(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質担体及びその上に付着された触媒活性金属を含むアントラキノン及びその誘導体の水素化用触媒または水素及び酸素の直接反応による過酸化水素の製造用触媒の製造方法であって、前記方法が多孔質担体を活性化させて無電解付着のために触媒を吸収する工程、ここで該活性化が最初に多孔質担体を還元剤として作用することができるセンシタイザーの溶液による処理に続いて洗浄工程またはすすぎ工程、次いで無電解付着のために触媒の塩の溶液で処理する工程を含み、次いで活性化された担体を触媒活性金属の塩及び還元剤の溶液で処理して前記担体上に触媒活性金属の無電解付着を得る工程を含み、前記触媒活性金属がパラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、金、銀、またはこれらの混合物のいずれかを含むことを特徴とする触媒の製造方法。
【請求項２】
前記触媒活性金属がパラジウムまたは少なくとも50重量％のパラジウムを含む混合物であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記触媒活性金属の塩の溶液が塩化アンモニウムもしくはアンモニアまたはこれらの混合物を更に含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記還元剤がアルカリ金属次亜リン酸塩であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記多孔質担体がモノリス構造の形態に配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記センシタイザーがスズ(II)化合物であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記多孔質担体がシリカ、ケイ酸塩、アルミナ、カーボン、アルカリ土類金属の炭酸塩からつくられることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
アントラキノン及びその誘導体の水素化用触媒または水素及び酸素の直接反応による過酸化水素の製造用触媒であって、該触媒が多孔質担体及びその上に付着された触媒活性金属を含み、主としてその外表面に局在化されており、該触媒は請求項１ないし７のいずれか一項に記載の方法で前記担体上に活性金属の無電解付着により得られることを特徴とする前記触媒。
【請求項９】
触媒の存在下の有機溶媒の作用液中のアントラキノンまたはその誘導体の交互の酸化及び水素化を伴うアントラキノン法による過酸化水素の製造方法であって、前記水素化が多孔質担体及び請求項１ないし７のいずれか一項に記載の方法で前記担体上に活性金属の無電解付着により得られるその上に付着された触媒活性金属を含む触媒の存在下で行われることを特徴とする過酸化水素の製造方法。
【請求項１０】
水素及び酸素の直接反応による過酸化水素の製造方法であって、その反応が多孔質担体及び請求項１ないし７のいずれか一項に記載の方法で前記担体上に活性金属の無電解付着により得られるその上に付着された触媒活性金属を含む触媒の存在下で行われることを特徴とする過酸化水素の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は多孔質担体及びその上に付着された触媒活性金属を含む触媒の製造方法に関する。その方法は担体上の活性金属の無電解付着（electroless deposi- tion）を伴う。また、本発明はその方法により得られる触媒及び過酸化水素の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多孔質担体及びその上に付着された触媒活性金属からつくられた触媒は多数の化学方法に使用される。多孔質担体は活性金属の高い比表面積及び有効な利用を得るという利点を伴う。このような触媒は、例えば、過酸化水素を製造するアントラキノン法におけるアルキル化アントラキノンの水素化、または水素と酸素の間の直接反応による過酸化水素の製造に使用し得る。
