JP5731604B2 - 高カロリーガス製造用触媒およびその製造方法および高カロリーガス製造用触媒を用いた高カロリーガス製造方法 - Google Patents

高カロリーガス製造用触媒およびその製造方法および高カロリーガス製造用触媒を用いた高カロリーガス製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、水素および一酸化炭素を含む混合ガスから、一般に都市ガスとして利用されるメタンガスよりも高カロリーのガスを製造する技術に関し、より具体的には、ルテニウム系触媒により、メタン以外に炭素数2〜4の飽和炭化水素ガスを主成分の1つとして含む燃料ガス(本発明ではこれを高カロリーガスと称する。)を供給する技術に関する。
現在都市ガスとして供給されている燃料ガスは、メタンガスを主成分として発熱量が45MJ/Nm3となるようにブタン等の液化石油ガスを混合した高カロリーガスが用いられている。都市ガスの原料は、液化天然ガス(LNG)が主体ではあるが、近年、石油、LNGの需要増大と枯渇化に対応すべく、ナフサ等のスチームリフォーミングとメタネーションで得られる代替天然ガス(SNG)が研究開発され、利用されつつある。
一般的なSNGは、ナフサ、石炭、オイルサンド等をガス化して得られる水素および一酸化炭素を含む混合ガスを原料として、ニッケル系の触媒により合成されている。この反応は、化1に示す(1)、(2)の反応により進行するものである。しかし、このようにして合成されるSNGは、主成分がメタン(n=1)と二酸化炭素であって、そのままではカロリーが低く(純粋にメタン100%と換算しても39.8MJ/Nm3である)、そのため、ブタン等の液化石油ガスを混合し、カロリー調整して燃料ガスとして利用しなければならないという実情がある。また、SNGは、不活性ガスの除去等の精製工程をしなければ燃料ガスとして供給できない不都合もあり、精製工程、カロリー調整工程等の後工程が必要になることによる製造プロセスの複雑化が実用化の問題点となっていた。
〔化1〕
nCO + (2n+1)H2 → Cn2n+2 + nH2O…(1)

CO + H2O → CO2 + H2 ……………………………(2)
そこで、メタン以外の飽和炭化水素ガス成分を含む高カロリーガスを製造する技術として種々の方法(主に触媒の改良)が研究開発されている。
たとえば、特許文献1には、水素および一酸化炭素を含む混合ガスを用い、一酸化炭素ガスをほぼ100%転化し、エタンを含有する生成ガスを得ることができる、鉄・グラファイト系層間化合物を主成分とする触媒が記載されている。しかし、この触媒は、反応温度が400℃と比較的高く、また、生成されるガスは、十分に高カロリーとはいえず、反応エネルギーの省エネルギー化、カロリー調整等の製造プロセスの面からは改良の余地があった。
これに対して、水素および一酸化炭素を含む混合ガスから、メタン以外の飽和炭化水素ガス成分を高濃度に生成することができる、マンガン、コバルト、ニッケル等の第4周期遷移元素を担持したモリブデン酸化物の触媒が、特許文献2に記載されている。この触媒は、モリブデン酸化物の層間に第4周期遷移元素を担持させることにより、生成ガス中のエタン、プロパン、ブタンへの選択率を向上させることができるというものである。しかし、この触媒によると、反応温度がやはり高く、省エネルギーの面での改良の余地が残る上、一酸化炭素ガスの転化率が低く、製造プロセスの面からは改良の余地があった。
さらに、特許文献3にも、水素および一酸化炭素を含む混合ガスから、メタン以外の飽和炭化水素ガス成分を高濃度に生成することができるルテニウム系触媒が記載されている。この触媒は、マンガン酸化物に、アルカリ金属、イオウ、ルテニウムを添加したものである。しかし、このような触媒であっても、反応温度が高いうえ、一酸化炭素ガスの転化率が低く、省エネルギー、製造プロセスの両面から改良の余地があった。
そこで、特許文献4に、水素および一酸化炭素を含む混合ガスから、一酸化炭素ガス転化率が高く、比較的低い反応温度で、メタン以外の飽和炭化水素ガス成分を高濃度に生成することができるルテニウム系触媒が開示されている。この触媒は、アルミナ、チタニア等の担体に、焼成法により鉄、コバルトおよびマンガンおよびルテニウムの3成分をアルミナ担体に担持させ、さらにゼオライト系触媒と混合するというものである。しかし、この特許文献4に記載のルテニウム系触媒は、多数の構成要素から合成されねばならないうえ、使用に際しては、水素ガスによる還元処理を必要とすることから、成分の均一なものを大量に製造することは困難であり、また、高カロリーガス製造プロセスや、触媒そのものの製造プロセスが複雑になることからも改良の余地がある。また、この触媒は、水蒸気に対する耐久性が充分とはいえず、経時安定性の向上が望まれる。
特開昭53−074502号公報 特開昭59−166242号公報 特開昭61−091139号公報 特開昭63−241099号公報(合成例3、実施例5)
本発明は、上記実情に鑑み、比較的低い温度で、高カロリーガス中にメタン以外の飽和炭化水素ガス成分を高濃度に生成することができる新規なルテニウム系の高カロリーガス製造用触媒を提供することにあり、このような高カロリーガス製造用触媒により、省エネルギーで高効率に高カロリーガスを製造する技術を提供することにある。
本発明者らは、鋭意研究の結果、高カロリーガス製造用触媒として用いられるルテニウムが担持された触媒において、種々の条件下で得られた触媒の性能を検討したところ、担持されたルテニウムの分散度が20%以上であれば、ルテニウムと鉄族元素との協働作用により、比較的低温でかつ高い一酸化炭素転化率で、高カロリーガスを製造することができる触媒であることを見出した。また、ルテニウムを、湿式還元法により担体に担持させることにより、ルテニウム分散度が20%以上の高い分散度で担持されられることを見出した。
