JP7016682B2

JP7016682B2 - パラジウムを非成型の活性炭粒子表面に偏在担持した活性炭触媒の製造方法

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Publication number: JP7016682B2
Application number: JP2017233958A
Authority: JP
Inventors: 保義北端
Original assignee: NE Chemcat Corp
Current assignee: NE Chemcat Corp
Priority date: 2017-12-06
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2022-02-07
Anticipated expiration: 2037-12-06
Also published as: JP2019098283A

Description

本発明は、非成型の活性炭粒子表面側に活性種としてのパラジウムを偏在担持させた触媒を製造する方法に関する。

有機合成化学の分野において、その合成反応に触媒が使用されることは周知のとおりである。このような触媒には均一系と言われる触媒と、不均一系と言われる触媒があることが知られている。均一系触媒は、触媒としての機能を有する酸、塩基、金属錯体などを利用するものが知られており、反応物、生成物、並びに一般的には液体の触媒を均一層として混合して使用される。これに対して不均一系触媒は、活性炭や多孔質のシリカやアルミナなど無機酸化物を担体とし、反応物と接触する担体の表面側にパラジウムや白金などの触媒活性種が偏在担持されて使用される。

均一系触媒反応は、反応物と触媒を分子レベルで混合して使用されることから、選択性が高く、比較的温和な条件で反応が促進する。しかし、反応に使用した触媒の変質、反応系からの触媒の回収、生成物からの触媒の分離が困難であることから、特に触媒として高価な貴金属を使用した場合には、回収や再利用の点で不均一系触媒と比べると産業的に不利な触媒であるともいえる。

これに対して不均一系触媒は、気相反応であれば固定床中に触媒を配置するか、液相反応であれば流動床反応装置中に触媒を混合し、所定の条件の下、反応物を流通させることで触媒反応を促進して生成物を得ることができる。

不均一系触媒は担体に貴金属等の活性種を担持した触媒であり、このような触媒用の担体、特に流動床用触媒担体としては活性炭が知られているのは前述のとおりであり、広く普及している。

活性炭粒子を担体とした触媒には活性種として主にパラジウム、白金、ロジウム等の貴金属が担持される。このような貴金属を活性炭粒子に担持する手法としては、種々の方法が知られているが、貴金属は高価であるため、その使用量を少なくするために、貴金属を表面付近に担持させる技術が発達してきている。

そのような技術としては、貴金属を成型活性炭粒子の表面から深さ５０μｍまでの層に、担持された貴金属の７０質量％を担持させるために、先ず貴金属の塩と酸化剤を含有する水溶液のｐＨを調整したものを、成型活性炭粒子に吸液させ、その後、吸液した貴金属塩を固定化するために還元処理を施す技術が知られている（特許文献１）。しかしながら、この技術では貴金属を成型活性炭粒子の表面から深さ５０μｍまでの層、つまり、貴金属があまり表面に偏在しておらず、精緻な反応制御が必要な産業用反応の触媒としては不向きであるといえる。また、この触媒を製造する際、成型（加圧）のため表面側における細孔の減少が顕著である成型活性炭粒子を用いるため、活性種原料である貴金属塩溶液が吸液し難くなったり、活性種の分散状態も悪くなるため、触媒としての活性が低下する。この場合も産業用触媒の製法として適切な手法とは言い難い。

また、別の技術としては、担体にあらかじめ溶剤を吸液させ、その後に貴金属塩の溶液を吸液させる製法が知られている（特許文献２）。しかしながら、この技術では、貴金属塩溶液を担体に含浸させる際に、それに先んじて相当量の溶剤が吸液している影響で、貴金属塩溶液の吸液量の制御が難しく出来上がった触媒において所定の量の貴金属量の担持が困難であり、精緻な反応制御が必要な産業用反応の触媒としては不向きであるといえる。また、この触媒を製造する際、吸液しきれない貴金属塩溶液も生じ易く、高価な貴金属を無駄にしてしまい、この場合も産業用触媒の製法として適切な手法とは言い難い。

