JP7254453B2 - Alkane dehydrogenation catalyst structure, method for producing the same, and alkene production apparatus having the dehydrogenation catalyst structure - Google Patents
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Description
本発明は、アルカン、特にプロパンの脱水素化触媒構造体及びその製造方法、並びに該脱水素化触媒構造体を有するアルケン製造装置、特にプロピレン製造装置に関する。 The present invention relates to an alkane, especially propane dehydrogenation catalyst structure, a method for producing the same, and an alkene production apparatus, particularly a propylene production apparatus, having the dehydrogenation catalyst structure.
近年、プロピレンやイソブチレンなどの工業的に有用な原料となるアルケンの需要が増大している。特に、プロピレンは、ガソリン製造時の原料や各種化学材料製造時の原料であることから、プロピレンを製造する方法は今後さらに重要となる可能性が高い。 In recent years, the demand for alkenes, which are industrially useful raw materials such as propylene and isobutylene, is increasing. In particular, since propylene is used as a raw material in the production of gasoline and in the production of various chemical materials, methods for producing propylene are likely to become even more important in the future.
C3、C4類等のアルカンを、触媒存在下で脱水素化しアルケンを製造する方法は盛んに研究されており、アルカンの脱水素化用触媒としては、シリカ、アルミナ、ゼオライト、活性炭などの担体上に金属や金属酸化物などの活性物質を担持させた担持触媒が用いられている。例えば、LummusのCatofin法として知られるプロパンをプロピレンに脱水素化する方法においては、触媒として、アルミナ上に酸化クロム(III)を含む金属酸化物を担持する触媒(Cr2O3/Al2O3)が使用されている。 Methods for producing alkenes by dehydrogenating alkanes such as C3 and C4 groups in the presence of a catalyst have been extensively studied. A supported catalyst is used in which an active substance such as a metal or metal oxide is supported on a carrier. For example, in a method for dehydrogenating propane to propylene, known as the Lummus Catofin method, a catalyst (Cr 2 O 3 /Al 2 O 3 ) is used.
例えば、特許文献1には、プロパンを脱水素化し、プロピレンを生成する方法が記載されている。ところで、脱水素化反応は吸熱反応であることから、一般に反応は高温で行われ、時間の経過と共に、コークスの付着(堆積)が脱水素化反応器内の触媒を不活性にし、触媒活性が低下する傾向がある。そのような場合、触媒の活性を維持するため、付着したコークスを燃焼除去して再び活性化する必要がある。
For example,
しかしながら、コークスを燃焼除去する際、熱の影響によって触媒粒子(金属酸化物微粒子)が担体内で移動し、金属酸化物微粒子同士の凝集(シンタリング)が発生し易くなり、これにより、触媒としての有効表面積が大幅に減少し、脱水素化触媒の触媒活性の低下が予測される。触媒機能の劣化により、触媒自体の寿命が通常よりも短くなるため、触媒自体を短期間で交換・再生しなければならず、交換作業が煩雑であると共に、省資源化を図ることができないという問題がある。 However, when burning and removing coke, the catalyst particles (metal oxide fine particles) move within the carrier due to the influence of heat, and aggregation (sintering) of the metal oxide fine particles easily occurs. The effective surface area of the dehydrogenation catalyst is expected to decrease significantly, leading to a decrease in the catalytic activity of the dehydrogenation catalyst. Due to the deterioration of the catalyst function, the life of the catalyst itself becomes shorter than usual, so the catalyst itself must be replaced and regenerated in a short period of time. There's a problem.
また、コークス除去処理の際、コークスの燃焼によって水蒸気が発生する。水蒸気存在化でアルミナ等の担体を加熱すると、骨格内のAl元素(活性点)が脱離し、触媒の永久的劣化が生じることがある。 In addition, steam is generated by combustion of coke during the coke removal process. When a carrier such as alumina is heated in the presence of steam, Al elements (active sites) in the skeleton are desorbed, which may cause permanent deterioration of the catalyst.
特許文献1には、原料アルカン及び再循環アルカンの炭化水素流に存在し、コークスの生成に寄与する高不飽和成分(アセチレン、ジオレフィン)の完全水素化が開示されているが、金属酸化物微粒子同士の凝集及び活性点の脱離については言及されていない。 US Pat. No. 6,200,000 discloses the complete hydrogenation of highly unsaturated components (acetylenes, diolefins) present in hydrocarbon streams of feed alkanes and recycle alkanes that contribute to coke formation, but metal oxides Aggregation of fine particles and elimination of active sites are not mentioned.
本発明の目的は、金属酸化物微粒子同士の凝集を防ぐと共に、触媒活性の低下を抑制して長寿命化を実現することができ、煩雑な交換作業を要せず、省資源化を図ることができるアルカンの脱水素化触媒構造体及びその製造方法、並びに該脱水素化触媒構造体を有するアルケン製造装置を提供することにある。 An object of the present invention is to prevent agglomeration of metal oxide fine particles, suppress a decrease in catalytic activity, realize a long service life, and save resources without requiring complicated replacement work. It is an object of the present invention to provide an alkane dehydrogenation catalyst structure capable of producing a dehydrogenation catalyst structure, a method for producing the same, and an alkene production apparatus having the dehydrogenation catalyst structure.
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、前記担体に内在する少なくとも1つの金属酸化物微粒子と、を備え、前記担体が、互いに連通する通路を有し、前記金属酸化物微粒子が、少なくとも前記通路に存在していることによって、金属酸化物微粒子同士の凝集を防ぐと共に、触媒活性の低下を抑制し、長寿命化を実現できるアルカンの脱水素化触媒構造体が得られることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成させるに至った。 The present inventors have made intensive studies to achieve the above object, and as a result, have found that a carrier having a porous structure composed of a zeolite-type compound and at least one metal oxide fine particle contained in the carrier are provided. , the carrier has passages that communicate with each other, and the metal oxide fine particles are present at least in the passages, thereby preventing aggregation of the metal oxide fine particles and suppressing a decrease in catalytic activity; The present inventors have found that an alkane dehydrogenation catalyst structure capable of achieving a longer life can be obtained, and have completed the present invention based on such findings.
すなわち、本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
[1]ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、
前記担体に内在する少なくとも1つの金属酸化物微粒子と、
を備え、
前記担体が、互いに連通する通路を有し、
前記金属酸化物微粒子が、少なくとも前記通路に存在していることを特徴とするアルカンの脱水素化触媒構造体。
[2]前記通路が、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部とを有し、かつ
前記金属酸化物微粒子が、少なくとも前記拡径部に存在していることを特徴とする、上記[1]に記載のアルカンの脱水素化触媒構造体。
[3]前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通している、上記[2]に記載のアルカンの脱水素化触媒構造体。
[4]前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、且つ前記拡径部の内径以下であることを特徴とする、上記[2]または[3]に記載のアルカンの脱水素化触媒構造体。
[5]前記金属酸化物微粒子の金属元素(M)が、前記脱水素化触媒構造体に対して0.5~2.5質量%で含有されていることを特徴とする、上記[1]~[4]のいずれか1つに記載のアルカンの脱水素化触媒構造体。
[6]前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、0.1nm~50nmであることを特徴とする、上記[1]~[5]のいずれか1つに記載のアルカンの脱水素化触媒構造体。
[7]前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、0.5nm~14.0nmであることを特徴とする、上記[6]に記載のアルカンの脱水素化触媒構造体。
[8]前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、0.06~500であることを特徴とする、上記[1]~[7]のいずれか1つに記載のアルカンの脱水素化触媒構造体。
[9]前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、0.1~45であることを特徴とする、上記[8]に記載のアルカンの脱水素化触媒構造体。
[10]前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、1.7~4.5であることを特徴とする、上記[9]に記載のアルカンの脱水素化触媒構造体。
[11]前記通路が、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部とを有し、
前記通路の平均内径は、0.1nm~1.5nmであり、
前記拡径部の内径は、0.5nm~50nmであることを特徴とする、上記[1]~[10]のいずれか1つに記載のアルカンの脱水素化触媒構造体。
[12]前記担体の外表面に保持された少なくとも1つの他の金属酸化物微粒子を更に備えることを特徴とする、上記[1]~[11]のいずれか1つに記載のアルカンの脱水素化触媒構造体。
[13]前記担体に内在する前記少なくとも1つの金属酸化物微粒子の含有量が、前記担体の外表面に保持された前記少なくとも1つの他の金属酸化物微粒子の含有量よりも多いことを特徴とする、上記[12]に記載のアルカンの脱水素化触媒構造体。
[14]前記ゼオライト型化合物は、ケイ酸塩化合物であることを特徴とする、上記[1]~[13]のいずれか1つに記載のアルカンの脱水素化触媒構造体。
[15]上記[1]~[14]のいずれか1つに記載のアルカンの脱水素化触媒構造体を有するアルケン製造装置。
[16]ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)に金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成する焼成工程と、
前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理する水熱処理工程と、
を有することを特徴とする、アルカンの脱水素化触媒構造体の製造方法。
[17]前記焼成工程の前に、非イオン性界面活性剤を、前記前駆体材料(A)に対して50~500質量%添加することを特徴とする、上記[16]に記載のアルカンの脱水素化触媒構造体の製造方法。
[18]前記焼成工程の前に、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を複数回に分けて添加することで、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させることを特徴とする、上記[16]または[17]に記載のアルカンの脱水素化触媒構造体の製造方法。
[19]前記焼成工程の前に前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させる際に、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液の添加量を、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前記前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算して、10~1000となるように調整することを特徴とする、上記[16]~[18]のいずれか1つに記載のアルカンの脱水素化触媒構造体の製造方法。
[20]前記水熱処理工程において、前記前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合することを特徴とする、上記[16]に記載のアルカンの脱水素化触媒構造体の製造方法。
[21]前記水熱処理工程が塩基性雰囲気下で行われることを特徴とする、上記[16]に記載のアルカンの脱水素化触媒構造体の製造方法。
That is, the gist and configuration of the present invention are as follows.
[1] a carrier having a porous structure composed of a zeolite-type compound;
at least one metal oxide fine particle inherent in the carrier;
with
the carrier has passages that communicate with each other;
An alkane dehydrogenation catalyst structure, wherein the metal oxide fine particles are present at least in the passage.
[2] The passage is defined by the framework structure of the zeolite-type compound, and any of the one-dimensional, two-dimensional, and three-dimensional pores, and the one-dimensional, two-dimensional, and three-dimensional pores. The alkane dehydrogenation catalyst according to [1] above, characterized in that it has an enlarged diameter portion different from any of the above, and the metal oxide fine particles are present at least in the enlarged diameter portion. Structure.
