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JP2014147868A - Method for producing fuel synthesis catalyst, fuel synthesis catalyst, and method for producing hydrocarbons - Google Patents

Method for producing fuel synthesis catalyst, fuel synthesis catalyst, and method for producing hydrocarbons Download PDF

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JP2014147868A JP2013017040A JP2013017040A JP2014147868A JP 2014147868 A JP2014147868 A JP 2014147868A JP 2013017040 A JP2013017040 A JP 2013017040A JP 2013017040 A JP2013017040 A JP 2013017040A JP 2014147868 A JP2014147868 A JP 2014147868A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a fuel synthesis catalyst which provides a catalyst having a large specific area while simplifying the production process, and a method for producing hydrocarbons.SOLUTION: The method for producing a fuel synthesis catalyst comprises: a step of forming a carbon-dispersed solution where a water-soluble salt of a metal, which exhibits a catalytic activity for a fuel synthesis reaction, and a co-catalyst are dissolved in an aqueous or an alcohol solution, and a carbon material is dispersed therein; and a step of calcination where the carbon material is removed and an oxide of the metal is formed by calcinating the carbon-dispersed solution obtained in the step of forming a carbon-dispersed solution. Hydrocarbons are synthesized using the catalyst by reacting carbon monoxide and hydrogen under conditions of pressure of 0.5 MPa to 5 MPa and temperature of 423 K and 673 K.

Description

本発明は、燃料合成用触媒の製造方法、燃料合成用触媒及び炭化水素の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a fuel synthesis catalyst, a fuel synthesis catalyst, and a hydrocarbon production method.

一酸化炭素及び水素を主成分とする合成ガスから燃料を合成する複数の燃料合成法が知られている。その一つにフィッシャー・トロプシュ合成(Fisher-Tropsch合成、以下「FT合成」と記す。)がある。以下、燃料合成法としてFT合成反応を例に説明する。   A plurality of fuel synthesis methods for synthesizing fuel from synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen as main components are known. One of them is Fisher-Tropsch synthesis (Fisher-Tropsch synthesis, hereinafter referred to as “FT synthesis”). Hereinafter, the FT synthesis reaction will be described as an example of the fuel synthesis method.

FT合成反応は、一酸化炭素及び水素を主成分とする合成ガスから炭化水素(液体燃料)を合成する反応であり、合成された液体燃料は、窒素及び硫黄を含まないクリーンな液体燃料で、セタン価が高く灯油や軽油等として好適に利用されうる。   The FT synthesis reaction is a reaction for synthesizing hydrocarbons (liquid fuel) from synthesis gas mainly composed of carbon monoxide and hydrogen, and the synthesized liquid fuel is a clean liquid fuel that does not contain nitrogen and sulfur. It has a high cetane number and can be suitably used as kerosene or light oil.

FT合成反応に活性を示す触媒として、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム等が知られている。ルテニウムは希少金属であるため製造コストが嵩む。また、ニッケルを使用した場合は主にメタンが合成されてしまう。そのため現実的には鉄系触媒またはコバルト系触媒が使用される。特許文献1,2に記載されているように、このようなFT合成用触媒の製造方法として、沈殿法やテンプレート法が知られている。   Iron, cobalt, nickel, ruthenium, and the like are known as catalysts showing activity in the FT synthesis reaction. Since ruthenium is a rare metal, the manufacturing cost increases. In addition, when nickel is used, methane is mainly synthesized. Therefore, an iron-based catalyst or a cobalt-based catalyst is practically used. As described in Patent Documents 1 and 2, precipitation methods and template methods are known as methods for producing such a catalyst for FT synthesis.

沈殿法を用いると、例えば硝酸鉄溶液と炭酸ナトリウム溶液を容器に滴下して鉄系沈殿物を生成し、その鉄系沈殿物を洗浄、ろ過した後に乾燥、焼成することにより鉄系触媒を得ることができる。また、助触媒を添加する場合には、硝酸鉄溶液に助触媒を添加する沈殿法が用いられる。   When the precipitation method is used, for example, an iron nitrate solution and a sodium carbonate solution are dropped into a container to produce an iron-based precipitate, and the iron-based precipitate is washed, filtered, dried and fired to obtain an iron-based catalyst. be able to. Moreover, when adding a promoter, the precipitation method which adds a promoter to an iron nitrate solution is used.

テンプレート法を用いると、例えば硝酸鉄溶液に平均粒径数μmの有機樹脂粒子を分散させて有機樹脂分散ゲルを調製し、乾燥させた後に焼成して有機樹脂粒子を除去することにより、多孔質の鉄系触媒を得ることができる。   When using the template method, for example, an organic resin particle having an average particle diameter of several μm is dispersed in an iron nitrate solution to prepare an organic resin dispersed gel. An iron-based catalyst can be obtained.

特許第4586112号公報Japanese Patent No. 4586112 特開2011−45874号公報JP 2011-45874 A

しかし、沈殿法を用いる場合には、金属塩水溶液の濃度、温度、攪拌速度等の沈殿条件の調整が難しく、均一な触媒活性を示す触媒を量産するのが困難であるという問題や、ナトリウムイオン等のFT合成反応の触媒活性を阻害する物質を除去するためにイオン交換水で沈殿物を洗浄するという手間を要し、その洗浄廃水処理費用も嵩むという問題があった。   However, when the precipitation method is used, it is difficult to adjust the precipitation conditions such as the concentration, temperature, stirring speed, etc. of the aqueous metal salt solution, and it is difficult to mass-produce a catalyst exhibiting uniform catalytic activity. In order to remove substances that hinder the catalytic activity of the FT synthesis reaction such as the above, it takes time to wash the precipitate with ion-exchanged water, and there is a problem that the wastewater treatment cost increases.

さらには生成された触媒の比表面積が小さいためにFT合成反応の効率が低いという問題もある。触媒の比表面積を大きくするために触媒の平均粒径を小さくする方法もあるが、スラリー床を用いてFT合成する場合に、生成された液体炭化水素と触媒とを効率よく固液分離するのが困難になるという問題もあった。   Furthermore, since the specific surface area of the produced catalyst is small, there is a problem that the efficiency of the FT synthesis reaction is low. In order to increase the specific surface area of the catalyst, there is a method of reducing the average particle diameter of the catalyst. However, when FT synthesis is performed using a slurry bed, the produced liquid hydrocarbon and the catalyst are efficiently separated into solid and liquid. There was also a problem that became difficult.

沈殿法を用いる場合よりも比表面積が大きな触媒を得るために、特許文献1に開示されたようなテンプレート法を採用することが好ましいのであるが、テンプレート材として用いる有機樹脂粒子の粒径が大きいため、それほど大きな比表面積が得られないという問題や、有機樹脂分散ゲルを調製するための静置工程、静置工程を経た有機樹脂分散ゲルをろ過するろ過工程、焼成前の乾燥工程という多くの工程が必要となり、製造工程が煩雑となるばかりか、ろ過工程により触媒金属イオンの一部がろ液とともに流出して歩留まりが低下するという問題もあった。   In order to obtain a catalyst having a larger specific surface area than when the precipitation method is used, it is preferable to employ the template method as disclosed in Patent Document 1, but the particle size of the organic resin particles used as the template material is large. Therefore, there are many problems such as a problem that a large specific surface area cannot be obtained, a stationary process for preparing an organic resin-dispersed gel, a filtering process for filtering the organic resin-dispersed gel after the stationary process, and a drying process before firing. In addition to the need for a process and a complicated manufacturing process, a part of the catalyst metal ions flows out together with the filtrate due to the filtration process, resulting in a decrease in yield.

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、製造工程を簡素にしながらも比表面積が大きな触媒が得られる燃料合成用触媒の製造方法及び炭化水素の製造方法を提供する点にある。   In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a method for producing a catalyst for fuel synthesis and a method for producing hydrocarbons that can obtain a catalyst having a large specific surface area while simplifying the production process.

上述の目的を達成するため、本発明による燃料合成用触媒の製造方法の第一特徴構成は、特許請求の範囲の請求項1に記載した通り、燃料合成反応の触媒活性を示す金属の水溶性塩または錯体と、助触媒とを、水、アルコール溶液またはケトン溶液に溶解し、その溶解液にカーボン材を分散させるカーボン分散溶液生成工程と、前記カーボン分散溶液生成工程で得られるカーボン分散溶液を焼成することにより、カーボン材を除去するとともに前記金属の酸化物を生成する焼成工程と、を含む点にある。   In order to achieve the above-mentioned object, the first characteristic configuration of the method for producing a catalyst for fuel synthesis according to the present invention is the water solubility of a metal exhibiting the catalytic activity of the fuel synthesis reaction as described in claim 1 of the claims. A carbon dispersion solution generation step in which a salt or complex and a cocatalyst are dissolved in water, an alcohol solution or a ketone solution, and a carbon material is dispersed in the solution, and a carbon dispersion solution obtained in the carbon dispersion solution generation step. And a firing step of removing the carbon material and generating the metal oxide by firing.

