JP2019177381A - アンモニア酸化分解−水素生成触媒、及び水素製造装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の水素製造方法は、Ru、Co、Rh、Ir及びNiからなる群より選択される1種以上の触媒金属と、この触媒金属を担持しているゼオライト担体とを有するアンモニア酸化分解触媒に、アンモニア及び酸素を含有している原料ガスを接触させることによりアンモニアを酸化分解して水素を製造するに際し、ゼオライト担体へのアンモニアの吸着による発熱を利用してアンモニアの酸化分解反応を開始する。
本発明の水素製造方法では、ゼオライト担体の酸点を発現させるための前処理を行うことが好ましい。
原料ガスにおけるアンモニアと酸素との体積比は、1.0:0.095〜0.5が好ましく、1.0:0.2〜0.4がより好ましい。空気を用いる場合、上記のアンモニアと酸素の比率になるよう空気の量を調節することができる。原料ガスには、発熱量を調整するために、ヘリウムなどの不活性ガスを随伴させることもできる。
本発明の方法の1つの態様では、アンモニアの酸化分解反応が一旦連続的に行われるようになったときに、この反応の反応熱によって、ゼオライト担体の酸点からアンモニアを脱離させることができる。これによれば、ゼオライト担体の酸点を再生して、アンモニアの吸着に関して再び利用可能にすることができ、したがって触媒に前処理を施さなくても、繰り返しアンモニアの分解反応を開始させることができる。
本発明のアンモニア酸化分解触媒は、Ru、Co、Rh、Ir及びNiからなる群より選択される一種以上の触媒金属と、この触媒金属を担持しているゼオライト担体とを有する。
ゼオライト担体としては、天然又は合成ゼオライトを用いることができ、ゼオライト担体は例えば、A型、フェリエライト、MCM−22、ZSM−5、モルデナイト、L型、Y型、X型、及びベータ型からなる群より選択されるゼオライト担体であってよい。ゼオライト担体は、シリカ・アルミナゲルを出発原料として用いる合成方法で合成することもできるが、市販のゼオライトを用いることができる。
本発明のアンモニア酸化分解触媒において、触媒金属の含有量は、触媒の全質量を基準として、0.1〜50.0質量%であることが好ましく、0.5〜40.0質量%であることがより好ましく、1.0〜30.0質量%であることがさらに好ましい。
本発明の水素製造装置は、本発明のアンモニア酸化分解触媒を備える。
Ru3(CO)12(田中貴金属工業(株)製)をテトラヒドロフランに溶かした溶液に、担体としてのβ型(Z−HB25)ゼオライト粒子(触媒学会参照触媒、JRC−Z−HB25)を含浸した後、ロータリーエバポレーターにて蒸発乾固し、Ruの担持量が触媒の全質量を基準として5質量%となるように担持を行った。次に、得られた含浸物をHe流通下、350℃で5時間、加熱処理して、実施例1の触媒を得た。
担体として、下記のゼオライトを用いたことを除いて実施例1と同様にして、実施例2〜7の触媒を得た。
実施例2:ZSM−5(90NA)ゼオライト(触媒学会参照触媒、JRC−Z−90NA)
実施例3:ZSM−5(ZSM−5)ゼオライト(東ソー株式会社、HSZ−820NHA)
実施例4:フェリエライト(FER)(東ソー株式会社、HSZ−720NHA)
実施例5:モルデナイト(MOR)(東ソー株式会社、HSZ−640HOA)
実施例6:ZSM−5(ZSM−5)(東ソー株式会社、HSZ−840NHA)
実施例7:Y型(Na−Y)ゼオライト(触媒学会参照触媒、JRC−Z−Y5.5)
担体として、下記の担体を用いたことを除いて実施例1と同様にして、比較例1〜3の触媒を得た。
比較例1:γ−Al2O3粒子(住友化学株式会社、高純度アルミナAKP−G15、空気中700℃で5時間焼成したもの)
比較例2:SiO2粒子(日本アエロジル株式会社、AEROSIL300、空気中700°Cで、5時間焼成したもの)
比較例3:SiO2−Al2O3粒子(日揮触媒化成株式会社、IS−28E、空気中700℃で5時間焼成したもの)
図2と同様の構成を有する反応装置を用意した。反応装置は、直径7mmの円筒状の常圧固定床流通式反応器と、この容器の触媒層から下流部分を囲むように設けられたセラミック製断熱材とを有しており、石英ウールで仕切られた触媒層の下流側にはα−Al2O3ボールが充填されている。反応装置の内部には触媒層にまで到達する熱電対が設けられており、これにより触媒層の温度を測定することができる。また、反応器の外側に設けられた電気炉により触媒層、石英ウール、α−Al2O3ボールを加熱することができる。
