(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-09-08
(45)【発行日】2022-09-16
(54)【発明の名称】モレキュラーシーブSSZ-56の合成
(51)【国際特許分類】
C01B 39/48 20060101AFI20220909BHJP
B01J 20/18 20060101ALI20220909BHJP
B01J 20/30 20060101ALI20220909BHJP
【FI】
C01B39/48
B01J20/18 D
B01J20/18 E
B01J20/30
(21)【出願番号】P 2020564257
(86)(22)【出願日】2019-08-27
(86)【国際出願番号】 IB2019057202
(87)【国際公開番号】W WO2020044229
(87)【国際公開日】2020-03-05
【審査請求日】2021-11-02
(32)【優先日】2018-08-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】503148834
【氏名又は名称】シェブロン ユー.エス.エー. インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】シエ、ダン
【審査官】神野 将志
(56)【参考文献】
【文献】特表2008-546624(JP,A)
【文献】特表2015-518814(JP,A)
【文献】国際公開第2018/110860(WO,A1)
【文献】米国特許出願公開第2013/0165713(US,A1)
【文献】Kevin R et al.,Crystallizatin of silica molecular sieves from piperazine-quanternary ammonium bromide-siilca-water systems,ZEOLITES,1988年03月02日,vol.8,pp.501-507
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C01B 39/48
B01J 20/18
B01J 20/30
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
SFS骨格型のモレキュラーシーブを合成する方法であって:
(a)下記を含む反応混合物を形成すること:
(1)ホウケイ酸ベータゼオライト;
(2)第1族又は第2族金属(M)の供給源;
(3)ベンジルトリブチルアンモニウムカチオンを含む構造指向剤(Q);
(4)水酸化物イオンの供給源;及び
(5)水;及び
(b)当該反応混合物を、ホウケイ酸塩ベータゼオライトをSFS骨格型のモレキュラーシーブに変換するのに十分な結晶化条件に供すること、
を含む、前記の方法。
【請求項2】
反応混合物が、モル比で下記の組成を有する、請求項1に記載の方法:
【表1】
【請求項3】
前記反応混合物が、モル比で下記の組成を有する、請求項1に記載の方法。
【表2】
【請求項4】
反応混合物が種も含む、請求項1に記載の方法。
【請求項5】
反応混合物が、0.01重量ppm~15,000重量ppmの種を含む、請求項4に記載の方法。
【請求項6】
種がSFS骨格型のモレキュラーシーブを含む、請求項4に記載の方法。
【請求項7】
結晶化条件が、125℃~200℃の温度を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項8】
合成されたままの形態で、細孔内にベンジルトリブチルアンモニウムカチオンを含む、SFS骨格型のモレキュラーシーブ。
【請求項9】
SiO
2/B
2O
3のモル比が少なくとも10である、請求項8記載のモレキュラーシーブ。
【請求項10】
SiO
2/B
2O
3のモル比が50~200の範囲にある、請求項9記載のモレキュラーシーブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願への相互参照
この出願は、2018年8月27日に出願された米国仮出願第62/723,371号の優先権及び利益を請求する。
【0002】
分野
本開示は、SSZ-56の骨格構造を有する結晶性モレキュラーシーブの合成に関する。
