JP2012508104A - 脱水素用途のための銅触媒 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
本出願は、2008年11月10日に出願された、米国仮特許出願番号第61/113,125号に対して優先権を主張し、当該出願は本願明細書に参照により組み込まれている。
本願明細書において開示される触媒組成物は可溶な銅塩、可溶なマンガン塩及び可溶なアルミニウム化合物を含む溶液から約6〜8.5のpHで固体触媒組成物を共沈させることによって、固形沈殿物を回収することから形成される。回収された固形触媒組成物は、触媒としての使用前に約400〜約700℃の空気の下で約2〜5時間の期間にわたり焼成される。一実施形態において、共沈降は硝酸銅(II)、硝酸マンガン(II)及びアルミン酸ナトリウムの水溶液で行われる。分離した硝酸銅(II)及び硝酸マンガン(II)水溶液は、混合して単一の水溶液を形成し、混成した硝酸銅(II)及び硝酸マンガン(II)水溶液とアルミン酸塩水溶液は、次に予め定められた期間で水の媒体に添加される。実施形態において、予め定められた期間は約40分〜約80分である。沈降反応は、所望の範囲内にPHを維持するために塩基によって実施される。一実施形態において、硝酸銅(II)、硝酸マンガン(II)、アルミン酸塩および塩基性溶液が添加される水性媒体は、水、脱イオン水、又は実質的に水を含む媒体である。
Cu(NO3)2水溶液が16.2質量%の銅(31.5質量%のCu(NO3)2)及び0.823質量%の硝酸であるように調合し;調合されたCu(NO3)2溶液の8.575Kgを計量する。水性Mn(NO3)2溶液が13.2質量%マンガン(42.9質量%Mn(N03)2)であるように調合する。上述のCu(NO3)2溶液に、調合されたMn(NO3)2溶液の1.727Kgを添加して混成したCu(NO3)2及びMn(NO3)2を形成する。混合の後、新規な混成したCu(NO3)2及びMn(NO3)2の溶液の体積はほぼ6650mlで、Cu(NO3)2のモル濃度は約2.19モルl-1であり、Mn(NO3)2のモル濃度は約0.623モルl-1である。USALCO 45溶液(US Aluminum社、メリーランド州、ボルチモア)3.586kgを計量し、脱イオン水で希釈して5450mlとし、アルミン酸ナトリウム水溶液を調合し;最終的なアルミン酸塩溶液は、溶解アルミン酸ナトリウム(約1.81モルl-1のNa2Al2O4)の29.5質量%である。最後に、1906.9gの炭酸ナトリウムを21.8lの脱イオン水(約0.825モルl-1)に溶解して、炭酸ナトリウム(ソーダ灰)溶液を調合する。脱イオン水を、全溶液作成に使用する。
押出前に、上記の手順から得られる本発明の触媒は約500℃で約2〜4時間焼成される。他の実施形態において、本発明の触媒は約400〜約700℃の空気の下で約2〜5時間の期間焼成される。脱イオン水は、どの結合剤又は離型剤も無い本発明の触媒粉末ほぼ1000gに添加される。添加水量は、乾燥での重量損失がほぼ30%〜約42%となるように算出される。水と本発明の触媒との混合物は機械的混合で濃くなり、直径ほぼ1/16インチの球体を形成する。混合物は、混合器中で適度な速度で混ぜられる。
本発明の触媒押出成形物の第2実施例は、結合剤が調合物中に含まれる場合を除いて、上記と同じ方法を使用して形成される。以下の成分を混合する:
2400gの上記沈降反応からの発明触媒;
760gの水酸化カルシウムCa(OH)2;
1700gの非晶質シリカ水溶液(Nalco(登録商標) 1034A、Nalco社(Nalco Co.)、イリノイ州、ネイパーヴィル);及び、
40gの水溶性メチルセルロース及びヒドロキシプロピルメチルセルロース重合体(Methocel(登録商標)、ダウケミカル(Dow Chemical))。
本発明の触媒押出成形物の第3実施例は、結合剤が調合物中に含まれる場合を除いて、上記と同じ方法を使用して形成される。以下の成分を混合する:
1400gの粉末発明触媒;
1000gの珪酸カルシウム(セライト社(Celite Corp.)、カリフォルニア州、ロンポック);
760gの水酸化カルシウムCa(OH)2;
1700gの非晶質シリカ水溶液(Nalco(登録商標)1034A、Nalco社(Nalco Co.)、イリノイ州、ネイパーヴィル);及び、
