JP3081785B2 - 触媒反応装置及びそれを用いた触媒反応方法 - Google Patents

触媒反応装置及びそれを用いた触媒反応方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明に属する技術分野】本発明は触媒反応装置に関
し、特に、電場中で気相触媒反応を行わせるのに適した
触媒反応装置、及び、それを用いた極めて効率的な触媒
反応方法に関する。
【0002】
【従来技術】近年、自動車の排気ガス対策等、触媒が大
量生産や大量処理以外の用途に使用されるようになった
ことに従い、従来にもまして、コンパクト化、大きな負
荷変動への対応化、スタートアップの迅速化、エネルギ
ー利用の高効率化、及び低コスト化に対する要求が強く
なってきた。係る要求に答えるためには、速やかにエネ
ルギーを供給したり、その供給を停止することのできる
安価な触媒材料を設計することが必要となる。
【0003】係る観点から、触媒反応面を熱交換器の
伝熱面とすることにより反応熱の出入りを容易にするこ
と、(例えば、特開平2−144154号公報、同3−
80940号公報、同3−284356号公報、同3−
123532号公報、同4−200745号公報、同4
−354544号公報、同6−63423号公報等)、
及び、電気伝導性の反応面に電気エネルギーを供給し
て、反応温度や触媒活性を直接制御すること(特開平2
−227135号公報)が既に提案されている。
【0004】一方、例えばアンモニア合成においては、
Fe触媒を陰極として電圧を印加すると触媒活性が増大
すること、FeにK2 Oを添加すると、添加されたK2
Oが電子供与体として作用し、Feの電子密度を上げて
吸着されたN2 への電子供与を促進させ、これによって
Feの活性を増大させるのに対し、電子受容体である活
性炭上のFeは全く活性を示さないことが知られてい
る。
【0005】このことは、反応場での電子の過不足が、
触媒や反応物の電子密度に影響を与えることを示唆して
いる。そこで、本発明者等は、電場中での触媒反応につ
いて検討した結果、電圧を印加した場合に著しく触媒反
応の反応効率を向上させることのできる触媒反応装置を
得るに至った。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従って本発明の第1の
目的は、電圧をかけることによって反応効率を著しく向
上させることのできる触媒反応装置を提供することにあ
る。本発明の第2の目的は、省エネルギーで、極めて効
率良く、酸化分解、水素化反応、脱水素反応等の触媒反
応を行わせる方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の上記の諸目的
は、第1の電極と第2の電極間で触媒反応をさせる反応
装置であって、第1の電極が、内部表面が陽極酸化表面
である状体であり、第2の電極が、絶縁被覆された外
表面を有し、前記状体内に挿入された棒、板又は管
の電極であると共に、第1の電極の内壁及び/又は第2
の電極の外壁に第1の電極又は第2の電極と一体的にフ
ィンが設けられており、少なくとも、前記筒状体の内部
陽極酸化表面及びフィンの表面に触媒が担持されてなる
ことを特徴とする触媒反応装置、及び、それを用いた触
媒反応方法によって達成された。
【0008】次に、本発明の反応装置を、図面に従って
説明する。図1は本発明の触媒反応装置の一例を示す断
面図である。図中、符号1はフィン2を有すると共に第
1の電極を形成する筒状体であり、3は、その外表面4
が絶縁層である、第2の電極を構成する金属棒である。
図2は、第1の電極のフィン2と第2の電極の相対的な
関係を示す拡大図である。フィン2の先端と第2の電極
の表面との間には、図2の如く、ガスが通過し得る隙間
が形成されることが好ましい。尚、符号5は、触媒を担
持した陽極酸化表面である。
【0009】図1における第1の電極は円筒状である
が、本発明においては状であれば特に限定されず、三
角柱、四角柱等、多角柱やその他の形状の状体であっ
ても良い。また、第2の電極の形状は、その断面外形状
が第1の電極の断面形状と相似形であれば良く、板状や
棒状であっても管状であっても良い。管状とした場合に
は、管内部に熱交換用のガス等を流して熱交換機能を持
たせることができる。
【0010】図1及び図2においては、フィンは第1の
電極である状体の内壁に設けられているが、フィン
は、第1の電極の内壁及び/又は第2の電極の外表面
に、各電極本体と一体的に設けることができる。何れに
しても、フィンは少なくとも2個存在することが好まし
い。フィンは、直線状に設けても螺旋状に設けても良
い。
【0011】第1の電極の内壁の材質は陽極酸化可能な
アルミニウム又はその合金である必要がある。従って、
状体全体がアルミニウム製であっても、アルミニウム
リッチな合金であっても良いが、ステンレス管の内面に
クラッド法によってアルミニウム層を設けたものであっ
