JPH09141096A - 炭化水素の部分酸化用触媒及びその製造方法並びに炭化水素の部分酸化方法 - Google Patents

炭化水素の部分酸化用触媒及びその製造方法並びに炭化水素の部分酸化方法

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JPH09141096A
JPH09141096A JP7329825A JP32982595A JPH09141096A JP H09141096 A JPH09141096 A JP H09141096A JP 7329825 A JP7329825 A JP 7329825A JP 32982595 A JP32982595 A JP 32982595A JP H09141096 A JPH09141096 A JP H09141096A
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catalyst
partial oxidation
saturated hydrocarbon
alkaline earth
earth metal
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JP7329825A
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Yoshio Takasu
芳雄 高須
Yasushi Murakami
泰 村上
Kiyohide Yoshida
清英 吉田
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Riken Corp
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  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 500 ℃以下の温度で効果的に飽和炭化水素を
部分酸化する触媒及びその製造方法、並びにそれを用い
た飽和炭化水素の部分酸化方法を提供する。 【解決手段】 酸化ルテニウム、又は酸化ルテニウムと
アルカリ土類金属酸化物からなる飽和炭化水素部分酸化
用触媒である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は飽和炭化水素の部分
酸化用触媒及びその製造方法並びに飽和炭化水素の部分
酸化方法に関し、詳しくは飽和炭化水素を部分酸化して
アルデヒド等の含酸素有機化合物を生成するための触媒
及びその製造方法並びにその部分酸化方法に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】メタン
等の飽和炭化水素を常圧で部分酸化すると、アルデヒド
を得ることができる。飽和炭化水素の部分酸化は工業上
大変重要であり、多くの研究が報告されている。例え
ば、酸化タングステン、燐酸銅、燐酸鉄等を触媒として
用いれば、常圧、600 ℃付近でホルムアルデヒドが生成
される。
【0003】しかし、これまで報告されている飽和炭化
水素の含酸素有機化合物への部分酸化用触媒では活性が
低く、実用性に乏しい。また従来の触媒では低温領域で
部分酸化が進行せず、例えばメタンのホルムアルデヒド
への部分酸化の場合には500℃以下では大変困難である
( J. Cata1ysis, 108, 252-255(1988); J. Catalysis,
109, 187-197(1988))。
【0004】従って、本発明の目的は、500 ℃以下の温
度で効果的に飽和炭化水素を部分酸化する触媒及びその
製造方法、並びにそれを用いた飽和炭化水素の部分酸化
方法を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、酸化ルテニウム、又は酸化ルテニ
ウムとアルカリ土類金属からなる触媒を用い、500 ℃以
下の低温で飽和炭化水素を酸素あるいは酸素及び水蒸気
と共存させると、飽和炭化水素を効果的に含酸素有機化
合物へ部分酸化することができることを見いだし、本発
明を完成した。
【0006】すなわち、本発明による飽和炭化水素の部
分酸化用第一の触媒は、酸化ルテニウムとアルカリ土類
金属酸化物からなることを特徴とする。
【0007】また、本発明による飽和炭化水素の部分酸
化用第二の触媒は、酸化ルテニウムからなることを特徴
とする。
【0008】酸化ルテニウムとアルカリ土類金属酸化物
からなる飽和炭化水素の部分酸化用触媒を製造する本発
明の方法は、(1) ルテニウム化合物の水溶液とアルカリ
土類金属化合物の水溶液とを混合し、(2) 水分を蒸発さ
せた後、乾燥させ、(3) 500 〜800 ℃で焼成することを
特徴とする。
