JP2015192935A - 金属系微粒子担持触媒、その製造方法およびそれを用いた硝酸性窒素含有水の処理方法 - Google Patents
金属系微粒子担持触媒、その製造方法およびそれを用いた硝酸性窒素含有水の処理方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】少なくともPdおよびCuを含む金属系微粒子が無機系担体物質に担持された金属系微粒子担持触媒であって、前記無機系担体物質の平均一次粒子径が5〜200nmであり、Ti、Al、Si、Sn、およびZnからなる群から選ばれる少なくとも1つ以上の酸化物を主成分として含み、前記金属系微粒子の平均一次粒子径が1〜9nmである金属系微粒子担持触媒。
【選択図】図1
Description
本発明は、硝酸性窒素含有水における硝酸性窒素の還元分解反応に対し高い活性を有し、かつ繰り返し使用においてもその活性を高く維持する金属系微粒子担持触媒、その製造方法およびそれを用いた硝酸性窒素含有水の処理方法を提供することを目的とする。
本発明は、以下の(1)〜(12)である。
(1)少なくともPdおよびCuを含む金属系微粒子が無機系担体物質に担持された金属系微粒子担持触媒であって、
前記無機系担体物質は平均一次粒子径が5〜200nmであり、Ti、Al、Si、Sn、およびZnからなる群から選ばれる少なくとも1つ以上の酸化物を主成分として含み、前記金属系微粒子は平均一次粒子径が1〜9nmである金属系微粒子担持触媒。
(2)前記無機系担体物質の平均細孔径が5〜100nm、平均細孔容積が0.1〜1.5ml/g、比表面積が10〜300m2/gである上記(1)に記載の金属系微粒子担持触媒。
(3)前記無機系担体物質の主成分がTiO2である上記(1)または(2)に記載の金属系微粒子担持触媒。
(4)前記無機系担体物質が球状またはペレット状である上記(1)〜(3)のいずれかに記載の金属系微粒子担持触媒。
(5)前記金属系微粒子中におけるPd:Cuの質量比が30:70〜99:1である上記(1)〜(4)のいずれかに記載の金属系微粒子担持触媒。
(6)前記金属系微粒子の含有率が0.1〜10質量%である上記(1)〜(5)のいずれかに記載の金属系微粒子担持触媒。
(7)平均一次粒子径が5〜200nmであり、Ti、Al、Si、Sn、およびZnからなる群から選ばれる少なくとも1つ以上の酸化物を主成分として含む無機系担体物質を得る担体調整工程と、
少なくともPdおよびCuを含み、平均一次粒子径が1〜9nmである金属系微粒子の分散液を得る分散液調整工程と、
前記無機系担体物質を前記分散液に浸漬させて、金属系微粒子・担体混合体を得る浸漬工程と、
前記金属系微粒子・担体混合体を乾燥させて金属系微粒子担持触媒を得る乾燥工程と、を備える金属系微粒子担持触媒の製造方法。
(8)前記浸漬工程を、大気中または減圧雰囲気下で行う上記(7)に記載の金属系微粒子担持触媒の製造方法。
(9)前記乾燥工程における乾燥温度が100〜200℃である上記(7)または(8)に記載の金属系微粒子担持触媒の製造方法。
(10)前記乾燥工程を、大気中、真空中、不活性ガス雰囲気下、または還元ガス雰囲気下で行う上記(7)〜(9)のいずれかに記載の金属系微粒子担持触媒の製造方法。
(11)上記(1)〜(6)のいずれかに記載の金属系微粒子担持触媒を硝酸性窒素含有水に接触させる硝酸性窒素含有水の処理方法。
(12)上記(1)〜(6)のいずれかに記載の金属系微粒子担持触媒を充填した反応塔に硝酸性窒素含有水を通液させる上記(11)に記載の硝酸性窒素含有水の処理方法。
本発明は、少なくともPdおよびCuを含む金属系微粒子が無機系担体物質に担持された金属系微粒子担持触媒であって、前記無機系担体物質の平均一次粒子径が5〜200nmであり、Ti、Al、Si、Sn、およびZnからなる群から選ばれる少なくとも1つ以上の酸化物を主成分として含み、前記金属系微粒子は平均一次粒子径が1〜9nmである金属系微粒子担持触媒である。
このような金属系微粒子担持触媒を、以下では「本発明の触媒」ともいう。
本発明の触媒における無機系担体物質について説明する。
