説明

気体状反応性物質の酸化又は分解方法

【課題】触媒としての酸化チタンは、微粉末を造粒したものが使用されており、造粒したものが潰れないように、球状に成形されている。このような成形体は、強度的には優れているが、重量あたりの表面積が少なく効率が悪い。そのため多量に充填しなければならず、触媒層の圧力損失が大きくなる。そこで、気体状有機物が効率よく触媒と接触でき、かつ表面積の大きな酸化チタンを用いた酸化又は分解方法を提供する。
【解決手段】酸化チタンを加熱することによって活性化させ、その加熱触媒機能によって有機物及び反応性無機物を加熱下に酸化又は分解する方法であって、該触媒は、微粉末を異型状に押し固めることによって表面積の大きな形状に成形したものであって、その見かけ比重が1.2〜3.2であり、そのサイズが1〜60mmであり、且つその比表面積が同一の比重と重量の球状酸化チタンの比表面積の2.0倍以上である特殊形状の酸化チタンを用いる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、反応性物質の酸化チタン触媒による酸化又は分解方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
酸化チタン触媒は加熱下において有機物及び反応性無機物に対して極めて高い酸化・分解能力を示すことが本発明者によって見出され、すでに特許出願されている。代表的なものは、アナターゼ型の酸化チタンである。酸化チタン触媒は、触媒効果が表面積に依存するため、効果を上げるためできるだけ細かくすることが研究されてきている。最近では、その一次粒子のサイズは数nmのものまで出現してきている。
【0003】
このような微粉末(特許文献1のような)が出現することによって実際触媒効率は非常に向上してきた。それによって、種々の酸化工程に使用できるようになってきた。
【特許文献1】特開2000−256014 酸化チタン触媒を加熱して活性化する場合、光照射によって反応させる酸化チタン触媒とは本質的に異なる反応機構、異なる使い方がなされている。 酸化チタンは常温で太陽光や紫外線で触媒活性を発現する。酸化チタンの機能する部分は触媒表面及び光の透過によって活性化できるごく薄い表面(サブミクロン〜1μm)である。従って、光触媒は均一で塗工作業性が良いように液体中にコロイド状に分散した物が用いられる。光触媒としての酸化チタンでは粉末状あるいは粒状に形成して用いることにあまり意味がない。
【0004】
酸化チタンは通常100〜500℃範囲空気雰囲気下に酸化性・分解性の機能を発揮する。このような酸化分解される物質としては、炭化水素、VOCガス、プラスチックなどの有機化合物や硫化水素、アンモニア、水素、一酸化炭素などの無機ガスや硫黄のような物質も酸化することができ、常温下で気体、液体、固体であることを問わない。
【0005】
ここでは酸化チタンは加熱により活性化される。当然ながら同時に存在する空気や反応・分解される物質も同温度に加熱される。加熱により、被分解物は同温度で激しい分子運動を行なう活性化された状態にあり、分子の結合力はもう少しのエネルギーで容易に解裂される寸前に保持されている。このことは酸化チタンの酸化反応活性点についても同様であって加熱による激しい分子運動の高エネルギー部分が活性点、チタン原子に付与されて高エネルギー状態となり、ここに吸着配位した酸素と被分解性物質の反応により分子切断・酸化反応が進行するのである。
【0006】
加熱された酸化チタンにおいては熱エネルギーが反応の原因であり、熱は光とは異なり触媒層の表面にはとどまらず、酸化チタン触媒のあらゆる活性点部分(格子欠陥部位)にエネルギーが均等に浸透し活性化するので、被反応物質の届くところはほとんどの部分が酸化分解反応の活性反応点となる。
反応は通常の反応槽で行なうとすると、工業的には何kg〜何トンの量の触媒で反応を行なうことができ、同容積の反応器を用いた光触媒反応に比べ効率が何万倍も大きなものとなろう。
【0007】
このような酸化チタン触媒を用いて加熱雰囲気下に有機物や反応性無機物などを酸化分解するのであるが、その有機物が気体(状)の場合、触媒層にその気体を通過させることになる。このとき、触媒が微粉末では、取扱いが難しく、わずかな気体の流れによっても舞い上がったり、液体の流れにより流されたり、同伴され、所定の場所から出てしまう。