特開２００３－１４４９２１号公報特開昭５０－３０８２８号公報

本発明者は、担体として非成型の活性炭粒子を用い、簡便な方法で確実に活性種としてのパラジウムを活性炭粒子表面に担持させる技術を提供することを課題とした。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、非成型の活性炭粒子に、ｐＨ無調整のパラジウム塩を含有する水溶液を吸液させた後、含浸されたパラジウム塩を還元剤水溶液で液相還元することにより、パラジウムを活性炭粒子表面に担持できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、非成型の活性炭粒子に、ｐＨ無調整のパラジウム塩を含有する水溶液を吸液させた後、含浸されたパラジウム塩を還元剤水溶液で液相還元することを特徴とする担持されたパラジウムの８０質量％以上が活性炭粒子の表面から１μｍまでに偏在担持されたパラジウム偏在担持活性炭触媒の製造方法である。

また、本発明は、担持されたパラジウムの８０質量％以上が非成型の活性炭粒子の表面から１μｍまでに偏在担持されたことを特徴とするパラジウム偏在担持活性炭触媒である。

本発明の製造方法によれば、簡便な方法で、活性種としてのパラジウムを非成型の活性炭粒子表面に偏在担持させることできる。また、本発明の製造方法によれば、パラジウムの担持位置も調整することができる。更に、通常、加圧され、成型されている活性炭粒子は、特段の工夫が無くても活性種原料水溶液は表面側に偏り、最終的に担持される活性種も表面側に多く担持させることが容易であるが、本発明製法では、非成型の活性炭粒子の表面側にもパラジウムを多く偏在担持させることができる。

そのため、本発明の製造方法で得られるパラジウム偏在担持活性炭触媒の反応工学的な用法は特に限定されるものではないが、パラジウムが非成型の活性炭粒子表面に偏在して担持されているため、反応系における活性種と反応物との接触が容易であることから、生成物を得る為に必要な時間を短くすることが可能で、反応物を反応系に連続的に供給する連続式反応器に使用することが好適である。連続式反応器は反応物の投入、触媒反応、生成物の回収が同時に行われるもので、反応に要する操作に途切れが無く、触媒反応にかけられる時間が短いことから、本発明の様な活性種と反応物との接触が容易な触媒が産業上は有利である。なお、本発明の触媒はこのような連続式の反応器への利用に限られるものでは無く、回分式（バッチ式）の反応器に使用しても良いことは言うまでもない。

本発明の実施例より得られたパラジウム偏在担持活性炭触媒の断面におけるパラジウムの分布状態を表したＳＥＭ－ＥＤＸ（走査型電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分光法：Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Spectroscop）による分析結果を表した図面である。

本発明のパラジウム偏在担持活性炭触媒の製造方法（以下、「本発明製法」という）は、活性炭粒子に、ｐＨ無調整のパラジウム塩を含有する水溶液を吸液させた後、含浸されたパラジウム塩を還元剤水溶液で液相還元することにより、担持されたパラジウムの８０質量％以上が非成型の活性炭粒子の表面から１μｍまでに偏在担持されたパラジウム偏在担持活性炭触媒（以下、「本発明触媒」という）を製造できるものである。

［活性炭粒子］
本発明製法に用いられる活性炭粒子は、一般に流通しているオガ屑、ピート、ヤシ殻等の原料を高温でガスや薬品と反応させて炭化した微細孔を持つ炭であれば特に限定されないが、好ましくは炭化の過程で原料由来の形状が保たれ易く、砕いて整粒しただけで使用されることが多いヤシ殻炭である。これらの活性炭粒子は、加圧され、成型されていない非成型のものである（以下、特に断わりのない限り、本発明における活性炭粒子はこのような非成型の活性炭粒子のことをいう）。また、活性炭粒子の粒子径は特に限定されないが、例えば、２～５ｍｍのものが使用できる。なお、ここでいう粒子径は、選別に利用された複数のメッシュのサイズから算出されるものである。更に、活性炭粒子の比表面積値は特に限定されないが、例えば、５００～２０００ｍ^２／ｇのものが好ましい。なお、比表面積値は吸着前後のガス分子数の変化を、一定容積内の圧力変化として測定し、窒素ガスの吸着量を求める定容法で測定される値である。

