JPH10506363A - 本来の場所で結晶化されたゼオライト含有組成物（ｌａｉ−ｉｓｃ） - Google Patents

本来の場所で結晶化されたゼオライト含有組成物（ｌａｉ−ｉｓｃ）

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JPH10506363A JP8504396A JP50439696A JPH10506363A JP H10506363 A JPH10506363 A JP H10506363A JP 8504396 A JP8504396 A JP 8504396A JP 50439696 A JP50439696 A JP 50439696A JP H10506363 A JPH10506363 A JP H10506363A
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Abstract

(57)【要約】 出願人は新しいゼオライト含有組成物およびその調製方法を発見した。この組成物は、組成物の１つの層を形成するゼオライト結晶がゼオライト層が10μm未満の厚さである場合でさえ大きな空隙もなく本質的に連続しているように詰まっているという点でユニークである。従って、本発明は多孔性基体およびゼオライト結晶の層からなり、前記ゼオライト結晶の層が多結晶性層であり、前記ゼオライト結晶の少なくとも99%が隣接する結晶間に20Å以下の少なくとも１箇所を有し、前記結晶の少なくとも90%が約0.2から約100μ（好ましくは約2から約50μ）の幅を有し、前記結晶の少なくとも75%が平均結晶厚さの20%以内の厚さを有することを特徴とする組成物に関するものである。好ましくは、組成物はゼオライト層に多くて１容量％の空隙を有する。組成物の用途についても説明されている。

Description

【発明の詳細な説明】 本来の場所で結晶化されたゼオライト含有組成物(LAI-ISC) 発明の分野 本発明は新しいゼオライト含有組成物、その製造および用途に関するものであ る。 発明の背景 米国特許第5、110、478号はゼオライト膜の直接合成について記載している。米 国特許第5、110、478号の教示に従って得られた膜については、「純粋なゼオライ ト膜の合成と特性」、J.G．TsikoyiannisおよびW．Haag著、ゼオライト（12巻、1 26頁、1992年）において考察された。このような膜は支持層を付着させなくても 自立している。さらに、この膜は膜の厚さにわたって結晶サイズが段々に傾斜し て変化している。このような傾斜は最小限の数の非選択的透過通路を有する薄い 膜の成長を妨げる。 ゼオライト膜をまた支持体上に成長させてきた。例えば、「高温ステンレスス チールに支持されたゼオライト(MFI)膜：調製、モジュール、構造および透過実 験」、E.R．Geus，H．vanBekkum，J.A．Moulyin，Microporous Materials,１巻 、137頁、1993年；オランダ特許出願91011048；ヨーロッパ特許出願91309239.1 および米国特許第4,099,692号を参照されたい。 上記の調製された膜は全て不均一なサイズのゼオライト結晶を有し、非連続性 で多くの空隙を示す。低いアルカリ性の合成方法から機能的なゼオライトの膜を 得ることは、その膜の不均一な結晶によりピンホールや空隙構造を密閉するため に膜の厚さを非常に厚くしなければならなく なり、膜の選択性を低下させるので困難である。 図面の簡単な説明 図１は多孔性のαアルミナ基体の逆の面に成長させたゼオライト層の横断面図 を示す電子顕微鏡写真である。 図２は多孔性のαアルミナ基体の逆の面に成長させたゼオライト層の平面図を 示す電子顕微鏡写真である。 図３は本発明の組成物の好ましい配向を示すＸ線回折模様である。Ｘ軸が２シ ータであり、Ｙ軸がＣＰＳの強さである。 図４は多孔性基体上のゼオライト層の略図である。（Ａ）は多孔性基体であり 、（Ｂ）はゼオライト層であり、（Ｃ）は粒子の境界であり、（Ｗ）はゼオライ ト結晶に沿った１箇所の幅であり、（Ｔ）は１つの結晶の厚さである。 発明の要約 出願人はゼオライトを含有する新しい組成物およびその製造方法を発見した。 この組成物は、その組成物の一部を形成するゼオライト結晶がゼオライト層の厚 さが10μm未満である場合でさえも大きな空隙を含まず本質的に連続的であるゼ オライト層を形成するように詰まっているという点で独特なものである。 従って、本発明の１態様は基体（支持体とも呼ばれる）およびゼオライト結晶 の多結晶質層から成り、前記ゼオライト結晶の少なくとも99%が隣接するゼオラ イト結晶の間に20Å以下の少なくとも１箇所を有し、前記ゼオライト結晶の少な くとも90%が約0.2から約100μの幅を有し、前記ゼオライト結晶の少なくとも75% は平均結晶厚さの20%以内の厚さを有す ることを特徴とする組成物に関するものである。