JP4773418B2 - 炭化水素からの水素製造用触媒の製造方法、該製造方法により製造された触媒、及び該触媒を用いた水素製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、小型水素製造設備や燃料電池発電システムを想定した場合、天然ガス、LPGなどの軽質炭化水素は発熱量あたりのコストが高く、経済的観点から灯油等のコストの安い重質炭化水素を原料に用いた水素製造方法が望まれている。しかし、炭化水素の分子量の増加と共に触媒上への炭素析出が著しくなるため、分子量の高い低廉な灯油等の炭化水素を原料とする場合、触媒床の閉塞による差圧上昇のために長期間反応を継続できないという問題があった。
CnHm+2nH2O→(m/2+2n)H2+nCO2……………(I)
△H(吸熱量)=40kcal/c−mol
S/C=反応器に供給される水蒸気のモル数/〔反応器に供給される炭化水素(CnHm)のモル数×n〕………(II)
一方、比較的炭素析出の少ない触媒としてルテニウム系の水蒸気改質触媒がいくつか研究されている。特許文献1には、ルテニウムを活性成分とし、アルカリ金属、及びアルカリ土類金属を1質量%以下添加した触媒が開示されている。また、特許文献2には、ルテニウム等の触媒活性成分及び耐熱性酸化物からなる助触媒成分を含む触媒と、触媒担体成分及び該触媒担体成分の酸性点を中和する成分を含む担体とを含むことを特徴とする炭化水素改質触媒が開示されている。しかしながら、上記従来のルテニウム触媒には、灯油などの重質な原料を用いた水素製造条件下での高活性維持や炭素析出抑制効果、及び十分な強度維持は期待できない。
そこで、特許文献3には、α−アルミナ担体を使用して改質活性を効率的に向上せしめる触媒の製造方法として、担体の吸水量以下の量のルテニウム含浸液を担体に含浸させることにより、活性成分であるルテニウムを触媒外表面から触媒中心までの1/3までの部分に全ルテニウム担持量の50%以上を担持させる触媒の製造方法が開示されている。
即ち、本発明は、上記目的を達成するために、以下の炭化水素からの水素製造用触媒の製造方法、該製造方法によって製造された水素製造用触媒、及び該触媒を用いた水素の製造方法を提供する。
(1)α−アルミナ担体上に、少なくとも1種のアルカリ金属を含む化合物を含有する溶液を用いてアルカリ金属を触媒基準、金属換算で0.5〜10質量%担持させて800℃〜950℃で焼成した後、ルテニウムを含む化合物を含有する溶液を用いてルテニウムを触媒基準、金属換算で0.5〜10質量%担持させ、アルカリ水溶液にて処理した後、純水で洗浄することで前記アルカリ金属を除去し、次いで120℃以下で乾燥を行い、その後少なくとも1種のアルカリ金属を含む化合物を含有する溶液を用いてアルカリ金属を触媒基準、金属換算で0.5〜10質量%担持させた後、120℃以下で乾燥することを特徴とする水素製造用触媒の製造方法。
(2)前記アルカリ金属がカリウムであることを特徴とする上記(1)に記載の水素製造用触媒の製造方法。
(3)上記(1)又は(2)に記載の水素製造用触媒の製造方法によって製造された水素製造用触媒であって、α−アルミナ担体上に、ルテニウムを触媒基準、金属換算で0.5〜10質量%と、アルカリ金属を触媒基準、金属換算で0.5〜10質量%含み、EPMA(エレクトロンプローブマイクロアナライザー)により、触媒断面の中心を通るように触媒外表面から他の外表面まで一方向にアルカリ金属及びルテニウムについて線分析測定したときに、触媒外表面から触媒中心までの距離をr0とすると、触媒外表面から(1/2)r0までの距離の間に検出されたルテニウムの特性X線(Lα線)強度の和の割合が、全領域のルテニウムの特性X線強度の和に対して80〜100%であり、ルテニウムが存在する領域に存在するアルカリ金属の特性X線強度の和の割合が、全領域のアルカリ金属の特性X線強度の和に対して60〜70%であることを特徴とする水素製造用触媒。
(4)上記(3)に記載の触媒の存在下に、沸点が30〜350℃の範囲にある留分が90質量%以上存在する炭化水素と水蒸気とを、反応温度400〜900℃、反応圧力0〜5MPa−G、S/C(水蒸気/炭素モル比)=2.5〜5.0の条件下で、反応させることを特徴とする水素の製造方法。
本発明の触媒製造方法では、担体として、α-アルミナ担体を用いる。このα-アルミナ担体は、α-アルミナの前駆体、例えば水酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム等を、酸素雰囲気、例えば空気中で、600〜1300℃で加熱焼成することによって調製することができる。焼成時間は特に限定されないが、通常、1〜20時間である。
