JP2003519566A - シリカリッチ担体、不均一反応用触媒およびその製造方法 - Google Patents

シリカリッチ担体、不均一反応用触媒およびその製造方法

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グリゴリエビチ マカレンコ,ミハイル
ニコラエビチ パルフェノフ,アナトリイ
グリゴリエフナ シモノバ,リュドミラ
ビクトロビチ トクタレフ,アレクサンドル
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Abstract

(57)【要約】 触媒を製造するために用いられそして他の工学分野において(光ファイバー材料を製造するために、フィルターの製造において等)用いられ得るシリカリッチ担体が開発される。この担体は、請求された物理化学的性質のセットを特徴とする特定構造を有する。すなわち、29Si MAS NMRスペクトルにおいて、ケイ素の状態が、−100±3ppm(ラインQ3)および−110±3ppm(ラインQ4)の化学シフトについてのラインが存在し、0.7から1.2のラインQ3/Q4の積分強度比を有する(図1);IRスペクトルにおいて、波数3620〜3650cm-1および半値幅65〜75cm-1を有するヒドロキシル基の吸収帯がある(図2);担体が、アルゴンの熱脱着からのBET技法により測定される場合の比表面積SAr=0.5〜30m2/gおよびアルカリ滴定技法により測定される場合の比表面積SNa=10〜250m2/g並びにSNa/SAr=5〜30を有する、ということを特徴とする。触媒成分は特定構造を有する該担体のバルク中に組み込まれ、しかしてこれは、焼結および接触毒の作用に対して耐性である高活性触媒をもたらすことになる。触媒成分の組込みについての条件は、高められた温度および高められた圧力である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 技術分野 本発明は、様々な技術分野において用いるための担体、並びに炭化水素の深酸
化(「高度酸化」)(排ガスの中和)、水素化(アセチレン、ニトロベンゼン)
、二酸化硫黄の酸化(硫酸の製造において)、炭化水素の部分酸化(エチレンお
よびプロピレンのエポキシ化)、アンモニアの転化(硝酸およびシアン化水素酸
の製造において)等の方法用の触媒に関する。
【0002】 発明の背景 通常、これらの方法用の触媒は、第2、第3、第4族元素の無定形または結晶
性酸化物である担体、たとえばシリカをベースとした担体上に付着された活性金
属、酸化物または塩であり、しかして該担体は、高い化学および熱安定性、広範
囲内においてそれらの比表面積および細孔構造を制御することが可能であること
並びに様々な形状の製品(粉末、円筒状または球状顆粒、単または多チャネルモ
ノリス、微細繊維から製造された織物または不織材料)を作製することが可能で
あることを特徴とする。
【0003】 担体の最も重要な機能は、付着触媒成分の高活性状態およびこれらの通常高価
な成分の触媒特性の最大完全利用を与えることである。
【0004】 これは、 ・触媒活性物質の最大分散により、および担体の表面にわたってのまたは表面層
中におけるそれらの最適分布により、 ・触媒成分の性能を増大するように触媒成分の化学および電子状態に対する担体
によりもたらされる効果により、 ・触媒反応に参加する物質の良好な物質移動を確実にする最適細孔構造を用いる
ことによって有効性因子を増大することにより、並びにまた、最適形状を有する
担体(リング、多チャネルモノリス、織物および不織材料、ウール、カードボー
ドの形態にて製造された繊維構造体等)を用いることにより 達成される。
【0005】 触媒成分を分散する最も普及している方法は、高い比表面積および十分に高い
活性成分との相互作用(活性成分の粒子の表面拡散および成長を妨げる)を有す
る担体の使用である。高い比表面積を有するシリカ質担体の合成のための種々の
方法、たとえば非常に小さい粒子をもたらす無機および有機ケイ素化合物からの
シリカの加水分解沈殿(R. K. Iler,The Chemistry of Silica,モスクワ,Mir
Publishers,1982,vol.1,2,p.1127)が開発されている。
しかしながら、一般に、高分散担体は、細孔の拡散制限に因り有効性因子を低減
することになる微細孔構造を特徴とする。
【0006】 高い比表面積を有するシリカ質材料をもたらす別の技法は、多成分ケイ酸塩材
料、たとえばシリカガラスからの非シリカ成分の選択的酸抽出である。この酸不
溶性シリカ骨格は、大きい比表面積を有する多孔質系(いわゆる多孔質ガラス)
を形成する(S. P. Zhdanov,Zhurnal VKhO im. Mendeleeva,1989,vol
.34,No.3,pp.298〜307)。比表面積、細孔の大きさおよび容
積の値は、浸出の条件並びに出発ガラスの組成および予備処理(ヘテロ原子分布
の均質性および溶離下での微小不均質域の形成を決定する)に実質的に依存する
。一般に、浸出ガラスにおいて、微細孔および中間細孔構造が形成される(Rpo re <100Å)。慣用担体におけるように、小さい細孔の存在は、有効性因子を
低減し得る。担体の比較的大きい輸送細孔を与えることは、特に細い繊維ガラス
材料が用いられる場合、その機械的強度を実質的に低下し、そしてそれ故特殊な
技法がその製造において必要とされる(米国特許第4933307号,IPC
C03C 11/00,C03C 12/00,1990)。
【0007】 たいていの場合において、最適形状を有する粗く十分に強い非分散担体を用い
ることが好ましいが、しかし担体上の触媒成分の高活性状態を達成するために、
担体の追加改質を行うことが必要である。たとえば、ハニカムモノリスまたはガ
