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JP4500787B2 - Microreactor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description

本発明は、新規なマイクロリアクター及びその製造方法に関する。詳しくは、特徴的な中空貫通孔及びナノ細孔を有する筒状多孔質シリカに触媒金属を担持することにより、高い反応物流速が得られると共に、有効な触媒活性を有するマイクロリアクター及びその製造方法を提供するものである。   The present invention relates to a novel microreactor and a method for producing the same. Specifically, a microreactor having an effective catalytic activity while having a high reactant flow rate by supporting a catalytic metal on cylindrical porous silica having characteristic hollow through-holes and nanopores, and a method for producing the same Is to provide.

物質の分離および合成等のマイクロ合成プロセスに組込んで使用されるマイクロリアクターは、従来、金属、ガラス、そしてシリコン等耐薬品性高分子の基板上にミクロンオーダーの微小な流路を形成し、該流路内壁に必要な表面化学修飾あるいは活性物質の固定化を施して構成されていた。例えば、触媒反応に係る微量合成の場合、ガラス基板に微小流路となる凹部を刻み、これにもう一枚のガラス基板を張り合わせて作成されることが多い。   Microreactors that are used in microsynthetic processes such as separation and synthesis of substances have conventionally formed minute channels on the order of microns on substrates of chemically resistant polymers such as metals, glass, and silicon, The inner wall of the flow path is configured by performing necessary surface chemical modification or immobilization of an active substance. For example, in the case of a minute synthesis related to a catalytic reaction, a glass substrate is often formed by engraving a concave portion that becomes a minute flow path and attaching another glass substrate to this.

しかしながら、上記マイクロリアクターは、触媒層の均質な担持、流路設計、加工の複雑さ、圧力損失の増大等、改善余地が残されている。   However, the microreactor has room for improvement such as homogeneous loading of the catalyst layer, flow path design, processing complexity, and increased pressure loss.

一方、キャピラリー内空間に、細孔直径0.1〜100μm程度のマクロ細孔よりなる三次元網目状に連続した貫通孔と、細孔径が数nmから数十nmのナノ細孔とを有する二元細孔シリカを形成したロッド状二元細孔溶融石英キャピラリーカラムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。   On the other hand, there are two through-holes that are continuous in a three-dimensional network made of macropores having a pore diameter of about 0.1 to 100 μm and nanopores having a pore diameter of several nanometers to several tens of nanometers. A rod-shaped dual pore fused silica capillary column in which primary pore silica is formed has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

このロッド状の二元細孔シリカを内蔵したキャピラリーカラムは、マクロ細孔よりなる三次元網目状に連続した貫通孔とナノ細孔との二種類の細孔を有する二元細孔構造を有するものである。そして、かかる複雑なマクロ細孔構造と、これに連続するナノ細孔構造を利用して、ガスクロマトグラフや液クロマトグラフ用或いは固相抽出用のカラムとしての用途が示されている。   This capillary column with built-in rod-shaped binary pore silica has a binary pore structure with two types of pores, continuous pores and nanopores, in a three-dimensional network consisting of macropores. It is. And the use as a column for a gas chromatograph, a liquid chromatograph, or a solid phase extraction is shown using such a complicated macropore structure and the nanopore structure which continues to this.

しかし、前記文献には、本発明の対象とする、キャピラリーカラムに触媒金属を担持させマイクロリアクターとして使用する用途については、一切開示されてなく、また、前記三次元網目状に連続したマクロ細孔を有する前記キャピラリーカラムをマイクロリアクターとして使用した場合、複雑なマクロ細孔構造により、圧損が高く、高い反応物流速を達成し難く、これによる反応の高効率化及び高活性化を達成し得る高性能なマイクロリアクターを得ることが困難である。   However, the above-mentioned document does not disclose any use of the present invention as a microreactor in which a catalytic metal is supported on a capillary column, and the three-dimensional network-like macropores are not disclosed. When the above-mentioned capillary column is used as a microreactor, it has high pressure loss due to a complicated macropore structure, it is difficult to achieve a high reactant flow rate, and it is possible to achieve high efficiency and high activation of the reaction. It is difficult to obtain a microreactor.

特開平11−287791号公報JP-A-11-287791

従って、本発明の目的は、従来のマイクロリアクターに比べて、反応域と成る流路の形成が極めて容易で、しかも、高い反応物流速が得られると共に、有効な触媒活性を有する高性能なマイクロリアクターを提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to form a flow path as a reaction zone very easily as compared with a conventional microreactor, to obtain a high flow rate of a reactant, and to provide a high-performance microreactor having an effective catalytic activity. To provide a reactor.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねてきた結果、珪素源、水溶性高分子及び酸触媒よりなるゾル液を、内径10〜1000μmの微細径のキャピラリー中に充填した後、該ゾル液を特定の状態に相分離せしめ、その後、ゲル化を進行させることによって、上記キャピラリー中に、ナノ細孔を有するシリカを、キャピラリーの中心部分に中空貫通孔を有する状態で、得ることに成功した。そして、このような特殊な構造のシリカ(筒状多孔質シリカ)は、高い反応物流速を実現することが可能であり、また、ナノ細孔が存在する筒状多孔質シリカの内壁に触媒金属を担持せしめることによって、かかる流路内で有効な触媒活性を示すことを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have filled a sol solution composed of a silicon source, a water-soluble polymer and an acid catalyst into a capillary with a fine diameter of 10 to 1000 μm. The sol solution is phase-separated into a specific state and then gelled to obtain silica having nanopores in the capillary with a hollow through hole in the center of the capillary. Succeeded. In addition, such a special structure of silica (cylindrical porous silica) can achieve a high reactant flow rate, and the catalyst metal is formed on the inner wall of the cylindrical porous silica in which nanopores exist. As a result, it was found that effective catalytic activity is exhibited in the flow path, and the present invention has been completed.

即ち、本発明は、内径10〜1000μmのキャピラリー内に、珪素源、水溶性高分子及び酸触媒を含むゾル液を充填した後、該ゾル液をキャピラリー中心部に珪素源の濃度が低減した相が形成されるように相分離せしめた後、ゲル化を完了させ、上記ゲルを乾燥、焼成して得られた、ナノ細孔を有する多孔質シリカにより構成された、直径0.1〜100μmの中空貫通孔を有する筒状多孔質シリカの該中空貫通孔の少なくとも内壁表面に触媒金属が担持されていることを特徴とするマイクロリアクターである。
That is, in the present invention, a capillary having an inner diameter of 10 to 1000 μm is filled with a sol solution containing a silicon source, a water-soluble polymer and an acid catalyst, and then the sol solution is reduced to a concentration in which the concentration of the silicon source is reduced in the center of the capillary. After the phase separation so as to be formed, the gelation is completed, and the gel is dried and fired, and is made of porous silica having nanopores and having a diameter of 0.1 to 100 μm. A microreactor characterized in that a catalytic metal is supported on at least the inner wall surface of the hollow through-hole of cylindrical porous silica having a hollow through-hole.

上記本発明において、筒状多孔質シリカはキャピラリー内に形成されてなることが望ましい。   In the present invention, the cylindrical porous silica is preferably formed in a capillary.

また、本発明は、上記マイクロリアクターの製造方法として、内径10〜1000μmのキャピラリー内に、珪素源、水溶性高分子及び酸触媒を含むゾル液を充填した後、該ゾル液をキャピラリー中心部に珪素源の濃度が低減した相が形成されるように相分離せしめた後、ゲル化を完了させ、上記ゲルを乾燥、焼成して筒状多孔質シリカを得、次いで、該筒状多孔質シリカに触媒金属化合物溶液を含浸せしめる製造方法、
及び
内径10〜1000μmのキャピラリー内に、触媒金属を含有する珪素源、水溶性高分子及び酸触媒を含むゾル液を充填した後、該ゾル液をキャピラリー中心部に珪素源の濃度が低減した相が形成されるように相分離せしめた後、ゲル化を完了させ、上記ゲルを乾燥、焼成する製造方法をも提供する。
Further, in the present invention, the microreactor is produced by filling a capillary having an inner diameter of 10 to 1000 μm with a sol solution containing a silicon source, a water-soluble polymer and an acid catalyst, and then placing the sol solution in the center of the capillary. After phase separation is performed so that a phase having a reduced concentration of the silicon source is formed, gelation is completed , the gel is dried and fired to obtain cylindrical porous silica, and then the cylindrical porous silica A method of impregnating a catalyst metal compound solution into
And a capillary having an inner diameter of 10 to 1000 μm filled with a sol solution containing a catalytic metal-containing silicon source, a water-soluble polymer and an acid catalyst, and then the phase of the sol solution in the center of the capillary with a reduced concentration of the silicon source. Further , the present invention also provides a production method in which gelation is completed after the phases are separated so as to form, and the gel is dried and fired .

