JPWO2013183577A1 - メタノール製造用触媒とその製造方法、およびメタノールの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(A)亜鉛の銅に対するモル比が0.5〜0.7、
(B)珪素の銅に対するモル比が0.015〜0.05、
(C)XRDで測定した亜鉛由来のピークと銅由来のピークの最大強度の比が、0.25以下、および、
(D)XRDで測定した銅由来のピークの半値幅(2θ)が、0.75〜2.5である、炭素酸化物を原料とするメタノール製造用触媒である。
(E)ジルコニウムの含有率が0〜0.1モル%であることを特徴とする。
本発明のメタノール製造用触媒は、銅系の触媒であり、特に、二酸化炭素を主とする炭素酸化物と水素からのメタノール合成反応において触媒活性が良好で、しかも耐久性が顕著にすぐれている。勿論、合成ガスからのメタノール合成やその逆反応、メタノール改質反応、シフト反応またはその逆反応などにおいても、触媒活性が良好でしかも耐久性が顕著にすぐれた触媒である。また、言うまでもなく、本発明のメタノール製造用触媒の構成成分は前記の成分のみに限定されるものではなく、他の酸化物を含んでいても構わない。
(B)珪素の銅に対するモル比が0.015〜0.05であり、
(C)XRDで測定した亜鉛由来のピークと銅由来のピークの最大強度比が0.25以下であり、
(D)XRDで測定した銅由来のピークの半値幅(2θ)は、0.75〜2.5である。
〈触媒前駆体の製造〉
本発明のメタノール製造用触媒の製造方法は、前記の要件を満たす限り、公知の方法を制限無く用いることが出来る。より詳しくは、各種構成成分を高分散できる方法であることが好ましい。簡便な方法の例としては、溶液中で沈殿を発生させることにより得られる炭酸塩、あるいは水酸化物を主とする触媒前駆体を生成した後、この触媒前駆体を洗浄、焼成して酸化物を得る方法が一般に良く知られている。
(1)沈殿槽中に予め、A液を仕込んでおき、その中にB液を投入する方法、
(2)逆に沈殿槽中に予めB液を仕込んでおき、その中にA液を投入する方法や、
(3)沈殿槽中にA液とB液とを一括混合する方法、また、
(4)A液を2以上に分割し、まず金属化合物のうちの1成分または2以上の成分を含む水溶液からなるA液とB液とを混合して、沈殿を生成させ、ついでその沈澱物を含む液中に金属化合物のうちの残りの成分を含む水溶液からなるA液を加えて同様に沈澱させる沈澱法などがある。
前記熟成工程を経て得られる触媒前駆体は、適宜水で洗浄して、沈殿剤を除去する。特に、アルカリ金属塩を沈殿剤とした場合には触媒前駆体中にアルカリ金属が残存し易い傾向がある。前述の通り、触媒中のアルカリ金属の存在は、メタノール合成反応において、著しく活性を低下させる場合があるため、このアルカリ金属はできる限り除去することが望まれる。本発明においては、アルカリ金属の含有率は前述の通り、銅、亜鉛、アルミニウム、および珪素の全量100モル%に対して、0.2モル%以下とすることが好ましい。
ケーキ状の触媒前駆体は適宜乾燥後、通常、焼成して触媒とする。乾燥する場合、水分が抜けやすいよう、ケーキをほぐしてから乾燥するのが好ましい。乾燥条件としては特に限定されないが、80〜150℃の空気中で行う。
本発明のメタノール製造用触媒の結晶構造の解析は、以下の方法でXRD測定を測定し、結晶構造を解析した。
〔装置条件〕
X-ray:CuKα,40kV-40mA
ゴニオメータ:MultiFlexゴニオメータ(シャッターなし)
アタッチメント:標準試料ホルダー
カウンタモノクロメータ:固定モノクロメータ
カウンタ:シンチレーションカウンタ
発散スリット:1°
散乱スリット:1°
受光スリット:0.30mm(1)、0.15mm(2)から適宜選択される。
〔測定条件〕
走査モード:連続
サンプリング幅:0.020°(1)、0.010°(2)から適宜選択される。
スキャンスピード:0.5°/ min
測定範囲:10°≦2θ≦80°(1)、25°≦2θ≦45°(2)から適宜選択される。
本発明においては、上記の条件で測定した結果を基に、亜鉛由来のピークと銅由来のピークとの強度比、銅由来のピークの半値幅を決定する。
本発明のメタノール製造用触媒は、銅、亜鉛、アルミニウム、および珪素が、酸化銅、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、および、酸化珪素の状態で通常存在しており、その均一性が高く、銅と亜鉛とが高分散化されていることが、前記XRD測定結果などから示唆される。このため本発明のメタノール製造用触媒は、高活性で、しかもその活性が長期にわたって維持される耐久性のすぐれた触媒となるのであろう。
本発明のメタノール製造用触媒はその目的に応じた反応に用いられ、特に水素と炭素酸化物(CO2単独あるいはCO2とCOとの混合ガス)からメタノールを合成する反応、またはその逆反応のための触媒として有用である。
〔実施例1〕
