JP2016059851A - Ammonia synthesis catalyst, production process therefor, and ammonia synthesis process - Google Patents

Ammonia synthesis catalyst, production process therefor, and ammonia synthesis process Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ammonia synthesis catalyst that can allow an efficient ammonia synthesis under a low temperature condition and under a low pressure condition.SOLUTION: Provided is an ammonia synthesis catalyst having a transition metal with ammonia synthesis activity supported on a zeolite particle comprising an aluminosilicate skelton and including a mesoporous structure. The zeolite particle includes a meso-porous structure comprising a micro-pore having an average major diameter of 0.2 to 0.5 nm and a meso-pore having an average major diameter of 4 to 5 nm, and the bulk density preferably is 0.5 to 2.0 g/cm.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、アンモニア合成を促進させ得るアンモニア合成触媒および該触媒の製造方法、アンモニア合成方法に関する。   The present invention relates to an ammonia synthesis catalyst capable of promoting ammonia synthesis, a method for producing the catalyst, and an ammonia synthesis method.

アンモニアは、硫安や尿素肥料等、穀物生産に不可欠な人工肥料の原料である。アンモニア合成の基本技術として、ハーバー・ボッシュ法が知られる。ハーバー・ボッシュ法は、窒素と水素とを二重促進鉄触媒を用いて直接反応させてアンモニアを合成する技術で、1910年代に工業的に完成されて以来、現代に到るまで、人類の生活を支える技術として重用されている。   Ammonia is a raw material for artificial fertilizers such as ammonium sulfate and urea fertilizers that are indispensable for grain production. The Harbor Bosch method is known as a basic technology for ammonia synthesis. The Harbor Bosch method is a technology that synthesizes ammonia by directly reacting nitrogen and hydrogen with a double-promoted iron catalyst. Since it was industrially completed in the 1910s, it has evolved into human life. It is heavily used as a technology that supports

二重促進鉄触媒は、Fe3O4を主成分とする。二重促進鉄触媒の組成について、BASF社製の二重促進鉄触媒を例に挙げると、その組成は、Fe3O4 94.3%、K2O 0.8%、Al2O3 2.3%、その他(CaO、MgO、SiO2) 2.6%である。上記に例示される組成中に含まれる酸化鉄が、アンモニア合成過程で水素により還元され金属鉄を生じ、触媒活性を発揮する。 Double promoting iron catalyst is mainly composed of Fe 3 O 4. Regarding the composition of the double promoted iron catalyst, taking the double promoted iron catalyst manufactured by BASF as an example, the composition is: Fe 3 O 4 94.3%, K 2 O 0.8%, Al 2 O 3 2.3%, others ( CaO, MgO, SiO 2 ) 2.6%. The iron oxide contained in the composition exemplified above is reduced by hydrogen during the ammonia synthesis process to produce metallic iron, and exhibits catalytic activity.

ハーバー・ボッシュ法は、反応温度400〜600℃、反応圧力約20〜100MPaの反応条件で行われる。この反応条件を満たすため、該合成方法は高圧反応容器を用いてバッチ式に実施される。したがって、連続的にアンモニアを製造することが困難である。また触媒活性を上げるため、反応温度を少なくとも400℃以上にしなければならない。   The Harbor Bosch method is carried out under reaction conditions of a reaction temperature of 400 to 600 ° C. and a reaction pressure of about 20 to 100 MPa. In order to satisfy this reaction condition, the synthesis method is carried out batchwise using a high-pressure reaction vessel. Therefore, it is difficult to produce ammonia continuously. In order to increase the catalytic activity, the reaction temperature must be at least 400 ° C.

上記の温度・圧力条件を満たす合成装置は、高耐久性の配管設備やコンプレッサーが必要になるため大型化しやすい。また該合成方法は高温条件で行われるため、熱エネルギー損出が大きい。そのため、ハーバー・ボッシュ法より低温条件下や低圧条件下でアンモニアを合成できる方法が望まれる。   A synthesizer that satisfies the above temperature and pressure conditions tends to be large because it requires highly durable piping equipment and a compressor. Further, since the synthesis method is performed under high temperature conditions, the heat energy loss is large. Therefore, a method capable of synthesizing ammonia under a low temperature condition or a low pressure condition is desired rather than the Harbor Bosch method.

特許文献1には、ハーバー・ボッシュ法より低温条件で行うことができるアンモニア合成方法として、触媒成分にMo、W、Re、Fe、Co、Ru、Osのうちのいずれかの金属元素、またはFeとRu、RuとRe、FeとMoとの組み合わせのいずれか1つからなる遷移金属を実質的に金属状態で使用する方法が開示される。上記の触媒成分を用いる方法では、200〜300℃でアンモニアを合成できる。   In Patent Document 1, as an ammonia synthesis method that can be performed under a lower temperature condition than the Harbor Bosch method, the catalyst component is any metal element of Mo, W, Re, Fe, Co, Ru, Os, or Fe. A method is disclosed in which a transition metal composed of any one of a combination of Ru and Ru, Ru and Re, or Fe and Mo is used in a substantially metallic state. In the method using the above catalyst component, ammonia can be synthesized at 200 to 300 ° C.

低温条件下や低圧条件下で行うことができるアンモニア合成方法としては、上記の他、Fe、Ru、Os、Co等の第8族または第9族遷移金属を触媒成分とするアンモニア合成方法(特許文献2〜4)や、ルテニウムをアンモニア合成の触媒として用いる方法(特許文献5〜8)も提案されている。   As an ammonia synthesis method that can be performed under a low temperature condition or a low pressure condition, in addition to the above, an ammonia synthesis method using a Group 8 or Group 9 transition metal such as Fe, Ru, Os, Co or the like as a catalyst component (patent) Documents 2 to 4) and methods using ruthenium as a catalyst for ammonia synthesis (Patent Documents 5 to 8) have also been proposed.

特許文献9、10には、300〜500℃でアンモニアを合成する方法としては、第8族または第6B族遷移金属の窒化物やCo-Mo複合窒化物を触媒とするアンモニア合成方法が開示される。特許文献11には、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Mn、Cuの群から少なくとも1つの遷移金属から選ばれる触媒活性成分を担体材料に含有させた触媒を用いて窒素および水蒸気からアンモニアをプラズマ接触により製造する方法が開示される。   Patent Documents 9 and 10 disclose ammonia synthesis methods using a group 8 or 6B transition metal nitride or Co-Mo composite nitride as a catalyst as a method for synthesizing ammonia at 300 to 500 ° C. The Patent Document 11 includes at least one from the group of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Mn, and Cu. Disclosed is a method for producing ammonia from nitrogen and water vapor by plasma contact using a catalyst containing a catalytically active component selected from two transition metals in a support material.

上記の触媒成分を用いる方法は高圧のプロセスを必要とせず、常圧でも原料成分の反応を進行させることができる。Ru等は、第2世代のアンモニア合成触媒として注目されている。しかし、Ru単体での触媒活性は非常に小さく、その能力を発揮させるには担体や促進剤化合物を用いる必要がある。   The method using the above catalyst component does not require a high-pressure process, and the reaction of the raw material component can proceed even at normal pressure. Ru et al. Are attracting attention as a second-generation ammonia synthesis catalyst. However, the catalytic activity of Ru alone is very small, and it is necessary to use a carrier or a promoter compound to exert its ability.

RuやFe等の触媒活性を促進させる担体として、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、グラファイト、セリウムおよびマグネシアなどが用いられる。酸化アルミニウム等の酸化物化合物を担体として用いる場合は、電気陰性度の大きなアルカリ金属、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物等の促進剤化合物を多量に添加して触媒成分の電子供与能力を向上させ、触媒活性を向上させる。しかし、低温条件下や低圧条件下でアンモニアをさらに効率よく合成させることが望まれる。   Magnesium oxide, aluminum oxide, graphite, cerium, magnesia, and the like are used as carriers that promote the catalytic activity of Ru, Fe, and the like. When an oxide compound such as aluminum oxide is used as a carrier, a large amount of an accelerator compound such as an alkali metal, alkali metal compound, or alkaline earth metal compound having a large electronegativity is added to improve the electron donating ability of the catalyst component. And improve the catalytic activity. However, it is desirable to synthesize ammonia more efficiently under low temperature conditions or low pressure conditions.

特公昭51-47674号公報Japanese Patent Publication No.51-47674 特公昭54-37592号公報Japanese Patent Publication No.54-37592 特公昭59-16816号公報Japanese Patent Publication No.59-16816 国際公開第96/38222号International Publication No. 96/38222 特開平2-258066号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2-256666 特開平9-239272号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-239272 特開平2004-35399号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-35399 特開平2006-231229号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-231229 特開平2000-264625号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-264625 特開2008-13435号公報JP 2008-13435 Gazette 特開2001-151507号公報JP 2001-151507 A

本発明の課題は、低温条件下や低圧条件下で優れた触媒活性を発揮するアンモニア合成触媒を提供し、該触媒を用いてアンモニアを高効率に合成できる方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide an ammonia synthesis catalyst that exhibits excellent catalytic activity under low-temperature conditions or low-pressure conditions, and to provide a method capable of synthesizing ammonia with high efficiency using the catalyst.

