JP4997515B2 - 化学物質の無害化反応プロセス - Google Patents

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本発明は触媒を用いた有害化学物質無害化のための反応プロセスに関するものである。
これまで有害化学物質の無害化方法として、ある一定以上の高温度条件での焼却あるい
は触媒を用いた酸化的分解反応が広く行われているが、この場合、作動温度を常に一定以
上の高温度に保つ必要があり、メンテナンスを行う上で負担があった。また、有害化学物
質の加熱分解を行う場合、その反応温度が高すぎると、毒性を有する副生成物を生ずる可
能性があった。
例えば、有害化学物質の一種である、N，N -ジメチルホルムアミド（DMF；( CH3)NCHO
）は、低濃度ではあるが繊維や塗料生産工場から大量に揮発しており、日本では有害大気
汚染物質（大気汚染防止法）、第一種指定化学物質（化学物質管理促進法）に指定されて
いる。これをPtなどの酸化活性の高い触媒で分解すると、含まれる窒素原子のかなりの割
合が有害なN O xに変換されてしまう。
これまで本発明者らは、DMFについて、P tを坦持したゼオライト系触媒（Pt/H -ZSM-５）が水素共存下、200℃で、NOxなどを副生せず、無害的にCO2、H2Oまで完全分解することを見出している（Catal. L ett.Vol.98、103(2004)）。しかし、200℃以下の温度では未反応のDMFが反応器内から排出され、また200℃以上ではNOx副生量が増大するという作動温度領域の狭さの問題があった。同様に、アクリロニトリルやアセトニトリルなどの含窒素有機化合物が貴金属触媒上で水素の共存下によりCO2への分解率が著しく上昇することを見出しているが（特許文献１参照）、この場合も高温領域におけるNOｘ副生の問題があった。
なお、反応器内に正の温度勾配を設けることは既に、（１）特許文献２「正の温度勾配を有する炭化水素分解」、（２）特許文献３「炭化水素の熱接触分解による水素の製造方法及びその装置」、(３) 特許文献４「還元剤気化装置」などにおいても報告されている。（１）は正の温度勾配を設けることにより、ナフサからエチレンとプロピレンへの収率を上げる、（２）、（３）は反応器を熱衝撃から保護し耐久性を高める、というものであり、いずれも当該の有害化学物質の無害化に関する発明ではない。
特開２００３−２９０６２７号公報 特表２００２−５０４１６９号公報 特開２０００−２８１３０４号公報 特開平９−２５０３３１号公報
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、目的とするN,N-ジメチルホルムアミド、アクリロニトリル、アセトニトリルの１種以上を含む有害化学物質の分解反応について、確実かつ経済的な反応プロセスを提供する。
上記の問題点を解決するために研究を行った結果、触媒反応層内に反応成分の流れに対して意図的に正の温度勾配を設けた反応器とすることにより、目的とする有害物質の無害化反応を効果的に促進できることを見出した。すなわち、
本発明は、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、アクリロニトリル、アセトニトリルの１種以上を含む化学物質中に水素を０．５〜５ｖｏｌ％共存させ、活性成分としてＰｔを担持した触媒反応層内に、触媒層出口温度が入口温度よりも少なくとも５０℃以上高い正の温度勾配を設け、１５０℃〜３００℃で分解することを特徴とするＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、アクリロニトリル、アセトニトリルの１種以上を含む化学物質のＮＯＸを発生させない無害化反応プロセスである。
また、本発明は、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、アクリロニトリル、アセトニトリルの１種以上を含む化学物質中に水素を０．５〜５ｖｏｌ％共存させ、活性成分としてＰｄを担持した触媒反応層内に、触媒層出口温度が入口温度よりも少なくとも５０℃以上高い正の温度勾配を設け、１５０℃〜２５０℃で分解することを特徴とするＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、アクリロニトリル、アセトニトリルの１種以上を含む化学物質のＮＯＸを発生させない無害化反応プロセスである。
本発明の分解無害化反プロセスは、N,N-ジメチルホルムアミド、アクリロニトリル、アセトニトリルの１種以上を含む有害化学物質を有効に分解できることが判明した。実施例では、N,N-ジメチルホルムアミドで行っているが、アクリロニトリル、アセトニトリルも同様に行えることを確認している。
また、本発明の無害化反応プロセスは、N,N-ジメチルホルムアミド、アクリロニトリル、アセトニトリルの1種以上を含む有害化学物質を有効に分解でき、とくに水素を併用すると効果が増大することが判った。
本発明において、用いる触媒は、活性成分としてPtあるいはPdを含む触媒であれば、どのようなものでも良いが、とくにゼオライトで担持されたものが好ましい。
