JP2004026667A - 二酸化炭素のメタノール変換用触媒反応システム - Google Patents
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Abstract
【課題】二酸化炭素削減対策の一つとして、二酸化炭素をメタノールに化学変換する高耐久性・高活性な触媒反応システムを開発すること、及び、合成ガスや水素を出発原料とするのではなく、水を出発原料として二酸化炭素をメタノールに化学変換すること。
【解決手段】二酸化炭素と水を、金属、金属酸化物あるいはそれらを混合した触媒と接触させることにより、メタノールを得る。該触媒は、二酸化炭素を還元して一酸化炭素を生成することが可能な活性点と、水を還元して水素発生が可能な活性点をもつ金属あるいは金属酸化物であり、鉄、コバルト、ニッケル及び／又はそれらの酸化物より選ばれる一種以上が好ましく用いられる。なお、メタノール変換反応の前または後に、あるいは反応途中で、該触媒は還元・賦活化される。
【選択図】 なし
【解決手段】二酸化炭素と水を、金属、金属酸化物あるいはそれらを混合した触媒と接触させることにより、メタノールを得る。該触媒は、二酸化炭素を還元して一酸化炭素を生成することが可能な活性点と、水を還元して水素発生が可能な活性点をもつ金属あるいは金属酸化物であり、鉄、コバルト、ニッケル及び／又はそれらの酸化物より選ばれる一種以上が好ましく用いられる。なお、メタノール変換反応の前または後に、あるいは反応途中で、該触媒は還元・賦活化される。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属、金属酸化物あるいはそれらを混合した触媒系により、二酸化炭素と水から、一段で、メタノールに化学変換する触媒反応システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
二酸化炭素の蓄積による地球温暖化問題へのさまざまな対応が国際的な規模で検討されている。技術面では、二酸化炭素の隔離、固定化、有効利用等の技術開発が進められているが未だ、実現の見通しのついた技術は皆無に近い状況である。
【０００３】
その中で、二酸化炭素を有用物質に化学変換する技術としては、金属錯体による光化学的還元、半導体を用いた光化学的還元、金属電極による電気分解還元、酵素を組込んだ反応系による二酸化炭素の変換、接触水素化、金属錯体による超臨界二酸化炭素の還元もしくは金属酸化物による亜臨界二酸化炭素の還元、あるいは天然ガスから合成ガスを生産する際の二酸化炭素改質もしくは二酸化炭素／スチーム改質などがあり、それらによって、一酸化炭素、ギ酸、メタノール、メタン、合成ガス、酢酸、フェノールなどの有用物質に変換しようとするものである。
【０００４】
しかしながら、これらの技術は、いずれも次のような問題を抱えていて、実現性が遠い研究段階にとどまっているのが現状である。すなわち、高価な金属や酵素あるいは試薬を使ったり、触媒や酵素の回収および再利用は難しいというものであったり、極めてコストがかかる超臨界状態、亜臨界状態を必要とするものであったりして、経済的に現実性がないもの；あるいは、目的物質の生成量が極めて少なかったり、目的物質の選択性が低いものであったりして、技術的な実現性に乏しいもの；さらには、多量の電気エネルギーを供給しなければ成立し得ないシステムであったり、それ自体、広範囲の分野に有用である合成ガスあるいは水素等から出発したりするものであって、二酸化炭素を有用物質に変換する理念からは不適切といわざるを得ないものであったりする。
【０００５】
これら二酸化炭素からの化学変換が試みられている有用物質の中でも、メタノールは、クリーン燃料として用いることができ、石油化学工業の出発原料となり得る等、今後、大きな需要が予想される極めて価値の高い物質である。しかしながら、メタノールは、各種の一酸化炭素水素化反応のなかで、熱力学的には反応の自由エネルギー変化が最も大きく、本来的に生成し難いものである。このメタノールを、二酸化炭素を原料にして得ようとした試みとして、以下のような報告、発表がある。
【０００６】
本多、藤嶋らは、チタニア、酸化タングステン、酸化亜鉛、硫化カドミウム、リン化ガリウム、あるいは炭化ケイ素等の半導体を用いた光化学的還元について、水溶液中に溶存させた微少量（常温で３６ｍｍｏｌ／リットル）の二酸化炭素からメタノールが生成することを報告している（Ｎａｔｕｒｅ，２７７巻，ｐ．６３７，１９７９年）。しかし、目的物質メタノールの生成量が極めて少なく、反応液１リットルかつ反応時間１時間、触媒１ｇ当たりのメタノールに換算して１．０５１ｍｇの生成量である。
【０００７】
米山らは、２〜４ｎｍのチタニア超微粒子をポリビニルピロリドンに電気化学的に吸着させたフィルムを用いて水溶液中に溶存させた二酸化炭素の光還元を行い、反応液１リットルかつ反応時間１時間、触媒１ｇ当たりのメタノールに換算して１６．３ｇのメタノールが生成することを報告している（Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．，ｐ．８２９，１９９５年）。しかし、本反応系は、犠牲試薬としての高価なプロパン−２−オールの共存によりはじめてメタノールが生成するために、高価なアルコール利用による比較的安価なメタノール生産のプロセスであるため実用化することの意義は極めて少なくなる。いずれにせよ、太陽光を利用した光電変換による光触媒的二酸化炭素の固定・変換は非効率的であるために実用的でないと判断されている。
【０００８】
また、米山らは、ギ酸脱水素酵素とメタノール脱水素酵素が共存する反応系に７０時間通電して、二酸化炭素からギ酸とホルムアルデヒドとメタノールが生成する手段を開示している（Ｊ．Ａ．Ｃ．Ｓ．，１１６巻， ｐ．５４３７，１９９４年）。反応液５ｍｌに０．３５ｍｇのギ酸脱水素酵素と７．３５ｍｇのメタノール脱水素酵素を用いて、それぞれ１．８μｍｏｌ前後の生成物が得られている。反応液１リットルかつ反応時間１時間、酵素合計１ｍｇ当たりのギ酸、ホルムアルデヒド、およびメタノールに換算して８２．８μｇ，５４．０μｇ，および５７．７μｇの生成量である。したがって、痕跡量程度の目的物質しか得られていないというのが現状である。また、高価な酵素タンパク質を利用した反応システムであり、かつ触媒の回収および再利用は難しく、かつ電気エネルギーを供給しなければ成立し得ないシステムであることに問題がある。
【０００９】
Ｄａｖｅらは、ギ酸脱水素酵素とホルムアルデヒド脱水素酵素、並びにアルコール脱水素酵素をシリカゲルマトリックス中に固定化して共存させた酵素反応系を用いて、二酸化炭素からメタノールが生成することを報告している（Ｊ．Ａ．Ｃ．Ｓ．，１２１巻，ｐ．１２１９２，１９９９年）。反応液２ｍｌかつ反応時間３時間、酵素１０ｍｇずつ３種類（計３０ｍｇ）当たりにメタノール３０μｍｏｌの生成量であり、反応液１リットルかつ反応時間１時間、酵素総計１ｍｇ当たりのメタノールに換算して５．３３ｍｇの生成量となる。ごく少量の目的物質しか得られておらず、この場合もバッチ式の反応システムであることから、高価かつ希少な酵素タンパク質の回収および再利用は難しく、使い切りの反応システムになり採算がとれない。
【００１０】
