JP7353751B2 - Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure, method for producing the same, and method for producing hydrocarbons using the catalyst structure - Google Patents
Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure, method for producing the same, and method for producing hydrocarbons using the catalyst structure Download PDFInfo
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Description
本発明は、フィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体(以下、「FT合成触媒構造体」や「触媒構造体」という場合がある。)およびその製造方法、ならびに該触媒構造体を用いた炭化水素の製造方法に関する。 The present invention relates to a Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure (hereinafter sometimes referred to as "FT synthesis catalyst structure" or "catalyst structure"), a method for producing the same, and production of hydrocarbons using the catalyst structure. Regarding the method.
石油の代替燃料である合成油、合成燃料等の液体燃料製品の原料として利用される炭化水素化合物を製造する方法として、触媒反応を利用して、一酸化炭素ガス(CO)及び水素ガス(H2)を主成分とする合成ガスから炭化水素、特に液体炭化水素を合成する、フィッシャー・トロプシュ合成反応(以下、「FT合成反応」ということもある。)が知られている。このFT合成反応に使用される触媒として、例えば、特許文献1には、シリカ、アルミナ等の担体上に、コバルト、鉄等の活性金属を担持した触媒が開示され、特許文献2には、コバルト、ジルコニウム又はチタン、及びシリカを含有する触媒が開示されている。
As a method for producing hydrocarbon compounds that are used as raw materials for liquid fuel products such as synthetic oil and synthetic fuel, which are alternative fuels to petroleum, catalytic reactions are used to produce carbon monoxide gas (CO) and hydrogen gas (H Fischer-Tropsch synthesis reaction (hereinafter sometimes referred to as "FT synthesis reaction") is known, which synthesizes hydrocarbons, especially liquid hydrocarbons, from synthesis gas containing 2 ) as the main component. As a catalyst used in this FT synthesis reaction, for example,
FT合成反応に用いる触媒は、例えば、シリカ、アルミナ等の担体に、コバルト塩、ルテニウム塩等を含浸させ、これを焼成することによって、コバルト酸化物及び/又はルテニウム酸化物が担持された触媒(未還元触媒)として得ることができる。このようにして得られた触媒がFT合成反応に対して十分な活性を発現するために、特許文献3に開示されているように、該触媒を水素ガス等の還元ガスに接触させて還元処理し、活性金属であるコバルト及び/又はルテニウムを酸化物の状態から、金属の状態へと変換する必要がある。 The catalyst used in the FT synthesis reaction can be prepared by impregnating a carrier such as silica or alumina with a cobalt salt, a ruthenium salt, etc., and then firing the impregnated carrier to prepare a catalyst (on which cobalt oxide and/or ruthenium oxide is supported). (unreduced catalyst). In order for the catalyst obtained in this way to exhibit sufficient activity for the FT synthesis reaction, as disclosed in Patent Document 3, the catalyst is brought into contact with a reducing gas such as hydrogen gas and subjected to a reduction treatment. However, it is necessary to convert the active metals cobalt and/or ruthenium from an oxide state to a metal state.
ところで、FT合成反応は、特許文献4に開示されているように極めて大きな発熱を伴うため、触媒表面の過熱された箇所がホットスポットとなり、このホットスポットに起因して触媒表面に生じる副反応(炭素質の析出など)の進行が、活性を低下させてしまうことが知られている。このようなホットスポットの生成を防ぐために、触媒として作用する機能性物質である活性金属種の微粒子(金属微粒子)を凝集させず、活性点を分散させる必要がある。活性金属種の微粒子の凝集を防ぐ目的で、当該活性金属種と強い相互作用を有する担体を用い、金属微粒子同士が容易には凝集できないようにすることが考えられる。 By the way, since the FT synthesis reaction is accompanied by extremely large heat generation as disclosed in Patent Document 4, overheated parts of the catalyst surface become hot spots, and side reactions ( It is known that the progress of carbonaceous precipitation (e.g. carbonaceous precipitation) reduces activity. In order to prevent the formation of such hot spots, it is necessary to disperse the active sites without agglomerating fine particles of active metal species (metal fine particles), which are functional substances that act as catalysts. In order to prevent the fine particles of the active metal species from aggregating, it is conceivable to use a carrier that has a strong interaction with the active metal species to prevent the metal fine particles from easily aggregating with each other.
この方法の一例として、金属微粒子を高分散に担持させるゾル・ゲル法が知られている。ゾル・ゲル法では、担体となる金属酸化物を合成する段階で活性金属種が原子レベルで均一に導入される。担持金属触媒の活性金属種は担体である金属酸化物の格子の中に極めて高分散に包含されるため、各種の処理や反応においても容易には凝集しない。しかしながら、活性金属種が担体と強く結合しているため、反応に先立つ触媒の活性化が困難になり、十分な触媒活性が得られないという問題があった。 As an example of this method, a sol-gel method is known in which fine metal particles are supported in a highly dispersed manner. In the sol-gel method, active metal species are uniformly introduced at the atomic level during the synthesis of the metal oxide that serves as the carrier. Since the active metal species of the supported metal catalyst are highly dispersed in the lattice of the metal oxide that is the carrier, they do not easily aggregate during various treatments and reactions. However, since the active metal species is strongly bound to the carrier, it becomes difficult to activate the catalyst prior to the reaction, resulting in a problem that sufficient catalytic activity cannot be obtained.
また、金属微粒子同士の凝集が生じると、触媒としての有効表面積の減少に伴い、触媒活性が低下することから、触媒自体の寿命が通常よりも短くなる。そのため、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もある。 Further, when metal fine particles agglomerate, the effective surface area of the catalyst decreases, resulting in a decrease in catalytic activity, and thus the life of the catalyst itself becomes shorter than normal. Therefore, the catalyst itself has to be replaced and regenerated in a short period of time, which makes the replacement work complicated and there is also the problem that resource saving cannot be achieved.
また、特許文献5には、FT合成反応に用いられる触媒の活性低下が、コーク(炭素)の堆積などの要因による可能性が高いことが記載されている。このことからも明らかなように、FT合成反応に用いたときの、触媒表面へのコークの堆積等によるコーク量の増加が少なく、触媒活性が高く、生成物の選択率の高い触媒構造体が求められている。 Further, Patent Document 5 describes that the decrease in activity of the catalyst used in the FT synthesis reaction is likely to be due to factors such as coke (carbon) deposition. As is clear from this, when used in the FT synthesis reaction, the catalyst structure has a small increase in coke amount due to coke deposition on the catalyst surface, high catalytic activity, and high product selectivity. It has been demanded.
本発明の目的は、機能性物質の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、さらにはフィッシャー・トロプシュ合成反応に用いたときに生成しやすかったコークの生成を抑制して、触媒表面に堆積するコーク量の低減を図ることを実現した、フィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体およびその製造方法、ならびに該触媒構造体を用いた炭化水素の製造方法を提供することにある。 The purpose of the present invention is to prevent fine particles of functional substances from agglomerating with each other, suppress the decline in catalyst activity, and extend the life of the catalyst. A Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure and method for producing the same, which suppresses the production of coke and reduces the amount of coke deposited on the catalyst surface, and production of hydrocarbons using the catalyst structure. The purpose is to provide a method.
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、FT合成触媒構造体が、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つの機能性物質と、を備え、前記担体が、互いに連通する通路を有し、前記担体がアルミニウムとケイ素を含有し、前記担体に含まれるSi/Alの原子数比の値が2.0以上であり、前記機能性物質が、前記担体の少なくとも前記通路に存在していることによって、機能性物質の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、さらにはコークの生成または付着を低減することができる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。 As a result of intensive research to achieve the above object, the present inventors have discovered that an FT synthesis catalyst structure includes a carrier with a porous structure composed of a zeolite type compound, and at least one function inherent in the carrier. the carrier has a passage communicating with each other, the carrier contains aluminum and silicon, and the atomic ratio of Si/Al contained in the carrier is 2.0 or more. By the presence of the functional substance in at least the passage of the carrier, it is possible to prevent fine particles of the functional substance from aggregating with each other, suppress a decrease in catalyst activity, and achieve a longer life. It was discovered that a catalyst structure capable of reducing the production or adhesion of coke could be obtained, and the present invention was completed based on this knowledge.
