JP5792631B2 - 排水処理用触媒及びその触媒を用いた排水の処理方法 - Google Patents
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Description
触媒外表面から1000μmまでの触媒表層部に存在するB成分の触媒全量に対する割合(質量%)は、EPMA(電子プローブマイクロ分析)により触媒断面における触媒表層部の量を線分析し、面積比により、全体の分布に占める、触媒外表面から深さ1000μmまでの割合を算出して求めた。
触媒に含有されるB成分の平均粒子径は、TPD分析のCOパルス法により化学吸着量を測定して算出した。
固体酸量を気体塩基吸着法で求めた。塩基としてアンモニアを用いた。
共沈法により調製した酸化鉄(Fe2O3)−酸化アルミニウム(Al2O3)粉体をペレット状に成形し、白金(Pt)を担持した。ペレットの平均直径は5mm、平均長さは6mm、比表面積は58m2/gであった。Ptを該ペレットの表層部に微粒子として高分散担持させるため、該ペレットを常時動かしながら、塩基性の白金錯体水溶液に炭酸ナトリウムを添加した液を吹き付けて担持させた後、90℃の熱風気流中で回転させながら1時間乾燥し、次いで水素含有ガスを用いて300℃で3時間還元処理を行って触媒(A−1)を得た。得られた触媒主成分の質量比はFe2O3:Al2O3:Pt=90:9.7:0.3であった。また触媒A−1のPtの分布状況(Pt全含有量に対する、基材表面から1000μm以内の位置に存在するPtの割合)をEPMAで調べた結果、Ptの粒子径をTPD分析で調べた結果、及び固体酸量を調べた結果は表1に示すとおりであった。
触媒調製例2〜3では、上記触媒A−1で使用したペレットを用いた。該ペレットにB成分として表1に記載する成分を使用した。B成分を以下の通り変更した以外は、触媒調製例1と同じ方法で触媒(A−2〜A−3)を調製した。また、各触媒のB成分の分布状況(全含有量に対する、基材から1000μm以内の位置に存在する割合)をEPMAで調べた結果、粒子径をTPD分析で調べた結果、及び固体酸量を調べた結果は表1に示すとおりであった。
触媒調製例1と同じ酸化鉄(Fe2O3)−酸化アルミニウム(Al2O3)粉体と、硝酸白金水溶液を混合し、90℃の熱風気流中で蒸発乾固を行い、0.3質量%の白金を担持した。20時間、乾燥した後、触媒A−1と同じ形状(平均直径5mm、平均長さ6mm)のペレットに成形し、水素含有ガスを用いて300℃で3時間還元処理を行い、触媒(A―4)を得た。Ptの分布状況(全含有量に対する、基材表面から1000μm以内の位置に存在する割合)をEPMAで調べた結果、Pt粒子径をTPD分析で調べた結果、及び固体酸量を調べた結果は表1に示すとおりであった。
共沈法により調製した酸化鉄(Fe2O3)−酸化チタン(TiO2)粉体をペレット状に成形し、B成分を担持した。ペレットの平均直径は5mm、平均長さは7mm、比表面積は48m2/gであった。上記ペレットに触媒調製例1と同様の方法でB成分を含有させ、触媒B−1〜B−3を得た。なお各触媒のB成分として、B−1はパラジウム(Pd)、B−2はルテニウム(Ru)、B−3は金(Au)および白金(Pt)を含有させた。(触媒調製例4では塩基性のパラジウム錯体水溶液に水酸化ナトリウムを添加した液、触媒調製例5では塩基性のルテニウム錯体水溶液に炭酸ナトリウムを添加した液、触媒調製例6では塩化金酸水溶液と硝酸白金水溶液およびエタノールを混合した液を用いた。)B成分添加後の触媒は水素含有ガスを用いて300℃で3時間還元処理を行った。得られた各触媒の主成分の質量比はFe2O3:TiO2:Pd=84.7:14.9:0.4(触媒B−1)、Fe2O3:TiO2:Ru=84.4:14.9:0.7(触媒B−2)、Fe2O3:TiO2:Au:Pt=84.5:14.9:0.4:0.2(触媒B−3)であった。またB−1〜B−3のB成分の分布状況(全含有量に対する、基材表面から1000μm以内の位置に存在する割合)をEPMAで調べた結果、粒子径をTPD分析で調べた結果、及び固体酸量を調べた結果は表2に示すとおりであった。