【0008】
ここに有機物の例としては各種工場から排出される有機溶剤や有機ガスなどを少量〜微量含有する空気や下水道から排出される硫化水素、アンモニアなどを含有する空気があげられる。酸化チタン触媒では、酸化・分解反応は必ず酸化のため酸素が必須であり、被分解物たる有機物や反応性無機物が単独で触媒に接触するのではなく、空気との混合物として接触するのが一般的である。
【0009】
また、加熱された酸化チタンは、驚くべきことに一般の白金やパラジウム触媒が硫黄化合物により被毒されて大幅に性能低下するのに対し、たとえば硫化水素を例にとっても全く被毒されずに酸化が容易に行なわれ、主に亜硫酸ガスとなることが実証されている。ちなみに、これは酸化チタンの特徴であり、チタン金属では効果がない。
【0010】
このため、微粉末を造粒し一定のサイズにしたものが使用されている。この場合造粒したものが潰れて、粉が気体と同伴されることを防止するため、強度が優先され球状に成形されている。また、取り扱い上の問題から、サイズは数mm程度である。
このような成形体は、強度的には優れているが、重量あたりの表面積が少なく効率が悪い。そのためどうしても多量に充填しなければならず、そのために触媒層の圧力損失が大きくなる。
【0011】
触媒層の圧力損失が大きくなると、気体を送るためのブロアやコンプレッサーの能力が大きくなり、設備費だけでなく電気代も大きくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
そこで、気体状有機物が効率よく触媒と接触でき、表面積の大きな酸化チタンを用いた酸化又は分解方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0013】
以上のような現状に鑑み、本発明者は鋭意研究の結果本発明気体状有機物の酸化又は分解方法を完成したものであり、その特徴とするところは、酸化チタンを加熱することによって活性化させ、その加熱触媒機能によって有機物及び反応性無機物を加熱下に酸化又は分解する方法であって、該触媒は、微粉末を異型状に押し固めることによって表面積の大きな形状に成形したものであって、その見かけ比重が1.2〜3.2であり、そのサイズが1〜60mmであり、且つその比表面積が同一の比重と重量の球状酸化チタンの比表面積の2.0倍以上である特殊形状の酸化チタンを用いる点にある。
【0014】
本出願でいう酸化チタンの代表例は酸化チタンのアナターゼ型結晶であるが、それに限らず他のものでもよい。
【0015】
酸化チタン触媒を活性化させる方法としては電磁波(可視光や紫外線等)を照射することが知られているが、本発明では本来電磁波は照射せず、加熱によって活性化させることが本質的なポイントである。
加熱温度としては100℃〜500℃程度が好適である。加熱の方法は電熱、ガス、その他例えば酸化チタンにより酸化されて発熱するガス、例えばプロパンガス、メタンガスなどを少量、反応系の中に添加して補助的な熱源とするなどどのような方法でもよい。
【0016】
ただし電磁誘導加熱などは直接酸化チタンの活性点を活性化するのに効率的ではないが、酸化チタン触媒の内部に銅などの金属の粒状物、線状物を内蔵したり該触媒の近傍に金属を配置し、これらを誘導電流で加熱することによって間接的に酸化チタン触媒を加熱することができる。
【0017】
有機物はどのようなものでもよく、酸化チタンの加熱温度あるいは加熱空気との混合ガス温度において気体として存在(飽和蒸気圧以内で望ましくは爆発限界未満の濃度)するものであればよく、常温あるいは低温で気体のものは適用するのに問題はない。無機物で対象となるものは、酸化チタンにより酸化・分解する物であるが、例えば、硫化水素、アンモニア、一酸化炭素などで常温でガスのもの、加熱温度雰囲気下でガス化するものが対象となる。これらの化合物は有毒、悪臭の物が多い。酸化又は分解とは、有機物を酸化するか、又は分子を分解するか等をいい、両方が起こっていてもよい。
【0018】
本発明の重要なポイントは、上記一次微粒子を、押し固めることによって表面積の大きな形状に成形する点である。押し固めるとは、金型に入れて加圧するか、押出し成形器から押出して裁断するかなどである。
