JP2018020913A - 高活性酸素キャリア材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
<1>アルカリ土類金属添加イルメナイトを含む酸素キャリア材料の製造方法であって、a)イルメナイト(FeTiO3)を焼成し、イルメナイト酸化物(Fe2TiO5及びTiO2)を得る工程、b)前記イルメナイト酸化物にアルカリ土類金属化合物を添加し、混合物を得る工程、及びc)前記混合物を焼成することにより、アルカリ土類金属添加イルメナイトを得る工程を含む、該製造方法;
<2>前記工程c)における焼成温度が1000〜1500℃である、上記<1>に記載の製造方法;
<3>前記工程b)において、前記イルメナイト酸化物に対する前記アルカリ土類金属化合物の割合が、前記アルカリ土類金属化合物をCaOに換算した割合で10〜30重量%である、上記<1>又は<2>に記載の製造方法;
<4>前記工程b)が含浸法又は固相法によって行われる、上記<1>〜<3>のいずれかに記載の製造方法;
<5>前記アルカリ土類金属化合物がCa塩、Ba塩、又はSr塩である、上記<1>〜<4>のいずれかに記載の製造方法;及び
<6>前記アルカリ土類金属化合物がCa(NO3)2又はCa(OH)2である、上記<1>〜<4>のいずれかに記載の製造方法
に関する。
<7>アルカリ土類金属添加イルメナイトを含む酸素キャリア材料;
<8>前記アルカリ土類金属添加イルメナイト中のTiに対するアルカリ土類金属の比率が、モル比で32%〜122%である、上記<7>に記載の酸素キャリア材料;
<9>前記アルカリ土類金属がCa、Ba、又はSrである、上記<7>又は<8>に記載の酸素キャリア材料;
<10>前記アルカリ土類金属がCaである、上記<9>に記載の酸素キャリア材料;及び
<11>ケミカルループ法に使用される、上記<7>〜<10>のいずれか1に記載の酸素キャリア材料
に関する。
<12>上記<7>〜<10>のいずれか1に記載の酸素キャリア材料を用いることを特徴とするケミカルループ法;及び
<13>酸素キャリア材料を酸化する酸化反応系と酸素キャリア材料を還元する還元反応系との間で酸素キャリア材料を循環させることで、熱又は水素と同時に二酸化炭素を得るケミカルループ燃焼又はケミカルループ改質を実施するためのシステムであって、前記酸素キャリア材料として上記<7>〜<10>のいずれか1に記載の酸素キャリア材料を用いることを特徴とする、該システム;
<14>
炭化水素類の部分酸化触媒、超重質油の軽質化触媒、又は湿式酸化プロセスの触媒としての、上記<7>〜<10>のいずれか1に記載の酸素キャリア材料の使用。
に関する。
本発明のアルカリ土類金属添加イルメナイトを含む酸素キャリア材料の製造方法は、以下の工程a)〜c)を含むことを特徴とするものである。
a)イルメナイト(FeTiO3)を焼成し、イルメナイト酸化物(Fe2TiO5及びTiO2)を得る工程、
b)前記イルメナイト酸化物にアルカリ土類金属化合物を添加し、混合物を得る工程、及び
c)前記混合物を焼成することにより、アルカリ土類金属添加イルメナイトを得る工程。
4FeTiO3+O2 →2Fe2TiO5+2TiO2
当該工程は、空気中において900〜1500℃でイルメナイト(FeTiO3)を焼成することで行うことができる。好ましくは、950℃で空気中24時間焼成することでイルメナイト酸化物を得ることができる。
本発明は、また、アルカリ土類金属添加イルメナイトを含む酸素キャリア材料を提供するものである。好ましくは、当該アルカリ土類金属添加イルメナイトは、上述の工程a)〜c)を含む製造方法によって得られたものである。
上記1で得られた実施例1及び2の試料の同定をX線回折(XRD)により行なった。XRDは、SmartLab(Rigaku社製)を使用した。
実施例1につき、それぞれ焼成温度1100℃、1200℃、1300℃で得た試料のXRDパターンを図2〜4に示す。図2より、Caを添加した試料では、CaTiO3の形成が確認できた。5〜30wt%CaOの試料ではFe2O3も形成されていた。20〜30wt%CaOの試料では、イルメナイトと反応しなかったCaの一部がCaOとして試料中に存在し、それが空気中の水と反応してCa(OH)2となっていることが分かった。1200℃及び1300℃ではCaOが10〜30wt%まで3種類の試料を調製した。図3及び4より10〜20wt%CaOのときにはCaTiO3の形成を確認し、30wt%CaOのときのみCaTiO3とCaOの形成を確認した。
