JP2016511692A - グリセリン脱水反応用触媒、その製造方法およびアクロレインの製造方法 - Google Patents

グリセリン脱水反応用触媒、その製造方法およびアクロレインの製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明はグリセリン脱水反応用触媒、その製造方法およびアクロレインの製造方法に関するものである。より詳しくは、前記グリセリン脱水反応用触媒はグリセリン脱水反応で副産物の生成を最少化してアクロレインの選択度を改善することができ、反応中の触媒活性を高く維持することができる。

Description

本発明はグリセリン脱水反応用触媒、その製造方法およびアクロレインの製造方法に関するものであって、副産物の生成を最少化してアクロレインの選択度を改善することができ、反応中の触媒活性を高く維持することができるグリセリン脱水反応用触媒、その製造方法およびアクロレインの製造方法に関するものである。
アクロレインは単純な不飽和アルデヒド化合物であって、不完全な反応基を含んで高い反応性を有し、多様な化合物の合成のための主要中間体として使用される。特に、アクロレインはアクリル酸、アクリル酸エステル、高吸水性樹脂、動物飼料補充物、または食品補充剤などの合成のための中間生成物として広く使用されてきた。
このようなアクロレインを従来は主に石油工程で合成されたプロピレンを出発物質として大気酸素と選択的な気相酸化反応を通じて製造した。しかし、化石燃料の減少および温室効果のような環境問題が次第に台頭することによって、化石燃料に基盤を置かない再生可能な原料を用いてアクロレインを合成する方法に関する研究が多数行われた。
これにより、天然生産物としてバイオディーゼルを合成する工程の副産物として収得できるグリセリンがアクロレイン製造の原料物質として多くの関心を受けている。特に、グリセリンの市場規模はバイオディーゼルの生産量に伴って増加しており、グリセリンの価格下落によってこれを産業的に適用できる方法が研究されている。
一例として、グリセリンを触媒の存在下で脱水化させてアクロレインおよびアクリル酸の混合物の形態として収得する方法が知られている。前記グリセリンの脱水化反応は触媒の存在下で気相酸化反応で行われ、触媒の使用が必須である。しかし、アクロレインを製造するために用いられていた以前の触媒はヒドロキシプロパノン、プロパンアルデヒド、アセトアルデヒド、アセトン、グリセリンの重縮合生成物、環状グリセリンエーテルのような副産物を生成し高い純度のアクロレインを合成する工程に使用するには限界があり、フェノールまたはポリ芳香族化合物を副産物として生成して触媒上にコーク（ｃｏｋｅ）を形成させ触媒の非活性化を招く限界があった。
よって、前記のような問題点を招く副産物の生成を最少化してアクロレインの選択度および純度を高め、グリセリンの転換率と反応収率を改善することができると共に、反応中の触媒の活性を高く維持することができる触媒システムの開発が要求されている。
本発明は、副産物の生成を最少化してアクロレインの選択度を改善することができ、反応中の触媒活性を高く維持することができるグリセリン脱水反応用触媒を提供するためのものである。
また、本発明は、前記グリセリン脱水反応用触媒の製造方法を提供するためのものである。
本発明はまた、前記グリセリン脱水反応用触媒を用いたアクロレインの製造方法に関するものである。
本発明は、下記の化学式１で示される複合金属酸化物を含む、グリセリン脱水反応用触媒を提供する：
［化学式１］
（Ｍａ）ｐ（Ｍｂ）ｑＷＡｒＯｘ
上記化学式１において、
Ａはリンまたは硫黄であり、
ＭａおよびＭｂは互いに同一または異なっていてもよく、それぞれＺｒ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、ＢまたはＣｕであり、ｐおよびｑはそれぞれ０乃至３の実数であり、
ＭａまたはＭｂがＢである場合、残余ＭａまたはＭｂはＺｒ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、またはＣｕであり、ｐおよびｑは０超過３以下の実数であり、