〔構成〕
本発明は上記新知見に基づきなされたものであって、
上記技術課題を解決するための本発明の高カロリーガス製造用触媒の特徴構成は、
ルテニウムと鉄族元素をアルミナまたはジルコニアを主成分とする金属酸化物担体に担持させてあり、ルテニウム分散度が20%以上である点にある。
ここで、ルテニウム分散度は、下式のように、担持されたルテニウムの全原子数のうち、一酸化炭素を化学吸着することができるルテニウム原子数の比を表したものである。すなわち、担持された全ルテニウム原子のうち、表面に露出して触媒として機能できるルテニウム原子の割合を示している。なお、ルテニウムの一酸化炭素吸着量は、触媒学会により標準化されている「COパルス法による金属表面積測定法」(参照触媒委員会、触媒、31、317(1989))により求めることができる。
[ルテニウムの分散度(%)]=[ルテニウムの一酸化炭素吸着量(mol)]/[担持したルテニウム量(mol)]×100
また、この場合、金属酸化物担体に、ルテニウムを湿式還元法により担持させてあることが好ましい。
また、さらに、鉄族元素を担持させてある金属酸化物担体に、さらに、ルテニウムを湿式還元法により担持させてあることが好ましい。
また、金属酸化物担体にルテニウムを湿式還元法により担持させてある金属酸化物担体に、さらに、鉄族元素を湿式還元法により担持させてあってもよい。
〔作用効果〕
本発明の高カロリーガス製造用触媒は、上記新知見に基づき、金属酸化物担体にルテニウムが20%以上の高い分散度で担持されていることから、多くの一酸化炭素を吸着し、さらに、ルテニウムと鉄族元素との協働作用により、他の助触媒等の成分の使用なしに、300℃〜350℃程度の比較的低温で、かつ、高い一酸化炭素転化率で、高カロリーガスを製造することができるものである。
ルテニウム分散度が高いほど、担持されているルテニウムの平均的な粒子径は小さく、触媒反応の高活性の部分が多く存在している。担持されているルテニウムの平均的な粒子径は、X線回折分析もしくは電子顕微鏡観察により特定することができる。X線回折分析では、次のScherrerの式から担持金属もしくは化合物の平均的な粒子径を求めることができる。
D = Kλ/(βcosθ)
ここで、D(nm)は結晶子の大きさを表し、担持金属もしくは化合物の平均的な粒子径に相当する。λ(nm)はX線の波長、θ(°)は回折角、β(rad)は回折線ピークの半価幅であり、K(−)は粒子形状に由来する定数であり、球状粒子を仮定するとK=0.9である。ルテニウム分散度が20%未満の触媒についてX線回折分析を行うと、酸化ルテニウムに相当する回折角である2θ=28.02°と35.07°の位置に回折線ピークが現れた。このときのX線源のターゲットは銅であり、X線の波長λは0.1541nm(特性X線Kα1)である。現れた回折線ピークの半価幅から、担持されたルテニウムの平均的な粒子径は12〜27nmであった。一方、ルテニウム分散度が20%以上の触媒についてX線回折分析を行うと、酸化ルテニウムに相当する回折角でも、また金属ルテニウムに相当する回折角でも回折線ピークは現れなかった。これは、入射X線を回折させることができないほど結晶子が小さい、すなわち担持金属もしくは化合物の平均的な粒子径が小さいことを表している。ルテニウム分散度が20%以上の触媒について、表面を透過型電子顕微鏡で観察すると、担持されたルテニウムおよび鉄はいずれも粒子径10nm以下の凝集状態で観察された。このことから、活性の高い高カロリーガス製造触媒を得るには、担持されたルテニウム(酸化ルテニウムを含む)の平均的な粒子径は10nm以下であることが必要であり、平均的な粒子径が10nm以下であることからルテニウム分散度は20%以上になると考えられる。
このような高カロリーガス製造用触媒の製造方法としては、典型的には、金属酸化物担体に、まず、鉄族元素を担持させ、その後、ルテニウムを湿式還元法により担持させると、前記金属酸化物担体の表面には、鉄族元素の担持された層のさらに表層側に、ルテニウムが20%以上の高い分散度で担持されることが、実験的にわかった。
また、ルテニウムと鉄族元素を同時に湿式還元法により金属酸化物担体に担持させる、もしくは、ルテニウムを湿式還元法により金属酸化物担体に担持させた後に、鉄族元素を湿式還元法により担持させてもルテニウムが20%以上の高い分散度で担持されることが、実験的にわかった。
これらの場合、担持されたルテニウムの一部は鉄族元素に覆われるものの、表面に露出しているルテニウムは高い分散状態のままで維持されており、ルテニウム分散度は20%以上になる。そのため、ルテニウムが水素および一酸化炭素を含む混合ガスに接触する高活性の部分が多く生成することになり、活性の高い高カロリーガス製造用触媒を得ることができるものと考えられる。
これらの結果より、ルテニウムを湿式還元法により担体に担持すると、得られるルテニウムは微細な粒子となるので、高い分散度をもって担体上に分散されることになり、高カロリーガスを製造する触媒として有用なものとなることが分かった。
また、鉄族元素が担体に担持された状態でルテニウムを担持させると、ルテニウムは担体表面に担持されるとともに、鉄族元素の表面に対しても担持される。そのため、担持されたルテニウムどうしは、鉄族元素に対して結合していることにより、互いに凝集して分散度を低下させるというような現象が起きにくく、また、凝集しようとしても、鉄族元素によって凝集が妨げられて分散度の低下を起こしにくくなるものと考えられる。
