JP4264514B2 - ジメチルエーテル改質用触媒およびこれを用いる水素含有ガスの製造方法 - Google Patents
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Description
とにより、水素を生成させる触媒およびこの触媒を用いる水素含有ガスの製造方法に関する。
造する技術(Gas-To-Liquid:GTL技術)の開発も、精力的に行われている。
時には常圧に戻すのみで、気化するので、改質反応系に気化器を併設する必要がないという大きな利点がある。
生成したメタノールを改質する触媒であるCu-Zn系触媒(特許文献1)またはPtを含む触媒(特許文献2)とが通常用いられている。しかしながら、Cu-Zn触媒には、Cuが空気中で酸化されることにより、活性が損なわれるという問題がある。これに対し、Pt系触媒を使用する場合には、酸化による活性劣化という問題は殆ど生じないが、十分な反応速度が得られる高温になると、COの水素化反応が進行してメタンが生成し、水素濃度が低下するという問題が生じる。
ことがなく、また十分な反応速度の得られる高温においてもメタン生成を抑制し得る新たなDEM改質用触媒を提供することを主な目的とする。
るDMEの改質方法を提供することをも、目的とする。
することを見出した。
1.酸化ガリウムを触媒活性成分とするジメチルエーテル水蒸気改質用触媒であって、酸化ガリウムと、他の金属酸化物とからなり、前記他の金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタニウム、酸化ケイ素、酸化ゲルマニウム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化セリウム、酸化インジウムおよび酸化亜鉛からなる群から選ばれた金属酸化物の少なくとも1種である、ジメチルエーテル水蒸気改質用触媒。
2.上記項1に記載の触媒の存在下にジメチルエーテルと水蒸気とを接触させることを特徴とする水素含有ガスの製造方法。
とにより、空気中で劣化することなく、高温における取扱いが可能で、高活性を発揮するDME改質用触媒が得られる。
を効率よく製造することができる。
金属酸化物の少なくとも1種とを配合乃至混合してなるものである。酸化ガリウムと他の金属酸化物(以下「併用金属酸化物」ということがある)とを併用する場合には、酸化ガリウムと併用金属酸化物の少なくとも1種とからなる物理的混合物、酸化ガリウムを併用金属酸化物に担持させた担持体、酸化ガリウムと併用金属酸化物とを含む複酸化物などの任意の形態で使用することができる。
粉末状生成物を乾燥し、焼成することにより、得ることもできる。この場合にも、焼成は通常大気中で行う。
あり、好ましくは10〜50重量部程度である。
寿命などを考慮して適宜選択すればよいが、通常0.1〜200μm程度であり、より好ましくは1〜100μm程度である。触媒の粒径は、SEMで確認することにより、容易に調整できる。
ディエライト、ベースメタルなどからなるハニカム構造体にウォッシュコートすればよい。
に限定されるものではないが、例えば25〜400℃程度(より好ましくは80〜250℃程度)の温度において、DMEを完全に水素に変換させるために必要な理論量以上(理論量の1〜5倍量、より好ましくは2〜3倍量)の水蒸気を供給しつつ、流動下にDMEと水蒸気とを反応させれば良い。DMEは、必要に応じて、窒素、アルゴン、ヘリウムなどのキャリアガスにより希釈
した混合物の形態で、反応に供しても良い。反応時の圧力は、常圧〜10MPa程度の範囲で
行うことができるが、常圧乃至その近傍とすることが有利である。
[比較例1]
Cu-Zn-Al 2 O 3 触媒の調製
Cu(NO3)2・3H2O (9.4g)とZn(NO3)2・6H2O(11.4g)を26mlの蒸留水に溶かし、80℃に
加熱した。この溶液をよく撹拌しながら85℃に保ったNa2CO3(9.9g)の水溶液(23ml)
を1時間かけて滴下した。滴下終了後、系のpHが8.0になったことを確認し、1時間撹拌し
