ベンゼン分解触媒
【課題】低温で効率的にベンゼンを分解可能なベンゼン分解触媒を提供する。
【解決手段】ベンゼンを触媒燃焼して分解するベンゼン分解触媒であって、白金ナノ粒子を含む触媒成分と、酸素を吸蔵及び放出する酸素吸蔵物質と、触媒成分及び酸素吸蔵物質を担持する多孔質物質と、多孔質物質が表面にコーティングされる基材とを備える。酸素吸蔵物質としては、ＣｅＯ２-ＺｒＯ２が好適に用いられ、多孔質物質はＡｌ２Ｏ３が好適に用いられる。さらに、触媒成分の白金ナノ粒子は平均粒子径が２．５ｎｍである。
【解決手段】ベンゼンを触媒燃焼して分解するベンゼン分解触媒であって、白金ナノ粒子を含む触媒成分と、酸素を吸蔵及び放出する酸素吸蔵物質と、触媒成分及び酸素吸蔵物質を担持する多孔質物質と、多孔質物質が表面にコーティングされる基材とを備える。酸素吸蔵物質としては、ＣｅＯ２-ＺｒＯ２が好適に用いられ、多孔質物質はＡｌ２Ｏ３が好適に用いられる。さらに、触媒成分の白金ナノ粒子は平均粒子径が２．５ｎｍである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベンゼン分解触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
改正大気汚染防止法の施行等により、揮発性有機化合物（Voratile Organic Compounds;ＶＯＣ）の排出量を削減することが求められている。そこで、白金等を含む触媒を用いた触媒燃焼法によってＶＯＣを分解することが知られている（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２１９０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した触媒によって、特にベンゼン等の分子構造が安定なＶＯＣを十分に分解するためには、高温で分解反応を行う必要がある。このため、エネルギーの消費量やコストが増大する等の問題があった。さらに、前述した触媒では、低濃度のベンゼンを十分に分解することが難しいという問題もあった。
【０００５】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来よりも低温な環境であっても効率的にベンゼンを分解可能なベンゼン分解触媒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、白金ナノ粒子を含む触媒成分及び酸素の吸蔵と放出を行う酸素吸蔵物質を多孔質物質に担持させることで、従来よりも低温環境下であっても効率的にベンゼンを分解できるという知見を得、本発明を完成するに至ったものである。
【０００７】
すなわち、本発明は、ベンゼンを触媒燃焼して分解するベンゼン分解触媒であって、白金ナノ粒子を含む触媒成分と、酸素を吸蔵するとともに放出する酸素吸蔵物質と、前記触媒成分及び前記酸素吸蔵物質を担持する多孔質物質と、前記多孔質物質が表面にコーティングされる基材と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、白金ナノ粒子を含む触媒成分と酸素吸蔵物質とを多孔質物質に担持させ、かつ、この多孔質物質を基材の表面にコーティングしているので、従来よりも低温環境下であっても効率的にベンゼンを分解できる。
【０００９】
上記ベンゼン分解触媒において、酸素吸蔵物質はＣｅＯ２-ＺｒＯ２であることが好ましく、多孔質物質はＡｌ２Ｏ３であることが好ましい。また、触媒成分の白金ナノ粒子の平均粒子径は２．５ｎｍであることが好ましい。
【００１０】
上記ベンゼン分解触媒において、前記基材が、シート状のベース部と、前記ベース部の表面から立ち上がった複数の突出片とを含んでいる場合には、ベース部と突出片のそれぞれに、触媒成分と酸素吸蔵物質とを担持した多孔質物質がコーティングされるので、ベンゼンが接触し易くなって分解効率を高めることができる。
【００１１】
上記ベンゼン分解触媒において、前記ベース部は短尺辺と長尺辺とを有する矩形帯状であり、前記基材が一方の前記短尺辺を中心として螺旋状に巻回された形状に設けられている場合には、突出片が介在することで、ベース部は隙間を空けた状態で巻回されるため、ベンゼンが接触し易くなって分解効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、低温で効率的にベンゼンを分解可能なベンゼン分解触媒を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒における基材の表面の構造を説明するための模式図であり、（ｂ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒の構成成分の一例を示す表である。
【図２】本実施形態にかかるベンゼン分解触媒における基材の表面の一部を示す斜視図である。
【図３】本実施形態にかかるベンゼン分解触媒における基材の全体構造を示す斜視図である。
【図４】分解確認試験に用いた実験装置１０を説明するための模式図である。
【図５】分解確認試験の実験手順を説明するための図である
【図６】（ａ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒において、異なるベンゼンの濃度ごとに、反応温度とベンゼンの分解率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒において、異なるベンゼンの濃度ごとに、反応温度とベンゼンの分解速度との関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒において、異なる空間速度ＳＶごとに、反応温度とベンゼンの分解率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒において、異なる空間速度ＳＶごとに、反応温度とベンゼンの分解速度との関係を示すグラフである。
【図８】（ａ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒において、異なる反応温度範囲ごとに、反応温度と分解率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒において、異なる反応温度範囲ごとに、反応温度と物質収支との関係を示すグラフである。
【図９】本実施形態にかかるベンゼン分解触媒と、市販の白金系触媒とのベンゼン分解性能を比較するためのグラフである。
【図１０】（ａ）は、市販の白金系触媒のベンゼン分解性能を示すグラフであり、（ｂ）は、市販の白金系触媒のベンゼン分解性能を示すその他のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
===ベンゼン分解触媒の構成===
図１（ａ）〜図３を参照しつつ、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒１について説明する。尚、図１（ａ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒１の基材５の表面における白金ナノ粒子２、酸素吸蔵物質３、多孔質物質４の構造を説明するための模式図である。図１（ｂ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒１の構成成分の一例を示す表である。図２は、本実施形態にかかる基材５の表面の一部を示す斜視図である。図３は、本実施形態にかかる基材５の全体構造を示す斜視図である。