したがって、ルテニウムの分散度を高くして20%以上とした高カロリーガス製造用触媒としては、ルテニウムを湿式還元法により担持させること、または、金属酸化物担体に、鉄族元素を担持させたのち、ルテニウムを湿式還元法により担持させることにより得られたものとしておけば、所望の高カロリーガス製造用触媒を提供することができるのである。特に好ましくは、金属酸化物担体に、鉄族元素を湿式還元法により担持させたのち、ルテニウムを湿式還元法により担持させることにより得られたものが、特に、ルテニウムの分散度のみならず鉄族元素の分散度も高いために、高カロリーガス製造用触媒としての活性が高く、かつ、性能も安定していると考えられる。
〔構成〕
なお、前記鉄族元素が鉄であることが好ましい。また、前記金属酸化物担体に鉄を0.5質量%〜10質量%担持させてあることが好ましく、前記金属酸化物担体に、ルテニウムを1質量%〜8質量%担持させてあることが好ましい。
〔作用効果〕
ここで、前記鉄族元素は、フィッシャー・トロプシュ反応として知られる炭素鎖の結合反応により、生成される飽和炭化水素の成分比を、高カロリー成分に偏らせる作用を持ち、通常、単独で触媒として用いられる場合には、液体の飽和炭化水素を生じるまで反応を進行してしまうものであるが、ルテニウムによるメタン生成反応が高活性で進行するため、それらの協働により、フィッシャー・トロプシュ反応が、炭素数2〜4程度で選択的に停止する事ができる。つまり、高カロリーガスを選択的に製造できるのである。
ここで、前記鉄族元素としては、鉄、コバルト、ニッケルが含まれ、通常これらは、類似の性質を持ち、本発明でも、鉄、コバルト、が有効に利用できることが確認されているが、鉄を用いた場合に、生成される高カロリーガスの成分が、炭素数2〜4程度の飽和炭化水素ガスをより高濃度に含有するものとなるので(主成分がメタンに偏りすぎず、また、液体成分を生じにくいので)、鉄を用いることが好ましい。
また、前記金属酸化物担体としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカアルミナ等の金属酸化物が用いられるが、このうちアルミナ、ジルコニアを選択する。
なお、前記金属酸化物担体に担持させる鉄の担持量は0.5質量%〜10質量%とすることが好ましい。これは、鉄の担持量が0.5質量%より少ないと、生成ガス中に含まれる炭素数2〜4程度の飽和炭化水素ガス含有率を充分高くすることができず、鉄の担持量が10質量%を超えると、高カロリーガス製造用触媒全体としての活性が低下する傾向が見られるためである。また、後述の実施例より、金属酸化物担体に担持させる鉄の担持量は、0.5質量%〜3質量%とすることがさらに好ましい。
また、前記金属酸化物担体に担持させるルテニウムの担持量については、以下のような傾向がある。つまり、ルテニウムの担持量が、1質量%よりも少ないと、高カロリーガス製造用触媒全体として、触媒活性点が少なくなり(活性が低くなり)、反応が進行しにくくなる。そのため、前記高カロリーガス製造用触媒を用いた反応は、温度を高くせざるを得なくなり、エネルギー効率が低下するとともに、反応温度の上昇に伴って、生成ガス中のメタンガス選択性が上昇してしまう。その結果、充分高カロリーのガスが得られにくくなる傾向となる。また、8質量%よりも多いと、ルテニウム自体のメタン生成活性が優勢に過ぎ、やはり、生成ガス中のメタンガス選択性が上昇してしまい、充分高カロリーのガスが得られにくくなる傾向がある。これらの理由により、ルテニウムの担持量は、1質量%〜8質量%とすることが好ましい。また、後述の実施例より、金属酸化物担体に担持させるルテニウムの担持量は、2質量%〜6質量%とすることがさらに好ましい。
〔構成〕
また、本発明の高カロリーガス製造用触媒の製造方法の特徴構成は、ルテニウムと鉄族元素とを、ルテニウム分散度が20%以上となるようにアルミナまたはジルコニアを主成分とする金属酸化物担体に分散させて担持させる点にある。
ここで、金属酸化物担体に、ルテニウムを湿式還元法により担持させる、もしくは、金属酸化物担体に、鉄族元素を担持させたのち、ルテニウムを湿式還元法により担持させることが好ましく、さらに、金属酸化物担体に、ルテニウムを湿式還元法により担持させたのち、鉄族元素を湿式還元法により担持させることが好ましい。
なお、前記鉄族元素が鉄であることが好ましく、前記金属酸化物担体が、チタニアを主成分とするものであることが好ましい。また、前記金属酸化物担体に鉄を0.5質量%〜10質量%担持させてあることが好ましく、前記金属酸化物担体に、ルテニウムを1質量%〜8質量%担持させてあることが好ましい。
〔作用効果〕
つまり、これらの特徴構成により作製された高カロリーガス製造用触媒は、先述のように高い分散度でルテニウムを担持させることができており、高カロリーガスを製造するのに適しているものと考えられる。
〔構成〕
さらに、本発明の高カロリーガスの製造方法の特徴構成は、水素および一酸化炭素を含む混合ガスを、先述の高カロリーガス製造用触媒の存在下に反応させる点にある。
〔作用効果〕
上記高活性の高カロリーガス製造用触媒を用いて、水素および一酸化炭素を含む混合ガスを反応させると、前記混合ガス中の一酸化炭素ガスは、ルテニウム触媒下の水素により還元を受けて、メタン化し、さらに、鉄族元素により、炭素−炭素鎖を形成する。そのため、前記混合ガスが反応すると、これらルテニウムと鉄族元素との協働作用により、メタンと炭素数2〜4の飽和炭化水素との混合物を与える。したがって、メタン、および、メタンと液体飽和炭化水素との中間に位置する気体飽和炭化水素の混合物を、効率良く生成させて高カロリーガスを製造することができる。