乾らは、銅−亜鉛混合酸化物に酸化ランタン等の希土類酸化物やパラジウムや銀等の貴金属を添加した複合触媒による水素共存下での二酸化炭素のメタノール化を開示している（現代化学増刊２５，東京化学同人，ｐ．７９，１９９４年）。変換効率は、二酸化炭素のメタノール化では、毎時３９．１ｍｏｌ（１．２５１ｋｇ） ／リットルを達成している。しかしながら、高価な貴金属触媒を使用し、その耐久性にも疑問があり（反応生成物としてメタノールのほかに水ができて、この系における触媒をつぶす）、二酸化炭素の転化率やメタノールへの選択率も、なお改良が望まれる。また、如何にエネルギー負荷の小さい方法で水素を得るかという課題を残したままである。
【００１１】
以上、従来の二酸化炭素からメタノールへの化学変換に関する報告は、いずれも、高価な酵素や試薬を使ったり、触媒や酵素の回収および再利用は難しかったり、メタノールの生成量が極めて少なかったりした。あるいは、電気エネルギーを供給しなければ成立し得ないシステムであったり、それ自体有用な水素等を出発原料とするものであったりした。
【００１２】
なお、メタノールは、従来より、亜鉛、銅、クロム等の複合酸化物系触媒で合成ガス（一酸化炭素と水素の混合ガス）を原料として製造する手段が開発されてきた。また一方、二酸化炭素を原料とした合成ガスの製造に関しては、多くの論文や発表があるが、これらはいずれも、合成ガスの製造法の改良が目的であり、メタノール製造まで視野に置いた製造システムの研究は見当たらない。
【００１３】
したがって、二酸化炭素を変換してメタノール等を得る技術であって、それ自体有効なクリーン燃料である合成ガスや水素を原料とするのではなく、安価かつ枯渇するおそれのない豊富な資源を原料とし、かつ、安価で耐久性のある安定な触媒反応系により、高効率でメタノールを生産することができれば、地球規模の二酸化炭素削減問題への対策として、また、エネルギー問題への対策として、望ましい、実現性のある方法になることが期待できる。二酸化炭素の有用物質への化学変換について、このような理想的な方法が追求されるべきであろう。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような実情に鑑み、本発明の目的は、二酸化炭素をメタノールに化学変換する高耐久性・高活性な触媒反応システムを開発することにある。また、本発明は、合成ガスや水素を原料とするのではなく、水を出発原料として二酸化炭素をメタノールに化学変換することを目的とする。
【００１５】
【問題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、鉄などの安価な金属あるいは金属酸化物触媒を用いて、二酸化炭素と水から一段でメタノールへ変換し得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。さらに、反応前あるいは反応後に、または反応中に同時に、該触媒系を還元、賦活化することが、耐久性ある、クローズドシステムの触媒系とする工業的な製造プロセスとすることに重要であることを知見した。
【００１６】
すなわち、本発明は、二酸化炭素と水を、金属、金属酸化物あるいはそれらを混合した触媒と接触させることにより、メタノールを得ることを特徴とする触媒反応システムを提供するものである。該触媒は、二酸化炭素を還元して一酸化炭素を生成することが可能な活性点と、水を還元して水素発生が可能な活性点をもつ金属あるいは金属酸化物であり、鉄、コバルト、ニッケル及びそれらの酸化物からなる群から選ばれる一種以上が好ましく用いられる。また、メタノール変換反応の前後に、または反応中に、該触媒は還元・賦活化されることが重要である。触媒の還元・賦活化のためには、還元性ガスが用いられ、メタンが好ましく用いられる。二酸化炭素と水と、さらにメタンとを、金属、金属酸化物あるいはそれらを混合した触媒と接触させることは本発明の好ましい態様である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の二酸化炭素と水からメタノールを得る触媒反応システムについて、以下に詳細に説明する。
【００１８】
本発明において使用する金属あるいは金属酸化物触媒は、基本的に、二酸化炭素を還元して一酸化炭素を生成することが可能な活性点と、水を還元して水素発生が可能な活性点を有するものであれば、その種類は特に限定されない。
【００１９】
これら触媒は、二酸化炭素のみ、あるいは、水のみを接触させた場合には、それぞれ、一酸化炭素、水素を生成するが、二酸化炭素と水の両者を一緒に接触させたときには、一酸化炭素、水素はほとんど生成せず、メタノールが主生成物となる。そのメカニズムは不明であるが、例えば鉄の場合、二酸化炭素と水が吸着するとき触媒上の吸着活性点では、Ｆｅ−ＣＯ２およびＦｅ−ＯＨ２を経て、Ｆｅ−ＣＯ、Ｆｅ−Ｃ、Ｆｅ−ＯＨ、Ｆｅ−Ｈ、Ｆｅ−Ｏなどの結合種が生成し、反応系の化合物における化学結合の切断や組換えによって、主としてメタノールが生成するものと推定される。
【００２０】
かかる触媒としては、金属触媒では、例えば、マグネシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ハフニウム、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステン、テクネチウム、レニウム、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金等があげられ、金属酸化物としては、それらの酸化物があげられ、さらには酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム等の担体に担持させた触媒を使用してもよい。これらの中でも、鉄、コバルト、ニッケルおよびそれらの酸化物が本発明における触媒活性の高さから好ましく、安価であり、酸素（Ｏ）を含有する一酸化炭素、二酸化炭素、水等に対する吸着・脱酸素活性がより高いことから、鉄、酸化鉄（とりわけ、四三酸化鉄Ｆｅ３Ｏ４あるいは酸化第一鉄ＦｅＯ）が特に好ましく用いられる。
【００２１】
本発明の触媒系は、上記の如く、基本的に二酸化炭素および水を表面に吸着して還元する能力を有することを要するが、高効率であるためには、比表面積が大きいことが好ましい。そのためには、粒子径が小さいこと、多孔質であることが有利であり、必要に応じて、微粒子化・超微粒子化や多孔質化のための処理が施されることが好ましい。
【００２２】
たとえば、酸化鉄触媒の超微粒子化は、カチオン性界面活性剤を用いた逆ミセル中に、塩化第二鉄水溶液を可溶化し、水素化ホウ素ナトリウム等で還元する方法で、ほぼ均一粒径の５〜１０ｎｍ程度の酸化鉄超微粒子を得ることができる。また、多孔質化された酸化鉄触媒は、石川らの方法（Ｊ．Ｃ．Ｓ．，Ｆａｒａｄａｙ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，８８巻， ｐ．１１７３，１９９２年；Ｌａｎｇｍｕｉｒ，９巻，ｐ．１１２５，１９９３年）に従い、硫酸鉄７水和物を水に溶かし、水酸化ナトリウム水溶液を滴下して得られた反応液に過酸化水素水を注いで生じる沈殿物から得ることができる。後述するように、この方法で、比表面積１１１．０ｍ２／ｇ、細孔径０．９３２ｎｍの酸化鉄（α−Ｆｅ２Ｏ３）が得られた。
【００２３】
本発明における原料である二酸化炭素の供給形態は、特に限定されず、たとえば、二酸化炭素のみからなるガス体あるいは不活性ガス等との混合体、二酸化炭素を含む水溶液等が使用され得る。また、本発明におけるもう一方の原料である水は、二酸化炭素と一緒に供給されても、別途、液体や水蒸気として供給されてもよい。
【００２４】
化学量論的には、１モルの二酸化炭素と２モルの水が、それぞれ１モルの鉄および２モルの鉄で還元されて、１モルのメタノールが生成することとなる。しかし、本発明のメタノール合成反応は、実際には、Ｆｅ−Ｃ（あるいはＦｅ−ＣＯ）とＦｅ−ＨおよびＦｅ−ＯＨとの間の反応であり、二酸化炭素、水の仕込み比は、モル比で水が二酸化炭素の２倍モル以上であることが好ましい。
【００２５】
本発明は、二酸化炭素、水を気化させて、前記金属あるいは金属酸化物触媒に接触させる、気相反応により行われる。圧力は１〜２００気圧で行うことができるが、高圧反応の取り扱い易さの観点から２〜１０気圧程度が好ましい。
【００２６】
本発明において、二酸化炭素と水からメタノールへ変換させるためには、反応温度の選択が極めて重要である。８０℃〜１０００℃で行うことができるが、低温では反応進行が遅く、高温では、メタノールの分解反応が起こり易いため、２００〜５００℃が好適である。
【００２７】
本発明の一段の触媒反応後の生成物質としては、主生成物としてのメタノール以外に、場合によりメタンや水素の副生があり、未反応原料である二酸化炭素、水も残存する。そして、反応に関与した触媒表面は酸化されて活性を失った状態になっている。しかし、酸化された触媒表面を還元・賦活化すれば、残存する未反応原料の反応が再び進行し、メタノールの収量を高めることが可能となる。
【００２８】
すなわち、本発明によれば、変換反応前に十分に還元・賦活化された比表面積の大きい触媒による一段反応により、多量のメタノールを得ることが可能であるが、さらに多量のメタノールを得るには、変換反応の反応前は勿論、反応後または反応中同時に、触媒表面の還元・賦活化を行うことが極めて重要であり、そのような還元・賦活化と変換反応のサイクルを適切にまわすことで工業的規模での本発明のメタノール変換反応が可能となる。
【００２９】
化学変換前後の触媒を賦活化させるための表面改質手段としては特に限定されず、たとえば、２００〜５００℃程度に加熱しながら、水素や一酸化炭素もしくはメタン等のガス、あるいは固体のバイオマス、炭素と接触させる方法；塩酸や硫酸等の酸で洗浄する方法；あるいは触媒表面にレーザー光（とりわけ自由電子レーザー（ＦＥＬ）光）を照射する方法；等がある。そして、循環ライン等により、還元用ガスや酸、あるいはレーザー光を高効率で回収、移送できることが好ましい。
【００３０】
これらの中でも、メタンによって酸化鉄などの触媒を還元・賦活化することは、還元・賦活化作用のみならず、結果的にメタンもメタノールに変換されることになるため、特に好ましい。この場合、本発明の触媒システムは、二酸化炭素、水およびメタンが仕込み原料であり、生成物として主としてメタノールを得るクローズドシステムとなり得る。
【００３１】
かかるメタンを用いた触媒の還元・賦活化の方法としては、例えば以下のいくつかの方法が可能である。
【００３２】
（１）二酸化炭素と水に、さらにメタンを加えて、金属あるいは金属酸化物触媒に接触させる方法；
メタンから生じる還元性ガスが金属酸化物を常に部分的に還元された活性な金属とするため、メタノール生成反応が進行する。すなわち、メタンによる酸化鉄の還元・賦活化が起こって、二酸化炭素、水からのメタノール生成が起こり、一方、酸化鉄の還元時にメタンから直接メタノールが生成するか、または一度二酸化炭素、水まで酸化されたものが、還元鉄によりメタノールを生成する反応が伴われるものと推定される。なお、反応域は１段で済むので最も簡便なシステムである。
【００３３】
（２）二酸化炭素と水に、さらにメタンを加えて金属酸化物を還元して金属触媒に賦活する第１反応工程と、第１反応工程により得られた混合ガスを金属触媒に接触させて金属酸化物に変換し同時にメタノールを生成させる第２反応工程から構成され、かつ第１反応工程と第２反応工程の導入ガスを適時切り替えて、常に該触媒を活性な金属の状態に保ってメタノール生成を行わせる方法；
メタノールの収率を向上させるためには、反応域を２段とする。１段目では、高温度条件にて酸化鉄の還元を目的にメタンを供給して、二酸化炭素、水の生成を許容して還元鉄を得る。生成した二酸化炭素、水は原料として供給する二酸化炭素、水とともに２段目の反応域に導入する。ここでは条件を温和（２００〜３００℃）にしてメタノール収率を向上させる。２段目の還元鉄が酸化されて活性が低下した時点で、１段目と２段目を切り替えて、２段目触媒を還元・賦活化する。
【００３４】
（３）二酸化炭素と水にメタンを加えて該メタンを還元性ガスの一酸化炭素および水素に変換する前処理工程と、前処理工程により得られた還元性ガス含有ガスにより金属酸化物を還元して金属触媒に賦活する第１反応工程と、第１反応工程により得られた混合ガスを金属触媒に接触させて金属酸化物に変換し同時にメタノールを生成させる第２反応工程から構成され、かつ第１反応工程と第２反応工程の導入ガスを適時切り替えて、常に該触媒を活性な金属の状態に保ってメタノール生成を行わせる方法；
やや複雑なシステムとなるが、メタンの還元性を強力にして触媒効率を向上させることができる。
【００３５】
（４）二酸化炭素と水にメタンを加えて還元性ガスの一酸化炭素および水素を含有させる前処理工程と、前処理工程で得られたガス中の還元性ガスで金属酸化物を常に部分的に還元された活性な金属とせしめてメタノールを生成させるメタノール変換工程からなる方法；
このシステムは、触媒の賦活化効率が向上するとともに、触媒に対してプロセスの切り替えがないので、大規模システムに好適である。
【００３６】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３７】
各実験は図１に示す構成を有する装置を用いて実施した。図１に示す装置は、原料供給部Ａ、気化部Ｂ、気化ガス供給ラインＣ、化学変換部Ｄ、生成ガス回収ラインＥ、生成物質回収部Ｆで構成される。
装置の製作は、以下のようにして行った。
【００３８】
原料供給部Ａとしては、二酸化炭素１の入ったボンベとマスフローコントローラー４、ならびにストップバルブ６をステンレス製パイプ（直径１／８インチ）で連結させたラインと、水３の入った容器と送液ポンプ５、ならびに三方バルブ７を上記と同規格のステンレス製パイプで連結させたラインとを組み合わせて使用した。気化部Ｂとしては、気化器９（容積５００ｍｌ）をパイプヒーターと温度調節器で加温しながら使用した。気化ガス供給ラインＣとしては、リボンヒーター１０で被覆したステンレス製パイプ（直径１／８インチ）で連結させたラインを使用し、ガス成分をインジェクションキット部から採取して確認した。化学変換部Ｄとしては、石英ガラス製反応管１２（外径１０ｍｍ， 容積１０ｍｌ）を管状の反応炉１１内に据え付けたものを使用した。生成ガス回収ラインＥにも、リボンヒーター１０で被覆したステンレス製パイプ（直径１／８インチ）で連結させたものを使用した。生成物質回収部Ｆとして、上記と同規格のステンレス製パイプで、その両端を三方バルブに連結させたガストラップ１３をつけて、図１に示す構成を有する装置とした。
なお、本実験は発明の本質を確認することを目的としており、上記本装置は予備的な簡易型装置である。したがって、厳密な工学的基礎データがとれるほどのものではないため、以下の実施例等の実験において、たとえば、ガス流速、反応圧力等の厳密な測定ないしコントロールは行わなかった。また、生成物質の分析についても、実験操作の便宜から、ガス相のガスクロマトグラフィー分析を中心とし、ガストラップ１３は空冷トラップとした。
【００３９】
実施例１ メタノールの製造
化学変換部Ｄの反応管１２内に還元鉄１ｍｍｏｌ（５６ｍｇ；粒径１５０μｍ以下、推定比表面積０．５５５ｍ２／ｇ）を入れておき、反応管１２内の水が１ｍｌ、二酸化炭素が５００μｍｏｌ（２２ｍｇ）となるように設定して、バルブを閉めた状態で反応管１２内の温度を３００℃にして、定常運転を４時間行い、二酸化炭素と水を原料基質としたメタノールの製造を行った。
反応混合物をガス状態で導入バルブ１７から採取してガスクロマトグラフィーにより生成物質の組成を分析したところ、メタノール６０ｎｍｏｌ、メタン２０ｎｍｏｌで、水素、一酸化炭素はほとんど検出されなかった。また、ガストラップ部には２００ｎｍｏｌの液化メタノールが採取された。なお、以下の実施例でも同様にガス状態で検出したメタノールの約３倍量の液化メタノールが採取された。
【００４０】
参考例１ 一酸化炭素の生成
反応管１２内の水が０ｍｌであることと、二酸化炭素が４４０μｍｏｌ（１９．４ｍｇ）であること、反応管内温度が５００℃であること、ならびに運転時間が１時間であること以外は、全て実施例１と同様にして行った。生成物質を分析したところ、２００μｍｏｌの一酸化炭素が生成していたことがわかった。
【００４１】
参考例２ 水素の生成
反応管１２内の還元鉄が５ｍｍｏｌであること、水が３００μｌであることと、二酸化炭素が０μｍｏｌであり、二酸化炭素の代わりに窒素が充填されていること、反応管内温度が１２５℃であること、ならびに運転時間が２．５時間であること以外は、全て実施例１と同様にして行った。生成物質を分析したところ、５μｍｏｌの水素が生成していたことがわかった。
【００４２】
製造例１ 酸化鉄触媒の超微粒子化
ジドデシルジメチルアンモニウムブロミド等を界面活性剤として用いた逆ミセル中に、塩化第二鉄水溶液を可溶化し、水素化ホウ素ナトリウム等で還元する方法で、ほぼ均一粒径の５〜１０ｎｍ程度の酸化鉄超微粒子が得られた。
【００４３】
製造例２ 酸化鉄触媒の多孔質化
窒素雰囲気で３２．７ｇの硫酸鉄７水和物を２００ｍｌの水に溶かし、４５℃に温めながら、１０Ｍ水酸化ナトリウム水溶液１００ｍｌを滴下した。白濁した反応液をそのまま窒素雰囲気中４５℃で６時間かきまぜた後、５０ｍｌの３０％過酸化水素水を注いだ。得られた橙色の沈殿物をろ過して集め、大量の水で洗った後、室温、減圧下で一晩乾燥させた。この橙色の粉末１０．２ｇを、減圧下２００〜２２０℃で２時間加熱すると、赤橙色の粉末が得られた。粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定により目的の酸化鉄（α−Ｆｅ２Ｏ３）であることを確認し、ＢＥＴ吸着等温線測定により、比表面積１１１．０ｍ２／ｇであり、細孔径０．９３２ｎｍであることを確認した。
【００４４】
製造例３ 酸化鉄触媒微粒子の還元・賦活化
図１に示す構成を有するリアクター装置の化学変換部Ｄの反応容器内に酸化第二鉄１ｍｍｏｌを入れておき、容器内の一酸化炭素が４００μｍｏｌとなるように設定して、バルブを閉めた状態で容器温度２２０℃にて、前述のリアクターを用いて定常運転を６時間行った。容器内のガス成分をガスクロマトグラフィーにより分析したところ、一酸化炭素の減少量と二酸化炭素の発生量の物質収支がほぼ一致し、ＢＥＴ吸着等温線測定により求めた比表面積から推定される二酸化炭素の発生量にほぼ一致することを確認することにより、酸化第二鉄Ｆｅ２Ｏ３の多孔質表面が十分還元されていることを確かめた。
【００４５】
実施例２ メタノールの製造
化学変換部Ｄの反応管１２内に、製造例２で調製したものを還元・賦活化した多孔質酸化第二鉄Ｆｅ２Ｏ３１ｍｍｏｌ（還元前の仕込み量１５９．７ｍｇ、比表面積１１１．０ｍ２／ｇ、細孔径０．９３２ｎｍ）を入れておき、反応管１２内の水が１ｍｌ、二酸化炭素が５００μｍｏｌ（２２ｍｇ）となるように設定し、反応管１２内の温度を３００℃にして、定常運転を３時間行い、二酸化炭素と水を原料としたメタノールの製造を行った。
反応混合物をガス状態で導入バルブ１７から採取してガスクロマトグラフィーにより生成物質の組成を分析したところ、メタノール１８０ｎｍｏｌ、メタン５５ｎｍｏｌであり、水素、一酸化炭素はほとんど検出されなかった。
実施例１と実施例２の比較から、触媒多孔質化の効果は明瞭に示されているが、比表面積の増加分には遥か見合わない。前記の如く、本実験で使用した実験装置は簡易型装置であり、拡散抵抗が十分に取り除かれていないものだからである。しかしながら、実用プロセスにおいて拡散抵抗を最小化することは可能であり、多孔質化の効果が実用的レベルで十分に発現され得ることは、工学的に自明である。
【００４６】
実施例３ メタノールの製造
化学変換部Ｄの反応管１２内に、還元鉄１ｍｍｏｌ（５６ｍｇ；粒径１５０μｍ以下、推定比表面積０．５５５ｍ２／ｇ）を入れておき、水０．３ｍｌ、二酸化炭素３００μｍｏｌ（１３．２ｍｇ）、さらにメタンが２７５μｍｏｌとなるように設定し、バルブを閉めた状態で反応管１２内の温度を３００℃にして、定常運転を５時間行い、二酸化炭素と水を原料基質としたメタノールの製造を行った。
反応混合物をガス状態で導入バルブ１７から採取してガスクロマトグラフィーにより生成物質の組成を分析したところ、メタノール７３ｎｍｏｌ、水素４５μｍｏｌであり、一酸化炭素はほとんど検出されなかった。
【００４７】
実施例４ メタノールの製造
化学変換部Ｄの反応管１２内に、製造例２で調製したものを還元・賦活化した多孔質酸化第二鉄Ｆｅ２Ｏ３１ｍｍｏｌ（還元前の仕込み量１５９．７ｍｇ、比表面積１１１．０ｍ２／ｇ、細孔径０．９３２ｎｍ）を入れたこと以外は、全て実施例３と同様にして、二酸化炭素と水を原料基質としたメタノールの製造を行った。
反応混合物をガス状態で導入バルブ１７から採取してガスクロマトグラフィーにより生成物質の組成を分析したところ、メタノール３００ｎｍｏｌ、水素５０μｍｏｌであり、一酸化炭素はほとんど検出されなかった。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の触媒反応システムを用いれば、二酸化炭素と水から一段でメタノールを生成することができる。鉄などの安価かつ耐久性のある安定な金属あるいは金属酸化物触媒を使用でき、微粒子化、多孔質化することで触媒の比表面積を上げれば、反応率を向上させることが可能である。また、メタノール変換反応の前または後に、あるいは反応途中で同時に、メタンなどにより触媒の還元・賦活化を行えば、本発明のメタノール変換反応プロセスおよび触媒システムは、二酸化炭素、水およびメタンなどからほぼメタノールのみを排出するクローズドシステムとすることが可能であり、二酸化炭素削減、クリーンエネルギーへの変換が、安価な触媒系により、一挙に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例において本発明の触媒反応システムの実験に用いた装置の概略図である。
【符号の説明】
Ａ 原料供給部 Ｂ 気化部 Ｃ 気化ガス供給ライン
Ｄ 化学変換部 Ｅ 生成ガス回収ライン Ｆ 生成物質回収部
１ 二酸化炭素
２ 窒素ガス（キャリアー）
３ 水
４ マスフローコントローラー
５ 送液ポンプ
６ ストップバルブ
７ 三方バルブ
８ パージ
９ 気化器
１０ リボンヒーター
１１ 反応炉
１２ 反応管
１３ ガストラップ
１４ 圧力計
１５ 圧力逃がし弁
１６ 排気
１７ ガスクロマトグラフ装置導入バルブ
１８ ガスクロマトグラフ装置
１９ メタン
【発明の属する技術分野】
本発明は金属、金属酸化物あるいはそれらを混合した触媒系により、二酸化炭素と水から、一段で、メタノールに化学変換する触媒反応システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
二酸化炭素の蓄積による地球温暖化問題へのさまざまな対応が国際的な規模で検討されている。技術面では、二酸化炭素の隔離、固定化、有効利用等の技術開発が進められているが未だ、実現の見通しのついた技術は皆無に近い状況である。
【０００３】
その中で、二酸化炭素を有用物質に化学変換する技術としては、金属錯体による光化学的還元、半導体を用いた光化学的還元、金属電極による電気分解還元、酵素を組込んだ反応系による二酸化炭素の変換、接触水素化、金属錯体による超臨界二酸化炭素の還元もしくは金属酸化物による亜臨界二酸化炭素の還元、あるいは天然ガスから合成ガスを生産する際の二酸化炭素改質もしくは二酸化炭素／スチーム改質などがあり、それらによって、一酸化炭素、ギ酸、メタノール、メタン、合成ガス、酢酸、フェノールなどの有用物質に変換しようとするものである。
【０００４】
しかしながら、これらの技術は、いずれも次のような問題を抱えていて、実現性が遠い研究段階にとどまっているのが現状である。すなわち、高価な金属や酵素あるいは試薬を使ったり、触媒や酵素の回収および再利用は難しいというものであったり、極めてコストがかかる超臨界状態、亜臨界状態を必要とするものであったりして、経済的に現実性がないもの；あるいは、目的物質の生成量が極めて少なかったり、目的物質の選択性が低いものであったりして、技術的な実現性に乏しいもの；さらには、多量の電気エネルギーを供給しなければ成立し得ないシステムであったり、それ自体、広範囲の分野に有用である合成ガスあるいは水素等から出発したりするものであって、二酸化炭素を有用物質に変換する理念からは不適切といわざるを得ないものであったりする。
【０００５】
これら二酸化炭素からの化学変換が試みられている有用物質の中でも、メタノールは、クリーン燃料として用いることができ、石油化学工業の出発原料となり得る等、今後、大きな需要が予想される極めて価値の高い物質である。しかしながら、メタノールは、各種の一酸化炭素水素化反応のなかで、熱力学的には反応の自由エネルギー変化が最も大きく、本来的に生成し難いものである。このメタノールを、二酸化炭素を原料にして得ようとした試みとして、以下のような報告、発表がある。
【０００６】
本多、藤嶋らは、チタニア、酸化タングステン、酸化亜鉛、硫化カドミウム、リン化ガリウム、あるいは炭化ケイ素等の半導体を用いた光化学的還元について、水溶液中に溶存させた微少量（常温で３６ｍｍｏｌ／リットル）の二酸化炭素からメタノールが生成することを報告している（Ｎａｔｕｒｅ，２７７巻，ｐ．６３７，１９７９年）。しかし、目的物質メタノールの生成量が極めて少なく、反応液１リットルかつ反応時間１時間、触媒１ｇ当たりのメタノールに換算して１．０５１ｍｇの生成量である。
【０００７】
米山らは、２〜４ｎｍのチタニア超微粒子をポリビニルピロリドンに電気化学的に吸着させたフィルムを用いて水溶液中に溶存させた二酸化炭素の光還元を行い、反応液１リットルかつ反応時間１時間、触媒１ｇ当たりのメタノールに換算して１６．３ｇのメタノールが生成することを報告している（Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．，ｐ．８２９，１９９５年）。しかし、本反応系は、犠牲試薬としての高価なプロパン−２−オールの共存によりはじめてメタノールが生成するために、高価なアルコール利用による比較的安価なメタノール生産のプロセスであるため実用化することの意義は極めて少なくなる。いずれにせよ、太陽光を利用した光電変換による光触媒的二酸化炭素の固定・変換は非効率的であるために実用的でないと判断されている。
【０００８】
また、米山らは、ギ酸脱水素酵素とメタノール脱水素酵素が共存する反応系に７０時間通電して、二酸化炭素からギ酸とホルムアルデヒドとメタノールが生成する手段を開示している（Ｊ．Ａ．Ｃ．Ｓ．，１１６巻， ｐ．５４３７，１９９４年）。反応液５ｍｌに０．３５ｍｇのギ酸脱水素酵素と７．３５ｍｇのメタノール脱水素酵素を用いて、それぞれ１．８μｍｏｌ前後の生成物が得られている。反応液１リットルかつ反応時間１時間、酵素合計１ｍｇ当たりのギ酸、ホルムアルデヒド、およびメタノールに換算して８２．８μｇ，５４．０μｇ，および５７．７μｇの生成量である。したがって、痕跡量程度の目的物質しか得られていないというのが現状である。また、高価な酵素タンパク質を利用した反応システムであり、かつ触媒の回収および再利用は難しく、かつ電気エネルギーを供給しなければ成立し得ないシステムであることに問題がある。
【０００９】
Ｄａｖｅらは、ギ酸脱水素酵素とホルムアルデヒド脱水素酵素、並びにアルコール脱水素酵素をシリカゲルマトリックス中に固定化して共存させた酵素反応系を用いて、二酸化炭素からメタノールが生成することを報告している（Ｊ．Ａ．Ｃ．Ｓ．，１２１巻，ｐ．１２１９２，１９９９年）。反応液２ｍｌかつ反応時間３時間、酵素１０ｍｇずつ３種類（計３０ｍｇ）当たりにメタノール３０μｍｏｌの生成量であり、反応液１リットルかつ反応時間１時間、酵素総計１ｍｇ当たりのメタノールに換算して５．３３ｍｇの生成量となる。ごく少量の目的物質しか得られておらず、この場合もバッチ式の反応システムであることから、高価かつ希少な酵素タンパク質の回収および再利用は難しく、使い切りの反応システムになり採算がとれない。
【００１０】
乾らは、銅−亜鉛混合酸化物に酸化ランタン等の希土類酸化物やパラジウムや銀等の貴金属を添加した複合触媒による水素共存下での二酸化炭素のメタノール化を開示している（現代化学増刊２５，東京化学同人，ｐ．７９，１９９４年）。変換効率は、二酸化炭素のメタノール化では、毎時３９．１ｍｏｌ（１．２５１ｋｇ） ／リットルを達成している。しかしながら、高価な貴金属触媒を使用し、その耐久性にも疑問があり（反応生成物としてメタノールのほかに水ができて、この系における触媒をつぶす）、二酸化炭素の転化率やメタノールへの選択率も、なお改良が望まれる。また、如何にエネルギー負荷の小さい方法で水素を得るかという課題を残したままである。
【００１１】
以上、従来の二酸化炭素からメタノールへの化学変換に関する報告は、いずれも、高価な酵素や試薬を使ったり、触媒や酵素の回収および再利用は難しかったり、メタノールの生成量が極めて少なかったりした。あるいは、電気エネルギーを供給しなければ成立し得ないシステムであったり、それ自体有用な水素等を出発原料とするものであったりした。
【００１２】
なお、メタノールは、従来より、亜鉛、銅、クロム等の複合酸化物系触媒で合成ガス（一酸化炭素と水素の混合ガス）を原料として製造する手段が開発されてきた。また一方、二酸化炭素を原料とした合成ガスの製造に関しては、多くの論文や発表があるが、これらはいずれも、合成ガスの製造法の改良が目的であり、メタノール製造まで視野に置いた製造システムの研究は見当たらない。
【００１３】
したがって、二酸化炭素を変換してメタノール等を得る技術であって、それ自体有効なクリーン燃料である合成ガスや水素を原料とするのではなく、安価かつ枯渇するおそれのない豊富な資源を原料とし、かつ、安価で耐久性のある安定な触媒反応系により、高効率でメタノールを生産することができれば、地球規模の二酸化炭素削減問題への対策として、また、エネルギー問題への対策として、望ましい、実現性のある方法になることが期待できる。二酸化炭素の有用物質への化学変換について、このような理想的な方法が追求されるべきであろう。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような実情に鑑み、本発明の目的は、二酸化炭素をメタノールに化学変換する高耐久性・高活性な触媒反応システムを開発することにある。また、本発明は、合成ガスや水素を原料とするのではなく、水を出発原料として二酸化炭素をメタノールに化学変換することを目的とする。
【００１５】
【問題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、鉄などの安価な金属あるいは金属酸化物触媒を用いて、二酸化炭素と水から一段でメタノールへ変換し得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。さらに、反応前あるいは反応後に、または反応中に同時に、該触媒系を還元、賦活化することが、耐久性ある、クローズドシステムの触媒系とする工業的な製造プロセスとすることに重要であることを知見した。
【００１６】
すなわち、本発明は、二酸化炭素と水を、金属、金属酸化物あるいはそれらを混合した触媒と接触させることにより、メタノールを得ることを特徴とする触媒反応システムを提供するものである。該触媒は、二酸化炭素を還元して一酸化炭素を生成することが可能な活性点と、水を還元して水素発生が可能な活性点をもつ金属あるいは金属酸化物であり、鉄、コバルト、ニッケル及びそれらの酸化物からなる群から選ばれる一種以上が好ましく用いられる。また、メタノール変換反応の前後に、または反応中に、該触媒は還元・賦活化されることが重要である。触媒の還元・賦活化のためには、還元性ガスが用いられ、メタンが好ましく用いられる。二酸化炭素と水と、さらにメタンとを、金属、金属酸化物あるいはそれらを混合した触媒と接触させることは本発明の好ましい態様である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の二酸化炭素と水からメタノールを得る触媒反応システムについて、以下に詳細に説明する。
【００１８】
本発明において使用する金属あるいは金属酸化物触媒は、基本的に、二酸化炭素を還元して一酸化炭素を生成することが可能な活性点と、水を還元して水素発生が可能な活性点を有するものであれば、その種類は特に限定されない。
【００１９】
これら触媒は、二酸化炭素のみ、あるいは、水のみを接触させた場合には、それぞれ、一酸化炭素、水素を生成するが、二酸化炭素と水の両者を一緒に接触させたときには、一酸化炭素、水素はほとんど生成せず、メタノールが主生成物となる。そのメカニズムは不明であるが、例えば鉄の場合、二酸化炭素と水が吸着するとき触媒上の吸着活性点では、Ｆｅ−ＣＯ２およびＦｅ−ＯＨ２を経て、Ｆｅ−ＣＯ、Ｆｅ−Ｃ、Ｆｅ−ＯＨ、Ｆｅ−Ｈ、Ｆｅ−Ｏなどの結合種が生成し、反応系の化合物における化学結合の切断や組換えによって、主としてメタノールが生成するものと推定される。
【００２０】
かかる触媒としては、金属触媒では、例えば、マグネシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ハフニウム、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステン、テクネチウム、レニウム、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金等があげられ、金属酸化物としては、それらの酸化物があげられ、さらには酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム等の担体に担持させた触媒を使用してもよい。これらの中でも、鉄、コバルト、ニッケルおよびそれらの酸化物が本発明における触媒活性の高さから好ましく、安価であり、酸素（Ｏ）を含有する一酸化炭素、二酸化炭素、水等に対する吸着・脱酸素活性がより高いことから、鉄、酸化鉄（とりわけ、四三酸化鉄Ｆｅ３Ｏ４あるいは酸化第一鉄ＦｅＯ）が特に好ましく用いられる。
【００２１】
本発明の触媒系は、上記の如く、基本的に二酸化炭素および水を表面に吸着して還元する能力を有することを要するが、高効率であるためには、比表面積が大きいことが好ましい。そのためには、粒子径が小さいこと、多孔質であることが有利であり、必要に応じて、微粒子化・超微粒子化や多孔質化のための処理が施されることが好ましい。
【００２２】
たとえば、酸化鉄触媒の超微粒子化は、カチオン性界面活性剤を用いた逆ミセル中に、塩化第二鉄水溶液を可溶化し、水素化ホウ素ナトリウム等で還元する方法で、ほぼ均一粒径の５〜１０ｎｍ程度の酸化鉄超微粒子を得ることができる。また、多孔質化された酸化鉄触媒は、石川らの方法（Ｊ．Ｃ．Ｓ．，Ｆａｒａｄａｙ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，８８巻， ｐ．１１７３，１９９２年；Ｌａｎｇｍｕｉｒ，９巻，ｐ．１１２５，１９９３年）に従い、硫酸鉄７水和物を水に溶かし、水酸化ナトリウム水溶液を滴下して得られた反応液に過酸化水素水を注いで生じる沈殿物から得ることができる。後述するように、この方法で、比表面積１１１．０ｍ２／ｇ、細孔径０．９３２ｎｍの酸化鉄（α−Ｆｅ２Ｏ３）が得られた。
【００２３】
本発明における原料である二酸化炭素の供給形態は、特に限定されず、たとえば、二酸化炭素のみからなるガス体あるいは不活性ガス等との混合体、二酸化炭素を含む水溶液等が使用され得る。また、本発明におけるもう一方の原料である水は、二酸化炭素と一緒に供給されても、別途、液体や水蒸気として供給されてもよい。
【００２４】
化学量論的には、１モルの二酸化炭素と２モルの水が、それぞれ１モルの鉄および２モルの鉄で還元されて、１モルのメタノールが生成することとなる。しかし、本発明のメタノール合成反応は、実際には、Ｆｅ−Ｃ（あるいはＦｅ−ＣＯ）とＦｅ−ＨおよびＦｅ−ＯＨとの間の反応であり、二酸化炭素、水の仕込み比は、モル比で水が二酸化炭素の２倍モル以上であることが好ましい。
【００２５】
本発明は、二酸化炭素、水を気化させて、前記金属あるいは金属酸化物触媒に接触させる、気相反応により行われる。圧力は１〜２００気圧で行うことができるが、高圧反応の取り扱い易さの観点から２〜１０気圧程度が好ましい。
【００２６】
本発明において、二酸化炭素と水からメタノールへ変換させるためには、反応温度の選択が極めて重要である。８０℃〜１０００℃で行うことができるが、低温では反応進行が遅く、高温では、メタノールの分解反応が起こり易いため、２００〜５００℃が好適である。
【００２７】
本発明の一段の触媒反応後の生成物質としては、主生成物としてのメタノール以外に、場合によりメタンや水素の副生があり、未反応原料である二酸化炭素、水も残存する。そして、反応に関与した触媒表面は酸化されて活性を失った状態になっている。しかし、酸化された触媒表面を還元・賦活化すれば、残存する未反応原料の反応が再び進行し、メタノールの収量を高めることが可能となる。
【００２８】
すなわち、本発明によれば、変換反応前に十分に還元・賦活化された比表面積の大きい触媒による一段反応により、多量のメタノールを得ることが可能であるが、さらに多量のメタノールを得るには、変換反応の反応前は勿論、反応後または反応中同時に、触媒表面の還元・賦活化を行うことが極めて重要であり、そのような還元・賦活化と変換反応のサイクルを適切にまわすことで工業的規模での本発明のメタノール変換反応が可能となる。
【００２９】
化学変換前後の触媒を賦活化させるための表面改質手段としては特に限定されず、たとえば、２００〜５００℃程度に加熱しながら、水素や一酸化炭素もしくはメタン等のガス、あるいは固体のバイオマス、炭素と接触させる方法；塩酸や硫酸等の酸で洗浄する方法；あるいは触媒表面にレーザー光（とりわけ自由電子レーザー（ＦＥＬ）光）を照射する方法；等がある。そして、循環ライン等により、還元用ガスや酸、あるいはレーザー光を高効率で回収、移送できることが好ましい。
【００３０】
これらの中でも、メタンによって酸化鉄などの触媒を還元・賦活化することは、還元・賦活化作用のみならず、結果的にメタンもメタノールに変換されることになるため、特に好ましい。この場合、本発明の触媒システムは、二酸化炭素、水およびメタンが仕込み原料であり、生成物として主としてメタノールを得るクローズドシステムとなり得る。
【００３１】
かかるメタンを用いた触媒の還元・賦活化の方法としては、例えば以下のいくつかの方法が可能である。
【００３２】
（１）二酸化炭素と水に、さらにメタンを加えて、金属あるいは金属酸化物触媒に接触させる方法；
メタンから生じる還元性ガスが金属酸化物を常に部分的に還元された活性な金属とするため、メタノール生成反応が進行する。すなわち、メタンによる酸化鉄の還元・賦活化が起こって、二酸化炭素、水からのメタノール生成が起こり、一方、酸化鉄の還元時にメタンから直接メタノールが生成するか、または一度二酸化炭素、水まで酸化されたものが、還元鉄によりメタノールを生成する反応が伴われるものと推定される。なお、反応域は１段で済むので最も簡便なシステムである。
【００３３】
（２）二酸化炭素と水に、さらにメタンを加えて金属酸化物を還元して金属触媒に賦活する第１反応工程と、第１反応工程により得られた混合ガスを金属触媒に接触させて金属酸化物に変換し同時にメタノールを生成させる第２反応工程から構成され、かつ第１反応工程と第２反応工程の導入ガスを適時切り替えて、常に該触媒を活性な金属の状態に保ってメタノール生成を行わせる方法；
メタノールの収率を向上させるためには、反応域を２段とする。１段目では、高温度条件にて酸化鉄の還元を目的にメタンを供給して、二酸化炭素、水の生成を許容して還元鉄を得る。生成した二酸化炭素、水は原料として供給する二酸化炭素、水とともに２段目の反応域に導入する。ここでは条件を温和（２００〜３００℃）にしてメタノール収率を向上させる。２段目の還元鉄が酸化されて活性が低下した時点で、１段目と２段目を切り替えて、２段目触媒を還元・賦活化する。
【００３４】
（３）二酸化炭素と水にメタンを加えて該メタンを還元性ガスの一酸化炭素および水素に変換する前処理工程と、前処理工程により得られた還元性ガス含有ガスにより金属酸化物を還元して金属触媒に賦活する第１反応工程と、第１反応工程により得られた混合ガスを金属触媒に接触させて金属酸化物に変換し同時にメタノールを生成させる第２反応工程から構成され、かつ第１反応工程と第２反応工程の導入ガスを適時切り替えて、常に該触媒を活性な金属の状態に保ってメタノール生成を行わせる方法；
やや複雑なシステムとなるが、メタンの還元性を強力にして触媒効率を向上させることができる。
【００３５】
（４）二酸化炭素と水にメタンを加えて還元性ガスの一酸化炭素および水素を含有させる前処理工程と、前処理工程で得られたガス中の還元性ガスで金属酸化物を常に部分的に還元された活性な金属とせしめてメタノールを生成させるメタノール変換工程からなる方法；
このシステムは、触媒の賦活化効率が向上するとともに、触媒に対してプロセスの切り替えがないので、大規模システムに好適である。
【００３６】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３７】
各実験は図１に示す構成を有する装置を用いて実施した。図１に示す装置は、原料供給部Ａ、気化部Ｂ、気化ガス供給ラインＣ、化学変換部Ｄ、生成ガス回収ラインＥ、生成物質回収部Ｆで構成される。
装置の製作は、以下のようにして行った。
【００３８】
原料供給部Ａとしては、二酸化炭素１の入ったボンベとマスフローコントローラー４、ならびにストップバルブ６をステンレス製パイプ（直径１／８インチ）で連結させたラインと、水３の入った容器と送液ポンプ５、ならびに三方バルブ７を上記と同規格のステンレス製パイプで連結させたラインとを組み合わせて使用した。気化部Ｂとしては、気化器９（容積５００ｍｌ）をパイプヒーターと温度調節器で加温しながら使用した。気化ガス供給ラインＣとしては、リボンヒーター１０で被覆したステンレス製パイプ（直径１／８インチ）で連結させたラインを使用し、ガス成分をインジェクションキット部から採取して確認した。化学変換部Ｄとしては、石英ガラス製反応管１２（外径１０ｍｍ， 容積１０ｍｌ）を管状の反応炉１１内に据え付けたものを使用した。生成ガス回収ラインＥにも、リボンヒーター１０で被覆したステンレス製パイプ（直径１／８インチ）で連結させたものを使用した。生成物質回収部Ｆとして、上記と同規格のステンレス製パイプで、その両端を三方バルブに連結させたガストラップ１３をつけて、図１に示す構成を有する装置とした。
なお、本実験は発明の本質を確認することを目的としており、上記本装置は予備的な簡易型装置である。したがって、厳密な工学的基礎データがとれるほどのものではないため、以下の実施例等の実験において、たとえば、ガス流速、反応圧力等の厳密な測定ないしコントロールは行わなかった。また、生成物質の分析についても、実験操作の便宜から、ガス相のガスクロマトグラフィー分析を中心とし、ガストラップ１３は空冷トラップとした。
【００３９】
実施例１ メタノールの製造
化学変換部Ｄの反応管１２内に還元鉄１ｍｍｏｌ（５６ｍｇ；粒径１５０μｍ以下、推定比表面積０．５５５ｍ２／ｇ）を入れておき、反応管１２内の水が１ｍｌ、二酸化炭素が５００μｍｏｌ（２２ｍｇ）となるように設定して、バルブを閉めた状態で反応管１２内の温度を３００℃にして、定常運転を４時間行い、二酸化炭素と水を原料基質としたメタノールの製造を行った。
反応混合物をガス状態で導入バルブ１７から採取してガスクロマトグラフィーにより生成物質の組成を分析したところ、メタノール６０ｎｍｏｌ、メタン２０ｎｍｏｌで、水素、一酸化炭素はほとんど検出されなかった。また、ガストラップ部には２００ｎｍｏｌの液化メタノールが採取された。なお、以下の実施例でも同様にガス状態で検出したメタノールの約３倍量の液化メタノールが採取された。
【００４０】
参考例１ 一酸化炭素の生成
反応管１２内の水が０ｍｌであることと、二酸化炭素が４４０μｍｏｌ（１９．４ｍｇ）であること、反応管内温度が５００℃であること、ならびに運転時間が１時間であること以外は、全て実施例１と同様にして行った。生成物質を分析したところ、２００μｍｏｌの一酸化炭素が生成していたことがわかった。
【００４１】
参考例２ 水素の生成
反応管１２内の還元鉄が５ｍｍｏｌであること、水が３００μｌであることと、二酸化炭素が０μｍｏｌであり、二酸化炭素の代わりに窒素が充填されていること、反応管内温度が１２５℃であること、ならびに運転時間が２．５時間であること以外は、全て実施例１と同様にして行った。生成物質を分析したところ、５μｍｏｌの水素が生成していたことがわかった。
【００４２】
製造例１ 酸化鉄触媒の超微粒子化
ジドデシルジメチルアンモニウムブロミド等を界面活性剤として用いた逆ミセル中に、塩化第二鉄水溶液を可溶化し、水素化ホウ素ナトリウム等で還元する方法で、ほぼ均一粒径の５〜１０ｎｍ程度の酸化鉄超微粒子が得られた。
【００４３】
製造例２ 酸化鉄触媒の多孔質化
窒素雰囲気で３２．７ｇの硫酸鉄７水和物を２００ｍｌの水に溶かし、４５℃に温めながら、１０Ｍ水酸化ナトリウム水溶液１００ｍｌを滴下した。白濁した反応液をそのまま窒素雰囲気中４５℃で６時間かきまぜた後、５０ｍｌの３０％過酸化水素水を注いだ。得られた橙色の沈殿物をろ過して集め、大量の水で洗った後、室温、減圧下で一晩乾燥させた。この橙色の粉末１０．２ｇを、減圧下２００〜２２０℃で２時間加熱すると、赤橙色の粉末が得られた。粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定により目的の酸化鉄（α−Ｆｅ２Ｏ３）であることを確認し、ＢＥＴ吸着等温線測定により、比表面積１１１．０ｍ２／ｇであり、細孔径０．９３２ｎｍであることを確認した。
【００４４】
製造例３ 酸化鉄触媒微粒子の還元・賦活化
図１に示す構成を有するリアクター装置の化学変換部Ｄの反応容器内に酸化第二鉄１ｍｍｏｌを入れておき、容器内の一酸化炭素が４００μｍｏｌとなるように設定して、バルブを閉めた状態で容器温度２２０℃にて、前述のリアクターを用いて定常運転を６時間行った。容器内のガス成分をガスクロマトグラフィーにより分析したところ、一酸化炭素の減少量と二酸化炭素の発生量の物質収支がほぼ一致し、ＢＥＴ吸着等温線測定により求めた比表面積から推定される二酸化炭素の発生量にほぼ一致することを確認することにより、酸化第二鉄Ｆｅ２Ｏ３の多孔質表面が十分還元されていることを確かめた。
【００４５】
実施例２ メタノールの製造
化学変換部Ｄの反応管１２内に、製造例２で調製したものを還元・賦活化した多孔質酸化第二鉄Ｆｅ２Ｏ３１ｍｍｏｌ（還元前の仕込み量１５９．７ｍｇ、比表面積１１１．０ｍ２／ｇ、細孔径０．９３２ｎｍ）を入れておき、反応管１２内の水が１ｍｌ、二酸化炭素が５００μｍｏｌ（２２ｍｇ）となるように設定し、反応管１２内の温度を３００℃にして、定常運転を３時間行い、二酸化炭素と水を原料としたメタノールの製造を行った。
反応混合物をガス状態で導入バルブ１７から採取してガスクロマトグラフィーにより生成物質の組成を分析したところ、メタノール１８０ｎｍｏｌ、メタン５５ｎｍｏｌであり、水素、一酸化炭素はほとんど検出されなかった。
実施例１と実施例２の比較から、触媒多孔質化の効果は明瞭に示されているが、比表面積の増加分には遥か見合わない。前記の如く、本実験で使用した実験装置は簡易型装置であり、拡散抵抗が十分に取り除かれていないものだからである。しかしながら、実用プロセスにおいて拡散抵抗を最小化することは可能であり、多孔質化の効果が実用的レベルで十分に発現され得ることは、工学的に自明である。
【００４６】
実施例３ メタノールの製造
化学変換部Ｄの反応管１２内に、還元鉄１ｍｍｏｌ（５６ｍｇ；粒径１５０μｍ以下、推定比表面積０．５５５ｍ２／ｇ）を入れておき、水０．３ｍｌ、二酸化炭素３００μｍｏｌ（１３．２ｍｇ）、さらにメタンが２７５μｍｏｌとなるように設定し、バルブを閉めた状態で反応管１２内の温度を３００℃にして、定常運転を５時間行い、二酸化炭素と水を原料基質としたメタノールの製造を行った。
反応混合物をガス状態で導入バルブ１７から採取してガスクロマトグラフィーにより生成物質の組成を分析したところ、メタノール７３ｎｍｏｌ、水素４５μｍｏｌであり、一酸化炭素はほとんど検出されなかった。
【００４７】
実施例４ メタノールの製造
化学変換部Ｄの反応管１２内に、製造例２で調製したものを還元・賦活化した多孔質酸化第二鉄Ｆｅ２Ｏ３１ｍｍｏｌ（還元前の仕込み量１５９．７ｍｇ、比表面積１１１．０ｍ２／ｇ、細孔径０．９３２ｎｍ）を入れたこと以外は、全て実施例３と同様にして、二酸化炭素と水を原料基質としたメタノールの製造を行った。
反応混合物をガス状態で導入バルブ１７から採取してガスクロマトグラフィーにより生成物質の組成を分析したところ、メタノール３００ｎｍｏｌ、水素５０μｍｏｌであり、一酸化炭素はほとんど検出されなかった。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の触媒反応システムを用いれば、二酸化炭素と水から一段でメタノールを生成することができる。鉄などの安価かつ耐久性のある安定な金属あるいは金属酸化物触媒を使用でき、微粒子化、多孔質化することで触媒の比表面積を上げれば、反応率を向上させることが可能である。また、メタノール変換反応の前または後に、あるいは反応途中で同時に、メタンなどにより触媒の還元・賦活化を行えば、本発明のメタノール変換反応プロセスおよび触媒システムは、二酸化炭素、水およびメタンなどからほぼメタノールのみを排出するクローズドシステムとすることが可能であり、二酸化炭素削減、クリーンエネルギーへの変換が、安価な触媒系により、一挙に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例において本発明の触媒反応システムの実験に用いた装置の概略図である。
【符号の説明】
Ａ 原料供給部 Ｂ 気化部 Ｃ 気化ガス供給ライン
Ｄ 化学変換部 Ｅ 生成ガス回収ライン Ｆ 生成物質回収部
１ 二酸化炭素
２ 窒素ガス（キャリアー）
３ 水
４ マスフローコントローラー
５ 送液ポンプ
６ ストップバルブ
７ 三方バルブ
８ パージ
９ 気化器
１０ リボンヒーター
１１ 反応炉
１２ 反応管
１３ ガストラップ
１４ 圧力計
１５ 圧力逃がし弁
１６ 排気
１７ ガスクロマトグラフ装置導入バルブ
１８ ガスクロマトグラフ装置
１９ メタン
Claims (5)
- 二酸化炭素と水を、金属、金属酸化物あるいはそれらを混合した触媒と接触させることにより、メタノールを得ることを特徴とする触媒反応システム。
- 該触媒が、二酸化炭素を還元して一酸化炭素を生成することが可能な活性点と、水を還元して水素発生が可能な活性点をもつ金属あるいは金属酸化物である請求項１記載の触媒反応システム。
- 該触媒が、鉄、コバルト、ニッケル及びそれらの酸化物からなる群から選ばれる一種以上である請求項１又は２記載の触媒反応システム。
- 該触媒が、メタノール変換反応の反応前あるいは反応後に、または反応中に同時に、還元・賦活されるものである請求項１〜３記載の触媒反応システム。
- 二酸化炭素と水と、さらにメタンを加えて、該触媒と接触させることによりメタノールを得る請求項１〜４記載の触媒反応システム。
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-
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- 2002-06-21 JP JP2002181335A patent/JP2004026667A/ja not_active Withdrawn
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