上記本発明のマイクロリアクターによれば、特徴的な中空貫通孔及びこれに連続するナノ細孔を有する構造を有する筒状多孔質シリカに触媒金属を担持することにより、前記中空貫通孔において高い反応物流速を達成することができ、また、該中空貫通孔の内壁に触媒を担持することで、高性能なマイクロリアクターを構成することが可能となる。   According to the microreactor of the present invention, a catalyst metal is supported on cylindrical porous silica having a structure having a characteristic hollow through-hole and a nanopore continuous therewith, so that a high reaction is achieved in the hollow through-hole. A material flow rate can be achieved, and a high-performance microreactor can be constructed by supporting a catalyst on the inner wall of the hollow through hole.

また、マイクロリアクタープロセスの設計においては、従来のガラス板により流路を形成する方法に比べて、極めて簡易にリアクターを構成することができると共に、キャピラリーの長さの制御により触媒層との有効接触時間を自由に設計でき、しかも、キャピラリー形状のため反応温度制御が容易となるというメリットを有する。   In the design of the microreactor process, the reactor can be configured very easily compared to the conventional method of forming the flow path with a glass plate, and effective contact with the catalyst layer can be achieved by controlling the capillary length. The time can be designed freely, and the reaction temperature can be easily controlled because of the capillary shape.

更に、本発明のマイクロリアクターは、筒状体であるため、異なる触媒金属を担持した複数のマイクロリアクターを直列に接続することにより、逐次反応、分離等、複数の機能を連続して発現すべくマイクロリアクターの集積化およびプロセス構成が可能となる。   Furthermore, since the microreactor of the present invention is a cylindrical body, by connecting a plurality of microreactors carrying different catalytic metals in series, a plurality of functions such as sequential reaction and separation should be expressed continuously. Microreactor integration and process configuration are possible.

更にまた、同種の触媒金属を担持した複数のマイクロリアクターを並列に配置することにより、反応量をも調整することができる。   Furthermore, the reaction amount can be adjusted by arranging a plurality of microreactors carrying the same kind of catalytic metal in parallel.

従って、携帯用燃料電池、コンビナトリアルケミストリー用反応器等のマイクロリアクターを必要とする用途において、極めて有用な発明であるといえる。   Therefore, it can be said that the present invention is extremely useful in applications requiring a microreactor such as a portable fuel cell and a combinatorial chemistry reactor.

本発明のマイクロリアクターは、ナノ細孔を有する多孔質シリカにより構成され、直径0.1〜100μmの中空貫通孔を有する筒状多孔質シリカを触媒金属の担体として使用したことに最大の特徴を有する。   The microreactor of the present invention is composed of porous silica having nanopores, and the greatest feature is that cylindrical porous silica having hollow through-holes with a diameter of 0.1 to 100 μm is used as a catalyst metal support. Have.

上記筒状多孔質シリカの中空貫通孔は、反応物を含む流体の流路として機能すると共に、その内壁に存在するナノ細孔に触媒を担持しているため、良好な反応活性を得ることができる。   The hollow through-hole of the cylindrical porous silica functions as a flow path for a fluid containing a reactant, and a catalyst is supported on nanopores existing on the inner wall of the hollow porous silica, so that a good reaction activity can be obtained. it can.

また、この中空貫通孔は、従来の液相中空キャピラリーカラムや固相中空キャピラリーカラム等の中空キャピラリーカラムに比べて極めて細い径で形成されることが本発明の特徴であり、供給される流体中の原料と触媒の存在する内壁との接触を良好とする。   In addition, the hollow through hole is characterized in that it is formed with an extremely narrow diameter compared to a hollow capillary column such as a conventional liquid phase hollow capillary column or solid phase hollow capillary column. Good contact with the inner wall where the catalyst is present.

本発明において、上記中空貫通孔の直径は、0.1〜100μmの範囲内にあり、望ましくは1〜50μmであり、更に望ましくは5〜50μmの範囲にある。即ち、中空貫通孔の直径が100μmより大きい場合、供給される流体中の原料のショートパス量が増加するなどして、触媒活性が低下するおそれがある。一方、前記中空貫通孔の直径が0.1μmよりも小さい場合は、流体の圧力損失が大きく、現実的ではない。   In the present invention, the diameter of the hollow through hole is in the range of 0.1 to 100 μm, desirably 1 to 50 μm, and more desirably 5 to 50 μm. That is, when the diameter of the hollow through hole is larger than 100 μm, there is a possibility that the catalytic activity may be lowered due to an increase in the short path amount of the raw material in the supplied fluid. On the other hand, when the diameter of the hollow through hole is smaller than 0.1 μm, the pressure loss of the fluid is large, which is not practical.

本発明において、上述の中空貫通孔を形成する筒状多孔質シリカの外径は、特に制限されないが、後述の製造方法における、前記中空貫通孔の形成し易さから、直径10〜1000μm、特に、25〜200μmであることが望ましい。   In the present invention, the outer diameter of the cylindrical porous silica forming the hollow through hole is not particularly limited. However, in the manufacturing method described later, from the ease of forming the hollow through hole, a diameter of 10 to 1000 μm, particularly It is desirable that it is 25-200 micrometers.

尚、本発明において、中空貫通孔の直径は、後述するように、筒状多孔質シリカの断面の電子顕微鏡観察像或いは後述する圧力損失評価法により求めることができる。   In the present invention, the diameter of the hollow through hole can be obtained by an electron microscope observation image of a cross section of the cylindrical porous silica or a pressure loss evaluation method described later, as will be described later.

また、本発明の筒状多孔質シリカの中空貫通孔の内壁には、これに連続する微細なナノ細孔が形成されており、このナノ細孔は、触媒機能を有する物質(触媒金属)を担持させて反応点或いは吸着点として作用する。   Further, on the inner wall of the hollow through-hole of the cylindrical porous silica of the present invention, fine nanopores continuous therewith are formed, and these nanopores are made of a substance having a catalytic function (catalytic metal). It is carried and acts as a reaction point or an adsorption point.

従って、上記ナノ細孔の平均直径は、かかる機能を十分発揮するために、2〜15nmであることが好ましく、特に、2〜10nmが好ましい。即ち、ナノ細孔の平均直径が2nm以下の場合、或いは、15nmを超える場合は、触媒反応マイクロリアクターとして使用する場合に、多孔質シリカ層における反応物質の吸着能が低下し、触媒反応率が低下する傾向にある。   Accordingly, the average diameter of the nanopores is preferably 2 to 15 nm, and particularly preferably 2 to 10 nm, in order to sufficiently exhibit such a function. That is, when the average diameter of the nanopores is 2 nm or less, or exceeds 15 nm, when used as a catalytic reaction microreactor, the adsorption ability of the reactant in the porous silica layer decreases, and the catalytic reaction rate is reduced. It tends to decrease.

尚、上記ナノ細孔の細孔径は、いわゆる窒素吸着法により測定することができる。詳細は、後述の実施例に示した通りである。   The pore diameter of the nanopore can be measured by a so-called nitrogen adsorption method. Details are as shown in the examples described later.

また、本発明において、上記ナノ細孔の容積は、一般に、0.2〜1.5cc/g、望ましくは、0.3〜1.0cc/gが適当である。   In the present invention, the volume of the nanopore is generally 0.2 to 1.5 cc / g, preferably 0.3 to 1.0 cc / g.

図1は、上記筒状多孔質シリカを用いた、本発明のマイクロリアクターの代表的な態様を示す概略図である。   FIG. 1 is a schematic view showing a typical embodiment of a microreactor of the present invention using the above-mentioned cylindrical porous silica.