ラス繊維織物材料が用いられそしてそれらに触媒である高分散酸化物の比較的薄
い層が付着され(米国特許第4038214号,IPC B01J 23/86,
B01J 23/84,B01J 35/06,1977)、または貴金属を含め
た一層価値のある触媒成分の付着用の担体として働く(米国特許第555236
0号,IPC B01J 21/04,21/08,1996;米国特許第515
5083号,IPC B01J 21/06,B01J 21/08,1992)
。しかしながら、かかる技法は触媒製造の技法を複雑にし、そして相応的にそれ
を一層高価にする。
【0008】 非改質担体上に付着された触媒成分は、それらの低い初期分散度のみならず、
担体との十分に強くない結合をも特徴とし、しかして十分に強くない結合は、触
媒物質の高い表面移動度の要因となって、操作中にそれらの凝集をもたらし、そ
して、中温度触媒法の場合においてさえ、ガス流による表面の剥離および可能性
としてエントレインメントをもたらす。これは、活性金属がガラス繊維織物担体
上に付着された場合観察された。この不利を除去するために、ロシア国特許第2
069584号(IPC B01J 23/38,23/70,1996)におい
て、合成の初期段階において担体の表面への触媒活性金属の付着性を増大するた
めに、担体の組成が変更される。そうするために、触媒活性金属および/または
それらの酸化物からドーピング添加剤もまた、ケイ素および/またはアルミニウ
ムの酸化物から糸、繊維、織物および不織材料の形態にて製造される担体中に組
み込まれる。ドーピング添加剤は、酸化ケイ素をベースとした溶融物を調製する
ための原料として用いられる。このように作られた担体繊維は更に製織および浸
出操作に付され、そしてその後に触媒成分がこの織物材料の表面上に付着される
【0009】 この方法は、金属のかなりの部分がガラス繊維のバルク中に局在し、そしてそ
の結果として触媒反応において有効的利用がなされず、さらに、組込みの初期段
階において価値ある金属が技術的損失を起こしうる点で不利である。ガラス担体
のバルク中に初期段階において組み込まれたドーピング添加剤は、担体構造の変
化を引き起こしそして触媒性能の要因である或る構造の形成を助ける、と考えら
れ得る。
【0010】 高活性触媒種の形成をもたらす、シリカに富む(「シリカリッチ」)担体の構
造の一つのタイプが、本発明において提案される。
【0011】 発明の開示 本発明の目的は、請求された物理化学的性質のセットを特徴とする特定構造を
有する提案されたシリカリッチ担体を用いることにより、並びに、該構造中に触
媒成分を組み込む方法であって、触媒成分の焼結、凝集、担体からのそれらの剥
離および接触毒の効果に耐性である高分散活性状態での担体の表面下層中におけ
る触媒成分の主分布を確保する方法により、触媒成分を高活性状態にて含むシリ
カリッチ触媒を提供することである。
【0012】 該目的は、触媒を製造するために、酸化ケイ素、及び、シリカを含有しない酸
化物、たとえば酸化アルミニウム、酸化ナトリウムなどを含むシリカリッチ担体
であって、次の物理化学的性質のセット ・29Si MAS NMR(核磁気共鳴)スペクトルにおいて、担体中のケイ素の
状態が、−100±3ppm(ラインQ3)および−110±3ppm(ライン
4)の化学シフトについてのラインが存在し、0.7から1.2のラインQ3
4の積分強度比を有する; ・IR(赤外)スペクトルにおいて、3620〜3650cm-1の波数および6
5〜75cm-1の半値幅を有するヒドロキシル基(OH基)の吸収帯があり、担
体のマトリックス中のヒドロキシル基の含有量が1個のケイ素原子当たり1個の
ヒドロキシル基から2個のケイ素原子当たり1個のヒドロキシル基(OH/Si
=1〜0.5)の範囲にある; ・担体が、アルゴンの熱脱着からのBET技法により測定される場合の比表面積
Ar=0.5〜30m2/gおよびアルカリ滴定技法により測定される場合の比
表面積SNa=10〜250m2/g並びにSNa/SAr=5〜30を有する; ことを特徴とする担体を用いることが提案されることにより成し遂げられる。
【0013】 我々により請求された特徴の組合わせは、触媒成分の高活性状態を確保するこ
との可能な特定構造のシリカ担体に存在することを規定するが、但し、触媒成分
の組込みの請求された条件が観測される。
【0014】 請求された担体の29Si MAS NMRスペクトルにおいて、−100±3p
pm(ラインQ3)および−110±3ppm(ラインQ4)の化学シフトについ
てのライン(図1の試料1、2において)が、0.7から1.2のラインQ3
4の積分強度比でもって存在し、しかしてこれらは、文献データ(Mastikhin V
. M.、Lapina O. B.およびMudrakovsky I. L.,Nuclear Magnetic Resonance in
Heterogeneous Catalysis,ノボシビルスク,Nauka,1992,pp.224
;Engelhardt G.およびMichel D.,High-Resolution Solid-State NMR of Silic
ates and Zeolites,John Wiley & Sons,1987,pp.486)によれば、
ケイ酸塩化合物中のケイ素の次の構造状態を特徴づける。ラインQ4は四面体酸
素環境におけるケイ素原子に関し、その第2配位圏における4個の原子はすべて
ケイ素原子であり、しかしてこれは、シロキサン結合により結合されたケイ素−
酸素四面体からの三次元ポリマー断片に相当する。重合されたケイ素−酸素四面
体が連続的三次元網目構造を形成する慣用シリカのモノリシック小球内で実現さ
れるのは、まさにかかる状態である。
【0015】 第1、第2族のカチオンの低含有率におけるラインQ3は、第1配位圏におい
