JP6419823B2 - エステル交換触媒及び方法 - Google Patents
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Description
a)少なくとも二の異なる出発エステル化合物を混ぜ合わせて第1のエステル混合物を形成する工程;及び
b)前記第1のエステル混合物を、30〜60%の酸化カルシウムと少なくとも一の第2の金属酸化物とを含む触媒と接触させて、前記第1のエステル混合物の融点より低い融点を有する第2のエステル混合物を形成する工程
を含む。
17.70gのCa(NO3)2.4H2O及び18.81gのMn(NO3)2.4H2Oを、273mLの脱塩H2Oに溶解した。加えて、28.6gのNa2CO3(無水)を、337mLの脱塩H2Oに溶解し、この溶液を600rpmで撹拌しながら60℃に加熱した。次いで、カルシウム及びマグネシウムの塩を含有する溶液を、滴下によりNa2CO3溶液に加えると、直ちに薄茶色の沈殿物が形成された。金属塩の添加完了後、反応物を60℃で1時間撹拌したままにした。次いで沈殿物を濾過により収集し、温水に再分散させた。この手順は、試料から可能な限り多くの残留ナトリウムを除去するために実行された。沈殿物を再収集し、洗浄ステップを更に二回繰り返した後、前駆体を80℃で一晩乾燥させた。
物質は、10.6gのSr(NO3)2及び12.57gのMn(NO3)2.4H2Oを273mLのH2Oに溶解し、19.1gのNa2CO3を225mLのH2O中に溶解する以外は実施例1と同じ手順を使用して調製された。XRDは、か焼物質が主に灰チタン石相のSrMnO3からなり、少量のSrCO3を含むことを示した。ICP−AESデータは、物質が、43.4%のSr、29.7%のMn及び1%のNaであることを示した。BET表面積は2.6m2/gであった。
20.8gの酢酸カルシウム一水和物を131.5mLのH2Oに溶解し、この溶液を10gの酸化マグネシウム粉末(Sigma Aldrich、表面積72.2m2/g)に加えた。その結果得られたスラリーを撹拌し、80℃で加熱して乾燥させ、次いで80℃で一晩更に乾燥させた。TGAデータは、複数の質量損失を示し、質量の損失は650℃以降は終了すると思われた。試料を780℃で8時間か焼したとき、XRDは物質が結晶質のCaO及びMgOからなることを示した。ICP−AESは、Ca及びMgの予想量を、それぞれ24.3及び30.6%と示した。BET表面積10.7m2/gが記録された。CaOの全体のローディング量は40wt%(CaOの重量/(CaOの重量+MgOの重量))に等しかった。
11.8gのCa(NO3)2.4H2O及び26.93gのMg(NO3)2.6H2Oを、1LのH2Oに溶解した。第2の溶液は、1LのH2Oに溶解した29.53gのNa2CO3を含有していた。したがって、溶液の濃度は0.1550M(金属)及び0.2786M(塩基)であった。両溶液を、磁気的に撹拌しながら60℃に加熱し、次いでフラッシュ沈殿反応器中に、反応器内部の撹拌を2000rpmに設定して20mL/分でポンピングした。その結果得られた混合物を収集し、1日間室温に保った。沈殿物を濾過により収集し、再スラリー化し、温水で洗浄し、再度濾過した。このような洗浄手順を更に3回実行し、その後沈殿物を80℃で一晩乾燥させた。乾燥粉末を空気中において800℃で2時間、管状炉内部においてか焼し、次いで大量の炭酸塩の形成及び触媒表面へのCO2の吸収を避けるためにアルゴン流下において室温に冷却した。
物質は、実施例4に記載したものと同じ方法及び同じ量で調製されたが、カルシウム及び硝酸マグネシウム塩の溶液は、磁気的に撹拌された炭酸ナトリウム溶液中に滴下により添加された。添加完了後、沈殿物を1時間60℃で熟成させ、次いで濾過し、温水中において再スラリー化し、再度濾過した。濾過法を更に3回繰り返し、その後沈殿物を80℃で一晩熟成させた。焼成を、管状炉内で800℃の気流下において2時間実行し、次いで試料をAr下で室温に冷却した。ICP−AES分析は、33.6%のCa、30.8%のMg及び0.6%のNaを示した。BET表面積は12.7m2/gであった。
物質を、実施例5に記載した方法を使用し、全体の金属濃度を同じに維持しながら、異なる量の硝酸カルシウム及び炭酸ナトリウムを用いて調整した。30wt%のCaO、50wt%のCaO及び60wt%のCaOを含有する物質がこの方法により調製され、それぞれの測定された表面積は54.3m2/g、7.9m2/g及び6.7m2/gであった。
40wt%のCaO及びMgOを含有する物質も、実施例5に記載されたようにして、標準的な乾燥ではなく凍結乾燥により、調製した。表面積はBET法を用いて49.5m2/gと測定された。
それぞれ40wt%及び50wt%のCaOを含有する物質を、硝酸カルシウム、硝酸マグネシウム及び炭酸ナトリウムの必要量を倍増させて水の量を半分にすることにより固体濃度を四倍に上昇させたこと以外は実施例5に記載した一般的方法を使用して、調製した。BET法を使用して、表面積18.6m2/g(40wt%のCaO)及び9.0m2/g(50wt%のCaO)が記録された。