成形時には粉体を水や接着剤と混合しそれを固めるのであるが、粉体のみでも可能である。
【0019】
また、圧縮成形では金型に入れて、加圧、取出しを行なう必要があるが、押出し成形の場合には、連続的に金型部分から押出し、順次適当な長さに裁断するだけであり製造効率がよい。そのためコストダウンになる。
【0020】
押出しは一般的に単純な線状あるいはシート状となるが、口金を変えて凹凸のあるシートにしたり、断面が箱型、筒状、半月状など種々の形態にすることができる。このような変形を施すことにより、裁断後の触媒の形は、実用時に気体の流通性が改善され、反応効率も高まるものとなる。
押出し物を裁断する前に、表面加工可能なように、種々の形状を施した2本ロールなどを用いて凹凸、穴状に加工してもよいし、ねじりを入れてもよい。
【0021】
酸化チタンの成形では、酸化チタン粉末または顆粒をそのまま用いることもあるが、適当に溶剤(水でもよい)、各種接着剤を添加して成形することができる。また、成形体はさらに焼成により焼結し、エレメントに使用可能な強度を確保することができる。この場合の焼成温度は、900℃以上では酸化チタンの結晶形が変化し、触媒機能が低下してしまうので600〜900℃、好ましくは700〜800℃の温度で焼成する。
【0022】
この成形に接着剤を使用する場合、その接着剤は有機チタン化合物が好適である。例えば、テトラアルコキシドチタン、チタンアシレート、チタンキレート等である。なかでもテトラアルコキシドチタン類が好適である。例えば、テトラ−n−ブトキシチタンである。これは、常温常圧で液体である。これに微粉末酸化チタンを混合し適当なサイズにして加熱するのである。加熱によってテトラ−n−ブトキシチタンが分解し、アルコールが取れ酸化チタンが残る。これによって、微粒子状の酸化チタンが固着される。
【0023】
また、接着剤でなく、水や有機物の水溶液等を用いても、加熱すれば十分に固着できる。更に、成形するときに酸化チタン媒粉体だけでなく、他の触媒粉体を混合してもよい。例えば、白金粉体、パラジウム、ニッケル等の粉体または、銅、鉄等の粒状物等である。
【0024】
更に、補強のために繊維を混合してもよい。例えば、岩綿、カーボン、金属等の細い繊維である。混合できれば、径や長さは適当でよい。このような繊維を混合すれば、FRPのように大きな補強になる。
【0025】
本発明でいう酸化チタンの微粉末とは、一次微粒子でも、二次微粒子や三次微粒子でもよい。一次微粉末のサイズは、特に限定はしないが、50nm以下が触媒効率の点から好適である。勿論、50nm以上でも効果は少し落ちるが問題はない。通常、一次微粒子は一次凝集し二次微粒子を構成している。本発明でいう成形は、どの微粒子を用いてもよい。
更に、より大きな粒に一旦造粒し、その造粒したものを用いて成形してもよい。このとき、種々のサイズに造粒し、その異なるサイズの微粒子を用いて成形してもよい。
【0026】
一次微粒子を造粒する場合のサイズは、0.01〜1mm程度が好適である。特に0.5mm以上の大きなものを使用するれば、空隙の大きな成形体を製造でき、気体の流通が容易になる。これも触媒効率の向上に繋がる。空隙率としては、10〜40%程度が好適であり、気体の通過もよく(圧力損失が小さい)、最も効率がよかった。
【0027】
本発明で使用される酸化チタン触媒は、一般に担体なしで成形した酸化チタンのみが用いられる。酸化チタンは資源豊富な化合物であり、その価格も白金やパラジウムなどに比べて1/1000程度である。酸化チタンは、一次粒子がナノメーターレベルの極めて微細な物質であり、加熱下での酸化反応活性はきわめて高い。また、酸化チタンは成形性良好なので容易に実用的な形態に加工することができ、アルミナやシリカのような担体に付着させて用いる必要がない。酸化活性は、触媒の表面から内部まで均一であり、磨耗しても崩れても酸化活性の発現に問題はない。
【0028】
また、異型状とは、通常のペレット(円柱状)状、球状型、棒状等ではなく、中空型、板状型、サドル型、ねじり型、管状型等である。中空型とはいわゆるマカロニタイプであり、これらの形状、例えば、板状などは折り曲げたり湾曲させれば、ほぼ同じ面積の異型のものになり、管状型のものは輪切りにしたりたて割したりすればリング状物やトレー状物になる。