ても良い。第1の電極は、その内壁を陽極酸化して
0.1〜100μmの多孔質アルミナ層を形成させたも
のであり、その表面に触媒を担持させる。触媒を担持さ
せるに際しては、後述する如く、水和処理することによ
って、多孔質アルミナ層のBET表面積を増大させるこ
とが好ましい。
【0012】上記内壁の陽極酸化は、電解液の入った
槽内で、状体の内部に電解液を流し通すと共に、電解
液の出入口である状体の両端近傍に、電解液の流れを
阻害しないように、状体の断面と略平行に夫々陰極を
配し、状体を陽極として行うことができる。
【0013】本発明における電解液の流速については、
構造体の長さ、電流密度、酸の濃度などにより異なるた
め限定することができず、目的とする陽極酸化皮膜の形
成に適した条件を選択すれば良い。例えば、均一な膜厚
の陽極酸化皮膜を形成させる場合には、入口付近の温度
と出口付近の温度の差が2℃以内となるように流速を調
整すればよい。また、入口から出口に向かって膜厚分布
を形成させる場合には、入口付近と出口付近の間に温度
差が生じるように流量を調整すればよい。
【0014】陽極酸化皮膜表面に必要に応じて行う前記
水和処理を、加熱した水又は水蒸気で行えば次工程で触
媒担持処理を行う必要があるが、水和処理を触媒の水溶
性塩を溶解した水溶液中で行えば、水和処理と同時に触
媒担持処理を行うことができる。この場合、処理水中に
含有される触媒の量は特に限定されるものではないが、
0.25g/リットル〜1.0g/リットルの範囲であ
ることが好ましい。濃度が高すぎると不経済となり、低
すぎると必要とする処理時間が長くなる。
【0015】使用する触媒としては、例えば白金族金
属、白金族金属の合金、金、金合金、クロム、マンガ
ン、鉄、亜鉛、銅、ニッケル、ニッケル合金、コバルト
及びコバルト合金、ルテニウム等、又は、これらの触媒
物質を組み合わせたものを挙げることができる。水和処
理は0℃〜80℃で行うことが好ましい。また、その後
に300℃〜600℃で空気焼成することが好ましい。
【0016】第2の電極の外表面の絶縁層は公知の方法
によって適宜設けることができるが、触媒反応によって
劣化し難いものとする観点から、セラミックス等の誘電
率の高い無機質の絶縁層とすることが好ましい。特に、
第2の電極の外表面がアルミニウム、又はアルミニウム
リッチな合金である場合には、単に酸化してアルミナの
酸化皮膜を形成させれば良い。
【0017】第2の電極表面の絶縁層上には、更に触媒
を担持させても良い。この場合、第1の電極の場合と同
様に陽極酸化して多孔質のアルミナ層を形成させた後、
必要に応じて水和処理をし、触媒を担持させても良い。
しかしながら、このように第2の電極表面も多孔質の絶
縁層とすると、電圧を印加したときの放電が安定し難い
ので、第2の電極表面に形成される絶縁層は気密質であ
ることが好ましく、特に気密質のアルミナ層であること
が好ましい。
【0018】本発明の触媒反応装置は、以上のようにし
て得られた第2の電極を、第1の電極内に挿入すること
によって形成される。両電極間に印加される電圧は直流
電圧であっても交流電圧であっても良いが、直流電圧の
場合にはパルス状に印加することが好ましい。交流電圧
の場合の周波数は0.1〜10KHzとするが、特に1
KHz近辺であることが好ましい。印加電圧は反応ガス
の圧力等によって異なるが、スパーク等が発生せず弱い
放電が安定して発生するように、0.5KV〜6KVの
範囲で適宜選択することが好ましい。
【0019】本発明の触媒反応装置を使用し、反応ガス
の空間流量を1,000〜100,000/時間の範囲
で適宜設定すると共に、反応温度を室温〜100℃とす
ることにより、電力消費を殆ど伴うことなく、酸化分解
反応、水素化反応、脱水素反応等の種々の反応を効率良
く行わせることができる。尚、反応ガスは、第1の電極
と第2の電極によって形成させる空間に流される。触媒
反応の種類は特に限定されず、酸化反応、異性化反応、
水素化反応、脱水素反応等、通常の触媒反応の中から適
宜選択することができる。尚、触媒反応の種類に応じた
触媒を使用することは当然である。
【0020】
【発明の実施の形態】本発明の触媒反応装置は、内部表
面が陽極酸化表面である電導性の状体、該状体内に
挿入される、外表面が絶縁被覆された金属の板、棒又は
管、及び、前記状体の内面及び/又は金属の板、棒若
しくは管の外面に電極本体と一体的に設けられたフィン
とからなると共に、少なくとも、フィンを有することの
ある前記状体の内側の全表面並びに、必要に応じてフ
ィンを有することのある、前記金属の板、棒若しくは管
の外表面に触媒を担持せしめてなる装置であり、この装
置の電導性の管状体と、外表面が絶縁被覆された金属の
板、棒又は管との間に適宜0.5〜6KVの電圧を印加
し、装置内に反応ガスを1,000〜100,000/
時間の空間速度で流すことによって、触媒反応を行わせ
る。
【0021】
【発明の効果】本発明の装置を用いることにより、消費
