＜４＞、＜５＞、＜６＞、＜９＞の手順）。
一方、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比の低い種結晶を用いた場合は、熟成をした後に、攪拌することなく加熱する方が、結晶化が進行し易い（＜４＞、＜５＞、＜７＞、＜６＞、＜９＞の手順）。熟成とは、反応温度よりも低い温度で一定時間その温度に保持する操作をいう。熟成においては、一般的には、攪拌することなしに静置する。熟成を行うことで、不純物の副生を防止すること、不純物の副生なしに攪拌下での加熱を可能にすること、反応速度を上げることなどの効果が奏されることが知られているが、作用機構は必ずしも明らかではない。熟成の温度と時間は、前記の効果が最大限に発揮されるように設定される。本製造方法では、好ましくは２０〜８０℃、更に好ましくは２０〜６０℃で、好ましくは２時間から１日の範囲で熟成が行われる。
加熱中に反応混合物温度の均一化を図るため攪拌をする場合は、熟成を行った後に加熱攪拌すれば、不純物の副生を防止することができる（＜４＞、＜５＞、＜７＞、＜８＞、＜９＞の手順）。攪拌は反応混合物の組成と温度を均一化するために行うものであり、攪拌羽根による混合や、容器の回転による混合などがある。攪拌強度や回転数は、温度の均一性や不純物の副生具合に応じて調整すればよい。常時攪拌ではなく、間歇攪拌でもよい。このように熟成と攪拌を組み合わせることによって、工業的量産化が可能となる。
以下に記載する三通りの方法は、本製造方法の特徴であるグリーンプロセスによる置換前ベータ型ゼオライトの製造法である。この三通りの方法によれば、種結晶として本製造方法によって得られた置換前ベータ型ゼオライトを用いた無限回の自己再生産が可能となり、有機ＳＤＡを全く使用しない製造プロセスが可能となる。すなわち、＜１０＞、＜５＞、＜６＞、＜９＞の順の方法、＜１０＞、＜５＞、＜７＞、＜６＞、＜９＞の順の方法、＜１０＞、＜５＞、＜７＞、＜８＞、＜９＞の順の方法である。それぞれの工程の特徴は前記のとおりである。本製造方法によって得られる置換前ベータ型ゼオライトのＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比は、好ましくは８〜３０の範囲である。本製造方法によって得られた置換前ベータ型ゼオライトを種結晶とする場合は、そのＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が低いにも関わらず、静置合成の場合は熟成操作なしでもベータ型ゼオライトの結晶化が可能である。有機ＳＤＡを用いて合成したベータ型ゼオライトを種結晶とする場合は、これを焼成したものを用いるが、本製造方法で得られた置換前ベータ型ゼオライトを用いる場合はその焼成の必要がない。この違いが、種結晶としての効果の違いに現れていると推定されるが、詳細は明らかではない。しかしながら、攪拌加熱を行う場合は、熟成を行うことが好ましい。
静置法及び攪拌法のどちらの場合も、加熱温度は１００〜２００℃、好ましくは１２０〜１８０℃の範囲であり、自生圧力下での加熱である。１００℃未満の温度では結晶化速度が極端に遅くなるのでベータ型ゼオライトの生成効率が悪くなる。一方、２００℃超の温度では、高耐圧強度のオートクレーブが必要となるため経済性に欠けるばかりでなく、不純物の発生速度が速くなる。加熱時間は本製造方法において臨界的ではなく、結晶性の十分に高いベータ型ゼオライトが生成するまで加熱すればよい。一般に５〜１５０時間程度の加熱によって、満足すべき結晶性の置換前ベータ型ゼオライトが得られる。
本製造方法において、加熱時間が不十分な場合はアモルファス成分が同伴する。また、ベータ型ゼオライトの結晶化が終了した後更に加熱を継続するとモルデナイトの成長が始まり、ベータ型ゼオライトの割合が減少する。目的とする置換前ベータ型ゼオライトのみが単一相として安定に存在する時間は温度によって異なるが、一般に長くはない。単一相ベータ型ゼオライトを得るためには、モルデナイトの成長が始まる前に加熱を終了して密閉容器を冷却し、反応を終了させる。
前記の加熱によって置換前ベータ型ゼオライトの結晶が得られる。加熱終了後は、生成した結晶粉末を濾過によって母液と分離した後、水又は温水で洗浄して乾燥する。乾燥したままの状態で有機物を含んでいないので焼成の必要はない。
このようにして得られた置換前ベータ型ゼオライトは、先に述べたとおりＦｅ(II)イオンでイオン交換されてＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトとなる。Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトは、このままの状態で一酸化窒素やハイドロカーボンなどの各種ガスの吸着剤として用いてもよく、あるいは該Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを含むガス吸着剤として用いてもよい。Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトがどのような形態であっても、Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを一酸化窒素やハイドロカーボンなどの各種ガスと固気接触させることで、該ガスをＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトに吸着することができる。
