JP2000178005A - メタンによる二酸化炭素の変換方法 - Google Patents

メタンによる二酸化炭素の変換方法

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JP2000178005A JP10360227A JP36022798A JP2000178005A JP 2000178005 A JP2000178005 A JP 2000178005A JP 10360227 A JP10360227 A JP 10360227A JP 36022798 A JP36022798 A JP 36022798A JP 2000178005 A JP2000178005 A JP 2000178005A
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行徳 畑谷
Yutaka Miyata
豊 宮田
Kinjiro Saito
金次郎 斉藤
Tomohiro Yoshinari
知博 吉成
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 地球温暖化の原因物質となっていて、現在ま
でのところ有用な工業原料とは評価されていない二酸化
炭素を、工業的に有用な一酸化炭素と水素に変換する技
術を提供する。 【解決手段】 希土類金属酸化物、アルカリ土類金属酸
化物、ニッケル、及びロジウム金属又は金属酸化物を有
効成分として担体に担持した触媒に、二酸化炭素及びメ
タンを所定量の比率で含むガスを接触させることで、一
酸化炭素と水素を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、天然ガスの主成分
であるメタンと、地球温暖化の主要な原因物質となって
いる二酸化炭素を用いて、工業的に有用な一酸化炭素と
水素(以下、合成ガスと記す)を製造する方法に関す
る。
【0002】
【技術背景】近年、炭酸ガスは、地球温暖化の主要原因
物質の1つであることから、排出の削減、有効利用が緊
急の課題とされている。このため、炭酸ガスを有効利用
する化学的変換方法が種々検討されている。これらのう
ち、メタンと二酸化炭素から、オレフィン類のヒドロホ
ルミル化反応により、各種有機化合物を合成する際の原
料やFT合成油の原料として有用な、合成ガスを製造す
る方法についても試みられている。この方法に用いられ
る触媒として、通常、VIII族金属が挙げられる。
【0003】しかし、この種の触媒は、担体や活性成分
である金属のシンタリングや、析出する炭素等により、
安定した活性保持が困難という問題がある。長時間活性
を持続させるために高価な貴金属を多量に担持した触媒
(特開平9−75728号公報)は、経済的に不利であ
る。
【0004】また、貴金属と同様にメタンによる二酸化
炭素の変換に対する活性を有する安価なVIII族遷移
金属、中でも高活性なニッケルを担持した触媒は、炭素
析出傾向が強いため、活性低下や反応管の閉塞が起こり
易いという問題がある。このため、アルカリ土類金属等
を添加する方法(特開平5−170403号公報、特開
平9−25101号公報)が示されているが、メタン及
び二酸化炭素転化活性が低下する。
【0005】更に、効率的な合成ガスへの変換を達成す
るためには、高温度条件で使用することが有効とされて
いるため、シンタリングにより触媒寿命が短くなること
が懸念され、耐熱安定性にも優れる触媒開発が望まれ
る。
【0006】
【発明の目的】そこで、本発明は、高価な金属の使用量
が少ないにも拘らず、高い耐熱安定性を有し、かつ炭素
析出が少なく、長時間安定して高い変換性能を持続でき
る触媒を用いて、メタン及び二酸化炭素を含有するガス
から、効率的に一酸化炭素と水素を製造する方法を提供
