JP2013112546A - Method for producing beta-zeolite - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原料としてのベータ型ゼオライトから、Si/Al比が高められたベータ型ゼオライトを製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a beta zeolite with an increased Si / Al ratio from a beta zeolite as a raw material.
ベータ型ゼオライトは、固体酸触媒や吸着剤として有用なものであり、石油化学工業における触媒として、また内燃機関の排気ガス浄化用ハイドロカーボントラップとして、現在世界中で多量に使用されている。ベータ型ゼオライトの合成法は種々提案されている。一般的な方法はテトラエチルアンモニウムイオンを含む化合物を構造規定剤(以下「有機SDA」と略称する。)として用いる方法である。そのような方法は例えば以下の特許文献1に記載されている。しかしながら、テトラエチルアンモニウムイオンを含む化合物は高価である上に、ベータ型ゼオライトの結晶化終了後は過剰分のほとんどが分解してしまい、結晶に取りこまれた分も分解以外の方法で除去できないため、回収して再利用することは不可能である。そのために、この方法により製造したベータ型ゼオライトは高価である。更に、結晶中にテトラエチルアンモニウムイオンが取り込まれるため、吸着剤や触媒として使用する際には焼成により除去する必要がある。その際の排ガスは環境汚染の原因となり、また、合成母液の無害化処理のためにも多くの薬剤を必要とする。このように、テトラエチルアンモニウムイオンを用いるベータ型ゼオライトの合成方法は高価であるばかりでなく、環境負荷の大きい製造方法であることから、有機SDAを用いない製造方法の実現が望まれていた。 Beta-type zeolites are useful as solid acid catalysts and adsorbents, and are currently used in large quantities around the world as catalysts in the petrochemical industry and as hydrocarbon traps for exhaust gas purification of internal combustion engines. Various methods for synthesizing beta zeolite have been proposed. A general method is a method in which a compound containing tetraethylammonium ions is used as a structure directing agent (hereinafter abbreviated as “organic SDA”). Such a method is described in Patent Document 1 below, for example. However, since compounds containing tetraethylammonium ions are expensive and most of the excess is decomposed after the crystallization of the beta-type zeolite is completed, the amount taken into the crystals cannot be removed by any method other than decomposition. It cannot be recovered and reused. Therefore, the beta zeolite produced by this method is expensive. Furthermore, since tetraethylammonium ions are taken into the crystal, it must be removed by calcination when used as an adsorbent or a catalyst. The exhaust gas at that time causes environmental pollution and also requires many chemicals for the detoxification treatment of the synthetic mother liquor. Thus, since the synthesis method of beta-type zeolite using tetraethylammonium ions is not only expensive, but also a production method with a large environmental load, it has been desired to realize a production method that does not use organic SDA.
このような状況の中で、最近、有機SDAを使用しないベータ型ゼオライトの合成方法が特許文献2において提案された。同文献においては、特定の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比が8〜30であり、かつ平均粒子径が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;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、有機SDAを使用せずにベータ型ゼオライトを合成している。 Under such circumstances, Patent Document 2 recently proposed a method for synthesizing beta-type zeolite that does not use organic SDA. In this document, a silica source, an alumina source, an alkali source, and water are mixed so as to be a reaction mixture having a specific composition; the SiO 2 / Al 2 O 3 ratio is 8 to 30 and the average particle size is Beta-type zeolite containing no organic compound having a diameter of 150 nm or more is used as a seed crystal, and this is added to the reaction mixture in a proportion of 0.1 to 20% by mass with respect to the silica component in the reaction mixture; The reaction mixture to which the seed crystals have been added is hermetically heated at 100 to 200 ° C. to synthesize beta-type zeolite without using organic SDA.
ところで、ベータ型ゼオライトを、石油化学工業における触媒として用いる場合や、内燃機関の排気ガス浄化用ハイドロカーボントラップとして用いる場合には、そのSi/Al比を高めることが、性能向上の観点から有利である。ベータ型ゼオライトにおけるSi/Al比を高めるための手法としては、例えば特許文献3に記載されているとおり、水蒸気処理及び酸処理をこの順で行う方法が知られている。 By the way, when using beta-type zeolite as a catalyst in the petrochemical industry or when using it as a hydrocarbon trap for exhaust gas purification of an internal combustion engine, it is advantageous from the viewpoint of performance improvement to increase its Si / Al ratio. is there. As a technique for increasing the Si / Al ratio in beta-type zeolite, for example, as described in Patent Document 3, a method of performing steam treatment and acid treatment in this order is known.
しかし、原料として用いるベータ型ゼオライトの種類によっては、Si/Al比を高めるための手法として、上述の処理を行った場合、ゼオライトの結晶構造が破壊されてしまう場合がある。 However, depending on the type of beta zeolite used as a raw material, when the above-described treatment is performed as a technique for increasing the Si / Al ratio, the crystal structure of the zeolite may be destroyed.
本発明の課題は、前述した従来技術が有する種々の欠点を解消し得るベータ型ゼオライトの製造方法を提供することにある。 The subject of this invention is providing the manufacturing method of the beta type zeolite which can eliminate the various fault which the prior art mentioned above has.
本発明は、原料ベータ型ゼオライトをイオン交換によってアンモニウム型となし、次いで該ベータ型ゼオライトを水蒸気に曝露し、曝露後の該ベータ型ゼオライトを酸処理に付して、Si/Al比が高められたベータ型ゼオライトを得ることを特徴とするベータ型ゼオライトの製造方法を提供することによって、前記の課題を解決したものである。 In the present invention, the raw beta-type zeolite is made into an ammonium type by ion exchange, then the beta-type zeolite is exposed to water vapor, and the exposed beta-type zeolite is subjected to an acid treatment to increase the Si / Al ratio. The above-mentioned problems are solved by providing a method for producing a beta zeolite, which is characterized in that a beta zeolite is obtained.
本発明によれば、ゼオライトの結晶構造を破壊することなく、Si/Al比の高いベータ型ゼオライトを容易に製造することができる。 According to the present invention, a beta zeolite having a high Si / Al ratio can be easily produced without destroying the crystal structure of the zeolite.