図に従って説明すれば、本発明のマイクロリアクターは、ナノ細孔を有する多孔質シリカ3により構成され、中空貫通孔2有する上記筒状多孔質シリカ1の中空貫通孔の内壁表面に金属触媒(図示せず)を担持してなる。   If it demonstrates according to a figure, the microreactor of this invention will be comprised by the porous silica 3 which has a nanopore, and a metal catalyst (figure is shown on the inner wall surface of the hollow through-hole of the said cylindrical porous silica 1 which has the hollow through-hole 2 is shown. (Not shown).

本発明において、触媒金属は、多孔質シリカ3によって構成される中空貫通孔2の少なくとも内壁表面に担持される。かかる金属触媒の担持量は、触媒活性、反応の条件等によって異なり、一概に限定されないが、実験によって求めることができる金属触媒の最低量を下限に、また、ナノ細孔を閉塞しない量を上限として適宜決定することができる。また、金属触媒の存在厚みは、多孔質シリカによって構成される内壁の表面のみでもよいが、筒状多孔質シリカの厚みの10%以上の厚みで存在させることが好ましい。勿論、筒状多孔質シリカの全層に存在させることもできる。   In the present invention, the catalyst metal is supported on at least the inner wall surface of the hollow through hole 2 constituted by the porous silica 3. The amount of the metal catalyst supported varies depending on the catalyst activity, reaction conditions, etc., and is not generally limited, but the minimum amount of metal catalyst that can be obtained by experiment is the lower limit, and the amount that does not block the nanopores is the upper limit. As appropriate. The thickness of the metal catalyst may be only the surface of the inner wall made of porous silica, but it is preferably 10% or more of the thickness of the cylindrical porous silica. Of course, it can be present in the entire layer of cylindrical porous silica.

本発明のマイクロリアクターにおいて、金属触媒は、対象とする反応に対して、公知のものを特に制限なく使用することができる。代表的な金属触媒を例示すれば、白金、ロジウム、パラジウム等白金族元素、銅、ニッケルなどが挙げられる。   In the microreactor of the present invention, a known metal catalyst can be used for the intended reaction without particular limitation. Examples of typical metal catalysts include platinum group elements such as platinum, rhodium and palladium, copper and nickel.

また、図において、4はキャピラリーである。かかるキャピラリーは、筒状多孔質シリカを製造時に必要であり、これは筒状多孔質シリカを製造後除去してもよい。しかし、筒状多孔質シリカの取扱時、反応時の強度を維持するために、筒状多孔質シリカより除去せず、キャピラリーによって外面が被覆された構造として取扱うことが好ましい。上記キャピラリーの具体的な説明は、後述の筒状多孔質シリカの製造方法の説明において行う。   In the figure, 4 is a capillary. Such capillaries are necessary when producing cylindrical porous silica, which may be removed after production of the cylindrical porous silica. However, in order to maintain the strength at the time of reaction when handling the cylindrical porous silica, it is preferable to handle it as a structure in which the outer surface is covered with a capillary without being removed from the cylindrical porous silica. The specific description of the capillary will be made in the description of the method for producing cylindrical porous silica described later.

本発明のマイクロリアクターは、直管状に形成された中空貫通孔を有しているため、従来のロッド状二元細孔溶融石英キャピラリーをかかる用途に使用した場合に比べて、抵抗が小さい上、各ロット毎の反応化学種の滞在時間のばらつきが著しく小さく、例えば、複数本を並列に使用する場合、それぞれのマイクロリアクター間での反応率の差などを軽減することもできる。   Since the microreactor of the present invention has a hollow through hole formed in a straight tube shape, the resistance is small as compared with the case where a conventional rod-shaped dual pore fused silica capillary is used for such applications, Variations in residence time of reaction chemical species for each lot are extremely small. For example, when a plurality of reaction chemical species are used in parallel, a difference in reaction rate between the microreactors can be reduced.

本発明において、筒状多孔質シリカの断面形状及び中空貫通孔の断面形状は特段に制限されるものではないが、中空貫通孔の断面形状は円形が望ましく、筒状多孔質シリカの断面形状もこれに対応させて円形とすることが望ましい。このように対応させることで、断面上の周方向に沿って筒状多孔質シリカに一定の厚みを持たせることができ、反応の向上を図ることができる。   In the present invention, the cross-sectional shape of the cylindrical porous silica and the cross-sectional shape of the hollow through-hole are not particularly limited, but the cross-sectional shape of the hollow through-hole is preferably circular, and the cross-sectional shape of the cylindrical porous silica is also It is desirable to make it circular corresponding to this. By making it correspond in this way, a certain thickness can be given to the cylindrical porous silica along the circumferential direction on the cross section, and the reaction can be improved.

尚、上述のとおり中空貫通孔の形状及び筒状多孔質シリカの断面は、用途に応じて様々選択が可能であって、例えば三角、四角若しくはそれ以上の多角形、又は楕円等も選択可能である。   As described above, the shape of the hollow through-hole and the cross section of the cylindrical porous silica can be variously selected depending on the application. For example, a triangle, a square or more polygon, or an ellipse can be selected. is there.

また、筒状多孔質シリカの長さは特に限定されないが、1mm〜50mの範囲内になることが望ましく、特に、リアクターにセッティングする場合は、5mm〜5m、好ましくは、0.5〜4mの範囲内にあることが望ましい。   The length of the cylindrical porous silica is not particularly limited, but is desirably in the range of 1 mm to 50 m. Particularly, when setting in the reactor, 5 mm to 5 m, preferably 0.5 to 4 m. It is desirable to be within the range.

更に、筒状多孔質シリカの肉厚は特に制限されない。マイクロリアクターとしての用途において良好な触媒反応率を発現するためには、一般に0.5〜50μmの範囲内にあることが望ましく、特に望ましくは1〜30μmの範囲内である。   Furthermore, the thickness of the cylindrical porous silica is not particularly limited. In order to develop a good catalytic reaction rate in the use as a microreactor, it is generally desirable to be within the range of 0.5 to 50 μm, and particularly desirably within the range of 1 to 30 μm.

(マイクロリアクターを構成する筒状多孔質シリカの製造方法)
以下、上記筒状多孔質シリカの製造方法について説明する。製造方法は上記筒状多孔質シリカを製造することができる限りにおいて特に限定されないが、代表的には次の方法で製造することができる。
(Method for producing cylindrical porous silica constituting the microreactor)
Hereinafter, the manufacturing method of the said cylindrical porous silica is demonstrated. Although a manufacturing method is not specifically limited as long as the said cylindrical porous silica can be manufactured, Typically, it can manufacture with the following method.

本実施形態に係る製造方法は、内径が10〜1000μmの範囲内にあるキャピラリーの中に、珪素源、水溶性高分子及び酸触媒を含むゾル液を充填した後、ゾル液をキャピラリー中心部に珪素源の濃度が低減した相が形成されるように相分離せしめると共に、ゲル化を進行させることにより好適に製造される。なおここで「キャピラリー中心部」とは、断面における中心部分をいい、例えぱ円形の断面である場合は円の中心点近傍が中心部となる。   In the manufacturing method according to the present embodiment, a capillary having an inner diameter in the range of 10 to 1000 μm is filled with a sol solution containing a silicon source, a water-soluble polymer and an acid catalyst, and then the sol solution is placed in the center of the capillary. It is preferably produced by causing the phase separation so that a phase having a reduced concentration of the silicon source is formed and by allowing gelation to proceed. Here, the “capillary central part” means a central part in the cross section, and in the case of a circular cross section, for example, the vicinity of the center point of the circle is the central part.

上記キャピラリーは、上述した所望の内径を有した管状で、内壁に親水性を有していることが望ましく、この条件を満たすものであれば、公知の材質を特に制限なく使用できる。例えば、溶融石英ガラス管、ソーダガラス管、内面を親水性とした樹脂管、金属管等を使用することができる。なお樹脂管を使用することにより、筒状多孔質シリカを製造した後、この樹脂管を熱分解により除去することでキャピラリーの無い筒状多孔質シリカを得ることが可能である。   The capillary is preferably a tube having a desired inner diameter as described above and has hydrophilicity on the inner wall, and any known material can be used without particular limitation as long as this condition is satisfied. For example, a fused silica glass tube, a soda glass tube, a resin tube having a hydrophilic inner surface, a metal tube, or the like can be used. By using a resin tube, it is possible to obtain a cylindrical porous silica without a capillary by manufacturing the cylindrical porous silica and then removing the resin tube by thermal decomposition.