ｒは１乃至３の実数であり、
ｘは１乃至２０の実数である。
そして、本発明は、リン前駆体および硫黄前駆体からなる群より選択された１つ以上とタングステン前駆体を混合する段階；および前記混合液を乾燥および焼成する段階；を含む、グリセリン脱水反応用触媒の製造方法を提供する。
また、本発明は、前記グリセリン脱水反応用触媒の存在下に、グリセリンを反応させる段階を含む、アクロレインの製造方法を提供する。
以下、発明の具体的な実施形態によるグリセリン脱水反応用触媒、その製造方法およびアクロレインの製造方法についてより詳しく説明する。
本明細書で“グリセリン脱水反応”は、グリセリン分子内でまたはグリセリン分子間で水が分離される反応が行われる全過程を意味する。
発明の一実施形態によれば、前記化学式１で示される複合金属酸化物を含むグリセリン脱水反応用触媒が提供される。
本発明者らは、既存のプロピレンを出発物質として用いて気相酸化反応を通じてアクロレインを製造した方法は化石燃料貯蔵量の減少および温室効果のような環境問題の台頭などによって限界があることを認識し、環境に優しく再生可能な原料を用いてアクロレインを製造する方法について研究を行った。これにより、リンまたは硫黄と、タングステンを含有した複合金属酸化物を含む触媒の存在下にグリセリンを脱水反応させる場合、副産物の形成を最少化すると共に、アクロレインが高い収率および高い転換率で製造されることを実験を通じて確認し、発明を完成した。
特に、前記複合金属酸化物は、リンまたは硫黄と、タングステンを一定比率で含有する単純な酸化物の形態であるが、従来用いられていたバナジウムを含むグリセリン脱水反応用またはアクロレイン製造用触媒に比べて顕著に副産物の生成を減らしてアクロレインの収率を高めることができる。特に、前記複合金属酸化物を用いれば、グリセリン脱水反応の主副産物であるヒドロキシプロパノンの生成を顕著に減らすことができる。
それだけでなく、既存の触媒の場合、フェノールまたはポリ芳香族化合物を副産物として生成して触媒上にコーク（ｃｏｋｅ）を形成させて触媒の非活性化を招く限界があったが、前記グリセリン脱水反応用触媒は前述の副産物の生成を抑制して反応中の触媒の活性を高く維持することができる。
このような特徴を有する前記グリセリン脱水反応用触媒は、下記の化学式１で示される複合金属酸化物を含むことができる。
［化学式１］
（Ｍａ）ｐ（Ｍｂ）ｑＷＡｒＯｘ
上記化学式１において、ＡはＡはリン（Ｐ）または硫黄（Ｓ）であり、
ＭａおよびＭｂは互いに同一または異なっていてもよく、それぞれＺｒ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、ＢまたはＣｕであり、この時、ｐおよびｑはそれぞれ０乃至３の実数である。
そして、ＭａまたはＭｂがＢである場合、残余ＭａまたはＭｂはＺｒ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、またはＣｕであり、この時、ｐおよびｑは０超過３以下の実数である。
また、前記ｒは１乃至３の実数であり、ｘは１乃至２０の実数である。
一方、前記複合金属酸化物で、Ａで示されるリンまたは硫黄と、タングステン間のモル比率は１０：１乃至１：１０、好ましくは５：１乃至１：１であってもよい。前記複合金属酸化物はリンまたは硫黄とタングステンを必須的に含み、特に、前記モル比率で含むことによって前記成分が互いに強い結合を行って陽子を与えるか非共有電子対を受ける酸点の役割を果たすことができる。これにより、前記複合金属酸化物はより高い選択度と転換率および収率でグリセリンを脱水反応させてアクロレインを製造することができる。
前記複合金属酸化物で、リンまたは硫黄とタングステンは、それぞれ酸素と結合して
リン酸（ＰＯ４）、硫酸（ＳＯ４）またはタングステン酸（ＷＯ４）などの酸化物形態に結合されていてもよい。特に、前記複合金属酸化物は元素が酸化物形態に結合され、ブレンステッド酸点またはルイス酸点などの酸点を増加させることができ、これにより、より効率的にグリセリンを脱水反応させることができる。