なお、本発明で担体に担持されたルテニウムは、湿式還元法条件で担持された場合など、通常は、金属状態で担持されているものと考えられるが、触媒として機能する形態を逸脱しない範囲で、酸化物や、含浸担持させる場合に用いた硝酸塩、塩化物等の塩等の形態のものを含んでいてもよい。本発明では、これら種々の形態のルテニウムを総称して単にルテニウムと総称するものとする。また、鉄族元素と称する場合も同様である。
したがって、本発明では、高カロリーガス製造用触媒およびその製造方法を提供することにより、本発明の高カロリーガス製造方法により、省エネルギーかつ高効率に高カロリーガスを製造することができるようになり、世界的なエネルギー需要の増大、エネルギー資源の枯渇に対し、新しい形態の燃料ガス供給を可能とするための技術を提供することができた。
高カロリーガス製造触媒の炭化水素選択率のルテニウム担持量依存性を示す図 高カロリーガス製造触媒の炭化水素選択率の鉄担持量依存性を示す図
以下に、本発明の高カロリーガス製造用触媒を説明する。なお、以下に好適な実施例を記すが、これら実施例はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。
本発明の高カロリーガス製造用触媒は、鉄族元素を担持させてあるアルミナまたはジルコニアを主成分とする金属酸化物担体に、さらに、ルテニウムを湿式還元法により分散度20%以上で担持させてある。
ここで、より具体的には、たとえば、鉄族元素としての鉄を、金属酸化物担体としてのチタニアに湿式還元法を用いて担持させる。ついで、ルテニウムを湿式還元法により担持させることにより、本発明の高カロリーガス製造用触媒を得る。
得られた高カロリーガス製造用触媒は、反応容器に収容され、その反応容器内の高カロリーガス製造用触媒と接触するように、水素および一酸化炭素を含む混合ガスを流通させ、前記反応容器から排出されるガスを回収して生成ガスを高カロリーガスとして得る。
以下に、より具体的な実施例および参考例について説明する。
参考例1〕
参考例1においては、(a)〜(e)の反応剤を用いる。
(a) 直径2〜4mmの球状のチタニア10g
(b) 1.45gの硝酸鉄(III)・9水和物(Fe(NO33・9H2O)を含む
水溶液
(c) 0.375N水酸化ナトリウム水溶液
(d) 0.3%ヒドラジン水溶液
(e) 0.43gの塩化ルテニウム(III)(ルテニウム含有量47.3質量%)を含む水溶液
(鉄担持チタニア)
担体(a)に硝酸鉄水溶液(b)の全量を含浸させ、これを乾燥させる(含浸法)。さらに、得られた担体を400℃で、6時間焼成すること(焼成法)により、鉄担持チタニアを得た。
(鉄−ルテニウム担持チタニア:触媒A)
次に、前記鉄担持チタニアに、塩化ルテニウム水溶液(e)を規定量の半分量を含浸させ、これを乾燥させる。次いで、これに、残り半分量の塩化ルテニウム水溶液(e)を含浸させ、これを乾燥させる。さらに、水酸化ナトリウム水溶液(c)に、得られた担体を浸漬し、担体にルテニウムを固定した。この担体を、水洗、乾燥した後、常温で1時間、90mlのヒドラジン水溶液(d)により還元して(湿式還元法)、高カロリーガス製造用触媒として鉄−ルテニウム担持チタニアを得た。この高カロリーガス製造用触媒を触媒Aとする。担持されたルテニウムは数十μm〜数百μmの厚さに堆積され、表面層付近ではルテニウムの酸化物、塩化物、水酸化物等のようなルテニウム化合物が金属状態のルテニウムと混在している。
得られた高カロリーガス製造用触媒(触媒A)について高カロリーガス製造に関する反応試験1を行った。
〔反応試験1〕
水素および一酸化炭素を含む混合ガスを、前記触媒Aの存在下に反応させた。
この触媒Aのチタニアに対する鉄含有量は硝酸鉄(III)・9水和物を鉄換算して0.2g、含有率は、チタニア10gに対して2質量%となる。同様に、チタニアに対するルテニウムの含有率は2質量%である。また、一酸化炭素吸着法により、チタニアに対するルテニウムの分散度を測定すると、51.1%と高い分散度を示すことがわかった。
有効内径16mmのチューブ状反応管に前記触媒Aを2ml充填し、一酸化炭素/水素比1/2の混合ガスを供給した。触媒あたりの混合ガス供給量(GHSV)は、2000/Hr,0.6MPaGで反応を行った。反応温度は250℃に設定し、25℃刻みで400℃まで順次昇温させ、生成ガスの組成を分析しつつ、反応性を追跡した。
=反応条件まとめ=
触媒 :触媒A
触媒量 :2ml
原料ガス :一酸化炭素/水素比=1/2の混合ガス
ガス供給量(GHSV) :2000(/Hr)
供給圧 :0.6(MPaG)
反応温度 :250℃〜400℃(一酸化炭素転化率99%以上となった温度で評価。99%以上にならなかった場合は、400℃における一酸化炭素転化率で評価)
(分析結果)
生成ガスの分析には、ガスクロマトグラフを用い、分析結果から一酸化炭素ガスの転化率、生成ガス中のC1〜C13の炭化水素量を求めた。
生成ガスには、原料とした混合ガスおよび反応により生成した飽和炭化水素ガスが含まれ、メタン(C1)が61%、エタン(C2)が15.9%、プロパンが(C3)17.7%、ブタンが(C4)0.1%であった。また、他にペンタン、ヘキサン、ヘプタンおよびC1〜C7の不飽和炭化水素(C5+)5.3%が含まれる事がわかった。なお、C8以上の炭化水素は、検出限界以下か、痕跡量であった。また、換算発熱量は、47.6MJ/Nm3であった。