本発明において、反応プロセスで正の温度勾配を設ける方法として、特に制限はないが、触媒を反応不活性な材料と混合希釈することにより流路方向に長く分散配置し、その最下流位置に加熱源を設ける、反応器周囲を一定の温度とするが反応器自体の肉厚を下流側ほど薄くして熱伝達性を増す、反応器周囲の電熱線の疎密により下流側ほど加熱量を増大させる、などが挙げられる。
本発明において、分解対象とする化学物質については、N,N-ジメチルホルムアミド、アクリロニトリル、アセトニトリルなどの含窒素有機化合物が挙げられる。
本発明において、N,N-ジメチルホルムアミド、アクリロニトリル、アセトニトリルの１種以上を含む有害化学物質を分解させる反応温度は、150℃〜400℃であり、とくに、150℃〜250℃で分解反応を行うことが好ましい。
本発明においては、N,N-ジメチルホルムアミド、アクリロニトリル、アセトニトリルの１種以上を含む化学物質中に水素を共存させることが望ましく、水素の添加量は0.5〜5vol％が好ましい。
以下、本発明の実施例を説明する。
粒状ゼオライト（H-ZSM-5）にPt(NH3)4(OH)2水溶液を含浸後500℃で焼成処理し、Ptを坦持したゼオライト触媒（Pt/ H-ZSM-5）を得た（Pt坦持率=１.0wt%）。この試料と希釈剤としての粒状シリカゲルを１：９の割合で混合し（Pt触媒=0.5g、シリカゲル=4.5g）、チューブ状のリアクター内に反応成分の流路方向約6.5cmの範囲にわたって充填した。リアクターにおける触媒および試料温度をモニターするための熱電対の位置を図1(a)に示す。反応試験は流通反応条件で行い、各温度での定常状態の反応性を調べた。反応ガスとして300ppmDMF＋10%O2(He希釈)を500ml/min流し、出口ガスはマイクロガスクロマトグラフ（CO2、N2を測定）、ガスセルを設置したFT-IR（NO、NO2を測定）で繰り返し分析した。触媒層温度が定常に到達したところで、次式に示すCO2、N2、NOx（=NO+NO2）への転化率から活性評価した。
CO2転化率＝［CO2出口濃度（ppm）/DMF入口濃度(ppm)x3］x100 (%)、
N2転化率＝［（N2x2）/入口DMF］x100 (%)、
NOx転化率＝［（NO+NO2）/入口DMF］x100 (%)。
この結果を図２に示す。
実施例１において反応ガスに1%H2を添加した以外は、同様にして、DMF分解反応を行った。
この結果を図３に示す。
実施例２において触媒試料を、Pdを坦持したH-ZSM-5（Pd/ H-ZSM-5）とした以外は、同様にしてDMF分解反応を行った。
この結果を図４に示す。
比較例１
実施例１において、Pt触媒をシリカゲルで希釈しないで電気炉の中央部のリアクター内部に配置、すなわち触媒反応層内に温度勾配をもたせない以外は同様にして、DMF分解反応を行った。
この結果を図５に示す。
本発明は、従来の均一の温度反応に比べて触媒反応層内に正の温度勾配を設けることにより、図２と図５の比較からPt触媒上でのNOｘ転化率が広い最高温度範囲において激減した。さらに反応系にH2を添加することによりN2転化率が向上した（図３）。また貴金属触媒成分をPdとすることによりN2転化率が最高で80%、高温領域でも60%以上と非常に高い性能を示した（図４）。即ち、本発明により、有害化学物質をNOｘなどの副生物をあまり生成することなく無害化できることを示している。
本発明のN,N-ジメチルホルムアミド、アクリロニトリル、アセトニトリルの１種以上を含む化学物質の分解無害化反応プロセスは、新しい装置を必要とせず、温度のコントロールだけで手軽に行えるため、応用範囲は極めて広い。
左側（ａ）：触媒層内に正の温度勾配を設けた反応器（本発明の反応プロセスで用いた反応器） 右側（ｂ）：通常の温度勾配を持たない触媒反応器（従来の反応プロセスで用いた反応器） 温度勾配あり、Pt触媒、H2非添加（実施例１） 温度勾配あり、Pt触媒、H2添加（実施例２） 温度勾配あり、Pd触媒、H2添加（実施例３） 温度勾配なし、Pt触媒、H2非添加（比較例）

Claims (2)

  1. Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、アクリロニトリル、アセトニトリルの１種以上を含む化学物質中に水素を０．５〜５ｖｏｌ％共存させ、活性成分としてＰｔを担持した触媒反応層内に、触媒層出口温度が入口温度よりも少なくとも５０℃以上高い正の温度勾配を設け、１５０℃〜３００℃で分解することを特徴とするＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、アクリロニトリル、アセトニトリルの１種以上を含む化学物質のＮＯＸを発生させない無害化反応プロセス。
  2. Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、アクリロニトリル、アセトニトリルの１種以上を含む化学物質中に水素を０．５〜５ｖｏｌ％共存させ、活性成分としてＰｄを担持した触媒反応層内に、触媒層出口温度が入口温度よりも少なくとも５０℃以上高い正の温度勾配を設け、１５０℃〜２５０℃で分解することを特徴とするＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、アクリロニトリル、アセトニトリルの１種以上を含む化学物質のＮＯＸを発生させない無害化反応プロセス。
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