JP2015120116A - Sulfur trioxide decomposition catalyst, method for producing the same, and method for generating hydrogen using the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sulfur trioxide decomposition catalyst improved in catalytic activity as compared with a conventional catalyst, and a method for producing the same.SOLUTION: The sulfur trioxide decomposition catalyst is provided, in which a complex oxide containing an alkali metal and vanadium is carried on a catalyst carrier. The method for producing the sulfur trioxide decomposition catalyst is also provided, which includes: (a) a step of impregnating a catalyst carrier with one of an alkali metal compound solution and a vanadium compound solution, and then drying and temporarily firing the catalyst carrier; and (b) a step of impregnating the catalyst carrier obtained in the step (a) with the other of the alkali metal compound solution and the vanadium compound solution, and then drying and firing the catalyst carrier.

Description

本発明は、三酸化硫黄(SO3)分解触媒及びその製造方法に関する。さらに、本発明は、当該三酸化硫黄分解触媒を用いて三酸化硫黄を分解する工程を含む水素生成方法に関する。 The present invention relates to a sulfur trioxide (SO 3 ) decomposition catalyst and a method for producing the same. Furthermore, the present invention relates to a hydrogen generation method including a step of decomposing sulfur trioxide using the sulfur trioxide decomposition catalyst.

水素は、燃焼しても二酸化炭素が発生しないことからクリーンな燃料として注目されている。しかしながら、工業的な水素の生産は化石燃料に依存しており、その生産プロセスにおいて二酸化炭素が排出される。したがって、燃料として水素を用いても、化石燃料の枯渇や二酸化炭素による地球温暖化の問題は必ずしも解消されない。   Hydrogen attracts attention as a clean fuel because it does not generate carbon dioxide when burned. However, industrial hydrogen production relies on fossil fuels, and carbon dioxide is emitted during the production process. Therefore, even if hydrogen is used as a fuel, the problems of fossil fuel depletion and global warming due to carbon dioxide are not necessarily solved.

これに関連して、化石燃料を用いずに水素を生成させるための方法として、太陽熱エネルギーや原子力熱エネルギー等を利用することが提案されている(例えば、特許文献1、非特許文献1等)。   In relation to this, as a method for generating hydrogen without using fossil fuel, it has been proposed to use solar thermal energy, nuclear thermal energy, or the like (for example, Patent Document 1, Non-Patent Document 1, etc.). .

熱エネルギーを利用して水から水素を生成させる方法としては、下記式(1)〜(3)で示されるI−S(ヨウ素−イオウ)サイクル法と呼ばれる方法が提案されている。
(1)H2SO4(液体)
→ H2O(気体) + SO2(気体) + 1/2O2(気体)
(反応温度=約950℃、ΔH=188.8kJ/mol−H2
(2)I2(液体) + SO2(気体) + 2H2O(液体)
→ 2HI(液体) + H2SO4(液体)
(反応温度=約130℃、ΔH=−31.8kJ/mol−H2
(3)2HI(液体) → H2(気体) + I2(気体)
(反応温度=約400℃、ΔH=146.3kJ/mol−H2
As a method for generating hydrogen from water using thermal energy, a method called an IS (iodine-sulfur) cycle method represented by the following formulas (1) to (3) has been proposed.
(1) H 2 SO 4 (Liquid)
→ H 2 O (gas) + SO 2 (gas) + 1 / 2O 2 (gas)
(Reaction temperature = about 950 ° C., ΔH = 188.8 kJ / mol-H 2 )
(2) I 2 (Liquid) + SO 2 (Gas) + 2H 2 O (Liquid)
→ 2HI (liquid) + H 2 SO 4 (a liquid)
(Reaction temperature = about 130 ° C., ΔH = −31.8 kJ / mol-H 2 )
(3) 2HI (liquid) → H 2 (gas) + I 2 (gas)
(Reaction temperature = about 400 ° C., ΔH = 146.3 kJ / mol-H 2 )

上記式(1)〜(3)で示されるI−S(ヨウ素−イオウ)サイクル法の全反応は下記のとおりである。
2O → H2 + 1/2O2
(ΔH=286.5kJ/mol−H2(高位発熱量基準)
(ΔH=241.5kJ/mol−H2(低位発熱量基準)
The overall reaction of the IS (iodine-sulfur) cycle method represented by the above formulas (1) to (3) is as follows.
H 2 O → H 2 + 1 / 2O 2
(ΔH = 286.5 kJ / mol-H 2 (based on higher heating value)
(ΔH = 241.5 kJ / mol-H 2 (low calorific value standard)

ここで、上記式(1)の反応は、下記式(1−1)及び(1−2)の2つの素反応に分けることができる。
(1−1)H2SO4(液体) → H2O(気体) + SO3(気体)
(反応温度=約300℃、ΔH=90.9kJ/mol−H2
(1−2)SO3(気体) → SO2(気体) + 1/2O2(気体)
(反応温度=約950℃、ΔH=97.9kJ/mol−H2
Here, the reaction of the above formula (1) can be divided into two elementary reactions of the following formulas (1-1) and (1-2).
(1-1) H 2 SO 4 (liquid) → H 2 O (gas) + SO 3 (gas)
(Reaction temperature = about 300 ° C., ΔH = 90.9 kJ / mol-H 2 )
(1-2) SO 3 (gas) → SO 2 (gas) + 1 / 2O 2 (gas)
(Reaction temperature = about 950 ° C., ΔH = 97.9 kJ / mol-H 2 )

すなわち、I−Sサイクル法において水素を生成させる場合には、上記式(1−2)の三酸化硫黄(SO3)の分解反応において最も高い温度が必要とされる。しかしながら、従来、当該分解反応において必要とされるような高い温度を得ることは非常に困難であった。 That is, when hydrogen is generated in the IS cycle method, the highest temperature is required in the decomposition reaction of sulfur trioxide (SO 3 ) of the above formula (1-2). However, conventionally, it has been very difficult to obtain a high temperature as required in the decomposition reaction.

そこで、当該分解反応において必要とされる温度を低下させるために白金触媒を使用することが提案されている。しかしながら、当該白金触媒は、その使用開始時には一般に高い触媒活性を示すものの、特に650℃以上の温度下で使用されると、上記式(1−2)に示すように三酸化硫黄の分解反応において生成する酸素によって白金が酸化されて比較的容易にシンタリングを生じてしまう。このようなシンタリングが生じると、白金粒子が粗大化するため、白金触媒の初期活性が失われることになる。また、白金触媒は比較的高価であることから、材料コストの観点からも、当該白金触媒を産業的な規模において利用することは難しい。   Therefore, it has been proposed to use a platinum catalyst in order to reduce the temperature required in the decomposition reaction. However, although the platinum catalyst generally exhibits a high catalytic activity at the start of its use, when used at a temperature of 650 ° C. or more, in particular, in the decomposition reaction of sulfur trioxide as shown in the above formula (1-2). Platinum is oxidized by the generated oxygen, and sintering occurs relatively easily. When such sintering occurs, the platinum particles become coarse, and the initial activity of the platinum catalyst is lost. Further, since the platinum catalyst is relatively expensive, it is difficult to use the platinum catalyst on an industrial scale from the viewpoint of material cost.

特許文献2では、遷移金属及び希土類元素からなる群より選択される少なくとも1つの金属とバナジウムとの複合酸化物が担体に担持された三酸化硫黄分解触媒が記載され、具体的には銅−バナジウム複合酸化物、セリウム−バナジウム複合酸化物等が多孔質シリカ担体に担持された触媒が開示されている。同様に、特許文献3では、銅とバナジウムとの複合酸化物が多孔質シリカ担体に担持されてなる三酸化硫黄分解触媒が記載されている。また、特許文献2及び3では、これらの三酸化硫黄分解触媒によれば、三酸化硫黄分解反応に必要とされる温度を低下させることができると記載されている。   Patent Document 2 describes a sulfur trioxide decomposition catalyst in which a composite oxide of vanadium and at least one metal selected from the group consisting of transition metals and rare earth elements is supported on a support, specifically copper-vanadium. A catalyst in which a composite oxide, a cerium-vanadium composite oxide or the like is supported on a porous silica carrier is disclosed. Similarly, Patent Document 3 describes a sulfur trioxide decomposition catalyst in which a composite oxide of copper and vanadium is supported on a porous silica carrier. Patent Documents 2 and 3 describe that these sulfur trioxide decomposition catalysts can reduce the temperature required for the sulfur trioxide decomposition reaction.

非特許文献2では、白金触媒に代わるものとして銅のピロバナジン酸塩(Cu227)を多孔質シリカ担体に担持した触媒が記載されている。そして、非特許文献2では、800℃での熱エージングにより多孔質シリカ担体の細孔及び外表面にCu227の均一な薄層が形成されること、及びこのような触媒によれば、三酸化硫黄の分解反応において高い触媒活性を達成できることが記載されている。 Non-Patent Document 2 describes a catalyst in which copper pyrovanadate (Cu 2 V 2 O 7 ) is supported on a porous silica carrier as an alternative to a platinum catalyst. According to Non-Patent Document 2, uniform thin layers of Cu 2 V 2 O 7 are formed on the pores and the outer surface of the porous silica support by thermal aging at 800 ° C., and such a catalyst is used. For example, it is described that high catalytic activity can be achieved in the decomposition reaction of sulfur trioxide.

なお、I−Sサイクル法以外にも、熱エネルギーを利用して水素を生成する方法としては、ウエスティングハウス・サイクル、Ispra−Mark 13サイクル法、ロスアラモス・サイエンスラボラトリ・サイクル法等が一般に知られている。これらの方法においても、I−Sサイクル法と同様に、三酸化硫黄を二酸化硫黄と酸素に分解することが必要とされている。   In addition to the IS cycle method, the Westinghouse cycle, the Ispra-Mark 13 cycle method, the Los Alamos Science Laboratory cycle method, etc. are generally known as methods for generating hydrogen using thermal energy. Yes. In these methods, as in the IS cycle method, it is necessary to decompose sulfur trioxide into sulfur dioxide and oxygen.

特開2007−218604号公報JP 2007-218604 A 特開2012−148268号公報JP 2012-148268 A 特開2013−111542号公報JP 2013-111542 A

A.Giaconia,et al.,「Hydrogen/methanol production by sulfur−iodine thermochemical cycle powered by combined solar/fossil energy」,International Journal of Hydrogen Energy 32(2007)469−481A. Giaconia, et al. , “Hydrogen / ethanol production by sulfur-iodine thermal chemical powered by combined solar / fossil energy 4”, International Journal 9 M.Machida,et al.,「Macroporous Supported Cu−V Oxide as a Promising Substitute of the Pt Catalyst for Sulfuric Acid Decomposition in Solar Thermochemical Hydrogen Production」,Chemistry of Materials 2012,24,557−561M.M. Macida, et al. , “Macroporous Supported Cu-V Oxide as a Promising Substitut of the Pt Catalyst for Sulfuric Acid Decomposition in Solar Thermochemistry”

特許文献2では、例えば、多孔質シリカ担体に銅−バナジウム複合酸化物又はセリウム−バナジウム複合酸化物が担持された三酸化硫黄分解触媒において700℃又は650℃の温度で三酸化硫黄分解反応を進行させることができると記載されている。しかしながら、これらの三酸化硫黄分解触媒では、700℃又は650℃よりも低い温度においてはコンパクトな反応器で高い空間速度条件では十分に反応を進行させることができない場合があった。それゆえ、特許文献2に記載の三酸化硫黄分解触媒では、その触媒活性、特には低温下における触媒活性に関して依然として改善の余地があった。   In Patent Document 2, for example, a sulfur trioxide decomposition reaction proceeds at a temperature of 700 ° C. or 650 ° C. in a sulfur trioxide decomposition catalyst in which a copper-vanadium composite oxide or a cerium-vanadium composite oxide is supported on a porous silica carrier. It is described that it can be made. However, with these sulfur trioxide decomposition catalysts, the reaction may not proceed sufficiently at high space velocity conditions in a compact reactor at temperatures lower than 700 ° C. or 650 ° C. Therefore, the sulfur trioxide decomposition catalyst described in Patent Document 2 still has room for improvement with respect to its catalytic activity, particularly the catalytic activity at low temperatures.

特許文献3に記載の三酸化硫黄分解触媒では、高い触媒活性を得るためには、触媒調製の段階において700℃以上の高温下で焼成するか又は一旦800℃程度の高温下で使用する必要がある。また、特許文献3に記載の三酸化硫黄分解触媒では、このような活性化処理を行った場合であっても、特に600℃程度の低温下では三酸化硫黄の分解反応において必ずしも十分な触媒活性を達成できない場合があった。   In the sulfur trioxide decomposition catalyst described in Patent Document 3, in order to obtain high catalytic activity, it is necessary to calcinate at a high temperature of 700 ° C. or higher or once to use at a high temperature of about 800 ° C. in the catalyst preparation stage. is there. In addition, in the sulfur trioxide decomposition catalyst described in Patent Document 3, even when such activation treatment is performed, the catalytic activity is not always sufficient in the decomposition reaction of sulfur trioxide, particularly at a low temperature of about 600 ° C. There was a case that could not be achieved.