すなわち、本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
[1]少なくとも、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つの機能性物質と、
を備え、
前記担体は、アルミニウム(Al)とケイ素(Si)を含有し、
前記担体に含まれるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の比(原子数比Si/Al)が、2.0以上であり、
前記担体が、互いに連通する通路を有し、
前記機能性物質が、コークの生成または付着が生じにくい特性を有し、かつ、前記担体の少なくとも前記通路に存在していることを特徴とするフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体。
[2]前記触媒構造体は、常圧流通式反応装置を用いて、700℃の反応温度でフィッシャー・トロプシュ合成反応を1時間行った後のコーク量が1.0質量%未満である、上記[1]に記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体。
[3]前記通路は、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
前記機能性物質が、少なくとも前記拡径部に存在している、上記[1]または[2]に記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体。
[4]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[3]に記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体。
[5]前記機能性物質の平均粒径が、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[3]または[4]に記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体。
[6]前記機能性物質の金属元素(M)が、前記フィッシャー・トロプシュ合成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]~[5]のいずれか1つに記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体。
[7]前記機能性物質は、金属酸化物微粒子である、上記[1]~[6]のいずれか1つに記載の機能性構造体。
[8]前記機能性物質は、金属微粒子である、上記[1]~[6]のいずれか1つに記載の機能性構造体。
[9]前記金属微粒子が、コバルト(Co)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)もしくはルテニウム(Ru)からなる群から選択される1種以上の金属または合金を含んでいることを特徴とする、上記[1]~[8]のいずれか1つに記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体。
[10]前記機能性物質の平均粒径が、0.08nm~30nmであることを特徴とする、上記[1]~[9]のいずれか1つに記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体。
[11]前記通路の平均内径に対する前記機能性物質の平均粒径の割合が、0.05~300であることを特徴とする、上記[1]~[10]のいずれか1つに記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体。
[12]前記通路の平均内径は、0.1nm~1.5nmであることを特徴とする、上記[1]~[11]のいずれか1つに記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体。
[13]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[3]~[12]のいずれか1つに記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体。
[14]前記担体の外表面に保持された少なくとも1つの他の機能性物質を更に備えることを特徴とする、上記[1]~[13]のいずれか1つに記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体。
[15]前記担体に内在する前記少なくとも1つの機能性物質の含有量が、前記担体の外表面に保持された前記少なくとも1つの他の機能性物質の含有量よりも多いことを特徴とする、上記[14]に記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体。
[16]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]~[15]のいずれか1つに記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体。
[17]上記[1]~[16]のいずれか1つに記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体を有する炭化水素製造装置。
[18]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、
を有するフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体の製造方法であって、
前記前駆体材料(A)は、アルミニウム(Al)とケイ素(Si)を含有し、
前記前駆体材料(A)を構成するアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の原子数比(Si/Al比)が2.0以上となるように調製して、前記触媒構造体を得ることを特徴とするフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体の製造方法。
[19]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[18]に記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体の製造方法。
[20]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[18]または[19]に記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体の製造方法。
[21]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)の原子数比(Si/M比)が、10~1000となるように調整することを特徴とする、上記[18]~[20]のいずれか1つに記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体の製造方法。
[22]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[18]~[21]のいずれか1つに記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体の製造方法。
[23]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[18]~[22]のいずれか1つに記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体の製造方法。
[24]前記水熱処理された前駆体材料(C)に還元処理を行う工程をさらに有することを特徴とする、上記[18]~[23]のいずれか1つに記載のフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体の製造方法。
[25]触媒を用いて、一酸化炭素と水素から炭化水素を合成する炭化水素の製造方法であって、前記触媒が、
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つの機能性物質と、を備え、
前記担体が、アルミニウム(Al)とケイ素(Si)を含有し、
前記担体に含まれるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の原子数比(Si/Al比)が、2.0以上であり、
前記担体が、互いに連通する通路を有し、
前記機能性物質が、コークの生成または付着が生じにくい特性を有し、かつ、前記担体の少なくとも前記通路の拡径部に存在しているフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体を含んでいることを特徴とする、炭化水素の製造方法。
That is, the gist of the present invention is as follows.
[1] At least a carrier with a porous structure composed of a zeolite type compound,
at least one functional substance inherent in the carrier;
Equipped with
The carrier contains aluminum (Al) and silicon (Si),
The ratio of silicon (Si) to aluminum (Al) (atomic ratio Si/Al) contained in the carrier is 2.0 or more,
the carrier has passages that communicate with each other,
A Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure, characterized in that the functional substance has a property of preventing coke from forming or adhering, and is present in at least the passageway of the carrier.
[2] The catalyst structure has a coke amount of less than 1.0% by mass after carrying out a Fischer-Tropsch synthesis reaction at a reaction temperature of 700° C. for 1 hour using a normal pressure flow reactor. The Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure described in [1].
[3] The passageway is one of one-dimensional pores, two-dimensional pores, and three-dimensional pores defined by the skeletal structure of the zeolite-type compound, and one of the one-dimensional pores, two-dimensional pores, and three-dimensional pores defined by the skeletal structure of the zeolite-type compound. The Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure according to the above [1] or [2], wherein the Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure has an enlarged diameter portion different from any of the enlarged diameter portions, and the functional substance is present at least in the enlarged diameter portion.
[4] The expanded diameter portion communicates with each other a plurality of holes constituting any one of the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole. Tropsch synthesis catalyst structure.
[5] The Fisher according to [3] or [4] above, wherein the average particle diameter of the functional substance is larger than the average inner diameter of the passageway and smaller than or equal to the inner diameter of the enlarged diameter portion.・Tropsch synthesis catalyst structure.
[6] The above [1], wherein the metal element (M) of the functional substance is contained in an amount of 0.5 to 2.5% by mass based on the Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure. The Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure according to any one of ~[5].
[7] The functional structure according to any one of [1] to [6] above, wherein the functional substance is a metal oxide fine particle.
[8] The functional structure according to any one of [1] to [6] above, wherein the functional substance is a metal fine particle.
[9] The metal fine particles contain one or more metals or alloys selected from the group consisting of cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni), or ruthenium (Ru). , the Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure according to any one of [1] to [8] above.
[10] The Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure according to any one of [1] to [9] above, wherein the functional substance has an average particle size of 0.08 nm to 30 nm.
[11] The method according to any one of [1] to [10] above, wherein the ratio of the average particle diameter of the functional substance to the average inner diameter of the passage is 0.05 to 300. Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure.
[12] The Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure according to any one of [1] to [11] above, wherein the passage has an average inner diameter of 0.1 nm to 1.5 nm.
[13] The Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure according to any one of [3] to [12] above, wherein the expanded diameter portion has an inner diameter of 0.5 nm to 50 nm.
[14] The Fischer-Tropsch synthesis catalyst according to any one of [1] to [13] above, further comprising at least one other functional substance held on the outer surface of the carrier. Structure.
[15] The content of the at least one functional substance inherent in the carrier is higher than the content of the at least one other functional substance held on the outer surface of the carrier. The Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure described in [14] above.
[16] The Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure according to any one of [1] to [15] above, wherein the zeolite type compound is a silicate compound.
[17] A hydrocarbon production apparatus having the Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure according to any one of [1] to [16] above.
[18] A firing step of firing a precursor material (B) in which the precursor material (A) is impregnated with a metal-containing solution to obtain a carrier with a porous structure 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 a Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure, comprising:
The precursor material (A) contains aluminum (Al) and silicon (Si),
The catalyst structure is obtained by preparing the precursor material (A) so that the atomic ratio of silicon (Si) to aluminum (Al) (Si/Al ratio) is 2.0 or more. A method for producing a characteristic Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure.
[19] The Fischer surfactant according to the above [18], 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 Tropsch synthesis catalyst structure.
[20] Before the firing step, the metal-containing solution is added to the precursor material (A) in multiple portions to impregnate the precursor material (A) with the metal-containing solution. The method for producing a Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure as described in [18] or [19] above.
[21] When impregnating the precursor material (A) with the metal-containing solution before the firing step, the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) The atomic ratio (Si/M ratio) of silicon (Si) constituting the precursor material (A) to the metal element (M) contained in the metal-containing solution added to (A) is 10 to 1000. The method for producing a Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure according to any one of [18] to [20] above, characterized in that the structure is adjusted so that
[22] The Fischer-Tropsch synthesis according to any one of [18] to [21] above, characterized in that in the hydrothermal treatment step, the precursor material (C) and a structure directing agent are mixed. Method for manufacturing catalyst structure.
[23] The method for producing a Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure according to any one of [18] to [22] above, wherein the hydrothermal treatment step is performed in a basic atmosphere.
[24] The Fischer-Tropsch synthesis catalyst according to any one of [18] to [23] above, further comprising a step of subjecting the hydrothermally treated precursor material (C) to a reduction treatment. Method of manufacturing the structure.
[25] A method for producing hydrocarbons in which hydrocarbons are synthesized from carbon monoxide and hydrogen using a catalyst, the catalyst comprising:
A carrier with a porous structure composed of a zeolite type compound,
at least one functional substance inherent in the carrier,
The carrier contains aluminum (Al) and silicon (Si),
The atomic ratio of silicon (Si) to aluminum (Al) (Si/Al ratio) contained in the carrier is 2.0 or more,
the carrier has passages that communicate with each other,
The functional substance is characterized in that it has a property of being less likely to generate or adhere to coke, and includes a Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure that is present in at least the enlarged diameter portion of the passageway of the carrier. A method for producing hydrocarbons.
本発明によれば、機能性物質の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、さらにはフィッシャー・トロプシュ合成反応に用いたときに生成しやすかったコークの生成を抑制して、触媒表面に堆積するコーク量の低減を図ることを実現した、フィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体およびその製造方法、ならびに該触媒構造体を用いた炭化水素の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent fine particles of a functional substance from agglomerating with each other, to suppress a decrease in catalyst activity, and to extend the life of the catalyst. A Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure and method for producing the same, which suppresses the production of coke and reduces the amount of coke deposited on the catalyst surface, and production of hydrocarbons using the catalyst structure. method can be provided.
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。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
[フィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体の構成]
図1は、本発明の実施形態に係るフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体(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 Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure]
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure (hereinafter also simply referred to as "catalyst structure") according to an embodiment of the present invention, and (a) is a perspective view (partially ), (b) is a partially enlarged sectional view. Note that the catalyst structure shown in FIG. 1 shows an example thereof, and the shape, dimensions, etc. of each structure according to the present invention are not limited to those shown in FIG. 1.
