DE1264425B - Verfahren zur Herstellung von kristallinem Mordenit - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von kristallinem MordenitInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
COIb
Deutsche Kl.: 12 i-33/26
Nummer: 1264 425
Aktenzeichen: A 49765 IV a/12 i
Anmeldetag: 17. Juli 1965
Auslegetag: 28. März 1968
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von kristallinem Mordenit, einem in die Gruppe der Zeolithe einzureihenden Silicoaluminat, das besonders
als Trocknungsmittel für Gase und zur Zerlegung von Gasgemischen durch selektive Adsorption geeignet
ist. Der Mordenit ist ein Molekularsieb mit großer Affinität für kleine gasförmige Moleküle, wie H2S und
NH3, und adsorbiert besonders CO2, Sauerstoff,
Methan und Äthan, während er Moleküle größeren Durchmessers nicht adsorbiert. Besonders wichtig ist
die Verwendung des Mordenits zur Zerlegung von Gemischen von Sauerstoff und Stickstoff, von Wasserstoff
und Stickstoff, von Helium und Stickstoff oder Helium und Methan. Ein solches Verfahren ist beispielsweise
in der französischen Patentschrift 1 223 261 beschrieben.
Aus der französischen Patentschrift 1 213 628 ist es bekannt, in einer hydrothermalen Umsetzung Alkalisilicoaluminate
mit Molekularsiebstruktur herzustellen, doch handelt es sich dabei um eine echte Umsetzung
und nicht, wie beim vorliegenden Verfahren, lediglich um eine Kristallstrukturveränderung eines einheitlichen
Ausgangsstoffes, und außerdem erhält man gemäß dem Verfahren der französischen Patentschrift
1213 628 in der Hauptsache Natriumphillipsit im Gemisch mit Zeolith A, Zeolith X, Sodalit, Analcim
und amorphem Alkalisilicoaluminat und Mordenit höchstens in untergeordneten Beimengungen.
Aus Journal of the Chemical Society (1948), Bd. II, S. 2158, ist es weiterhin bekannt, Natriummordenit
durch Eingießen einer opalisierenden Natriumaluminatlösung in eine Kieselsäuresuspension und anschließende
Behandlung des dabei erhaltenen wasserhaltigen Gels unter Druck in einem Autoklav zu
gewinnen. Bei diesem Verfahren geht man ebenfalls von mehreren Ausgangsmäterialien aus und erhält den
Mordenit auch nur als einen Bestandteil verschiedener kristalliner und nicht kristalliner Alkalisilicoaluminate.
Schließlich offenbart die belgische Patentschrift 646 840, daß Mordenit nur aus einer bestimmten
kolloidalen Kieselsäure erhalten werden kann, nämlich wenn diese durch Entionisierung aus einem Alkalisilicat
durch Ionenaustausch an einem Kationenaustauscher in der Wasserstofform gewonnen wurde und in einer
Gewichtskonzentration bis höchstens 30% mit einer Natriumaluminatlösung bei 250 bis 350° C und einer
Anfangszusammensetzung von SiO2ZAl2O3 von 12 bis
13 umgesetzt wird. Die Durchführung und Einstellung dieser genauen Verfahrensbedingungen ist relativ
kompliziert, und außerdem geht auch dieses Verfahren von mehreren Ausgangsstoffen aus, die miteinander
umgesetzt werden, und nicht von einem einheitlichen Verfahren zur Herstellung von
kristallinem Mordenit
kristallinem Mordenit
Anmelder:
L'Air Liquide Societe Anonyme pour l'Etude et
!'Exploitation des Procedees Georges Claude,
Paris
Vertreter:
Dr. H.-H. Willrath, Patentanwalt,
6200 Wiesbaden, Hildastr. 18
Als Erfinder benannt:
Jean Quobex, Paris;
Daniel Domine, Meudon, Seine-et-Oise
(Frankreich)
Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 21. Juli 1964 (982 465)
Ausgangsmaterial, das nur in seiner Kristallstruktur umgelagert wird.
Die Vorteile des vorliegenden Verfahrens gegenüber dem in der belgischen Patentschrift 646 840 beschriebenen,
bestehen in einer Vereinfachung der Arbeitsvorgänge und Apparaturen sowie in einer größeren
Wirtschaftlichkeit.
