(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃鉄材を塩酸又は硝酸の水溶液に溶解して得た塩化鉄水溶液または硝酸鉄水溶液を触媒原料として使用し、
水酸化アルミニウムに前記塩化鉄水溶液または前記硝酸鉄水溶液を含浸させ、これを蒸発乾固させて鉄担持アルミナの触媒前駆体を得て、
前記触媒前駆体を還元して鉄担持アルミナを得ることを特徴とする低級炭化水素直接分解用触媒の製造方法。
【請求項２】
前記水酸化アルミニウムは、廃アルミニウム材を塩酸水溶液に溶解して得た触媒担体原料としての塩化アルミニウム水溶液を水酸化ナトリウム又はアンモニアの水溶液で中和し沈殿させたものであることを特徴とする請求項１記載の低級炭化水素直接分解用触媒の製造方法。
【請求項３】
前記中和によって得られる水酸化アルミニウムを含む塩化ナトリウム水溶液又は塩化アンモニウム水溶液を濾過して水酸化アルミニウムと塩化ナトリウム水溶液又は塩化アンモニウム水溶液とに分離することを特徴とする請求項２記載の低級炭化水素直接分解用触媒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、低級炭化水素を直接分解することにより水素およびナノ炭素を製造するアルミナ担持鉄触媒を廃アルミニウム素材・製品や廃スチール素材・製品などを原料として調製する低級炭化水素直接分解用触媒の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
低級炭化水素を直接分解することにより水素およびナノ炭素を製造する触媒には、触媒金属としてニッケル、コバルト、鉄等が用いられ、担体としてはアルミナ、シリカ、チタニア、活性炭等が用いられる（例えば特許文献１参照）。触媒金属を担体に担持させるには、通常、含浸法が用いられる。この方法は触媒金属の担持率が比較的低い場合に適しており、担持率を高くしたい場合には蒸発乾固法が用いられる（例えば特許文献２参照）。
上記した含浸法は触媒成分を含む化合物溶液中に担体を浸し、その表面上に触媒成分化合物溶液を塗布したあと乾燥、熱分解を行うことで、触媒成分前駆体を担体上に適度に分散させる触媒の製造方法である。蒸発乾固法は触媒金属成分の化合物溶液に担体を浸したのち、溶媒を加熱・蒸発させたのち、熱分解をおこなうことにより固体生成物を得るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−４７２２９号公報
【特許文献２】特開平１１−１１４４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
触媒調製方法が上記のいずれであっても、一般に、触媒の性能は触媒材料に含まれる不純物によって悪影響を受けるので、可能な限り純度の高い触媒材料を使用する必要がある。その上で、有効な第三成分が見い出されたときにはそれを助触媒として積極的使用することになる。触媒金属の原料としては、従来、高純度の硝酸塩が用いられてきた。硝酸塩の陰イオンである硝酸イオンは熱分解により触媒から完全に除去されるので触媒成分前駆体は金属酸化物となる。したがって触媒金属の硝酸塩および担体が高純度であれば、得られる触媒成分前駆体は高純度の金属酸化物となるからである。他方、当該金属の硝酸塩の代わりに硫酸塩や塩化物を使用した場合、熱分解後にそれぞれ硫酸イオン、塩化物イオンがある程度残留し、それらは水洗を繰り返しても完全に除去することは困難なので、得られる触媒成分前駆体の純度は低くなる。一般に、触媒成分前駆体の純度が高いと触媒活性も高いことが知られており、この観点からも硝酸塩が好まれている。また担体は純度のみならず、所定の比表面積・細孔特性を持つ必要があるので、通常、専門メーカーの製品を用いる。
【０００５】