【０００３】
過酸化水素を製造するアントラキノン法において、好適な有機溶媒、所謂使用液（working solution）に溶解されたアルキル化アントラキノンが、触媒の存在下で水素で処理されて相当するヒドロキノンを生成する。次いでこのヒドロキノンが酸素（通常、空気）でキノンに酸化され、同時に過酸化水素を生成し、これが水で抽出され、一方、キノンが使用液とともに水素化工程に戻される。
【０００４】
この水素化は最新の過酸化水素製造に最も重要な工程であり、この工程を有効に行う異なる方法が文献に記載されている。例えば、米国特許第３００９７８２号明細書は触媒粒子の固定床の使用を開示しており、米国特許第４５５２７４８号及び同第５０６３０４３号明細書はモノリス固定床触媒の使用を開示しており、また米国特許第５０７１６３４号明細書は触媒被覆スタチックミキサーの使用を開示している。
【０００５】
殆どの場合、触媒活性金属は白金またはパラジウムの如き貴金属である。通常、触媒は多孔質担体を金属の塩の溶液で含浸し、次いで含浸された担体を水素ガスの如き還元剤で処理することにより製造される。このような方法が、例えば、米国特許第４５２１５３１号、同第４２４０９３３号及び英国特許第９３３９７９号明細書に記載されている。従来技術の触媒の有効性は通常許容できるが、改良された活性を有する触媒に対する要望が常にある。過酸化水素製造のような化学方法は大規模で行われるので、触媒活性の小さな増進でさえもがその方法の経済性に重要となり得る。
【０００６】
多くの金属は、例えば、W. Goldie, "Metallic Coating of Plastic, Electrochemical Publications Ltd 1969, p 39-52, 55-58, 99-110; F. A. Lowenheim, "Modern Electroplating, John Willey & Sons, Inc. 1974, p 710-711, 738-745; 及びJ.L. Vossen, W. Kern, "Thin Film Processes, Academic Press 1978,p 212-221 に記載されている無電解付着または自触媒付着により種々の表面に付着し得る。
【０００７】
J.R. Kosak (DuPont), "A Novel Fixed Bet Catalyst for the Direct Combination of H2 and O2 to H2O2", Chem. Ind. (Dekker), 1995, vol., p 115-125,62, Catalysis of Organic Reactionsは卑金属担体上のパラジウムの無電解付着による触媒の調製を記載している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は多孔質担体及びその上に付着された触媒活性金属を含む改良触媒を提供するという問題を解決することを目的としている。また、本発明の目的は過酸化水素の改良された製造方法を提供することである。本発明によれば、触媒活性金属が無電解付着により付着される場合に多孔質担体上の金属触媒の活性がかなり増大されることが驚くことにわかった。
無電解付着は金属イオンを金属に還元する溶液中の化学還元剤の作用、即ち、自触媒付着により金属を触媒表面に付着する方法を表す。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