カーボン分散溶液生成工程では、溶媒となる水、アルコール(ポリオールを含む)またはケトン溶液に燃料合成反応の触媒活性を示す金属の水溶性塩または錯体と助触媒が溶解され、さらにその溶解液にテンプレート材としてのカーボン材が分散されることにより、カーボン分散溶液が生成される。そして、焼成工程では、カーボン分散溶液が加熱されて水分が気化し、さらに触媒活性を示す金属及び助触媒の中に分散されたカーボン材が燃焼してガス化するとともに触媒活性を示す金属の酸化物及び助触媒を有する多孔質体が形成される。このとき、助触媒がカーボン材の燃焼触媒として機能して効率的にカーボン材のガス化が進行する。テンプレート材としてのカーボン材は特許文献1に開示された有機樹脂粒子に比べて粒径が小さいため、比表面積が非常に大きな多孔質体が得られる。   In the carbon dispersion solution generation step, a water-soluble salt or complex of a metal exhibiting the catalytic activity of the fuel synthesis reaction and a co-catalyst are dissolved in water, alcohol (including polyol) or ketone solution as a solvent, and a template is added to the solution. A carbon dispersion solution is generated by dispersing the carbon material as the material. In the firing step, the carbon dispersion solution is heated to vaporize moisture, and the metal exhibiting catalytic activity and the carbon material dispersed in the cocatalyst burn and gasify and oxidize the metal exhibiting catalytic activity. A porous body having a product and a promoter is formed. At this time, the cocatalyst functions as a combustion catalyst for the carbon material, and the gasification of the carbon material proceeds efficiently. Since the carbon material as the template material has a smaller particle size than the organic resin particles disclosed in Patent Document 1, a porous body having a very large specific surface area can be obtained.

同第二の特徴構成は、同請求項2に記載した通り、上述した第一特徴構成に加えて、前記カーボン分散溶液生成工程に用いられる水溶性塩は、燃料合成反応の触媒活性を示す鉄、コバルト、ニッケルまたはルテニウムの何れかの金属と無機酸または有機酸との化合物である点にある。   In the second characteristic configuration, as described in claim 2, in addition to the first characteristic configuration described above, the water-soluble salt used in the carbon dispersion solution generating step is an iron that exhibits catalytic activity of a fuel synthesis reaction. And a compound of any metal of cobalt, nickel or ruthenium and an inorganic acid or an organic acid.

燃料合成反応の触媒活性を示す金属の水溶性塩として、鉄、コバルト、ニッケルまたはルテニウムの何れかの金属と無機酸または有機酸との化合物が好適に用いられる。   As the water-soluble salt of the metal exhibiting the catalytic activity of the fuel synthesis reaction, a compound of any metal of iron, cobalt, nickel or ruthenium and an inorganic acid or an organic acid is preferably used.

同第三の特徴構成は、同請求項3に記載した通り、上述した第一または第二特徴構成に加えて、前記カーボン分散溶液生成工程に用いられるカーボン材は、炭素原子の六角網面を基本構造とする炭素材料の何れかから選択される単一または複数のカーボン材である点にある。   In addition to the first or second characteristic configuration described above, the third characteristic configuration includes a hexagonal network surface of carbon atoms in addition to the first or second characteristic configuration described above. It is the point which is the single or several carbon material selected from either of the carbon materials made into a basic structure.

炭素材料とは、主として元素「炭素」から構成されている材料の総称であり、炭素原子の結合形式により機能と形態が異なり、ダイヤモンドのようなsp混成軌道結合、黒鉛のようなsp混成軌道結合、カルビン類のようなsp混成軌道結合に分類される。このうち、炭素原子の六角網面を基本構造とするsp混成軌道結合による炭素材料、例示するとグラファイト、ガラス状カーボン、カーボンブラック、活性炭、炭素繊維、フラーレンまたはカーボンナノチューブ、コークス等から選択される単一または複数のカーボン材がテンプレート材として好適に用いられる。カーボン材を燃焼させる温度が高いと、ガス化の際に細孔が崩れて、触媒の比表面積が低下するが、黒鉛系の炭素材料は他の炭素材料より燃焼温度が低いため、優れたカーボン材料として好適に用いることができるのである。 The carbon material is a general term for materials mainly composed of the element “carbon”. The function and form differ depending on the bonding form of carbon atoms, and sp 3 hybrid orbital bond such as diamond, sp 2 hybrid such as graphite. It is classified into orbital coupling and sp hybrid orbital coupling such as carbines. Among these, a carbon material by sp 2 hybrid orbital bond having a hexagonal network surface of carbon atoms as a basic structure, for example, selected from graphite, glassy carbon, carbon black, activated carbon, carbon fiber, fullerene or carbon nanotube, coke, etc. A single or a plurality of carbon materials are suitably used as the template material. If the temperature at which the carbon material is combusted is high, the pores collapse during gasification and the specific surface area of the catalyst decreases, but the graphite-based carbon material has a lower combustion temperature than other carbon materials, so it has excellent carbon. It can be suitably used as a material.

同第四の特徴構成は、同請求項4に記載した通り、上述した第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記カーボン分散溶液生成工程に用いられるカーボン材は、最小寸法が2nm〜200nmの範囲のカーボン材である点にある。   In the fourth feature configuration, in addition to any one of the first to third feature configurations described above, the carbon material used in the carbon dispersion solution generating step has a minimum dimension. The carbon material is in the range of 2 nm to 200 nm.

カーボン材の粒径が小さ過ぎると多孔質体となる触媒の平均細孔径が小さくなって細孔内における合成ガスの拡散速度が遅くなり、カーボン材の粒径が大き過ぎると比表面積が小さくなり、何れの場合も燃料合成反応の効率の向上が阻害される虞がある。しかし、最小寸法が2nm〜200nmの範囲のカーボン材を用いれば、十分な比表面積が得られるとともに細孔内における合成ガスの拡散速度の低下も回避できるようになる。最小寸法とは、粒状のカーボン材のみならず針状のカーボン材をも含む様々な形状のカーボン材に対してその形状の最小部位の寸法を意味する。   If the particle size of the carbon material is too small, the average pore size of the porous catalyst will be small, and the diffusion rate of the synthesis gas in the pore will be slow, and if the particle size of the carbon material is too large, the specific surface area will be small. In either case, there is a risk that improvement in the efficiency of the fuel synthesis reaction may be hindered. However, if a carbon material having a minimum dimension in the range of 2 nm to 200 nm is used, a sufficient specific surface area can be obtained and a decrease in the diffusion rate of synthesis gas in the pores can be avoided. The minimum dimension means the dimension of the minimum part of the shape with respect to various shapes of carbon materials including not only granular carbon materials but also acicular carbon materials.

同第五の特徴構成は、同請求項5に記載した通り、上述した第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記カーボン分散溶液生成工程に用いられるカーボン材は、比表面積が10m/g〜2000m/gの範囲のカーボン材である点にある。 In the fifth feature configuration, in addition to any of the first to fourth feature configurations described above, the carbon material used in the carbon dispersion solution generating step has a specific surface area. 10m 2 / g~2000m 2 / g in terms of carbon material in the range of.

カーボン材の比表面積が小さいと、カーボン材は焼成工程で空気中の酸素との接触面積が限られて燃焼し難く、炭として多孔質体に残存して細孔を塞ぐようになり、多孔質体の比表面積が低下する虞がある。カーボン材の比表面積が大きいと、焼成工程でカーボン材がガス化した際に触媒活性を示す金属の保形性が失われて崩壊し、多孔質体の比表面積が低下する虞がある。しかし、比表面積が10m/g〜2000m/gの範囲のカーボン材を用いると、焼成工程でカーボン材が残存することも無く、またカーボン材がガス化しても触媒活性を示す金属の保形性が確保でき、比表面積が大きい多孔質体の触媒を得ることができる。 If the specific surface area of the carbon material is small, the carbon material has a limited contact area with oxygen in the air in the firing process, and is difficult to burn, and remains in the porous body as charcoal and closes the pores. The specific surface area of the body may be reduced. When the specific surface area of the carbon material is large, the shape retaining property of the metal exhibiting catalytic activity is lost when the carbon material is gasified in the firing step, so that the specific surface area of the porous body may be reduced. However, the specific surface area is used carbon material in the range of 10m 2 / g~2000m 2 / g, it is also not the carbon material remains in the firing process, also the carbon material is a metal exhibiting catalytic activity even gasified coercive It is possible to obtain a porous catalyst having a large specific surface area that can ensure shape.