無機系担体物質は、Ti、Al、Si、Sn、およびZnからなる群から選ばれる少なくとも1つ以上の酸化物を主成分として含む。これら酸化物として、SiO2、Al2O3、TiO2、SnO2、ZnOが挙げられる。また、SiO2−Al2O3、SiO2−TiO2等の複合酸化物であってもよいし、酸化物と複合酸化物の両方を含むものであってもよい。
このような酸化物を用いると、有機物を含む硝酸性窒素含有水においても、酸化物と有機物との親和性の低さから、有機物の無機系担体物質への吸着をより抑制することができ、その結果、触媒の活性をより高く維持することができる。
平均細孔容積がこのような範囲であると、担持金属系微粒子が凝集し難く、より十分な触媒活性を得ることができる。また、触媒の十分な強度を得ることができるため、触媒の粉化などの使用上の問題を防ぐことができる。
ここで、窒素吸着法について説明する。
まず、測定対象物を乾燥させたものを試料として測定セルに入れ、窒素ガス気流中、250℃で40分間脱ガス処理を行い、その上で試料を窒素30体積%とヘリウム70体積%の混合ガス気流中で液体窒素温度に保ち、窒素を試料に吸着させて窒素吸着等温線・脱着等温線を得る。この窒素吸着等温線を用いてBET理論により比表面積を求める。また、脱着等温線を用いてBJH(Barret−Joyner−Halenda)法により、試料の細孔径分布曲線を得て、その曲線に現れるメソ孔(粒子表面の細孔)側およびマクロ孔(粒子間細孔)側のピークのうち、メソ孔側のピークの細孔径を平均細孔径として求める。また、同じくBJH法により細孔分布曲線を得て、曲線に現れるピークを平均細孔容積として求める。この窒素吸着法は、例えば従来公知の細孔分布測定装置を用いて行うことができる。
本発明の触媒における金属系微粒子について説明する。
金属系微粒子は、少なくともPdおよびCuを含む。硝酸性窒素の還元分解反応に対する活性に優れているからである。また、PdおよびCu以外に、他の金属を含んでいてもよい。他の金属として、Pt、Au、Ag、Ru、Ni、W、V、Mo、Fe等が挙げられる。
金属系微粒子担持触媒、すなわち本発明の触媒は、上記のような無機系担体物質に金属系微粒子を担持させたものである。
金属系微粒子担持触媒における金属系微粒子の含有率は、0.1〜10質量%であることが好ましく、0.3〜7質量%であることがより好ましく、0.5〜3質量%であることがさらに好ましい。金属系微粒子の含有率がこのような範囲であると、高い触媒活性を得ることができる。
金属系微粒子の含有率がこのような範囲であると、金属系微粒子が凝集し難く、より十分な触媒活性を得ることができる。
本発明は平均一次粒子径が5〜200nmであり、Ti、Al、Si、Sn、およびZnからなる群から選ばれる少なくとも1つ以上の酸化物を主成分として含む無機系担体物質を得る担体調整工程と、少なくともPdおよびCuを含み、平均一次粒子径が1〜9nmである金属系微粒子の分散液を得る分散液調整工程と、前記無機系担体物質を前記分散液に浸漬させて、金属系微粒子・担体混合体を得る浸漬工程と、前記金属系微粒子・担体混合体を乾燥させて金属系微粒子担持触媒を得る乾燥工程と、を備える金属系微粒子担持触媒の製造方法である。
このような金属系微粒子担持触媒の製造方法を、以下では「本発明の製造方法」ともいう。本発明の触媒は、本発明の製造方法によって製造することができる。
担体調整工程では、平均一次粒子径が5〜200nmであり、Ti、Al、Si、Sn、およびZnからなる群から選ばれる少なくとも1つ以上の酸化物を主成分として含む無機系担体物質を調整する。この工程は目的の無機系担体物質が得られれば特に制限はなく、例えば従来公知の方法(固相混合法、液相混合法、共沈法、含浸法など)によって得た酸化物の混合物を、必要に応じて乾燥させ、その後、焼成して得ることができる。
料と水とをボールミルに入れて粉砕等する方法である。
分散液調整工程では、上記の特定の金属成分を含み、かつ上記の特定の平均一次粒子径範囲である金属系微粒子の分散液を調整する。この工程は目的の金属系微粒子の分散液が得られれば特に制限はなく、例えば従来公知の方法を用いることができる。
浸漬工程では、金属系微粒子の分散液に無機系担体物質を浸漬させて、金属系微粒子・担体混合体を得る。
乾燥工程では、金属系微粒子・担体混合体を乾燥することで、金属系微粒子担持触媒を得る。