て1個のOH基を有するケイ素−酸素四面体にのみ相当する。請求された構造の
特定的特徴は0.7ないし1.2の高いQ3/Q4比であり、しかもこの比率にお
いて、ヒドロキシル基(OH基)の含有量は1個のケイ素原子当たり1個のヒド
ロキシル基から2個のケイ素原子当たり1個のヒドロキシル基の範囲にある。O
H基の同様な量は、赤外分光技法により決定される。かかるQ3/Q4比を有する
構造(しかも他の請求された特徴が存在する)は、3〜4個のケイ素−酸素四面
体の薄層が狭い層間空間により分離されている層状モデルにより記載され得る。
界面において、シラノール基SiOHが配置されている(Q3状態)。
【0016】 保護されるシリカリッチ担体および触媒の本明細書において請求された特徴−
シリカリッチ担体のIRスペクトル(図2の試料1、2)における3620〜3
650cm-1の波数および65〜75cm-1の半値幅を有するヒドロキシル基の
吸収帯は、多数のOH基が幾何学的に拘束された状態にあることを示しており、
すなわち、それは上記の構造の狭い層間空間の存在を確認する。
【0017】 層間空間中に組み込まれた触媒活性成分(金属カチオンの形態にて)は、記載
されたシリカリッチ担体マトリックスの強い化学作用を受け、そして担体のこの
作用下で、それらは高い触媒活性を発現するに違いない。しかしながら、拡散制
限が、層間空間中へのカチオンの組込みおよび担体におけるそれらの化学吸着を
遅らせ得る。請求された構造を有する記載された担体中への触媒成分の挿入の増
加は、ケイ素−酸素断片の層が分離されると可能であり、但しこれらの層が十分
に薄く(これは高いQ3/Q4比の特徴である)、かつ多数のOH基が層間空間中
に存在し(これはNMRおよびIR分光測定データにより立証される)、それら
のプロトンがカチオン交換可能である(3620〜3650cm-1の吸収帯)こ
とを条件とする。
【0018】 比較的低い表面積(SAr=0.5〜30m2/g)を有する担体のカチオンを
化学吸着する能力は、我々により請求された第3の特徴により反映される。すな
わち、ナトリウムカチオンの化学吸着から決定される表面積の大きさ(SNa)が
、アルゴンの吸着からのBET技法により決定される場合の比表面積の大きさに
対するSNaの比率(SNa/SAr=5〜30)において、10〜250m2/gで
ある(Searsの方法,1.G. W. Sears,Anal. Chem.,1956,vol.28
,p.1981;2.R. Iler,The Chemistry of Silica,モスクワ,Mir Publ
ishers,1982,vol.2,p.480)。Q3の高率およびOH基の高濃
度においてBET技法により決定される場合の低い比表面積は担体の特定構造を
確認するということも我々は記したく、該構造は最も適切には、層状構造モデル
により記載され得る。すなわち、ケイ素−酸素四面体の薄層が狭い空間と共に断
続的に存在し、しかも該空間において、限定合成条件下で触媒成分のカチオンに
ついてイオン交換可能である多数のヒドロキシル基が局在する。
【0019】 請求されたシリカリッチ担体は、請求された構造を有する担体中に触媒成分を
組み込む条件を改善するために、少なくとも1種の元素周期律表の第Iおよび第
II族の金属および/または酸化物を1重量パーセント以下の量にて含み得る。 提案される担体は、様々なケイ酸塩材料から製造されそして繊維、織物および
不織材料、円筒状および球状顆粒、単および多チャネルチューブの形態を有し得
る。
【0020】 請求された構造は様々なやり方で、たとえば、酸溶液を用いてケイ酸塩材料を
浸出して、ケイ酸塩材料の組成および構造を変更して、そしてまた、用いられる
酸の種類および濃度を変更して、請求された性質を有する構造を生成するような
浸出および引き続く熱処理条件でもって合成され得る。上記の構造を形成する重
要な条件は、次のとおりである。すなわち、 a)ケイ素を含有する出発材料のバルク中におけるヘテロカチオンの均質分布; b)カチオンを抽出する時および/または引き続く化学および熱処理中において
空間の合体がないこと;これは、合成の際に特殊な技法(超音波または磁場の適
用、浸出および引き続く熱処理の際の液体および気体媒体の温度および組成の最
適化、空気圧脈動方式でのまたは磁場および超音波場の使用でもって液相操作を
行うこと)を用いることにより達成される。
【0021】 浸出後の担体は好ましくは60から99.9重量パーセントの酸化ケイ素を含
有し、そして残余はケイ酸塩ガラス組成物についての慣用成分(アルミニウム、
マグネシウム、カルシウム、ホウ素等の酸化物)であり、しかして請求された担
体中のシリカの量は好ましくは70重量パーセントより多い。
【0022】 従って、提案された担体において、請求された特徴の組合わせは特定の緩和さ
れた擬層状構造の存在の証拠となり、そして該構造中に、非均衡の高分散で従っ
て高活性の状態の触媒成分が組み込まれそして安定化され得る。我々に知られた
シリカリッチ材料−シリカゲル(図1の試料4)およびケイ酸塩ガラス(図1、
2の試料3)−において、我々により請求された物理化学的特性の組合わせを有
する構造は存在しない、ということを我々は記したい。
【0023】 提案された担体は不均一反応用の様々な触媒を製造するために用いられ、また
いかなる幾何学的形態(繊維、織物および不織材料、円筒状および球状顆粒、単
および多シャネルチューブ)をも有し得る。
【0024】 白金、ロジウム、イリジウム、銀、ジルコニウム、クロム、コバルト、ニッケ
ル、マンガン、銅、スズ、金、チタン、鉄、モリブデンおよび/またはそれらの
酸化物を含む群からの触媒成分を2重量パーセント以下(金属に基づいて)の量
にて用いて、これまで知られた触媒の活性を越える活性を有する触媒を我々は得