することを目的とする。
【0007】
【発明の概要】上記目的を達成するために、本発明の二
酸化炭素の変換方法は、メタン及び二酸化炭素を含有す
るガスを触媒に接触させて合成ガス(一酸化炭素と水
素)を製造する方法であって、担体に希土類金属酸化
物、アルカリ土類金属酸化物、ニッケル、及び微量のロ
ジウムを所定量で担持し、希土類金属担持後に1000
〜1100℃で焼成してなる触媒を用いることを特徴と
する。本発明の方法によれば、経済的な不利益を与える
ことなく、長期間効率良く、一酸化炭素及び水素を製造
できる。
【0008】本発明で用いるメタンは、メタン単独、メ
タン含有ガスのいずれでもよい。メタン含有ガスは、例
えば、天然ガス、代替天然ガスが挙げられ、メタンの他
に、エタン、プロパン等の飽和炭化水素;エチレン、プ
ロピレン、ブテン等の不飽和炭化水素;二酸化炭素、微
量の硫化水素、水素、1〜20モル%の一酸化炭素、窒
素、空気、水蒸気等を含んでいてもよい。二酸化炭素
は、どのようなものでもよく、例えば、COを含有す
る天然ガス、火力発電排ガスが挙げられ、COの他
に、メタン、エタン、プロパン等の飽和炭化水素;エチ
レン、プロピレン、ブテン等の不飽和炭化水素;微量の
硫化水素、水素、一酸化炭素、空気、水蒸気等を含んで
いてもよい。
【0009】本発明の原料ガスであるメタン及び二酸化
炭素を含有するガスは、上記のようなメタン又はメタン
含有ガスと、二酸化炭素又は二酸化炭素含有ガスとの混
合ガス、あるいはメタン含有ガスや二酸化炭素含有ガス
中に、二酸化炭素やメタンが所定量で含まれている場合
は、そのままで使用することができる。これらのメタン
及び二酸化炭素を含有するガスにおけるメタン/二酸化
炭素のモル比は、0.05〜25、好ましくは0.1〜
20、より好ましくは0.2〜10が適している。0.
05未満では二酸化炭素量が多くなって水素の生成量が
減少し、25を越えると十分な一酸化炭素生成速度が得
られないばかりか、炭素析出も多くなる。
【0010】また、広範囲の水素/一酸化炭素比を有す
る合成ガスを得るために、原料ガスと共に、水蒸気を同
時に供給することもできる。すなわち、本発明の方法に
おいて、反応系内に、二酸化炭素及びメタンと共に水蒸
気が存在していると、メタンに加え、水蒸気も水素源と
して作用することができるため、水蒸気濃度を調整する
ことにより、各種用途に応じた組成を持つ合成ガスを得
ることができる。水蒸気の供給量は、S/C(水蒸気/
メタンモル比)で、0.1〜3、好ましくは0.5〜
1.5が好適である。0.1未満では水素の生成量が減
少し、3を超えると二酸化炭素の転化率の低下や生産効
率の低下が生じる。
【0011】本発明で用いる触媒の担体は、γ−アルミ
ナやη−アルミナ等の高表面積のアルミナが好適であ
る。このアルミナとしては、アルミナ単独のほか、シリ
カ、ジルコニア、チタニア、ニオビア、結晶性アルミナ
シリケート等の金属酸化物を含むものであってもよい。
【0012】上記担体に担持させる成分(以下、「担持
成分」「活性成分」「活性金属」等と記すこともある)
のうち希土類金属酸化物は、酸化イットリウム、酸化ラ
ンタン等が好ましい。ニッケルに対する希土類金属酸化
物のモル比(希土類金属酸化物/Ni)は、0.01〜
1、好ましくは0.03〜0.3であり、全触媒中の希
土類金属酸化物の担持量は、1〜5質量%、好ましくは
2〜4.5である。希土類金属酸化物/Niモル比が
0.01未満であったり、全触媒中の希土類金属酸化物
担持量が1質量%未満では、希土類金属酸化物の担持効
果が不十分となり、希土類金属酸化物/Niモル比が1
を超えたり、全触媒中の希土類金属酸化物担持量が5質
量%を超えても、その担持効果は飽和する。
【0013】希土類金属酸化物を添加する方法は、特に
制限されず、例えば、含浸法、共沈法、ゾル・ゲル法等
