JP2010194420A - Copper-based catalyst, and pretreatment method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、メタノール合成反応またはその逆反応、メタノール改質反応、シフト反応またはその逆反応などの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た銅系触媒およびその前処理方法に関するものである。 The present invention relates to a copper-based catalyst having good catalytic activity in a methanol synthesis reaction or its reverse reaction, methanol reforming reaction, shift reaction or its reverse reaction, and outstanding durability, and a pretreatment method thereof. Is.
従来、合成ガス(COとH2 との混合ガス)を主原料(少量のCO2 を含む)とするメタノール合成プロセスは、化学工業において非常に重要な基礎的なプロセスであり、その省エネルギー化や経済性などの観点からその高効率化が絶えず求められている。メタノール合成プロセスにおける最も重要な技術の一つは、高性能な触媒を提供することであり、従来の触媒としては、Cu/ZnO/Al2O3触媒(現在の工業用触媒、たとえば、「触媒講座、第7巻、触媒学会編、株式会社講談社発行、1989年7月20日発行」(非特許文献1)の21〜39頁参照)や、Cu/ZnO/SiO2触媒(特公昭63−39287号公報(特許文献1))などの3成分系触媒が知られている。 Conventionally, a methanol synthesis process using synthesis gas (a mixed gas of CO and H 2 ) as a main raw material (including a small amount of CO 2 ) is a very important basic process in the chemical industry, and its energy saving and There is a constant demand for higher efficiency from the viewpoint of economy and the like. One of the most important technologies in the methanol synthesis process is to provide a high performance catalyst, and conventional catalysts include Cu / ZnO / Al 2 O 3 catalysts (current industrial catalysts such as “catalysts”). "Lecture, Vol. 7, edited by the Catalysis Society of Japan, Kodansha Co., Ltd., published July 20, 1989" (Non-Patent Document 1), pages 21-39), Cu / ZnO / SiO 2 catalyst (Japanese Examined Patent Publication 63- No. 39287 (Patent Document 1) and the like are known.
一方、CO2 とH2 とを主原料とするメタノール合成は、炭素資源の循環再利用および地球環境問題の観点から、最近特に注目されている。CO2含有量の高い原料ガスからのメタノール合成においては、反応の熱力学的平衡およびメタノールと共に生成する水の反応阻害効果(Applied Catalysis A: General, 38 (1996), p.311-318(非特許文献2))のために、上記の合成ガスからのメタノール合成で採用されているよりも高い活性を有する触媒が要求されている。また、CO2含有量の高い原料ガスからのメタノール合成においては、メタノールと共に生成する水によると思われる触媒活性低下が、合成ガスからのメタノール合成に比べて非常に大きい。そのため、合成ガスからのメタノール合成で採用されている触媒よりもはるかに耐久性の高い触媒が要求されている。これは、上記のメタノール合成で採用されている3成分系触媒では、その触媒性能が不充分であるためである。 On the other hand, methanol synthesis using CO 2 and H 2 as main raw materials has recently attracted particular attention from the viewpoint of recycling and recycling of carbon resources and global environmental problems. In methanol synthesis from raw material gas with high CO 2 content, thermodynamic equilibrium of reaction and reaction inhibition effect of water generated with methanol (Applied Catalysis A: General, 38 (1996), p.311-318 For Patent Document 2)), a catalyst having higher activity than that employed in methanol synthesis from the above synthesis gas is required. In addition, in the synthesis of methanol from a raw material gas having a high CO 2 content, the decrease in catalytic activity, which is thought to be caused by water generated together with methanol, is much greater than that in the synthesis of methanol from synthesis gas. Therefore, there is a need for a catalyst that is much more durable than the catalyst employed in methanol synthesis from synthesis gas. This is because the catalyst performance of the three-component catalyst employed in the above methanol synthesis is insufficient.