本発明は、アルミノ珪酸骨格を有し、メソポーラス構造を備えるゼオライト粒子に、アンモニア合成活性を有する遷移金属を担持させてなるアンモニア合成触媒である。該アンモニア合成触媒は、アルミノ珪酸骨格を有し、平均長径が0.2〜0.5nmのミクロ孔と平均長径が4〜5nmのメソ孔とを有するメソポーラス構造を備え、嵩密度が0.5〜2.0g/cm3であるゼオライト粒子に、アンモニア合成活性を有する遷移金属を担持させてなる。 The present invention is an ammonia synthesis catalyst in which a transition metal having an ammonia synthesis activity is supported on zeolite particles having an aluminosilicate skeleton and having a mesoporous structure. The ammonia synthesis catalyst has an aluminosilicate skeleton, has a mesoporous structure having micropores with an average major axis of 0.2 to 0.5 nm and mesopores with an average major axis of 4 to 5 nm, and a bulk density of 0.5 to 2.0 g / cm. A transition metal having ammonia synthesis activity is supported on the zeolite particles 3 .

本発明は、アルミノ珪酸骨格を有し、平均長径が0.2〜0.5nmのミクロ孔と平均長径が4〜5nmのメソ孔とを有するメソポーラス構造を備え、嵩密度が0.5〜2.0g/cm3であるゼオライト粒子にアンモニア合成活性を有する遷移金属を担持させる担持工程を含むアンモニア合成触媒の製造方法を包含する。 The present invention comprises a mesoporous structure having an aluminosilicate skeleton and having micropores with an average major axis of 0.2 to 0.5 nm and mesopores with an average major axis of 4 to 5 nm, and a bulk density of 0.5 to 2.0 g / cm 3 . The present invention includes a method for producing an ammonia synthesis catalyst including a supporting step of supporting a transition metal having ammonia synthesis activity on a certain zeolite particle.

該製造方法は、珪酸原料と、アルミン酸原料と、非イオン性界面活性剤と、イオン性界面活性剤とを塩基性水性液に分散させる分散工程と、前記分散工程で得られる分散溶液を熱処理して非イオン性界面活性剤とイオン性界面活性剤とを含有するゼオライト粒子を生成する熱処理工程と、前記ゼオライト粒子を水洗、加熱してゼオライト粒子から非イオン性界面活性剤とイオン性界面活性剤とを除去する界面活性剤除去工程と、ゼオライト粒子にアンモニア合成活性を有する遷移金属を担持させる担持工程とを含むことが好ましい。   The production method includes a dispersion step of dispersing a silicic acid raw material, an aluminate raw material, a nonionic surfactant, and an ionic surfactant in a basic aqueous liquid, and heat-treating the dispersion solution obtained in the dispersion step. A heat treatment step for producing zeolite particles containing a nonionic surfactant and an ionic surfactant, washing the zeolite particles with water, and heating the zeolite particles to produce a nonionic surfactant and an ionic surfactant. It is preferable to include a surfactant removing step for removing the agent and a supporting step for supporting a transition metal having ammonia synthesis activity on the zeolite particles.

本発明は、アルミノ珪酸骨格を有し、平均長径が0.2〜0.5nmのミクロ孔と平均長径が4〜5nmのメソ孔とを有するメソポーラス構造を備え、嵩密度が0.5〜2.0g/cm3であるゼオライト粒子にアンモニア合成活性を有する遷移金属を担持させてなるアンモニア合成触媒を用いて、水素と窒素とを反応させてアンモニアを合成するアンモニア合成方法を包含する。上記のアンモニア合成方法においては、少なくとも温度条件250〜350℃と、圧力条件0.1〜1MPaとのいずれか一つを満たす反応条件下でアンモニアを合成することが好ましい。 The present invention comprises a mesoporous structure having an aluminosilicate skeleton and having micropores with an average major axis of 0.2 to 0.5 nm and mesopores with an average major axis of 4 to 5 nm, and a bulk density of 0.5 to 2.0 g / cm 3 . This includes an ammonia synthesis method in which ammonia is synthesized by reacting hydrogen and nitrogen using an ammonia synthesis catalyst in which a transition metal having ammonia synthesis activity is supported on a zeolite particle. In the above ammonia synthesis method, it is preferable to synthesize ammonia under reaction conditions satisfying at least one of a temperature condition of 250 to 350 ° C. and a pressure condition of 0.1 to 1 MPa.

本発明は、低温条件下や低圧条件下で優れた触媒活性を発揮する。またアンモニア合成触媒を用いてアンモニアを高効率に合成できる方法を提供できる。   The present invention exhibits excellent catalytic activity under low temperature conditions and low pressure conditions. Also, it is possible to provide a method capable of synthesizing ammonia with high efficiency using an ammonia synthesis catalyst.

本発明に用いられるゼオライト粒子の原料の添加量の例を示す表である。It is a table | surface which shows the example of the addition amount of the raw material of the zeolite particle used for this invention. 本発明に用いられるゼオライト粒子の構造例を示す表である。It is a table | surface which shows the structural example of the zeolite particle used for this invention. 本発明のアンモニア合成方法を適用するアンモニア合成装置例の模式図である。It is a schematic diagram of an example of an ammonia synthesis apparatus to which the ammonia synthesis method of the present invention is applied.

[アンモニア合成触媒]
本発明のアンモニア合成触媒は、所定のゼオライト粒子にアンモニア合成活性を有する遷移金属を担持させてなる。
[Ammonia synthesis catalyst]
The ammonia synthesis catalyst of the present invention is obtained by supporting a transition metal having ammonia synthesis activity on predetermined zeolite particles.

[ゼオライト粒子]
本発明所定のゼオライト粒子は、アンモニア合成活性を有する遷移金属を担持させる担体として機能する。該ゼオライト粒子の純度は95〜100質量%であり、製造工程で完全に排除できなかった少量の不純物を含みうる。
[Zeolite particles]
The predetermined zeolite particles of the present invention function as a carrier for supporting a transition metal having ammonia synthesis activity. The purity of the zeolite particles is 95 to 100% by mass, and may contain a small amount of impurities that could not be completely eliminated in the production process.

本発明に用いられるゼオライト粒子は、その格子間隙が比較的大きなアルミノ珪酸骨格を有する。アルミノ珪酸骨格の基本構造は、各頂点を酸素が占め、中央にSiが位置する四面体構造である。該四面体構造の頂点の酸素を共有させることにより該四面体構造が連結され、かつ該Siの一部がAlに置換されてアルミノ珪酸骨格が形成される。その構造は、結晶格子全体として負に帯電されているため、K、Cs、Na等のアルカリ金属イオン等のカチオンを含有させることにより、電荷補償されている。   The zeolite particles used in the present invention have an aluminosilicate skeleton having a relatively large lattice gap. The basic structure of the aluminosilicate skeleton is a tetrahedral structure in which oxygen occupies each vertex and Si is located in the center. By sharing oxygen at the apex of the tetrahedral structure, the tetrahedral structure is connected, and a part of the Si is substituted with Al to form an aluminosilicate skeleton. Since the structure is negatively charged as a whole of the crystal lattice, charge compensation is performed by containing a cation such as an alkali metal ion such as K, Cs, or Na.

窒素と水素とを原料とするアンモニア合成反応に、上記の構造を有するアンモニア合成触媒を用いると、水素は触媒担体のアルミノ珪酸骨格の格子間隙に一時的に取り込まれうる。これにより被担持成分である遷移金属と水素との接触が抑制され、遷移金属等の触媒成分の被毒を抑制できる。すなわち本発明は、被毒による触媒の失活を抑制し、安定的に優れた触媒活性を発揮させることができる。したがってアンモニアを高効率で合成できる。   When an ammonia synthesis catalyst having the above structure is used for an ammonia synthesis reaction using nitrogen and hydrogen as raw materials, hydrogen can be temporarily taken into lattice gaps of the aluminosilicate skeleton of the catalyst support. As a result, the contact between the transition metal, which is the supported component, and hydrogen is suppressed, and poisoning of the catalyst component such as the transition metal can be suppressed. That is, this invention can suppress the deactivation of the catalyst by poisoning, and can exhibit the outstanding catalyst activity stably. Therefore, ammonia can be synthesized with high efficiency.

上記のゼオライト粒子は、ミクロ孔とメソ孔とを有する。IUPACでは触媒分野について、直径2nm以下の細孔をミクロ孔、直径2〜50nmの細孔をメソ孔、直径50nm以上の細孔をマクロ孔と定義する。本発明における該ゼオライト粒子の各ミクロ孔の平均長径は0.2〜0.5nmが好ましく、各メソ孔の平均長径は4〜5nmが好ましい。   The above zeolite particles have micropores and mesopores. In the catalyst field, IUPAC defines pores with a diameter of 2 nm or less as micropores, pores with a diameter of 2 to 50 nm as mesopores, and pores with a diameter of 50 nm or more as macropores. In the present invention, the average major axis of each micropore of the zeolite particles is preferably 0.2 to 0.5 nm, and the average major axis of each mesopore is preferably 4 to 5 nm.