本発明で得られる触媒は、担体としてαアルミナ担体を用いることにより、長期間水蒸気改質反応条件下に曝されたり、装置の運転開始時や停止時の急激な温度変化を受けることによる強度劣化が生じ難い。
次いで、純水による洗浄を行う。上記アルカリ水溶液処理の際、担持に用いたルテニウム塩のカウンターアニオンは水溶性のアンモニウム塩や無機塩となるため、この純水による洗浄の過程で溶出し、除去することができる。洗浄は、例えば純水をブフナー漏斗上の試料に充分加えて行う。なお、この純水による洗浄の際、先の第一段階で担持したアルカリ金属も除去される。
以上述べたように、本発明の触媒製造方法により、本発明の所望の水素製造用触媒を得ることができる。
なお、ここで、全領域とは、触媒外表面から中心を通り他の外表面までの距離、すなわち2r0を意味する。X線強度とは、触媒断面に電子線を照射したときに1秒間当たりに検出されるX線光量子の数(cps)を意味する。ルテニウムが存在する領域とは、EPMAにより触媒外表面から中心を通り他の外表面までに一方向に線分析測定したときにテニウムの特性X線(Lα線)が検出される領域を意味する。また、EPMAによる線分析測定は、例えば、日本電子株式会社製E P M A 、J X A ― 8 2 0 0を用いて行うことができる。
以下の実施例において、生成ガス分析は、ステンレス(SUS)製管(内径3mm、長さ2m)に、60〜80メッシュの充填剤(Unibeads−C、GLサイエンス社製)を充填し、これを分離カラムとして取り付けた熱伝導型検出器(TCD)付きガスクロマトグラフ(GC−390、GLサイエンス製)にて、H2、CO、CO2、CH4について行った。
また、生成ガス中のC1〜C5の分析は、Al2O3/KClのキャピラリーカラムを分離カラムとして取り付けた水素炎イオン化検出器(FID)付きガスクロマトグラフ(GC−390、GLサイエンス製)にて行った。触媒の金属担持量は、誘導結合プラズマ発光分析(ICP分析)によって確認した。触媒への炭素析出量は、赤外線検出式炭素分析装置(Model EMIA−810、堀場製作所製)で測定した。
触媒上へのCO吸着量は、TCDガスクロマトグラフを内蔵した自動吸着装置(R6015、大倉理研製)により、測定した。CO吸着量の測定手順は、触媒を試料管に入れ、キャリアガスにHeガスを用い、還元ガスに水素を用いて、先ず、水素ガスを流して還元温度である400℃まで1時間で昇温し、1時間400℃で還元を行った。次いでHeガスに切り替えて50℃まで冷却し、その後、COガスを試料管に一定量流してCO吸着量を測定した。
触媒中心を通る一方向のルテニウム及びカリウムのEPMA線分析測定は、電子プローブマイクロアナライザー(日本電子株式会社製EPMA、JXA―8600MX)を用いて測定した。測定条件は加速電圧15kV、照射電流1×10−7A、測定点間のインターバル15〜18μm、計数時間30msecで行った。測定触媒の断面は、触媒をMMA(methyl methacrylate)に包埋し、研磨装置を用いて研磨し、カーボン蒸着することにより作製した。触媒の外表面から中心の距離をr0としたとき、触媒外表面から(1/2)r0までの距離の間に検出されたルテニウムの特性X線強度の和の割合Xは下記数式1で求めた。
〔数式1〕
X=[触媒外表面(1/2)r0に存在するルテニウムの特性X線強度の積分値/全領域のルテニウムの特性X線強度の積分値]×100
また、ルテニウムが存在する領域に存在するアルカリ金属の特性X線強度の和の割合Yは下記数式2で求めた
〔数式2〕
Y=[ルテニウムが存在する領域に存在するアルカリ金属の特性X線強度の積分値/全領域のアルカリ金属の特性X線強度の積分値]×100
原料C1転化率は、下記数式3から求めた。
〔数式3〕
原料C1転化率(%)=〔M/M0〕×100
(M0:単位時間当りの供給原料炭化水素の炭素モル数、M:単位時間当りの生成ガス中のC1化合物(CO、CO2、CH4)の炭素モル数 )
水酸化カリウム1.04g(和光純薬製特級、純度85%)をイオン交換水10.74gに溶解し、この水溶液を直径3mmの球状α−アルミナ担体30gに滴下した。担体全体に水酸化カリウム水溶液が均一に行き渡るよう攪拌した後、室温で1時間静置した。続いてこの担体をロータリーエバポレーターを用いて、約2.7kPa(約20mmHg)程度の真空下、湯浴で50℃に加熱して乾燥後、マッフル炉にて空気中、900℃で3時間焼成した。