前記複合酸化物で酸素の含量と、化学式１のｘ値はリンまたは硫黄と、タングステンおよび追加的に含まれる成分の含量と成分比によって適切に調節することができる。具体的に、リンまたは硫黄およびタングステンと、酸素間のモル比率は１：１乃至１：５であってもよい。この時、前記リンまたは硫黄およびタングステンと、酸素間のモル比率はリンまたは硫黄のモル数と、タングステンのモル数の合計と、酸素のモル数の比率に該当する。
また、前記化学式１で示される複合金属酸化物は、リンまたは硫黄とタングステン以外に、Ｍａ、Ｍｂで示される第２金属をさらに含むことができる。前記第２金属は具体的にＺｒ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、ＢおよびＣｕからなる群より選択される１種以上の金属であってもよい。前記“第２”の表現は、前記金属をリン、硫黄およびタングステンと区分するための用語であって、反応順序や重要度を示さない。
前記第２金属は、前記複合金属酸化物内でリンまたは硫黄、およびタングステンと酸素を共有した形態に結合した状態であってもよい。前記複合金属酸化物は前記第２金属をさらに含むことによってアクロレインの選択度を顕著に改善させることができ、副産物のヒドロキシプロパノンの生成を抑制することができる。特に、前記第２金属としてホウ素またはニオブを含む場合、前記第２金属が副産物の生成を抑制すると共にグリセリンの脱水反応を起こすことができる酸点の役割を共に遂行することができるため、さらに効率的にグリセリンを脱水反応させてアクロレインを製造することができる。
そして、前記ＭａまたはＭｂで示される第２金属と、タングステン間のモル比率はそれぞれ１０：１乃至１：１０であってもよい。前記第２金属が過度に少なく含まれる場合、アクロレインの選択度改善効果が微小であることがあり、過度に多く含まれる場合、前記金属の含量増加による触媒活性または選択度改善効果が微小であり経済性が落ちることがある。
一方、前記一実施形態の複合金属酸化物で、化学式１のＭａまたはＭｂがＢである場合、残余ＭａまたはＭｂはＺｒ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、またはＣｕであり、ｐおよびｑは０超過３以下の実数であってもよい。即ち、前記ＭａとＭｂが互いに異なり、ＭａまたはＭｂがホウ素（Ｂ）である場合、ホウ素（Ｂ）でない残りＭａまたはＭｂはホウ素を除いたＺｒ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、またはＣｕであってもよい。この時、前記ＭａとＭｂの含量を示すｐとｑは０超過３以下である。
また、前記化学式１で示される複合金属酸化物で、ＭａおよびＭｂが同一である場合、ＭａおよびＭｂはＺｒ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、またはＣｕであってもよい。前記ＭａおよびＭｂが同一である場合は両元素が同一である場合だけでなく、ｐまたはｑが０であって、化学式１にＭａまたはＭｂが単独で残余する場合も含む。
また、このような複合金属酸化物の具体的な例としては、ＣｕＷＳ３Ｏｘ、ＣｕＢＷＳ３Ｏｘ、ＣｕＢ０．４ＷＳ３Ｏｘ、ＮｂＢＷＰ２Ｏｘ、Ｎｂ０．５ＢＷＰ２Ｏｘ、Ｎｂ０．７ＢＷＰ２Ｏｘ、ＮｂＢ０．５ＷＰ２Ｏｘ、ＮｂＢ０．７ＷＰ２Ｏｘ、Ｃｅ０．２５Ｂ０．２５ＷＯ２Ｏｘ、Ｃｅ０．２５Ｂ０．５ＷＰ２Ｏｘ、Ｃｅ０．２５Ｂ０．７５ＷＰ２Ｏｘ、Ｃｅ０．２５ＢＷＰ２Ｏｘ、Ｃｅ０．５ＢＷＰ２Ｏｘ、ＮｂＣｅＢＷＰ３Ｏｘ、Ｃｕ０．２Ｂ０．８６７Ｗ０．５ＰＯＸまたはこれらの混合物が挙げられる。
そして、前記グリセリン脱水反応用触媒は、前記複合金属酸化物が固定される担体をさらに含むことができる。前記担体は通常の触媒に用いられると知られたものであれば大きな制限なく使用することができる。このような担体の具体的な例としては、シリカ、アルミナ、シリカ−アルミナ、ジルコニア、マグネシア、マグネシウムアルミネート、カルシウムアルミネート、シリコンカーバイド、ジルコニウムリン酸化物、ゼオライトまたはこれらの混合物が挙げられ、好ましくは２０ｎｍ以上の気孔大きさを有するシリカを使用することができる。