同第六の特徴構成は、同請求項6に記載した通り、上述した第四または第五特徴構成に加えて、前記カーボン分散溶液生成工程に用いられるカーボン材は、カーボンブラックまたは活性炭である点にある。   In the sixth feature configuration, in addition to the fourth or fifth feature configuration described above, the carbon material used in the carbon dispersion solution generation step is carbon black or activated carbon. It is in.

特に、粒径が小さいという特徴を備えたカーボンブラックを用いると、比表面積が大きく良好な多孔質体の触媒を得ることができ、比表面積が大きな多孔質体である活性炭を用いると、活性炭の細孔に進入した触媒活性を示す金属は、活性炭が焼成工程でガス化しても保形性を確保でき、何れの場合でも比表面積が大きい多孔質体の触媒を得ることができる。   In particular, when carbon black having a feature of small particle size is used, a catalyst having a good porous body with a large specific surface area can be obtained, and when activated carbon which is a porous body having a large specific surface area is used, A metal exhibiting catalytic activity that has entered the pores can ensure shape retention even when activated carbon is gasified in the firing step, and in any case, a porous catalyst having a large specific surface area can be obtained.

同第七の特徴構成は、同請求項7に記載した通り、上述した第三から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記カーボン分散溶液生成工程に用いられるカーボン材の添加量は、前記水溶性塩の重量に対して0.1重量%〜70重量%の範囲に設定されている点にある。   In the seventh feature configuration, in addition to any of the third to sixth feature configurations described above, the addition amount of the carbon material used in the carbon dispersion solution generation step is as described in claim 7. This is in the range of 0.1% by weight to 70% by weight with respect to the weight of the water-soluble salt.

テンプレート材であるカーボン材の添加量が多過ぎると、過剰なカーボン材は焼成すると局部的に過剰燃焼して高温となって比表面積が低下する虞がある。カーボン材の添加量が少な過ぎると焼成しても比表面積が大きな良好な多孔質体が得られない。しかし、水溶性塩の重量に対して0.1重量%〜70重量%の範囲でカーボン材を添加すると、比表面積が大きい多孔質体が得られるようになる。   If the amount of the carbon material that is the template material is too large, the excess carbon material may be excessively burned locally when it is baked, resulting in a high temperature and a decrease in the specific surface area. If the amount of the carbon material added is too small, a good porous body having a large specific surface area cannot be obtained even if fired. However, when a carbon material is added in the range of 0.1% by weight to 70% by weight with respect to the weight of the water-soluble salt, a porous body having a large specific surface area can be obtained.

同第八の特徴構成は、同請求項8に記載した通り、上述した第三から第七の何れかの特徴構成に加えて、燃料合成反応の触媒活性を示す金属の水溶性塩または錯体を溶解する溶媒1mlに対して、カーボン材が0.2mg〜1gの割合となる範囲で添加されている点にある。   In the eighth feature configuration, as described in claim 8, in addition to any of the third to seventh feature configurations described above, a metal water-soluble salt or complex exhibiting a catalytic activity of the fuel synthesis reaction is provided. The carbon material is added in a range of 0.2 mg to 1 g with respect to 1 ml of the solvent to be dissolved.

溶媒1mlに対してカーボン材を0.2mg〜1gの割合となる範囲で添加すれば、比表面積が大きい多孔質体が得られるようになる。   If the carbon material is added in a range of 0.2 mg to 1 g with respect to 1 ml of the solvent, a porous body having a large specific surface area can be obtained.

同第九の特徴構成は、同請求項9に記載した通り、上述した第一から第八の何れかの特徴構成に加えて、前記焼成工程は、焼成温度が423K〜900Kの範囲で実行される点にある。   In the ninth feature configuration, in addition to any one of the first to eighth feature configurations described above, the firing step is performed at a firing temperature in the range of 423K to 900K. There is in point.

423K〜900Kの範囲で焼成することにより、焼成時のカーボン材のガス化により生成される細孔が崩れることなく、多孔質体が得られるようになる。   By firing in the range of 423K to 900K, a porous body can be obtained without breaking the pores generated by gasification of the carbon material during firing.

同第十の特徴構成は、同請求項10に記載した通り、上述した第一から第九の何れかの特徴構成に加えて、前記助触媒は、アルカリ金属元素、アルカリ土類元素、希土類元素、貴金属元素、銅(Cu)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、マンガン(Mn)、バナジウム(V)の何れかから選択される単一または複数の助触媒である点にある。   In the tenth feature, as described in claim 10, in addition to any of the first to ninth features described above, the promoter includes an alkali metal element, an alkaline earth element, and a rare earth element. A single or a plurality of promoters selected from the group consisting of noble metal elements, copper (Cu), titanium (Ti), zirconium (Zr), molybdenum (Mo), manganese (Mn), and vanadium (V) It is in.

助触媒はFT合成反応の助触媒として機能するとともに、焼成時のカーボン材のガス化反応に際してガス化反応の触媒としても機能する。助触媒表面で酸素分子が解離吸着して活性な酸素原子が生成され、この酸素原子が炭素と反応して燃焼が促進されるようになる。このような助触媒として、アルカリ金属元素、アルカリ土類元素、希土類元素、貴金属元素、銅(Cu)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、マンガン(Mn)、バナジウム(V)の何れかから選択される単一または複数の元素を用いることができる。   The co-catalyst functions as a co-catalyst for the FT synthesis reaction, and also functions as a gasification reaction catalyst in the gasification reaction of the carbon material at the time of firing. Oxygen molecules are dissociated and adsorbed on the promoter surface to generate active oxygen atoms, which react with carbon to promote combustion. As such promoters, alkali metal elements, alkaline earth elements, rare earth elements, noble metal elements, copper (Cu), titanium (Ti), zirconium (Zr), molybdenum (Mo), manganese (Mn), vanadium (V Or a single element selected from any of the above.

同第十一の特徴構成は、同請求項11に記載した通り、上述した第十特徴構成に加えて、前記カーボン分散溶液生成工程で添加される助触媒の添加量は、前記水溶性塩の重量に対して0.1重量%〜30重量%の範囲に設定されている点にある。   According to the eleventh characteristic configuration, as described in claim 11, in addition to the tenth characteristic configuration described above, the amount of the promoter added in the carbon dispersion solution generation step is the amount of the water-soluble salt. This is in the range of 0.1% by weight to 30% by weight with respect to the weight.

助触媒が水溶性塩の重量に対して0.1重量%〜30重量%の範囲に設定されていれば、カーボン材のガス化反応が良好に促進されるとともに、燃料合成反応も良好に進行する。   If the cocatalyst is set in the range of 0.1% to 30% by weight with respect to the weight of the water-soluble salt, the gasification reaction of the carbon material is promoted well, and the fuel synthesis reaction also proceeds well. To do.

本発明による燃料合成用触媒の特徴構成は、同請求項12に記載した通り、上述した第一から第十一の何れかの特徴構成を備えた燃料合成用触媒の製造方法で製造され、比表面積が45m/g以上である点にある。 The characteristic structure of the fuel synthesis catalyst according to the present invention is manufactured by the method for manufacturing a fuel synthesis catalyst having any one of the first to eleventh characteristic structures described above, The surface area is 45 m 2 / g or more.

比表面積が45m/g以上の燃料合成用触媒であれば、燃料合成反応が良好に進行する。 If the catalyst for fuel synthesis has a specific surface area of 45 m 2 / g or more, the fuel synthesis reaction proceeds well.

本発明による炭化水素の製造方法の特徴構成は、同請求項13に記載した通り、上述した第一から第十一の何れかの特徴構成を備えた燃料合成用触媒の製造方法で製造された燃料合成用触媒を用いて、圧力条件0.5MPaから5MPa、温度条件423Kから673Kの下で、一酸化炭素と水素とを反応させて炭化水素を合成する点にある。   The characteristic structure of the hydrocarbon production method according to the present invention was produced by the method for producing a fuel synthesis catalyst having any one of the first to eleventh characteristic structures described above. The fuel synthesis catalyst is used to synthesize hydrocarbons by reacting carbon monoxide and hydrogen under pressure conditions of 0.5 MPa to 5 MPa and temperature conditions of 423 K to 673 K.