非特許文献2に記載の触媒では、高い触媒活性を得るためには、触媒調製の段階において800℃程度の高温下で熱エージング処理を行うことが必要である。また、非特許文献2に記載の触媒では、このような高温下での熱エージング処理を行った場合であっても、特に600℃程度の低温下では三酸化硫黄の分解反応において必ずしも十分な触媒活性を達成できない場合があった。   In the catalyst described in Non-Patent Document 2, in order to obtain high catalyst activity, it is necessary to perform a heat aging treatment at a high temperature of about 800 ° C. in the catalyst preparation stage. Further, in the catalyst described in Non-Patent Document 2, even when such a heat aging treatment is performed at a high temperature, the catalyst is not always sufficient in the decomposition reaction of sulfur trioxide particularly at a low temperature of about 600 ° C. In some cases, activity could not be achieved.

そこで、本発明は、新規の三酸化硫黄分解触媒であって、従来の触媒に比べて触媒活性、特には低温下における触媒活性が改善された三酸化硫黄分解触媒及びその製造方法並びにそれを用いた水素生成方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention is a novel sulfur trioxide decomposition catalyst, a sulfur trioxide decomposition catalyst having improved catalytic activity, in particular, catalytic activity at low temperatures, compared to conventional catalysts, a method for producing the same, and a method for producing the same. An object of the present invention is to provide a hydrogen production method.

上記課題を解決する本発明は下記のとおりである。
(1)アルカリ金属とバナジウムを含む複合酸化物を触媒担体に担持してなる、三酸化硫黄分解触媒。
(2)前記アルカリ金属が、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、上記(1)に記載の三酸化硫黄分解触媒。
(3)前記アルカリ金属が、カリウム、セシウム、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、上記(2)に記載の三酸化硫黄分解触媒。
(4)前記複合酸化物におけるアルカリ金属とバナジウムの原子比(アルカリ金属:バナジウム)が1:1〜1:8である、上記(1)〜(3)のいずれか1項に記載の三酸化硫黄分解触媒。
(5)前記複合酸化物が式A1-xVO3-0.5x(式中、Aはアルカリ金属であり、0≦x<1)で表されるアルカリ金属のバナジン酸塩を含む、上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載の三酸化硫黄分解触媒。
(6)前記複合酸化物が式AVO3(式中、Aはアルカリ金属である)で表されるアルカリ金属のメタバナジン酸塩を含む、上記(5)に記載の三酸化硫黄分解触媒。
(7)前記アルカリ金属がセシウムであり、前記複合酸化物が、CsVO3、Cs2411、CsV38、又はそれらの組み合わせを含む、上記(3)〜(5)のいずれか1項に記載の三酸化硫黄分解触媒。
(8)前記触媒担体が、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、上記(1)〜(7)のいずれか1項に記載の三酸化硫黄分解触媒。
(9)前記触媒担体がメソ細孔及び/又はマクロ細孔を有する、上記(8)に記載の三酸化硫黄分解触媒。
(10)前記触媒担体がシリカである、上記(8)又は(9)に記載の三酸化硫黄分解触媒。
(11)(a)アルカリ金属化合物の溶液及びバナジウム化合物の溶液のうち一方の溶液を、触媒担体に含浸させ、乾燥及び仮焼成する工程、並びに
(b)アルカリ金属化合物の溶液及びバナジウム化合物の溶液のうち他方の溶液を、工程(a)において得られた触媒担体に含浸させ、乾燥及び焼成する工程
を含む、アルカリ金属とバナジウムを含む複合酸化物を触媒担体に担持してなる三酸化硫黄分解触媒の製造方法。
(12)アルカリ金属化合物及びバナジウム化合物を含有する溶液を、触媒担体に含浸させ、乾燥及び焼成する工程を含む、アルカリ金属とバナジウムを含む複合酸化物を触媒担体に担持してなる三酸化硫黄分解触媒の製造方法。
(13)前記焼成が400℃以上650℃以下の温度で実施される、上記(11)又は(12)に記載の方法。
(14)前記焼成が500℃以上600℃以下の温度で実施される、上記(13)に記載の方法。
(15)上記(1)〜(10)のいずれか1項に記載の三酸化硫黄分解触媒を用いて三酸化硫黄を二酸化硫黄と酸素に分解する分解反応を含む、二酸化硫黄の生成方法。
(16)前記分解反応が600℃以下の温度で実施される、上記(15)に記載の方法。
(17)水を水素と酸素に分解することを含む水素生成方法であって、下記式(X1)で示される反応において、硫酸を水、二酸化硫黄及び酸素に分解することを含み、かつ下記式(X1)で示される反応の素反応である式(X1−1)及び(X1−2)の素反応のうち、式(X1−2)の素反応が上記(15)又は(16)に記載の方法によって実施される、水素生成方法:
(X1)H2SO4 → H2O + SO2 + 1/2O2
(X1−1)H2SO4 → H2O + SO3
(X1−2)SO3 → SO2 + 1/2O2
(18)I−Sサイクル法、ウエスティングハウス・サイクル法、Ispra−Mark 13サイクル法、又はロスアラモス・サイエンスラボラトリ・サイクル法である、上記(17)に記載の水素生成方法。
The present invention for solving the above problems is as follows.
(1) A sulfur trioxide decomposition catalyst obtained by supporting a composite oxide containing an alkali metal and vanadium on a catalyst carrier.
(2) The sulfur trioxide decomposition catalyst according to (1), wherein the alkali metal is selected from the group consisting of sodium, potassium, rubidium, cesium, and combinations thereof.
(3) The sulfur trioxide decomposition catalyst according to (2), wherein the alkali metal is selected from the group consisting of potassium, cesium, and combinations thereof.
(4) The trioxide according to any one of (1) to (3), wherein an atomic ratio of alkali metal to vanadium (alkali metal: vanadium) in the composite oxide is 1: 1 to 1: 8. Sulfur decomposition catalyst.
(5) The composite oxide described above, wherein the composite oxide comprises an alkali metal vanadate represented by the formula A 1-x VO 3-0.5x (wherein A is an alkali metal and 0 ≦ x <1) The sulfur trioxide decomposition catalyst according to any one of 1) to (4).
(6) The sulfur trioxide decomposition catalyst according to (5), wherein the composite oxide includes an alkali metal metavanadate represented by the formula AVO 3 (wherein A is an alkali metal).
(7) Any of the above (3) to (5), wherein the alkali metal is cesium and the composite oxide includes CsVO 3 , Cs 2 V 4 O 11 , CsV 3 O 8 , or a combination thereof. 2. The sulfur trioxide decomposition catalyst according to item 1.
(8) The sulfur trioxide decomposition catalyst according to any one of (1) to (7), wherein the catalyst carrier is selected from the group consisting of silica, alumina, zirconia, titania, and combinations thereof.
(9) The sulfur trioxide decomposition catalyst according to (8), wherein the catalyst support has mesopores and / or macropores.
(10) The sulfur trioxide decomposition catalyst according to (8) or (9), wherein the catalyst carrier is silica.
(11) (a) a step of impregnating a catalyst carrier with one of an alkali metal compound solution and a vanadium compound solution, drying and pre-baking; and (b) an alkali metal compound solution and a vanadium compound solution. Decomposition of sulfur trioxide obtained by supporting a composite oxide containing an alkali metal and vanadium on a catalyst carrier, which includes impregnating the other solution of the catalyst into the catalyst carrier obtained in step (a), drying and calcining. A method for producing a catalyst.
(12) Sulfur trioxide decomposition comprising impregnating a catalyst carrier with a solution containing an alkali metal compound and a vanadium compound, drying and firing the composite oxide containing an alkali metal and vanadium on the catalyst carrier A method for producing a catalyst.
(13) The method according to (11) or (12), wherein the firing is performed at a temperature of 400 ° C. or higher and 650 ° C. or lower.
(14) The method according to (13), wherein the baking is performed at a temperature of 500 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.
(15) A method for producing sulfur dioxide, comprising a decomposition reaction in which sulfur trioxide is decomposed into sulfur dioxide and oxygen using the sulfur trioxide decomposition catalyst according to any one of (1) to (10) above.
(16) The method according to (15), wherein the decomposition reaction is performed at a temperature of 600 ° C. or lower.
(17) A hydrogen generation method comprising decomposing water into hydrogen and oxygen, the method comprising decomposing sulfuric acid into water, sulfur dioxide and oxygen in the reaction represented by the following formula (X1): Of the elementary reactions of the formulas (X1-1) and (X1-2) that are elementary reactions of the reaction represented by (X1), the elementary reaction of the formula (X1-2) is described in the above (15) or (16) Hydrogen production method carried out by the method of:
(X1) H 2 SO 4 → H 2 O + SO 2 + 1 / 2O 2
(X1-1) H 2 SO 4 → H 2 O + SO 3
(X1-2) SO 3 → SO 2 + 1 / 2O 2
(18) The hydrogen generation method according to the above (17), which is an IS cycle method, a Westinghouse cycle method, an Ispra-Mark 13 cycle method, or a Los Alamos Science Laboratory cycle method.

本発明によれば、バナジウムをアルカリ金属と組み合わせた複合酸化物を触媒担体に担持することで、従来の触媒、例えば、銅とバナジウムの複合酸化物を触媒担体に担持してなる触媒と比較して、高い空間速度(SV)条件のもとでも、得られる三酸化硫黄分解触媒の触媒活性、特には約600℃又はそれよりも低い温度下における三酸化硫黄(SO3)分解活性を顕著に改善することができる。さらに、本発明の方法によれば、700℃又はそれ以上の高温下において焼成又は使用する必要なしに、このような低温下における三酸化硫黄(SO3)分解活性が顕著に改善された三酸化硫黄分解触媒を製造することが可能である。 According to the present invention, a composite oxide in which vanadium is combined with an alkali metal is supported on a catalyst carrier, thereby comparing with a conventional catalyst, for example, a catalyst in which a composite oxide of copper and vanadium is supported on a catalyst carrier. Thus, even under high space velocity (SV) conditions, the catalytic activity of the resulting sulfur trioxide decomposition catalyst, particularly the sulfur trioxide (SO 3 ) decomposition activity at a temperature of about 600 ° C. or lower, is remarkable. Can be improved. Furthermore, according to the method of the present invention, sulfur trioxide (SO 3 ) decomposition activity under such low temperature is remarkably improved without the need for firing or use at a high temperature of 700 ° C. or higher. It is possible to produce a sulfur decomposition catalyst.

本発明の三酸化硫黄分解触媒における三酸化硫黄分解反応のメカニズムを示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the mechanism of the sulfur trioxide decomposition reaction in the sulfur trioxide decomposition catalyst of this invention. Cs2O−V25系の状態図である。Cs 2 O-V 2 O 5 system is a state diagram of. 実施例1〜4及び比較例1〜3の三酸化硫黄分解触媒の活性評価のために使用した固定床流通反応装置を示す。The fixed bed flow reactor used for the activity evaluation of the sulfur trioxide decomposition catalyst of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-3 is shown. 実施例4並びに比較例1及び3の三酸化硫黄分解触媒に関するX線回折パターンを示す。The X-ray-diffraction pattern regarding the sulfur trioxide decomposition catalyst of Example 4 and Comparative Examples 1 and 3 is shown. 実施例4の三酸化硫黄分解触媒のラマン分光による分析結果を示す。The analysis result by the Raman spectroscopy of the sulfur trioxide decomposition catalyst of Example 4 is shown.

<三酸化硫黄分解触媒>
本発明の三酸化硫黄分解触媒は、アルカリ金属とバナジウムを含む複合酸化物を触媒担体に担持してなることを特徴としている。
<Sulfur trioxide decomposition catalyst>
The sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention is characterized in that a composite oxide containing an alkali metal and vanadium is supported on a catalyst carrier.

先に記載したとおり、三酸化硫黄の分解反応において白金触媒を使用した場合には、三酸化硫黄の分解反応において生成する酸素によって白金が酸化されて比較的容易にシンタリングを生じてしまう。したがって、当該白金触媒は比較的早期に劣化し、長期間にわたって安定して使用することが困難であった。   As described above, when a platinum catalyst is used in the decomposition reaction of sulfur trioxide, platinum is oxidized by oxygen generated in the decomposition reaction of sulfur trioxide and sintering is relatively easily caused. Therefore, the platinum catalyst has deteriorated relatively early and it has been difficult to use it stably over a long period of time.

今回、本発明者らは、バナジウムをアルカリ金属と組み合わせた複合酸化物について検討した。そして、本発明者らは、当該複合酸化物を触媒担体に担持することで、従来の触媒、例えば、特開2012−148268号公報及び特開2013−111542号公報において記載されるような銅とバナジウムの複合酸化物を触媒担体に担持してなる触媒と比較して、高い空間速度(SV)条件のもとでも、得られる三酸化硫黄分解触媒の触媒活性、特には約600℃又はそれよりも低い温度下における三酸化硫黄(SO3)分解活性を顕著に改善することができることを見出した。 This time, the present inventors examined the composite oxide which combined vanadium with the alkali metal. Then, the present inventors support the conventional oxide such as copper described in JP 2012-148268 A and JP 2013-111542 A by supporting the composite oxide on a catalyst carrier. The catalytic activity of the resulting sulfur trioxide decomposition catalyst, especially about 600 ° C. or higher, even under high space velocity (SV) conditions, compared to a catalyst comprising a vanadium composite oxide supported on a catalyst support. It was also found that the sulfur trioxide (SO 3 ) decomposition activity at a low temperature can be remarkably improved.