前記キャピラリーの内壁を親水性とするのは、これにゾル液を供給して相分離を進行させる際、キャピラリー中心部に珪素源の濃度が低減した相が形成されるようにするためである。即ち、ゾル液の組成のうち、親水性に富む珪素源を含む水相部分を管壁側に、珪素源の濃度が低い有機相を管の中心部に相分離させ、これにより中空貫通孔を形成することができる。   The reason why the inner wall of the capillary is made hydrophilic is that when a sol solution is supplied to the capillary to advance phase separation, a phase with a reduced concentration of the silicon source is formed at the center of the capillary. That is, of the composition of the sol solution, the aqueous phase portion containing a silicon source rich in hydrophilicity is phase-separated on the tube wall side, and the organic phase having a low silicon source concentration is phase-separated on the center portion of the tube, thereby forming a hollow through hole Can be formed.

ここで、キャピラリーの内壁に親水性を付与する方法としては公知の方法を採用することができる。例えば、溶融石英、ソーダガラスを材質として使用する場合、その内壁をアルカリ水溶液に晒して表面を親水性とすることが好適である。   Here, a known method can be adopted as a method for imparting hydrophilicity to the inner wall of the capillary. For example, when using fused quartz or soda glass as a material, it is preferable to expose the inner wall to an aqueous alkaline solution to make the surface hydrophilic.

なおキャピラリーにゾル液を充填する方法も、特に制限を受けるものでなく、例えばキャピラリー内を減圧しゾル液を吸入させることにより内径の小さなキャピラリーへも充填させることができ好適である。   The method of filling the capillary with the sol solution is not particularly limited, and for example, it is possible to fill the capillary with a small inner diameter by reducing the pressure in the capillary and sucking the sol solution.

本発明の製造方法において、ゾル液における珪素源としては、メトキシシラン、エトキシシラン等のケイ素アルコキシドや、水ガラスが好適に用いられる。水ガラスは、ケイ酸アルカリ塩の濃厚水溶液であり、その種類や濃度は特に限定されないが、JIS規格の水ガラスである珪酸ナトリウムJIS3号またはそれと同等のものが珪素源として取扱い易い。   In the production method of the present invention, silicon alkoxides such as methoxysilane and ethoxysilane, and water glass are preferably used as the silicon source in the sol solution. Water glass is a concentrated aqueous solution of alkali silicate, and the kind and concentration thereof are not particularly limited. Sodium silicate JIS No. 3 which is a water glass of JIS standard or equivalent is easy to handle as a silicon source.

また、ゾル液における水溶性高分子とは、理論的には適当な濃度の溶液を形成することができる有機高分子であって、珪素源を含有する溶液中において均一に溶解することができるものが好適である。具体的には、高分子金属塩であるポリスチレンスルホン酸のナトリウム塩またはカリウム塩、高分子酸であって解離してポリアニオンとなるポリアクリル酸、高分子塩基であってポリカチオンを生ずるポリアクリルアミンまたはポリエチレンイミン、中性高分子であって主鎖に工一テル結合を持つポリエチレンオキシド、側鎖にヒドロキシル基を有するポリビニルアルコール、もしくはカルボニル基を有するポリビニルピロリドン等である。また特に、取扱いの観点からポリエチレングリコールがより望ましく、その分子量は1000〜100000の範囲内が望ましく、より望ましくは10000〜50000の範囲内である。   The water-soluble polymer in the sol solution is theoretically an organic polymer that can form a solution having an appropriate concentration and can be uniformly dissolved in a solution containing a silicon source. Is preferred. Specifically, sodium or potassium salt of polystyrene sulfonic acid, which is a polymer metal salt, polyacrylic acid which is a polymer acid and dissociates to become a polyanion, and a polyacrylamine which is a polymer base and generates a polycation. Or polyethyleneimine, neutral polymer, polyethylene oxide having a ter bond in the main chain, polyvinyl alcohol having a hydroxyl group in the side chain, or polyvinylpyrrolidone having a carbonyl group. In particular, polyethylene glycol is more desirable from the viewpoint of handling, and its molecular weight is desirably in the range of 1000 to 100,000, and more desirably in the range of 10,000 to 50,000.

また、本発明において、水溶性高分子は、ゾル液を相分離させるために添加されるが、相分離のための添加剤として、かかる水溶性高分子に代えて、界面活性剤を使用することも可能である。但し、この場合、アルコール、ケトン等の極性有機溶媒を併用することが、相分離を安定して行うことができ好ましい。   In the present invention, the water-soluble polymer is added to phase-separate the sol solution, and a surfactant is used as an additive for phase separation instead of the water-soluble polymer. Is also possible. However, in this case, it is preferable to use a polar organic solvent such as alcohol or ketone in order to stably perform the phase separation.

本発明において、ゾル液における酸触媒は、加水分解反応の触媒として働きゲル化を促進するために添加されるものであって、通常硫酸、塩酸、硝酸等の鉱酸または有機酸が使用される。   In the present invention, the acid catalyst in the sol solution serves as a catalyst for the hydrolysis reaction and is added to promote gelation. Usually, mineral acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, or organic acids are used. .

本発明において、ゾル液における珪酸源、水溶性高分子、酸触媒の割合は、シリカリッチ相を形成する相分離が可能であり、且つ、ゲル化が可能な組成であればよいが、一般には、珪酸源の濃度は、SiO換算で10〜200g/L、好ましくは、30〜150g/Lであり、水溶性高分子の濃度は、10〜200g/L、好ましくは、20〜60g/Lが適当である。また、最終的な酸の濃度は、最終溶液1Lあたり0.001〜5モルの範囲内であることが望ましく、より望ましくは、0.1〜5モル、更には、1〜4モルの範囲内である。 In the present invention, the ratio of the silicic acid source, the water-soluble polymer, and the acid catalyst in the sol solution may be any composition that can be phase-separated to form a silica-rich phase and can be gelled. The concentration of the silicic acid source is 10 to 200 g / L, preferably 30 to 150 g / L in terms of SiO 2 , and the concentration of the water-soluble polymer is 10 to 200 g / L, preferably 20 to 60 g / L. Is appropriate. Further, the final acid concentration is desirably within a range of 0.001 to 5 mol per liter of the final solution, more desirably within a range of 0.1 to 5 mol, and further within a range of 1 to 4 mol. It is.

前述のとおりキャピラリー内での相分離は、親水性に富む珪素源を含む水相部分が管壁側に、珪素源の濃度が低い有機相が管の中心部に相分離することによって行われるが、その後ゲル化を進行させ、湿潤ゲルを得る。このように相分離し、ゲル化が完了した後、有機相は焼成により除去することが可能であり、この有機相が除去された部分が中空貫通孔となる。   As described above, the phase separation in the capillary is performed by phase separation of the water phase portion containing the hydrophilic silicon source on the tube wall side and the organic phase having a low concentration of the silicon source at the center portion of the tube. Then, gelation is allowed to proceed to obtain a wet gel. After the phase separation and gelation are completed in this way, the organic phase can be removed by calcination, and the portion from which the organic phase has been removed becomes a hollow through hole.

上記ゲル化を進行させる代表的方法としては、相分離後のゾル液を0〜80℃の範囲内、より望ましくは20〜70℃の範囲内で10分〜1週間放置することが望ましく、より望ましくは上記いずれかの温度範囲内で1時間〜24時間の範囲内で放置することである。   As a typical method for proceeding with the gelation, it is desirable to leave the sol solution after phase separation in the range of 0 to 80 ° C., more preferably in the range of 20 to 70 ° C. for 10 minutes to 1 week, Desirably, it is allowed to stand in the range of 1 to 24 hours within any of the above temperature ranges.

尚、ゲル化は一般に相分離の際に同時に進行するため、筒状多孔質シリカを得る際には、予め実験を行い、所望の前記中空貫通孔が相分離によって形成されるまでにゲル化が完了しないように、前記温度、放置する時間を決定することが好ましい。   Since gelation generally proceeds simultaneously during phase separation, when obtaining cylindrical porous silica, experiments are performed in advance, and gelation occurs until the desired hollow through-hole is formed by phase separation. It is preferable to determine the temperature and the standing time so as not to be completed.