本発明で用いられるゼオライト粒子のミクロ孔とメソ孔との「平均長径」は、粒子表面上に視認できる各細孔の長径を測定し、長径が2nm以下の細孔をミクロ孔、長径が2nmを超える細孔をメソ孔として、算出されるミクロ孔の平均長径とメソ孔の平均長径である。本発明で用いられるゼオライト粒子は、該ミクロ孔の平均長径とメソ孔の平均長径とが上記の所定の範囲内のものである。なお、長径の測定方法は、例えばSEM等で可能である。   The `` average major axis '' between the micropores and mesopores of the zeolite particles used in the present invention is the measurement of the major axis of each pore visible on the particle surface, the pores having a major axis of 2 nm or less are micropores, and the major axis is 2 nm. The average major axis of the micropores and the average major axis of the mesopores are calculated with the pores exceeding 4 being mesopores. The zeolite particles used in the present invention have an average major axis of the micropores and an average major axis of the mesopores within the above predetermined range. In addition, the measuring method of a long diameter is possible by SEM etc., for example.

該ゼオライト粒子に形成されるミクロ孔とメソ孔との形状や存在割合は、アンモニア合成触媒の製造時に構造規定剤として添加される非イオン性界面活性剤やイオン性界面活性剤の添加量により調整できる。   The shape and ratio of the micropores and mesopores formed in the zeolite particles are adjusted by the amount of nonionic surfactant or ionic surfactant added as a structure-directing agent during the production of the ammonia synthesis catalyst. it can.

ミクロ孔とメソ孔とを有するゼオライト粒子は、ミクロ孔だけを有するゼオライト粒子と比較して、広い比表面積を確保できる。またメソ孔が多いほど、活性点を出しやすくなり、ゼオライト粒子の触媒活性を向上させうる。しかしメソ孔が多すぎるゼオライト粒子は構造が脆弱で靱性が低い。そのようなゼオライト粒子を用いた触媒がペレット化されてリアクターに充填された場合、該触媒はリアクター内の温度変化に伴う熱膨張に耐えられず崩壊するため、触媒活性が低下しやすい。   Zeolite particles having micropores and mesopores can ensure a wide specific surface area compared to zeolite particles having only micropores. Moreover, the more mesopores, the easier it is to generate active sites and the catalytic activity of the zeolite particles can be improved. However, zeolite particles with too many mesopores have a weak structure and low toughness. When a catalyst using such zeolite particles is pelletized and filled into a reactor, the catalyst cannot easily withstand thermal expansion associated with a temperature change in the reactor and collapses, so that the catalytic activity tends to decrease.

本発明に用いられるゼオライト粒子は、触媒活性の向上と靱性確保との観点から、平均長径0.2〜0.5nmのミクロ孔と平均長径4〜5nmのメソ孔とが所定の嵩密度になる存在割合で共存するゼオライト粒子が用いられる。本発明に用いられる担体の嵩密度は、0.5〜2.0g/cm3であることが好ましく、0.7〜1.5g/cm3であることがより好ましく、0.8〜1.2g/cm3であることがさらに好ましい。嵩密度が0.5g/cm3より小さい場合、靱性が不十分になる。2.0g/cm3より大きい場合、触媒活性が不十分になる。 Zeolite particles used in the present invention are present from the viewpoint of improving catalytic activity and ensuring toughness, with a proportion of micropores having an average major axis of 0.2 to 0.5 nm and mesopores having an average major axis of 4 to 5 nm at a predetermined bulk density. Coexisting zeolite particles are used. The bulk density of the support used in the present invention is preferably 0.5 to 2.0 g / cm 3, more preferably 0.7~1.5g / cm 3, further to be 0.8~1.2g / cm 3 preferable. When the bulk density is less than 0.5 g / cm 3 , the toughness becomes insufficient. When it is larger than 2.0 g / cm 3 , the catalytic activity becomes insufficient.

本発明においてゼオライト粒子の嵩密度は、公知の測定装置を用いて測定容器に充填されたゼオライト粒子の質量を測定し、測定容器の容量で除した値として求められる。公知の測定装置としては、ホソカワミクロン パウダテスタ PT-Xが挙げられる。   In the present invention, the bulk density of the zeolite particles is determined as a value obtained by measuring the mass of the zeolite particles filled in the measurement container using a known measuring apparatus and dividing the mass by the capacity of the measurement container. As a known measuring apparatus, Hosokawa Micron Powder Tester PT-X can be mentioned.

該ゼオライト粒子のBET法による比表面積は、大きいほど多量の遷移金属を担持させることができる。生産容易性の観点から、好ましくは1〜10m2/gであり、より好ましくは1〜5m2/gである。比表面積が1m2/g未満の場合、遷移金属の担持量が少なくなるため触媒活性の十分な向上が得られない。本発明のアンモニア合成触媒は、上記のゼオライト粒子に所定の遷移金属を多量に担持させる。少なくとも温度条件250〜350℃と、圧力条件0.1〜1MPaとのいずれか一つを満たす反応条件下でアンモニア合成活性を有する遷移金属を担持させることで、本発明は安定的に高い触媒活性を発揮し、高効率なアンモニア合成に寄与する。 The larger the specific surface area of the zeolite particles by the BET method, the more transition metals can be supported. From the viewpoint of ease of production, it is preferably 1 to 10 m 2 / g, more preferably 1 to 5 m 2 / g. When the specific surface area is less than 1 m 2 / g, the amount of transition metal supported becomes small, so that the catalytic activity cannot be sufficiently improved. In the ammonia synthesis catalyst of the present invention, a large amount of a predetermined transition metal is supported on the zeolite particles. By supporting a transition metal having an ammonia synthesis activity under a reaction condition that satisfies at least one of a temperature condition of 250 to 350 ° C. and a pressure condition of 0.1 to 1 MPa, the present invention stably exhibits high catalytic activity. And contributes to highly efficient ammonia synthesis.

上記のゼオライト粒子の具体例としては、モルデナイト、A型ゼオライト、Y型ゼオライト、X型ゼオライト、L型ゼオライト、エリオナイト、ベータゼオライト、ZSM-5ゼオライト等を挙げることができる。   Specific examples of the zeolite particles include mordenite, A type zeolite, Y type zeolite, X type zeolite, L type zeolite, erionite, beta zeolite, ZSM-5 zeolite and the like.

[遷移金属]
本発明のアンモニア合成触媒は、上記の所定のゼオライト粒子にアンモニア合成活性を有する遷移金属を担持させる。そのような遷移金属として、少なくとも温度条件250〜350℃と、圧力条件0.1〜1MPaとのいずれか一つを満たす反応条件下でアンモニア合成を促進させる触媒活性を有するものが好ましい。具体例としては、Fe、Ru、Os等の第8族遷移金属元素や、Co、Ir等の第9族遷移金属元素を挙げることができる。その他、第6族遷移金属元素のMo、第7族遷移金属元素のReを担持させてもよい。本発明に用いられる遷移金属は、一種を用いてもよく二種以上を併用してもよい。
[Transition metals]
In the ammonia synthesis catalyst of the present invention, a transition metal having ammonia synthesis activity is supported on the predetermined zeolite particles. As such a transition metal, one having a catalytic activity for promoting ammonia synthesis under a reaction condition satisfying at least one of a temperature condition of 250 to 350 ° C. and a pressure condition of 0.1 to 1 MPa is preferable. Specific examples include Group 8 transition metal elements such as Fe, Ru and Os, and Group 9 transition metal elements such as Co and Ir. In addition, Mo of a Group 6 transition metal element and Re of a Group 7 transition metal element may be supported. The transition metal used in the present invention may be used singly or in combination of two or more.

上記の遷移金属源となる遷移金属化合物の例としては、トリルテニウムドデカカルボニル(Ru3(CO)12)、ジクロロテトラスキス(トリフェニルホスフィン)ルテニウム(II)(RuCl2(PPh3)4)、ジクロロトリス(トリフェニルホスフィン)ルテニウム(II)(RuCl2(PPh3)3)、トリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)(Ru(acac)3)、ペンタカルボニル鉄ヨウ化物(Fe(CO)4I2)などの熱分解しやすい無機金属化合物または有機金属錯体を挙げることができる。上記に例示される遷移金属化合物は、一種を用いてもよく二種以上を併用してもよい。 Examples of transition metal compounds that serve as the transition metal source include triruthenium dodecacarbonyl (Ru 3 (CO) 12 ), dichlorotetraskis (triphenylphosphine) ruthenium (II) (RuCl 2 (PPh 3 ) 4 ), Dichlorotris (triphenylphosphine) ruthenium (II) (RuCl 2 (PPh 3 ) 3 ), tris (acetylacetonato) ruthenium (III) (Ru (acac) 3 ), pentacarbonyl iron iodide (Fe (CO) 4 Examples thereof include inorganic metal compounds or organometallic complexes that are easily thermally decomposed, such as I 2 ). The transition metal compounds exemplified above may be used singly or in combination of two or more.

該遷移金属の平均粒子径は、上記のゼオライト粒子に担持させ得る大きさであれば限定されないが、好ましくは5〜500nmであり、より好ましくは50〜300nmである。なお本発明において粒子径とは、レーザー回折法での粒子径分布測定による体積基準累積粒度分布における、50%粒子径(D50)を意味する。 The average particle size of the transition metal is not limited as long as it is a size that can be supported on the zeolite particles, but is preferably 5 to 500 nm, more preferably 50 to 300 nm. In the present invention, the particle size means a 50% particle size (D 50 ) in a volume-based cumulative particle size distribution obtained by measuring the particle size distribution by a laser diffraction method.