先に記載したとおり、I−S(ヨウ素−イオウ)サイクル法において水素を生成させる場合、三酸化硫黄を二酸化硫黄と酸素に分解するのに1000℃近い温度が一般に必要とされる。そこで、従来、I−Sサイクル法においては、高温ガス炉(HTGR:High Temperature Gas−cooled Reactor)からこのような高温の熱を取り出して利用することにより効率的に水素を製造する方法について特に研究が行われている。   As described above, when hydrogen is produced in the IS (iodine-sulfur) cycle method, a temperature close to 1000 ° C. is generally required to decompose sulfur trioxide into sulfur dioxide and oxygen. Therefore, conventionally, in the I-S cycle method, a method for efficiently producing hydrogen by taking out and using such high-temperature heat from a high temperature gas-cooled reactor (HTGR) is particularly researched. Has been done.

このため、従来、I−Sサイクル法において太陽熱を利用することは困難であると一般に考えられてきた。例えば、太陽熱エネルギーを得るための集光装置としては、パラボリックディッシュ型集光装置、ソーラータワー型集光装置、及びパラボリックトラフ型集光装置等が一般に知られている。しかしながら、これらの集光装置のうち、構造が比較的簡単で、コストが安くかつ大規模なプラントに適しているパラボリックトラフ型集光装置では、太陽熱エネルギーの収集と放射によるエネルギーの散逸との釣り合いから、700℃以上、特には1000℃近い高温での太陽熱エネルギーの収集は技術的に非常に難易度が高く、またコスト的にも実現が困難である。   For this reason, it has been generally considered that it is difficult to use solar heat in the IS cycle method. For example, as a condensing device for obtaining solar thermal energy, a parabolic dish concentrating device, a solar tower concentrating device, a parabolic trough concentrating device, and the like are generally known. However, among these concentrators, the parabolic trough concentrator, which has a relatively simple structure, is inexpensive and suitable for large-scale plants, is a balance between solar thermal energy collection and radiation energy dissipation. Therefore, it is technically very difficult to collect solar thermal energy at 700 ° C. or higher, particularly at a high temperature close to 1000 ° C., and it is difficult to realize it in terms of cost.

したがって、本発明の三酸化硫黄分解触媒を使用することで三酸化硫黄の分解反応に必要とされる温度を低下させ、例えば約600℃又はそれよりも低い温度でかつ高SVの条件のもと、三酸化硫黄の分解反応を進行させることができるということは、産業的な観点からも非常に重要な価値を有するものである。   Therefore, by using the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention, the temperature required for the sulfur trioxide decomposition reaction is lowered, for example, at a temperature of about 600 ° C. or lower and under a high SV condition. The ability to proceed with the decomposition reaction of sulfur trioxide is very important from an industrial point of view.

[アルカリ金属]
本発明によれば、アルカリ金属としては、好ましくはナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)、又はそれらの組み合わせを挙げることができ、より好ましくはカリウム(K)、セシウム(Cs)、又はそれらの組み合わせを挙げることができ、最も好ましくはセシウム(Cs)を挙げることができる。
[Alkali metal]
According to the present invention, the alkali metal may preferably include sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), or combinations thereof, more preferably potassium (K). , Cesium (Cs), or a combination thereof, and most preferably cesium (Cs).

何ら特定の理論に束縛されることを意図するものではないが、本発明の三酸化硫黄分解触媒では、例えば、以下に説明するような反応メカニズムによって三酸化硫黄の分解反応が進行すると考えられる。   Although not intended to be bound by any particular theory, it is considered that the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention proceeds with a sulfur trioxide decomposition reaction by a reaction mechanism as described below, for example.

図1は、本発明の三酸化硫黄分解触媒における三酸化硫黄分解反応のメカニズムを示す概念図である。なお、理解を容易にするため、図1では、アルカリ金属(A)とバナジウムの原子比(アルカリ金属:バナジウム)が1:1の複合酸化物(すなわちAVO3)を用いた場合について説明する。 FIG. 1 is a conceptual diagram showing the mechanism of sulfur trioxide decomposition reaction in the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention. For ease of understanding, FIG. 1 illustrates a case where a composite oxide (that is, AVO 3 ) having an atomic ratio of alkali metal (A) to vanadium (alkali metal: vanadium) of 1: 1 is used.

まず、アルカリ金属は、比較的過酸化物を形成しやすい元素であることが一般に知られている。したがって、バナジウムにアルカリ金属を組み合わせた複合酸化物(AVO3)では、触媒表面におけるAVO3中の少なくとも一部のバナジウムは、アルカリ金属(A)の作用によりVO3としてではなく、気相中の酸素が吸着した過酸化状態、すなわちVO4の状態で存在していると考えられる(図1(a)を参照)。次に、このような吸着酸素は、他のバナジウム−酸素(V−O)結合における酸素と比較して反応性が高いため、図1(b)に示すように、気相中の三酸化硫黄(SO3)が当該吸着酸素にさらに吸着し、そして分離されて二酸化硫黄(SO2)が生成すると考えられる(図1(c)を参照)。ここで、図1(c)においてVO4上に残された酸素は非常に高活性であることから、図1(d)に示すように、当該酸素に気相中の三酸化硫黄が容易に吸着し、そして最後に二酸化硫黄(SO2)と酸素分子(O2)が分離されると考えられる(図1(e)を参照)。 First, it is generally known that an alkali metal is an element that relatively easily forms a peroxide. Therefore, in the composite oxide (AVO 3 ) in which the alkali metal is combined with vanadium, at least a part of vanadium in the AVO 3 on the catalyst surface is not as VO 3 due to the action of the alkali metal (A) but in the gas phase. It is considered that oxygen exists in the peroxidized state, ie, VO 4 (see FIG. 1A). Next, since such adsorbed oxygen has higher reactivity than oxygen in other vanadium-oxygen (VO) bonds, as shown in FIG. It is thought that (SO 3 ) is further adsorbed on the adsorbed oxygen and separated to produce sulfur dioxide (SO 2 ) (see FIG. 1 (c)). Here, since oxygen remaining on VO 4 in FIG. 1 (c) is very highly active, as shown in FIG. 1 (d), sulfur trioxide in the gas phase is easily added to the oxygen. Adsorbed and finally, sulfur dioxide (SO 2 ) and oxygen molecules (O 2 ) are considered to be separated (see FIG. 1 (e)).

本発明の三酸化硫黄分解触媒によれば、バナジウムにアルカリ金属を組み合わせたことにより、例えば上記のような酸素吸着又は酸素付加機構において複合酸化物の三酸化硫黄に対する吸着性及び反応性が高められると考えられる。その結果として、本発明の三酸化硫黄分解触媒によれば、従来の触媒と比較して、高い空間速度(SV)条件のもとでも、比較的低い温度域、例えば600℃以下の温度域から高い三酸化硫黄(SO3)分解活性を達成することができたものと考えられる。 According to the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention, by combining an alkali metal with vanadium, for example, in the oxygen adsorption or oxygen addition mechanism as described above, the adsorptivity and reactivity of the composite oxide to sulfur trioxide are enhanced. it is conceivable that. As a result, according to the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention, compared with the conventional catalyst, even under high space velocity (SV) conditions, from a relatively low temperature range, for example, a temperature range of 600 ° C. or less. It is considered that high sulfur trioxide (SO 3 ) decomposition activity could be achieved.

加えて、特定の理論に束縛されることを意図するものではないが、本発明の三酸化硫黄分解触媒では、アルカリ金属とバナジウムを含む複合酸化物が触媒担体上で均一な薄い層として存在しているか、あるいは当該触媒担体上に微結晶として高分散に担持されていると考えられる。   In addition, although not intending to be bound by any particular theory, in the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention, the composite oxide containing alkali metal and vanadium is present as a uniform thin layer on the catalyst support. Or is supported on the catalyst support in a highly dispersed form as fine crystals.

図2を参照して、アルカリ金属としてセシウム(Cs)を使用した場合について、以下により具体的に説明する。図2は、Cs2O−V25系の状態図である。図2に示すように、セシウムとバナジウムの原子比(Cs:V)が1:1である複合酸化物すなわちメタバナジン酸セシウム(CsVO3)では、その融点は642℃である。しかしながら、図2からわかるように、例えば、この組成が少しバナジウム(V)リッチ側にずれると、その融点は約400℃程度まで大きく低下する。ここで、実際の組成においては濃度分布があるため、全体としてはセシウムとバナジウムの原子比(Cs:V)が1:1であっても、部分的にはVリッチの領域が存在し、それゆえ部分的には融点が低下した領域が存在するものと考えられる。 With reference to FIG. 2, the case where cesium (Cs) is used as an alkali metal will be described in more detail below. FIG. 2 is a phase diagram of the Cs 2 O—V 2 O 5 system. As shown in FIG. 2, the melting point is 642 ° C. in a composite oxide having a cesium / vanadium atomic ratio (Cs: V) of 1: 1, that is, cesium metavanadate (CsVO 3 ). However, as can be seen from FIG. 2, for example, when this composition is slightly shifted to the vanadium (V) rich side, the melting point is greatly reduced to about 400 ° C. Here, since there is a concentration distribution in the actual composition, even if the atomic ratio of cesium to vanadium (Cs: V) is 1: 1 as a whole, a V-rich region exists partially, Therefore, it is considered that there is a region where the melting point is partially reduced.

したがって、触媒調製時における比較的低温の焼成操作、例えば約400℃〜約600℃の焼成操作においても、セシウムとバナジウムを含む複合酸化物前駆体は、部分的に溶融しながら、最終的に触媒担体上に均一な薄い層からなる複合酸化物を形成するか、又は触媒担体上に微結晶の複合酸化物として高分散に担持されるものと考えられる。本発明の三酸化硫黄分解触媒によれば、このような均一な薄い層又は微結晶からなる活性な触媒層が存在するために、従来の触媒と比較して、高い空間速度(SV)条件のもとでも、比較的低い温度域、例えば600℃以下の温度域から高い三酸化硫黄(SO3)分解活性を達成することができたものと考えられる。 Therefore, even in a relatively low temperature calcination operation at the time of catalyst preparation, for example, a calcination operation of about 400 ° C. to about 600 ° C., the composite oxide precursor containing cesium and vanadium is finally melted while partially melting. It is considered that a complex oxide composed of a uniform thin layer is formed on the support, or is supported on the catalyst support in a highly dispersed form as a microcrystalline complex oxide. According to the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention, since there is an active catalyst layer composed of such a uniform thin layer or microcrystal, the space velocity (SV) condition is higher than that of the conventional catalyst. Originally, it is considered that high sulfur trioxide (SO 3 ) decomposition activity could be achieved from a relatively low temperature range, for example, a temperature range of 600 ° C. or lower.

とりわけ、触媒担体にシリカ等の金属酸化物を使用した場合には、セシウム(他のアルカリ金属も同様)の一部は当該シリカと反応するため、触媒調製時における複合酸化物前駆体の組成は部分的にVリッチな状態になる。したがって、約600℃以下の比較的低温領域における焼成操作においても、セシウムとバナジウムを含む複合酸化物前駆体は溶融しながら、シリカ上に均一な薄い層からなる複合酸化物を形成するか、又はシリカ上に微結晶の複合酸化物として高分散に担持されるものと考えられる。   In particular, when a metal oxide such as silica is used for the catalyst support, a part of cesium (as well as other alkali metals) reacts with the silica, so the composition of the composite oxide precursor at the time of catalyst preparation is Partially V-rich. Therefore, even in a firing operation in a relatively low temperature region of about 600 ° C. or less, the composite oxide precursor containing cesium and vanadium is melted to form a composite oxide composed of a uniform thin layer on silica, or It is considered that it is supported on silica in a highly dispersed form as a microcrystalline composite oxide.

本発明の三酸化硫黄分解触媒における低温下での高いSO3分解活性は、上記のようにアルカリ金属の添加による複合酸化物の三酸化硫黄に対する吸着性及び反応性の向上、並びに/あるいはアルカリ金属とバナジウムの複合化によるアルカリ金属バナジン酸塩の融点の低下に基づく活性な触媒層の形成に起因するものと考えられる。 The high SO 3 decomposition activity at a low temperature in the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention is improved in the adsorptivity and reactivity of the composite oxide to sulfur trioxide by addition of alkali metal as described above, and / or alkali metal. This is thought to be due to the formation of an active catalyst layer based on the lowering of the melting point of the alkali metal vanadate by the combination of vanadium and vanadium.

[複合酸化物]
本発明によれば、複合酸化物におけるアルカリ金属とバナジウムの原子比(アルカリ金属:バナジウム)は、一般的には1:0.8〜1:9である。
[Composite oxide]
According to the present invention, the atomic ratio of alkali metal to vanadium (alkali metal: vanadium) in the composite oxide is generally 1: 0.8 to 1: 9.