上記の諸点は、低級炭化水素を直接分解することにより水素およびナノ炭素を製造する触媒にもあてはまる。しかし、メタン分解反応には一般の触媒反応と異なる特徴がある。後者では、反応物も反応生成物もすべて気体であり、通常、反応後には触媒層に何も残らない。これに対して前者では、生成物として水素と炭素が得られ、炭素は固体なので触媒と一体となって反応器内に蓄積される。触媒使用時間が長いほど炭素中の触媒の割合は低下し、数ｗｔ％になることも珍しくはない。したがって、反応後に、炭素から触媒を分離することは技術的にも経済的にも容易でない。このような状況下では無回収型触媒を検討する意義が高まる。その場合、触媒コストを低く抑える観点から触媒金属成分は安価なものでなければならない。さらに触媒金属成分は炭素中に長期間とどまること、やがては廃棄されること、等を考えると低環境負荷性を考慮しなければならない。廃棄金属素材・製品を使用できればコストは下げられるが、純度の点で使用に堪えられるか疑問である。したがって触媒金属原料に廃棄金属素材・製品を使用した前例はない。
【０００６】
無回収型触媒の担体も経済性、廃棄処分時の低環境負荷性の点から吟味する必要がある。たとえばアルミナ担体の場合、廃棄アルミニウム素材・製品を使用できればコストは下げられるが、純度の点で使用に堪えられるか疑問である。
【０００７】
この発明は上記のような従来の技術の課題を解決するために成されたもので、廃棄物として排出される、アルミニウム素材・製品や鉄素材・製品を原料にしてメタン、エタン等の低級炭化水素分解触媒を製造し、触媒製造後に残る廃液をリサイクルして触媒製造時に必要な化学物質を再度製造できる製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明の低級炭化水素分解用触媒の製造方法のうち、請求項１記載の低級炭化水素分解用触媒の製造方法の発明は、廃鉄材を塩酸又は硝酸の水溶液に溶解して得た塩化鉄水溶液または硝酸鉄水溶液を触媒原料として使用し、水酸化アルミニウムに前記塩化鉄水溶液または前記硝酸鉄水溶液を含浸させ、これを蒸発乾固させて鉄担持アルミナの触媒前駆体を得て、前記触媒前駆体を還元して鉄担持アルミナを得ることを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の低級炭化水素分解用触媒の製造方法の発明は、請求項１記載の発明において、前記水酸化アルミニウムは、廃アルミニウム材を塩酸水溶液に溶解して得た触媒担体原料としての塩化アルミニウム水溶液を水酸化ナトリウム又はアンモニアの水溶液で中和し沈殿させたものであることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の低級炭化水素分解用触媒の製造方法の発明は、請求項２記載の発明において、前記中和によって得られる水酸化アルミニウムを含む塩化ナトリウム水溶液又は塩化アンモニウム水溶液を濾過して水酸化アルミニウムと塩化ナトリウム水溶液又は塩化アンモニウム水溶液とに分離することを特徴とする。
【００１１】
なお、上記発明では、前記中和によって得られる塩化ナトリウム水溶液を電気分解することで中和用の水酸化ナトリウム水溶液を再生するとともに、同時に発生する塩素ガス及び水素ガスから塩化水素ガスを生成させそれを水に溶かして塩酸水溶液を再生し、再生された前記塩酸水溶液を廃アルミニウム材または廃鉄材の溶解用塩酸水溶液に使用し、再生された前記水酸化ナトリウム水溶液を前記塩化アルミニウム水溶液の中和用水溶液として使用することができる。
【００１２】
本発明では、触媒の製造コスト削減は、廃棄物として排出される、アルミニウム素材・製品と触媒金属素材・製品を使用することにより実現を図っている。
低環境負荷性の観点から、触媒金属材料として鉄を選んでいる。鉄は活性の点でニッケルよりも見劣りするが、低環境負荷性のみならず経済性においても条件に合致する。
また、経済性、低環境負荷性に優れた触媒担体としてはアルミナを選択した。廃棄アルミニウム素材・製品から製造できる可能性があり、廃棄時の環境負荷がほとんどないからである。