【0009】上記第一の触媒を用いて飽和炭化水素を部
分酸化する本発明の方法は、300 〜600 ℃の反応温度を
用いることを特徴とする。
【0010】上記第二の触媒を用いて飽和炭化水素を部
分酸化する本発明の方法は、200 〜300 ℃の反応温度を
用いることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。 [1] 第一の触媒 本発明による飽和炭化水素の含酸素有機化合物への部分
酸化用第一の触媒は、酸化ルテニウムとアルカリ土類金
属酸化物とからなる。酸化ルテニウムとアルカリ土類金
属酸化物とが実質的に複合酸化物を形成せずに均一に混
合された状態の場合に、含酸素有機化合物への部分酸化
特性が高い。
【0012】(1) 飽和炭化水素の部分酸化用触媒の組成 (a) 酸化ルテニウム 本発明で用いる酸化ルテニウムの出発物質として、塩化
ルテニウム、硝酸ルテニウム等の無機酸塩、又はルテニ
ウムカルボニル等のルテニウム化合物が挙げられる。そ
の中で塩化ルテニウムを用いるのが好ましい。これらの
出発物質は市販品として得られるし、また容易に合成す
ることもできる。
【0013】(b) アルカリ土類金属酸化物 アルカリ土類金属元素としてはCa、Mg、Sr及びB
aからなる群から選ばれた少なくとも一種を用いる。上
記元素の中では、Caが最も効果的である。アルカリ土
類金属酸化物の出発物質として、アルカリ土類金属元素
の塩化物、硝酸塩等の無機酸塩、又は酢酸塩等の有機化
合物が挙げられる。中でも、硝酸塩又は塩化物を用いる
のが好ましい。
【0014】酸化ルテニウムとの組み合わせとしてはア
ルカリ土類金属の酸化物が最も効果的であるが、その外
にアルカリ金属、希土類元素、鉄、銅等の酸化物を組み
合わせでも、低温で含酸素有機化合物への部分酸化が見
られる。従って、本発明ではアルカリ土類金属酸化物の
他にアルカリ金属、希土類元素、鉄、銅等の酸化物
量添加してもよい。
【0015】酸化ルテニウムとアルカリ土類金属酸化物
とのモル比は1:10〜10:1が好ましい。モル比が
1:10未満では、酸化ルテニウムの含有量が少なす
ぎ、触媒効果が十分に見られない。またモル比が10:
1を越えると、飽和炭化水素の部分酸化率(転換率)が
増加するが、アルデヒド等の収率は低下する。酸化ルテ
ニウムとアルカリ土類金属酸化物とのより好ましいモル
比は3:7〜9:1である。
【0016】(2) 触媒の製造方法 (i) ルテニウム化合物及びアルカリ土類金属化合物の水
溶液を上記モル比で混合し、110 〜130 ℃で水分を蒸発
させた後、130 〜160 ℃で約0.5 〜2時間乾燥する。な
お水以外の溶媒として、アルコール等の有機溶媒等を使
用してもよい。
【0017】(ii)得られた生成物を、最終的に800 ℃以
下、好ましくは500 〜700 ℃で、4〜10時間、好ましく
は5〜6時間、酸素含有雰囲気中で焼成する。800 ℃を
越える温度で焼成すると、ルテニウムとアルカリ土類金
属元素とが複合酸化物を形成し、触媒の特性が低下す
る。
【0018】上記製造方法以外に、共沈法、ゾル−ゲル
法等の方法を用いることもできる。しかし、特に共沈法
によって作製すると、ルテニウムとアルカリ土類金属元
素との複合酸化物が形成されやすく、触媒特性の低下が
大きい。なお、触媒をシリカ等の公知の担体に担持して
用いることは無論可能である。
【0019】[2] 第二の触媒 本発明による飽和炭化水素の含酸素有機化合物への部分
酸化用第二の触媒は、酸化ルテニウムからなる。
【0020】(1) 飽和炭化水素の部分酸化用触媒の組成 本発明で用いる酸化ルテニウムの出発物質として、塩化
ルテニウム、硝酸ルテニウム等の無機酸塩、又はルテニ
ウムカルボニル等のルテニウム化合物が挙げられる。そ
の中で塩化ルテニウムを用いるのが好ましい。これらの
出発物質は市販品として得られるし、また以下の方法で
容易に合成することもできる。
【0021】(2) 触媒の製造方法 (i) ルテニウム化合物の水溶液を110 〜130 ℃に加熱し
て水分を蒸発させた後、130 〜160 ℃で約0.5 〜2時間
乾燥する。なお水以外の溶媒として、アルコール等の有
機溶媒等を使用してもよい。
【0022】(ii)得られた生成物を、最終的に800 ℃以
下、好ましくは500 〜700 ℃で、4〜10時間、好ましく
は5〜6時間、酸素含有雰囲気中で焼成する。
【0023】上記製造方法以外に、共沈法、ゾル−ゲル
法等の方法を用いることもできる。また、触媒をシリカ
等の公知の担体に担持して用いることは無論可能であ
る。
【0024】[3] 飽和炭化水素の部分酸化方法 飽和炭化水素としては、高純度の飽和炭化水素以外に
も、天然ガス、LPGガス等のように、数種類の飽和炭
化水素の混合物を用いることができる。また、飽和炭化
