JP2015168644A - エタノールからのブタジエン合成に有効な金属添加MgO−SiO2触媒の調製条件の改良 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡便且つ工業的に有利な方法でエタノールから1,3−ブタジエンを製造する方法を提供する。【解決手段】本発明の1,3−ブタジエンの製造方法は、加熱下で、少なくともエタノールを含む原料を、マグネシウムシリケート構造を有する触媒に接触させることにより1,3−ブタジエンを得る1,3−ブタジエンの製造方法であって、前記触媒が、下記(A)〜(E)から選択される少なくとも1つの条件を具備した水熱合成法により得られるものである。(A)水熱処理温度が120℃以上(B)水熱処理時間が50〜200時間(C)水熱処理時のマグネシウム濃度が1.6〜2.4mol/L(D)均一沈殿剤(濃度:2.5mol/L以上)の存在下で水熱処理を行う(E)焼成処理温度が450℃を超え、700℃以下【選択図】なし
Description
本発明は、自動車産業分野、電子材料分野を含む多くの産業分野において重要な合成ゴムの原料である1,3−ブタジエンをエタノールからワンパスで製造する新規な1,3−ブタジエンの製造方法に関する。
従来、1,3−ブタジエンは主に石油からエチレンを合成(=ナフサクラッキング)する際に副生するC4留分を精製することにより製造されてきた。しかし、近年、石油から得られる化学工業原料に代えて、バイオマス由来原料から誘導された化学工業原料が注目されており、例えば、サトウキビやトウモロコシなどのバイオマス由来のバイオエタノールを1,3−ブタジエンに変換する技術が切望されている。
エタノールを原料として1,3−ブタジエンを得る方法としては、触媒としてMgOを使用する方法(特許文献1)、Al2O3とZnOの混合物(混合比:60/40)を使用する方法(非特許文献1)等が知られている。しかし、製造技術がナフサクラッキングに比べ繊細で確立されていないこと、触媒が熱により劣化し易くリサイクルが困難であるためコストが嵩むこと、エタノールの変換効率が低く、1,3−ブタジエンの収率が低いこと等から、石油から得られる化学工業原料を使用した製造方法に対抗できる利点を見出すことができず、実用化が進まないのが現状である。
ジャーナル・オブ・キャタリスト第5巻152頁(1967年)
従って、本発明の目的は、簡便且つ工業的に有利な方法でエタノールから1,3−ブタジエンを得る1,3−ブタジエンの製造方法を提供することにある。
本発明者等は上記課題を解決するため鋭意検討した結果、加熱環境下でエタノールを特定の触媒に接触させると、極めて優れた選択率で1,3−ブタジエンが得られることを見いだした。本発明はこれらの知見に基づいて完成させたものである。
すなわち、本発明は、加熱下で、少なくともエタノールを含む原料を、マグネシウムシリケート構造を有する触媒に接触させることにより1,3−ブタジエンを得ることを特徴とする1,3−ブタジエンの製造方法であって、前記マグネシウムシリケート構造を有する触媒が、マグネシウム化合物と珪素化合物とを含む混合液を水熱処理に付し、その後焼成処理に付す水熱合成法であって、下記(A)〜(E)から選択される少なくとも1つの条件を具備した水熱合成法により得られるものであることを特徴とする1,3−ブタジエンの製造方法を提供する。
(A)水熱処理温度が120℃以上
(B)水熱処理時間が50〜200時間
(C)水熱処理に付す混合液中のマグネシウム化合物濃度(マグネシウム換算)が1.6〜2.4モル/L
(D)均一沈殿剤の存在下(水熱処理に付す混合液中の均一沈殿剤の濃度:2.5モル/L以上)で水熱処理を行う
(E)焼成処理温度が450℃を超え、700℃以下
(A)水熱処理温度が120℃以上
(B)水熱処理時間が50〜200時間
(C)水熱処理に付す混合液中のマグネシウム化合物濃度(マグネシウム換算)が1.6〜2.4モル/L
(D)均一沈殿剤の存在下(水熱処理に付す混合液中の均一沈殿剤の濃度:2.5モル/L以上)で水熱処理を行う
(E)焼成処理温度が450℃を超え、700℃以下
本発明は、また、触媒を構成するマグネシウムと珪素の元素比(モル比:前者/後者)が0.7〜2.0である前記の1,3−ブタジエンの製造方法を提供する。
本発明は、また、触媒を構成する元素として、マグネシウムと珪素以外に、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ニオブ、銀、インジウム、及びセリウムから選択される少なくとも1種を含有する前記の1,3−ブタジエンの製造方法を提供する。
本発明は、また、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ニオブ、銀、インジウム、及びセリウムから選択される少なくとも1種の元素の含有量(金属元素換算量)が触媒全量の0.1〜5.0重量%である前記の1,3−ブタジエンの製造方法を提供する。
本発明に係る1,3−ブタジエンの製造方法によれば、簡便な方法でエタノールから1,3−ブタジエンを選択的に、且つ効率よく製造することができる。また、本発明において使用する触媒は熱により劣化し難く、繰り返し利用することができる。そのため、本発明に係る1,3−ブタジエンの製造方法は、エタノールから、多くの産業分野において重要な合成ゴムの原料である1,3−ブタジエンを工業的に製造する方法として好適に使用することができる。
[触媒]