【背景技術】
【0003】
背景
SSZ-56は、12環および10環リングの細孔が交差する独特の2次元チャネルシステムを有するモレキュラーシーブである。SSZ-56の骨格構造には、the Structure Commission of the International Zeolite Associationから3文字のコードSFSが割り当てられている。
【0004】
モレキュラーシーブSSZ-56の組成および特徴的なX線回折パターンは、米国特許第7,226,576号に開示されており、これはまた、trans-融合環、N,N-ジエチル-2-メチルデカヒドロキノリニウムカチオンを含む構造指向剤の存在下でのモレキュラーシーブの合成を記載している。
【0005】
米国特許第8,647,602号は、構造指向剤として1-ブチル-1-(3,3,5-トリメチルシクロヘキシル)ピペリジニウムカチオンを使用するアルミノケイ酸塩SSZ-56の合成を開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
SSZ-56を合成するための代替のより安価な構造指向剤を見つける必要性が残っている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示によれば、比較的単純なベンジルトリブチルアンモニウムカチオンが、合成SSZ-56における構造指向剤として有効でありうることが今や見出された。
【0008】
概要
一態様では、下記の方法が提供される:
SFS骨格型のモレキュラーシーブを合成する方法であって:
(a)下記を含む反応混合物を形成すること:
(1)ホウケイ酸ベータゼオライト;
(2)第1族又は第2族金属(M)の供給源;
(3)ベンジルトリブチルアンモニウムカチオンを含む構造指向剤(Q);
(4)水酸化物イオンの供給源;及び
(5)水;及び
(b)当該反応混合物を、ホウケイ酸塩ベータゼオライトをSFS骨格型のモレキュラーシーブに変換するのに十分な結晶化条件に供すること、
を含む、前記の方法。
【0009】
別の態様では、下記のモレキュラーシーブが提供される:
合成されたままの形態で、細孔内にベンジルトリブチルアンモニウムカチオンを含む、SFS骨格型のモレキュラーシーブ。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図面の簡単な説明
【
図1】
図1は、例1で調製された合成されたままのモレキュラーシーブの粉末X線回折(XRD)パターンを示す。
【0011】
【
図2】
図2は、例1で調製された合成されたままのモレキュラーシーブの走査型電子顕微鏡写真(SEM)画像を示す。
【発明を実施するための形態】
【0012】
詳細な記述
定義
本明細書で使用される「骨格型」という用語は、the “Atlas of Zeolite Framework Types,” by Ch. Baerlocher, L.B. McCusker and D.H. Olson (Elsevier, Sixth Revised Edition, 2007)に記載されている意味を有する。
【0013】
「合成されたままの」という用語は、本明細書では、構造指向剤を除去する前の、結晶化後のその形態のモレキュラーシーブを指すために使用される。
【0014】
「無水」という用語は、本明細書では、物理的に吸着された水および化学的に吸着された水の両方を実質的に欠くモレキュラーシーブを指すために使用される。
【0015】
ここで使用される時、周期表の族のためのナンバリングスキームは、Chem. Eng. News 1985, 63(5), 26-27に開示されている通りである。
【0016】
モレキュラーシーブの合成
SFS骨格型のモレキュラーシーブは、下記によって合成することができる:
(a)下記を含む反応混合物を形成すること:
(1)ホウケイ酸ベータゼオライト;
(2)第1族又は第2族金属(M)の供給源;
(3)ベンジルトリブチルアンモニウムカチオンを含む構造指向剤(Q);
(4)水酸化物イオンの供給源;及び
(5)水;及び
(b)当該反応混合物を、ホウケイ酸塩ベータゼオライトをSFS骨格型のモレキュラーシーブに変換するのに十分な結晶化条件に供すること。