触媒調製例4〜6と同じ酸化鉄(Fe2O3)−酸化チタン(TiO2)粉体と、市販の酸化ルテニウム(RuO2)粉末を混合し、触媒B−1と同じ形状(平均直径5mm、平均長さ7mm)のペレットに成形し、水素含有ガスを用いて300℃で3時間還元処理を行い、触媒B−4を得た。得られた触媒主成分の質量比はFe2O3:TiO2:Ru=84.4:14.9:0.7であった。上記触媒B−4のRuの分布状況(全含有量に対する、基材表面から1000μm以内の位置に存在する割合)をEPMAで調べた結果、Ru粒子径をTPD分析で調べた結果、及び固体酸量を調べた結果は表2に示すとおりであった。
触媒調製例4〜6と同じ酸化鉄(Fe2O3)−酸化チタン(TiO2)粉体を850℃、空気中で焼成した。(触媒調製例4〜6の粉体は600℃にて焼成を行った。)該粉体の比表面積は22m2/gであり、触媒B−1と同じ形状(平均直径5mm、平均長さ7mm)のペレットに成形した。上記ペレットに触媒調製例1と同様の方法でPdを含有させ、触媒B−5を得た。触媒は水素含有ガスを用いて300℃で3時間還元処理を行った。得られた各触媒の主成分の質量比はFe2O3:TiO2:Pd=84.7:14.9:0.4であった。またB−5のPd分布状況(全含有量に対する、基材表面から1000μm以内の位置に存在する割合)をEPMAで調べた結果、粒子径をTPD分析で調べた結果、及び固体酸量を調べた結果は表2に示すとおりであった。
共沈法により調製した酸化鉄(Fe2O3)−酸化セリウム(CeO2)粉体をペレット状に成形し、B成分を担持した。ペレットの平均直径は3mm、平均長さは4mm、比表面積は38m2/gであった。上記ペレットに触媒調製例1と同様の方法でB成分を含有させ、触媒C−1〜C−2を得た。なお各触媒のB成分として、C−1はロジウム(Rh)、C−2はイリジウム(Ir)およびパラジウム(Pd)を含有させた。(触媒調製例7では硝酸ロジウム水溶液およびエタノールを混合した液、触媒調製例8では塩化イリジウム水溶液と硝酸パラジウム水溶液およびアセトンを混合した液を用いた。)B成分添加後の触媒は水素含有ガスを用いて300℃で3時間還元処理を行った。得られた各触媒の主成分の質量比はFe2O3:CeO2:Rh=79.9:20.0:0.1(触媒C−1)、Fe2O3:CeO2:Ir:Pd=79.4:19.9:0.4:0.3(触媒C−2)であった。またC−1〜C−2のB成分の分布状況(全含有量に対する、基材表面から1000μm以内の位置に存在する割合)をEPMAで調べた結果、粒子径をTPD分析で調べた結果、及び固体酸量を調べた結果は表3に示すとおりであった。
市販の酸化鉄(Fe2O3)と酸化セリウム(CeO2)、それぞれの粉末を混合し、ペレット状に成形を行った。ペレットの平均直径は3mm、平均長さは4mm、比表面積は25m2/gであった。上記ペレットに触媒調製例1と同様の方法でB成分を含有させ、触媒C−3を得た。なお触媒B成分としてロジウム(Rh)を含有させた。(硝酸ロジウム水溶液およびエタノールを混合した液を用いた。)B成分添加後の触媒は水素含有ガスを用いて300℃で3時間還元処理を行った。得られた触媒の主成分の質量比はFe2O3:CeO2:Rh=79.9:20.0:0.1であった。またB成分の分布状況(全含有量に対する、基材表面から1000μm以内の位置に存在する割合)をEPMAで調べた結果、粒子径をTPD分析で調べた結果、及び固体酸量を調べた結果は表3に示すとおりであった。
図1に示す装置を使用し、下記の条件下で1000時間処理を行った。反応塔1(直径26mm、長さ3000mmの円筒状)内部に触媒(A−1)を1.0リットル充填した。処理には供した排水は、化学プラントから排出されたアルコールなどを含有する排水で、COD(Cr)は22 g/リットルであった。尚、この排水には触媒被毒物質は含まれていなかった。
