JP2000504620A - 揮発性有機化合物の完全酸化用触媒 - Google Patents

揮発性有機化合物の完全酸化用触媒

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チノ マタコッタ、フランチェスコ
カレスタニ、ジャンルカ
カバニ、ファブリツィオ
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コンシリオ ナツィオナーレ デレ リチェルケ
ユニベルシタ デリ ストゥディ ディ ボローニャ
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Abstract

(57)【要約】 式:A2B3O6 ±d(Aはアルカリ土類金属、アルカリ金属、ランタニド、またはそれらの固溶体であり、Bは遷移金属、III族元素、またはそれらの固溶体であり、dは0と1の間の値を有する)を有する化合物から成り、揮発性有機化合物(VOC)、とくに炭化水素類とCOのCO2への完全酸化用の触媒:そして、その触媒を用いて揮発性有機化合物を完全酸化する方法。

Description

【発明の詳細な説明】 揮発性有機化合物の完全酸化用触媒技術分野 本発明は、揮発性有機化合物(V0C)、とりわけ炭化水素類の完全酸化用触 媒と、その触媒を用いて揮発性有機化合物を完全酸化する方法に関する。背景技術 VOCをCO2とH2Oに完全燃焼することは、ほとんどの未燃焼VOCの毒性 と環境への影響の点で必要になってきている。VOCの大気への放散と、それも また毒性化合物であるCOの生成との両方を極少化することが到達点である。 VOCの燃焼のために最も使用されている触媒は、 a)高価であるがVOC燃焼の点における優れた挙動で特徴づけられる貴金属 をベースとするものであり、この触媒は、化合物の反応性により200℃と45 0℃の間の温度で動作する; b)酸化物を混合したものをベースとするものであり、代表例としては、銅ま たは他の金属のクロマイトやバリウムヘキサアルミネートがあり、これらは低価 格ではあるがより激しい条件(400℃と600℃の間の温度)で活性であるこ とによって特徴づけられる。この第2級の触媒は、発電ユニット用の触媒燃焼剤 としても使用されている。この場合、それらは900℃より上の温度で動作する 。 VOC燃焼用と用いられている従来の触媒は、例えば高価格(貴金属をベース とする場合)と低活性(第2級の場合、したがってより高温度で、形態学的なま たは構造的な変態が促進される条件下での動作を要求する)という欠点を有して いる。発明の開示 本発明の基本的な目的は、VOC酸化用の従来の触媒、とりわけVOCの完 全酸化用の触媒の欠点を除去することである。 この目的と続く発明の詳細な説明から以後明らかになるであろう他の目的は、 本発明による触媒によって実現される。 そして、その触媒は、式:A2B3O6± を有する1種または2種以上の結晶性化合物から成る。 ここで、Aは、アルカリ土類金属、アルカリ金属、ランタニド、またはそれら の固溶体であり、Bは遷移金属、III族元素、またはそれらの固溶体であり、d は0と1の間の値をもつ。 好適には、Aは、Ba,Cs,K,Srおよびそれらの固溶体によって構成さ れる群から選ばれる。 一般には、BはCu,Ni,Mn,Fe,Pd,Ti,Al,Ga,Znおよ びそれらの固溶体で構成される群から選ばれる。 Aが上記した陽イオンの固溶体である場合、本発明による触媒例は、式:(B a2-xSrx)Cu3O6 ±d(xは0.75までの値)を有する化合物を含む。 Bが上記した陽イオンの固溶体である場合、本発明による触媒の他の例は、 式:(Ba2CU3-yPdy)O6 ±d(yは0.33まで); (Ba2CU3-yNiy)O6 ±d(yは1.0まで) を有している。 本発明による触媒に包含される化合物を調製する方法は、イタリア特許出願BO 96 A 000063 に開示されている。