こうして、本発明は多孔質担体を触媒活性金属の塩及び還元剤の好ましくは水溶液で処理して担体上の触媒活性金属の無電解付着を得る工程を含むことを特徴とする多孔質担体及びその上に付着された触媒活性金属を含む触媒の調製方法に関する。こうして、触媒活性金属の塩及び還元剤は付着中に同溶液中に現れる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この触媒活性金属は、例えば、ニッケル、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、金、銀、またはこれらの混合物のいずれかであってもよい。好ましい金属はニッケル、パラジウム、白金及び金であり、その中でパラジウムまたは少なくとも５０重量％のパラジウムを含む混合物が特に好ましい。この触媒活性金属のあらゆる水溶性塩が使用し得る。有益な塩の例は塩化物及び硝酸塩、例えば、ＰｄＣｌ2 、（ＮＨ3 ）4 ＰｄＣｌ2 、Ｈ2 ＰｔＣｌ6 およびＰｄ（ＮＯ3 ）2 である。
【００１１】
多孔質担体は不連続の粒子もしくは繊維布の形態であってもよく、または特に好ましくは、モノリス構造（これは、例えば、担体で被覆された実質的に平行なチャンネルを形成してもよい）またはスタチックミキサーの形態で配置されてもよい。モノリス構造は多孔質担体そのものまたはセラミック材料、金属材料もしくはポリマー材料またはガラス（これは多孔質担体で被覆されている）の如き別の材料からつくられていてもよい。多孔質担体に適した材料は、例えば、シリカ、ケイ酸塩、アルミナ、カーボン、ゼオライトの如きケイ酸アルミニウム、アルカリ土類金属、例えば、マグネシウム、カルシウム、バリウムまたはストロンチウムの炭酸塩、マグネシウム、アルミニウム、チタンもしくはジルコニウムの酸化物、またはマグネシウム、ケイ素、アルミニウム、チタンもしくはジルコニウムの炭化物であってもよい。シリカ及びアルミナが特に好ましい。この担体は好ましくは約０．３から約５００ｍ2 ／ｇまで、最も好ましくは約１から約２００ｍ2 ／ｇで、特に約１０から約１００ｍ2 ／ｇまでの比表面積を有する。
【００１２】
還元剤は、例えば、ギ酸、ホルムアルデヒド、ヒドラジン、次亜リン酸塩もしくはホウ水素化物の塩、またはこれらの誘導体、或いは水素の如き還元ガスのいずれかであってもよい。好ましい還元剤は次亜リン酸塩、特に次亜リン酸ナトリウムの如きアルカリ金属塩である。
【００１３】
また、触媒活性金属の塩の溶液は追加の物質、例えば、安定剤、特に錯生成剤、例えば、アンモニアもしくは塩化アンモニウムのようなその誘導体、ＥＤＴＡ、ＤＴＰＡ、またはこれらの混合物を含むことが好ましく、これらの中でアンモニアゴム及び塩化アンモニウムが特に好ましい。この溶液が触媒活性金属の自然沈殿を避けるのに充分な量の安定剤を含むことが有利である。
【００１４】
前記処理は、多孔質担体を触媒活性金属の塩、還元剤及び安定剤の如きその他の任意成分を含む溶液と接触させることにより、例えば、金属の所望の量（これは通常担体１００ｇ当たり約０．１〜約１０ｇの触媒活性金属である）の無電解付着を得るのに充分な時間にわたって担体を前記溶液に浸漬し、または前記溶液を担体のボディ中に注入することにより行い得る。通常、好適な接触時間は約３０秒から約２時間まで、好ましくは約１分から約６０分までである。それより長い接触時間は有害ではないが、しかし何ら有意な利点を伴わない。温度は重要ではなく、例えば、溶液の凍結点から沸点まで、好ましくは約５℃から約７０℃までであってもよい。この溶液の濃度は重要ではなく、例えば、約０．０００１ｇの触媒活性金属／溶液１リットルから飽和、例えば、約５０ｇの金属／リットル以上までであってもよい。還元剤の量は好適には実質的に全ての触媒活性金属を担体に沈殿させるのに充分な量である。好ましくは、この還元剤は化学量論的に過剰で添加され、担体と接触する溶液は、例えば、１００ｇ／リットル以上の還元剤を含んでもよいが、溶液中の触媒活性金属の自然沈殿を避けるために約５０ｇ／リットル以下の濃度を保つことが好ましい。溶液の強制循環を与えることにより、またはガス、例えば、窒素もしくはその他の不活性ガスを溶液に吹き込むことにより（これはまた溶液から酸素を除去するという利点を伴う）、例えば、機械攪拌機による良好な攪拌を用意することが適切となる。この溶液を再使用し、補給量の還元剤及び触媒活性金属の塩を添加することが可能である。
【００１５】