本発明の触媒はマグネシウムシリケート構造を有することを特徴とする。前記マグネシウムシリケート構造とは、ブルサイト(Mg(OH)2)層をシリカ(SiO2)層で挟んだ形状であり、電気的に中性な各層が弱いファンデルワールス力でいくつも積み重なって形成されるタルク状の構造である(図1参照)。本発明の触媒は前記構造を有するため、正反応の活性点であるマグネシウムが反応基質との接触面に効率的に配置され、かつ、副反応を促進する強い酸点や塩基点がほとんど存在しないことにより、エタノールから1,3−ブタジエンを選択的に製造することができる。尚、触媒のマグネシウムシリケート構造は、X線回折スペクトルにより確認することができる。
本発明の触媒はマグネシウムシリケート構造を有することを特徴とする。前記マグネシウムシリケート構造とは、ブルサイト(Mg(OH)2)層をシリカ(SiO2)層で挟んだ形状であり、電気的に中性な各層が弱いファンデルワールス力でいくつも積み重なって形成されるタルク状の構造である(図1参照)。本発明の触媒は前記構造を有するため、正反応の活性点であるマグネシウムが反応基質との接触面に効率的に配置され、かつ、副反応を促進する強い酸点や塩基点がほとんど存在しないことにより、エタノールから1,3−ブタジエンを選択的に製造することができる。尚、触媒のマグネシウムシリケート構造は、X線回折スペクトルにより確認することができる。
本発明の触媒を構成するマグネシウムと珪素の元素比(モル比:前者/後者)としては、例えば0.7〜2.0、好ましくは0.8〜1.5、特に好ましくは0.9〜1.2である。Mg/Si元素比が上記範囲を上回ると、触媒の比表面積が低下し、エタノール転化率が低下する傾向がある。一方、Mg/Si元素比が上記範囲を下回ると、触媒上の酸点が増加し、エタノールからエチレンへの脱水反応(副反応)が促進される傾向がある。
また、本発明の触媒を構成する元素としては、マグネシウムと珪素以外にも他の元素を1種又は2種以上含有していてもよい。本発明の触媒としては、前記他の元素として、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ニオブ、銀、インジウム、及びセリウムから選択される少なくとも1種を含有することが、エタノールの転化率を向上させることにより一層優れた収率で1,3−ブタジエンを製造することができる点で好ましく、特に、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、銀、及びインジウムから選択される少なくとも1種を含有することが、エタノールの転化率と共に1,3-ブタジエンの選択率を向上させることにより特に優れた収率で1,3-ブタジエンを製造することができる点で好ましい。
本発明の触媒に含まれるマグネシウムと上記他の元素の比(モル比、前者:後者)としては、例えば99.9:0.1〜25:75、好ましくは99:1〜50:50、特に好ましくは98:2〜90:10である。
上記他の元素の含有量(金属元素換算量)は、触媒全量(100重量%)において、例えば0.1〜5.0重量%、好ましくは0.5〜5.0重量%、特に好ましくは1.0〜5.0重量%である。他の元素の含有量が上記範囲を上回ると、前述の反応工程の特定の段階のみが促進されすぎたり、副反応が促進されたりして、1,3−ブタジエンの選択率が低下する傾向がある。
本発明の触媒の粒径としては、例えば、粒径は20メッシュ(目開き:0.85mm)以上、10メッシュ(目開き:2.0mm)以下(すなわち、10メッシュの篩を通過し、20メッシュの篩上に残る粒子の大きさ)である。
本発明の触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物とを含む混合液を水熱処理に付し、その後焼成処理に付す水熱合成法であって、下記(A)〜(E)から選択される少なくとも1つの条件を具備した水熱合成法を経て製造される。
(A)水熱処理温度が120℃以上
(B)水熱処理時間が50〜200時間
(C)水熱処理に付す混合液中のマグネシウム化合物濃度(マグネシウム換算)が1.6〜2.4モル/L
(D)均一沈殿剤の存在下(水熱処理に付す混合液中の均一沈殿剤の濃度:2.5モル/L以上)で水熱処理を行う
(E)焼成処理温度が450℃を超え、700℃以下
(A)水熱処理温度が120℃以上
(B)水熱処理時間が50〜200時間
(C)水熱処理に付す混合液中のマグネシウム化合物濃度(マグネシウム換算)が1.6〜2.4モル/L
(D)均一沈殿剤の存在下(水熱処理に付す混合液中の均一沈殿剤の濃度:2.5モル/L以上)で水熱処理を行う
(E)焼成処理温度が450℃を超え、700℃以下
前記マグネシウム化合物としては、例えば、水酸化マグネシウム、硝酸マグネシウム、蓚酸マグネシウム等を挙げることができる。これらは1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
前記珪素化合物としては、例えば、珪酸(例えば、コロイダルシリカ、ヒュームドシリカ等)、テトラエチルオルソシリケート等を挙げることができる。これらは1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
水熱処理に付す混合液中のマグネシウム化合物濃度(マグネシウム換算)は、1.6〜2.4モル/L(好ましくは1.7〜2.0モル/L)であることが好ましい。マグネシウム化合物濃度が上記範囲を上回ると、マグネシウムシリケートの結晶成長が促進されず、反応に対する活性点が形成され難くなる傾向がある。一方、マグネシウム化合物濃度が上記範囲を下回ると、結晶が成長しすぎることにより比表面積が小さくなり、反応活性が低下する傾向がある。