前記担体は前記リンおよび硫黄からなる群より選択された１つ以上の元素とタングステンを含む複合金属酸化物を固定する役割を果たすものであって、前記複合金属酸化物が大きな表面積を有する担体に酸素を共有する形態に固定されていてもよい。前記のように前記複合金属酸化物が担体に固定された形態に製造されればより容易に貯蔵および輸送が可能であり、大きな表面積によって多量のグリセリンを効率的に反応させることができる。
そして、前記担体は、比表面積が１０乃至５００ｍ２／ｇであってもよく、好ましくは５０乃至２００ｍ２／ｇであってもよい。特に、前記範囲の大きな比表面積を有する担体に前記複合金属酸化物を担持させて製造したグリセリン脱水反応用触媒は、適切な気孔大きさを有するのでコーク浸漬現象が減少し、また、十分な触媒活性を提供することができる。
前記グリセリン脱水反応用触媒は、前記担体１００重量部に対してリンおよび硫黄からなる群より選択された１つ以上の元素とタングステンを含有した複合金属酸化物を１乃至５０重量部含むことができる。
一方、発明のまた他の実施形態によれば、リン前駆体および硫黄前駆体からなる群より選択された１つ以上とタングステン前駆体を混合する段階；および前記混合液を乾燥および焼成する段階；を含む、グリセリン脱水反応用触媒の製造方法が提供される。
このような製造方法によれば、前述の発明の一実施形態のグリセリン脱水反応用触媒が提供される。前述のように、このような触媒はグリセリンの脱水反応での副産物の形成を最少化して高い選択度でアクロレインを製造することができ、触媒の非活性化を招くフェノールまたはポリ芳香族化合物の生成を抑制して触媒の活性を高く維持することができる。
前記リン前駆体、硫黄前駆体およびタングステン前駆体はそれぞれ、前記製造されるグリセリン脱水反応用触媒の含まれるリン、硫黄およびタングステンを提供するための物質を総称するものであって、例えば、前記リン、硫黄およびタングステンのうちのいずれか一つを含む酸化物または塩形態であってもよい。
より具体的に、前記タングステン前駆体はタングステンを含む塩酸塩、酸化塩酸塩、タングステート陰イオンを含むタングステン酸、メタタングステートまたはパラタングステートであってもよく、前記リン前駆体はホスフェート陰イオン（ＰＯ４−）を含むリン酸、アンモニウムホスフェート、水素ホスフェートまたは二水素ホスフェートなどのリン酸塩であってもよく、前記硫黄前駆体はスルフェート陰イオン（ＳＯ４ −）を含む硫酸、アンモニウムスルフェート、水素スルフェートなどの硫酸塩であってもよい。
前記リン前駆体および硫黄前駆体からなる群より選択された１つ以上とタングステン前駆体の混合モル比率は１０：１乃至１：１０であってもよい。前述のように、グリセリン脱水反応用触媒でリンまたは硫黄とタングステンは互いに強い結合を通じて陽子を与えるか非共有電子対を受ける酸点の役割を果たして、より高い選択度および収率でグリセリンを脱水反応させてアクロレインを製造することができる。
そして、リン前駆体および硫黄前駆体からなる群より選択された１つ以上とタングステン前駆体を混合する段階で、前記リン前駆体、硫黄前駆体、タングステン前駆体だけでなく、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、ＢおよびＣｕからなる群より選択される１種以上の第２金属の前駆体をさらに含んで混合することができる。前記第２金属の具体的な例および混合比率は前述の内容を制限なく適用することができる。
その次に、前記グリセリン脱水反応用触媒の製造方法は、前記リン前駆体および硫黄前駆体からなる群より選択された１つ以上とタングステン前駆体を混合して製造した混合液を乾燥および焼成する段階を含むことができる。
より具体的に、前記乾燥する段階では混合液を焼成する前に１００℃以上の温度で１０分乃至２４時間乾燥して前記混合液についている溶媒を除去することができる。このような乾燥過程では通常使用されると知られた乾燥方法および乾燥装置を用いることができ、例えば、熱風機、オーブン、加熱板などの熱源を用いて乾燥を行うことができる。