前述の筒状多孔質シリカの製造方法において、中空貫通孔の直径は、主として、使用するキャピラリーの内径、ゾル液中の珪素源の濃度、相分離の完了までの時間などによって調整することができる。   In the above-described method for producing cylindrical porous silica, the diameter of the hollow through-hole can be adjusted mainly by the inner diameter of the capillary used, the concentration of the silicon source in the sol, the time until completion of phase separation, etc. .

上記のようにして得られたゲルは、30〜80℃の範囲内で数時間〜数十時間の範囲内で放置して乾燥させる。乾燥後、有機物を除去するために焼成するが、焼成温度の範囲としては100〜1100℃が望ましく、より望ましくは2000〜700℃の範囲内である。なお、珪素源として水ガラスを用いた場合は、製造された湿潤ゲルを乾燥させる前に洗浄することが極めて望ましい。これは、水ガラスからの湿潤ゲルをそのまま乾燥させると乾燥が進むにつれてゲルの崩壊が進むためである。従って、この場合乾燥の前に湿潤ゲル内のナトリウム等のアルカリ金属を除去するために洗浄を行い、アルカリ金属塩として取り除いておくことが極めて望ましい。   The gel obtained as described above is allowed to dry within a range of several hours to several tens of hours within a range of 30 to 80 ° C. After drying, the mixture is baked to remove organic substances. The range of the baking temperature is preferably 100 to 1100 ° C, more preferably 2000 to 700 ° C. In the case where water glass is used as the silicon source, it is highly desirable to wash the produced wet gel before drying it. This is because when the wet gel from the water glass is dried as it is, the gel collapses as the drying proceeds. Therefore, in this case, it is highly desirable to perform washing to remove alkali metal such as sodium in the wet gel before drying, and remove it as an alkali metal salt.

上記方法により得た筒状多孔質シリカは、更に、塩基性水溶液中で熟成させることで細孔直径を制御することが極めて望ましい。熟成は0.01〜10規定のアルカリ溶液中で0〜80℃の温度で行うことが望ましいが、これら熟成条件は所望の細孔直径となるよう適宜選択することが可能である。   It is highly desirable to control the pore diameter of the cylindrical porous silica obtained by the above method by further aging in a basic aqueous solution. The aging is desirably performed at a temperature of 0 to 80 ° C. in an alkaline solution of 0.01 to 10 N, but these aging conditions can be appropriately selected so as to obtain a desired pore diameter.

本発明において、筒状多孔質シリカに触媒金属を担持してマイクロリアクターを得る方法は、特に制限されるものではないが、既に知られている種々の担持方法を適用することができる。例えば、前記筒状多孔質シリカの製造時、原料珪素源に予め触媒金属化合物を存在させる方法、触媒金属化合物を溶かした溶液を筒状多孔質シリカに含浸させる含浸法が好適に用いられる。   In the present invention, the method for obtaining a microreactor by loading a catalyst metal on cylindrical porous silica is not particularly limited, but various known loading methods can be applied. For example, at the time of producing the cylindrical porous silica, a method in which a catalytic metal compound is previously present in the raw silicon source, and an impregnation method in which the cylindrical porous silica is impregnated with a solution in which the catalytic metal compound is dissolved are preferably used.

上記触媒金属化合物としては、触媒金属、例えば、白金、ロジウム、パラジウム等白金族元素、および銅、ニッケル等の硝酸塩および塩化物等が挙げられる。   Examples of the catalytic metal compound include catalytic metals, for example, platinum group elements such as platinum, rhodium and palladium, and nitrates and chlorides such as copper and nickel.

前記方法のうち、筒状多孔質シリカの製造時、原料珪素源に予め触媒金属化合物を存在させる方法において、触媒金属化合物は珪酸源と共に水系で混合しておくことが好ましい。また、筒状多孔質シリカを得るための他の条件は、前述の方法が同様に適用される。   Among the methods described above, in the method in which the catalyst metal compound is previously present in the raw silicon source during the production of the cylindrical porous silica, the catalyst metal compound is preferably mixed in an aqueous system together with the silicic acid source. Moreover, the above-mentioned method is similarly applied to other conditions for obtaining cylindrical porous silica.

一方、含浸法において、含浸のための溶液は、触媒金属化合物を溶媒に溶解した溶液の状態で筒状多孔質シリカに含浸させる方法が好ましい。かかる溶媒としては、例えば水、アルコール等の極性溶媒が用いられるが、特に水が好適である。   On the other hand, in the impregnation method, the impregnation solution is preferably a method in which cylindrical porous silica is impregnated in a solution state in which a catalytic metal compound is dissolved in a solvent. As the solvent, for example, a polar solvent such as water or alcohol is used, and water is particularly preferable.

また、必要に応じて前記該含浸法に用いる溶液にカルボン酸化合物を添加することもできる。   Moreover, a carboxylic acid compound can also be added to the solution used for the impregnation method as necessary.

カルボン酸化合物は特に限定されるものではないが、クエン酸、乳酸が好適に用いられ、特に乳酸を用いて製造される触媒金属触媒は、高い活性を示す。この理由は、明らかではないが、触媒を製造する際の乾燥工程において触媒金属の塩の結晶化による凝集の抑止、あるいは焼成時に有機物分解の急激な反応がないため触媒金属の凝集が抑制されることによるものと考えられる。   The carboxylic acid compound is not particularly limited, but citric acid and lactic acid are preferably used. In particular, a catalytic metal catalyst produced using lactic acid exhibits high activity. The reason for this is not clear, but the agglomeration of the catalyst metal is suppressed since there is no agglomeration due to crystallization of the salt of the catalyst metal in the drying step when the catalyst is produced, or there is no rapid reaction of organic matter decomposition during the firing. This is probably due to this.

該含浸法に用いる溶液における触媒金属化合物、溶媒の配合割合は特に限定されず所望の触媒金属担持量となるように適宜決定することができるが、沈殿物等を生じない均一な溶液を得ることが必要である。カルボン酸化合物を添加する場合、沈殿物等を生じない均一な溶液を得られること、及び触媒活性向上の観点から触媒金属化合物/カルボン酸化合物の量比はモル比で0.1〜5の範囲が好ましい。   The mixing ratio of the catalyst metal compound and the solvent in the solution used for the impregnation method is not particularly limited and can be appropriately determined so as to obtain a desired amount of the catalyst metal supported, but a uniform solution that does not cause precipitation or the like is obtained. is required. When the carboxylic acid compound is added, a homogeneous solution that does not cause precipitation or the like can be obtained, and the catalytic metal compound / carboxylic acid compound amount ratio is in the range of 0.1 to 5 in terms of improving the catalytic activity. Is preferred.

該筒状多孔質シリカに含浸法により触媒金属を担持するには、前述の溶液を二元細孔シリカに含浸させればよいが、担持効率を上げるために減圧下で脱気することもできる。また、低い触媒金属濃度を有する溶液を用いて、含浸と乾燥を複数回繰り返すこともできる。   In order to support the catalyst metal on the cylindrical porous silica by the impregnation method, the above-mentioned solution may be impregnated in the dual pore silica. However, in order to increase the supporting efficiency, degassing can also be performed. . Moreover, impregnation and drying can be repeated a plurality of times using a solution having a low catalyst metal concentration.

含浸後の筒状多孔質シリカは、化合物、溶媒等を細孔中に含むため、熱処理により溶媒揮発、有機物を分解すればよい。   Since the cylindrical porous silica after impregnation contains a compound, a solvent and the like in the pores, the solvent may be volatilized and the organic substance may be decomposed by heat treatment.

かかる熱処理は、通常300〜1,000℃の範囲であり、シリカの比表面積を低減しない500〜800℃の範囲が好ましい。熱処理時の雰囲気は、有機物分解を促進するため酸素ガス中あるいは空気中が好ましい。該熱処理により、触媒金属化合物は酸化され、触媒金属酸化物/SiOが得られる。 Such heat treatment is usually in the range of 300 to 1,000 ° C., preferably in the range of 500 to 800 ° C. that does not reduce the specific surface area of silica. The atmosphere during the heat treatment is preferably in oxygen gas or air in order to promote organic matter decomposition. By the heat treatment, the catalytic metal compound is oxidized to obtain catalytic metal oxide / SiO 2 .