構成元素としてマグネシウムと珪素以外に上記他の元素を含有する触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物と共に他の元素を含有する化合物を水熱処理に付すことによって製造することができる。
例えば、他の元素としてコバルトを含有する触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物と共に、コバルトを含有する化合物(例えば、硝酸コバルト(II)六水和物、酢酸コバルト(II)四水和物、硫酸コバルト(II)七水和物等)を水熱処理に付すことにより製造することができる。
他の元素としてニッケルを含有する触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物と共に、ニッケルを含有する化合物(例えば、硝酸ニッケル六水和物、硫酸ニッケル(II)等)を水熱処理に付すことにより製造することができる。
他の元素として銅を含有する触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物と共に、銅を含有する化合物(例えば、硝酸銅(II)三水和物、硫酸銅(II)五水和物等)を水熱処理に付すことにより製造することができる。
他の元素として亜鉛を含有する触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物と共に、亜鉛を含有する化合物(例えば、硝酸亜鉛六水和物、塩基性炭酸亜鉛、硫酸亜鉛七水和物等)を水熱処理に付すことにより製造することができる。
他の元素としてガリウムを含有する触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物と共に、ガリウムを含有する化合物(例えば、硝酸ガリウム水和物、水酸化ガリウム等)を水熱処理に付すことにより製造することができる。
他の元素として銀を含有する触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物と共に、銀を含有する化合物(例えば、硝酸銀、硫酸銀等)を水熱処理に付すことにより製造することができる。
他の元素としてインジウムを含有する触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物と共に、インジウムを含有する化合物(例えば、硝酸インジウム等)を水熱処理に付すことにより製造することができる。
例えば、他の元素としてコバルトを含有する触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物と共に、コバルトを含有する化合物(例えば、硝酸コバルト(II)六水和物、酢酸コバルト(II)四水和物、硫酸コバルト(II)七水和物等)を水熱処理に付すことにより製造することができる。
他の元素としてニッケルを含有する触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物と共に、ニッケルを含有する化合物(例えば、硝酸ニッケル六水和物、硫酸ニッケル(II)等)を水熱処理に付すことにより製造することができる。
他の元素として銅を含有する触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物と共に、銅を含有する化合物(例えば、硝酸銅(II)三水和物、硫酸銅(II)五水和物等)を水熱処理に付すことにより製造することができる。
他の元素として亜鉛を含有する触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物と共に、亜鉛を含有する化合物(例えば、硝酸亜鉛六水和物、塩基性炭酸亜鉛、硫酸亜鉛七水和物等)を水熱処理に付すことにより製造することができる。
他の元素としてガリウムを含有する触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物と共に、ガリウムを含有する化合物(例えば、硝酸ガリウム水和物、水酸化ガリウム等)を水熱処理に付すことにより製造することができる。
他の元素として銀を含有する触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物と共に、銀を含有する化合物(例えば、硝酸銀、硫酸銀等)を水熱処理に付すことにより製造することができる。
他の元素としてインジウムを含有する触媒は、マグネシウム化合物と珪素化合物と共に、インジウムを含有する化合物(例えば、硝酸インジウム等)を水熱処理に付すことにより製造することができる。
また、水熱処理は均一沈殿剤の存在下で行うことが好ましい。すなわち、水熱処理に付す混合液には、マグネシウム化合物と珪素化合物、及び必要に応じて他の元素を含有する化合物以外に、均一沈殿剤を含有することが好ましい。前記均一沈殿剤としては、例えば、尿素、ヘキサミン等を挙げることができる。これらは1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
前記均一沈殿剤の濃度としては、水熱処理に付す混合液中において、例えば2.5モル/L以上、好ましくは4.0モル/L以上である。尚、均一沈殿剤の濃度の上限は、例えば10.0モル/L程度である。均一沈殿剤を上記範囲で使用することにより、pHを均一な状態でスイングさせ、結晶核を一様に発生させることができ、珪素との混合酸化物結晶にマグネシウムを取り込みやすく、1,3−ブタジエンの選択性に優れた触媒を効率よく製造することができる。
