TWI751410B - 貴金屬觸媒塊及其製造方法與煅燒方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種用於煅燒貴金屬觸媒塊之方法,其中該等貴金屬觸媒塊包含貴金屬觸媒,視情況包含水,及亦視情況包含黏合劑。
Description
本發明係關於貴金屬觸媒塊,特別是活性碳負載型貴金屬觸媒塊,及其製造與煅燒方法。本發明特別關於活性炭負載型貴金屬觸媒塊及其製造與煅燒方法,且本發明甚至更特別關於廢活性碳負載型貴金屬觸媒塊及其製造與煅燒方法。
貴金屬觸媒廣泛用於化學、石油精煉及汽車領域中。然而,在使用一段時間之後,此類觸媒可能會失活,例如由於碳沈積、氧化或其他原因。在最近幾次再生循環之後,廢(耗盡的)貴金屬觸媒無法再次使用。此等廢貴金屬觸媒包含大量貴金屬且已變為具有極高回收價值之二次資源。自廢貴金屬觸媒回收貴金屬之現有方法主要包含燒製回收方法及濕式回收方法。該燒製回收方法,亦即廢貴金屬觸媒之煅燒,需要消耗大量能量。廢貴金屬觸媒之煅燒熟知為藉由基本上燃燒掉貴金屬觸媒之可燃載體(support) (載體(carrier)) (諸如活性碳)來進行貴金屬富集的燒製回收方法之關鍵步驟。例如,國際專利公開案第WO 2007/036334號揭示貴金屬觸媒之此類煅燒。
在本發明中,區別在於可燃活性碳負載型貴金屬觸媒與最低可燃活性碳負載型貴金屬觸媒。
可燃活性碳負載型貴金屬觸媒具有活性碳載體,其所具有之煅燒行為的特徵在於在25至≤28分鐘之後重量損失為50%,其中重量損失係藉由熱解重量分析(thermogravimetric analysis,TGA),以200℃之起始溫度及以20℃/分鐘之加熱速率,在空氣氛圍中對相應的活性碳小(約8至16 mg)粉末樣品進行測定。在起始溫度為200℃下測定約8至16 mg之100%起始重量。來自木材或泥炭之活性碳為具有此類煅燒行為之活性碳之實例。實例包括市售活性碳類型,諸如由Alpharetta, Georgia之Cabot Corporation製造的Norit® SX Plus及由Moon Township, Pennsylvania之Calgon Carbon Corporation製造的Acticarbone® 3S及Acticarbone® CXV。
另一方面,最低可燃活性碳負載型貴金屬觸媒具有活性碳載體,其具有不良煅燒行為,其特徵在於在>28分鐘之後,例如>28至35分鐘,重量損失為50%,其中重量損失係藉由如上一段中所揭示之相同的TGA量測方法且在相同的條件下測定。在50%的重量損失耗費超過35分鐘之情況下,溫度保持在800℃且不升高超過800℃。來自椰子殼之活性碳為具有不良煅燒行為(如上文所定義)之此類活性碳類型之實例。實例包括市售活性碳類型,諸如Desorex® C33 spezial及Carbopal® CCP 90 FF spezial,均由Frankfurt, Germany之Donau Carbon GmbH製造
在先前技術中,在室形爐內簡單地燃燒掉活性碳負載型貴金屬觸媒粉末之傳統方法可能耗費過多時間且可能無效,亦即活性碳之移除可能不當不充分。此增加了處理時間、能量消耗並因此增加了成本。鑒於此等缺點,強烈需要一種用於煅燒(廢)貴金屬觸媒,特別是用於煅燒(廢)活性碳負載型貴金屬觸媒,且甚至更特別是用於煅燒(廢)最低可燃活性碳負載型貴金屬觸媒的改良方法。此類改良方法將因高燃燒效率(煅燒之後的高損耗)及低灰分LOI率(灰分煅燒損失率,參見以下定義)而顯得突出。為防止誤解,術語「損失」係指質量損失或重量損失。
