技術紹介

触媒性能評価技術
則定

和志 *1

Norisada Kazushi

茂田潤一 *2

Shigeta Jun-ichi

触媒とは、“特定の化学反応の反応速度を速める物質で、自身は反応の前後で変化しないもの”と言われ、反応や目的に応じて多種多様な触媒が開発されている。実用化に当たっては触媒の性能を評価する試験が必要となるが、そのためには触媒の種類に応じた試験装置を組み立てて実施しなければならないのが現状である。そこで、多くの触媒に対応できる試験装置の開発を目指して検討を行ってきた。その結果、効率良く、多成分ガスの分析が可能となるだけでなく、各種触媒の性能評価試験に対応できる装置を作製することができたので、ここにその一端を報告する。
キーワード：触媒、ガスクロマトグラフ、性能評価、ガス連続計測（メタン）から水素を取り出すための改質触媒評

1. はじめに価では、窒素（N2、分子量 28）と一酸化炭素（CO、触媒とは「反応速度を増加させる効果を示し、分子量 28）のように質量が等しい成分が存在す

反応終了時に反応前と同じ状態で存在しうる物質

ると計測できない、といった課題がある。このよをいう」とされている。触媒が固体であり、反応うな場合、試料ガスをサンプリングバッグに捕集物が液相または気相のものを不均一触媒（固体触し、ガスクロマトグラフを用いてバッチで分析し媒）と言い、自動車エンジンの排ガス浄化や、火ていた。しかし、この手法は、長期の連続試験に力発電所の脱硝などにおいて使用されている。触対して非常に多くの時間と労力を必要とする。さ媒は反応前後で同じ状態で存在する物質とされるらに、極微量の大気混入による影響を無視できるが、実際には粒度が粗大化して比表面積が減少す分析、という前提条件が必要である。そのため、る粉体焼結（シンタリング）および硫黄等による新規の触媒試験装置にガスクロマトグラフを組み被毒により変質する。そのため、触媒の性能評価合わせて、試料ガスのサンプリングおよび分析をと併せて触媒の劣化の原因を調査するためのさま自動で実施できる試験装置の開発を試みた。

ざまな試験・分析が行われている。それらの試験

その結果、一酸化炭素（分子量 28）と窒素（分子の一つとして触媒性能評価試験があり、この試験量 28）のような、分子量が等しい成分の混合ガスには実際の使用条件を模擬した環境で触媒を使用し、対する効率的な分析が可能となった。さらに、各性能および劣化状況を調査するものである。

種触媒の性能評価試験に対応できる装置を作製す

これら試験を実施するに際し、例えば天然ガスることができたので、ここにその一端を報告する。

*1：計測事業部 化学環境部 福浦グループ*2：フェロー 博士（学術） 環境計量士（濃度関係）—36—500mL/min である。

2. 装置仕様の検討

マスフローコントローラの保護のため、各マス2.1 装置構成

フローコントローラの出口に逆止弁を設置した。

装置の構成を図 1 に示す。本図に示すように、各マスフローコントローラから出た原料ガスは装置はガス供給部、管状炉、ガスサンプリング部

SUS 製のボールを充填したガス混合部を通り、混およびガスクロマトグラフから構成される。

合・均一化される。ガス混合部はリボンヒータで、最大 250℃程度まで加熱可能である。

2.2 ガス供給部
2.3 管状炉

ガス供給部は独立した 4 系統のラインから流量を調整した高純度ガスまたは標準ガスを供給し、管状炉は縦型と横型があり、縦型の方がガスはこれらを混合させて原料ガスを調製する。各ガス炉内を均一に流れるため、縦型の管状炉を選定しの流量はマスフローコントローラを用いて調整さた。触媒の試験は 800℃以下で実施されることがれる。本装置において想定する原料ガスの最大流多いため、最高使用温度 800℃の管状炉も検討し量は 1L/min とした。バランスガスとして使用可たが、長期の連続運転を考慮して、性能に余裕が能なガス種は、空気、窒素、アルゴンおよび炭酸ある最高使用温度 1000℃のタイプを選定した。