本発明製法に用いられる活性炭粒子は、後述するパラジウム塩を含有する水溶液の吸液処理前に洗浄処理や薬品処理や乾燥処理を施してもよい。

洗浄処理は、本発明製法を実施するうえで不具合を生じる成分や本発明触媒の用途において不要な成分を除去する目的で、適宜適切な方法を採用すればよい。具体的にはイオン交換水による洗浄等が挙げられ、担体を流水中で一定時間洗浄したり、水槽に浸して一定時間静置するだけでもよく、弱く撹拌して洗浄してもよい。このような洗浄処理は活性炭粒子の製造過程で生じた微細化した活性炭を除去するために行うこともある。

薬品処理は、使用する活性炭粒子の状態に応じて当業者によって通常採用される薬品処理技術の中から適宜選択して施すことができる。このような薬品処理技術としては、前記イオン交換水に替えて塩酸水溶液等の無機酸による洗浄や、後述するパラジウム塩を含有する水溶液の吸液において活性炭粒子内部の細孔へのパラジウム成分の固定を促進する目的で施される炭酸水素ナトリウム等の各種アルカリ成分による前処理や、後述するパラジウム塩を含有する水溶液の意図せぬ還元を防止する目的で施される過酸化水素による活性炭粒子表面の酸化処理等が挙げられる。このように薬品処理された活性炭粒子は、乾燥させてから後段のパラジウム塩を含有する水溶液の吸液処理を施すことが好ましいが、活性炭粒子へのパラジウム成分の吸着に影響を与えない場合は活性炭粒子の薬品処理に続けてそのままパラジウム塩を含有する水溶液の吸液処理に使用してもよい。

乾燥処理は、パラジウム塩を含有する水溶液の吸液を十分にするため、行われる。乾燥処理の方法としては、特に限定されず、例えば、乾燥機、オートクレーブ等が利用できる。また、乾燥処理の温度としては、特に限定されず、例えば、１００℃前後である。

［パラジウム塩を含有する水溶液］
本発明製法に用いられるパラジウム塩としては、特に限定されないが、例えば、硝酸パラジウム、塩化パラジウム、テトラクロロパラジウム酸ナトリウム、テトラニトロパラジウム酸ナトリウム等が挙げられる。これらパラジウム塩の中でも、腐食や触媒毒を引き起こさないため硝酸パラジウムが好ましい。本発明製法に用いられるパラジウム塩を含有する水溶液は、上記パラジウム塩を水に溶解させるだけでよい（つまり、ｐＨは無調整）。この水溶液に含有されるパラジウム塩の濃度は、活性炭粒子に担持しようとするパラジウムの量に応じて適宜調整されるものであり、特に限定されないが、例えば、金属換算のパラジウム量として０．１～５ｗｔ％であることが好ましく、０．３～２ｗｔ％であることがより好ましい。

なお、パラジウム塩を含有する水溶液のｐＨを特許文献１のように調整してしまうと、パラジウムの析出が懸念される。そして、パラジウムが析出した塩溶液を使用して活性炭粒子等の担体への含浸担持を行うと、担体表面に、析出した大きなパラジウム粒子が担持される。析出したパラジウム成分による不具合は特許文献１にも記載がある。粒子径が大きなパラジウムは活性に有効な表面積が小さくなり、パラジウムの使用量に見合った活性が得られなくなる恐れがある。このようなパラジウム成分の析出による不具合は、ｐＨの変更が大きな程その懸念も大きなものとなる。このような問題があるため、本発明製法においては、ｐＨ無調整のパラジウム塩を含有する水溶液を用いる。