このような反応条件で、上述した燃料合成用触媒の製造方法で製造された燃料合成用触媒を用いれば、円滑に燃料合成反応が進み、その結果分子量の大きな炭化水素が効率的に得られるようになる。   If the fuel synthesis catalyst produced by the above-described method for producing a fuel synthesis catalyst is used under such reaction conditions, the fuel synthesis reaction proceeds smoothly, and as a result, hydrocarbons having a large molecular weight can be efficiently obtained. become.

以上説明した通り、本発明によれば、製造工程を簡素にしながらも比表面積が大きな触媒が得られる燃料合成用触媒の製造方法及び炭化水素の製造方法を提供することができるようになった。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a method for producing a catalyst for fuel synthesis and a method for producing hydrocarbons that can obtain a catalyst having a large specific surface area while simplifying the production process.

燃料合成触媒の製造方法のフローチャートFlow chart of manufacturing method of fuel synthesis catalyst 実験に用いた試料の製造条件と燃料合成触媒活性の特性データの説明図Explanatory diagram of sample production conditions and fuel synthesis catalyst activity characteristic data used in the experiment カーボン材添加量と触媒比表面積の関係の説明図Illustration of the relationship between the amount of carbon material added and the specific surface area of the catalyst 焼成温度と触媒比表面積の関係の説明図Explanatory diagram of relationship between firing temperature and catalyst specific surface area 触媒比表面積と触媒活性(CO転化率)との関係の説明図Explanatory diagram of the relationship between catalyst specific surface area and catalyst activity (CO conversion) (a)はカーボン材粒子径と触媒比表面積の関係の説明図、(b)はカーボン材比表面積と触媒比表面積の関係の説明図(A) is explanatory drawing of the relationship between a carbon material particle diameter and a catalyst specific surface area, (b) is explanatory drawing of the relationship between a carbon material specific surface area and a catalyst specific surface area.

以下、本発明による燃料合成用触媒の製造方法及び炭化水素の製造方法の実施形態を、FT合成反応を例として説明する。燃料合成用触媒は、FT合成反応に用いられるものに制限されず、水素ガスと一酸化炭素または二酸化炭素等の合成ガスから炭化水素(液体燃料)を合成する反応に用いることができる。   Hereinafter, an embodiment of a method for producing a catalyst for fuel synthesis and a method for producing a hydrocarbon according to the present invention will be described using an FT synthesis reaction as an example. The catalyst for fuel synthesis is not limited to that used in the FT synthesis reaction, and can be used in a reaction for synthesizing hydrocarbon (liquid fuel) from a synthesis gas such as hydrogen gas and carbon monoxide or carbon dioxide.

図1に示すように、FT合成用触媒の製造方法は、溶媒としての水、アルコールまたはケトン溶液に、FT合成反応の触媒活性を示す金属の水溶性塩または水溶性錯体と、助触媒とを溶解し、その溶解液にカーボン材を投入して攪拌混合し、溶液中にカーボン材を分散させるカーボン分散溶液生成工程と、カーボン分散溶液生成工程で得られるカーボン分散溶液を酸素存在下で焼成することにより、カーボン材をガス化して除去するとともに金属の酸化物を生成する焼成工程とを備えて構成される。   As shown in FIG. 1, the method for producing a catalyst for FT synthesis comprises a water, alcohol or ketone solution as a solvent, a metal water-soluble salt or water-soluble complex exhibiting the catalytic activity of the FT synthesis reaction, and a promoter. Dissolving, adding a carbon material to the solution, stirring and mixing, a carbon dispersion solution generating step for dispersing the carbon material in the solution, and firing the carbon dispersion solution obtained in the carbon dispersion solution generating step in the presence of oxygen Thus, the carbon material is gasified and removed, and a firing step for generating a metal oxide is included.

溶媒としてのアルコールは、メタノールやエタノールのような一価のアルコールのみならず、多価のアルコール(ポリオール)が含まれ、例えばエチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタジオール、1,6−ヘキサンジオールなどのジオール類が含まれる。ケトン溶液としてはアセトン等が含まれる。これらの溶媒は、単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。   The alcohol as the solvent includes not only monohydric alcohols such as methanol and ethanol, but also polyhydric alcohols (polyols) such as ethylene glycol, propylene glycol, trimethylene glycol, 1,4-butanediol, Diols such as 1,5-pentadiol and 1,6-hexanediol. A ketone solution includes acetone and the like. These solvents may be used alone or in combination of two or more.

カーボン分散溶液生成工程で生成されたカーボン分散溶液は、焼成工程で加熱されて水分やアルコール分が気化し、さらに触媒活性を示す金属及び助触媒に分散されたカーボン材が燃焼してガス化するとともに触媒活性を示す金属の酸化物及び助触媒を有する多孔質の触媒が形成される。   The carbon dispersion solution produced in the carbon dispersion solution production process is heated in the firing process to vaporize moisture and alcohol, and further, the metal exhibiting catalytic activity and the carbon material dispersed in the cocatalyst burn and gasify. A porous catalyst having a metal oxide and a cocatalyst exhibiting catalytic activity is formed.

即ち、カーボン材がテンプレート材として機能し、焼成工程でカーボン材がガス化して除去されることにより、比表面積が非常に大きな多孔質の触媒が得られる。カーボン分散溶液に添加された助触媒は、FT合成反応の助触媒として機能するとともに、カーボン材の燃焼触媒としても機能し、効率的に焼成が進行する。即ち、焼成工程で、助触媒表面に酸素分子が解離吸着して活性な酸素原子が生成され、この酸素原子がカーボン材と反応してカーボン材の燃焼が促進されるようになる。尚、カーボン材は、不純物の含有量が少なく、触媒活性を阻害する硫黄やハロゲン等が含まれていないものがより好ましい。   That is, the carbon material functions as a template material, and the carbon material is gasified and removed in the firing step, whereby a porous catalyst having a very large specific surface area can be obtained. The co-catalyst added to the carbon dispersion solution functions as a co-catalyst for the FT synthesis reaction and also functions as a combustion catalyst for the carbon material, and the firing proceeds efficiently. That is, in the calcination step, oxygen molecules are dissociated and adsorbed on the promoter surface to generate active oxygen atoms, and the oxygen atoms react with the carbon material to promote combustion of the carbon material. The carbon material is more preferably one that contains a small amount of impurities and does not contain sulfur, halogen, or the like that hinders catalytic activity.

FT合成反応の触媒活性を示す金属の水溶性塩として、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)またはルテニウム(Ru)の何れかの金属と無機酸または有機酸との化合物を好適に用いることができる。例えば、硝酸化物、水酸化物、炭酸化物、硫酸化物、塩化物等、燐酸化物等の無機化合物や、酢酸化物、クエン酸化物、シュウ酸化物等の有機化合物を用いることができる。鉄系の化合物として塩化鉄や硝酸鉄や硫酸鉄等の無機系の水溶性塩や、酢酸鉄やシュウ酸鉄のような有機系の水溶性塩が例示できる。   As a metal water-soluble salt exhibiting catalytic activity of FT synthesis reaction, a compound of any of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), and ruthenium (Ru) with an inorganic acid or an organic acid is suitable. Can be used. For example, inorganic compounds such as nitrates, hydroxides, carbonates, sulfates, chlorides, phosphorous oxides, and organic compounds such as vinegar oxides, citric oxides, and oxides can be used. Examples of the iron-based compound include inorganic water-soluble salts such as iron chloride, iron nitrate, and iron sulfate, and organic water-soluble salts such as iron acetate and iron oxalate.

FT合成反応の触媒活性を示す好適な金属の錯体として、アンミン錯体、ヒドロキシ錯体が例示できる。シアノ錯体やハロゲン錯体は、触媒活性を阻害するハロゲンが含まれるので適さない。   Examples of suitable metal complexes that show the catalytic activity of the FT synthesis reaction include ammine complexes and hydroxy complexes. Cyano complexes and halogen complexes are not suitable because they contain halogens that inhibit the catalytic activity.

助触媒として、アルカリ金属元素、アルカリ土類元素、希土類元素、貴金属元素、銅(Cu)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、マンガン(Mn)、バナジウム(V)の何れかから選択される単一または複数の助触媒を用いることができる。これらの助触媒も、無機酸または有機酸との水溶性化合物の形態で好適に用いることができる。   As a promoter, any of alkali metal elements, alkaline earth elements, rare earth elements, noble metal elements, copper (Cu), titanium (Ti), zirconium (Zr), molybdenum (Mo), manganese (Mn), vanadium (V) Single or multiple promoters selected from these can be used. These cocatalysts can also be suitably used in the form of a water-soluble compound with an inorganic acid or an organic acid.