また、これらの異型物をそれ自体あるいは他のものと付着すると別の異型物となる。
【0029】
本発明ではサイズが1〜60mmである。即ち、本発明で用いる成形酸化チタンは、種々のサイズのものが使用できるが、大きいものであっても60mmまでのもので、小さいものでも1mm以上であるということである。
大きいものであっても60mmまでということは、その成形体が入る最小の直方体の縦横高さの最も長い辺が60mmであるという意味である。
また、小さいものでも1mm以上ということは、厚み、幅、高さ、どこを測っても1mm以上であるということである。これは、粒子の成形体であるため、1mmより薄いと割れやすいためである。
【0030】
1〜60mmのなかでも、2〜30mm程度が小さい装置には好適であったが、能力の大きな装置(例えば、触媒充填槽の径が50cm以上)では、30mm以上の大きなものが好適であった。
【0031】
このように使用する成形体のサイズに限定があるのは、気体を触媒層に通過させる場合の圧力損失と取り扱いの容易性からである。
【0032】
その成形体の見かけ比重が1.2〜3.2である。酸化チタンの一次微粒子あるいは結晶体は比較的比重が大きく3.8〜4.2程度であるが、本発明はこれを固めて成形しており空隙が存在するため見かけ比重が小さくなっている。
見かけ比重を1.2〜3.2にしているのは、これ以上小さいと破損しやすくなり、これ以上大きくなると緻密になり触媒効率が悪くなるためである。
この見かけ比重は、酸化チタンのみ(接着剤を用いる場合はそれも含む)の数値であり、酸化チタン成形物がその表面に現れない大きな空洞を有したり、金属のような異物を含む場合には、これらを除いて測定、計算するものとする。
【0033】
また、表面積の大きな異型状とは、本発明ではサイズが上記の通りである。真球は一定容積においては最も表面積が小さくなる。他の形態の物と比較するためには容積と比重が同じでなければならない。異型物の比表面積を球と比べ他の物と比べるためには比重と重量が等しくなれば形態の比較はできない。
酸化チタン触媒の場合、触媒の重量と比重を比較する球と同じにし、異型性(球の比表面積に対する各種図形の比表面積の比率)を議論する。表1に4種の形状の比表面積や球との比表面積の比率の計算式を示す。
【表1】

【0034】
本発明では、このサイズでの重量および比重同一の球の比表面積に対する各種形状の比表面積の比率は、比表面積が2.0倍以上(その比表面積が同一の比重と重量の球状酸化チタンの比表面積の2.0倍以上)である。
この比表面積の比率を表1の計算式を用いて計算し、球状のものと比較すると次の通りである。
半径0.5cmの球状で、密度が2g/cmとすると、その比表面積は次の通りである。
体積V=4/3×πr=(4/3)×3.14×0.125
=0.523cm
表面積S=4πr=4×3.14×0.25=3.14cm
重量W=0.523×2=1.046g
比表面積Sr=3.14/1.046=3.00cm/g
【0035】
次に立方体を考える。1辺0.806cmの立方体で、密度が2g/cmとすると、その比表面積は次の通りである。(重量を同じにした)
体積V=0.806=0.523cm
表面積S=0.806×6=3.90cm
重量W=0.523×2=1.046g
比表面積Sr=3.90/1.046=3.73cm/g
球の比表面積との比=3.73/3.00=1.24
【0036】
次に表1の3番目の薄板状である。縦0.835cm、横2.505cmで厚みが0.250cmとした。その他は同様である。
体積V=0.835×2.505×0.250 =0.523cm
表面積S=5.857cm
重量W=0.523×2=1.046g
比表面積Sr=5.857/1.046=5.59cm/g
球の比表面積との比=5.59/3.00=1.86
【0037】
次に表1の4番目の筒状タイプである。大半径が0.351cm、小半径が0.211、長さが2.11cmとした。
体積V=0.835×2.505×0.250 =0.522cm
表面積S=7.945cm