已發現,前述需求可藉由一種用於煅燒貴金屬觸媒塊,特別是活性碳負載型貴金屬觸媒塊之方法來滿足,其中貴金屬觸媒塊包含貴金屬觸媒,特別是活性碳負載型貴金屬觸媒,視情況包含水,及亦視情況包含黏合劑。在本文中,技術人員將把「貴金屬觸媒塊」理解為貴金屬觸媒塊,特別是廢貴金屬觸媒塊。
定義
為方便起見,在進一步描述本發明之前,在此處收集本說明書及實例中所採用之某些術語。此等定義應根據本發明之其餘部分來瞭解且如熟習此項技術者所理解。本文所使用之術語具有熟習此項技術者所認可及已知之含義,然而,為了方便及完整性,下文闡述特定術語及其含義。
冠詞「一(a/an)」及「該」可指該冠詞之一個或超過一個(亦即至少一個)語法對象。
術語「及/或」包括含義「及」、「或」,以及與此術語相連之要素之所有其他可能組合。
貫穿整個說明書,包括申請專利範圍,除非另外規定,否則術語「包含一個」應理解為與術語「包含至少一個」同義。除非另外規定,否則「在……之間」應理解為包括極限值。
應注意,在指定任何濃度範圍時,任何特定上限濃度可與任何特定下限濃度相關聯。
在本說明書之延續部分中規定,除非另外指明,否則極限值包括於所給出之值之範圍中。
術語「觸媒」或「負載型觸媒」在工業中通常可互換使用,係指包含惰性載體及催化活性材料兩者之觸媒組合物。
如本文所用之術語「貴金屬觸媒」應意謂包含至少部分可燃的載體之非均相觸媒,該載體配備有至少一種貴金屬,或更精確地,配備有至少一種催化活性貴金屬。換言之,非均相觸媒包含至少一種負載於至少部分可燃載體上之貴金屬。一或多種貴金屬可以元素形式及/或以一或多種貴金屬化合物(諸如,貴金屬氧化物)形式存在於至少部分可燃的載體之內表面及/或外表面上。此類負載型貴金屬觸媒之總貴金屬含量可處於例如0.1至5 wt.%(重量%),特別是0.1至1 wt.%之範圍內。
如在整個本發明及申請專利範圍中所用之術語「活性碳負載型貴金屬觸媒」應意謂包含活性碳載體(activated carbon-support) (活性碳載體(activated carbon-carrier),一種由活性碳構成之載體(support)或載體(carrier))的非均相觸媒,該活性碳載體配備有一或多種貴金屬,或更精確而言,催化活性型貴金屬。活性碳載體包含活性碳或由活性碳組成。活性碳可為可燃型或最低可燃型。活性碳可來源於各種有機材料,例如來自煤、木材、泥炭、果殼、胡桃殼、杏殼、棗殼、椰子殼及其類似物之活性碳。此等碳質材料可藉由在活化爐中在高溫下熱解而轉化成活性碳。一或多種貴金屬可以元素形式及/或以一或多種貴金屬化合物(諸如貴金屬氧化物)形式存在於活性碳之內表面及/或外表面上。此類活性碳負載型貴金屬觸媒之總貴金屬含量可處於例如0.1至5 wt.%,特別是0.1至1 wt.%之範圍內。此類活性碳負載型貴金屬觸媒為熟習此項技術者熟知的。其用於各種工業化學製程,特別是工業氫化製程中。
如本發明通篇及申請專利範圍中所用之術語「貴金屬」應意謂一或多種選自由銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、銠(Rh)、銥(Ir)、釕(Ru)、鋨(Os)及錸(Re)組成之群,且特別是選自由金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、鉑(Pt)及銠(Rh)組成之群的金屬。