ガスで、調整可能な流量は 0.02 ～ 2L/min である。

反応管の材料は SUS とした。スウェージロッ

添加ガスとして使用可能なガス種は空気、窒素、ク継ぎ手は、取り外しを数回行うと消耗してリーアルゴン、炭酸ガス、メタンおよびプロパンで、クが発生するので、反応管とガス供給ラインは、

調 整 可 能 な 流 量 は、4 ～ 500mL/min お よ び 2 ～VCR 継ぎ手で接続した。VCR 継ぎ手は、SUS 製

200mL/min とした。水素およびヘリウムも添加ガのパッキンを使い捨てにすることで、継ぎ手自身

ス と し て 使 用 可 能 で、 調 整 可 能 な 流 量 は 4 ～を消耗させず、繰返しの取り外しが可能である。

図1

触媒性能評価装置構成図—

37—

IIC REVIEW/2017/04. No.57

熱電対を挿入できるように、反応管の出入口にユムの充填剤をスクワラン 2％に変更すれば良い。

ニオン・ティーを設置した。ただし、反応管は試

また、二酸化炭素の場合は、カラムの充填剤をポ験条件に合わせ、石英製反応管を作製して使用すラパック Q に変更すれば良い。ガスクロマトグることもできる。

ラフの分析データは専用のデータ記録器に記録さ触媒の上流と下流の圧力を計測するため、反応れる。

管の出入口に圧力計を設置した。この圧力計は、3. 作製した装置

接ガス部がステンレス製であり、耐食性に優れている。触媒性能評価試験において、水蒸気を入れ装 置 本 体 の 設 置 面 積 は 1140×1250mm で あ り、る場合、ガス中にミストが存在するが、このようこれにガス供給のボンベスタンドを加えたものがな環境においても使用可能である。

設置面積となる。装置外観を図 2 に示す。

2.4 ガスサンプリング部
ガスサンプリング部は、標準ガスと試料ガスを取り込むラインを切換える三方バルブ、試料ガスを採取する六方バルブ、試料ガスを吸引するポンプおよび流量計で構成されている。
六方バルブは、エアー駆動タイプを選定した。六方バルブのサンプリング・ループ体積は、約 1mLとした。
ダイヤフラムポンプで試料ガスを吸引し、面積式流量計で流量を 100mL/min に調整する。試験のガス流量が 1L/min であれば、この系にガス吸引量が 500mL/min である既存の NOx 計、CO 計および SO2 計などの連続ガス分析装置を 1 台接続できる。
2.5 ガスクロマトグラフ
六方バルブで採取したガスはガスクロマトグラ
フに導入され、水素、酸素、窒素、メタンおよび一酸化炭素の分析を行う。分析所要時間は約 5 分

図2である。カラムの充填剤はモレキュラーシーブ
13X を使用した。キャリアガスは水素を分析するため、アルゴンを使用する。
本装置はパックドカラムのガスクロマトグラフを使用するため、分析条件の変更が容易である。
例えば、分析対象が低級炭化水素の場合は、カラ—38—

触媒性能評価装置外観

（％）は、標準ガスの各成分の濃度と、No.1 の分

4. 装置の性能検証

析結果を基に作成した検量線から算出した。濃度

4.1 ガス分析の再現性の確認（％）の平均値、標準偏差および CV 値（％）は、サンプリング部から標準ガス（1％水素、2.6％

No.2 ～ No.6 の計 5 回の分析結果から算出した。

酸素、40％窒素、5％メタンおよび 5％一酸化炭素※ 1：CV 値（Coefficient of Variation：変動係数）

アルゴンベース）を吸引して、検量線を作成とは、標準偏差を算術平均で割った値で、した。次に標準ガスの吸引と分析を繰返し 5 回行

相対的なばらつきを表す。一般的に 10％

い各結果に対して作成した検量線を基に濃度を算を超えるとばらつきが大きいとみなす。

出した。分析条件を次に示す。

5. 触媒性能試験の一例＜分析条件＞
カラム：3.2m パックドカラム（モレキュ

本装置を用いた活性炭による有機溶剤の吸着破ラーシーブ 13X 充填）

過試験を紹介する。この試験では、有機溶剤を所キャリアガス ：70mL/min 高純度アルゴン（G1）定の濃度で触媒となる活性炭に供給するために、検出器定量性のあるシリンジポンプを採用した。