ところで銅系触媒の触媒活性低下の主原因が銅のシンタリングによる表面積低下であることが知られている。銅は各種金属触媒の中でもシンタリングを起こしやすい金属であることが知られており、反応前の触媒還元温度や反応温度を高くしないようにすることを必要とする。例えば、特開2004−298685号公報(特許文献2)においてはCu/ZnO触媒の還元温度は好ましくは100〜300℃、好ましくは150〜250℃であると記載されており、また特開平6−254414号公報(特許文献3)においてはCu/ZnO/ZrO2触媒の還元温度は好ましくは100〜300℃、好ましくは120〜200℃であると記載されており、また特開2007−83197号公報(特許文献4)においてはCu/ZnO/Al2O3触媒の還元温度は好ましくは100〜300℃、好ましくは110〜280℃、さらに好ましくは130〜240℃であると記載されている。これは還元温度を高くしすぎると、銅のシンタリングにより銅表面積が低下するためである。 By the way, it is known that the main cause of the decrease in the catalytic activity of the copper catalyst is a decrease in surface area due to copper sintering. Copper is known to be a metal that easily causes sintering among various metal catalysts, and it is necessary to prevent the catalyst reduction temperature and reaction temperature before the reaction from becoming high. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-298685 (Patent Document 2) describes that the reduction temperature of the Cu / ZnO catalyst is preferably 100 to 300 ° C., preferably 150 to 250 ° C. No. 254414 (Patent Document 3) describes that the reduction temperature of the Cu / ZnO / ZrO 2 catalyst is preferably 100 to 300 ° C., preferably 120 to 200 ° C., and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-83197 ( Patent Document 4) describes that the reduction temperature of the Cu / ZnO / Al 2 O 3 catalyst is preferably 100 to 300 ° C, preferably 110 to 280 ° C, and more preferably 130 to 240 ° C. This is because if the reduction temperature is too high, the copper surface area decreases due to copper sintering.
本発明者らは、上記のような技術的背景に鑑みて銅系触媒について鋭意検討を行ったところ、酸化銅、酸化亜鉛および酸化アルミニウムを必須成分とし、酸化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化ケイ素を任意成分とする金属酸化物より構成される銅系触媒においては、高温で還元を行ってもシンタリングを起こしにくく、むしろ高温で還元する前処理を行うことが、CO2 とH2 とを主原料とするメタノール合成反応において耐久性に優れた銅系触媒を得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は上記のような状況に鑑みてなされたもので、触媒活性が良好で、しかも耐久性が顕著にすぐれた銅系触媒およびその前処理方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a copper catalyst having good catalytic activity and remarkably excellent durability, and a pretreatment method thereof.
本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、特定の温度範囲で還元反応を行うことにより上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has found that the above problems can be solved by performing a reduction reaction in a specific temperature range, and the present invention has been completed.
本発明の銅系触媒は、酸化銅、酸化亜鉛および酸化アルミニウムを必須成分とし、酸化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化ケイ素を任意成分とする金属酸化物より構成される銅系触媒(I)水素含有ガス流通下、反応温度より高く、焼成温度より低い温度で還元して得られることを特徴とする銅系触媒である。 The copper-based catalyst of the present invention is a copper-based catalyst comprising a metal oxide containing copper oxide, zinc oxide and aluminum oxide as essential components, and zirconium oxide, gallium oxide and silicon oxide as optional components. A copper-based catalyst obtained by reduction at a temperature higher than the reaction temperature and lower than the calcination temperature under circulation.
前記触媒の還元は、300℃〜550℃の温度で行うことが望ましい。 The reduction of the catalyst is desirably performed at a temperature of 300 ° C to 550 ° C.
また、本発明は、酸化銅、酸化亜鉛および酸化アルミニウムを必須成分とし、酸化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化ケイ素を任意成分とする金属酸化物より構成される銅系触媒を、触媒反応前に、水素含有ガス流通下、300℃〜550℃の温度で還元することを特徴とする銅系触媒の前処理方法である。 The present invention also provides a copper-based catalyst composed of a metal oxide containing copper oxide, zinc oxide and aluminum oxide as essential components and zirconium oxide, gallium oxide and silicon oxide as optional components before hydrogenation. The copper catalyst pretreatment method is characterized in that the reduction is performed at a temperature of 300 ° C. to 550 ° C. under flowing gas.
前記還元での水素濃度は、0.1〜10体積%であることが望ましい。 The hydrogen concentration in the reduction is preferably 0.1 to 10% by volume.