【００１３】
廃棄金属素材・製品を酸溶液に溶解して触媒金属成分水溶液をつくる場合、一般に硝酸が用いられる。しかし廃棄アルミニウム素材・製品は硝酸よりも塩酸に溶けやすい。そこで両方の酸溶液が同種のものに揃えるためには廃棄金属素材・製品を塩酸溶液に溶解して触媒金属成分水溶液をつくるのが望ましく、本発明ではこの点についても十分、配慮している。廃棄アルミニウム素材・製品を酸溶液に溶かして得た溶液の中和に必要な、アンモニア水以外の安価な化学物質として水酸化ナトリウムの使用を可能としている。
【００１４】
上記の触媒製造プロセスをクローズド型とする場合、
（１）廃鉄素材及び製品を塩酸水溶液または硝酸水溶液に溶解して塩化鉄水溶液（以下、エコ塩化鉄水溶液という）または硝酸鉄水溶液（以下、エコ硝酸鉄水溶液という）を生成させる。
（２）廃アルミニウム素材及び製品を塩酸水溶液に溶解して生成させた塩化アルミニウム水溶液（以下、エコ塩化アルミニウム水溶液という）に中和剤として水酸化ナトリウム水溶液を加えて水酸化アルミニウム（以下、エコ水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３−ｃａｎ−ＮａＯＨ）という）を沈殿させる。
（３）水酸化アルミニウムとエコ塩化鉄水溶液またはエコ硝酸鉄水溶液から蒸発乾固法でアルミナ担持鉄触媒を調製する。
（４）残った母液（食塩水）を電解して水酸化ナトリウム水溶液と水素ガス、塩素ガスを生成させ、水素ガスと塩素ガスから塩化水素ガスを生成させて塩酸をつくる。
（５）上記（４）で得た水酸化ナトリウム水溶液、塩酸を循環利用する、の各工程から成る閉鎖系触媒製造プロセスを構築することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、この発明によれば廃鉄素材または廃鉄製品、廃アルミニウム素材または廃アルミニウム製品を触媒原料として、低級炭化水素を分解し水素とナノカーボンを生成する触媒を安価かつ親環境的に調製することができ、さらには金属廃棄物処理を兼ねたクローズド触媒製造方法を提供することできる。
特に、メタンなどの低級炭化水素分解プラントの近くで、触媒製造原料を入手して製造する場合、廃棄物を排出しない、クローズド触媒製造プロセスを導入することが理想的である。触媒を購入すれば購入者が廃棄物処理を行なう必要はないが、製造現場における廃棄物対策が必要になるのでクローズド触媒製造プロセスが有益であることに変わりはない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態を示す工程図である。
【図２】市販アルミナ担体にそれぞれエコ硝酸鉄水溶液と硝酸鉄水溶液（試薬）を蒸発乾固法で担持させて調製した２種類の触媒のメタン分解反応活性を示す図である。
【図３】硝酸鉄（試薬）水溶液をそれぞれ市販アルミナ担体、エコ水酸化アルミニウムに蒸発乾固法で担持させて調製した２種類の触媒のメタン分解活性を示す図である。
【図４】エコ硝酸鉄水溶液をエコ水酸化アルミニウムに蒸発乾固法で担持させて調製した触媒と市販アルミナ担体に硝酸鉄（試薬）水溶液を蒸発乾固法で担持させて調製した触媒のメタン分解活性を示す。
【図５】エコ硝酸鉄水溶液をエコ水酸化アルミニウムに蒸発乾固法で担持させて調製した触媒のメタン分解活性、及び水素還元処理した後のメタン分解活性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の一実施形態を図１を参照しつつ説明する。
廃鉄素材及び製品、廃アルミニウム素材及び製品としてそれぞれ廃棄されたアルミ缶とスチール缶を使用することが考えられる。まずこれらの缶の本体に含まれる不純物の影響を検討した結果、アルミナ担持鉄触媒の鉄担持率を高くすることによってその悪影響を回避できることを見いだした。次の課題はこれらの缶を塩酸水溶液に溶解させる際にそれらの表面塗膜から溶出する不純物の触媒活性に対する影響を明らかにすることである。結果、この場合にも、アルミナ担持鉄触媒の鉄担持率を高くすれば有害不純物の影響を受けないＦｅ種の割合が増し、触媒活性減少分を相殺できることを見いだした。