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つの機能性物質20とを備える。
As shown in FIG. 1(a), the
触媒構造体1において、複数の機能性物質20,20,・・・は、担体10の多孔質構造の内部に包接されている。機能性物質20は、少なくとも使用時において、触媒能(触媒活性)を有する触媒物質であり、微粒子の形態を有する。機能性物質については、詳しくは後述する。また、機能性物質20は、金属や金属酸化物、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。ここで機能性物質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内での機能性物質20の移動が規制され、機能性物質20、20の微粒子同士の凝集が有効に防止されている。その結果、機能性物質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、機能性物質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、機能性物質20の微粒子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 this configuration, movement of the
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、機能性物質が、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、機能性物質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から機能性物質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内に保持された機能性物質20が流体から受ける圧力は、担体10の外部において機能性物質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に内在する機能性物質20が離脱することを効果的に抑制でき、機能性物質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 or reformed gas such as NOx), there is a possibility that it will receive external force from the fluid. In this case, if the functional substance is merely held in an adhered state on the outer surface of the
また、担体10は、アルミニウム(Al)とケイ素(Si)を含有するゼオライト型化合物であり、担体10に含まれるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の原子数比(Si/Al比)の値は2.0以上である。担体10としてケイ素(Si)の割合が高いゼオライト型化合物を用いることで、触媒構造体をFT合成反応に用いたときに、コークの生成や、コークの担体10への付着による、触媒構造体1のコーク量の増加を抑えることができるため、FT合成触媒構造体の長寿命化を図り、また、FT合成触媒構造体への再生処理の頻度を低減することができる。このような効果は、担体10を構成しているゼオライト型化合物に由来する固体酸の効果が弱まることで、炭化水素のオリゴマー化反応が抑制されることに起因すると考えられる。このような観点から、担体10におけるSi/Al比の値は、好ましくは5.0以上、より好ましくは8.0以上である。他方で、担体10におけるSi/Al比の上限は、無限大(すなわち、アルミニウム(Al)を微量含む。)であってもよいが、例えば製造効率の観点から109を上限としてもよく、また、アルミニウム(Al)の固体酸としての作用を発揮させる観点から106を上限としてもよい。その中でも、生成物の選択性を高める観点から、Si/Al比は50未満とすることが好ましい。
Further, 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、機能性物質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。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、機能性物質20の機能をより発揮させることができる。尚、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、機能性物質20の担体10内での移動がさらに規制され、機能性物質20の離脱、機能性物質20、20の微粒子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、機能性物質20が担体10に内包されている状態を指す。このとき機能性物質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、機能性物質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、機能性物質20が担体10に間接的に保持されていてもよい。
Moreover, the
図1(b)では機能性物質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、機能性物質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、機能性物質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。
Although FIG. 1(b) shows a case where the
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。
Furthermore, 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、及び包接される機能性物質20の平均粒径DCに依存する。拡径部12の内径DEは、機能性物質20を包接し得る大きさである。
The average inner diameter DF 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く、より具体的には、ゼオライトまたはシリカライトであることが好ましい。
The
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、MOR型、BEA型であり、より好ましくはMFI型である。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 structures of zeolite compounds are FAU type (Y type or X type), MTW type, MFI type (ZSM-5), FER type (ferrierite), LTA type (A type), and MWW type (MCM-22). , MOR type (mordenite), LTL type (L type), BEA type (beta type), etc., preferably MFI type, MOR type, BEA type, and more preferably MFI type. A zeolite type compound has a plurality of pores with a pore diameter depending on each skeleton structure. For example, the maximum pore diameter of the MFI type is 0.636 nm (6.36 Å), and the average pore diameter is 0.560 nm (5.60 Å). be.
機能性物質20は、微粒子の形態を有しており、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、機能性物質20の微粒子の平均粒径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)。このような機能性物質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内での機能性物質20の移動が規制される。よって、機能性物質20が流体から外力を受けた場合であっても、担体10内での機能性物質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機能性物質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
また、機能性物質20の微粒子の平均粒径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0.08nm~30nmであり、より好ましくは0.1nm以上25nm未満であり、さらに好ましくは0.4nm~11.0nmであり、特に好ましくは0.8nm~2.7nmである。また、通路11の平均内径DFに対する機能性物質20の平均粒径DCの割合(DC/DF)は、好ましくは0.05~300であり、より好ましくは0.1~30であり、更に好ましくは1.1~30であり、特に好ましくは1.4~3.6である。また、機能性物質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Coである場合、Co元素の含有量(質量%)は、{(Co元素の質量)/(触媒構造体1の全元素の質量)}×100で表される。
Further, the average particle diameter D C of the fine particles of the
上記機能性物質20としては、1種の金属元素からなる金属や、2種以上の金属元素の混合物、または、それらの少なくとも一部が合金化された金属微粒子を含んでもよい。また、機能性物質20は、1種以上の金属元素の酸化物や、その複合材料からなる金属酸化物微粒子を含んでもよい。なお、本明細書において、触媒として使用する際の機能性物質を構成する(材質としての)「金属」は、1種の金属元素(M)を含む単体金属と、2種以上の金属元素(M)を含む金属合金とを含む意味であり、1種以上の金属元素を含む金属の総称である。
The
金属微粒子や金属酸化物微粒子に含まれる金属元素としては、例えば白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、セリウム(Ce)、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)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く、コバルト、鉄、ニッケル、ルテニウムであることがより好ましく、コバルト、鉄、ニッケルであることがさらに好ましく、コバルトであることが特に好ましい。特に、金属微粒子は、コバルト、鉄、ニッケル、ルテニウムからなる群から選択される1種以上の金属または合金を含むことが好ましい。また、金属酸化物微粒子は、コバルト、鉄およびニッケルからなる群から選択される1種以上の金属元素を含むことが好ましい。 Examples of metal elements contained in metal fine particles and metal oxide fine particles include platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), nickel (Ni), cobalt (Co), molybdenum (Mo), and tungsten (W). , iron (Fe), chromium (Cr), cerium (Ce), copper (Cu), magnesium (Mg), aluminum (Al), etc., and it is preferable that one or more of the above is the main component. , cobalt, iron, nickel, and ruthenium, more preferably cobalt, iron, and nickel, and particularly preferably cobalt. In particular, it is preferable that the metal fine particles contain one or more metals or alloys selected from the group consisting of cobalt, iron, nickel, and ruthenium. Moreover, it is preferable that the metal oxide fine particles contain one or more metal elements selected from the group consisting of cobalt, iron, and nickel.
また、機能性物質20を構成する金属元素(M)の合計に対する、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、機能性物質の触媒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、機能性物質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、ここでいう機能性物質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機能性物質を含まない。
Further, the ratio of silicon (Si) constituting the
[FT合成触媒構造体の機能]
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つの機能性物質20とを備える。触媒構造体1は、担体に内在する機能性物質20が流体と接触することにより、機能性物質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に存在している機能性物質20と接触することによって、触媒活性を有する機能性物質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 FT synthesis 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。
Of the compounds produced within 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に機能性物質20が包接されている。機能性物質の平均粒径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)、機能性物質と拡径部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に浸入した流体が機能性物質と接触する。各機能性物質は、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内における機能性物質の微粒子同士の凝集が防止される。その結果、機能性物質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
また、特に担体10におけるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の原子数比(Si/Al比)の値を2.0以上にすることで、FT合成反応におけるコークの生成やコークの担体10への付着による、触媒構造体1のコーク量の増加を抑えることができる。このような効果は、担体10を構成しているゼオライト型化合物の結晶性が向上し、ゼオライト型化合物による機能性物質20の包接状態が安定することで、高温環境においても機能性物質20の微粒子同士の凝集が効果的に抑制されていることに起因すると考えられる。ここで、FT合成反応を行った後の触媒構造体1のコーク量は、触媒構造体を常圧流通式反応装置に70mg充填し、水素(8ml/分)と一酸化炭素(4ml/分)を供給し、装置内の圧力を0.1MPaに調整しながら、100~700℃の温度範囲で20℃/minで昇温した後で、700℃の反応温度で1時間にわたり温度を保持してフィッシャー・トロプシュ合成反応を行った後の炭素(C)の生成量が、1質量%未満であることが好ましく、0.5質量%未満であることがより好ましく、0.3質量%未満であることがさらに好ましい。
In particular, by setting the atomic ratio of silicon (Si) to aluminum (Al) (Si/Al ratio) in the
具体的には、通路11に浸入した分子が機能性物質20に接触すると、触媒反応によって分子(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、水素と一酸化炭素とを主成分とする混合ガスを原料として、炭化水素(CH4を除く)、好ましくは炭素数が2以上20以下の炭化水素、より好ましくは、炭素数が2以上20以下のオレフィンまたは炭素数が6以上20以下の芳香族炭化水素を製造することができる。本発明の触媒構造体1によれば、特に低級の(C2~C4)炭化水素を含んだ炭化水素を製造することも可能であり、また、炭化水素としてパラフィンよりもオレフィンを多く含むものを製造することもできる。この触媒反応は、例えば180℃~350℃の高温下で行われるが、機能性物質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。特に、機能性物質20は拡径部12に存在しているため、機能性物質20の担体10内での移動がより制限され、機能性物質20同士の凝集が(シンタリング)がさらに抑制される。その結果、触媒活性の低下がより抑制され、触媒構造体1のさらなる長寿命化を実現することができる。
Specifically, when molecules that have entered the
[FT合成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 manufacturing FT synthesis catalyst structure]
FIG. 3 is a flowchart 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. Precursor material (A) is preferably a regular mesoporous material, and can be appropriately selected depending on the type (composition) of the zeolite compound constituting 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 regular mesopore material has pores with a pore diameter of 1 to 50 nm in one, two, or three dimensions. It is preferably a compound consisting of a Si--O skeleton that is uniform in size and regularly developed. Such regular mesoporous materials can be obtained as various synthetic products depending on the synthesis conditions, but specific examples of synthetic products include SBA-1, SBA-15, SBA-16, KIT-6, FSM- No. 16, MCM-41, etc., 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. ~5 nm, and the pore size of MCM-41 is 1-10 nm. Examples of such regular 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。 The precursor material (A) may be either a commercially available product or a synthetic product. When synthesizing the precursor material (A), it can be performed by a known method for synthesizing regular mesoporous substances. For example, a mixed solution containing a raw material containing the 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). Thereafter, the precipitate (product) obtained by the hydrothermal treatment is collected (e.g., filtered), washed and dried as necessary, and further calcined to form a powdered regular mesoporous material. A precursor material (A) is obtained. Here, as the solvent for 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 depending on the type of carrier, and examples include silica agents such as tetraethoxysilane (TEOS), fumed silica, and quartz sand. In addition, various surfactants, block copolymers, etc. can be used as the template agent, and it is preferable to select it depending on the type of composite of the regular mesoporous material. For example, when producing MCM-41, For this purpose, surfactants such as hexadecyltrimethylammonium bromide are suitable. The hydrothermal treatment can be carried out, for example, in a closed container under treatment conditions of 80 to 800° C., 5 hours to 240 hours, and 0 to 2000 kPa. The firing treatment can be performed, for example, in 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、金属元素を含んだ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 containing a metal element to obtain a precursor material (B).