【００１５】
ベンゼン分解触媒１は、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の一種であるベンゼンを酸化して二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに分解する（触媒燃焼反応）。このベンゼン分解触媒１は、特にベンゼン（Ｃ６Ｈ６）について効率よく分解できるように、スクリーニングされたものである。
【００１６】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、ベンゼン分解触媒１は、白金ナノ粒子（触媒成分）２と、酸素吸蔵物質３と、多孔質物質４と、基材５とを備えている。
【００１７】
白金ナノ粒子２は、白金（Ｐｔ）をナノレベルの微粒子に加工したものである。本実施形態では平均直径が２．５ｎｍ（標準偏差０．０３３％）の微粒子に加工されたものを用いている。
【００１８】
酸素吸蔵物質３は、酸素を吸収するとともに、吸収した酸素を放出する物質である。本実施形態では、酸素吸蔵物質３として酸化セリウム−酸化ジルコニウム複合酸化物（ＣｅＯ２−ＺｒＯ２）を用いている。酸素吸蔵物質３を用いることにより、酸素過剰雰囲気では酸素が吸蔵され、還元雰囲気では酸素が放出されるため、酸素量を適切に調整することができ、触媒燃焼反応を促進できる。
【００１９】
多孔質物質４は、白金ナノ粒子２及び酸素吸蔵物質３を担持する物質である。本実施形態では、多孔質物質４として酸化アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いている。そして、白金ナノ粒子２及び酸素吸蔵物質３は、例えば含浸法を用いることで多孔質物質４に担持させることができる。
【００２０】
基材５は、表面に多孔質物質４がコーティングされる部分であり、本実施形態ではステンレスによって形成されている。なお、耐熱性を有し多孔質物質４がコーティングできれば他の金属であってもよい。
【００２１】
ここで、図２及び図３を参照して、基材５の構造について具体的に説明する。基材５は、シート状のベース部５０と、ベース部５０の一方の表面から立ち上がった複数の突出片５１とを備えている。
【００２２】
ベース部５０は、短尺辺と長尺辺とを有する矩形帯状に形成されている。また、各突出片５１は、ベース部５０の表面から直交する角度で立ち上がっている。このような突出片５１は、ベース部５０にコ字状の微細な切り込みを形成し、切り込みの内側部分を起こすことで形成できる。この場合、突出片５１とベース部５０とは一体に形成され、ベース部５０における各突出片５１の基端部分には突出片５１と同じ形状の貫通孔５２が形成される。本実施形態において、突出片５１の高さは３７５μｍであり、ベース部５０の長尺辺方向における突出片５１同士の間隔は６６２μｍである。
【００２３】
そして、基材５は、突出片５１や貫通孔５２が形成されたベース部５０を、一方の短尺辺を中心として螺旋状に巻回された円柱形状を呈している。
【００２４】
本実施形態において、ベース部５０は、突出片５１を備える表面が内側となるように巻回されている。これにより、各突出片５１は、円柱形状の中心軸から放射状に向いて設けられ、半径方向に重なり合うベース部５０の隙間（層間）に介在する。これによって、ベース部５０の隙間は突出片５１の高さ以上の間隔に維持され、通気性が確保される。この例において、基材５の高さ（ベース部５０の短尺辺の長さ）ｈは１０．０ｍｍとなっている。また、基材５は、螺旋状に１２ターン巻回され、端面の直径方向の長さｄが１２．８ｍｍとなっている。
【００２５】
次に、上記構成のベンゼン分解触媒１に対し、ベンゼンを含んだ被処理流体を反応させてベンゼンを分解させる場合の作用について説明する。
【００２６】
このベンゼン分解触媒１でベンゼンの分解を行う場合、上記被処理流体を、基材５の一方の端面側から他方の端面側に向かって流す。基材５の層間には、白金ナノ粒子２及び酸素吸蔵物質３を担持する多孔質物質４がコーティングされた突出片５１が介在しているので、被処理流体が突出片５１と衝突する際に触媒燃焼反応が生じて、ベンゼンが分解される。
【００２７】
この際、突出片５１は、被処理流体の入口側である基材５の一方の端面側から、被処理流体の出口側である他方の端面側に亘って異なる位置に多数配置されている。したがって、被処理流体を流すための流路を基材５の内部全体に形成できる。これによって、基材５の内部における目詰まりを防止できる。
【００２８】
また、突出片５１によって、被処理流体に対する適度な流路抵抗を与えることができるし、被処理流体の流れ方向に変化を与えることもできる。さらに、貫通孔５２によって層間を跨いで被処理流体を流すことができる。これにより、被処理流体は、基材５の内部を三次元的に流れることができる。
【００２９】
以上より、ベンゼン分解触媒１で被処理流体に含まれるベンゼンを分解させた場合には、被処理流体を基材５の内部全体に行き渡らせることができ、内部全体で触媒燃焼反応が生じるため、ベンゼンを効率よく分解することができる。
【００３０】
===ベンゼン分解触媒によるベンゼン分解確認試験について===
前述の作用効果を確認するため、ベンゼン分解触媒１によるベンゼンの分解確認試験を行った。以下、図４及び図５を参照しつつ、分解確認試験について説明する。図４は、分解確認試験に用いた実験装置１０を示す模式図である。図５は、分解確認試験の実験手順を説明するための図である。
【００３１】
ベンゼン分解触媒１の触媒燃焼反応において、ベンゼンの濃度及び被処理流体の空間速度ＳＶは、ベンゼン分解性能を評価する上で重要なパラメータとなる。そこで、この分解確認試験では、ベンゼンの濃度変化によるベンゼンの分解率の影響と、被処理流体の空間速度ＳＶの変化によるベンゼンの分解率の影響とをそれぞれ確認した。尚、空間速度ＳＶとは、ベンゼン分解触媒１を通過する際の単位時間あたりの被処理流体の体積（標準状態）を、ベンゼン分解触媒１の体積で除したものである。
【００３２】
先ず、図４を参照しつつ、分解確認試験を行うための実験装置１０について説明する。実験装置１０では、反応管１１内にベンゼン分解触媒１が配置されている。具体的には、ベンゼン分解触媒１は、この反応管１１の内部において、基材５の一方の端面側から被処理流体が流入し、他方の端面側から被処理流体が流出する状態で配置されている。
【００３３】
反応管１１は電気炉１２内に設置されている。この電気炉１２は、熱電対温度調節器１３を備え、この熱電対温度調節器１３によって調節された温度で反応管１１を加熱する。つまり、電気炉１２によって、ベンゼン分解触媒１による触媒燃焼反応の反応温度が調節される。
【００３４】
また、反応管１１は、各種ガスの供給管１８Ａ〜１８ＤとそれぞれＭＦＣ（Mass Flow Controller）１４を介して接続されている。そして、ＭＦＣ１４によって、反応管１１に供給されるガスの流量が調整される。つまり、ＭＦＣ１４によって、空間速度ＳＶが所定速度（後述する）となるように調整される。
【００３５】
尚、反応管１１に供給される各種ガスは、窒素によって希釈され後述する所定の濃度に調整されたベンゼン（Ｃ６Ｈ６）や、バランスガスとしての空気（Ａｉｒ）、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）である。そして、窒素が供給管１８Ａを通じて、酸素が供給管１８Ｂを通じて供給される。同様に、ベンゼンが供給管１８Ｃを通じて、空気が供給管１８Ｄを通じて供給される。
