JP6029682B2 - アルカンの脱水素化に有用な亜鉛および/またはマンガンアルミネート触媒 - Google Patents
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Description
て調製される。
(a)亜鉛および/またはマンガン含有塩の溶液と、アルミニウム含有塩の溶液とを調製し、亜鉛および/またはマンガンならびにアルミニウム含有溶液を作成する工程と、
(b)好ましくは炭酸ナトリウム(Na2CO 3)溶液であるアルカリ性溶液を、前記亜鉛および/またはマンガンならびにアルミニウム含有溶液に混合し、亜鉛および/またはマンガンアルミネートを形成する工程と、
(c)前記亜鉛および/またはマンガンアルミネートをか焼する工程と、
を含む方法を提供する。
素雰囲気中で加熱することで、触媒前駆体のか焼を実施する。触媒前駆体を2〜24時間
にわたって、500〜1100℃でか焼することが可能であり、550〜800℃でのか
焼が好ましく、600〜700℃でのか焼が最も好ましい。
率および収率でアルカン類からアルケン類を生産できる可能性がある。それに加えて、またはその代わりに、600〜700℃のか焼温度を用いて調製された触媒組成物は、活性
をより長い期間にわたって維持することが可能である。
。その還元剤は、水素(H2)と、2〜5個の炭素原子を有する炭化水素とから成る群から選択されたものであることが好ましい。
(a)亜鉛および/またはマンガン含有塩の溶液と、アルミニウム含有塩の溶液とを調製し、亜鉛および/またはマンガンならびにアルミニウム含有溶液を作成する工程と、
(b’)可溶性のM含有塩を混合し、Mで修飾された亜鉛および/またはマンガンならびにアルミニウム含有溶液を作成する工程と、
(b)好ましくは炭酸ナトリウム(Na2CO 3)溶液であるアルカリ性溶液を、前記Mで修飾された亜鉛および/またはマンガンならびにアルミニウム含有溶液に混合し、Mで修飾された亜鉛および/またはマンガンアルミネートを形成する工程と、
(c)前記Mで修飾された亜鉛および/またはマンガンアルミネートをか焼する工程と、
を含む方法を提供する。
(a)亜鉛および/またはマンガン含有塩の溶液と、アルミニウム含有塩の溶液とを調製し、亜鉛および/またはマンガンならびにアルミニウム含有溶液を作成する工程と、
(b)好ましくは炭酸ナトリウム(Na2CO 3)溶液であるアルカリ性溶液を、前記亜鉛および/またはマンガンならびにアルミニウム含有溶液に混合し、亜鉛および/またはマンガンアルミネートを形成する工程と、
(b”)形成された前記亜鉛および/またはマンガンアルミネートにM含有塩溶液を接触させ、Mで修飾された亜鉛および/またはマンガンアルミネートを形成する工程と、
(c)前記Mで修飾された亜鉛および/またはマンガンアルミネートをか焼する工程と、
を含む方法を提供する。
(a)亜鉛および/またはマンガン含有塩の溶液と、アルミニウム含有塩の溶液とを調製し、亜鉛および/またはマンガンならびにアルミニウム含有溶液を作成する工程と、
(b)好ましくは炭酸ナトリウム(Na2CO 3)溶液であるアルカリ性溶液を、前記亜鉛および/またはマンガンならびにアルミニウム含有溶液に混合し、亜鉛および/またはマンガンアルミネートを形成する工程と、
(c)前記亜鉛および/またはマンガンアルミネートをか焼する工程と、
を含む方法によって作成可能な触媒組成物を提供する。
(a)亜鉛および/またはマンガン含有塩の溶液と、アルミニウム含有塩の溶液とを調製し、亜鉛および/またはマンガンならびにアルミニウム含有溶液を作成する工程と、
(b)好ましくは炭酸ナトリウム(Na2CO 3)溶液であるアルカリ性溶液を、前記亜鉛および/またはマンガンならびにアルミニウム含有溶液に混合し、亜鉛および/またはマンガンアルミネートを形成する工程と、
(c)前記亜鉛および/またはマンガンアルミネートをか焼する工程と、
を実施して触媒組成物を調製することと、
(d)アルカン脱水素化条件下で、前記触媒組成物を前記アルカン類に接触させることと
を含む。