上記マグネシウム化合物と珪素化合物の水熱合成は酸性水溶液の存在下で行うことが好ましい。すなわち、水熱処理に付す混合液には、マグネシウム化合物と珪素化合物、及び必要に応じて他の元素を含有する化合物や均一沈殿剤以外に、更に、酸性水溶液を含有することが好ましい。前記酸性水溶液としては、例えば、硝酸水溶液、硫酸水溶液等を挙げることができる。これらは1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。前記酸性水溶液の使用量としては、マグネシウム化合物と珪素化合物の総重量の例えば1〜3重量倍程度、好ましくは1〜1.5重量倍である。
水熱処理温度としては、例えば120℃以上(好ましくは150℃以上、より好ましくは150℃超、更に好ましくは155℃以上、特に好ましくは160℃以上、最も好ましくは170℃以上)、220℃以下(好ましくは210℃以下、特に好ましくは200℃以下、最も好ましくは200℃未満)である。上記範囲で水熱処理を施すことにより得られる触媒は、マグネシウムシリケートの結晶成長が適度に促進され、反応に対する活性点が多く形成されることにより、1,3−ブタジエンの選択率が向上する。
水熱処理時の圧力は、例えば0.3MPa以上、好ましくは0.5MPa以上である。
水熱処理時間は、例えば50〜200時間、好ましくは50〜195時間、より好ましくは70〜192時間、特に好ましくは96〜192時間、最も好ましくは100〜192時間である。水熱処理を上記時間施すことにより得られる触媒は、比表面積が大きく、且つマグネシウムシリケートの結晶成長が適度に促進され、反応に対する活性点が多く形成されることにより、1,3−ブタジエンの選択率が向上する。一方、水熱処理時間が上記範囲を下回ると、マグネシウムシリケートの結晶成長が促進されず、反応に対する活性点が形成され難くなる傾向があり、水熱処理時間が上記範囲を上回ると、結晶が成長しすぎることにより、比表面積が小さくなり、反応活性が低下する傾向がある。
水熱合成終了後は、焼成処理の前に乾燥処理を施しても良い。前記乾燥処理は、例えば、60〜80℃で48時間以上の乾燥を行った後、更に120〜200℃で0.5〜3時間程度の乾燥させることにより行うことができる。また、乾燥処理後は、粉砕処理を施す工程を設けてもよい。
焼成処理温度としては、例えば450℃を超え、700℃以下、好ましくは450℃を超え650℃未満、特に好ましくは470〜630℃、最も好ましくは500〜600℃である。焼成処理温度が上記範囲を上回ると、酸点が増加することによりエチレンの副生が増加し、1,3−ブタジエンの選択率が低下する傾向がある。一方、焼成処理温度が上記範囲を下回ると、COxの副生が増加し、1,3−ブタジエンの選択率が低下する傾向がある。
前記焼成処理時間は、例えば1〜5時間程度である。
[原料]
本発明の原料は少なくともエタノールを含む。前記エタノールとしては、特に限定されることが無く、例えば、サトウキビやトウモロコシなどのバイオマス由来のエタノールや、石油若しくは天然ガス由来のエタノールなどを挙げることができる。本発明においては、特に、バイオマス由来のエタノールを使用することが、多くの産業分野において重要な合成ゴムの原料である1,3−ブタジエンを地球温暖化の主な原因とされている温室効果ガスの排出量を抑制しつつ製造することができる点で好ましい。
本発明の原料は少なくともエタノールを含む。前記エタノールとしては、特に限定されることが無く、例えば、サトウキビやトウモロコシなどのバイオマス由来のエタノールや、石油若しくは天然ガス由来のエタノールなどを挙げることができる。本発明においては、特に、バイオマス由来のエタノールを使用することが、多くの産業分野において重要な合成ゴムの原料である1,3−ブタジエンを地球温暖化の主な原因とされている温室効果ガスの排出量を抑制しつつ製造することができる点で好ましい。
また、本発明の原料は、エタノールと共にアセトアルデヒドを含有していてもよい。エタノールと共にアセトアルデヒドを含有することにより、より一層選択的かつ高収率に1,3−ブタジエンを得ることができる。エタノールと共にアセトアルデヒドを含有する場合、エタノールとアセトアルデヒドのモル比(前者:後者)は、例えば9.9:0.1〜5:5程度、好ましくは9:1〜5:5、特に好ましくは7:3〜5:5である。アセトアルデヒドの含有量が上記範囲を上回ると、未反応のアルデヒドが縮合や分解などの副反応で消費される傾向がある。
本発明の原料(100重量%)に占めるエタノール(エタノールと共にアセトアルデヒドを含有する場合は、エタノールとアセトアルデヒド)の割合は、例えば50重量%以上、好ましくは70〜100重量%、特に好ましくは85〜100%である。
[1,3−ブタジエンの製造方法]
本発明の1,3−ブタジエンの製造方法は、エタノールから1,3−ブタジエンを得る方法であって、加熱下で、上記原料を上記触媒に接触させることを特徴とする。
本発明の1,3−ブタジエンの製造方法は、エタノールから1,3−ブタジエンを得る方法であって、加熱下で、上記原料を上記触媒に接触させることを特徴とする。
本発明の1,3−ブタジエンの製造方法は、下記反応工程を経ると考えられる。
前記加熱の程度としては、反応系内の温度が、例えば300〜450℃、好ましくは350〜400℃となる程度である。反応系内の温度が上記範囲を下回ると、触媒活性が十分に得られなくなって反応速度が低下し製造効率が低下する傾向がある。一方、反応系内の温度が上記範囲を上回ると、触媒が劣化し易くなる恐れがある。