次いで、塩化ルテニウム・水和物(RuCl3・nH2O、ルテニウム含量39質量%)1.55gを9.72gのイオン交換水に溶解し、この水溶液を上記担体30gに滴下した。担体全体に塩化ルテニウム水溶液が均一に行き渡るよう攪拌した後、室温で1時間静置した。続いて担体をロータリーエバポレーターを用いて、約2.7kPa(約20mmHg)程度の真空下、湯浴で50℃に加熱して、乾燥した。
次いで、上記担体を7mol/Lアンモニア水約100mL(市販試薬特級の約2倍希釈)中に移し、スターラーで1時間ゆっくり攪拌して、ルテニウムを不溶・固定化した。この担体を、ブフナー漏斗を用いてアンモニア水から回収した。回収した担体をイオン交換水で充分洗浄した。洗浄終了は、濾液の一部に硝酸銀水溶液を滴下し、塩化銀の白色沈殿が生じなくなる点とした。洗浄した担体を乾燥機中80℃で15時間乾燥した。
次いで水酸化カリウム0.51g(和光純薬製特級、純度85%)をイオン交換水9.3gに溶解し、30.0gの上記担体に滴下し、担体全体に水酸化カリウム水溶液が均一になるように攪拌し、室温で1時間静置後、80℃にて乾燥し、触媒Aを得た。触媒Aのルテニウム濃度(金属換算)、カリウム濃度(金属換算)、及び外表面から(1/2)r0の間に存在するルテニウムの特性X線強度の和の割合X、ルテニウムが存在する領域に存在するカリウムの特性X線強度の和の割合Yを表1に示した。
反応器に触媒Aを2.5ml充填し、0.005MPa−G、650℃、GHSV=400(v/v)h−1で1時間、マスフローコントローラで流量調整した水素で還元した。続いて、この反応器に原料油として、表2記載の脱硫灯油を水蒸気と共に導入し、水蒸気改質反応を、反応温度650℃、0.88MPa−G、S/C=3.0、LHSV=5(v/v)h−1の条件下で行った。反応結果(原料C1転化率)を表1に示した。
実施例1において、α−アルミナ担体に水酸化カリウムを担持した後の焼成温度を950℃としたこと以外は、実施例1と同様にして触媒Bを調製し、触媒Bを実施例1と同様に評価した。この触媒Bのルテニウム濃度(金属換算)、カリウム濃度(金属換算)、及び外表面から(1/2)r0の間に存在するルテニウムの特性X線強度の和の割合X、ルテニウムが存在する領域に存在するカリウムの特性X線強度の和の割合Y、ならびに評価結果(原料C1転化率)を表1に示した。
実施例1において、α−アルミナ担体に水酸化カリウムを担持した後の焼成温度を850℃としたこと以外は、実施例1と同様にして触媒Cを調製し、触媒Cを実施例1と同様に評価した。この触媒Cのルテニウム濃度(金属換算)、カリウム濃度(金属換算)、及び外表面から(1/2)r0の間に存在するルテニウムの特性X線強度の和の割合X、ルテニウムが存在する領域に存在するカリウムの特性X線強度の和の割合Y、ならびに評価結果(原料C1転化率)を表1に示した。
塩化ルテニウム・水和物(RuCl3・nH2O、ルテニウム含量39質量%)1.57gを10.74gのイオン交換水に溶解し、この水溶液を直径3mmの球状α−アルミナ担体30gに滴下した。担体全体に塩化ルテニウム水溶液が均一に行き渡るよう攪拌した後、室温で1時間静置した。続いてこの担体をロータリーエバポレーターにより、約2.7kPa(約20mmHg)程度の真空下、湯浴で50℃に加熱して、乾燥した。
次いで、上記担体を7mol/Lアンモニア水約100mL(市販試薬特級の約2倍希釈)中に移し、スターラーで1時間ゆっくり攪拌して、ルテニウムを不溶・固定化した。この担体を、ブフナー漏斗を用いてアンモニア水から回収した。回収した担体をイオン交換水で充分洗浄した。洗浄終了は、濾液の一部に硝酸銀水溶液を滴下し、塩化銀の白色沈殿が生じなくなる点とした。洗浄した担体を乾燥機中80℃で15時間乾燥し、触媒Dを調製した。この触媒Dを実施例1と同様にして評価した。触媒Dのルテニウム濃度(金属換算)、カリウム濃度(金属換算)、及び外表面から(1/2)r0の間に存在するルテニウムの特性X線強度の和の割合X、ルテニウムが存在する領域に存在するカリウムの特性X線強度の和の割合Y、ならびに評価結果(原料C1転化率)を表1に示した。
水酸化カリウム0.51g(和光純薬製特級、純度85%)をイオン交換水9.51gに溶解し、触媒D30.0gに滴下した。触媒D全体に水酸化カリウム水溶液が均一に行き渡るよう攪拌した後、室温で1時間静置した。次いで80℃にて乾燥し、触媒Eを得た。この触媒Eを実施例1と同様にして評価した。触媒Eのルテニウム濃度(金属換算)、カリウム濃度(金属換算)、及び外表面から(1/2)r0の間に存在するルテニウムの特性X線強度の和の割合X、ルテニウムが存在する領域に存在するカリウムの特性X線強度の和の割合Y、ならびに評価結果(原料C1転化率)を表1に示した。