【００１８】
一般に、アルミニウム缶とスチール缶は外部表面が塗膜で覆われ、内部表面は樹脂フイルムで覆われている。金属材料を酸溶液に溶解させる際には、塗膜や樹脂フイルムを除去する必要がある。
上記目的を達成するためには、
（１）缶を破砕処理して破断面および剥離部から酸溶液を浸透させる方法
（２）缶を破砕せずに塗膜を削り落とし酸溶液と接触させる方法
（３）缶を機械的に圧縮減容する際に発生した塗膜亀裂部分から酸溶液を浸透させる方法、等が考えられる。破砕処理や塗膜除去には専用装置が必要であり、塗膜除去する方法では缶の底部あるいは側面に穴を開けて酸溶液が缶内部に入り込みやすいようにする必要がある。
【００１９】
本発明では（３）の方法が特に有効である。圧縮減容装置は必要であるが、減容されるため酸溶解装置に一度に投入できる缶の個数を増やすことができる、溶解熱による酸溶液温度の上昇度が大きいため缶の溶解が促進される、塗膜がほぼ連続体として残るため塗膜の回収が容易である、塗膜から酸溶液に溶出する成分濃度を最小限度に抑えることができる、等の利点がある。
【００２０】
本発明では、上記のように廃アルミニウム材としては使用済みのアルミニウム缶、廃鉄材としては使用済みのスチール缶が好適であるが、本発明としては廃アルミニウム材、廃鉄材がこれらに缶に限定をされるものではなく、種々の産業分野や家庭で発生する廃材、廃製品を用いることができる。
【００２１】
触媒金属成分水溶液を廃棄金属素材・製品から製造する場合、通常、金属を酸溶液に溶解することになる。また、アルミナ担体を廃棄アルミニウム素材・製品から製造する場合にも、通常、それを酸溶液に溶解することになる。いずれの場合にも発生する水素ガス及び反応熱を回収できる利点があるからである。この場合、両方の酸溶液が同種のものであれば好都合である。
【００２２】
好適には図１に示すように、廃アルミニウム材であるアルミニウム缶を例えば濃度５〜３５％の塩酸水溶液に溶解させることで、化１式にしめすようにアルミニウムと塩酸が反応し、塩化アルミニウムと水素ガスが生成する。この際に発生する水素ガスは、燃料電池の燃料や後述する還元処理における還元剤として使用することができ（工程１）、上記燃料電池は、後述する塩化ナトリウム水溶液の電気分解に使用する電力に変換することができる。なお、この反応は発熱反応であるため液温は次第に上昇し９０℃程度に達することもあるがあまり高い温度では塩酸ミストが発生するので好ましくない。
【００２３】
【化１】
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【００２４】
上記により得られる塩化アルミニウム水溶液には、図１に示すように水酸化ナトリウムを加え、溶液を中和し塩化ナトリウム溶液中で水酸化アルミニウムを沈殿させる（化２式、工程２）。この溶液をろ過、水洗し、例えば１００℃で２４時間乾燥することで水酸化アルミニウム粉末が得られ、一方で濾過の結果、塩化ナトリウム溶液が得られる（化３式、工程３）。
【００２５】
【化２】
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【００２６】
【化３】
0005418921.tif 000004
【００２７】