そして、前記焼成する段階は、反応物を高温で加熱して硬化性物質を製造する一連の過程を意味し、１００乃至９００℃、好ましくは２５０乃至７５０℃の温度範囲で行われる。前記温度範囲未満の場合、反応途中に触媒の構造および結晶化度が変化することがあり、前記温度範囲を超過する場合、原子間相互作用が過度に強くて粒子大きさが増加したり不必要な副反応が起こることがある。
また、前記乾燥および焼成する段階はそれぞれ１０分乃至１０時間遂行される。乾燥および焼成する時間が過度に短い場合、触媒が完全に乾燥および焼成されないことがあり、乾燥および焼成する時間が過度に長い場合、触媒が炭化するなどの様々な副反応が起こることがある。
そして、前記一実施形態のグリセリン脱水反応用触媒の製造方法は、前記リン前駆体および硫黄前駆体からなる群より選択された１つ以上とタングステン前駆体の混合液を担体に担持させる段階をさらに含むことができる。前記混合液を担体に担持させる段階は、当技術分野で使用されると知られた方法を制限なく用いることができ、例えば、含浸法または粉体混合法を使用することができる。また、前記担体の具体的な例および混合比率は前述の内容を制限なく適用することができる。
前記含浸法は、担体を球形やペレットのような形態に製作した後、これを前記ゲル状態の沈殿物が形成された混合液と共に熟成および焼成して担持する工程であり、粉体混合法は、前記酸化物触媒の製造工程で熟成および乾燥工程を経て得られた粉末状の結果物を粉末状の担体と共に混合して得られた混合物に対して焼成して担持する工程である。
つまり、前記一実施形態のグリセリン脱水反応用触媒は、前記含浸法または粉体混合法で混合液を担体に担持して製造することができるので、前記リン前駆体および硫黄前駆体からなる群より選択された１つ以上とタングステン前駆体の混合液と球形またはペレット形態の担体と共に熟成および焼成して担持してもよく、前記混合液を熟成および乾燥して粉末状に製造した後、粉末状の担体と混合して焼成して担持してもよい。
一方、発明のまた他の実施形態によれば、前述のグリセリン脱水反応用触媒の存在下にグリセリンを反応させる段階を含むアクロレインの製造方法が提供される。
前述のように、前記発明の一実施形態のグリセリン脱水反応用触媒を用いれば、高いアクロレインの選択度を有するグリセリンの脱水反応を遂行することができ、特に以前に知られた他の触媒を用いることに比べて副産物の生成を最少化することができる。
前記グリセリン脱水反応用触媒の使用量はグリセリンの量と濃度によって適切に調節することができ、例えば、時間当りグリセリン１００重量部に対して０．１乃至５重量部、好ましくは１乃至３重量部使用することができる。
また、前記脱水反応は２００乃至４００℃の温度で遂行できる。前記脱水反応は吸熱反応であって、高い転換率および選択度でアクロレインを製造するためには前記範囲の温度で反応を遂行するのが好ましい。
本発明によれば、副産物の生成を最少化してアクロレインの選択度を改善することができ、反応中の触媒活性を高く維持することができるグリセリン脱水反応用触媒、その製造方法およびこれを用いたアクロレインの製造方法を提供することができる。
発明を下記の実施例でより詳細に説明する。但し、下記の実施例は本発明を例示するものに過ぎず、本発明の内容が下記の実施例によって限定されるのではない。
［実施例］：グリセリン脱水反応用触媒の製造
［実施例１］
銅前駆体（銅硝酸塩：Ｃｕ（ＮＯ３）２・３Ｈ２Ｏ）６．１６ｇ、タングステン前駆体（アンモニウムメタタングステート：（ＮＨ４）６Ｗ１２Ｏ３６）６．２２ｇおよび硫黄前駆体（アンモニウムスルフェート：（ＮＨ４）２ＳＯ４）１０．１ｇを水に溶解させて混合液を製造し、１２０℃オーブンで乾燥した。そして、５００℃で３時間焼成してＣｕＷＳ３Ｏｘ触媒を製造した。
［実施例２乃至３］
実施例２乃至３はそれぞれ銅前駆体（銅硝酸塩：Ｃｕ（ＮＯ３）２・３Ｈ２Ｏ）６．１６ｇ、ホウ素前駆体（ホウ素酸：Ｈ３ＢＯ３）０．７８ｇ、タングステン前駆体（アンモニウムメタタングステート：（ＮＨ４）６Ｗ１２Ｏ３６）６．２２ｇおよび硫黄前駆体（アンモニウムスルフェート：（ＮＨ４）２ＳＯ４）１０．１ｇ（実施例２）；銅前駆体１．５６ｇ、ホウ素前駆体１．５６ｇ、タングステン前駆体６．２２ｇおよび硫黄前駆体１０．１ｇ（実施例３）；を水に溶解させて混合液を製造し、１２０℃オーブンで乾燥した。そして、７００℃で５時間焼成してＣｕＢ０．５ＷＳ３ＯＸ、ＣｕＢＷＳ３ＯＸ触媒を製造した。