実施例1において、α−アルミナ担体に水酸化カリウムを担持後にマッフル炉による焼成を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして触媒Fを調製し、触媒Fを実施例1と同様に評価した。この触媒Fのルテニウム濃度(金属換算)、カリウム濃度(金属換算)、及び外表面から(1/2)r0の間に存在するルテニウムの特性X線強度の和の割合X、ルテニウムが存在する領域に存在するカリウムの特性X線強度の和の割合Y、ならびに評価結果(原料C1転化率)を表1に示した。
実施例1において、α−アルミナ担体に水酸化カリウムを担持後の焼成の温度を600℃とし、ルテニウムを担持した後の水酸化カリウムの担持を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして触媒Gを調製し、触媒Gを実施例1と同様に評価した。この触媒Gのルテニウム濃度(金属換算)、カリウム濃度(金属換算)、及び外表面から(1/2)r0の間に存在するルテニウムの特性X線強度の和の割合X、ルテニウムが存在する領域に存在するカリウムの特性X線強度の和の割合Y、ならびに評価結果(原料C1転化率)を表1に示した。
実施例1において、α−アルミナ担体に水酸化カリウムを担持後の焼成の温度を1000℃としたこと以外は、実施例1と同様にして触媒Hを調製し、触媒Hを実施例1と同様に評価した。この触媒Hのルテニウム濃度(金属換算)、カリウム濃度(金属換算)、及び外表面から(1/2)r0の間に存在するルテニウムの特性X線強度の和の割合X、ルテニウムが存在する領域に存在するカリウムの特性X線強度の和の割合Y、ならびに評価結果(原料C1転化率)を表1に示した。
実施例1において、ルテニウムを担持した後の水酸化カリウムの担持を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして触媒Iを調製し、触媒Iを実施例1と同様に評価した。この触媒Iのルテニウム濃度(金属換算)、カリウム濃度(金属換算)、及び外表面から(1/2)r0の間に存在するルテニウムの特性X線強度の和の割合X、ルテニウムが存在する領域に存在するカリウムの特性X線強度の和の割合Y、ならびに評価結果(原料C1転化率)を表1に示した。
Claims (4)
- α−アルミナ担体上に、少なくとも1種のアルカリ金属を含む化合物を含有する溶液を用いてアルカリ金属を触媒基準、金属換算で0.5〜10質量%担持させて800℃〜950℃で焼成した後、ルテニウムを含む化合物を含有する溶液を用いてルテニウムを触媒基準、金属換算で0.5〜10質量%担持させ、アルカリ水溶液にて処理した後、純水で洗浄することで前記アルカリ金属を除去し、次いで120℃以下で乾燥を行い、その後少なくとも1種のアルカリ金属を含む化合物を含有する溶液を用いてアルカリ金属を触媒基準、金属換算で0.5〜10質量%担持させた後、120℃以下で乾燥することを特徴とする水素製造用触媒の製造方法。
- 前記アルカリ金属がカリウムであることを特徴とする請求項1に記載の水素製造用触媒の製造方法。
- 請求項1又は2に記載の水素製造用触媒の製造方法によって製造された水素製造用触媒であって、α−アルミナ担体上に、ルテニウムを触媒基準、金属換算で0.5〜10質量%と、アルカリ金属を触媒基準、金属換算で0.5〜10質量%含み、EPMA(エレクトロンプローブマイクロアナライザー)により、触媒断面の中心を通るように触媒外表面から他の外表面まで一方向にアルカリ金属及びルテニウムについて線分析測定したときに、触媒外表面から触媒中心までの距離をr0とすると、触媒外表面から(1/2)r0までの距離の間に検出されたルテニウムの特性X線(Lα線)強度の和の割合が、全領域のルテニウムの特性X線強度の和に対して80〜100%であり、ルテニウムが存在する領域に存在するアルカリ金属の特性X線強度の和の割合が、全領域のアルカリ金属の特性X線強度の和に対して60〜70%であることを特徴とする水素製造用触媒。
- 請求項3に記載の触媒の存在下に、沸点が30〜350℃の範囲にある留分が90質量%以上存在する炭化水素と水蒸気とを、反応温度400〜900℃、反応圧力0〜5MPa−G、S/C(水蒸気/炭素モル比)=2.5〜5.0の条件下で、反応させることを特徴とする水素の製造方法。
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