廃棄アルミニウム素材・製品を酸溶液に溶かして得た溶液を中和してアルミナの中間原料である水酸化アルミニウムを沈殿させるような工程では、通常、中和剤としてはアンモニア水が使用される。アンモニア水に含まれるアンモニウムイオンは水洗してもなお沈殿に残留するが、熱分解工程で完全に除去可能なので、不純物の混入を嫌う触媒担体製造にはアンモニア水を使用することが考えられる。しかしアンモニアは有害物質で、臭気対策も必要なばかりか高価である。アンモニア水以外の安価な中和剤を使用できれば、これらの問題が解決するので、本発明では、好適な中和剤として水酸化ナトリウム水溶液を用いる。なお、本発明としてはアンモニア水の使用を排除するものではなく、中和剤としてアンモニア水を用いることも可能である。この場合、中和の結果として塩化アンモニウム使用液中に水酸化アルミニウムが沈殿するので、上記と同様に、これを濾過、乾燥して水酸化アルミニウム粉末（以下、エコ水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３−ｃａｎ−ＮＨ３）という）と塩化アンモニウム水溶液とを得ることができる。
【００２８】
一方、図１に示すように、廃鉄材であるスチール缶を例えば濃度５−３５％の塩酸水溶液に溶解させることで化４式に示すように鉄と塩酸とが反応し、塩化鉄と水素ガスとが生成する（工程４）。この際に発生する水素ガスは、上記と同様に有効利用することができる。また、この反応も発熱反応であるため液温は次第に上昇し９０℃程度に達することもあるがあまり高い温度では塩酸ミストが発生するので好ましくない。
【００２９】
【化４】
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【００３０】
上記で得られた塩化鉄水溶液に、前述の水酸化アルミニウム粉を投入して塩化鉄水溶液を含浸させ、乾燥後、８００℃，４時間焼成することで化５式に示すように触媒前駆体（ＦｅＯ／Ａｌ２Ｏ３）が得られる（工程５）。この触媒前駆体をメタンや水素で還元をすることで、化６式に示すように、低級炭化水素分解用触媒が得られる（工程６）。なお、上記工程４では、廃鉄材を溶解させる溶液として塩酸水溶液を用いているが、本発明としては塩酸水溶液の代わりに硝酸水溶液を使用し、工程５でＦｅＣｌ３の代わりに、廃鉄素材及び製品を硝酸水溶液に溶解して得た硝酸鉄水溶液（以下、エコ硝酸鉄水溶液という）を使用することもできる。
上記各工程１〜６を経ることにより、低級炭化水素を効率よく直接分解し水素ガスと電磁波遮へい・吸収性等の機能を持つナノ炭素を生成する、鉄を担持したアルミナ触媒を廃材を用いて調製することができる。
【００３１】
【化５】
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【００３２】
【化６】
0005418921.tif 000007
【００３３】
なお、上記工程３で得られた塩化ナトリウム水溶液を電気分解し塩素ガス、水素ガス、水酸化ナトリウム水溶液を発生させ（化７式、工程７）、さらに化８式に示すように塩素ガスと水素ガスとを反応させて塩化水素ガスを生成させ、それを化９式に示すように水に溶かして塩酸水とし（工程８）、工程１および工程４で使用することができる。電気分解による残りの水酸化ナトリウム水溶液は工程２で使用する中和剤として再利用することができる。これにより、本触媒調製プロセスはクローズドシステムとなり有害な廃棄物を出す事がない。
【００３４】
【化７】
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【００３５】
【化８】
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【００３６】
【化９】
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【００３７】
なお、上記実施形態では、廃アルミニウム材と廃鉄材の両方を用いる場合について説明したが、本発明としてはいずれか一方を使用して触媒金属または触媒担体を製造して触媒を得るものであってもよく、その場合においても本発明における効果は得られるものである。
【００３８】