なお、本発明における生成ガス量(選択率)、転化率、換算発熱量は、数1により求める。
Figure 0005731604
〔実施例
実施例においては、金属酸化物担体を変更した高カロリーガス製造用触媒を製造し、その高カロリーガス製造に関する反応試験2を行った。
実施例においては、(a2)〜(e)の反応剤を用いる。
(a2) 直径2〜4mmの球状のアルミナ10g
(b) 1.45gの硝酸鉄(III)・9水和物(Fe(NO33・9H2O)を含
む水溶液
(c) 0.375N水酸化ナトリウム水溶液
(d) 0.3%ヒドラジン水溶液
(e) 0.43gの塩化ルテニウム(III)(ルテニウム含有量47.3質量%)を含む水溶液
(鉄担持アルミナ)
担体(a)に代え担体(a2)を用いた以外は、参考例1と同様に含浸法、焼成法により、鉄担持アルミナを得た。
(鉄−ルテニウム担持アルミナ:触媒B)
前記鉄担持アルミナを用いた以外は、参考例1と同様に湿式還元法により、高カロリーガス製造用触媒として鉄−ルテニウム担持アルミナを得た。この高カロリーガス製造用触媒を触媒Bとする。
参考
参考においては、担持するルテニウム量を種々変更した高カロリーガス製造用触媒を製造し、その高カロリーガス製造に関する反応試験3を行った。
参考においては、(a)〜(e6)の反応剤を用いる。
(a) 直径2〜4mmの球状のチタニア10g
(b2) 0.96gの塩化鉄(III)・6水和物(FeCl362O)を含む水溶

(c) 0.375N水酸化ナトリウム水溶液
(d) 0.3%ヒドラジン水溶液
(e2) 0.11gの塩化ルテニウム(III)(ルテニウム含有量47.3質量%)
(鉄担持チタニア)
担体(a)に塩化鉄水溶液(b2)の全量を含浸させ、これを乾燥させる。さらに、水酸化ナトリウム水溶液(c)に、得られた担体を浸漬し、担体に鉄を固定化した。この担体を、水洗、乾燥した後、常温で1時間、90mlのヒドラジン水溶液(d)により湿式還元法し、水洗、乾燥して含浸法、湿式還元法により、鉄担持チタニアを得た。
(鉄−ルテニウム担持チタニア:触媒C〜H)
前記鉄担持チタニアを用い、塩化ルテニウム水溶液(e)に代え塩化ルテニウム水溶液(e)〜(e6)を用いた以外は、参考例1と同様に含浸法、湿式還元法により、高カロリーガス製造用触媒として鉄−ルテニウム担持チタニアを得た。この高カロリーガス製造用触媒を順に触媒C〜Hとする。
参考
参考においては、担持する鉄量を種々変更した高カロリーガス製造用触媒を製造し、その高カロリーガス製造に関する反応試験4を行った。
参考においては、下記(a)〜(e)の反応剤を用いる。
(a) 直径2〜4mmの球状のチタニア10g
(b3) 0.24gの塩化鉄(III)・6水和物(FeCl3・6H2O)を含む水溶液
(b4) 0.48gの塩化鉄(III)・6水和物(FeCl3・6H2O)を含む水溶液
(b5) 1.44gの塩化鉄(III)・6水和物(FeCl3・6H2O)を含む水溶液
(b6) 4.8gの塩化鉄(III)・6水和物(FeCl3・6H2O)を含む水溶液(c) 0.375N水酸化ナトリウム水溶液
(d) 0.3%ヒドラジン水溶液
(e) 0.43gの塩化ルテニウム(III)(ルテニウム含有量47.3質量%)を含む水溶液
(鉄担持チタニア)
(鉄−ルテニウム担持チタニア:触媒I〜L)
塩化鉄水溶液(b2)に代え、塩化鉄(b3)〜(b6)を用いた以外は、参考と同様に含浸法、湿式還元法により、高カロリーガス製造用触媒として鉄−ルテニウム担持チタニアを得た。この高カロリーガス製造用触媒を順に触媒I〜Lとする。
参考
参考においては、担持する鉄族元素を変更した高カロリーガス製造用触媒を製造し、その高カロリーガス製造に関する反応試験5を行った。
参考においては、(a)〜(e)の反応剤を用いる。
(a) 直径2〜4mmの球状のチタニア10g
(b7) 0.99gの塩化コバルト(III)・6水和物(CoCl3・6H2O)を含む水溶液
(c) 0.375N水酸化ナトリウム水溶液
(d) 0.3%ヒドラジン水溶液
(e) 0.43gの塩化ルテニウム(III)(ルテニウム含有量47.3質量%)を含む水溶液
(コバルト担持チタニア)
(コバルト−ルテニウム担持チタニア:触媒M)
塩化鉄水溶液(b2)に代え、塩化コバルト(b7)を用いた以外は、参考と同様に高カロリーガス製造用触媒としてコバルト−ルテニウム担持チタニアを得た。この高カロリーガス製造用触媒を触媒Mとする。
〔比較例1〕
比較例1においては、鉄族元素を担持していない高カロリーガス製造用触媒を製造し、その高カロリーガス製造に関する反応試験6を行った。
比較例1においては、(a)〜(e)の反応剤を用いる。
(a) 直径2〜4mmの球状のチタニア10g
(a2) 直径2〜4mmの球状のアルミナ10g
(c) 0.375N水酸化ナトリウム水溶液
(d) 0.3%ヒドラジン水溶液
(e) 0.43gの塩化ルテニウム(III)(ルテニウム含有量47.3質量%)を含む水溶液
(ルテニウム担持チタニア:触媒N)
塩化鉄水溶液(b2)を用いない以外は、参考と同様に高カロリーガス製造用触媒としてルテニウム担持チタニアを得た。この高カロリーガス製造用触媒を触媒Nとする。
(ルテニウム担持アルミナ:触媒O)
塩化鉄水溶液(b2)を用いないこと、チタニア担体(a)に代え、アルミナ担体(a2)を用いること以外は、参考と同様に高カロリーガス製造用触媒としてルテニウム担持アルミナを得た。この高カロリーガス製造用触媒を触媒Oとする。
〔比較例2〕
比較例2においては、ルテニウムを湿式還元法によらず、焼成法により担体に担持させた高カロリーガス製造用触媒を製造し、その高カロリーガス製造に関する反応試験7を行った。