公知の担持方法を用いることができる。例えば、アルミ
ナ成型物を希土類金属塩を含む水溶液に浸漬し、乾燥、
焼成する方法;アルミニウム及び希土類金属塩を含む水
溶液にアンモニウムを加えて沈殿を形成させ、得られた
ゲルを乾燥、焼成する方法;アルミニウムアルコキシド
を希土類金属塩水溶液を用いて加水分解し、沈殿を得、
乾燥、焼成する方法等が挙げられる。このときの焼成温
度は、触媒に高い耐熱安定性を保持させるため、100
0〜1100℃とする。
【0014】担持成分のうちのアルカリ土類金属酸化物
は、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロン
チウム、酸化バリウムが好ましい。ニッケルに対するア
ルカリ土類金属酸化物のモル比(アルカリ土類金属酸化
物/Ni)は、0.3〜20、好ましくは0.3〜3、
より好ましくは0.3〜1とする。0.3未満ではアル
カリ土類金属の担持効果が不十分となり、20を超える
と触媒活性が却って低下する。
【0015】アルカリ土類金属酸化物を担持する方法
は、特に制限されず、例えば、含浸法、共沈法、ゾル・
ゲル法等公知の担持方法を用いることができる。例え
ば、前記の方法で希土類金属酸化物を担持したアルミナ
成型物を、アルカリ土類金属塩を含む水溶液に浸漬し、
乾燥、焼成する方法;アルミニウム、希土類金属塩及び
アルカリ土類金属塩を含む水溶液にアンモニウムを加え
て沈殿を形成させ、得られたゲルを乾燥、焼成する方
法;アルミニウムアルコキシドを希土類金属塩及びアル
カリ土類金属塩を含む水溶液を用いて加水分解し、沈殿
を得、乾燥、焼成する方法等が挙げられる。
【0016】活性成分のうちニッケルとロジウムは、ニ
ッケルに対するロジウムのモル比(Rh/Ni)が0.
005〜0.4、好ましくは0.005〜0.1、より
好ましくは0.01〜0.1となるように担持させる。
0.005未満ではRhの担持効果が小さく、0.4を
超えてもRhの担持効果が飽和して経済的に不利とな
る。ニッケルとロジウムを担持させる方法は、特に制限
されず、例えば、含浸法、共沈法、ゾル・ゲル法等公知
の方法を用いることができる。例えば、前記の方法で希
土類金属酸化物及びアルカリ土類金属酸化物を担持した
アルミナ成型物を、ニッケル塩及びロジウム塩等を含む
水溶液に浸漬し、乾燥、焼成する方法;アルミニウム
(担体)、希土類金属塩、ニッケル及びロジウム塩を含
む水溶液に、アルカリ土類金属水溶液を加えて沈殿を形
成させ、得られたゲルを乾燥、焼成する方法等が挙げら
れる。
【0017】最終的に、触媒中の希土類金属酸化物、ア
ルカリ土類金属酸化物、ニッケル酸化物、及びロジウム
金属又はロジウム酸化物の総担持量が5〜30質量%と
する。5質量%未満では十分な触媒性能が得られず、3
0質量%を超えても期待されるほどの担持効果が得られ
ない。
【0018】本発明の方法では、触媒は還元して用い、
この還元は、還元ガスにより行えばよく、前記のような
触媒の調製工程で(具体的には、焼成工程後に)行って
もよいし、還元前の触媒を本発明の方法を実施する反応
器内に固定し、乾燥後に、反応器内で行ってもよい。還
元ガスとしては、純水素、一酸化炭素、これらを含む混
合ガスを用いることができ、特に水素ガスを用いるのが
好ましい。還元は、メタン及び二酸化炭素を触媒に接触
させるときの反応温度で行うことができるが、担持させ
る活性金属が凝集しないよう100〜180℃程度の低
温で行うこともできる。
【0019】本発明の方法は、以上説明した触媒に、メ
タン及び二酸化炭素を含有するガスを接触させることに
より行われる。このときの反応温度は、下限値が300
〜400℃の範囲、上限値が1000〜900℃の範囲
が好ましい(言い換えれば、300〜1000℃、好ま
しくは400〜900℃が好ましい)。300℃未満で