上記の乾燥後、例えば粉末状の金属系微粒子担持触媒が得られる。
本発明は、本発明の触媒を硝酸性窒素含有水に接触させる硝酸性窒素含有水の処理方法である。
このような硝酸性窒素含有水の処理方法を、以下では「本発明の処理方法」ともいう。
本発明の処理方法では、本発明の触媒を用いて、硝酸性窒素含有水における硝酸性窒素について還元分解処理を行う。
また、上記硝酸性窒素含有水には、硝酸性窒素以外の物質を含んでもよい。例えば、NH3、ClO3、ClO2、ClO、Na、Cl、Fe、Ni等の無機物質や、クエン酸、シュウ酸、EDTAやEDDS等の有機物などが挙げられる。
添加量がこのような範囲であると、より十分な触媒活性を得ることができ、かつ経済的にも好ましい。
また、接触中の温度は、好ましくは20℃〜100℃、より好ましくは40℃〜80℃の範囲とする。接触時の温度がこのような範囲であると、より十分な触媒活性を得るとともに、触媒の劣化の進行をより遅らせることができる。
具体的には、金属系微粒子担持触媒を充填した反応塔の一方から、硝酸性窒素含有水を流入させ、反応塔内部に保持された触媒と接触させる。この際、硝酸性窒素含有水に還元剤を混合してから反応塔に流入させることが好ましい。これにより、硝酸性窒素が還元分解され、硝酸性窒素含有水は処理液となり、反応塔のもう一方から流出する。
また、反応答に通液させる際の通液速度(SV値)は5〜30L/hが好ましく、10〜25L/hがより好ましい。
さらに、流通型における還元剤は、硝酸性窒素含有水と予め混合してから反応塔に流入させてもよいし、硝酸性窒素含有水を反応塔に流入させると同時に、還元剤を反応塔に流入させてもよい。
<担体の調整>
担体として、日揮触媒化成(株)社製のTiO2粉末(TMB−AA1514)を用いた。用いたTiO2粉末の細孔径は34nmであり、細孔容積は0.27nmであり、比表面積は30m2/gであった。
以降の実施例および比較例においても同様のTiO2粉末を用いた。
純水100gに、金属系微粒子を構成するPdとCuの質量比が80/20となるように、硝酸パラジウム二水和塩3gおよび硝酸銅三水和塩1.15gを溶解した金属塩水溶液を調整した。この金属塩水溶液に、安定化剤として30質量%のクエン酸三ナトリウム水溶液20gと、還元剤として25質量%の硫酸第一鉄水溶液15gを加え、窒素雰囲気下で10時間撹拌し、金属系微粒子の分散液(A)を得た。この分散液(A)中の金属系微粒子の平均一次粒子径は4nmであった。
上記の分散液(A)を遠心分離器により上澄み液と沈殿物とに分離し、上澄みを取り除くことで不純物を除去した後、さらに沈殿物に純水を加え、2質量%の金属系微粒子の分散液(B)を得た。この分散液(B)に前記担体を25℃で1時間浸漬させ、Pd−Cuコロイド/担体粉末混合体を得た。次に、Pd−Cuコロイド/担体粉末混合体を、真空乾燥機で150℃、12時間乾燥し、金属系微粒子担持触媒(以下、触媒)を調整した。この触媒中の金属担持量は1.0質量%であった。
TiO2粉末の代わりに、活性炭を担体として用いた。それ以外は、実施例1と同様の方法で触媒を調整した。
TiO2粉末の代わりに、Al2O3粉末を担体として用いた。それ以外は、実施例1と同様の方法で触媒を調整した。
各触媒の硝酸性窒素の還元分解反応に対する活性は下記の方法により調べた。
図1は触媒活性およびその持続性を調べる反応器1である。恒温槽7にはった湯により80℃に保たれたセパラブルフラスコ9内において、触媒を添加した模擬廃液(A)3に、窒素ガス(純度99.9%、200ml/min)をパージしながら、マグネティックスターラー6で加温撹拌した。この際、触媒の添加量は9.1g、模擬廃液(A)は200ml、撹拌速度は200rpmであった。そこへ、2.5質量%ヒドラジン水溶液15を、ローラーポンプ17により16.5ml/hの滴下速度で2時間供給し、供給が終わった後さらに1時間加温撹拌を行って、触媒を模擬廃液(A)に反応させた。反応中は、副生物のNH3が冷却管19から排気される。次に、この触媒を反応させた模擬廃液(A)を冷却し、濾過して触媒を分離し、処理液を得た。さらに、処理液から分離した触媒を用いて、上記の試験を3または4回繰り返した。
この試験方法をバッチ式活性試験と呼ぶ。