比較例2においては、(a)〜(e7)の反応剤を用いる。
(a) 直径2〜4mmの球状のチタニア10g
(b) 1.45gの硝酸鉄(III)・9水和物(Fe(NO33・9H2O)を含む水溶液
(c) 0.375N水酸化ナトリウム水溶液
(d) 0.3%ヒドラジン水溶液
(e7) 5.15gの硝酸ルテニウム(III)(Ru(NO33)水溶液(ルテニウム換算濃度3.9質量%)
(鉄担持チタニア)
参考例1と同様に、鉄担持チタニアを得た。
(鉄−ルテニウム担持チタニア:触媒P)
前記鉄担持チタニアに硝酸ルテニウム水溶液(e7)の全量を含浸させ、これを乾燥させる。さらに、得られた担体を400℃で、6時間焼成することにより、高カロリーガス製造用触媒として鉄−ルテニウム担持チタニアを得た。この高カロリーガス製造用触媒を触媒Pとする。
〔比較例3〕
比較例3においては、ルテニウムを湿式還元法により、担持した後、鉄族元素を担持した高カロリーガス製造用触媒を製造し、その高カロリーガス製造に関する反応試験8を行った。
比較例3においては、(a)〜(e7)の反応剤を用いる。
(a) 直径2〜4mmの球状のチタニア10g
(b) 1.45gの硝酸鉄(III)・9水和物(Fe(NO33・9H2O)を含む水溶液
(c) 0.375N水酸化ナトリウム水溶液
(d) 0.3%ヒドラジン水溶液
(e7) 0.43gの塩化ルテニウム(III)(ルテニウム含有量47.3質量%)を含む水溶液
(ルテニウム担持チタニア)
比較例1と同様に、ルテニウム担持チタニアを得た。
(ルテニウム−鉄担持チタニア:触媒Q)
前記ルテニウム担持チタニアに硝酸鉄水溶液(b)の全量を含浸させ、これを乾燥させる。さらに、得られた担体を400℃で、6時間焼成することにより、高カロリーガス製造用触媒としてルテニウム−鉄担持チタニアを得た。この高カロリーガス製造用触媒を触媒Qとする。
〔反応試験2〜8〕
触媒Aに代え触媒B〜Qを用いた以外は、反応試験1と同様の試験条件で水素および一酸化炭素を含む混合ガスを反応させた。
参考
参考においては、参考例1と同様にルテニウムを湿式還元法により担持させた高カロリーガス製造用触媒を製造し、その高カロリーガス製造に関する反応試験9を行った。
参考においては、(a)〜(e)の反応剤を用いる。
(a)直径2〜4mmの球状チタニア10g
(b) 1.45gの硝酸鉄(III)・9水和物(Fe(NO33・9H2O)を含む
水溶液
(c)0.375N水酸化ナトリウム水溶液
(d)0.3%ヒドラジン水溶液
(e)0.43gの塩化ルテニウム(III)(ルテニウム含有量47.3質量%)を含む水溶液
(鉄担持チタニア)
参考例1と同様に、鉄担持チタニアを得た。
(鉄−ルテニウム担持チタニア:触媒R)
ルテニウムの含浸において、前記鉄担持チタニアに、規定量の塩化ルテニウム水溶液(e)を1回で全量含浸させた以外は、参考例1と同様に含浸法、湿式還元法により、高カロリーガス製造用触媒として鉄−ルテニウム担持チタニアを得た。この高カロリー製造用触媒を触媒Rとする。
〔反応試験9〕
参考例1と同様に反応試験を行った。一酸化炭素吸着法によるルテニウムの分散度を測定すると23.7%であった。参考例1でのルテニウム分散度51.1%より低い値になったのは、参考例1では2回に分割して行った塩化ルテニウム溶液の含浸を1回で行ったために、ルテニウムがうまく分散できなかったためと考えられる。
〔比較例4〕
比較例4においては、ルテニウムを焼成法により担持させた高カロリーガス製造用触媒を製造し、その高カロリーガス製造に関する反応試験10を行った。
比較例4においては、(a)〜(e7)の反応剤を用いる。
(a) 直径2〜4mmの球状チタニア
(b)1.45gの硝酸鉄(III)・9水和物(Fe(NO33・9H2O)を含む水溶液
(c)0.375N水酸化ナトリウム水溶液
(d)0.3%ヒドラジン水溶液
(e7)5.15gの硝酸ルテニウム(III)(Ru(NO33)水溶液(ルテニウム換算濃度3.9質量%)
(鉄担持チタニア)
参考例1と同様に、鉄担持チタニアを得た。
(鉄−ルテニウム担持チタニア:触媒T)
400℃焼成の時間を1時間にした以外は、比較例2と同様に含浸法、焼成法により、高カロリーガス製造用触媒として鉄−ルテニウム担持チタニアを得た。この高カロリー製造用触媒を触媒Tとする。
〔反応試験10〕
参考例1と同様に反応試験を行った。
参考
参考においては、ルテニウムと鉄を同時に湿式還元法により担体に担持させた高カロリーガス製造用触媒を製造し、その高カロリーガス製造に関する反応試験11を行った
参考においては、(a)〜(d)の反応剤を用いる。
(a)直径2〜4mmの球状チタニア10g
(b8) 0.43gの塩化ルテニウム(III)(ルテニウム含有量47.3質量%)と0.96gの塩化鉄(III)・6水和物(FeCl3・6H2O)を含む水溶液
(c) 0.375N水酸化ナトリウム水溶液
(d) 0.3%ヒドラジン水溶液
(ルテニウム−鉄担持チタニア:触媒U)
塩化鉄水溶液(b2)に代え、塩化ルテニウム・塩化鉄混合水溶液(b8)を用いた以外は、参考と同様に含浸法、湿式還元法により、高カロリーガス製造用触媒としてルテニウム−鉄担持チタニアを得た。この高カロリー製造用触媒を触媒Uとする。
〔反応試験11〕
参考例1と同様に反応試験を行った。
参考
参考においては、ルテニウムを湿式還元法により担持した後、鉄を湿式還元法により担持し、担持する鉄量を種々変更した高カロリーガス製造用触媒を製造し、その高カロリーガス製造に関する反応試験12を行った。