電力が極めてわずかであるにもかかわらず、触媒反応の
効率を著しく改善することができるので、反応温度を低
く抑えた省エネルギー型の触媒反応を実現するのに特に
好適である。
【0022】
【実施例】以下、本発明を実施例によって更に詳述する
が、本発明はこれによって限定されるものではない。
【0023】実施例1.内部にフィンを有する、内径1
1mm、外形13mmで長さ15cmのアルミニウム円
管の内部を陽極酸化した後、該円管を、4重量%の塩化
白金酸の入った80℃の浴槽中に2時間浸漬し、前記陽
極酸化表面を水和処理すると同時に、その表面に白金触
媒を担持させた。
【0024】一方、陽極酸化によって、表面に約100
μmの多孔質のアルミナ層を形成させた、直径が約6m
mで約20cmの長さのアルミニウム棒を作製し、これ
を、白金触媒が担持された、前記長さ15cmのアルミ
ニウム円管中に挿入して、図1及び図2に示される、本
発明の触媒反応装置を作製した。
【0025】得られた反応装置に、300ppmのアセ
トンを含有する空気を、30℃で、ガス体積流量が25
0ml/分となるように流すと共に、外側のアルミニウ
ム円管と、該円管に挿入されたアルミニウム棒の間に、
1KHzで1〜6KVの交流電圧を印加して、 CH3 COCH3 +3O2 →3CO2 +3H2 O の反応を行わせた。印加電圧を変化させて、投入エネル
ギーに対するアセトンの転化率を測定したところ、図3
の○で示される結果が得られた。尚、この場合の放電
は、時々、スパーク状の放電を伴う、若干不安定な放電
であった。
【0026】実施例2.実施例1で使用したアルミニウ
ムの棒の代わりに、アルミナ含有量が78%、内径約4
mm、外径約6mmの気密質セラミクス円管で被覆した
アルミニウムの棒を使用した他は、実施例1と全く同様
にして、図3で示される結果を得た。尚、この場合の放
電は極めて安定であり、スパーク状の放電は発生しなか
った。
【0027】実施例3.実施例2で作製した装置を用
い、印加電圧を、0KV、3.75KV、及び5.0K
Vとした場合における、反応ガスの、触媒反応装置内の
滞留時間に対するアセトンの転化率を測定した結果は図
4に示した通りである。以上の結果は、本発明の装置を
使用すれば、殆ど電力を消費しないにもかかわらず、低
温で触媒反応を効率良く実施することができることを実
証するものである。
【0028】比較例1.実施例1で行った陽極酸化の代
わりに、空気中で加熱してアルミナの酸化表面を形成さ
せた他は、実施例1と全く同様にしたところ、スパーク
状の放電しか起こらず、目的の反応は殆ど起こらなかっ
た。また、印加電圧を変えても、スパーク状の放電以外
には得ることはできなかった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の触媒反応装置の1例を示す断面図であ
る。
【図2】図1の触媒反応装置における、フィン及びそれ
と対向する電極間に設けた隙間を表す部分拡大図であ
る。
【図3】実施例1及び2によって得られた、アセトン転
化率の投入エネルギー依存性を示す図である。
【図4】実施例3で得られた、アセトン転化率の、各印
加電圧における滞留時間依存性を示す図である。
【符号の説明】
1 第1の電極である状体 2 フィン 3 第2の電極である、金属の棒 4 第2の電極の表面に設けられた絶縁層 5 触媒を担持した陽極酸化表面

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の電極と第2の電極間で触媒反応を
    させる反応装置であって、第1の電極が、内部表面が陽
    極酸化表面である状体であり、第2の電極が、絶縁被
    覆された外表面を有し、前記状体内に挿入された棒
    又は管状の電極であると共に、第1の電極の内壁及び
    /又は第2の電極の外壁に第1の電極又は第2の電極と
    一体的にフィンが設けられており、少なくとも、前記筒
    状体の内部陽極酸化表面及びフィンの表面に触媒が担持
    されてなることを特徴とする触媒反応装置。
  2. 【請求項2】 第2の電極の絶縁被覆が気密質である、
    請求項1に記載された触媒反応装置。
  3. 【請求項3】 第1の電極である筒状体内のフィンの先
    端と第2の電極との間に、ガスが容易に通過し得る隙き
    間が設けられている、請求項1又は2に記載された触媒
    反応装置。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3の何れかに記載された触媒
    反応装置の二つの電極間に0.5KV〜6KVの電圧を
    かけると共に、2つの電極によって形成される反応室
    に、触媒反応し得るガスを1,000〜100,000
    /時間の空間速度で流すことを特徴とする触媒反応方
    法。
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