如本發明通篇及申請專利範圍中所用之術語「煅燒損失(LOI)率」由GB 18484-2001標準定義,其係指在800℃ (±25℃)下燃燒3小時後的原始煅燒殘餘物之質量損失佔原始煅燒殘餘物質量的百分比(=灰分之質量損失百分比)。LOI率之計算方法如下:
P=(A-B)/A*100% 式(I)
其中P為煅燒損失率;A為在室溫下乾燥之後原始煅燒殘餘物之質量;B為在800℃ (±25℃)下煅燒3小時且冷卻至室溫之後煅燒殘餘物之質量。
本發明之實施方式
本發明之一目標為克服目前先進技術中存在的一或多個缺點。
本發明之第一目標為提供一種用於煅燒貴金屬觸媒塊之方法,特別是一種用於煅燒活性碳負載型貴金屬觸媒塊之方法,且甚至更特別是一種用於煅燒廢活性碳負載型貴金屬觸媒塊之方法。
根據本發明之方法,貴金屬觸媒塊之形狀及尺寸可變化。例如,貴金屬觸媒塊可呈蜂巢、圓柱體、圓錐體、球體、半球體、長球體、角錐體、卵形及圓環形形式,較佳呈蜂巢、圓柱體、球體及半球體形式,更佳呈蜂巢、圓柱體及球體形式。個別貴金屬觸媒塊之重量可處於100 g至1000 g範圍內,較佳處於200 g至500 g範圍內,例如250 g。
根據本發明之方法,煅燒方法可在煅燒爐中進行。
根據本發明之方法,煅燒方法可在氧化氣體之供應下進行,該氧化氣體可處於每500 kg貴金屬觸媒塊1000-2000 NM3/小時(標準立方公尺/小時)之範圍內。氧化氣體可為空氣或氧含量高達30 vol.%之富氧空氣。
根據本發明之方法,煅燒方法可在600℃至1200℃範圍內,較佳650℃至900℃範圍內之煅燒溫度下進行。煅燒方法所耗費的時間可在2小時至8小時範圍內,較佳在3小時至6小時範圍內。煅燒方法可在一個步驟中進行或以多步驟方法進行,特別是以兩步法進行,亦即煅燒可重複一次、兩次或更多次。
本發明之第二目標為提供貴金屬觸媒塊,特別是活性碳負載型貴金屬觸媒塊。貴金屬觸媒塊包含貴金屬觸媒,及視情況包含水,及亦視情況包含黏合劑。
根據本發明之第二目標,在一實施例中,貴金屬觸媒塊可包含50-98 wt.%之貴金屬觸媒、2-50 wt.%之水及視情況0-20 wt.%之黏合劑,其中所有以wt.%為單位之量係以貴金屬觸媒塊之總重量計。在部分或甚至完全乾燥之變體中,其可包含較少的水或甚至不含水,亦即其可隨後包含60-100 wt.%之貴金屬觸媒、0-40 wt.%之水及視情況0-20 wt.%之黏合劑,其中所有以wt.%為單位之量係以貴金屬觸媒塊之總重量計。
根據本發明之第二目標,貴金屬觸媒包含負載於至少部分可燃載體上之至少一種貴金屬,或換言之,其包含裝備有至少一種貴金屬之至少部分可燃載體。
根據本發明之第二目標,在一實施例中,至少部分可燃載體為碳質基材料,較佳為活性碳,特別是衍生自煤、木材、果殼、椰子殼、胡桃殼、杏殼及/或棗殼之活性碳。
根據本發明之第二目標,在一實施例中,貴金屬觸媒為廢活性碳負載型貴金屬觸媒。
根據本發明之一個實施例,廢活性碳負載型貴金屬觸媒為Pd/C觸媒,亦即活性碳負載型鈀觸媒。
根據本發明之第二目標,黏合劑包含水可稀釋或水溶性有機材料及視情況存在之一或多種添加劑。
根據本發明之第二目標,水可稀釋或水溶性有機材料係選自由改質澱粉、纖維素、聚乙烯吡咯啶酮、聚乙烯醇、丙烯酸酯聚合物、環氧聚合物、聚乙烯縮醛及其混合物組成之群;較佳地,水可稀釋或水溶性有機材料為選自由羥乙基澱粉、羥丙基澱粉、羥基丙烯基澱粉、羧甲基澱粉鈉、交聯羧甲基澱粉鈉、羥基乙酸澱粉鈉及其混合物組成之群的改質澱粉,較佳為羧甲基澱粉鈉、交聯羧甲基澱粉鈉及其混合物。