た。
【0025】 活性成分として、白金族金属を用いることが好ましく、しかしてこれらの金属
は、少量の活性成分でもって高活性触媒を製造することを可能にする。
【0026】 請求された担体に基づいて、触媒成分として少量の金属および/またはそれら
の酸化物を含有するある範囲の高有効性シリカリッチ触媒を我々は提案するが、
これらの触媒は多くの化学的方法(メタン、プロパン、ブタン、アンモニア、二
酸化硫黄の酸化;植物油の水素化;芳香族化合物の水素化)において用いるため
に非常に有望であり、公知の触媒より高い活性を示す。
【0027】 活性成分として、白金、パラジウム、マンガン、ニッケル、コバルト、クロム
を含む群から選択された少なくとも1種の金属および/またはそれらの酸化物を
0.01〜1.5重量パーセントの量にて含有する提案された触媒は、炭化水素
の高度酸化の方法において高い活性を有する。
【0028】 活性化合物として、少なくとも1種の白金族金属および/またはそれらの酸化
物を0.05〜1.0重量パーセント(金属に基づいて)の量にて含有する触媒
は、二酸化硫黄の三酸化硫黄への高い転化率を示す。
【0029】 炭化水素のアルキル化の場合、ジルコニウムを2重量パーセント以下(金属に
基づいて)の量にて含有する触媒が用いられる。
【0030】 触媒成分は、請求された構造を有する担体の表面下層中に配置される。1.5
%以下の量の元素周期律表の第1、第2、第3、第4族から選択された元素の少
なくとも1種の化合物を触媒中にさらに組込むことは、担体中への該成分の組込
み、一層強い固定化および安定化に寄与する。
【0031】 提案された担体の使用でもって触媒を製造するために、触媒成分の化合物を組
み込む限定的な最適条件を満たすことが必要であり、それにより、請求された特
定の緩和された擬層状の所定構造中に触媒成分を局在させ、そして高活性状態で
触媒成分を安定化させることになる。
【0032】 触媒成分を担体構造中に組み込むためのかかる条件は、40から200℃の高
められた温度、1ないし200気圧の高められた圧力(過圧)を用いること、限
定pH値(好ましくは2〜10)を有する、触媒成分の化合物の溶液を用いるこ
と、担体を触媒成分の化合物の溶液と接触させるのと同時に、その前にまたはそ
の後に、元素周期律表の第1、第2、第3、第4族から選択された元素の化合物
を担体中にさらに組み込むことである。
【0033】 高められた温度および圧力は層どうしの移動度を互いに対して増大させ、それ
によりそれらが互いに離れるように移動させ、そして触媒成分を担体の表面下の
層間空間中に侵入させやすくする。高められた温度は触媒成分の拡散性を増大し
、また触媒成分のカチオンについての、空間中に存在するヒドロキシル基のプロ
トンのイオン交換を強化する。担体中に追加的に組み込まれる第1、第2、第3
、第4族元素の化合物は、層間空間中において「柱」の役割を演じて、触媒成分
の組込みを容易にし得る(柱状化効果)。
【0034】 担体を触媒成分の含浸溶液と接触させた後、この試料はpH3〜8を有する3
〜10倍過剰の水で洗浄されて、担体表面と弱く結合された触媒成分化合物が除
去される。次いで乾燥および熱処理が、気体媒体中でまたは10-4mmHgまで
の真空中で、100〜800℃の温度にて行われる。
【0035】 このように、請求された特定構造を有するシリカリッチ担体の使用及び不均一
反応用触媒を製造するための請求された方法の使用は、触媒成分の焼結、凝集、
担体からのそれらの剥離および接触毒の作用に対して耐性である高活性触媒の製
造を確実にする。
【0036】 図面の簡単な説明 図1、2および表1において、請求されたシリカリッチ担体(試料1、2)お
よび公知担体(試料3、4)の性質が示されている。
【0037】 図1は、29Si MAS NMRスペクトル(MASは「マジックアングルスピ
ニング」を表す)を示す。スペクトルは、「Bruker」MSL−400パルスNM
Rフーリエ分光計(独国)(磁場9.4T)で記録された。試料のマジックアン
グルスピニングは、Asp-Rotor-Consult会社(デンマーク国)により製造された
高速装置の助けでもって、窒化ケイ素および酸化ジルコニウム製の回転子におい
て、8000〜10000ヘルツの回転周波数で行われた(図1)。29Si M
AS NMRスペクトルは、次の条件下で記録された。すなわち、 核スピン 1/2 同位体含有率 4.7% 共鳴周波数 79.49MHz 掃引 30kHz パルス持続時間 4μs パルス対パルスの遅れ 20s 走査数 300〜2000 標準物質 − テトラメトキシシラン(TMS)
【0038】 ラインの明確な位置は、試料1について図1に示されているように、コンピュ
ーターシミュレーションによる実験スペクトルのデノンボリューション(denonv
olution)により、ケイ素の異なる構造状態(Q3およびQ4)のフラクションを
十分な精度(±15%)でもって評価することを可能にする。
【0039】 試料1および2は請求された担体に関し、そして29Si MAS NMRスペク
トルにおいて、それらは−100±3ppm(Q3)および−110±3ppm
(Q4)の化学シフトについてのラインを有する。
【0040】 試料3は、先行技術すなわちロシア国特許第2069584号に記載された担
体に関する。試料3は、次のように製造される。塩化白金がガラス成分に、最終
生成物中の塩化白金の含有率が0.1%になる量にて添加される。
【0041】 生じたケイ酸塩ガラス繊維布担体は10〜17%H2SO4中で93〜98℃に
て浸出され、そして次いで洗浄される。乾燥後、熱処理が650℃にて行われる
【0042】 試料3の29Si MAS NMRスペクトルにおいて、化学シフト−110±3
ppmについてのラインQ4が主として存在する。すなわち、ラインQ4の積分強
