专利名称::膜状催化剂和膜状催化剂的制造方法
技术领域:
:本发明涉及适合作为气液反应用等的催化剂的膜状催化剂。本发明还涉及适合作为气液反应用等的催化剂的膜状催化剂的制造方法。
背景技术:
:在化学工业的化学工艺中,广泛采用利用了固体催化剂的工艺。在该方法中,作为催化剂,通常采用形成为微细的粒子形状的粉末状催化剂,并直接添加到反应釜中进行反应。在利用了粉末状催化剂的反应工艺中,为了有效地进行反应物与催化剂的混合,搅拌等技术是必需的。此外,反应结束后,必须从产物中除去催化剂,因而存在设备以及运转变得复杂的问题。此外,在该体系中,添加了大量的过滤助剂,但是由于催化剂为粒子,因而过滤时间长,且过滤助剂吸附了许多反应物,成为使得反应产率降低的原因。通过将粉末状催化剂担载在沸石等多孔质载体上而使得粉体粒径增大,从而可以改善微粒粉体的过滤性,从而缩短过滤时间,但是,这种情况下仍然无法解决设备以及运转变得复杂的问题以及需要大量的过滤助剂的问题。对此,作为不需要利用搅拌等的催化剂的混合操作、而且也不需要催化剂的过滤分离的工艺,可以举出固定床方式。作为在固定床方式中使用的固体催化剂的新型形态的膜状催化剂已经在wo2005/035122号中公开。其是在胺的制造方法中,通过使用厚度为100pm以下的膜状催化剂,进行反应选择性优良的叔胺化的技术。
发明内容本发明的膜状催化剂的特征在于,其是在支撑体上形成有包含粉末状催化剂和粘合剂的催化剂层的膜状催化剂,所述催化剂层的以压汞法测得5的孔径分布具有2个以上不同的众数值(modevalue)。下面也将该发明称作第一发明。本发明还提供了膜状催化剂的制造方法,其特征在于,其是在支撑体上具有催化剂层的膜状催化剂的制造方法,所述制造方法包含调制包含粉末状催化剂、粘合剂以及溶剂的涂料组合物的工序、和使用所述涂料组合物在所述支撑体上形成催化剂层而得到催化剂中间体的工序;所得到的膜状催化剂满足下式(2-1)。下面也将该发明称作第二发明。0.55t,t^2t,(2陽i)1是膜状催化剂的催化剂层中所含有的作为原料使用的粉末状催化剂自身的孔径分布的最大众数值(以压汞法测得的);t,是膜状催化剂的催化剂层的孔径分布中的最大的众数值(以压汞法测得的)。本发明提供了一种膜状催化剂作为气液反应的催化剂的用途,所述膜状催化剂是上述膜状催化剂或是通过上述制造方法得到的膜状催化剂;本发明还提供一种使用膜状催化剂来进行气液反应的方法,所述膜状催化剂是上述膜状催化剂或是通过上述制造方法得到的膜状催化剂。wo2005/035122号中公开的膜状催化剂的催化活性优良、在催化剂的脱落量少的方面是优良的发明。本发明对wo2005/035122号中公开的发明进一步进行了改良,提供反应活性高、催化剂的脱落量少的膜状催化剂(第一发明)以及反应活性高、催化剂的脱落量少的膜状催化剂的制造方法(第二发明)。第一发明包含如下的优选的方案。在以压汞法测得的2个以上不同的众数值中、最大的众数值t^p与该众数值ti不同的众数值t2满足下式(1-1)所示的关系的上述膜状催化剂,t2《0,2xti(1-1);众数值^为20nm250^im的上述膜状催化剂;众数值t2为450nrn的上述膜状催化剂;上述催化剂层中所含有的粉末状催化剂是通过将催化剂活性物质担载在多孔性材料上而得到的上述膜状催化剂;上述催化剂层的厚度为100pm以下的上述膜状催化剂;为蜂窝结构体的上述膜状催化剂;用作气液反应的催化剂的上述记载的膜状催化剂。第二发明包含如下优选的方案。上述膜状催化剂的催化剂层的以压汞法测得的孔径分布具有与上述t,不同的的众数值t2、且t2《0.2x^的上述制造方法。上述众数值t2为450nrn的上述制造方法。上述涂料组合物是使用介质型研磨机调制而得到的涂料组合物的上述制造方法。上述涂料组合物是在将上述介质型研磨机的调制时间设定为time(秒)、特征速度作为v(m/秒)、调制中使用的介质的表观容积设定为p(l)、涂料组合物的混合质量设定为g(kg)时,在满足下式500