［実施例４］
ホウ素前駆体（ホウ素酸：Ｈ３ＢＯ３）１．５６ｇ、タングステン前駆体（アンモニウムメタタングステート：（ＮＨ４）６Ｗ１２Ｏ３６）６．２２ｇ、ニオブ前駆体（アンモニウムニオブオキサレート：（ＮＨ４）Ｎｂ（Ｃ４Ｏ４））８．０２ｇおよびリン前駆体（リン酸：Ｈ３ＰＯ４）５．８８ｇを水に溶解させて混合液を製造し、１２０℃オーブンで乾燥した。そして、３００℃で３時間焼成してＮｂＢＷＰ２Ｏｘ触媒を製造した。
［実施例５］
７００℃で５時間焼成したことを除いては実施例７と同様にＮｂＢＷＰ２Ｏｘ触媒を製造した。
［実施例６］
ホウ素前駆体（ホウ素酸：Ｈ３ＢＯ３）１．５６ｇ、タングステン前駆体（アンモニウムメタタングステート：（ＮＨ４）６Ｗ１２Ｏ３６）６．２２ｇ、ニオブ前駆体（アンモニウムニオブオキサレート：（ＮＨ４）Ｎｂ（Ｃ４Ｏ４））４．０２ｇおよびリン前駆体（リン酸：Ｈ３ＰＯ４）５．８８ｇを水に溶解させて混合液を製造し、１２０℃オーブンで乾燥した。そして、５００℃で３時間焼成してＮｂ０．６ＢＷＰ２Ｏｘ触媒を製造した。
［実施例７］
ホウ素前駆体（ホウ素酸：Ｈ３ＢＯ３）１．５６ｇ、タングステン前駆体（アンモニウムメタタングステート：（ＮＨ４）６Ｗ１２Ｏ３６）６．２２ｇ、ニオブ前駆体（アンモニウムニオブオキサレート：（ＮＨ４）Ｎｂ（Ｃ４Ｏ４））５．６２ｇおよびリン前駆体（リン酸：Ｈ３ＰＯ４）５．８８ｇを水に溶解させて混合液を製造し、１２０℃オーブンで乾燥した。そして、５００℃で３時間焼成してＮｂ０．７ＢＷＰ２Ｏｘ触媒を製造した。
［実施例８］
ホウ素前駆体（ホウ素酸：Ｈ３ＢＯ３）０．７８ｇ、タングステン前駆体（アンモニウムメタタングステート：（ＮＨ４）６Ｗ１２Ｏ３６）６．２２ｇ、ニオブ前駆体（アンモニウムニオブオキサレート：（ＮＨ４）Ｎｂ（Ｃ４Ｏ４））８．０２ｇおよびリン前駆体（リン酸：Ｈ３ＰＯ４）５．８８ｇを水に溶解させて混合液を製造し、１２０℃オーブンで乾燥した。そして、５００℃で３時間焼成してＮｂＢ０．６ＷＰ２Ｏｘ触媒を製造した。
［実施例９］
ホウ素前駆体（ホウ素酸：Ｈ３ＢＯ３）１．１０ｇ、タングステン前駆体（アンモニウムメタタングステート：（ＮＨ４）６Ｗ１２Ｏ３６）６．２２ｇ、ニオブ前駆体（アンモニウムニオブオキサレート：（ＮＨ４）Ｎｂ（Ｃ４Ｏ４））８．０２ｇおよびリン前駆体（リン酸：Ｈ３ＰＯ４）５．８８ｇを水に溶解させて混合液を製造し、１２０℃オーブンで乾燥した。そして、５００℃で３時間焼成してＮｂＢ０．７ＷＰ２Ｏｘ触媒を製造した。
［実施例１０乃至１４］
実施例１０乃至１４はそれぞれセリウム前駆体（セリウム硝酸塩：Ｃｅ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏ）２．７７ｇ、ホウ素前駆体（ホウ素酸：Ｈ３ＢＯ３）０．３９ｇ、タングステン前駆体（アンモニウムメタタングステート：（ＮＨ４）６Ｗ１２Ｏ３６）６．２２ｇおよびリン前駆体（トリエチルリン酸塩：（Ｃ２Ｈ５）３・ＰＯ４）９．２ｇ（実施例１０）；セリウム前駆体２．７７ｇ、ホウ素前駆体０．７８ｇ、タングステン前駆体６．２２ｇおよびリン前駆体９．２ｇ（実施例１１）；セリウム前駆体２．７７ｇ、ホウ素前駆体１．１７ｇ、タングステン前駆体６．２２ｇおよびリン前駆体９．２ｇ（実施例１２）；セリウム前駆体２．７７ｇ、ホウ素前駆体１．５６ｇ、タングステン前駆体６．２２ｇおよびリン前駆体９．２ｇ（実施例１３）；セリウム前駆体５．５４ｇ、ホウ素前駆体１．５６ｇ、タングステン前駆体６．２２ｇおよびリン前駆体９．２ｇ（実施例１４）；を水とエタノール混合液に溶解させ、１２０℃オーブンで乾燥した。そして、７００℃で３時間焼成してＣｅ０．２５Ｂ０．２５ＷＰ２ＯＸ、Ｃｅ０．２５Ｂ０．５ＷＰ２ＯＸ、Ｃｅ０．２５Ｂ０．７５ＷＰ２ＯＸ、Ｃｅ０．２５ＢＷＰ２ＯＸ、Ｃｅ０．５ＢＷＰ２ＯＸ触媒を製造した。
［実施例１５］