金属含有溶液は、触媒構造体の機能性物質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 containing a metal component (for example, a metal ion) corresponding to the metal element (M) constituting the functional substance of the catalyst structure. For example, the metal element (M) may be added to the solvent. It 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, of which nitrates are 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 of impregnating the precursor material (A) with the metal-containing solution is not particularly limited, but for example, before the firing step described below, the precursor material (A) is impregnated with the precursor material (A) while stirring the powdered precursor material (A). ) It is preferable to add the metal-containing solution little by little in multiple portions. 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 may be added as an additive to the precursor material (A) before adding the metal-containing solution. It is preferable to add it in advance. Such additives have the function of coating the outer surface of the precursor material (A), suppressing the adhesion of the metal-containing solution added thereafter to the outer surface of the precursor material (A), and preventing metal-containing solutions from adhering to the outer surface of the precursor material (A). It is thought that the solution contained therein can more easily 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. These surfactants have a large molecular size and cannot penetrate into the pores of the precursor material (A), so they do not adhere to the inside of the pores and prevent the metal-containing solution from entering the pores. It is thought that it will not interfere. As for the method of adding the nonionic surfactant, for example, it is preferable to add 50 to 500% by mass of the nonionic surfactant to the precursor material (A) before the firing step described below. If the amount of the nonionic surfactant added to the precursor material (A) is less than 50% by mass, the above-mentioned suppressing effect will be difficult to exhibit, and the amount of the nonionic surfactant added to the precursor material (A) will be less than 50% by mass. Adding more than % by mass is not preferable because the viscosity increases too much. Therefore, the amount of 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、機能性物質を構成する金属元素(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、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機能性物質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機能性物質の量を調整することができる。 The amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is determined by the amount of the metal element (M) contained in the metal-containing solution impregnated into the precursor material (A) (i.e., the amount of the metal element (M) contained in the metal-containing solution to be impregnated into the precursor material (A)). It is preferable to adjust it appropriately by taking into account the amount of the metal element (M) contained in ). For example, before the firing step described below, the amount of the metal-containing solution to be added to the precursor material (A) is determined based on the metal element (M) contained in the metal-containing solution to be added to the precursor material (A). The ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) (atomic ratio Si/M) is preferably adjusted to 10 to 1000, and preferably adjusted to 50 to 200. It 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) constituting the functional substance can be contained in an amount of 0.5 to 2.5% by mass relative to the catalyst structure. It can be included. The amount of the metal element (M) present inside the pores in the state of the precursor material (B) is determined under the same conditions 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 present, it is approximately proportional to the amount of metal-containing solution added to the precursor material (A). Further, 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 functional substance inherent in the support of the catalyst structure. Therefore, by controlling the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) within the above-mentioned range, the metal-containing solution can be sufficiently impregnated into the pores of the precursor material (A). , the amount of the functional substance incorporated into 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 cleaning 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. Further, it is preferable to impregnate the precursor material (A) with a metal-containing solution, perform a cleaning treatment if necessary, and then further perform a drying treatment. Examples of the drying treatment include natural drying for about one night and drying at a high temperature of 150° C. or lower. Note that if the firing treatment described below is performed with a large amount of water contained in the metal-containing solution or water in the cleaning solution remaining in the precursor material (A), the regular mesopores of the precursor material (A) will be removed. Since there is a risk that the skeletal structure of the material may be broken, it is preferable to dry it thoroughly.
(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 process)
Next, the precursor material (B) obtained by impregnating the precursor material (A) with a metal-containing solution to obtain a carrier with a porous structure composed of a zeolite type compound is fired, and the precursor material (C) is obtained. 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、孔内で機能性物質が形成される。 The firing treatment is preferably carried out in air at 350 to 850° C. for 2 to 30 hours, for example. Through such firing treatment, the metal component impregnated into the pores of the regular mesoporous material undergoes crystal growth, and a functional material is formed within the pores.
(ステップS4:水熱処理工程)
次いで、前駆体材料(C)と構造規定剤とアルミニウム源を混合した混合溶液を調製し、前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理して、触媒構造体を得る。
(Step S4: Hydrothermal treatment step)
Next, a mixed solution of the precursor material (C), a structure directing agent, and an aluminum source is prepared, and the precursor material (C) obtained by firing the precursor material (B) is hydrothermally treated. Obtain a catalyst structure.
構造規定剤は、触媒構造体の骨格体(担体)の骨格構造を規定するための鋳型剤であり、有機構造規定剤(“organic structure directing agents”または“OSDA”と通常表記される)およびOH-を持った無機構造規定剤の少なくともいずれか1つを用いることができる。このうち、有機構造規定剤としては、例えば界面活性剤を用いることができる。有機構造規定剤は、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)、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド(TEAOH)等の界面活性剤が好適である。また、無機構造規定剤として代表的なものはアルカリ金属およびアルカリ土類金属の水酸化物であり、たとえば水酸化リチウム(LiOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)、水酸化ルビジウム(Rb(OH))、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、水酸化ストロンチウム(Sr(OH)2)などが好適である。 The structure directing agent is a template agent for defining the skeletal structure of the skeleton (support) of the catalyst structure, and is composed of organic structure directing agents (usually expressed as "organic structure directing agents" or "OSDA") and OH At least one of the inorganic structure directing agents having - can be used. Among these, as the organic structure directing agent, for example, a surfactant can be used. The organic structure directing agent is preferably selected depending on the skeleton structure of the carrier of the catalyst structure, and examples thereof include tetramethylammonium bromide (TMABr), tetraethylammonium bromide (TEABr), tetrapropylammonium bromide (TPABr), and tetraethylammonium hydroxy. Surfactants such as TEAOH are suitable. Typical inorganic structure-directing agents are alkali metal and alkaline earth metal hydroxides, such as lithium hydroxide (LiOH), sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), and hydroxide. Rubidium (Rb(OH)), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), strontium hydroxide (Sr(OH) 2 ), and the like are suitable.
また、アルミニウム源は、触媒構造体の担体に含まれるアルミニウムを供給するための原料であり、水に溶解してAlイオンを供給するものであり、例えばNaAlO2やAl(OH)3が好適である。 In addition, the aluminum source is a raw material for supplying aluminum contained in the carrier of the catalyst structure, and is dissolved in water to supply Al ions. For example, NaAlO 2 and Al(OH) 3 are suitable. be.
前駆体材料(C)と構造規定剤とアルミニウム源との混合は、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、アルミニウム源と、溶媒とを同時に混合してもよいし、溶媒に前駆体材料(C)と構造規定剤とアルミニウム源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。 The precursor material (C), the structure directing agent, and the aluminum source may be mixed during the main hydrothermal treatment step, or may be mixed 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, the aluminum source, and the solvent may be mixed at the same time, or the precursor material (C) may be added to the solvent. ), the structure directing agent, and the aluminum source may be dispersed in individual solutions, and then the respective dispersion solutions may be mixed. As the solvent, for example, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solvent thereof can be used. Moreover, it is preferable to adjust the pH of the mixed solution using an acid or a base before performing 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)の細孔内部での機能性物質である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、触媒構造体の骨格体(担体)としての新たな骨格構造(多孔質構造)が形成される。そして、この際に、アルミニウムが新たな骨格構造に取り込まれる。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、担体10に含まれるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の原子数比(Si/Al比)が2.0以上であり、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保持されている。また、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)と構造規定剤とアルミニウム源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)とアルミニウム源のみを混合し、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 under treatment conditions of 80 to 800° C., 5 hours to 240 hours, and 0 to 2000 kPa in a closed container, for example. Moreover, it is preferable that the hydrothermal treatment is 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 a regular mesoporous material gradually collapses; While the position of the metal oxide fine particles, which are functional substances, inside the pores of the precursor material (C) is generally maintained, the structure-directing agent allows them to be used as a new skeleton (support) of the catalyst structure. A skeletal structure (porous structure) is formed. At this time, aluminum is incorporated into the new skeleton structure. The catalyst structure thus obtained includes a carrier having a porous structure and fine metal oxide particles contained in the carrier, and furthermore, the carrier has a passageway in which a plurality of pores communicate with each other due to the porous structure. , the atomic ratio of silicon (Si) to aluminum (Al) (Si/Al ratio) contained in the
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。 Preferably, the precipitate (catalyst structure) obtained after the hydrothermal treatment is washed, dried, and calcined as necessary after being collected (for example, filtered). As the cleaning solution, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solution thereof can be used. Examples of the drying treatment include natural drying for about one night and drying at a high temperature of 150° C. or lower. Note that if the calcination treatment is performed with a large amount of moisture remaining 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 firing treatment can be performed, for example, in air at 350 to 850° C. for 2 to 30 hours. Through such firing treatment, the structure directing agent attached to the catalyst structure is burned away. Furthermore, depending on the purpose of use, the catalyst structure can be used as it is without performing a calcination treatment on the recovered precipitate. For example, if the environment in which the catalyst structure is used is a high temperature environment with an oxidizing atmosphere, the structure-directing agent will be burned out by exposing it to the use environment for a certain period of time, and the catalyst structure will be the same as in the case of calcination treatment. Therefore, it can be used as is.
以上説明した製造方法は、前駆体材料(A)に含浸させる金属含有溶液に含まれる金属元素(M)が、酸化され難い金属種(例えば、貴金属であるRu)である場合の一例である。 The manufacturing method described above is an example in which the metal element (M) contained in the metal-containing solution impregnated into the precursor material (A) is a metal species that is difficult to oxidize (for example, Ru, which is a noble metal).