[3] The alkane according to [2] above, wherein the enlarged diameter portion communicates with a plurality of holes constituting any one of the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole. Dehydrogenation catalyst structure.
[4] The above-mentioned [2] or [3], wherein the average particle size of the metal oxide fine particles is larger than the average inner diameter of the passage and equal to or smaller than the inner diameter of the expanded diameter portion. Alkane dehydrogenation catalyst structure.
[5] The above [1], wherein the metal element (M) of the metal oxide fine particles is contained in an amount of 0.5 to 2.5% by mass with respect to the dehydrogenation catalyst structure. The alkane dehydrogenation catalyst structure according to any one of [4].
[6] The alkane dehydrogenation catalyst structure according to any one of [1] to [5] above, wherein the metal oxide fine particles have an average particle size of 0.1 nm to 50 nm. body.
[7] The alkane dehydrogenation catalyst structure according to [6] above, wherein the metal oxide fine particles have an average particle size of 0.5 nm to 14.0 nm.
[8] Any one of [1] to [7] above, wherein the ratio of the average particle size of the metal oxide fine particles to the average inner diameter of the passage is 0.06 to 500. alkane dehydrogenation catalyst structure.
[9] The alkane dehydrogenation catalyst structure according to [8] above, wherein the ratio of the average particle diameter of the metal oxide fine particles to the average inner diameter of the passage is 0.1 to 45. .
[10] The alkane dehydrogenation catalyst according to [9] above, wherein the ratio of the average particle diameter of the metal oxide fine particles to the average inner diameter of the passage is 1.7 to 4.5. Structure.
[11] The passage is any one of a one-dimensional pore, a two-dimensional pore, and a three-dimensional pore defined by the framework structure of the zeolite-type compound, and the one-dimensional pore, the two-dimensional pore, and the three-dimensional pore. and an enlarged diameter portion different from any of the
The average inner diameter of the passage is 0.1 nm to 1.5 nm,
The alkane dehydrogenation catalyst structure according to any one of [1] to [10] above, wherein the inner diameter of the enlarged diameter portion is 0.5 nm to 50 nm.
[12] Dehydrogenation of alkane according to any one of [1] to [11] above, further comprising at least one other metal oxide fine particle held on the outer surface of the support. catalyst structure.
[13] The content of the at least one metal oxide fine particle inherent in the carrier is higher than the content of the at least one other metal oxide fine particle retained on the outer surface of the carrier. The alkane dehydrogenation catalyst structure according to [12] above.
[14] The alkane dehydrogenation catalyst structure according to any one of [1] to [13] above, wherein the zeolite-type compound is a silicate compound.
[15] An alkene production apparatus comprising the alkane dehydrogenation catalyst structure according to any one of [1] to [14] above.
[16] A calcination step of calcining the precursor material (A) impregnated with a metal-containing solution to obtain a porous structure carrier composed of a zeolite-type compound;
a hydrothermal treatment step of hydrothermally treating the precursor material (C) obtained by firing the precursor material (B);
A method for producing an alkane dehydrogenation catalyst structure, comprising:
[17] The alkane according to [16] above, characterized in that 50 to 500% by mass of a nonionic surfactant is added to the precursor material (A) before the firing step. A method for producing a dehydrogenation catalyst structure.
[18] impregnating the precursor material (A) with the metal-containing solution by adding the metal-containing solution to the precursor material (A) in a plurality of times before the firing step; A method for producing an alkane dehydrogenation catalyst structure according to the above [16] or [17].
[19] When the precursor material (A) is impregnated with the metal-containing solution before the firing step, the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is In terms of the ratio (atomic ratio Si/M) of silicon (Si) constituting the precursor material (A) to the metal element (M) contained in the metal-containing solution added to (A), The method for producing an alkane dehydrogenation catalyst structure according to any one of [16] to [18] above, wherein the adjustment is made so that the value is 10 to 1000.
[20] The method for producing an alkane dehydrogenation catalyst structure according to [16] above, wherein the precursor material (C) and a structure-directing agent are mixed in the hydrothermal treatment step.
[21] The method for producing an alkane dehydrogenation catalyst structure according to [16] above, wherein the hydrothermal treatment step is performed in a basic atmosphere.
本発明によれば、金属酸化物微粒子同士の凝集を防ぐと共に、触媒活性の低下を抑制して長寿命化を実現することができ、煩雑な交換作業を要せず、省資源化を図ることができるアルカンの脱水素化触媒構造体及びその製造方法、並びに該脱水素化触媒構造体を有するアルケン製造装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the present invention, it is possible to prevent the agglomeration of the metal oxide fine particles, suppress the deterioration of the catalytic activity, realize a long service life, and save resources without requiring complicated replacement work. It is possible to provide an alkane dehydrogenation catalyst structure, a method for producing the same, and an alkene production apparatus having the dehydrogenation catalyst structure.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[脱水素化触媒構造体の構成]
図1は、本発明の実施形態に係るアルカンの脱水素化触媒構造体(以下、単に「触媒構造体」ともいう)の構成を概略的に示す図であり、(a)は斜視図(一部を横断面で示す。)、(b)は部分拡大断面図である。なお、図1における触媒構造体は、その一例を示すものであり、本発明に係る各構成の形状、寸法等は、図1のものに限られないものとする。
[Configuration of dehydrogenation catalyst structure]
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of an alkane dehydrogenation catalyst structure (hereinafter also simply referred to as “catalyst structure”) according to an embodiment of the present invention, and (a) is a perspective view (one ), and (b) is a partially enlarged cross-sectional view. Note that the catalyst structure in FIG. 1 shows an example thereof, and the shape, dimensions, etc. of each component according to the present invention are not limited to those in FIG.
図1(a)に示されるように、触媒構造体1は、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体10と、該担体10に内在する、少なくとも1つの金属酸化物微粒子20とを備える。
As shown in FIG. 1(a), the
触媒構造体1において、複数の金属酸化物微粒子20,20,・・は、担体10の多孔質構造の内部に包接されている。金属酸化物微粒子20は、触媒能(触媒活性)を有する触媒物質である。金属酸化物微粒子については、詳しくは後述する。また、金属酸化物微粒子20は、金属酸化物や金属の合金、またはこれらの複合材料を含む粒子であってもよい。
In the
担体10は、多孔質構造であり、図1(b)に示すように、好適には複数の孔11a,11a,・・が形成されることにより、互いに連通する通路11を有する。ここで金属酸化物微粒子20は、担体10の少なくとも通路11に存在しており、好ましくは担体10の少なくとも通路11に保持されている。
The
このような構成により、担体10内での金属酸化物微粒子20の移動が規制され、金属酸化物微粒子20、20同士の凝集が有効に防止されている。その結果、金属酸化物微粒子20としての有効表面積の減少を効果的に抑制することができ、金属酸化物微粒子20の触媒活性は長期にわたって持続する。すなわち、触媒構造体1によれば、金属酸化物微粒子20の凝集による触媒活性の低下を抑制でき、触媒構造体1としての長寿命化を図ることができる。また、触媒構造体1の長寿命化により、触媒構造体1の交換頻度を低減でき、使用済みの触媒構造体1の廃棄量を大幅に低減することができ、省資源化を図ることができる。
With such a configuration, movement of the metal oxide
通常、触媒構造体を、流体(例えば、重質油や、NOx等の改質ガスなど)の中で用いる場合、流体から外力を受ける可能性がある。この場合、金属酸化物微粒子が、担体10の外表面に付着状態で保持されているだけであると、流体からの外力の影響で担体10の外表面から離脱しやすいという問題がある。これに対し、触媒構造体1では、金属酸化物微粒子20は担体10の少なくとも通路11に存在しているため、流体による外力の影響を受けたとしても、担体10から金属酸化物微粒子20が離脱しにくい。すなわち、触媒構造体1が流体内にある場合、流体は担体10の孔11aから、通路11内に流入するため、通路11内を流れる流体の速さは、流路抵抗(摩擦力)により、担体10の外表面を流れる流体の速さに比べて、遅くなると考えられる。このような流路抵抗の影響により、通路11内に保持された金属酸化物微粒子20が流体から受ける圧力は、担体10の外部において金属酸化物微粒子が流体から受ける圧力に比べて低くなる。そのため、担体10に内在する金属酸化物微粒子20が離脱することを効果的に抑制でき、金属酸化物微粒子20の触媒活性を長期的に安定して維持することが可能となる。なお、上記のような流路抵抗は、担体10の通路11が、曲がりや分岐を複数有し、担体10の内部がより複雑で三次元的な立体構造となっているほど、大きくなると考えられる。
Normally, when a catalyst structure is used in a fluid (for example, heavy oil, reformed gas such as NOx, etc.), it may receive an external force from the fluid. In this case, if the metal oxide fine particles are only held in an adhered state on the outer surface of the
また、通路11は、ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、上記一次元孔、上記二次元孔及び上記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部12とを有していることが好ましく、このとき、金属酸化物微粒子20は、少なくとも拡径部12に存在していることが好ましく、少なくとも拡径部12に包接されていることがより好ましい。ここでいう一次元孔とは、一次元チャンネルを形成しているトンネル型またはケージ型の孔、もしくは複数の一次元チャンネルを形成しているトンネル型またはケージ型の複数の孔(複数の一次元チャンネル)を指す。また、二次元孔とは、複数の一次元チャンネルが二次元的に連結された二次元チャンネルを指し、三次元孔とは、複数の一次元チャンネルが三次元的に連結された三次元チャンネルを指す。これにより、金属酸化物微粒子20の担体10内での移動がさらに規制され、金属酸化物微粒子20の離脱や、金属酸化物微粒子20、20同士の凝集をさらに有効に防止することができる。包接とは、金属酸化物微粒子20が担体10に内包されている状態を指す。このとき金属酸化物微粒子20と担体10とは、必ずしも直接的に互いが接触している必要はなく、金属酸化物微粒子20と担体10との間に他の物質(例えば、界面活性剤等)が介在した状態で、金属酸化物微粒子20が担体10に間接的に保持されていてもよい。
In addition, the
図1(b)では金属酸化物微粒子20が拡径部12に包接されている場合を示しているが、この構成だけには限定されず、金属酸化物微粒子20は、その一部が拡径部12の外側にはみ出した状態で通路11に保持されていてもよい。また、金属酸化物微粒子20は、拡径部12以外の通路11の部分(例えば通路11の内壁部分)に部分的に埋設され、または固着等によって保持されていてもよい。また、拡径部12は、上記一次元孔、上記二次元孔及び上記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔11a,11a同士を連通しているのが好ましい。これにより、担体10の内部に、一次元孔、二次元孔又は三次元孔とは異なる別途の通路が設けられるので、金属酸化物微粒子20の触媒機能をより発揮させることができる。
Although FIG. 1(b) shows the case where the metal oxide
また、通路11は、担体10の内部に、分岐部または合流部を含んで三次元的に形成されており、拡径部12は、通路11の上記分岐部または合流部に設けられるのが好ましい。
Further, the
担体10に形成された通路11の平均内径DFは、上記一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかを構成する孔11aの短径及び長径の平均値から算出され、例えば0.1nm~1.5nmであり、好ましくは0.5nm~0.8nmである。また、拡径部12の内径DEは、例えば0.5nm~50nmであり、好ましくは1.1nm~40nm、より好ましくは1.1nm~3.3nmである。拡径部12の内径DEは、例えば後述する前駆体材料(A)の細孔径、及び包接される金属酸化物微粒子20の平均粒径DCに依存する。拡径部12の内径DEは、金属酸化物微粒子20を包接し得る大きさである。
The average inner diameter D F of the
担体10は、ゼオライト型化合物で構成される。ゼオライト型化合物としては、例えば、ゼオライト(アルミノケイ酸塩)、陽イオン交換ゼオライト、シリカライト等のケイ酸塩化合物、アルミノホウ酸塩、アルミノヒ酸塩、ゲルマニウム酸塩等のゼオライト類縁化合物、リン酸モリブデン等のリン酸塩系ゼオライト類似物質などが挙げられる。中でも、ゼオライト型化合物はケイ酸塩化合物であることが好ましい。
ゼオライト型化合物の骨格構造は、FAU型(Y型またはX型)、MTW型、MFI型(ZSM-5)、FER型(フェリエライト)、LTA型(A型)、MWW型(MCM-22)、MOR型(モルデナイト)、LTL型(L型)、BEA型(ベータ型)などの中から選択され、好ましくはMFI型であり、より好ましくはZSM-5である。ゼオライト型化合物には、各骨格構造に応じた孔径を有する孔が複数形成されており、例えばMFI型の最大孔径は0.636nm(6.36Å)、平均孔径0.560nm(5.60Å)である。 The skeleton structure of the zeolite type compound is FAU type (Y type or X type), MTW type, MFI type (ZSM-5), FER type (ferrierite), LTA type (A type), MWW type (MCM-22). , MOR type (mordenite), LTL type (L type), BEA type (beta type), etc., preferably MFI type, more preferably ZSM-5. A zeolite-type compound is formed with a plurality of pores having a pore size corresponding to each skeleton structure. be.