当該担体に対する遷移金属の担持量は、担体と担持させる遷移金属との組合せにより異なるが、担体としてのゼオライト粒子100質量gに対して、少なくとも1〜10質量%であり、より好ましくは2〜7質量%である。   The amount of the transition metal supported on the carrier varies depending on the combination of the carrier and the transition metal to be supported, but is at least 1 to 10% by mass, more preferably 2 to 7% with respect to 100 mass g of zeolite particles as the carrier. % By mass.

本発明のアンモニア合成触媒においては、上記のゼオライト粒子や遷移金属の他、アンモニア合成活性を向上させる目的で、助触媒を含有させてもよい。また本発明の作用効果を阻害しない限り、他の成分を含有させてもよい。   In the ammonia synthesis catalyst of the present invention, in addition to the above zeolite particles and transition metals, a promoter may be contained for the purpose of improving the ammonia synthesis activity. Moreover, as long as the effect of this invention is not inhibited, you may contain another component.

[アンモニア合成触媒の製造方法]
本発明のアンモニア合成触媒の製造方法は、原料成分を溶媒に分散させる分散工程と、分散工程により得られる分散溶液からゼオライト粒子を生成する熱処理工程と、該ゼオライト粒子に含有される界面活性剤を除去する界面活性剤除去工程とを含むことが好ましい。なお、本発明の作用効果を阻害しない限り、他の工程を含んでいてもよい。
[Method for producing ammonia synthesis catalyst]
The method for producing an ammonia synthesis catalyst of the present invention comprises a dispersion step of dispersing raw material components in a solvent, a heat treatment step of producing zeolite particles from a dispersion solution obtained by the dispersion step, and a surfactant contained in the zeolite particles. It is preferable to include a surfactant removing step to be removed. In addition, as long as the effect of this invention is not inhibited, the other process may be included.

[分散工程]
珪酸原料と、アルミン酸原料と、非イオン性界面活性剤と、イオン性界面活性剤とを塩基性水性液に添加する。各原料が添加された塩基性水性液は、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム等を用いて撹拌されることにより、珪酸原料とアルミン酸原料とが均質に分散されたスラリー状の分散溶液となる。また、分散溶液内に非イオン性界面活性剤またはイオン性界面活性剤に取り囲まれるようにして気泡が形成される。
[Dispersion process]
A silicic acid raw material, an aluminate raw material, a nonionic surfactant, and an ionic surfactant are added to the basic aqueous liquid. The basic aqueous liquid to which the raw materials are added is stirred using sodium carbonate, sodium hydroxide, or the like, thereby forming a slurry-like dispersion solution in which the silicic acid raw material and the aluminate raw material are uniformly dispersed. Further, bubbles are formed so as to be surrounded by the nonionic surfactant or the ionic surfactant in the dispersion solution.

非イオン性界面活性剤とイオン性界面活性剤とは、該ゼオライト粒子の構造規定剤として機能する。非イオン性界面活性剤に取り囲まれる気泡は比較的小さく、後にミクロ孔を規定する。イオン性界面活性剤に取り囲まれる気泡は比較的大きく、後にメソ孔を規定する。従って、非イオン性界面活性剤やイオン性界面活性剤の添加量を調節することにより、ミクロ孔やメソ孔の存在割合を規定し、所望の嵩密度のゼオライト粒子を得ることができる。   The nonionic surfactant and the ionic surfactant function as a structure-directing agent for the zeolite particles. The bubbles surrounded by the nonionic surfactant are relatively small and later define the micropores. The bubbles surrounded by the ionic surfactant are relatively large and later define mesopores. Therefore, by adjusting the addition amount of the nonionic surfactant or the ionic surfactant, the abundance ratio of micropores and mesopores can be defined, and zeolite particles having a desired bulk density can be obtained.

塩基性水性液に分散される珪酸化合物とアルミン酸との合計含有量は、原料分散溶液がスラリー状になる濃度に適宜調整される。好ましくは、300〜500g/Lである。また上記の非イオン性界面活性剤とイオン性界面活性剤の総添加量は、珪酸原料及びアルミン酸原料とに含有される珪素とアルミニウムとの合計モル数に対し、5〜10質量g/molを満たすことが好ましい。   The total content of the silicic acid compound and aluminate dispersed in the basic aqueous liquid is appropriately adjusted to a concentration at which the raw material dispersion becomes a slurry. Preferably, it is 300-500 g / L. The total amount of the nonionic surfactant and the ionic surfactant is 5 to 10 mass g / mol with respect to the total number of moles of silicon and aluminum contained in the silicic acid raw material and the aluminate raw material. It is preferable to satisfy.

珪酸原料には、有機珪酸化合物と無機珪酸化合物とのいずれを用いてもよい。有機珪酸化合物の例としては、オルト珪酸テトラエチル、オルト珪酸テトラメチル、オルト珪酸テトライソプロピル等の珪酸エステル類が挙げられる。無機珪酸化合物の例としては、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム等の珪酸金属塩やコロイダルシリカ、ゲル状シリカ、水ガラス、酸化珪素等が挙げられる。好ましくは、珪酸ナトリウムが用いられる。該珪酸化合物は一種を用いてもよく、二種以上を併用してもよい。   As the silicic acid raw material, either an organic silicic acid compound or an inorganic silicic acid compound may be used. Examples of the organic silicate compound include silicate esters such as tetraethyl orthosilicate, tetramethyl orthosilicate, and tetraisopropyl orthosilicate. Examples of the inorganic silicate compound include silicate metal salts such as sodium silicate and potassium silicate, colloidal silica, gel silica, water glass, silicon oxide and the like. Preferably, sodium silicate is used. The silicic acid compound may be used alone or in combination of two or more.

アルミン酸原料には、有機アルミニウム化合物と無機アルミニウム化合物とのいずれを用いてもよい。有機アルミニウム化合物の例としては、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムブトキシド等のアルミニウムアルコキシド類が挙げられる。無機アルミニウム化合物の例としては、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、塩化アルミニウム、酢酸アルミニウム等の各種酸のアルミニウム塩類や、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム等が挙げられる。好ましくは、硝酸アルミニウムが用いられる。該珪酸化合物は一種を用いてもよく、二種以上を併用してもよい。上記の珪酸化合物やアルミン酸は、水性液中で均一に混合し易いように粉末状に調製されたものを使用することが好ましい。   As the aluminate raw material, either an organic aluminum compound or an inorganic aluminum compound may be used. Examples of the organoaluminum compound include aluminum alkoxides such as aluminum isopropoxide and aluminum butoxide. Examples of the inorganic aluminum compound include aluminum salts of various acids such as aluminum nitrate, aluminum sulfate, aluminum chloride, and aluminum acetate, aluminum hydroxide, and aluminum oxide. Preferably, aluminum nitrate is used. The silicic acid compound may be used alone or in combination of two or more. It is preferable to use the silicic acid compound and aluminate prepared in a powder form so that they can be easily mixed uniformly in an aqueous liquid.

非イオン性界面活性剤は、ミクロ孔を形成する鋳型として機能する。該非イオン性界面活性剤としては、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル類、ポリオキシアルキレン脂肪酸エステル類、ポリオキシアルキレンソルビタン脂肪酸エステル類、ポリオキシアルキレンアルキルフェニルエーテル類等を使用できる。   The nonionic surfactant functions as a template for forming micropores. As the nonionic surfactant, polyoxyalkylene alkyl ethers, polyoxyalkylene fatty acid esters, polyoxyalkylene sorbitan fatty acid esters, polyoxyalkylene alkylphenyl ethers, and the like can be used.

好ましくは、親水性部分として1つ以上のポリオキシエチレン鎖を有し、疎水性部分として、ポリオキシプロピレン鎖、アルキル鎖、ポリオキシブチレン鎖及び置換アリール鎖から選択される1種又は2種以上を含むブロック共重合体が用いられる。具体的には、ノナエチレングリコールモノヘキサデシルエーテル、ポリオキシエチレンソルビタンモノステアレート等が挙げられる。   Preferably, the hydrophilic portion has one or more polyoxyethylene chains, and the hydrophobic portion is one or more selected from polyoxypropylene chains, alkyl chains, polyoxybutylene chains and substituted aryl chains. A block copolymer containing is used. Specific examples include nonaethylene glycol monohexadecyl ether and polyoxyethylene sorbitan monostearate.

市販品として入手可能な非イオン性界面活性剤としては、例えば、PLURONIC(BASF社製商品名)、TETRONIC(BASF社製商品名)、TRITON(Union Carbide社製商品名)、TERGITOL(Union Carbide社製商品名)等が好ましい。上記の非イオン性界面活性剤は、一種を使用してもよく、二種以上を併用してもよい。   Examples of commercially available nonionic surfactants include PLURONIC (trade name, manufactured by BASF), TETRONIC (trade name, manufactured by BASF), TRITON (trade name, manufactured by Union Carbide), and TERGITOL (Union Carbide, Inc.). Product name) is preferred. One nonionic surfactant may be used, or two or more nonionic surfactants may be used in combination.