参考例7においては、下記(a)〜(e11)の反応剤を用いる。
(a)直径2〜4mmの球状チタニア10g
(b9)0.43gの塩化ルテニウム(III)(ルテニウム含有量47.3質量%)を含む水溶液
(c)0.375N水酸化ナトリウム水溶液
(d)0.3%ヒドラジン水溶液
(e8)0.24gの塩化鉄(III)・6水和物(FeCl3・6H2O)を含む水溶液(e9)0.96gの塩化鉄(III)・6水和物(FeCl3・6H2O)を含む水溶液(e10)1.92gの塩化鉄(III)・6水和物(FeCl3・6H2O)を含む水溶液
(e11)2.88gの塩化鉄(III)・6水和物(FeCl3・6H2O)を含む水溶
(ルテニウム担持チタニア)
塩化鉄水溶液(b2)に代え、塩化ルテニウム水溶液(b9)を用いた以外は、参考と同様に含浸法、湿式還元法により、ルテニウム担持チタニアを得た。
(ルテニウム−鉄担持チタニア:触媒V〜Y)
塩化ルテニウム水溶液(e)に代え、塩化鉄水溶液(e8)〜(e11)を用いた以外は、参考と同様に含浸法、湿式還元法により、高カロリーガス製造用触媒としてルテニウム−鉄担持チタニアを得た。この高カロリー製造用触媒を順に触媒V,W、X,Yとする。
〔反応試験12〕
参考例1と同様に反応試験を行った。
(分析結果)
反応試験1〜12の分析結果を表1にまとめて示す。
Figure 0005731604
表1より、触媒A〜O、R、U〜Yについては、いずれも、ルテニウムは担体に対し、20%以上の高い分散度で分散している場合に効率よく高カロリーガスを製造できていることがわかる。(参考例1〜実施例1、比較例1)また、特に、触媒E,U,Wを比較するとルテニウムと鉄とを湿式還元法により担持させた場合は、触媒の担持順は、触媒の活性に大きくは影響していないことが読み取れる。
これに対し、触媒Aと触媒Qを比較すると、触媒Qは、ルテニウム−鉄の順で担持しているが、金属酸化物担体に対するルテニウム分散度が低く、高カロリーガス製造用触媒の製造方法として、触媒成分の担持順を、担体に鉄を担持したのち、ルテニウムを担持させる製法(参考例1、触媒A)とすることが、活性の高い高カロリーガス製造用触媒を製造する上で好ましい条件であることがわかる。
さらに、触媒Qと触媒Wを比較すると、触媒成分の担持順は鉄−ルテニウムの順であれば、鉄は焼成担持でも比較的高いルテニウム分散度を実現できるが、逆の順であれば、ルテニウムを湿式還元法で担持させることが好ましく、さらに好ましくは、鉄も湿式還元法で担持させるとよいことが分かる。
また、触媒Pと触媒Tとを比較すると、ルテニウムの焼成担持の場合、400℃では、6時間の焼成でも1時間の焼成でも触媒の活性に大きな差はなく、400℃1時間の焼成条件で十分であることが分かる。
ここで、触媒Rよりルテニウムを湿式還元法で担持させる場合には、鉄の担持方法は問わず高いルテニウムの分散度を実現できていることが分かる。
また、触媒Qと触媒Aを比較すると、触媒Qにおいてルテニウムの分散度が低くなっていることが分かる。触媒Qにおける分散度が低いのは、鉄の焼成による担持の際、湿式担持されたルテニウムまでが焼成作用を受けたためと考えられ、鉄の焼成条件を、ルテニウムの焼成がおきにくい条件とすることで、ルテニウムの高い分散度が維持できるものと考えられる。このことは、アルミナ担体にルテニウムを湿式還元法で担持した後、コバルトを200℃で焼成担持した触媒の反応温度350℃における活性が良好(CO転化率99.5%)であったこと、ならびにルテニウム分散度が20%以上でないとCO転化率が90%未満である(触媒P,Q,T)ことから明らかである。したがって、ルテニウム、鉄の担持順を考慮しない場合であっても、湿式還元法により(比較例3、触媒Q)ルテニウムを担持することが高カロリーガス製造用触媒を製造する上で好ましい条件であると考えられる。
一方、ルテニウムを金属酸化物担体に担持させる場合に、一度に全量担持させた場合(触媒R)と、全量を二度に分けて担持させた場合(触媒A)とでは、二度に分けた場合のほうが高い分散度を実現できることがわかった。すなわち、担持させる触媒は、一度の操作あたりに存在する量が少ないほど、凝集しにくいために分散度が高くなりやすく、また、あとの操作で担持させた触媒の凝集も低く抑えられていることがわかる。
次に、実施例によれば、金属酸化物担体としては、アルミナが有効に利用できることが明らかになった
次に、参考によれば、表1の触媒C〜Hおよび図1に示すように、高カロリーガス製造用触媒の担体へのルテニウムの担持量が少なくなると、触媒としての活性が落ち、反応温度を高くしなければ高カロリーガスを製造しにくくなる傾向にあり、高カロリーガス製造の省エネルギー性が低下しやすい。一方、ルテニウムの担持量が多くなると、ルテニウムの分散度が低下するとともに、生成ガス中に含まれるガス成分のメタン選択率が高くなり、生成ガスの換算発熱量が低くなる傾向にあり、そのままでは、高カロリーガスとしての用途に耐えなくなるため、反応後の成分調整等が必要になる等の問題を生じやすい。そのため、ルテニウムの担持量は、1質量%〜8質量%とすることが好ましい。また、ルテニウムの担持量は、2質量%〜6質量%とすることが、さらに好ましいことがわかる。
次に、参考例3(参考例2を一部参照)によれば、表1の触媒E,I〜Lおよび図2に示すように、高カロリーガス製造用触媒の担体への鉄の担持量が多くなると、触媒としての活性が落ち、反応温度を高くしなければ高カロリーガスを製造しにくくなる傾向にあり、高カロリーガス製造の省エネルギー性が低下しやすい。一方、高カロリーガス製造用触媒の担体への鉄の担持量が少なくなると、ルテニウムの分散度が向上するとともに、生成ガス中に含まれるガス成分のメタン選択率が高くなり、生成ガスの換算発熱量が低くなる傾向にある。したがって、鉄の好ましい担持量は0.5質量%〜10質量%、さらに好ましくは、0.5質量%〜3質量%であることがわかる。