硝酸銅三水和物5.15kg(21.3mol)、硝酸亜鉛六水和物3.72kg(12.5mol)、硝酸アルミニウム九水和物1.25kg(3.3mol)、およびコロイダルシリカ(日産化学工業株式会社製「スノーテックスST−O」無水ケイ酸(SiO2)含有量が20〜21重量%)0.24kg(0.8mol)を蒸留水11kgに溶解して、21.7kgの水溶液を調製し、A液とした。この原料仕込みにより、Zn/Cu=0.59(mol比)、Si/Cu=0.038(mol比)となり、銅、亜鉛、アルミニウム、珪素の合計を100モル%とすると、銅の含有率は56.2mol%となる。
実施例1の条件において、コロイダルシリカ(日産化学工業株式会社製「スノーテックスST−O」無水ケイ酸(SiO2)含有量が20〜21重量%)を0.12kgに変更した以外は、同様の触媒調製操作を行い、メタノール製造用触媒(触媒2)を得た。この原料仕込みにより、Zn/Cu=0.59(mol比)、Si/Cu=0.019(mol比)となり、銅、亜鉛、アルミニウム、珪素の合計を100モル%とすると、銅の含有率は56.8mol%となる。得られた触媒2の比表面積は、94m2/gであった。
実施例2において、焼成温度を450℃とする以外は同様にして、メタノール製造用触媒(触媒3)を得た。得られた触媒3の比表面積は、68m2/gであった。
実施例1の条件において、コロイダルシリカ(日産化学工業株式会社製「スノーテックスST−O」無水ケイ酸(SiO2)含有量が20〜21重量%)を添加しない以外は、同様の触媒調製操作を行い、メタノール製造用触媒(触媒4)を得た。この原料仕込みにより、Zn/Cu=0.59(mol比)、Si/Cu=0.00(mol比)となり、銅、亜鉛、アルミニウム、珪素の合計を100モル%とすると、銅の含有率は57.4mol%となる。得られた触媒4の比表面積は89m2/gであった。
実施例1の条件において、コロイダルシリカ(日産化学工業株式会社製「スノーテックスST−O」無水ケイ酸(SiO2)含有量が20〜21重量%)を0.36kgに変更する以外は、同様の触媒調製操作を行い、メタノール製造用触媒(触媒5)を得た。この原料仕込みにより、Zn/Cu=0.59(mol比)、Si/Cu=0.056(mol比)となり、銅、亜鉛、アルミニウム、珪素の合計を100モル%とすると、銅の含有率は55.6mol%となる。得られた触媒5の比表面積は86m2/gであった。
硝酸銅三水和物5.6kg、硝酸亜鉛六水和物4.1kg、硝酸アルミニウム九水和物1.4kg、オキシ硝酸ジルコニウム二水和物2.0kgおよびコロイダルシリカ(日産化学工業株式会社製「スノーテックスST−O」無水ケイ酸(SiO2)含有量が20〜21重量%)0.1kgを蒸留水に溶解して、56Lの水溶液を調製し、A液とした。この原料仕込みにより、Zn/Cu=0.59(mol比)、Si/Cu=0.014(mol比)となり、銅、亜鉛、アルミニウム、珪素の合計を100モル%とすると、銅の含有率は56.5mol%となる。
実施例2において、焼成温度を600℃とする以外は同様にして、メタノール製造用触媒(触媒7)を得た。得られた触媒7の比表面積は、41m2/gであった。
比較例3において、焼成温度を400℃とする以外は同様にして、メタノール製造用触媒(触媒8)を得た。得られた触媒8の比表面積は、136m2/gであった。
〔実施例4〕
〔メタノールの製造(反応活性評価)〕
実施例1,2で得た触媒1,触媒2、比較例1〜3で得た触媒4〜6をそれぞれ用い、メタノールの製造を以下の方法で行った。
珪素を含有しない触媒4、および、銅含有量に対しての珪素含有量が過剰な触媒5では、短時間で活性が低下し、耐久性に劣ることがわかった。また、高温で焼成を行って製造し、XRDで測定した亜鉛由来のピークと銅由来のピークの最大強度の比(ZnO/CuO)が大きいものである触媒6では、100時間以上運転後の活性が不十分であることがわかった。
Claims (7)
- 銅、亜鉛、アルミニウム、および珪素を含み、
(A)亜鉛の銅に対するモル比が0.5〜0.7、
(B)珪素の銅に対するモル比が0.015〜0.05、
(C)XRDで測定した亜鉛由来のピークと銅由来のピークの最大強度の比が、0.25以下、および、
(D)XRDで測定した銅由来のピークの半値幅(2θ)が0.75〜2.5である
ことを特徴とする炭素酸化物を原料とするメタノール製造用触媒。 - (E)ジルコニウムの含有率が0〜0.1モル%であることを特徴とする請求項1に記載のメタノール製造用触媒。
- 銅の含有率が45〜65モル%(但し、銅、亜鉛、アルミニウム、および珪素の合計を100モル%とする。)であることを特徴とする請求項1に記載のメタノール製造用触媒。
- アルカリ金属の含有率が0〜0.2モル%であることを特徴とする請求項1に記載のメタノール製造用触媒。
- 300℃〜450℃で焼成する工程を経て得られることを特徴とする請求項1に記載のメタノール製造用触媒。
- 銅、亜鉛、アルミニウム、および珪素を含み
(A)亜鉛の銅に対するモル比が0.5〜0.7であり、
(B)珪素の銅に対するモル比が0.015〜0.05であるメタノール製造用触媒を、300℃〜450℃で焼成する工程を含んでなるメタノール製造用触媒を製造する方法。 - 請求項1に記載のメタノール製造用触媒と炭素酸化物と水素との存在下、メタノールを製造する方法。
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