金属酸化物微粒子20は一次粒子である場合と、一次粒子が凝集して形成した二次粒子である場合とがあるが、金属酸化物微粒子20の平均粒径DCは、好ましくは通路11の平均内径DFよりも大きく、且つ拡径部12の内径DE以下である(DF<DC≦DE)。このような金属酸化物微粒子20は、通路11内では、好適には拡径部12に存在しており、担体10内での金属酸化物微粒子20の移動が規制される。よって、金属酸化物微粒子20が流体から外力を受けた場合であっても、担体10内での金属酸化物微粒子20の移動が抑制され、担体10の通路11に分散配置された拡径部12、12、・・のそれぞれに存在する金属酸化物微粒子20、20、・・同士が接触するのを有効に防止することができる。
The metal oxide
また、金属酸化物微粒子20の平均粒径DCは、一次粒子および二次粒子のいずれの場合も、好ましくは0.1nm~50nmであり、より好ましくは0.1nm以上30nm未満であり、さらに好ましくは0.5nm~14.0nmであり、特に好ましくは1.0nm~3.3nmである。また、通路11の平均内径DFに対する金属酸化物微粒子20の平均粒径DCの割合(DC/DF)は、好ましくは0.06~500であり、より好ましくは0.1~45であり、更に好ましくは1.1~45であり、特に好ましくは1.7~4.5である。また、金属酸化物微粒子20の金属元素(M)は、触媒構造体1に対して0.5~2.5質量%で含有されていることが好ましく、触媒構造体1に対して0.5~1.5質量%で含有されていることがより好ましい。例えば、金属元素(M)がCrである場合、Co元素の含有量(質量%)は、{(Cr元素の質量)/(触媒構造体1の全元素の質量)}×100で表される。
In addition, the average particle diameter D C of the metal oxide
上記金属酸化物微粒子は、金属酸化物で構成されていればよく、例えば、単一の金属酸化物で構成されていてもよく、あるいは2種以上の金属酸化物の混合物で構成されていてもよい。なお、本明細書において、金属酸化物微粒子を構成する(材質としての)「金属酸化物」は、1種の金属元素(M)を含む酸化物と、2種以上の金属元素(M)を含む複合酸化物とを含む意味であり、1種以上の金属元素(M)を含む酸化物の総称である。 The metal oxide fine particles may be composed of a metal oxide, for example, may be composed of a single metal oxide, or may be composed of a mixture of two or more metal oxides. good. In this specification, the “metal oxide” (as a material) constituting the metal oxide fine particles means an oxide containing one kind of metal element (M) and two or more kinds of metal elements (M). It is a generic term for oxides containing one or more metal elements (M).
このような金属酸化物としては、例えば酸化コバルト(CoOx)、酸化ニッケル(NiOx)、酸化鉄(FeOx)、酸化銅(CuOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化セリウム(CeOx)、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化ニオブ(NbOx)、酸化チタン(TiOx)、酸化ビスマス(BiOx)、酸化モリブデン(MoOx)、酸化バナジウム(VOx)、酸化クロム(CrOx)、酸化ガリウム(GaOx)、酸化マンガン(MnOx)等が挙げられ、上記のいずれか1種以上を主成分とすることが好ましい。 Examples of such metal oxides include cobalt oxide (CoO x ), nickel oxide (NiO x ), iron oxide (FeO x ) , copper oxide (CuO x ), zirconium oxide (ZrO x ), cerium oxide (CeO x ) , ), aluminum oxide (AlO x ), niobium oxide (NbO x ), titanium oxide (TiO x ), bismuth oxide (BiO x ), molybdenum oxide (MoO x ), vanadium oxide (VO x ), chromium oxide (CrO x ) , gallium oxide (GaO x ), manganese oxide (MnO x ), etc., and it is preferable to use at least one of the above as a main component.
また、金属酸化物微粒子20を構成する金属元素(M)に対する、担体10を構成するケイ素(Si)の割合(原子数比Si/M)は、10~1000であるのが好ましく、50~200であるのがより好ましい。上記割合が1000より大きいと、活性が低いなど、金属酸化物微粒子の触媒物質としての作用が十分に得られない可能性がある。一方、上記割合が10よりも小さいと、金属酸化物微粒子20の割合が大きくなりすぎて、担体10の強度が低下する傾向がある。なお、ここでいう金属酸化物微粒子20は、担体10の内部に保持され、または担持された微粒子をいい、担体10の外表面に付着した金属酸化物微粒子を含まない。
Further, the ratio of silicon (Si) constituting the
[脱水素化触媒構造体の機能]
触媒構造体1は、上記のとおり、多孔質構造の担体10と、担体に内在する少なくとも1つの金属酸化物微粒子20とを備える。触媒構造体1は、担体に内在する金属酸化物微粒子20が流体と接触することにより、金属酸化物微粒子20の触媒能を発揮する。具体的に、触媒構造体1の外表面10aに接触した流体は、外表面10aに形成された孔11aから担体10内部に流入して通路11内に誘導され、通路11内を通って移動し、他の孔11aを通じて触媒構造体1の外部へ出る。流体が通路11内を通って移動する経路において、通路11に存在している金属酸化物微粒子20と接触することによって、金属酸化物微粒子20による触媒反応が生じる。また、触媒構造体1は、担体が多孔質構造であることにより、分子篩能を有する。
[Function of Dehydrogenation Catalyst Structure]
As described above, the
まず、触媒構造体1の分子篩能について、図2(a)を用いて、説明する。図2(a)に示すように、孔11aの孔径以下、言い換えれば、通路11の内径以下の大きさを有する分子15aは、担体10内に浸入することができる。一方、孔11aの孔径を超える大きさを有する分子15bは、担体10内へ浸入することができない。このように、流体が複数種類の化合物を含んでいる場合に、担体10内に浸入することができない化合物の反応は規制され、担体10内に浸入することができる化合物を反応させることができる。
First, the molecular sieving ability of the
反応によって担体10内で生成した化合物のうち、孔11aの孔径以下の大きさを有する分子で構成される化合物のみが孔11aを通じて担体10の外部へ出ることができ、反応生成物として得られる。一方、孔11aから担体10の外部へ出ることができない化合物は、担体10の外部へ出ることができる大きさの分子で構成される化合物に変換させれば、担体10の外部へ出すことができる。このように、触媒構造体1を用いることにより、特定の反応生成物を選択的に得ることができる。
Among the compounds produced in the
触媒構造体1では、図2(b)に示すように、通路11の拡径部12に金属酸化物微粒子20が包接されている。金属酸化物微粒子の平均粒径DCが、通路11の平均内径DFよりも大きく、拡径部12の内径DEよりも小さい場合には(DF<DC<DE)、金属酸化物微粒子と拡径部12との間に小通路13が形成される。そこで、図2(b)中の矢印に示すように、小通路13に浸入した流体が金属酸化物微粒子と接触する。各金属酸化物微粒子は、拡径部12に包接されているため、担体10内での移動が制限されている。これにより、担体10内における金属酸化物微粒子同士の凝集が防止される。その結果、金属酸化物微粒子と流体との大きな接触面積を安定して維持することができる。
In the
具体的には、通路11に浸入した分子が金属酸化物微粒子20に接触すると、アルカンの脱水素化反応によって分子(被改質物質)が改質される。本発明では、触媒構造体1を用いることにより、例えば、プロパンを脱水素化して、プロピレンを製造することができる。この脱水素化反応は、例えば600℃前後の高温下で行われるが、金属酸化物微粒子20は担体10に内在しているため、加熱による影響を受けにくい。金属酸化物微粒子20は通路11、特に拡径部12に存在しているため、金属酸化物微粒子20の担体10内での移動が制限され、金属酸化物微粒子20同士の凝集が(シンタリング)が抑制される。その結果、触媒活性の低下が抑制され、触媒構造体1の長寿命化を実現することができる。
Specifically, when the molecules that have entered the
[脱水素化触媒構造体の製造方法]
図3は、図1の触媒構造体1の製造方法を示すフローチャートである。
[Method for producing dehydrogenation catalyst structure]
FIG. 3 is a flow chart showing a method for manufacturing the
(ステップS1:準備工程)
図3に示すように、先ず、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)を準備する。前駆体材料(A)は、好ましくは規則性メソ細孔物質であり、触媒構造体の担体を構成するゼオライト型化合物の種類(組成)に応じて適宜選択できる。
(Step S1: preparation process)
As shown in FIG. 3, first, a precursor material (A) for obtaining a carrier having a porous structure composed of a zeolite-type compound is prepared. The precursor material (A) is preferably a regular mesoporous material, and can be appropriately selected according to the type (composition) of the zeolite compound that constitutes the carrier of the catalyst structure.