はメタン及び二酸化炭素の十分な転化率が得られず、1
000℃を超えると、触媒のシンタリングによる活性の
低下が懸念される。反応圧力は、特に制限されず、下限
値は常圧程度、上限値は40〜20気圧程度が適してい
る(言い換えれば、常圧〜40気圧、好ましくは常圧〜
40気圧が適している)。原料ガスの供給速度は、GH
SVで、下限値が500〜5,000h−1の範囲、上
限値が500,000〜300,000h−1の範囲が
適している(言い換えれば、500〜500,000h
−1、好ましくは5,000〜300,000h−1
適している)。500h−1未満では一酸化炭素の生成
速度が小さく、500,000h−1を超えると原料の
転化率が低下する。反応方式は、触媒と原料が効率的に
接触できれば特に制限されず、例えば、固定床、流動
床、移動床が採用できる。
【0020】
【実施例】実施例1 16〜28メッシュに整粒したアルミナ(水沢化学社製
商品名“GB−45”)20gを、純水15mlに硝酸
ランタン6水和物2.8gを溶解した水溶液に60℃で
30分間浸漬後、ロータリエバポレータで蒸発乾固し、
その後110℃で11時間乾燥し、1000℃で3時間
焼成して、酸化ランタンを担持したアルミナ担体を得
た。次いで、この酸化ランタン添加アルミナ担体の全量
を、純水10mlに硝酸マグネシウム6水和物6.7g
を溶解した水溶液に60℃で30分間浸漬後、ロータリ
エバポレータで蒸発乾固し、その後110℃で11時間
乾燥し、900℃で3時間焼成して、酸化マグネシウム
を担持した。続いて、この酸化ランタン及び酸化マグネ
シウム担持アルミナ担体の全量を、純水10mlに硝酸
ニッケル6水和物12.5gと酢酸ロジウム0.35g
とを溶解した水溶液に60℃で30分浸漬後、ロータリ
エバポレータで蒸発乾固し、その後110℃で11時間
乾燥し、900℃で3時間焼成して、酸化ニッケル10
質量%、ロジウム0.5質量%、酸化マグネシウム4.
5質量%、酸化ランタン4.2質量%、及びアルミナ8
0.8質量%からなる触媒Aを得た。触媒AのRh/N
iモル比は0.04、MgO/Niモル比は0.8、L
/Niモル比は0.1である。
【0021】約1gの触媒Aを蒸発皿に秤取り、大気圧
下、空気中、1100℃で24時間の耐熱性試験を実施
した。試験前後の触媒A約0.3gを用いて、比表面積
を窒素吸着法により測定した。結果を表1に示す。
【0022】実施例2 硝酸ランタン担持後の焼成処理を1100℃で1時間と
した以外は実施例1と同様にして、酸化ニッケル10質
量%、ロジウム0.5質量%、酸化マグネシウム4.5
質量%、酸化ランタン4.2質量%、及びアルミナ8
0.8質量%からなる触媒Bを得た。Rh/Niモル比
は0.04、MgO/Niモル比は0.8、La
/Niモル比は0.1である。1gの触媒Bを用い、実
施例1と同様にして耐熱性試験を実施した。結果を表1
に示す。
【0023】実施例3 硝酸ランタン6水和物に代えて、硝酸イットリウム6水
和物を5.7g用いた以外は実施例1と同様にして、酸
化ニッケル10質量%、ロジウム0.5質量%、酸化マ
グネシウム4.5質量%、酸化イットリウム4.2質量
%、及びアルミナ80.8質量%からなる触媒Cを得
た。Rh/Niモル比は0.04、MgO/Niモル比
は0.8、Y/Niモル比は0.14である。1
gの触媒Cを用い、実施例1と同様にして耐熱性試験を
実施した。結果を表1に示す。
【0024】実施例4 硝酸マグネシウム6水和物に代えて、硝酸カルシウム4
水和物を4.4g用いた以外は実施例1と同様にして、
酸化ニッケル10質量%、ロジウム0.5質量%、酸化
カルシウム4.5質量%、酸化ランタン4.2質量%、
及びアルミナ80.8質量%からなる触媒Dを得た。R
h/Niモル比は0.04、CaO/Niモル比は0.
