JP5225377B2 - 塩化水素の気相酸化用の熱的に安定な触媒 - Google Patents

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Description

本発明は、担体がウラニウム酸化物を含むことを特徴とする、酸化反応の接触において活性である少なくとも1つの成分と、そのための担体を含む酸化反応用の触媒に関する。この触媒は、先行技術の触媒と比較して安定性および活性が高いことにより注目に値する。
ウラニウム酸化物が一連の完結的かつ選択的な酸化の酸化触媒として好適であるということは既知である。ウラニウムをベースとする触媒の使用の典型的な例は、例えば(非特許文献1)により述べられたようにCOのCOへの酸化である。ウラニウム含有混合酸化物により接触される更なる酸化は、例えばイソブテンのアクロレインへの酸化(非特許文献2)、(非特許文献3)、およびプロピレンのアクロレインおよびアクリロニトリルへの酸化((特許文献1)および(特許文献2)である。加えて、U上でのVOC(揮発性有機化合物)の全酸化も既知であり、特にHutchingsら(非特許文献4)により研究された。ナノスケールの金粒子用の担体としての酸化ウラニウムは、例えば(非特許文献5)、(非特許文献6)で述べられている。塩化水素の酸化の分野における適用は、この関連では開示されていない。
常識として、ルテニウムは、特に還元触媒または酸化触媒として使用される(非特許文献7)。
温度および酸素分圧に関して更に過酷な条件下での酸化は、Deaconにより開発された、酸素による塩化水素の接触酸化法である。
4HCl+O=2C1+2H
塩化水素の塩素への酸化は平衡反応である。平衡位置は、温度の上昇と共に所望の最終生成物から遠くにシフトする。それゆえ、最大活性を持つ触媒を使用することが有利であり、このことによってこの反応が低温で進行するのが可能となる。
ルテニウムの触媒活性成分を含む塩化水素の酸化用の第1の触媒は、すでに1965年に(特許文献3)で述べられており、この場合にはRuC1から始まる。特許請求されている担体はAlおよびSiOであった。これらの担体はこの酸化工程に対していかなる格子酸素原子も提供することができないので、この組み合わせ物の活性は比較的低い。
酸化ルテニウムまたは混合酸化ルテニウムを活性成分として含む更なるRuベースの触媒は、(特許文献4)に特許請求されたものである。酸化ルテニウムの含量は0.1重量%から20重量%であり、酸化ルテニウムの平均粒子直径は1.0nmから10.0nmである。
酸化チタンまたは酸化ジルコニウムに担持された更なるRu触媒は(特許文献5)により既知である。二酸化チタンおよび二酸化ジルコニウムからの少なくとも1つの化合物を含む、上述の塩化ルテニウム触媒を作製するために、一連のRu出発化合物、例えばルテニウム−カルボニル錯体、無機酸のルテニウム塩、ルテニウム−ニトロシル錯体、ルテニウム−アミン錯体、有機アミンのルテニウム錯体またはルテニウム−アセチルアセトナート錯体が示された。好ましい態様においては、ルチルの形の二酸化チタンが担体として使用された。Ru触媒はかなり高い活性を有するが、比較的高い温度で焼結(sinter
ing)と、したがって不活性化を起こす傾向がある。しかしながら、経済的な実行可能性を増すために、良好な長期安定性と組み合わされた活性の更なる増強が必要とされる。
今日までに開発された担持されたルテニウム酸化触媒は、塩化水素の酸化に対して不充分な活性もしくは安定性を有する。このことは、反応温度を増加させることにより活性を増強することは可能であるが、触媒活性成分の焼結/不活性化もしくは損失につながる。
(特許文献6)は、カオリン、シリカゲル、珪藻土または軽石からなる不活性担体上に存在する銀、ウラニウムまたはトリウムの塩または酸化物を含む触媒を開示している。生成触媒を焼成するということは開示されず、その結果として、開示されている触媒の安定性は低いことが予期される。更には、担体は単独で触媒活性を持つことができ、酸化ウラニウムからなることができるということは開示されていない。開示されているものは、いつも銀および希土類の塩または酸化物の存在を必要とする組成物である。したがって、更なる開示を欠いているために、この技術的教示が個別の触媒活性成分の相互作用においてのみ転化を可能とさせる共触媒効果を目的としているものであるということが推定可能である。
このことは、触媒が銀、希土類の塩または酸化物の両方を使用することによって、これらの成分を含まない代替物と比較して経済的に不利となるという理由で有利でない。特に、銀の使用は、この貴金属の価格が連続的に上昇していることを鑑みると、特に不利であると考えられる。