本発明の銅系触媒は、活性が高く、しかもその高い活性が長期にわたって維持され耐久性のすぐれたものとなっている。このときの触媒の活性維持効果は顕著であり、現在使用されまたは提案されているメタノール合成用の銅系多成分触媒では期待しえないような優れた活性と耐久性が得られる。よって本発明は工業上極めて有用である。 The copper-based catalyst of the present invention has high activity, and the high activity is maintained over a long period of time and has excellent durability. The activity maintaining effect of the catalyst at this time is remarkable, and excellent activity and durability that cannot be expected with the copper-based multicomponent catalyst for methanol synthesis currently used or proposed are obtained. Therefore, the present invention is extremely useful industrially.
〈触媒〉本発明の銅系触媒は、酸化銅、酸化亜鉛、酸化アルミニウムを必須成分とする金属酸化物で構成された触媒であり、さらに任意成分として酸化ジルコニウム、酸化ガリウム、および酸化ケイ素を含んでいてもよい。また本発明の趣旨を損なわない範囲で、他の酸化物を含んでいてもよい。他の成分として通常パラジウムなどの貴金属酸化物がその反応性の高さから用いられる場合があるが、前記の触媒は、貴金属酸化物を用いなくても高い触媒性能を発現させることが出来る傾向がある。 <Catalyst> The copper-based catalyst of the present invention is a catalyst composed of a metal oxide containing copper oxide, zinc oxide and aluminum oxide as essential components, and further contains zirconium oxide, gallium oxide and silicon oxide as optional components. You may go out. Further, other oxides may be included within the range not impairing the gist of the present invention. As other components, a noble metal oxide such as palladium is usually used because of its high reactivity, but the above catalyst tends to exhibit high catalytic performance without using a noble metal oxide. is there.
本発明の銅系触媒は、特定の条件で還元されていることを特徴とする。 The copper-based catalyst of the present invention is characterized by being reduced under specific conditions.
本発明の銅系触媒の還元前の成分を本願では銅系触媒(I)と記載することがある。この銅系触媒(I)は、酸化銅、酸化亜鉛および酸化アルミニウムを必須成分とし、酸化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化ケイ素を任意成分とする金属酸化物より構成されるものであれば、従来公知の物から適宜選択して使用することが出来る。好ましくは、下記の本発明の銅系触媒と同様の組成の範囲のものであることが好ましい。 The component before the reduction of the copper-based catalyst of the present invention may be referred to as a copper-based catalyst (I) in the present application. As long as this copper catalyst (I) is composed of a metal oxide having copper oxide, zinc oxide and aluminum oxide as essential components and zirconium oxide, gallium oxide and silicon oxide as optional components, it is known in the art. It can be used by appropriately selecting from the products. Preferably, it has a composition range similar to that of the copper catalyst of the present invention described below.
本発明の銅系触媒の組成は、触媒全体を100重量%とするとき、酸化銅が20〜60重量%、好ましくは30〜50重量%であり、酸化亜鉛が10〜50重量%、好ましくは20〜40重量%であり、酸化アルミニウムが2〜10重量%、好ましくは4〜8重量%であり、酸化ケイ素が0.0〜 0.9重量%、好ましくは0.3〜0.9%であり、酸化ジルコニウムが0〜40重量%、好ましくは10〜20重量%であり、酸化ガリウムが0〜10重量%好ましくは0.1〜5.0重量%である。このような量的範囲において、組成を目的反応に応じて適切に定めることにより、その反応に適した触媒性能を得ることができる。 The composition of the copper-based catalyst of the present invention is such that when the total catalyst is 100% by weight, copper oxide is 20 to 60% by weight, preferably 30 to 50% by weight, and zinc oxide is 10 to 50% by weight, preferably 20 to 40% by weight, aluminum oxide 2 to 10% by weight, preferably 4 to 8% by weight, silicon oxide 0.0 to 0.9% by weight, preferably 0.3 to 0.9%, and zirconium oxide 0 to 40% by weight, preferably 10-20% by weight, and gallium oxide is 0-10% by weight, preferably 0.1-5.0% by weight. In such a quantitative range, the catalyst performance suitable for the reaction can be obtained by appropriately determining the composition according to the target reaction.