(ステップS5:還元工程)
他方で、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)が、酸化され易い金属種(例えば、Fe、Co、Cu等)を含む場合には、上記水熱処理工程後に、水熱処理された前駆体材料(C)に還元処理を行うことが好ましい。金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)が、酸化され易い金属種である場合、含浸処理(ステップS2)の後の工程(ステップS3~S4)における熱処理により、金属成分が酸化されてしまう。そのため、水熱処理工程(ステップS4)で形成される担体には、機能性物質として金属酸化物微粒子が内在することになる。そのため、担体に機能性物質が内在する触媒構造体を得るためには、上記水熱処理後に、必要に応じて回収した沈殿物を焼成処理した後、水素ガス等の還元ガス雰囲気下で還元処理することが望ましい。還元処理を行うことにより、担体に内在する金属酸化物微粒子が還元され、金属酸化物微粒子を構成する金属元素(M)に対応する金属微粒子からなる機能性物質が形成される。その結果、担体に機能性物質として金属微粒子が内在する触媒構造体が得られる。このとき、還元工程における還元の程度を調整することで、金属や金属酸化物が内在している触媒構造体の機能低下を抑制し、または調整することが可能となる。なお、このような還元処理は、必要に応じて行えばよく、例えば、触媒構造体の使用する環境が、少なくとも一時的に還元雰囲気になりうる場合には、還元雰囲気を含む使用環境に一定時間晒すことで、金属酸化物微粒子は還元されるため、還元処理した場合と同様の触媒構造体が得られるので、担体に酸化物微粒子が内在した状態でそのまま使用することが可能となる。
(Step S5: reduction step)
On the other hand, when the metal element (M) contained in the metal-containing solution impregnated into the precursor material (A) contains a metal species that is easily oxidized (for example, Fe, Co, Cu, etc.), the above hydrothermal treatment is performed. After the step, it is preferable to perform a reduction treatment on the hydrothermally treated precursor material (C). If the metal element (M) contained in the metal-containing solution is a metal species that is easily oxidized, the metal component will be oxidized by the heat treatment in the steps (steps S3 to S4) after the impregnation treatment (step S2). . Therefore, the carrier formed in the hydrothermal treatment step (step S4) contains metal oxide fine particles as a functional substance. Therefore, in order to obtain a catalyst structure in which a functional substance is contained in the carrier, after the above-mentioned hydrothermal treatment, the recovered precipitate is calcined as necessary, and then reduced in an atmosphere of a reducing gas such as hydrogen gas. This is desirable. By performing the reduction treatment, the metal oxide fine particles contained in the carrier are reduced, and a functional substance made of metal fine particles corresponding to the metal element (M) constituting the metal oxide fine particles is formed. As a result, a catalyst structure is obtained in which fine metal particles are included as a functional substance in the carrier. At this time, by adjusting the degree of reduction in the reduction step, it is possible to suppress or adjust the functional deterioration of the catalyst structure in which the metal or metal oxide is contained. Note that such a reduction treatment may be carried out as necessary. For example, if the environment in which the catalyst structure is used can become a reducing atmosphere at least temporarily, the reduction treatment may be performed for a certain period of time in an environment containing a reducing atmosphere. Since the metal oxide fine particles are reduced by exposure, a catalyst structure similar to that obtained by reduction treatment can be obtained, so that it can be used as is with the oxide fine particles contained in the carrier.
[FT合成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に内在する機能性物質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に保持された他の機能性物質30を更に備えていてもよい。
[Modified example of FT synthesis catalyst structure]
FIG. 4 is a schematic diagram showing a modification of the
この機能性物質30は、少なくとも触媒として使用する際に、一又は複数の触媒能を発揮する触媒物質である。他の機能性物質30が有する触媒能は、機能性物質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、機能性物質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、他の機能性物質30の材料は、機能性物質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に保持された機能性物質の含有量を増大することができ、機能性物質による触媒活性を更に促進することができる。
This
この場合、担体10に内在する機能性物質20の含有量は、担体10の外表面10aに保持された他の機能性物質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機能性物質20による触媒能が支配的となり、安定的に機能性物質の触媒能が発揮される。
In this case, the content of the
[炭化水素の製造方法、炭化水素製造装置]
また、本発明において、触媒を用いて、一酸化炭素と水素から炭化水素を合成する炭化水素の製造方法が提供される。このような触媒としては、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、担体10に内在する少なくとも1つの機能性物質20と、を備え、担体10が、互いに連通する通路11を有し、担体10に含まれるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の原子数比(Si/Al比)の値は2.0以上であり、機能性物質20が、担体10の少なくとも通路11の拡径部12に存在しているFT合成触媒構造体1を含んでいる。すなわち、本発明では、上述のFT合成触媒構造体を用いて、一酸化炭素と水素から炭化水素を合成する炭化水素の製造方法が提供される。さらに、FT合成触媒構造体1を用いて炭化水素を作製することにより、FT合成触媒構造体1の表面へのコークの生成または付着を抑制し、それにより反応後のFT合成触媒構造体1におけるコーク量を低減することができる。
[Hydrocarbon production method, hydrocarbon production equipment]
The present invention also provides a method for producing hydrocarbons, which synthesizes hydrocarbons from carbon monoxide and hydrogen using a catalyst. Such a catalyst includes a
このようなフィッシャー・トロプシュ合成反応を利用した炭化水素の製造方法を実施する際の原料としては、分子状水素及び一酸化炭素を主成分とする合成ガスであれば特に制限はないが、水素/一酸化炭素のモル比が1.5~2.5である合成ガスが好適であり、該モル比が1.8~2.2である合成ガスがより好適である。また、FT合成反応の反応条件についても、特に制限はなく、公知の条件にて行うことができる。例えば、反応温度としては200~500℃、圧力としては0.1~3.0MPa(絶対圧力)が好ましい。 There are no particular restrictions on the raw materials used when carrying out the method for producing hydrocarbons using Fischer-Tropsch synthesis reactions, as long as the main components are molecular hydrogen and carbon monoxide, but hydrogen/ Synthesis gas with a carbon monoxide molar ratio of 1.5 to 2.5 is preferred, and synthesis gas with a molar ratio of 1.8 to 2.2 is more preferred. Furthermore, the reaction conditions for the FT synthesis reaction are not particularly limited, and the reaction can be carried out under known conditions. For example, the reaction temperature is preferably 200 to 500°C, and the pressure is preferably 0.1 to 3.0 MPa (absolute pressure).
フィッシャー・トロプシュ合成反応は、フィッシャー・トロプシュ合成の反応プロセスとして公知のプロセス、例えば、固定床、超臨界固定床、スラリー床、流動床等で実施することができる。好ましいプロセスとしては、固定床、超臨界固定床、スラリー床を挙げることができる。 The Fischer-Tropsch synthesis reaction can be carried out in a process known as a Fischer-Tropsch synthesis reaction process, such as a fixed bed, a supercritical fixed bed, a slurry bed, a fluidized bed, and the like. Preferred processes include fixed bed, supercritical fixed bed, and slurry bed.
また、本発明において、上記触媒構造体を有する炭化水素製造装置が提供されていてもよい。このような炭化水素製造装置は、上記触媒構造体を触媒として利用してフィッシャー・トロプシュ合成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、FT合成反応装置、FT合成反応カラム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炭化水素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。 Moreover, in the present invention, a hydrocarbon production apparatus having the above catalyst structure may be provided. Such hydrocarbon production equipment is not particularly limited as long as it can perform Fischer-Tropsch synthesis using the catalyst structure as a catalyst, and includes, for example, an FT synthesis reaction apparatus, an FT synthesis reaction column, etc. Commonly used manufacturing equipment can be used. By using the catalyst structure according to the present invention in such a hydrocarbon 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、その製造方法及び該触媒構造体を用いた炭化水素の製造方法、並びに該触媒構造体を有する炭化水素製造装置について述べたが、本発明は上記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。 The catalyst structure, the method for manufacturing the same, the method for producing hydrocarbons using the catalyst structure, and the hydrocarbon production apparatus having the catalyst structure according to the embodiments of the present invention have been described above. The present invention is not limited to the embodiments, and various modifications and changes can be made based on the technical idea of the present invention.
(実施例1~40)
[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および表3に示される種類および孔径の、粉末状の前駆体材料(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)
(Examples 1 to 40)
[Synthesis of precursor material (A)]
A mixed aqueous solution of a silica agent (tetraethoxysilane (TEOS), manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and a surfactant as a template agent was prepared, the pH was adjusted as appropriate, and the solution was heated to 80 to Hydrothermal treatment was performed at 350°C for 100 hours. Thereafter, the generated precipitate is filtered, washed with water and ethanol, and further calcined in air at 600°C for 24 hours to obtain a powdered precursor having the type and pore size shown in Tables 1 and 3. Material (A) was obtained. The following surfactants were used depending on the type of precursor material (A) ("Type of precursor material (A): surfactant").
・MCM-41: Hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
[前駆体材料(B)および(C)の作製]
次に、表2および表4に示される種類の機能性物質(触媒物質)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、機能性物質である金属微粒子の種類に応じて(「金属微粒子:金属塩」)以下のものを用いた。
・Co:硝酸コバルト(II)六水和物(和光純薬工業株式会社製)
・Ni:硝酸ニッケル(II)六水和物(和光純薬工業株式会社製)
・Fe:硝酸鉄(III)九水和物(和光純薬工業株式会社製)
・Ru:塩化ルテニウム(III)無水(東京化成工業株式会社製)
[Preparation of precursor materials (B) and (C)]
Next, depending on the metal element (M) constituting the type of functional substance (catalyst substance) shown in Tables 2 and 4, a metal salt containing the metal element (M) is dissolved in water. , a metal-containing aqueous solution was prepared. Note that the following metal salts were used depending on the type of metal fine particles that were functional substances ("metal fine particles: metal salt").
・Co: Cobalt(II) nitrate hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
・Ni: Nickel (II) nitrate hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
・Fe: Iron (III) nitrate nonahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
・Ru: Ruthenium (III) chloride anhydrous (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.)