本発明の製造方法は、(1)原料ベータ型ゼオライトのイオン交換処理工程、(2)イオン交換された原料ベータ型ゼオライトを水蒸気に曝露する工程、及び(3)水蒸気に曝露された原料ベータ型ゼオライトの酸処理工程の3つの工程を含んでいる。以下、これらの工程についてそれぞれ説明する。 The production method of the present invention includes (1) an ion-exchange treatment step of a raw material beta zeolite, (2) a step of exposing the ion-exchanged raw material beta zeolite to water vapor, and (3) a raw material beta type exposed to water vapor. It includes 3 steps of acid treatment of zeolite. Hereinafter, each of these steps will be described.
(1)原料ベータ型ゼオライトのイオン交換処理工程
原料ベータ型ゼオライトは、一般にナトリウム等のアルカリ金属を含んでいる。アルカリ金属を含むベータ型ゼオライトは、これを石油化学工業における触媒として用いる場合や、内燃機関の排気ガス浄化用ハイドロカーボントラップとして用いる場合に、所期の特性を発揮しにくいので、イオン交換によって除去し、アンモニウム型のベータ型ゼオライトとなす。
(1) Ion exchange treatment process of raw material beta-type zeolite The raw material beta-type zeolite generally contains an alkali metal such as sodium. Beta-type zeolite containing alkali metals is removed by ion exchange because it does not exhibit the desired characteristics when used as a catalyst in the petrochemical industry or as a hydrocarbon trap for exhaust gas purification of internal combustion engines. Thus, an ammonium type beta zeolite is obtained.
イオン交換処理に付す原料ベータ型ゼオライトとしては、例えばSi/Al比が4〜100、好ましくは4〜8、更に好ましくは5〜7である低Si/Al比のものを用いる。低Si/Al比の原料ベータ型ゼオライトを用いることで、本発明の製造方法の効果が顕著なものとなる。 As the raw material beta-type zeolite to be subjected to the ion exchange treatment, for example, a low Si / Al ratio having a Si / Al ratio of 4 to 100, preferably 4 to 8, and more preferably 5 to 7 is used. By using the raw material beta zeolite having a low Si / Al ratio, the effect of the production method of the present invention becomes remarkable.
原料ベータ型ゼオライトとしては、(イ)有機SDAを用いずに合成されたもの(以下「OSDAフリーベータ型ゼオライト」とも言う。)、及び(ロ)有機SDAを用いて合成されたもの(以下「OSDAベータ型ゼオライト」とも言う。)の双方を用いることができる。これら(イ)及び(ロ)のうち、(イ)のベータ型ゼオライトは、従来の手法によってSi/Alを高めると、ゼオライトの結晶構造が破壊されやすいことが、本発明者らの検討の結果判明した。しかし、本発明の方法によって(イ)のベータ型ゼオライトを処理すると、結晶構造の破壊を極力抑えた上で、Si/Alを高めることが可能となった。したがって、(イ)及び(ロ)のうち、(イ)のベータ型ゼオライトを原料として用いると、本発明の特徴が一層際だったものとなる。また、(イ)のベータ型ゼオライトを用いることは、有機SDAを用いないという点で、経済性の観点及び環境負荷の観点からも有利である。 As the raw material beta-type zeolite, (i) those synthesized without using organic SDA (hereinafter also referred to as “OSDA free beta-type zeolite”) and (b) those synthesized using organic SDA (hereinafter “ Both of them are also referred to as “OSDA beta type zeolite”). Of these (a) and (b), the beta zeolite of (a) is likely to break the crystal structure of the zeolite when the Si / Al content is increased by the conventional method. found. However, when the beta-type zeolite (a) is treated by the method of the present invention, Si / Al can be increased while suppressing the destruction of the crystal structure as much as possible. Therefore, among (A) and (B), when the beta zeolite of (A) is used as a raw material, the characteristics of the present invention become more prominent. In addition, the use of the beta zeolite of (A) is advantageous from the viewpoint of economic efficiency and environmental load because it does not use organic SDA.
(イ)のベータ型ゼオライトを用いる場合、該ベータ型ゼオライトの合成方法としては、例えば国際公開2011/013560号パンフレットに記載の方法を採用することができる。また、中国特許出願公開第101249968A号明細書に記載の方法も採用することができる。更に、Chemistry of Materials, Vol.20, No.14, p.4533-4535 (2008)に記載の方法を採用することもできる。 In the case of using the beta zeolite of (A), as a synthesis method of the beta zeolite, for example, a method described in International Publication 2011/013560 pamphlet can be employed. Moreover, the method described in Chinese Patent Application Publication No. 10129968A can also be employed. Furthermore, the method described in Chemistry of Materials, Vol. 20, No. 14, p.4533-4535 (2008) can also be employed.
(イ)のベータ型ゼオライトの合成方法の一例を挙げるならば、以下のとおりである。
(i)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、特に44〜200
Na2O/SiO2=0.22〜0.4、特に0.24〜0.35
H2O/SiO2=10〜50、特に15〜25
(ii)SiO2/Al2O3比が8〜30であり、かつ平均粒子径が150nm以上、特に150〜1000nm、とりわけ200〜600nm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、
(iii)前記種結晶が添加された前記反応混合物を100〜200℃、特に120〜180℃で密閉加熱する。
An example of the synthesis method of (a) beta zeolite is as follows.
(I) A silica source, an alumina source, an alkali source, and water are mixed so as to be a reaction mixture having a composition represented by a molar ratio shown below.
SiO 2 / Al 2 O 3 = 40 to 200, especially 44 to 200
Na 2 O / SiO 2 = 0.22 to 0.4, especially 0.24 to 0.35
H 2 O / SiO 2 = 10-50, especially 15-25
(Ii) Beta-type zeolite not containing an organic compound having a SiO 2 / Al 2 O 3 ratio of 8 to 30 and an average particle diameter of 150 nm or more, particularly 150 to 1000 nm, particularly 200 to 600 nm, as a seed crystal Used, and added to the reaction mixture at a ratio of 0.1 to 20% by mass with respect to the silica component in the reaction mixture,
(Iii) The reaction mixture to which the seed crystal has been added is hermetically heated at 100 to 200 ° C, particularly 120 to 180 ° C.