この特許出願は、これらの化合物をガス固定 に使用すること、この化合物から成る複合材料、この化合物で製造されたフィル ム、この化合物を含むガス固定装置、ならびにこの化合物から成る電気的および 光学的なガス濃度センサを記載している。 本発明による触媒燃焼用の触媒は、より高価な貴金属で提供されるものに比べ て高活性であり、温度と極端な動作条件に対して高耐性であり、低価格で、化合 物や薄膜の形態においてさえ製造が容易であることによって特徴づけられる。更 に、これまでに知られているいかなる材料と異なって、これらは、一酸化炭素C Oとの関連で、二酸化炭素CO2に対して完全に選択的である。このことは、本 発明による触媒に対するいかなる動作条件においても、反応によって製造され る炭素酸化物はCO2のみであるということを意味する。 本発明は、また、本発明の触媒を使用するVOCの完全酸化方法に関する。 本発明によるVOCの完全酸化方法は、燃焼室または後燃焼室(afterburning chambers)または燃焼ガス室の中におけるVOCの完全酸化に関する。 酸化反応は固定床または流動床の中で起こる。 本発明の触媒は、VOCを完全酸化に導く。このように、VOCの酸化によっ て生成したガス混合物は一酸化炭素を含まず二酸化炭素のみを含んでいる。この ようにして、一酸化炭素を除去するための作業、および環境中の一酸化炭素の存 在に関する公知の好ましくない必然的な結果が回避される。更には、一酸化炭素 を二酸化炭素に酸化することにより、VOCの酸化反応の全ポテンシャルは利用 され、エネルギーの点で明らかに有利である。 出願人は、本発明の触媒の存在下における全体のVOC酸化反応は、低温下で あっても高い転化率で起こることを見出している。 更に、出願人は、本発明の触媒は酸素が顕著に不足することを伴う状態におい てさえ、VOCの完全な酸化を可能にすることを見出している。 また、本発明による触媒の触媒活性は、高温(例えば920℃まで)までの反 応下で事前に加熱され、そして環境温度に冷却することによって否定的な影響を 受けないことも明らかとなっている。 更に、反応選択性データの分析は、本発明の触媒が250℃より高い温度で、 また最低の酸素濃度においてさえCOを直接CO2に転換できることを示唆して いる。 本発明の触媒と本発明の酸化方法は、以後、実施例を用いてより詳細に記述さ れるであろうが、これらの例は限定しない例によってのみ提供されている。 実施例1 メタンの触媒酸化 分子反応性の観点からすると、メタンは酸化が困難であると考えられる。要求 される反応条件は、他のパラフィン類、オレフィン類、または揮発性有機化合物 と比べるならば、極端に厳しい。行われた試験は、本発明の化合物が比較的低 温でメタンを酸化できることを示した:このことは、本発明の化合物の優れた完 全酸化能を示す指標である。他の揮発性有機化合物に関しては、メタンで観測さ れたよりも顕著に低い温度で完全燃焼が起こるものと考えられる。このことは、 ブタンで行った試験で確認されたし、それゆえ、他のVOCにも敷衍することが できる。 メタンの触媒燃焼用の試験には、Ba2Cu3O6を含有する触媒が用いられた 。試験は、直径4 mm で、20メッシュと30メッシュの間の大きさを有する顆 粒の触媒500 mg を収容する固定床石英マイクロ反応器の中で行われる。この 触媒は、活性な化合物3.5重量%(17.5 mg)を含有する不活性な多孔質基 材(Al2O3)によって構成されている複合材料である。1回目の試験ではメタ ン濃度が2体積%に等しくなるように、また2回目の試験では4体積%と等しく なるように、メタンと空気が反応器に供給される。 試験は大気圧下で、また、GHSV(1時間当りのガスの空間速度:1時間当 りに供給される体積流量/触媒の体積または重量)(gas bourly space velocit y)として表現される空間速度を1回目の試験においては80000 cm3/g・h r、2回目の試験においては40000 cm3/g・hrで行われる。