根據本發明之第二目標,至少一種添加劑包含一或多種無機填料。無機填料可選自由以下各者組成之群:蒙脫石、鋰皂石、皂石、蛇根鹼、膨潤土、高嶺土、海泡石、綠泥石、綠坡縷石、鎂鋁皮石、鋁礬土、硼砂及其混合物,較佳為蒙脫石、膨潤土、高嶺土、綠坡縷石、硼砂及其混合物。
根據一實施例,黏合劑可包含0.3至5 pbw(重量份)之羧甲基澱粉鈉、0至20 pbw之膨潤土及0至5 pbw之硼砂。在另一實施例中,其可包含0.5至4 pbw之羧甲基澱粉鈉、5至15 pbw之膨潤土及0.5至3 pbw之硼砂。
本發明之第三目標為提供一種用於製造該等貴金屬觸媒塊之方法,且特別是,一種用於製造該等活性碳負載型貴金屬觸媒塊之方法。該方法包含以下步驟:
(a)視情況碾碎貴金屬觸媒以獲得貴金屬觸媒粉末;
(b)將50-98 wt.%之貴金屬觸媒粉末與2-50 wt.%之水及視情況存在之0-20 wt.%之黏合劑混合,其中所有以wt.%為單位之量係以貴金屬觸媒塊之總重量計,
(c)將步驟(b)中所獲得之混合物在模具中在200KPa-1200KPa之壓力下加工以獲得團塊;
(d)自該模具移出步驟(c)中所獲得之該等團塊,且視情況,
(e)使如此獲得之團塊部分或完全乾燥以移除水。
上文針對根據本發明之第一目標之方法及/或針對根據本發明之第二目標之貴金屬觸媒塊提供的所有定義及偏好同樣適用於第三目標之方法,且反之亦然。
若以引用之方式併入本文中之任何專利、專利申請案及公開案之揭示內容與本申請案之描述的衝突達到了會使術語不清楚之程度,則本說明書應當優先。
將參考以下實例更詳細地描述本發明,該等實例之目的僅為說明性的且不限制本發明之範疇。
實例 原材料及裝置
廢活性碳負載型貴金屬觸媒A1,可購自JiangShu Lianhua之Pd/C-F觸媒。
廢活性碳負載型貴金屬觸媒A2,可購自Dow-Corning及Sinopec之Pd/C觸媒。
黏合劑B1:具有高黏度之Huahui®複合纖維素,可購自Hebei Baoding Shenghui Polymer Technology Co., Ltd.。
黏合劑B2:包含0.5 pbw之羥甲基澱粉(CMS)、2.4 pbw之膨潤土及0.1 pbw之硼砂的混合物。
壓塊設備(封閉式壓塊機120),可購自Henan Lantian mechanic manufacturing Company。
製備廢活性碳負載型貴金屬觸媒塊
將廢活性碳負載型觸媒碾碎且碾磨成尺寸小於2 mm篩目。根據表1中所概述之配方將廢活性碳負載型貴金屬觸媒、水及黏合劑混合在一起。將由此獲得之混合物在模具中在300 KPa之壓力下藉由壓塊設備加工成蜂巢塊。
廢活性碳負載型貴金屬觸媒塊及粉末之煅燒 實例 1
將廢活性碳負載型貴金屬觸媒塊(S1)以堆疊方式裝載於塔盤上。隨後將具有廢活性碳負載型貴金屬觸媒塊之塔盤置於不鏽鋼煅燒爐中以在800℃下煅燒約6小時。煅燒方法係在每500 kg貴金屬觸媒塊1500 NM3/小時空氣之供應下進行。將廢活性碳負載型貴金屬觸媒塊燃燒成灰分,且隨後將具有灰分之架子自爐中取出且在空氣中冷卻。廢活性碳負載型貴金屬觸媒塊在不鏽鋼煅燒爐中煅燒兩次。分別收集第1次煅燒及第2次煅燒中獲得之灰分以進行分析。根據GB 18484-2001標準程序量測煅燒損失(LOI)率。
實例 2