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明をしたが、本発明は上記実施形態の内容に限定をされるものではなく、本発明の範囲内において当然に変更が可能である。
【実施例】
【００３９】
以下、この発明の実施例を説明する。
市販アルミナ担体にそれぞれ前記実施形態の工程により得られるエコ硝酸鉄水溶液と比較材としての硝酸鉄（試薬＝ｒｅａｇｅｎｔ）水溶液を蒸発乾固法で担持（３０ｗｔ％Ｆｅ）させて２種類の触媒を調製し、メタン分解反応における活性を評価した。両触媒は共に、誘導期間が１０分程度、最高メタン転化率が３０分後に６０％程度になり、その後９０分目まで６０％程度のメタン転化率を持続した（図２）。
【００４０】
次に、硝酸鉄（試薬）水溶液をそれぞれ比較材としての市販アルミナ担体、上記実施形態で得られたエコ水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３−ｃａｎ−ＮＨ３）に蒸発乾固法で担持（５０ｗｔ％Ｆｅ）させて２種類の触媒を調製し、メタン分解反応における活性を評価した（図３）。両触媒は共に、誘導期間が３０分程度、最高メタン転化率が４０分後に８０％程度になり、その後１２０分目まで７０％程度のメタン転化率を持続した。
【００４１】
また、上記実施形態で得られたエコ硝酸鉄水溶液をエコ水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３−ｃａｎ−ＮＨ３）に蒸発乾固法で担持（５０ｗｔ％Ｆｅ）させて調製した触媒（Ｆｅ（ｃａｎ）／Ａｌ２Ｏ３（ｃａｎ））を用意し、同様にメタン分解反応における活性を評価した。市販アルミナ担体に硝酸鉄（試薬＝ｒｅａｇｅｎｔ）水溶液を蒸発乾固法で担持（５０ｗｔ％Ｆｅ）させて調製した触媒（Ｆｅ（ｒｅａｇｅｎｔ）／Ａｌ２Ｏ３（ＡＬＯ−７））よりも６０分ほど遅れて活性を発現したが約１２０分後には追いつき、７０％程度のメタン転化率を示した（図４）。
【００４２】
なお、エコ硝酸鉄水溶液とエコ塩化アルミニウム水溶液の混合液にアンモニア水を加えて得た沈殿から調製した触媒（Ｆｅ（ｃａｎ）Ａｌ２Ｏ３（ｃａｎ−ＮＨ３）共沈法）はほとんど活性を示さなかった（図４）。
【００４３】
また、エコ硝酸鉄水溶液をエコ水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３−ｃａｎ一ＮａＯＨ）に蒸発乾固法で担持（５０ｗｔ％Ｆｅ）させて調製した触媒（Ｆｅ（ｃａｎ）／Ａｌ２Ｏ３（ｃａｎ−ＮａＯＨ））はほとんど活性を示さなかった（図５）。Ｆｅ（ｃａｎ）Ａｌ２Ｏ３（ｃａｎ−ＮＨ３）とは著しく異なる結果でありＮａが活性に悪影響を与えていることを示唆する。しかしＦｅ（ｃａｎ）／Ａｌ２Ｏ３（ｃａｎ−ＮａＯＨ）を事前に５５０℃で１時間または２時間、水素還元してからメタン分解反応を行ったところ、メタン転化率が発現するようになり、水素還元時間が長いほど誘導期が短くなる傾向が見られた。なお、Ｆｅ（ｃａｎ）Ａｌ２Ｏ３（ｃａｎ−ＮＨ３）を事前に５５０℃で１時間、水素還元してからメタン分解反応を行ったところ、誘導期間は著しく短縮され、Ｆｅ（ｒｅａｇｅｎｔ）Ａｌ２Ｏ３（ＡＬＯ−７）と同等のメタン転化率を示すようになった（図示省略）。
【００４４】
エコ塩化鉄水溶液をエコ水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３−ｃａｎ−ＮａＯＨ）に蒸発乾固法で担持（５０ｗｔ％Ｆｅ）させて調製した触媒もやはり活性を示さなかった（図示省略）。しかしそれを事前に５５０℃で１時間水素還元してからメタン分解反応を行ったところ、メタン転化率が発現するようになった（図示省略）。
【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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