触媒をそれぞれA−2〜A−4に変更した以外は実施例1−1と同じ方法で同じ排水処理を行った。結果を表4に示す。
実施例1−1と同様の装置を使用し、触媒B−1を用いて、写真処理設備から排出される排水の処理を行った。該排水の性状は、COD(Cr)が30g/リットルで、リンを150mg/リットル含有していた。アルカリ供給ライン8からアルカリ供給ポンプ7によって、水酸化ナトリウム水溶液をナトリウム/リンがモル比で3となるように供給した。水酸化ナトリウム添加後の排水のpHは8.5であった。尚、排水の供給量を1.5リットル/h、空気の供給量を165リットル(N)/hとした以外は実施例1−1と同じ方法で同様の処理を行った。結果を表5に示す。
触媒をそれぞれB−2からB−5に変更した以外は実施例1−4と同じ方法で同じ排水処理を行った。結果を表5に示す。
それぞれ触媒B−1からB−3を用いて、水酸化ナトリウム水溶液を添加しなかった以外は実施例1−4と同じ方法で同様の排水処理を行った。排水のpHは4.6であった。結果を表5に示す。
実施例1−1と同様の装置を使用し、触媒C−1からC−3を用いて、化学プラントから排出される排水の処理を行った。該排水は酢酸ナトリウムなどを含有しており、その性状はCOD(Cr)が18g/リットルで、リンを105mg/リットル、ケイ素を63mg/リットル含有していた。排水中にナトリウムが含有しており、ナトリウム/リンはモル比で3.5であった。尚、排水の供給量を1.5リットル/h、空気の供給量を100リットル(N)/hとした以外は実施例1−1と同じ方法で同様の処理を行った。結果を表6に示す。
実施例1−1と同様の装置を使用し、触媒C−1、C−2を用いて、排水の処理を行った。主成分としてアンモニアを含有する排水の処理を行った。該排水はアンモニア態窒素濃度が3.0g/リットルであり、全窒素濃度が3.3g/リットルであった。また、リンが280mg/リットル含有していた。アルカリ供給ライン8からアルカリ供給ポンプ7によって、水酸化カリウム水溶液をカリウム/リンがモル比で3.0となるように供給し、処理を行った。水酸化カリウム添加後の排水のpHは9.0であった。尚、排水の供給量を2.0リットル/h、空気の供給量を35リットル(N)/hとした以外は実施例1−1と同じ方法で同様の処理を行った。結果を表7に示す。
図2に示す処理装置を使用し、この反応塔25に下記の触媒を1.2リットル充填して、下記の処理条件下で処理を1000時間連続して行った。以下に詳細な実験方法および結果について記述する。ここでは、2種類の触媒を用いたが、排水の流れ方向に対して上流側の触媒を前段触媒、下流側の触媒を後段触媒として設置した。
前段触媒としてセリウム、ジルコニア及び酸化鉄を主成分とする触媒(セリウム:ジルコニア:酸化鉄の質量比=8:20:72)を1リットル用いた。触媒は共沈法により調製した。後段触媒にはチタニアを基材の主成分とし、白金を0.2質量%含有する触媒を0.2リットル用いた。
前段触媒としてセリウム、ジルコニア、チタニア及び酸化鉄を含有する触媒(セリウム:ジルコニア:チタニア:酸化鉄の質量比=5:25:40:30)を1リットル用いた。触媒は共沈法により調製した。後段触媒にはチタニアを基材の主成分とし、パラジウムを0.2質量%含有する触媒を0.1リットル用いた。その他の処理条件は実施例2−1と同様とし、ピリジンの処理を行った。
前段触媒にセリウム、ジルコニア、酸化鉄及びイットリアを含有する触媒(セリウム:ジルコニア:酸化鉄:イットリアの質量比=25:10:60:5)を1リットル用いた。触媒は共沈法により調製した。後段触媒には実施例2−1と同様の触媒を0.2リットル用いた。
本発明を実施するには、時間、設備が大掛かりになるので、簡易的に本発明の効果を示す手段として、前段触媒を調製し下記手順により、前段触媒のみの処理テストを行った。本発明に係る各種卑金属成分を含有する前段触媒を共沈法により調製し、その組成は表8に示した。前段触媒は排水処理に際し後段触媒と組み合わせて使用することで本発明の効果を奏することができる。