ここで、触媒構造体の担体を構成するゼオライト型化合物がケイ酸塩化合物である場合には、規則性メソ細孔物質は、細孔径1~50nmの細孔が1次元、2次元または3次元に均一な大きさかつ規則的に発達したSi-O骨格からなる化合物であることが好ましい。このような規則性メソ細孔物質は、合成条件によって様々な合成物として得られるが、合成物の具体例としては、例えばSBA-1、SBA-15、SBA-16、KIT-6、FSM-16、MCM-41等が挙げられ、中でもMCM-41が好ましい。なお、SBA-1の細孔径は10~30nm、SBA-15の細孔径は6~10nm、SBA-16の細孔径は6nm、KIT-6の細孔径は9nm、FSM-16の細孔径は3~5nm、MCM-41の細孔径は1~10nmである。また、このような規則性メソ細孔物質としては、例えばメソポーラスシリカ、メソポーラスアルミノシリケート、メソポーラスメタロシリケート等が挙げられる。 Here, when the zeolite-type compound constituting the carrier of the catalyst structure is a silicate compound, the ordered mesoporous material has pores with a pore diameter of 1 to 50 nm in one, two, or three dimensions. It is preferably a compound composed of a Si—O skeleton having a uniform size and regularly developed. Such regular mesoporous materials can be obtained as various synthetic products depending on the synthesis conditions. 16, MCM-41 and the like, among which MCM-41 is preferred. The pore diameter of SBA-1 is 10 to 30 nm, the pore diameter of SBA-15 is 6 to 10 nm, the pore diameter of SBA-16 is 6 nm, the pore diameter of KIT-6 is 9 nm, and the pore diameter of FSM-16 is 3 nm. ˜5 nm, and the pore size of MCM-41 is 1-10 nm. Examples of such ordered mesoporous materials include mesoporous silica, mesoporous aluminosilicate, mesoporous metallosilicate, and the like.
前駆体材料(A)は、市販品および合成品のいずれであってもよい。前駆体材料(A)を合成する場合には、公知の規則性メソ細孔物質の合成方法により行うことができる。例えば、前駆体材料(A)の構成元素を含有する原料と、前駆体材料(A)の構造を規定するための鋳型剤とを含む混合溶液を調製し、必要に応じてpHを調整して、水熱処理(水熱合成)を行う。その後、水熱処理により得られた沈殿物(生成物)を回収(例えば、ろ別)し、必要に応じて洗浄および乾燥し、さらに焼成することで、粉末状の規則性メソ細孔物質である前駆体材料(A)が得られる。ここで、混合溶液の溶媒としては、例えば水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶媒等を用いることができる。また、原料は、担体の種類に応じて選択されるが、例えばテトラエトキシシラン(TEOS)等のシリカ剤、フュームドシリカ、石英砂等が挙げられる。また、鋳型剤としては、各種界面活性剤、ブロックコポリマー等を用いることができ、規則性メソ細孔物質の合成物の種類に応じて選択することが好ましく、例えば、MCM-41を作製する場合には、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド等の界面活性剤が好適である。水熱処理は、例えば、密閉容器内で、80~800℃、5時間~240時間、0~2000kPaの処理条件で行うことができる。焼成処理は、例えば、空気中で、350~850℃、2~30時間の処理条件で行うことができる。 Precursor material (A) may be either commercially available or synthetic. Synthesis of the precursor material (A) can be carried out by a known method for synthesizing ordered mesoporous materials. For example, a mixed solution containing raw materials containing constituent elements of the precursor material (A) and a templating agent for defining the structure of the precursor material (A) is prepared, and the pH is adjusted as necessary. , perform hydrothermal treatment (hydrothermal synthesis). After that, the precipitate (product) obtained by the hydrothermal treatment is recovered (for example, filtered), washed and dried as necessary, and further calcined to obtain a powdery ordered mesoporous material. A precursor material (A) is obtained. Here, as the solvent of the mixed solution, for example, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solvent thereof can be used. The raw material is selected according to the type of carrier, and examples thereof include silica agents such as tetraethoxysilane (TEOS), fumed silica, and quartz sand. As the templating agent, various surfactants, block copolymers, and the like can be used, and it is preferable to select them according to the type of synthesis of the ordered mesoporous material. For example, when producing MCM-41 is preferably a surfactant such as hexadecyltrimethylammonium bromide. The hydrothermal treatment can be carried out, for example, in a closed vessel under conditions of 80 to 800° C., 5 hours to 240 hours, and 0 to 2000 kPa. The calcination treatment can be performed, for example, in the air at 350 to 850° C. for 2 to 30 hours.
(ステップS2:含浸工程)
次に、準備した前駆体材料(A)に、金属含有溶液を含浸させ、前駆体材料(B)を得る。
(Step S2: impregnation step)
Next, the prepared precursor material (A) is impregnated with a metal-containing solution to obtain a precursor material (B).
金属含有溶液は、触媒構造体の金属酸化物微粒子を構成する金属元素(M)に対応する金属成分(例えば、金属イオン)を含有する溶液であればよく、例えば、溶媒に、金属元素(M)を含有する金属塩を溶解させることにより調製できる。このような金属塩としては、例えば、塩化物、水酸化物、酸化物、硫酸塩、硝酸塩等の金属塩が挙げられ、中でも硝酸塩が好ましい。溶媒としては、例えば水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶媒等を用いることができる。 The metal-containing solution may be any solution as long as it contains a metal component (for example, metal ions) corresponding to the metal element (M) that constitutes the metal oxide fine particles of the catalyst structure. ) can be prepared by dissolving a metal salt containing Examples of such metal salts include metal salts such as chlorides, hydroxides, oxides, sulfates and nitrates, with nitrates being preferred. As the solvent, for example, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solvent thereof can be used.
前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させる方法は、特に限定されないが、例えば、後述する焼成工程の前に、粉末状の前駆体材料(A)を撹拌しながら、前駆体材料(A)に金属含有溶液を複数回に分けて少量ずつ添加することが好ましい。また、前駆体材料(A)の細孔内部に金属含有溶液がより浸入し易くなる観点から、前駆体材料(A)に、金属含有溶液を添加する前に予め、添加剤として界面活性剤を添加しておくことが好ましい。このような添加剤は、前駆体材料(A)の外表面を被覆する働きがあり、その後に添加される金属含有溶液が前駆体材料(A)の外表面に付着することを抑制し、金属含有溶液が前駆体材料(A)の細孔内部により浸入し易くなると考えられる。 The method for impregnating the precursor material (A) with the metal-containing solution is not particularly limited. For example, while stirring the powdery precursor material (A), the precursor material (A ), the metal-containing solution is preferably added little by little in multiple batches. In addition, from the viewpoint of making it easier for the metal-containing solution to penetrate into the pores of the precursor material (A), a surfactant is added as an additive to the precursor material (A) in advance before adding the metal-containing solution. It is preferable to add. Such an additive has the function of coating the outer surface of the precursor material (A), suppresses the metal-containing solution added thereafter from adhering to the outer surface of the precursor material (A), It is believed that the contained solution is more likely to penetrate into the pores of the precursor material (A).
このような添加剤としては、例えばポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル等の非イオン性界面活性剤が挙げられる。これらの界面活性剤は、分子サイズが大きく前駆体材料(A)の細孔内部には浸入できないため、細孔の内部に付着することは無く、金属含有溶液が細孔内部に浸入することを妨げないと考えられる。非イオン性界面活性剤の添加方法としては、例えば、後述する焼成工程の前に、非イオン性界面活性剤を、前駆体材料(A)に対して50~500質量%添加するのが好ましい。非イオン性界面活性剤の前駆体材料(A)に対する添加量が50質量%未満であると上記の抑制作用が発現し難く、非イオン性界面活性剤を前駆体材料(A)に対して500質量%よりも多く添加すると粘度が上がりすぎるので好ましくない。よって、非イオン性界面活性剤の前駆体材料(A)に対する添加量を上記範囲内の値とする。 Examples of such additives include nonionic surfactants such as polyoxyethylene oleyl ether, polyoxyethylene alkyl ether and polyoxyethylene alkylphenyl ether. Since these surfactants have a large molecular size and cannot penetrate inside the pores of the precursor material (A), they do not adhere to the inside of the pores and prevent the metal-containing solution from entering inside the pores. not considered to be a hindrance. As a method for adding the nonionic surfactant, for example, it is preferable to add 50 to 500% by mass of the nonionic surfactant with respect to the precursor material (A) before the firing step described later. If the amount of the nonionic surfactant added to the precursor material (A) is less than 50% by mass, the above suppressing effect is difficult to develop, and the nonionic surfactant is added to the precursor material (A) in an amount of 500% by mass. Adding more than % by mass is not preferable because the viscosity increases too much. Therefore, the amount of the nonionic surfactant added to the precursor material (A) is set within the above range.
また、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量は、前駆体材料(A)に含浸させる金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)の量(すなわち、前駆体材料(B)に内在させる金属元素(M)の量)を考慮して、適宜調整することが好ましい。例えば、後述する焼成工程の前に、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量を、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算して、10~1000となるように調整することが好ましく、50~200となるように調整することがより好ましい。例えば、前駆体材料(A)に金属含有溶液を添加する前に、添加剤として界面活性剤を前駆体材料(A)に添加した場合、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量を、原子数比Si/Mに換算して50~200とすることで、金属酸化物微粒子の金属元素(M)を、触媒構造体に対して0.5~2.5質量%で含有させることができる。前駆体材料(B)の状態で、その細孔内部に存在する金属元素(M)の量は、金属含有溶液の金属濃度や、上記添加剤の有無、その他温度や圧力等の諸条件が同じであれば、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量に概ね比例する。また、前駆体材料(B)に内在する金属元素(M)の量は、触媒構造体の担体に内在する金属酸化物微粒子を構成する金属元素の量と比例関係にある。したがって、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量を上記範囲に制御することにより、前駆体材料(A)の細孔内部に金属含有溶液を十分に含浸させることができ、ひいては、触媒構造体の担体に内在させる金属酸化物微粒子の量を調整することができる。 In addition, the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is the amount of the metal element (M) contained in the metal-containing solution impregnated into the precursor material (A) (that is, the amount of the precursor material (B ) is preferably adjusted as appropriate in consideration of the amount of the metal element (M) to be incorporated in ). For example, before the firing step to be described later, the addition amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is set to In terms of the ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) (atomic ratio Si/M), it is preferably adjusted to be 10 to 1000, and adjusted to be 50 to 200. is more preferable. For example, if a surfactant is added as an additive to the precursor material (A) before adding the metal-containing solution to the precursor material (A), the addition of the metal-containing solution to the precursor material (A) By setting the amount to 50 to 200 in terms of the atomic ratio Si/M, the metal element (M) of the metal oxide fine particles is contained at 0.5 to 2.5% by mass with respect to the catalyst structure. can be made In the state of the precursor material (B), the amount of the metal element (M) present inside the pores is the same under conditions such as the metal concentration of the metal-containing solution, the presence or absence of the above additives, and other conditions such as temperature and pressure. If so, it is roughly proportional to the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A). Moreover, the amount of the metal element (M) inherent in the precursor material (B) is in a proportional relationship with the amount of the metal element constituting the metal oxide fine particles inherent in the carrier of the catalyst structure. Therefore, by controlling the addition amount of the metal-containing solution to be added to the precursor material (A) within the above range, the inside of the pores of the precursor material (A) can be sufficiently impregnated with the metal-containing solution. , the amount of the metal oxide fine particles to be incorporated in the carrier of the catalyst structure can be adjusted.