好ましくは、ゼオライト層は多 くて１容量％の空隙を有し、ゼオライト結晶は約2μから約50μの範囲である。 本発明の別の態様は (a) 基体をゼオライト合成混合物と接触させる工程； (b) 前記基体と前記ゼオライト合成混合物を前記基体上にゼオライト層を形成 できる充分な時間と温度で熱水処理し、前記ゼオライト合成混合物から得られた 粒子が前記ゼオライト層へ沈澱するのを防ぐ工程； (c) 未反応のゼオライト合成混合物を除去する工程 から成る本発明の組成物を製造する方法に関するものである。 ここで使われる接触とは全体および部分を浸すことが挙げられる。 この製造方法は、前記ゼオライト合成混合物が有機テンプレートを含有する場 合、さらに工程（ｃ）の前記組成物を約400から約600℃の温度で少なくとも約10 分間にわたり焼結することを包含する。 このようにして製造された組成物は、例えばアルコールから染料分子を分離し 、ヘキサンからオリゴマーを分離するなどの粒径除外分離のために有用である。 さらに、ここに記載の組成物はしばしば当該技術においてゼオライト膜と呼ば れ、このようなものとして使用される。 発明の詳細な説明 出願人は支持体上の多結晶質のゼオライト層を有する新しい組成物を発見した 。支持体は多孔性でも非多孔性でもよく、好ましくは多孔性支持体が使用される 。ゼオライト層はアルミナ、チタニア、コージェライト、ゼオライト、ムライト 、ステンレススチール、パイレックス、シリ カ、炭化珪素、窒化珪素、炭素、グラファイトおよびその混合物などのいずれか の多孔性支持体上に成長させることができるが、これらの物質に限定されるもの ではない。さらに、非多孔性支持体としては、石英、珪素、ガラス、ホウ珪酸ガ ラス、密度の高いセラミックス、すなわち粘土、金属、重合体、グラファイトお よびその混合物が挙げられる。非多孔性支持体が利用される場合、組成物はセン サーまたは触媒として有用である。支持体が多孔性のセラミックまたは多孔性金 属である場合が最も好ましい。 ゼオライト層の成長は基体を結晶化を起こすのに充分な時間と温度でゼオライ ト合成混合物に接触させることにより実施される。熱水処理は、例えばオートク レーブにおいて自生圧力下で行われる。基体の接触は、合成混合物中に形成され る結晶がオートクレーブで処理している間に基体上に沈澱しないように実施され なければならない。合成混合物はこのような沈澱を防ぐように取り扱われる。 好ましい実施態様において、ゼオライト層はゼオライト合成混合物中で逆に向 けられている支持体上に成長する。ここで使用されている逆に向けられるとは、 ゼオライト層を合成混合物中で90から270度の範囲で一定方向に配向されている 基体の側面に成長させることを意味する。180度の配向の場合、ゼオライト層を 成長させる基体の側面は水平で下方を向いている。この状態が逆に向けられてい ると言われる。好ましくは、膜は180度に配向されている側面に成長させる。逆 の配向の場合、被覆される基体の表面は調製工程中はその最も低い箇所がゼオラ イト合成混合物を入れてある容器の底部および両側部から少なくとも5mm、好ま しくは少なくとも8mmのところにあるべきである。基体を逆に向けると、ゼオラ イト合成混合物中で均質に核形成されるゼオライト結晶がゼオライト層を 成長させる基体上に沈澱するのを防ぐものと出願人は考える。従って、結晶は成 長するゼオライト層の中に混入しないしまたは成長過程を混乱させない。故に、 ゼオライト層の中の結晶の少なくとも99%、好ましくは少なくとも99.9%は隣接す るゼオライト結晶間に20Å以下以下の少なくとも１箇所を有する。本発明におい て、隣接する結晶の間に空間を空けることは粒子境界域により決められ、最大粒 子境界域は空隙または欠陥がなく、40Å以下となる。さらに、ゼオライト層の中 のゼオライト結晶の少なくとも90%、好ましくは少なくとも95%は約0.2から100μ 、好ましくは2から約50μの幅を有する。ここに使用されているように、粒子境 界域は２つの隣接する整列された結晶の間にある無秩序な区域の幅である。ゼオ ライト層の中のゼオライト結晶は膜の中を通る非選択的な透過通路が結晶間の最 も狭い接近箇所により閉鎖されるように膜の中で互いに交わって成長する。非選 択的な透過通路とは室温で存在し、ゼオライト結晶の中を通過しない透過通路と 見なされる。この非透過通路の閉鎖は細孔構造を塞ぐテンプレートがゼオライト 結晶から除去された後は室温で存在する。ゼオライトを成長させるために使用さ れるテンプレートはしばしば焼結工程により除去される。透過型電子顕微鏡（Ｔ ＥＭ）から、テンプレート除去後に20Å未満の最も狭い結晶間接近箇所が立証さ れる。この箇所における結晶間の空間には、膜の中を分子が非選択的透過するの を制限する無機酸化物材料を含有させることができる。非選択的透過通路が欠け ていることは、テンプレートが細孔構造から除去された後で膜を染料分子が室温 で（〜20℃）で透過することを防ぐことができることにより検出できる。