本発明の1,3−ブタジエンの製造方法は、回分式、半回分式、連続式等の慣用の方法により行うことができる。回分式又は半回分式を採用した場合は、原料の使用率を極めて高くすることができる。また、本発明に係る1,3−ブタジエンの製造方法は上記触媒を使用するため、連続式を採用しても、従来に比べて効率よく原料のエタノールを転化することができ、更に未反応原料を反応系に再利用することにより原料のエタノールの使用率を極めて高いレベルに向上させることができる。そのため、簡便且つ効率的に1,3−ブタジエンを分離、回収することができる連続式を採用することが好ましい。
連続式を採用する場合、触媒に対する原料の仕込み速度(W/F[g・min/mL]=(触媒重量)/(原料仕込速度))は、例えば、0.001〜0.1g・min/mL、好ましくは0.01〜0.05g・min/mL、特に好ましくは0.02〜0.04g・min/mLである。
原料を上記触媒に接触させる方法としては、例えば、懸濁床方式、流動床方式、固定床方式等を挙げることができる。また、本発明は、気相法、液相法のいずれであってもよい。本発明では、特に、大量合成が可能な点、運転作業負荷が軽い点、及び触媒の回収、再生処理が簡便な点で、上記触媒を反応管に充填して触媒層を形成し、原料をガスとして流通させて気相にて反応させる固定床式気相連続流通反応装置を用いることが好ましい。
気相で反応を行う場合、原料ガス(例えば、エタノールガス、エタノールガスとアセトアルデヒドガスの混合物)は、希釈することなく反応器に供給してもよく、窒素、ヘリウム、アルゴン、炭酸ガスなどの不活性ガスにより適宜希釈して反応器に供給してもよい。また、未反応原料は回収し、再利用してもよい。
反応圧力は、減圧から高圧の広い範囲で適宜設定できる。製造効率や装置構成などの観点から、1MPa(ゲージ圧)以下に設定することが好ましい。
反応終了後、反応生成物は、例えば、濾過、濃縮、蒸留、抽出等の分離手段や、これらを組み合わせた分離手段により分離精製することができる。
本発明の触媒は触媒活性成分が反応溶液中に溶出しにくく、懸濁床方式や流動床方式で触媒と原料を接触させた場合であっても、反応液から濾過、遠心分離等の物理的な分離手法により容易に回収することができる。
また、本発明の触媒は、反応器内において、例えば350〜500℃程度、好ましくは450〜500℃の加熱下において空気を流通させ、例えば1〜24時間、好ましくは3〜6時間の再生処理を行うことで、触媒活性が未使用の触媒に対して90%以上となるまで回復させることができ、再利用することができる。
本発明に係る1,3−ブタジエンの製造方法は、加熱下で、エタノールを含む原料を上記触媒に接触させるため、エタノールの転化率に優れ、且つ、優れた選択率で1,3−ブタジエンを製造することができる。
本発明の1,3−ブタジエンの製造方法は、一酸化炭素や二酸化炭素などの副生物の発生点である1つのマグネシウム原子に配位した孤立水酸基(Mg−OH)が少なく、1,3−ブタジエンの発生点である3つのマグネシウム原子に配位した孤立水酸基(Mg−OH)が多いため、選択的に1,3−ブタジエンを製造することができ、反応温度400℃、W/F=0.03g・min/mLの条件で反応させた際の反応開始後10分後の1,3−ブタジエンの選択率は、例えば30%以上、好ましくは40%以上、特に好ましくは50%以上である。
本発明の1,3−ブタジエンの製造方法は、上記のように1,3−ブタジエンの選択率が非常に高いので、未反応エタノールを反応系に再利用することにより、エタノール使用率を向上することができ、工業的に効率よく1,3−ブタジエンを製造することができる。
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
調製例1
0.1M硝酸水溶液10mLに硝酸マグネシウム六水和物(和光純薬工業(株)製)5.63g(0.022モル、反応系中のMg濃度:1.5モル/L)、及び尿素2.00g(反応系中の尿素濃度:2.2モル/L)を加え溶解するまで撹拌した。
得られた溶液にテトラエチルオルソシリケート(東京化成工業(株)製)5mL(0.022モル)を加え、溶液が均一になるまで撹拌した。
均一化した溶液を100mL圧力容器に移液し、密閉した後に、自圧下、100℃で48時間加熱した(水熱処理)。圧力容器中に形成したゲルを濾過することにより回収し、60℃で2日間、乾燥させ白色固体を得た。この固体を粉砕し、さらに170℃で1時間乾燥させた後に、450℃で2時間焼成して触媒(1)(Si:Mg(モル比)=1:1、粒径:20メッシュ以上、10メッシュ以下)を得た。
0.1M硝酸水溶液10mLに硝酸マグネシウム六水和物(和光純薬工業(株)製)5.63g(0.022モル、反応系中のMg濃度:1.5モル/L)、及び尿素2.00g(反応系中の尿素濃度:2.2モル/L)を加え溶解するまで撹拌した。
得られた溶液にテトラエチルオルソシリケート(東京化成工業(株)製)5mL(0.022モル)を加え、溶液が均一になるまで撹拌した。
均一化した溶液を100mL圧力容器に移液し、密閉した後に、自圧下、100℃で48時間加熱した(水熱処理)。圧力容器中に形成したゲルを濾過することにより回収し、60℃で2日間、乾燥させ白色固体を得た。この固体を粉砕し、さらに170℃で1時間乾燥させた後に、450℃で2時間焼成して触媒(1)(Si:Mg(モル比)=1:1、粒径:20メッシュ以上、10メッシュ以下)を得た。
調製例2
水熱処理温度を150℃とした以外は調製例1と同様にして、触媒(2)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