イオン性界面活性剤は、メソ孔を形成する鋳型として機能する。該イオン性界面活性剤としては、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、両性イオン界面活性剤のいずれを用いてもよい。   The ionic surfactant functions as a template for forming mesopores. As the ionic surfactant, any of an anionic surfactant, a cationic surfactant, and an amphoteric ionic surfactant may be used.

メソ孔を形成する観点からは、親水性基としてカルボン酸基、スルホン酸基又はリン酸基を有するアニオン系界面活性剤が特に好ましい。例としては、ジ(2-エチルヘキシル)スルホコハク酸ナトリウム、アルキルナフタレンスルホン酸ナトリウム脂肪酸塩、モノアルキル硫酸塩、アルキルポリオキシエチレン硫酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、モノアルキルリン酸塩等が挙げられる。   From the viewpoint of forming mesopores, an anionic surfactant having a carboxylic acid group, a sulfonic acid group or a phosphoric acid group as a hydrophilic group is particularly preferred. Examples include sodium di (2-ethylhexyl) sulfosuccinate, sodium alkyl naphthalene sulfonate fatty acid, monoalkyl sulfate, alkyl polyoxyethylene sulfate, alkyl benzene sulfonate, monoalkyl phosphate, and the like.

カチオン系界面活性剤の例としては、親水性基としてアンモニウム基、ホスホニウム基又はアルソニウム基を有するものが挙げられる。例として、テトラアルキルアンモニウム塩、アルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウム塩、アルキルベンジルジメチルアンモニウム塩等の4級アンモニウム化合物や、テトラアルキルホスホニウムアルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウム塩、アルキルベンジルジメチルアンモニウム塩等が挙げられる。   Examples of the cationic surfactant include those having an ammonium group, a phosphonium group or an arsonium group as a hydrophilic group. Examples include quaternary ammonium compounds such as tetraalkylammonium salts, alkyltrimethylammonium salts, dialkyldimethylammonium salts, alkylbenzyldimethylammonium salts, tetraalkylphosphonium alkyltrimethylammonium salts, dialkyldimethylammonium salts, alkylbenzyldimethylammonium salts, etc. Is mentioned.

より具体的には、オクチルトリメチルアンモニウムクロリド、オクチルトリメチルアンモニウムブロミド、水酸化オクチルトリメチルアンモニウム、デシルトリメチルアンモニウムクロリド、デシルトリメチルアンモニウムブロミド、水酸化デシルトリメチルアンモニウム、n-ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド等の4級アンモニウムのハロゲン塩又は水酸化物などを好適に使用できる。   More specifically, quaternary ammonium such as octyltrimethylammonium chloride, octyltrimethylammonium bromide, octyltrimethylammonium hydroxide, decyltrimethylammonium chloride, decyltrimethylammonium bromide, decyltrimethylammonium hydroxide, n-hexadecyltrimethylammonium bromide, etc. A halogen salt or hydroxide of can be preferably used.

両性イオン界面活性剤としては、アミンオキシドやカルボキシベタインが挙げられ、アルキルジメチルアミンオキシド、アルキルカルボキシベタインなどを例示できる。上記のイオン性界面活性剤は、一種を使用してもよく、二種以上を併用してもよい。   Examples of the zwitterionic surfactant include amine oxide and carboxybetaine, and examples thereof include alkyldimethylamine oxide and alkylcarboxybetaine. 1 type may be used for said ionic surfactant and it may use 2 or more types together.

上記の各原料は、塩基性水性液に分散させる。該水性液を塩基性にすることにより、珪酸化合物とアルミン酸とがそれぞれ珪酸イオンとアルミン酸イオンとに変換されやすくなる。塩基性水性液を得るために添加されるアルカリ剤としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アルミニウム等の金属水酸化物、アンモニア水、トリメチルアミン、トリエチルアミン等の水溶性アミン化合物、水酸化テトラアルキルアンモニウム等の有機アンモニウム化合物が挙げられる。好ましくは、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が用いられる。   Each of the above raw materials is dispersed in a basic aqueous liquid. By making the aqueous liquid basic, the silicate compound and aluminate are easily converted into silicate ions and aluminate ions, respectively. Examples of the alkali agent added to obtain a basic aqueous liquid include metal hydroxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide and aluminum hydroxide, water-soluble amine compounds such as aqueous ammonia, trimethylamine and triethylamine, and tetrahydroxide. Examples include organic ammonium compounds such as alkyl ammonium. Preferably, sodium hydroxide, potassium hydroxide, etc. are used.

上記の分散工程では、本発明の作用効果を阻害しない限り、pH調整剤等その他の添加剤を含有させてもよく、原料成分の分散・溶解を促進させるための手段を適宜加えてもよい。   In the above dispersion step, other additives such as a pH adjuster may be contained as long as the effects of the present invention are not impaired, and means for promoting dispersion / dissolution of the raw material components may be appropriately added.

各原料の添加順序は、同時でもよく、珪酸原料とアルミン酸原料とを塩基性水性液に分散させた後に非イオン性界面活性剤とイオン性界面活性剤とを添加してもよい。ただし、珪酸原料とアルミン酸原料とによりアルミノ珪酸骨格が形成され始めると、その後はミクロ孔やメソ孔を規定することが極めて困難になる。したがって、非イオン性界面活性剤とイオン性界面活性剤とは、アルミノ珪酸骨格が形成され始める前に添加されることが好ましい。上記の観点から、非イオン性界面活性剤とイオン性界面活性剤とは、珪酸原料とアルミン酸原料を十分に塩基性水性液に分散させた後、直ちに添加し始めることが好ましい。非イオン性界面活性剤とイオン性界面活性剤とを添加している間、分散溶液の温度は25〜100℃が好ましく、60〜90℃がより好ましい。   The addition order of each raw material may be simultaneous, and after dispersing a silicic acid raw material and an aluminate raw material in a basic aqueous liquid, a nonionic surfactant and an ionic surfactant may be added. However, once the aluminosilicate skeleton is formed by the silicic acid raw material and the aluminate raw material, it becomes extremely difficult to define micropores and mesopores thereafter. Therefore, it is preferable that the nonionic surfactant and the ionic surfactant are added before the aluminosilicate skeleton starts to be formed. From the above viewpoint, it is preferable that the nonionic surfactant and the ionic surfactant are immediately added after the silicic acid raw material and the aluminate raw material are sufficiently dispersed in the basic aqueous liquid. During the addition of the nonionic surfactant and the ionic surfactant, the temperature of the dispersion solution is preferably 25 to 100 ° C, more preferably 60 to 90 ° C.

[熱処理工程]
該分散溶液を熱処理することにより、アルミノ珪酸骨格が形成され、ゼオライト粒子を生成することができる。該ゼオライト粒子は、その細孔に非イオン性界面活性剤やイオン性界面活性剤を含有する。水熱合成前の撹拌により、非イオン性界面活性剤は小さな気泡を取り囲んだ状態で細孔に含有される。また、イオン性界面活性剤は大きな気泡を取り囲んだ状態で細孔に含有される。
[Heat treatment process]
By heat-treating the dispersion, an aluminosilicate skeleton is formed and zeolite particles can be generated. The zeolite particles contain a nonionic surfactant or an ionic surfactant in their pores. By agitation before hydrothermal synthesis, the nonionic surfactant is contained in the pores in a state of surrounding small bubbles. Further, the ionic surfactant is contained in the pores in a state of surrounding large bubbles.

水熱合成の反応温度は、80〜200℃が好ましく、100〜200℃がより好ましく、160〜180℃がさらに好ましい。反応圧力は、0.3〜1MPaが好ましい。反応時間は、1〜5時間が好ましく、2〜4時間がより好ましい。上記の好ましい反応条件の範囲を外れる場合、本発明に好適な型のゼオライト粒子を形成できない場合がある。   The reaction temperature of hydrothermal synthesis is preferably 80 to 200 ° C, more preferably 100 to 200 ° C, and further preferably 160 to 180 ° C. The reaction pressure is preferably 0.3 to 1 MPa. The reaction time is preferably 1 to 5 hours, more preferably 2 to 4 hours. When the range of the above preferable reaction conditions is exceeded, there are cases where zeolite particles of a type suitable for the present invention cannot be formed.

水熱合成終了後、得られたゼオライト粒子を、濾過、固液分離等の方法により水性液中から分離させた後、水洗して界面活性剤の有機質イオンや金属イオン等を除去する。さらに該ゼオライト粒子を乾燥させ、ゼオライト粒子の細孔に含有される非イオン性界面活性剤とイオン性界面活性剤とを除去する。乾燥方法としては加熱処理が好ましく、その場合、加熱条件は、昇温速度1〜20℃/分で昇温させ、加熱温度400〜600℃、加熱時間1〜10時間が好ましい。   After completion of hydrothermal synthesis, the obtained zeolite particles are separated from the aqueous liquid by a method such as filtration and solid-liquid separation, and then washed with water to remove organic ions, metal ions, and the like of the surfactant. Further, the zeolite particles are dried to remove the nonionic surfactant and the ionic surfactant contained in the pores of the zeolite particles. As the drying method, heat treatment is preferable. In this case, the heating conditions are preferably a temperature increase rate of 1 to 20 ° C./min, a heating temperature of 400 to 600 ° C., and a heating time of 1 to 10 hours.