米国特許第3,308,151号 米国特許第3,198,750号 DE1567788 DE−A 1 97 48 299 DE−A 1 97 34 412 DE 1 078 100
Campbellら,J.Molec.Cat.A:Chem.,(2006),245(1−2),62−68 Corberanら,Ind.Eng.Chem.Prod.Res.Dev.,(1984),24,546 Corberanら,Ind.Eng.Chem.Prod.Res.Dev.,(1985),24,62 Hutchings,et.al.Nature,(1996),384,p341 Green Chemistry(2005),7(11),768−770および(2007)9(3),267−272 Green Chemistry(2007)9(3),267−272 Handbook of Heterogeneous Catalysis,1997,p.2160およびp.2181
このように、本発明の目的は、先行技術と比較して経済的に有利な方法で入手可能であ
る一方で、高い活性および/または安定性をもって塩化水素の酸化を行う触媒を提供することである。
驚くべきことには、酸化において触媒活性である金属の制御された担体、例えば酸化ウラニウム上のルテニウムによって、触媒活性成分と担体の間の特別な相互作用のために、高触媒活性を有する一連の新規な高活性触媒の作製が可能となることが判明した。
加えて、驚くべきことには、ウラニウム酸化物をベースとする本発明の触媒は、高い温度においても酸素含有および塩化水素含有雰囲気中で例外的な安定性を有すること、ウラニウム酸化物をベースとする特別な触媒の場合には、これらの触媒それ自身が塩化水素の酸化において活性および/または安定性を既に有しているので、更なる触媒活性成分を無しですますことができることが判明した。
このように、本発明は、担体がウラニウム化合物、特に酸化ウラニウムをベースとすることを特徴とする、酸化反応の接触において活性である少なくとも1つの成分と、そのための担体を含む酸化反応のための触媒を提供する。
担体が酸化ウラニウムを含む触媒が好ましい。ウラニウム酸化物、例えばUO、UO、UOまたはU、U、U、U、U、U1334などのこれらの種の混合物から生じる非化学量論的相が好ましい。酸化ウラニウムまたはUO2.1からUO2.9の化学量論的組成のこれらの混合物が特に好ましい。
酸化ウラニウムと合体可能な好適な担体材料は、例えば、二酸化ケイ素、ルチルもしくはアナターゼ構造の二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、酸化アルミニウムまたはこれらの混合物、好ましくは二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、酸化アルミニウムまたはこれらの混合物、更に好ましくはγ−もしくはδ−酸化アルミニウムまたはこれらの混合物である。
本発明の好ましい更なる展開においては、この触媒は酸化ウラニウムを含む担体のみからなる。
このように、好ましい更なる展開においては、酸化反応の接触において活性である少なくとも1つの成分が担体の少なくとも1つの成分と同一であり、酸化ウラニウムまたは酸化ウラニウムの混合物である。
これは、触媒の更なる活性成分として高価な貴金属もしくは半金属の更なる使用を無しですますことが可能であるために、特に有利である。
好ましい更なる展開においては、UO2.1からUO2.9の化学量論的組成を持つ酸化ウラニウムまたはこれらの混合物を含む担体を触媒として使用することが好ましい。特に、これらの化学量論は特に高い活性および安定性を呈する。
ウラニウム酸化物はいま述べた他の担体材料とも合体可能である。
酸化ウラニウムまたは酸化ウラニウムの混合物を触媒として含む担体の形のこれらの好ましい触媒は、驚くべきことには酸化反応に対して例外的に高い活性および安定性を有するために、特に有利である。
同様に好ましくは、この触媒は酸化ウラニウムを含む担体のみからなり、前処理にかけられる。
この前処理は、通常、触媒の使用の工程条件下での前処理である。この明細書で開示される触媒は、好ましくは酸素によるHClの酸化において使用されるので、酸素とHClの化学量論的混合物による前処理が好ましい。HClと酸素の化学量論的混合物による少なくとも400℃、好ましくは少なくとも500℃での前処理が特に好ましい。この前処理は、通常、少なくとも10時間、好ましくは少なくとも50時間、更に好ましくは少なくとも100時間行われる。