第一发明的膜状催化剂在支撑体的一面或者两面具有包含粉末状催化剂和粘合剂的催化剂层。催化剂层中的粉末状催化剂和粘合剂的比例实质上与在制造时使用的涂料组合物的组成一致,两成分的合计量中,粉末状催化剂优选为6090质量%(更优选为6085质量%,进一步优选为7085质量%),粘合剂优选为1040质量%(更优选为1540质量%,进一步优选为1530质量%)。第一发明的膜状催化剂中的所述催化剂层的以压汞法测得的(详细的测定方法记载在实施例中)孔径分布具有2个以上不同的众数值。这里本说明书中所述的"众数值"是指,与孔径分布(例如图4-l)的各峰值(例如,图4-l的pt,、pt2等)相对应的微孔径(例如相对于上述峰值pti为tp相对于pt2为t2)。这里,不包含明显可知是测定器的噪声的数据(例如图4-1中的微孔径为0.030.05pm以及0.6pm以上的情况)而求出各峰值。第一发明的膜状催化剂优选其催化剂层中的以压汞法测得的2个以上不同的众数值中,最大的众数值ti和与该众数值h不同的众数值12满足下式(1-1)所示的关系,t2《0.2xt,(1-1)。第一发明的膜状催化剂的催化剂层满足式(1-1)是起因于催化剂层的层结构。下面,根据附图对第一发明的膜状催化剂中的催化剂层的层结构与式(1-1)的关系进行说明。图1是表示本发明(第一发明)的膜状催化剂中的催化剂层的层结构的在厚度方向上切断的情况的示意图。图2是图1中用四方形围成的部分的放大图。图3是图2中用四方形围成的部分的放大图。此外,图4-1是表示具有以压汞法测得的2个以上不同的众数值的孔径分布的曲线图,图4-l中的^表示孔径分布中的最大的众数值,12表示与该众数值ti不同的众数值。图5是为了说明众数值的求算方法的图。如图1所示,膜状催化剂1在支撑体2的两面具有催化剂层3(催化剂层3也可以只在支撑体2的单面)。如图2所示,催化剂层3含有粉末状催化剂4和覆盖粉末状催化剂4的周围的粘合剂5,多个粉末状催化剂4(以及覆盖粉末状催化剂4的周围的粘合剂5)之间存在图中由虚线围成的间隙6。而且如图3所示,在覆盖粉末状催化剂4的周围的粘合剂5中存在图中由虚线围成所示的孔7,在孔7的部分中,粉末状催化剂4未被粘合剂5覆盖,其表面露出。另外,图4-l所示的h(孔径分布中的最大的众数值)是来自于在催化剂层中的粉末状催化剂粒子间存在的空隙结构(间隙6)的峰,t2(与^不9同的众数值)是来自于存在于粉末状催化剂表面的树脂(粘合剂)部分脱落而得到的孔结构(孔7)的峰。在第一发明的膜状催化剂中,催化剂层具有图1图3所示的层结构(优选可以满足式(l-i)),因此在使用膜状催化剂作为某些反应的催化剂时,粉末状催化剂粒子间存在空隙结构,从而反应物质可以容易地移动到催化剂层的最深部。而且,由于在粉末状催化剂表面存在的树脂(粘合剂)部分脱落而得到的孔结构的存在,粉末状催化剂表面露出,与移动过来的反应物质接触的概率飞跃地提高,可以促进该表面的化学反应。此外,反应产物能从露出的催化剂表面通过树脂(粘合剂)部分脱落而得到的孔结构向粉末状催化剂粒子间的空隙结构、进而向催化剂层外顺利地移动,从而能够容易地使反应物质和反应产物飞跃地移动。另外,通过使得这样平稳的物质的移动变得容易,能够抑制催化剂层内反应产物的过反应,抑制副产物的生成,能够提高选择性。即,在第一发明中明确了能够兼顾高反应活性和反应选择性的层结构的特征。