非イオン性界面活性剤とイオン性界面活性剤とを除去後、さらに乾燥させることにより、平均長径0.4〜0.5nmのミクロ孔と平均長径4〜5nmのメソ孔とを有するメソポーラス構造を備える本発明所定のゼオライト粒子を得ることができる。乾燥時の加熱温度は、350〜500℃が好ましく400〜500℃がより好ましい。   The present invention is provided with a mesoporous structure having micropores having an average major axis of 0.4 to 0.5 nm and mesopores having an average major axis of 4 to 5 nm by further drying after removing the nonionic surfactant and the ionic surfactant. Predetermined zeolite particles can be obtained. The heating temperature during drying is preferably 350 to 500 ° C, and more preferably 400 to 500 ° C.

[担持工程]
続いて得られたゼオライト粒子に遷移金属を担持させる。担持方法は、従来公知の含浸法、蒸着法等を適用できる。
[Supporting process]
Subsequently, a transition metal is supported on the obtained zeolite particles. As a supporting method, a conventionally known impregnation method, vapor deposition method, or the like can be applied.

含浸法を適用する場合、遷移金属源としての遷移金属化合物を有機溶媒に分散させた分散溶液に、平均粒径5〜300nmに微粒子化させた上記のゼオライト粒子を添加する。遷移金属化合物の遷移金属源としての添加量は、ゼオライト粒子100質量部に対し、0.1〜40質量部が好ましく、1〜30質量部がより好ましい。0.1質量部未満の場合、得られるアンモニア合成触媒における遷移金属の担持量が少なくなり、十分な触媒活性を得られない。40質量部を超える場合、担持できない遷移金属が分散溶液中に残存する。有機溶媒は、ゼオライト粒子及び遷移金属源を均質に分散させ得るものであれば特に限定されないが、具体例としては、ヘキサン、ヘプタン等を挙げることができる。   In the case of applying the impregnation method, the above-mentioned zeolite particles finely divided to have an average particle diameter of 5 to 300 nm are added to a dispersion solution in which a transition metal compound as a transition metal source is dispersed in an organic solvent. The addition amount of the transition metal compound as a transition metal source is preferably 0.1 to 40 parts by mass and more preferably 1 to 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the zeolite particles. When the amount is less than 0.1 parts by mass, the amount of transition metal supported in the resulting ammonia synthesis catalyst is reduced, and sufficient catalytic activity cannot be obtained. When it exceeds 40 parts by mass, the transition metal that cannot be supported remains in the dispersion solution. The organic solvent is not particularly limited as long as it can uniformly disperse the zeolite particles and the transition metal source, and specific examples include hexane and heptane.

該分散溶液を不活性ガス気流中あるいは真空下で熱処理して溶媒を除去させた後、さらに乾燥させ、ゼオライト粒子に遷移金属化合物を含浸させた触媒前駆体を得る。処理温度は、50〜200℃が好ましく、処理時間は30分間〜5時間が好ましい。   The dispersion is heat-treated in an inert gas stream or under vacuum to remove the solvent, and then dried to obtain a catalyst precursor in which zeolite particles are impregnated with a transition metal compound. The treatment temperature is preferably 50 to 200 ° C., and the treatment time is preferably 30 minutes to 5 hours.

得られた触媒前駆体を不活性ガス気流中、または真空中で加熱して還元処理する。好ましい処理温度は、30〜80℃である。これによりゼオライト粒子のアルミノ珪酸骨格に遷移金属が担持され、本発明のアンモニア合成触媒を得ることができる。   The obtained catalyst precursor is subjected to reduction treatment by heating in an inert gas stream or in vacuum. A preferred treatment temperature is 30 to 80 ° C. Thus, the transition metal is supported on the aluminosilicate skeleton of the zeolite particles, and the ammonia synthesis catalyst of the present invention can be obtained.

得られたアンモニア合成触媒は、ペレットとして粒状、球状、タブレット状等に成形され、次に説明するアンモニア合成方法に適用される。ただしペレット化は必須ではない。該アンモニア合成触媒は、平均長径が0.2〜0.5nmのミクロ孔と平均長径が4〜5nmのメソ孔とを有するメソポーラス構造を備え、嵩密度が0.5〜2.0g/cm3であるゼオライト粒子を用いることにより、靱性が良好である。そのため、本発明のアンモニア合成触媒は、アンモニア合成反応中に崩壊しにくく劣化が少ない。したがって長期にわたり優れた触媒活性を有する。 The obtained ammonia synthesis catalyst is formed into pellets, granules, spheres, tablets, etc., and applied to the ammonia synthesis method described below. However, pelletization is not essential. The ammonia synthesis catalyst uses zeolite particles having a mesoporous structure having micropores having an average major axis of 0.2 to 0.5 nm and mesopores having an average major axis of 4 to 5 nm and having a bulk density of 0.5 to 2.0 g / cm 3. Therefore, the toughness is good. Therefore, the ammonia synthesis catalyst of the present invention is less likely to collapse during the ammonia synthesis reaction and has little deterioration. Therefore, it has excellent catalytic activity over a long period.

[アンモニア合成方法]
本発明のアンモニア合成方法は、上記に説明した所定のアンモニア合成触媒を用いて、水素と窒素とを直接反応させることにより、アンモニアを合成させる方法である。本発明の合成方法においては、少なくとも温度条件250〜350℃と、圧力条件0.1〜1MPaとのいずれか一つを満たす反応条件下でアンモニアを合成できる。合成時の反応速度は、20〜300μmolg-1h-1であり、好ましくは60〜300μmolg-1h-1になる。
[Ammonia synthesis method]
The ammonia synthesis method of the present invention is a method of synthesizing ammonia by directly reacting hydrogen and nitrogen using the above-described predetermined ammonia synthesis catalyst. In the synthesis method of the present invention, ammonia can be synthesized under a reaction condition that satisfies at least one of a temperature condition of 250 to 350 ° C. and a pressure condition of 0.1 to 1 MPa. The reaction rate during synthesis is 20 to 300 μmolg −1 h −1 , preferably 60 to 300 μmolg −1 h −1 .

本発明のアンモニア合成方法は、水素と窒素とを上記の所定のアンモニア合成触媒に接触させることにより、アンモニアを効率よく合成することができる。本発明で用いられるアンモニア合成触媒は、所定のメソポーラス構造を備えるゼオライト粒子を担体として用いることより、少なくとも温度条件250〜350℃と、圧力条件0.1〜1MPaとのいずれか一つを満たす反応条件下で良好な触媒活性を発揮する担持金属を多量に担持できる。そのため本発明のアンモニア合成方法は、少なくとも温度条件250〜350℃と、圧力条件0.1〜1MPaとのいずれか一つを満たす反応条件下で行われる場合に好適である。   In the ammonia synthesis method of the present invention, ammonia can be efficiently synthesized by bringing hydrogen and nitrogen into contact with the predetermined ammonia synthesis catalyst. The ammonia synthesis catalyst used in the present invention uses a zeolite particle having a predetermined mesoporous structure as a carrier, and therefore, reaction conditions satisfying at least one of a temperature condition of 250 to 350 ° C. and a pressure condition of 0.1 to 1 MPa. It is possible to carry a large amount of a supported metal that exhibits good catalytic activity. Therefore, the ammonia synthesis method of the present invention is suitable when the reaction is performed under reaction conditions that satisfy at least one of temperature conditions of 250 to 350 ° C. and pressure conditions of 0.1 to 1 MPa.

図3は、本発明のアンモニア合成方法が適用されるアンモニア合成装置例の模式図である。図3において、1はアンモニア合成装置、2はリアクター、3は触媒層である。リアクター2の触媒層3には、本発明所定のアンモニア合成触媒を成形したペレットが充填される。水素と窒素とをリアクター2を通気させることにより、水素と窒素とを反応させ、アンモニアを合成する。通常、水素と窒素とは混合ガスとしてリアクター2を通気させる。混合ガスの水素と窒素とのモル比は、1:3が好ましい。混合ガスのリアクターの通気速度は30〜180ml/minが好ましい。   FIG. 3 is a schematic diagram of an example of an ammonia synthesis apparatus to which the ammonia synthesis method of the present invention is applied. In FIG. 3, 1 is an ammonia synthesizer, 2 is a reactor, and 3 is a catalyst layer. The catalyst layer 3 of the reactor 2 is filled with pellets obtained by molding the predetermined ammonia synthesis catalyst of the present invention. Hydrogen and nitrogen are passed through the reactor 2 to react hydrogen and nitrogen to synthesize ammonia. Usually, hydrogen and nitrogen are passed through the reactor 2 as a mixed gas. The molar ratio of hydrogen to nitrogen in the mixed gas is preferably 1: 3. The aeration rate of the mixed gas reactor is preferably 30 to 180 ml / min.

