JPH1190223A - 水素化触媒 - Google Patents

水素化触媒

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 触媒活性および選択性の高いパラジウムを担
持した水素化触媒およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 50重量%未満のパラジウムが深さ50
ミクロンまでの表層中に含まれ、残りが深さ50から4
00ミクロンの表層中に含まれる活性炭に担持された金
属パラジウムからなる水素化触媒。また、活性炭の細孔
容積に等しいか、または少ない量のパラジウム化合物の
水溶液を活性炭に乾式含浸させ、洗浄し乾燥して得る。
該触媒は特にp−キシレンの酸化により得られたテレフ
タル酸を精製するのに使用される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、活性炭に担持され
たパラジウム(Pd)からなる水素化触媒、その製造
法、および水素添加反応におけるそれらの使用に関す
る。特に、4−カルボキシベンズアルデヒド(4−CB
A)を含む不純物からテレフタル酸を精製する際の触媒
使用に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】活性炭
に担持されたパラジウムからなる水素化触媒が文献で既
に知られている。それらは活性炭にパラジウム化合物を
吸着し、吸着された化合物をパラジウム金属へ還元する
ことにより製造される。
【0003】米国特許第3,138,560 号によれば、パラジ
ウムがテトラクロロパラジウム酸ナトリウムまたはパラ
ジウムクロライドの溶液から吸着されると、大部分のパ
ラジウムはすぐに還元されパラジウム金属の薄フィルム
の形で表面に析出することが知られている。生じた触媒
はほとんど活性ではない。活性炭の表面上に存在するア
ルデヒド基のような官能基に起因し、パラジウムはパラ
ジウム金属へ還元される。この還元を防ぐために、過酸
化水素のような酸化剤を含んだパラジウム化合物の溶液
が使用される。
【0004】活性炭の表面上に比較的小さいサイズ( 可
能なら35Åより小さい)のパラジウム微結晶(crystal
lites)を吸着することができるように、パラジウム化合
物の有機溶媒溶液が使用されている( 米国特許第4,476,
242 号)。この場合、全パラジウムは厚さ70−80ミ
クロン未満の層中に濃縮される。パラジウムがテトラニ
トロパラジウム酸ナトリウムの水溶液から吸着される
と、上述の結果と類似の結果が得られる( 米国特許第4,
421,676 号)。
【0005】従来法によれば触媒は、微粉を除去するた
めに活性炭を水で洗浄し;処理された活性炭を水中に拡
散させ、任意に塩基性度を調整し、パラジウム塩の水溶
液をそれに滴下することにより製造される。
【0006】p−キシレンの酸化により得られたテレフ
タル酸中に含まれる不純物は、本質的にパラトルエン酸
と4−CBAからなる。パラトルエン酸はそれが含まれ
ているテレフタル酸溶液を冷却し結晶化することにより
除去されるが、4−CBAを除去するには4−CBAが
還元されて、結晶化により除去可能な化合物へと転換さ
れることを必要とする。
【0007】その転換は、活性炭担体上のパラジウム触
媒上での水素添加により行なわれる。その触媒は4−C
BAの濃度をテレフタル酸使用者が許容しうるレベルに
まで減らし、その4−CBAを結晶化により除去可能な
化合物へ転換させるために、高活性で高選択性でなけれ
ばならない。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、50重
量%未満のパラジウムが深さ50ミクロンまでの表層中
に含まれ、残りが深さ50から400ミクロンの表層中
に位置する、活性炭に担持されたパラジウム金属からな
る水素化触媒が提供される。
【0009】
【発明の実施の形態】パラジウム化合物が活性炭に乾式
含浸され、パラジウム化合物が好ましくは活性炭の細孔
の容積に等しいかまたは少ない使用量の濃縮水溶液から
吸着されると、活性炭に担持されたパラジウムからなる
触媒の活性および選択性がかなり向上することが意外に
も見出された。
【0010】担体は、パラジウム化合物溶液を活性炭に