根据上述理由,膜状催化剂的催化剂层中所含有的粉末催化剂和反应物质的接触的概率变得非常高。其结果可以认为,如实施例中表明的那样,能够体现出高反应活性和选择性。在第一发明的膜状催化剂中,将式(1-1)所示的关系用w^表示时,t2/t,的值优选为0.2以下,更优选为0.15以下,进一步优选为0.1以下,从而能够体现出更高的反应活性。在第一发明的膜状催化剂中,从而能够体现出高反应活性的观点考虑,众数值h优选为20nm250000nm(250pm),更优选为100nm100000nm(100,),进一步优选为200nm50000nm(50(xm)。此外,在第一发明的膜状催化剂中,从同样的观点考虑,众数值t2优选为450nm,更优选为430nm。考虑到h的优选的上限值为250pm、t2的优选的下限值为4nm,的下限值为1.6x10—5。另外,如图5所示,在无法清楚地辨认众数值的情况下,将曲线的切线的交点作为众数值。从能够体现出高反应活性的观点以及降低副产物量的观点考虑,第一发明的膜状催化剂优选催化剂层的厚度为500pm以下,更优选催化剂层的厚度为100nm以下、进一步优选催化剂层的厚度为50pm以下。此外,从同样的观点考虑,每单位面积的催化剂担载量优选为0.5100g/m2,更优选为l60g/m2,进一步优选为1030g/m2。第一发明的膜状催化剂可以形成为将平板状的膜状催化剂和对其进行形状加工而得到的波纹板状的膜状催化剂进行数层重叠而形成的结构体(参照图6)、能在流通式反应器中使用的在管内壁面上形成有催化剂层的结构(参照图8)、在将管内间隔成多个轴向流通路的薄板状结构物的表面形成催化剂层的结构、能在槽型反应器中使用的设置在槽内部的开放型翼片状平板的表面形成有催化剂层的结构等。在任意一种结构中,也可以是由局部未形成催化剂层的部件构成的结构体。此外,优选采用能够容易地进行对催化剂层的反应物的供给和从催化剂层回收产物的结构。而且,从高效地进行反应的方面考虑,优选尽量增大反应器中设置的膜状催化剂的催化剂层表面积。此外,优选设置用于使得反应物、产物的移动变得容易的作为流路的空间,为了保持该流路、确保催化剂整体的强度,还优选将膜状催化剂彼此之间粘接。为了实现上述要件,可以使用在将内径数mm数十mm的管捆起来而得到的集合体或者单元密度为每1平方厘米为数单元200单元的蜂窝结构体的内壁面上设置催化剂层而得到的结构等。第一发明的膜状催化剂根据所含的粉末状催化剂的选择可以适用于各种反应,尤其是在使用液相的反应中所用的粉末状催化剂的情况下,即使将得到的膜状催化剂直接用于该反应,由于不会影响反应物以及产物的扩散性、且能够适应反应器内的温度环境,因此是优选的,特别适合作为气液反应的催化剂。例如,可以用于烯烃的氧化、醇的氧化、烯烃的异构化、芳香族类的异构化、羰基化、酯的氢化,优选用于脱氢反应、加氢反应,也能够适用于伴随着这些脱氢反应、加氢反应的由醇和伯胺或仲胺制造叔胺的氨基化反应。<膜状催化剂的制造方法>第一发明的膜状催化剂的制造方法例如可以按照如下顺序设置下述工序,通过各工序的处理来进行制造,所述工序是包含粉末状催化剂、粘合剂以及溶剂的涂料组合物的调制工序,在支撑体上涂布上述涂料组合物并进行制膜而制造催化剂中间体的工序,然后,在常温下进行干燥(熟化)或者根据需要进行干燥和固化工序、形状加工工序、最终加热处理工序。上述工序可以适当地进行各工序的顺序的调换或者取消。下面对各个工序进行说明。<涂料组合物的调制工序>第一发明的膜状催化剂的制造中使用的涂料组合物可以按照如下所述进行调制。涂料组合物中所含有的粉末状催化剂可以使用催化剂活性物质或者将催化剂活性物质被担载在多孔性材料上而得到的催化剂。