JP7725862B2 - Catalyst for converting pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics and method for producing lower hydrocarbons using the same - Google Patents
Catalyst for converting pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics and method for producing lower hydrocarbons using the sameInfo
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Description
本発明は、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物の有用物への転換を可能とする熱分解生成物転換触媒、特に炭化水素系プラスチックの熱分解生成物の主要成分である炭素数(以下、Cと記す場合がある)1~30のパラフィン、オレフィン、ジオレフィン等からなる脂肪族炭化水素を石油化学製品として有用な炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素等に高効率でバランスよく安定的に転換することを可能とする炭化水素系プラスチックの熱分解生成物転換触媒及びそれを用いた低級炭化水素の製造方法に関する。 The present invention relates to a catalyst for converting pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics into useful products, particularly a catalyst for converting aliphatic hydrocarbons, such as paraffins, olefins, and diolefins with 1 to 30 carbon atoms (hereinafter sometimes referred to as C), which are the main components of the pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics, into olefins, paraffins, aromatic hydrocarbons with 2 to 8 carbon atoms, which are useful as petrochemical products, in a highly efficient, well-balanced and stable manner, and to a method for producing lower hydrocarbons using the catalyst.
近年、地球温暖化問題や海洋プラスチック問題がクローズドアップされ、廃プラスチックを化学的に分解して石油化学製品の原料として再利用するケミカルリサイクルが注目されている。なかでも熱分解による油化技術は、廃プラスチックの半分を占める熱可塑性のポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレン)を炭化水素油に転換し、この炭化水素油をナフサクラッカー等の原料に用いれば、実質的にプラスチックの循環を可能とする重要な技術である。 In recent years, issues such as global warming and marine plastic pollution have come into sharp focus, and chemical recycling, in which waste plastic is chemically broken down and reused as raw materials for petrochemical products, has been attracting attention. Among these, oil-to-plastic technology through thermal decomposition converts thermoplastic polyolefins (polyethylene, polypropylene), which account for half of waste plastic, into hydrocarbon oil. This hydrocarbon oil can then be used as a raw material for naphtha crackers and other processes, making it an important technology that essentially enables the recycling of plastics.
廃プラスチックの熱分解による油化技術は古くから知られており、無酸素かつ無触媒条件下で熱分解した場合、炭素数分布がC1~C30と広い分布範囲の生成物、即ち炭化水素油が得られる。このうち、C5~C10の軽質油はナフサクラッカーの原料油として利用可能であるが、C11以上の灯油、軽油、重油、ワックスは燃料として利用され、製品の付加価値として高いものではなかった。 The technology of converting waste plastics into oil through thermal decomposition has been known for a long time, and when thermal decomposition is carried out under oxygen-free and catalyst-free conditions, a wide range of carbon number distributions, from C1 to C30, is obtained, i.e., hydrocarbon oils. Of these, light oils from C5 to C10 can be used as feedstock for naphtha crackers, but kerosene, diesel, heavy oil, and waxes with C11 and above are used as fuel and do not offer high added value to the product.
製品の付加価値を高める方法として、ポリオレフィン系(廃)プラスチックを熱分解し、熱分解により発生した生成物をゼオライト等の触媒層に接触して炭化水素油を回収する方法(例えば特許文献1、非特許文献1参照)が提案されている。 As a method for increasing the added value of products, a method has been proposed in which polyolefin (waste) plastics are thermally decomposed and the products generated by the thermal decomposition are brought into contact with a catalyst layer such as zeolite to recover hydrocarbon oils (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).
また、廃プラスチックを熱分解により気化させて得られた熱分解生成物をホウ素含有珪酸塩触媒に接触させて、炭化水素油を回収する廃プラスチックの処理法(例えば特許文献2参照)が提案され、さらに、ガリウム含有珪酸塩触媒を用いた廃プラスチックの処理法(例えば特許文献3参照)、等が提案されている。 In addition, a method for treating waste plastics has been proposed in which waste plastics are vaporized by pyrolysis, and the resulting pyrolysis product is brought into contact with a boron-containing silicate catalyst to recover hydrocarbon oil (see, for example, Patent Document 2). Furthermore, a method for treating waste plastics using a gallium-containing silicate catalyst (see, for example, Patent Document 3) has also been proposed.