本発明においては、一酸化窒素ガスやハイドロカーボンガスそのものをＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトと接触させて一酸化窒素ガスやハイドロカーボンガスを吸着することに加えて、一酸化窒素ガスやハイドロカーボンガスを含むガスをＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトと接触させて、該ガス中の一酸化窒素ガスやハイドロカーボンガスを吸着し、該ガスから一酸化窒素ガスやハイドロカーボンガスを除去することもできる。そのようなガスの例としては、ガソリンや軽油等の炭化水素を燃料とする内燃機関の排気ガスや、各種のボイラや焼却炉から発生する排気ガスなどが挙げられる。
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。特に断らない限り、「％」は「質量％」を意味する。なお、以下の実施例、比較例及び参考例で用いた分析機器は以下のとおりである。
粉末Ｘ線回折装置：マック サイエンス社製、粉末Ｘ線回折装置 ＭＯ３ＸＨＦ22、Ｃｕｋα線使用、電圧４０ｋＶ、電流３０ｍＡ、スキャンステップ０．０２°、スキャン速度２°／ｍｉｎ
ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比：ベータ型ゼオライトを、フッ化水素（ＨＦ）を用いて溶解させ、溶解液を、ＩＣＰを用いて分析しＡｌを定量した。またベータ型ゼオライトを、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いて溶解させ、溶解液を、ＩＣＰを用いて分析しＳｉを定量した。定量したＳｉ及びＡｌの量に基づきＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比を算出した。
ＢＥＴ表面積、ミクロ孔比表面積及びミクロ孔容積測定装置：（株）カンタクローム インスツルメンツ社製 ＡＵＴＯＳＯＲＢ−１
〔実施例１〕
（１）置換前ベータ型ゼオライトの製造
純水１３．９ｇに、アルミン酸ナトリウム０．２３５ｇと、３６％水酸化ナトリウム１．８２８ｇとを溶解した。微粉状シリカ２．０２４ｇと、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比＝２４．０のベータ型ゼオライト種結晶０．２０２ｇを混合したものを、少しずつ前記の水溶液に添加して攪拌混合し、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3＝４０、Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2＝０．２７５、Ｈ2Ｏ／ＳｉＯ2＝２５の組成の反応混合物を得た。このベータ型ゼオライト種結晶は、ＳＤＡを用いて以下に述べる方法で得られたものである。この反応混合物を６０ｃｃのステンレス製密閉容器に入れて、熟成及び攪拌することなしに１４０℃で４６時間、自生圧力下で静置加熱した。密閉容器を冷却後、生成物を濾過、温水洗浄して白色粉末を得た。この生成物のＸ線回折図を図２に示す。同図から判るように、この生成物はＳＤＡ等の不純物を含まないベータ型ゼオライトであった。このようにして得られた置換前ベータ型ゼオライトの物性値を表１に示す。
〔ベータ型ゼオライト種結晶の製造方法〕
テトラエチルアンモニウムヒドロキシドをＳＤＡとして用い、アルミン酸ナトリウムをアルミナ源、微粉状シリカ（Ｍｉｚｕｋａｓｉｌ Ｐ７０７）をシリカ源とする従来公知の方法により、１６５℃、９６時間、攪拌加熱を行って、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が２４．０のベータ型ゼオライトを合成した。これを電気炉中で空気を流通しながら５５０℃で１０時間焼成して、有機物を含まない結晶を製造した。Ｘ線回折の結果から、この結晶はベータ型ゼオライトであることが確認された。この結晶を走査型電子顕微鏡により観察した結果、平均粒子径は２８０ｎｍであった。このベータ型ゼオライトは、ＳＤＡを含まないものであった。
（２）Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトの製造
ポリプロピレン容器に４０ｍｌの蒸留水、置換前ベータ型ゼオライト１．００ｇ及び加える鉄化合物の２倍のモル数のアスコルビン酸を加えた後、Ｆｅ(II)ＳＯ4・７Ｈ2Ｏを、置換前ベータ型ゼオライトに対して１質量％加え、窒素雰囲気下、室温で１日撹拌した。その後、沈殿物を吸引濾過し、蒸留水で洗浄後、乾燥させＦｅ2+を０．０４質量％担持したＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを得た。Ｆｅ2+の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光分析装置（ＩＣＰ−ＡＥＳ、（株）バリアン製、ＬＩＢＥＲＴＹ ＳｅｒｉｅｓＩＩ）を用いて求めた。得られたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトのＸ線回折図を図３に示す。図３（Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライト）と図２（置換前ベータ型ゼオライト）とを対比すると、ピーク位置及びピーク強度がほぼ変わらないので、イオン交換後もベータ型ゼオライトの構造を維持していることが確認された。
（３）一酸化窒素ガス吸着の評価
Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライト２０ｍｇを電子天秤で正確に秤量した後、希釈剤としてシリコンカーバイトを１８０ｍｇ用いて、両者を均等になるように混合した。混合物を、内径６ｍｍの石英ガラス管に詰めた。混合中の吸着水をマントルヒーターで加温して除去した後、室温まで冷却した。次に、石英ガラス管内に２分おきに１０３０ｐｐｍの一酸化窒素ガスを、室温で、５ｃｍ3パルスした。吸着されずに石英ガラス管から出てきた一酸化窒素ガスの量を、熱伝導度型ガスクロマトグラフ（ＧＣ−ＴＣＤ、島津製作所製、ＧＣ−８Ａ）のピーク面積及び化学発光式ＮＯ分析装置（ＮＯｘ ａｎａｌｙｚｅｒ、柳本製作所製、ＥＣＬ−７７Ａ）で検出される値から算出した。熱伝導度型ガスクロマトグラフ（ＧＣ−ＴＣＤ）の測定条件は、以下に示すとおりである。そして、算出した値を、一酸化窒素ガスの供給量から差し引くことで、単位質量あたりのＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトに吸着した一酸化窒素ガスの量を求めた。その結果を以下の表１に示す。
〔熱伝導度型ガスクロマトグラフ（ＧＣ−ＴＣＤ）の測定条件〕
・キャリアガス：Ｈｅガス
・キャリアガス流量：３０ｃｍ3・ｍｉｎ-1
・検出部温度：１００℃
・検出部電流：８０ｍＡ
（４）トルエンガス吸着の評価
内燃機関から排出される排気ガスに含まれるハイドロカーボンの典型であるトルエンを吸着の対象ガスとして用いた。Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライト２０ｍｇを内径４ｍｍの石英管に入れ、石英ウールとガラスビーズとの間に保持した。移動相としてヘリウムを用い、試料を３９０℃で約１時間活性化させた。カラムを５０℃に冷却した後、トルエンを飽和状態になるまで注入した。吸着されずに石英ガラス管から出てきたトルエンガスの量を、熱伝導度型ガスクロマトグラフ（ＧＣ−ＴＣＤ、島津製作所製、ＧＣ−８Ａ）のピーク面積で検出される値から算出した。熱伝導度型ガスクロマトグラフ（ＧＣ−ＴＣＤ）の測定条件は、以下に示すとおりである。そして、算出した値を、トルエンガスの供給量から差し引くことで、単位質量あたりのＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトに吸着したトルエンガスの量を求めた。その結果を以下の表１に示す。
〔熱伝導度型ガスクロマトグラフ（ＧＣ−ＴＣＤ）の測定条件〕
・キャリアガス：Ｈｅガス
・キャリアガス流量：３０ｃｍ3・ｍｉｎ-1
・検出部温度：１５０℃
・検出部電流：５０ｍＡ
〔実施例２〜４〕
Ｆｅ(II)ＳＯ4・７Ｈ2Ｏを、置換前ベータ型ゼオライトに対して５質量％（実施例２）、１０質量％（実施例３）及び２０質量％（実施例４）加える以外は実施例１と同様にしてＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを得た。Ｆｅ2+の担持量は表１に示すとおりとなった。また得られたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトのＸ線回折図は図４〜図６に示すとおりである。得られたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトについて実施例１と同様の評価を行った。その結果を表１に示す。
〔比較例１〕
置換前ベータ型ゼオライトとして東ソー（株）製のＨ+型ベータ型ゼオライト（型番ＨＳＺ−９４０ＨＯＡ、ＳＤＡを用いて合成）を用いた。このゼオライトのＸ線回折図を図７（ａ）に示す。これ以外は実施例１と同様にしてＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを得た。得られたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトのＸ線回折図を図７（ｂ）に示す。得られたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトについて、実施例１と同様にして一酸化窒素ガス及びトルエンガス吸着の評価を行った。その結果を表１に示す。
〔比較例２〕
置換前ベータ型ゼオライトとして東ソー（株）製のＮＨ4 +型ベータ型ゼオライト（型番ＨＳＺ−９３０ＮＨＡ、ＳＤＡを用いて合成）を用いた。このゼオライトのＸ線回折図を図８（ａ）に示す。これ以外は実施例１と同様にしてＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを得た。得られたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトのＸ線回折図を図８（ｂ）に示す。得られたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトについて、実施例１と同様にして一酸化窒素ガス及びトルエンガス吸着の評価を行った。その結果を表１に示す。
Figure 0005116880
表１に示す結果から明らかなように、各実施例で得られたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを用いると、各比較例で得られたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを用いた場合に比べて、一酸化窒素ガス及びトルエンガスを効率よく吸着除去できることが判る。しかも、室温で一酸化窒素ガス及びトルエンガスを効率よく吸着除去できることが判る。
特に、実施例１ないし実施例４の対比から明らかなように、Ｆｅ(II)の担持量が増加するに連れて一酸化窒素ガス及びトルエンガスの吸着量が増加することが判る。