【0017】
反応混合物は、モル比に関して、表1に示される範囲内の組成物を有し得る。
【表1】
ここで、Mは第1族または第2族金属である。Qは、ベンジルトリブチルアンモニウムカチオンを含む。
【0018】
ホウケイ酸塩ベータゼオライトは、少なくとも10(例えば、50から200)のSiO2/B2O3モル比を有することができる。ホウケイ酸塩ベータゼオライトは、異なるSiO2/B2O3モル比を有する2つ以上のホウケイ酸塩ベータゼオライトを含むことができる。
【0019】
第1族または第2族金属(M)は、結晶化プロセスに有害ではない任意のM含有化合物を使用することができる。第1族または第2族の金属は、ナトリウムまたはカリウムであり得る。第1族または第2族の金属の供給源には、金属水酸化物、金属酸化物、金属ハロゲン化物、金属硫酸塩、金属硝酸塩、および金属カルボン酸塩が含まれ得る。ここで使用されている「第1族または第2族の金属」という表現は、第1族の金属と第2族の金属が代替として使用されることを意味するのではなく、1つまたは複数の第1族の金属を、単独で、または1つ以上の第2族金属と組み合わせて使用できること、および1つ以上の第2族金属を、単独で、または1つ以上の第1族金属と組み合わせて使用することができることを、意味する。
【0020】
構造指向剤(Q)は、以下の構造(1)によって表されるベンジルトリブチルアンモニウムカチオンを含む。
【化1】
【0021】
Qの適切な供給源は、第四級アンモニウム化合物の水酸化物および/または他の塩である。
【0022】
反応混合物はまた、先の合成からのSSZ-56などのSFS骨格型のモレキュラーシーブの種を、望ましくは反応混合物の0.01から15,000重量ppm(例えば、100から12,000重量ppm)の量で含み得る。種は、完全な結晶化が発生するのに必要な時間を短縮するのに有利な場合がある。さらに、種は、いかなる望まれない段階にわたって、SSZ-56の核形成および/または形成を促進することによって得られる生成物の純度を高めることができる。
【0023】
反応混合物は、バッチ式または連続的に調製することができる。本明細書に記載のモレキュラーシーブの結晶サイズ、形態および結晶化時間は、反応混合物の性質および結晶化条件によって変化し得る。
【0024】
結晶化と合成後の処理
上記の反応混合物からの所望のモレキュラーシーブの結晶化は、例えばポリプロピレンジャーまたはテフロン(登録商標)で裏打ちされたまたはステンレス鋼のオートクレーブなどの適切な反応容器内で、使用した温度で結晶化が起こるのに十分な時間(例えば、約50から500時間)、125℃から200℃(例えば、140℃から170℃)の温度で、静的、タンブルまたは撹拌条件下のいずれかで実施することができる。結晶化は、反応混合物が自生圧力を受けるように、通常、オートクレーブ内で行われる。
【0025】
所望のモレキュラーシーブ結晶が形成されたら、遠心分離または濾過などの標準的な機械的分離技術によって、固体生成物を反応混合物から分離することができる。結晶を水洗してから乾燥させて、合成されたままのモレキュラーシーブ結晶を得ることができる。乾燥工程は、高温(例えば、75℃~150℃)で数時間(例えば、4~24時間)実施することができる。乾燥工程は、真空下または大気圧下で実施することができる。
【0026】
結晶化プロセスの結果として、回収された結晶性モレキュラーシーブ生成物は、その細孔内に、合成に使用される構造指向剤の少なくとも一部を含む。
【0027】
合成されたままのモレキュラーシーブは、その合成に使用される構造指向剤の一部または全部を除去するための処理に供され得る。構造指向剤の除去は、合成されたままのモレキュラーシーブが構造指向剤の一部または全部を除去するのに十分な温度で加熱される熱処理(例えば、焼成)によって実施され得る。熱処理には大気圧未満の圧力を使用することができるが、利便性の理由から大気圧が望ましい。熱処理は、少なくとも370℃の温度で少なくとも1分間、一般に20時間以内(例えば、1時間から12時間)で実施することができる。熱処理は最大925℃の温度で行うことができる。例えば、熱処理は、酸素含有ガスの存在下で、400℃から600℃の温度で約1時間から8時間実施することができる。追加的または代替的に、構造指向剤は、オゾンで処理することによって除去することができる。