噴霧することにより含浸されるのが好ましく、活性炭細
孔の容積(細孔の容積は、担持するために使用されてい
る活性炭の重量に活性炭の多孔度を乗じることにより決
定される)の1/2から1/5の量の溶液を使用するこ
とが好ましい。
【0011】本法に従い操作すると、50%未満のパラ
ジウム金属が深さ50ミクロンまでの表層中に含まれ
る;残りが深さ50から400ミクロンの表層中に含ま
れる。パラジウムの分布は、X線電子マイクロプローブ
分析(EMPA)により決定される。
【0012】使用可能なパラジウム化合物には様々な種
類がある。例としては、クロロパラジウム酸のハライ
ド、ジアセテート、ニトラート、アルカリ金属塩、アミ
ンとパラジウムのコンプレックス、およびテトラニトロ
パラジウム酸ナトリウム(Na 2 Pd(NO2 4 )の
ような塩が挙げられる。テトラクロロパラジウム酸ナト
リウムのような水に非常に可溶性な化合物を使用するの
が好ましい。この場合、パラジウム塩は1−10重量%
の濃度で使用される。他の場合、パラジウム化合物の濃
度は、室温で測定した飽和濃度の50−100%が好ま
しい。
【0013】パラジウム化合物の溶液は、公知の種類の
装置を使用して、担体100g毎に0.1−1ml溶液
の割合で噴霧される。噴霧は室温で行なわれるのが好ま
しい。温度が上昇すると、乾燥速度が上昇し、おそらく
非常に微細な分散相を形成する;しかし、パラジウムの
自然還元速度も上昇し、おそらく担体の表面上に好まし
くないパラジウム金属の薄層を形成する。
【0014】パラジウム化合物溶液で含浸された担体
は、担体中でパラジウムがすでに部分的にパラジウム金
属の状態であり、パラジウム還元を完結するために、噴
霧後担体はパラジウムを金属パラジウムに還元するのに
使用される公知の還元剤で処理される。
【0015】ホルムアルデヒド、次亜リン酸ナトリウ
ム、グルコース等のような化合物を使用することができ
る。また、還元が室温またはそれよりわずかに高温で行
なわれる場合(高温で使用すると、微結晶の大きさが不
適当に増大する)、水素を使用することができる。細孔
の容積より少ない容量の溶液を使用し、8−10%濃度
の次亜リン酸塩の溶液を使用するのが非常に好都合であ
る。触媒はその後、溶液から抜き取り、洗浄して乾燥す
る。
【0016】触媒調製に使用する活性炭は、動物由来ま
たは植物由来でもよい。ヤシガラ炭が好ましい。活性炭
の表面積は600m2 /g(BET)より大なるものが
好ましく、1000m2 /g以上に達してもよく;多孔
度(BET)は0.3から0.9m3 /gである。活性
炭は粒度が一般に2から15メッシュの粒状型で使用さ
れるのが好ましい;しかし、薄片状、粒状または他の粒
状型の活性炭を使用することも可能である。
【0017】微細な活性炭の部分( 微粉)は乾燥空気流
および/または篩い分けにより除去される。
【0018】活性炭は、パラジウム化合物の溶液を噴霧
する前に例えば1−5重量%の濃塩酸を含んでいる酸性
水溶液で前処理されるのが好ましい。その溶液は活性炭
上に、細孔容積に等しいかまたは少ない量が噴霧され
る。酸溶液での処理は触媒の活性を向上させる。
【0019】活性炭に固定されたパラジウムの量は一般
に0.1から5重量%である;テレフタル酸を精製する
触媒の場合には、0.2から0.6重量%が好ましく;
0.3から0.5重量%がより好ましい。パラジウムに
加えてロジウムや銅のような他の金属も存在してもよ
い。発明の触媒を使用する粗テレフタル酸の精製は、そ
の酸の水中懸濁液を加熱し、約100℃から300℃の
温度で処理され、約15から100バールの水素圧を使
用することにより行なわれる。
【0020】触媒はまた、飲料水から硝酸塩および/ま
たは亜硝酸塩イオンおよび有機クロライド( 例えばトリ
クロロエチレン)を除去するために使用される。この場
合、パラジウムに加えて触媒は、パラジウム/銅の比が
2/1から20/1で銅も含んでいることが好ましい。
硝酸塩の場合、その工程は室温で水と水素気流を触媒の
固定床を通して流れさせて行なわれ、クロライドの場
合、工程は15℃から150℃で行なわれる。
【0021】本発明の方法により得られたパラジウム触
媒は、50%未満のパラジウムが深さ50ミクロン以内
の表層中に含まれ、残りが深さ50から400ミクロン