上記1で調製した実施例1及び2の試料を用いて、示差熱重量分析(TG-DTA:リガク社製)にて2%H2または3%CH4(S/C=2)によるCa添加イルメナイトの還元反応実験を行った。なお昇温速度は20℃/min、反応温度は750℃から950℃である。イルメナイトは以下の反応式(1)に従って反応すると考えられる。
左側の反応をSTEP1、右側の反応をSTEP2と定義した。各試料の重量変化から以下の式(2)により転化率を算出した。なおH2還元では還元状態をSTEP2までとし、CH4還元では還元状態をSTEP1までと定義した。また、Avrami-Erofe’ev式(3)によりフィッティングを行い、FeTiO3までの還元反応速度を算出した。
実施例1の試料を用いて、それぞれ水素(H2)還元反応及びメタン(CH4)還元反応について式(3)から得られた反応速度の測定値を図7及び8に示す。なお反応温度は900℃であり、H2還元ではSTEP2まで反応が進行したときを転化率1、CH4還元ではSTEP1まで反応したときを転化率1と定義した。
実施例2の試料を用いて、同様にメタン(CH4)還元反応について式(3)から得られた反応速度の測定値を図9に示す。図9より、Ca添加イルメナイトの還元反応速度は1100℃焼成の試料の場合、最大3.1倍になり、1300℃焼成の試料の場合、最大1.4倍になった。なお、実施例1の試料とは異なり、実施例2の1100℃で焼成した試料において、20wt%CaOの場合に最大の還元反応速度を示した。
次いで、SEM−EDXにより粒子構造の解析を行った。SEM−EDXは、JSMK5600(JEOL社製)を使用した。
図10及び図11に1100℃焼成した試料の還元反応前後の試料のSEM像及びEDX画像を示す。各試料の反応前後を比較すると、反応後の粒子は内部に亀裂や空洞ができていることが分かる。また、H2還元後は粒子内部にFeの粒が形成されていることが分かる。30wt%CaOのSEM像を見ると、粒子の周囲に濃い灰色と薄い灰色の層が形成されており、図11より濃い灰色の層はCaTiO3、薄い灰色の層はCaとFeの酸化物だと分かる。CaとFeの酸化物は量が少なく、XRDによって同定することはできなかった。反応前後で比較するとCaTiO3の層に大きな変化は見られない。イルメナイトは酸化還元を繰り返すことでFeが表面に偏析し粒子が凝集する現象が知られており、イルメナイト同士の接触を避けることが必要である。Ca添加イルメナイトではCaTiO3の層によりイルメナイト同士が接触しにくくなり、凝集を抑制できる可能性がある。
図15及び図16に1100℃焼成した試料の還元反応前後の試料のSEM像及びEDX画像を示す。各試料の反応前後を比較すると、反応後の粒子は内部に亀裂や空洞ができていることが分かる。30wt%CaOのSEM像を見ると、粒子の周囲にCaTiO3の層は形成されておらず、図16よりCaがイルメナイト粒子表面にほとんど存在しないことが分かった。XRDによりCaの存在は確認されているので、イルメナイト表面以外でどのように存在しているか調べたところ、図17のSEM像に示すように大部分がCaOの粒子が存在することが分かった。調製の際ボールミルで混合を行うため、イルメナイトが削れて発生した粉末がCaOと混合され、サーメット状態のCaO粒子が形成されたと考えられる。