(ロ)のベータ型ゼオライトは合成によって得てもよく、あるいは市販品を用いてもよい。(ロ)のベータ型ゼオライトを合成するには、例えば水酸化テトラエチルアンモニウム(有機構造規定剤)及び水酸化ナトリウムを含む水溶液に、コロイダルシリカ及び硫酸アルミニウムの水溶液を添加して混合し、オートクレーブ中で100〜200℃の加熱下に1〜10日にわたり反応を行うことで得られる。このようにして得られたベータ型ゼオライトには、その細孔中に水酸化テトラエチルアンモニウムが残存しているので、焼成によってこれを除去する。焼成は、大気雰囲気中で、500〜600℃の加熱下に1〜10時間にわたって行うことができる。 The beta zeolite of (b) may be obtained by synthesis or a commercially available product may be used. To synthesize (b) beta-type zeolite, for example, an aqueous solution containing tetraethylammonium hydroxide (organic structure-directing agent) and sodium hydroxide is added to and mixed with an aqueous solution of colloidal silica and aluminum sulfate. It can be obtained by carrying out the reaction for 1 to 10 days under heating at 100 to 200 ° C. Since the beta-type zeolite thus obtained has tetraethylammonium hydroxide remaining in the pores, it is removed by calcination. Firing can be performed in an air atmosphere under heating at 500 to 600 ° C. for 1 to 10 hours.
原料ベータ型ゼオライトのイオン交換には、アンモニウム化合物が用いられ、特に硝酸アンモニウム、塩化アンモニウム、酢酸アンモニウム、硫酸アンモニウムを用いることが好ましい。硝酸アンモニウム、塩化アンモニウム等のアンモニウム化合物によってイオン交換を行う場合、原料ベータ型ゼオライト10gに対して、アンモニウムイオンの濃度が0.1〜10mol/Lである水溶液を、100〜1000mL、特に400〜600mL添加することが好ましい。イオン交換は、アンモニウムイオンを含む水溶液を加熱した状態下に、又は非加熱の状態下に行うことができる。アンモニウムイオンを含む水溶液を加熱する場合、加熱温度は40〜100℃、特に70〜90℃とすることが好ましい。原料ベータ型ゼオライトを、アンモニウムイオンを含む水溶液に分散させて分散液となし、この状態を所定時間保持してイオン交換を行う。保持時間は1〜48時間、特に12〜24時間とすることが好ましい。分散液は静置状態としてもよく、あるいは撹拌状態としてもよい。 An ammonium compound is used for ion exchange of the raw material beta zeolite, and ammonium nitrate, ammonium chloride, ammonium acetate, and ammonium sulfate are particularly preferably used. When ion exchange is performed with an ammonium compound such as ammonium nitrate or ammonium chloride, 100 to 1000 mL, particularly 400 to 600 mL, of an aqueous solution having an ammonium ion concentration of 0.1 to 10 mol / L is added to 10 g of the raw material beta zeolite. It is preferable to do. Ion exchange can be performed under a heated state of an aqueous solution containing ammonium ions or under a non-heated state. When heating the aqueous solution containing ammonium ions, the heating temperature is preferably 40 to 100 ° C, particularly 70 to 90 ° C. The raw beta zeolite is dispersed in an aqueous solution containing ammonium ions to form a dispersion, and this state is maintained for a predetermined time to perform ion exchange. The holding time is preferably 1 to 48 hours, particularly preferably 12 to 24 hours. The dispersion may be in a stationary state or in a stirred state.
前記分散液を所定時間保持したら、該分散液を濾過し、原料ベータ型ゼオライトを分離し、水洗を行う。必要に応じ、前記のイオン交換処理と水洗との組み合わせを複数回行ってもよい。このようにしてイオン交換処理を行った後、原料ベータ型ゼオライトを乾燥させて、アンモニウム型のベータ型ゼオライトを得る。このアンモニウム型のベータ型ゼオライトは、それよってアルカリ金属イオンの含有量が極めて低減したものとなる。 After holding the dispersion for a predetermined time, the dispersion is filtered to separate the raw beta zeolite and washed with water. If necessary, the combination of the ion exchange treatment and the water washing may be performed a plurality of times. After performing the ion exchange treatment in this way, the raw material beta zeolite is dried to obtain an ammonium beta zeolite. This ammonium-type beta-type zeolite thus has an extremely reduced content of alkali metal ions.
