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ゼオライトとは? ゼオライトの機能
吸着
 ゼオライトには分子レベルの細孔が存在しており、その細孔内に様々な物質を吸着する性質があります。ゼオライトの吸着特性は細孔径の大きさ、結晶骨格のSi/Al比、結晶骨格外のカチオン種によって決まります。

 ゼオライトはゼオライト細孔径より小さい分子を吸着することができ、それより大きい分子はゼオライト細孔内に入ることができないため吸着できません。このように、ゼオライトには細孔径の大きさを利用して分子を分離することができる"分子篩"の特性があります。

細孔径と代表的分子径の関係

 ゼオライトの吸着特性は結晶骨格のSi/Al比によっても変わります。一般的に、Si/Al比が低い(Al原子数が多い)ほど、親水性となり水分吸着量が高くなります。逆に、Si/Al比が高く(Al原子数が少なく)なるに従い疎水性を示します。

ゼオライトの特徴 > シリカ/アルミナ比のコントロールによる高機能性

この親水性はガス・有機溶媒中の微量水分除去プロセス、疎水性は空気中に存在する微量のVOC成分の除去プロセスなどに活かされています。

 ゼオライトの吸着特性はカチオン種によっても大きく変化します。ゼオライト細孔内に入ることができた分子は、カチオンとの静電相互作用(プラスとマイナスで引き付け合う力)によって吸着しています。一般的には、カチオンの大きさが小さく、価数が大きいカチオンほど静電引力が大きくなる性質があり、極性*1が大きい分子ほど、強く、多く吸着することができます。

カチオン種と吸着特性のイメージ
吸着のイメージ図
*1 双極子モーメント、四重極子モーメント、分極率等


吸着した分子は、ゼオライトを減圧・高温条件にすることによって脱着することができます。この性質を活かして、混合物から特定の物質を繰り返して分離、除去することができます。
吸着運転・脱着運転のイメージ
吸着のイメージ図

また、吸着する時には吸着熱が発生するため、この性質を利用して、温感グッズ等にも使用されます。

グレード選定方法・ご提案

イオン交換
 ゼオライトに存在するカチオンが入れ替わります。例えば、Na含有ゼオライトをCa2+を含む水溶液中に投入すると、ゼオライト中のNaイオンが水溶液中に放出され、代わって水溶液中のCa2+イオンがゼオライト中に入ります。
この性質を活かして、溶液中のカチオンを特定種に交換したり、除去することができます。

 Si、Al、Oで構成されるゼオライトの結晶骨格は負に帯電していますが、電気的中性を保つために結晶骨格外にカチオンが存在しています。カチオンは任意に交換できる特性(イオン交換特性)があり、吸着特性、酸・塩基性などの発現に重要な役割を果たしています。

 ゼオライトのイオン交換容量はAl原子数に依存するため、Si/Al比の小さいゼオライトほどイオン交換容量は大きくなります。例えば、ゼオライトの中で最大のAl原子数であるNaA型ゼオライトのイオン交換容量は7.0mmol/gとなります。

 ゼオライトにはカチオンの選択性があり、これは結晶構造によって異なります。具体的なイオン交換平衡データは、"Handbook of Zeolite Science and Technology"(Marcel Dekker, Inc.出版)に詳しく掲載されています。

 ゼオライトのイオン交換特性は、洗剤用ビルダー、農林水産分野、放射性汚染水の浄化、有害重金属イオンの除去などに利用されています。

放射性汚染水の浄化イメージ
放射性汚染水の浄化イメージ

触媒作用
 ゼオライトは、ユニークな固体触媒作用を有しています。
一般に、固体触媒作用は、反応成分を吸着し、そして触媒反応に有利な状態に活性化する機能からなります。ゼオライトは、細孔の中に反応物を吸着することで細孔空間に触媒反応場をつくり出すこと、反応物の活性化に有効な触媒金属種を固定化することに優れている材料です。吸着機能やイオン交換の項で前述のように、ゼオライトは規格化された分子サイズの細孔、及び電荷補償カチオンの静電場効果によってこれらの機能を制御することができ、ゼオライトの種類や組成を目的の触媒反応に応じて選定する必要があります。

 ゼオライトの電荷補償カチオンをプロトン(H+)に変換するか、もしくはアンモニウムイオン(NH4+)に変換して焼成した場合、固体酸触媒機能が発現します(図 ゼオライトの固体酸)。また、多価カチオンでイオン交換したゼオライトも固体酸機能を有します。

ゼオライトの固体酸
ゼオライトの固体酸

ゼオライトの固体酸は、固体酸強度、固体酸量、及びその積で表されるため、ゼオライトの結晶構造や組成(シリカ/アルミナモル比)に依存します。

 石油精製分野のクラッキング触媒は、代表的なゼオライトの固体酸活用例です。FCC(Fluid Catalytic Cracking)プロセスにおいて、ゼオライトは触媒反応効率の改善、触媒量削減に貢献しました。更に、数種類の固体酸ゼオライトを用いることで、より高効率なクラッキング触媒作用を与えることが報告されています。FCC触媒以外にリフォーミング、水素化分解、異性化反応などもゼオライトを固体酸触媒として活用した事例です。

 ゼオライトは、任意の金属カチオンをイオン交換担持させることができます。Cuイオンを交換担持させたゼオライトが特異的に窒素酸化物を吸着、活性化し、更には長い期間安定して窒素と酸素に触媒分解できることが1980年代に国内で見出されました(図 NOx浄化触媒モデル)。この発明を契機にゼオライトを用いた窒素酸化物浄化触媒の研究が精力的に行われています。

 ゼオライトは、触媒活性、触媒寿命、耐熱性、耐久性、吸着被毒などの触媒要件を満足する触媒開発の材料として注目されており、各種発生源で窒素酸化物を高度浄化できる数少ない材料の一つです。

NOx浄化触媒モデル
NOx浄化触媒モデル

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