膜の非 選択的透過通路を検出するために選ばれる染料分子はゼオライトの制御孔より大 きい最小限の寸法を有するべきであり、染料分子の大きさも20Å未満となるべき である。非選択的通路は ゼオライトの孔径より大きい染料分子を移動させる。染料分子はゼオライト細孔 構造を通過できる溶剤溶液中で運ばれるべきであり、ゼオライト層には試験前に 異質の汚染物質（例えば水など）を集めてはならない。本発明により製造された 組成物は室温で染料分子がゼオライト層を透過するのを防ぐことが判明した。選 ばれた染料分子の大きさは全て20Å未満である。大きさが〜20Å未満の染料分子 が室温で透過できないことによって、〜20Å未満の大きさの非選択性透過通路が 閉鎖されていることを実証している。なお、この試験は染料分子で実施される必 要はなく、20Å未満でかつゼオライト細孔寸法より大きい径を有して検出できる 分子の種類ならどれでも使用できる。染料分子を使う利点は光学的手段で容易に 検出できることである。 本発明により成長させるＭＦＩゼオライト組成物の体型は好ましくはＣ−配向 （ゼオライト層の基体の表面に対する垂線から３０°以内）の角度を示す。さら に具体的には、結晶の少なくとも75%の最も長い端部（厚さ）が層の平面に対す る垂直から30°以内であり、有利には結晶の少なくとも90%が前記角度以内であ る。 ゼオライト層の平面に対する垂線である最も長い軸（厚さ）を有する結晶の単 位細胞の結晶学的優先方向および割合の測定はゼオライト層のＸ線回折模様を不 規則な配向のゼオライト粉末のＸ線回折模様と比較することにより得られる。主 にＣ軸配向、例えば、Ｃ軸に対応する最も長い端部を有するＭＦＩ型ゼオライト の場合、002ピークの強さ対200と020ピークの組み合わせの比が不規則に配向さ れた粉末についての同じ比で割られる；得られた商が結晶学的優先配向（ＣＰＯ ）と呼ばれる。この方法で測定されると、本発明によるゼオライト層は少なくと も１のＣＰＯを有し、500程のＣＰＯを有してもよい。ゼオライト層の結晶は厚 さが 約2から約100μの範囲であり、好ましくは約5から100μの範囲であり、さらに好 ましくは約30から約60μの範囲であり、非常に好ましくは約30μである。一定の 膜について、結晶は厚さが2から100μの範囲であるが、結晶の75容量％、好まし くは90容量％はすべて結晶の平均厚さの20%以内の結晶厚さを有することになる 。厚さとはここでは基体表面から基体に垂直なゼオライト結晶の最上部端部まで の長さと定義される。ＭＦＩ以外のゼオライトから作られた組成物はまた体型に おいて一定の角度の配向および／または単位細胞を示すが、このような配向はＣ 方向ではないかもしれない。例えば、Ａ配向、Ｂ配向およびＣ配向、その混合物 が可能である。他の配向も選ばれるゼオライト次第で可能である。 本発明の組成物は実質的に空隙がない。好ましくは多くて約１容量％の空隙、 好ましくは0.5容量％未満の空隙を示す。 ここで使用される空隙とは、40Åより大きい粒子境界に沿ったゼオライト層の ゼオライト結晶間の間隔を意味する。欠陥はゼオライト層の厚さの中に延びる隣 接するゼオライト結晶間の間隔である。本発明の膜において、40 超の大きさを 有するゼオライト層の欠陥の合計数は平方インチ当たり10,000未満であり、好ま しくは平方インチ当たり100未満であり、隣接するゼオライト結晶間の間隔が約2 000Å超である間隔を有する欠陥の数が平方インチ当たり100未満、好ましくは平 方インチ当たり0.1未満である。空隙と欠陥は走査または透過電子顕微鏡で得ら れたゼオライト層の横断面画像から検出できる。最も好ましい場合は、ゼオライ ト層は実質的に空隙も欠陥もない。 前述の種類の欠陥は染料透過実験で検出できる。染料が基体中に浸透する孤立 した箇所がこのような欠陥を現す。欠陥はまた走査電子顕微鏡においてゼオライ ト膜の横断面を検査することにより決定される。膜の 欠陥を暴露するのにガス透過も使用できる。もし室温でゼオライト層の窒素透過 率がゼオライト層の厚さの各μ当たり5x10-6モル／(m2-秒-パスカル)未満である なら、膜は許容できる欠陥密度を有すると見なされる。さらに好ましくは、室温 でのゼオライト層の窒素透過率はゼオライト層の厚さの各μ当たり5x10-7モル/( m2-秒-パスカル)未満である。本発明のゼオライト膜はゼオライト合成混合物か ら調製される。ゼオライト合成混合物はそれからゼオライト結晶が成長するどん な混合物でもよく、当該技術において周知のものである。（例えば、Handbook o f Molecular Sieves，Rosemary Szostak，Van Nostrand Reinhold，NY，1992 an d Zeolite Molecular Sieves，D.W．Breck，R.E．Kreiger Publishing Co.，Mal abar，Florida，1984，ISBN 0-89874-648-5 参照せよ。）