ここでは繰り返し試験を行わず、模擬廃液(A)と担体との反応は1回のみ行った。
<担体の調整>
TiO2粉末50gを純水100gに添加して懸濁した。その後、減圧下で80℃に加熱して水分を除去することで乾燥させ、この乾燥品を担体とした。
純水100gに、金属系微粒子を構成するPdとCuの質量比が70/30となるように、硝酸パラジウム二水和塩7.4gおよび硝酸銅三水和塩4.9gを溶解した金属塩水溶液を調整した。この金属塩水溶液に、安定化剤として30質量%のクエン酸三ナトリウム水溶液265gと、還元剤として25質量%の硫酸第一鉄水溶液129g(硝酸パラジウムと硝酸銅の合計モル数の2倍量のモル数に相当)を加え、窒素雰囲気下で20時間撹拌し、金属系微粒子の分散液(A)を得た。この分散液(A)中の金属系微粒子の平均一次粒子径は4nmであった。
このようにして得られた担体(乾燥品)および金属系微粒子を用いて、実施例1と同様の方法により触媒を調整した。
Pd−Cuコロイド/担体粉末混合体を、静置式乾燥機(Yamato社製、型番DS400)を用いて150℃、12時間、大気乾燥した以外は、実施例2と同様の方法で触媒を調整した。
Pd−Cuコロイド/担体粉末混合体を、高温乾燥機(Yamato社製、型番DN410I)を用いて、窒素ガス(純度99.9%、5L/min)の雰囲気下で150℃、12時間、乾燥した以外は、実施例2と同様の方法で触媒を調整した。
担体の調整において、純水1000gに、TiO2粉末190gと、さらにAl2O3粉末10gを懸濁した以外は、実施例2と同様の方法で触媒を調整した。
担体の調整において、純水1000gに、TiO2粉末190gと、さらにシリカゾル(日揮触媒化成(株)社製、型番:1SI−30)33gを懸濁した以外は、実施例2と同様の方法で触媒を調整した。
担体の調整において、粉末状の担体をペレット状に成形した。それ以外は実施例5と同様の方法で触媒を調整した。
担体の調整において、粉末状の担体をペレット状に成形した。それ以外は実施例6と同様の方法で触媒を調整した。
担体の調整において、純水1000gに、TiO2粉末190gと、さらに硝酸スズ(II)20水和物20gを懸濁した以外は、実施例2と同様の方法で触媒を調整した。
担体の調整において、純水1000gに、TiO2粉末190gと、さらに硝酸亜鉛6水和物20gを懸濁した以外は、実施例2と同様の方法で触媒を調整した。
実施例2の触媒の粒子を、走査型電子顕微鏡を用いて撮影した。SEM画像(倍率、300,000倍)を図2に示す。
担体の調整において、実施例2と同様の方法で得られた乾燥品をさらに1200℃で焼成したものを担体とした。それ以外は、実施例2と同様の方法で触媒を調整した。
金属系微粒子の調整において、パラジウムと銅の濃度を3倍量とした以外は、実施例2と同様の方法で触媒を調整した。
担体の調整において、TiO2粉末の代わりに活性炭を用いた以外は実施例2と同様の方法で触媒を調整した。
真空乾燥機で400℃、12時間乾燥して金属系微粒子担持触媒を調整したこと以外は、実施例2と同様の方法で触媒を調整した。
また、担体の平均細孔径、平均細孔容積および比表面積を、細孔分布測定装置(日本ベル社製、BELSORP−mini(II))を用いて、前述の窒素吸着法により測定した。
硝酸性窒素の含有量がNとして400ppmとなるように、硝酸ナトリウム(関東化学株式会社製、特級)および亜硝酸ナトリウム(関東化学株式会社製、特級)を純水に溶解して、硝酸性窒素含有水25kgを調整した。
次に、前述のバッチ式活性試験にて、硝酸性窒素含有水に各実施例および比較例の触媒を反応させた。得られた各処理液中に含まれる硝酸性窒素濃度(NO3およびNO2)をHPLC(日本ダイオネクス(株)製、ICS−90)により測定し、〔1−測定した硝酸性窒素濃度(ppm)/硝酸含有水中の硝酸性窒素含有量(400ppm)〕×100の値を、窒素分解率(%)として求めた。さらに、処理後の触媒を回収し、上記の測定を5回繰り返した。
また、実施例2で得られた触媒の窒素分解率を測定するに当たり、バッチ式活性試験における反応器1の加熱温度を40℃(実施例2−1)、60℃(実施例2−2)、80℃(実施例2−3)とした試験も行った。