度は97%であるのに対して、ラインQ3の積分強度は約3%であり(表1)、
すなわち比率Q3/Q4=0.03であり、一方、試料1および2は高い比率Q3
/Q4=0.7〜0.9を特徴とする。
【0043】 試料4は、次のように製造される。 組成が97%SiO2、2.4%Na2O、0.6%Al23でありそして12
00℃にて焼成されているシリカを浸出することにより担体が製造され、そして
生じた生成物はHNO3で90℃にて処理されそして水でpH6.5〜7.0に
洗浄される。次いで熱処理が、空気の流れ中で250℃にて10時間行われる。
【0044】 この試料4は、試料3と同様に、29Si MAS NMRスペクトルにおいて低
い比率Q3/Q4を特徴とする。
【0045】 図2は、シリカリッチ担体のIRスペクトルを示す。 IRスペクトルは、予備処理なしに室温にて、近代化IFS−113v(Bruk
er)分光計にて、1100〜7000cm-1の範囲において4cm-1の分解能で
もって記録された。強度は、ビーム横断面の1cm2当たりの試料の重量に関係
づけられる光学濃度の単位で評価された。OH基の伸縮振動の帯域の強度から得
られるOH基の濃度(C,μmol・g)が、式C=A/(A0ρ)(E. A. Pau
kshtisおよびE. N. Yurchenko,Uspekhi Khimii,1983,vol.52,第
3号,p.426)に従って測定され、しかしてここで、ρ(g/cm2)は、
光が試料を2回通過する(鏡からの反射の前におよび後に)ので、ビーム横断面
の1cm2当たりの触媒の量の2倍であり、A(cm-1)は分析される帯域につ
いての観測積分吸収量であり、A0(cm/μmol)は積分吸光係数であり、
そしてこの積分吸光係数は、種々の帯域について「I. B. Beri,J. Phys. Chem.
,1966,vol.70,p.29」に従って、 A0,cm/μmol 3 5 22 25 吸収帯,cm-1 3737〜3740 3620〜3650 3400 3300 に等しいとみなされた。
【0046】 OH基の濃度を評価する精度は、±30%であった。 請求された担体に関する試料1、2のスペクトルにおいて、波数3620〜3
650cm-1および半値幅65〜75cm-1を有するOH基の吸収帯がある。 試料3は、ロシア国特許第2069584号による公知物に関する。この試料
の赤外スペクトルには、波数3620〜3650cm-1および半値幅65〜75
cm-1を有するOH基の吸収帯はない。
【0047】 発明を実施する最良の形態 請求された構造を有する担体は、顆粒、繊維、織物および不織製品の形態で製
造されたケイ酸塩ガラス材料を浸出すると形成される。浸出条件およびケイ素を
含有する出発材料は、所要の請求された構造を有する担体が得られるよう選択さ
れる。
【0048】 触媒を製造するために、pH2〜10を有する活性元素の化合物の溶液が調製
される。必要なら、元素周期系の第1、第2、第3、第4族の元素が、1.5重
量パーセントの量にて、含浸溶液中に導入される。これらの元素は、担体を活性
元素で含浸する前に、担体中に含有され得る。
【0049】 含浸は、40〜200℃の温度および1〜200気圧の過圧にて行われる。担
体を含浸溶液と接触させた後、必要なら、触媒はpH=3〜8を有する3〜10
倍過剰の水で洗浄されて、担体と弱く結合された活性成分化合物が除去される。
次いで熱処理が、気体媒体中で大気圧にてまたは10-4mmHgまでの真空中で
、100〜800℃の温度にて行われる。熱処理条件は、触媒が試験される反応
に依存して、触媒により満たされる要件に従って選択される。
【0050】 提案されたシリカリッチ担体は、独特の物理化学的性質を有する。それにより
、触媒法の高い効率および選択度を達成する機会が与えられ、触媒は向上された
化学および熱安定性並びにより高い強度特性が注目される。触媒は、触媒成分の
非常に低い含有率にて高い活性を有する。
【0051】 請求された方法に従って製造された触媒は、n−ブタン、プロパンおよび炭素
酸化物を含有するモデル混合物について、過剰酸素中での高度酸化法において試
験される。
【0052】 n−ブタンおよび炭素酸化物の高度酸化反応における試験は、流れ循環装置に
て、大気圧で、ガス−空気混合物の同じ供給空間速度にて、同様な条件下で行わ
れる。
【0053】 n−ブタンの酸化反応における触媒活性の尺度は、400℃の温度におけるn
−ブタン酸化反応速度(C410のcm3/g.s・10-2)が採用される。ブタ
ンの高度酸化反応のより高い速度は、より活性な触媒に対応する。
【0054】 炭素酸化物の酸化反応における触媒活性の尺度は、炭素酸化物の酸化度が85
%になる温度が採用される。酸化炭素の85%酸化が達成される温度が低ければ
低いほど、触媒活性は一層高い。
【0055】 プロパンの高度酸化反応における試験は、等温流反応器において行われる。触
媒活性の尺度は、定温における転化率が採用される。
【0056】 SO2をSO3に酸化する反応における触媒活性は、フロー型装置にて、工業用
触媒の品質を査定するためにロシア国の慣行において最も普及している標準手順
(G. K. Boreskov,Catalysis in Sulfuric Acid Production,モスクワ,Goskh
imizdat,1954,p.87)に従って測定される。試験は、10vol%S
2、18.9vol%O2、71.1vol%N2のガス混合物の組成でもって
、485℃の温度にて、一定接触時間τ=0.9secを与えるガス空間速度に
て、フロー法により行われる。SO2濃度は触媒床への入口および出口にて測定
され、そしてSO2転化度(Xinit.)がこれらの濃度の変化から査定され、しか
してこれは選定標準条件下での初期触媒の活性の尺度である。