【００３６】
また、実験装置１０は、前述した各種ガスが反応管１１をバイパスしてクロマトグラフ１５、１６に供給されるように切り替えることが可能なバイパス管１７を備えている。
【００３７】
そして、反応管１１を通過した後の被処理流体に含まれるベンゼンや触媒燃焼反応によって生成したＣＯ２の定量分析は、ＴＣＤ付きのクロマトグラフ１５及びＦＩＤ付きのクロマトグラフ１６によって行った。
【００３８】
次に、図５を参照しつつ、実験装置１０での分解確認試験の手順について説明する。
【００３９】
先ず、供給管１８ＡからＮ２ガスを反応管１１に毎分２００ｃｃ（標準状態）ずつ供給しながら、電気炉１２によって、反応管１１の温度を所定の温度Ｔ０に上昇させる。反応管１１が温度Ｔ０で安定したならば、流路をバイパス管１７に切り替え（ｔ１）、ＭＦＣ１４によって、被処理流体が実験条件の組成（後述する）となるように各ガスの量を調整する。
【００４０】
実験条件の組成となったならば、ガスクロマトグラフ１５、１６による測定を繰り返し行う（ベース分析ａ，ｂ）。これらの測定結果から、被処理流体が実験条件の組成となっているか否かを確認する。そして、反応管１１が温度Ｔ０に達してから所定時間（６０分）が経過したならば、流路をバイパス管１７から反応管１１へ切り替える（ｔ２）。
【００４１】
流路を反応管１１に切り換えた後、ガスクロマトグラフ１５、１６による測定を繰り返し行う（温度Ｔ０での確認分析ｃ〜ｅ）。これらの測定結果から、温度Ｔ０におけるベンゼンの分解性能を確認する。ここでは確認分析ｃ〜ｅの平均値から分解性能を確認する。
【００４２】
確認分析ｃ〜ｅが終了したならば、反応管１１の温度を上昇させて所定温度Ｔ１に設定する（ｔ３〜ｔ４）。この場合、電気炉１２に対する通電量を増やすことで反応管１１の温度を上昇させる。そして、温度Ｔ１を６０分保持した後、ガスクロマトグラフ１５、１６による測定を繰り返し行う（温度Ｔ１での確認分析ｆ〜ｈ）。これらの測定結果から、温度Ｔ１におけるベンゼンの分解性能を確認する。ここでは、温度Ｔ０のときと同様に、確認分析ｆ〜ｈの平均値から分解性能を確認する。
【００４３】
確認分析ｆ〜ｈが終了したならば、以後は同様の手順で他の温度の確認分析を行う（ｔ５〜）。そして、必要な温度まで確認が終了したならば、一連の確認試験を終了する。
【００４４】
<<<ベンゼンの濃度の変化と、反応温度に対するベンゼンの分解率との関係について>>>
前述したように、ベンゼンの濃度はベンゼン分解触媒１のベンゼン分解性能を評価する上で重要なパラメータとなる。そこで、ベンゼンの濃度を異ならせた場合における、ベンゼンの分解率と反応温度との関係、並びに、反応速度と反応温度との関係について確認した。確認結果を図６（ａ），（ｂ）に示す。
【００４５】
この確認試験において、被処理流体中のベンゼンの濃度は、３０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、３００ｐｐｍの３種類とした。そして、反応管１１での反応温度は８０℃から１８０℃まで２０℃毎に変化させた。また、被処理流体の空間速度ＳＶは１２０００ｈ−１とした。
【００４６】
図６（ａ）に示すように、このベンゼン分解触媒１では、被処理流体中のベンゼンの濃度が３０ｐｐｍであれば、１４０℃の反応温度でベンゼンを１００％分解できることが確認された。また、ベンゼンの濃度が１００ｐｐｍ、３００ｐｐｍであれば、共に１６０℃の反応温度でベンゼンを１００％分解できることが確認された。
【００４７】
以上より、ベンゼンの濃度が３０〜３００ｐｐｍの場合、このベンゼン分解触媒１では、１４０℃から１６０℃程度の反応温度でベンゼンを分解できることが確認された。また、ベンゼンの濃度が高くなるにつれ、ベンゼンを１００％分解できる反応温度が高温側にシフトすることも確認された。さらに、ベンゼンを分解する触媒燃焼反応は、反応温度が１００℃から１６０℃の間で急激に進行することも確認された。
【００４８】
図６（ｂ）に示すように、このベンゼン分解触媒１では、反応温度が１６０℃以上になると何れの濃度でも反応速度が収束することが確認された。そして、反応温度が１６０℃であってベンゼンの濃度が３０ｐｐｍの場合、反応速度は約１８μｍｏｌ／ｃｍ３・ｓに達しなかった。また、ベンゼンの濃度が１００ｐｐｍの場合、反応速度は約５０μｍｏｌ／ｃｍ３・ｓであり、ベンゼンの濃度が３００ｐｐｍの場合、反応速度は約１６０μｍｏｌ／ｃｍ３・ｓであった。このように、ベンゼンの濃度が高い程に反応速度が高くなることが確認された。すなわち、被処理流体中のベンゼンの濃度が高いほど、触媒燃焼反応の反応速度が速く、ベンゼンの分解がより速やかに行われることが確認された。
【００４９】
<<<空間速度ＳＶの変化と、反応温度に対するベンゼンの分解率との関係について>>>
被処理流体の空間速度ＳＶもまたベンゼン分解触媒１のベンゼン分解性能を評価する上で重要なパラメータとなる。そこで、空間速度ＳＶを異ならせた場合における、ベンゼンの分解率と反応温度との関係、並びに、反応速度と反応温度との関係についても確認をした。確認結果を図７（ａ），（ｂ）に示す。
【００５０】
この確認試験において、ベンゼン分解触媒１に対する被処理流体の空間速度ＳＶは、６０００ｈ−１、１２０００ｈ−１、２４０００ｈ−１の３種類とした。そして、反応管１１での反応温度は、８０℃から２００℃まで２０℃毎に変化させた。また、被処理流体中のベンゼンの濃度は３００ｐｐｍとした。
【００５１】
図７（ａ）に示すように、このベンゼン分解触媒１では、空間速度ＳＶが６０００ｈ−１、１２０００ｈ−１の場合、共に１６０℃の反応温度でベンゼンを１００％分解できることが確認された。また、空間速度ＳＶが２４０００ｈ−１の場合、２００℃の反応温度でベンゼンを９５％分解できることが確認された。
【００５２】
以上より、ベンゼンの濃度が３００ｐｐｍであって空間速度ＳＶが６０００〜２４０００ｈ−１の場合、このベンゼン分解触媒１では、１６０℃から２００℃程度の反応温度でベンゼンを分解できることが確認された。なお、空間速度ＳＶが高すぎるとベンゼンの分解能が低下することも確認された。加えて、空間速度ＳＶが大きくなるにつれ、ベンゼンを約１００％分解できる反応温度も高温側にシフトすることも確認された。
【００５３】
図７（ｂ）に示すように、このベンゼン分解触媒１では、空間速度ＳＶが６０００〜１２０００ｈ−１の場合、反応温度が１６０℃以上になると反応速度が収束することが確認された。また、空間速度ＳＶが２４０００ｈ−１の場合、反応温度１８０℃と２００℃の間における反応速度の増加率が、反応温度１４０℃と１８０℃の間の増加率よりも小さくなっていることが確認された。
【００５４】
そして、空間速度ＳＶが６０００ｈ−１の場合、反応温度１８０℃での反応速度は約８０μｍｏｌ／ｃｍ３・ｓであり、空間速度ＳＶが１２０００ｈ−１の場合、反応温度１８０℃での反応速度は約１６０μｍｏｌ／ｃｍ３・ｓであった。また、空間速度ＳＶが２４０００ｈ−１の場合、反応温度２００℃での反応速度は約３００μｍｏｌ／ｃｍ３・ｓであった。
【００５５】
このように、被処理流体の空間速度ＳＶが高い程に反応速度が高くなり、ベンゼンの分解がより速やかに行われることが確認された。
【００５６】
<<<カーボン基準の物質収支について>>>
また、ベンゼン分解触媒１による触媒燃焼反応によって、ベンゼンがＣＯ２に転化していることを確認すべく、ベンゼンの分解確認試験を行った。