好ましい方法は最初に多孔質担体を触媒活性金属の塩を含む溶液と接触させる工程、次いで還元剤を溶液に添加する工程そして最後に所望量の金属の無電解付着を得るのに充分な時間にわたって担体を前記溶液と接触して保つ工程を伴う。別の好ましい方法は最初に多孔質担体を好ましくは必要により一種以上の上記の追加の物質、例えば、安定剤を含む水溶液中で還元剤と接触させる工程、次いで触媒活性金属の塩を含む溶液を添加する工程、そして最後に所望量の金属の無電解付着を得るのに充分な時間にわたって担体を前記溶液と接触して保つ工程を伴う。更に別の好ましい方法は多孔質担体を触媒活性金属の塩及び還元剤の両方を既に含む溶液と接触させる工程、そして最後に所望量の金属の無電解付着を得るのに充分な時間にわたって担体を前記溶液と接触して保つ工程を伴う。
【００１６】
本発明の方法は多孔質担体を活性化して無電解付着のために触媒を吸収する工程、次いで活性化された担体を触媒活性金属の塩及び還元剤の好ましくは水溶液で処理してその上の触媒活性金属の無電解付着を得る工程を更に含むことが好ましい。この担体が触媒的性質を有しない場合（これは殆どの非金属の場合である）、その活性化が通常推奨される。
【００１７】
無電解付着のための触媒は通常金属であり、例えば、アルミニウム、クロム、コバルト、金、鉄、モリブデン、ニッケル、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、銀、鋼、スズもしくはタングステン、またはこれらの混合物のいずれかであってもよい。無電解付着に好ましい触媒はパラジウム、白金、金またはこれらの混合物であり、その中でパラジウムが特に好ましい。また、付着される触媒活性金属と同じ金属または金属の混合物を使用することが好ましい。
【００１８】
活性化は最初に多孔質担体を還元剤として作用することができるセンシタイザーの好ましくは水溶液で処理する工程、次いで無電解付着のために触媒の塩の好ましくは水溶液で処理して担体上に前記触媒の薄い層の形成を得る工程を含むことが好ましい。好適には、これらの工程は別々に行われ、センシタイザーによる処理に続いて、例えば、水による洗浄工程またはすすぎ工程が行われることが好ましく、その後にセンシタイジングされた担体が触媒の塩の溶液と接触される。これらの処理は通常の方法、例えば、浸漬（好ましくは攪拌下）、多孔質担体のボディ中に溶液を注入すること、噴霧、等で行い得る。溶液の濃度は重要ではない。センシタイザーの溶液は、例えば、約０．０１ｇ／リットルから飽和、例えば、約１００ｇ／リットル以上までを含んでもよく、一方、無電解付着のための触媒の塩の溶液は約０．０００１ｇの金属／リットルから飽和、例えば、約５０ｇ／リットル以上までを含んでもよい。夫々の工程に適した処理時間は好ましくは約５秒から約６０分まで、最も好ましくは約１分から約１０分までである。それより長い処理時間は有害ではないが、有意な利点を伴わない。温度は、例えば、夫々の溶液の凍結点から沸点まで、好ましくは約５℃から約７０℃までであってもよい。同じ溶液が補給薬品の添加後に数回使用し得る。
【００１９】
活性化をセンシタイザーによる処理によらずに達成することが可能であるが、無電解付着を高温で行うことが通常必要であり、また得られた最終触媒がセンシタイザーによる処理を含む調製方法で得られた触媒よりも低い活性を有することがわかった。
【００２０】
無電解付着のための触媒は最後に付着された触媒活性金属と同じ金属または金属の混合物である場合、活性化で無電解付着と同じ溶液を使用することが可能である。例えば、活性化溶液が未だ担体と接触している間に、還元剤を活性化溶液に添加することが可能である。
【００２１】
センシタイザーは、例えば、スズ（ＩＩ）化合物、硝酸銀、チタン塩、次亜リン酸塩またはホルムアルデヒドであってもよい。好ましいセンシタイザーは、例えば、スズ（ＩＩ）化合物、例えば、塩化物、フルオロホウ酸塩、硫酸塩または亜スズ酸塩であり、その中で塩化スズ（ＩＩ）が特に好ましい。また、センシタイザーの溶液は好ましくは酸、最も好ましくは塩酸を含む。
【００２２】