【0057】 触媒の熱安定性は、促進熱老化の手順(G. K. Boreskov,Catalysis in Sulfu
ric Acid Production,モスクワ,Goskhimizdat,1954,p.153)に従
って決定される。この手順によれば、最初に485℃における触媒の初期活性(
init.)が決定され、次いで温度が700℃に上げられ、そして触媒はこの温
度に50時間維持される。その後、フロー反応器中の温度は485℃に下げられ
、そしてこの温度にて試料の残留活性(Xresid.)が測定される。
【0058】 更に、熱安定性の評価について、活性が、20vol%SO2、20vol%
2および60vol%N2の高濃縮供給ガスについて700℃にて測定される。
触媒活性の尺度は、反応平衡から離れた或る一定の転化率Xconstを達成するの
に必要な接触時間(τ,sec)が採用される。上記に指摘された試験条件下で
平衡転化率はXeq.約51%であるので、活性を比較するために我々は一定のXc onst =39%を選んだ。初期接触時間τinit.および700℃にて50時間の試
験後の接触時間τfinalが測定された。小さいτ値および700℃における長時
間試験中それらが不変であることは、触媒の高い活性および熱安定性の証拠とな
る。
【0059】 触媒は、酸化窒素へのアンモニアの酸化反応において、メタンでの酸化窒素の
選択還元反応において、ブチレンでのイソブタンのアルキル化反応において試験
される。
【0060】 担体の組成および性質についてのデータは、表1、図1、2の試料1、2にお
いて示されている。 触媒の組成についてのデータは、表2において示されている。 試験のデータは、表3〜7に示されている。 本発明の一層十分な理解のために、次の特定の例が与えられる。
【0061】 担体の製造: 試料番号1 担体を製造するために、70%SiO2、20%Na2O、6%Al23、残余
のH2Oの組成を有する未浸出ケイ酸ナトリウムガラス布を用いる。 このガラス布を、5%NH3+5%H22の組成を有する溶液で、空気圧脈動
混合方式で、0.06MPaの圧力、1.5Hzの脈動周波数、150mmの脈
動振幅にて2時間処理し、そしてpH=5.5〜7.0における水で洗浄する。
次いでこの布を5%HClで3分間処理し、次いで40℃の温度にて120分間
水で、5.5〜7.0の洗浄水pHになるまで洗浄し、そして次いで200℃の
温度にて12時間焼成する。
【0062】 試料番号2 試料番号1においてと同じ組成のガラス布を330±20℃にて2時間焼成し
、次いで7.5%HNO3で90℃にて60分間処理し、pH=6.5〜7.0
になるまで水で洗浄し、次いで熱処理を空気の流れ中で350℃にて12時間行
う。
【0063】 以下に例示される触媒を、最適な請求された特性を有する担体(試料番号1、
2)を用いて製造する。
【0064】 実施例1 担体(試料番号1,表1)を、塩化テトラアンミン白金(II)[Pt(NH 34]Cl2の溶液と、120℃にておよび2気圧の過圧にて接触させる。担体
中の金属の焼成重量濃度が得られるのに十分な量の試薬を吸収させ、次いでこの
布を水で洗浄して担体と弱く結合された金属化合物を除去し、110℃にて乾燥
し、空気中で300℃にて2時間焼成し、そして水素の流れ中で300℃にて2
時間還元する。
【0065】 実施例2 触媒を製造するために、試料番号2の特性を有する担体を用いる(表1)。 担体をH2PtCl6の水溶液と接触させる前に、0.2重量パーセントの量の
セシウムカチオンを、CsCl水溶液から担体中に挿入する。 白金の組込みを酸性媒体中で、200℃の温度および10気圧の過圧にて行う
。次いで触媒を、実施例1に記載されたように製造する。
【0066】 実施例3 触媒を実施例2においてように製造するが、パラジウムのアンミン錯体を触媒
成分の溶液として用いそして追加カチオンを触媒中に導入しないことにおいて相
違する。
【0067】 実施例4 触媒を実施例1においてように製造するが、触媒成分としてパラジウムをPd
Cl2+HCl+CsClの溶液から組み込みそして追加セシウムカチオンを触
媒成分化合物と同時に担体中に導入することにおいて相違する。
【0068】 実施例5〜14 触媒を実施例1においてように製造するが、組み込まれる触媒成分の化合物、
それらの量およびそれらとの担体の接触の条件において相違する。データは、表
2に示されている。
【0069】 工業的産業上の利用性 提案された担体は、不均一反応用の様々な触媒を製造するために化学工業にお
いて、並びに非常に多様な工学分野において(無機メンブランの作製において、
クロマトカラムにおいて、光ファイバー材料を製造するために、フィルターの製
造において等)用いられ得る。
【0070】
【表1】
【0071】
【表2】
【0072】
【表3】
【0073】
【表4】
【0074】
【表5】
【0075】
【表6】
【0076】
【表7】
【図面の簡単な説明】
【図1】 請求されたシリカリッチ担体(試料1、2)および公知担体(試料3、4)の
性質が示されている。
【図2】 請求されたシリカリッチ担体(試料1、2)および公知担体(試料3、4)の