硝酸亜鉛六水和物16.232gを脱塩水60mlに溶解した。硝酸アルミニウム九水和物40.92gを脱塩水110mlに溶解した。両溶液を三つ口丸底フラスコ内で混合した。炭酸ナトリウム30gを脱塩水285mlに溶解した。硝酸溶液の混合物が入った三つ口フラスコを撹拌しながら85℃に加熱した。続いて、撹拌を継続しながら炭酸ナトリウム溶液を滴下によって添加した。三つ口フラスコ内の高温の混合物のpH値が7.0〜7.5になった時点でその添加を中止した。さらに、その混合物を100℃で2.5時間温浸させた。次に、形成された高温のスラリーを減圧濾過し、濾液のpH値が7.0になり且つ濾液のナトリウム含有量が約5ppmになるまで脱塩水で洗浄した。この洗浄には脱塩水約800mlを要した。続いて、湿ったケーキを移動し、空気炉内にて120℃で12時間乾燥させた。そして、乾燥した固体をマッフル炉内にて空気の存在下で600℃で4時間か焼した。粉末XRDパターンを図1に示す。本出願で提示するX線回折デー
タは、Bruker社のD8 Advance systemを用いて得たものである。Niフィルタを通したCuKα放射線(A=1.54056A)を用いてX線回折(XRD)パターンを得た。X線源を40kV且つ30mAで作動させて、2θ値5°から70°まで毎分0.05°の速度でスキャンした。粉末試料をプラスチックのスライドに充填して、XRDデータ解析を実施した。
硝酸マンガン(II)13.79gを脱塩水80mlに溶解した。硝酸アルミニウム九水和物40.92gを脱塩水110mlに溶解した。3つともの溶液を三つ口丸底フラスコ内で混合した。炭酸ナトリウム30gを脱塩水285mlに溶解した。調製方法は実施例1で説明したものと同じであった。
硝酸亜鉛六水和物8.116gを脱塩水30mlに溶解した。硝酸マンガン(II)6.895gを脱塩水40mlに溶解した。硝酸アルミニウム九水和物40.92gを脱塩水110mlに溶解した。3つともの溶液を三つ口丸底フラスコ内で混合した。炭酸ナトリウム30gを脱塩水285mlに溶解した。調製方法は実施例1で説明したものと同じであった。粉末XRDパターンを図2に示す。
ステップ1:550℃で1時間、毎分100mlの流量の空気にさらした。
ステップ2:550℃で10分間、毎分100mlの流量の窒素にさらした。
ステップ3:550℃で1時間、毎分100mlの流量の水素にさらした。
転化率:
イソブタンの転化の程度によって、触媒の活性の表れを判定した。使用した基本式は以下のとおりであった。
転化率%=(供給したイソブタンのモル数)−(排出されたイソブタンのモル数)/(供給したイソブタンのモル数)×100/1
選択率:
まず、各生成成分に対する検出器の異なる反応値にオンライン校正係数を乗算することで、容量%に変換した。次に、内標準物質の流出量、供給モル数、および時間数を考慮して、容量%をモル数に変換した。各生成物のモル数をモル%に変換し、炭素数を考慮して選択率%を算出した。
収率:
各プロセス生成物の収率は、転化率に選択率を乗算することで算出できる。
亜鉛およびマンガンを組成に含む亜鉛マンガンアルミネートを、実施例1と同じ方法で、亜鉛成分およびマンガン成分の重量を変えて調製した。亜鉛とマンガンの比率を0.0〜1.0の範囲内で変えた結果、表2に示す各組成物が得られた。全ての触媒において、硝酸アルミニウムの分量は40.92gで、炭酸ナトリウムの分量は30gであった。
亜鉛マンガンアルミネート触媒を、実施例1で説明したものと同じ手順で調製したが、それぞれ異なる温度(700℃、800℃、900℃、および1090℃)でか焼した。
異なる温度でか焼して調製したそれらの触媒を、以下のように称した。
触媒5.1:700℃でか焼
触媒5.2:800℃でか焼
触媒5.3:900℃でか焼
触媒5.4:1090℃でか焼
イソブタンの脱水素化に関してこれらの触媒で得られた結果を表4に示す。脱水素化反応は、実施例3で説明した手順で実施した。温度の上昇とともに転化率が低下する。この結果は、最適なか焼温度が600〜700℃であることを示している。
Gaを0.1〜1.0重量%含むGa/Zn−Mnアルミネート触媒を、実施例3で説明したものと同じ手順において、必要量の硝酸ガリウム(Ga0.1重量%用に0.0597g、Ga0.5重量%用に0.2976g、および、Ga1.0重量%用に0.5952g)を他の化学物質と共に添加することによって調製した。
Ga/およびSn/Zn−Mn触媒の両方を、イソブタンの脱水素化に関して、実施例3で説明した手順によって評価した。結果を表5に示す。