本発明のマイクロリアクターの製造方法において、触媒金属を得るため、該触媒金属酸化物/SiOは水素気流下で熱処理されて触媒金属酸化物を触媒金属に還元する。上記水素気流下での熱処理における水素流量、熱処理温度は特に限定されず、該触媒金属酸化物/SiOの処理量等を勘案して適宜決定される。 In the method for producing a microreactor of the present invention, in order to obtain a catalyst metal, the catalyst metal oxide / SiO 2 is heat-treated under a hydrogen stream to reduce the catalyst metal oxide to a catalyst metal. The hydrogen flow rate and heat treatment temperature in the heat treatment under the hydrogen stream are not particularly limited, and are appropriately determined in consideration of the amount of the catalyst metal oxide / SiO 2 treatment.

図2は、本発明のマイクロリアクターを組み込んだ簡単な反応装置の一例を示す。図2において、筒状多孔質シリカに触媒金属を担持したマイクロリアクター5は、必要に応じて、ヒーター8により加熱されると共に、1種以上の反応原料7がラインより供給される。反応原料は、マイクロリアクターの中空貫通孔にて反応後、ラインによりタンク6に戻され、その一部が製品9として取り出され、必要に応じて精製される。   FIG. 2 shows an example of a simple reaction apparatus incorporating the microreactor of the present invention. In FIG. 2, a microreactor 5 in which a catalytic metal is supported on cylindrical porous silica is heated by a heater 8 as needed, and one or more kinds of reaction raw materials 7 are supplied from a line. The reaction raw material is reacted in the hollow through-hole of the microreactor and then returned to the tank 6 by a line. A part of the reaction raw material is taken out as a product 9 and purified as necessary.

以下、実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

(銅担持量の測定)
筒状多孔質シリカの銅担持量は、エネルギー分散型蛍光X線分析法(島津製作所EDX−900HS)により、CuO含有量として測定した。
(Measurement of copper loading)
The amount of copper supported on the cylindrical porous silica was measured as CuO content by energy dispersive X-ray fluorescence analysis (Shimadzu EDX-900HS).

(圧力損失評価)
筒状多孔質シリカの圧力損失評価は、中空貫通孔が形成された筒状多孔質シリカをキャピラリーから取り外すこと無く、20mmの長さに切断したものを測定試料とした。前記中空貫通孔に圧縮空気を流すことによる生じる中空貫通孔を通過前後の圧力差を差圧計により、また、通過後の圧縮空気の流量を流量計により測定した。
(Pressure loss evaluation)
For the evaluation of pressure loss of the cylindrical porous silica, the cylindrical porous silica in which the hollow through-holes were formed was cut into a length of 20 mm without removing it from the capillary. The pressure difference before and after passing through the hollow through hole caused by flowing compressed air through the hollow through hole was measured with a differential pressure gauge, and the flow rate of the compressed air after passing through the hollow through hole was measured with a flow meter.

測定した流量と単位長さ当たりの圧力損失をプロットし、Hargen−Poiseuilleの計算式により筒状多孔質シリカの中空貫通孔の直径を求めた。   The measured flow rate and the pressure loss per unit length were plotted, and the diameter of the hollow through-hole of the cylindrical porous silica was determined by the Hargen-Poiseille calculation formula.

Hargen−Poiseuille式:△P/L=32μu/D
(μ:空気の粘度=1.81×10−5),u:流速,D:中空貫通孔の直径
u=Q/(π(D/2))であるから△P/L=(128μ/πD)・Qとあらわせ、流量と単位長さあたりの圧力損失のプロットから得られる傾きがこの式の中カッコであり、D=(128μ/π(傾き))1/4から中空貫通孔の直径Dが求まる。
Hargen-Poiseillele equation: ΔP / L = 32 μu / D 2
(Μ: viscosity of air = 1.81 × 10 −5 ), u: flow velocity, D: diameter of hollow through hole u = Q / (π (D / 2) 2 ), so ΔP / L = (128 μ / ΠD 4 ) · Q, the slope obtained from the plot of flow rate and pressure loss per unit length is the braces in this formula, and D = (128μ / π (slope)) 1/4 to hollow through hole Is obtained.

(細孔径分布の測定)
細孔径分布は、ASAP2000により得られた液体窒素温度(−195.78℃)での窒素の脱離等温線からDollimore−Heal法を用いて計算した。また、平均細孔径は、上記分布の平均値として求めた。
(Measurement of pore size distribution)
The pore size distribution was calculated from the desorption isotherm of nitrogen at the liquid nitrogen temperature (-195.78 ° C.) obtained by ASAP2000 using the Dollimore-Heal method. Moreover, the average pore diameter was calculated | required as an average value of the said distribution.

尚、使用した試料の量は約0.02gであり、測定前に300℃で1時間真空乾燥処理をしてから用いた。また、比表面積は吸着等温線よりBET法を用いて計算し、細孔容積は0.95<P/Po<1.0での窒素の吸着量より求めた。   The amount of the sample used was about 0.02 g, which was used after vacuum drying at 300 ° C. for 1 hour before measurement. The specific surface area was calculated from the adsorption isotherm using the BET method, and the pore volume was determined from the amount of nitrogen adsorbed when 0.95 <P / Po <1.0.

(触媒活性評価)
本実施形態に係るマイクロリアクターの触媒性能を調べるためにFIDガスクロマトグラフィー(島津製作所社製、GC−14B)を用い、下記反応におけるプロパンへの転化率を測定した。
(Catalyst activity evaluation)
In order to investigate the catalyst performance of the microreactor according to this embodiment, FID gas chromatography (manufactured by Shimadzu Corporation, GC-14B) was used to measure the conversion rate to propane in the following reaction.

+ H → C
※ FIDガスクロマトグラフィー(島津製作所社製、GC−14B)
・分離カラム J.Ceram.Soc.Japan,113(2005)634−636.に記載の方法と同様にして作製されたものを使用し、その長さは、プロパンとプロピレンの分離が可能な長さである2mとした。
C 3 H 6 + H 2 → C 3 H 8
* FID gas chromatography (manufactured by Shimadzu Corporation, GC-14B)
-Separation column Ceram. Soc. Japan, 113 (2005) 634-636. 1 was used, and the length was 2 m, which is a length capable of separating propane and propylene.

・キャリアガス H(20kPa)
・分離カラム温度 室温
ガスクロマトグラフィーの分析結果はパソコンによりモニターし、専用ソフト(Graph Analyzer)を用いて、ピーク面積、半値幅を求めた。また、FIDガスクロマトグラフィーにおいてピーク面積は専用のインテグレーター(島津社製C−R6A Chromatopac)により測定した。
プロパンへの転化率(%)=(消費プロピレン)/(供給プロピレン)×100
実施例1
市販の溶融石英キャピラリー(0.100mm(内径)×0.200mm(外径)、1m(長さ)、ジーエルサイエンス製)を用い、該キャピラリー内表面のSiOをSi−OHにするため、アスピレーターを用いて1NのNaOH水溶液を溶融石英キャピラリーの内部に入れ、50℃で1日熟成させた。
・ Carrier gas H 2 (20 kPa)
-Separation column temperature Room temperature The analysis results of gas chromatography were monitored by a personal computer, and the peak area and the half-value width were determined using dedicated software (Graph Analyzer). In FID gas chromatography, the peak area was measured by a dedicated integrator (C-R6A Chromatopac manufactured by Shimadzu Corporation).
Conversion to propane (%) = (Propylene consumed) / (Propylene supplied) × 100
Example 1
A commercially available fused silica capillary (0.100 mm (inner diameter) × 0.200 mm (outer diameter), 1 m (length), manufactured by GL Sciences)) was used to change the SiO 2 on the inner surface of the capillary to Si—OH. 1N NaOH aqueous solution was put into a fused silica capillary and aged at 50 ° C. for 1 day.

その後内部を水で洗浄した。水12g、濃硝酸1.22gを入れその後、平均分子量20000のポリエチレングリコール(以下PEGと呼ぶ)1.0gを攪拌しながら加え溶かした。さらに該水溶液に硝酸銅三水和物0.48g(銅添加量はCuOとして5.2重量%)を加え溶かした。その後10gのテトラエトキシシラン(以下TEOSと呼ぶ)を加え、フタをして均一になるまで約10分間室温で攪拌した。   Thereafter, the inside was washed with water. 12 g of water and 1.22 g of concentrated nitric acid were added, and then 1.0 g of polyethylene glycol (hereinafter referred to as PEG) having an average molecular weight of 20000 was added and dissolved while stirring. Further, 0.48 g of copper nitrate trihydrate (the amount of copper added was 5.2% by weight as CuO) was dissolved in the aqueous solution. Thereafter, 10 g of tetraethoxysilane (hereinafter referred to as TEOS) was added, and the mixture was covered and stirred at room temperature for about 10 minutes until uniform.