CH4還元で反応温度を750℃から950℃まで変化させた場合に得られた反応速度を図20に示す。用いた試料は、0wt%CaOと実施例1の10wt%CaOであり、STEP1まで反応したときを転化率1と定義した。図20より900℃から950℃では反応促進効果が顕著に確認できるが、800℃から850℃では反応促進効果は小さく、750℃では0wt%CaOの方が高い反応速度を示した。また、図21に図20に基づくアレニウスプロットを示す。図21より、10wt%CaOは反応速度の温度依存性が大きく、活性化エネルギーは167kJ/molとなった。一方、0wt%CaOでは反応速度の温度依存性が小さく、活性化エネルギーは95kJ/molとなった。10wt%CaOの方が、温度依存性が大きくなった原因の一つとしてCaTiO3のO2-伝導度の影響が考えられる。CaTiO3のO2-伝導度は、950℃のときには10-4 S/cm以上であるが、750℃のときには10-5 S/cm以下へ低下することが報告されている。10-4 S/cm以下になるとO2-伝導体の反応促進効果は急激に小さくなることから、10wt%CaOでは低温での反応促進効果の低下や大きな温度依存性が見られたと考えられる。750℃での還元反応速度の逆転は、O2-伝導度の低下し二相界面や三相界面での反応が進行しなくなったため生じたと考えられる。
実施例1の試料を用いて、示差熱重量分析(TG-DTA:リガク社製)にて酸化ガスに33%Air、還元ガスに2%H2を用いてCa添加イルメナイトの酸化還元サイクル実験を行った。なお昇温速度は20℃/min、反応温度は900℃である。1サイクルにおけるガスの切り替え順序とガス流通時間を表1に示す。還元ガスの流通時間は上記3.で行ったH2還元反応におけるSTEP1までにかかる反応時間を基に決定した。表1のサイクルを10回行い、各サイクルでの転化率を上記式(2)より算出し、転化率のグラフを上記式(3)によりフィッティングし還元反応速度を算出した。
Claims (14)
- アルカリ土類金属添加イルメナイトを含む酸素キャリア材料の製造方法であって、
a)イルメナイト(FeTiO3)を焼成し、イルメナイト酸化物(Fe2TiO5及びTiO2)を得る工程、
b)前記イルメナイト酸化物にアルカリ土類金属化合物を添加し、混合物を得る工程、及び
c)前記混合物を焼成することにより、アルカリ土類金属添加イルメナイトを得る工程を含む、該製造方法。 - 前記工程c)における焼成温度が1000〜1500℃である、請求項1に記載の製造方法。
- 前記工程b)において、前記イルメナイト酸化物に対する前記アルカリ土類金属化合物の割合が、前記アルカリ土類金属化合物をCaOに換算した割合で10〜30重量%である、請求項1又は2に記載の製造方法。
- 前記工程b)が含浸法又は固相法によって行われる、請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
- 前記アルカリ土類金属化合物がCa塩、Ba塩、又はSr塩である、請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。
- 前記アルカリ土類金属化合物がCa(NO3)2又はCa(OH)2である、請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。
- アルカリ土類金属添加イルメナイトを含む酸素キャリア材料。
- 前記アルカリ土類金属添加イルメナイト中のTiに対するアルカリ土類金属の比率が、モル比で32%〜122%である、請求項7に記載の酸素キャリア材料。
- 前記アルカリ土類金属がCa、Ba、又はSrである、請求項7又は8に記載の酸素キャリア材料。
- 前記アルカリ土類金属がCaである、請求項9に記載の酸素キャリア材料。
- ケミカルループ法に使用される、請求項7〜10のいずれか1に記載の酸素キャリア材料。
- 請求項7〜10のいずれか1に記載の酸素キャリア材料を用いることを特徴とするケミカルループ法。
- 酸素キャリア材料を酸化する酸化反応系と酸素キャリア材料を還元する還元反応系との間で酸素キャリア材料を循環させることで、熱又は水素と同時に二酸化炭素を得るケミカルループ燃焼又はケミカルループ改質を実施するためのシステムであって、前記酸素キャリア材料として請求項7〜10のいずれか1に記載の酸素キャリア材料を用いることを特徴とする、該システム。
- 炭化水素類の部分酸化触媒、超重質油の軽質化触媒、又は湿式酸化プロセスの触媒としての、請求項7〜10のいずれか1に記載の酸素キャリア材料の使用。
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