JP2008214258A - α,β−不飽和カルボン酸の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】触媒としてパラジウムとテルルとを含む金属微粒子が担体に担持されているα,β−不飽和カルボン酸合成用触媒を用い、その触媒のバルク組成におけるTe/Pd原子比をA、表層組成におけるTe/Pd原子比をBとしたときに、B/Aが1より大きく5.0以下となるように制御する。
【選択図】なし
Description
(式中、Pd、TeおよびOはそれぞれパラジウム、テルルおよび酸素を表し、Cは白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、金、鉛および銀からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、Dは鉛、ビスマス、アンチモン、タリウムおよび水銀からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、Eは珪素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、マグネシウム、炭素およびカルシウムからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である。EOxは元素Eの群の酸化物であり担体としての働きを期待するものであり、xは元素Eの原子価を満足するのに必要な酸素の原子比である。また、a,b,c,dおよびeは各元素または担体の質量比を表し、e=100のとき、0.1≦a≦40、0≦c≦12、0≦d≦12であり、パラジウムに対するテルルの原子数比が0.005≦テルル/パラジウム≦0.3を満たすbである。)
また本発明において、前記担体にパラジウム塩を担持させた触媒前駆体を得る工程と、水蒸気の濃度を20〜90容量%に制御された流通ガスを導入しつつ、前記触媒前駆体をその熱分解温度以上で熱処理する工程と、前記熱処理された触媒前駆体を還元する工程ととを有する方法により、前記α,β−不飽和カルボン酸合成用触媒を準備することが好ましい。
触媒0.5gに36質量%塩酸5ml、57質量%ヨウ化水素酸10mlおよび47質量%フッ化水素酸2.5mlを順次加え、密封した状態で加熱して完全に溶解させる。その後、ポリプロピレン製メスフラスコに移液し、標線まで純水で希釈してサンプル液とする。ついで、このサンプル液を適宜希釈した上で、ICP発行分光分析装置(サーモエレメンタル社製,IRIS−advantage(商品名))を用いてTeおよびPdを定量し、その原子比Aをバルク組成比(Te/Pd)として算出する。
触媒をメノウ乳鉢で粉砕する。これを導電性カーボンテープに塗布し、X線光電子分光装置(VG製,ESCA LAB220iXL(商品名))のX線が照射される場所に設置する。この試料にAlKα線をモノクロ線源で10kV出力で250μm×1000μmのエリアに照射し、試料から放出される光電子を集光してXPSスペクトルを得る。解析ソフト(Eclips(商品名))を用いて、各元素に対するXPSピークエリア比からTeおよびPdの原子数%を見積もり、その原子数比Bを表層組成比(Te/Pd)として算出する。
触媒をSuppr Resin法にてポリプロピレン製カプセルに包埋し、ミクロトーム(Leica製、ULTRACUT−S(商品名))にて超薄切片を作製する。これを透過型電子顕微鏡(HITACHI製、H−7600(商品名))で検鏡し、画像を撮影する。撮影した画像は、画像解析ソフトImage Pro Plus(商品名)を用い、各試料について10視野以上から200個以上の粒子径(直径)について、各々金属粒子径を測定する。得られた金属粒子径の個数分布から、直径1〜8nmの金属微粒子の個数割合を求める。
担体0.1gを採取し、比表面積・細孔径分布測定装置(Micromeritics社製、TriStar3000(商品名))にて測定する。試料の脱ガス条件は200℃3時間とする。液体窒素温度下の窒素ガス脱着等温線からBJH法細孔径分布を解析して、細孔径(直径)2〜10nmの細孔の容積割合を求める。
(式中、Pd、TeおよびOはそれぞれパラジウム、テルルおよび酸素を表し、Cは白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、金、鉛および銀からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、Dは鉛、ビスマス、アンチモン、タリウムおよび水銀からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、Eは珪素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、マグネシウム、炭素およびカルシウムからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である。EOxは元素Eの群の酸化物であり担体としての働きを期待するものであり、xは元素Eの原子価を満足するのに必要な酸素の原子比である。また、a,b,c,dおよびeは各元素または担体の質量比を表し、e=100のとき、0.1≦a≦40、0≦c≦12、0≦d≦12であり、パラジウムに対するテルルの原子数比が0.005≦テルル/パラジウム≦0.3を満たすbである。)