反応生成物の 混合物は、ガスクロマトグラフィーで分析された。両方の試験で形成された生成 物は、二酸化炭素と水のみであった。 1回目と2回目の試験の結果はそれぞれ図1と図2で与えられ、そこでの用語 “転化率”は供給されたメタンのモル数に対する転化したメタンのモル数におけ る百分率に関する。表現“設定温度(set temperature)”は反応器に供給され たガス混合物の温度に関し、また、表現“測定温度”は反応器の出口でのガス混 合物の温度に関し、これは触媒の温度に等しいと考えられる。 実施例2 熱サイクルにおける燃焼試験 実施例の触媒が熱サイクルで行われたメタンの触媒燃焼に使用された。試験は 、直径が4 mm で20メッシュと30メッシュの間の大きさを有する顆粒触媒( 実施例1の触媒と同じ)の500 mg が収容されている石英の固定床マイクロ反 応器の中で行われた。メタンと空気が、メタン濃度が2体積%となるように反応 器に供給される。 試験は大気圧下で、かつGHSVとして表現される空間速度90000 cm3/ g・hr で行われる。触媒活性は、温度の関数として分析され、それゆえ、反応 温度は920℃に昇温され、触媒はこれらの条件下に5時間保持された。最後に 、全体は400℃に冷却され、触媒活性が温度の関数として分析された。反応生 成物の混合物はガスクロマトグラフィーで分析された。形成された生成物は二酸 化炭素と水のみであった。活性試験の結果は表Aに与えられており、そこにおけ る用語“転化率”は供給されたメタンのモル数に対する転化したメタンのモル数 の百分率に関する。 表A 熱サイクル試験 熱サイクルの終了時点でも、活性は変化しなかったし、また、取出した触媒は 116m2/gである表面積を示し、122m2/gである最初の値に対し変化し なかった。 この試験は、本発明で使用される触媒の良好な熱安定性を明示する。 実施例3 還元条件下におけるメタンの燃焼試験 メタンの燃焼試験において、実施例の触媒が酸素不足条件下で使用された。試 験は、直径が4 mm で、20メッシュと30メッシュの間の大きさを有する顆粒 の触媒(実施例1の触媒と同じ)の200 mg が収容されている固定床石英マ イクロ反応器の中で行われる。反応器に、メタンと酸素の比が1回目の試験では 2(体積/体積)、2回目の試験では5(体積/体積)であるようにメタンと空 気が供給される。 試験は大気圧下で、かつGHSVで表現される空間速度40000 cm3/g・ hrで行われる。反応生成物の混合物はガスクロマトグラフィーで分析された。 得られた生成物は二酸化炭素と水のみであった。 活性試験の結果は、図3と図4に表示されており、ここで、用語“転化率”は 供給されたメタンのモル数に対する転化したメタンのモル数の百分率に関する。 酸素不足条件下で行われたメタン燃焼試験においてCOの完全な不存在が特に 顕著である。低温で、また化学量論比より充分に少ない酸素量でのメタンの燃焼 は、一般に、COのような不完全燃焼生成物の形成を導く。それゆえ、COが完 全に存在していないことは、CO2とH2Oのような完全燃焼生成物のみが、厳し い条件においてさえ、また通常の利用範囲を外れていてさえも生成することを確 実にする。この結果は、現在使用している触媒では、CO2への燃焼を促進する ために極めて過剰の酸素で操業することが必要であるため、とくに適切なことで ある。請求している触媒は低い酸素/VOC比で動作することができる:このこ とは、燃焼効率を反応雰囲気の酸化能から独立せしめ、また、このことは疑いも なく有利な事実である。 実施例4 n−ブタンの触媒燃焼 試験は、大気圧で作動する実験室の流量反応器の中で行われた。直径約0.5 mmの粒を有する多孔質な不活性基材(Al2O3)に70 mg のBa2Cu3O6 を有する触媒2gが負荷される。