前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させた後は、必要に応じて、洗浄処理を行ってもよい。洗浄溶液として、水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶液を用いることができる。また、前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させ、必要に応じて洗浄処理を行った後、さらに乾燥処理を施すことが好ましい。乾燥処理としては、一晩程度の自然乾燥や、150℃以下の高温乾燥が挙げられる。なお、金属含有溶液に含まれる水分や、洗浄溶液の水分が、前駆体材料(A)に多く残った状態で、後述の焼成処理を行うと、前駆体材料(A)の規則性メソ細孔物質としての骨格構造が壊れる恐れがあるので、十分に乾燥するのが好ましい。 After impregnating the precursor material (A) with the metal-containing solution, a washing treatment may be performed as necessary. As the cleaning solution, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solution thereof can be used. Moreover, it is preferable that the precursor material (A) is impregnated with the metal-containing solution, washed as necessary, and then dried. Drying treatments include natural drying for about one night and high-temperature drying at 150° C. or less. In addition, when the precursor material (A) is subjected to the firing treatment described later in a state in which a large amount of water contained in the metal-containing solution or the washing solution remains in the precursor material (A), regular mesopores of the precursor material (A) Sufficient drying is preferable because the skeleton structure of the substance may be destroyed.
(ステップS3:焼成工程)
次に、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)に金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成して、前駆体材料(C)を得る。
(Step S3: Firing step)
Next, the precursor material (B) obtained by impregnating the precursor material (A) with the metal-containing solution for obtaining a carrier having a porous structure composed of a zeolite-type compound is calcined to obtain the precursor material (C). get
焼成処理は、例えば、空気中で、350~850℃、2~30時間の処理条件で行うことが好ましい。このような焼成処理により、規則性メソ細孔物質の孔内に含浸された金属成分が結晶成長して、孔内で金属酸化物微粒子が形成される。 The calcination treatment is preferably carried out, for example, in the air at 350 to 850° C. for 2 to 30 hours. By such a calcination treatment, the metal component impregnated in the pores of the ordered mesoporous material undergoes crystal growth to form metal oxide fine particles in the pores.
(ステップS4:水熱処理工程)
次いで、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製し、記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理して、触媒構造体を得る。
(Step S4: hydrothermal treatment step)
Next, a mixed solution is prepared by mixing the precursor material (C) and a structure-directing agent, and the precursor material (C) obtained by calcining the precursor material (B) is hydrothermally treated to obtain a catalyst structure. get a body
構造規定剤は、触媒構造体の担体の骨格構造を規定するための鋳型剤であり、例えば界面活性剤を用いることができる。構造規定剤は、触媒構造体の担体の骨格構造に応じて選択することが好ましく、例えばテトラメチルアンモニウムブロミド(TMABr)、テトラエチルアンモニウムブロミド(TEABr)、テトラプロピルアンモニウムブロミド(TPABr)等の界面活性剤が好適である。 The structure-directing agent is a templating agent for defining the skeleton structure of the carrier of the catalyst structure, and for example, a surfactant can be used. The structure-directing agent is preferably selected according to the skeleton structure of the carrier of the catalyst structure. is preferred.
前駆体材料(C)と構造規定剤との混合は、本水熱処理工程時に行ってもよいし、水熱処理工程の前に行ってもよい。また、上記混合溶液の調製方法は、特に限定されず、前駆体材料(C)と、構造規定剤と、溶媒とを同時に混合してもよいし、溶媒に前駆体材料(C)と構造規定剤とをそれぞれ個々の溶液に分散させた状態にした後に、それぞれの分散溶液を混合してもよい。溶媒としては、例えば水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶媒等を用いることができる。また、混合溶液は、水熱処理を行う前に、酸または塩基を用いてpHを調整しておくことが好ましい。 Mixing of the precursor material (C) and the structure-directing agent may be performed during the main hydrothermal treatment step or before the hydrothermal treatment step. The method for preparing the mixed solution is not particularly limited, and the precursor material (C), the structure-directing agent, and the solvent may be mixed at the same time, or the precursor material (C) and the structure-directing agent may be mixed together in the solvent. Each dispersion solution may be mixed after dispersing each of the agents into individual solutions. As the solvent, for example, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solvent thereof can be used. Moreover, it is preferable that the mixed solution is adjusted in pH with an acid or a base before the hydrothermal treatment.
水熱処理は、公知の方法で行うことができ、例えば、密閉容器内で、80~800℃、5時間~240時間、0~2000kPaの処理条件で行うことが好ましい。また、水熱処理は、塩基性雰囲気下で行われることが好ましい。ここでの反応メカニズムは必ずしも明らかではないが、前駆体材料(C)を原料として水熱処理を行うことにより、前駆体材料(C)の規則性メソ細孔物質としての骨格構造は次第に崩れるが、前駆体材料(C)の細孔内部での金属酸化物微粒子の位置は概ね維持されたまま、構造規定剤の作用により、触媒構造体の担体としての新たな骨格構造(多孔質構造)が形成される。このようにして得られた触媒構造体は、多孔質構造の担体と、担体に内在する金属酸化物微粒子を備え、さらに担体はその多孔質構造により複数の孔が互いに連通した通路を有し、金属酸化物微粒子はその少なくとも一部分が担体の通路に存在している。本実施形態では、上記水熱処理工程において、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製して、前駆体材料(C)を水熱処理しているが、これに限らず、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合することなく、前駆体材料(C)を水熱処理してもよい。 The hydrothermal treatment can be carried out by a known method, and is preferably carried out in a closed vessel under treatment conditions of 80 to 800° C., 5 hours to 240 hours, and 0 to 2000 kPa. Also, the hydrothermal treatment is preferably performed in a basic atmosphere. Although the reaction mechanism here is not necessarily clear, by performing hydrothermal treatment using the precursor material (C) as a raw material, the skeletal structure of the precursor material (C) as an ordered mesoporous substance gradually collapses. While the position of the metal oxide fine particles inside the pores of the precursor material (C) is generally maintained, a new skeleton structure (porous structure) is formed as a support for the catalyst structure by the action of the structure-directing agent. be done. The catalyst structure obtained in this manner comprises a carrier having a porous structure and metal oxide fine particles contained in the carrier, and the carrier has passages in which a plurality of pores communicate with each other due to the porous structure of the carrier, At least part of the metal oxide fine particles exists in the passages of the carrier. In the present embodiment, in the hydrothermal treatment step, a mixed solution is prepared by mixing the precursor material (C) and the structure-directing agent, and the precursor material (C) is hydrothermally treated, but the present invention is not limited to this. Alternatively, the precursor material (C) may be hydrothermally treated without mixing the precursor material (C) and the structure-directing agent.
水熱処理後に得られる沈殿物(触媒構造体)は、回収(例えば、ろ別)後、必要に応じて洗浄、乾燥および焼成することが好ましい。洗浄溶液としては、水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶液を用いることができる。乾燥処理としては、一晩程度の自然乾燥や、150℃以下の高温乾燥が挙げられる。なお、沈殿物に水分が多く残った状態で、焼成処理を行うと、触媒構造体の担体としての骨格構造が壊れる恐れがあるので、十分に乾燥するのが好ましい。また、焼成処理は、例えば、空気中で、350~850℃、2~30時間の処理条件で行うことができる。このような焼成処理により、触媒構造体に付着していた構造規定剤が焼失する。また、触媒構造体は、使用目的に応じて、回収後の沈殿物を焼成処理することなくそのまま用いることもできる。例えば、触媒構造体の使用する環境が、酸化性雰囲気の高温環境である場合には、使用環境に一定時間晒すことで、構造規定剤は焼失し、焼成処理した場合と同様の触媒構造体が得られるので、そのまま使用することが可能となる。 The precipitate (catalyst structure) obtained after the hydrothermal treatment is preferably collected (for example, separated by filtration) and then washed, dried and calcined as necessary. As the cleaning solution, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solution thereof can be used. Drying treatments include natural drying for about one night and high-temperature drying at 150° C. or less. It should be noted that if the calcination treatment is performed in a state in which a large amount of water remains in the precipitate, there is a risk that the skeletal structure as a carrier of the catalyst structure may be broken, so it is preferable to dry the precipitate sufficiently. Further, the calcination treatment can be performed, for example, in the air under the treatment conditions of 350 to 850° C. for 2 to 30 hours. The structure-directing agent adhering to the catalyst structure is burned off by such a calcination treatment. In addition, the catalyst structure can be used as it is without calcining the collected precipitate depending on the purpose of use. For example, when the environment in which the catalyst structure is used is a high-temperature environment in an oxidizing atmosphere, the structure-directing agent is burned off by exposing it to the use environment for a certain period of time, and the same catalyst structure as in the case of calcining is obtained. Since it is obtained, it becomes possible to use it as it is.