この前駆体材料(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った後、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。 This precursor material (A) is pretreated by adding an aqueous solution of polyoxyethylene (15) oleyl ether (NIKKOL BO-15V, manufactured by Nikko Chemicals Co., Ltd.) as an additive. A metal-containing aqueous solution was added in small portions to (A) in multiple portions and dried at room temperature (20° C.±10° C.) for 12 hours or more to obtain precursor material (B).
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および表3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 ( The values were adjusted so that the values when converted to the atomic ratio (Si/M) were as shown in Tables 1 and 3.
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 fired in air at 600° C. for 24 hours to obtain a precursor material (C).
上記のようにして得られた前駆体材料(C)と、アルミニウム源である水酸化アルミニウム(Al(OH)3、Sigma Aldrich社製)と、表1および表3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および表3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。その後、焼成物を回収し、水素ガスの流入下で、500℃、60分間、還元処理して、表1および表3に示す担体と触媒物質としての金属微粒子とを有する触媒構造体を得た(実施例1~40)。 The precursor material (C) obtained as above, aluminum hydroxide (Al(OH) 3 , manufactured by Sigma Aldrich) as an aluminum source, and the structure directing agent shown in Tables 1 and 3 were mixed. A mixed aqueous solution was prepared, and hydrothermal treatment was performed in a closed container under the conditions of 80 to 350°C, pH and time shown in Tables 1 and 3. Thereafter, the generated precipitate was filtered, washed with water, dried at 100°C for 12 hours or more, and further calcined in air at 600°C for 24 hours. Thereafter, the calcined product was collected and subjected to reduction treatment at 500°C for 60 minutes under the inflow of hydrogen gas to obtain a catalyst structure having the carrier shown in Tables 1 and 3 and metal fine particles as a catalyst material. (Examples 1-40).
(比較例1~3)
比較例1~3では、アルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の原子数比(Si/Al比)の値を1.8にした以外は、それぞれ実施例1、5、8と同様の方法にて触媒構造体を得た。
(Comparative Examples 1 to 3)
Comparative Examples 1 to 3 were carried out in the same manner as in Examples 1, 5, and 8, respectively, except that the atomic ratio of silicon (Si) to aluminum (Al) (Si/Al ratio) was set to 1.8. A catalyst structure was obtained.
(比較例4)
比較例4では、MFI型シリカライトに平均粒径50nm以下の酸化コバルト粉末(II,III)(シグマアルドリッチ・ジャパン合同会社製)を混合し、実施例と同様にして水素還元処理を行って、担体としてのシリカライトの外表面に、触媒物質としてコバルト微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1と同様の方法で合成した。
(Comparative example 4)
In Comparative Example 4, cobalt oxide powder (II, III) (manufactured by Sigma-Aldrich Japan LLC) with an average particle size of 50 nm or less was mixed with MFI type silicalite, and hydrogen reduction treatment was performed in the same manner as in the example. A catalyst structure was obtained in which cobalt fine particles were attached as a catalyst substance to the outer surface of silicalite as a carrier. MFI type silicalite was synthesized in the same manner as in Example 1 except for the step of adding metal.
(比較例5)
比較例5では、コバルト微粒子を付着させる工程を省略したこと以外は、比較例4と同様の方法にてMFI型シリカライトを合成した。
(Comparative example 5)
In Comparative Example 5, MFI type silicalite was synthesized in the same manner as Comparative Example 4, except that the step of attaching cobalt fine 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 structure of the above example and the silicalite of the comparative example under the conditions shown below.
[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、コバルト、鉄、ニッケルまたはルテニウムの金属微粒子が触媒物質として内在し、保持されていることが確認された。一方、比較例4のシリカライトでは、コバルトの金属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 structure of the above example and the silicalite of the comparative example, observation samples were prepared by a pulverization method, and cross-sectional observation was performed using a transmission electron microscope (TEM) (TITAN G2, manufactured by FEI). I did it. As a result, it was confirmed that in the catalyst structure of the above example, fine metal particles of cobalt, iron, nickel, or ruthenium were contained and retained as a catalyst substance inside the carrier made of silicalite or zeolite. On the other hand, in the silicalite of Comparative Example 4, cobalt metal fine particles were only attached 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が鉄(Fe)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、日立ハイテクノロジーズ社製)、EDX(X-Max、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Fe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Fe微粒子が存在していることが確認された。 In addition, for the catalyst structure in which the metal is iron (Fe) fine particles among the above examples, a cross section was cut out by FIB (focused ion beam) processing, and SEM (SU8020, manufactured by Hitachi High-Technologies), EDX (X-Max , manufactured by Horiba, Ltd.) for cross-sectional elemental analysis. As a result, Fe element was detected inside the carrier. From the results of cross-sectional observation using the above TEM and SEM/EDX, it was confirmed that Fe fine particles were present inside the carrier.
[B]担体の通路の平均内径および金属微粒子の平均粒径
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。
[B] Average inner diameter of carrier passages and average particle diameter of metal fine particles 500 carrier passages were arbitrarily selected from the TEM images taken by the cross-sectional observation performed in the above evaluation [A], and the major diameter and The short axis was measured, and the inner diameter of each was calculated from the average value (N=500), and the average value of the inner diameter was determined to be the average inner diameter DF of the carrier passage.
また、金属微粒子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、触媒物質の平均粒径を算出した。粒径は、Fe微粒子を触媒物質として有する触媒構造体について、このFe微粒子の平均粒径を測定した。また、比較対象として、市販品であるFe微粒子(Wako製)をSEMにて観察、測定した。結果を表2および表4に示す。 Further, in order to confirm the average particle size and dispersion state of the metal fine particles, 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 using the Guinier approximation method, and the average particle size of the catalyst material was calculated. Regarding the particle size, the average particle size of Fe fine particles was measured for a catalyst structure having Fe fine particles as a catalyst material. In addition, as a comparison object, commercially available Fe fine particles (manufactured by Wako) were observed and measured using a SEM. The results are shown in Tables 2 and 4.
この結果、市販品では粒径約50nm~400nmの範囲で様々なサイズの鉄微粒子がランダムに存在しているのに対し、平均粒径が1.5nm~1.6nmの金属微粒子を有する各実施例の触媒構造体では、SAXSの測定結果として、粒径10nm以下の範囲内で、表2および表4に記載された各実施例の粒径の値に応じた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以下の触媒物質となる金属微粒子(Fe微粒子)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, whereas in commercially available products, iron fine particles of various sizes exist randomly in the particle size range of about 50 nm to 400 nm, each product having metal fine particles with an average particle size of 1.5 nm to 1.6 nm was found. In the catalyst structure of the example, as a result of SAXS measurement, scattering peaks corresponding to the particle size values of each example listed in Tables 2 and 4 were detected within the particle size range of 10 nm or less. From the SAXS measurement results and the SEM/EDX cross-sectional measurement results, metal fine particles (Fe fine particles) that serve as a catalyst substance with a particle size of 10 nm or less exist inside the carrier in a highly dispersed state with uniform particle sizes. I found out that there is.
[C]前駆体材料(A)に対する金属元素(M)の添加量と、触媒構造体を構成する担体内部に機能性物質として包接された金属元素(M)の含有量との関係
前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させたときの、前駆体材料(A)中の金属元素(M)の添加量が、原子数比Si/M=100の添加量で、金属微粒子を機能性物質として担体内部に包接させた触媒構造体を作製した。その後、上記添加量で作製された各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。
[C] Relationship between the amount of the metal element (M) added to the precursor material (A) and the content of the metal element (M) included as a functional substance inside the carrier constituting the catalyst structure Precursor When the material (A) is impregnated with a metal-containing solution, the amount of the metal element (M) added in the precursor material (A) is such that the atomic ratio Si/M = 100, and the metal fine particles function. A catalyst structure was prepared in which a catalytic substance was included inside a carrier. Thereafter, the amount of metal (mass %) included inside the carrier of each catalyst structure produced with the above addition amount was measured.
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元素(M)とSi原子の含有量は、ICP分析により定量した。 The amount of metal was determined by ICP (inductively coupled plasma) alone or by a combination of ICP and XRF (X-ray fluorescence analysis). XRF (energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer "SEA1200VX", manufactured by SSI Nanotechnology) was carried out under the conditions of a vacuum atmosphere and an accelerating voltage of 15 kV (using a Cr filter) or 50 kV (using a Pb filter). XRF is a method for 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 contents of the metal element (M) and Si atoms in the catalyst structure to which metal was added with Si/M=100 were determined by ICP analysis.
[D]担体における原子数比(Si/Al比)の値
担体に含まれるアルミニウム(Al)量とケイ素(Si)量の定量は、ICP(高周波誘導結合プラズマ)を用いて行った。そして、測定されるアルミニウム(Al)量とケイ素(Si)量から、原子数比(Si/Al比)を求めた。
[D] Value of atomic ratio (Si/Al ratio) in carrier The amounts of aluminum (Al) and silicon (Si) contained in the carrier were determined using ICP (inductively coupled plasma). Then, the atomic ratio (Si/Al ratio) was determined from the measured amounts of aluminum (Al) and silicon (Si).
[E]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、金属微粒子がもつ触媒能を評価した。結果を表2および表4に示す。
[E] Performance Evaluation The catalytic ability of the metal fine particles was evaluated for the catalyst structure of the above example and the silicalite of the comparative example. The results are shown in Tables 2 and 4.
(1)触媒活性の評価
触媒活性は、以下の条件で評価した。
まず、触媒構造体を、常圧流通式反応装置に70mg充填し、水素(8ml/分)と一酸化炭素(4ml/分)を供給し、装置内の圧力を0.1MPaに調整しながら、100~700℃の温度範囲で20℃/minで昇温した後で1時間にわたって温度を保持することで、フィッシャー・トロプシュ合成を行った。ここで、常圧流通式反応装置としては、シングルマイクロリアクター(フロンティアラボ社、Rx-3050SR)を使用した。
(1) Evaluation of catalytic activity Catalytic activity was evaluated under the following conditions.