So spart man die Entionisierungsoperation mit Ionenaustauschern ein, die eine genaue Überwachung
und zusätzliche Apparaturen erfordern und daher relativ große zusätzliche Kosten verursachen. Bei dem
vorliegenden Verfahren sind die apparativen Einrichtungen auf eine einzige Apparatur beschränkt, in
der man das Alkalisilicoaluminat in Suspension bringt, deren pH-Wert einstellt und die hydrothermale
Behandlung vornimmt.
Einer der Ausgangsstoffe der bekannten Verfahren ist dabei stets kolloidales Kieselsäuresol, das unter
ganz bestimmten Arbeitsbedingungen erhalten und gehalten werden muß, um seine Stabilität zu bewahren.
Diese Einhaltung genauer Arbeitsbedingungen ist jedoch bei Verfahren in industriellem Maßstab relativ
schwierig und aufwendig.
Außerdem führen die meisten der bekannten Verfahren
zu Mordenit im Gemisch mit anderen Zeolithen,
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die dem kristallinen Mordenit in verschiedener Hin- Berechnungsmethoden die Gitterkonstanten errechnet,
sieht unterlegen sind.. So ist Mordenit beispielsweise Die Zusammensetzung des erhaltenen kristallinen
wesentlich temperaturbeständiger als andere Zeolithe, Mordenits kann mit
wie Zeolith 5 A, und behält seine Adsorptions- Al O · 10 SiO · Na O
aktivität unverändert über eine große Zahl von 5 2322
Adsorptionszyklen, während die Adsorptionsaktivität angegeben werden, wobei jedoch Schwankungen in
beispielsweise von Zeolith 5 A oder 13 X bereits nach der Zusammensetzung möglich sind, ohne daß das
zwanzig Adsorptionszyklen praktisch erloschen ist. Röntgendiagramm verändert würde.
Außerdem ist Mordenit im Gegensatz zu den anderen Nach einer bevorzugten Ausführungsform des
genannten Zeolithen sehr stabil gegenüber Chemi- 10 Verfahrens nach der Erfindung werden die Natrium-
kalien, beispielsweise gegenüber starker Salzsäure. ionen des kristallinen Mordenits ganz oder teilweise
Schließlich adsorbiert Mordenit verschiedene Gase, gegen andere Alkaliionen, gegen Erdalkali- oder
wie CO25. Argon, Stickstoff und Sauerstoff unter Wasserstoffionen ausgetauscht. Beispielsweise tauscht
bestimmten, bei industriellen Trennverfahren üblichen man gegen Lithiumionen, Calciumionen, Bariumionen
Druck- und Temperaturbedingungen besser als andere 15 oder Magnesiumionen aus. Durch Entwässerung der
Zeolithe. nach dem obigen Verfahren erhaltenen kristallinen
Das Verfahren zur Herstellung von kristallinem Mordenite erhält man besonders gute Mittel zur
Mordenit durch hydrothermale Behandlung von Trocknung von Gasen und zur Trennung von Gas-
Alkalisilicoaluminaten nach der Erfindung ist dadurch gemischen durch selektive Adsorption,
gekennzeichnet, daß man bei einer Temperatur über ao Ein Vergleich der mit Hilf e von Röntgendiagrammen
200 bis zn 375°C eine wäßrige Suspension eines ermittelten Abstände der Gitterebenen des Produkts
amorphen Alkalisilicoaluminats mit einem Molver- des vorliegenden Verfahrens gemäß Beispiel 1 mit
hältnis von Kieselsäure zu Aluminiumoxyd zwischen natürlichem Mordenit, einem künstlichen Mordenit
9 und 13 und einem Molverhältnis von Alkalioxyd zu gemäß R. M. B a r r e r (Journal of the Chemical
Aluminiumoxyd zwischen 0,5 und 1,6 unter Druck 25 Society, 1948, Bd. II, S. 2158) und einem Mordenit
und in Gegenwart einer solchen Alkalimenge, daß der gemäß American Society for Testing Materials b-0239
Anfangs-pH-Wert zwischen 11 und 13 liegt, behandelt. (1954) zeigt, daß eine gute Übereinstimmung dieser
Vorzugsweise verwendet man dabei ein Alkalisilico- Abstände besteht. Die außerdem ermittelten Werte
aluminat mit einem Molverhältnis von Kieselsäure zu für die Adsorption von Stickstoff und Sauerstoff liegen
Aluminiumoxyd zwischen 10 und 12. 30 ebenfalls im Bereich der Werte für natürlichen Mor-
Nach diesem Verfahren erhält man kristallinen denit. Außerdem zeigen diese Werte, daß man be-