(2)イオン交換された原料ベータ型ゼオライトを水蒸気に曝露する工程
アンモニウム型の原料ベータ型ゼオライトを水蒸気に曝露するには、例えば、水蒸気雰囲気下に原料ベータ型ゼオライトを静置したり、水蒸気流中に原料ベータ型ゼオライトを配置したりすればよい。具体的には、図1に示す装置を用いて、原料ベータ型ゼオライトを水蒸気に曝露することができる。同図に示す装置10は、原料ベータ型ゼオライトが保持された保持管11を有している。保持管11の両端は開口している。下方の端部11aは大気に開放されている。保持管11の上方の端部11bは、水蒸気の流入口となっており、水蒸気の供給源12及び不活性ガスの供給源13と接続している。水蒸気の供給源12は、上方の端部が開口した有底筒体12aからなる。この筒体12a内には不活性ガスのバブリング管12bの一方の端部が挿入されている。バブリング管12bの他方の端部は、不活性ガスの供給源(図示せず)に接続されている。更に、この筒体12a内には水14が入れられている。水面の高さは、有底筒体12a内に挿入されているバブリング管12bの端部の位置よりも高くなっている。保持管11の周囲には加熱手段15が設置されている。加熱手段15は、保持管11内に保持された原料ベータ型ゼオライト及び保持管11内を流通する水蒸気の加熱が可能になっている。不活性ガスの供給源13からアルゴン等の不活性ガスを供給しつつ、水蒸気の供給源12におけるバブリング管12bを通じて不活性ガスをバブリングすることで、所定量の水蒸気が保持管11内に供給される。水蒸気の供給量は、不活性ガスの供給源13及び水蒸気の供給源12における不活性ガスの供給量のバランスで決定される。保持管11内に供給された水蒸気は、原料ベータ型ゼオライトとともに加熱手段15によって加熱される。そして、原料ベータ型ゼオライトは、所定温度に加熱された水蒸気に曝露される。この曝露によって、原料ベータ型ゼオライトを構成するアルミニウム原子が結晶格子内の所定のサイトから脱離し、脱離したサイトにケイ素原子がマイグレーションしてくると考えられる。しかし、水蒸気に曝露した時点では、原料ベータ型ゼオライトにおけるSi/Al比には変化は生じていない。また、原料ベータ型ゼオライトが水蒸気に曝露されることによって、該ゼオライトは、アンモニウム型からプロトン型に変換される。
(2) Step of exposing ion-exchanged raw material beta-type zeolite to water vapor To expose the ammonium-type raw material beta-type zeolite to water vapor, for example, the raw material beta-type zeolite is allowed to stand in a water vapor atmosphere, What is necessary is just to arrange | position raw material beta-type zeolite in it. Specifically, the raw material beta zeolite can be exposed to water vapor using the apparatus shown in FIG. The apparatus 10 shown in the figure has a holding tube 11 in which a raw material beta zeolite is held. Both ends of the holding tube 11 are open. The lower end 11a is open to the atmosphere. An upper end portion 11 b of the holding tube 11 serves as a water vapor inlet, and is connected to a water vapor supply source 12 and an inert gas supply source 13. The water vapor supply source 12 includes a bottomed cylindrical body 12a having an upper end opened. One end of an inert gas bubbling tube 12b is inserted into the cylindrical body 12a. The other end of the bubbling tube 12b is connected to an inert gas supply source (not shown). Further, water 14 is placed in the cylinder 12a. The height of the water surface is higher than the position of the end of the bubbling tube 12b inserted into the bottomed cylindrical body 12a. A heating means 15 is installed around the holding tube 11. The heating means 15 can heat the raw material beta-type zeolite held in the holding tube 11 and water vapor flowing through the holding tube 11. A predetermined amount of water vapor is supplied into the holding tube 11 by bubbling the inert gas through the bubbling tube 12b in the water vapor supply source 12 while supplying an inert gas such as argon from the inert gas supply source 13. The The supply amount of water vapor is determined by the balance of the supply amounts of inert gas in the inert gas supply source 13 and the water vapor supply source 12. The water vapor supplied into the holding tube 11 is heated by the heating means 15 together with the raw material beta zeolite. The raw beta zeolite is exposed to water vapor heated to a predetermined temperature. By this exposure, it is considered that aluminum atoms constituting the raw material beta-type zeolite are desorbed from predetermined sites in the crystal lattice, and silicon atoms migrate to the desorbed sites. However, when exposed to water vapor, there is no change in the Si / Al ratio in the raw material beta zeolite. Moreover, when the raw material beta-type zeolite is exposed to water vapor, the zeolite is converted from an ammonium type to a proton type.
原料ベータ型ゼオライトの曝露に用いられる水蒸気の温度は、150〜1000℃、特に600〜900℃とすることが、ゼオライトの結晶構造の破壊を抑制しつつ、アルミニウムの脱離を促進し得る点から好ましい。同様の理由によって、水蒸気の曝露時間は、水蒸気の温度は上述の範囲内である場合には、1〜48時間、更に1〜24時間、特に12〜24時間であることが好ましい。原料ベータ型ゼオライトと水蒸気とが接触する時点における水蒸気の圧力(分圧)は、保持管11内の下方の端部が開放になっていることから大気圧又はそれ以下になっている。好ましい水蒸気の分圧は1〜101.3kPaである。 The temperature of the water vapor used for the exposure of the raw material beta zeolite is 150 to 1000 ° C., particularly 600 to 900 ° C., because it can promote the desorption of aluminum while suppressing the destruction of the crystal structure of the zeolite. preferable. For the same reason, the exposure time of water vapor is preferably 1 to 48 hours, more preferably 1 to 24 hours, particularly 12 to 24 hours when the temperature of the water vapor is within the above-mentioned range. The pressure (partial pressure) of water vapor at the time when the raw material beta zeolite contacts with water vapor is atmospheric pressure or lower because the lower end in the holding tube 11 is open. A preferable partial pressure of water vapor is 1 to 101.3 kPa.
(3)水蒸気に曝露された原料ベータ型ゼオライトの酸処理工程
水蒸気に曝露された原料ベータ型ゼオライトは、酸処理に付され、それによってベータ型ゼオライトからの脱アルミニウムが生じる。酸処理に用いられる酸としては、各種の鉱酸を用いることが好ましい。例えば硝酸、硫酸及び塩酸などを用いることができる。酸処理を行うときの酸の濃度が高いほど、脱アルミニウム化が進行してベータ型ゼオライトのSi/Al比が高くなる。したがって、所望のSi/Al比を有するベータ型ゼオライトを得るためには、酸の濃度を調整することが簡便である。この観点から、酸の濃度は、使用する酸の種類により異なるが、多くの場合、0.1〜100質量%、特に0.1〜60質量%であることが好ましい。例えば、鉱酸として硝酸を用いる場合、硝酸濃度は、0.1〜70質量%、特に0.5〜5質量%であることが好ましい。なお、酸の濃度が高ければ脱アルミニウム化が進行することは、上述のとおりであるところ、それに伴いゼオライトの結晶構造の破壊が起こりやすい。特に原料としてOSDAフリーベータ型ゼオライトを用いた場合には、結晶構造の破壊が起こりやすい。しかし本発明においては、酸処理に先立ち、上述の水蒸気曝露処理を行っていることに起因して、OSDAフリーベータ型ゼオライトを原料として用い、高濃度の酸で処理を行った場合であっても、ゼオライトの結晶構造の破壊が起こりにくくなっている。
(3) Acid treatment step of raw material beta zeolite exposed to water vapor The raw material beta zeolite exposed to water vapor is subjected to acid treatment, thereby causing dealumination from the beta zeolite. As the acid used for the acid treatment, various mineral acids are preferably used. For example, nitric acid, sulfuric acid and hydrochloric acid can be used. The higher the acid concentration during the acid treatment, the more dealumination takes place and the higher the Si / Al ratio of the beta zeolite. Accordingly, in order to obtain a beta zeolite having a desired Si / Al ratio, it is easy to adjust the acid concentration. From this viewpoint, the concentration of the acid varies depending on the type of acid used, but in many cases, it is preferably 0.1 to 100% by mass, particularly preferably 0.1 to 60% by mass. For example, when nitric acid is used as the mineral acid, the nitric acid concentration is preferably 0.1 to 70% by mass, particularly 0.5 to 5% by mass. As described above, the dealumination proceeds when the acid concentration is high. As a result, the crystal structure of the zeolite is easily destroyed. In particular, when OSDA free beta zeolite is used as a raw material, the crystal structure is easily broken. However, in the present invention, even when the treatment with the high-concentration acid is performed using OSDA free beta zeolite as a raw material due to the above-mentioned water vapor exposure treatment prior to the acid treatment. The crystal structure of zeolite is less likely to break.