【0028】
モレキュラーシーブ中の任意の第1族または第2族の金属カチオンは、当技術分野で周知の技術に従って(例えば、イオン交換によって)他のカチオンに置き換えることができる。置換カチオンには、金属イオン、水素イオン、水素前駆体イオン(例えば、アンモニウムイオン)、およびそれらの組み合わせが含まれ得る。特に好ましい置換カチオンは、特定の有機変換反応の触媒活性を調整するものである。これらには、水素、希土類金属、および元素周期表の第2族~第15族の金属が含まれる。
【0029】
アルミニウム含有形態のSSZ-56は、SSZ-56のホウケイ酸塩骨格中のホウ素をアルミニウムで合成後置換することによって調製することができる。ホウケイ酸SSZ-56の骨格内のホウ素をアルミニウムで置き換えることは、アルミニウム塩(例えば、硝酸アルミニウム)で適切に処理することによって達成することができる。そのようなヘテロ原子格子置換技術は、例えば、米国特許第6,468,501号および第6,790,433号に記載されている。SSZ-56のホウケイ酸塩骨格中のホウ素の少なくとも5%(例えば、少なくとも10%、少なくとも25%、または少なくとも50%)は、そのような技術を使用してアルミニウムで置き換えることができる。
【0030】
SSZ-56は、結合剤および/またはマトリックス材料などの他の材料と組み合わせることによって触媒組成物中に配合することができ、これは、完成した触媒に追加の硬度または触媒活性を提供する。このような成分とブレンドした場合、SSZ-56とマトリックスの相対的な比率は、SSZ-56の含有量が全触媒の1~90重量%(例えば、2~80重量%)の範囲で、広く変動し得る。
【0031】
モレキュラーシーブの特性評価
合成されたままの及び無水形態では、本モレキュラーシーブは、表2に示される以下のモル関係を含む化学組成を有することができる。
【表2】
ここで、Qはベンジルトリブチルアンモニウムカチオンを含む。Mは第1族または第2族の金属である。
【0032】
米国特許第7,226,576号によって教示されているように、モレキュラーシーブSSZ-56は、その合成されたままの形態で、少なくとも以下の表3に示されるピークを含み、その焼成された形態で、少なくとも以下の表4に示されるピークを含む、粉末X線回折パターンを有する。
【表3】
(a)±0.10
(b)提供された粉末XRDパターンは、相対強度スケールに基づくものであり、XRDパターンの最強ラインは100の値で指定される:W=弱(>0~<20);M=中(≧20~≦40);S=強(>40~≦60);及びVS=非常に強(>60~≦100)。
【表4】
(a)±0.10
(b)提供された粉末XRDパターンは、相対強度スケールに基づくものであり、XRDパターンの最強ラインは100の値で指定される:W=弱(>0~<20);M=中(≧20~≦40);S=強(>40~≦60);及びVS=非常に強(>60~≦100)。
【0033】
本明細書に提示される粉末X線回折パターンは、標準的な技術によって収集された。放射線はCuKα放射線だった。ピークの高さと位置は、2θの関数として(θはブラッグ角度である)、ピークの相対強度(バックグラウンドを調整)から読み取られ、記録された線に対応する面間隔であるdを計算できる。
【0034】
回折パターンのわずかな変動は、格子定数の変化による特定のサンプルの骨格種のモル比の変動に起因する可能性がある。さらに、十分に小さい結晶はピークの形状と強度に影響を与え、大幅なピークの広がりにつながり得る。回折パターンのわずかな変動は、調製に使用される有機化合物の変動からも生じる可能性がある。焼成はまた、XRDパターンの小さなシフトを引き起こす可能性がある。これらの小さな摂動にもかかわらず、基本的な結晶格子構造は変化しない。
【0035】
例
以下の例示的な例は、非限定的であることを意図している。
【0036】
例1