炭酸カルシウムを、沈殿により、事前に形成したMgO支持体の上に以下のようにして堆積させた:10gのMgO(重、BDH Chemicals)を192mLのH2Oに分散させ、これに対して22.66gのNa2CO3を加えた。この分散体を60℃に加熱した。192mLのH2O中28.07gの硝酸カルシウム四水和物からなる溶液を作製し、この溶液を、撹拌しながら滴下によりMgO分散体に加えた。添加により白色沈殿物の形成が観察され、これを60℃で1時間撹拌したままにした。固体を、真空濾過により収集し、温水(250mL)により全部で4回にわたり、再スラリー化及び濾過により洗浄した。洗浄した固体を、次いで一晩80℃で乾燥させ、空気中で(800℃で2時間、10℃/分の傾斜率)か焼し、Ar流下で冷却した。BET法を用いて表面積4.8m2/gが記録され、ICP−AESは29.5%のCa、33.9%のMg及び0.69%のNaを示した。
同じ名目上40wt%のCaOローディング量を有する物質を、重MgO固体物質の代わりに、MgO(軽、Alfa Aesar社))、LiAlO2(Alfa Aesar社)、ZrO2、SiO2(P432)、Al2O3(PURALOXTM HP14/150)及びLa2O3(硝酸ランタンから炭酸ナトリウムを用いて炭酸ランタン前駆体を沈殿させ、続いて焼成することにより調製)を用いて調製した。
物質は、11.9gのCaCO3及び10gのMgO(軽、Alfa Aesar社)を500mLのH2O中において混合することにより調製された(固体濃度0.044g/mL)。次いで懸濁された粒子の混合物を、入口温度180℃及び気流速度670L/時間のBuchi B−290 Mini Spray Drierを15mL/分の速度で用いて噴霧乾燥した。噴霧乾燥した粉末を、管状炉内において800℃の空気中で2時間か焼し、次いでアルゴン流下で室温に冷却した。
40%のCaOと、0.5、1、2又は5wt%のナトリウムとをそれぞれ含有する物質を、実施例19に記載の方法により、炭酸ナトリウムをカルシウムとマグネシウムの混合物に加えることにより調製した。0.3842gのNa2CO3を使用して、最終物質中1%のナトリウムを提供し、添加した炭酸ナトリウムの量を変更することにより他の濃度のナトリウムを作製した。
40%のCaO及び2%のナトリウムを、実施例22の方法を用いて、但し715℃の焼成温度を使用して、調製した。最終触媒の表面積は19.5m2/gであった。
40%のCaOと、0、0.5、1、2又は5wt%のナトリウムをそれぞれ含有する物質を、実施例19〜23に記載の方法により、但しMgOの代わりにLiAlO2(Alfa Aesar社)の分散体を用いて調製した。
40%のCaO及び2%のナトリウムを含有する物質を、実施例22の方法を用いて、噴霧乾燥の前にウェットミリング工程を加えて調製した。粉末を、50mLのH2O中に分散させ、粉末対ビーズの質量比1:10で10mmのビーズZrO2を用いるFritsch社のPulverisette遊星型ボールミルを使用して、400rpmで1時間、15分毎に10分の中休みを入れながら粉砕した。次いで、水で混合物を最大500mLにし、実施例19のようにして噴霧乾燥した。か焼物質には、表面積9.8m2/gが記録された。
物質は、酢酸カルシウム、酢酸マグネシウム及び酢酸ナトリウムの水溶液を噴霧乾燥することにより調製された。30gの酢酸マグネシウム四水和物、11.82gの酢酸カルシウム一水和物及び1.11gの酢酸ナトリウム三水和物を300mLの水に溶解した。その結果得られた溶液を、入口温度130℃及び気流速度670L/時間において、9mL/分の速度で噴霧乾燥した。次いで粉末を、管状炉内において800℃の空気中で2時間か焼した。炉を10℃/分で300℃まで、次いで5℃/分で400℃まで、及び再度10℃/分で800℃までの勾配で上昇させた後、アルゴン流下で冷ました。BET表面積6.5m2/gが記録された。
K2CO3及びMgOを含有するエステル交換触媒を調製した。5gのK2CO3を17mLのH2Oに溶解し、19.84gのMgOに加えた。触媒を室温で一晩、110℃で16時間乾燥させた。焼成を、空気中において500℃で2時間実行した。このような手順は、比較のために米国特許第6072064号の実施例3に記載の触媒を生成することを意図している。
実施例1〜31に記載のようにして作製した物質を、エステル交換触媒として試験した。スラリー相のエステル交換反応を、以下の条件下において、粉末化した触媒を用いて実行した:
原材料:重量比4:1の大豆油及びパームステアリン、(12.5gの大豆油及び3.125gのパームステアリン)。
触媒の量10wt%、(1.57g)
反応温度:設定温度225℃、これによる油温度205℃。
反応時間:5時間
圧力:気圧