酸処理における酸の量は、原料ベータ型ゼオライト1g当たり、上述の濃度の酸を10〜500mL、特に100〜200mL用いることが、効率的な脱アルミニウム化が生じる点から好ましい。酸処理は、加熱下に行ってもよく、あるいは非加熱下に行ってもよい。加熱下に酸処理を行う場合、酸の温度は40〜100℃、特に70〜90℃に設定することが、効率的な脱アルミニウム化の点から好ましい。また、酸処理を加熱下に行う場合には、酸を環流させた状態にしてもよい。酸処理の時間は、酸の濃度及び温度が上述した範囲である場合、1〜24時間、特に2〜12時間とすることが、ゼオライトの結晶構造の破壊を抑制しつつ、効率的な脱アルミニウム化を行う点から好ましい。 The amount of acid in the acid treatment is preferably 10 to 500 mL, particularly 100 to 200 mL of the acid having the above-mentioned concentration per 1 g of the raw beta-type zeolite because efficient dealumination occurs. The acid treatment may be performed under heating or may be performed under non-heating. When the acid treatment is carried out under heating, the acid temperature is preferably set to 40 to 100 ° C, particularly 70 to 90 ° C, from the viewpoint of efficient dealumination. In addition, when the acid treatment is performed under heating, the acid may be refluxed. When the acid treatment time and the acid concentration are in the above-mentioned ranges, the acid treatment time is 1 to 24 hours, particularly 2 to 12 hours. It is preferable from the point of carrying out.
酸処理が完了したら固液分離を行い、濾別されたベータ型ゼオライトを1回又は複数回水洗し、その後乾燥させる。このようにして、原料ベータ型ゼオライトよりもSi/Al比が高められたベータ型ゼオライトが得られる。このベータ型ゼオライトは、先に述べたとおりプロトン型のものに変換されている。 When the acid treatment is completed, solid-liquid separation is performed, and the filtered beta zeolite is washed with water one or more times and then dried. In this way, a beta zeolite having a higher Si / Al ratio than the raw beta zeolite is obtained. This beta zeolite has been converted to a proton type as described above.
このようにしてSi/Al比が高められたベータ型ゼオライトが得られる。このベータ型ゼオライトにおけるSi/Al比は、5以上、好ましくは15以上、更に好ましくは15〜200、一層好ましくは40〜100という高い値になっている。このような高いSi/Al比でありながらも、本製造方法で得られたベータ型ゼオライトは、該ゼオライトの結晶構造が維持されたものになっている。 In this way, a beta zeolite with an increased Si / Al ratio is obtained. The Si / Al ratio in the beta zeolite is a high value of 5 or more, preferably 15 or more, more preferably 15 to 200, and even more preferably 40 to 100. In spite of such a high Si / Al ratio, the beta zeolite obtained by this production method maintains the crystal structure of the zeolite.
本製造方法で得られたベータ型ゼオライトは、固体酸触媒や吸着剤として有望であり、例えば石油化学工業における長鎖炭化水素(例えばヘキサン)のクラッキング触媒、ガソリンエンジン及びディーゼルエンジン等の各種内燃機関の排気ガス浄化用ハイドロカーボントラップとして特に有望なものである。 The beta-type zeolite obtained by this production method is promising as a solid acid catalyst or an adsorbent. For example, a long-chain hydrocarbon (for example, hexane) cracking catalyst in the petrochemical industry, various internal combustion engines such as a gasoline engine and a diesel engine. It is especially promising as a hydrocarbon trap for exhaust gas purification.
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。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to such examples. Unless otherwise specified, “%” means “mass%”.
〔実施例1〕
(1)種結晶の合成
水酸化テトラエチルアンモニウムを有機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。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。この有機物を含まないベータ型ゼオライトの結晶を、種結晶として使用した。
[Example 1]
(1) Synthesis of Seed Crystal Using tetraethylammonium hydroxide as organic SDA, sodium aluminate as an alumina source, and finely powdered silica (Mizukasil P707) as a silica source by a conventionally known method, stirring and heating at 165 ° C. for 96 hours Thus, a beta zeolite having a SiO 2 / Al 2 O 3 ratio of 24.0 was synthesized. This was baked at 550 ° C. for 10 hours while circulating air in an electric furnace to produce a crystal containing no organic matter. As a result of observing this crystal with a scanning electron microscope, the average particle size was 280 nm. The crystals of beta zeolite that do not contain organic substances were used as seed crystals.