性質が示されている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B01J 23/652 B01J 23/68 Z 23/68 23/86 Z 23/745 23/89 Z 23/755 32/00 23/86 C01B 33/12 Z 23/89 33/26 32/00 C07B 61/00 300 C01B 33/12 C07C 2/58 33/26 9/16 // C07B 61/00 300 B01J 23/74 321Z C07C 2/58 301Z 9/16 23/64 103Z (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,KE,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ, MD,RU,TJ,TM),AE,AL,AM,AT, AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA,C H,CN,CU,CZ,DE,DK,EE,ES,FI ,GB,GD,GE,GH,GM,HR,HU,ID, IL,IN,IS,JP,KE,KG,KP,KR,K Z,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD ,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL, PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK,S L,TJ,TM,TR,TT,UA,UG,US,UZ ,VN,YU,ZA,ZW (72)発明者 バルジニマエフ,バイル シディポビチ ロシア国,630128 ノボシビルスク,ウリ ツァ デマコバ,デー.9,クバルチーラ 135 (72)発明者 キルドヤシェフ,セルゲイ ペテロビチ ロシア国,630090 ノボシビルスク,モル スコイ プロスペクト,デー.64,クバル チーラ 23 (72)発明者 マカレンコ,ミハイル グリゴリエビチ ロシア国,630500 ノボシビルスカヤ オ ブラスト,ノボシビルスキイ ライオン, ポセロク クラスノーブスク,デー.2, クバルチーラ 79 (72)発明者 パルフェノフ,アナトリイ ニコラエビチ ロシア国,129128 モスコー,ウリツァ バジォバ,デー.5,クバルチーラ 23 (72)発明者 シモノバ,リュドミラ グリゴリエフナ ロシア国,630090 ノボシビルスク,ウリ ツァ テレシコボイ,デー.12,クバルチ ーラ 167 (72)発明者 トクタレフ,アレクサンドル ビクトロビ チ ロシア国,630190 ノボシビルスカヤ オ ブラスト,ベルドスク,ミクロライオン, デー.20,クバルチーラ 9 Fターム(参考) 4G069 AA03 AA08 BA14B BC03B BC06B BC09B BC10B BC22B BC31B BC32B BC51B BC58B BC62B BC66B BC67B BC68B BC72B BC74B BC75B BD05B CA02 CA03 CB02 CB07 CB82 CB84 EA09 EC02X EC03X FB14 FB29 FC04 4G072 AA25 BB04 BB05 BB16 GG01 GG03 HH14 JJ34 TT05 TT30 UU17 4G073 BA57 BA63 BD19 BD26 CE01 FB11 FB21 GA12 GB05 GB07 UA01 UA02 UA03 4H006 AA02 AC21 BA25 BA26 BA37 BA41 BA55 4H039 CA19 CF10

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸化ケイ素、及び、シリカを含有しない酸化物、たとえば酸
    化アルミニウム、酸化ナトリウムなどを含むシリカリッチ担体であって、 29Si MAS NMRスペクトルにおいて、前記担体中のケイ素の状態が、−
    100±3ppm(ラインQ3)および−110±3ppm(ラインQ4)の化学
    シフトについてのラインが存在し、0.7から1.2のラインQ3/Q4の積分強
    度比を有すること、 赤外スペクトルにおいて、波数3620〜3650cm-1および半値幅65〜
    75cm-1を有するヒドロキシル基の吸収帯があること、および、 前記シリカリッチ担体が、アルゴンの熱脱着からのBET技法により測定され
    る場合の比表面積SAr=0.5〜30m2/gおよびアルカリ滴定技法により測
    定される場合の比表面積SNa=10〜250m2/g並びにSNa/SAr=5〜3
    0であることを特徴とするシリカリッチ担体。
  2. 【請求項2】 ヒドロキシル基(OH基)の含有量が、1個のケイ素原子当
    たり1個のヒドロキシル基から2個のケイ素原子当たり1個のヒドロキシル基(
    OH/Si=1〜0.5)の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載のシリ
    カリッチ担体。
  3. 【請求項3】 担体中の酸化ケイ素の量が60〜99.9重量パーセントで
    あることを特徴とする請求項1に記載のシリカリッチ担体。
  4. 【請求項4】 担体中の酸化ケイ素の量が好ましくは70重量パーセントよ
    り多いことを特徴とする請求項1に記載のシリカリッチ担体。
  5. 【請求項5】 元素周期律表の第Iおよび第II族の少なくとも1種の金属
    および/または酸化物を1重量パーセント以下の量にて含有することを特徴とす
    る請求項1に記載のシリカリッチ担体。
  6. 【請求項6】 繊維、織物および不織材料、円筒状および球状顆粒、単およ
    び多チャネルチューブの形態を有することを特徴とする請求項1に記載のシリカ
    リッチ担体。
  7. 【請求項7】 酸化ケイ素、及び、シリカを含有しない酸化物、たとえば酸
    化アルミニウム、酸化ナトリウムなどを含むシリカリッチ担体中に触媒成分を含
    む、不均一反応用触媒、たとえば炭化水素の高度酸化、炭化水素の部分酸化、炭
    化水素のアルキル化、二酸化硫黄の酸化、炭化水素の水素化、アンモニアの転化
    用の触媒であって、 29Si MAS NMRスペクトルにおいて、ケイ素の状態が、−100±3p