本発明の銅系触媒において、後述する触媒の製法において酸化ケイ素はコロイダルシリカまたは水中溶存シリカが用いられてもよく、コロイダルシリカと水中溶存シリカとを併用してもよい。同じケイ素化合物でも、たとえばケイ酸ナトリウム(水ガラス)やケイ酸カリウムを添加して製造した場合には、所期の効果を有する触媒が得られない。 In the copper catalyst of the present invention, colloidal silica or water-dissolved silica may be used as the silicon oxide in the catalyst production method described later, or colloidal silica and water-dissolved silica may be used in combination. Even when the same silicon compound is produced by adding, for example, sodium silicate (water glass) or potassium silicate, a catalyst having the desired effect cannot be obtained.
コロイダルシリカを用いる場合は、本発明の目的には、酸化ナトリウム含有量が 0.1重量%未満、殊に0.06重量%以下の実質的にナトリウム分を含まないものを用いることが好ましい。ちなみに、コロイダルシリカの多くのグレードは、酸化ナトリウム含有量が 0.2〜 0.6重量%程度である。 When colloidal silica is used, for the purpose of the present invention, it is preferable to use one having a sodium oxide content of less than 0.1% by weight, particularly 0.06% by weight or less, which is substantially free of sodium. Incidentally, many grades of colloidal silica have a sodium oxide content of about 0.2 to 0.6% by weight.
水中溶存シリカを用いる場合は、天然淡水、水道水、井戸水、工業用水などを用いることができる。これらの水は、20ppm 前後ないし100ppm 程度の溶存シリカを含んでいる。溶存シリカは、検水について、モリブデン黄法またはモリブデン青法による吸光光度法により測定されるシリカ(比色シリカと通称される)である。 When using silica dissolved in water, natural fresh water, tap water, well water, industrial water, or the like can be used. These waters contain about 20 ppm to about 100 ppm of dissolved silica. The dissolved silica is silica (commonly referred to as colorimetric silica) measured by a spectrophotometric method using a molybdenum yellow method or a molybdenum blue method.
〈触媒の製造〉
上記の触媒は、上記金属成分のうちケイ素成分を除く金属成分の水溶性塩を含む水溶液からなるA液と塩基性物質を含む水溶液からなるB液とを混合して沈澱物を形成し、必要なら熟成し、ついで洗浄すること、その沈澱物の形成、熟成または洗浄に際し必要に応じてコロイダルシリカまたは水中溶存シリカを吸着させること、そして洗浄後の沈澱物を乾燥してから、480〜690℃で焼成処理して焼成物となすことにより銅系触媒(I)が製造される。
<Manufacture of catalyst>
The catalyst is necessary to form a precipitate by mixing A solution consisting of an aqueous solution containing a water-soluble salt of a metal component excluding the silicon component, and B solution consisting of an aqueous solution containing a basic substance. Aging, then washing, forming the precipitate, adsorbing colloidal silica or water-dissolved silica as necessary during aging or washing, and drying the washed precipitate, then 480-690 ° C. A copper-based catalyst (I) is produced by firing the product into a fired product.
A液とB液とを混合して沈澱物を形成させるに際しては、A液とB液とを一括混合してA液中の成分を沈澱させる方法のほか、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液と塩基性物質を含む水溶液からなるB液とを混合してA液中の成分を沈澱させ、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も採用される。混合の仕方には、そのほか種々のバリエーションが可能である。 When the liquid A and the liquid B are mixed to form a precipitate, the liquid A and the liquid B are mixed together to precipitate the components in the liquid A, and the liquid A is divided into two or more. First, liquid A consisting of an aqueous solution containing one or more of the metal compounds and liquid B consisting of an aqueous solution containing a basic substance are mixed to precipitate the components in liquid A, and then the precipitate is A precipitation method is also employed in which the solution A comprising an aqueous solution containing the remaining components of the metal compound is added to the solution to be precipitated and the solution is similarly precipitated. Various other variations are possible for the mixing method.
上記金属成分のうちケイ素成分を除く金属成分の水溶性塩としては、水溶性の良好な硝酸塩や亜硝酸塩が好適に用いられる。塩基性物質としては、たとえば、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが好適に用いられ、場合によってはアンモニア、アルカノールアミン、アミンなどを用いることもできる。 As the water-soluble salt of the metal component excluding the silicon component among the metal components, nitrates and nitrites having good water solubility are preferably used. As the basic substance, for example, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydroxide, potassium hydroxide and the like are preferably used, and in some cases, ammonia, alkanolamine, amine and the like can also be used.