アルカリ金属とバナジウムの原子比が1:0.8未満になると、アルカリ金属の量が多いために、触媒表面にアルカリ金属が析出して酸素と強く結びつく場合がある。このような場合には、図1に関連して説明したような比較的反応性の高い吸着酸素種を形成することができない場合がある。また、このようなより多いアルカリ金属の添加量では、アルカリ金属バナジン酸塩の融点を十分に低くすることができないために、複合酸化物の均一な薄い層又は微結晶によって構成される活性な触媒層を形成することができない場合がある。   If the atomic ratio of alkali metal to vanadium is less than 1: 0.8, the amount of alkali metal is so large that the alkali metal may precipitate on the catalyst surface and be strongly bound to oxygen. In such a case, there may be a case where an adsorbed oxygen species having a relatively high reactivity as described with reference to FIG. 1 cannot be formed. In addition, since the melting point of the alkali metal vanadate cannot be sufficiently lowered with such a larger amount of alkali metal added, the active catalyst is constituted by a uniform thin layer or microcrystal of the composite oxide. The layer may not be formed.

一方で、アルカリ金属とバナジウムの原子比が1:9超の場合には、アルカリ金属の添加量が少ないために、アルカリ金属の添加による複合酸化物の三酸化硫黄に対する吸着性及び反応性向上の効果を十分に得ることができない場合がある。また、このような少量のアルカリ金属を添加した場合には、アルカリ金属バナジン酸塩の融点が比較的高くなるため、複合酸化物の均一な薄い層又は微結晶によって構成される活性な触媒層を形成することができない場合がある。   On the other hand, when the atomic ratio of alkali metal to vanadium is more than 1: 9, the addition amount of the alkali metal is small, so that the adsorption property and reactivity of the composite oxide to the sulfur trioxide by the addition of the alkali metal are improved. The effect may not be obtained sufficiently. In addition, when such a small amount of alkali metal is added, the melting point of the alkali metal vanadate becomes relatively high, so that an active catalyst layer composed of a uniform thin layer or microcrystal of the composite oxide is formed. It may not be possible to form.

したがって、本発明によれば、複合酸化物におけるアルカリ金属とバナジウムの原子比(アルカリ金属:バナジウム)は、一般的には1:0.8以上、好ましくは1:1以上であり、かつ一般的には1:9以下、好ましくは1:8以下、1:6以下、1:4以下、1:3以下又は1:2以下である。より好ましくは、複合酸化物におけるアルカリ金属とバナジウムの原子比(アルカリ金属:バナジウム)は1:1〜1:8であり、最も好ましくは1:1である。アルカリ金属とバナジウムの原子比をこのような範囲に制御することで、アルカリ金属とバナジウムの複合化による上記の効果を十分に発揮させることができる。その結果として、SO3分解活性、特には低温下におけるSO3分解活性が顕著に改善された三酸化硫黄分解触媒を得ることが可能となる。 Therefore, according to the present invention, the atomic ratio of alkali metal to vanadium (alkali metal: vanadium) in the composite oxide is generally 1: 0.8 or more, preferably 1: 1 or more, and generally Is 1: 9 or less, preferably 1: 8 or less, 1: 6 or less, 1: 4 or less, 1: 3 or less, or 1: 2 or less. More preferably, the atomic ratio of alkali metal to vanadium (alkali metal: vanadium) in the composite oxide is 1: 1 to 1: 8, and most preferably 1: 1. By controlling the atomic ratio of the alkali metal and vanadium within such a range, the above-described effect due to the composite of the alkali metal and vanadium can be sufficiently exhibited. As a result, SO 3 decomposition activity, in particular it is possible to obtain a sulfur trioxide decomposition catalyst SO 3 decomposing activity at low temperatures is significantly improved.

本発明の三酸化硫黄分解触媒においては、複合酸化物は、種々のアルカリ金属のバナジン酸塩を含むことができる。当該複合酸化物は、一般的には式A1-xVO3-0.5x(式中、Aはアルカリ金属であり、0≦x<1)で表されるアルカリ金属のバナジン酸塩を含むことができ、好ましくは式AVO3(式中、Aはアルカリ金属である)で表されるアルカリ金属のメタバナジン酸塩を含むことができる。また、アルカリ金属がセシウムである場合には、当該複合酸化物は、例えば、CsVO3、Cs2411、CsV38、又はそれらの組み合わせを含むことができ、好ましくはCsVO3を含むことができる。なお、これらの種々のアルカリ金属のバナジン酸塩は、本発明における複合酸化物を調製する際に導入されるアルカリ金属化合物及びバナジウム化合物の仕込み比を適切に選択することにより容易に製造することが可能である。 In the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention, the composite oxide may contain various alkali metal vanadates. The composite oxide generally contains an alkali metal vanadate represented by the formula A 1-x VO 3-0.5x (wherein A is an alkali metal and 0 ≦ x <1). Preferably, an alkali metal metavanadate represented by the formula AVO 3 (wherein A is an alkali metal) can be included. When the alkali metal is cesium, the composite oxide can contain, for example, CsVO 3 , Cs 2 V 4 O 11 , CsV 3 O 8 , or a combination thereof, preferably CsVO 3 Can be included. These various alkali metal vanadates can be easily produced by appropriately selecting the charging ratio of the alkali metal compound and vanadium compound introduced when preparing the composite oxide in the present invention. Is possible.

[触媒担体]
本発明の三酸化硫黄分解触媒では、複合酸化物は、任意の適切な量において後で説明する触媒担体上に担持される。特に限定されないが、例えば、複合酸化物は、当該複合酸化物中に含まれるバナジウムの量が触媒担体に対して、一般的に、0.01wt%以上、0.1wt%以上、0.5wt%以上、1wt%以上、若しくは2wt%以上、及び/又は20wt%以下、15wt%以下、10wt%以下、8wt%以下、7wt%以下、若しくは5wt%以下となるような範囲において当該触媒担体上に担持することができる。
[Catalyst support]
In the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention, the composite oxide is supported on a catalyst support described later in any appropriate amount. Although not particularly limited, for example, in the composite oxide, the amount of vanadium contained in the composite oxide is generally 0.01 wt% or more, 0.1 wt% or more, 0.5 wt% with respect to the catalyst support. 1 wt% or more, or 2 wt% or more, and / or 20 wt% or less, 15 wt% or less, 10 wt% or less, 8 wt% or less, 7 wt% or less, or 5 wt% or less. can do.

本発明によれば、上記の複合酸化物が担持される触媒担体としては、特に限定されないが、当技術分野において一般に触媒担体として知られる任意の金属酸化物を使用することができる。このような触媒担体としては、例えば、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al23)、ジルコニア(ZrO2)、チタニア(TiO2)、又はそれらの組み合わせ等を挙げることができる。なお、三酸化硫黄の分解反応では、三酸化硫黄と水分の共存下で反応が行われるため、触媒担体としては、一般的に耐硫酸性の材料を使用することが好ましい。したがって、耐硫酸性の観点では、当該触媒担体としては、シリカ(SiO2)、ジルコニア(ZrO2)又はそれらの組み合わせを使用することが好ましい。 According to the present invention, the catalyst carrier on which the composite oxide is supported is not particularly limited, but any metal oxide generally known as a catalyst carrier in this technical field can be used. Examples of such a catalyst carrier include silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), titania (TiO 2 ), or combinations thereof. In the sulfur trioxide decomposition reaction, since the reaction is performed in the presence of sulfur trioxide and moisture, it is generally preferable to use a sulfuric acid resistant material as the catalyst carrier. Therefore, from the viewpoint of sulfuric acid resistance, it is preferable to use silica (SiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), or a combination thereof as the catalyst carrier.

本発明によれば、この触媒担体は、細孔構造を有する多孔質材料であることが好ましい。   According to the present invention, the catalyst carrier is preferably a porous material having a pore structure.

しかしながら、ゼオライト等のいわゆるミクロ細孔を有する多孔質材料を触媒担体として使用しそしてこのような細孔内にアルカリ金属とバナジウムの複合酸化物が担持された場合には、三酸化硫黄の当該細孔内への拡散が非常に制約されてしまうため、結果として三酸化硫黄の分解反応が阻害されてしまう虞がある。このような傾向は、アルカリ金属としてセシウム等のイオン半径の大きな金属元素を使用した場合に特に顕著である。それゆえ、本発明の三酸化硫黄分解触媒においては、触媒担体は、特にメソ細孔及び/又はマクロ細孔を有することが好ましい。   However, when a porous material having so-called micropores such as zeolite is used as a catalyst support and a composite oxide of alkali metal and vanadium is supported in such pores, the fine particles of sulfur trioxide are concerned. Since diffusion into the pores is extremely restricted, there is a possibility that the decomposition reaction of sulfur trioxide is hindered as a result. Such a tendency is particularly remarkable when a metal element having a large ionic radius such as cesium is used as the alkali metal. Therefore, in the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention, the catalyst support preferably has mesopores and / or macropores.

なお、本発明において用いられる「メソ細孔」という用語は、一般的には2〜50nmの直径を有する細孔を言うものである。また、本発明において用いられる「マクロ細孔」という用語は、一般的には50nm超の直径を有する細孔を言うものである。   The term “mesopore” used in the present invention generally refers to a pore having a diameter of 2 to 50 nm. The term “macropore” used in the present invention generally refers to a pore having a diameter of more than 50 nm.

耐硫酸性、さらには触媒担体の細孔の大きさ等の観点から言えば、本発明における触媒担体としては、好ましくはシリカを使用することができ、より好ましくはメソポーラスシリカ等の多孔質シリカを使用することができる。メソポーラスシリカとしては、特に限定されないが、例えば、KIT−6のような立方晶メソポーラスシリカを挙げることができる。他のメソポーラスシリカとしては、例えば、SBA−15、SBA−16、MCM−41、MCM−48、FMS−16等を挙げることができる。これらのメソポーラスシリカは、当業者に公知の任意の方法によって製造することができ、一般的には界面活性剤を鋳型としたゾルゲル法によって製造することができる。   From the standpoint of sulfuric acid resistance and further the pore size of the catalyst carrier, silica can be preferably used as the catalyst carrier in the present invention, more preferably porous silica such as mesoporous silica. Can be used. Although it does not specifically limit as mesoporous silica, For example, cubic mesoporous silica like KIT-6 can be mentioned. Examples of other mesoporous silica include SBA-15, SBA-16, MCM-41, MCM-48, FMS-16, and the like. These mesoporous silicas can be produced by any method known to those skilled in the art, and generally can be produced by a sol-gel method using a surfactant as a template.

<三酸化硫黄分解触媒の製造方法>
本発明では、三酸化硫黄分解触媒の製造方法がさらに提供され、当該製造方法によって上記の種々の特徴を有する複合酸化物を触媒担体に担持してなる本発明の三酸化硫黄分解触媒を製造することができる。
<Method for producing sulfur trioxide decomposition catalyst>
In the present invention, a method for producing a sulfur trioxide decomposition catalyst is further provided, and the production method for producing the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention, wherein the composite oxide having the above-mentioned various characteristics is supported on a catalyst carrier. be able to.

具体的には、本発明の三酸化硫黄分解触媒は、まず、アルカリ金属化合物の溶液を触媒担体に含浸させ、乾燥及び仮焼成し、次いで、バナジウム化合物の溶液を当該触媒担体に含浸させ、乾燥及び焼成することによって製造することができる。また、これとは反対に、本発明の三酸化硫黄分解触媒は、まず、バナジウム化合物の溶液を触媒担体に含浸させ、乾燥及び仮焼成し、次いで、アルカリ金属化合物の溶液を当該触媒担体に含浸させ、乾燥及び焼成することによって製造することも可能である。   Specifically, the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention is first impregnated with a solution of an alkali metal compound in a catalyst carrier, dried and calcined, and then impregnated with the solution of a vanadium compound in the catalyst carrier and dried. And it can manufacture by baking. On the other hand, the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention is first impregnated with a vanadium compound solution, dried and calcined, and then impregnated with the alkali metal compound solution. It is also possible to manufacture by drying and baking.

あるいはまた、例えば、特定のアルカリ金属化合物及びバナジウム化合物を選択してそれらの両方を溶解可能な溶媒を使用する場合には、本発明の三酸化硫黄分解触媒は、当該アルカリ金属化合物及びバナジウム化合物の両方を含有する溶液を、触媒担体に含浸させ、乾燥及び焼成することによって製造することも可能である。   Alternatively, for example, when a specific alkali metal compound and a vanadium compound are selected and a solvent capable of dissolving both of them is used, the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention is used for the alkali metal compound and the vanadium compound. It is also possible to produce a solution containing both by impregnating the catalyst support, drying and calcining.

バナジウム含有複合酸化物を用いた従来の触媒、例えば銅とバナジウムの複合酸化物を触媒担体に担持してなる触媒では、700℃又は650℃よりも低い温度においては必ずしも十分に三酸化硫黄分解反応を進行させることができない場合があった。あるいはまた、このような触媒において高い触媒活性を達成するためには、触媒調製の段階において700℃以上の高温下で焼成するか又は一旦800℃程度の高温下で使用する必要があった。   In a conventional catalyst using a vanadium-containing composite oxide, for example, a catalyst in which a composite oxide of copper and vanadium is supported on a catalyst carrier, the sulfur trioxide decomposition reaction is not always sufficient at a temperature lower than 700 ° C or 650 ° C. May not be able to proceed. Alternatively, in order to achieve high catalytic activity in such a catalyst, it was necessary to calcinate at a high temperature of 700 ° C. or higher or once use it at a high temperature of about 800 ° C. in the catalyst preparation stage.