触媒として実施例1の触媒を用いた場合、前処理においてヘリウムガスを流通させる温度が50℃及び100℃の場合には、アンモニア及び酸素を含有する原料ガスからの水素及び窒素への転化が実質的に観察されなかったが、この前処理温度が200℃以上の場合には、水素及び窒素への転化が観察された。水素及び窒素への転化のために必要な触媒の前処理温度、必要最低前処理温度が比較的低いことは、アンモニア酸化分解触媒としての有用性が大きいことを意味している。
実施例2〜7の触媒についても実施例1の触媒と同様にして、必要最低前処理温度、並びに必要最低前処理温度で前処理を行った場合の転化率、収率、選択率を評価した。実施例2〜7についての試験条件及び試験結果を表1にまとめている。
比較例1〜3の触媒についても実施例1の触媒と同様にして、必要最低前処理温度、並びに必要最低前処理温度で前処理を行った場合の転化率、収率、選択率を評価した。比較例1〜3についての試験条件及び試験結果を表1にまとめている。なお、比較例2の触媒では、前処理温度が450℃のときにも、アンモニア及び酸素を含有する原料ガスからの水素及び窒素への転化が実質的に観察されなかった。
〈態様1〉
Ru、Co、Rh、Ir及びNiからなる群より選択される1種以上の触媒金属と、前記触媒金属を担持しているゼオライト担体とを有するアンモニア酸化分解触媒に、アンモニア及び酸素を含有している原料ガスを接触させることによりアンモニアを酸化分解して水素を製造するに際し、前記ゼオライト担体への前記アンモニアの吸着による発熱を利用してアンモニアの酸化分解反応を開始する、水素製造方法。
〈態様2〉
前記ゼオライト担体が、A型、フェリエライト、MCM−22、ZSM−5、モルデナイト、L型、Y型、X型、及びベータ型からなる群より選択される、態様1に記載の方法。
〈態様3〉
前記アンモニア酸化分解触媒を、前記アンモニア酸化分解触媒を不活性雰囲気中において80℃以上300℃以下の温度に加熱して前処理する、態様1又は2に記載の方法。
〈態様4〉
アンモニアの酸化分解反応の反応熱によって、前記ゼオライト担体の酸点からアンモニアを脱離させる、態様1〜3のいずれか一項に記載の方法。
〈態様5〉
Ru、Co、Rh、Ir及びNiからなる群より選択される一種以上の触媒金属と、前記触媒金属を担持しているゼオライト担体とを有する、アンモニア酸化分解触媒。
〈態様6〉
前記ゼオライト担体が、A型、フェリエライト、MCM−22、ZSM−5、モルデナイト、L型、Y型、X型、及びベータ型からなる群より選択される、態様5に記載の触媒。
〈態様7〉
態様5又は6に記載のアンモニア酸化分解触媒を備えている、水素製造装置。
10… 反応器
20… 触媒層
30… 断熱材
40… 仕切材
50… 不活性充填材
Claims (5)
- Ru、Co、Rh、Ir及びNiからなる群より選択される1種以上の触媒金属と、前記触媒金属を担持しているゼオライト担体とを有するアンモニア酸化分解触媒に、アンモニア及び酸素を含有している原料ガスを接触させることによりアンモニアを酸化分解して水素を製造するに際し、
(a)100℃以上の温度での不活性雰囲気中における前記ゼオライト担体の前処理、及び/又は(b)前もって行われるアンモニアの酸化分解反応の反応熱による前記ゼオライト担体の再生処理を行い、
その後で、前記ゼオライト担体への前記アンモニアの吸着による発熱を利用して、アンモニアの酸化分解反応を開始する、
水素製造方法。 - (a)100℃以上の温度での不活性雰囲気中における前記ゼオライト担体の前処理を行う、請求項1に記載の方法。
- (b)前もって行われるアンモニアの酸化分解反応の反応熱による前記ゼオライト担体の再生処理を行う、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記ゼオライト担体が、A型、フェリエライト、MCM−22、ZSM−5、モルデナイト、L型、Y型、X型、及びベータ型からなる群より選択される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記アンモニア酸化分解触媒を、前記アンモニア酸化分解触媒を不活性雰囲気中において300℃以下の温度に加熱して前処理する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
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