得られた透明ゾルをアスピレーターで15分間吸引し気泡を取り除いた。気泡を取り除いたゾルをアスピレーターで溶融石英キャピラリー内に導入した。溶融石英キャピラリーの両末端をシリコン栓で、プラスチックケースをビニールテープで密閉し、温度50℃で24時間静置してゲル化させた。   The obtained transparent sol was sucked with an aspirator for 15 minutes to remove bubbles. The sol from which bubbles were removed was introduced into a fused silica capillary by an aspirator. Both ends of the fused silica capillary were sealed with silicon stoppers, and the plastic case was sealed with vinyl tape, and allowed to stand at a temperature of 50 ° C. for 24 hours for gelation.

得られた湿潤ゲルをキャピラリー内に存在させたまま、50℃で1週間乾燥させた。上記乾燥後300℃で1時間焼成した。   The obtained wet gel was dried at 50 ° C. for 1 week while remaining in the capillary. After the drying, baking was performed at 300 ° C. for 1 hour.

上記方法により得られた溶融石英キャピラリーの内壁には、多孔質シリカが約26μmの厚みで均一に存在し、筒状シリカを構成していることを電子顕微鏡で確認した。   It was confirmed with an electron microscope that porous silica was uniformly present at a thickness of about 26 μm on the inner wall of the fused silica capillary obtained by the above method and constituted cylindrical silica.

このようにして得られた、筒状多孔質シリカよりなるマイクロリアクターの圧力損失評価により求めた中空貫通孔の直径は、50μmであった。   The diameter of the hollow through-hole obtained by the pressure loss evaluation of the microreactor made of cylindrical porous silica thus obtained was 50 μm.

得られたマイクロリアクターの、空気流量5×10−2cm/sでの該圧力損失値は5MPa/mであり、従来の粒子充填タイプのキャピラリーや二元細孔シリカを充填したキャピラリーの圧力損失値レベルの20MPa/mよりも低圧力損失である。
また、多孔質シリカのナノ細孔は、窒素吸着法により測定したところ、比表面積695m/g、細孔容積0.40cm/gであり、これより、平均細孔直径が2.3nmであることを確認した。なお本実施例において作成されたマイクロリアクターの筒状多孔質シリカ断面を図3に示す。
また、得られたマイクロリアクターの筒状多孔質シリカの銅の担持量を蛍光X線分析により測定した結果、CuOとして6.0重量%であった。同様に、添加硝酸銅三水和物量0.96g(銅添加量はCuOとして9.9重量%)の場合、銅担持量は10.1重量%、添加硝酸銅三水和物量1.55g(銅添加量はCuOとして15.0重量%)の場合、銅担持量は15.0重量%、添加硝酸銅三水和物量2.19g(銅添加量はCuOとして19.9重量%)の場合、銅担持量は19.9重量%であった。
The pressure loss value of the obtained microreactor at an air flow rate of 5 × 10 −2 cm 3 / s is 5 MPa / m, and the pressure of a conventional particle-filled capillary or a capillary filled with dual-pore silica is used. The pressure loss is lower than the loss value level of 20 MPa / m.
Further, the nanopores of the porous silica were measured by a nitrogen adsorption method, and had a specific surface area of 695 m 2 / g and a pore volume of 0.40 cm 3 / g. From this, the average pore diameter was 2.3 nm. I confirmed that there was. FIG. 3 shows a cross section of the cylindrical porous silica of the microreactor prepared in this example.
Moreover, as a result of measuring the amount of copper supported on the cylindrical porous silica of the obtained microreactor by fluorescent X-ray analysis, it was 6.0% by weight as CuO. Similarly, when the amount of added copper nitrate trihydrate is 0.96 g (copper addition amount is 9.9% by weight as CuO), the amount of supported copper is 10.1% by weight and the amount of added copper nitrate trihydrate is 1.55 g ( When the amount of copper added is 15.0% by weight as CuO), the amount of copper supported is 15.0% by weight, the amount of added copper nitrate trihydrate is 2.19g (the amount of copper added is 19.9% by weight as CuO) The amount of copper supported was 19.9% by weight.

また、元素分布表示電子顕微鏡の観察により、触媒を構成する銅元素が筒状多孔質シリカの全層に亘って存在することが確認された。これにより、キャピラリー内壁のシリカゲル層に銅がほぼ均一に導入されていることがわかる。   Moreover, it was confirmed by the observation of an element distribution display electron microscope that the copper element which comprises a catalyst exists over the whole layer of cylindrical porous silica. Thus, it can be seen that copper is almost uniformly introduced into the silica gel layer on the inner wall of the capillary.

作成した4種のマイクロリアクターを、予め水素により、水素流量30cm/min、300℃の温度で1時間還元した後、該マイクロリアクターをアダプターによりシリカゲルの分離カラムと接続し、水素をキャリアとし、FID−GCを用いて、反応温度を50℃から300℃まで変化させ、プロピレンの水素化によるプロパンへの転化率を測定した。 The prepared four types of microreactors were reduced in advance with hydrogen at a hydrogen flow rate of 30 cm 3 / min at a temperature of 300 ° C. for 1 hour, and then the microreactor was connected to a silica gel separation column with an adapter, using hydrogen as a carrier, Using FID-GC, the reaction temperature was changed from 50 ° C. to 300 ° C., and the conversion rate to propane by hydrogenation of propylene was measured.

上記反応において、銅担持量10.1%での主要な温度におけるクロマトグラムを図4〜9に示す。各銅担持量において、クロマトグラム測定結果から求められた転化率の反応温度依存性を図10に示す。いずれの銅担持量の場合も、転化率は反応温度があがるとともに増加し、銅担持量が15重量%以上であれば、反応温度150℃から200℃付近で転化率100%となる。これらの結果により、該マイクロリアクターの高い触媒活性を確認できた。
実施例2
実施例1と同じキャピラリーに同様な前処理を施し、その後キャピラリー内部を水で洗浄した。一方、容器に水12g、濃硝酸1.22gを入れその後、平均分子量20000のPEG1.0gを攪拌しながら加え溶かした。その後10gのTEOSを加え、フタをして均一になるまで約10分間室温で攪拌した。
In the above reaction, chromatograms at main temperatures at a copper loading of 10.1% are shown in FIGS. FIG. 10 shows the reaction temperature dependence of the conversion rate determined from the chromatogram measurement results at each copper loading. In any case of copper loading, the conversion rate increases as the reaction temperature increases. If the copper loading amount is 15% by weight or more, the conversion rate becomes 100% at a reaction temperature of 150 to 200 ° C. These results confirmed the high catalytic activity of the microreactor.
Example 2
The same capillary as in Example 1 was subjected to the same pretreatment, and then the inside of the capillary was washed with water. On the other hand, 12 g of water and 1.22 g of concentrated nitric acid were put in a container, and then 1.0 g of PEG having an average molecular weight of 20000 was added and dissolved while stirring. Thereafter, 10 g of TEOS was added, and the mixture was covered and stirred for about 10 minutes at room temperature until uniform.

得られた透明ゾルをアスピレーターで15分間吸引し気泡を取り除いた。気泡を取り除いたゾルをアスピレーターで溶融石英キャピラリー内に導入した。溶融石英キャピラリーの両末端をシリコン栓で、プラスチックケースをビニールテープで密閉し、24時間50℃で静置してゲル化させた。   The obtained transparent sol was sucked with an aspirator for 15 minutes to remove bubbles. The sol from which bubbles were removed was introduced into a fused silica capillary by an aspirator. Both ends of the fused silica capillary were sealed with silicon stoppers, the plastic case was sealed with vinyl tape, and allowed to stand at 50 ° C. for 24 hours for gelation.

得られた湿潤ゲルを50℃で1週間乾燥させた。マイクロリアクターに用いるキャピラリーは乾燥後300℃で8時間焼成した。溶融石英キャピラリー内壁にシリカゲル層が約24μmの厚みで均一に存在し、筒状シリカを構成していることを電子顕微鏡で確認した。   The obtained wet gel was dried at 50 ° C. for 1 week. Capillaries used in the microreactor were baked at 300 ° C. for 8 hours after drying. It was confirmed with an electron microscope that a silica gel layer was uniformly present at a thickness of about 24 μm on the inner wall of the fused silica capillary and constituted cylindrical silica.