それ故、触媒の特に好ましい調製方法は
（ａ）多孔質担体を還元剤として作用することができるセンシタイザーの好ましくは水溶液で処理する工程、
（ｂ）工程（ａ）からの担体を、好ましくは水で洗浄する工程、
（ｃ）工程（ｂ）からの担体を無電解付着のための触媒の塩の好ましくは水溶液で処理して前記触媒の薄い層の形成を得る工程、
（ｄ）工程（ｃ）からの担体を好ましくは一種以上の安定剤、例えば、アンモニアゴム及び／または塩化アンモニウムをまた含む触媒活性金属の塩の溶液と接触させる工程、及び
（ｅ）還元剤を工程（ｄ）の溶液に添加して多孔質担体の上の触媒活性金属の無電解付着を得る工程（その還元剤は過剰に添加されて実質的に全ての触媒活性金属を担体に付着することが好ましい）
を含む。
【００２３】
また、工程（ｄ）及び（ｅ）は反対の順序で行うことができ、または担体を触媒活性金属および還元剤の両方を含む溶液と接触させることにより同時に行うことができる。
また、本発明は上記方法に従って担体上の活性金属の無電解付着により得られる多孔質担体及びその上に付着された触媒活性金属を含む触媒に関する。通常の含浸方法により製造された触媒と較べて、本発明の触媒は特に水素化そして特にアントラキノン及びその誘導体の水素化だけでなく、水素と酸素の間の直接反応による過酸化水素の製造について高い活性を示す。また、本発明の触媒中の触媒活性金属は多孔質担体中に一様に分布されるのではなく、主としてその外表面に局在化されることがわかり、これが予期しない程に高い活性の一つの説明であるかもしれない。触媒の更に別の特徴に関して、その調製の上記説明が参考にされる。
【００２４】
また、本発明は上記の触媒の存在下の有機溶媒の使用液中のアントラキノンまたはその誘導体の交互の酸化及び水素化を伴うアントラキノン法による過酸化水素の製造方法に関する。
【００２５】
この水素化は好適には約０℃から約１００℃まで、好ましくは約４０℃から約７０℃までの温度で、約１０ｋＰａから約１５００ｋＰａまで、好ましくは約２００ｋＰａから約６００ｋＰａまでの圧力で行われる。２−アルキル−９，１０−アントラキノンの如きアルキル化アントラキノンが使用されることが好ましい。有益なアルキル−アントラキノンの例は２−エチルアントラキノン、２−ｔｅｒｔ−ブチルアントラキノン、２−ヘキセニルアントラキノン、アルキルアントラキノンの共融混合物、２−アミルアントラキノンの混合物、及びそれらのテトラヒドロ誘導体である。使用液は一種以上のキノン溶媒及び一種以上のヒドロキノン溶媒を含むことが好適である。好適なキノン溶媒として、芳香族炭化水素、脂肪族炭化水素またはナフテン系炭化水素、例えば、ベンゼン、アルキル化ベンゼンまたはポリアルキル化ベンゼン、例えば、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼンまたはトリメチルベンゼン、アルキル化トルエンまたはアルキル化ナフタレン、例えば、ｔｅｒｔ−ブチルトルエンまたはメチルナフタレンが挙げられる。好適なヒドロキノン溶媒として、アルキルホスフェート、アルキルホスホネート、ノニルアルコール、アルキルシクロヘキサノールエステル、Ｎ，Ｎ−ジアルキルカーボンアミド、テトラアルキル尿素、Ｎ−アルキル−２−ピロリドンが挙げられる。特に好ましいヒドロキノン溶媒が米国特許第４８０００７３号及び同第４８０００７４号明細書に記載されており、アルキル置換カプロラクタム及び環状尿素誘導体、例えば、Ｎ，Ｎ’−ジアルキル置換アルキル尿素を含む。
【００２６】