カーボン材のガス化反応を良好に促進するとともに、FT合成反応も良好に進行するように、助触媒の添加量は、FT合成反応の触媒活性を示す金属の水溶性塩の重量に対して0.1重量%〜30重量%の範囲に設定されていることが好ましく、0.1重量%〜15重量%の範囲に設定されていることがより好ましい。   The amount of the cocatalyst added is 0 with respect to the weight of the water-soluble salt of the metal exhibiting the catalytic activity of the FT synthesis reaction so that the gasification reaction of the carbon material is favorably promoted and the FT synthesis reaction also favorably proceeds. It is preferably set in the range of 1 wt% to 30 wt%, and more preferably set in the range of 0.1 wt% to 15 wt%.

尚、カーボン分散溶液生成工程で、FT合成反応の触媒活性を示す金属と、助触媒と、カーボン材と、溶媒との混合順序は特に制限されることは無い。   In the carbon dispersion solution generation step, the mixing order of the metal showing the catalytic activity of the FT synthesis reaction, the promoter, the carbon material, and the solvent is not particularly limited.

カーボン材として、炭素原子の六角網面を基本構造とする炭素材料の何れかから選択される単一または複数のカーボン材を好適に用いることができる。炭素材料とは、主として元素「炭素」から構成されている材料をいい、炭素原子の結合形式により機能と形態が異なり、ダイヤモンドのようなsp混成軌道結合、黒鉛のようなsp混成軌道結合、カルビン類のようなsp混成軌道結合に分類される。このうち、炭素原子の六角網面を基本構造とするsp混成軌道結合による炭素材料、例示するとグラファイト、ガラス状カーボン、カーボンブラック、活性炭、炭素繊維、フラーレンまたはカーボンナノチューブ、コークス等から選択される単一または複数のカーボン材がテンプレート材として好適に用いられる。カーボン材を燃焼させる温度が高いと、ガス化の際に細孔が崩れて、触媒の比表面積が低下するが、黒鉛系の炭素材料は他の炭素材料より燃焼温度が低いため、優れたカーボン材料として好適に用いることができるのである。 As the carbon material, a single carbon material or a plurality of carbon materials selected from any one of carbon materials having a hexagonal network surface of carbon atoms as a basic structure can be suitably used. The carbon material refers to a material mainly composed of the element “carbon”. The function and form differ depending on the bond form of carbon atoms, and sp 3 hybrid orbital bond such as diamond, sp 2 hybrid orbital bond such as graphite. And sp hybrid orbital bonds such as carbins. Among these, a carbon material by sp 2 hybrid orbital bond having a hexagonal network surface of carbon atoms as a basic structure, for example, selected from graphite, glassy carbon, carbon black, activated carbon, carbon fiber, fullerene or carbon nanotube, coke, etc. A single or a plurality of carbon materials are suitably used as the template material. If the temperature at which the carbon material is combusted is high, the pores collapse during gasification and the specific surface area of the catalyst decreases, but the graphite-based carbon material has a lower combustion temperature than other carbon materials, so it has excellent carbon. It can be suitably used as a material.

カーボン材の粒径が小さ過ぎると焼成工程の後に多孔質体となる触媒の平均細孔径が小さくなって細孔内における一酸化炭素及び水素を主成分とする合成ガスの拡散速度が遅くなる。尚、合成ガスの成分のうち大きな分子構造を持つ一酸化炭素の大きさより細孔の大きさが十分に大きければ、水素も細孔に入りやすくなって、合成ガスの拡散速度は速くなる。逆に、細孔の大きさが一酸化炭素の大きさに近くなるに連れて、水素は細孔に入るが一酸化炭素が細孔に入り難くなって、合成ガスの拡散速度は遅くなる。   If the particle size of the carbon material is too small, the average pore size of the catalyst that becomes a porous body after the calcination step becomes small, and the diffusion rate of synthesis gas mainly composed of carbon monoxide and hydrogen in the pores becomes slow. If the pore size is sufficiently larger than that of carbon monoxide having a large molecular structure among the components of the synthesis gas, hydrogen can easily enter the pores and the diffusion rate of the synthesis gas is increased. Conversely, as the size of the pores approaches that of carbon monoxide, hydrogen enters the pores, but carbon monoxide becomes difficult to enter the pores, and the diffusion rate of the synthesis gas decreases.

カーボン材の粒径が大き過ぎると触媒の比表面積が小さくなり、合成ガスと触媒活性を示す金属との接触が少なくなる。何れの場合もFT合成反応の効率の向上が阻害される虞がある。十分な比表面積が得られるとともに細孔内における合成ガスの拡散速度の低下も回避するために、最小寸法が2nm〜200nmの範囲のカーボン材を用いることが好ましく、20nm〜125nmの範囲のカーボン材を用いることがさらに好ましい。最小寸法とは、粒状のカーボン材のみならず針状のカーボン材をも含む様々な形状のカーボン材に対してその形状の最小部位の寸法を意味する。例えば、球状であれば、直径、針状であれば針部の直径、四角柱であれば最小の一辺の寸法である。尚、球状の方が分散しやすい点で好ましい。尚、細かいカーボン材は取り扱い辛いため、水等を加えて造粒し、最大寸法を10mm程度として扱うことがある。このように造粒したカーボン材は、溶液中で攪拌すると、元の小さな大きさとなり、分散するので問題は無い。   When the particle size of the carbon material is too large, the specific surface area of the catalyst is reduced, and the contact between the synthesis gas and the metal exhibiting catalytic activity is reduced. In either case, there is a possibility that the improvement of the efficiency of the FT synthesis reaction is hindered. In order to obtain a sufficient specific surface area and avoid a decrease in the diffusion rate of the synthesis gas in the pores, it is preferable to use a carbon material having a minimum dimension in the range of 2 nm to 200 nm, and a carbon material in the range of 20 nm to 125 nm. More preferably, is used. The minimum dimension means the dimension of the minimum part of the shape with respect to various shapes of carbon materials including not only granular carbon materials but also acicular carbon materials. For example, it is a diameter for a spherical shape, a diameter of a needle portion for a needle shape, and a minimum one side dimension for a square column. A spherical shape is preferable in that it is easily dispersed. In addition, since a fine carbon material is difficult to handle, it may be granulated by adding water or the like, and may be handled with a maximum dimension of about 10 mm. When the carbon material thus granulated is stirred in the solution, the carbon material becomes the original small size and is dispersed, so there is no problem.

また、カーボン材の比表面積が小さいと、焼成工程で空気中の酸素との接触面積が限られて燃焼し難く、炭として多孔質体となる触媒に残存して触媒の細孔を塞ぐようになり、多孔質体となる触媒の比表面積が低下する虞があり、カーボン材の比表面積が大きいと、焼成工程でカーボン材がガス化した際に、カーボン材の細孔に進入した触媒活性を示す金属の保形性が失われて崩壊し、多孔質体となる触媒の比表面積が低下する虞がある。焼成工程でカーボン材が残存することが無く、またカーボン材がガス化しても触媒活性を示す金属の保形性を確保できるように、比表面積が10m/g〜2000m/gの範囲のカーボン材を用いることが好ましく、300m/g〜1300m/gの範囲の活性炭または10m/g〜200m/gの範囲のカーボンブラックを用いることがさらに好ましい。その結果、比表面積が大きく良好な多孔質体の触媒を得ることができるようになる。 Also, if the specific surface area of the carbon material is small, the area of contact with oxygen in the air is limited in the firing process and it is difficult to burn, so that it remains in the catalyst that becomes a porous body as charcoal and closes the pores of the catalyst The specific surface area of the catalyst that becomes a porous body may be reduced. If the specific surface area of the carbon material is large, when the carbon material is gasified in the firing process, the catalytic activity that has entered the pores of the carbon material may be reduced. There is a possibility that the shape retaining property of the metal to be shown is lost and collapses, and the specific surface area of the catalyst that becomes a porous body is lowered. In the firing step without the carbon material remains, also the carbon material so as to ensure shape retention of the metal exhibiting a catalytic activity even gasified, a specific surface area ranging from 10m 2 / g~2000m 2 / g it is preferable to use a carbon material, it is more preferred to use carbon black in the range of 300m 2 / g~1300m 2 / g range of activated carbon or 10m 2 / g~200m 2 / g. As a result, a porous catalyst having a large specific surface area and good quality can be obtained.