リアクター内の温度条件は250〜350℃が好ましく、280〜330℃がより好ましい。圧力条件は、0.1〜1MPaが好ましい。上記の温度条件と圧力条件とは、少なくともいずれか一つを満たせばよく、両方を満たすことがより好ましい。本発明のアンモニア合成触媒は、上記の反応条件でその触媒活性を好適に発揮し、アンモニア合成反応を効果的に進行させることができる。上記の合成されたアンモニアは、従来公知の冷却工程または吸着工程を経て回収できる。   The temperature condition in the reactor is preferably 250 to 350 ° C, more preferably 280 to 330 ° C. The pressure condition is preferably 0.1 to 1 MPa. The temperature condition and the pressure condition may satisfy at least one, and more preferably satisfy both. The ammonia synthesis catalyst of the present invention suitably exhibits its catalytic activity under the above reaction conditions, and can effectively advance the ammonia synthesis reaction. The synthesized ammonia can be recovered through a conventionally known cooling step or adsorption step.

本発明のアンモニア合成方法による反応速度は20〜300μmolg-1h-1であり、好ましくは60〜300μmolg-1h-1になる。本発明に所定のアンモニア合成触媒は劣化が少なく、長時間上記の反応速度を維持する為、本発明のアンモニア合成方法を用いることにより、少なくとも1〜8時間連続してアンモニア合成反応を行うことができる。 The reaction rate according to the ammonia synthesis method of the present invention is 20 to 300 μmol g −1 h −1 , preferably 60 to 300 μmol g −1 h −1 . In the present invention, the predetermined ammonia synthesis catalyst is less deteriorated and maintains the above reaction rate for a long time. By using the ammonia synthesis method of the present invention, the ammonia synthesis reaction can be carried out continuously for at least 1 to 8 hours. it can.

本発明のアンモニア合成方法は、少なくとも温度条件250〜350℃と、圧力条件0.1〜1MPaとのいずれか一つを満たす反応条件下でアンモニア合成を行うことができる。そのため、アンモニア合成装置に高温高圧条件に対応するための設備を設ける必要がなく、メンテナンスの負担を軽減できる。   In the ammonia synthesis method of the present invention, ammonia synthesis can be carried out under reaction conditions satisfying at least one of a temperature condition of 250 to 350 ° C. and a pressure condition of 0.1 to 1 MPa. Therefore, it is not necessary to provide the ammonia synthesizer with equipment for meeting high temperature and high pressure conditions, and the burden of maintenance can be reduced.

以下に実施例を用いて本発明をさらに説明する。ただし本発明は下記の実施例に限定されない。   The present invention will be further described below using examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

<アンモニア合成触媒の製造>
樹脂製ビーカーにイオン交換水252g及びポリエチレングリコール(分子量6000、東京化成社製)11.0gを溶解させる。次に、水酸化ナトリウム(片山化学社製)2.5gを加えて十分に溶解する。更に、アルミン酸ナトリウム(住友化学工業社製、NaOH:26.1質量%、Al2O3:18.5質量%、水:55.4質量%)14.3gを加えてよく撹拌し、含水珪酸粉末(日本シリカ工業社製、SiO2:93.3質量%、水:6.7質量%)41.9gを加える。続いて、イオン性界面活性剤(ジ(2-エチルヘキシルスルホコハク酸ナトリウム)2.0g、及び非イオン性界面活性剤(ポリオキシエチレンソルビタンモノステアレート、東京化成社製商品名:Tween60)2.0gを加える。振とう機を用いて60℃で20分間原料が均質に分散するまで混合させ、原料スラリーを得る。
<Manufacture of ammonia synthesis catalyst>
In a resin beaker, 252 g of ion-exchanged water and 11.0 g of polyethylene glycol (molecular weight 6000, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) are dissolved. Next, 2.5 g of sodium hydroxide (Katayama Chemical Co., Ltd.) is added and dissolved sufficiently. Further, 14.3 g of sodium aluminate (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., NaOH: 26.1% by mass, Al 2 O 3 : 18.5% by mass, water: 55.4% by mass) was added and stirred well, and hydrous silicate powder (Nippon Silica Industry Co., Ltd.) 41.9 g of SiO 2 : 93.3% by mass, water: 6.7% by mass). Subsequently, 2.0 g of an ionic surfactant (sodium di (2-ethylhexylsulfosuccinate)) and 2.0 g of a nonionic surfactant (polyoxyethylene sorbitan monostearate, trade name: Tween 60, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) are added. Mix using a shaker at 60 ° C. for 20 minutes until the raw material is homogeneously dispersed to obtain a raw material slurry.

得られた原料スラリーを、容量が500mlのステンレス製オートクレーブに投入し、十分に撹拌しながら170℃で71時間加熱する。遠心分離機(3000rpm)を用いて、加熱処理により析出した生成物から水を除去する。該生成物を蒸留水で十分に洗浄する。該生成物を400℃に1時間加熱して乾燥させ、白色の焼成物を得る。該焼成物を焼成物Aとする。   The obtained raw slurry is put into a stainless steel autoclave having a capacity of 500 ml, and heated at 170 ° C. for 71 hours with sufficient stirring. Water is removed from the precipitated product by heat treatment using a centrifuge (3000 rpm). The product is washed thoroughly with distilled water. The product is heated to 400 ° C. for 1 hour and dried to obtain a white fired product. The fired product is referred to as fired product A.

X線回折法による焼成物Aの回折パターンの測定では、モルデナイト型ゼオライトのX線回折パターンの確認が可能である。また走査電子顕微鏡による観察では焼成物Aが多孔質ブロック状ナノ粒子であることを確認できる。   In the measurement of the diffraction pattern of the fired product A by the X-ray diffraction method, the X-ray diffraction pattern of the mordenite-type zeolite can be confirmed. Moreover, it can confirm that the baked product A is a porous block-shaped nanoparticle by observation with a scanning electron microscope.

焼成物Aから粒子を無作為に50個選び出し、各粒子の表面上で確認できる細孔の長径と粒子径を測定する。各粒子表面上の細孔の長径が2nm以下のものをミクロ孔とし、2nmを超えるものをメソ孔として、各粒子のミクロ孔の平均長径とメソ孔の平均長径とを計算する。その場合、焼成物Aの各粒子のミクロ孔の平均長径は、0.2〜0.5nmに、メソ孔の平均長径は、4〜5nmになる。上記50個の粒子の粒子径は、60nmである。BET法による比表面積の平均値は、5m2/gである。なお比表面積の測定は、流動式比表面積自動測定装置 FlowSorb III 2310等を用いて行える。 50 particles are randomly selected from the fired product A, and the major axis and particle size of the pores that can be confirmed on the surface of each particle are measured. The average major axis of the micropores and the average major axis of the mesopores of each particle are calculated by defining the pores on the surface of each particle as micropores having a major axis of 2 nm or less and those having a major axis exceeding 2 nm as mesopores. In that case, the average major axis of the micropores of each particle of the fired product A is 0.2 to 0.5 nm, and the average major axis of the mesopores is 4 to 5 nm. The particle size of the 50 particles is 60 nm. The average specific surface area according to the BET method is 5 m 2 / g. The specific surface area can be measured using a flow type specific surface area automatic measuring device FlowSorb III 2310 or the like.

珪酸原料、アルミン酸原料、イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤を図1に記載する添加量にした他は、焼成物Aの生成工程と同様にして焼成物B〜Hが得られる。焼成物A〜HのX線回折パターンによる同定結果、メソ孔平均長径、ミクロ孔平均長径、平均粒子径、嵩密度、比表面積をそれぞれ図2に記載する。   The calcined products B to H are obtained in the same manner as the production step of the calcined product A except that the silicic acid raw material, the aluminate raw material, the ionic surfactant, and the nonionic surfactant are added in the amounts shown in FIG. . FIG. 2 shows the identification results of the fired products A to H, the mesopore average major axis, the micropore average major axis, the average particle size, the bulk density, and the specific surface area.

<アンモニア合成触媒の製造>
[実施例1]
Ru3(CO)12をヘキサンに溶解させ、Ru3(CO)12溶液と焼成物Aのゼオライト粒子を添加し、撹拌して該溶液中に分散させる。その後焼成物Aのゼオライト粒子とRu3(CO)12とを含有する該溶液を、真空中200℃で30分間熱処理し、溶媒を除去、乾燥させて触媒前駆体を得る。該触媒前駆体をさらに処理温度400℃、処理時間3時間にて熱処理して還元し、アルミノ珪酸セシウムにRuを担持させ、実施例1のアンモニア合成触媒を得る。
<Manufacture of ammonia synthesis catalyst>
[Example 1]
Ru 3 (CO) 12 is dissolved in hexane, the Ru 3 (CO) 12 solution and the zeolite particles of the calcined product A are added, and the mixture is stirred and dispersed in the solution. Thereafter, the solution containing the zeolite particles of the calcined product A and Ru 3 (CO) 12 is heat-treated at 200 ° C. for 30 minutes in a vacuum, and the solvent is removed and dried to obtain a catalyst precursor. The catalyst precursor is further reduced by heat treatment at a treatment temperature of 400 ° C. and a treatment time of 3 hours, and Ru is supported on cesium aluminosilicate to obtain the ammonia synthesis catalyst of Example 1.