この前処理はいかなる温度でも所望する時間だけ行うことができる。比較的長時間で比較的高温の前処理が比較的短時間で比較的低温の前処理よりも良好であるということが判った。比較的短時間で比較的低温の前処理も考えられる。これは、増強された活性に反映される前処理における出費の増加が活性の利得によりどの程度埋め合わせ可能であるかを考える問題である。それゆえ、このように特定される温度範囲および期間は、技術的な限界としてでなく、常識的な勧告として理解されるべきである。
上記に既述したように、驚くべきことには、本発明の担体/触媒、特に触媒が酸化ウラニウムを含む担体のみからなる好ましい更なる展開の触媒が前処理の意味での工程条件下で高温への暴露時に活性を獲得するということが判明した。この点でのすべての既知の触媒の挙動は本質的に逆である。
酸化ウラニウムを含む担体ならびに更なる触媒活性成分を使用する場合には、触媒活性成分を水溶液または懸濁液として担体に塗布し、溶剤を除去することを特徴とする触媒が好ましい。
更なる触媒活性成分を各々の場合単独もしくは混合物でルテニウムのハロゲン化物、酸化物、水酸化物またはオキシハロゲン化物の水溶液または懸濁液として担体に塗布し、溶剤を除去することを特徴とする触媒が特に好ましい。
有用な更なる触媒活性成分は、塩化水素の酸化を触媒する(catalyse)すべての成分を含む。例えば、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、銅、銀、金、レニウム、ビスマス、コバルト、鉄、クロムまたはこれらの混合物の元素またはこれらの化合物が好適である。好ましい態様においては、ルテニウムとその化合物が使用される。極めて好ましい態様においては、限定ではないが、ルテニウムが酸化物の形で、もしくは塩化物化合物またはオキシ塩化物化合物として使用される。
本発明による方法の更なる態様においては、更なる触媒活性成分が担体に非酸化物形で塗布され、反応の過程で酸化形に転化される。
通常、触媒活性成分の添加量は、触媒と担体の全重量基準で0.1から80重量%の範囲、好ましくは1から50重量%の範囲、更に好ましくは1から25重量%の範囲にある。
更なる触媒活性成分は種々の方法により塗布可能である。例えば、限定ではないが、溶液中に存在する好適な出発化合物または液体もしくはコロイドの形の出発化合物による担体の湿式含浸、沈澱および共沈澱法を、またイオン交換および気相被覆(CVD、PVD)も使用することが可能である。含浸と、還元性物質(好ましくは水素、水素化物またはヒドラジン化合物)またはアルカリ性物質(好ましくはNaOH、KOHまたはアンモニア)による以降の沈澱の組み合わせが好ましい。
有用な促進剤は塩基性金属(例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、および希土類金属)を含み;アルカリ金属、特にNaおよびCs、およびアルカリ土類金属が好ましく;アルカリ土類金属、特にSrおよびBa、および希土類金属Ceが特に好ましい。
更なる活性成分に加えて存在するいかなる促進剤も限定ではないが、含浸およびCVD法により触媒に塗布し得;特に好ましくは更なる触媒活性成分の塗布後の含浸が好ましい。
更なる触媒活性成分の分散を安定化させるために、限定ではないが種々の分散安定剤、例えばスカンジウム化合物、酸化マンガンおよび酸化ランタンを使用することが可能である。この安定剤は、好ましくは更なる触媒成分と一緒に含浸および/または沈澱により塗布される。
この触媒は標準圧力下、好ましくは減圧下窒素、アルゴンまたは空気雰囲気下で40から200℃で乾燥可能である。乾燥時間は好ましくは10分間から24時間である。
この触媒を非カ焼形態(uncalcined form)またはカ焼形態(calcined form)で使用することができる。このカ焼は還元性、酸化性もしくは不活性な相中で行うことができ;空気流または窒素流中でのカ焼が好ましい。
ウラニウム化合物、特に酸化ウラニウムをベースとする担体上に触媒活性成分を含む本発明の触媒についてのみならず、酸化反応の触媒作用(catalysis)において活性である少なくとも1つの成分が同時に担体でもある好ましい更なる展開による触媒についても、このカ焼を使用することができる。
本発明の好ましい更なる展開による触媒の場合には、カ焼は、酸化ウラニウムまたは酸化ウラニウムの混合物を触媒として含む担体の形で酸素の存在において、もしくは酸素を排除して500から1200℃の温度範囲、好ましくは700から1000℃の範囲で行われる。
担体および更なる触媒活性成分を含む触媒の場合には、カ焼は、150から500℃の温度範囲内、好ましくは150℃から300℃の範囲で酸化性ガスの存在において行われる。