酸化亜鉛22.19gと水和γ−アルミナ(hydrated gamma-alumina)27.81gとを、脱塩水と共に乳鉢内ですり合わせて完全に混合し、粘度の高いペーストを形成した。そのペーストを120℃で乾燥させ、空気中にて900℃で8時間か焼した。この亜鉛ア
ルミネートのXRDパターン(実施例1で説明した方法で得たもの)を図3に示し、比較のために、共沈法で調製した亜鉛アルミネートのXRDパターンも図3に示す。それによると、Znアルミネートを本発明の共沈法で調製することによって、従来技術の固体方法を用いた場合とは異なる組成が得られると、結論付けられる。
さらに、異なる沈殿剤を用いて亜鉛マンガンアルミネート触媒を調製した。沈殿剤として、炭酸ナトリウムの代わりに、炭酸カリウム、炭酸アンモニウム、および水酸化アンモニウムをそれぞれ使用した。手順は実施例3と同じであった。それらの触媒を、イソブタンの脱水素化に関して、実施例3で説明した手順によって評価した。結果を表6に示す。結果は、これらの触媒の性能が、沈殿剤として炭酸ナトリウムを用いて調製した触媒(実施例1)に比べて劣っていることを示す。上記各沈殿剤を用いて調製したZn−Mnアルミネート試料のXRDパターンを図4に示す。比較のために、沈殿剤として炭酸ナトリウムを用いて調製したZn−MnアルミネートのXRDパターンも、図4に示す。XRDパターンは、実施例1で説明した方法で得たものである。
事前に調製した硝酸アルミニウム九水和物の溶液(40.9gを脱イオン水54.4mlに溶解したもの)と、硝酸亜鉛六水和物の溶液(16.2gを脱イオン水27.3mlに溶解したもの)と、硝酸セシウム7.33mg(亜鉛アルミネート触媒中Cs0.05重量%用)または硝酸セシウム0.73mg(亜鉛アルミネート触媒中Cs0.005重量%用)および脱イオン水100mlとを、丸底フラスコに投入し、撹拌(毎分250回転)しながら85℃に加熱した。pH値が8になるまで、炭酸ナトリウム1モル溶液をゆっくりと添加した。温度を100℃まで上昇させて、沈殿物を100℃で2時間温浸させた。内容物を冷却および濾過し、熱空気で洗浄した。洗浄後の液体の最終的なpH値は7であった。湿ったケーキを空気炉内にて120℃で約8時間乾燥させた。その試料を粉末状にし、毎分10℃の加熱速度と毎分150mlの空気流量とを用いて900℃で4時間か焼した。最終生成物の重量は9.1gであった。
り高い転化率および収率をもって、より優れた活性を示す。また、これらの触媒が、より長い作用時間にわたって活性を維持することが見出された。
実施例9と同様にして、Kを0.05重量%含有する触媒を調製した。
実施例9と同様にして、銅(Cu)を異なる分量にて(すなわち、亜鉛アルミネート触媒全体を基準にして1重量%または5重量%)含有する亜鉛アルミネート触媒を調製した。そのために、脱イオン水に溶解した状態の硝酸銅三水和物を以下の分量にて、硝酸亜鉛および硝酸アルミニウムの溶液に添加した:硝酸銅三水和物0.366g(亜鉛アルミネート触媒中Cu1.0重量%用)、硝酸銅三水和物1.867g(亜鉛アルミネート触媒中Cu5.0重量%用)、および、硝酸銅三水和物3.731g(亜鉛アルミネート触媒中Cu10.0重量%用)。
00℃と記した触媒の場合)のどちらかで実施した。
ついての活性度が、900℃で4時間か焼した触媒に比べてより高い触媒を得られる。
実施例9と同様にして、K、Ca、Ba、Mg、およびCsのそれぞれを各0.05重量%含有する亜鉛アルミネート触媒を調製した。そのために、亜鉛およびアルミニウム含有溶液に、以下の分量のMを含有させた:硝酸カリウム12.930mg(亜鉛アルミネート触媒中K0.05重量%用)、硝酸カルシウム29.461mg(亜鉛アルミネート触媒中Ca0.05重量%用)、硝酸バリウム9.515mg(亜鉛アルミネート触媒中Ba0.05重量%用)、硝酸マグネシウム52.343mg(亜鉛アルミネート触媒中Mg0.05重量%用)、および、硝酸セシウム7.332mg(亜鉛アルミネート触媒中Cs0.05重量%用)。
実施例9と同様にして、Zr(0.5重量%、1.0重量%、5.0重量%、または8.0重量%)を含有する亜鉛アルミネート触媒を調製した。そのために、亜鉛およびアルミニウム含有溶液に、以下の分量のZrを含有させた:硝酸ジルコニウム0.127g(亜鉛アルミネート触媒中Zr0.5重量%用)、硝酸ジルコニウム0.254g(亜鉛アルミネート触媒中Zr1.0重量%用)、硝酸ジルコニウム1.267g(亜鉛アルミネート触媒中Zr5.0重量%用)、および、硝酸ジルコニウム2.028g(亜鉛アルミネート触媒中Zr8.0重量%用)。か焼は900℃で4時間実施した。