【００５７】
この確認試験も実験装置１０を用いて行った。具体的には、反応管１１に供給する被処理流体量を毎分２５８ｃｃ（標準状態）、空間速度ＳＶを１２０００ｈ−１、被処理体中のベンゼンの濃度を３００ｐｍとした実験条件において、１回目の測定であるＲＵＮ１では、反応温度の範囲を１００℃−１６０℃とし、２回目の測定であるＲＵＮ２では、反応温度の範囲を１００℃−１８０℃として、分解確認試験を行った。
【００５８】
この分解確認試験でも、反応管１１を通過した後の被処理流体に含まれるベンゼンや触媒燃焼反応によって生成したＣＯ２の定量分析を、ＴＣＤ付きのクロマトグラフ１５及びＦＩＤ付きのクロマトグラフ１６によって行った。そして、この定量分析結果から、反応温度とベンゼンの分解率との関係、及び、反応温度と物質収支との関係を求めた。反応温度とベンゼンの分解率との関係を図８（ａ）に示す。また、反応温度と物質収支との関係を図８（ｂ）に示す。
【００５９】
図８（ａ）に示す反応温度とベンゼンの分解率との関係については、図６（ａ）の確認試験と同じような結果が得られた。すなわち、反応温度１２０℃から分解率の急激な上昇が見られ、１６０℃以上でほぼ全量が分解されることが確認された。そして、被処理流体中のベンゼン濃度と分解率とから、分解されたベンゼンの炭素量を算出し、測定されたＣＯ２に由来する炭素量と比較することで、物質収支を求めた。各反応温度において物質収支が０．７以上であることから、このベンゼン分解触媒１によって、被処理流体中のベンゼンの多くがＣＯ２にまで分解されていることが確認された。
【００６０】
<<<市販の白金系触媒と、ベンゼン分解触媒との分解性能の比較について>>>
ここで、ベンゼン分解触媒１とベンゼン分解性能を比較するため、市販の白金系触媒についても、ベンゼン分解触媒１と同様に、実験装置１０による分解確認試験を行った。尚、図９は、被処理流体中のベンゼンの濃度を３００ｐｐｍ、空間速度ＳＶを１２０００ｈ−１とした場合の、反応温度とベンゼンの分解率との関係を示している。また、この分解確認試験は、ベンゼン分解性能をより確実に比較するため、ベンゼン分解触媒１に担持される白金ナノ粒子２と、市販の白金触媒とが同等の密度となる条件の下で行っている。
【００６１】
図９に示すように、ベンゼン分解触媒１は、約１６０℃の反応温度において、ベンゼンを１００％分解できることが確認された。この結果は、先に説明した確認試験と同じ結果である。これに対して、市販の白金系触媒では、約２６０℃の反応温度においても、ベンゼンを約８０％しか分解できていないことが確認された。
【００６２】
また、図１０（ａ）は、ベンゼン濃度を１％とし、空間速度ＳＶを１００００ｈ−１、２００００ｈ−１、３００００ｈ−１、４００００ｈ−１とした場合における市販の白金系触媒の反応温度とベンゼンの分解率との関係を示すグラフである。図１０（ｂ）は、空間速度を３００００ｈ−１とし、ベンゼン濃度を１％、３％、５％、７％、１０％とした場合における市販の白金系触媒の反応温度とベンゼンの分解率との関係を示すグラフである。
【００６３】
図１０（ａ）から判るように、市販の白金系触媒では、例えば、空間速度ＳＶを１００００ｈ−１とし、ベンゼンの濃度を１％とした場合、ベンゼンを１００％分解するためには、反応温度を２８０℃（５５３Ｋ）にする必要がある。また、図１０（ｂ）から判るように、市販の白金系触媒では、例えば、空間速度ＳＶを３００００ｈ−１とし、ベンゼンの濃度を１％とした場合、ベンゼンを１００％分解するためには、反応温度を３６０℃にする必要がある。また、図１０（ｂ）から判るように、市販の白金系触媒では、例えば、ベンゼンの濃度を、他の条件に比べて低濃度である１％とした場合、反応温度を５００℃にまで上昇させても、ベンゼンを５０％程度しか分解することができないことが確認された。
【００６４】
以上より、本実施形態のベンゼン分解触媒１では、市販の白金系触媒に比べて十分に低い反応温度（１４０〜１８０℃）であっても、高いベンゼン分解性能が発揮されることが確認された。また、ベンゼンの濃度が低い場合（３０ｐｐｍ）であっても、ベンゼンの濃度が高い場合（３００ｐｐｍ）と同様に、ベンゼンを１００％分解できることが確認された。このように、本実施形態のベンゼン分解触媒１は、低温で効率的にベンゼンを分解することができる。このため、触媒燃焼反応にかかるエネルギーの消費量を低減することや、コストを削減することができる。
【００６５】
===その他の実施形態===
前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更、改良されると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
【００６６】
まず、酸素吸蔵物質としてＣｅＯ２-ＺｒＯ２を例示したが、２００℃前後の反応温度に耐えるものであって、多孔質物質に担持されるものであれば、酸素吸蔵物質として用いることができる。また、多孔質物質に関してＡｌ２Ｏ３を例示したが、２００℃前後の反応温度に耐えるものであって、白金ナノ粒子や酸素吸蔵物質を担持できればＡｌ２Ｏ３に限られない。加えて、触媒成分としての白金ナノ粒子に関し、平均粒子径が２．５ｎｍのものを例示したが、ナノレベルの粒子であれば同様に用いることができると解される。
【００６７】
前述したベンゼン分解触媒１では、基材５が、ベース部５０の一方の短尺辺を中心として螺旋状に巻回された円柱形状を呈していることとした。しかし、特にこれに限定されるものではなく、例えば、基材５は、複数のベース部５０を重ね合わせた積層構造であることとしてもよい。
【００６８】
また、前述したベンゼン分解触媒１では、基材５の高さｈを１０．０ｍｍとしたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、基材の高さｈは２０．０ｍｍ、３０．０ｍｍとしてもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１…ベンゼン分解触媒，２…白金ナノ粒子，３…酸素吸蔵物質，４…多孔質物質，５…機材，１０…実験装置，１１…反応管，１２…電気炉，１３…熱電対温度調節器，１４…ＭＦＣ，１５、１６…ガスクロマトグラフ，１７…バイパス管，１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ…供給管，５０…ベース部，５１…突出片，５２…貫通孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベンゼン分解触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
改正大気汚染防止法の施行等により、揮発性有機化合物（Voratile Organic Compounds;ＶＯＣ）の排出量を削減することが求められている。そこで、白金等を含む触媒を用いた触媒燃焼法によってＶＯＣを分解することが知られている（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２１９０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した触媒によって、特にベンゼン等の分子構造が安定なＶＯＣを十分に分解するためには、高温で分解反応を行う必要がある。このため、エネルギーの消費量やコストが増大する等の問題があった。さらに、前述した触媒では、低濃度のベンゼンを十分に分解することが難しいという問題もあった。