沈澱物の形成後は、必要なら熟成を行い、ついで洗浄を行い、さらには適宜スラリー化、乾燥などの後処理を行う。一例をあげると、沈澱物を熟成した後、遠心分離によりろ過、洗浄した後、一旦スラリー化してスプレー乾燥する方法が採用される。 After the formation of the precipitate, aging is performed if necessary, followed by washing, and further post-treatment such as slurrying and drying as appropriate. For example, a method of aging the precipitate, filtering and washing by centrifugation, and once slurrying and spray drying is adopted.
そして本発明においては、沈澱物の形成、熟成または洗浄に際し、コロイダルシリカまたは水中溶存シリカを吸着させるようにする。なおコロイダルシリカを沈澱物の形成時に吸着させるときは、A液またはB液の少なくとも一方にコロイダルシリカを添加する方法、コロイダルシリカを含む水中にA液とB液とを混合する方法などが採用される。沈澱物の形成時や熟成時の上澄みにコロイダルシリカが事実上入ってこないこと、コロイダルシリカの吸着後に洗浄を行ってもシリカ成分が事実上流出しないことから、コロイダルシリカは沈澱物中に単に混合しているのではなく、吸着していることがわかる。水中溶存シリカを吸着させるときは、溶存シリカを含む水を用いて金属成分の水溶性塩を含む水溶液や塩基性物質を含む水溶液を調製したり、溶存シリカを含む水を用いて沈澱物の洗浄を行ったりするなどの方法を講じればよい。 In the present invention, colloidal silica or silica dissolved in water is adsorbed during the formation, aging or washing of the precipitate. When colloidal silica is adsorbed during the formation of a precipitate, a method of adding colloidal silica to at least one of liquid A or liquid B, a method of mixing liquid A and liquid B in water containing colloidal silica, etc. are employed. The Colloidal silica does not actually enter the supernatant during precipitation or aging, and the silica component does not substantially flow out even after washing after adsorption of colloidal silica, so colloidal silica is simply mixed into the precipitate. It turns out that it is adsorbing, not doing. When adsorbing dissolved silica in water, use water containing dissolved silica to prepare an aqueous solution containing a water-soluble salt of a metal component or an aqueous solution containing a basic substance, or wash precipitates using water containing dissolved silica. You may take a method such as doing.
コロイダルシリカが吸着されている沈澱物は、これを480〜690℃(好ましくは520〜680℃、特に560〜670℃)で焼成処理して焼成物となす。焼成は酸素雰囲気下(通常は空気中)で行い、これにより上述の金属成分は酸化物の形態となる。 The precipitate on which the colloidal silica is adsorbed is calcined at 480 to 690 ° C. (preferably 520 to 680 ° C., particularly 560 to 670 ° C.) to obtain a calcined product. Firing is performed in an oxygen atmosphere (usually in air), whereby the metal component described above is in the form of an oxide.
このようにして得た触媒は、そのままで、あるいは適宜の方法により造粒または打錠成型して用いる。触媒の粒子径や形状は、反応方式、反応器の形状によって任意に選択しうる。 The catalyst thus obtained is used as it is or after being granulated or tableted by an appropriate method. The particle diameter and shape of the catalyst can be arbitrarily selected depending on the reaction system and the shape of the reactor.
〈還元処理〉
上記の銅系触媒(I)は、この段階でも触媒作用を有することが多いが、本発明の銅系触媒はメタノールの方性などの使用に先立ちH2ガスまたはH2 −N2 混合ガスなどの還元性ガスで還元を行って得られる。還元性ガスの濃度は0.1〜10体積%であることが好ましい。0.1体積%より低い濃度の還元性ガスの場合には、還元に時間がかかり経済的に問題となることが多い。また、還元性ガス濃度が10体積%を超えると、急激な還元が起こり、触媒にダメージを与える恐れがある。
<Reduction treatment>
The copper-based catalyst (I) often has a catalytic action even at this stage, but the copper-based catalyst of the present invention is H 2 gas or H 2 -N 2 mixed gas prior to use of methanol or the like. It can be obtained by reducing with a reducing gas. The concentration of the reducing gas is preferably 0.1 to 10% by volume. In the case of a reducing gas having a concentration lower than 0.1% by volume, the reduction takes time and often causes an economic problem. On the other hand, when the reducing gas concentration exceeds 10% by volume, rapid reduction occurs, which may damage the catalyst.