また、参考例4より、鉄族元素としては、表1の触媒E、Mより、鉄の他に、コバルトも用いることができる事がわかる。ただし、コバルトを用いた場合、鉄の場合よりも生成ガス中に含まれるガス成分のメタン選択率が高くなり、生成ガスの換算発熱量が低くなる傾向にあり、そのままでは、高カロリーガスとしての用途に耐えなくなるため、反応後の成分調整等が必要になる等の問題を生じやすい。そのため、鉄族元素としては鉄を用いることが好ましいことがわかる。
さらに、比較例1によると、表1の触媒N、Oより、鉄族元素を担持しない場合、生成ガス中に含まれるガス成分のメタン選択率が高くなり、ほとんど高カロリーガスが得られないことが確認できた。また、純粋に高カロリーガス製造用触媒における高カロリーガス生産性の担体による効果を比較することができ、チタニアのみの触媒Nでも、多少は高カロリーガスを生産する能力を有することが読み取れる。
なお、本発明では、各触媒が生産する生成ガスが高カロリーガスと呼ぶか否かを、およそ、この触媒Nの生産する生成ガスの発熱量を超えるか否かにより判定するが、生成ガスが炭素数2〜4の飽和炭化水素ガスを有意に生成し、主成分の1つとして含有していれば、一応、高カロリーガスを製造する能力のある触媒であるものと考えてよい。好ましくは、他のガスの添加によるカロリー調節なしに(むしろメタンによる希釈により)、都市ガスとして供給可能な、換算発熱量45MJ/Nm3以上のカロリーの生成ガスを生産することが望まれる。
〔その他〕
なお、含浸法においてルテニウム化合物、鉄化合物として硝酸塩、塩酸塩を用いた例が混在するが、一般に含浸法において、還元あるいは酸化により、担持される化合物の最終形態が、安定な金属あるいは安定な酸化物となることがわかっている場合、出発原料の陽イオンに対する陰イオンはいずれのものでも、ほぼ同じ結果が得られることが知られている。そのため、本発明の高カロリーガス製造触媒の製造方法においては、出発原料としてのルテニウム化合物、鉄化合物としてはいかなるものを用いてもかまわない。
前記担体は、球状のものを採用したが、ペッレット状、リング状、チューブ状、不定形状等任意の形状のものを採用することができる。また、前記反応試験では、筒状容器に充填する形態で使用したが、ハニカム形状のフィルタとして設置する等、任意の適用形態で使用することができる。
湿式還元法を採用したことで、気相還元を採用した場合に必要な、取り扱いに注意が必要である水素ガスなどの還元用ガスの後処理の問題が無くなる。なお、本実施形態では湿式還元法にヒドラジン溶液を用いたが、ホルマリン、ギ酸、水素化ホウ酸ナトリウム溶液などの還元剤を用いることもできる。

Claims (15)

  1. ルテニウムと鉄族元素をアルミナまたはジルコニアを主成分とする金属酸化物担体に担持させてあり、ルテニウム分散度が20%以上である高カロリーガス製造用触媒。
  2. 金属酸化物担体に、ルテニウムを湿式還元法により担持させてある請求項1記載の高カロリーガス製造用触媒。
  3. 鉄族元素を担持させてある金属酸化物担体に、さらに、ルテニウムを湿式還元法により担持させてある請求項1または2に記載の高カロリーガス製造用触媒。
  4. 金属酸化物担体にルテニウムを湿式還元法により担持させてある金属酸化物担体に、さらに、鉄族元素を湿式還元法により担持させてある請求項1または2に記載の高カロリーガス製造用触媒。
  5. 前記鉄族元素が鉄である請求項1〜4のいずれか1項に記載の高カロリーガス製造用触媒。
  6. 前記金属酸化物担体に鉄を0.5質量%〜10質量%担持させてある請求項1〜5のいずれか1項に記載の高カロリーガス製造用触媒。
  7. 前記金属酸化物担体に、ルテニウムを1質量%〜8質量%担持させてある請求項1〜6のいずれか1項に記載の高カロリーガス製造用触媒。
  8. ルテニウムと鉄族元素とを、ルテニウム分散度が20%以上となるようにアルミナまたはジルコニアを主成分とする金属酸化物担体に分散させて担持させる高カロリーガス製造用触媒の製造方法。
  9. 金属酸化物担体に、ルテニウムを湿式還元法により担持させる請求項8に記載の高カロリーガス製造用触媒の製造方法。
  10. 金属酸化物担体に、鉄族元素を担持させたのち、ルテニウムを湿式還元法により担持させる請求項8または9に記載の高カロリーガス製造用触媒の製造方法。
  11. 金属酸化物担体に、ルテニウムを湿式還元法により担持させたのち、鉄族元素を湿式還元法により担持させる請求項8または9に記載の高カロリーガス製造用触媒の製造方法。
  12. 前記鉄族元素が鉄である請求項8〜11のいずれか1項に記載の高カロリーガス製造用触媒の製造方法。
  13. 前記金属酸化物担体に鉄を0.5質量%〜10質量%担持させてある請求項8〜12のいずれか1項に記載の高カロリーガス製造用触媒の製造方法。
  14. 前記金属酸化物担体に、ルテニウムを1質量%〜8質量%担持させてある請求項8〜13のいずれか1項に記載の高カロリーガス製造用触媒の製造方法。
  15. 水素および一酸化炭素を含む混合ガスを、請求項1〜7のいずれか1項に記載の高カロリーガス製造用触媒の存在下に反応させ、低級飽和炭化水素を主成分とする高カロリーガスを製造する高カロリーガス製造方法。
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