重量W=0.522×2=1.044g
比表面積Sr=7.945/1.044=7.61cm/g
球の比表面積との比=7.61/3.00=2.53
【0038】
本発明の成形体の比表面積は、同一比重、重量の酸化チタン球の比表面積の2.0倍以上である。これは発明者の実験から、触媒としての機能、触媒層の圧力損失等を総合して得た数値である。上記の計算、表1からすると、筒状にすると2.0はすぐにクリアする。
また、触媒層の比表面積は触媒サイズに反比例する。即ち、同じ球状であれば、直径が半分になれば比表面積は倍になる。よって、2.0倍以上という数値はあくまでも、サイズが1〜60mmのものという前提とは関係がない。
【0039】
上記4種の形状で比表面積を比較したとおり、同じ体積同じ重量のものでも形状によって比表面積は大きく変化する。よって、本発明はその形状を比表面積によって規定しているのである。この程度のサイズで、2.0倍以上の数値になるものとしては、鞍型等のような薄い形状やマカロニ型のような中空タイプ、またスポンジのような多孔質タイプ等がある。
【0040】
酸化チタン触媒の成形体の形状は、比表面積の大きいものである必要があるが、必ずしもこれだけで十分とは言えない。例えば、板状物や緩い曲面状の物は球状物に比べ比表面積が相当大きいが、板状物の表面と裏面が同じ形態であるため、反応槽に充填されたときには板同士が安定な表裏付着状態となりやすい。成形体の表裏が同じような曲面状態でも同様に付着状態となる。表裏付着すればその表面をガスが流れなくなり触媒の効果が著しく減少し好ましくない。
【0041】
このような状態を回避するためには触媒の表面に突出部(突起)を設ける必要がある。突出部の数は触媒成形物の表面又は裏面に1個以上その形は高さがあれば島状、棒状、板状などどのような形状でもよいが、大きさ(面積)は成形物表面又は裏面の縦又は横幅の1/3以内が好ましく、高さについては同様に1/3以内である。例えば、高さ2mm、幅4mm(その断面は長方形)、長さ35mmの直方体が表面または裏面に形成する。また、酸化チタン触媒成形体の表面(裏面)、深さ(高さ)1〜3mm、幅1〜10mmの筋状物を形成してもよい。長さは触媒成形体表面の長さ又は幅の長さである。この筋状物により触媒の比表面積が高まり触媒効率が改善される。表裏密着も改善される。
【0042】
また、酸化チタン触媒成形体の形態の中には表面と裏面とが密着しにくい構造がある。例えば、管状物(マカロニタイプ)では、表面と裏面は重ならない。しかし、出口と入口の口径が異なる大きさの紙コップ様のものは重なる。また、断面がU字型あるいはコの字型のものは成形物の厚みがあることによって表裏は重ならない。S字型断面のもの(半円形あるいはU字を2つ反対方向に合わせる)の端部が内側に少し折り曲げられると成形物はほとんど重ならなくなる。
これらの成形は押出し成形(さらに切断工程が必要)や圧縮成形によって可能である。また、成形物が半硬化のうちに曲げ(折り曲げ、湾曲など)たり、圧縮したり、型で加圧したりして仕上げることもできる。
【0043】
更に、好適な形状として、スタティックミキサーの混合エレメントの形状が考えられる。スタティックミキサーとは、その中を複数の流体が通過するだけで自動的に混合されるもので、攪拌装置等が不要のものである。この複数の流体が通過する箇所に設けて流れを拡散するための邪魔板のようなものが混合エレメントである。これは種々の形状が組み合わされたものでその間をぬって流体が進行する。
【0044】
この混合エレメントのような形状に触媒を成形し、流体通過路を多数の筒状にしてそこにスタティックミキサーと同じような効果が出るように並べる方法である。この混合エレメントはその周囲をほぼ全面にわたって流体が接触し、かつ圧力損失の少ない形状に構成されているためである。
【0045】
形状的には市販されているスタティックミキサーの混合エレメントのどれでもよく、特別なものである必要はない。
【0046】
本発明では、同一比重、重量の酸化チタン球の比表面積の2.0倍以上であるが、2.5倍以上が好適であり、より好適には3.0倍以上である。特に触媒サイズが大きくなると、この数値は大きい方がよい。なぜならば、触媒のサイズにかかわらず、形状が同じであればこの数値は同じになるが、圧力損失等は同じ形状であっても触媒のサイズによって変わるためである。