(2)OSDAフリーベータ型ゼオライトの合成
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を溶解した。微粉状シリカ(Cab−O−sil、M−5)2.024gと、前記の種結晶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、反応混合物を得た。この反応混合物におけるSiO2/Al2O3比は70、Na2O/SiO2比は0.3、H2O/SiO2比は20であった。この反応混合物を60mL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34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。この生成物についてX線回折測定を行ったところ、不純物を含まないベータ型ゼオライトであることが確認された。組成分析の結果、そのSi/Alは6.4であった。
(2) Synthesis of OSDA-free beta zeolite 0.235 g of sodium aluminate and 1.828 g of 36% sodium hydroxide were dissolved in 13.9 g of pure water. A mixture of 2.024 g of finely divided silica (Cab-O-sil, M-5) and 0.202 g of the seed crystal was added to the aqueous solution little by little and mixed by stirring to obtain a reaction mixture. . In this reaction mixture, the SiO 2 / Al 2 O 3 ratio was 70, the Na 2 O / SiO 2 ratio was 0.3, and the H 2 O / SiO 2 ratio was 20. This reaction mixture was placed in a 60 mL stainless steel airtight container and left to stand at 140 ° C. for 34 hours under autogenous pressure without aging and stirring. After cooling the sealed container, the product was filtered and washed with warm water to obtain a white powder. When this product was subjected to X-ray diffraction measurement, it was confirmed to be a beta zeolite containing no impurities. As a result of the compositional analysis, the Si / Al was 6.4.
(3)イオン交換処理
得られたOSDAフリーベータ型ゼオライトを原料として用い、これを硝酸アンモニウム水溶液中に分散させた。OSDAフリーベータ型ゼオライトと硝酸アンモニウムと水との質量比は1:2:50とした。この分散液を80℃に加熱した状態下に24時間にわたって静置してイオン交換を行った。その後、濾過を行い、ベータ型ゼオライトを濾別した。イオン交換及び濾過の操作をもう一度繰り返した後、水洗して80℃で乾燥して、アンモニウム型のベータ型ゼオライトを得た。
(3) Ion exchange treatment The obtained OSDA-free beta zeolite was used as a raw material and dispersed in an aqueous ammonium nitrate solution. The mass ratio of OSDA free beta zeolite, ammonium nitrate, and water was 1: 2: 50. The dispersion was allowed to stand for 24 hours under heating at 80 ° C. for ion exchange. Thereafter, filtration was performed to separate the beta zeolite. The ion exchange and filtration operations were repeated once more, then washed with water and dried at 80 ° C. to obtain an ammonium type beta zeolite.
(4)水蒸気による曝露
アンモニウム型のベータ型ゼオライトを図1に示す装置に充填した。充填量は1gとした。同図に示す加熱手段15によって700℃に加熱した状態下に、アルゴン−水蒸気の混合ガスを24時間にわたって連続して流通させた。水蒸気の分圧は12.2kPaとした。水蒸気による曝露で、ベータ型ゼオライトはアンモニウム型からプロトン型に変換された。
(4) Exposure to Water Vapor Ammonium type beta zeolite was filled in the apparatus shown in FIG. The filling amount was 1 g. A mixed gas of argon-water vapor was continuously circulated for 24 hours under the state of being heated to 700 ° C. by the heating means 15 shown in FIG. The partial pressure of water vapor was 12.2 kPa. Upon exposure to water vapor, the beta zeolite was converted from ammonium to proton form.
(5)酸処理
水蒸気曝露後のベータ型ゼオライトを、0.1mol/Lの硝酸水溶液で酸処理した。硝酸水溶液の温度は80℃とした。硝酸水溶液は、ベータ型ゼオライト1gに対して10mL添加した。マグネチックスターラーで液を撹拌しながら2時間にわたって処理を行った。このようにして、目的とするベータ型ゼオライトを得た。得られたベータ型ゼオライトのX線回折図を図2に示す。また、元素分析から求めたSi/Al比を同図中に記載した。
(5) Acid treatment Beta-type zeolite after exposure to water vapor was acid-treated with a 0.1 mol / L nitric acid aqueous solution. The temperature of the aqueous nitric acid solution was 80 ° C. 10 mL of nitric acid aqueous solution was added to 1 g of beta zeolite. The treatment was carried out for 2 hours while stirring the liquid with a magnetic stirrer. In this way, the intended beta zeolite was obtained. The X-ray diffraction pattern of the obtained beta zeolite is shown in FIG. Moreover, Si / Al ratio calculated | required from the elemental analysis was described in the figure.
〔実施例2ないし5〕
実施例1において、酸処理に用いた硝酸水溶液の濃度を0.5mol/L(実施例2)、1.0mol/L(実施例3)、2.0mol/L(実施例4)及び8.0mol/L(実施例5)とした。これ以外は実施例1と同様にして、Si/Al比が高められたベータ型ゼオライトを得た。得られたベータ型ゼオライトのX線回折図を図2に示す。また、元素分析から求めたSi/Al比を同図中に記載した。
[Examples 2 to 5]
In Example 1, the concentration of the aqueous nitric acid solution used for the acid treatment was 0.5 mol / L (Example 2), 1.0 mol / L (Example 3), 2.0 mol / L (Example 4), and 8. It was set to 0 mol / L (Example 5). Except this, it carried out similarly to Example 1, and obtained the beta type zeolite by which Si / Al ratio was raised. The X-ray diffraction pattern of the obtained beta zeolite is shown in FIG. Moreover, Si / Al ratio calculated | required from the elemental analysis was described in the figure.
〔実施例6〕
(1)OSDAベータ型ゼオライトの合成
水酸化テトラエチルアンモニウム(OSDA)及び水酸化ナトリウムを含む水溶液を室温下に撹拌し、そこにコロイダルシリカを添加した。コロイダルシリカとしては、Ludox HS-40(シリカ分40%)を用いた。コロイダルシリカを添加してから30分間にわたり撹拌を行った後、硫酸アルミニウム水溶液を添加し、更に30分間にわたり撹拌を行い、ゲルを得た。このゲルの組成は、SiO21モルに対して、Al2O3が0.033モル、水酸化ナトリウムが0.24モル、水酸化テトラエチルアンモニウムが0.50モル、水が20モルであった。このゲルをオートクレーブ中に入れて、150℃に加熱した状態下に7日間にわたり反応を行った。このようにしてベータ型ゼオライトを得た。このゼオライトを、大気雰囲気下に550℃で6時間にわたり加熱して、OSDAである水酸化テトラエチルアンモニウムを分解除去した。この生成物についてX線回折測定を行ったところ、不純物を含まないベータ型ゼオライトであることが確認された。組成分析の結果、そのSi/Alは13.1であった。
Example 6
(1) Synthesis of OSDA beta-type zeolite An aqueous solution containing tetraethylammonium hydroxide (OSDA) and sodium hydroxide was stirred at room temperature, and colloidal silica was added thereto. As colloidal silica, Ludox HS-40 (silica content 40%) was used. After adding colloidal silica, stirring was performed for 30 minutes, and then an aqueous aluminum sulfate solution was added, and stirring was further performed for 30 minutes to obtain a gel. The composition of this gel was 0.033 mol of Al 2 O 3 , 0.24 mol of sodium hydroxide, 0.50 mol of tetraethylammonium hydroxide, and 20 mol of water with respect to 1 mol of SiO 2 . . This gel was placed in an autoclave and reacted for 7 days under the condition of being heated to 150 ° C. In this way, a beta zeolite was obtained. This zeolite was heated at 550 ° C. for 6 hours in an air atmosphere to decompose and remove OSDA, tetraethylammonium hydroxide. When this product was subjected to X-ray diffraction measurement, it was confirmed to be a beta zeolite containing no impurities. As a result of the compositional analysis, the Si / Al was 13.1.