Claims (11)

  1. Ｆｅ(II)イオンによってイオン交換されたＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトであって、
    ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が１０〜１８であり、ＢＥＴ比表面積が４００〜７００ｍ2／ｇであり、ミクロ孔比表面積が２９０〜５００ｍ2／ｇであり、かつミクロ孔容積が０．１５〜０．２５ｃｍ3／ｇであるＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライト。
  2. Ｆｅ(II)の担持量が、Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトに対して０．０１〜６．５質量％である請求項１に記載のＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライト。
  3. Ｆｅ(II)イオンによってイオン交換される前のベータ型ゼオライトとして、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が１０〜１６であり、ナトリウム型の状態で測定されたＢＥＴ比表面積が５００〜７００ｍ2／ｇであり、ミクロ孔比表面積が３５０〜５００ｍ2／ｇであり、かつミクロ孔容積が０．１５〜０．２５ｃｍ3／ｇであるものを用いた請求項１又は２に記載のＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライト。
  4. （１）以下に示すモル比で表される組成の反応混合物となるように、シリカ源、アルミナ源、アルカリ源、及び水を混合し、
    ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3＝４０〜２００
    Ｎａ2Ｏ／ＳｉＯ2＝０．２２〜０．４
    Ｈ2Ｏ／ＳｉＯ2＝１０〜５０
    （２）ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が８〜３０であり、且つ平均粒子径が１５０ｎｍ以上である有機化合物を含まないベータ型ゼオライトを種結晶として用い、これを、前記反応混合物中のシリカ成分に対して０．１〜２０質量％の割合で該反応混合物に添加し、
    （３）前記種結晶が添加された前記反応混合物を１００〜２００℃で密閉加熱することで得られたベータ型ゼオライトを、Ｆｅ(II)イオンによってイオン交換される前のベータ型ゼオライトとして用いる請求項３に記載のＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライト。
  5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載のＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを含むガス吸着剤。
  6. 一酸化窒素の吸着に用いられる請求項５に記載のガス吸着剤。
  7. ハイドロカーボンの吸着に用いられる請求項５に記載のガス吸着剤。
  8. ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が１０〜１６であり、ナトリウム型の状態で測定されたＢＥＴ比表面積が５００〜７００ｍ2／ｇであり、ミクロ孔比表面積が３５０〜５００ｍ2／ｇであり、かつミクロ孔容積が０．１５〜０．２５ｃｍ3／ｇであるベータ型ゼオライトを、二価の鉄の水溶性化合物水溶液中に分散し、混合撹拌することで、該ベータ型ゼオライトにＦｅ(II)イオンを担持させる工程を有する、Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトの製造方法。
  9. 前記混合撹拌に際し、前記水溶液に、前記二価の鉄のモル数の０．１〜３倍のアスコルビン酸を添加する請求項８に記載の製造方法。
  10. Ｆｅ(II)イオンによってイオン交換されており、
    ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が１０〜１８であり、ＢＥＴ比表面積が４００〜７００ｍ2／ｇであり、ミクロ孔比表面積が２９０〜５００ｍ2／ｇであり、かつミクロ孔容積が０．１５〜０．２５ｃｍ3／ｇであるＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトを一酸化窒素又は一酸化窒素を含むガスと接触させて、一酸化窒素を該Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトに吸着させる一酸化窒素の除去方法。
  11. Ｆｅ(II)イオンによってイオン交換されており、
    ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3比が１０〜１８であり、ＢＥＴ比表面積が４００〜７００ｍ2／ｇであり、ミクロ孔比表面積が２９０〜５００ｍ2／ｇであり、かつミクロ孔容積が０．１５〜０．２５ｃｍ3／ｇであるＦｅ(II)置換ベータ型ゼオライトをハイドロカーボン又はハイドロカーボンを含むガスと接触させて、ハイドロカーボンを該Ｆｅ(II)置換ベータ型ゼオライトに吸着させるハイドロカーボンの除去方法。
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