上記パラジウム塩を含有する水溶液には、活性炭粒子への吸液においてパラジウム成分の固定を促進する目的で、また後述する還元処理を促進する目的で、また本発明触媒に使用する具体的な製造装置や手順に対する最適化を目的に、副成分を添加してもよい。このような副成分としては、過酸化水素等が例示される。過酸化水素であればパラジウム塩を含有する水溶液を吸液する際に意図しない還元を開始してしまうことを抑制する酸化剤としての働きを有し、後述の還元処理における還元制御を適切に管理することに役立てることができる。

［吸液条件］
本発明製法においては、活性炭粒子にパラジウム塩を含有する水溶液を吸液させる。本発明において活性炭粒子におけるパラジウム塩水溶液の吸液量は、活性炭粒子の吸水率以下、または活性炭粒子の吸水率と同等であることが好ましい。本発明における活性炭粒子の吸水率は以下の手法により測定される値である。先ず、１０５℃で２４時間乾燥させた活性炭粒子の重量（乾燥重量）を測定する。続いて、乾燥させた活性炭粒子をイオン交換水に浸漬し、気泡の発生が目視できなくなるのを待って濾別した後、乾燥したペーパータオル上で余剰の水分を取り除いた完全吸水済み活性炭粒子の重量（吸水重量）を測定する。これらの重量について下記式をもって導いた値を本発明における吸液率という。本発明における活性炭粒子の吸液率は４０～６０ｗｔ％であることが好ましく、５０～５５ｗｔ％であることが好ましい。

［数１］
吸液率（％）＝［（吸水重量－乾燥重量）／乾燥重量］×１００

実際のパラジウム塩水溶液を活性炭粒子に吸液させる場合、その液量は吸水率以下であっても良いが、吸水率と同等の液量であっても良い。ただし、完全に吸水可能な量を表す前記吸液率を著しく超えるものでないことが好ましい。吸水時の吸液量を著しく超えると還元時にパラジウムが活性炭粒子表面に析出することがある。析出したパラジウムは活性炭粒子内部で分散担持しているパラジウムに比べてその粒子径が大きくなる傾向がある。粒子径の大きなパラジウムはその重量あたりの表面積が小さくなり、活性種表面で促進する触媒反応に不利になる。なお、パラジウムを活性炭粒子の所定の位置に満遍なく担持する為には、パラジウム塩水溶液の吸液量は吸水率と同等であることが好ましい。パラジウム塩水溶液が吸水時の吸水量と同等であれば、活性炭粒子毎におけるパラジウム塩水溶液の含浸量に濃淡が生じ難く、活性炭粒子毎の担持位置やパラジウム担持量が均一にし易い。

一方、吸液量が吸水率以下である場合には、活性炭粒子がパラジウム塩の水溶液を確実に吸液することが可能であり、触媒製造時に使用するパラジウム塩の無駄が無くなり安定して低コスト化が図れ、産業用触媒の製法として適している。また、活性炭は大気中の水分や、前処理工程の残渣を吸着してしまうことがあり、そのような場合は活性炭粒子の吸水率よりも若干低めの割合で吸液することが好ましい場合もある。
本発明における吸液量は特に限定されるものではないが、上記のような理由で活性炭粒子の吸水率の０．８～１．１であることが好ましく、０．９～１．１であることがより好ましい。

活性炭粒子にパラジウム塩を含有する水溶液を吸液させる方法は特に限定されず、例えば、容器に入れたパラジウム塩を含有する水溶液中に活性炭粒子を投入したり、担体に触媒成分含有溶液を含浸できる装置として、ダブルコーン型の混合装置や転動造粒機、ロッキングミキサー、インプレグネーターなどを用いてもよく、インプレグネーター、転動造粒機、ロッキングミキサーであれば、装置に投入した活性炭粒子に水溶液を噴霧したりすればよい。また、吸液させる時の条件は特に限定されず、例えば、大気中、常温下でよいが、前記のような吸水率になることが好ましい。