水熱処理温度を150℃とした以外は調製例1と同様にして、触媒(2)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
調製例3
水熱処理温度を175℃とした以外は調製例1と同様にして、触媒(3)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
水熱処理温度を175℃とした以外は調製例1と同様にして、触媒(3)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
調製例4
水熱処理温度を200℃とした以外は調製例1と同様にして、触媒(4)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
水熱処理温度を200℃とした以外は調製例1と同様にして、触媒(4)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
調製例5
水熱処理時間を24時間とした以外は調製例1と同様にして、触媒(5)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
水熱処理時間を24時間とした以外は調製例1と同様にして、触媒(5)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
調製例6
水熱処理時間を96時間とした以外は調製例1と同様にして、触媒(6)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
水熱処理時間を96時間とした以外は調製例1と同様にして、触媒(6)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
調製例7
水熱処理時間を192時間とした以外は調製例1と同様にして、触媒(7)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
水熱処理時間を192時間とした以外は調製例1と同様にして、触媒(7)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
調製例8
尿素を添加しなかった以外は調製例1と同様にして、触媒(8)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
尿素を添加しなかった以外は調製例1と同様にして、触媒(8)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
調製例9
尿素の添加量を1.00g(反応系中の尿素濃度:1.1モル/L)に変更した以外は調製例1と同様にして、触媒(9)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
尿素の添加量を1.00g(反応系中の尿素濃度:1.1モル/L)に変更した以外は調製例1と同様にして、触媒(9)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
調製例10
尿素の添加量を4.00g(反応系中の尿素濃度:4.4モル/L)に変更した以外は調製例1と同様にして、触媒(10)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
尿素の添加量を4.00g(反応系中の尿素濃度:4.4モル/L)に変更した以外は調製例1と同様にして、触媒(10)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
調製例11
硝酸マグネシウム六水和物の使用量を3.42g(0.013モル、反応系中のMg濃度:1モル/L)、テトラエチルオルソシリケートの使用量を3.0mL(0.013モル)に変更した調製例1と同様にして、触媒(11)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
硝酸マグネシウム六水和物の使用量を3.42g(0.013モル、反応系中のMg濃度:1モル/L)、テトラエチルオルソシリケートの使用量を3.0mL(0.013モル)に変更した調製例1と同様にして、触媒(11)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
調製例12
硝酸マグネシウム六水和物の使用量を6.52g(0.025モル、反応系中のMg濃度:1.6モル/L)、テトラエチルオルソシリケートの使用量を5.7mL(0.025モル)に変更した以外は調製例1と同様にして、触媒(12)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
硝酸マグネシウム六水和物の使用量を6.52g(0.025モル、反応系中のMg濃度:1.6モル/L)、テトラエチルオルソシリケートの使用量を5.7mL(0.025モル)に変更した以外は調製例1と同様にして、触媒(12)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
調製例13
硝酸マグネシウム六水和物の使用量を7.18g(0.028モル、反応系中のMg濃度:1.7モル/L)、テトラエチルオルソシリケートの使用量を6.3mL(0.028モル)に変更した以外は調製例1と同様にして、触媒(14)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