[脱水素化触媒構造体の変形例]
図4は、図1の触媒構造体1の変形例を示す模式図である。図1の触媒構造体1は、担体10と、担体10に内在する金属酸化物微粒子20とを備える場合を示しているが、この構成だけには限定されず、例えば、図4に示すように、触媒構造体2が、担体10の外表面10aに保持された他の金属酸化物微粒子30を更に備えていてもよい。
[Modified Example of Dehydrogenation Catalyst Structure]
FIG. 4 is a schematic diagram showing a modification of the
この金属酸化物微粒子30は、一又は複数の触媒能を発揮する触媒物質である。他の金属酸化物微粒子30が有する触媒能は、金属酸化物微粒子20が有する触媒能と同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、金属酸化物微粒子20,30の双方が同一の触媒能を有する触媒物質である場合、他の金属酸化物微粒子30の材料は、金属酸化物微粒子20の材料と同一であってもよいし、異なっていてもよい。本構成によれば、触媒構造体2に保持された金属酸化物微粒子の含有量を増大することができ、金属酸化物微粒子の触媒活性を更に促進することができる。
The metal oxide
この場合、担体10に内在する金属酸化物微粒子20の含有量は、担体10の外表面10aに保持された他の金属酸化物微粒子30の含有量よりも多いことが好ましい。これにより、担体10の内部に保持された金属酸化物微粒子20による触媒能が支配的となり、安定的に金属酸化物微粒子の触媒能が発揮される。
In this case, the content of the metal oxide
また、原料として使用されるアルカンは、脱水素化反応によりアルケンと水素とに分解することができれば、特に限定されるものではないが、一般に炭素数が2~5のアルカンが使用される。このようなアルカンとしては、例えば、エタン、プロパン、n-ブタン、イソブタン、n-ペンタン、2-メチルブタン(イソペンタン)などが挙げられる。そして、これらを本発明に係る触媒構造体の存在下で、脱水素化反応を行うことにより、エチレン、プロピレン(プロペン)、1-ブテン、2-ブテン、イソブテン(イソブチレン)、1-ペンテン、2-ペンテン、2-メチル-1-ブテン、2-メチル-2-ブテンなどを生成することができる。その中でも、有用性の観点から、プロパンの脱水素化反応が特に好ましい。 The alkane used as a raw material is not particularly limited as long as it can be decomposed into an alkene and hydrogen by a dehydrogenation reaction, but alkanes having 2 to 5 carbon atoms are generally used. Examples of such alkanes include ethane, propane, n-butane, isobutane, n-pentane, 2-methylbutane (isopentane), and the like. Then, these are subjected to a dehydrogenation reaction in the presence of the catalyst structure according to the present invention to give ethylene, propylene (propene), 1-butene, 2-butene, isobutene (isobutylene), 1-pentene, 2 -pentene, 2-methyl-1-butene, 2-methyl-2-butene, and the like. Among them, the dehydrogenation reaction of propane is particularly preferable from the viewpoint of usefulness.
また、アルカンの脱水素化反応は、公知のプロセスにより行うことができる。さらに、アルカン、特にプロパンの脱水素化反応により副生成物として生成される高不飽和成分(例えばアセチレン、ジオレフィン)を、選択的水素化することにより、プロパン又はプロピレンに転化することができる。このように、アルカン、特にプロパンの脱水素化と、生成された高不飽和成分の選択的水素化を行うことにより、より効率的にプロピレンを生成することができる。 Moreover, the dehydrogenation reaction of alkane can be performed by a known process. Furthermore, highly unsaturated components (eg acetylenes, diolefins) produced as by-products by dehydrogenation reactions of alkanes, especially propane, can be converted to propane or propylene by selective hydrogenation. Thus, by dehydrogenating alkanes, especially propane, and selectively hydrogenating the highly unsaturated components produced, propylene can be produced more efficiently.
また、本発明において、上記触媒構造体を有するアルケン製造装置、特にプロピレン製造装置が提供される。このような製造装置は、上記触媒構造体を利用したアルカンの脱水素化ができるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、脱水素化反応器等の通常使用される製造装置を使用することができる。本発明に係る触媒構造体をこのような製造装置に用いることにより、当該製造装置も上記と同様の効果を奏することができる。 The present invention also provides an alkene production apparatus, particularly a propylene production apparatus, having the above catalyst structure. Such a production apparatus is not particularly limited as long as it can dehydrogenate alkane using the catalyst structure, and for example, a commonly used production apparatus such as a dehydrogenation reactor is used. can do. By using the catalyst structure according to the present invention in such a production apparatus, the production apparatus can also achieve the same effects as described above.
以上、本発明の実施形態に係る触媒構造体について述べたが、本発明は記述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。 Although the catalyst structures according to the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the described embodiments, and various modifications and changes are possible based on the technical idea of the present invention.
(実施例1~384)
[前駆体材料(A)の合成]
シリカ剤(テトラエトキシシラン(TEOS)、和光純薬工業株式会社製)と、鋳型剤としての界面活性剤とを混合した混合水溶液を作製し、適宜pH調整を行い、密閉容器内で、80~350℃、100時間、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水およびエタノールで洗浄し、さらに600℃、24時間、空気中で焼成して、表1~8に示される種類および孔径の前駆体材料(A)を得た。なお、界面活性剤は、前駆体材料(A)の種類に応じて(「前駆体材料(A)の種類:界面活性剤」)以下のものを用いた。
・MCM-41:ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)(和光純薬工業株式会社製)
・SBA-1:Pluronic P123(BASF社製)
(Examples 1 to 384)
[Synthesis of precursor material (A)]
A mixed aqueous solution is prepared by mixing a silica agent (tetraethoxysilane (TEOS), manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and a surfactant as a template agent, and the pH is adjusted as appropriate. Hydrothermal treatment was performed at 350° C. for 100 hours. After that, the produced precipitate is filtered off, washed with water and ethanol, and further calcined in the air at 600° C. for 24 hours to obtain the precursor material (A) having the types and pore sizes shown in Tables 1 to 8. Obtained. The following surfactants were used according to the type of the precursor material (A) (“type of precursor material (A): surfactant”).
・ MCM-41: hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
・ SBA-1: Pluronic P123 (manufactured by BASF)
[前駆体材料(B)および(C)の作製]
次に、表1~8に示される種類の金属酸化物微粒子を構成する金属元素(M)に応じて、該金属元素(M)を含有する金属塩を、水に溶解させて、金属含有水溶液を調製した。なお、金属塩は、金属酸化物微粒子の種類に応じて(「金属酸化物微粒子:金属塩」)以下のものを用いた。
・CrOx:硝酸クロム(III)九水和物(和光純薬工業株式会社製、製品名「硝酸クロム(III)九水和物,98.5%」)
・GaOx:硝酸ガリウム水和物(和光純薬工業株式会社製、製品名「硝酸ガリウム(III)n水和物」)
・AlOx:硝酸アルミニウム 九水和物(和光純薬工業株式会社製、製品名「硝酸アルミニウム九水和物」)
・MnOx:硝酸マンガン(II)六水和物(和光純薬工業株式会社製、製品名「硝酸アルミニウム九水和物」)
[Production of precursor materials (B) and (C)]
Next, according to the metal element (M) constituting the metal oxide fine particles of the types shown in Tables 1 to 8, a metal salt containing the metal element (M) is dissolved in water to obtain a metal-containing aqueous solution. was prepared. The following metal salts were used according to the type of metal oxide fine particles (“metal oxide fine particles: metal salt”).
・CrO x : chromium (III) nitrate nonahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., product name “chromium (III) nitrate nonahydrate, 98.5%”)
・ GaO x : Gallium nitrate hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., product name “Gallium (III) nitrate n-hydrate”)
・ AlO x : aluminum nitrate nonahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., product name “aluminum nitrate nonahydrate”)
・ MnO x : manganese (II) nitrate hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., product name “aluminum nitrate nonahydrate”)
次に、粉末状の前駆体材料(A)に、金属含有水溶液を複数回に分けて少量ずつ添加し、室温(20℃±10℃)で12時間以上乾燥させて、前駆体材料(B)を得た。 Next, the metal-containing aqueous solution is added to the powdery precursor material (A) little by little in multiple portions, dried at room temperature (20° C.±10° C.) for 12 hours or more, and precursor material (B) is obtained. got
なお、表1~8に示す添加剤の有無の条件が「有り」の場合は、金属含有水溶液を添加する前の前駆体材料(A)に対して、添加剤としてのポリオキシエチレン(15)オレイルエーテル(NIKKOL BO-15V、日光ケミカルズ株式会社製)の水溶液を添加する前処理を行い、その後、上記のように金属含有水溶液を添加した。なお、添加剤の有無の条件で「無し」の場合については、上記のような添加剤による前処理は行っていない。 In addition, when the condition of the presence or absence of additives shown in Tables 1 to 8 is "Yes", polyoxyethylene (15) as an additive is added to the precursor material (A) before adding the metal-containing aqueous solution. Pretreatment was performed by adding an aqueous solution of oleyl ether (NIKKOL BO-15V, manufactured by Nikko Chemicals Co., Ltd.), and then a metal-containing aqueous solution was added as described above. In addition, in the case of "absent" in the condition of the presence or absence of additives, pretreatment with additives as described above was not performed.
また、前駆体材料(A)に添加する金属含有水溶液の添加量は、該金属含有水溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算したときの数値が、表1~8の値になるように調整した。 The amount of the metal-containing aqueous solution added to the precursor material (A) is determined by the ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) to the metal element (M) contained in the metal-containing aqueous solution ( Numerical values when converted to the atomic number ratio (Si/M) were adjusted to the values shown in Tables 1-8.
次に、上記のようにして得られた金属含有水溶液を含浸させた前駆体材料(B)を、600℃、24時間、空気中で焼成して、前駆体材料(C)を得た。 Next, the precursor material (B) impregnated with the metal-containing aqueous solution obtained as described above was calcined in the air at 600° C. for 24 hours to obtain the precursor material (C).
上記のようにして得られた前駆体材料(C)と、表1~8に示す構造規定剤とを混合して混合水溶液を作製し、密閉容器内で、80~350℃、表1~8に示すpHおよび時間の条件で、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水洗し、100℃で12時間以上乾燥させ、さらに600℃、24時間、空気中で焼成した。こうして、表1~8に示す担体と触媒物質としての金属酸化物微粒子とを有する触媒構造体を得た(実施例1~384)。 The precursor material (C) obtained as described above was mixed with the structure-directing agents shown in Tables 1 to 8 to prepare a mixed aqueous solution, which was heated in a sealed container at 80 to 350 ° C. in Tables 1 to 8. Hydrothermal treatment was performed under the pH and time conditions shown in . After that, the produced precipitate was filtered off, washed with water, dried at 100° C. for 12 hours or more, and further calcined in the air at 600° C. for 24 hours. In this way, catalyst structures having carriers shown in Tables 1 to 8 and metal oxide fine particles as catalytic substances were obtained (Examples 1 to 384).