た。次いで、沈殿生成物を吸引濾取し、“50℃に加熱した純水中で20分間撹拌する”という洗浄工程を3回繰り返した。濾液のpH が中性になったことをフェノールフタレインで確認した後、沈殿物を110℃で15時間乾燥した。得られた乾燥粉末(Cu-Zn:を大気中400℃で5時間焼成した。
ることにより、Cu-Zn-Al2O3触媒を得た。
[実施例1]
ゾル-ゲル法によるGa 2 O 3 /Al 2 O 3 触媒の調製
1mol/lの硝酸ガリウムのエチレングリコール溶液と1mol/lの硝酸アルミニウム9水和物
のエチレングリコール溶液とを10:0〜0:10の種々の比率で混合した(表1参照)。得られた溶液を80℃に保ちながら、10時間攪拌した後、80℃から110℃まで徐々に昇温しつつ、エ
チレングリコールを減圧留去した。得られた粉末を乳鉢ですりつぶした後、200℃で5時間乾燥させ、空気中500℃で5時間焼成を行うことにより、表1に示す組成を有する本発明触媒を得た。
[実施例2]
含浸法によるGa 2 O 3 -Al 2 O 3 触媒(Ga/Al = 1/9)の調製
硝酸ガリウム・6.28水和物(0.738g、2.00mmol)を3mlの水に溶かした。この水溶液を
γ-アルミナ(0.918g、9.00mmol)へと滴下し、80℃で12時間乾燥させ、次いで200℃で5時間乾燥させた後、500℃で5時間焼成して、本発明による触媒を調製した。
[実施例3]
含浸法によるGa 2 O 3 -9ZrO 2 触媒の調製
実施例2のγ-アルミナの代わりにZrO2(1.11g, 9.00mmol)を用い、実施例2と同様の手
法で本発明による触媒を調製した。
[実施例4]
含浸法によるGa 2 O 3 -9TiO 2 触媒の調製
実施例2のγ-アルミナの代わりにTiO2 (0.719g, 9.00 mmol)を用い、実施例2と同様の手法で本発明による触媒を調製した。
[実施例5]
Ga 2 O 3 -SiO 2 触媒の調製
実施例2のγ-アルミナの代わりに0.54gのSiO2を用い、かつ実施例2で用いた硝酸ガリウム水溶液に5mlの水を加えて希釈した溶液を用いて、実施例2と同様の手法により、本
発明による触媒を調製した。
[実施例6]
Ga 2 O 3 -GeO 2 触媒の調製
実施例2のγ-アルミナの代わりに0.942gのGeO2を用いて、実施例2と同様の手法により、本発明による触媒を調製した。
[実施例7]
Ga 2 O 3 -MnO 2 触媒の調製
実施例2のγ-アルミナの代わりに0.639gのMnO2を用いて、実施例2と同様の手法により、本発明による触媒を調製した。
[実施例8]
Ga 2 O 3 -Fe 2 O 3 触媒の調製
実施例2のγ-アルミナの代わりに1.437gのFe2O3を用いて、実施例2と同様の手法に
より、本発明による触媒を調製した。
[実施例9]
Ga 2 O 3 -CeO 2 触媒の調製
実施例2のγ-アルミナの代わりに1.549gのCeO2を用いて、実施例2と同様の手法により、本発明による触媒を調製した。
[実施例10]
Ga 2 O 3 -In 2 O 3 触媒の調製
実施例2のγ-アルミナの代わりに1.249gのIn2O3を用いて、実施例2と同様の手法により、本発明による触媒を調製した。
[実施例11]
Ga 2 O 3 -ZnO触媒の調製
実施例2のγ-アルミナの代わりに0.733gのZnOを用いて、実施例2と同様の手法により、本発明による触媒を調製した。
[実施例12]
0.5Ga 2 O 3 -9.5TiO 2 触媒の調製
実施例9のTl2O3の代わりに0.759gのTiO2を用いて、実施例2と同様の手法により、本発明による触媒を調製した。
[実施例13]
ゾル-ゲル法によるGa 2 O 3 -9TiO 2 触媒の調製
チタンテトライソプロポキシド(3.84g、 13.5mmol)のエチレングリコール溶液と硝酸ガリウムn水和物(1.11g、3mmol)のエチレングリコール溶液とを混合した。得られた溶液を80℃に保って10時間撹拌した後、80℃から110℃まで徐々に昇温しながら、エチレング
リコールを減圧留去した。得られた粉末を乳鉢ですりつぶした後、200℃で5時間乾燥させ、500℃で5時間焼成することにより、本発明による触媒を調製した。