の表層中に分布しているような、活性炭顆粒表面上のパ
ラジウム金属微結晶の分布が特徴である。
【0022】パラジウム微結晶の表面積は、パラジウム
金属に関して150m2 /gパラジウムより大きく、3
00m2 /g以上まで大きくてもよい;触媒に関して
は、表面積は0.8m2 /gより大きく、1.5−2m
2 /gに達してもよい。
【0023】パラジウムに関する表面積は一酸化炭素
(CO)の化学吸着データから得られ;触媒に関する表
面積はBET試験により得られる。
【0024】微結晶の縦のサイズの平均値は一般に10
0Å未満で:ある場合(特に噴霧により得られた触媒の
場合)には50Å未満で、またはさらに35Åより小さ
い値まで減少可能である(35Åは微結晶の寸法をX線
測定により決定できない下限値である)。微結晶の平均
サイズはX線回折データにより決定される。35Å未満
の平均サイズの微結晶の割合は、触媒上のパラジウムの
濃度( 化学的方法により決定される)と35Åより大き
いサイズの微結晶の割合から由来する濃度との相違を計
算することにより決定される。
【0025】本発明の触媒はさらに、触媒に関し0.2
ml CO/g触媒より大きく、0.5ml CO/g
触媒に達しうるCOの化学吸着値に特徴がある;パラジ
ウムに関し化学吸着値は50ml CO/gPdより大
きく、100ml CO/gPdに達しうる。
【0026】CO化学吸着は、サンプルに既知容量のC
Oを供給することにより測定される。これら供給はサン
プルがCOで飽和し、もはや化学吸着せず、供給した容
量に対応するCOの一定容量を放出するまで行なわれ
る。
【0027】測定は室温で行なわれる:約6gの乾燥触
媒を、入り口弁および出口弁を備えたU字型サンプル容
器内に導入する。分析の前に、サンプル乾燥中に酸化さ
れるパラジウムを還元するため、及びCOをCO2 へ変
換させる微量の酸素を除去するために、サンプルは室温
にて水素で処理する。
【0028】サンプルは次いで微量の水素を除去するた
めにヘリウムでフラッシュする。 COの既知の容積(既知の容積にセットされたループで
測定)はその後不活性ガスの気流中へ供給する:吸着さ
れた容量は熱伝導性セルで測定される。 化学吸着に関係したクロマトグラムは、様々なピークを
有する:各ピークはサンプルへのCOの供給に関係があ
る。
【0029】触媒活性(標準4−CBA水素添加試験に
従い測定し、反応時間の分の関数として4−CBAの濃
度の対数をプロットすることにより得られた線の勾配と
して表現した)は0.05より大きく0.08に達する
ことがありうる。勾配対パラジウムのグラム重量の比で
表現される活性は、10より大きく20に達することが
ありうる。45分の反応後の4−CBAの転化率は90
%より大きく、99%に達することがありうる。
【0030】水素転化反応は、羽根付き攪拌機と金網触
媒ホルダーを備えた2リットルのオートクレーブ中で行
なわれる。反応条件に達したとき(200℃)のみホル
ダーは自動弁により、反応溶液中に沈められる。オート
クレーブは一定の間隔でサンプルをそこから取り出す上
昇管を有している。500ppmの4−CBAを含んで
いる1.5リットルの水溶液をオートクレーブ中に導入
し、0.750gの触媒を高い位置にある触媒ホルダー
中に供給する。オートクレーブを閉じ、最初に全ての微
量酸素を除去するためにアルゴンでついで窒素で洗浄す
る。攪拌および加熱を始める前に、18バールの水素を
その後供給する。
【0031】いったん作用温度(200℃)に達したら
ホルダーを溶液中に沈める前に、時間0のサンプルをな
すサンプルを取り出す。連続してサンプルをその時々に
取り出す(5、10、15、20、30、45、60お
よび90分)。全てのサンプルは、残っている4−CB
Aと生成したヒドロキシメチル安息香酸とパラトルエン
酸の含量を決定するためにHPLCで分析する。
【0032】高い活性を有すことに加えて、本発明の触
媒はまた、4−CBAをパラトルエン酸とヒドロキシメ
チル安息香酸へ還元する際にかなりの選択性を有するこ
とに特徴がある( 例として、上述の試験に従い45分間
操作行後に200から300ppmの上述の酸が生成す
る)。例えば米国特許第4,476,242 号により得られた公
知の触媒を使用し、上述の試験に従い操作すると、4−