6、La/Niモル比は0.1である。1gの触
媒Dを用い、実施例1と同様にして耐熱性試験を実施し
た。結果を表1に示す。
【0025】実施例5 硝酸マグネシウム6水和物に代えて、無水硝酸ストロン
チウムを2.2g用いた以外は実施例1と同様にして、
酸化ニッケル10質量%、ロジウム0.5質量%、酸化
ストロンチウム4.5質量%、酸化ランタン4.2質量
%、及びアルミナ80.8質量%からなる触媒Eを得
た。Rh/Niモル比は0.04、SrO/Niモル比
は0.3、La/Niモル比は0.1である。1
gの触媒Eを用い、実施例1と同様にして耐熱性試験を
実施した。結果を表1に示す。
【0026】比較例1 担体アルミナを1000℃で3時間焼成し、硝酸ランタ
ンを使用しなかった以外は実施例1と同様にして、酸化
ニッケル10質量%、ロジウム0.5質量%、酸化マグ
ネシウム4.5質量%、アルミナ85.0質量%からな
る触媒Fを得た。Rh/Niモル比は0.04、MgO
/Niモル比は0.8、La/Niモル比は0で
ある。1gの触媒Fを用い、実施例1と同様にして耐熱
性試験を実施した。結果を表1に示す。
【0027】比較例2 硝酸ランタンを使用せず、マグネシウム担持後の焼成温
度を1000℃とした以外は実施例1と同様にして、酸
化ニッケル10質量%、ロジウム0.5質量%、酸化マ
グネシウム4.5質量%、アルミナ85.0質量%から
なる触媒Gを得た。Rh/Niモル比は0.04、Mg
O/Niモル比は0.8、La/Niモル比は0
である。1gの触媒Gを用い、実施例1と同様にして耐
熱性試験を実施した。結果を表1に示す。
【0028】比較例3 ランタン担持後の焼成温度を900℃とした以外は実施
例1と同様にして、酸化ニッケル10質量%、ロジウム
0.5質量%、酸化マグネシウム4.5質量%、酸化ラ
ンタン4.2質量%、及びアルミナ80.8質量%から
なる触媒Hを得た。Rh/Niモル比は0.04、Mg
O/Niモル比は0.8、La/Niモル比は
0.1である。1gの触媒Hを用い、実施例1と同様に
して耐熱性試験を実施した。結果を表1に示す。
【0029】比較例4 ランタン、マグネシウム、ニッケル及びロジウムそれぞ
れの担持後の焼成温度をそれぞれ700℃とした以外は
実施例1と同様にして、酸化ニッケル10質量%、ロジ
ウム0.5質量%、酸化マグネシウム4.5質量%、酸
化ランタン4.2質量%、及びアルミナ80.8質量%
からなる触媒Iを得た。Rh/Niモル比は0.04、
MgO/Niモル比は0.8、La/Niモル比
は0.1である。1gの触媒Iを用い、実施例1と同様
にして耐熱性試験を実施した。結果を表1に示す。
【0030】実施例6〜10 15mgの触媒A(実施例6)、B(実施例7)、C
(実施例8)、D(実施例9)、E(実施例10)を熱
天秤に秤取り、先ず、常圧・水素雰囲気下、900℃で
1時間還元処理を行った。次いで、ヘリウム雰囲気に切
り換え850℃、10気圧の条件とした後、ヘリウム供
給を停止し、メタン/二酸化炭素モル比=1/0.5及
び、水蒸気/メタンモル比=0.5/1となるように、
純水を気化・混合した原料ガス(120ml/min)
を導入し、3時間反応試験を行った。触媒重量の増加量
から炭素析出量を評価すると共に、水素及び一酸化炭素
の生成量を四重極型質量分析計により評価した。水素及
び一酸化炭素の生成量は、下記の比較例5の各ガスの生
成量を基準として、相対的に評価した。結果を表2に示
す。
【0031】比較例5 酢酸ロジウムを使用しなかった以外は実施例1と同様に
して、酸化ニッケル10質量%、酸化マグネシウム4.
5質量%、酸化ランタン4.2質量%、アルミナ81.