硝酸マグネシウム六水和物の使用量を7.18g(0.028モル、反応系中のMg濃度:1.7モル/L)、テトラエチルオルソシリケートの使用量を6.3mL(0.028モル)に変更した以外は調製例1と同様にして、触媒(14)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
調製例14
硝酸マグネシウム六水和物の使用量を9.51g(0.037モル、反応系中のMg濃度:2モル/L)、テトラエチルオルソシリケートの使用量を8.4mL(0.037モル)に変更した以外は調製例1と同様にして、触媒(14)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
硝酸マグネシウム六水和物の使用量を9.51g(0.037モル、反応系中のMg濃度:2モル/L)、テトラエチルオルソシリケートの使用量を8.4mL(0.037モル)に変更した以外は調製例1と同様にして、触媒(14)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
調製例15
硝酸マグネシウム六水和物の使用量を15.02g(0.058モル、反応系中のMg濃度:2.5モル/L)、テトラエチルオルソシリケートの使用量を13.2mL(0.058モル)を加えた以外は調製例1と同様にして、触媒(15)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
硝酸マグネシウム六水和物の使用量を15.02g(0.058モル、反応系中のMg濃度:2.5モル/L)、テトラエチルオルソシリケートの使用量を13.2mL(0.058モル)を加えた以外は調製例1と同様にして、触媒(15)(Si:Mg(モル比)=1:1)を得た。
調製例16
硝酸マグネシウム六水和物5.41g(0.021モル、反応系中のMg濃度:1.4モル/L)と共に硝酸亜鉛六水和物(和光純薬工業(株)製)を0.33g(0.001モル、反応系中のZn濃度:0.07モル/L)使用した以外は調製例1と同様にして、触媒(16)(Si:Mg:Zn(モル比)=1:0.95:0.05、触媒全量におけるZn含有量:3.2重量%)を得た。
硝酸マグネシウム六水和物5.41g(0.021モル、反応系中のMg濃度:1.4モル/L)と共に硝酸亜鉛六水和物(和光純薬工業(株)製)を0.33g(0.001モル、反応系中のZn濃度:0.07モル/L)使用した以外は調製例1と同様にして、触媒(16)(Si:Mg:Zn(モル比)=1:0.95:0.05、触媒全量におけるZn含有量:3.2重量%)を得た。
調製例17
焼成温度を550℃に変更した以外は調製例16と同様にして、触媒(17)(Si:Mg:Zn(モル比)=1:0.95:0.05、触媒全量におけるZn含有量:3.2重量%)を得た。
焼成温度を550℃に変更した以外は調製例16と同様にして、触媒(17)(Si:Mg:Zn(モル比)=1:0.95:0.05、触媒全量におけるZn含有量:3.2重量%)を得た。
調製例18
焼成温度を650℃に変更した以外は調製例16と同様にして、触媒(18)(Si:Mg:Zn(モル比)=1:0.95:0.05、触媒全量におけるZn含有量:3.2重量%)を得た。
焼成温度を650℃に変更した以外は調製例16と同様にして、触媒(18)(Si:Mg:Zn(モル比)=1:0.95:0.05、触媒全量におけるZn含有量:3.2重量%)を得た。
調製例19
硝酸マグネシウム六水和物5.63g(0.022モル、反応系中のMg濃度:1.5モル/L)と共に硝酸亜鉛六水和物(和光純薬工業(株)製)を0.21g(0.0007モル、反応系中のZn濃度:0.047モル/L)使用した以外は調製例1と同様にして、触媒(19)(Si:Mg:Zn(モル比)=1:1:0.032、触媒全量におけるZn含有量:2.5重量%)を得た。
硝酸マグネシウム六水和物5.63g(0.022モル、反応系中のMg濃度:1.5モル/L)と共に硝酸亜鉛六水和物(和光純薬工業(株)製)を0.21g(0.0007モル、反応系中のZn濃度:0.047モル/L)使用した以外は調製例1と同様にして、触媒(19)(Si:Mg:Zn(モル比)=1:1:0.032、触媒全量におけるZn含有量:2.5重量%)を得た。
調製例20
焼成温度を550℃に変更した以外は調製例19と同様にして、触媒(20)(Si:Mg:Zn(モル比)=1:1:0.032、触媒全量におけるZn含有量:2.5重量%)を得た。
焼成温度を550℃に変更した以外は調製例19と同様にして、触媒(20)(Si:Mg:Zn(モル比)=1:1:0.032、触媒全量におけるZn含有量:2.5重量%)を得た。
調製例21
焼成温度を650℃に変更した以外は調製例19と同様にして、触媒(21)(Si:Mg:Zn(モル比)=1:1:0.032、触媒全量におけるZn含有量:2.5重量%)を得た。
焼成温度を650℃に変更した以外は調製例19と同様にして、触媒(21)(Si:Mg:Zn(モル比)=1:1:0.032、触媒全量におけるZn含有量:2.5重量%)を得た。
上記調製例1〜4で得られた触媒についてX線回折を行った。結果を図2に示す。図2より、水熱処理温度が高いほどタルク状のマグネシウムシリケートの結晶相が成長していることがわかる。
上記調製例1、5〜7で得られた触媒についてX線回折を行った。結果を図3に示す。図3より、水熱処理時間が長いほどタルク状のマグネシウムシリケートの結晶相が成長していることがわかる。
上記調製例1、8〜10で得られた触媒についてX線回折を行った。結果を図4に示す。図4より、尿素添加量が多いほどタルク状のマグネシウムシリケートの結晶相が成長していることがわかる。