40gの水溶性メチルセルロース及びヒドロキシプロピルメチルセルロース重合体(Methocel(登録商標)、ダウケミカル(Dow Chemical))。
図1は、本発明の触媒の実施例1での押出成形物のX線回折分析を描写する。
図2及び3は、本発明の触媒の実施例1の押出成形物の水銀(Hg)侵入データを示す。図2は、細孔寸法直径に関連した触媒押出成形物への総水銀侵入を示す。観察することができるように、水銀侵入で測定される細孔率の約78%は、100Å〜1000Åの寸法を有する細孔において発生する。当業者は、本願明細書において記載されている触媒押出成形物の細孔率が変化し得ると理解するであろう。一実施形態において、水銀侵入で測定される細孔率の約75〜約88%は、100Å〜1000Åの寸法を有する細孔において発生する。
図4及び5は、本発明の触媒の実施例1の押出成形物の窒素(N2)侵入データを示す。図4は、細孔直径に関連した触媒押出成形物への総窒素吸着を示す。図4において観察される通り、N2吸着で測定される細孔率の約68%は、100Å〜1000Åの直径を有する細孔において発生する。当業者は、本願明細書において記載されている触媒押出成形物の細孔率が変化し得ると理解するであろう。一実施形態において、N2吸着で測定される細孔率の約60%〜約88%は、100Å〜1000Åの直径を有する細孔において発生する。他の実施形態において、N2吸着で測定される細孔率の約60%〜約88%は、100Å〜600Åの直径を有する細孔において発生する。
図6は、実施例1の本発明の触媒押出成形物から集めた示差走査熱量測定(DSC)データを描写する。押出成形物は、アルゴン中の21%水素雰囲気の下で、2℃/分の速度で、25℃〜700℃に加熱される。図6に示す通り、2大発熱線が観察される。第1発熱線は約47℃〜約98℃で、約18.9J/gの放熱量を有する。第2発熱線は約174℃〜約254℃で、約711.5J/gの放熱量を有する。
熱重量分析(TGA)データは、実施例1の本発明の触媒押出成形物から集められた。図7は、アルゴン中の21%酸素の雰囲気の下での実施例1の押出成形物についての、加温の間に保持されるサンプルの重量百分率のプロットと、同一物の微分プロットとを提示する。図8は、アルゴン雰囲気中の10%水素雰囲気下での、実施例1の押出成形物の類似プロットを提示する。押出成形物は、最初にアルゴン雰囲気において150℃でほぼ30分間乾燥して、次にほぼ100℃まで冷却された。押出成形物は、適切な雰囲気の下で、10℃/分の速度で、100℃〜700℃に加熱される。サンプルは、熱遅滞を補償するために700℃で約5分間保持される。図5及び6は、同一物の加温および誘導体プロットの間に保持されるサンプルの重量百分率のプロットを提示する。
BDOのGLBへの変換は、高温高圧の気相において行われる。BDOは液状で供給され、触媒との接触前に蒸発する。一実施形態において、温度は約150〜300℃である。他の実施形態において、温度は約175〜275℃である。さらに他の実施形態において、温度は約185〜250℃である。一実施形態において、BDOのGLBへの変換は、本発明の触媒を気相又は液相で純粋のBDO若しくはBDOを含む混合物と接触せしめることによって実施される。他の実施形態において、BDOのGLBへの変換は、気相又は液相で純粋のBDO若しくはBDOを含む混合物を一定速度若しくは可変速度で通過させることによって実施される。
比較触媒は、本発明の触媒の優れた品質を強調するために調合された。比較触媒は、従来技術において周知のタイプのCuO触媒である。CuOは、軽石から作られる支持体上に配置され、約15%CuOの最終的な組成を有し、嵩密度は約0.6g/ミリリットルである。比較触媒は4×20メッシュを有する粒剤として提供される。
比較触媒と本発明の触媒の実施例1との両方の時間的な失活はそれぞれ表3及び4に示される。触媒の効果は、観察された反応速度定数(κobs)によって示される。速度定数はBDO添加のLHSVから算出され、触媒によって変換したBDOの百分率は式Iで示す。
表3及び4に示す通り、本発明の触媒は、比較触媒と比べて全ての時間点で高い観察された速度定数を有する。24時間の供用で、本発明の触媒は、比較触媒の2.54hr-1と比較して、3.02hr-1の観察された速度定数を有する。この相違は、本発明の触媒によってGLBに対するBDOの触媒作用を支える強化能力を示す。下記の表5及び6に示す通り、本発明の触媒のBDOのLHSV飽和点は大幅に増加する。従って、本発明の触媒は、高い変換量を維持しつつ、より大きい観察反応速度定数及びより大きいBDOのGBLへの処理量を達成することができる。