カラム型反応塔を用いて、本発明の触媒における触媒活性を調べた。この反応塔は、その内部に触媒を保持したまま、反応塔内に液体を通液させることができる構造となっている。これにより、反応塔内を通過した液体は、内部で触媒と接触するため、還元分解された処理液となって反応塔から流出する。
円筒状のカラム型反応塔(外径12mm、内径10mm、長さ100mm)内に、実施例2で得られた触媒7gを充填した後、カラム型反応塔の長手方向が鉛直方向となるように設置した。反応塔内および硝酸性窒素含有水を40℃(実施例2−4)、60℃(実施例2−5)、80℃(実施例2−6)に保持しながら、反応塔の上側から反応塔内へ硝酸性窒素含有水とヒドラジンとの混合溶液を注入し、12.9L/h(SV値)の通液速度で反応塔内を通過させた。なお、硝酸性窒素含有水は硝酸性窒素の含有量がNとして400ppmとなるように調整したものを用いた。前記混合溶液は、硝酸性窒素含有水における硝酸性窒素中の硝酸に対し1.2mol倍相当量のヒドラジンを、硝酸性窒素含有水に2時間かけて添加したものであり、これを140ml用いた。この反応塔内を通過し、反応塔の下側から流出した混合溶液を処理液とした。
結果を第5表に示す。
その後、同じカラム型反応塔に新たに模擬廃液を200ml通液させ、さらに処理液を得る試験を10回繰り返した。
3 触媒を添加した模擬廃液(A)
5 スターラーバー
6 マグネティックスターラー
7 恒温槽
9 セパラブルフラスコ
11 温度コントローラ
17 ローラーポンプ
19 冷却管
21 窒素ガスボンベ
Claims (12)
- 少なくともPdおよびCuを含む金属系微粒子が無機系担体物質に担持された金属系微粒子担持触媒であって、
前記無機系担体物質は平均一次粒子径が5〜200nmであり、Ti、Al、Si、Sn、およびZnからなる群から選ばれる少なくとも1つ以上の酸化物を主成分として含み、前記金属系微粒子は平均一次粒子径が1〜9nmである金属系微粒子担持触媒。 - 前記無機系担体物質の平均細孔径が5〜100nm、平均細孔容積が0.1〜1.5ml/g、比表面積が10〜300m2/gである請求項1に記載の金属系微粒子担持触媒。
- 前記無機系担体物質の主成分がTiO2である請求項1または2に記載の金属系微粒子担持触媒。
- 前記無機系担体物質が球状またはペレット状である請求項1〜3のいずれかに記載の金属系微粒子担持触媒。
- 前記金属系微粒子中におけるPd:Cuの質量比が30:70〜99:1である請求項1〜4のいずれかに記載の金属系微粒子担持触媒。
- 前記金属系微粒子の含有率が0.1〜10質量%である請求項1〜5のいずれかに記載の金属系微粒子担持触媒。
- 平均一次粒子径が5〜200nmであり、Ti、Al、Si、Sn、およびZnからなる群から選ばれる少なくとも1つ以上の酸化物を主成分として含む無機系担体物質を得る担体調整工程と、
少なくともPdおよびCuを含み、平均一次粒子径が1〜9nmである金属系微粒子の分散液を得る分散液調整工程と、
前記無機系担体物質を前記分散液に浸漬させて、金属系微粒子・担体混合体を得る浸漬工程と、
前記金属系微粒子・担体混合体を乾燥させて金属系微粒子担持触媒を得る乾燥工程と、を備える金属系微粒子担持触媒の製造方法。 - 前記浸漬工程を、大気中または減圧雰囲気下で行う請求項7に記載の金属系微粒子担持触媒の製造方法。
- 前記乾燥工程における乾燥温度が100〜200℃である請求項7または8に記載の金属系微粒子担持触媒の製造方法。
- 前記乾燥工程を、大気中、真空中、不活性ガス雰囲気下、または還元ガス雰囲気下で行う請求項7〜9のいずれかに記載の金属系微粒子担持触媒の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の金属系微粒子担持触媒を硝酸性窒素含有水に接触させる硝酸性窒素含有水の処理方法。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の金属系微粒子担持触媒を充填した反応塔に硝酸性窒素含有水を通液させる請求項11に記載の硝酸性窒素含有水の処理方法。
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