First, 70 mg of the catalyst structure was packed into an atmospheric pressure flow reactor, hydrogen (8 ml/min) and carbon monoxide (4 ml/min) were supplied, and the pressure inside the equipment was adjusted to 0.1 MPa. Fischer-Tropsch synthesis was performed by increasing the temperature at 20°C/min in the temperature range of 100 to 700°C and then holding the temperature for 1 hour. Here, a single microreactor (Rx-3050SR, Frontier Lab) was used as the atmospheric pressure flow reactor.
反応終了後、回収した生成ガスおよび生成液について、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。ここで、生成ガスおよび生成液の分析装置には、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 the reaction was completed, the components of the recovered product gas and solution were analyzed by gas chromatography mass spectrometry (GC/MS). Here, TRACE 1310GC (manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd., detector: thermal conductivity detector) was used as an analyzer for the produced gas and produced liquid.
さらに、上記成分分析の結果に基づき、FT合成反応により得られた生成物を確認した。本評価では、実施例および比較例で得られた触媒構造体を用いて、上記操作を250℃、350℃、400℃でそれぞれ行い、以下の評価基準により判定した。 Furthermore, based on the results of the above component analysis, the products obtained by the FT synthesis reaction were confirmed. In this evaluation, the above operations were performed at 250°C, 350°C, and 400°C using the catalyst structures obtained in Examples and Comparative Examples, respectively, and the results were evaluated based on the following evaluation criteria.
ここで、250℃で炭化水素(CH4を除く、以下同じ)の生成が確認できた場合(つまり、反応開始温度が250℃以下の場合)を、FT合成反応における触媒活性が優れていると判定して「○」、350℃で炭化水素の生成が確認できた場合(つまり、反応開始温度が250℃より高く、350℃以下の場合)を、触媒活性が良好ではないものの合格レベル(可)であると判断して「△」、400℃で炭化水素の生成が確認できた場合(つまり、反応開始温度が350℃より高く、400℃以下の場合)又はFT合成反応が起こらなかった場合を、触媒活性が劣る(不可)と判定して「×」とした。 Here, if the production of hydrocarbons (excluding CH 4 , the same applies hereinafter) is confirmed at 250°C (in other words, when the reaction initiation temperature is 250°C or lower), it is assumed that the catalyst activity in the FT synthesis reaction is excellent. If the result is ``○'', and the generation of hydrocarbons is confirmed at 350°C (in other words, the reaction initiation temperature is higher than 250°C and 350°C or lower), the catalytic activity is not good, but it is judged to be a passing level (acceptable). ) and ``△'', if hydrocarbon generation was confirmed at 400°C (in other words, the reaction initiation temperature was higher than 350°C and below 400°C), or if the FT synthesis reaction did not occur. It was determined that the catalyst activity was poor (impossible) and was rated "×".
(2)コークの生成・付着抑制性の評価
得られた触媒構造体を、常圧流通式反応装置に70mg充填し、水素(8ml/分)と一酸化炭素(4ml/分)を供給し、装置内の圧力を0.1MPaに調整しながら、100~700℃の温度範囲で20℃/minで昇温した後で、700℃の反応温度で1時間にわたり温度を保持することで、フィッシャー・トロプシュ合成反応を行った。ここで、常圧流通式反応装置としては、シングルマイクロリアクター(フロンティアラボ社、製品名:Rx-3050SR)を使用した。
(2) Evaluation of coke generation/adhesion suppression ability 70 mg of the obtained catalyst structure was packed into an atmospheric pressure flow reactor, hydrogen (8 ml/min) and carbon monoxide (4 ml/min) were supplied, Fischer Tropsch synthesis reaction was performed. Here, a single microreactor (manufactured by Frontier Lab, product name: Rx-3050SR) was used as the atmospheric pressure flow reactor.
フィッシャー・トロプシュ合成反応を終了させた後、試験に用いた触媒を回収し、CHN(機器名:CHN analyzer(CE440,Exeter Analytical,Inc)により触媒上の炭素量を分析した。触媒に付着しているコーク量に関するこの結果を「コークの生成・付着抑制性」の結果として、C量(コーク量)が検出限界(0.3質量%)未満の場合を、FT合成反応におけるコークの生成または付着の抑制が優れていると判定して「◎」、0.3質量%以上0.5質量%未満の場合を、コークの生成または付着の抑制が良好であると判断して「○」、0.5質量%以上1.0質量%未満の場合を、コークの生成または付着の抑制が良好ではないものの合格レベル(可)であると判断して「△」、1.0質量%以上の場合を、コークの生成または付着の抑制が劣る(不可)と判定して「×」とした。 After the Fischer-Tropsch synthesis reaction was completed, the catalyst used in the test was collected and the amount of carbon on the catalyst was analyzed using CHN (equipment name: CHN analyzer (CE440, Exeter Analytical, Inc.). This result regarding the coke amount in the FT synthesis reaction is considered as the result of "coke generation/adhesion inhibiting property", and the case where the C amount (coke amount) is less than the detection limit (0.3 mass%) is considered to be the result of coke generation or adhesion in the FT synthesis reaction. If it is 0.3% by mass or more and less than 0.5% by mass, it is determined to be excellent in suppressing coke formation or adhesion, and "○" is determined. If it is .5% by mass or more and less than 1.0% by mass, it is judged as a passing level (acceptable) although the suppression of coke generation or adhesion is not good, and it is marked "△", and if it is 1.0% by mass or more, it is judged as "fair". It was determined that the suppression of coke formation or adhesion was inferior (unable) and was rated "×".
比較例1~5についても、同様の性能評価を行った。尚、比較例5は、担体そのものであり、機能性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5の担体のみを充填した。結果を表2および表4に示す。 Comparative Examples 1 to 5 were also evaluated for performance in the same manner. Note that Comparative Example 5 is a carrier itself and does not contain any functional substance. Therefore, in the above performance evaluation, only the carrier of Comparative Example 5 was filled instead of the catalyst structure. The results are shown in Tables 2 and 4.
表1~4から明らかなように、断面観察により担体の内部に機能性物質である金属微粒子が保持されていることが確認された触媒構造体(実施例1~40)は、FT合成反応において優れた触媒活性を示し、かつFT合成反応後に触媒構造体に付着しているコーク量も少ないことが分かった。 As is clear from Tables 1 to 4, the catalyst structures (Examples 1 to 40) in which it was confirmed by cross-sectional observation that metal fine particles, which are functional substances, were retained inside the carrier were used in the FT synthesis reaction. It was found that it exhibited excellent catalytic activity and that the amount of coke adhering to the catalyst structure after the FT synthesis reaction was also small.
また、上記評価[C]で得られた触媒構造体について、担体内部に包接された金属量(質量%)と、上記評価(1)の触媒活性との関係を評価した。評価方法は、上記[E]「性能評価」における「(1)触媒活性」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100(触媒構造体に対する金属元素(M)の含有量が0.52~1.09質量%)であると、FT合成反応において触媒活性が向上し、また、FT合成反応後に触媒構造体に付着しているコーク量も少ない傾向にあることが分かった。 Further, regarding the catalyst structure obtained in the above evaluation [C], the relationship between the amount of metal (mass %) included inside the carrier and the catalytic activity of the above evaluation (1) was evaluated. The evaluation method was the same as the evaluation method performed in "(1) Catalyst activity" in the above [E] "Performance evaluation". As a result, in each example, the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) was 100 in terms of the atomic ratio Si/M (the content of the metal element (M) with respect to the catalyst structure was 0.52 to 1.09% by mass), the catalyst activity is improved in the FT synthesis reaction, and the amount of coke adhering to the catalyst structure after the FT synthesis reaction tends to be small.
さらに、別途本発明の触媒構造体について、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」で行った評価方法と同じとした。その結果、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10~1000のとき、より好ましくは50~200(触媒構造体に対する金属元素(M)の含有量が0.5~2.5質量%)のときに、FT合成反応において触媒活性が向上する傾向にあることが分かった。 Furthermore, regarding the catalyst structure of the present invention, the relationship between the amount of metal (mass %) included inside the carrier and the catalytic activity of the above evaluation (1) was evaluated. The evaluation method was the same as the evaluation method performed in "(1) Catalyst activity" in the above [D] "Performance evaluation". As a result, when the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is 10 to 1000 in terms of the atomic ratio Si/M, it is more preferably 50 to 200 (metal element relative to the catalyst structure). It was found that when the content of M) is 0.5 to 2.5% by mass), the catalytic activity tends to improve in the FT synthesis reaction.
さらに、Coを含有する金属微粒子を包接させた触媒構造体と、Fe、NiまたはRuを含有する金属微粒子を包接させた触媒構造体との触媒活性を比較すると、Co、Fe、NiまたはRuのいずれを金属微粒子として包接させた場合であっても、Si/Al比が25以上のときには、コークの生成・付着抑制性に関する評価結果が「◎」であり、特にCoを金属微粒子として包接させた場合には、Si/Al比が8.6以上25未満でも、コークの生成・付着抑制性に関する評価結果が「◎」であった。これに対し、Fe、NiまたはRuを金属微粒子として包接させた場合には、Si/Al比が2以上25未満のときに、この評価結果が「○」となる場合があった。また、代表として、活性に関する評価結果と、コークの生成・付着抑制性に関する評価結果がいずれも良好であった実施例1(Co包接触媒構造体)と実施例10、17、30(Fe、Ni、Ru包接触媒構造体)の炭化水素(C2~C20)のGC/MSエリア面積を比較した。その結果、Co包接触媒構造体は、Fe、Ni、Ru包接触媒構造体の約1.4倍のピーク面積を有していた。これらのことから、包接金属種はFe、NiまたはRuよりCoの方がより適していることが分かった。 Furthermore, when comparing the catalytic activity of a catalyst structure in which fine metal particles containing Co are included and a catalyst structure in which fine metal particles containing Fe, Ni or Ru are included, it is found that No matter when Ru is included as metal fine particles, when the Si/Al ratio is 25 or more, the evaluation result regarding coke generation/adhesion suppression is "◎", and especially when Co is included as metal fine particles, the evaluation result is "◎". In the case of inclusion, even if the Si/Al ratio was 8.6 or more and less than 25, the evaluation result regarding the ability to inhibit coke formation and adhesion was "◎". On the other hand, when Fe, Ni, or Ru is included as fine metal particles, the evaluation result may be "○" when the Si/Al ratio is 2 or more and less than 25. In addition, as representative examples, Example 1 (Co inclusion catalyst structure) and Examples 10, 17, and 30 (Fe, The GC/MS areas of hydrocarbons (C 2 to C 20 ) of Ni, Ru inclusion catalyst structures were compared. As a result, the Co inclusion catalyst structure had a peak area approximately 1.4 times that of the Fe, Ni, and Ru inclusion catalyst structure. From these results, it was found that Co is more suitable as the clathrate metal species than Fe, Ni, or Ru.