Mordenit, der höchstens mit kleinen Anteilen an sonders gute Ergebnisse erzielt, wenn das Verhältnis
Analcim oder Quarz vermischt ist. Die als Ausgangs- von Kieselsäure zu Aluminiumoxyd bei 10 oder dar-
materialien verwendeten Alkalisilicoaluminate kann über liegt. Schließlich konnte an Hand von Versuchen
man beispielsweise durch Ausfällung aus einer Alkali- 35 festgestellt werden, daß bei Verwendung eines amor-
silicatlösung mit einem Mineralsäuresalz von Alu- phen Alkalisilicoaluminats mit einem Molverhältnis
minium (»A comprehensive treaties on inorganic and von Kieselsäure zu Aluminiumoxyd von 3,3 bis 3,5
theoretical chemistry«, Bd. VI, S. 567) oder gemäß das aus Natriummetasilicat mit einem Molverhältnis
der französischen Patentschrift 1108 122 durch Zugabe von Kieselsäure zu Natrium von etwa 1 erhalten
einer höchstens 2molaren wäßrigen Lösung eines Alkali- 40 wurde, dieses Alkalisilicoaluminat nicht durch hydro-
silicats und einer höchstens lmolaren wäßrigen Lösung thermale Behandlung in Mordenit übergeführt werden
eines Aluminiumsalzes einer Mineralsäure zu einem kann, sondern kristallinen und sehr reinen Analcim
alkalisch gehaltenen, wäßrigen Reaktionsmedium, liefert. Weitere Versuche zur Ermittlung einer Ab-
durch das Reaktionslösungen auf eine höchstens hängigkeit der erforderlichen Behandlungsdauer von
0,lmolare Konzentration verdünnt werden und wobei 45 dem Anfangs-pH-Wert und der Temperatur ergaben,
man ein bevorzugtes Molverhältnis von Kieselsäure daß die Dauer der hydrothermalen Behandlung bei
zu Aluminiumoxyd von mindestens 10 erhält, ge- einer Temperatur von 300° C und einem Druck von
winnen. 87 bar bei pH 11 20 Stunden und bei pH 12,85
Nach dem vorliegenden Verfahren werden die als 7 Stunden beträgt und diese Behandlungszeiten durch
Ausgangsmaterialien verwendeten Alkalisilicoalumi- 50 Erhöhung der Temperatur verkürzt werden können,
nate im Wasser und in Gegenwart einer solchen Beim Arbeiten mit einem konstanten pH-Wert von
Alkalimenge suspendiert, daß der Anfangs-pH-Wert 12,5 benötigt man bei einer Temperatur von 25O0C
zwischen 11 und 13 liegt. Der wäßrige Brei wird und einem Druck von 40 bar eine Behandlungsdauer
dann in einem Autoklav in dem genannten Temperatur- von 24 Stunden, bei einer Temperatur von 34O0C
bereich unter dem entsprechenden Wasserdampfdruck 55 und einem Druck von 150 bar eine Behandlungszeit
behandelt. Die Geschwindigkeit der Mordenitbildung von 4 Stunden. Durch Erhöhung des pH-Werts und
wird durch Erhöhung des pH-Wertes bis zu einer der Temperatur innerhalb der beanspruchten Grenzen
oberen Grenze von 13,3 gesteigert. In der Praxis ist kann also die Behandlungszeit herabgesetzt werden,
es jedoch zweckmäßig, als obere pH-Wert-Grenze Durch eine pH-Werterhöhung über 13,3 erhält man
den Wert 13 zu wählen. Die Reaktionsdauer beträgt 60 Gemische von Mordenit und Analcim, da in diesem
einige Stunden und ist um so kürzer, je höher die Bereich ein Teil des Mordenits in Analcim umgewan-
Temperatur liegt. Die Umsetzung kann nur in Gegen delt wird,
wart der flüssigen wäßrigen Phase stattfinden. Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Er-
Die Adsorption von Stickstoff, beispielsweise bei läuterung der Erfindung.
200C und 1013 Millibar, sowie von Sauerstoff und 65 .
Argon zeigen die Reinheit des nach dem vorliegenden Beispiel 1
Verfahren erhaltenen kristallinen Mordenits. Mit Das der hydrothermalen Behandlung unter Druck
HiKe des Röntgendiagramms wurden nach üblichen zwecks Gewinnung von Mordenit unterzogene SiIi-
coaluminat ist ein solches, wie es in der französischen Patentschrift 1108122 beschrieben ist, wobei das
Verhältnis SiO2/Al2O3 mindestens 10 ist. Diese
Zusammensetzung liegt in Form eines sehr leichten Pulvers, nämlich von 0,29 bis 0,31 kg/1, vor und besteht
aus Teilchen von kleinerem Durchmesser als 1 Mikron. Die prozentuale chemische Zusammensetzung des
wasserfreien Produkts ist folgende:
SiO2 .