しかし、特許文献1に提案の方法においては、ZSM-5触媒を用いることで炭化水素油の炭素数分布がC5~C38からC5~C21に低分子量化するが、依然、C11以上の付加価値の低い灯油、軽油、重油の留分が多いという課題があった。非特許文献1に提案の方法においては、ZSM-5の他、HY、REY、Ni/ReY触媒を用いて熱分解しており、特にREY触媒を用いたときにC5~C11のガソリン留分の選択性が高くなるが、これらY型ゼオライトは熱安定性に乏しく、またC9以上の付加価値の低い留分が未だ多く、工業触媒としては十分なものではなかった。 However, in the method proposed in Patent Document 1, while the carbon number distribution of hydrocarbon oils is lowered from C5-C38 to C5-C21 by using a ZSM-5 catalyst, there is still an issue of a large proportion of low-value-added kerosene, light oil, and heavy oil fractions of C11 and above. In the method proposed in Non-Patent Document 1, thermal cracking is carried out using HY, REY, and Ni/ReY catalysts in addition to ZSM-5, and selectivity to C5-C11 gasoline fractions is particularly high when a REY catalyst is used, but these Y-type zeolites have poor thermal stability and still produce a large proportion of low-value-added fractions of C9 and above, making them insufficient as industrial catalysts.
特許文献2に提案の方法においては、ホウ素含有珪酸塩触媒を用いることで、炭化水素油の低分子量化が著しく進行し、特にC3とC4のオレフィン、パラフィンの合計選択率が上昇したものの、偏った成分の生成は既設プラントとの併用が難しく、例えば、エチレンプラント(ナフサクラッカー)における特定の蒸留塔への負荷が高くなり、過度にナフサクラッカーの稼働率を低減せざるを得なかったり、あるいは特定の蒸留塔の新設が必要となる等、経済的な面での合理性は低かった。また、ホウ素含有珪酸塩の合成が難しいため入手に難があることや、耐コーキング性が十分でなく触媒寿命の点では満足な検討がなされていない。さらに、特許文献3に提案の方法においては、ガリウム含有珪酸塩触媒を用いることで、炭素数分布がC1~C13、特にベンゼン(C6)、トルエン(C7)、キシレン(C8)の選択率が高まり、バランス良く低分子量化が進行するが、ガリウム含有珪酸塩、特にガロシリケートはシリケートの骨格内にGa金属が挿入しづらく、再現性良くかつ工業的に合成することが難しく、また耐コーキング性が十分でないことから、触媒寿命の点で改良の余地が残されたものであった。 In the method proposed in Patent Document 2, the use of a boron-containing silicate catalyst significantly reduced the molecular weight of hydrocarbon oils, particularly increasing the total selectivity for C3 and C4 olefins and paraffins. However, the production of biased components made it difficult to use in conjunction with existing plants. For example, the load on a specific distillation column in an ethylene plant (naphtha cracker) increased, necessitating an excessive reduction in the naphtha cracker's operating rate or the construction of a new specific distillation column, making the method economically unreasonable. Furthermore, the synthesis of boron-containing silicates is difficult, making them difficult to obtain, and their coking resistance is insufficient, leaving no satisfactory investigation into catalyst life. Furthermore, in the method proposed in Patent Document 3, the use of a gallium-containing silicate catalyst increases the selectivity for carbon number distributions of C1 to C13, particularly benzene (C6), toluene (C7), and xylene (C8), and promotes balanced reduction in molecular weight. However, with gallium-containing silicates, particularly gallosilicates, it is difficult to insert Ga metal into the silicate framework, making them difficult to synthesize reproducibly and industrially. In addition, coking resistance is insufficient, leaving room for improvement in terms of catalyst life.
そこで、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物を石油化学製品として有用なC2~C8の炭化水素等に高効率で転換することを可能とする炭化水素系プラスチックの熱分解生成物転換触媒及びそれを用いた低級炭化水素の製造方法の出現が望まれていた。 Therefore, there has been a need for a catalyst for converting the pyrolysis products of hydrocarbon plastics that can efficiently convert the pyrolysis products of hydrocarbon plastics into C2 to C8 hydrocarbons, which are useful as petrochemical products, and a method for producing lower hydrocarbons using the same.
本発明者らは、上記の課題を解決するため鋭意検討を行った結果、特定の10員環細孔ゼオライトを含む転換触媒が、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物を原材料とした際の耐コーキング性、触媒寿命等に優れると共に、石油化学製品として有用な炭素数2~8のパラフィン、オレフィン、芳香族炭化水素の選択性が改善され、優れた性能を発揮する触媒となることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of extensive research to solve the above problems, the inventors discovered that a conversion catalyst containing a specific 10-membered ring pore zeolite exhibits excellent coking resistance and catalyst life when using pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics as raw materials, and also has improved selectivity for paraffins, olefins, and aromatic hydrocarbons with 2 to 8 carbon atoms, which are useful as petrochemical products, resulting in a catalyst that exhibits excellent performance, leading to the completion of the present invention.