(2)イオン交換、水蒸気曝露及び酸処理
実施例1と同様の条件で、イオン交換、水蒸気曝露及び酸処理を行った。このようにして、目的とするベータ型ゼオライトを得た。得られたベータ型ゼオライトのX線回折図を図3に示す。また、元素分析から求めたSi/Al比を同図中に記載した。
(2) Ion exchange, water vapor exposure, and acid treatment Under the same conditions as in Example 1, ion exchange, water vapor exposure, and acid treatment were performed. In this way, the intended beta zeolite was obtained. The X-ray diffraction pattern of the obtained beta zeolite is shown in FIG. Moreover, Si / Al ratio calculated | required from the elemental analysis was described in the figure.
〔実施例7ないし10〕
実施例6において、酸処理に用いた硝酸水溶液の濃度を0.5mol/L(実施例7)、1.0mol/L(実施例8)、2.0mol/L(実施例9)及び8.0mol/L(実施例10)とした。これ以外は実施例6と同様にして、Si/Al比が高められたベータ型ゼオライトを得た。得られたベータ型ゼオライトのX線回折図を図3に示す。また、元素分析から求めたSi/Al比を同図中に記載した。
[Examples 7 to 10]
In Example 6, the concentration of the aqueous nitric acid solution used for the acid treatment was 0.5 mol / L (Example 7), 1.0 mol / L (Example 8), 2.0 mol / L (Example 9) and 8. It was set to 0 mol / L (Example 10). Except this, it carried out similarly to Example 6, and obtained the beta type zeolite by which Si / Al ratio was raised. The X-ray diffraction pattern of the obtained beta zeolite is shown in FIG. Moreover, Si / Al ratio calculated | required from the elemental analysis was described in the figure.
〔比較例1〕
実施例1において、イオン交換及び水蒸気曝露まで行い、かつ酸処理を行わずにベータ型ゼオライトを得た。得られたベータ型ゼオライトのX線回折図を図4に示す。また、元素分析から求めたSi/Al比を同図中に記載した。
[Comparative Example 1]
In Example 1, beta-type zeolite was obtained without ion treatment and ion exchange and water vapor exposure. The X-ray diffraction pattern of the obtained beta zeolite is shown in FIG. Moreover, Si / Al ratio calculated | required from the elemental analysis was described in the figure.
〔比較例2〕
実施例1において、イオン交換及び水蒸気曝露は行わず、酸処理のみを行ってベータ型ゼオライトを得た。得られたベータ型ゼオライトのX線回折図を図4に示す。また、元素分析から求めたSi/Al比を同図中に記載した。
[Comparative Example 2]
In Example 1, ion exchange and water vapor exposure were not performed, and only acid treatment was performed to obtain a beta zeolite. The X-ray diffraction pattern of the obtained beta zeolite is shown in FIG. Moreover, Si / Al ratio calculated | required from the elemental analysis was described in the figure.
図2及び図3に示す結果から明らかなとおり、本発明の方法によって得られたベータ型ゼオライトは、該ゼオライトの結晶構造を維持しつつ、Si/Al比が高められたものであることが判る。これに対して、OSDAフリーベータ型ゼオライトを原料として用い、かつ酸処理を行わずに得られた比較例1のベータ型ゼオライトは、該ゼオライトの結晶構造は維持しているものの、Si/Al比の向上はみられなかった。また、OSDAフリーベータ型ゼオライトを原料として用い、かつイオン交換及び水蒸気曝露を行わず、酸処理のみを行って得られた比較例2のベータ型ゼオライトは、Si/Al比は高められているものの、該ゼオライトの結晶構造が破壊されていることが判る。 As is apparent from the results shown in FIGS. 2 and 3, it can be seen that the beta zeolite obtained by the method of the present invention has an increased Si / Al ratio while maintaining the crystal structure of the zeolite. . On the other hand, the beta zeolite of Comparative Example 1 obtained using OSDA-free beta zeolite as a raw material and not subjected to acid treatment maintains the crystal structure of the zeolite, but has a Si / Al ratio. There was no improvement. In addition, the beta zeolite of Comparative Example 2 obtained by using only OSD, using OSDA-free beta zeolite as a raw material, without performing ion exchange and water vapor exposure, has an increased Si / Al ratio. It can be seen that the crystal structure of the zeolite is destroyed.
〔実施例11及び12〕
実施例2及び7で得られたベータ型ゼオライトについて、ヘキサンのクラッキング反応における触媒活性を以下の手順で評価した。
触媒活性の評価に先立ち、粉末状のベータ型ゼオライトを成型・整粒した。具体的には、ベータ型ゼオライト粉末1〜2gを、内径20mmの錠剤成型器に詰めたのち、油圧プレスにて0.4MPaで加圧成型し、径が20mmのペレットを得た。このペレットをふるいの上で適度に粉砕し、500〜600μmに整粒してこれを触媒として用いた。
Examples 11 and 12
For the beta zeolite obtained in Examples 2 and 7, the catalytic activity in the hexane cracking reaction was evaluated by the following procedure.