(比較例1)
比較例1では、MFI型シリカライトに、硝酸クロム(III)九水和物硝酸銅三水和物(和光純薬工業株式会社製、製品名「硝酸クロム(III)九水和物、98.5%硝酸銅(II)三水和物、99.9%」)を滴下し、CrOx包接ゼオライトと同条件で焼成し、担体としてのシリカライトの外表面に、触媒物質としてCrOx粒子を付着させた触媒構造体を得た。MFI型シリカライトは、金属を添加する工程以外は、実施例52~57と同様の方法で合成した。
(Comparative example 1)
In Comparative Example 1, MFI-type silicalite was added with chromium (III) nitrate nonahydrate and copper nitrate trihydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., product name "chromium (III) nitrate nonahydrate, 98. 5% copper (II) nitrate trihydrate, 99.9%”) was added dropwise and calcined under the same conditions as the CrO x clathrate zeolite, and on the outer surface of silicalite as a support, CrO x particles as a catalyst substance was attached to obtain a catalyst structure. MFI-type silicalite was synthesized in the same manner as in Examples 52 to 57, except for the step of adding metal.
(比較例2)
比較例2では、CrOx粒子を付着させる工程を省略したこと以外は、比較例1と同様の方法にてMFI型シリカライトを合成した。
(Comparative example 2)
In Comparative Example 2, MFI-type silicalite was synthesized in the same manner as in Comparative Example 1, except that the step of attaching CrOx particles was omitted.
[評価]
上記実施例の触媒構造体および比較例のシリカライトについて、以下に示す条件で、各種特性評価を行った。
[evaluation]
Various characteristic evaluations were performed on the catalyst structures of the above examples and the silicalite of the comparative examples under the following conditions.
[A]断面観察
上記実施例の触媒構造体および比較例のシリカライトについて、粉砕法にて観察試料を作製し、透過電子顕微鏡(TEM)(TITAN G2、FEI社製)を用いて、断面観察を行った。その結果、上記実施例の触媒構造体では、シリカライトまたはゼオライトからなる担体の内部に金属酸化物微粒子が内在し、保持されていることが確認された。一方、比較例1のシリカライトでは、金属酸化物微粒子が担体の外表面に付着しているのみで、担体の内部には存在していなかった。
[A] Cross-sectional observation For the catalyst structures of the above examples and the silicalite of the comparative examples, observation samples were prepared by a pulverization method, and cross-sectional observations were performed using a transmission electron microscope (TEM) (TITAN G2, manufactured by FEI). did As a result, it was confirmed that in the catalyst structures of the above examples, the metal oxide fine particles were inherently present and held inside the carrier made of silicalite or zeolite. On the other hand, in the silicalite of Comparative Example 1, the metal oxide fine particles adhered only to the outer surface of the carrier and were not present inside the carrier.
また、上記実施例のうち金属酸化物がAl2O3微粒子(AlOx微粒子)である触媒構造体については、FIB(集束イオンビーム)加工により断面を切り出し、SEM(SU8020、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)、EDX(X-Max、株式会社堀場製作所製)を用いて断面元素分析を行った。その結果、担体内部からAl元素が検出された。上記TEMとSEM/EDXによる断面観察の結果から、担体内部にAl2O3微粒子が存在していることが確認された。 In the above examples, the catalyst structures in which the metal oxide was Al 2 O 3 fine particles (AlO x fine particles) were cut out by FIB (focused ion beam) processing and subjected to SEM (SU8020, Hitachi High-Technologies Corporation). (manufactured by Horiba, Ltd.) and EDX (X-Max, manufactured by Horiba, Ltd.) were used to perform cross-sectional elemental analysis. As a result, Al element was detected from inside the carrier. From the results of cross-sectional observation by TEM and SEM/EDX, it was confirmed that Al 2 O 3 fine particles were present inside the carrier.
[B]担体の通路の平均内径および触媒物質の平均粒径
上記評価[A]で行った断面観察により撮影したTEM画像にて、担体の通路を、任意に500個選択し、それぞれの長径および短径を測定し、その平均値からそれぞれの内径を算出し(N=500)、さらに内径の平均値を求めて、担体の通路の平均内径DFとした。また、触媒物質についても同様に、上記TEM画像から、触媒物質を、任意に500個選択し、それぞれの粒径を測定して(N=500)、その平均値を求めて、触媒物質の平均粒径DCとした。結果を表1~8に示す。
[B] The average inner diameter of the carrier passage and the average particle diameter of the catalyst material. The minor diameters were measured, and the average inner diameter was calculated (N=500). In the same manner, 500 catalyst substances were arbitrarily selected from the TEM image, the particle size of each was measured (N = 500), and the average value was obtained. The particle size was defined as D C. The results are shown in Tables 1-8.
また、触媒物質の平均粒径及び分散状態を確認するため、SAXS(小角X線散乱)を用いて分析した。SAXSによる測定は、Spring-8のビームラインBL19B2を用いて行った。得られたSAXSデータは、Guinier近似法により球形モデルでフィッティングを行い、粒径を算出した。粒径は、金属酸化物がAl2O3微粒子である触媒構造体について測定した。また、比較対象として、市販品であるAl2O3微粒子(イーエムジャパン株式会社製)をSEMにて観察、測定した。 In addition, in order to confirm the average particle diameter and dispersion state of the catalyst substance, analysis was performed using SAXS (small angle X-ray scattering). Measurements by SAXS were performed using Spring-8 beamline BL19B2. The obtained SAXS data was fitted with a spherical model by the Guinier approximation method to calculate the particle size. The particle size was measured for a catalyst structure in which the metal oxide was fine Al 2 O 3 particles. As a comparative object, commercial Al 2 O 3 fine particles (manufactured by EM Japan Co., Ltd.) were observed and measured by SEM.
この結果、市販品では粒径約10nm~100nmの範囲で様々なサイズのAl2O3微粒子がランダムに存在しているのに対し、TEM画像から求めた平均粒径が1.2nm~2.0nmの各実施例の触媒構造体では、SAXSの測定結果においても粒径が10nm以下の散乱ピークが検出された。SAXSの測定結果とSEM/EDXによる断面の測定結果から、担体内部に、粒径10nm以下の触媒物質が、粒径が揃いかつ非常に高い分散状態で存在していることが分かった。 As a result, in the commercial product, Al 2 O 3 fine particles of various sizes with a particle size range of about 10 nm to 100 nm are randomly present, whereas the average particle size obtained from the TEM image is 1.2 nm to 2.0 nm. In the catalyst structure of each example having a particle size of 0 nm, a scattering peak with a particle size of 10 nm or less was detected in the SAXS measurement results. From the SAXS measurement results and SEM/EDX cross-sectional measurement results, it was found that catalytic substances with particle sizes of 10 nm or less were present inside the carrier in a highly dispersed state with a uniform particle size.
[C]金属含有溶液の添加量と担体内部に包接された金属量との関係
原子数比Si/M=50、100、200、1000(M=Cr、Ga、Al、Mn)の添加量で、金属酸化物微粒子を担体内部に包接させた触媒構造体を作製し、その後、上記添加量で作製された触媒構造体の担体内部に包接された金属量(質量%)を測定した。尚、本測定において原子数比Si/M=100、200、1000の触媒構造体は、それぞれ実施例1~384のうちの原子数比Si/M=100、200、1000の触媒構造体と同様の方法で金属含有溶液の添加量を調整して作製し、原子数比Si/M=50の触媒構造体は、金属含有溶液の添加量を異ならせたこと以外は、原子数比Si/M=100、200、1000の触媒構造体と同様の方法で作製した。
[C] Relationship between the amount of the metal-containing solution added and the amount of the metal clathrated inside the support Addition amount of atomic number ratio Si/M = 50, 100, 200, 1000 (M = Cr, Ga, Al, Mn) , a catalyst structure in which metal oxide fine particles were included inside the carrier was produced, and then the amount (mass%) of the metal enclosed inside the carrier of the catalyst structure produced with the above addition amount was measured. . In this measurement, the catalyst structures with atomic ratios Si/M = 100, 200, and 1000 are the same as the catalyst structures with atomic ratios Si/M = 100, 200, and 1000 in Examples 1 to 384, respectively. The catalyst structure with the atomic ratio Si/M = 50 was prepared by adjusting the amount of the metal-containing solution added by the method of No., except that the amount of the metal-containing solution added was changed. = 100, 200 and 1000 catalyst structures.
金属量の定量は、ICP(高周波誘導結合プラズマ)単体か、或いはICPとXRF(蛍光X線分析)を組み合わせて行った。XRF(エネルギー分散型蛍光X線分析装置「SEA1200VX」、エスエスアイ・ナノテクノロジー株式会社製)は、真空雰囲気、加速電圧15kV(Crフィルター使用)或いは加速電圧50kV(Pbフィルター使用)の条件で行った。XRFは、金属の存在量を蛍光強度で算出する方法であり、XRF単体では定量値(質量%換算)を算出できない。そこで、Si/M=100で金属を添加した触媒構造体の金属量は、ICP分析により定量し、Si/M=50および100未満で金属を添加した触媒構造体の金属量は、XRF測定結果とICP測定結果を元に算出した。 The amount of metal was quantified by ICP (high frequency inductively coupled plasma) alone or by combining ICP and XRF (X-ray fluorescence analysis). XRF (energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer "SEA1200VX", manufactured by SSI Nanotechnology Co., Ltd.) was performed under the conditions of a vacuum atmosphere and an acceleration voltage of 15 kV (using a Cr filter) or an accelerating voltage of 50 kV (using a Pb filter). . XRF is a method of calculating the amount of metal present based on fluorescence intensity, and a quantitative value (in terms of mass %) cannot be calculated using XRF alone. Therefore, the metal content of the catalyst structure to which the metal was added at Si/M = 100 was quantified by ICP analysis, and the metal content of the catalyst structure to which the metal was added at Si/M = 50 and less than 100 was the result of XRF measurement. and calculated based on the ICP measurement results.
この結果、少なくとも原子数比Si/Mが50~1000の範囲内で、金属含有溶液の添加量の増加に伴って、触媒構造体に包接された金属量が増大していることが確認された。 As a result, it was confirmed that at least within the range of the atomic number ratio Si/M of 50 to 1000, the amount of the metal clathrated in the catalyst structure increased as the amount of the metal-containing solution added increased. rice field.
[C]性能評価
上記実施例の触媒構造体および比較例のシリカライトについて、触媒物質がもつ触媒能を評価した。結果を表1~8に示す。
[C] Performance Evaluation The catalyst structures of the above examples and the silicalite of the comparative example were evaluated for their catalytic ability. The results are shown in Tables 1-8.
(1)触媒活性
触媒活性は、以下の条件で評価した。
(1) Catalytic activity Catalytic activity was evaluated under the following conditions.
