ゼオライトとは？

ゼオライトは、ギリシャ語の沸騰する石（沸石）を意味しており、天然ゼオライトとして1756年に発見されました。
ゼオライトは結晶性アルミノ珪酸塩の総称であり、構成元素は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｏ、カチオン(陽イオン)で、ＳｉＯ４とＡｌＯ４四面体構造^※を基本としています。それらが複雑に、且つ規則正しく繋がることで、ゼオライトの特徴である、直径が数Å～十数Åの小さな分子とほぼ同じ大きさの細孔が、１次元、２次元又は３次元に規則的に形成されています。その細孔内にはカチオンが存在しており、これらに基づきゼオライトの各種機能が発現されます。ゼオライトの細孔には、その直径より小さな分子のみが進入でき、大きな分子と篩い分けができることから、ゼオライトはモレキュラーシーブ（分子篩）とも呼ばれています。

ゼオライトの化学式では、酸化物の形で表されます。

Ｍｅ２／ＸＯ・Ａｌ２Ｏ３・mＳｉＯ２・n H２O

Ｍｅはゼオライト細孔に存在するＸ価のカチオン(陽イオン)で、他のカチオンと交換可能です。mはシリカアルミナ比と呼ばれ、２～∞の値をとります。２の場合には、Ａｌの個数とＳｉの個数は同一となります。また、５以上のものをハイシリカゼオライトと呼びます。
カチオンを交換することや、シリカアルミナ比を変えることで、目的の機能を得られます。

ゼオライトは、合成ゼオライト、人工ゼオライト、天然ゼオライトに分類されます。このうち東ソーでは高純度の合成ゼオライトを製造しています。

現在、ゼオライトの結晶構造は天然ゼオライト、合成ゼオライト合わせて253種類（2021年4月時点）が確認されています。東ソーでは下記の8つの合成ゼオライトをラインナップしており、目的物質に見合った細孔径、カチオンを有する製品を選択いただけます。

合成ゼオライトは合成した段階では粉末形状です。お客様の用途によっては、ハンドリングのし易さから、バインダー（粘土、シリカ、アルミナ）を混ぜて、成形体(ビーズ、ペレット)として提供しています。
特にハイシリカゼオライト(HSZ®シリーズ)は、これまで粉末品での提供が主でしたが、成形技術を活かし、成形体（ペレット品）での提供を拡充していきます。

ゼオライトは、シリカとアルミナが規則正しく連結してシャープ（均一）な細孔を形成しています。これにより目的物質を極めて高い精度で吸着・除去・分離、また触媒反応生成物を高選択率で得ることができます。

ゼオライトは結晶構造の中に陽イオン（カリウム、ナトリウム、カルシウム等）を有しています。
東ソーのゼオライトは目的にあわせて陽イオンを交換することで、細孔径の大きさや吸着選択性・反応選択性を任意に変化させることができ、吸着物質の絞込みや、触媒反応の制御が可能です。

ゼオライトはシリカとアルミナの結晶体であり、シリカとアルミナの比率をコントロールすることで、同じ結晶構造でも機能や特性を変化させることができます。
東ソーではお客様のご要望に合わせ、親水性や耐熱性また触媒性能（酸強度、酸量）といった特性を変化させたグレードをご用意しています。

ゼオライトは、それ自体が酸化しない扱いやすい不燃物です。このため、様々な可燃性物質との共存下においても、使用することができます。

ゼオライトには分子レベル（サブナノメートル）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、結晶骨格のシリカ/アルミナ比（mol/mol）、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。

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

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。

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。

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、化粧品用温感剤等にも使用されます。
グレード選定方法・ご提案

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、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、シリカ/アルミナ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。

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。

ゼオライトは、ユニークな固体触媒作用を有しています。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。また、均一な分子サイズの細孔、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+)に変換することによって固体酸触媒機能が発現します。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。

化学を知る東ソーだからこそ、化学の幅広い分野へご提案できます。

ゼオライトは、ピュアなガスの精製に役立っています。

ゼオライトの吸着選択性が環境改善に役立っています。

ゼオライトは快適な生活空間作りに貢献しています。

ゼオライトは、自動車社会を支える縁の下の力持ちです。

吸着、イオン交換用途にてゼオライトが使用可能かを判断する場合の一般的なフローは下記のとおりです。

以下に、お客様にてご評価頂く場合の一般的な方法を紹介します。