具体的に、カーボン材としてカーボンブラックまたは活性炭を用いることが好ましく、一般に比表面積は小さく粒径が小さいという特徴を備えるカーボンブラックを用いると、比表面積が大きい多孔質体の触媒を得ることができる。一般的に多孔質体で比表面積が大きいという特徴を備える活性炭を用いると、活性炭の細孔に進入した触媒活性を示す金属は、焼成工程で活性炭がガス化しても保形性を確保できる。何れの場合でも比表面積が大きく良好な多孔質体の触媒を得ることができる。尚、カーボン材には植物、石炭、石油を原料とするものがあり、このうち触媒の活性を阻害する不純物が少ない植物を原料とするカーボン材を用いるのが好ましい。   Specifically, it is preferable to use carbon black or activated carbon as the carbon material. In general, when carbon black having the characteristics of a small specific surface area and a small particle size is used, a porous catalyst having a large specific surface area can be obtained. . In general, when activated carbon having a feature of being a porous body and having a large specific surface area is used, a metal exhibiting catalytic activity that has entered the pores of the activated carbon can ensure shape retention even when the activated carbon is gasified in the firing step. In any case, a good porous catalyst having a large specific surface area can be obtained. Some carbon materials are made from plants, coal, and petroleum. Among them, it is preferable to use carbon materials made from plants that have few impurities that hinder the activity of the catalyst.

テンプレート材であるカーボン材の添加量が多過ぎると、カーボン材は溶液中で凝集して良好なカーボン分散溶液が得られない。そのようなカーボン分散溶液を焼成すると、カーボン材が集中している部分において局部的に過剰燃焼して高温となり、触媒に生成される細孔が崩れて比表面積が低下する虞がある。カーボン材の添加量が少な過ぎると、カーボン材が燃焼してガス化しても触媒に生成される細孔が少なくなり、焼成工程で比表面積が大きい多孔質体が得られない。比表面積が大きい多孔質体となる触媒を得るために、カーボン分散溶液生成工程で添加されるカーボン材は、水溶性塩の重量に対して0.1重量%〜70重量%の範囲に設定されていることが好ましく、5重量%〜40重量%の範囲に設定されていることがさらに好ましい。   If the amount of the carbon material that is the template material is too large, the carbon material aggregates in the solution and a good carbon dispersion solution cannot be obtained. When such a carbon dispersion solution is baked, the carbon material is concentrated and excessively burned locally, resulting in a high temperature, and the pores generated in the catalyst may collapse and the specific surface area may decrease. If the added amount of the carbon material is too small, the pores generated in the catalyst are reduced even when the carbon material is combusted and gasified, and a porous body having a large specific surface area cannot be obtained in the firing step. In order to obtain a catalyst that becomes a porous body having a large specific surface area, the carbon material added in the carbon dispersion solution generation step is set in a range of 0.1 wt% to 70 wt% with respect to the weight of the water-soluble salt. It is preferable that it is set in the range of 5 wt% to 40 wt%.

カーボン分散溶液は、焼成工程で423K〜900Kの温度範囲で焼成されることが好ましく、523K〜773Kの温度範囲で焼成されることがより好ましい。この温度範囲で焼成すると、焼成時にカーボン材のガス化により生成される細孔が崩れることなく、良好な多孔質体となる触媒が得られるようになる。   The carbon dispersion solution is preferably baked in a temperature range of 423K to 900K in the baking step, and more preferably baked in a temperature range of 523K to 773K. When calcined in this temperature range, a catalyst that becomes a good porous body can be obtained without breaking the pores generated by gasification of the carbon material at the time of calcining.

上述の工程を経て製造されたFT合成用触媒を用いたFT合成反応により、一酸化炭素と水素から炭化水素を合成する炭化水素の製造方法について説明する。
炭化水素の製造プロセスは、固体であるバイオマスや石炭、或いは気体である天然ガスを分解して一酸化炭素と水素を製造する合成ガス生成工程と、製造された一酸化炭素と水素とからなる合成ガスを原料ガスとして、FT合成用触媒が装入された固定床、流動床、スラリー床等に供給して所定の圧力条件、温度条件でFT合成反応させて炭化水素を合成するFT合成反応工程とを含む。
A hydrocarbon production method for synthesizing hydrocarbons from carbon monoxide and hydrogen by an FT synthesis reaction using the FT synthesis catalyst produced through the above-described steps will be described.
The hydrocarbon production process consists of a synthesis gas production process that produces carbon monoxide and hydrogen by decomposing solid biomass and coal, or natural gas that is a gas, and synthesis that consists of the produced carbon monoxide and hydrogen. FT synthesis reaction step of synthesizing hydrocarbons by supplying FT synthesis reaction under specified pressure and temperature conditions by supplying gas as a raw material gas to a fixed bed, fluidized bed, slurry bed or the like charged with an FT synthesis catalyst Including.

FT合成反応工程の前に、予めFT合成用触媒を還元処理して活性化する必要があり、FT合成用触媒が装入された固定床、流動床、スラリー床等に一酸化炭素を含む還元性ガスを供給して、FT合成用触媒と還元性ガスとを例えば423K〜673Kで数時間接触させる触媒活性化処理が必要となる。例えば、FT合成用触媒として酸化鉄Feを用いる場合、触媒活性化処理によって酸化鉄Fe表面に鉄カーバイドFeが生成され、この鉄カーバイドFeが活性点となる。 Prior to the FT synthesis reaction step, it is necessary to reduce and activate the FT synthesis catalyst in advance, and the fixed bed, fluidized bed, slurry bed, etc. in which the FT synthesis catalyst is charged contain carbon monoxide. A catalyst activation treatment is required in which a reactive gas is supplied and the catalyst for FT synthesis and the reducing gas are brought into contact with each other at, for example, 423K to 673K for several hours. For example, when iron oxide Fe 2 O 3 is used as a catalyst for FT synthesis, iron carbide Fe 2 C 5 is generated on the surface of iron oxide Fe 2 O 3 by the catalyst activation treatment, and this iron carbide Fe 2 C 5 is activated. It becomes.

FT合成反応工程では、合成ガスの一酸化炭素が触媒に吸着されて酸素が分離され、炭素と水素が結合される。炭素から分離された酸素は水素と反応して水が生成される。   In the FT synthesis reaction step, synthesis gas carbon monoxide is adsorbed on the catalyst, oxygen is separated, and carbon and hydrogen are combined. Oxygen separated from carbon reacts with hydrogen to produce water.

本発明によるFT合成用触媒の製造方法で製造されたFT合成用触媒を用いる場合には、圧力条件0.5MPaから5MPa、温度条件423Kから673Kの下で、一酸化炭素と水素とを反応させることにより炭化水素が効率的に合成される。   When using the FT synthesis catalyst produced by the method for producing an FT synthesis catalyst according to the present invention, carbon monoxide and hydrogen are reacted under pressure conditions of 0.5 MPa to 5 MPa and temperature conditions of 423 K to 673 K. Thus, hydrocarbons are efficiently synthesized.

以下に実施例を説明する。FT合成反応の触媒活性を示す金属の水溶性塩として硝酸第三鉄・九水和物[Fe(HO)](NO・3HOを8g〜16g、助触媒として硫酸銅CuSOを0.4g〜4.8g及び硝酸カリウムKNOを0.01g〜0.8g計量し、溶媒としてエチレングリコールまたは水10ml〜20mlにそれらを加えて溶解させた。 Examples will be described below. Ferric nitrate nonahydrate [Fe (H 2 O) 6 ] (NO 3 ) 3 · 3H 2 O as a water-soluble metal salt showing catalytic activity of FT synthesis reaction, 8 to 16 g as sulfuric acid catalyst Copper CuSO 4 (0.4 g to 4.8 g) and potassium nitrate KNO 3 (0.01 g to 0.8 g) were weighed, and dissolved in ethylene glycol or water (10 ml to 20 ml) as a solvent.

その溶液に、カーボン材として活性炭またはカーボンブラックを、硝酸第三鉄・九水和物の重量に対して3重量%〜90重量%の範囲で添加し、攪拌混合してカーボン分散溶液を得た。   Activated carbon or carbon black as a carbon material was added to the solution in a range of 3 wt% to 90 wt% based on the weight of ferric nitrate nonahydrate, and mixed by stirring to obtain a carbon dispersion solution. .