【０００５】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来よりも低温な環境であっても効率的にベンゼンを分解可能なベンゼン分解触媒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、白金ナノ粒子を含む触媒成分及び酸素の吸蔵と放出を行う酸素吸蔵物質を多孔質物質に担持させることで、従来よりも低温環境下であっても効率的にベンゼンを分解できるという知見を得、本発明を完成するに至ったものである。
【０００７】
すなわち、本発明は、ベンゼンを触媒燃焼して分解するベンゼン分解触媒であって、白金ナノ粒子を含む触媒成分と、酸素を吸蔵するとともに放出する酸素吸蔵物質と、前記触媒成分及び前記酸素吸蔵物質を担持する多孔質物質と、前記多孔質物質が表面にコーティングされる基材と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、白金ナノ粒子を含む触媒成分と酸素吸蔵物質とを多孔質物質に担持させ、かつ、この多孔質物質を基材の表面にコーティングしているので、従来よりも低温環境下であっても効率的にベンゼンを分解できる。
【０００９】
上記ベンゼン分解触媒において、酸素吸蔵物質はＣｅＯ２-ＺｒＯ２であることが好ましく、多孔質物質はＡｌ２Ｏ３であることが好ましい。また、触媒成分の白金ナノ粒子の平均粒子径は２．５ｎｍであることが好ましい。
【００１０】
上記ベンゼン分解触媒において、前記基材が、シート状のベース部と、前記ベース部の表面から立ち上がった複数の突出片とを含んでいる場合には、ベース部と突出片のそれぞれに、触媒成分と酸素吸蔵物質とを担持した多孔質物質がコーティングされるので、ベンゼンが接触し易くなって分解効率を高めることができる。
【００１１】
上記ベンゼン分解触媒において、前記ベース部は短尺辺と長尺辺とを有する矩形帯状であり、前記基材が一方の前記短尺辺を中心として螺旋状に巻回された形状に設けられている場合には、突出片が介在することで、ベース部は隙間を空けた状態で巻回されるため、ベンゼンが接触し易くなって分解効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、低温で効率的にベンゼンを分解可能なベンゼン分解触媒を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒における基材の表面の構造を説明するための模式図であり、（ｂ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒の構成成分の一例を示す表である。
【図２】本実施形態にかかるベンゼン分解触媒における基材の表面の一部を示す斜視図である。
【図３】本実施形態にかかるベンゼン分解触媒における基材の全体構造を示す斜視図である。
【図４】分解確認試験に用いた実験装置１０を説明するための模式図である。
【図５】分解確認試験の実験手順を説明するための図である
【図６】（ａ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒において、異なるベンゼンの濃度ごとに、反応温度とベンゼンの分解率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒において、異なるベンゼンの濃度ごとに、反応温度とベンゼンの分解速度との関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒において、異なる空間速度ＳＶごとに、反応温度とベンゼンの分解率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒において、異なる空間速度ＳＶごとに、反応温度とベンゼンの分解速度との関係を示すグラフである。
【図８】（ａ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒において、異なる反応温度範囲ごとに、反応温度と分解率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒において、異なる反応温度範囲ごとに、反応温度と物質収支との関係を示すグラフである。
【図９】本実施形態にかかるベンゼン分解触媒と、市販の白金系触媒とのベンゼン分解性能を比較するためのグラフである。
【図１０】（ａ）は、市販の白金系触媒のベンゼン分解性能を示すグラフであり、（ｂ）は、市販の白金系触媒のベンゼン分解性能を示すその他のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
===ベンゼン分解触媒の構成===
図１（ａ）〜図３を参照しつつ、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒１について説明する。尚、図１（ａ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒１の基材５の表面における白金ナノ粒子２、酸素吸蔵物質３、多孔質物質４の構造を説明するための模式図である。図１（ｂ）は、本実施形態にかかるベンゼン分解触媒１の構成成分の一例を示す表である。図２は、本実施形態にかかる基材５の表面の一部を示す斜視図である。図３は、本実施形態にかかる基材５の全体構造を示す斜視図である。
【００１５】
ベンゼン分解触媒１は、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の一種であるベンゼンを酸化して二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに分解する（触媒燃焼反応）。このベンゼン分解触媒１は、特にベンゼン（Ｃ６Ｈ６）について効率よく分解できるように、スクリーニングされたものである。
【００１６】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、ベンゼン分解触媒１は、白金ナノ粒子（触媒成分）２と、酸素吸蔵物質３と、多孔質物質４と、基材５とを備えている。
【００１７】
白金ナノ粒子２は、白金（Ｐｔ）をナノレベルの微粒子に加工したものである。本実施形態では平均直径が２．５ｎｍ（標準偏差０．０３３％）の微粒子に加工されたものを用いている。
【００１８】
酸素吸蔵物質３は、酸素を吸収するとともに、吸収した酸素を放出する物質である。本実施形態では、酸素吸蔵物質３として酸化セリウム−酸化ジルコニウム複合酸化物（ＣｅＯ２−ＺｒＯ２）を用いている。酸素吸蔵物質３を用いることにより、酸素過剰雰囲気では酸素が吸蔵され、還元雰囲気では酸素が放出されるため、酸素量を適切に調整することができ、触媒燃焼反応を促進できる。
【００１９】
多孔質物質４は、白金ナノ粒子２及び酸素吸蔵物質３を担持する物質である。本実施形態では、多孔質物質４として酸化アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いている。そして、白金ナノ粒子２及び酸素吸蔵物質３は、例えば含浸法を用いることで多孔質物質４に担持させることができる。
【００２０】
基材５は、表面に多孔質物質４がコーティングされる部分であり、本実施形態ではステンレスによって形成されている。なお、耐熱性を有し多孔質物質４がコーティングできれば他の金属であってもよい。
【００２１】