セリウム前駆体（セリウム硝酸塩：Ｃｅ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏ）１１．０８ｇ、ホウ素前駆体（ホウ素酸：Ｈ３ＢＯ３）１．５６ｇ、タングステン前駆体（アンモニウムメタタングステート：（ＮＨ４）６Ｗ１２Ｏ３６）６．２２ｇ、ニオブ前駆体（アンモニウムニオブオキサレート：（ＮＨ４）Ｎｂ（Ｃ４Ｏ４））８．０２ｇ、およびリン前駆体（リン酸：Ｈ３ＰＯ４）８．８２ｇを水とエタノール混合液に溶解させ、１２０℃オーブンで乾燥した。そして、７００℃で３時間焼成してＮｂＣｅＢＷＰ３ＯＸ触媒を製造した。
［実施例１６］
銅前駆体（銅硝酸塩：Ｃｕ（ＮＯ３）２・３Ｈ２Ｏ）２．４４ｇ、ホウ素前駆体（ホウ素酸：Ｈ３ＢＯ３）２．７１ｇ、タングステン前駆体（アンモニウムメタタングステート：（ＮＨ４）６Ｗ１２Ｏ３６）６．２２ｇおよびリン前駆体（トリエチルリン酸塩：（Ｃ２Ｈ５）３・ＰＯ４）９．２ｇを水とエタノール混合液に溶解させ、１２０℃オーブンで乾燥した。そして、７００℃で３時間焼成してＣｕ０．２Ｂ０．８６７Ｗ０．５ＰＯＸ触媒を製造した。
［比較例１乃至３］
従来脱水反応用触媒として使用されると知られたゼオライト系の商用触媒をＺｅｏｌｙｓｔ社から購入し、６００℃で３時間焼成して使用した。
［比較例４乃至５］
従来脱水反応用触媒として使用されると知られたヘテロポリ酸系の商用触媒をＷＡＫＯ社から購入し、３００℃で３時間焼成して使用した。
［比較例６］
ホウ素前駆体（ホウ素酸：Ｈ３ＢＯ３）３．１２ｇおよびリン前駆体（リン酸：Ｈ３ＰＯ４）５．８８ｇを水に溶解させて６０℃で混合液を製造し、真空下に回転蒸発器で乾燥してＰ／Ｂ比が１になるように製造した。そして、７００℃で６時間焼成してＢＰＯ４触媒を製造した。
［実験例］：グリセリンの転換率、アクロレインの収率および選択度
前記実施例および比較例によって製造された触媒を用いて下記表１に記載された条件で短時間に少量の触媒で性能を評価することができるように製作したＨＴＳ（Ｈｉｇｈ−ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ）装置を用いてグリセリンからアクロレインを生産し、ｉｎ−ｓｉｔｕ状態で生成物をＧＣで分析して転換率、選択度および収率を計算した。
グリセリンの転換率、アクロレインの収率、およびアクロレインの選択度を下記表２および表３に示した。
ここで、前記転換率はグリセリンが他の化合物に転換された比率を示し、前記収率はグリセリンからアクロレインに転換された比率を示し、前記選択度は転換された化合物の中のアクロレインが占める比率を示す。
また、比較選択度１はアクロレインの選択度に対するヒドロキシプロパノンの選択度の比較値を示し、比較選択度２はアクロレインの選択度に対するヒドロキシプロパノン、プロピオン酸および芳香族物質の選択度の比較値を示す。前記比較選択度１および２で、ヒドロキシプロパノンはグリセリン脱水反応の主要副産物であり、プロピオン酸と芳香族物質もコーク物質を誘発する副産物に該当する。
Figure 2016511692
Figure 2016511692
Figure 2016511692
上記表２および表３に示されているように、前記実施例の触媒を用いてグリセリンを反応させる場合、比較例の触媒を用いた場合に比べて高いアクロレインの選択度を示した。また、前記反応で目標とする主産物であるアクロレインの選択度に対する副産物の選択度の比率である比較選択度１および２は比較例の触媒を用いた場合に比べて低い数値を示した。
したがって、前記結果から、実施例のグリセリン脱水反応用触媒はグリセリンから高い選択度および高い純度でアクロレインを生成することができ、ヒドロキシプロパノン、プロピオン酸、または芳香族物質のような副産物の生成は抑制することができるのを確認することができる。

Claims (18)

  1. 下記の化学式１で示される複合金属酸化物を含む、グリセリン脱水反応用触媒：
    ［化学式１］
    （Ｍａ）ｐ（Ｍｂ）ｑＷＡｒＯｘ
    上記化学式１において、
    Ａはリンまたは硫黄であり、
    ＭａおよびＭｂは互いに同一または異なっていてもよく、それぞれＺｒ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、ＢまたはＣｕであり、ｐおよびｑはそれぞれ０乃至３の実数であり、