さらに、各カーボン分散溶液を623K〜923Kの温度範囲で1時間〜12時間焼成して、カーボン材をガス化して除去し、多孔質な触媒を得た。図2には、得られた触媒の生成条件、比表面積が示され、それぞれの触媒の性能を示すFT合成反応の経過時間による一酸化炭素転化率が示されている。図2中、溶媒EGとはエチレングリコールを示し、一酸化炭素転化率の平均値は反応時間6時間〜9時間の平均値である。また、試料No.1,2はカーボン材を用いずに製造した対比用の試料である。   Furthermore, each carbon dispersion solution was calcined in a temperature range of 623 K to 923 K for 1 hour to 12 hours, and the carbon material was gasified and removed to obtain a porous catalyst. FIG. 2 shows the production conditions and specific surface area of the obtained catalyst, and shows the carbon monoxide conversion rate according to the elapsed time of the FT synthesis reaction indicating the performance of each catalyst. In FIG. 2, the solvent EG indicates ethylene glycol, and the average value of carbon monoxide conversion is an average value of reaction times of 6 hours to 9 hours. Sample No. Reference numerals 1 and 2 are comparative samples manufactured without using a carbon material.

尚、カーボン分散溶液を焼成する前に所定時間静置してもよいし、焼成前に溶媒を気化させる乾燥工程を実行してもよい。   In addition, you may stand still for a predetermined time before baking a carbon dispersion solution, and you may perform the drying process which vaporizes a solvent before baking.

各触媒の比表面積は、比表面積測定装置(NOVA1000(Quantachrome Instruments社製))で測定した値である。また、オートクレープの反応装置を用いて、組成比1(H2/CO=1)の合成ガスを、W/F=5g・h/mol〜10g・h/molとなる条件で供給し、反応圧力1MPa、反応温度423K〜673KでFT合成反応を行なったときの経過時間毎の一酸化炭素転化率(「CO転化率」とも表記する。)により触媒活性を評価した。ここに、Wは触媒重量、Fは合成ガスの流量である。   The specific surface area of each catalyst is a value measured with a specific surface area measuring device (NOVA1000 (manufactured by Quantachrome Instruments)). Also, using an autoclave reactor, a synthesis gas having a composition ratio of 1 (H2 / CO = 1) is supplied under the conditions of W / F = 5 g · h / mol to 10 g · h / mol, and the reaction pressure The catalytic activity was evaluated by the carbon monoxide conversion rate (also referred to as “CO conversion rate”) for each elapsed time when the FT synthesis reaction was performed at 1 MPa and a reaction temperature of 423 K to 673 K. Here, W is the weight of the catalyst, and F is the flow rate of the synthesis gas.

図2に示されているように、焼成温度が低い方が高い場合よりも比表面積が大きくなること、助触媒を添加しないで製造した触媒は触媒活性が低く、助触媒を添加することにより高い触媒活性を示すこと(試料No.4,5)、焼成前にカーボン分散溶液をろ過するろ過工程を実行すると、焼成後の比表面積が小さく、また触媒活性も低下するが、ろ過工程を実行しない場合には、比表面積が大きく触媒活性が高い触媒が得られることが判明した。つまり、カーボン分散溶液を焼成する前に当該溶液をろ過するろ過工程は行なわない方がよいことが判明した。   As shown in FIG. 2, the specific surface area is larger when the calcination temperature is lower than when the calcination temperature is higher, the catalyst produced without the addition of the cocatalyst has low catalytic activity, and is higher by adding the cocatalyst. Exhibiting catalytic activity (Sample Nos. 4 and 5) When performing a filtration step of filtering the carbon dispersion solution before firing, the specific surface area after firing is small and the catalytic activity is reduced, but the filtration step is not performed. In some cases, it has been found that a catalyst having a large specific surface area and high catalytic activity can be obtained. That is, it has been found that it is better not to perform a filtration step of filtering the carbon dispersion solution before firing.

さらに、カーボンブラックの添加量が多ければ、少ない場合に比べて比表面積が大きくなること、比表面積45m/g以上で、CO転化率は80%以上となること、溶媒に水を用いても、アルコール(エチレングリコール)、ケトン溶液を用いても大きく特性が変わることがないことも判明した。 Furthermore, if the amount of carbon black added is large, the specific surface area becomes larger than when it is small, the specific surface area is 45 m 2 / g or more, the CO conversion is 80% or more, and water is used as the solvent. It was also found that the characteristics did not change greatly even when alcohol (ethylene glycol) or ketone solution was used.

図3には、カーボン材添加量と比表面積の関係が示されている。助触媒(Cu,K)が添加され、ろ過工程が実行されず、焼成温度673Kである試料No.2,9,10,14,15,20,21,23に基づいた特性である。   FIG. 3 shows the relationship between the carbon material addition amount and the specific surface area. Sample No. 2 was added in which the cocatalyst (Cu, K) was added, the filtration step was not performed, and the calcination temperature was 673K. 2, 9, 10, 14, 15, 20, 21, and 23.

カーボン材の添加量が70重量%以上では、水溶性塩に対してカーボン材が過剰となり、過剰なカーボン材が焼成工程中に局部的に過剰燃焼して高温となり、比表面積を低下させることになる。また、カーボン材の添加量が溶媒の35重量%以上となると、カーボン材の分散が困難となり、60重量%以上になると、水溶液が粘土状となり好ましくない。カーボン材の分散が困難となると、焼成工程中に局部的な過剰燃焼が生じて高温となり、比表面積を低下させることになる。比表面積が約45m/gの多孔質の触媒を得るために、カーボン材の添加量は0.1重量%〜70重量%の範囲に設定されていることが好ましく、5重量%〜40重量%の範囲に設定されていることがより好ましい。 When the added amount of the carbon material is 70% by weight or more, the carbon material becomes excessive with respect to the water-soluble salt, and the excessive carbon material is excessively burned locally during the firing process, resulting in a high temperature and reducing the specific surface area. Become. Moreover, when the addition amount of the carbon material is 35% by weight or more of the solvent, it is difficult to disperse the carbon material, and when it is 60% by weight or more, the aqueous solution becomes undesirably clayy. If it becomes difficult to disperse the carbon material, local excessive combustion occurs during the firing step, resulting in a high temperature and a reduction in the specific surface area. In order to obtain a porous catalyst having a specific surface area of about 45 m 2 / g, the amount of carbon material added is preferably set in the range of 0.1 wt% to 70 wt%, and 5 wt% to 40 wt%. More preferably, it is set in the range of%.

図4には、焼成温度と触媒比表面積の関係が示されている。試料No.4,9,11,12,13,14,16,22,23に基づいた特性である。   FIG. 4 shows the relationship between the calcination temperature and the specific surface area of the catalyst. Sample No. The characteristics are based on 4, 9, 11, 12, 13, 14, 16, 22, and 23.

45m/g以上の比表面積を得るためには、反応温度(423K)を下限として、焼成温度を900K以下にする必要があり、523K〜773Kの範囲がより好ましい。 In order to obtain a specific surface area of 45 m 2 / g or more, it is necessary to set the reaction temperature (423 K) as the lower limit and the firing temperature to 900 K or less, and a range of 523 K to 773 K is more preferable.

図5には、触媒比表面積と触媒活性(一酸化炭素転化率)との関係が示されている。試料No.2,4,5,10,14,16,23に基づいた特性である。80%以上の一酸化炭素転化率を得るためには、比表面積が45m/g以上である必要がある。 FIG. 5 shows the relationship between the catalyst specific surface area and the catalyst activity (carbon monoxide conversion). Sample No. The characteristics are based on 2, 4, 5, 10, 14, 16, 23. In order to obtain a carbon monoxide conversion rate of 80% or more, the specific surface area needs to be 45 m 2 / g or more.

図6(a)には、カーボン材の粒子径と比表面積の関係が示されている。試料No.15〜20に基づいた特性である。45m/g以上の比表面積の触媒を得るために、カーボン材の粒子径の上限は200nmとすることが好ましい。発明者らの知見として、2nm以下の微小カーボン材を使用した場合には、多孔質の触媒の細孔径がミクロ細孔(2nm以下)となる割合が多くなり、細孔内における合成ガスの拡散が遅くなるため、カーボン材の粒子径の下限は2nmとすることが好ましい。 FIG. 6A shows the relationship between the particle diameter of the carbon material and the specific surface area. Sample No. It is the characteristic based on 15-20. In order to obtain a catalyst having a specific surface area of 45 m 2 / g or more, the upper limit of the particle diameter of the carbon material is preferably 200 nm. As a result of the inventors' knowledge, when a fine carbon material of 2 nm or less is used, the ratio of the pore diameter of the porous catalyst to micropores (2 nm or less) increases, and the synthesis gas diffuses in the pores. Therefore, the lower limit of the particle diameter of the carbon material is preferably 2 nm.