Prior to the evaluation of the catalytic activity, powdered beta zeolite was molded and sized. Specifically, 1 to 2 g of beta-type zeolite powder was packed in a tablet molding machine having an inner diameter of 20 mm, and then press-molded at 0.4 MPa with a hydraulic press to obtain pellets having a diameter of 20 mm. The pellets were appropriately pulverized on a sieve and sized to 500 to 600 μm and used as a catalyst.
本実施例における触媒反応は固定床常圧流通反応装置を用いて行った。装置の概略図を図5に示す。反応物であるヘキサンはシリンジポンプを用いてシリンジから供給し、キャリアガスである窒素(1%)−アルゴン混合ガスに導入した。シリンジポンプから供給されたヘキサンは、あらかじめ加熱した気化室に導入されるため蒸発して気体となり、この気体をキャリアガスに同伴した。反応装置のガスラインには内径2mmのステンレスパイプを用いて、ヒーターで外側から適温に加熱することで気化したヘキサンの凝縮を防いだ。反応管は内径8mmの石英管を用い、これに、先に整粒したベータ型ゼオライトト触媒を100mg詰め、石英ウールで触媒層を反応管中央部に保持した。反応前処理として、空気流通下で約7℃/minの昇温速度で650℃まで昇温し、この雰囲気で1時間保持した。その後、ヘリウム流通に切り替えてから5℃/minで450℃まで反応管温度を下げた。450℃で安定したのを確認してから、ヘキサンを同伴したメタン−ヘリウム混合ガスを触媒層に供給し、触媒反応を開始した。ヘキサンの分圧は5.0kPaであった。反応開始から5分経過後に六方バルブを切り替えて、サンプリングループに溜めた反応後の生成物をガスクロマトグラフへ導入し、キャピラリーカラムで分離後、水素炎検出器(FID)にて各生成物・未反応物の定性・定量を行った。所定時間(70分)経過後、触媒層へのヘキサンの供給をやめ、ヘリウム流通に切り替えた。その後で、1〜2℃/minで500℃まで昇温して温度が安定したところで、再びヘキサンを供給し、触媒反応を行った。同様の操作を550及び600℃でも続けて行った。触媒反応時のW/Fはいずれの反応温度でも、19.8g−catalyst h(mol−hexane)-1とした。600℃での触媒反応を停止した後には、ヘリウム流通下で自然放冷した。結果を、以下の表1に示す。各生成物への選択率はカーボンベース(炭素原子換算)で求めた。プロピレン(C3=)収率は、「転化率×プロピレン(C3=)への選択率」から求めた。なお、反応温度は、固定床常圧流通反応装置の石英製反応管を外側から加熱するように設置したヒーターと、反応管との間で測定したものである。 The catalytic reaction in this example was performed using a fixed bed normal pressure flow reactor. A schematic diagram of the apparatus is shown in FIG. Hexane as a reactant was supplied from a syringe using a syringe pump and introduced into a nitrogen (1%)-argon mixed gas as a carrier gas. Hexane supplied from the syringe pump was evaporated into gas because it was introduced into the preheated vaporization chamber, and this gas was accompanied by the carrier gas. A stainless steel pipe with an inner diameter of 2 mm was used for the gas line of the reactor, and the condensation of vaporized hexane was prevented by heating from the outside to an appropriate temperature with a heater. As the reaction tube, a quartz tube having an inner diameter of 8 mm was used, and 100 mg of the previously sized beta-type zeolitic catalyst was packed therein, and the catalyst layer was held at the center of the reaction tube with quartz wool. As a pretreatment for the reaction, the temperature was raised to 650 ° C. at a rate of temperature rise of about 7 ° C./min under air flow, and kept in this atmosphere for 1 hour. Then, after switching to helium circulation, the reaction tube temperature was lowered to 450 ° C. at 5 ° C./min. After confirming that it was stable at 450 ° C., a methane-helium mixed gas accompanied by hexane was supplied to the catalyst layer to initiate a catalytic reaction. The partial pressure of hexane was 5.0 kPa. After 5 minutes from the start of the reaction, the hexagonal valve is switched to introduce the reaction product accumulated in the sampling loop into the gas chromatograph, and after separation with a capillary column, each product and unreacted with a flame detector (FID). Qualitative and quantitative analysis of the product was performed. After a predetermined time (70 minutes), the supply of hexane to the catalyst layer was stopped and the helium flow was switched to. Thereafter, when the temperature was stabilized by heating to 500 ° C. at 1 to 2 ° C./min, hexane was supplied again to carry out the catalytic reaction. The same operation was continued at 550 and 600 ° C. The W / F during the catalytic reaction was 19.8 g-catalyst h (mol-hexane) −1 at any reaction temperature. After stopping the catalytic reaction at 600 ° C., it was allowed to cool naturally under helium flow. The results are shown in Table 1 below. The selectivity for each product was determined on a carbon basis (in terms of carbon atoms). The yield of propylene (C 3 =) was determined from “conversion rate × selectivity to propylene (C 3 =)”. In addition, reaction temperature is measured between the heater installed so that the quartz reaction tube of a fixed bed normal pressure flow reaction apparatus may be heated from the outside, and the reaction tube.
表1に示す結果から明らかなように、実施例2及び7で得られたベータ型ゼオライトを触媒として用い、ヘキサンのクラッキングを行うと、化学原料として有用な物質であるC3=(プロピレン)が、高収率で生成することが判る。また、ベータ型ゼオライトの失活が観察されないことも判る。 As is apparent from the results shown in Table 1, when the beta zeolite obtained in Examples 2 and 7 was used as a catalyst and hexane cracking was performed, C 3 = (propylene), a substance useful as a chemical raw material, was obtained. It can be seen that it is produced in high yield. It can also be seen that no deactivation of the beta zeolite is observed.
10 水蒸気曝露装置
11 保持管
12 水蒸気の供給源
13 不活性ガスの供給源
14 水
15 加熱手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Water vapor exposure apparatus 11 Holding pipe 12 Water vapor supply source 13 Inert gas supply source 14 Water 15 Heating means
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Legal Events
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