空気にn−ブタン(1.7モル%)で構成され た混合物が、0.7秒と4.4秒の間で変化できる接触時間(触媒体積と標準状 態で測定される体積供給流量との比として表現される。表Bに示されている結果 )となるように、または、接触時間を4.4秒に設定しそして320℃と480 ℃の間で変化できる温度(表Bに示されている結果)となるように供給される。 n−ブタンの点火温度は表のデータから推定され、それは280℃と300℃の 間にある。表B n−ブタンの酸化 H2OとCO2によってのみ構成されている燃焼生成物の中には、一酸化炭素は 全く観察されていない。 表Bは、n−ブタンの転化率(反応したモル数/供給されたモル数)の百分率 を表示し、また、CO2の収率(CO2の製造されたモル数/n−ブタン*4の供給 モル数)を表示している。この実施例の実験の特徴は、メタン酸化のために与え られた実施例との関係で、転化効率が減じている。事実、層流と反応生成物の自 己拡散による制限が効率を下げているが、それでも非常に高い効率を保持してい る。 本発明の触媒と本発明によるVOCの完全燃焼は、ガス状の有機化合物や低温 で蒸発する有機化合物が低温での完全燃焼を達成することに対し良好な結果をも って使用することができる。本発明の触媒のCO2選択率は特異な特性である。 VOC、とくに炭化水素類の触媒による酸化は、燃焼に対して特異的ではなく、 通常は、COとCO2の両方の形成を導く。この両生成物は、通常適用されてい る条件下において、熱力学的に容易に生成し、そしてそれゆえ、それらの比は通 常動力学的因子によって条件づけられる。したがって、CO2形成における触媒 の特異性は、活性点の特性と結びつけられる。事実、CO2は、接触時間を変え て行った試験で明らかなように、主生成物であり、そしてそれゆえ、COが中間 で生成した結果ではない。また、VOCの部分酸化によって製造される例えば一 酸化炭素のような一次の一酸化炭素は250℃より上の温度で、低酸素濃度下で 効率的に二酸化炭素に転化されるということを想定することも正当である。 本発明の触媒とガス状の有機化合物の酸化方法は、エンジンの分野と内燃エン ジンを備えた自動車の分野への重要な適用を含め、例えば電力発電用の非常に大 規模な分野から家庭用の小さな燃焼器に至るまでの全ての方法で発生する燃焼ガ スから多くの有害な成分を減ずるか除去するために使用することができる。 CO2収率の選択性もまた、燃焼生成物中のCOの存在が深刻な健康障害にな ると知られている密閉空間用の燃焼器(ガスストーブ、衛生用の湯沸かし、調理 道具など)に、本発明の触媒の使用をとくに興味深いものにさせている。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項 【提出日】1998年4月17日(1998.4.17) 【補正内容】 請求の範囲 1.式:A2B3O6 ±dを有する化合物から成り、 前記化合物が、Ba2Cu3O6 ±d、Na2Ti3O7およびLA2Ti3O7と異なる ならば、Aはアルカリ土類金属、アルカリ金属、ランタニド、またはそれらの固 溶体であり、Bは遷移金属、III族元素、またはそれらの固溶体であり、そして dは0と1の間の値を有している、揮発性有機化合物(VOC)、とりわけ炭化 水素類とCOのCO2への完全酸化用触媒。 2.AはBa,Cs,K,Sr,ランタニド、およびそれらの固溶体によって 構成される群から選ばれる請求項1の触媒。 3.BはCu,Ni,Mn,Fe,Pd,Ti,Al,Ga,Zn,Co、お よびそれらの固溶体によって構成される群から選ばれる請求項1の触媒。 4.前記化合物は、式:(Ba2-xAx)CU3O6 ±d (Aはアルカリ金属、アルカリ土類金属またはランタニドである) を有することを特徴とする請求項1の触媒。 5.前記化合物は、式:(Ba2-xSrx)Cu3O6 ±d、0<x<0.75を 有することを特徴とする請求項1の触媒。 