例えば、MFIゼオライ トについて、合成混合物はpHが約8から約12までの混合物であり、当該技術に精 通した者により容易に調製される。例えば、適当な混合物としては、NA2O、TPAB r（テトラプロピル・アンモニウム臭化物）、SiO2および水が挙げられる。膜は 選ばれた支持体材料をゼオライト合成混合物に接触させることにより成長させる 。次に、合成混合物を約30分間から約300時間の間、約50から約300℃の範囲の温 度、好ましくは約100から約250℃までの範囲の温度、好ましくは約180℃の温度 まで加熱する。基体上にできた望ましくない結晶の成長は周知の技術で容易に除 去できる。例えば、研削が使用できる。望ましくない成長とは本発明のゼオライ ト層のことを指すのではなく、基体の他の表面にできた成長を指す。 本発明により調製できるゼオライト層組成物としては、珪酸塩、アルミノ珪酸 塩、アルミノ燐酸塩、シリコアルミノ燐酸塩、メタロアルミノ燐酸塩、錫珪酸塩 およびその混合物が挙げられる。このようなゼオライトの代表的例としてはMFI ，FAU（ゼオライトｘ、ゼオライトｙを含む）、 ゼオライト・ベータ、MAZ，LTA，LTL，CHA，AFI，AEL，BEA，EUO，FER，KFI，MO R，MEL，MTW，OFF，TON，AFS，AFY，APC，APD，MTN，MTT，AELおよびその混合物 が挙げられるが、好ましくは、珪素対アルミニウムの比が30超であるMFIゼオラ イトが使用されるが、アルミニウムを含まない組成物も挙げられる。Si/Alの比 が30超であるMFIゼオライトはここでは、シリカライトと呼ばれる。 上記材料のうちのいくつかは本当のゼオライトではないが、文献ではしばしば このように呼ばれ、この用語はここではこのような材料を指すものとして使用さ れる。 ゼオライト層は形状的優先配向(shape preferred orientation)、結晶学的優 先配向(crystallographically preferred orientation)のいずれか、またはその 両方を有することができる。形状的優先配向または結晶学的優先配向は合成方法 により提供される核形成および成長の相対的速度の制御により発生する。特に、 合成中、成長速度を新しい結晶の表面核形成の速度または新しい結晶の混入速度 を左右するように設定できる。新しい結晶の混入とは、合成混合物中で形成され た結晶が成長するゼオライト層の表面上に付着するものと定義される。成長速度 は再核形成または混入を左右できるので、結晶は成長する層に新しい結晶を有意 に加えることをしないでも長時間にわたり競争的に成長できる。成長層は個々の 結晶から構成され、合成方法は結晶の再核形成または混入を防ごうとするので、 得られる組成物は形状的優先配向または結晶学的優先配向またはその両方の配向 を持つことができる。結晶がゼオライト層の表面上に好ましい規則的な体型（ま たは形態）を有するように成長するので形の配向が発生する。規則的な体型（ま たは形態）とは、層の中に特別な結晶学的な粒子が規則的な形の輪郭を描くこと と見なされる。規則的 な形の輪郭とは、結晶の間に相互に連結する隙間または空隙が存在しないように ぴったりとはめ込まれまたは詰め込まれるものと定義される。相互に連結する空 隙は細孔構造を形成する。規則的な形を有する規則的な体型のいくつかの例とし ては、円柱形、立方体、直方体、プリズム状の形がある。球形、不規則な形、お よび楕円体は規則的な体型とは考えられない。形の好ましい配向において、定義 された層は同じ規則的な体型を有する。これは層が成長する基体を裂くまたは割 ることにより、そしてゼオライト層の横断面の形態を走査電子顕微鏡で検査する ことにより測定できる。成長するゼオライト層の表面を検査することにより層の 形状的優先配向に関する追加の情報をさらに得ることができる。形状的優先配向 を有する層は、ゼオライト層の内側の１層の中の結晶の90%超が自己類似規則的 体型を示すものであると見なされる。この自己類似の要件とは、同じ規則的な体 型がゼオライト層の横断面の電子顕微鏡写真に描かれる層の内部に示されるが、 形は同じでも全て同じ大きさである必要はないことを意味する。ゼオライト層の 成長のメカニズムにより、１つの層の底部（基礎）に１つの形状的優先配向を有 し、表面近くに描かれた１層には別の形状的優先配向を有することが可能である 。この１例として、層の基部に円柱形の体型を有し、層の表面に直方体の体型を 有するMFIゼオライト層が挙げられる。本発明により成長される多くのMFIゼオラ イト層はゼオライト層の厚さ全体にわたって１つだけの体型を示す。通常、本発 明により成長されるMFIゼオライト層はゼオライト層の厚さ全体にわたって１つ だけの体型を示す。通常、好ましいＣ軸配向を有するMFIゼオライト層はゼオラ イト層の厚さ全体にわたって円柱状体型（または形態）を示す。しばしば、形状 的優先配向層は結晶学的優先配向を有する。 