なお、触媒に含まれるパラジウムは、高い触媒活性を発現させる観点から、全部又は一部が金属状態であることが好ましい。触媒に含まれるテルルは、酸化状態でも還元状態でも金属状態でもよい。
触媒0.5gに36質量%塩酸5ml、57質量%ヨウ化水素酸10mlおよび47質量%フッ化水素酸2.5mlを順次加え、密封した状態で加熱して完全に溶解させた。その後、ポリプロピレン製メスフラスコに移液し、標線まで純水で希釈してサンプル液とした。ついで、このサンプル液を適宜希釈した上で、ICP発光分光分析装置(サーモエレメンタル社製,IRIS−advantage(商品名))を用いてTeおよびPdを定量し、その原子数比Aをバルク組成比(Te/Pd)として算出した。
本発明における金属微粒子の表層組成比は、X線光電子分光法(XPS:X−ray Photoelectron Spectroscopy)で測定を行い、得られたスペクトルの面積からTeおよびPdの原子数%を見積もり、その原子数比Bを表層組成比(Te/Pd)として算出した。
本発明における金属粒子径の測定には、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electro Microscope)で行い、得られた画像から金属粒子径を見積もり、それらの平均粒子径を算出した。
担体0.1gを採取し、比表面積・細孔径分布測定装置(Micromeritics社製、TriStar3000(商品名))にて測定した。試料の脱ガス条件は200℃3時間とした。液体窒素温度下の窒素ガス吸着等温線からBET比表面積を、脱着等温線からBJH法細孔径分布を解析して、細孔容積、直径2〜10nmの細孔の容積割合および平均細孔径を求めた。
液相酸化反応を行う反応容器としては、内径126mm、容量4リットルのジャケット付きステンレス製撹拌槽式反応器を用いた。原料は溶媒と共に反応容器上部から供給し、反応液は液相部の液面を一定に保ちつつ、連続的に系外へ抜き出す構造となっている。排ガス中の酸素濃度は磁気式酸素計(横河電気社製)で常時モニターした。
反応液と排ガスをサンプリングし、それぞれ分析を行った。原料および生成物の分析は、FIDまたはTCD検出器を備えたガスクロマトグラフィー(島津製作所社製)を用いて行った。なお、生成するメタクリル酸の選択率、生成するメタクリル酸の生産性は以下のように定義される。
メタクリル酸の選択率(%) =(B/A)×100
メタクリル酸の生産性(g−MAA/(g−Pd・hr))=(B×MwM)/PD
ここで、Aは消失したイソブチレンのモル流量(mol/h)、Bは生成したメタクリル酸のモル流量(mol/h)、MwMはメタクリル酸の分子量、PDは反応に使用したパラジウムの質量(g)である。
(触媒調製)
硝酸パラジウム溶液(Pd含有率25.60質量%)195.3部(Pd50部)に少量の純水で溶解させたテルル酸10.8部(Te/Pd仕込み原子比は、0.10)および純水500部を加えた混合溶液を調製した。ジルコニア担体(比表面積80m2/g、細孔容積0.25cc/g、平均細孔径7.6nm、細孔径2〜10nmの細孔が細孔容積の75容積%)250部に上記混合溶液を浸漬させた後にエバポレーターを用い、減圧下で70℃、2時間かけて溶媒を蒸発させた。その後、空気中200℃で3時間熱処理を行った。途中、120℃から200℃までの昇温中及び200℃での熱処理は、水蒸気の濃度が40容量%に制御されたガスを流通させた。得られた触媒前駆体に37質量%ホルムアルデヒド水溶液500部を加えた。70℃に加熱し、2時間攪拌保持し、吸引ろ過後純水で洗浄して、パラジウム含有担持触媒を得た。
製造したパラジウム含有担持触媒を用いてイソブチレンの液相酸化反応を行った。反応生成物の分析値を、反応開始5時間後、25時間後、43時間後について表1に示した。
パラジウム含有担持触媒のバルク組成比A、表層組成比Bおよび金属粒子径分布を測定した。触媒試料は、反応前品と、各生成物分析時の採取品である。それぞれの触媒試料におけるB/A、金属微粒子の平均粒子径および直径1〜8nmの範囲内にある金属微粒子の割合を表1に示した。
(触媒調製)