反応塔内に、チタニアを基材の主成分とし、ルテニウムを0.6質量%含有する触媒のみを1.2リットル充填した。それ以外は、実施例2−1と同様の条件下で処理を行った。すなわち実施例2−1における後段触媒のみを1.2リットル使用した。
実施例2−1で用いた前段触媒のみを反応塔に1.0リットル充填し、実施例2−1と同様の条件下で処理を行った。50時間後に得られた処理液のCOD(Cr)濃度は416mg/リットル、全窒素濃度は3400mg/リットルであった。残存窒素成分として、アンモニア態窒素が3290mg/リットル、硝酸態窒素が69mg/リットルであり、窒素含有化合物転化率は98.9%であった。
図4に示す処理装置を使用し、この反応塔35に下記の触媒を1リットル充填して、下記の処理条件下で処理を1200時間連続して行った。以下に詳細な実験方法および結果について記述する。触媒としてはチタン、セリウムおよびマンガンの酸化物から成る基材にルテニウムを担持したものを1リットル使用した。チタン、セリウム、マンガンの酸化物からなる基材は、チタンの水溶性塩として硫酸チタニル 1300g、セリウムの水溶性塩として硝酸セリウム六水和物 25g、およびマンガンの水溶性塩として硝酸マンガン六水和物 50gを、それぞれ、水2000gに溶解し、アルカリ物質としてアンモニア水を用いて、pHが9.5になるように調整して、沈殿物を得た。その後、これを、150℃で20時間乾燥し、さらに500℃で3時間焼成することにより、複合酸化物として基材を得た(共沈法により調製)。上記基材の組成は、チタン、セリウムおよびマンガンの、酸化物換算での質量比が、75:10:15である。得られた複合酸化物100gを、水溶性のルテニウム塩としての硝酸ルテニウム水溶液(ルテニウム濃度:3.9質量%)36.4gに浸し、90℃で24時間乾燥し、さらに300℃で3時間焼成することで、当該複合酸化物にルテニウムを担持した触媒を得た。担持されたルテニウム量は、1.4質量%であった。
表11に示す触媒を使用し、前記実施例3−1と同様の排水、処理条件にて処理し、処理結果は表12に示した通りであった。触媒の調製法は、実施例3−1と同様に共沈法により得られた複合酸化物に担持金属を実施例3−1と同様な手順により担持したものである。
表13に示す各触媒を使用し、アンモニアおよびモノエタノールアミンの処理を行なった。処理は900時間連続して行なった。排水を排水供給ライン31から排水供給ポンプ32により2リットル/hrの流量で昇圧フィードした。一方、酸化剤供給ライン33からはコンプレッサーにて昇圧した空気を供給した。アンモニアおよびモノエタノールアミン濃度、空気供給量は処理時間の経過とともに変化させ、他の処理条件は、実施例3−1と同様にして行った。処理条件を表14に示す。触媒の調製法は、実施例3−1と同様に共沈法により得られた複合酸化物に担持金属を実施例3−1と同様な手順により担持したものである。
表16に示す触媒を使用し、前記実施例3−1と同様の排水、処理条件にて処理し、処理結果は表17に示した通りであった。当該比較例の触媒は表16に示す基材に担持金属の前駆体である水溶性塩を含む水溶液を含浸法により担持して得られるものである。
表18に示す触媒を使用し、前記実施例3−3,3−4と同様の排水、処理条件にて処理し、処理結果は表19に示した通りであった。当該比較例の触媒は表18に示す基材に担持金属の前駆体である水溶性塩を含む水溶液を含浸法により担持して得られるものである。
酸化チタン(TiO2)に、ルテニウム(Ru)1.3質量%および酸化ジルコニウム(ZrO2)3.5質量%を含浸担持した。前駆体には硝酸ルテニウム(Ru)および硝酸ジルコニウムを使用した。含浸担持後の触媒を空気中300℃で3時間焼成を行い、同温で3時間、水素と窒素の混合ガス(水素:5体積%)中で水素還元を行うことで触媒を得た。得られた触媒の組成は表20に記載した。