ゼオライト層を成長させる基体は多孔性であっても非多孔性であってもよい。 基体が多孔性なら、その厚さ全体にわたって多孔性材料である。好ましくは、無 機酸化物またはステンレススチールが利用される。多孔性基体としては、従って セラミック、金属、カーバイド、重合体またはその混合物が挙げられる。多孔性 基体は従って全体に均一な孔径を有するか、または不均斉でもよく、基体の大部 分にわたって大きい孔構造を有し、ゼオライト層が成長する表面では小さい孔構 造を有することでもよい。基体の孔径は物質移動要件により指定される。基体の 孔構造および厚さは、物質移動耐性は使用中のゼオライト膜を透過する物質の流 動を限定しないように選ばれると好ましい。多孔性基体は従って約5から約70%、 好ましくは約20から約50%の細孔率を示し、平均孔径は約0.004から約100μ、好 ましくは0.05から約2μである。 基体の表面は多孔性であれ非多孔性であれその上にゼオライト層を成長させる ので滑らかであるのが好ましい。基体の粗さはゼオライト層に欠陥をもたらす。 基体の平均粗さは、10μm未満の振幅を有し、1:1未満の粗さの縦横比を有するべ きである。基体の平均粗さが5μm未満であり、粗さの縦横比が1:1未満であるの が好ましい。非多孔性基体は利用してもよいが、多孔性基体が好ましい。 いったんゼオライト層が成長すると、基体は付着したゼオライト層と共に、熱 水処理中に反応しなかったゼオライト合成混合物のいづれをも除去するために充 分な時間と温度で水で洗浄されるのが好ましい。従って、洗浄は約15から100℃ までの温度で、好ましくは約80から約100℃までの温度で、少なくとも10分間、 好ましくは少なくとも6時間にわたり行うことができる。時間を延長して洗浄し 過ぎても組成物を分解する可能性はない。さらに、過剰のゼオライト合成混合物 を除去できる液体また は溶液を使用できる。 いったん洗浄されると、もしゼオライト合成混合物が有機テンプレートを含有 した場合、組成物は約400から600℃で少なくとも１時間、好ましくは少なくとも 約6時間にわたり焼結される。焼結時間が延長されても膜の性能に影響はない。 前記組成物は分離処理工程のために有用であり、それによって少なくとも2種 の分子からなる石油、天然ガス、炭化水素、または空気由来の供給原料が本発明 の組成物と接触させられ、前記供給原料の少なくとも１種の分子が前記供給原料 から前記組成物により分離されるが、その場合に前記炭化水素供給原料は石炭、 ビチューメンおよびケローゲン由来の供給原料である。 特に、下記の表は石油、天然ガス、空気または炭化水素由来の可能な供給原料 および本発明の組成物を使用することによりそれから分離された分子の種類を示 している。表は発明の範囲を限定するものではない。 出願人は、分子の拡散が上記の分離の原因であると考えている。さらに、ゼオ ライト層または支持体の中に触媒を混入した組成物と供給原料を上記または下記 のように接触させることにより、または組成物に触媒をモジュールを形成するの に充分近く接近させて配置することにより少なくとも１つの反応生成物を産出す る化学反応を起こすために前記組成物が使用できる。モジュールは、供給原料が 組成物に入る直前、または組成物から出た直後に該供給原料と反応する。この方 法で、供給原料から少なくとも１種の反応生成物または反応体を分離することが できる。特別な工程流体のために選ばれる触媒は当該技術に精通した者に周知で あり、容易に本発明の組成物に混入され、または当該技術に精通した者により該 組成物でモジュール中に形成される。以下の表は、上記の反応させることのでき るものに追加の可能な供給原料／工程のいくつかおよびいくつかの産出の可能性 のある生成物を示す。この表は発明の範囲を限定するものではない。 本発明の支持体上のゼオライト層はこのような分離に用いることができるが、 分離されるべき材料と接触することにより損傷を受けるという問題は発生しない 。さらに、これらの分離の多くは500℃ほどの高温で実施され、このような高温 で使用できるということは本発明の支持体上に支持された層の利点である。 本発明による組成物を使って実施できる別の分離としては、例えば、共沸炭化 水素からのｎ-アルカンの分離、例としてC4-C6混合物などのイソアルカンからｎ -アルカンの分離、および灯油からn-C10-C16アルカンの分離；芳香族混合物の相 互分離、特に、C8芳香族異性体の相互分離、さらに特にキシレン類および任意に エチルベンゼンの混合物からパラキシレンの分離、および異なる炭素数の芳香族 、例えば、ベンゼン、トルエンおよび混合C8芳香族の混合物の分離；脂肪族化合 物から芳香族化合物の分離、特に6から8個の炭素原子を有する芳香族分子をC5-C10 (ナフサ列)脂肪族からの分離；飽和化合物からオレフィン化合物の分離、特に アルカン/アルケン混合物から軽アルケン類の分離、さらに特に、エタンからエ テンおよびプロパンからプロペンの分離；水素含有流から水素の除去、特に軽精 油所および石油化学ガス流、さらに特にC2およびより軽い成分から水素の除去； および水性流からアルコールの除去、他の炭化水素、特に、アルコールの製造中 に形成された混合物中に存在する可能性のあるアルカンおよびアルケンからアル コール類の除去、およびアルコール類などの炭化水素およびH2Sおよびメルカプ タンなどの硫黄含有材料からヘテロ原子化合物の分離などが挙げられる。 