一方、Si/Al比が1,8と小さい比較例1~3の触媒構造体では、ゼオライト型化合物が結晶化せず、コークの生成・付着抑制性に関する評価結果が、いずれも「×」であった。また、担体の外表面にのみ金属微粒子を付着させた比較例4の触媒構造体は、金属微粒子を何ら有していない比較例5の担体そのものと比較して、FT合成反応における触媒活性は改善されるものの、実施例1~40の触媒構造体に比べて、コーク量が多くなっていた。 On the other hand, in the catalyst structures of Comparative Examples 1 to 3 with a small Si/Al ratio of 1.8, the zeolite-type compound did not crystallize, and the evaluation results regarding coke generation and adhesion suppression were all "x". there were. In addition, the catalyst structure of Comparative Example 4, in which metal fine particles were attached only to the outer surface of the support, had improved catalytic activity in the FT synthesis reaction compared to the support itself of Comparative Example 5, which did not have any metal fine particles. However, compared to the catalyst structures of Examples 1 to 40, the amount of coke was larger.
上記結果より、触媒構造体(実施例1~40)は、一酸化炭素と水素から炭化水素を合成するFT合成反応においても優れた触媒活性を示し、かつフィッシャー・トロプシュ合成反応に用いたときのコーク量を低減することができると推察することができる。 From the above results, the catalyst structures (Examples 1 to 40) showed excellent catalytic activity in the FT synthesis reaction, which synthesizes hydrocarbons from carbon monoxide and hydrogen, and also exhibited excellent catalytic activity when used in the Fischer-Tropsch synthesis reaction. It can be inferred that the amount of coke can be reduced.
[他の実施態様]
フィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体を使用する方法であって、
前記触媒構造体が、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つの機能性物質と、を備え、
前記担体は、アルミニウム(Al)とケイ素(Si)を含有し、
前記担体に含まれるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の比(原子数比Si/Al)が、2.0以上であり、
前記担体が、互いに連通する通路を有し、
前記機能性物質が、コークの生成または付着が生じにくい特性を有し、かつ、前記担体の少なくとも前記通路に存在していることを特徴とする、フィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体を使用する方法。
[Other embodiments]
A method using a Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure, the method comprising:
The catalyst structure is a carrier having a porous structure composed of a zeolite type compound;
at least one functional substance inherent in the carrier,
The carrier contains aluminum (Al) and silicon (Si),
The ratio of silicon (Si) to aluminum (Al) (atomic ratio Si/Al) contained in the carrier is 2.0 or more,
the carrier has passages that communicate with each other,
A method of using a Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure, characterized in that the functional substance has characteristics that prevent coke formation or adhesion, and is present in at least the passageway of the carrier.
1 FT合成触媒構造体
10 担体
10a 外表面
11 通路
11a 孔
12 拡径部
20 機能性物質
30 機能性物質
DC 平均粒径
DF 平均内径
DE 内径
1 FT
Claims (20)
前記担体に内在し、フィッシャー・トロプシュ合成触媒としての触媒活性を有する少なくとも1つの機能性物質と、
を備えるフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体であって、
前記担体は、アルミニウム(Al)とケイ素(Si)を含有し、
前記担体に含まれるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の比(原子数比Si/Al)が、2.0以上であり、
前記担体が、互いに連通する通路を有し、
前記機能性物質が、コバルト(Co)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)およびルテニウム(Ru)からなる群から選択される1種以上の金属または合金を含む金属微粒子、または、コバルト、鉄およびニッケルからなる群から選択される1種以上の金属元素を含む金属酸化物微粒子であり、かつ、前記担体の前記少なくとも一種の孔とは異なる拡径部に少なくとも存在し、
前記通路の平均内径に対する前記機能性物質の平均粒径の割合が、1.1~300であり、
前記通路の平均内径は、前記少なくとも一種の孔を構成する孔の短径及び長径の平均値から算出されることを特徴とするフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体。 A carrier made of a zeolite-type compound with a porous structure in which at least one type of pores among one-dimensional pores, two-dimensional pores, and three-dimensional pores are formed;
at least one functional substance inherent in the carrier and having catalytic activity as a Fischer-Tropsch synthesis catalyst;
A Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure comprising:
The carrier contains aluminum (Al) and silicon (Si),
The ratio of silicon (Si) to aluminum (Al) (atomic ratio Si/Al) contained in the carrier is 2.0 or more,
the carrier has passages that communicate with each other,
The functional substance is metal fine particles containing one or more metals or alloys selected from the group consisting of cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni) and ruthenium (Ru), or cobalt, iron and Metal oxide fine particles containing one or more metal elements selected from the group consisting of nickel, and present at least in an enlarged diameter portion of the carrier that is different from the at least one pore,
The ratio of the average particle size of the functional substance to the average inner diameter of the passage is 1.1 to 300,
A Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure, wherein the average inner diameter of the passage is calculated from the average value of the minor axis and major axis of the pores constituting the at least one type of pores.
前記前駆体材料(C)を水熱処理して、フィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体を得る水熱処理工程と、
を有するフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体の製造方法であって、
前記水熱処理工程は、溶媒中に、前記前駆体材料(C)と、アルミニウム源と、構造規定剤とを混合した混合溶媒を用いて行い、
前記担体は、アルミニウム(Al)とケイ素(Si)を含有し、
前記担体に含まれる、アルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の原子数比(Si/Al比)が2.0以上であることを特徴とするフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体の製造方法。 Cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni) and ruthenium (Ru ) The precursor material (B) impregnated with a metal-containing solution containing a salt of one or more metal components selected from the group consisting of: a firing step of obtaining a precursor material (C) in which a functional substance is formed from the metal component of the containing solution;
a hydrothermal treatment step of hydrothermally treating the precursor material (C) to obtain a Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure;
A method for producing a Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure, comprising:
The hydrothermal treatment step is performed using a mixed solvent in which the precursor material (C), an aluminum source, and a structure directing agent are mixed in a solvent,
The carrier contains aluminum (Al) and silicon (Si),
A method for producing a Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure, characterized in that the atomic ratio of silicon (Si) to aluminum (Al) (Si/Al ratio) contained in the support is 2.0 or more.
一次元孔、二次元孔および三次元孔のうちの少なくとも一種の孔が形成されている多孔質構造のゼオライト型化合物で構成される担体と、
前記担体に内在し、フィッシャー・トロプシュ合成触媒としての触媒活性を有する少なくとも1つの機能性物質とを備えるフィッシャー・トロプシュ合成触媒構造体であり、
前記担体が、アルミニウム(Al)とケイ素(Si)を含有し、
前記担体に含まれるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の原子数比(Si/Al比)が、2.0以上であり、
前記担体が、互いに連通する通路を有し、
前記機能性物質が、コバルト(Co)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)およびルテニウム(Ru)からなる群から選択される1種以上の金属または合金を含む金属微粒子、または、コバルト、鉄およびニッケルからなる群から選択される1種以上の金属元素を含む金属酸化物微粒子であり、かつ、前記担体の前記少なくとも一種の孔とは異なる拡径部に少なくとも存在し、
前記通路の平均内径に対する前記機能性物質の平均粒径の割合が、1.1~300であり、
前記通路の平均内径は、前記少なくとも一種の孔を構成する孔の短径及び長径の平均値から算出されることを特徴とする、炭化水素の製造方法。 A method for producing hydrocarbons in which hydrocarbons are synthesized from carbon monoxide and hydrogen using a catalyst, the catalyst comprising:
A carrier made of a zeolite-type compound with a porous structure in which at least one type of pores among one-dimensional pores, two-dimensional pores, and three-dimensional pores are formed;
A Fischer-Tropsch synthesis catalyst structure comprising at least one functional substance inherent in the carrier and having catalytic activity as a Fischer-Tropsch synthesis catalyst,
The carrier contains aluminum (Al) and silicon (Si),
The atomic ratio of silicon (Si) to aluminum (Al) (Si/Al ratio) contained in the support is 2.0 or more,
the carrier has passages that communicate with each other,
The functional substance is metal fine particles containing one or more metals or alloys selected from the group consisting of cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni) and ruthenium (Ru), or cobalt, iron and Metal oxide fine particles containing one or more metal elements selected from the group consisting of nickel, and present at least in an enlarged diameter portion of the carrier that is different from the at least one pore,
The ratio of the average particle size of the functional substance to the average inner diameter of the passage is 1.1 to 300,
A method for producing hydrocarbons, wherein the average inner diameter of the passage is calculated from the average value of the short axis and long axis of the holes constituting the at least one type of hole.
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CARVALHO, Alexandre et al.,Design of nanocomposites with cobalt encapsulated in the zeolite micropores for selective synthesis of isoparaffins in Fischer-Tropsch reaction,Catalysis Science & Technology,2017年,Vol.7, No.21,pp.5019-5027,ISSN 2044-4753 |
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