共沈法にて調製した酸化鉄(Fe2O3)と酸化ビスマス(Bi2O3)の複合酸化物[酸化鉄:酸化ビスマスの質量比=85:15]に、パラジウム(Pd)0.8質量%および酸化セリウム(CeO2)5.5質量%を含浸担持した。前駆体には硝酸パラジウムと硝酸セリウムを使用した。含浸担持後の触媒を空気中400℃で4時間焼成を行い、300℃で3時間、水素と窒素の混合ガス(水素:5体積%)中で水素還元を行うことで触媒を得た。得られた触媒の組成は表20に記載した。
酸化アルミニウム(Al2O3)に、イリジウム(Ir)1.5質量%を含浸担持した。前駆体には硝酸イリジウム溶液を使用した。含浸担持後の触媒を空気中400℃で3時間焼成を行い、300℃で2時間、水素と窒素の混合ガス(水素:5体積%)中で水素還元を行うことで触媒を得た。得られた触媒の組成は表21に記載した。
酸化鉄(Fe2O3)に、白金(Pt)1.0質量%を含浸担持した。前駆体にはジニトロジアンミン白金硝酸溶液を使用した。含浸担持後の触媒を300℃で3時間、水素と窒素の混合ガス(水素:5体積%)中で水素還元を行うことで触媒を得た。得られた触媒の組成は表21に記載した。
図4に示す処理装置を使用し、この反応塔35に上記実施例4−1および4−2ならびに比較例4−1および4−2で得られた触媒を、それぞれ、1リットル充填して、下記の処理条件下で処理を1200時間連続して行った。以下に詳細な実験方法および結果について記述する。処理に供した排水はアンモニア水であり、排水供給ライン31から排水供給ポンプ32により1リットル/hrの流量で昇圧フィードした。一方、酸化剤供給ライン33からはコンプレッサーにて昇圧した空気を供給した。この気液混合物を熱交換器34で加熱した後、触媒35.1を充填した反応塔35に導入し、処理温度250℃で湿式酸化処理した。被処理液は熱交換器34’および冷却器36により冷却した後、気液分離機37に導入した。気液分離機37では、液面コントローラ(LC)により液面を検出して液面制御弁38を作動させて一定の液面を保持するとともに、圧力コントローラ(PC)により圧力を検出して圧力制御弁39を作動させて7.0MPa(Gauge)の圧力を保持するように操作した。アンモニア濃度および空気供給量は処理時間の経過とともに変化させた。処理条件を表22に示す。また、処理結果は表23、表24に示した通りであった。
共沈法にて調製した酸化セリウム(CeO2)と酸化インジウム(In2O3)の複合酸化物に白金(Pt)と酸化ランタン(La2O3)を含浸担持した。前駆体にはジニトロジアンミン白金硝酸溶液と硝酸ランタンを使用した。含浸担持後の触媒を空気中500℃で焼成を行い、300℃で水素還元を行うことで触媒を得た。得られた触媒の組成は表25に記載した。
市販のシリカアルミナにルテニウム(Ru)と酸化ランタン(La2O3)を含浸担持した。前駆体には硝酸ルテニウムおよび硝酸ランタンを使用した。含浸担持後の触媒を300℃で水素還元を行い、触媒を得た。得られた触媒の組成は表25に記載した。
図4に示す処理装置を使用し、この反応塔35に上記実施例4−3および比較例4−3で得られた触媒を、それぞれ、1リットル充填して、下記の処理条件下で処理を900時間連続して行った。以下に詳細な実験方法および結果について記述する。処理に供した排水はアンモニア水およびモノエタノールアミンであり、排水供給ライン31から排水供給ポンプ32により2リットル/hrの流量で昇圧フィードした。一方、酸化剤供給ライン33からはコンプレッサーにて昇圧した空気を供給した。この気液混合物を熱交換器34で加熱した後、触媒35.1を充填した反応塔35に導入し、処理温度250℃で湿式酸化処理した。被処理液は熱交換器34’および冷却器36により冷却した後、気液分離機37に導入した。気液分離機37では、液面コントローラ(LC)により液面を検出して液面制御弁38を作動させて一定の液面を保持するとともに、圧力コントローラ(PC)により圧力を検出して圧力制御弁39を作動させて7.0MPa(Gauge)の圧力を保持するように操作した。アンモニアおよびモノエタノールアミン濃度は処理時間の経過とともに変化させた。処理条件を表26に示す。処理結果は表27に示した通りであった。