本発明者らは、バナジウムに銅などの遷移金属ではなく、アルカリ金属を組み合わせることで、より具体的にはアルカリ金属化合物とバナジウム化合物を用いて含浸担持法によりアルカリ金属とバナジウムを含む複合酸化物を触媒担体に担持することで、700℃又はそれ以上の高温下において焼成又は使用する必要なしに、従来の触媒、例えば銅とバナジウムの複合酸化物を触媒担体に担持してなる触媒と比較して、低温下における三酸化硫黄(SO3)分解活性が顕著に改善された三酸化硫黄分解触媒を製造することができることを見出した。さらに、本発明者らは、本発明の方法によって製造した三酸化硫黄分解触媒によれば、従来の触媒と比較して、非常に高い空間速度(SV)条件のもとで、このような低温下における三酸化硫黄(SO3)分解活性を達成することができることを見出した。 The present inventors combine vanadium with an alkali metal instead of a transition metal such as copper, more specifically, a composite oxide containing an alkali metal and vanadium by an impregnation support method using an alkali metal compound and a vanadium compound. Compared with a conventional catalyst, for example, a catalyst in which a composite oxide of copper and vanadium is supported on a catalyst support, without the necessity of calcining or using it at a high temperature of 700 ° C. or higher. The present inventors have found that a sulfur trioxide decomposition catalyst having significantly improved sulfur trioxide (SO 3 ) decomposition activity at low temperatures can be produced. Furthermore, the present inventors have found that the sulfur trioxide decomposition catalyst produced by the method of the present invention has such a low temperature under a very high space velocity (SV) condition compared to the conventional catalyst. It has been found that lower sulfur trioxide (SO 3 ) decomposition activity can be achieved.

[アルカリ金属化合物及びバナジウム化合物]
アルカリ金属化合物としては、特に限定されないが、例えば、当該アルカリ金属の硝酸塩、酢酸塩、硫酸塩、水酸化物等を挙げることができる。一方、バナジウム化合物としては、特に限定されないが、例えば、メタバナジン酸アンモニウムなどのバナジン酸塩等を挙げることができる。
[Alkali metal compounds and vanadium compounds]
Although it does not specifically limit as an alkali metal compound, For example, the nitrate, acetate, sulfate, hydroxide, etc. of the said alkali metal can be mentioned. On the other hand, the vanadium compound is not particularly limited, and examples thereof include vanadate such as ammonium metavanadate.

本発明の方法では、アルカリ金属化合物及びバナジウム化合物は、アルカリ金属とバナジウムの原子比(アルカリ金属:バナジウム)が一般的には1:0.8〜1:9、好ましくは1:1〜1:8であるような範囲において、別々に又は一緒に水などの溶媒に溶解されて、アルカリ金属化合物及び/又はバナジウム化合物を含有する溶液が調製される。なお、バナジウム化合物は、溶解度を改善するために、必要に応じて少量の酸、例えばシュウ酸等とともに水などの溶媒に溶解してもよい。また、バナジウム化合物は、例えば、バナジウムの量が触媒担体に対して、一般的に0.01wt%〜20wt%となるような範囲において溶媒に溶解することができる。   In the method of the present invention, the alkali metal compound and the vanadium compound generally have an atomic ratio of alkali metal to vanadium (alkali metal: vanadium) of 1: 0.8 to 1: 9, preferably 1: 1 to 1: In the range of 8, the solution containing an alkali metal compound and / or a vanadium compound is prepared by dissolving separately or together in a solvent such as water. In order to improve the solubility, the vanadium compound may be dissolved in a solvent such as water together with a small amount of acid such as oxalic acid as necessary. In addition, the vanadium compound can be dissolved in a solvent in a range such that the amount of vanadium is generally 0.01 wt% to 20 wt% with respect to the catalyst carrier.

[触媒担体]
本発明の方法によれば、触媒担体としては、本発明の三酸化硫黄分解触媒について説明したのと同様に、当技術分野において一般に触媒担体として知られる任意の金属酸化物を使用することができる。このような触媒担体としては、例えば、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al23)、ジルコニア(ZrO2)、チタニア(TiO2)、又はそれらの組み合わせ等を挙げることができ、好ましくはシリカ、より好ましくはメソポーラスシリカ等の多孔質シリカを挙げることができる。
[Catalyst support]
According to the method of the present invention, any metal oxide generally known as a catalyst support in the art can be used as the catalyst support in the same manner as described for the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention. . Examples of such a catalyst carrier include silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), titania (TiO 2 ), or combinations thereof, preferably silica. More preferably, mention may be made of porous silica such as mesoporous silica.

[乾燥及び仮焼成又は焼成]
本発明の方法では、逐次含浸法により本発明の三酸化硫黄分解触媒を製造する場合には、アルカリ金属化合物の溶液を触媒担体に含浸させた後、当該触媒担体が乾燥及び仮焼成され、次いでバナジウム化合物の溶液を当該触媒担体に含浸させた後、当該触媒担体が乾燥及び焼成される。あるいはまた、バナジウム化合物の溶液を触媒担体に含浸させた後、当該触媒担体が乾燥及び仮焼成され、次いでアルカリ金属化合物の溶液を当該触媒担体に含浸させた後、当該触媒担体が乾燥及び焼成される。一方で、共含浸法により本発明の三酸化硫黄分解触媒を製造する場合には、アルカリ金属化合物及びバナジウム化合物を含有する溶液を触媒担体に含浸させた後に当該触媒担体が乾燥及び焼成される。
[Drying and pre-baking or baking]
In the method of the present invention, in the case of producing the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention by the sequential impregnation method, after impregnating the catalyst support with the alkali metal compound solution, the catalyst support is dried and pre-calcined, After impregnating the catalyst carrier with the vanadium compound solution, the catalyst carrier is dried and calcined. Alternatively, after impregnating the catalyst support with the vanadium compound solution, the catalyst support is dried and pre-calcined, and after impregnating the catalyst support with the alkali metal compound solution, the catalyst support is then dried and calcined. The On the other hand, when the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention is produced by the co-impregnation method, the catalyst carrier is dried and calcined after impregnating the catalyst carrier with a solution containing an alkali metal compound and a vanadium compound.

なお、このような乾燥及び仮焼成又は焼成は、不純物や揮発性成分を分解・除去し及び/又はアルカリ金属とバナジウムを含む複合酸化物を形成するのに十分な温度及び時間において実施することができる。特に限定されないが、例えば、乾燥は、減圧下又は常圧下において約80℃〜約250℃の温度で約1時間〜約24時間にわたり実施することができる。一方で、仮焼成又は焼成は、窒素若しくはアルゴンなどの不活性雰囲気中又は空気などの酸化性雰囲気中において一般的には約400℃以上約700℃未満、好ましくは約400℃以上約650℃以下又は約500℃以上約600℃以下、特には600℃の温度で約1時間〜約10時間にわたり実施することができる。   Such drying and pre-firing or firing may be performed at a temperature and time sufficient to decompose and remove impurities and volatile components and / or to form a composite oxide containing alkali metal and vanadium. it can. Although not particularly limited, for example, the drying can be performed at a temperature of about 80 ° C. to about 250 ° C. for about 1 hour to about 24 hours under reduced pressure or normal pressure. On the other hand, calcination or calcination is generally about 400 ° C. or more and less than about 700 ° C., preferably about 400 ° C. or more and about 650 ° C. or less in an inert atmosphere such as nitrogen or argon or in an oxidizing atmosphere such as air. Alternatively, it can be carried out at a temperature of about 500 ° C. or more and about 600 ° C. or less, particularly 600 ° C. for about 1 hour to about 10 hours.

本発明の方法によれば、アルカリ金属とバナジウムを組み合わせることで、これらの複合酸化物前駆体の融点を低下させることができる。その結果として、本発明の方法によれば、従来の触媒と比較してより低い焼成温度において、アルカリ金属とバナジウムを含む複合酸化物が触媒担体上に高分散に担持され、それゆえ低温下における三酸化硫黄(SO3)分解活性が顕著に改善された三酸化硫黄分解触媒を容易に製造することが可能である。 According to the method of the present invention, the melting point of these composite oxide precursors can be lowered by combining an alkali metal and vanadium. As a result, according to the method of the present invention, the composite oxide containing alkali metal and vanadium is supported in a highly dispersed state on the catalyst support at a lower calcination temperature compared with the conventional catalyst, and therefore at a low temperature. It is possible to easily produce a sulfur trioxide decomposition catalyst with significantly improved sulfur trioxide (SO 3 ) decomposition activity.

<二酸化硫黄の生成方法>
二酸化硫黄を生成する本発明の方法は、本発明の三酸化硫黄分解触媒を用いて三酸化硫黄を二酸化硫黄と酸素に分解する分解反応を含む。本方法によれば、本発明の三酸化硫黄分解触媒を用いることで、従来の方法よりも低い温度、例えば650℃未満、特には600℃以下の温度で三酸化硫黄の分解反応を実施することができる。
<Method for producing sulfur dioxide>
The method of the present invention for producing sulfur dioxide includes a decomposition reaction in which sulfur trioxide is decomposed into sulfur dioxide and oxygen using the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention. According to this method, by using the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention, the sulfur trioxide decomposition reaction is carried out at a temperature lower than that of the conventional method, for example, less than 650 ° C., particularly 600 ° C. Can do.

例えば、650℃又はそれを超える温度では、アルカリ金属、特にはナトリウムが触媒担体であるシリカ等と反応してガラスを形成する場合がある。このような場合には、触媒が劣化して十分な三酸化硫黄分解活性を達成することができない場合がある。それゆえ、650℃未満、特には600℃以下の比較的低温の領域において三酸化硫黄の分解反応を実施できるということは、本発明の三酸化硫黄分解触媒を長期間にわたって安定して使用する上で非常に有利である。   For example, at a temperature of 650 ° C. or higher, glass may be formed by reacting alkali metal, particularly sodium, with silica or the like as a catalyst carrier. In such a case, the catalyst may deteriorate and sufficient sulfur trioxide decomposition activity may not be achieved. Therefore, the fact that the sulfur trioxide decomposition reaction can be carried out in a relatively low temperature region of less than 650 ° C., particularly 600 ° C. or less, means that the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention can be used stably over a long period of time. Is very advantageous.

<水素生成方法>
水素を生成する本発明の方法は、水を水素と酸素に分解すること、例えば、I−Sサイクル法、ウエスティングハウス・サイクル法、Ispra−Mark 13サイクル法、又はロスアラモス・サイエンスラボラトリ・サイクル法によって水を水素と酸素に分解することを含む。ここで、水素を生成する本発明の方法は、下記式(X1)で示される反応において、硫酸を水、二酸化硫黄及び酸素に分解することを含み、かつ下記式(X1)で示される反応の素反応である式(X1−1)及び(X1−2)の素反応のうち、式(X1−2)の素反応が二酸化硫黄を生成する本発明の方法によって実施される。
(X1)H2SO4 → H2O + SO2 + 1/2O2
(X1−1)H2SO4 → H2O + SO3
(X1−2)SO3 → SO2 + 1/2O2
<Hydrogen generation method>
The method of the present invention for producing hydrogen can be achieved by decomposing water into hydrogen and oxygen, for example by the IS cycle method, Westinghouse cycle method, Ispra-Mark 13 cycle method, or Los Alamos Science Laboratory cycle method. Includes cracking water into hydrogen and oxygen. Here, the method of the present invention for producing hydrogen includes decomposing sulfuric acid into water, sulfur dioxide and oxygen in the reaction represented by the following formula (X1), and of the reaction represented by the following formula (X1). Of the elementary reactions of the formulas (X1-1) and (X1-2) which are elementary reactions, the elementary reaction of the formula (X1-2) is carried out by the method of the present invention in which sulfur dioxide is generated.
(X1) H 2 SO 4 → H 2 O + SO 2 + 1 / 2O 2
(X1-1) H 2 SO 4 → H 2 O + SO 3
(X1-2) SO 3 → SO 2 + 1 / 2O 2

(I−Sサイクル法)
例えば、水素を生成する本発明の方法は、下記式(X1)〜(X3)で示されるI−S(ヨウ素−イオウ)サイクル法において、式(X1)の反応の素反応である式(X1−1)及び(X1−2)の素反応のうち、式(X1−2)の素反応を、二酸化硫黄を生成する本発明の方法によって行うことを含む。
(X1)H2SO4 → H2O + SO2 + 1/2O2
(X1−1)H2SO4 → H2O + SO3
(X1−2)SO3 → SO2 + 1/2O2
(X2)I2 + SO2 + 2H2O → 2HI + H2SO4
(X3)2HI → H2 + I2
全反応:H2O → H2 + 1/2O2
(I-S cycle method)
For example, the method of the present invention for producing hydrogen is represented by the formula (X1) which is an elementary reaction of the reaction of the formula (X1) in the IS (iodine-sulfur) cycle method represented by the following formulas (X1) to (X3). Among the elementary reactions of -1) and (X1-2), the elementary reaction of the formula (X1-2) is carried out by the method of the present invention for producing sulfur dioxide.
(X1) H 2 SO 4 → H 2 O + SO 2 + 1 / 2O 2
(X1-1) H 2 SO 4 → H 2 O + SO 3
(X1-2) SO 3 → SO 2 + 1 / 2O 2
(X2) I 2 + SO 2 + 2H 2 O → 2HI + H 2 SO 4
(X3) 2HI → H 2 + I 2
Total reaction: H 2 O → H 2 + 1 / 2O 2