上記調製例1、11〜15で得られた触媒についてX線回折を行った。結果を図5に示す。図5より、水熱処理時のマグネシウム濃度が薄いほどタルク状のマグネシウムシリケートの結晶相が成長していることがわかる。
上記調製例16〜18で得られた触媒についてX線回折を行った。結果を図6に示す。図6より、焼成温度が高いほどタルク状のマグネシウムシリケートの結晶相が崩れていることがわかる。
上記調製例19〜21で得られた触媒についてX線回折を行った。結果を図7に示す。図7より、焼成温度が高いほどタルク状のマグネシウムシリケートの結晶相が崩れていることがわかる。
実施例1〜10、比較例1、2
調製例で得られた触媒を固定床式気相連続流通反応装置(反応器)に接続した6mmφのSUS製反応管に充填し、100mL/minのN2流通下で電気炉により450℃に加熱した。
1時間の前処理を行った後、電気炉温度を400℃に保持し、6.5%エタノール/N2ガスをW/F=0.03g・min・mL-1の速度で反応器に流通させて、反応させた。
反応開始後10分後、又は370分後の反応器出口ガス組成をガスクロマトグラフを使用して分析した。
尚、比較例1は調製例1、実施例1〜3は調製例2〜4、実施例4、5は調製例6、7比較例2は調製例8、実施例6は調整例10、実施例7〜9は調製例12〜14、比較例3は調製例15で得られた触媒を使用した。結果を下記表1〜5に示す。
調製例で得られた触媒を固定床式気相連続流通反応装置(反応器)に接続した6mmφのSUS製反応管に充填し、100mL/minのN2流通下で電気炉により450℃に加熱した。
1時間の前処理を行った後、電気炉温度を400℃に保持し、6.5%エタノール/N2ガスをW/F=0.03g・min・mL-1の速度で反応器に流通させて、反応させた。
反応開始後10分後、又は370分後の反応器出口ガス組成をガスクロマトグラフを使用して分析した。
尚、比較例1は調製例1、実施例1〜3は調製例2〜4、実施例4、5は調製例6、7比較例2は調製例8、実施例6は調整例10、実施例7〜9は調製例12〜14、比較例3は調製例15で得られた触媒を使用した。結果を下記表1〜5に示す。
実施例10〜12、比較例4、5
調製例で得られた触媒を、固定床式気相連続流通反応装置(反応器)に接続した6mmφのSUS製反応管に充填し、100mL/minのN2流通下で電気炉により450℃に加熱した。
1時間の前処理を行った後に電気炉温度を350℃に保持し、6.5%エタノール/N2ガスをW/F=0.03g・min・mL-1の速度で反応器に流通させて、反応させた。
尚、実施例10、11、12は調製例17、18、20で得られた触媒、比較例4、5は調製例16、19で得られた触媒を使用した。
反応開始後10分の反応器出口ガス組成をガスクロマトグラフおよびカールフィッシャー水分計にて分析した。結果を下記表6、7に示す。
調製例で得られた触媒を、固定床式気相連続流通反応装置(反応器)に接続した6mmφのSUS製反応管に充填し、100mL/minのN2流通下で電気炉により450℃に加熱した。
1時間の前処理を行った後に電気炉温度を350℃に保持し、6.5%エタノール/N2ガスをW/F=0.03g・min・mL-1の速度で反応器に流通させて、反応させた。
尚、実施例10、11、12は調製例17、18、20で得られた触媒、比較例4、5は調製例16、19で得られた触媒を使用した。
反応開始後10分の反応器出口ガス組成をガスクロマトグラフおよびカールフィッシャー水分計にて分析した。結果を下記表6、7に示す。
Claims (4)
- 加熱下で、少なくともエタノールを含む原料を、マグネシウムシリケート構造を有する触媒に接触させることにより1,3−ブタジエンを得ることを特徴とする1,3−ブタジエンの製造方法であって、前記マグネシウムシリケート構造を有する触媒が、マグネシウム化合物と珪素化合物とを含む混合液を水熱処理に付し、その後焼成処理に付す水熱合成法であって、下記(A)〜(E)から選択される少なくとも1つの条件を具備した水熱合成法により得られるものであることを特徴とする1,3−ブタジエンの製造方法。
(A)水熱処理温度が120℃以上
(B)水熱処理時間が50〜200時間
(C)水熱処理に付す混合液中のマグネシウム化合物濃度(マグネシウム換算)が1.6〜2.4モル/L
(D)均一沈殿剤の存在下(水熱処理に付す混合液中の均一沈殿剤の濃度:2.5モル/L以上)で水熱処理を行う
(E)焼成処理温度が450℃を超え、700℃以下 - 触媒を構成するマグネシウムと珪素の元素比(モル比:前者/後者)が0.7〜2.0である請求項1に記載の1,3−ブタジエンの製造方法。
- 触媒を構成する元素として、マグネシウムと珪素以外に、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ニオブ、銀、インジウム、及びセリウムから選択される少なくとも1種を含有する請求項1又は2に記載の1,3−ブタジエンの製造方法。
- バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ニオブ、銀、インジウム、及びセリウムから選択される少なくとも1種の元素の含有量(金属元素換算量)が触媒全量の0.1〜5.0重量%である請求項3に記載の1,3−ブタジエンの製造方法。
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2014
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