14.93gの脱イオン水、0.13gの50%NaOH水溶液、6.74gの21.04%ベンジルトリブチルアンモニウムヒドロキシド溶液、および2.00gのホウケイ酸ベータ-ゼオライト(SiO2/B2O3モル比~100)を、テフロン(登録商標)ライナー中で一緒に混合した。得られたゲルを均一になるまで撹拌した。次に、ライナーに蓋をして、Parr鋼製オートクレーブ反応器内で密封した。次にオートクレーブをオーブンに入れ、静的条件下で150℃で7日間加熱した。固体生成物を、遠心分離によって、冷却された反応器から回収し、脱イオン水で洗浄し、そして95℃で乾燥させた。
【0037】
得られた生成物を粉末XRDおよびSEMによって分析した。製品の粉末XRDパターンが
図1に示されており、SSZ-56である製品と一致している。製品のSEM画像を
図2に示し、結晶の均一なフィールドを示す。
【0038】
誘導結合プラズマ(ICP)元素分析によって決定されるように、生成物は、136.8のSiO2/B2O3モル比を有していた。
【0039】
例2
22.32gの脱イオン水、0.30gの45%KOH水溶液、10.11gの21.04%ベンジルトリブチルアンモニウムヒドロキシド溶液、および3.00gのホウケイ酸ベータ-ゼオライト(SiO2/B2O3モル比~100)を、テフロン(登録商標)ライナー中で一緒に混合した。得られたゲルを均一になるまで撹拌した。次に、ライナーに蓋をして、Parr鋼製オートクレーブ反応器内で密封した。次にオートクレーブをオーブンに入れ、静的条件下で150℃で7日間加熱した。固体生成物を、遠心分離によって、冷却された反応器から回収し、脱イオン水で洗浄し、そして95℃で乾燥させた。
【0040】
得られた生成物を粉末XRDおよびSEMによって分析し、純粋なSSZ-56モレキュラーシーブであることが示された。
【0041】
生成物は、ICP元素分析によって決定されるように、131.4のSiO2/B2O3モル比を有していた。
【0042】
例3
16.64gの脱イオン水、0.26gの50%NaOH水溶液、4.49gの21.04%ベンジルトリブチルアンモニウムヒドロキシド溶液、および2.00gのホウケイ酸ベータ-ゼオライト(SiO2/B2O3モル比~100)をテフロン(登録商標)ライナー中で一緒に混合した。得られたゲルを均一になるまで撹拌した。次に、ライナーに蓋をして、Parr鋼製オートクレーブ反応器内で密封した。次にオートクレーブをオーブンに入れ、静的条件下で150℃で7日間加熱した。固体生成物を、遠心分離によって、冷却された反応器から回収し、脱イオン水で洗浄し、そして95℃で乾燥させた。
【0043】
得られた生成物を粉末XRDおよびSEMによって分析し、SSZ-56と高密度相クリストバライトとの混合物であることが示された。
【0044】
例4
先の合成からのホウケイ酸塩SSZ-56の10重量%種結晶を反応混合物に加えたことを除いて、例1が繰り返された。固体生成物は5日間の反応後に回収された。
【0045】
得られた生成物は、粉末XRDおよびSEMによって、純粋なSSZ-56モレキュラーシーブであることが確認された。
【0046】
例5
例1の合成されたままのモレキュラーシーブが、マッフル炉内で、1℃/分の速度で、540℃に加熱された窒素と空気の混合物の流れ下で、焼成され、540℃で5時間保持され、冷却され、粉末XRDで分析された。粉末XRDデータは、有機物を除去するための焼成後も材料が安定していることを示している。
【0047】
例6
例5の焼成材料は、MicromeriticsのASAP 2010装置で記録された87.50K(-186℃)でのアルゴン吸着等温線に基づいて、0.17cm3/gのミクロ細孔容積を有していた。サンプルは、アルゴン吸着の前に、最初に400°Cで16時間脱気される。低圧用量は2.00cm3/g(STP)である。1回の用量で最大1時間の平衡時間が使用され、合計実行時間は37時間である。アルゴン吸着等温線は、J.P. Olivier (J. Porous Mater. 1995, 2, 9-17) using the Saito Foley adaptation of the Horvarth-Kawazoe formalism (Micropor. Mater. 1995, 3, 531-542)および従来のtプロット法(J. Catal. 1965, 4, 319-323)によって活性炭スリット用に開発された密度汎関数理論(DFT)形式及びパラメーターを使用して分析される。