在與實例1相同之條件下進行廢活性碳負載型貴金屬觸媒塊(S1)之煅燒,但改為將廢活性碳負載型貴金屬觸媒塊(S1)以交叉方式裝載於塔盤上。
實例 3
在與實例1相同之條件下進行廢活性碳負載型貴金屬觸媒塊(S2)之煅燒。
實例 4
在與實例1相同之條件下進行廢活性碳負載型貴金屬觸媒塊(S2)之煅燒,但改為將廢活性碳負載型貴金屬觸媒塊(S2)以交叉方式裝載於塔盤上。
比較實例 1
將廢活性碳負載型貴金屬觸媒粉末(A1)裝載於塔盤上。隨後將具有廢活性碳負載型貴金屬觸媒粉末之塔盤置於不鏽鋼煅燒爐中以在800℃下進行兩次6小時煅燒。
比較實例 2
在與比較實例1中相同之條件下進行廢活性碳負載型貴金屬觸媒粉末(A2)之煅燒。
如自表2中所列之灰分LOI率可見,相比於廢活性碳負載型貴金屬觸媒粉末,廢活性碳負載型貴金屬觸媒塊具有低灰分LOI率,且展現高燃燒效率。
Claims (13)
- 一種用於煅燒貴金屬觸媒塊之方法,其中該等貴金屬觸媒塊包含貴金屬觸媒,視情況包含水,及亦視情況包含黏合劑,該方法包含以下步驟:(a)視情況碾碎貴金屬觸媒以獲得貴金屬觸媒粉末;(b)將50-98wt.%之貴金屬觸媒粉末與2-50wt.%之水及視情況存在之0-20wt.%之黏合劑混合以形成混合物,其中所有以wt.%為單位之量係以該貴金屬觸媒塊之總重量計,(c)將步驟(b)中所獲得之該混合物在模具中在200KPa-1200KPa之壓力下加工以獲得團塊;(d)自該模具移出步驟(c)中所獲得之該等團塊,及視情況,(e)使如此獲得之該等團塊部分或完全乾燥以移除水,其中該煅燒方法係在600。℃至1200。℃範圍內之煅燒溫度下進行。
- 如請求項1之方法,其中該等貴金屬觸媒塊包含60-100wt.%之貴金屬觸媒、0-40wt.%之水及0-20wt.%之黏合劑,或50-98wt.%之貴金屬觸媒、2-50wt.%之水及0-20wt.%之黏合劑,其中所有以wt.%為單位之量係以該等貴金屬觸媒塊之總重量計。
- 如請求項1之方法,其中該等貴金屬觸媒塊係呈蜂巢、圓柱體、圓錐體、球體、半球體、長球體、角錐體、卵形或圓環形形式。
- 如請求項1之方法,其中該貴金屬觸媒包含負載於至少部分可燃載體上之至少一種貴金屬。
- 如請求項4之方法,其中該至少一種貴金屬係選自由銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、銠(Rh)、銥(Ir)、釕(Ru)、鋨(Os)及錸(Re)組成之群。
- 如請求項4之方法,其中該至少部分可燃載體為碳質基材料。
- 如請求項6之方法,其中該碳質基材料為活性碳。
- 如請求項1至7中任一項之方法,其中該貴金屬觸媒為廢活性碳負載型貴金屬觸媒。
- 如請求項1至7中任一項之方法,其中該黏合劑包含水可稀釋或水溶性有機材料及視情況存在之一種或多於一種添加劑。
- 如請求項9之方法,其中該水可稀釋或水溶性有機材料係選自由以下組成之群:改質澱粉、纖維素、聚乙烯吡咯啶酮、聚乙烯醇、丙烯酸酯聚合物、環氧聚合物、聚乙烯縮醛及其混合物。
- 如請求項1至7中任一項之方法,其中該煅燒方法係在每500kg貴金屬觸媒塊1000-2000NM3/小時範圍內之氧化氣體之供應下進行。
- 如請求項11之方法,其中該氧化氣體為空氣或氧含量高達30vol.%之富氧空氣。
- 如請求項1至7中任一項之方法,其中該煅燒方法係在650℃至900℃範圍內之煅燒溫度下進行。
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