本発明においては、銅系触媒(I)を還元性ガスで還元するにあたっては、メタノールなどの製造に用いる温度よりも高く、前記の焼成工程の温度よりは低い条件で行う。好ましい還元温度の下限は300℃、好ましくは300度を超える温度であり、より好ましくは350℃である、一方上限は550℃、より好ましくは500℃である。一般的には、銅系触媒は300℃以上の高温で処理すると、シンタリングなどによって、還元された銅の表面積が小さくなり、活性が低下するとされているが、本発明においては、驚くべきことに、300℃以上、好ましくは300℃を超える温度で還元するほうが、銅の表面積を高くすることがわかった。ただし、550℃を超えるとシンタリングが起こり、表面積は低下してくる可能性がある。 In the present invention, when reducing the copper-based catalyst (I) with a reducing gas, it is performed under conditions higher than the temperature used for the production of methanol or the like and lower than the temperature of the calcination step. The lower limit of the preferred reduction temperature is 300 ° C, preferably more than 300 ° C, more preferably 350 ° C, while the upper limit is 550 ° C, more preferably 500 ° C. In general, when a copper-based catalyst is treated at a high temperature of 300 ° C. or higher, the surface area of the reduced copper is reduced due to sintering or the like, and the activity is lowered. Furthermore, it has been found that reduction at a temperature of 300 ° C. or higher, preferably over 300 ° C., increases the surface area of copper. However, if the temperature exceeds 550 ° C., sintering may occur and the surface area may decrease.
これはすなわち、本発明の触媒が通常知られている銅系触媒と比較して(1)銅が低温では還元されにくい形態である(2)銅が高温でもシンタリングしにくい形態である、ことを示している。このような性質が、触媒活性が長期にわたって維持され耐久性のすぐれたものとなることにつながっていると考えられる。また、このように、あらかじめ300℃を超える高温で還元する前処理を行うと、反応初期の誘導期の短縮や触媒活性の向上が実現できる。 In other words, the catalyst of the present invention is in a form that (1) copper is less likely to be reduced at low temperatures than copper catalysts known in the art (2) copper is in a form that is difficult to sinter at high temperatures. Is shown. Such a property is considered to lead to the catalyst activity being maintained over a long period of time and having excellent durability. In addition, when the pretreatment for reducing at a high temperature exceeding 300 ° C. is performed in advance as described above, the induction period in the initial reaction can be shortened and the catalytic activity can be improved.
本発明の銅系触媒にあっては、必須成分である酸化銅、酸化亜鉛および酸化アルミニウム(および任意成分である酸化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化パラジウム)が骨格となり、必要に応じて吸着させたコロイダルシリカまたは水中溶存シリカが酸化ケイ素として骨格間に 0.0〜 0.9重量%、好ましくは0.3〜 0.9重量%という特定量存在した場合に特に上記の驚くべき傾向が発現することが多い。480〜690℃という特定の高温領域で焼成処理を行うとよりその傾向が高い。 In the copper-based catalyst of the present invention, the essential components copper oxide, zinc oxide and aluminum oxide (and optional components zirconium oxide, gallium oxide, palladium oxide) form a skeleton and are adsorbed as necessary. In particular, the above-mentioned surprising tendency often appears when silica or dissolved silica in water is present as a silicon oxide in a specific amount of 0.0 to 0.9% by weight, preferably 0.3 to 0.9% by weight, between the skeletons. When the baking treatment is performed in a specific high temperature region of 480 to 690 ° C., the tendency is higher.
ケイ素化合物が含まれる形態で本願発明の効果が発現しやすい理由は不明であるが、以下のような仮説が考えられる。触媒中においてケイ素成分が金属成分の移動を阻止する作用を発揮しているため、触媒は高活性となり、しかもその活性が長期にわたって維持され耐久性のすぐれたものとなっているが、この効果は、還元処理においても同様に、金属成分の移動を阻止するため、シンタリングが抑制できるものと考えている。触媒の前処理としては、高温ほど、その効果は大きいと考えられ、結果として、本発明の前処理条件によって、触媒はより高活性となっている。 The reason why the effect of the present invention is easily manifested in the form in which the silicon compound is contained is unknown, but the following hypothesis can be considered. In the catalyst, the silicon component exerts the action of preventing the movement of the metal component, so the catalyst is highly active, and the activity is maintained over a long period of time. Similarly, in the reduction treatment, it is considered that the sintering can be suppressed in order to prevent the movement of the metal component. As the pretreatment of the catalyst, the effect is considered to be greater as the temperature is higher. As a result, the catalyst is more active due to the pretreatment conditions of the present invention.