6.前記化合物は、式:Ba2(Cu3-yBy)O6 ±d、0<y<1 (Bは遷移金属またはIII族元素である) を有することを特徴とする請求項1の触媒。 7.前記化合物は、式:Ba2(Cu3-yNiy)O6 ±d、0<y<1を有する ことを特徴とする請求項1の触媒。 8.前記化合物は、式:Ba2(Cu3-yPdy)O6 ±d、0<y<0.33を 有することを特徴とする請求項1の触媒。 9.請求項1〜請求項9の触媒の1種または2種以上から成る触媒であって、 それは他の材料に担持され、前記1種または2種以上の触媒は薄膜の形態または 複合材の形態になっている。 10.式:A2B3O6 ±d (Aはアルカリ土類金属、アルカリ金属、ランタニド、またはそれ らの固溶体であり、Bは遷移金属、III族元素、またはそれらの固 溶体であり、dは0と1の間の値を有している) を有する化合物から成る触媒が使用されることを特徴とする、揮発性有機化合物 、とりわけ炭化水素類を完全酸化する方法。 11.式:A2B3O6 ±d (Aはアルカリ土類金属、アルカリ金属、ランタニド、またはそれ らの固溶体であり、Bは遷移金属、III族元素、またはそれらの固 溶体であり、dは0と1の間の値を有している) を有する化合物から成る触媒が使用されることを特徴とする一酸化炭素を二酸化 炭素に転化する方法。 12.式:A2B3O6 ±d (Aはアルカリ土類金属、アルカリ金属、ランタニド、またはそれ らの固溶体であり、Bは遷移金属、III族元素、またはそれらの固 溶体であり、dは0と1の間の値を有している) を有する化合物を、揮発性有機化合物(VOC)、とりわけ炭化水素類とCOの CO2への完全酸化用触媒として使用する方法。 13.前記化合物は、式:Ba2Cu3O6 ±d有することを特徴とする請求項1 2の使用する方法。 14.前記化合物は、式:(Ba2-xAx)Cu3O6 ±d (Aはアルカリ金属、アルカリ土類金属またはランタニドである) を有することを特徴とする請求項12の使用する方法。 15.前記化合物は、式:(Ba2-xSrx)Cu3O6 ±d、0<x<0.75 を有することを特徴とする請求項12の使用する方法。 16.前記化合物は、式:Ba2(Cu3-yBy)O6 ±d、0<y<1 (Bは遷移金属またはIII族元素である) を有することを特徴とする請求項12の使用する方法。 17.前記化合物は、式:Ba2(Cu3-yNiy)O6 ±d、0<y<1を有す ることを特徴とする請求項12の使用する方法。 18.前記化合物は、式:Ba2(Cu3-yPdy)O6 ±d、0<y<0.33 を有することを特徴とする請求項12の使用する方法。 19.式:A2B3O6 ±d (Aはアルカリ土類金属、アルカリ金属、ランタニド、またはそれ らの固溶体であり、Bは遷移金属、III族元素、またはそれらの固 溶体であり、dは0と1の間の値を有している) を有する化合物を、揮発性有機化合物(VOC)、とりわけ炭化水素類とCOの CO2への完全酸化用触媒を調製するために使用する方法。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B01J 23/10 B01J 23/34 A 23/34 23/78 A 23/63 23/89 A 23/78 23/56 A 23/89 B01D 53/36 ZABG (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),AL,AU,BR,C A,CN,JP,KR,LT,LV,PL,RO,RU ,SI,US (72)発明者 カレスタニ、ジャンルカ イタリア国 43100 パルマ、ヴィア パ ウッロ 46 (72)発明者 カバニ、ファブリツィオ イタリア国 41100 モデナ、ヴィア エ ッセ.ジョバンニ ボスコ 78 (72)発明者 フォルナサリ、ジュゼッペ イタリア国 26100 クレモナ、ヴィア アンナ フランク 4