作为催化剂活性物质,只要是对适用的化学反应有效的成分即可,可以举出例如ag、au、cu、ni、fe、al、第4周期过渡金属元素、铂族元素、元素周期表的3a族元素、碱金属类、碱土类金属等金属元素及其金属氧化物等。多孔性材料成为担载催化剂活性物质的催化剂载体,可以举出活性碳、氧化铝、氧化硅、沸石、二氧化钛、氧化硅-氧化铝、硅藻土等,优选使用从它们之中选择的一种以上的多孔性材料。更优选使用具有高表面积的多孔性材料,此外还可以使用分子筛等。作为在催化剂载体中担载催化剂活性物质的方法,可以使用通常的浸渍法、共浸渍法、共沉淀法、离子交换法等公知的方法。从能够体现高的反应活性的观点以及降低副产物量的观点考虑,粉末状催化剂以平均粒径表示优选具有0.01500pm,更优选具有0.5150pm、进一步优选具有l50pm的粒径,优选粒径分布尖锐的催化剂。而且,从相同的观点考虑,通过bet法得到的比表面积优选为l500m2/g,更优选为5200m2/g,进一步优选为10100m2/g。从能够体现出高的反应活性的观点以及降低副产物的观点考虑,涂料组合物中的粉末状催化剂的含有比例优选为6090质量%,更优选为6085质量%,进一步优选为7085质量%。12涂料组合物中使用的粘合剂优选为使粉末状催化剂彼此之间以及对支撑体的表面的粘结性优良、且耐反应环境、对反应体系无不良影响的粘合剂。作为这样的粘合剂,可以使用羧甲基纤维素或羟乙基纤维素等纤维素系树脂、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯等含氟树脂、聚乙烯醇、聚氨酯树脂、环氧树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚酯树脂、酚酸树脂、三聚氰胺树脂、硅树脂等各种热塑性树脂、热固性树脂,也可以使用通过在这些合成树脂中引入由固化剂引起的交联反应而实现了高分子化的物质。其中,特别优选的是酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂等热固性树脂,更优选的是可以使用在固化时伴随着縮合反应的热固性树脂。使用热固性树脂作为粘合剂时,通过由固化反应引起的交联密度的提高,从而涂膜强度和粘结性提高,进而通过由縮合反应引起的催化剂涂膜的多孔化,从而可以有效地发挥粉末状催化剂所具有的催化活性。将由第一发明的制造方法得到的膜状催化剂用于由醇和伯胺或仲胺来制造叔胺的反应中的情况下,作为粉末状催化剂和粘合剂的优选的组合的一例,可以举出铜-镍-钌三元体系的粉末状催化剂和酚醛树脂的组合。涂料组合物中的粘合剂的含有比例优选为1040质量%,更优选为1540质量%,进一步优选为1530质量%。通过将粉末状催化剂和粘合剂的含有比例限定在规定的范围内,从而可以控制粉末状催化剂的露出度,进而可以发挥粉末状催化剂本身所具有的催化活性,也可以改善催化剂层的脱落性。具体地说,如图13所示,由于以在粉末状催化剂的表面存在被粘合剂覆盖的部分和未被粘合剂覆盖的部分的方式进行控制,因而可以体现出上述的效果。粘合剂的含有比例为40质量%以下时,覆盖粉末状催化剂的表面的粘合剂的厚度或者如图3所示的粘合剂的覆盖状态变得适当,粉末状催化剂所具有的催化活性被充分发挥,其结果能够显示出高的催化活性。粘合剂的混合比例为10质量%以上时,可以充分表现出催化活性,并能提高粉末状催化剂彼此之间或者粉末状催化剂与支撑体间的粘结力,并且在膜状催化剂的制造工艺中以及反应运转中能够抑制催化剂层剥离或者局部脱落的在涂料组合物中,除了粉末状催化剂、粘合剂之外,为了改善粉末状并使得粘合剂溶解、促进这些混合物的混合、均匀化,还使用溶剂。