撹拌速度:600rpmに設定
雰囲気:油の酸化を回避するため、反応はアルゴンガス流下において実行された。
油の試料を1時間間隔で採取し、これらを、−60℃から60℃で、Mettler Toledo社のDSC822e機器を用いる示差走査熱量測定(DSC)により分析した。触媒の活性を、DSCピーク下の部分面積を決定することにより評価し、油が−60℃で100%固体であり、60℃で0%固体であると仮定することにより、特定の温度Tにおいて固体である油のパーセンテージを決定することが可能であった。融点は、油の5%が固体で95%が液体である温度と考えた。これにより、反応後の油混合物の融点を比較することにより、各触媒の活性を比較することができる。出発大豆油及びパームステアリン混合物の融点は、この方法により測定した場合51.5℃であり、これはナトリウムメトキシドを用いたエステル交換後に30.9℃に低下する。結果を表1に示す。
硫酸化酸化スズ(SnO2−SO4 2−)を、Jitputtiらによって記載された方法(J. Jitputti, B. Kitiyanan, P. Rangsunvigit, K. Bunyakiat, A. Attanatho, P. Jenvanitpanjakul, Chem. Eng. J., 2006, 116, 61)に従って調製した。この参考文献は、メタノールによるトリグリセリドのエステル交換のためのこの物質に期待できる方法について記載している。この試料を、実施例32に記載のように、大豆油及びパームステアリンのエステル交換について試験した。反応後に油の溶融特性に変化は見られず、このことは、比較実施例Bがエステル交換触媒として活性を示さないことを示唆している。
硫酸化酸化ジルコニウム(ZrO2−SO4 2−)を、Jitputtiらによって記載された方法(J. Jitputti, B. Kitiyanan, P. Rangsunvigit, K. Bunyakiat, A. Attanatho, P. Jenvanitpanjakul, Chem. Eng. J., 2006, 116, 61)に従って調製した。この試料を、実施例32に記載のように、大豆油及びパームステアリンのエステル交換について試験した。反応後に油の溶融特性に変化は見られず、このことは、比較実施例Cがエステル交換触媒として活性を示さないことを示唆している。
S.Yanらの文献(S. Yan, S. O. Salley, K. Y. S. Ng, Appl. Catal. A, 2009, 353, 203)によれば、ZnO−La2O3は、トリグリセリド及びメタノールの、脂肪酸メチルエステル及びグリセロールへのエステル交換に関して高度に活性の触媒である。Zn/La比3:1及び6:1の「ZnO−La2O3」(XRDにより、参考文献及び本発明者らの作業の両方において、ランタン相、主にLa2O2CO3の混合物からなると示されたもの)の試料を、著者により記述された方法に従って調製した。試料を、実施例32によるエステル交換法において試験したところ、活性は示されず、反応前及び後で融点は51.1℃と記録された。
Georgogianniら(K. G. Georgogianni, A. P. Katsoulidis, P. J. Pomonis, M. G. Kontominas, Fuel Process. Technol., 2009, 90, 671)は、メタノールによる大豆油のエステル交換のための複数の混合酸化物系について記載している。Mg−Alハイドロタルサイト(Mg/Al比=3:1)は、その反応条件下における大豆油から脂肪酸メチルエステルへの変換率が96%に達し、それら物質の中で最も塩基性且つ最も活性であることが発見された。本発明者らは、参考の学術論文の記載に従ってMg−Alハイドロタルサイト触媒を、Mg/Al比3:1で調製した。この触媒は、実施例32により記載されたエステル交換法について活性を示さず、油の融点は反応後も変わらず51.5℃のままであった。
エステル交換の間に触媒から油中に浸出する触媒金属の量は、反応後の触媒の除去に続いてICP−AESにより生成油を分析することにより決定された。結果を表2に示す。
触媒試料は、エステル交換反応に使用後に収集し、その都度次の反応に使用する前に油混合物から分離して、更に四回のエステル交換反応に使用した。各使用又は「サイクル」の、5時間の反応時間後の融点を表3に示す。上述のように、触媒比較例Aは、2%の触媒ローディング量で使用され、反応時間は1時間であった。
炭酸カルシウムを、塩基性溶液として炭酸アンモニウムの溶液を用いて硝酸カルシウムの溶液から沈殿させた。固体を、濾過により分離し、洗浄し、乾燥させ、800℃でか焼して、酸化カルシウムに変換した。酸化カルシウムの固体を実施例32に記載されたエステル交換反応における触媒として使用した。5時間後、反応混合物の融点は47.1℃であった。
実施例12の調製に使用された種類の酸化マグネシウムの粒子を、実施例32に記載のエステル交換反応における触媒として使用した。5時間後、反応混合物の融点は48.2℃であった。