図6(b)には、カーボン材比表面積と触媒比表面積の関係が示されている。試料No.6〜9,15〜20に基づいた特性である。45m/g以上の比表面積の触媒を得るために、テンプレートして用いるカーボン材の比表面積は、10m/g〜2000m/gの範囲であることが好ましい。カーボン材として活性炭を用いる場合には、カーボン材の比表面積は約500m/g〜2000m/gの範囲となるが、比表面積10m/g程度のカーボンブラックも含めると上述の範囲が好ましい。 FIG. 6B shows the relationship between the specific surface area of the carbon material and the specific surface area of the catalyst. Sample No. It is a characteristic based on 6-9 and 15-20. To obtain a 45 m 2 / g or more specific surface area of the catalyst, the specific surface area of the carbon material used in the template, it is preferably in the range of 10m 2 / g~2000m 2 / g. In the case of using the activated carbon as the carbon material, although the specific surface area of the carbon material is in the range of from about 500m 2 / g~2000m 2 / g, a specific surface area of 10 m 2 / g approximately carbon black also included within the above range is preferred .

上述の実施例では、溶媒に水またはエチレングリコールを用いた例を説明したが、エチレングリコールに替えて他のアルコールまたはケトン溶液を用いても同様の結果が得られる。   In the above-described embodiment, an example in which water or ethylene glycol is used as the solvent has been described. However, similar results can be obtained by using another alcohol or ketone solution instead of ethylene glycol.

上述の実施例では、鉄系の触媒として、硝酸第三鉄を用いた例を説明したが、硝酸第二鉄の水和物を用いてもよい。またコバルト系、ニッケル系、ルテニウム系の触媒を用いても同様の結果が得られる。   In the above-described embodiment, an example in which ferric nitrate is used as the iron-based catalyst has been described. However, a hydrate of ferric nitrate may be used. Similar results can be obtained using cobalt-based, nickel-based, and ruthenium-based catalysts.

上述の実施例では、助触媒として銅及びカリウムを用いた例を説明したが、既に列記した他の助触媒を用いても同様の結果が得られる。
In the above-described embodiment, an example in which copper and potassium are used as promoters has been described. However, similar results can be obtained by using other promoters already listed.

Claims (13)

燃料合成反応の触媒活性を示す金属の水溶性塩または錯体と、助触媒とを、水、アルコール溶液またはケトン溶液に溶解し、その溶解液にカーボン材を分散させるカーボン分散溶液生成工程と、
前記カーボン分散溶液生成工程で得られるカーボン分散溶液を焼成することにより、カーボン材を除去するとともに前記金属の酸化物を生成する焼成工程と、
を含む燃料合成用触媒の製造方法。
A carbon dispersion solution generating step of dissolving a water-soluble salt or complex of a metal exhibiting catalytic activity of a fuel synthesis reaction and a promoter in water, an alcohol solution or a ketone solution, and dispersing a carbon material in the solution;
By firing the carbon dispersion solution obtained in the carbon dispersion solution production step, a firing step of removing the carbon material and producing the metal oxide,
The manufacturing method of the catalyst for fuel synthesis containing this.
前記カーボン分散溶液生成工程に用いられる水溶性塩は、燃料合成反応の触媒活性を示す鉄、コバルト、ニッケルまたはルテニウムの何れかの金属と無機酸または有機酸との化合物である請求項1記載の燃料合成用触媒の製造方法。   The water-soluble salt used in the carbon dispersion solution generating step is a compound of any one of iron, cobalt, nickel or ruthenium and an inorganic acid or an organic acid exhibiting a catalytic activity for a fuel synthesis reaction. A method for producing a catalyst for fuel synthesis. 前記カーボン分散溶液生成工程に用いられるカーボン材は、炭素原子の六角網面を基本構造とする炭素材料の何れかから選択される単一または複数のカーボン材である請求項1または2記載の燃料合成用触媒の製造方法。   3. The fuel according to claim 1, wherein the carbon material used in the carbon dispersion solution generation step is a single or a plurality of carbon materials selected from any of carbon materials having a hexagonal network surface of carbon atoms as a basic structure. A method for producing a catalyst for synthesis. 前記カーボン分散溶液生成工程に用いられるカーボン材は、最小寸法が2nm〜200nmの範囲のカーボン材である請求項1から請求項3の何れかに記載の燃料合成用触媒の製造方法。   The method for producing a fuel synthesis catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon material used in the carbon dispersion solution generation step is a carbon material having a minimum dimension in a range of 2 nm to 200 nm. 前記カーボン分散溶液生成工程に用いられるカーボン材は、比表面積が10m/g〜2000m/gの範囲のカーボン材である請求項1から請求項4の何れかに記載の燃料合成用触媒の製造方法。 Carbon material used in the carbon dispersion solution generating step has a specific surface area of 10m 2 / g~2000m 2 / g range claim 1 wherein the carbon material of the catalyst for fuel synthesis according to claim 4 of the Production method. 前記カーボン分散溶液生成工程に用いられるカーボン材は、カーボンブラックまたは活性炭である請求項4または請求項5記載の燃料合成用触媒の製造方法。   The method for producing a fuel synthesis catalyst according to claim 4 or 5, wherein the carbon material used in the carbon dispersion solution generation step is carbon black or activated carbon. 前記カーボン分散溶液生成工程に用いられるカーボン材の添加量は、前記水溶性塩の重量に対して0.1重量%〜70重量%の範囲に設定されている請求項3から6の何れかに記載の燃料合成用触媒の製造方法。   The amount of the carbon material used in the carbon dispersion solution generation step is set in a range of 0.1 wt% to 70 wt% with respect to the weight of the water-soluble salt. A method for producing the catalyst for fuel synthesis as described. 燃料合成反応の触媒活性を示す金属の水溶性塩または錯体を溶解する溶媒1mlに対して、カーボン材が0.2mg〜1gの割合となる範囲で添加されている請求項3から7の何れかに記載の燃料合成用触媒の製造方法。   The carbon material according to any one of claims 3 to 7, wherein a carbon material is added in a range of 0.2 mg to 1 g with respect to 1 ml of a solvent that dissolves a water-soluble salt or complex of a metal exhibiting a catalytic activity of a fuel synthesis reaction. A method for producing a catalyst for fuel synthesis as described in 1. 前記焼成工程は、焼成温度が423K〜900Kの範囲で実行される請求項1から8の何れかに記載の燃料合成用触媒の製造方法。   The method for producing a fuel synthesis catalyst according to any one of claims 1 to 8, wherein the calcination step is performed at a calcination temperature in a range of 423K to 900K. 前記助触媒は、アルカリ金属元素、アルカリ土類元素、希土類元素、貴金属元素、銅(Cu)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、マンガン(Mn)、バナジウム(V)の何れかから選択される単一または複数の助触媒である請求項1から9の何れかに記載の燃料合成用触媒の製造方法。   The promoter includes alkali metal elements, alkaline earth elements, rare earth elements, noble metal elements, copper (Cu), titanium (Ti), zirconium (Zr), molybdenum (Mo), manganese (Mn), and vanadium (V). The method for producing a catalyst for fuel synthesis according to any one of claims 1 to 9, wherein the catalyst is a single or a plurality of promoters selected from any one of them. 前記カーボン分散溶液生成工程で添加される助触媒の添加量は、前記水溶性塩の重量に対して0.1重量%〜30重量%の範囲に設定されている請求項10記載の燃料合成用触媒の製造方法。   11. The fuel synthesis composition according to claim 10, wherein an addition amount of the co-catalyst added in the carbon dispersion solution generation step is set in a range of 0.1 wt% to 30 wt% with respect to the weight of the water-soluble salt. A method for producing a catalyst. 請求項1から11の何れかに記載の燃料合成用触媒の製造方法で製造され、比表面積が45m/g以上の燃料合成用触媒。 A fuel synthesis catalyst produced by the method for producing a fuel synthesis catalyst according to claim 1 and having a specific surface area of 45 m 2 / g or more. 請求項1から11の何れかに記載の燃料合成用触媒の製造方法で製造された燃料合成用触媒を用いて、圧力条件0.5MPaから5MPa、温度条件423Kから673Kの下で、一酸化炭素と水素とを反応させて炭化水素を合成する炭化水素の製造方法。   Carbon monoxide under pressure conditions of 0.5 MPa to 5 MPa and temperature conditions of 423 K to 673 K using the fuel synthesis catalyst produced by the method for producing a fuel synthesis catalyst according to claim 1. Of hydrocarbons by synthesizing hydrocarbons by reacting hydrogen with hydrogen.
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