[実施例14]
含浸法による0.5Ga 2 O 3 -9.5TiO 2 触媒の調製
実施例2において、γ-アルミナの代わりにTiO2 (0.719g、9.00 mmol)を用い、かつ1/2濃度の硝酸ガリウム水溶液を用いて、実施例2と同様の手法により、本発明による触媒を調製した。
[試験例1]
比較例1および実施例1〜14において得られた触媒を用いて、それぞれのDME改質触
媒としての性能を評価した。
アルゴンガスを50ml/minで流通させることにより、DME改質活性を測定した。反応に際し
ては、温度を200℃から順次50℃刻みで400℃まで変化させた。この際の昇温速度は、10℃/分とした。また、各設定温度における反応時間は、約3分とした。
[試験例2]
反応原料中の水蒸気濃度の影響を調べるために、その濃度を1%刻みで4-6%まで変化
させる以外は試験例1と同様の条件で、DMEの改質反応を行った。
[試験例1〜2についての考察]
図1は、比較例1および実施例1に記した種々の比率で調製したGa2O3-Al2O3触媒を試
験例1の条件下で使用した場合の活性評価データを示す(図1-aは、DME転化率を示し、図1-bは、出口ガス中の水素濃度を示す)。
系では、アルミナを混合しても活性の向上は見られない。この様な結果から、本発明によるGa2O3系触媒を用いるDME改質反応は、既知の触媒を用いるDME改質反応とは異なった反
応であることが示唆される。
れるので、DME転化率が上がるが、水素の生成はほとんど見られない。これに対し、アル
ミナに少量の酸化ガリウムを加えると、反応温度300℃付近から水素が生成することが明
らかである。
条件下(反応温度は400℃)で、DME改質反応を行い、その生成物を調べた結果を示す。水分濃度を当量(3%)以上とすることにより、出口水素濃度が上昇することが明らかである。
濃度を示す。表3から明らかな様に、反応温度350℃以上において、TiO2を担体とする触
媒を使用する場合に、特に水素の出口濃度が高くなることが判明した。
、比表面積207m2/g)、チタニアII(日本アエロジル(株)製、“チタニアP-25”、主に
アナターゼ型、比表面積41 m2/g)およびチタニアIII(関東化学(株)製、アナターゼ
型、比表面積8 m2/g)にそれぞれ10mol%の酸化ガリウムを含浸担持することにより調製した3種の触媒の活性を示す。
併せて示す。
も高くなることが分かった。しかしながら、400℃では、DME転化率は他の触媒よりも高いものの、水素濃度が低くなることが分かった。これは、比表面積の大きいチタニアIを担体に用いた場合にのみ、高温度でのメタン化が進行したためである。
を用いた触媒を調製した。その結果、10mol%の酸化ガリウムを担持した触媒に比べて、DMEの転化率はやや低くなるものの、反応温度400℃での生成物中の水素濃度は高くなることが分かった。また、このチタニアIを担体とし、酸化ガリウムの担持量が5mol%である触
媒は、チタニアII或いはチタニアIIIに10mol%の酸化ガリウムを担持した触媒と比較しても、350℃での活性が高くなることが分かった。
散度向上させることにより、活性の更なる向上が可能であることを示唆している。
の場合にも、水素を含む反応ガスが得られた。
Claims (2)
- 酸化ガリウムを触媒活性成分とするジメチルエーテル水蒸気改質用触媒であって、
酸化ガリウムと、他の金属酸化物とからなり、
前記他の金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタニウム、酸化ケイ素、酸化ゲルマニウム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化セリウム、酸化インジウムおよび酸化亜鉛からなる群から選ばれた金属酸化物の少なくとも1種である、
ジメチルエーテル水蒸気改質用触媒。 - 請求項1に記載の触媒の存在下にジメチルエーテルと水蒸気とを接触させることを特徴とする水素含有ガスの製造方法。
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