ここで、図２及び図３を参照して、基材５の構造について具体的に説明する。基材５は、シート状のベース部５０と、ベース部５０の一方の表面から立ち上がった複数の突出片５１とを備えている。
【００２２】
ベース部５０は、短尺辺と長尺辺とを有する矩形帯状に形成されている。また、各突出片５１は、ベース部５０の表面から直交する角度で立ち上がっている。このような突出片５１は、ベース部５０にコ字状の微細な切り込みを形成し、切り込みの内側部分を起こすことで形成できる。この場合、突出片５１とベース部５０とは一体に形成され、ベース部５０における各突出片５１の基端部分には突出片５１と同じ形状の貫通孔５２が形成される。本実施形態において、突出片５１の高さは３７５μｍであり、ベース部５０の長尺辺方向における突出片５１同士の間隔は６６２μｍである。
【００２３】
そして、基材５は、突出片５１や貫通孔５２が形成されたベース部５０を、一方の短尺辺を中心として螺旋状に巻回された円柱形状を呈している。
【００２４】
本実施形態において、ベース部５０は、突出片５１を備える表面が内側となるように巻回されている。これにより、各突出片５１は、円柱形状の中心軸から放射状に向いて設けられ、半径方向に重なり合うベース部５０の隙間（層間）に介在する。これによって、ベース部５０の隙間は突出片５１の高さ以上の間隔に維持され、通気性が確保される。この例において、基材５の高さ（ベース部５０の短尺辺の長さ）ｈは１０．０ｍｍとなっている。また、基材５は、螺旋状に１２ターン巻回され、端面の直径方向の長さｄが１２．８ｍｍとなっている。
【００２５】
次に、上記構成のベンゼン分解触媒１に対し、ベンゼンを含んだ被処理流体を反応させてベンゼンを分解させる場合の作用について説明する。
【００２６】
このベンゼン分解触媒１でベンゼンの分解を行う場合、上記被処理流体を、基材５の一方の端面側から他方の端面側に向かって流す。基材５の層間には、白金ナノ粒子２及び酸素吸蔵物質３を担持する多孔質物質４がコーティングされた突出片５１が介在しているので、被処理流体が突出片５１と衝突する際に触媒燃焼反応が生じて、ベンゼンが分解される。
【００２７】
この際、突出片５１は、被処理流体の入口側である基材５の一方の端面側から、被処理流体の出口側である他方の端面側に亘って異なる位置に多数配置されている。したがって、被処理流体を流すための流路を基材５の内部全体に形成できる。これによって、基材５の内部における目詰まりを防止できる。
【００２８】
また、突出片５１によって、被処理流体に対する適度な流路抵抗を与えることができるし、被処理流体の流れ方向に変化を与えることもできる。さらに、貫通孔５２によって層間を跨いで被処理流体を流すことができる。これにより、被処理流体は、基材５の内部を三次元的に流れることができる。
【００２９】
以上より、ベンゼン分解触媒１で被処理流体に含まれるベンゼンを分解させた場合には、被処理流体を基材５の内部全体に行き渡らせることができ、内部全体で触媒燃焼反応が生じるため、ベンゼンを効率よく分解することができる。
【００３０】
===ベンゼン分解触媒によるベンゼン分解確認試験について===
前述の作用効果を確認するため、ベンゼン分解触媒１によるベンゼンの分解確認試験を行った。以下、図４及び図５を参照しつつ、分解確認試験について説明する。図４は、分解確認試験に用いた実験装置１０を示す模式図である。図５は、分解確認試験の実験手順を説明するための図である。
【００３１】
ベンゼン分解触媒１の触媒燃焼反応において、ベンゼンの濃度及び被処理流体の空間速度ＳＶは、ベンゼン分解性能を評価する上で重要なパラメータとなる。そこで、この分解確認試験では、ベンゼンの濃度変化によるベンゼンの分解率の影響と、被処理流体の空間速度ＳＶの変化によるベンゼンの分解率の影響とをそれぞれ確認した。尚、空間速度ＳＶとは、ベンゼン分解触媒１を通過する際の単位時間あたりの被処理流体の体積（標準状態）を、ベンゼン分解触媒１の体積で除したものである。
【００３２】
先ず、図４を参照しつつ、分解確認試験を行うための実験装置１０について説明する。実験装置１０では、反応管１１内にベンゼン分解触媒１が配置されている。具体的には、ベンゼン分解触媒１は、この反応管１１の内部において、基材５の一方の端面側から被処理流体が流入し、他方の端面側から被処理流体が流出する状態で配置されている。
【００３３】
反応管１１は電気炉１２内に設置されている。この電気炉１２は、熱電対温度調節器１３を備え、この熱電対温度調節器１３によって調節された温度で反応管１１を加熱する。つまり、電気炉１２によって、ベンゼン分解触媒１による触媒燃焼反応の反応温度が調節される。
【００３４】
また、反応管１１は、各種ガスの供給管１８Ａ〜１８ＤとそれぞれＭＦＣ（Mass Flow Controller）１４を介して接続されている。そして、ＭＦＣ１４によって、反応管１１に供給されるガスの流量が調整される。つまり、ＭＦＣ１４によって、空間速度ＳＶが所定速度（後述する）となるように調整される。
【００３５】
尚、反応管１１に供給される各種ガスは、窒素によって希釈され後述する所定の濃度に調整されたベンゼン（Ｃ６Ｈ６）や、バランスガスとしての空気（Ａｉｒ）、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）である。そして、窒素が供給管１８Ａを通じて、酸素が供給管１８Ｂを通じて供給される。同様に、ベンゼンが供給管１８Ｃを通じて、空気が供給管１８Ｄを通じて供給される。
【００３６】
また、実験装置１０は、前述した各種ガスが反応管１１をバイパスしてクロマトグラフ１５、１６に供給されるように切り替えることが可能なバイパス管１７を備えている。
【００３７】
そして、反応管１１を通過した後の被処理流体に含まれるベンゼンや触媒燃焼反応によって生成したＣＯ２の定量分析は、ＴＣＤ付きのクロマトグラフ１５及びＦＩＤ付きのクロマトグラフ１６によって行った。
【００３８】
次に、図５を参照しつつ、実験装置１０での分解確認試験の手順について説明する。
【００３９】
先ず、供給管１８ＡからＮ２ガスを反応管１１に毎分２００ｃｃ（標準状態）ずつ供給しながら、電気炉１２によって、反応管１１の温度を所定の温度Ｔ０に上昇させる。反応管１１が温度Ｔ０で安定したならば、流路をバイパス管１７に切り替え（ｔ１）、ＭＦＣ１４によって、被処理流体が実験条件の組成（後述する）となるように各ガスの量を調整する。
【００４０】
実験条件の組成となったならば、ガスクロマトグラフ１５、１６による測定を繰り返し行う（ベース分析ａ，ｂ）。これらの測定結果から、被処理流体が実験条件の組成となっているか否かを確認する。そして、反応管１１が温度Ｔ０に達してから所定時間（６０分）が経過したならば、流路をバイパス管１７から反応管１１へ切り替える（ｔ２）。
【００４１】
流路を反応管１１に切り換えた後、ガスクロマトグラフ１５、１６による測定を繰り返し行う（温度Ｔ０での確認分析ｃ〜ｅ）。これらの測定結果から、温度Ｔ０におけるベンゼンの分解性能を確認する。ここでは確認分析ｃ〜ｅの平均値から分解性能を確認する。
【００４２】
確認分析ｃ〜ｅが終了したならば、反応管１１の温度を上昇させて所定温度Ｔ１に設定する（ｔ３〜ｔ４）。この場合、電気炉１２に対する通電量を増やすことで反応管１１の温度を上昇させる。そして、温度Ｔ１を６０分保持した後、ガスクロマトグラフ１５、１６による測定を繰り返し行う（温度Ｔ１での確認分析ｆ〜ｈ）。これらの測定結果から、温度Ｔ１におけるベンゼンの分解性能を確認する。ここでは、温度Ｔ０のときと同様に、確認分析ｆ〜ｈの平均値から分解性能を確認する。