従って、本発明は、流体混合物の少なくとも１種の成分が別の成分の透過性と は異なる定常状態の層透過性を有するような条件下で、本発明による層の片面と 流体混合物とを接触させ、前記層の他の面から１成分 または複数の成分の混合物を回収することから成る、流体混合物の分離方法を提 供する。 本発明はさらに触媒変換条件下で触媒活性状態にある本発明による層と供給原 料を接触させ、少なくとも１種の変換生成物から成る組成物を、有利には反応混 合物中のその平衡濃度とは異なる濃度で回収することから成る、化学反応に触媒 作用を及ぼす方法を提供する。例えば、キシレン異性化方法で反応容器または反 応容器生成物からp-キシレンに富んだ混合物を分離；改質反応容器の脂肪族およ び水素から芳香族化合物の分離；アルケン類の形成におけるアルカン脱水素、芳 香族の形成における軽アルカン/アルケンの脱水環化（例えば、Cyclar）、スチ レンを得るためのエチルベンゼン脱水素化などの精油所および化学プロセスから の水素の除去が挙げられる。本発明はさらに２分子反応の１つの反応物を、触媒 変換条件下で膜の形をした触媒活性状態にある本発明による層の片面と接触させ 、反応条件をさらに正確に制御するために該層の反対側の面から拡散により第二 の反応体を加えることを制御することから成る、化学反応に触媒作用を及ぼす方 法を提供する。エチルベンゼン、クメン、またはシクロヘキサンを形成する場合 にエチレン、プロピレンまたは水素をそれぞれベンゼンに加えることを制御する 例が挙げられる。 本発明はさらにここに記載されているように供給原料の分離を意図しており、 分離された分子は組成物を離れるにつれてまたは組成物を通過するにつれて反応 し、別の生成物を形成する。これはゼオライト層を通って拡散するための推進力 を増大すると思われる。 触媒機能を本発明の組成物に混入できる。触媒機能が組成物に混入されると、 反応容器中で活性要素として使用できる。いくつかの様々な反応容器の構造は組 成物中の触媒作用部位の位置次第で決定され構成され る。触媒機能はゼオライト層の中に配置できる場合もあるし、また支持体の中に 配置される場合もあり、また支持体とゼオライト層全体に分配される場合のある 。さらに、触媒機能が従来の触媒粒子を組成物の１つ以上の表面の近くに配置す ることにより特定の生成物または反応体が連続的におよび選択的に反応容器全体 の反応区域に加えられたり取り出されたりするように反応容器中に混入すること ができる。例えば、第VIII族の貴金属、例えばPtなどの触媒活性金属を含浸させ ることにより組成物に触媒機能を付与することができる。触媒活性金属は、例え ば、開始時に湿り気を与えることなど当該技術で周知の方法により混入できる。 第VIII族の貴金属の混入量は約0.01から約10重量％までの範囲である。 これらの組成物が反応容器内または反応容器流出物上のいずれかで選択的分離 をするために有利であると思われるいくつかの特定の反応方式としては、キシレ ン異性化方法における反応容器、反応容器生成物、反応容器供給原料または他の 位置からパラキシレンに富んだ混合物の選択的除去；例えば軽アルカンおよびア ルケン脱水環化工程（例えば、Cyclarなどの工程からC3-C7パラフィンから芳香 族まで）、メタノールからガソリンおよび触媒分解工程などの触媒改質または他 の芳香族生成工程から芳香族留分または特定の芳香族分子に富んだ流れの選択的 分離；精油所および化学プラント流および工程からベンゼンに富んだ留分の選択 的分離；触媒分解、熱分解、オレフィン異性化工程、メタノールからオレフィン までの工程、ナフサからオレフィン変換工程、例えばプロパン脱水素化からプロ ピレンなどアルカン脱水素工程を含む精油所および化学物質処理ユニットからオ レフィンまたは特定のオレフィン留分の選択的分離；精油所および化学物質流お よび触媒改質、アルカン脱水素化、触媒分解、熱分解、軽アルカン／アルケン脱 水素化、エチルベンゼン脱水 素化、パラフィン脱水素化などの工程から水素の選択的除去；例えばブタン異性 化、パラフィン異性化、オレフィン異性化などの工程において分子異性体の選択 的分離；水性流および／または他の炭化水素からアルコール類の選択的分離など が挙げられる。 下記の実施例は説明のためのものであって、発明の範囲を限定するためのもの ではない。 実施例 １．材料 下記の試薬の混合物を使って、熱水実験が行われた： NaOH(Baker)，Al(NO3)3，9H2O(Baker)，Ludox AS-40(Dupont)，臭化テトラプロ ピルアンモニウム(98%、Aldrich)および蒸留水。 