硝酸パラジウム溶液(Pd含有率25.60質量%)195.3部(Pd50部)に少量の純水で溶解させたテルル酸5.4部(Te/Pd仕込み原子比は、0.05)および純水1000部を加えた混合溶液を調製した。シリカ担体(比表面積520m2/g、細孔容積0.73cc/g、平均細孔径4.7nm、細孔径2〜10nmの細孔が細孔容積の90容積%)1000部に上記混合溶液を浸漬させた後にエバポレーターを用い、減圧下で70℃、2時間かけて溶媒を蒸発させた。その後、空気中200℃で3時間熱処理を行った。途中、120℃から200℃までの昇温中及び200℃での熱処理中は、水蒸気の濃度が50容量%に制御されたガスを流通させた。得られた触媒前駆体に37質量%ホルムアルデヒド水溶液500部を加えた。70℃に加熱し、2時間攪拌保持し、吸引ろ過後純水で洗浄して、パラジウム含有担持触媒を得た。
製造したパラジウム含有担持触媒を用いてイソブチレンの液相酸化反応を行った。反応生成物の分析値を、反応開始5時間後、25時間後、43時間後について表2に示した。
パラジウム含有担持触媒(反応前品と、各生成物分析時の採取品)の評価を実施例1と同様の方法で実施した。それぞれの触媒試料におけるB/A、金属微粒子の平均粒子径および直径1〜8nmの範囲内にある金属微粒子の割合を表2に示した。
(触媒調製)
硝酸パラジウム溶液(Pd含有率25.60質量%)195.3部(Pd50部)に少量の純水で溶解させたテルル酸5.4部(Te/Pd仕込み原子比は、0.05)および純水1000部を加えた混合溶液を調製した。シリカ担体(比表面積430m2/g、細孔容積0.71cc/g、平均細孔径5.3nm、細孔径2〜10nmの細孔が細孔容積の90容積%)500部に上記混合溶液を浸漬させた後にエバポレーターを用い、減圧下で70℃、2時間かけて溶媒を蒸発させた。その後、空気中300℃で3時間熱処理を行った。なお、300℃までの昇温中及び300℃での熱処理は、水蒸気の濃度は実質的に0容量%のガスを導入した。得られた触媒前駆体に37質量%ホルムアルデヒド水溶液500部を加えた。70℃に加熱し、2時間攪拌保持し、吸引ろ過後純水で洗浄して、パラジウム含有担持触媒を得た。
製造したパラジウム含有担持触媒を用いてイソブチレンの液相酸化反応を行った。反応生成物の分析値を、反応開始5時間後、25時間後、43時間後について表3に示した。
パラジウム含有担持触媒(反応前品と、各生成物分析時の採取品)の評価を実施例1と同様の方法で実施した。それぞれの触媒試料におけるB/A、金属微粒子の平均粒子径および直径1〜8nmの範囲内にある金属微粒子の割合を表3に示した。
(触媒調製)
硝酸パラジウム溶液(Pd含有率25.60質量%)195.3部(Pd50部)に少量の純水で溶解させたテルル酸10.8部(Te/Pd仕込み原子比は、0.10)および純水1000部を加えた混合溶液を調製した。シリカ担体(比表面積140m2/g、細孔容積0.25cc/g、平均細孔径11nm、細孔径2〜10nmの細孔が細孔容積の50容積%)500部に上記混合溶液を浸漬させた後にエバポレーターを用い、減圧下で70℃、2時間かけて溶媒を蒸発させた。その後、空気中200℃で3時間熱処理を行った。途中、120℃から200℃までの昇温中及び200℃での熱処理中は、水蒸気の濃度が50容量%に制御されたガスを流通させた。得られた触媒前駆体に37質量%ホルムアルデヒド水溶液500部を加えた。70℃に加熱し、2時間攪拌保持し、吸引ろ過後純水で洗浄して、パラジウム含有担持触媒を得た。
製造したパラジウム含有担持触媒を用いてイソブチレンの液相酸化反応を行った。反応生成物の分析値を、反応開始5時間後、25時間後、43時間後について表4に示した。
パラジウム含有担持触媒(反応前品と、各生成物分析時の採取品)の評価を実施例1と同様の方法で実施した。それぞれの触媒試料におけるB/A、金属微粒子の平均粒子径および直径1〜8nmの範囲内にある金属微粒子の割合を表4に示した。
(反応評価)
実施例1での反応評価を46時間行った後に、反応器内部の触媒の10質量%を、実施例1で製造した新品触媒と交換して、イソブチレンの液相酸化反応を継続した。反応生成物の分析値を、実施例1の反応開始から通算して72時間後、99時間後について表5に示した。
パラジウム含有担持触媒(各生成物分析時の採取品)の評価を実施例1と同様の方法で実施した。それぞれの触媒試料におけるB/A、金属微粒子の平均粒子径および直径1〜8nmの範囲内にある金属微粒子の割合を表5に示した。
(反応評価)
実施例1での反応評価を46時間行った後に、反応器内部の触媒の20質量%を、比較例1で製造した新品触媒と交換して、イソブチレンの液相酸化反応を継続した。反応生成物の分析値を、比較例1の反応開始から通算して72時間後、99時間後について表6に示した。
パラジウム含有担持触媒(各生成物分析時の採取品)の評価を実施例1と同様の方法で実施した。それぞれの触媒試料におけるB/A、金属微粒子の平均粒子径および直径1〜8nmの範囲内にある金属微粒子の割合を表6に示した。