Al2O3
Na2O
SO3 ..
Al2O3
Na2O
SO3 ..
74,4
11,6
9,8
2,9
| 6 | Ausgetauschter Mordenit |
|
| Verbindung | Natrium mordenit |
12,1 1 0,16 0,31 |
| SiO2 Al2O3 Na2O Li2O |
12,4 1 0,82 O |
|
ίο
neben kleinen Mengen Verunreinigungen. Die Formel ist:
10,9 SiO2 · Al2O3 · 1,39 Na2O.
Das hydratisierte Produkt enthält ungefähr 10% Wasser. Die Strukturuntersuchung mittels Röntgenstrahlen
an Pulvern ergibt, daß es sich um ein amorphes ao Produkt handelt. Es adsorbiert Stickstoff und Sauerstoff
bei 20°C weniger als 1 cm3 je Gramm.
Die hydrothermale Behandlung wurde in kleinen Autoklaven aus rostfreiem Stahl von 50 cm3 Fassungsvermögen
durchgeführt. Die Autoklaven werden in einem Aluminiumblock mit dichtsitzendem Aluminiumdeckel
durch eine Widerstandsbeheizung des Aluminiumblocks erhitzt. Nachdem der Aluminiumblock
auf die konstante Betriebstemperatur gebracht wurde, wird der Autoklav eingesetzt, worauf nach
20 Minuten das Temperaturgleichgewicht erzielt wird. Die Dauer der hydrothermalen Behandlung wird von
diesem Zeitpunkt ab gerechnet. Die Behandlungsdauer beträgt 15 Stunden bei einer Temperatur von
300 0C, entsprechend einem Druck von 87 bar. Nach
der angegebenen Behandlungszeit werden die Autoklaven dem Heizblock entnommen und rasch unter
einem kalten Wasserstom abgekühlt.
Bei zwei Versuchen wurden 20 g des Silicoaluminats in 100 g destilliertem Wasser dispergiert. Der pH-Wert
der so zubereiteten Suspensionen betrug 12,2. Der pH-Wert einer der beiden Suspensionen wurde mit
Hilfe von Natronlauge auf 12,5 eingestellt. Nach der oben angegebenen Behandlungszeit von 15 Stunden
erhielt man ein gut dekantierbares kristallines Produkt, das bis zur Neutralität der Waschlauge filtriert und
gewaschen wurde. Das trockene Produkt enthielt 9 bis 10% Wasser.
Die Röntgendiagramme ergaben, daß man bei beiden Versuchen praktisch reinen Mordenit erhalten
hatte. Die bei 20°C unter 1013 Millibar adsorbierte Stickstoffmenge betrug bei Normalbedingungen
16,9 cm3 bei dem bei pH 12,3 gewonnenen Mordenit und 16,6 cm3 bei dem bei pH 12,5 gewonnenen
Mordenit.
Natrium-Lithium-Austausch
Man geht von einem gut kristallisierten Natriummordenit aus, der gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde.
Dieser Natriummordenit wird in eine durch Thermostaten auf 20° C gehaltene Kolonne eingesetzt, und
man läßt eine 5normale Lithiumchloridlösung bis zum Gleichgewicht zirkulieren, d. h., bis sich keine
merkliche Veränderung des Natriumgehalts der Austrittslösung feststellen läßt. Nach dieser Eluierung
wird der ausgetauschte Mordenit mit reinem Wasser bis zur völligen Entfernung von Chloriden gewaschen.
Die Stickstoffadsorption am Natriummordenit beträgt 17,1 Ncm3/g bei20°C. Daslithiumhaltige Produkt
adsorbiert bei 2O0C demgegenüber eine um 8 bis 10%
größere Stickstoffmenge.
Natrium-Calcium-Austausch
Dieser Austausch wird in identischer Weise wie im Beispiel 2, jedoch bei einer Temperatur von 95° C
durchgeführt. Man läßt langsam 115normale Calciumchloridlösung
über 200° reinen pulverförmigen Natriummordenit umlaufen, der gemäß des Beispiels 1
erhalten worden ist, und nach der Eluierung entfernt man die Chlorspuren durch Waschen mit reinem
Wasser.