[実施例2-6、比較例1-6]
焼成物と遷移金属源とに表1、表2に示す材料を選択し、他は実施例1と同様の条件にして実施例2-6および比較例1-6のアンモニア合成触媒を製造できる。なお表2に示すγ-Al2O3としては、N.E.CHEMCAT製5%Ruアルミナ粉末 AA-4501を使用できる。活性炭としては、N.E.CHEMCAT製5%Ruカーボン粉末(含水品)Aタイプを使用できる。
[Example 2-6, Comparative Example 1-6]
The ammonia synthesis catalysts of Example 2-6 and Comparative Example 1-6 can be manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the materials shown in Tables 1 and 2 are selected for the fired product and the transition metal source. As γ-Al 2 O 3 shown in Table 2, 5% Ru alumina powder AA-4501 manufactured by NECCHEMCAT can be used. As activated carbon, NECCHEMCAT 5% Ru carbon powder (water-containing product) A type can be used.

<アンモニア合成>
実施例1-6および比較例1-6のアンモニア合成触媒を直径2cmの円盤状ペレットに成形し、0.3gをU字状のガラス管に詰め、該ガラス管を付けた内容積200mlガラス製閉鎖循環系に取り付ける。前処理として該閉鎖循環系にH2 200Torrを導入し400℃で3時間流通させた後、モル比1:3のN2/H2混合ガスを閉鎖循環系に流通させ、アンモニア合成反応を行う。反応条件は、反応温度400℃、反応圧力は1MPaとする。表1と表2とに、それぞれ実施例1-6と比較例1-6との反応速度を記載する。
<Ammonia synthesis>
The ammonia synthesis catalyst of Example 1-6 and Comparative Example 1-6 was molded into a disk-shaped pellet having a diameter of 2 cm, 0.3 g was packed in a U-shaped glass tube, and the inner volume of the glass tube with the glass tube was closed by 200 ml. Install in the circulatory system. As a pretreatment, H 2 200 Torr was introduced into the closed circulation system and allowed to flow at 400 ° C. for 3 hours, and then a N 2 / H 2 mixed gas having a molar ratio of 1: 3 was passed through the closed circulation system to perform an ammonia synthesis reaction. . The reaction conditions are a reaction temperature of 400 ° C. and a reaction pressure of 1 MPa. Tables 1 and 2 list the reaction rates of Example 1-6 and Comparative Example 1-6, respectively.

表1および表2に記載する反応速度は、文献1-4に開示されるメソポーラス材料の表面積と反応速度との関係を基準にして求めた。文献1-4は、触媒担体に単純酸化物や複合酸化物を骨格成分としたメソポーラス材料を用いた触媒反応について論じた文献である。
[文献1]
Y. Takahara, D. Lu, J.N. Kondo and K. Domen, “Synthesis and application for overall water splitting of transition metal-mixed mesoporous Ta oxide”, Proc. SSP2000, Solid State Ionics, 151 (1-4), 305-311 (2002).
[文献2]
B. Lee, D. Lu, J.N. Kondo and K. Domen, “Effect of cations addition for the highly ordered mesoporous niobium oxide”, Stud. Surf. Sci. Catal., Proc. IMMS, 146, 323-327 (2003).
[文献3]
J. N. Kondo, M. Uchida, K. Nakajima, D. Lu, M. Hara and K. Domen, “Synthesis, mesostructure and photocatalysis of a highly ordered and thermally stable mesoporous ternary (Ma-Ta) oxide”, Chem. Mater., 16(22), 4304-4310 (2004).
[文献4]
Y. Takahara, J.N. Kondo, T. Takata, D. Lu and K. Domen, "Mesoporous Ta oxide: (1) characterization and photocatalytic activity for overall water decomposition", Chem. Mater., 13(4), 1194-1199 (2001).
The reaction rates described in Table 1 and Table 2 were determined based on the relationship between the surface area of the mesoporous material disclosed in Document 1-4 and the reaction rate. Documents 1-4 discuss the catalytic reaction using a mesoporous material having a simple oxide or composite oxide as a skeleton component as a catalyst carrier.
[Reference 1]
Y. Takahara, D. Lu, JN Kondo and K. Domen, “Synthesis and application for overall water splitting of transition metal-mixed mesoporous Ta oxide”, Proc. SSP2000, Solid State Ionics, 151 (1-4), 305- 311 (2002).
[Reference 2]
B. Lee, D. Lu, JN Kondo and K. Domen, “Effect of cations addition for the highly ordered mesoporous niobium oxide”, Stud. Surf. Sci. Catal., Proc. IMMS, 146, 323-327 (2003) .
[Reference 3]
JN Kondo, M. Uchida, K. Nakajima, D. Lu, M. Hara and K. Domen, “Synthesis, mesostructure and photocatalysis of a highly ordered and stably stable mesoporous ternary (Ma-Ta) oxide”, Chem. Mater. , 16 (22), 4304-4310 (2004).
[Reference 4]
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1 アンモニア合成装置
2 リアクター
3 触媒層
1 Ammonia synthesis device 2 Reactor 3 Catalyst layer

Claims (6)

アルミノ珪酸骨格を有し、メソポーラス構造を備えるゼオライト粒子に、アンモニア合成活性を有する遷移金属を担持させてなるアンモニア合成触媒。   An ammonia synthesis catalyst obtained by supporting a transition metal having ammonia synthesis activity on zeolite particles having an aluminosilicate skeleton and having a mesoporous structure. アルミノ珪酸骨格を有し、平均長径が0.2〜0.5nmのミクロ孔と平均長径が4〜5nmのメソ孔とを有するメソポーラス構造を備え、嵩密度が0.5〜2.0g/cm3であるゼオライト粒子に、アンモニア合成活性を有する遷移金属を担持させてなる請求項1に記載のアンモニア合成触媒。 Zeolite particles having an aluminosilicate skeleton, having a mesoporous structure having micropores having an average major axis of 0.2 to 0.5 nm and mesopores having an average major axis of 4 to 5 nm, and having a bulk density of 0.5 to 2.0 g / cm 3 2. The ammonia synthesis catalyst according to claim 1, wherein a transition metal having ammonia synthesis activity is supported. アルミノ珪酸骨格を有し、平均長径が0.2〜0.5nmのミクロ孔と平均長径が4〜5nmのメソ孔とを有するメソポーラス構造を備え、嵩密度が0.5〜2.0g/cm3であるゼオライト粒子に、アンモニア合成活性を有する遷移金属を担持させる担持工程を含むアンモニア合成触媒の製造方法。 Zeolite particles having an aluminosilicate skeleton, having a mesoporous structure having micropores having an average major axis of 0.2 to 0.5 nm and mesopores having an average major axis of 4 to 5 nm, and having a bulk density of 0.5 to 2.0 g / cm 3 And a method for producing an ammonia synthesis catalyst, comprising a supporting step of supporting a transition metal having ammonia synthesis activity. 珪酸原料と、アルミン酸原料と、非イオン性界面活性剤と、イオン性界面活性剤とを塩基性水性液に分散させる分散工程と、前記分散工程で得られる分散溶液を熱処理して非イオン性界面活性剤とイオン性界面活性剤とを含有するゼオライト粒子を生成する熱処理工程と、前記ゼオライト粒子を水洗、加熱してゼオライト粒子から非イオン性界面活性剤とイオン性界面活性剤とを除去する界面活性剤除去工程と、ゼオライト粒子にアンモニア合成活性を有する遷移金属を担持させる担持工程とを含む請求項3に記載のアンモニア合成触媒の製造方法。   A dispersion step of dispersing a silicic acid raw material, an aluminate raw material, a nonionic surfactant, and an ionic surfactant in a basic aqueous liquid, and heat-treating the dispersion solution obtained in the dispersion step to be nonionic A heat treatment step for producing zeolite particles containing a surfactant and an ionic surfactant, and washing and heating the zeolite particles to remove the nonionic surfactant and the ionic surfactant from the zeolite particles. 4. The method for producing an ammonia synthesis catalyst according to claim 3, comprising a surfactant removing step and a loading step of loading a transition metal having ammonia synthesis activity on the zeolite particles. アルミノ珪酸骨格を有し、平均長径が0.2〜0.5nmのミクロ孔と平均長径が4〜5nmのメソ孔とを有するメソポーラス構造を備え、嵩密度が0.5〜2.0g/cm3であるゼオライト粒子にアンモニア合成活性を有する遷移金属を担持させてなるアンモニア合成触媒を用いて、水素と窒素とを反応させてアンモニアを合成するアンモニア合成方法。 Zeolite particles having an aluminosilicate skeleton, having a mesoporous structure having micropores having an average major axis of 0.2 to 0.5 nm and mesopores having an average major axis of 4 to 5 nm, and having a bulk density of 0.5 to 2.0 g / cm 3 An ammonia synthesis method in which ammonia is synthesized by reacting hydrogen and nitrogen using an ammonia synthesis catalyst in which a transition metal having ammonia synthesis activity is supported. 少なくとも温度条件250〜350℃と、圧力条件0.1〜1MPaとのいずれか一つを満たす反応条件下でアンモニアを合成する請求項5に記載のアンモニア合成方法。   6. The ammonia synthesis method according to claim 5, wherein ammonia is synthesized under a reaction condition that satisfies at least one of a temperature condition of 250 to 350 ° C. and a pressure condition of 0.1 to 1 MPa.
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