水素のガスをヘリウム、窒素、アルゴン等の不活性ガス
あるいは水蒸気で希釈してもよい。
【0025】反応系に供袷する酸素としては、純酸素を
用いてもよいが、酸素を含有しかつ反応に支障のないガ
スを含む混合ガスであれば、特に制限なく用いることが
できる。
【0026】好ましい反応装置として、流通式触媒反応
装置等が挙げられるが、本発明で用いる反応装置は特に
限定されず、各種公知の反応装置を用いることができ
る。
【0027】本発明の飽和炭化水素の部分酸化方法の一
例は以下の通りである。 (1) 上記部分酸化触媒を反応装置にセットし、反応装置
内を所定の反応温度に加熱する。第一の触媒を用いる場
合、反応温度は300 〜600 ℃であり、好ましくは350 〜
500 ℃である。反応装置内の温度が300 ℃未満では、メ
タン等の飽和炭化水素の転化率が十分ではなく、また60
0 ℃を越えると、生成するアルデヒド等の部分酸化物の
収率が低下する。第二の触媒を用いる場合、反応温度は
200 〜300℃である。
【0028】(2) 上記反応装置に酸素ガスと飽和炭化水
素ガスを導入する。酸素ガスと飽和炭化水素ガスのモル
比は1:5〜2:1であるのが好ましく、1:3〜1:
1であるのがより好ましい。酸素ガスと飽和炭化水素ガ
スは別々に反応装置に導入することもできるが、酸素ガ
スと飽和炭化水素ガスを混合ガスとして導入してもよ
い。上記混合ガスにヘリウム、窒素、アルゴン、水蒸気
等を希釈ガスとして添加する場合、希釈ガスの含有量は
全混合ガスの10〜90体積%であるのが好ましく、60〜80
体積%であるのがより好ましい。なお、水蒸気を添加す
る方法として、原料ガスを水中でバブリングする等の公
知の方法が挙げられる。
【0029】触媒と反応ガスの接触時間は飽和炭化水素
の種類によって異なるが、一般的には飽和炭化水素ガス
に対して28,000〜140,000 秒・g(触媒)/モル(飽和
炭化水素)であるのが好ましく、48,000〜100,000 秒・
g(触媒)/モル(飽和炭化水素)であるのがより好ま
しい。
【0030】上述した本発明の方法により、500 ℃以下
の反応温度でも飽和炭化水素を部分酸化することができ
る。
【0031】
【実施例】本発明を以下の具体的実施例によりさらに詳
細に説明する。実施例1 硝酸カルシウム水溶液及び酸化ルテニウム水溶液を3:
7のモル比(Ca:Ru)で混合後、攪拌しながら蒸発
乾燥させた。得られた混合物を600 ℃で5時間焼成し、
RuO2 /CaOからなる触媒を調製した。この触媒0.
5 gを流通式触媒反応装置に設置し、混合反応ガス(H
e:CH4 :O2 =35:10:5ml/min)を流し、300
℃、350℃、400℃、450℃及び500℃の各温
度でそれぞれ反応させた。反応生成物はガスクロトグラ
フを用いて測定し、メタンの転化率(メタンの転化量/
メタンの供給量)と、生成されるホルムアルデヒドの選
択率(ホルムアルデヒドの生成量/メタンの転化量)を
求めた。表1に各温度でのメタンの転化率及びホルムア
ルデヒドの選択率を示す。
【0032】実施例2 実施例1と同じ反応ガスを用いて約4torrに減圧した容
器で水のバブリングを行い、反応ガスに水蒸気を添加し
た。次いで、実施例1と同じ触媒及び反応条件で各温度
でのメタンの転化率及びホルムアルデヒトの選択率を求
めた。結果を表1に示す。
【0033】実施例3 塩化ルテニウム水溶液を蒸発乾燥した後、600 ℃で5時
間焼成し、RuO2 からなる触媒を調製した。この触媒
0.5 gを流通式触媒反応装置に設置し、実施例1と同様
に反応させて、メタンのホルムアルデヒドへの転化率と
ホルムアルデヒドの選択率を求めた。結果を表1に示
す。
【0034】実施例4 実施例3の触媒を用い、実施例2の水蒸気含有反応ガス
を用いて、メタンのホルムアルデヒドへの転化率及びホ
ルムアルデヒドの選択率を求めた。結果を表1に示す。
【0035】比較例1 シリカ粉末(比表面積350 m2 /g)をモリブデン酸ア
ンモニウム水溶液に添加して、十分に攪拌した後、蒸発
乾固を行い、600 ℃で5時間焼成し、シリカ粉末に10重
量%のモリブデン酸化物(MoO3 )を担持した触媒を
調製した。この触媒0.5 gを流通式触媒反応装置に設置
し、実施例1と同様に反応させて、メタンのホルムアル
デヒドへの転化率とホルムアルデヒドの選択率を求め
た。結果を表1に示す。
【0036】 表1 温度(℃) メタンの転化率(%) 200 250 300 350 400 450 500 実施例1 − − 0.015 0.22 0.95 4.90 21.0 実施例2 − − − 0.37 1.49 5.99 22.1 実施例3 0.1 0.9 18.6 − − − − 実施例4 − 0.6 26.4 − − − − 比較例1 0 0 0 0 0 1.6 16.8