ゼオライト層の支持体として多孔性のアルミナおよびステンレススチール基体 を使用した。アルミナ基体の平均孔径および細孔率はそれぞれ約800Åと32%であ った。多孔性の焼結ステンレススチール基体がMott's（0.25μm）およびPall(MO 20，2μm)から得られた。基体の全ては超音波浴の中でアセトンで洗浄してから 、120℃で乾燥し、次に使用前に室温まで冷却した。 ２．熱水反応 MFI膜は２種類の反応バッチ混合物から調製されたが、一方はシリカだけを含 有し高シリカMFIを調製し、他方はアルミナを加えてZSM-5を調製した。これらは 一般式xM2O:10 SiO2:zAl2O3:pTPABr:yH2Oで表され、MはNA，K，Rb，Csであり、 ｘは0.1から0.15までの範囲で変化し、ｐは0.2から1までの範囲で変化する。次 の項で示される全ての結果は0.22Na2 O:10SiO2:OAl2O3:280H2O:0.5TPABr(臭化テトラプロピルアンモニウム)の組成を 有するが、ただし0.05 Al2O3を含有するZSM-5試料を除外する。1.74gのTPABrと0 .45gのNaOH（50重量%）を撹拌しながら52mlの蒸留水に溶解した。この溶液に18. 8gのLudox AS-40を少なくとも15分間撹拌しながら加えて、均一な溶液を形成し た。 ステンレススチールの針金の枠に支えられたテフロンの裏張りをした反応容器 の中に基体を逆さ(180度配向)にして入れた。基体と反応容器の底部との距離は 少なくとも5mmであった。次に、合成溶液を反応容器に注ぎ込み基体全体を覆っ た。オートクレーブを密閉し、オーブンに入れ、所望の温度で予備加熱した。反 応容器は反応終了後にオーブンから取り出し、室温に冷却した。被覆された基体 は熱湯で少なくとも６時間洗浄し、次に空気中で６時間にわたり500℃でか焼し た。加熱速度は毎時10°Cで調節された。 ３．分析 得られた膜の特性をＸ線回折、電子顕微鏡および透過率測定により明らかにし た。 結果と考察 １．生成物 下記の表は例えば反応時間および基体など様々な実験条件下で合成されたいく つかの典型的な例を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ０８／４９９，７１９ (32)優先日 1995年７月７日 (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，ＪＰ，ＭＸ，Ｓ Ｇ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １．基体とゼオライト結晶の多結晶性層から成り、前記ゼオライト結晶の少なく とも99%が隣接する結晶間に20Å以下の少なくとも１箇所を有し、前記結晶の少 なくとも90%が約2から約100μの幅を有し、前記結晶の少なくとも75%が平均結晶 厚さの20%以内の厚さを有することを特徴とする組成物。 ２．前記多孔性基質は、ゼオライト、アルミナ、チタニア、菫青石、ムライト、 ステンレス鋼、パイレックス、シリカ、炭化珪素、カーボン、グラファイト、窒 化珪素及びそれらの混合物の中から選ばれた多孔質基材である請求の範囲第１項 の組成物。 ３．前記ゼオライト結晶は約２から約１００μｍの厚さをもつ請求の範囲第１項 の組成物。 ４．前記ゼオライト結晶は約５から約１００μｍの厚さをもつ請求の範囲第１項 の組成物。 ５．前記基質は石英、珪素、ガラス、ホウ珪酸塩ガラス、クレー、金属、重合体 、グラファイト、セラミックおよびそれらの混合物の中から選ばれた多孔質基材 である請求の範囲第１項の組成物。 ６．前記ゼオライト結晶は結晶学優先配向を示す請求の範囲第１項の組成物。 ７．前記ゼオライト結晶がＭＦＩ結晶の場合、ゼオライト結晶は該基材の表面に 直角な方向から３０度以内の範囲でのＣ軸配向である請求の範囲第１項の組成物 。 ８．前記基質は約５−約７０％の多孔度および約０.００４−約１００μｍの細 孔径分布を持つ請求の範囲第２項の組成物。 ９．前記基材は、平均粗さが１０μｍより小さく、粗さのアスペクト比が１：１ より小さいものである請求の範囲第１項の組成物。 １０．前記結晶は約２から約５０μｍの巾をもつ請求の範囲第１項の組成物。 １１．前記ゼオライト層の前記ゼオライト結晶及び前記成長促進層のゼオライト は、シリケート類、アルミノシリケート類、アルミノホスフェート類、シリコア ルミノ−ホスフェート類、メタロアルミノホスフェート類、スタノ−シリケート 類、ＡＦＩ、ＡＥＬ、ＢＥＡ、ＥＵＯ、ＦＥＲ、ＫＦＩ、ＭＡＸ、ＭＯＲ、ＭＥ Ｌ、ＭＴＷ、ＯＦＦ、ＴＯＮ、ＦＡＵ、ゼオライトＸ、ゼオライトＹ、ＬＴＡ、 ＡＦＳ、ＡＦＹ、ＡＰＣ、ＡＰＤ、ＭＴＮ、ＭＴＴ、ＡＥＬ、ＣＨＡ、ＭＦＩ及 びこれらの混合物の中から選ばれる請求の範囲１項の組成物。 １２．前記ゼオライト結晶はＭＦＩゼオライト結晶である請求の範囲第 １１項の組成物。 １３．前記ゼオライト層は１容量％より少ない空所を持つ請求の範囲第１項の組 成物。 １４．前記ゼオライト層は０．５容量％より少ない空所を持つ請求の範囲第１３ 項の組成物。 １５．前記ゼオライト層は４０Åより少ない寸法を有する欠陥の合計数は１平方 インチ当たり１０，０００個より少ない請求の範囲第１項の組成物。 １６．(a)基体をゼオライト合成混合物と接触させる工程； （ｂ）前記基体と前記ゼオライト合成混合物を前記基体上にゼオライト層を形成 するのに充分な時間と温度で熱水処理し、処理中に前記ゼオライト層上に前記ゼ オライト合成混合物から生成された粒子が沈澱するのを防ぐ工程； （ｃ）未反応のゼオライト合成混合物を取り除く工程 から成る組成物の調製方法。 １７．前記ゼオライト合成混合物が有機テンプレートを含む場合、前記組成物を 約４００℃から約６００℃の温度で少なくとも約３０分焼成する工程を更に含む 請求の範囲第１６項の方法。 １８．前記接触工程（ｂ）の間、前記ゼオライト層が前記合成混合物中 で９０から２７０°配向するように前記基材は配向され、１８０°配向において 該ゼオライト層は平行且つ下方に成長する請求の範囲第１６項の方法。 １９．約０．１重量％から約１０重量％のVIII族貴金属を含有する請求の範囲第 １項の組成物。 ２０．少なくとも２種類の分子から成る石油、天然ガス、空気または炭化水素由 来の供給原料を、基体および多結晶性ゼオライト結晶の層から成る組成物と接触 させることから成り、前記ゼオライト結晶の少なくとも99%が隣接する結晶間に2 0Å以下の少なくとも１箇所を有し、前記結晶の少なくとも90%が約0.2から約100 μの幅を有し、前記結晶の少なくとも75%が平均結晶厚さの20%以内の厚さを有す ると共に、前記供給原料の少なくとも１種類の分子が前記組成物により前記供給 原料から分離され、前記炭化水素原料が石炭、ビチューム、ケローゲンおよびそ の混合物からなる部類から選ばれることを特徴とする分離方法。 ２１．前記分子種は分子拡散により分離される請求の範囲第２０項に従った方法 。 ２２．前記原料は混合キシレン及びエチルベンゼン；水素、Ｈ2Ｓ及びアンモニ アの混合物；直鎖及びイソブタン類の混合物；直鎖及びイソブテン類の混合物； 直鎖パラフィンを含有するケロセン；窒素及び酸素の混合物；水素及びメタンの 混合物；水素、エタン及びエチレンの混合物；水素、プロパン及びプロピレンの 混合物；Ｃ5〜Ｃ10を含有するコークス ナフサ；アルゴン、ヘリウム、ネオン又は窒素を含有するメタン及エタン混合物 ；中間反応器接触リフォーマー生成物；流動接触分解生成物；ナフサ；軽コーク スガス油、直鎖及びイソペンタン類の混合物；直鎖及びイソペンテンの混合物； アンモニア、水素及び窒素の混合物；炭素数１０の芳香族類の混合物；混合ブテ ン類；硫黄及び／又は窒素化合物；硫黄化合物の混合物；窒素化合物の混合物； ベンゼンを含有する混合物；及び上記の混合物の中から選ばれたものである請求 の範囲第２１項に従った方法。 ２３．反応流を基体および多結晶性ゼオライト結晶の層から成る組成物と接触さ せることから成り、前記ゼオライト結晶の少なくとも99%が隣接する結晶間に20 Åの少なくとも１箇所を有し、前記結晶の少なくとも90%が約0.2から約100μの 幅を有し、前記結晶の少なくとも75%が平均結晶厚さの20%以内の厚さを有するこ とを特徴とする化学反応に触媒作用を及ぼす方法。 ２４．前記組成物と触媒がモジュールを形成しているか又は前記組成物の内部に 触媒が含有されている請求の範囲第２３項に従った方法。 ２５．前記原料は、キシレンとエチルベンゼンとの混合物；エタン混合物；エチ ルベンゼン混合物；ブタン混合物；プロパン混合物；Ｃ10〜Ｃ18直鎖パラフィン 混合物；硫化水素混合物；触媒リフォーミング生成物；軽質石油ガス（ＬＰＧ） ；硫黄及び水素化合物；窒素化合物；ブテン混合物；又は上記の混合物からなる 請求項の範囲第２４項に従った方法。 ２６．前記原料が前記組成物と反応した時に反応物又は反応生成物が得られる請 求の範囲第２５項に従った方法。 ２７．請求の範囲第１６項の方法により得られる組成物。 ２８．触媒作用状態で、触媒変換条件下で、２分子反応混合物の１つの反応体を 、基体とゼオライト結晶の多結晶性層とから成る組成物の片面と接触させること から成り、前記ゼオライト結晶の少なくとも99%が隣接する結晶間に20Å以下の 少なくとも１箇所を有し、前記結晶の少なくとも90%が約2から約100μの幅を有 し、前記結晶の少なくとも75%が平均結晶厚さの20%以内の厚さを有するものであ り、そして構造体の反対側からの拡散により第二の反応体の添加を制御すること から成る化学反応に触媒作用を及ぼす方法。 ２９．前記組成物が前記原料の少なくとも１つの分子種を吸着する請求の範囲第 ２０項に従った方法。
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