図2に示す処理装置を使用し、この反応塔25に下記の触媒を1.2リットル充填して、下記の処理条件下で処理を1000時間連続して行った。以下に詳細な実験方法および結果について記述する。ここでは、2種類の触媒を用いたが、排水の流れ方向に対して上流側の触媒を前段触媒、下流側の触媒を後段触媒として設置した。
図2に示す処理装置を使用し、この反応塔25に下記の触媒を1.2リットル充填して、下記の処理条件下で処理を1000時間連続して行った。以下に詳細な実験方法および結果について記述する。ここでは、2種類の触媒を用いたが、排水の流れ方向に対して上流側の触媒を前段触媒、下流側の触媒を後段触媒として設置した。
2…電気ヒーター、
3…加熱器、
4…冷却器、
5…排水供給ポンプ、
6…排水供給ライン、
7…アルカリ供給ポンプ、
8…アルカリ供給ライン、
9…コンプレッサー、
10…酸素含有ガス供給ライン、
11…酸素含有ガス流量調節弁、
12…処理液ライン、
13…気液分離器、
14…圧力制御弁、
15…液面制御弁、
16…ガス排出ライン、
17…処理液排出ライン、
21…排水供給ライン、
22…排水供給ポンプ、
23…酸化剤供給ライン、
24…熱交換器、
25…反応等、
25.1…前段触媒、
25.2…後段触媒、
26…冷却器、
27…気液分離機、
28…液面制御弁、
29…圧力制御弁、
31…排水供給ライン、
32…排水供給ポンプ、
33…酸化剤供給ライン、
34、34’…熱交換器、
35…反応塔、
35.1…触媒、
36…熱交換器、
37…気液分離機、
38…液面制御弁、
39…圧力制御弁。
Claims (3)
- A成分として鉄の酸化物(Fe 2 O 3 )、ならびにチタンの酸化物(TiO 2 )、アルミニウムの酸化物(Al 2 O 3 )、ジルコニウムの酸化物(ZrO 2 )およびセリウムの酸化物(CeO 2 )からなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化物と、B成分として金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウムおよびイリジウムからなる群より選択される少なくとも1種の元素とを含み、
(a)B成分の少なくとも70質量%がA成分の酸化物の外表面から1000μm以内に存在し、(b)B成分の平均粒子径が0.5〜20nmであり、(c)A成分の酸化物の固体酸量が0.20mmol/g以上であり、かつ(d)前記A成分において、鉄の酸化物(Fe 2 O 3 )と、前記チタンの酸化物(TiO 2 )、アルミニウムの酸化物(Al 2 O 3 )、ジルコニウムの酸化物(ZrO 2 )およびセリウムの酸化物(CeO 2 )からなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化物と、の混合比(酸化物換算)は、60〜95:40〜5(質量比)であり、
前記(a)で規定されるB成分の分布状態は、触媒外表面から1000μmまでの触媒表層部に存在するB成分の触媒全量に対する割合(質量%)は、下記条件で、EPMA(電子プローブマイクロ分析)により触媒断面における触媒表層部の量を線分析し、面積比により、全体の分布に占める、触媒外表面から深さ1000μmまでの割合を算出することによって求められ、
- 前記A成分を95〜99.95質量%、前記B成分を0.05〜5質量%(A成分とB成分の合計は100質量%である)含む、請求項1記載の排水処理用触媒。
- 前記B成分を0.05〜0.7質量%含有する、請求項1または2に記載の排水処理用触媒。
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