このようにして得られた、筒状多孔質シリカよりなるマイクロリアクターの圧力損失評価により求めた中空貫通孔の直径は、50μmであった。   The diameter of the hollow through-hole obtained by the pressure loss evaluation of the microreactor made of cylindrical porous silica thus obtained was 50 μm.

多孔質シリカのナノ細孔は、窒素吸着法により測定したところ、比表面積703m/g、細孔容積0.40cm/gであり、これより、平均細孔直径が2.2nmであることを確認した。 The nanopores of the porous silica, as measured by the nitrogen adsorption method, have a specific surface area of 703 m 2 / g and a pore volume of 0.40 cm 3 / g. From this, the average pore diameter is 2.2 nm. It was confirmed.

予め調製した、硝酸銅三水和物1.75g、水22.68g、硝酸銅三水和物と等モル量の乳酸0.65gからなる含浸溶液を、アスピレーターで15分間吸引し気泡を取り除いた。気泡を取り除いた該含浸溶液をアスピレーターで溶融石英キャピラリー内に導入した。この含浸操作を3回行った後、300℃で1時間焼成した。その後、水素流量30cm/min、温度300℃にて、水素還元処理を1時間行い、マイクロリアクターを作成した。 A pre-prepared impregnation solution consisting of 1.75 g of copper nitrate trihydrate, 22.68 g of water, and 0.65 g of lactic acid in an equimolar amount with copper nitrate trihydrate was sucked with an aspirator for 15 minutes to remove bubbles. . The impregnation solution from which bubbles were removed was introduced into the fused silica capillary by an aspirator. This impregnation operation was performed three times, and then calcined at 300 ° C. for 1 hour. Thereafter, a hydrogen reduction treatment was performed for 1 hour at a hydrogen flow rate of 30 cm 3 / min and a temperature of 300 ° C. to produce a microreactor.

得られたマイクロリアクターの筒状多孔質シリカの銅担持量を蛍光X線分析により測定した結果、CuOとして20.3重量%(銅添加量はCuOとして19.8重量%)であった。   As a result of measuring the amount of copper supported on the cylindrical porous silica of the obtained microreactor by fluorescent X-ray analysis, it was 20.3% by weight as CuO (the amount of copper added was 19.8% by weight as CuO).

該マイクロリアクターをアダプターによりシリカゲルの分離カラムと接続し、水素をキャリアとし、FID−GCを用いて、反応温度200℃にてプロピレンの水素化によるプロパンへの転化率を測定した結果、転化率は100%であった。   As a result of measuring the conversion rate to propane by hydrogenation of propylene at a reaction temperature of 200 ° C. using FID-GC, the microreactor was connected to a silica gel separation column with an adapter, and the conversion rate was 100%.

比較例1
実施例2において、触媒金属を担持しなかった以外は、同様にして、プロピレンの水素化によるプロパンへの転化率を測定した結果、転化率は0%であった。
Comparative Example 1
In Example 2, the conversion rate to propane by hydrogenation of propylene was measured in the same manner except that no catalyst metal was supported. As a result, the conversion rate was 0%.

本発明にかかるマイクロリアクターの概略図Schematic of the microreactor according to the present invention マイクロリアクターを使用したプロセスの概略図Schematic diagram of process using microreactor マイクロリアクター断面の銅の分布を示す電子顕微鏡写真Electron micrograph showing copper distribution in the microreactor cross section 銅担持量10.1%での温度60℃におけるプロピレンの水素化反応のクロマトグラムChromatogram of propylene hydrogenation reaction at a temperature of 60 ° C. with a copper loading of 10.1%. 銅担持量10.1%での温度80℃におけるプロピレンの水素化反応のクロマトグラムChromatogram of propylene hydrogenation at 80 ° C with 10.1% copper loading. 銅担持量10.1%での温度100℃におけるプロピレンの水素化反応のクロマトグラムChromatogram of propylene hydrogenation reaction at a temperature of 100 ° C. with a copper loading of 10.1%. 銅担持量10.1%での温度150℃におけるプロピレンの水素化反応のクロマトグラムChromatogram of propylene hydrogenation reaction at a temperature of 150 ° C. with a copper loading of 10.1%. 銅担持量10.1%での温度200℃におけるプロピレンの水素化反応のクロマトグラムChromatogram of propylene hydrogenation reaction at a temperature of 200 ° C. with a copper loading of 10.1%. 銅担持量10.1%での温度300℃におけるプロピレンの水素化反応のクロマトグラムChromatogram of propylene hydrogenation reaction at a temperature of 300 ° C. with a copper loading of 10.1%. 各銅担持量についてのプロパンへの転化率の反応温度依存性Reaction temperature dependence of conversion to propane for each copper loading

符号の説明Explanation of symbols

1 筒状多孔質シリカ
2 中空貫通孔
3 多孔質シリカ
4 キャピラリー
5 マイクロリアクター
6 タンク
7 反応原料
8 ヒーター
9 製品
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylindrical porous silica 2 Hollow through-hole 3 Porous silica 4 Capillary 5 Microreactor 6 Tank 7 Reaction raw material 8 Heater 9 Product

Claims (4)

内径10〜1000μmのキャピラリー内に、珪素源、水溶性高分子及び酸触媒を含むゾル液を充填した後、該ゾル液をキャピラリー中心部に珪素源の濃度が低減した相が形成されるように相分離せしめた後、ゲル化を完了させ、上記ゲルを乾燥、焼成して得られた、ナノ細孔を有する多孔質シリカにより構成された、直径0.1〜100μmの中空貫通孔を有する筒状多孔質シリカの該中空貫通孔の少なくとも内壁表面に触媒金属が担持されていることを特徴とするマイクロリアクター。 After filling a sol solution containing a silicon source, a water-soluble polymer and an acid catalyst into a capillary having an inner diameter of 10 to 1000 μm, a phase in which the concentration of the silicon source is reduced is formed in the center of the capillary. Cylinder having hollow through-holes with a diameter of 0.1 to 100 μm made of porous silica having nanopores, obtained by completing gelation, drying and baking the gel after phase separation A catalytic reactor is supported on at least the inner wall surface of the hollow through-hole of the porous silica. 前記キャピラリーの内壁が親水性を有する請求項1記載のマイクロリアクター。   The microreactor according to claim 1, wherein the inner wall of the capillary has hydrophilicity. 内径10〜1000μmのキャピラリー内に、珪素源、水溶性高分子及び酸触媒を含むゾル液を充填した後、該ゾル液をキャピラリー中心部に珪素源の濃度が低減した相が形成されるように相分離せしめた後、ゲル化を完了させ、上記ゲルを乾燥、焼成して筒状多孔質シリカを得、次いで、該筒状多孔質シリカに触媒金属化合物溶液を含浸せしめることを特徴とする請求項1又は2記載のマイクロリアクターの製造方法。 After filling a sol solution containing a silicon source, a water-soluble polymer and an acid catalyst into a capillary having an inner diameter of 10 to 1000 μm, a phase in which the concentration of the silicon source is reduced is formed in the center of the capillary. After the phase separation, gelation is completed , the gel is dried and calcined to obtain cylindrical porous silica, and then the cylindrical porous silica is impregnated with a catalytic metal compound solution. Item 3. A method for producing a microreactor according to Item 1 or 2. 内径10〜1000μmのキャピラリー内に、触媒金属を含有する珪素源、水溶性高分子及び酸触媒を含むゾル液を充填した後、該ゾル液をキャピラリー中心部に珪素源の濃度が低減した相が形成されるように相分離せしめた後、ゲル化を完了させ、上記ゲルを乾燥、焼成することを特徴とする請求項1又は2記載のマイクロリアクターの製造方法。 After a capillary having an inner diameter of 10 to 1000 μm is filled with a sol solution containing a catalyst metal-containing silicon source, a water-soluble polymer and an acid catalyst, the sol solution has a phase in which the concentration of the silicon source is reduced at the center of the capillary. after allowed phase separation so as to form, to complete the gelation, drying the gel, the manufacturing method according to claim 1 or 2, wherein the microreactor is characterized that you fired.
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