新規な触媒の適用に対しては、上記に既述したように、Deacon法として知られる触媒工程を使用することが好ましい。この方法においては、塩化水素は、塩素を与える発熱的平衡反応において酸素により酸化され、水蒸気を与える。反応温度は通常150から450℃であり;慣用の反応圧力は1から25バールである。これは平衡反応であるので、触媒がなお充分な活性を有する最低温度で作業することが適切である。更には、酸素を塩化水素に対して超化学量論的量で使用することが適切である。例えば、2倍から4倍の酸素過剰が慣用的である。いかなる選択性の損失のリスクもないので、比較的高い圧力と、それに対応して標準の圧力と比較して長い滞留時間で作業することが経済的に有利である。
Deacon法に好適な好ましい触媒は、酸化ルテニウム、塩化ルテニウムまたは他のルテニウム化合物を含む。例えば塩化ルテニウムを担体に塗布し、引き続いて乾燥するか、もしくは乾燥およびカ焼することにより、好適な触媒を入手することができる。好適な触媒は、ルテニウム化合物に加えて、もしくはその代わりに他の金属、例えば金、パラジウム、白金、オスミウム、イリジウム、銀、銅、クロム、ウラニウムまたはレニウムの化
合物も含み得る。好適な触媒は酸化クロム(III)を更に含み得る。
塩化水素の接触酸化は、断熱的、もしくは好ましくは等温的もしくはほぼ等温的で、不均質触媒上でのバッチ式、ただし好ましくは連続のバッチ式、すなわち流動床もしくは固定床法として、好ましくは固定床法として、更に好ましくは管束反応器中で180から450℃の、好ましくは200から400℃の、更に好ましくは220から350℃の反応器温度、および1から25バール(1000から25000hPa)の、好ましくは1.2から20バールの、更に好ましくは1.5から17バール、特に2.0から15バールの圧力において行うことができる。
塩化水素の接触酸化を行う慣用の反応装置は、固定床もしくは流動床の反応器を含む。塩化水素の接触酸化は好ましくはいくつかの段階でも行うことができる。
断熱的、等温的もしくはほぼ等温的な運転方式においては、中間的な冷却と直列に接続された複数の、すなわち2から10基の、好ましくは2から6基の、更に好ましくは2から5基の、特に2から3基の反応器を使用することも可能である。塩化水素を第1の反応器の上流で酸素と一緒に完全に添加するか、もしくは異なる反応器に分割することができる。個別の反応器のこの直列接続を1つの装置中で合体することもできる。
この方法に好適な装置の更なる好ましい態様は、触媒活性が流れ方向で上昇する構造化された触媒床を使用することにある。触媒床のこのような構造化は、触媒担体の活性組成物による異なる含浸により、もしくは触媒の不活性材料による異なる希釈により行うことができる。使用される不活性材料は、例えば、二酸化チタン、二酸化ジルコニウムまたはこれらの混合物、酸化アルミニウム、ステアタイト、セラミック、ガラス、グラファイトまたはステンレススチールの環、円筒または球であり得る。賦型触媒体の好ましい使用の場合には、不活性材料は好ましくは類似の外形寸法を有しなければならない。
酸化ウラニウムから始まる好適な賦型触媒体は、いかなる形状の賦型体も含み;錠剤、環、円筒、星形、馬車の車輪または球が好ましく;形状として球、環、円筒もしくは星形の押し出し物(extrudates)が特に好ましい。
担体材料の含浸の後、好ましくは前にこの触媒を賦型することができる。
1回の通過での塩化水素の転化を好ましくは15から90%、好ましくは40から85%、更に好ましくは50から70%に制限することができる。未転換の塩化水素を除去後、塩化水素の接触酸化の中に部分的もしくは完全に再循環することができる。反応器入口における塩化水素:酸素の容積比は、好ましくは1:1と20:1の間、好ましくは2:1と8:1の間、更に好ましくは2:1と5:1の間である。
有利なこととしては、塩化水素の接触酸化の反応熱を使用して、高圧水蒸気を発生させることができる。これは、ホスゲン化反応器および/または蒸留塔、特にイソシアネート蒸留塔の運転に使用可能である。
塩化水素を酸化するための本発明の触媒は、低い温度で活性が高いことにより注目に値する。理論に拘束されることなく、酸化ウラニウムが格子酸素原子をもたらす能力により触媒サイクルに積極的に寄与することができるということが想定される。
実施例1:Ruを含む酸化ウラニウム(VI)担体
500℃で4時間予備焼成した1gの酸化ウラニウム(VI)(Strem Chem
icals)をビーカー中で0.053gの塩化ルテニウム(III)水和物の2.8mlの水の溶液中で懸濁し、室温で60分間攪拌した。引き続いて、水を空気流中60℃/4時間で除去した。焼成を空気流中250℃で16時間行い、理論的に計算して2重量%のRuを含む酸化ウラニウム(VI)上に担持されたルテニウム触媒を得た。