(反応評価)
比較例1での反応評価を46時間行った後に、反応器内部の触媒の20質量%を、実施例2で製造した新品触媒と交換して、イソブチレンの液相酸化反応を継続した。反応生成物の分析値を、比較例1の反応開始から通算して72時間後、99時間後について表7に示した。
パラジウム含有担持触媒(各生成物分析時の採取品)の評価を実施例1と同様の方法で実施した。それぞれの触媒試料におけるB/A、金属微粒子の平均粒子径および直径1〜8nmの範囲内にある金属微粒子の割合を表7に示した。
Claims (9)
- パラジウムとテルルとを含む金属微粒子が担体に担持されているα,β−不飽和カルボン酸合成用触媒の存在下、オレフィンまたはα,β−不飽和アルデヒドを液相中で酸化するα,β−不飽和カルボン酸の製造方法であって、
前記α,β−不飽和カルボン酸合成用触媒のバルク組成におけるTe/Pd原子数比をA、前記金属微粒子の表層組成におけるTe/Pd原子数比をBとしたときに、B/Aが1より大きく5.0以下となるように制御することを特徴とするα,β−不飽和カルボン酸の製造方法。 - 前記金属微粒子のうち直径1〜8nmの金属微粒子が70個数%以上である請求項1に記載のα,β−不飽和カルボン酸の製造方法。
- 前記担体は、全細孔容積に対する細孔径2〜10nmの容積割合が70容量%以上である請求項1または2に記載のα,β−不飽和カルボン酸の製造方法。
- 前記α,β−不飽和カルボン酸合成用触媒のバルク組成が、下記一般式(1)で表されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のα,β−不飽和カルボン酸の製造方法。
PdaTebCcDd(EOx)e ・・・(1)
(式中、Pd、TeおよびOはそれぞれパラジウム、テルルおよび酸素を表し、Cは白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、金、鉛および銀からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、Dは鉛、ビスマス、アンチモン、タリウムおよび水銀からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、Eは珪素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、マグネシウム、炭素およびカルシウムからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である。EOxは元素Eの群の酸化物であり担体としての働きを期待するものであり、xは元素Eの原子価を満足するのに必要な酸素の原子比である。また、a,b,c,dおよびeは各元素または担体の質量比を表し、e=100のとき、0.1≦a≦40、0≦c≦12、0≦d≦12であり、パラジウムに対するテルルの原子数比が0.005≦テルル/パラジウム≦0.3を満たすbである。) - 前記担体にパラジウム塩を担持させた触媒前駆体を得る工程と、
水蒸気の濃度を20〜90容量%に制御された流通ガスを導入しつつ、前記触媒前駆体をその熱分解温度以上で熱処理する工程と、
前記熱処理された触媒前駆体を還元する工程と
を有する方法により、前記α,β−不飽和カルボン酸合成用触媒を準備することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のα,β−不飽和カルボン酸合成用触媒の製造方法。 - 反応の途中で、前記α,β−不飽和カルボン酸合成用触媒の少なくとも一部を、別のα,β−不飽和カルボン酸合成用触媒と交換することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のα,β−不飽和カルボン酸の製造方法。
- 連続して25時間以上反応を行うことを特徴とする請求項1〜6に記載のα,β−不飽和カルボン酸の製造方法。
- パラジウムとテルルとを含む金属微粒子が担体に担持されているα,β−不飽和カルボン酸合成用触媒の製造方法であって、
前記担体にパラジウム塩を担持させた触媒前駆体を得る工程と、
水蒸気の濃度を20〜90容量%に制御された流通ガスを導入しつつ、前記触媒前駆体をその熱分解温度以上で熱処理する工程と、
前記熱処理された触媒前駆体を還元する工程と
を有することを特徴とするα,β−不飽和カルボン酸合成用触媒の製造方法。 - 前記担体として、全細孔容積に対する細孔径2〜10nmの容積割合が70容量%以上を用いる請求項8に記載のα,β−不飽和カルボン酸合成用触媒の製造方法。
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