    pm(ラインQ3)および−110±3ppm(ラインQ4)の化学シフトについ
    てのラインが存在し、0.7から1.2のラインQ3/Q4の積分強度比を有し、 赤外スペクトルにおいて、波数3620〜3650cm-1および半値幅65〜
    75cm-1を有するヒドロキシル基の吸収帯を有し、そして 担体が、アルゴンの熱脱着からのBET技法により測定される場合の比表面積
    Ar=0.5〜30m2/gおよびアルカリ滴定技法により測定される場合の比
    表面積SNa=10〜250m2/g並びにSNa/SAr=5〜30を有する、 担体を触媒の製造のために用いることを特徴とする触媒。
  8. 【請求項8】 担体が、繊維、織物および不織材料、円筒状および球状顆粒
    、単および多チャネルチューブの形態を有することを特徴とする請求項7に記載
    の不均一反応用触媒。
  9. 【請求項9】 触媒成分として、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム
    、銀、ジルコニウム、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、銅、スズ、金、
    チタン、鉄、モリブデンを含む群から選択される少なくとも1種の金属および/
    またはそれらの酸化物を2重量パーセント以下(金属に基づいて)の量にて含有
    することを特徴とする請求項7に記載の不均一反応用触媒。
  10. 【請求項10】 追加的に元素周期律表の第1、第2、第3、第4族から選
    択される少なくとも1種の金属または酸化物を1.5重量パーセント以下(金属
    に基づいて)の量にて含有することを特徴とする請求項7に記載の不均一反応用
    触媒。
  11. 【請求項11】 触媒成分として、白金、パラジウム、マンガン、ニッケル
    、コバルト、銅、クロムを含む群から選択される少なくとも1種の金属および/
    またはそれらの酸化物を0.01〜1.5重量パーセント(金属に基づいて)の
    量にて含有することを特徴とする請求項7に記載の炭化水素の高度酸化用触媒。
  12. 【請求項12】 触媒成分として、少なくとも1種の白金族金属またはそれ
    らの酸化物を0.05〜1.0重量パーセント(金属に基づいて)の量にて含有
    することを特徴とする請求項7に記載の二酸化硫黄の三酸化硫黄への酸化用触媒
  13. 【請求項13】 触媒成分として、ジルコニウム化合物を2重量パーセント
    以下(金属に基づいて)の量にて含有することを特徴とする請求項7に記載の炭
    化水素のアルキル化用触媒。
  14. 【請求項14】 酸化ケイ素、及び、シリカを含有しない酸化物、たとえば
    酸化アルミニウム、酸化ナトリウムなどを含むシリカリッチ担体中への触媒成分
    の化合物を組込み、乾燥しそして引き続き熱処理することによる、不均一反応用
    触媒、たとえば炭化水素の高度酸化、炭化水素の部分酸化、炭化水素のアルキル
    化、二酸化硫黄の酸化、炭化水素の水素化、アンモニアの転化用触媒の製造方法
    であって、 29Si MAS NMRスペクトルにおいて、ケイ素の状態が、−100±3p
    pm(ラインQ3)および−110±3ppm(ラインQ4)の化学シフトについ
    てのラインが存在し、0.7から1.2のラインQ3/Q4の積分強度比を有し、 赤外スペクトルにおいて、波数3620〜3650cm-1および半値幅65〜
    75cm-1を有するヒドロキシル基の吸収帯を有し、 担体は、アルゴンの熱脱着からのBET技法により測定される場合の比表面積
    Ar=0.5〜30m2/gおよびアルカリ滴定技法により測定される場合の比
    表面積SNa=10〜250m2/g並びにSNa/SAr=5〜30を有する 担体を触媒の製造のために使用し、40〜200℃の温度および1〜200気圧
    の過圧にて担体を触媒成分の化合物の溶液と接触させて担体中に触媒成分を組み
    込むことを特徴とする製造方法。
  15. 【請求項15】 触媒成分の化合物の溶液がpH2〜10を有することを特
    徴とする請求項14に記載の不均一反応用触媒の製造方法。
  16. 【請求項16】 触媒成分の化合物の含浸溶液が、元素周期律表の第1、第
    2、第3、第4族の元素の少なくとも1種の化合物を1.5重量パーセント以下
    の量にて含有することを特徴とする請求項14に記載の不均一反応用触媒の製造
    方法。
  17. 【請求項17】 触媒の製造のために用いられる担体を、触媒成分の化合物
    の溶液との接触前に、1.5重量パーセント以下の量の元素周期律表の第1、第
    2、第3、第4族からの元素の少なくとも1種の化合物で含浸することを特徴と
    する請求項14に記載の不均一反応用触媒の製造方法。
  18. 【請求項18】 担体を触媒成分の化合物の溶液と接触させた後、1.5重
    量パーセント以下の量の元素周期律表の第1、第2、第3、第4族からの元素の
    少なくとも1種の化合物で含浸を行うことを特徴とする請求項14に記載の不均
    一反応用触媒の製造方法。
  19. 【請求項19】 担体を触媒成分の化合物の含浸溶液と接触させた後、pH
    3〜8を有する3〜10倍過剰の水で触媒を洗浄することを特徴とする請求項1
    4に記載の不均一反応用触媒の製造方法。
  20. 【請求項20】 熱処理を気体媒体中でまたは10-4mmHgまでの真空中
    で、100〜800℃の温度にて行うことを特徴とする請求項14に記載の不均
    一反応用触媒の製造方法。
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