：熱伝導度検出器（TCD）

試料気化室温度：120℃
5.1 試験方法

カラム槽温度 ：70℃
検出器温度

この試験に使用した装置の概要を図 3 に示す。

：120℃

有機溶剤を含む窒素ガスを活性炭捕集管内に供給
4.2 ガス分析の再現性結果した。活性炭捕集管出口の有機溶剤濃度をガスクガス分析の再現性の確認の結果を表 1 に示す。

ロマトグラフにて連続測定して、活性炭による有表に示したピーク面積は、1 回目の検量線作成の機溶剤の破過曲線を求めた。有機溶剤はシリンジための分析結果（No.1）および連続 5 回分析結果

ポンプを用いてキャリアガス（高純度窒素ガス、（No.2 ～ No.6）である。ピーク面積の平均値、標200mL/min）中に気化させて調製した。吸着試験

準偏差および CV 値（※ 1）（％） は、 計 6 回のは室温で実施した。測定条件を次に示す。

分析結果から算出した。表に示すように、CV 値＜測定条件＞は 0.4％以下となった。

有機溶剤

なお、表に示した No.2 ～ No.6 の各成分の濃度
表1：1.5mL/min ヘキサン／アセトン
混合溶液

ガス分析の再現性の確認結果—39—IIC REVIEW/2017/04. No.57

図3
活性炭

有機溶剤用試験装置構成図
5.2 試験結果および考察：作業環境測定用活性炭捕集管試験結果を図 4 に示す。縦軸は出口ガス中の（粒径 800mm）
カラム：ガラス製パックドカラム（充填有機溶剤のピーク面積を、横軸は時間を示す。

剤は PEG20M）
検出器

アセトンの吸着時間は約 30 分を要したのに対：水素炎イオン化検出器（FID）し、ヘキサンのそれは 90 分と明らかにアセト

試料気化室温度：200℃

ンとヘキサンでは吸着特性が異なることがわか

カラム温度：100℃

る。ヘキサンの方が、破過するまでに時間を要検出器温度：200℃

したことから活性炭に対する吸着能力（捕獲量）

活性炭捕集管出口におけるヘキサンとアセトンが高いことがわかる。の濃度が、原料ガス中のこれらピーク面積（濃度）有機溶剤を定量的に気化させて、一定濃度で触に等しくなった時点で、吸着試験終了とした。

媒（活性炭）に供給することができることを確認
—40—

図4

活性炭の吸着破過曲線した。本装置では、いくつかの部品、機器を組みを工夫することで対応が可能であることから、広合わせることにより、ガスだけでなく液体に対し範囲な分野での反応性評価試験に活用できるものても幅広く対応できるようになった。と考える。
なお、当社では触媒のほか高温雰囲気下で使用6. まとめする各種製品の安全性、耐久性、腐食性に関する（1）

本装置を用いることにより、広範囲の温度雰囲試験 も実施してきており、今後とも触媒性能評

気で、発生したガスを効率良く分析することがで価試験（含む高温反応試験）を通じて、さまざまき、目的とするガスによる安全性、反応（生成・な分野のニーズに応えられるよう努めていきたい。

分解・吸着・改質）性、劣化挙動等について評価参考文献することができるようになった。

（1） 則定和志：高温加熱反応試験、IIC REVIEW、また、本装置は触媒だけでなく、各種試料（断熱材、高分子化合物、添加剤等）にも、試験方法

No.47、2012/04、pp.31-36

計測事業部
化学環境部
福浦グループフェロー
博士（学術）
環境計量士（濃度関係）

則定 和志

茂田 潤一

TEL. 045-791-3516
FAX. 045-791-3541

TEL. 03-6404-6615
FAX. 03-6204-6044—41—

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