CBA濃度の対数を時間の分の関数としてプロットした
線について0.04未満の勾配が得られる。パラトルエ
ン酸とp−ヒドロキシメチル安息香酸の濃度は100p
pmより低い。
【0033】以下の実施例は本発明を説明するものであ
るが、それに限定されない。
【実施例】
実施例1 1100m2 /gの表面積(BET)で、0.68cm
3 /gの多孔度(BET)で、粒度が4から8メッシュ
で、微粉を適度な篩い分けおよび窒素で流して除去した
500gの薄片状のヤシガラ炭を、ジャーを回転(24
rpm)させる電動変速機を備えたジャーの中へ入れ
た。7.1gのテトラクロロパラジウム酸ナトリウム
(Na2 PdCl4 )を含み塩酸でpHを0から1にし
た水溶液40mlと、35重量%に等しい量の過酸化水
素(H2 2 )6mlを加えたものを、20分にわたっ
て連続して回転している炭上に噴霧した。
【0034】ジャーが回転していると同時に、含浸は室
温で行なった。噴霧工程の終わりに、最初の外観を保っ
ている活性炭を、25gの次亜リン酸ナトリウム(Na
2 PO2 ・H2 O)を含む水溶液300mlで処理し
た。
【0035】触媒は水気をきり、洗浄し120℃で乾燥
した。パラジウム含量は0.413重量%であった。触
媒の他の特徴と、上述の標準法による4−CBAの還元
活性は表に示した。
【0036】実施例2 活性炭の含浸をジャー中で300mlのテトラクロロパ
ラジウム酸ナトリウム溶液を加えることにより行なった
以外、実施例1の製法を繰り返した。完成したパラジウ
ムの含量は0.464重量%であった。触媒の特徴とそ
の活性は表に示した。
【0037】比較実施例1 微粉を除去するために活性炭を水で流してパラジウム塩
の溶液600mlで含浸する以外は、実施例2の試験を
繰り返した。添加の5分後、溶液は無色になり担体は金
属的な外観を有した。還元は、25gの次亜リン酸ナト
リウムを含む水溶液50mlを添加することにより行な
った。処理の終了した触媒中のパラジウムの含量は、
0.474重量%であった。触媒の他の特徴と標準試験
によるその活性は表に示した。
【0038】実施例3 実施例1を繰り返した。唯一の違いは実施例1のように
微粉を除いた活性炭を、パラジウム塩溶液で含浸する前
に塩酸水溶液で前処理したことである。塩酸溶液での前
処理は含浸と同じ方法で行なった。すなわち塩酸溶液
(3.5重量%の塩化水素を含有する100ml)を、
連続的に回転しているジャー中に収容されている炭上に
噴霧した。触媒の特徴は表に示した。
【0039】X線電子マイクロプローブ分析を触媒の顆
粒の断面に行なった。この方法(EMPA)は、電子衝
撃に付したサンプル中の元素に特有な一次X線放射を検
出することに在る。EDX(またはEDS、エネルギー
分散スペクトロメーター)法を使用し、敏速に試験され
るサンプルを構成する元素を評価し、組成図を得ること
ができる。しかしこの系の分解能は、問題となっている
元素の濃度に関し信頼できる情報を得るにはあまりに低
い(150eV)。
【0040】定量的な情報を得るためには、WDX(ま
たはWDS、波長分散スペクトロメーター)を使用する
ことにより得られる、より高い分解能を得る必要があ
る。この場合、確かにより高い分解能(10eV)が得
られ、断面の表面上の光線の位置の関数としてパラジウ
ムの割合をプロットする定量的チャートがこの系で得ら
れる。この場合、検査した面積の軸に沿って非常に定量
的な分析が、コンピューターの助けを借りてそれぞれデ
ータを獲得した後、電子ビームの座標をシフトすること
により逐一得られる。顆粒の厚さ全体を含む線に沿った
パラジウムのLアルファ放射の分布により、パラジウム
が約350ミクロンの深さの層に含まれ、50%未満の
パラジウムが50ミクロンの深さの層に含まれることが
示される。
【0041】実施例4と5 実施例3を繰り返した。唯一の違いは実施例4で7重量
%の塩化水素の溶液100mlを噴霧し、実施例5で
1.75重量%の塩化水素の溶液200mlを噴霧した
ことである。触媒の特徴は表に示した。
【0042】比較実施例2 米国特許第4,476,241 号の実施例Cに従い触媒を製造し
た。実施例1で使用したフラスコ中の活性炭12gを微
粉を除くためメタノールで洗浄した。メタノールをデカ