3質量%からなる触媒Jを得た。Rh/Niモル比は
0、MgO/Niモル比は0.8、La/Niモ
ル比は0.1である。15mgの触媒Jを用い、実施例
6と同様の評価試験を実施した。結果を表2に示す。
【0032】比較例6 硝酸マグネシウムを使用しなかった以外は実施例1と同
様にして、酸化ニッケル10質量%、ロジウム0.5質
量%、酸化ランタン4.2質量%、アルミナ85.3質
量%からなる触媒Kを得た。Rh/Niモル比は0.0
4、MgO/Niモル比は0、La/Niモル比
は0.1である。15mgの触媒Kを用い、実施例6と
同様にして評価試験を実施した。結果を表2に示す。
【0033】比較例7、8 15mgの触媒F(比較例7)、I(比較例8)を用
い、実施例6と同様にして評価試験を実施した。結果を
表2に示す。
【0034】実施例11〜13 1.5gの触媒A(実施例11)、D(実施例12)、
E(実施例13)をそれぞれ、内径19mmのインコネ
ル製反応管に、層高20mmになるように触媒と同じ粒
度の石英片で希釈して充填し、水素雰囲気下、900℃
で2時間還元処理を行った。次いで、メタン/二酸化炭
素モル比=1/1及び、水蒸気/メタンモル比=1/1
となるように、純水を気化・混合してGHSV210,
000h−1の条件で反応管に導入した。反応温度85
0℃、反応圧力10気圧にて、性能評価を実施した。こ
のときの反応生成ガスを、その中に含まれる水分を除去
した後、ガスクロマトグラフで分析した。結果を表3に
示す。
【0035】比較例9〜11 1.5gの触媒F(比較例9)、H(比較例10)、J
(比較例11)を用い、実施例11と同様にして評価試
験を実施した。結果を表3に示す。
【0036】
【表1】 1)比表面積保持率(%) =〔(試験後比表面積)/(試験前比表面積)〕×100
【0037】
【表2】
【0038】
【表3】
【0039】表1から、本発明の方法に係る触媒A、
B、C、D、Eは、比較触媒F、G、H、Iに比べ、耐
熱安定性が高いことが判る。また、表2、3から、本発
明の方法に係る耐熱安定性の高い触媒は、比較触媒に比
べ、メタンによる二酸化炭素の、一酸化炭素及び水素へ
の高い転化活性を長時間持続でき、更に炭素も析出し難
いことが判る。
【0040】
【発明の効果】本発明の方法によれば、用いる触媒が、
耐熱安定性が高く、かつ炭素が析出し難いばかりか、メ
タンによる二酸化炭素の転化活性が高く、一酸化炭素及
び水素を長期間効率良く得ることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮田 豊 埼玉県幸手市権現堂1134−2 コスモ石油 株式会社研究開発センター内 (72)発明者 斉藤 金次郎 埼玉県幸手市権現堂1134−2 コスモ石油 株式会社研究開発センター内 (72)発明者 吉成 知博 埼玉県幸手市権現堂1134−2 コスモ石油 株式会社研究開発センター内 Fターム(参考) 4G040 EA03 EA05 EC02 EC04 EC05 EC08 4G046 JA02 JA04 JB12 JC06 4G069 AA03 AA15 BA01B BB04A BC08A BC10B BC12B BC17B BC38A BC40B BC42B BC68A BC68B BC71A BC71B CC29 FA02 FB30 FC08

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 担体に、希土類金属酸化物、アルカリ土
    類金属酸化物、ニッケル、及びロジウムを、ニッケルに
    対するロジウムのモル比0.005〜0.4、ニッケル
    に対する希土類金属酸化物のモル比0.01〜1、ニッ
    ケルに対するアルカリ土類金属酸化物のモル比0.3〜
    20で担持させ、 触媒中の希土類金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、
    ニッケル酸化物、及びロジウム金属又はロジウム酸化物
    の総担持量が5〜30質量%であり、 希土類金属担持後に1000〜1100℃で焼成してな
    る触媒に、二酸化炭素とメタンを含有するガスを接触さ
    せることを特徴とするメタンによる二酸化炭素の変換方
    法。
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