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.とくに炭化水素類である揮発性有機化合物とCOをCO2に完全酸化する ための触媒であり、この触媒は、 式:A2B3O6 ±d (Aはアルカリ土類金属、アルカリ金属、ランタニド、またはそれ らの固溶体であり、Bは遷移金属、III族元素、またはそれらの固 溶体であり、dは0と1の間の値を有する) を有する化合物である。 2.AはBa,Cs,K,Sr,ランタニド、およびそれらの固溶体から成る 群から選ばれることを特徴とする請求項1の触媒。 3.Bは、Cu,Ni,Mn,Fe,Pd,Ti,Al,Ga,Zn,Coお よびそれらの固溶体から成る群より選ばれることを特徴とする請求項1の触媒。 4.前記化合物は、式:Ba2CU3O6 ±dを有することを特徴とする請求項1 の触媒。 5.前記化合物は、式:(Ba2-xAx)CU3O6 ±d (Aはアルカリ金属、アルカリ土類金属またはランタニドである) を有することを特徴とする請求項1の触媒。 6.前記化合物は、式:(Ba2-xSrx)Cu3O6 ±d、0<x<0.75を 有することを特徴とする請求項1の触媒。 7.前記化合物は、式:Ba2(Cu3-yBy)O6 ±d、0<y<1 (Bは遷移金属またはIII族元素である) を有することを特徴とする請求項1の触媒。 8.前記化合物は、式:Ba2(Cu3-yNiy)O6 ±d、0<y<1を有する ことを特徴とする請求項1の触媒。 9.前記化合物は、式:Ba2(Cu3-yPdy)O6 ±d、0<y<0.33を 有することを特徴とする請求項1の触媒。 10.請求項1〜請求項9の触媒の1種または2種以上で構成された複合触媒 で、それは、不活性でかつ機能的な他の材料の上に、複合材料または薄膜の形態 で何らかの方法で支持されている複合触媒。 11.請求項1〜請求項10の1つの触媒が使用されることを特徴とする揮発 性有機化合物、とりわけ炭化水素類の完全酸化方法。 12.請求項1〜請求項10の触媒が使用されることを特徴とする一酸化炭素 を二酸化炭素に転化する方法。 13.揮発性有機化合物(VOC)、とくに炭化水素およびCOの完全酸化用 の触媒として、 式:A2B3O6 ±d (Aはアルカリ土類金属、アルカリ金属、ランタニド、またはそれ らの固溶体であり、Bは遷移金属、III族元素、またはそれらの固 溶体であり、dは0と1の間の値を有する) を有する化合物を使用する方法。 14.前記化合物は、式:Ba2CU3O6 ±dを有することを特徴とする請求項 13の使用する方法。 15.前記化合物は、式:(Ba2-xAx)Cu3O6 ±d (Aはアルカリ金属、アルカリ土類金属またはランタニドである。) を有することを特徴とする請求項13の使用する方法。 16.前記化合物は、式:(Ba2-xAx)Cu3O6 ±d、0<x<0.75を 有することを特徴とする請求項13の使用する方法。 17.前記化合物は、式:Ba2(CU3-yBy)O6 ±d、0<y<1 (Bは遷移金属またはIII族元素である) を有することを特徴とする請求項13の触媒。 18.前記化合物は、式:Ba2(Cu3-yNiy)O6 ±d、0<y<1を有す ることを特徴とする請求項13の触媒。 19.前記化合物は、式:Ba2(Cu3-yPdy)O6 ±d、0<y<0.33 を有することを特徴とする請求項13の触媒。 20.揮発性有機化合物(VOC)、とくに炭化水素およびCOの完全酸化用 の触媒を調製するために、 式:A2B3O6 ±d (Aはアルカリ土類金属、アルカリ金属、ランタニド、またはそれ らの固溶体であり、Bは遷移金属、III族元素、またはそれらの固 溶体であり、dは0と1の間の値を有する) を有する化合物を使用する方法。
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