【0037】 表1 (続き) 温度(℃) HCHOの選択率(%) 200 250 300 350 400 450 500 実施例1 − − 0 38.8 29.6 31.3 3.20 実施例2 − − − 33.2 26.7 14.4 5.14 実施例3 2.0 23.5 7.1 − − − − 実施例4 13.2 21.7 8.5 − − − − 比較例1 0 0 0 0 0 14.8 35.8
【0038】表1から分かるように、実施例1〜4で
は、500 ℃以下の反応温度で高いホルムアルデヒド選択
率を実現しているが、モリブデンを用いた比較例1で
は、ホルムアルデヒドがほとんど得られなかった。
【0039】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の部分酸化
用触媒及び方法を用いれば、従来 500℃以下で困難であ
った飽和炭化水素の部分酸化が高収率でできるようにな
った。これにより低温で飽和炭化水素をアルデヒド等の
含酸素有機化合物に部分酸化することが可能となった。
本発明の触媒及び方法は、各種の化学工業製品の製造に
応用することができる。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸化ルテニウムとアルカリ土類金属酸化
    物からなることを特徴とする飽和炭化水素の部分酸化用
    触媒。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の飽和炭化水素の部分酸
    化用触媒において、前記アルカリ土類金属酸化物はC
    a、Mg、Sr及びBaからなる群から選ばれた少なく
    とも一種の元素の酸化物であることを特徴とする飽和炭
    化水素の部分酸化用触媒。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2に記載の飽和炭化水素の
    部分酸化用触媒において、前記酸化ルテニウムと前記ア
    ルカリ土類金属酸化物のモル比は10:1〜1:10で
    あることを特徴とする飽和炭化水素の部分酸化用触媒。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載の飽和炭
    化水素の部分酸化用触媒において、前記酸化ルテニウム
    と前記アルカリ土類金属酸化物とは実質的に複合されて
    いない混合物であることを特徴とする飽和炭化水素の部
    分酸化用触媒。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載の飽和炭
    化水素の部分酸化用触媒において、前記飽和炭化水素は
    300 〜600 ℃で部分酸化されることを特徴とする飽和炭
    化水素の部分酸化用触媒。
  6. 【請求項6】 酸化ルテニウムからなることを特徴とす
    る飽和炭化水素の部分酸化用触媒。
  7. 【請求項7】 請求項6に記載の飽和炭化水素の部分酸
    化用触媒において、前記飽和炭化水素は200 〜300 ℃で
    部分酸化されることを特徴とする飽和炭化水素の部分酸
    化用触媒。
  8. 【請求項8】 酸化ルテニウムとアルカリ土類金属酸化
    物からなる飽和炭化水素の部分酸化用触媒を製造する方
    法であって、(1) ルテニウム化合物の水溶液とアルカリ
    土類金属化合物の水溶液とを混合し、(2) 水分を蒸発さ
    せた後、乾燥させ、(3) 500 〜800 ℃で焼成することを
    特徴とする製造方法。
  9. 【請求項9】 酸化ルテニウムからなる飽和炭化水素の
    部分酸化用触媒を製造する方法であって、ルテニウム化
    合物の水溶液を蒸発乾燥させた後、500 〜800 ℃で焼成
    することを特徴とする製造方法。
  10. 【請求項10】 請求項1〜5のいずれかに記載の触媒
    を用いて飽和炭化水素を部分酸化する方法であって、反
    応温度は300 〜600 ℃であることを特徴とする飽和炭化
    水素の部分酸化方法。
  11. 【請求項11】 請求項6又は7に記載の触媒を用いて
    飽和炭化水素を部分酸化する方法であって、反応温度は
    200 〜300 ℃であることを特徴とする飽和炭化水素の部
    分酸化方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022004778A1 (ja) * 2020-06-30 2022-01-06 国立研究開発法人科学技術振興機構 アルカンの部分酸化方法

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