(ウエスティングハウス・サイクル法)
また、例えば、水素を生成する本発明の方法は、下記式(X1)、(X4)及び(X5)で示されるウエスティングハウス・サイクル法において、式(X1)の反応の素反応である式(X1−1)及び(X1−2)の素反応のうち、式(X1−2)の素反応を、二酸化硫黄を生成する本発明の方法によって行うことを含む。
(X1)H2SO4 → H2O + SO2 + 1/2O2
(X1−1)H2SO4 → H2O + SO3
(X1−2)SO3 → SO2 + 1/2O2
(X4)SO2 + 2H2O → H2SO3
(X5)H2SO3 + H2O+ → H2 + H2SO4(電気分解)
全反応:H2O → H2 + 1/2O2
(Westinghouse cycle method)
In addition, for example, the method of the present invention for generating hydrogen is a formula (X1), (X4) and a Westinghouse cycle method represented by the following formula (X1): Among the elementary reactions of (X1-1) and (X1-2), the elementary reaction of the formula (X1-2) is carried out by the method of the present invention for producing sulfur dioxide.
(X1) H 2 SO 4 → H 2 O + SO 2 + 1 / 2O 2
(X1-1) H 2 SO 4 → H 2 O + SO 3
(X1-2) SO 3 → SO 2 + 1 / 2O 2
(X4) SO 2 + 2H 2 O → H 2 SO 3
(X5) H 2 SO 3 + H 2 O + → H 2 + H 2 SO 4 (electrolysis)
Total reaction: H 2 O → H 2 + 1 / 2O 2

(Ispra−Mark 13サイクル法)
さらに、例えば、水素を生成する本発明の方法は、下記式(X1)、(X6)及び(X7)で示されるIspra−Mark 13サイクル法において、式(X1)の反応の素反応である式(X1−1)及び(X1−2)の素反応のうち、式(X1−2)の素反応を、二酸化硫黄を生成する本発明の方法によって行うことを含む。
(X1)H2SO4 → H2O + SO2 + 1/2O2
(X1−1)H2SO4 → H2O + SO3
(X1−2)SO3 → SO2 + 1/2O2
(X6)2HBr → Br2 + H2
(X7)Br2 + SO2 + 2H2O+ → 2HBr + H2SO4
全反応:H2O → H2 + 1/2O2
(Ispra-Mark 13 cycle method)
Further, for example, the method of the present invention for generating hydrogen is a formula that is an elementary reaction of the reaction of the formula (X1) in the Ispra-Mark 13 cycle method represented by the following formulas (X1), (X6), and (X7). Among the elementary reactions of (X1-1) and (X1-2), the elementary reaction of the formula (X1-2) is carried out by the method of the present invention for producing sulfur dioxide.
(X1) H 2 SO 4 → H 2 O + SO 2 + 1 / 2O 2
(X1-1) H 2 SO 4 → H 2 O + SO 3
(X1-2) SO 3 → SO 2 + 1 / 2O 2
(X6) 2HBr → Br 2 + H 2
(X7) Br 2 + SO 2 + 2H 2 O + → 2HBr + H 2 SO 4
Total reaction: H 2 O → H 2 + 1 / 2O 2

(ロスアラモス・サイエンスラボラトリ・サイクル法)
さらに、例えば、水素を生成する本発明の方法は、下記式(X1)、及び(X8)〜(X10)で示されるロスアラモス・サイエンスラボラトリ・サイクル法において、式(X1)の反応の素反応である式(X1−1)及び(X1−2)の素反応のうち、式(X1−2)の素反応を、二酸化硫黄を生成する本発明の方法によって行うことを含む。
(X1)H2SO4 → H2O + SO2 + 1/2O2
(X1−1)H2SO4 → H2O + SO3
(X1−2)SO3 → SO2 + 1/2O2
(X8)Br2 + SO2 + 2H2O+ → 2HBr + H2SO4
(X9)2CrBr3 → 2CrBr2 + Br2
(X10)2HBr + 2CrBr2 → 2CrBr3 + H2
全反応:H2O → H2 + 1/2O2
(Los Alamos Science Laboratory Cycle Method)
Further, for example, the method of the present invention for producing hydrogen is an elementary reaction of the reaction of the formula (X1) in the Los Alamos Science Laboratory cycle method represented by the following formulas (X1) and (X8) to (X10). Among the elementary reactions of the formulas (X1-1) and (X1-2), the elementary reaction of the formula (X1-2) is performed by the method of the present invention for producing sulfur dioxide.
(X1) H 2 SO 4 → H 2 O + SO 2 + 1 / 2O 2
(X1-1) H 2 SO 4 → H 2 O + SO 3
(X1-2) SO 3 → SO 2 + 1 / 2O 2
(X8) Br 2 + SO 2 + 2H 2 O + → 2HBr + H 2 SO 4
(X9) 2CrBr 3 → 2CrBr 2 + Br 2
(X10) 2HBr + 2CrBr 2 → 2CrBr 3 + H 2
Total reaction: H 2 O → H 2 + 1 / 2O 2

以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to these Examples at all.

以下の実施例では、アルカリ金属とバナジウムを含む複合酸化物を触媒担体に担持してなる種々の三酸化硫黄分解触媒を調製し、それらの三酸化硫黄(SO3)分解活性及び特性について調べた。 In the following examples, various sulfur trioxide decomposition catalysts prepared by supporting a composite oxide containing an alkali metal and vanadium on a catalyst support were prepared, and their sulfur trioxide (SO 3 ) decomposition activity and characteristics were examined. .

[実施例1]
実施例1では、ナトリウム(Na)とバナジウム(V)の複合金属酸化物を触媒担体(SiO2:KIT−6)に担持してなる三酸化硫黄分解触媒を製造した。
[Example 1]
In Example 1, a sulfur trioxide decomposition catalyst in which a composite metal oxide of sodium (Na) and vanadium (V) was supported on a catalyst support (SiO 2 : KIT-6) was produced.

[触媒担体(SiO2:KIT−6)の調製]
触媒担体は、立方晶メソポーラスシリカ(KIT−6)であり、下記のようにして調製した。
(1)蒸留水144mLに、7.9gの35質量%塩酸(HCl)及び4.0gの非イオン性界面活性剤(Pluronic(商標)P−123)を添加し、得られた水溶液を35℃の温度において撹拌して、成分を溶解。
(2)得られた混合物に4.0gの1−ブタノールを添加し、混合物が透明になるまで35℃の温度において撹拌し、それによって非イオン性界面活性剤を自己配列。
(3)得られた混合物にシリカ源として8.6gのテトラエトキシシラン(TEOS)を添加し、35℃の温度において24時間にわたって強撹拌し、自己整列している非イオン性界面活性剤をテンプレートとして、テトラエトキシシラン(TEOS)を加水分解。
(4)100℃の温度において24時間にわたって静置し、その後、洗浄せずにそのまま110℃の温度において24時間にわたって乾燥。
(5)8mlの35質量%塩酸と120mLのエタノールとの混合物中において、1.5時間にわたって撹拌して洗浄。
(6)110℃の温度において24時間にわたって乾燥し、そして3℃/分の昇温速度で550℃まで加熱して、この温度で5時間にわたって焼成して、立方晶メソポーラスシリカ(KIT−6)を取得。
[Preparation of catalyst support (SiO 2 : KIT-6)]
The catalyst support was cubic mesoporous silica (KIT-6) and was prepared as follows.
(1) To 144 mL of distilled water, 7.9 g of 35% by mass hydrochloric acid (HCl) and 4.0 g of nonionic surfactant (Pluronic ™ P-123) are added, and the resulting aqueous solution is 35 ° C. Stir at the temperature of to dissolve the ingredients.
(2) Add 4.0 g of 1-butanol to the resulting mixture and stir at a temperature of 35 ° C. until the mixture is clear, thereby self-aligning the nonionic surfactant.
(3) Add 8.6 g of tetraethoxysilane (TEOS) as a silica source to the obtained mixture, vigorously stir for 24 hours at a temperature of 35 ° C., and use a self-aligned nonionic surfactant as a template. As described above, tetraethoxysilane (TEOS) is hydrolyzed.
(4) It is allowed to stand at a temperature of 100 ° C. for 24 hours, and then dried at a temperature of 110 ° C. for 24 hours without washing.
(5) Washing by stirring for 1.5 hours in a mixture of 8 ml of 35% by mass hydrochloric acid and 120 mL of ethanol.
(6) Drying at a temperature of 110 ° C. for 24 hours and heating to 550 ° C. at a temperature increase rate of 3 ° C./min, followed by firing at this temperature for 5 hours to obtain cubic mesoporous silica (KIT-6) Get.

[NaVO3/SiO2の製造]
まず、所定量の硝酸ナトリウム(NaNO3)を超純水3mLで希釈した溶液を上で調製した触媒担体(SiO2:KIT−6)1.0gに含浸させ、次いで110℃で一晩乾燥した後、分解炉において空気中500℃で2時間仮焼成した。次に、所定量のメタバナジン酸アンモニウム(NH4VO3)を1Mシュウ酸水溶液に溶解し、次いでこの水溶液を上記の触媒担体に含浸させた。最後に、当該触媒担体を110℃で一晩乾燥した後、分解炉において空気中600℃で5時間焼成して、NaVO3/SiO2(Na:V:Si=1:1:12)からなる三酸化硫黄分解触媒を得た。
[Production of NaVO 3 / SiO 2 ]
First, 1.0 g of the catalyst support (SiO 2 : KIT-6) prepared above was impregnated with a solution obtained by diluting a predetermined amount of sodium nitrate (NaNO 3 ) with 3 mL of ultrapure water, and then dried at 110 ° C. overnight. Thereafter, it was calcined in air at 500 ° C. for 2 hours in a decomposition furnace. Next, a predetermined amount of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ) was dissolved in 1M oxalic acid aqueous solution, and this aqueous solution was then impregnated on the catalyst support. Finally, the catalyst support is dried at 110 ° C. overnight and then calcined in a cracking furnace at 600 ° C. for 5 hours to be composed of NaVO 3 / SiO 2 (Na: V: Si = 1: 1: 12). A sulfur trioxide decomposition catalyst was obtained.

[実施例2]
[KVO3/SiO2の製造]
硝酸ナトリウム(NaNO3)の代わりに硝酸カリウム(KNO3)を使用したこと以外は実施例1と同様にして、KVO3/SiO2(K:V:Si=1:1:12)からなる三酸化硫黄分解触媒を得た。
[Example 2]
[Production of KVO 3 / SiO 2 ]
Trioxide made of KVO 3 / SiO 2 (K: V: Si = 1: 1: 12) in the same manner as in Example 1 except that potassium nitrate (KNO 3 ) was used instead of sodium nitrate (NaNO 3 ). A sulfur decomposition catalyst was obtained.

[実施例3]
[RbVO3/SiO2の製造]
硝酸ナトリウム(NaNO3)の代わりに硝酸ルビジウム(RbNO3)を使用したこと以外は実施例1と同様にして、RbVO3/SiO2(Rb:V:Si=1:1:12)からなる三酸化硫黄分解触媒を得た。
[Example 3]
[Production of RbVO 3 / SiO 2 ]
Three samples of RbVO 3 / SiO 2 (Rb: V: Si = 1: 1: 12) were used in the same manner as in Example 1 except that rubidium nitrate (RbNO 3 ) was used instead of sodium nitrate (NaNO 3 ). A sulfur oxide decomposition catalyst was obtained.

[実施例4]
[CsVO3/SiO2の製造]
硝酸ナトリウム(NaNO3)の代わりに硝酸セシウム(CsNO3)を使用したこと以外は実施例1と同様にして、CsVO3/SiO2(Cs:V:Si=1:1:12)からなる三酸化硫黄分解触媒を得た。
[Example 4]
[Production of CsVO 3 / SiO 2 ]
Three samples of CsVO 3 / SiO 2 (Cs: V: Si = 1: 1: 12) were used in the same manner as in Example 1 except that cesium nitrate (CsNO 3 ) was used instead of sodium nitrate (NaNO 3 ). A sulfur oxide decomposition catalyst was obtained.

[比較例1]
[CuV26/SiO2の製造]
本比較例では、銅(Cu)とバナジウム(V)の複合酸化物を触媒担体(SiO2:KIT−6)に担持してなる従来の三酸化硫黄分解触媒を製造した。
[Comparative Example 1]
[Production of CuV 2 O 6 / SiO 2 ]
In this comparative example, a conventional sulfur trioxide decomposition catalyst obtained by supporting a composite oxide of copper (Cu) and vanadium (V) on a catalyst carrier (SiO 2 : KIT-6) was produced.