Claims (20)
- 約35質量%〜約75質量%のCu、約15質量%〜約35質量%のAl、及び約5質量%〜約20質量%のMnを含む、触媒組成物。
- 前記触媒組成物は、該触媒組成物が不活性支持相を含まないという条件でバルク均質押出成形物である、請求項1に記載の触媒組成物。
- 前記触媒組成物がCuO及びCuxMn(3-x)O4のうち1つ以上から選ばれる実験式を有する1つ以上の結晶性相を有し、式中、xは約1〜約1.5である、請求項1に記載の触媒組成物。
- 嵩密度が約0.4〜約0.8g/mLである、請求項1に記載の触媒組成物。
- 約40質量%〜約65質量%のCu、約20質量%〜約35質量%のAl、及び約10質量%〜約25質量%のMnを含む、請求項1に記載の触媒組成物。
- 1,4−ブタンジオールをγーブチロラクトンに変換するための方法であって:
請求項1に記載の触媒組成物を1,4−ブタンジオールと接触させる工程と、γ−ブチロラクトンを回収する工程と、
を含む、方法。 - 1,4−ブタンジオールが約20〜約200psigの圧力と、約150〜約300℃の温度とにおける気相内で接触される、請求項6に記載の方法。
- 1,4−ブタンジオールの少なくとも約90%が、γ−ブチロラクトンに変換される、請求項6に記載の方法。
- 1,4−ブタンジオールを前記触媒組成物と接触させるより前に、液相内の1,4−ブタンジオールを供給する工程と、液状の1,4−ブタンジオールを蒸発させる工程とを更に含み、前記液状の1,4−ブタンジオールは、約0.1〜約3hr-1のLHSVで供給される、請求項6に記載の方法。
- 前記1,4−ブタンジオールが、約0.75〜約2hr-1のLHSVで供給され、前記1,4−ブタンジオールの少なくとも95%がγ−ブチロラクトンに変換される、請求項9に記載の方法。
- 前記1,4−ブタンジオールが、約1〜約2hr-1のLHSVで供給され、前記1,4−ブタンジオールの少なくとも98%がγ−ブチロラクトンに変換される、請求項9に記載の方法。
- 前記1,4−ブタンジオールは、約0.75〜約1hr-1のLHSVで供給され、前記1,4−ブタンジオールの少なくとも99%がγ−ブチロラクトンに変換される、請求項9に記載の方法。
- 前記観察反応速度定数の変化が時間当たり約0.05%未満である、請求項13に記載の方法。
- 銅触媒を生産するための方法であって:
可溶な銅塩、可溶なマンガン塩及び可溶なアルミニウム化合物を含む溶液から約6〜約8.5のpHで固体触媒組成物を共沈させる工程と、
前記固体触媒組成物を約400〜約700℃の空気の下で約2〜5時間の期間にわたり焼成する工程と、
を含み、
前記固体触媒組成物は、約35質量%〜約75質量%のCu、約15質量%〜約35質量%のAl、及び約5質量%〜約20質量%のMnを含む、方法。 - 共沈が、硝酸銅(II)及び硝酸マンガン(II)を含む水溶液と、アルミン酸ナトリウムを含む水溶液と、炭酸ナトリウムを含む水溶液とを、管理された速度で水性媒体に添加することによって実施される、請求項15に記載の方法。
- 硝酸銅(II)と硝酸マンガン(II)を含む前記溶液は、硝酸銅(II)及び硝酸マンガン(II)を含む水溶液の総容量が約40分〜約80分の期間にわたり管理速度で前記水性媒体に添加される、請求項16に記載の方法。
- 前記水性媒体が、前記共沈に使用される硝酸銅(II)及び硝酸マンガン(II)を含む水溶液の約4〜7倍の容積である、請求項16に記載の方法。
- 随意に前記触媒組成物を乾燥させる工程と、
前記触媒組成物に水を添加して触媒組成物と水との混合物を形成する工程と、
前記触媒組成物と水との混合物を高密度化が起こるまで混合する工程と、
前記触媒組成物と水との混合物を押出して触媒組成物の焼成前に滑らかな押出成形物を形成する工程と、
を更に含む、請求項15に記載の方法。 - 高密度化用の前記触媒組成物を混合する前に前記触媒組成物の付加的焼成を実施する工程を更に含み、前記付加的焼成は約400〜約700℃の空気の下で約2〜5時間の期間にわたり実施される、請求項19に記載の方法。
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