Claims (13)
- 2〜8個の炭素原子を有するアルカン類の脱水素化に対する亜鉛およびマンガンアルミネートを含む触媒組成物であって、前記組成物に含まれる各元素の相対モル比は化学式
M/Zn1−yMnyAl2O4
で表され、ここで、
亜鉛およびマンガンアルミネートを基準にして0〜5重量%のMが前記触媒組成物中に存在し、Mは、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、セシウム(Cs)、ルビジウム(Rb)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、銅(Cu)、ジルコニウム(Zr)、コバルト(Co)、タングステン(W)、およびそれらの混合物から成る群から選択されたものであり、
yは0<y<1の範囲内の値である、触媒組成物。 - プラチナを実質的に含まない、請求項1に記載の触媒組成物。
- 前記亜鉛およびマンガンアルミネートがスピネル構造を有する、請求項1または2に記載の触媒組成物。
- 請求項1から3のいずれか一項に記載の触媒組成物であって、y=0.01〜0.99である、触媒組成物。
- 請求項1から4のいずれか一項に記載の触媒組成物であって、Mがガリウム(Ga)またはスズ(Sn)0.01〜0.1重量%である、触媒組成物。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の触媒組成物であって、Mが、セシウム(Cs)、カリウム(K)、銅(Cu)、ナトリウム(Na)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ジルコニウム(Zr)、およびそれらの混合物から成る群から選択されたものである、触媒組成物。
- 請求項1から6のいずれか一項に記載の触媒組成物を調製する方法であって、
(a)亜鉛およびマンガン含有塩の溶液と、アルミニウム含有塩の溶液とを調製し、亜鉛およびマンガンならびにアルミニウム含有溶液を作成する工程と、
(b)アルカリ性溶液を、前記亜鉛およびマンガンならびにアルミニウム含有溶液に混合し、亜鉛およびマンガンアルミネートを形成する工程と、
(c)前記亜鉛およびマンガンアルミネートをか焼する工程と、
を含む方法。 - 請求項7に記載の方法であって、
前記工程(b)で前記アルカリ性溶液を混合する以前に、前記亜鉛およびマンガンならびにアルミニウム含有溶液がさらにMを含有していること、あるいは、前記工程(b)で形成された前記亜鉛およびマンガンアルミネートにM含有塩溶液を接触させることを含み、
前記Mは、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、セシウム(Cs)、ルビジウム(Rb)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、銅(Cu)、ジルコニウム(Zr)、コバルト(Co)、タングステン(W)、およびそれらの混合物から成る群から選択されたものである、方法。 - 前記M含有塩溶液中の一つまたはそれ以上の塩が硝酸塩である、請求項8に記載の方法。
- 請求項7から9のいずれか一項に記載の方法であって、前記亜鉛およびマンガンアルミネートを、500〜1100℃にて、有酸素雰囲気中で2〜24時間にわたってか焼すること、及び、
か焼後に前記触媒組成物に還元剤を接触させることを含む、方法。 - 請求項1から6のいずれか一項に記載の触媒組成物を含む2〜8個の炭素原子を有するアルカン類の脱水素化に対する触媒。
- 2〜8個の炭素原子を有するアルカン類を脱水素化するプロセスであって、請求項1から6のいずれか一項に記載の触媒組成物又は請求項11に記載の触媒を前記アルカン類に接触させ、前記プロセスは反応温度が500〜600℃で、空間速度が0.1〜1h−1で、圧力が0.01〜0.1MPaの条件下で実施されるプロセス。
- 前記アルカン類は供給流中に存在し、前記供給流は蒸気を含まない、請求項12に記載のプロセス。
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