更に、本発明は上記の触媒の存在下の水素及び酸素の直接反応による過酸化水素の製造方法に関する。その方法はガス形態の水素及び酸素を好ましくは水性反応媒体中に触媒粒子のスラリーを含む加圧反応器に連続的に供給することにより行われることが好適である。酸素は実質的に純粋なガスとして、または空気の如き酸素含有ガスの形態で供給されてもよい。反応器中の気相は、例えば、殆ど０モル％から約２５モル％までの過剰の酸素を含むことが好適である。その反応は、好適には約０．１モル％以上、好ましくは約１モル％以上の水素の高い含量により有利にされるが、安全性の理由のために、約１９モル％の異常爆発限界を越えないことが好ましく、約５モル％の爆発限界を越えないことが最も好ましい。反応媒体は好適には酸性であり、好ましくは約０．０１モル／リットルから約１モル／リットルまでの遊離水素イオン、最も好ましくは約０．０２モル／リットルから約０．２モル／リットルまでの遊離水素イオンを含む。酸は、例えば、硫酸、亜リン酸または過塩素酸の形態で供給されてもよく、これは好ましくは約０．０１モル／リットルから約１モル／リットルまで、最も好ましくは約０．０２モル／リットルから約０．２モル／リットルまでの量で存在する。更に、反応媒体はまた好適には一種または数種のハロゲン化物イオン、例えば、臭化物イオン、塩化物イオン、またはヨウ化物イオンを含み、その中で臭化物イオンが特に好ましい。ハロゲン化物は好ましくは重量基準で約１ｐｐｍから約１０００ｐｐｍまで、最も好ましくは重量基準で約２ｐｐｍから約１００ｐｐｍまでの量で存在し、アルカリ金属塩、例えば、ナトリウム塩、カリウム塩もしくはこれらの混合物の形態で、または相当する酸として供給されてもよい。圧力は好適には約１０バールから約２００バールまで、好ましくは約３０バールから約１００バールまでに保たれ、一方、温度は好適には約０℃から約１００℃まで、好ましくは約２０℃から約７０℃までに保たれる。充分な物質移動を得るために、反応媒体は攪拌またはポンプ輸送されることが好ましく、またはガスが反応器の底に注入されることが好ましい。生成された過酸化水素は反応媒体に溶解し、これがフィルター（その上に触媒が保持される）を通して反応器から取り出される。過酸化水素は通常の単位操作、例えば、蒸発、蒸留またはこれらの組み合わせで反応媒体から分離し得る。次いで反応媒体が、必要により補給薬品、例えば、硫酸、アルカリ金属臭化物等の添加後に、反応器に循環し得る。
【００２７】
好適かつ好ましい触媒に関して、触媒及びその調製方法の上記説明が参考にされる。
過酸化水素製造そのものに関する更なる詳細が、本明細書に引用された特許、特に米国特許第４５５２７４８号及び同第４８０００７４号明細書に見られる。本発明が以下の実施例により更に説明される。特にことわらない限り、全ての含量及び％は重量基準である。
【００２８】
【実施例】
パラジウムを下記の０．１リットルの合計容積を有するチャンネルを含むモノリス多孔質シリカ担体に付着することにより、本発明の触媒を調製した。
【００２９】
下記の水溶液を調製した。
（ａ）ＨＣｌ４．６７ｇ、水９５．４３ｇ及びＳｎＣｌ2 ・２Ｈ2 Ｏ（ｓ）１．１９２ｇを混合した。
（ｂ）酸性ＰｄＣｌ2 水溶液（７ｇ  Ｐｄ／ｌ）３．７５ｍｌ、ＨＣｌ０．４ｇ及び１００ｍｌの容積にする水を混合した。
（ｃ）ＮＨ3 １８．８５ｇ及びＮＨ4 Ｃｌ（ｓ）６．７６ｇを水１２１．２６ｇに溶解した。この溶液をＰｄＣｌ2 の酸性水溶液（７ｇ  Ｐｄ／ｌ）と混合し、得られる溶液を一夜放置した。
（ｄ）ＮａＨ2 ＰＯ2 ・２Ｈ2 Ｏ３．０８ｇ及び水４４．７ｇを混合した。
次いで以下の工程を行った。
（１）センシタイジング：モノリス担体を溶液（ａ）に２分間浸漬し、次いで４ｘ２５０ｍｌの水で洗浄した。
（２）活性化：センシタイジングされた担体を溶液（ｂ）に２分間浸漬した。
（３）無電解付着：活性化された担体を溶液（ｃ）に浸漬し、その後に溶液（ｄ）を徐々に添加した。４５分後に、担体（これは黒色になっていた）を取り出し、酸性水溶液中で１０分間洗浄した。次いでそれを５０℃で一夜乾燥させた。
【００３０】
調製された触媒をアルキルアントラキノンの水素化に使用し、その活性を測定し、そして担体をパラジウム塩で含浸し、続いて水素雰囲気中で還元することにより調製された基準触媒と比較した。結果を下記の表に示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
本発明の触媒は、新しいものとしても、及び操作の１６日後の両方で、基準触媒よりもかなり高い活性を有することが明らかである。