実施例2:Ruを含む酸化ウラニウム(IV)担体
500℃で4時間予備焼成した酸化ウラニウム(IV)(Strem Chemicals)を使用したということを除いて、実施例1と同じように酸化ウラニウム(IV)担体上の2重量%のRu触媒を作製した。
実施例3:Ruを含むU
500℃で4時間予備焼成した酸化ウラニウム(V/VI)(Strem Chemicals)を使用したということを除いて、実施例1と同じように酸化ウラニウム(V/VI)担体上の2重量%のRu触媒を作製した。
実施例4:Ruを含む酸化ウラニウム担体
1gの酢酸ウラニル二水和物(Fluka)を300℃で2時間、および800℃で4時間焼成した。Ru含量が2重量%となるように、実施例1と同じようにRuCl水和物を0.3gの酸化ウラニウム担体に塗布した。
実施例5:純粋な酸化ウラニウム(IV)担体
2gの粉体の酸化ウラニウム(IV)(Strem Chemicals)を外周圧力で乾燥キャビネット中で150℃で一夜乾燥し、次に空気下で500℃で2時間焼成した。
実施例6:純粋な酸化ウラニウム(VI)担体
2gの粉体の酸化ウラニウム(VI)(Strem Chemicals)を外周圧力で乾燥キャビネット中で150℃で一夜乾燥し、次に空気下で500℃で2時間焼成した。
実施例7:混合酸化ウラニウム(V/VI)担体
2gの粉体の酸化ウラニウム(V/VI)(Strem Chemicals)を外周圧力で乾燥キャビネット中で150℃で一夜乾燥し、次に空気下で500℃で2時間焼成した。
実施例8:前処理付きの混合酸化ウラニウム(V/VI)担体
実施例7から得られる触媒を80ml/分HClおよび80ml/分O下で540℃で100時間前処理にかけた。実施例8による前処理された触媒を得た。
実施例9:酸化ウラニウムおよび酸化アルミニウム担体の作製
ビーカー中で2gのガンマ−Al賦型体(直径ほぼ1.5mm、Saint Gobain、260m/gのBET)に酢酸ウラニル二水和物(Riedel de Haen)の10重量%水溶液を噴射により含浸した。1時間の作用時間の後、水を空気流中で80℃で2時間除去した。賦型体上のウラニウムの含量が12重量%となるまで、この手順を繰り返した。
引き続いて、この賦型体を空気流中800℃で4時間焼成した。
実施例10:酸化ウラニウムおよび酸化アルミニウム担体の作製および分析
実施例9と同じように、40gのガンマ−Al(Saint Gobain、B
ET200m/g)の賦型体にウラニウムを含浸し、焼成した。
XRD(SIEMENS D5000シータ/シータ反射回折計)による分析は、ガンマ−AlとUの存在を示した。
実施例11−14:実施例1−4からの触媒の300℃でのHCl酸化における使用
実施例1−4により得られる0.2gの触媒を磨砕し、1gの珪砂(100−200μm)との混合物として石英反応管(直径〜10mm)の中に導入した。
石英反応管を300℃まで加熱し、次にこの温度で運転した。
80ml/分HClと80ml/分酸素のガス混合物を石英反応管に通した。30分後、生成物ガス流を16重量%のヨウ化カリウム溶液の中に10分間通し、このように形成されるヨウ素を0.1Nチオ硫酸塩溶液により逆滴定して、導入された塩素の量を求めた。
300℃での触媒の生産性を得、表1に示す。
Figure 0005225377
実施例15−19:実施例5−9からの触媒の540℃での酸化における使用
実施例5−9による触媒について石英反応管を540℃まで加熱し、次にこの温度で運転したということを除いて、実施例11−14のそれに同様の実験を行った。540℃での触媒の生産性を得、表2に示す。
実施例20−24:実施例5−9からの触媒の600℃でのHCl酸化における使用
実施例5−9による触媒について石英反応管を600℃まで加熱し、次にこの温度で運転したということを除いて、実施例11−14のそれに同様の実験を行った。
600℃での触媒の生産性を得、表2に示す。
Figure 0005225377

Claims (3)

  1. UO 2.1 からUO 2.9 の化学量論的組成を持つ酸化ウラニウムまたはこれらの混合物を含む担体のみからなることを特徴とする、塩化水素を酸化するための触媒。
  2. 酸素による塩化水素の気相接触酸化における請求項1記載の触媒の使用。
  3. 請求項1記載の触媒を使用することを特徴とする、酸素による塩化水素の気相接触酸化を含んでなる塩素を製造する方法。
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