【発明の効果】
【0047】
本発明気体状反応性物質の酸化又は分解方法には、次のような大きな利点がある。
(1) 酸化チタン異型状触媒を用いているため、気体状反応性物質との接触効率がよい。
(2) 触媒層に気体の流通がよいため、気体の有機物の分解には特に優れている。
(3) 金属等の他触媒粉体の混合が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0048】
以下好適な実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
【実施例1】
【0049】
図1は、本発明異型型触媒の1例を示す斜視図である。この触媒1は、酸化チタン触媒粉体のみであり他の触媒粉体は使用していない。この例では、形状はパイプ状である。サイズとしては、長さ10mm、外径5mm、内径3mmである。一旦造粒したものではなく、一次微粒子から直接製造した。製造方法は、テトラアルコキシドチタンと酸化チタン触媒の粉を混合し、押出装置からパイプ状に押出し、裁断したものである。
【0050】
図2(a)〜(f)は、上下左右に存在する触媒同士が密着しないように、考慮したもので、無意識に充填すれば密着して気体が通過しないという箇所はほとんどないと考えられる。これらは、押出成形できるもので、長手方向の断面図はどこをカットしても同じである。
【0051】
図3(a)、(b)は、パイプ状のものの表面に突条を設けたものである。また、図4(a)、(b)は、図2のような形状や、単なる板状体に突条を設けたもので、この例では表裏両方に設けている。この突条が存在するため、密着性が非常に悪くなる。これによって、圧力損失を軽減する。
【0052】
図5は、本発明有機物の酸化又は分解方法を実施している1例を示す概略断面図である。反応器2内に図1の触媒1を充填している。触媒層3には、電熱ヒーター4が設けられている。入口5と出口6があり、分解すべき有機物(気体)が入口5から入り、酸化又は分解されて出口6から排出される。ここでは、ヒーターによって、約400℃に加熱されている。
【0053】
反応性無機物質の例として、硫化水素を200ppm含んだ空気を導入したところ、出口では、硫化水素はほぼ0であった。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】本発明に用いる触媒の1例を示す斜視図である。
【図2】本発明に用いる触媒の1例を示す斜視図である。
【図3】本発明に用いる触媒の1例を示す斜視図である。
【図4】本発明に用いる触媒の1例を示す斜視図である。
【図5】本発明方法の実施の1例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【0055】
1 触媒成形体
2 反応器
3 触媒層
4 ヒーター
5 入口
6 出口


【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸化チタンを加熱することによって活性化させ、その加熱触媒機能によって有機物及び反応性無機物を加熱下に酸化又は分解する方法であって、該触媒は、微粉末を異型状に押し固めることによって表面積の大きな形状に成形したものであって、その見かけ比重が1.2〜3.2であり、そのサイズが1〜60mmであり、且つその比表面積が同一の比重と重量の球状酸化チタンの比表面積の2.0倍以上である特殊形状の酸化チタンを用いることを特徴とする気体状反応性物質の酸化又は分解方法。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2010−42320(P2010−42320A)
【公開日】平成22年2月25日(2010.2.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−188275(P2008−188275)
【出願日】平成20年7月22日(2008.7.22)
【出願人】(592189376)オサダ技研株式会社 (23)
【出願人】(391009419)美濃窯業株式会社 (33)
【Fターム(参考)】