【００４３】
確認分析ｆ〜ｈが終了したならば、以後は同様の手順で他の温度の確認分析を行う（ｔ５〜）。そして、必要な温度まで確認が終了したならば、一連の確認試験を終了する。
【００４４】
<<<ベンゼンの濃度の変化と、反応温度に対するベンゼンの分解率との関係について>>>
前述したように、ベンゼンの濃度はベンゼン分解触媒１のベンゼン分解性能を評価する上で重要なパラメータとなる。そこで、ベンゼンの濃度を異ならせた場合における、ベンゼンの分解率と反応温度との関係、並びに、反応速度と反応温度との関係について確認した。確認結果を図６（ａ），（ｂ）に示す。
【００４５】
この確認試験において、被処理流体中のベンゼンの濃度は、３０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、３００ｐｐｍの３種類とした。そして、反応管１１での反応温度は８０℃から１８０℃まで２０℃毎に変化させた。また、被処理流体の空間速度ＳＶは１２０００ｈ−１とした。
【００４６】
図６（ａ）に示すように、このベンゼン分解触媒１では、被処理流体中のベンゼンの濃度が３０ｐｐｍであれば、１４０℃の反応温度でベンゼンを１００％分解できることが確認された。また、ベンゼンの濃度が１００ｐｐｍ、３００ｐｐｍであれば、共に１６０℃の反応温度でベンゼンを１００％分解できることが確認された。
【００４７】
以上より、ベンゼンの濃度が３０〜３００ｐｐｍの場合、このベンゼン分解触媒１では、１４０℃から１６０℃程度の反応温度でベンゼンを分解できることが確認された。また、ベンゼンの濃度が高くなるにつれ、ベンゼンを１００％分解できる反応温度が高温側にシフトすることも確認された。さらに、ベンゼンを分解する触媒燃焼反応は、反応温度が１００℃から１６０℃の間で急激に進行することも確認された。
【００４８】
図６（ｂ）に示すように、このベンゼン分解触媒１では、反応温度が１６０℃以上になると何れの濃度でも反応速度が収束することが確認された。そして、反応温度が１６０℃であってベンゼンの濃度が３０ｐｐｍの場合、反応速度は約１８μｍｏｌ／ｃｍ３・ｓに達しなかった。また、ベンゼンの濃度が１００ｐｐｍの場合、反応速度は約５０μｍｏｌ／ｃｍ３・ｓであり、ベンゼンの濃度が３００ｐｐｍの場合、反応速度は約１６０μｍｏｌ／ｃｍ３・ｓであった。このように、ベンゼンの濃度が高い程に反応速度が高くなることが確認された。すなわち、被処理流体中のベンゼンの濃度が高いほど、触媒燃焼反応の反応速度が速く、ベンゼンの分解がより速やかに行われることが確認された。
【００４９】
<<<空間速度ＳＶの変化と、反応温度に対するベンゼンの分解率との関係について>>>
被処理流体の空間速度ＳＶもまたベンゼン分解触媒１のベンゼン分解性能を評価する上で重要なパラメータとなる。そこで、空間速度ＳＶを異ならせた場合における、ベンゼンの分解率と反応温度との関係、並びに、反応速度と反応温度との関係についても確認をした。確認結果を図７（ａ），（ｂ）に示す。
【００５０】
この確認試験において、ベンゼン分解触媒１に対する被処理流体の空間速度ＳＶは、６０００ｈ−１、１２０００ｈ−１、２４０００ｈ−１の３種類とした。そして、反応管１１での反応温度は、８０℃から２００℃まで２０℃毎に変化させた。また、被処理流体中のベンゼンの濃度は３００ｐｐｍとした。
【００５１】
図７（ａ）に示すように、このベンゼン分解触媒１では、空間速度ＳＶが６０００ｈ−１、１２０００ｈ−１の場合、共に１６０℃の反応温度でベンゼンを１００％分解できることが確認された。また、空間速度ＳＶが２４０００ｈ−１の場合、２００℃の反応温度でベンゼンを９５％分解できることが確認された。
【００５２】
以上より、ベンゼンの濃度が３００ｐｐｍであって空間速度ＳＶが６０００〜２４０００ｈ−１の場合、このベンゼン分解触媒１では、１６０℃から２００℃程度の反応温度でベンゼンを分解できることが確認された。なお、空間速度ＳＶが高すぎるとベンゼンの分解能が低下することも確認された。加えて、空間速度ＳＶが大きくなるにつれ、ベンゼンを約１００％分解できる反応温度も高温側にシフトすることも確認された。
【００５３】
図７（ｂ）に示すように、このベンゼン分解触媒１では、空間速度ＳＶが６０００〜１２０００ｈ−１の場合、反応温度が１６０℃以上になると反応速度が収束することが確認された。また、空間速度ＳＶが２４０００ｈ−１の場合、反応温度１８０℃と２００℃の間における反応速度の増加率が、反応温度１４０℃と１８０℃の間の増加率よりも小さくなっていることが確認された。
【００５４】
そして、空間速度ＳＶが６０００ｈ−１の場合、反応温度１８０℃での反応速度は約８０μｍｏｌ／ｃｍ３・ｓであり、空間速度ＳＶが１２０００ｈ−１の場合、反応温度１８０℃での反応速度は約１６０μｍｏｌ／ｃｍ３・ｓであった。また、空間速度ＳＶが２４０００ｈ−１の場合、反応温度２００℃での反応速度は約３００μｍｏｌ／ｃｍ３・ｓであった。
【００５５】
このように、被処理流体の空間速度ＳＶが高い程に反応速度が高くなり、ベンゼンの分解がより速やかに行われることが確認された。
【００５６】
<<<カーボン基準の物質収支について>>>
また、ベンゼン分解触媒１による触媒燃焼反応によって、ベンゼンがＣＯ２に転化していることを確認すべく、ベンゼンの分解確認試験を行った。
【００５７】
この確認試験も実験装置１０を用いて行った。具体的には、反応管１１に供給する被処理流体量を毎分２５８ｃｃ（標準状態）、空間速度ＳＶを１２０００ｈ−１、被処理体中のベンゼンの濃度を３００ｐｍとした実験条件において、１回目の測定であるＲＵＮ１では、反応温度の範囲を１００℃−１６０℃とし、２回目の測定であるＲＵＮ２では、反応温度の範囲を１００℃−１８０℃として、分解確認試験を行った。
【００５８】
この分解確認試験でも、反応管１１を通過した後の被処理流体に含まれるベンゼンや触媒燃焼反応によって生成したＣＯ２の定量分析を、ＴＣＤ付きのクロマトグラフ１５及びＦＩＤ付きのクロマトグラフ１６によって行った。そして、この定量分析結果から、反応温度とベンゼンの分解率との関係、及び、反応温度と物質収支との関係を求めた。反応温度とベンゼンの分解率との関係を図８（ａ）に示す。また、反応温度と物質収支との関係を図８（ｂ）に示す。
【００５９】
図８（ａ）に示す反応温度とベンゼンの分解率との関係については、図６（ａ）の確認試験と同じような結果が得られた。すなわち、反応温度１２０℃から分解率の急激な上昇が見られ、１６０℃以上でほぼ全量が分解されることが確認された。そして、被処理流体中のベンゼン濃度と分解率とから、分解されたベンゼンの炭素量を算出し、測定されたＣＯ２に由来する炭素量と比較することで、物質収支を求めた。各反応温度において物質収支が０．７以上であることから、このベンゼン分解触媒１によって、被処理流体中のベンゼンの多くがＣＯ２にまで分解されていることが確認された。
【００６０】
<<<市販の白金系触媒と、ベンゼン分解触媒との分解性能の比較について>>>
ここで、ベンゼン分解触媒１とベンゼン分解性能を比較するため、市販の白金系触媒についても、ベンゼン分解触媒１と同様に、実験装置１０による分解確認試験を行った。尚、図９は、被処理流体中のベンゼンの濃度を３００ｐｐｍ、空間速度ＳＶを１２０００ｈ−１とした場合の、反応温度とベンゼンの分解率との関係を示している。また、この分解確認試験は、ベンゼン分解性能をより確実に比較するため、ベンゼン分解触媒１に担持される白金ナノ粒子２と、市販の白金触媒とが同等の密度となる条件の下で行っている。