(反応〉
上記の還元された触媒は、水素と炭素酸化物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。
(reaction>
The above reduced catalyst is useful as a catalyst for the reaction of synthesizing methanol from hydrogen and carbon oxide or vice versa.
メタノ−ル合成反応では、水素と炭素酸化物(CO2 単独あるいはCO2 とCOとの混合ガス)からなる原料ガスを触媒上で反応させてメタノ−ルが合成される。このときの反応は、典型的には、反応温度150〜300℃、反応圧力1〜10MPaにて行われる。その逆反応の場合には、メタノールを水素と炭素酸化物とに分解することができる。このときの反応は、典型的には、反応温度200〜400℃、反応圧力大気圧〜1MPaにて行われる。これらの反応は、気相、液相のいずれでも行うことができる。液相で反応を行うときの溶媒としては、炭化水素系溶媒をはじめ、水不溶性ないし水難溶性の溶媒が用いられる。 In the methanol synthesis reaction, methanol is synthesized by reacting a raw material gas composed of hydrogen and carbon oxide (CO 2 alone or a mixed gas of CO 2 and CO) on a catalyst. The reaction at this time is typically performed at a reaction temperature of 150 to 300 ° C. and a reaction pressure of 1 to 10 MPa. In the reverse reaction, methanol can be decomposed into hydrogen and carbon oxides. The reaction at this time is typically performed at a reaction temperature of 200 to 400 ° C. and a reaction pressure of atmospheric pressure to 1 MPa. These reactions can be carried out either in the gas phase or in the liquid phase. As a solvent for the reaction in the liquid phase, a water-insoluble or hardly water-soluble solvent is used, including a hydrocarbon solvent.
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples.
(実施例1)
〈触媒の製造〉
硝酸銅三水和物54.3g、硝酸亜鉛六水和物39.1g、硝酸アルミニウム九水和物6.6g、亜硝酸ジルコニウム二水和物15.4g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」)1.26gを蒸留水に溶解して、500mlの水溶液を調製し、A液とした。ここで「スノーテックスST−O」は、無水ケイ酸(SiO2)含有量が20〜21重量%、酸化ナトリウム(Na2O)含有量が0.04重量%以下、pHが2〜4、粒子径が10〜20 μm、粘度が3cps/25℃以下、比重が1.12〜1.14/25℃、氷結点が0℃の透明乳白色の膠質液である。
Example 1
<Manufacture of catalyst>
Copper nitrate trihydrate 54.3g, zinc nitrate hexahydrate 39.1g, aluminum nitrate nonahydrate 6.6g, zirconium nitrite dihydrate 15.4g and colloidal silica ("Snowtex ST" manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) -O ") 1.26 g was dissolved in distilled water to prepare a 500 ml aqueous solution. “Snowtex ST-O” has an anhydrous silicic acid (SiO 2 ) content of 20 to 21% by weight, a sodium oxide (Na 2 O) content of 0.04% by weight or less, a pH of 2 to 4, and a particle size. Is a clear milky white colloidal solution having a viscosity of 3-20 cps / 25 ° C or less, a specific gravity of 1.12 to 1.14 / 25 ° C, and a freezing point of 0 ° C.
これとは別に、炭酸ナトリウム十水和物 139.0gを蒸留水に溶解して500mlの水溶液を調製し、B液とした。 Separately, 139.0 g of sodium carbonate decahydrate was dissolved in distilled water to prepare a 500 ml aqueous solution.
400mlの蒸留水中に、A液とB液を同時に滴下した(この方法を共沈法と称する)。これを一昼夜放置した後、得られた沈澱物を蒸留水で洗浄した後、110℃、常圧で2時間乾燥し、ついで600℃にて空気中で2時間焼成した。これにより目的とする銅系触媒(I)に相当する固体(I)が得られた。 Liquid A and liquid B were simultaneously dropped into 400 ml of distilled water (this method is referred to as a coprecipitation method). After allowing this to stand for a whole day and night, the resulting precipitate was washed with distilled water, dried at 110 ° C. and normal pressure for 2 hours, and then calcined at 600 ° C. in air for 2 hours. As a result, solid (I) corresponding to the target copper-based catalyst (I) was obtained.