溶剂只要不对粉末状催化剂的催化活性产生不良影响即可,根据所使用的粘合剂的种类,可以选择水溶性或非水溶性的各种溶剂,通过该溶剂的选择,可以控制膜状催化剂的微孔结构。此外,溶剂优选对粘合剂的溶解性良好,而且也可以将两种以上的溶剂组合使用,通过选择与使用的粘合剂相适应的溶剂,可以控制催化剂层的微孔结构。作为溶剂,可以举出水;甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、烯丙醇等醇类;丙酮、甲基乙基酮(mek)、甲基异丁基酮(mibk)等酮类;乙二醇、丙二醇、二甘醇、聚乙二醇、聚丙二醇、二甘醇单乙醚、聚丙二醇单乙醚、聚乙二醇单烯丙基醚、聚丙二醇单烯丙基醚等二醇或其衍生物类;甘油、甘油单乙醚、甘油单烯丙基醚等甘油或其衍生物类;四氢呋喃、二噁垸等醚类;液体石蜡、癸烷、癸烯、甲基萘、萘烷、煤油、二苯基甲烷、甲苯、二甲苯、乙苯、二乙苯、丙苯、环己烷、部分氢化的三苯基等烃类;聚二甲基硅氧烷、部分用辛基取代的聚二甲基硅氧烷、部分用苯基取代的聚二甲基硅氧垸、氟硅油等硅油类;氯苯、二氯苯、溴苯、氯化联苯、二苯基氯甲烷等卤化烃类;夕v》口/iz(daikin工业(株)制造)、demnum(daikin工业(株)制造)等氟化物类;苯甲酸乙酯、苯甲酸辛酯、苯二甲酸二辛酯、偏苯三酸三辛酯、癸二酸二丁酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸月桂酯等酯化合物类;此外,还可以举出二甲基甲酰胺、n-甲基-吡咯烷酮、乙腈、乙酸乙酯等。在涂料组合物中,除了上述各成分之外,可以混合作为分散助剂的表面活性剂或偶联剂、作为骨架材料的无机粒子、纤维状物质等、作为多孔化助剂的高沸点溶剂等。偶联剂所具有的效果是在无机填料和有机聚合物基质之间的界面上进行分子交联,从而使物性得以改善。作为偶联剂,可以使用通常公知的硅垸偶联剂、钛酸盐系偶联剂以及铝酸盐系偶联剂,也可以组合使用多种偶联剂,为了进行浓度调整,也可以用具有相容性的有机溶剂稀释后使用。作为纤维状物质,可以使用有机纤维或无机纤维。作为有机纤维,可以列举出聚酰胺系的尼龙6、尼龙66和芳香族聚酰胺纤维、聚乙烯醇系14纤维、聚酯系的聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维、聚芳酯纤维、聚偏氯乙烯系、聚氯乙烯系、聚丙烯腈系、聚烯烃系的聚乙烯和聚丙烯纤维等。此外,有机纤维包含有机再生纤维,可以列举出纤维素系的人造丝、乙酸酯等。作为无机纤维,可以使用玻璃纤维、碳纤维、活性碳纤维、陶瓷纤维等。通过混合上述各纤维,可以表现出骨架材料的效果,从而能够使催化剂层的机械强度(涂膜强度)提高。涂料组合物的调制只要是能将各成分均匀混合的方法即可,没有特别的限制,但是,在第一发明中优选使用介质型研磨机或涂料搅拌器(paintshaker)进行调制。通过使用介质型研磨机,根据其结构、机构,能够将构成上述的涂料组合物的各成分均匀处理,因此适合于控制粉末状催化剂的粒径、分散状态从而控制膜状催化剂的催化剂层的孔径分布。作为介质型研磨机,可以举出球磨机、超微磨碎机、ad研磨机、双ad研磨机、篮式研磨机、双篮式研磨机、便携式研磨机、谷物磨料机、戴诺磨(dyno-mill)、微粉碎机(apexmill)、行星研磨机(starmm)、粘磨机(viscomill)、砂磨机、使用珠子的涂料搅拌器等。另夕卜,作为在第一发明中作为介质型研磨机之外的分散机,也可以使用溶解器型的混合分散机。涂料组合物优选在将介质型研磨机的调制时间设定为time(秒)、圆周速度设定为v(m/秒)、调制中使用的介质的表观容积设定为p(l)、涂料组合物的混合质量设定为g(kg)时、在满足下式(l-ii):500