【００６１】
図９に示すように、ベンゼン分解触媒１は、約１６０℃の反応温度において、ベンゼンを１００％分解できることが確認された。この結果は、先に説明した確認試験と同じ結果である。これに対して、市販の白金系触媒では、約２６０℃の反応温度においても、ベンゼンを約８０％しか分解できていないことが確認された。
【００６２】
また、図１０（ａ）は、ベンゼン濃度を１％とし、空間速度ＳＶを１００００ｈ−１、２００００ｈ−１、３００００ｈ−１、４００００ｈ−１とした場合における市販の白金系触媒の反応温度とベンゼンの分解率との関係を示すグラフである。図１０（ｂ）は、空間速度を３００００ｈ−１とし、ベンゼン濃度を１％、３％、５％、７％、１０％とした場合における市販の白金系触媒の反応温度とベンゼンの分解率との関係を示すグラフである。
【００６３】
図１０（ａ）から判るように、市販の白金系触媒では、例えば、空間速度ＳＶを１００００ｈ−１とし、ベンゼンの濃度を１％とした場合、ベンゼンを１００％分解するためには、反応温度を２８０℃（５５３Ｋ）にする必要がある。また、図１０（ｂ）から判るように、市販の白金系触媒では、例えば、空間速度ＳＶを３００００ｈ−１とし、ベンゼンの濃度を１％とした場合、ベンゼンを１００％分解するためには、反応温度を３６０℃にする必要がある。また、図１０（ｂ）から判るように、市販の白金系触媒では、例えば、ベンゼンの濃度を、他の条件に比べて低濃度である１％とした場合、反応温度を５００℃にまで上昇させても、ベンゼンを５０％程度しか分解することができないことが確認された。
【００６４】
以上より、本実施形態のベンゼン分解触媒１では、市販の白金系触媒に比べて十分に低い反応温度（１４０〜１８０℃）であっても、高いベンゼン分解性能が発揮されることが確認された。また、ベンゼンの濃度が低い場合（３０ｐｐｍ）であっても、ベンゼンの濃度が高い場合（３００ｐｐｍ）と同様に、ベンゼンを１００％分解できることが確認された。このように、本実施形態のベンゼン分解触媒１は、低温で効率的にベンゼンを分解することができる。このため、触媒燃焼反応にかかるエネルギーの消費量を低減することや、コストを削減することができる。
【００６５】
===その他の実施形態===
前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更、改良されると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
【００６６】
まず、酸素吸蔵物質としてＣｅＯ２-ＺｒＯ２を例示したが、２００℃前後の反応温度に耐えるものであって、多孔質物質に担持されるものであれば、酸素吸蔵物質として用いることができる。また、多孔質物質に関してＡｌ２Ｏ３を例示したが、２００℃前後の反応温度に耐えるものであって、白金ナノ粒子や酸素吸蔵物質を担持できればＡｌ２Ｏ３に限られない。加えて、触媒成分としての白金ナノ粒子に関し、平均粒子径が２．５ｎｍのものを例示したが、ナノレベルの粒子であれば同様に用いることができると解される。
【００６７】
前述したベンゼン分解触媒１では、基材５が、ベース部５０の一方の短尺辺を中心として螺旋状に巻回された円柱形状を呈していることとした。しかし、特にこれに限定されるものではなく、例えば、基材５は、複数のベース部５０を重ね合わせた積層構造であることとしてもよい。
【００６８】
また、前述したベンゼン分解触媒１では、基材５の高さｈを１０．０ｍｍとしたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、基材の高さｈは２０．０ｍｍ、３０．０ｍｍとしてもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１…ベンゼン分解触媒，２…白金ナノ粒子，３…酸素吸蔵物質，４…多孔質物質，５…機材，１０…実験装置，１１…反応管，１２…電気炉，１３…熱電対温度調節器，１４…ＭＦＣ，１５、１６…ガスクロマトグラフ，１７…バイパス管，１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ…供給管，５０…ベース部，５１…突出片，５２…貫通孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベンゼンを触媒燃焼して分解するベンゼン分解触媒であって、
白金ナノ粒子を含む触媒成分と、
酸素を吸蔵するとともに放出する酸素吸蔵物質と、
前記触媒成分及び前記酸素吸蔵物質を担持する多孔質物質と、
前記多孔質物質が表面にコーティングされる基材と、
を備えることを特徴とするベンゼン分解触媒。
【請求項２】
前記酸素吸蔵物質は、ＣｅＯ２-ＺｒＯ２であることを特徴とする請求項１に記載のベンゼン分解触媒。
【請求項３】
前記多孔質物質は、Ａｌ２Ｏ３であることを特徴とする請求項１又は２に記載のベンゼン分解触媒。
【請求項４】
前記触媒成分の白金ナノ粒子は、平均粒子径が２．５ｎｍであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のベンゼン分解触媒。
【請求項５】
前記基材は、シート状のベース部と、前記ベース部の表面から立ち上がった複数の突出片とを含んでいることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のベンゼン分解触媒。
【請求項６】
前記ベース部は、短尺辺と長尺辺とを有する矩形帯状であり、
前記基材は、一方の前記短尺辺を中心として螺旋状に巻回された形状に設けられていることを特徴とする請求項５に記載のベンゼン分解触媒。
【請求項１】
ベンゼンを触媒燃焼して分解するベンゼン分解触媒であって、
白金ナノ粒子を含む触媒成分と、
酸素を吸蔵するとともに放出する酸素吸蔵物質と、
前記触媒成分及び前記酸素吸蔵物質を担持する多孔質物質と、
前記多孔質物質が表面にコーティングされる基材と、
を備えることを特徴とするベンゼン分解触媒。
【請求項２】
前記酸素吸蔵物質は、ＣｅＯ２-ＺｒＯ２であることを特徴とする請求項１に記載のベンゼン分解触媒。
【請求項３】
前記多孔質物質は、Ａｌ２Ｏ３であることを特徴とする請求項１又は２に記載のベンゼン分解触媒。
【請求項４】
前記触媒成分の白金ナノ粒子は、平均粒子径が２．５ｎｍであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のベンゼン分解触媒。
【請求項５】
前記基材は、シート状のベース部と、前記ベース部の表面から立ち上がった複数の突出片とを含んでいることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のベンゼン分解触媒。
【請求項６】
前記ベース部は、短尺辺と長尺辺とを有する矩形帯状であり、
前記基材は、一方の前記短尺辺を中心として螺旋状に巻回された形状に設けられていることを特徴とする請求項５に記載のベンゼン分解触媒。
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１８３５０５（Ｐ２０１２−１８３５０５Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４９３５０（Ｐ２０１１−４９３５０）
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]