Zusammensetzung
SiO2
Al2O3
Na2O
CaO
Adsorption bei 20° C
unter 1 bar in Ncm3
unter 1 bar in Ncm3
Stickstoff
Sauerstoff
Adsorption bei
-1830C unter
0,544 bar in Ncm3
Sauerstoff
-1830C unter
0,544 bar in Ncm3
Sauerstoff
Na-Mordenit
12,5
1
0,8
1
0,8
17,6
6,5
6,5
107
Ausgetauschter Ca-Mordenit
12,5 1
0,29 0,69
20,5 8,7
114
Das calciumhaltige Produkt zeigt eine höhere Stickstoffadsorption als das natriumhaltige Produkt
bei 20°C und ebenso bei -1830C.
Beispiel 4 Natrium-Magnesium-Austausch
Entsprechend der Arbeitsweise des Beispiels 2 läßt man über 150 g des nach Beispiel 1 hergestellten reinen
pulverförmigen Mordenite eine 5normale Magnesiumchloridlösung umlaufen. Nach beendigtem Austausch
wäscht man mit reinem Wasser bis zur völligen Chloridentfernung. Das Austauschverhältnis beträgt
36%.
Zusammensetzung
SiO2
Al2O3
Na2O
MgO
Na-Mordenit
12,5
1
0,8
1
0,8
Ausgetauschter Mg-Mordenit
11,6 1
0,47 0,26
Adsorption bei 20° C
unter 1 bar in Ncm3
Stickstoff
Adsorption bei
—183 0C unter
0,544 bar in Ncm3
Sauerstoff
—183 0C unter
0,544 bar in Ncm3
Sauerstoff
Mg-Mordenit
17,4
107
Ausgetauschter Na-Mordenit
12
105
Die Affinität des Mordenits für Stickstoff bei 200C
ist am ausgetauschten Wasserstoffmordenit geringer.
Dagegen besitzt der saure Mordenit eine größere Adsorptionsgeschwindigkeit, und die Menge des bei
tiefer Temperatur adsorbierten Gases ist daher höher.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung von kristallinem Mordenit durch hydrothermale Behandlung von
Alkalisilicoaluminaten, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einer Temperatur über
200 bis zu 375° C eine wäßrige Suspension eines amorphen Alkalisilicoaluminats mit einem Molverhältnis
von Kieselsäure zu Aluminiumoxyd zwischen 9 und 13 und einem Molverhältnis von Alkalioxyd zu Aluminiumoxyd zwischen 0,5 und
1,6 unter Druck und in Gegenwart einer solchen Alkalimenge, daß der Anfangs-pH-Wert zwischen
11 und 13 liegt, behandelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Alkalisilicoaluminat mit
einem Molverhältnis von Kieselsäure zu Aluminiumoxyd zwischen 10 und 12 verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Alkalisilicoaluminat
mit einem Molverhältnis von Kieselsäure zu Aluminiumoxyd von mindestens 10 verwendet, das
durch Zugabe einer höchstens 2molaren wäßrigen Lösung eines Alkalisilicats und einer höchstens
lmolaren wäßrigen Lösung eines Aluminiumsalzes einer Mineralsäure zu einem alkalisch gehaltenen,
wäßrigen Reaktionsmedium gewonnen wurde, durch das die Reaktionslösungen auf eine höchstens
0,lmolare Konzentration verdünnt wurden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Natriumionen des kristallinen
Mordenits ganz oder teilweise gegen andere Alkaliionen, gegen Erdalkali- oder Wasserstoffionen
ausgetauscht werden.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1213 628.
Französische Patentschrift Nr. 1213 628.
809 520/652 3.68 © Bundesdruckerei Berlin
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|---|---|---|---|
| FR982465A FR1411753A (fr) | 1964-07-21 | 1964-07-21 | Procédé de fabrication de mordénite cristalline |
Publications (1)
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| DE1264425B true DE1264425B (de) | 1968-03-28 |
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Cited By (1)
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| EP0040104A1 (de) * | 1980-05-14 | 1981-11-18 | Toa Nenryo Kogyo Kabushiki Kaisha | Synthetisches kristallines Aluminosilikat, seine Zusammensetzung und Verfahren zu seiner Herstellung |
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1964
- 1964-07-21 FR FR982465A patent/FR1411753A/fr not_active Expired
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- 1965-07-15 BE BE666949D patent/BE666949A/xx unknown
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|---|---|
| ES315577A1 (es) | 1967-01-16 |
| GB1119962A (en) | 1968-07-17 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |