JP2006061760A - 炭化水素分解用触媒及び該炭化水素分解用触媒を用いた水素の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 マグネシウム、アルミニウム、ニッケルを構成元素とし、且つ、アルカリ金属(Naを除く)、アルカリ土類金属(Mgを除く)、Zn、Co、Ce、Cr、Fe、Laから選ばれる一種又は二種以上の元素を含有する炭化水素分解用触媒であって、金属ニッケル微粒子の平均粒子径が1〜10nmであって金属ニッケルの含有量が炭化水素分解用触媒に対して0.1〜40wt%であって金属ニッケルの含有量が炭化水素分解用触媒を構成する全金属イオンの合計モル数に対して0.0007〜0.342である炭化水素分解用触媒である。
【選択図】 なし
Description
CH4+H2O→3H2+CO
一般に、この反応は600℃〜800℃付近で行われ、S/C(水蒸気/炭素比:Steam/Carbon比)が2.5〜3.5付近で行われる。この反応は吸熱反応であり、温度が高い程、反応を促進することができる。
殊に、金属ニッケル及び金属ルテニウムが炭化水素分解用触媒を構成する粒子の粒子表面近傍又は粒子を造粒して得られる触媒成形体の表面近傍のいずれかに担持されている場合には、金属ニッケル及び金属ルテニウムと低級炭化水素、水蒸気との接触する面積がより増大し、より触媒活性が向上するとともに、低水蒸気条件下においてスチーム改質を行ってもコーキングを抑制することができる。
次いで、該層状複水水酸化物芯粒子を含む水懸濁液に、前記層状複水水酸化物芯粒子の生成時に添加した前記マグネシウムと前記アルミニウムとの合計モル数に対して、合計モル数が0.05〜0.5となる割合のマグネシウム、アルミニウム、ニッケル(及びルテニウム)及びアルカリ金属(Naを除く)、アルカリ土類金属(Mgを除く)、Zn、Co、Ce、Cr、Fe、Laから選ばれる一種又は二種以上の元素を含有する水溶液を添加した後、pH値が9.0〜13.0の範囲、温度が40〜300℃の範囲で熟成して、前記層状複水水酸化物芯粒子の粒子表面に新たに添加したマグネシウム、アルミニウム、ニッケル、ルテニウム及びアルカリ金属(Naを除く)、アルカリ土類金属(Mgを除く)、Zn、Co、Ce、Cr、Fe、Laから選ばれる一種又は二種以上の元素をトポタクティックに被覆形成する成長反応を行うことで得られる(二段階反応)。
本発明に係る炭化水素分解用触媒が耐酸化性に優れており、優れた触媒活性を有する理由は未だ明らかではないが、本発明者は次のように推定している。
殊に、金属ニッケル微粒子が触媒を構成する粒子の粒子表面近傍又は造粒して得られる触媒成型体の表面近傍のいずれかに担持した場合には、炭化水素分解反応において低級炭化水素ガスを効率良くニッケル及びルテニウムと接触させることができるので、より触媒活性が向上するものである。
MgSO4・7H2O 104.4gとAl2(SO4)3・8H2O 34.32gとを水で溶解させ1000mlとした。別にNaOH 286.1ml(14mol/L濃度)に、NaCO3 13.12gを溶解させた1000ml溶液を加えて全量2000mlのアルカリ混合溶液を用意した。このアルカリ混合溶液に前記マグネシウム塩とアルミニウム塩との混合溶液を加え、80℃で8時間熟成を行って層状複水水酸化物芯粒子を得た。このときの反応溶液のpH11.8であった。
次いで、このアルカリ性懸濁液に、MgSO4・7H2O 26.35gとNiSO4・6H2O 24.36gとAl2(SO4)3・8H2O 8.667gとLiNO3 13.29gとを溶かした500mlのマグネシウム塩とニッケル塩とアルミニウム塩とリチウム塩との混合溶液を加え、反応溶液のpHを11.1にし、さらに95℃で12時間熟成し、前記層状複水水酸化物芯粒子表面にトポタクティックに成長させ、層状複水水酸化物粒子を得た。なお、成長反応時に添加したマグネシウム、アルミニウム、ニッケル、リチウムの合計モル数は、芯粒子の生成時に添加した前記マグネシウムと前記アルミニウムとの合計モル数に対して、0.294であった。ここに得た層状複水水酸化物粒子の平均板面径は0.215μmであり、結晶子サイズD006は0.054μmであり、BETは53.1m2/gであった。
炭化水素用触媒の評価は、触媒を直径20mmのステンレス製反応管に20〜50g充填して触媒管を作った。
この触媒管(反応器)に対して、原料ガスとして都市ガス13A、水蒸気を、反応圧力0.5MPa、反応温度400℃〜1000℃、空間速度を50000h−1として流通させた。この時の水蒸気/炭素比(S/C)は1.5又は3.0である。
メタン転化率(%)=(1−出口メタン濃度/入口メタン濃度)×100
表1はGHSVが50000h−1、水蒸気/炭素(S/C)が3.0で24時間反応させた場合の反応温度(400℃〜1000℃)とメタン転化率の関係を示す。
表2はGHSVが50000h−1、反応温度が700℃、水蒸気/炭素(S/C)が1.5及び3.0の場合、反応時間とメタン転化率の関係を示す。
表3はGHSVが50000h−1、反応温度が700℃、水蒸気/炭素(S/C)が1.5における反応時間と触媒活性測定前後の炭素析出量の関係を示す。
MgCl2・6H2O 103.3gとAlCl3・6H2O 24.53gとNiCl2・6H2O 82.76gとRuCl3 0.03gとLiNO3 12.61を水で溶解させ1000mlとした。別にNaOH 326ml(14mol/L濃度)に、NaCO3 15.08gを溶解させた1000ml溶液を加えて全量2000mlのアルカリ混合溶液を用意した。このアルカリ混合溶液に前記マグネシウム塩とアルミニウム塩とニッケル塩とルテニウム塩とリチウム塩の混合溶液を加え、90℃で12時間熟成を行って層状複水水酸化物粒子を得た。このときの反応溶液のpH12.8であった。ここに得た層状複水水酸化物粒子の平均板面径は0.284μmであり、結晶子サイズD006は0.068μmであり、BETは8.5m2/gであった。
MgCl2・6H2O 102.5gとAlCl3・6H2O 30.43gとを水で溶解させ1000mlとした。別にNaOH 346ml(14mol/L濃度)に、NaCO3 19.48gを溶解させた1000ml溶液を加えて全量2000mlのアルカリ混合溶液を用意した。このアルカリ混合溶液に前記マグネシウム塩とアルミニウム塩との混合溶液を加え、174℃で3時間熟成を行って層状複水水酸化物芯粒子を得た。このときの反応溶液のpH11.5であった。
次いで、このアルカリ性懸濁液に、MgCl2・6H2O 4.223gとNiCl2・6H2O 24.16gとAlCl3・6H2O 1.254gとRu(NO3)3 0.215gとLiNO3 14.32gを溶かした500mlのマグネシウム塩とニッケル塩とアルミニウム塩とルテニウム塩とカリウム塩の混合溶液を加え、反応溶液のpHを10.8にし、さらに230℃で15時間熟成し、前記層状複水水酸化物芯粒子表面にトポタクティックに成長させ、層状複水水酸化物粒子を得た。なお、成長反応時に添加したマグネシウム、アルミニウム、ニッケル、ルテニウム、リチウムの合計モル数は、芯粒子の生成時に添加した前記マグネシウムと前記アルミニウムとの合計モル数に対して、0.313であった。ここに得た層状複水水酸化物粒子の平均板面径は0.212μmであり、結晶子サイズD006は0.065μmであり、BETは18.2m2/gであった。
MgCl2・6H2O 95.29gとAlCl3・6H2O 22.63gとを水で溶解させ1000mlとした。別にNaOH 168ml(14mol/L濃度)に、NaCO3 18.08gを溶解させた1000ml溶液を加えて全量2000mlのアルカリ混合溶液を用意した。このアルカリ混合溶液に前記マグネシウム塩とアルミニウム塩との混合溶液を加え、60℃で3時間熟成を行って層状複水水酸化物芯粒子を得た。このときの反応溶液のpH10.5であった。
次いで、このアルカリ性懸濁液に、MgCl2・6H2O 28.54gとNiCl2・6H2O 0.196gとAlCl3・6H2O 6.780gとRu(NO3)3 6.140gとKCl 8.159gを溶かした500mlのマグネシウム塩とニッケル塩とアルミニウム塩とルテニウム塩とカリウム塩の混合溶液を加え、反応溶液のpHを10.2にし、さらに120℃で8時間熟成し、前記層状複水水酸化物芯粒子表面にトポタクティックに成長させ、層状複水水酸化物粒子を得た。なお、成長反応時に添加したマグネシウム、アルミニウム、ニッケル、ルテニウム、カリウムの合計モル数は、芯粒子の生成時に添加した前記マグネシウムと前記アルミニウムとの合計モル数に対して、0.250であった。ここに得た層状複水水酸化物粒子の平均板面径は0.154μmであり、結晶子サイズD006は0.038μmであり、BETは98.2m2/gであった。
MgSO4・7H2O 194.4gとAl2(SO4)3・8H2O 70.59gとを水で溶解させ1000mlとした。別にNaOH 296.5ml(14mol/L濃度)に、NaCO3 26.32gを溶解させた1000ml溶液を加えて全量2000mlのアルカリ混合溶液を用意した。このアルカリ混合溶液に前記マグネシウム塩とアルミニウム塩との混合溶液を加え、75℃で4時間熟成を行って層状複水水酸化物芯粒子を得た。このときの反応溶液のpH11.2であった。
次いで、このアルカリ性懸濁液に、MgSO4・7H2O 38.63gとNiSO4・6H2O 34.62gとAl2(SO4)3・8H2O 15.25gとRu(NO3)3 2.526gとCaSO4・2H2O 25.08gを溶かした500mlのマグネシウム塩とニッケル塩とアルミニウム塩とルテニウム塩とカルシウム塩の混合溶液を加え、反応溶液のpHを9.1にし、さらに91℃で18時間熟成し、前記層状複水水酸化物芯粒子表面にトポタクティックに成長させ、層状複水水酸化物粒子を得た。なお、成長反応時に添加したマグネシウム、アルミニウム、ニッケル、ルテニウム、カルシウムの合計モル数は、芯粒子の生成時に添加した前記マグネシウムと前記アルミニウムとの合計モル数に対して、0.435であった。ここに得た層状複水水酸化物粒子の平均板面径は0.184μmであり、結晶子サイズD006は0.052μmであり、BETは84.4m2/gであった。
MgSO4・7H2O 69.36gとAl2(SO4)3・8H2O 27.37gとNiSO4・6H2O 5.919gとRuCl3 0.701gとZnSO4・7H2O 73.90を水で溶解させ1000mlとした。別にNaOH 43.01ml(14mol/L濃度)に、NaCO3 8.301gを溶解させた1000ml溶液を加えて全量2000mlのアルカリ混合溶液を用意した。このアルカリ混合溶液に前記マグネシウム塩とアルミニウム塩とニッケル塩とルテニウム塩と亜鉛塩の混合溶液を加え、58℃で16時間熟成を行って層状複水水酸化物粒子を得た。このときの反応溶液のpH7.2であった。
ここに得た層状複水水酸化物粒子の平均板面径は0.051μmであり、結晶子サイズD006は0.001μmであり、BETは298.3m2/gであった。
Mg(NO3)2・6H2O 226.7gとAl(NO3)3・9H2O 59.23gとを水で溶解させ1000mlとした。別にNaOH 495.9ml(14mol/L濃度)に、NaCO3 26.40gを溶解させた1000ml溶液を加えて全量2000mlのアルカリ混合溶液を用意した。このアルカリ混合溶液に前記マグネシウム塩とアルミニウム塩との混合溶液を加え、150℃で4時間熟成を行って層状複水水酸化物芯粒子を得た。このときの反応溶液のpH12.9であった。
次いで、このアルカリ性懸濁液に、Mg(NO3)2・6H2O 26.64gとNi(NO3)2・6H2O 93.05gとAl(NO3)3・9H2O 7.503gとRu(NO3)3 5.754gとCe(NO3)3・6H2O 16.03を溶かした500mlのマグネシウム塩とニッケル塩とアルミニウム塩とルテニウム塩とセリウム塩の混合溶液を加え、反応溶液のpHを11.9にし、さらに292℃で2時間熟成し、前記層状複水水酸化物芯粒子表面にトポタクティックに成長させ、層状複水水酸化物粒子を得た。なお、成長反応時に添加したマグネシウム、アルミニウム、ニッケル、ルテニウム、セリウムの合計モル数は、芯粒子の生成時に添加した前記マグネシウムと前記アルミニウムとの合計モル数に対して、0.167であった。ここに得た層状複水水酸化物粒子の平均板面径は0.395μmであり、結晶子サイズD006は0.079μmであり、BETは3.2m2/gであった。
Mg(NO3)2・6H2O 88.65gとAl(NO3)3・9H2O 29.47gとを水で溶解させ1000mlとした。別にNaOH 259.2ml(14mol/L濃度)に、NaCO3 13.38gを溶解させた1000ml溶液を加えて全量2000mlのアルカリ混合溶液を用意した。このアルカリ混合溶液に前記マグネシウム塩とアルミニウム塩との混合溶液を加え、95℃で8時間熟成を行って層状複水水酸化物芯粒子を得た。このときの反応溶液のpH9.8であった。
次いで、このアルカリ性懸濁液に、Mg(NO3)2・6H2O 14.86gとNi(NO3)2・6H2O 20.22gとAl(NO3)3・9H2O 4.347gとRuCl3 1.876gとLaCl3・7H2O 13.29gを溶かした500mlのマグネシウム塩とニッケル塩とアルミニウム塩とルテニウム塩とランタン塩の混合溶液を加え、反応溶液のpHを9.5にし、さらに75℃で12時間熟成し、前記層状複水水酸化物芯粒子表面にトポタクティックに成長させ、層状複水水酸化物粒子を得た。なお、成長反応時に添加したマグネシウム、アルミニウム、ニッケル、ルテニウム、ランタンの合計モル数は、芯粒子の生成時に添加した前記マグネシウムと前記アルミニウムとの合計モル数に対して、0.333であった。ここに得た層状複水水酸化物粒子の平均板面径は0.105μmであり、結晶子サイズD006は0.022μmであり、BETは215.3m2/gであった。
MgSO4・7H2O 167.2gとAl2(SO4)3・8H2O 43.41gとを水で溶解させ1000mlとした。別にNaOH 157.8ml(14mol/L濃度)に、NaCO3 15.56gを溶解させた1000ml溶液を加えて全量2000mlのアルカリ混合溶液を用意した。このアルカリ混合溶液に前記マグネシウム塩とアルミニウム塩との混合溶液を加え、210℃で19時間熟成を行って層状複水水酸化物芯粒子を得た。このときの反応溶液のpH10.2であった。
次いで、このアルカリ性懸濁液に、MgSO4・7H2O 19.21gとNiSO4・6H2O 5.739gとAl2(SO4)3・8H2O 7.583gとRuCl3 2.459gとLi2SO4・H2O 11.28gとCe(ClO4)3・8H2O 5.705gを溶かした500mlのマグネシウム塩とニッケル塩とアルミニウム塩とルテニウム塩とリチウム塩とセリウム塩の混合溶液を加え、反応溶液のpHを10.1にし、さらに180℃で4時間熟成し、前記層状複水水酸化物芯粒子表面にトポタクティックに成長させ、層状複水水酸化物粒子を得た。なお、成長反応時に添加したマグネシウム、アルミニウム、ニッケル、ルテニウム、リチウム、セリウムの合計モル数は、芯粒子の生成時に添加した前記マグネシウムと前記アルミニウムとの合計モル数に対して、0.143であった。ここに得た層状複水水酸化物粒子の平均板面径は0.32μmであり、結晶子サイズD006は0.071μmであり、BETは10.2m2/gであった。
MgCl2・6H2O 74.33gとAlCl3・6H2O 15.22gとを水で溶解させ1000mlとした。別にNaOH 202.6ml(14mol/L濃度)に、NaCO3 12.35gを溶解させた1000ml溶液を加えて全量2000mlのアルカリ混合溶液を用意した。このアルカリ混合溶液に前記マグネシウム塩とアルミニウム塩との混合溶液を加え、120℃で8時間熟成を行って層状複水水酸化物芯粒子を得た。このときの反応溶液のpH10.6であった。
次いで、このアルカリ性懸濁液に、MgCl2・6H2O 20.54gとNiCl2・6H2O 75.22gとAlCl3・6H2O 4.877gとRuCl3 1.046gとKCl 13.32gとLa(NO3)3・6H2O 25.79gを溶かした500mlのマグネシウム塩とニッケル塩とアルミニウム塩とルテニウム塩とカリウム塩とランタン塩の混合溶液を加え、反応溶液のpHを10.1にし、さらに180℃で4時間熟成し、前記層状複水水酸化物芯粒子表面にトポタクティックに成長させ、層状複水水酸化物粒子を得た。なお、成長反応時に添加したマグネシウム、アルミニウム、ニッケル、ルテニウム、カリウム、ランタンの合計モル数は、芯粒子の生成時に添加した前記マグネシウムと前記アルミニウムとの合計モル数に対して、0.454であった。ここに得た層状複水水酸化物粒子の平均板面径は0.162μmであり、結晶子サイズD006は0.043μmであり、BETは101.5m2/gであった。
MgSO4・7H2O 94.51gとAl2(SO4)3・8H2O 37.29gとNiSO4・6H2O 4.033gとRuCl3 2.207gとLiNO3 14.27とZn(NO3)3・6H2O 47.33gを水で溶解させ1000mlとした。別にNaOH 22.12ml(14mol/L濃度)に、NaCO3 11.38gを溶解させた1000ml溶液を加えて全量2000mlのアルカリ混合溶液を用意した。このアルカリ混合溶液に前記マグネシウム塩とアルミニウム塩との混合溶液を加え、295℃で1時間熟成を行って層状複水水酸化物粒子を得た。このときの反応溶液のpH8.4であった。
ここに得た層状複水水酸化物粒子の平均板面径は0.085μmであり、結晶子サイズD006は0.012μmであり、BETは242.2m2/gであった。
MgSO4・7H2O 199.7gとAl2(SO4)3・8H2O 78.84gとNiSO4・6H2O 170.5gとRuCl3 3.364gとを水で溶解させ1000mlとした。別にNaOH 595.0ml(14mol/L濃度)に、NaCO3 24.07gを溶解させた1000ml溶液を加えて全量1000mlのアルカリ混合溶液を用意した。
このアルカリ混合溶液に上記マグネシウム塩とアルミニウム塩との混合溶液を加え、132℃で24時間熟成を行い、触媒前駆体である層状複水水酸化物粒子粉末を得た。該層状複水水酸化物粒子粉末の板面径は0.298μmであり、結晶子サイズD006は0.041μmであり、BETは59.3m2/gであった。
続いて、この粉末状触媒前駆体を直径3mmの球形体ビーズとした。850℃、24時間空気中にて焼成し、850℃にて水素/アルゴン体積比が20/80のガス気流中において5時間還元処理を行い、炭化水素分解用触媒を得た。得られた触媒中のニッケルの含有量は42.811wt%(Ni/(全金属イオン)=0.360(モル比))であり、金属ニッケル微粒子の大きさは35nmであった。得られた触媒中のルテニウムの含有量は1.843wt%(Ru/(全金属イオン)=0.009(モル比))であり、金属ルテニウム微粒子の大きさは18nmであった。なお、金属ニッケル粒子及び金属ルテニウムは、粒子全体に存在するものと推定される。
α−アルミナ粉末を2.5mmの球形状ビーズとして、1150℃で10時間空気中にて焼成した。これにNi(NO3)2・6H2O 212.2gを純水に溶解させた1000mlの溶液をスプレーで塗布し、乾燥後、660℃で6時間空気中にて焼成した。さらに水素/アルゴン体積比が20/80のガス気流中において800℃で9時間還元処理を行った。得られた触媒中のニッケルの含有量は10.2wt%(Ni/(全金属イオン)=0.09)であり、金属ニッケル微粒子の大きさは48nmであった。
α−アルミナ粉末を2.5mmの球形状ビーズとして、1200℃で5時間空気中にて焼成した。これにRuCl3 212.2gを純水に溶解させた1000mlの溶液をスプレーで塗布し、乾燥後、580℃で5時間空気中にて焼成した。さらに水素/アルゴン体積比が20/80のガス気流中において540℃で3時間還元処理を行った。得られた触媒中のルテニウムの含有量は9.015wt%(Ru/全金属イオン=0.048)であり、金属ルテニウム微粒子の大きさは15nmであった。
Claims (4)
- マグネシウム、アルミニウム、ニッケルを構成元素とし、且つ、アルカリ金属(Naを除く)、アルカリ土類金属(Mgを除く)、Zn、Co、Ce、Cr、Fe、Laから選ばれる一種又は二種以上の元素を含有する炭化水素分解用触媒であって、金属ニッケル微粒子の平均粒子径が1〜10nmであって金属ニッケルの含有量が炭化水素分解用触媒に対して0.1〜40wt%であって金属ニッケルの含有量が炭化水素分解用触媒を構成する全金属イオンの合計モル数に対して0.0007〜0.342であることを特徴とする炭化水素分解用触媒。
- 請求項1記載の炭化水素分解用触媒において、さらに、ルテニウムを含有することを特徴とする炭化水素分解用触媒。
- 請求項1又は2記載の炭化水素分解用触媒において、アルカリ金属(Naを除く)、アルカリ土類金属(Mgを除く)、Zn、Co、Ce、Cr、Fe、Laから選ばれる一種又は二種以上の元素の含有量が、炭化水素分解用触媒を構成するニッケル及びルテニウム1モルに対するモル比で0.1〜10.0であることを特徴とする炭化水素分解用触媒。
- 低級炭化水素を主体としたガスをスチーム改質により水素を製造する方法において、請求項1乃至3のいずれかに記載の炭化水素分解用触媒、低級炭化水素ガス及びスチームを接触させることを特徴とする水素の製造方法。
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