物質は、11.9gのCaCO3、10gのMgO(軽、Alfa Aesar社)及び1gのK2CO3 を500mLのH2O中において混合することにより調製された(固体濃度0.044g/mL)。この混合物は、実施例22のNaのモル数と同じモル数のKを混合物中に生じると計算された。次いで懸濁された粒子の混合物を、入口温度180℃及び気流速度670L/時間のBuchi社のB−290 Mini Spray Drierを15mL/分の速度で用いて噴霧乾燥した。噴霧乾燥した粉末を、管状炉内において800℃の空気中で2時間か焼し、次いでアルゴン流下で室温に冷却した。
実施例22により記載された噴霧乾燥した触媒を、ペレットに形成した。実施例22に記載のように形成されたCaO−MgO粉末を、Turbula(登録商標)のシェーカーミキサー中において、結合剤として1wt%のグラファイトを用いて混合した。混合物を、Alexanderwerk(登録商標)Roller Compactor WP120水圧プレスを用いて圧縮した。圧縮された物質を、次いで細砕し、ふるい分けして、250〜600ミクロンのサイズ分布を達成し、シェーカーミキサー中において1wt%のグラファイトを用いて再度混合した。この混合物を、次いで、Dott Bonapace(登録商標)CPR−6水圧プレスを用いて3mmの径及び3.3mmの長さの円筒形の錠剤に圧縮した。錠剤の平均密度は2.35g/cm3であり、平均圧潰強度(ペレットの長さに沿って印加)は6.5kgfであった。
Claims (14)
- 第2のエステル混合物を含む、少なくとも二の異なる出発エステル化合物の混合物からのエステル生成物の製造のためのエステル交換方法であって、
a)少なくとも二の異なる出発エステル化合物を混ぜ合わせて第1のエステル混合物を形成する工程;及び
b)前記第1のエステル混合物を、30〜60%の酸化カルシウム及び少なくとも一の第2の金属酸化物を含む触媒と接触させて、前記第1のエステル混合物の融点より低い融点を有する第2のエステル混合物を形成する工程であって、第2の金属酸化物が、カルシウム以外の第2A族の金属の酸化物、遷移金属の酸化物、酸化ランタン、シリカ、アルミナ及び金属アルミネートからなる群より選択される、工程
を含む方法。 - 出発エステル化合物のうちの少なくとも一がトリグリセリドである、請求項1に記載の方法。
- 出発エステル化合物のうちの少なくとも一が、12から24の炭素原子を含有するカルボン酸のエステルを含む、請求項1又は2に記載の方法。
- 触媒が出発エステル化合物のうちの少なくとも一に事前に分散される、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 第2の金属酸化物が酸化マグネシウムを含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 触媒が更に1〜5%のアルカリ金属を含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 触媒が20m2/g未満の表面積を有する、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 反応が0から300℃の間の温度で起こる、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 触媒が第2のエステル混合物から分離され、第1のエステル混合物に加えられて再使用される、請求項1か8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記触媒が、30〜60%の酸化カルシウム、40〜70%の酸化マグネシウム及び0から5%のナトリウム又はカリウムを含む、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
- 30〜60%の酸化カルシウム、40〜70%の酸化マグネシウム及び0から5%のナトリウム又はカリウムを含む、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法における使用のための触媒。
- 酸化カルシウム及び酸化マグネシウム、並びにアルカリ金属、ペレット成形補助剤、潤滑油、結合剤、圧縮補助剤、又は成形触媒粒子を形成するために有用な他の添加剤から選択される任意選択的成分からなるか、又はそれらから基本的になる、請求項11に記載の触媒。
- 1から20m2/gの範囲の表面積を有する、請求項11又は12に記載の触媒。
- d50が0.5〜50ミクロンの範囲に含まれるような粒度分布を有する粉末の形態、又は少なくとも0.5mmの最小寸法を有する複数の成形触媒粒子の形態の、請求項11から13のいずれか一項に記載の触媒。
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