まず、得られた触媒構造体0.2gを常圧流通式反応装置に充填して、プロパンと二酸化炭素との混合ガス(容積混合比1:7)を5cc/分の流速で供給し、600℃で2時間、プロパンの脱水素化を行った。 First, 0.2 g of the obtained catalyst structure was charged into a normal pressure flow reactor, and a mixed gas of propane and carbon dioxide (mixing ratio by volume: 1:7) was supplied at a flow rate of 5 cc/min. Dehydrogenation of propane was carried out at 0° C. for 2 hours.
脱水素化反応終了後に、回収した生成ガスを、ガスクロマトグラフィー質量分析法(GC/MS)により成分分析した。なお、生成ガスの分析装置には、TRACE 1310GC(サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製、検出器:熱伝導度検出器)を用いた。 After completion of the dehydrogenation reaction, the components of the recovered product gas were analyzed by gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS). A TRACE 1310GC (manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd., detector: thermal conductivity detector) was used as a generated gas analyzer.
さらに、上記成分分析の結果に基づき、プロパンの転化率を算出した。本実施例では、プロパンの転化率が、30%以上の場合は触媒活性が特に良好「◎」、20%以上30%未満の場合を触媒活性が良好「○」、10%以上20%未満の場合を触媒活性がやや不良「△」、10%未満の場合を触媒活性が悪い「×」とした。 Furthermore, the conversion rate of propane was calculated based on the results of the above component analysis. In this example, when the conversion rate of propane is 30% or more, the catalyst activity is particularly good "⊚", when it is 20% or more and less than 30%, the catalyst activity is good "○", and when it is 10% or more and less than 20% The case where the catalyst activity was slightly poor was evaluated as "Δ", and the case where the catalyst activity was less than 10% was evaluated as "poor".
(2)耐久性(寿命)
耐久性は、以下の条件で評価した。
(2) Durability (service life)
Durability was evaluated under the following conditions.
まず、上記評価(1)で使用した触媒構造体を回収し、650℃で、12時間加熱して、加熱後の触媒構造体を作製した。次に、加熱した触媒構造体を室温まで冷却し、30分放置した。この操作を10回繰り返した後、プロパンの脱水素化反応を行い、さらに上記評価(1)と同様の方法で、生成ガスの成分分析を行った。
First, the catalyst structure used in the above evaluation (1) was collected and heated at 650° C. for 12 hours to prepare a heated catalyst structure. The heated catalyst structure was then cooled to room temperature and left for 30 minutes. After repeating this
得られた分析結果に基づき、上記評価(1)と同様の方法で、プロパンの転化率を算出した。本実施例では、加熱後の触媒構造体によるプロパンの転化率が、30%以上の場合は触媒耐久性が特に良好「◎」、20%以上30%未満の場合を触媒耐久性が良好「○」、10%以上20%未満の場合を触媒耐久性がやや不良「△」、10%未満の場合を触媒耐久性が悪い「×」とした。 Based on the obtained analysis results, the conversion of propane was calculated in the same manner as in the above evaluation (1). In this example, when the conversion rate of propane by the catalyst structure after heating is 30% or more, the catalyst durability is particularly good. , 10% or more and less than 20%, the catalyst durability is slightly poor "Δ", and less than 10%, the catalyst durability is poor "x".
なお、比較例1~2についても、上記評価(1)および(2)と同様の性能評価を行った。尚、比較例2は、担体そのものであり、触媒物質を有していない。そのため、上記性能評価では、触媒構造体に替えて、比較例2の担体のみを充填した。結果を表8に示す。 Performance evaluations similar to the above evaluations (1) and (2) were also performed for Comparative Examples 1 and 2. Comparative Example 2 is the carrier itself and does not have a catalyst substance. Therefore, in the above performance evaluation, only the carrier of Comparative Example 2 was filled instead of the catalyst structure. Table 8 shows the results.
表1~8から明らかなように、断面観察により担体の内部に触媒物質が保持されていることが確認された触媒構造体(実施例1~384)は、単に触媒物質が担体の外表面に付着しているだけの触媒構造体(比較例1)および触媒物質を何ら有していない担体そのもの(比較例2)と比較して、プロパンの脱水素化反応において優れた触媒活性を示し、触媒としての耐久性にも優れていることが分かった。 As is clear from Tables 1 to 8, in the catalyst structures (Examples 1 to 384) in which it was confirmed that the catalyst substance was retained inside the carrier by cross-sectional observation, the catalyst substance was simply deposited on the outer surface of the carrier. Compared to the catalyst structure that is only attached (Comparative Example 1) and the support itself that does not have any catalytic substance (Comparative Example 2), it exhibits excellent catalytic activity in the dehydrogenation reaction of propane, and the catalyst It was also found to be excellent in durability as.
また、上記評価[C]で測定された触媒構造体の担体内部に包接された金属量(質量%)と、上記評価(1)の触媒活性および(2)耐久性との関係を評価した。評価方法は、上記[D]「性能評価」における「(1)触媒活性」および「(2)耐久性」で行った評価方法と同じとした。その結果、各実施例において、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量が、原子数比Si/Mに換算して50~200(触媒構造体に対する金属酸化物微粒子の金属元素(M)の含有量が0.5~2.5質量%)であると、(1)の触媒活性および(2)耐久性の双方の評価が「〇」以上、(1)の触媒活性の評価が「〇」以上かつ(2)耐久性の評価が「△」以上、または(1)の触媒活性の評価が「△」以上かつ(2)耐久性の評価が「〇」以上であった。このことから、触媒構造体に対する金属酸化物微粒子の金属元素(M)の含有量を0.5~2.5質量%に制御することにより、アルカンの脱水素化反応における触媒活性および耐久性の双方または一方を高めることができると分かった。 In addition, the relationship between the amount (% by mass) of the metal enclosed inside the carrier of the catalyst structure measured in the above evaluation [C], the catalytic activity in the above evaluation (1), and the durability (2) was evaluated. . The evaluation method was the same as the evaluation method for "(1) catalytic activity" and "(2) durability" in [D] "Performance evaluation". As a result, in each example, the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) was 50 to 200 in terms of the atomic ratio Si/M (the metal element of the metal oxide fine particles to the catalyst structure When the content of (M) is 0.5 to 2.5% by mass), the evaluation of both (1) catalytic activity and (2) durability is “O” or more, and (1) catalytic activity The evaluation was "○" or higher and (2) the durability evaluation was "△" or higher, or (1) the catalytic activity evaluation was "△" or higher and (2) the durability evaluation was "○" or higher. . From this, by controlling the content of the metal element (M) in the metal oxide fine particles to 0.5 to 2.5% by mass with respect to the catalyst structure, the catalytic activity and durability in the alkane dehydrogenation reaction can be improved. It has been found that both or one can be enhanced.
一方、担体の外表面にのみ触媒物質を付着させた比較例1の触媒構造体は、触媒物質を何ら有していない比較例2の担体そのものと比較して、プロパンの脱水素化反応における触媒活性は改善されるものの、実施例1~384の触媒構造体に比べて、触媒としての耐久性は劣っていた。 On the other hand, the catalyst structure of Comparative Example 1, in which the catalyst substance was attached only to the outer surface of the carrier, was superior to the carrier itself of Comparative Example 2, which did not have any catalyst substance, in the dehydrogenation reaction of propane. Although the activity was improved, the durability as a catalyst was inferior to that of the catalyst structures of Examples 1-384.
上記結果より、本発明に係るアルカンの脱水素化触媒構造体は、アルカンの脱水素化反応において優れた触媒活性を示し、触媒としての耐久性に優れると推察することができる。 From the above results, it can be inferred that the alkane dehydrogenation catalyst structure according to the present invention exhibits excellent catalytic activity in the alkane dehydrogenation reaction and has excellent durability as a catalyst.
1 アルカンの脱水素化触媒構造体
10 担体
10a 外表面
11 通路
11a 孔
12 拡径部
20 金属酸化物微粒子
30 金属酸化物微粒子
DC 平均粒径
DF 平均内径
DE 内径
Claims (17)
前記担体に内在する少なくとも1つの金属酸化物微粒子と、
を備え、
前記担体が、互いに連通する通路を有し、
前記通路が、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部とを有し、
前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、且つ前記拡径部の内径以下であり、
前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通しており、
前記通路の平均内径は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する孔の短径及び長径の平均値から算出され、
前記金属酸化物微粒子は、酸化コバルト、酸化アルミニウム、酸化ガリウム及び酸化マンガンのうちの少なくとも1種で構成される金属酸化物を含み、
前記金属酸化物微粒子が、少なくとも前記拡径部に包接されて存在していることを特徴とする、プロパンの脱水素化触媒構造体。 a carrier having a porous structure composed of a zeolite-type compound;
at least one metal oxide fine particle inherent in the carrier;
with
the carrier has passages that communicate with each other;
the passages are any one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional pores defined by the framework structure of the zeolite-type compound; and any one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional pores. having a different enlarged diameter portion from each other,
the average particle diameter of the metal oxide fine particles is larger than the average inner diameter of the passage and equal to or smaller than the inner diameter of the expanded diameter portion;
the enlarged diameter portion communicates with a plurality of holes constituting any one of the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole,
The average inner diameter of the passage is calculated from the average value of the short diameter and the long diameter of the holes that constitute any one of the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole,
The metal oxide fine particles contain a metal oxide composed of at least one of cobalt oxide, aluminum oxide, gallium oxide and manganese oxide,
A catalyst structure for dehydrogenation of propane, wherein the metal oxide fine particles are included in at least the diameter-enlarged portion .
前記拡径部の内径は、0.5nm~50nmであることを特徴とする、請求項1~7のいずれか1項に記載のプロパンの脱水素化触媒構造体。 The average inner diameter of the passage is 0.1 nm to 1.5 nm,
The propane dehydrogenation catalyst structure according to any one of claims 1 to 7 , wherein the inner diameter of the enlarged diameter portion is 0.5 nm to 50 nm.
前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合して水熱処理する水熱処理工程と、
を有し、
前記前駆体材料(A)が規則性メソ細孔物質であることを特徴とする、プロパンの脱水素化触媒構造体の製造方法。 Precursor material (A) impregnated with a metal-containing solution containing at least one metal selected from cobalt, aluminum, gallium and manganese for obtaining a carrier having a porous structure composed of a zeolite-type compound A firing step of firing the material (B);
a hydrothermal treatment step of mixing the precursor material (C) obtained by sintering the precursor material (B) with a structure-directing agent and performing hydrothermal treatment;
has
A method for producing a propane dehydrogenation catalyst structure, wherein the precursor material (A) is an ordered mesoporous material .
14. The method for producing a propane dehydrogenation catalyst structure according to claim 13 , wherein the hydrothermal treatment step is performed under a basic atmosphere.
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