得られた固体(I)の組成は、CuO:45.2wt% 、ZnO: 27.1wt% 、Al2O3 : 4.5wt%、ZrO2: 22.6wt% 、SiO2 : 0.6wt%であった。
〈還元温度の影響〉反応管に上記で得た固体(I)の0.2gを充填し、H2 5vol%とAr 95vol%とからなるの還元性ガスを各温度で2時間通して還元した後、40℃でN2O 2.5vol%とHe 97.5vol%とからなるガスを流通させ、N2Oの吸着量から銅の表面積を算出した。結果を表1に示す。この触媒においては、S300=15.4m2/g−cat、S500/S300=1.4と算出される。
The composition of the obtained solid (I) is, CuO: 45.2wt%, ZnO: 27.1wt%, Al 2 O 3: 4.5wt%, ZrO 2: 22.6wt%, SiO 2: was 0.6 wt%.
<Effect of reduction temperature> After filling the reaction tube with 0.2 g of the solid (I) obtained above and reducing the reducing gas consisting of 5 vol% of H 2 and 95 vol% of Ar through 2 hours at each temperature. At 40 ° C., a gas composed of 2.5 vol% N 2 O and 97.5 vol% He was circulated, and the surface area of copper was calculated from the adsorption amount of N 2 O. The results are shown in Table 1. In this catalyst, S 300 = 15.4 m 2 / g-cat and S 500 / S 300 = 1.4 are calculated.
〈メタノール合成における触媒の活性試験〉反応管に上記で得た触媒2mlを充填し、H2 5vol%とN2 95vol%とからなる還元性ガスを還元温度400℃で2時間通して還元した。表1の結果によれば、この還元処理した触媒はCu表面積が19.9m2/g-catである。この還元処理後、CO225vol%、H2 75vol%の混合ガスを20リットル/hrの速度で触媒層に通し、圧力5MPa 、温度250℃の条件にて反応を行った。反応生成ガスをガスクロマトグラフで分析し、反応時間とメタノール生成量との関係を求めた。
メタノール生成量は、600g-MeOH/L-Cat/hであった。
<Activity Test of Catalyst in Methanol Synthesis> The reaction tube was filled with 2 ml of the catalyst obtained above, and a reducing gas consisting of 5 vol% H 2 and 95 vol% N 2 was reduced at a reduction temperature of 400 ° C. for 2 hours. According to the results in Table 1, this reduced catalyst has a Cu surface area of 19.9 m 2 / g-cat. After this reduction treatment, a mixed gas of 25 vol% CO 2 and 75 vol% H 2 was passed through the catalyst layer at a rate of 20 liter / hr, and the reaction was carried out under conditions of a pressure of 5 MPa and a temperature of 250 ° C. The reaction product gas was analyzed with a gas chromatograph, and the relationship between the reaction time and the amount of methanol produced was determined.
The amount of methanol produced was 600 g-MeOH / L-Cat / h.
(比較例1)
実施例1の触媒において、還元温度250℃で処理した触媒を用いた以外は、実施例1と同様の活性試験を行なった。
(Comparative Example 1)
The same activity test as in Example 1 was performed except that the catalyst treated at a reduction temperature of 250 ° C. was used in the catalyst of Example 1.
メタノール生産量は、初期において、430 g-MeOH/L-Cat/hであり、徐々に活性はあがるが、2ヶ月たっても、安定性能には至らなかった。 The initial amount of methanol produced was 430 g-MeOH / L-Cat / h, and the activity gradually increased. However, even after 2 months, stable performance was not achieved.
(比較例2)
実施例1の触媒において、還元温度600℃で処理した触媒を用いた以外は、実施例1と同様の活性試験を行なった。
(Comparative Example 2)
In the catalyst of Example 1, the same activity test as in Example 1 was performed, except that a catalyst treated at a reduction temperature of 600 ° C. was used.
メタノール生産量は、510g-MeOH/L-Cat/hであった。 Methanol production was 510 g-MeOH / L-Cat / h.
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