ントし、活性炭を300mlの三つ口フラスコに移し4
0mlのメタノールに懸濁させた。分散系を攪拌機の羽
根を液体の上層中に沈めることにより(固体に接触する
ことなく)攪拌した。5℃に冷却し、0.072gの硝
酸パラジウム(Pd(NO3 2 )のメタノール50m
lの溶液を滴下して加えた。攪拌を21時間続けた。次
いで水を加え、触媒を洗浄し60℃で乾燥した。触媒上
のパラジウム含有量は0.17重量%であった。触媒は
金属的な外観を有していた(パラジウムの分散が少ない
ことを示している)。触媒の特徴は表に示した。実施例
3で記載した電子マイクロプローブ分析によれば、全て
のパラジウムは60から70ミクロンの深さの層内に含
まれていた。
【0043】
【表1】
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI B01J 37/02 101 B01J 37/02 101A C01B 31/08 C01B 31/08 Z C02F 1/58 C02F 1/58 P C07C 51/487 C07C 51/487 63/26 63/26 L // C07B 61/00 300 C07B 61/00 300 (71)出願人 598053282 Via Cornaggia,10 20123 MILANO ITALY (72)発明者 ルイージ カバリ イタリア、ノバラ 28100、ビア ポエリ オ、47 (72)発明者 カルロ ルビーニ イタリア、コモ、サン フェルモ デラ バッタグリア 22020、ビア デ クリス トフォーリス、21

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 50重量%未満のパラジウムが深さ50
    ミクロンまでの表層中に含まれ、残りが深さ50から4
    00ミクロンの表層中に位置する、活性炭に担持された
    パラジウム金属からなる水素化触媒。
  2. 【請求項2】 0.2ml CO/g触媒より大なる量
    の一酸化炭素を化学吸着できる請求項1の触媒。
  3. 【請求項3】 一酸化炭素の化学吸着量が、活性炭素上
    に固定された50ml CO/gパラジウムより大きい
    請求項1および2の触媒。
  4. 【請求項4】 パラジウム含有量が0.1から5重量%
    である請求項1の触媒。
  5. 【請求項5】 パラジウム含有量が0.2から0.6重
    量%である請求項2および3の触媒。
  6. 【請求項6】 パラジウムが150から300m2 /g
    の表面積を有する請求項2および3の触媒。
  7. 【請求項7】 パラジウムに加え、ロジウムおよび銅か
    ら選ばれる金属を含む請求項1の触媒。
  8. 【請求項8】 パラジウム微結晶の平均サイズが100
    Å未満である請求項2および3の触媒。
  9. 【請求項9】 パラジウム微結晶の平均サイズが50Å
    未満である請求項2および3の触媒。
  10. 【請求項10】 活性炭が植物由来で600m2 /gよ
    り大なる表面積を有する先の請求項の触媒。
  11. 【請求項11】 パラジウム化合物の水溶液が、活性炭
    の細孔容積に等しいかまたは少ない量の溶液を使用して
    活性炭に乾式含浸される先の請求項の触媒の製造方法。
  12. 【請求項12】 含浸が噴霧することによりなされる請
    求項11の方法。
  13. 【請求項13】 含浸が室温での飽和濃度の50−10
    0%の濃度のパラジウム化合物の溶液からなされる請求
    項11および12の方法。
  14. 【請求項14】 活性炭が、活性炭の細孔容積に等しい
    かまたは少ない量の溶液を使用し、pH0から1の酸性
    溶液で前処理された請求項11から13の方法。
  15. 【請求項15】 p−キシレンを酸化することにより得
    られる、4−カルボキシベンズアルデヒドを不純物とし
    て含む粗テレフタル酸の精製における請求項1から10
    の触媒の使用。
  16. 【請求項16】 硝酸塩および/または亜硝酸塩イオン
    を含む水の精製における請求項1から10の触媒の使
    用。
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