［還元剤水溶液］
本発明製法に用いられる還元剤水溶液は、特に限定されないが、例えば、ギ酸ナトリウム、ギ酸、ホルマリン、ヒドラジン、塩酸ヒドラジン、メタノール、水素化ホウ素ナトリウム等の還元剤を水に溶解させたものが挙げられる。また、還元剤水溶液のｐＨは特に限定されないが、好ましくは水酸化ナトリウム等のアルカリ性物質を用いてｐＨを１０以上が好ましく、１０～１２がより好ましく、１１～１２に調整することが最も好ましい。なお、還元剤水溶液のｐＨが高いほど、活性炭粒子の表面側にパラジウムが担持され、かつ、担持表面からの深さ方向の分布がブロードとならない。還元剤水溶液の好ましい例としては、ｐＨ１１～１２のギ酸ナトリウムを含有する水溶液が挙げられ、これはギ酸を含有する水溶液のｐＨを水酸化ナトリウムを用いてｐＨ１１～１２に調整したり、ギ酸ナトリウムの濃度を調整してｐＨ１１～１２にしたものである。また、還元剤水溶液における還元剤の濃度は特に限定されないが、例えば、０．１～２０ｗｔ％であることが好ましく、０．３～１０ｗｔ％であることがより好ましい。

［還元条件］
本発明製法において、含浸されたパラジウム塩を還元剤水溶液で液相還元する。液相還元する方法は特に限定されず、例えば、還元剤水溶液とパラジウム塩が吸液された活性炭粒子を混合すればよい。還元の条件は特に限定されないが、例えば、還元を促進するためには温度が５～６０℃であることが好ましく、１０～５０℃であることがより好ましい。また、還元剤の使用量について吸液した硝酸パラジウムの全てを還元できる量であれば特に限定されるものではないが、担体に吸液されたパラジウム塩の量に対して還元剤が３倍モル以上であることが好ましく、５倍モル以上であることがより好ましい。また、還元剤の使用量の上限は特に限定されないが、１０モル以下であることが好ましい。更に、還元時間は特に限定されず、十分に還元反応が行われる時間であればよい。また更に、還元後は温水等で十分に洗浄を行い、必要に応じて乾燥を行えばよい。

［パラジウム偏在担持活性炭触媒］
本発明製法に、担持されたパラジウムの８０質量％以上、好ましくは８５質量％以上が活性炭粒子の表面から１μｍまで、好ましくは０．５μｍまで、より好ましくは０．３μｍまでに偏在担持されたパラジウム偏在担持活性炭触媒が得られる。パラジウムの担持位置は、ＳＥＭ－ＥＤＸによって検証することができる。ＳＥＭ－ＥＤＸは走査型電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分光法の略称であり、電子レンズを使って微小径に集束した電子線を試料の上射し、この入射電子ビームを試料上で走査させることで、試料から放出される反射電子像を検出することで、観察領域における組成元素をマッピングできる。

［用途］
本発明製法で得られるパラジウム偏在担持活性炭触媒は、従来のパラジウム担持活性炭触媒と同様に水素化、脱ハロゲン等の用途に用いることができるが、特に水素化の用途に用いることが好ましい。また、活性炭は極めて高比表面積値の大きな担体であり、活性種であるパラジウムを高分散することが可能で、高活性な状態の触媒を得ることができる。そのため、転化率が低い反応での使用することで触媒反応の促進が期待できる。

以下、本発明の実施形態を記すが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

実施例１～３
パラジウム偏在担持活性炭触媒の製造：
［活性炭粒子］
材質：ヤシ殻炭
粒径：４メッシュ（目開き４．７６［ｍｍ］）、８メッシュ（目開き２．３８［ｍｍ］）で選別された活性炭粒子。
比表面積値：１２００［ｍ^２／ｇ］
吸液率：５５ｗｔ％

［パラジウム塩を含有する水溶液］
４ｗｔ％硝酸パラジウム水溶液（ｐＨ無調整）

［還元剤水溶液１］
２．７ｗｔ％ギ酸ナトリウム水溶液に対し、水酸化ナトリウムを加え、ｐＨ１２の還元剤水溶液１を調整した。

［還元剤水溶液２］
還元剤水溶液１の調整における水酸化ナトリウムの量を変えた他は同様にしてｐＨ１０の還元剤水溶液２を調整した。

［還元剤水溶液３］
還元剤水溶液１の調整において、ギ酸ナトリウムに換えてギ酸を使用し、水酸化ナトリウムを添加しない以外同様にしてｐＨ無調整の還元剤水溶液３を調整した。ｐＨは２であった。