    ＭａまたはＭｂがＢである場合、残余ＭａまたはＭｂはＺｒ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、またはＣｕであり、ｐおよびｑは０超過３以下の実数であり、
    ｒは１乃至３の実数であり、
    ｘは１乃至２０の実数である。
  2. 前記複合金属酸化物は、リンまたは硫黄と、タングステン間のモル比率が１０：１乃至１：１０である、請求項１に記載のグリセリン脱水反応用触媒。
  3. 前記複合金属酸化物は、リンまたは硫黄およびタングステンと、酸素間のモル比率が１：１乃至１：５である、請求項１に記載のグリセリン脱水反応用触媒。
  4. 前記複合金属酸化物はＭａまたはＭｂと、タングステン間のモル比率がそれぞれ１０：１乃至１：１０である、請求項１に記載のグリセリン脱水反応用触媒。
  5. 前記化学式１でＭａおよびＭｂが同一である場合、ＭａおよびＭｂはＺｒ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、またはＣｕである、請求項１に記載のグリセリン脱水反応用触媒。
  6. 前記複合金属酸化物は、ＣｕＷＳ３Ｏｘ、ＣｕＢＷＳ３Ｏｘ、ＣｕＢ０．４ＷＳ３Ｏｘ、ＮｂＢＷＰ２Ｏｘ、Ｎｂ０．５ＢＷＰ２Ｏｘ、Ｎｂ０．７ＢＷＰ２Ｏｘ、ＮｂＢ０．５ＷＰ２Ｏｘ、ＮｂＢ０．７ＷＰ２Ｏｘ、Ｃｅ０．２５Ｂ０．２５ＷＯ２Ｏｘ、Ｃｅ０．２５Ｂ０．５ＷＰ２Ｏｘ、Ｃｅ０．２５Ｂ０．７５ＷＰ２Ｏｘ、Ｃｅ０．２５ＢＷＰ２Ｏｘ、Ｃｅ０．５ＢＷＰ２Ｏｘ、ＮｂＣｅＢＷＰ３Ｏｘ、およびＣｕ０．２Ｂ０．８６７Ｗ０．５ＰＯＸからなる群より選択された１種以上の化合物を含む、請求項１に記載のグリセリン脱水反応用触媒。
  7. 前記複合金属酸化物が固定される担体をさらに含む、請求項１に記載のグリセリン脱水反応用触媒。
  8. 前記担体は、シリカ、アルミナ、シリカ−アルミナ、ジルコニア、マグネシア、マグネシウムアルミネート、カルシウムアルミネート、シリコンカーバイド、ジルコニウムリン酸化物、ゼオライトおよびこれらの混合物からなる群より選択される、請求項７に記載のグリセリン脱水反応用触媒。
  9. 前記担体は、比表面積（ＢＥＴ）が１０乃至５００ｍ２／ｇである、請求項７に記載のグリセリン脱水反応用触媒。
  10. 前記担体１００重量部に対して前記複合金属酸化物は１乃至５０重量部含む、請求項７に記載のグリセリン脱水反応用触媒。
  11. リン前駆体および硫黄前駆体からなる群より選択された１つ以上とタングステン前駆体を混合する段階；および前記混合液を乾燥および焼成する段階；を含む、グリセリン脱水反応用触媒の製造方法。
  12. リン前駆体および硫黄前駆体からなる群より選択された１つ以上とタングステン前駆体の混合モル比率は、１０：１乃至１：１０である、請求項１１に記載のグリセリン脱水反応用触媒の製造方法。
  13. 前記リン前駆体および硫黄前駆体からなる群より選択された１つ以上とタングステン前駆体を混合する段階で、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、ＺｎおよびＣｕからなる群より選択される１種以上の第２金属の前駆体を共に混合する、請求項１１に記載のグリセリン脱水反応用触媒の製造方法。
  14. 前記焼成する段階は、１００乃至９００℃の温度範囲で遂行される、請求項１１に記載のグリセリン脱水反応用触媒の製造方法。
  15. 前記焼成する段階は、１０分乃至１０時間遂行される、請求項１１に記載のグリセリン脱水反応用触媒の製造方法。
  16. 前記混合液を担体に担持させる段階をさらに含む、請求項１１に記載のグリセリン脱水反応用触媒の製造方法。
  17. 前記請求項１のグリセリン脱水反応用触媒の存在下に、グリセリンを反応させる段階を含む、アクロレインの製造方法。
  18. 前記脱水反応は、２００乃至４００℃の温度で遂行される、請求項１７に記載のアクロレインの製造方法。
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