具体的には、まず、所定量の硝酸銅(Cu(NO32)を水に溶解した溶液を上で調製した触媒担体(SiO2:KIT−6)に含浸させ、次いで150℃で乾燥し、350℃で1時間にわたって仮焼成した。次に、所定量のメタバナジン酸アンモニウム(NH4VO3)を水に溶解し、この水溶液を上記の触媒担体に含浸させ、150℃で乾燥し、350℃で1時間にわたって仮焼成した。最後に、得られた触媒担体を600℃で2時間にわたって焼成して、CuV26/SiO2(Cu:V:Si=1:2:17)からなる三酸化硫黄分解触媒を得た。 Specifically, first, a catalyst carrier (SiO 2 : KIT-6) prepared above is impregnated with a solution of a predetermined amount of copper nitrate (Cu (NO 3 ) 2 ) in water, and then dried at 150 ° C. And calcined at 350 ° C. for 1 hour. Next, a predetermined amount of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ) was dissolved in water, the aqueous solution was impregnated with the above catalyst support, dried at 150 ° C., and calcined at 350 ° C. for 1 hour. Finally, the obtained catalyst support was calcined at 600 ° C. for 2 hours to obtain a sulfur trioxide decomposition catalyst composed of CuV 2 O 6 / SiO 2 (Cu: V: Si = 1: 2: 17).

[比較例2]
[K添加CuV26/SiO2の製造]
まず、所定量の硝酸カリウム(KNO3)及び硝酸銅(Cu(NO32)を超純水3mLで希釈した溶液を上で調製した触媒担体(SiO2:KIT−6)0.6gに含浸させ、次いで110℃で一晩乾燥した後、分解炉において空気中500℃で2時間仮焼成した。次に、所定量のメタバナジン酸アンモニウム(NH4VO3)を1Mシュウ酸水溶液に溶解し、次いでこの水溶液を上記の触媒担体に含浸させた。最後に、当該触媒担体を110℃で一晩乾燥した後、分解炉において空気中600℃で5時間焼成して、K添加CuV26/SiO2(Cu:V:K:Si=1:2:1:17)からなる三酸化硫黄分解触媒を得た。
[Comparative Example 2]
[Production of K-added CuV 2 O 6 / SiO 2 ]
First, a catalyst carrier (SiO 2 : KIT-6) 0.6 g prepared above is impregnated with a solution obtained by diluting a predetermined amount of potassium nitrate (KNO 3 ) and copper nitrate (Cu (NO 3 ) 2 ) with 3 mL of ultrapure water. Then, after drying overnight at 110 ° C., it was calcined in air at 500 ° C. for 2 hours in a decomposition furnace. Next, a predetermined amount of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ) was dissolved in 1M oxalic acid aqueous solution, and this aqueous solution was then impregnated on the catalyst support. Finally, the catalyst support was dried at 110 ° C. overnight and then calcined in a cracking furnace at 600 ° C. for 5 hours in the presence of K-added CuV 2 O 6 / SiO 2 (Cu: V: K: Si = 1: A sulfur trioxide decomposition catalyst consisting of 2: 1: 17) was obtained.

[比較例3]
[Cs添加CuV26/SiO2の製造]
硝酸カリウム(KNO3)の代わりに硝酸セシウム(CsNO3)を使用したこと以外は比較例2と同様にして、Cs添加CuV26/SiO2(Cu:V:K:Si=1:2:1:17)からなる三酸化硫黄分解触媒を得た。
[Comparative Example 3]
[Production of Cs-added CuV 2 O 6 / SiO 2 ]
Cs-added CuV 2 O 6 / SiO 2 (Cu: V: K: Si = 1: 2) in the same manner as Comparative Example 2 except that cesium nitrate (CsNO 3 ) was used instead of potassium nitrate (KNO 3 ). A sulfur trioxide decomposition catalyst consisting of 1:17) was obtained.

[触媒の活性評価]
実施例1〜4及び比較例1〜3の三酸化硫黄分解触媒に関し、下記式(X1−2)の三酸化硫黄分解反応:
(X1−2)SO3 → SO2 + 1/2O2
においてそれらの三酸化硫黄(SO3)分解活性を評価した。具体的には、三酸化硫黄分解反応は、図3に示す固定床流通反応装置を用いて、以下で説明するようにして実施した。
[Evaluation of catalyst activity]
Regarding the sulfur trioxide decomposition catalysts of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3, the sulfur trioxide decomposition reaction of the following formula (X1-2):
(X1-2) SO 3 → SO 2 + 1 / 2O 2
Were evaluated for their sulfur trioxide (SO 3 ) decomposition activity. Specifically, the sulfur trioxide decomposition reaction was performed as described below using a fixed bed flow reaction apparatus shown in FIG.

まず、14〜20メッシュに調整した三酸化硫黄分解触媒0.5gを触媒床10として石英製反応管4(内径10mm)に充填した。次いで、窒素(N2)及び硫酸(H2SO4)水溶液をそれぞれ窒素供給部1及び硫酸供給部3から石英製反応管4の下段に供給した。なお、重量空間速度(WHSV:Weight Hourly Space Velocity)は、比較的高い空間速度(SV)条件に相当する110g−H2SO4/g−cat/hであった。 First, 0.5 g of a sulfur trioxide decomposition catalyst adjusted to 14 to 20 mesh was packed as a catalyst bed 10 into a quartz reaction tube 4 (inner diameter 10 mm). Next, nitrogen (N 2 ) and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) aqueous solutions were supplied to the lower stage of the quartz reaction tube 4 from the nitrogen supply unit 1 and the sulfuric acid supply unit 3, respectively. The weight space velocity (WHSV) was 110 g-H 2 SO 4 / g-cat / h corresponding to a relatively high space velocity (SV) condition.

石英製反応管4の下段に供給された硫酸(H2SO4)は、石英製反応管4の下段及び中段において加熱されて三酸化硫黄(SO3)及び酸素(O2)に分解され、そして触媒床10に流入する。ここで、石英製反応管4は、下段がヒーター4aによって約400℃に加熱されており、中段及び上段がヒーター4b及び4cによって約600℃に加熱されていた。石英製反応管4からの流出ガスを空冷した後、0.05Mのヨウ素(I2)溶液にバブリングして当該ヨウ素溶液に二酸化硫黄(SO2)を吸収させた。0.025Mのチオ硫酸ナトリウム(Na223)溶液を用いて二酸化硫黄を吸収したヨウ素溶液にヨードメトリー滴定を行い、吸収された二酸化硫黄の量を求めた。 The sulfuric acid (H 2 SO 4 ) supplied to the lower stage of the quartz reaction tube 4 is heated in the lower and middle stages of the quartz reaction tube 4 and decomposed into sulfur trioxide (SO 3 ) and oxygen (O 2 ), Then, it flows into the catalyst bed 10. Here, in the quartz reaction tube 4, the lower stage was heated to about 400 ° C. by the heater 4a, and the middle stage and the upper stage were heated to about 600 ° C. by the heaters 4b and 4c. The effluent gas from the quartz reaction tube 4 was air-cooled and then bubbled into a 0.05 M iodine (I 2 ) solution to absorb sulfur dioxide (SO 2 ) in the iodine solution. Iodometric titration was performed on an iodine solution that had absorbed sulfur dioxide using a 0.025 M sodium thiosulfate (Na 2 S 2 O 3 ) solution to determine the amount of absorbed sulfur dioxide.

また、ヨウ素溶液にバブリングした後の流出ガスは、ドライアイス・エタノール混合物で冷却し、残留している二酸化硫黄及び三酸化硫黄をミストアブソーバー及びシリカゲルで完全に除去し、その後で、磁気圧力酸素計(堀場製作所のMPA3000)及びガスクロマトグラフ(島津製作所のGC8A、モレキュラーシーブ5A、TCD検出器)を用いて酸素(O2)の量を求めた。三酸化硫黄(SO3)から二酸化硫黄(SO2)への平衡転化率に対する到達率は、上記のようにして求めた二酸化硫黄及び酸素の量から計算した。その結果を表1に示す。 The effluent gas after bubbling into the iodine solution is cooled with a dry ice / ethanol mixture, and the remaining sulfur dioxide and sulfur trioxide are completely removed with a mistabsorber and silica gel. The amount of oxygen (O 2 ) was determined using a MPA3000 (Horiba, Ltd.) and a gas chromatograph (GC8A, molecular sieve 5A, TCD detector, Shimadzu). The arrival rate with respect to the equilibrium conversion rate from sulfur trioxide (SO 3 ) to sulfur dioxide (SO 2 ) was calculated from the amounts of sulfur dioxide and oxygen determined as described above. The results are shown in Table 1.

Figure 2015120116
Figure 2015120116

表1を参照すると、実施例1〜4の三酸化硫黄分解触媒は、比較例1の従来の三酸化硫黄分解触媒(CuV26/SiO2)並びにそれにアルカリ金属を添加した比較例2及び3の三酸化硫黄分解触媒と比較して、600℃という比較的低い温度において有意に高い平衡転化率に対する到達率を示し、それゆえ有意に高い三酸化硫黄(SO3)分解活性を有していることが理解される。また、比較例1のCuV26/SiO2にアルカリ金属を添加した比較例2及び3の三酸化硫黄分解触媒では、比較例1の触媒よりも高いSO3分解活性を示したものの、実施例1〜4の三酸化硫黄分解触媒と比較すると、その活性は大きく低下した。この結果から、アルカリ金属のバナジン酸塩自体が高いSO3分解活性を有することがわかった。 Referring to Table 1, the sulfur trioxide decomposition catalysts of Examples 1 to 4 are the conventional sulfur trioxide decomposition catalyst (CuV 2 O 6 / SiO 2 ) of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 in which an alkali metal is added thereto. Compared to 3 sulfur trioxide cracking catalyst, it exhibits a significantly higher equilibrium conversion at a relatively low temperature of 600 ° C. and therefore has significantly higher sulfur trioxide (SO 3 ) cracking activity. It is understood that Further, in Comparative Examples 2 and 3 of the sulfur trioxide decomposition catalyst with the addition of alkali metal to CuV 2 O 6 / SiO 2 of Comparative Example 1, but showed a high SO 3 decomposition activity than the catalyst of Comparative Example 1, performed Compared with the sulfur trioxide decomposition catalyst of Examples 1-4, the activity fell significantly. From this result, it was found that the alkali metal vanadate itself has a high SO 3 decomposition activity.

次に、実施例1〜4及び比較例1〜4の三酸化硫黄分解触媒について、まず、石英製反応管4の上段をヒーター4cによって750℃に加熱し、次いで、この温度で約1時間にわたり三酸化硫黄分解反応を実施した後、600℃に降温した際の各三酸化硫黄分解触媒の平衡転化率に対する到達率を調べた。その結果を表2に示す。   Next, for the sulfur trioxide decomposition catalysts of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4, first, the upper stage of the quartz reaction tube 4 was heated to 750 ° C. by the heater 4c, and then at this temperature for about 1 hour. After carrying out the sulfur trioxide decomposition reaction, the arrival rate with respect to the equilibrium conversion rate of each sulfur trioxide decomposition catalyst when the temperature was lowered to 600 ° C. was examined. The results are shown in Table 2.

Figure 2015120116
Figure 2015120116

表2を参照すると、比較例1の三酸化硫黄分解触媒では、反応温度を一旦750℃に上げた後、再び600℃に低下させると、平衡転化率に対する到達率が表1の5.5%から34.0%へと大きく向上していることが理解される。これは、750℃のような高温下での使用によってCuV26からなる複合酸化物が触媒担体上で薄い層状に広がり、その分散性が向上したことに起因するものと考えられる。一方で、実施例1〜4の三酸化硫黄分解触媒では、反応温度を一旦750℃に上げることで平衡転化率に対する到達率は幾分低下し、アルカリ金属としてナトリウムを使用した実施例1の三酸化硫黄分解触媒ではこのような低下が特に顕著であった。 Referring to Table 2, in the sulfur trioxide decomposition catalyst of Comparative Example 1, when the reaction temperature was once increased to 750 ° C. and then decreased again to 600 ° C., the reach to the equilibrium conversion rate was 5.5% of Table 1. It can be seen that there is a significant improvement from 34.0%. This is considered to be due to the fact that the composite oxide composed of CuV 2 O 6 spreads in a thin layer on the catalyst support by using it at a high temperature such as 750 ° C., and its dispersibility is improved. On the other hand, in the sulfur trioxide decomposition catalysts of Examples 1 to 4, the reach to the equilibrium conversion rate is somewhat lowered by once raising the reaction temperature to 750 ° C., and three of Example 1 using sodium as the alkali metal. Such a decrease was particularly remarkable in the sulfur oxide decomposition catalyst.

本発明の三酸化硫黄分解触媒では、既に触媒調製時における600℃程度の焼成によって触媒担体上に均一な薄い層からなる複合酸化物が形成されていると考えられる。したがって、750℃のような高温で使用しても触媒活性は向上せずに、逆にアルカリ金属と触媒担体が反応することで触媒が幾分劣化してしまったと考えられる。しかしながら、それにもかかわらず、実施例1〜4のすべての三酸化硫黄分解触媒において、比較例1の三酸化硫黄分解触媒と比較して高い到達率が維持され、それゆえ高い三酸化硫黄分解活性を達成することができた。なお、比較例1の三酸化硫黄分解触媒にアルカリ金属を添加した比較例2及び3の三酸化硫黄分解触媒では、平衡転化率に対する到達率が低下し、それゆえ比較例1のような三酸化硫黄分解活性の向上は観測されなかった。また、表1及び2には示していないが、最も性能の高かった実施例4の三酸化硫黄分解触媒について長時間にわたる三酸化硫黄分解反応を実施したが、触媒の顕著な劣化は観察されず、それゆえ当該触媒が濃硫酸気流中のような厳しい条件下においても高い耐久性を示すことを確認した。   In the sulfur trioxide decomposition catalyst of the present invention, it is considered that a complex oxide composed of a uniform thin layer has already been formed on the catalyst support by firing at about 600 ° C. during catalyst preparation. Therefore, even if it is used at a high temperature such as 750 ° C., the catalyst activity is not improved, and conversely, it is considered that the catalyst is somewhat deteriorated due to the reaction between the alkali metal and the catalyst carrier. However, nonetheless, in all of the sulfur trioxide decomposition catalysts of Examples 1 to 4, a high attainment rate is maintained as compared with the sulfur trioxide decomposition catalyst of Comparative Example 1, and therefore high sulfur trioxide decomposition activity is maintained. Could be achieved. In addition, in the sulfur trioxide decomposition catalyst of Comparative Examples 2 and 3 in which an alkali metal was added to the sulfur trioxide decomposition catalyst of Comparative Example 1, the arrival rate with respect to the equilibrium conversion rate was decreased, and therefore, the trioxide as in Comparative Example 1 was reduced. No improvement in sulfur decomposition activity was observed. Although not shown in Tables 1 and 2, although the sulfur trioxide decomposition catalyst of Example 4 having the highest performance was subjected to a sulfur trioxide decomposition reaction over a long period of time, no significant deterioration of the catalyst was observed. Therefore, it was confirmed that the catalyst exhibits high durability even under severe conditions such as in a concentrated sulfuric acid stream.

[X線回折(XRD)による触媒の構造解析]
次に、最も高い三酸化硫黄分解活性が得られた実施例4並びに比較例1及び3の三酸化硫黄分解触媒について、X線回折(XRD)によってそれらの測定を行った。その結果を図4に示す。
[Structural analysis of catalyst by X-ray diffraction (XRD)]
Next, the sulfur trioxide decomposition catalyst of Example 4 and Comparative Examples 1 and 3 in which the highest sulfur trioxide decomposition activity was obtained were measured by X-ray diffraction (XRD). The result is shown in FIG.

図4は、実施例4並びに比較例1及び3の三酸化硫黄分解触媒に関するX線回折パターンを示す。図4では、各触媒について600℃での焼成後と750℃での反応後のX線回折パターンを示している。図4を参照すると、比較例1及び3の触媒においてCuOに起因する小さな回折ピークが観測されたものの、いずれの触媒においても一部の不純物を除いて顕著なピークは観測されなかった。このことは、各触媒、とりわけ実施例4の触媒においてX線回折によって観測されるほどの大きな結晶が存在していないことを示唆するものである。   FIG. 4 shows the X-ray diffraction patterns for the sulfur trioxide decomposition catalyst of Example 4 and Comparative Examples 1 and 3. FIG. 4 shows an X-ray diffraction pattern after firing at 600 ° C. and after reaction at 750 ° C. for each catalyst. Referring to FIG. 4, although a small diffraction peak due to CuO was observed in the catalysts of Comparative Examples 1 and 3, no significant peak was observed in any of the catalysts except for some impurities. This suggests that there are no crystals as large as observed by X-ray diffraction in each catalyst, especially the catalyst of Example 4.

[ラマン散乱による触媒の分析]
実施例4の三酸化硫黄分解触媒について、ラマン分光装置を用いて測定を行った。その結果を図5に示す。図5は、実施例4の三酸化硫黄分解触媒のラマン分光による分析結果を示す。なお、図5には、触媒担体に担持されていないCsVO3及びCsV38単独の試料について測定した分析結果を参考として示している。
[Analysis of catalysts by Raman scattering]
The sulfur trioxide decomposition catalyst of Example 4 was measured using a Raman spectrometer. The result is shown in FIG. FIG. 5 shows the analysis result of the sulfur trioxide decomposition catalyst of Example 4 by Raman spectroscopy. FIG. 5 shows, for reference, analysis results obtained by measuring samples of CsVO 3 and CsV 3 O 8 alone that are not supported on the catalyst carrier.

図5を参照すると、CsVO3のVO3の対称伸縮に帰属される940cm-1付近のピークが、実施例1の三酸化硫黄分解触媒では、参考として示したCsVO3のピークと比較して高波数側にシフトしかつブロードになっていることがわかる。この高波数側へのシフトはVO3中のV−O結合が強くなっていることを示唆するものであり、よって三酸化硫黄分解活性の向上に対する寄与は小さいものと考えられる。一方で、ピークのブロード化は、CsVO3からなる複合酸化物が触媒担体(シリカ)上へ薄く広がったことに起因するか、又は当該複合酸化物の微結晶化に起因するものであると考えられる。 Referring to FIG. 5, the peak near 940 cm −1 attributed to the symmetric stretching of VO 3 of CsVO 3 is higher than the peak of CsVO 3 shown as a reference in the sulfur trioxide decomposition catalyst of Example 1. It can be seen that it has shifted to several sides and is broad. This shift toward the high wave number suggests that the VO bond in VO 3 is strengthened, and therefore, the contribution to the improvement of sulfur trioxide decomposition activity is considered to be small. On the other hand, the broadening of the peak is attributed to the fact that the composite oxide composed of CsVO 3 spreads thinly on the catalyst support (silica) or to the microcrystallization of the composite oxide. It is done.

1 窒素供給部
3 硫酸供給部
4 石英製反応管
4a、4b、4c ヒーター
10 触媒床
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nitrogen supply part 3 Sulfuric acid supply part 4 Quartz reaction tube 4a, 4b, 4c Heater 10 Catalyst bed

Claims (18)

アルカリ金属とバナジウムを含む複合酸化物を触媒担体に担持してなる、三酸化硫黄分解触媒。   A sulfur trioxide decomposition catalyst obtained by supporting a composite oxide containing an alkali metal and vanadium on a catalyst carrier. 前記アルカリ金属が、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項1に記載の三酸化硫黄分解触媒。   The sulfur trioxide decomposition catalyst according to claim 1, wherein the alkali metal is selected from the group consisting of sodium, potassium, rubidium, cesium, and combinations thereof. 前記アルカリ金属が、カリウム、セシウム、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項2に記載の三酸化硫黄分解触媒。   The sulfur trioxide decomposition catalyst according to claim 2, wherein the alkali metal is selected from the group consisting of potassium, cesium, and combinations thereof. 前記複合酸化物におけるアルカリ金属とバナジウムの原子比(アルカリ金属:バナジウム)が1:1〜1:8である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の三酸化硫黄分解触媒。   The sulfur trioxide decomposition catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein an atomic ratio of alkali metal to vanadium (alkali metal: vanadium) in the composite oxide is 1: 1 to 1: 8. 前記複合酸化物が式A1-xVO3-0.5x(式中、Aはアルカリ金属であり、0≦x<1)で表されるアルカリ金属のバナジン酸塩を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の三酸化硫黄分解触媒。 The composite oxide comprises an alkali metal vanadate represented by the formula A 1-x VO 3-0.5x (wherein A is an alkali metal and 0 ≦ x <1). The sulfur trioxide decomposition catalyst according to any one of the above. 前記複合酸化物が式AVO3(式中、Aはアルカリ金属である)で表されるアルカリ金属のメタバナジン酸塩を含む、請求項5に記載の三酸化硫黄分解触媒。 The sulfur trioxide decomposition catalyst according to claim 5, wherein the composite oxide includes an alkali metal metavanadate represented by the formula AVO 3 (wherein A is an alkali metal). 前記アルカリ金属がセシウムであり、前記複合酸化物が、CsVO3、Cs2411、CsV38、又はそれらの組み合わせを含む、請求項3〜5のいずれか1項に記載の三酸化硫黄分解触媒。 Wherein the alkali metal is cesium, the composite oxide, CsVO 3, Cs 2 V 4 O 11, CsV 3 O 8, or combinations thereof, according to any one of claims 3 to 5 three Sulfur oxide decomposition catalyst. 前記触媒担体が、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項1〜7のいずれか1項に記載の三酸化硫黄分解触媒。   The sulfur trioxide decomposition catalyst according to any one of claims 1 to 7, wherein the catalyst support is selected from the group consisting of silica, alumina, zirconia, titania, and combinations thereof. 前記触媒担体がメソ細孔及び/又はマクロ細孔を有する、請求項8に記載の三酸化硫黄分解触媒。   The sulfur trioxide decomposition catalyst according to claim 8, wherein the catalyst support has mesopores and / or macropores. 前記触媒担体がシリカである、請求項8又は9に記載の三酸化硫黄分解触媒。   The sulfur trioxide decomposition catalyst according to claim 8 or 9, wherein the catalyst support is silica. (a)アルカリ金属化合物の溶液及びバナジウム化合物の溶液のうち一方の溶液を、触媒担体に含浸させ、乾燥及び仮焼成する工程、並びに
(b)アルカリ金属化合物の溶液及びバナジウム化合物の溶液のうち他方の溶液を、工程(a)において得られた触媒担体に含浸させ、乾燥及び焼成する工程
を含む、アルカリ金属とバナジウムを含む複合酸化物を触媒担体に担持してなる三酸化硫黄分解触媒の製造方法。
(A) impregnating a catalyst carrier with one solution of an alkali metal compound solution and a vanadium compound solution, drying and pre-baking, and (b) the other of an alkali metal compound solution and a vanadium compound solution. The catalyst support obtained in step (a) is impregnated with the above solution, dried and calcined, and the catalyst is supported on a composite oxide containing alkali metal and vanadium. Method.
アルカリ金属化合物及びバナジウム化合物を含有する溶液を、触媒担体に含浸させ、乾燥及び焼成する工程を含む、アルカリ金属とバナジウムを含む複合酸化物を触媒担体に担持してなる三酸化硫黄分解触媒の製造方法。   Production of a sulfur trioxide decomposition catalyst comprising a catalyst carrier carrying a composite oxide containing an alkali metal and vanadium, comprising impregnating a catalyst carrier with a solution containing an alkali metal compound and a vanadium compound, followed by drying and firing. Method. 前記焼成が400℃以上650℃以下の温度で実施される、請求項11又は12に記載の方法。   The method of Claim 11 or 12 with which the said baking is implemented at the temperature of 400 to 650 degreeC. 前記焼成が500℃以上600℃以下の温度で実施される、請求項13に記載の方法。   The method according to claim 13, wherein the baking is performed at a temperature of 500 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の三酸化硫黄分解触媒を用いて三酸化硫黄を二酸化硫黄と酸素に分解する分解反応を含む、二酸化硫黄の生成方法。   The production | generation method of sulfur dioxide including the decomposition | disassembly reaction which decomposes | disassembles sulfur trioxide into sulfur dioxide and oxygen using the sulfur trioxide decomposition catalyst of any one of Claims 1-10. 前記分解反応が600℃以下の温度で実施される、請求項15に記載の方法。   The method according to claim 15, wherein the decomposition reaction is performed at a temperature of 600 ° C. or less. 水を水素と酸素に分解することを含む水素生成方法であって、下記式(X1)で示される反応において、硫酸を水、二酸化硫黄及び酸素に分解することを含み、かつ下記式(X1)で示される反応の素反応である式(X1−1)及び(X1−2)の素反応のうち、式(X1−2)の素反応が請求項15又は16に記載の方法によって実施される、水素生成方法:
(X1)H2SO4 → H2O + SO2 + 1/2O2
(X1−1)H2SO4 → H2O + SO3
(X1−2)SO3 → SO2 + 1/2O2
A method for producing hydrogen comprising decomposing water into hydrogen and oxygen, the method comprising decomposing sulfuric acid into water, sulfur dioxide and oxygen in the reaction represented by the following formula (X1): The elementary reaction of the formula (X1-2) among the elementary reactions of the formulas (X1-1) and (X1-2), which is an elementary reaction of the reaction represented by formula (X1-2), is carried out by the method according to claim 15 or 16. , Hydrogen generation method:
(X1) H 2 SO 4 → H 2 O + SO 2 + 1 / 2O 2
(X1-1) H 2 SO 4 → H 2 O + SO 3
(X1-2) SO 3 → SO 2 + 1 / 2O 2
I−Sサイクル法、ウエスティングハウス・サイクル法、Ispra−Mark 13サイクル法、又はロスアラモス・サイエンスラボラトリ・サイクル法である、請求項17に記載の水素生成方法。   The hydrogen generation method according to claim 17, which is an IS cycle method, a Westinghouse cycle method, an Ispra-Mark 13 cycle method, or a Los Alamos Science Laboratory cycle method.
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