［触媒の製造］
１１０℃で２４時間乾燥した活性炭粒子を転動造粒機に入れ、混合状態の活性炭粒子にパラジウム塩を含有する水溶液を噴霧し、吸液率に相当する５５ｗｔ％のパラジウム塩水溶液を吸液させた。このパラジウム塩を含有する水溶液を吸液させた活性炭粒子を２４時間室温で熟成させた。この熟成した活性炭粒子を各還元剤水溶液に浸漬した状態で数回攪拌した後３０分静置した。パラジウム塩を担持した活性炭粒子を、８０℃のイオン交換水で数回攪拌した後３０分静置洗浄した。洗浄は洗浄液のｐＨの低下が落ち着くまで繰り返した。洗浄が完了した後、２４時間風乾し、パラジウム偏在担持活性炭触媒を得た。これらの触媒の組成を表１に示した。

これらの触媒について、ＳＥＭ－ＥＤＸ（０．０３３μｍ間隔での測定）によりパラジウムの分布状態を測定した。結果を図１に示した。図中左側が活性炭粒子の表面側にあたる。なお、図において表面側におけるパラジウムの濃度がピーク値から低下しているように見えるのは走査する電子ビーム（幅：０．３０μｍ）が活性炭粒子表面を越えてものパラジウムを強度として拾ってしまうことに起因するもので、測定時の条件等を踏まえると、図１中［Ｐｄ担持深さ（μｍ）］で０．３０が活性炭粒子の最表面にあたる。

図１から実施例１～３の触媒ではパラジウムが活性炭粒子の表面から１μｍまでに著しく偏在して担持されていることが分かった。特に、還元剤水溶液のｐＨを調整して高くするほど、活性炭粒子のより表面側にパラジウムが担持され、かつ、担持表面からの深さ方向の分布がブロードとならないことが分かった。

本発明の製造方法は、簡便な方法で、活性種としてのパラジウムを非成型の活性炭粒子表面に偏在担持させたパラジウム偏在担持活性炭触媒を製造することができる。このパラジウム偏在担持活性炭触媒は、従来のパラジウム担持活性炭触媒と同様の用途に用いることができる。
以上

Claims

非成型の活性炭粒子に、ｐＨ無調整のパラジウム塩を含有する水溶液を吸液させた後、含浸されたパラジウム塩を、還元剤としてギ酸ナトリウムを含有し、ｐＨが１０以上に調整された還元剤水溶液で液相還元することを特徴とする担持されたパラジウムの８０質量％以上が活性炭粒子の表面から１μｍまでに偏在担持されたパラジウム偏在担持活性炭触媒の製造方法。
活性炭粒子へのパラジウム塩を含有する水溶液の吸液が、活性炭粒子の吸水量以下である請求項１記載のパラジウム偏在担持活性炭触媒の製造方法。
活性炭粒子へのパラジウム塩を含有する水溶液の吸液が、活性炭粒子の吸水量相当である請求項１記載のパラジウム偏在担持活性炭触媒の製造方法。
還元剤水溶液のｐＨの調整を水酸化ナトリウムで行うものである請求項１～３の何れかに記載のパラジウム偏在担持活性炭触媒の製造方法。
パラジウム塩が、硝酸パラジウムである請求項１～４の何れかに記載のパラジウム偏在担持活性炭触媒の製造方法。
非成型の活性炭粒子の粒子径が２～５ｍｍである請求項１～５の何れかに記載のパラジウム偏在担持活性炭触媒の製造方法。
非成型の活性炭粒子の比表面積値が５００～２０００ｍ^２／ｇである請求項１～６の何れかに記載のパラジウム偏在担持活性炭触媒の製造方法。