即ち、本発明は、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物の転換触媒であって、下記(i)~(iii)の特性を満足するゼオライトを含む転換触媒であることを特徴とする熱分解生成物転換触媒及びそれを用いてなる低級炭化水素の製造方法に関するものである。
(i)平均粒子径が100nm以下。
(ii)MFI型又はMEL型である10員環細孔ゼオライト。
(iii)外表面のブレンステッド酸量が0.1~10.0μmol/g。
That is, the present invention relates to a catalyst for converting pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics, characterized in that the catalyst contains a zeolite that satisfies the following characteristics (i) to (iii), and to a method for producing lower hydrocarbons using the catalyst:
(i) The average particle size is 100 nm or less.
(ii) 10-ring pore zeolites of MFI type or MEL type.
(iii) The Bronsted acid amount of the outer surface is 0.1 to 10.0 μmol/g.
以下に、本発明について詳細に説明する。 The present invention is described in detail below.
本発明の熱分解生成物転換触媒は、多種多様な成分を含むことから従来は原材料として用いることが困難であった炭化水素系プラスチックの熱分解生成物であっても、石油化学製品として有用な低級炭化水素、特に炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素等の低級炭化水素への高選択転換を可能とする触媒であり、(i)平均粒子径(以下、PDと記す場合もある。)がPD≦100nm、(ii)MFI型又はMEL型である10員環細孔ゼオライト、(iii)外表面のブレンステッド酸点が0.1~10.0μmol/g、のいずれの要件をも満足するゼオライトを含むものである。 The pyrolysis product conversion catalyst of the present invention is a catalyst that enables highly selective conversion of pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics, which have traditionally been difficult to use as raw materials due to the wide variety of components they contain, into lower hydrocarbons useful as petrochemical products, particularly lower hydrocarbons such as olefins, paraffins, and aromatic hydrocarbons having 2 to 8 carbon atoms. The catalyst contains a zeolite that satisfies all of the following requirements: (i) an average particle diameter (hereinafter sometimes referred to as PD) of 100 nm or less; (ii) a 10-membered ring pore zeolite of the MFI or MEL type; and (iii) Bronsted acid sites on the outer surface of 0.1 to 10.0 μmol/g.
本発明の熱分解生成物転換触媒を構成するゼオライトは、(i)PD≦100nmのものであり、特に熱安定性にも優れる触媒となることから、5nm≦PD≦100nmであることが望ましい。ここで、PDが100nmを越えるものである場合、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物の低級炭化水素への転換効率に劣るものとなる。 The zeolite that constitutes the pyrolysis product conversion catalyst of the present invention has (i) a PD of ≦100 nm, and since this catalyst has particularly excellent thermal stability, it is desirable for the zeolite to have a PD of 5 nm ≦ PD ≦ 100 nm. However, if the PD exceeds 100 nm, the efficiency of converting the pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics into lower hydrocarbons will be poor.
なお、本発明におけるPDは、その測定方法に制限はなく、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)の写真から任意の粒子を100個以上選んで、その平均直径を求める方法、ゼオライトの外表面積から以下の式(1)を用いて算出する方法、等の任意の方法を挙げることができる。
PD=6/S×(1/(2.29×106)+0.18×10-6) (1)
(ここで、Sは外表面積(m2/g)を示すものである。)
なお、式(1)における外表面積(S(m2/g))は、液体窒素温度における一般的な窒素吸着法を用い、t-plot法から求めることができる。例えば、tを吸着量の厚みとするときに、tについて0.6~1nmの範囲の測定点を直線近似し、得られた回帰直線の傾きからゼオライトの外表面積を求めるものである。
The PD in the present invention may be measured by any method without any limitation, and examples thereof include a method in which 100 or more particles are arbitrarily selected from a photograph taken with a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM) and the average diameter of the particles is determined, and a method in which the PD is calculated from the external surface area of the zeolite using the following formula (1).
PD=6/S×(1/(2.29×10 6 )+0.18×10 −6 ) (1)
(Here, S represents the external surface area (m 2 /g).)
The external surface area (S (m 2 /g)) in formula (1) can be determined by the t-plot method using a general nitrogen adsorption method at liquid nitrogen temperature. For example, when t is the thickness of the adsorption amount, measurement points in the range of 0.6 to 1 nm for t are linearly approximated, and the external surface area of the zeolite is determined from the slope of the resulting regression line.
そして、中でも簡便な測定が可能であることから、SEM又はTEMによる方法が好ましい。 Among these, SEM or TEM methods are preferred because they allow for simple measurements.
本発明の熱分解生成物転換触媒を構成するゼオライトは、(ii)MFI型またはMEL型の10員環細孔ゼオライトである。ここで、MFI型ゼオライトとしては、国際ゼオライト学会で定義される構造コードMFIに属するアルミノシリケート化合物を挙げることができる。ここで、MFI型またはMEL型の10員環細孔ゼオライト以外のゼオライトを含むものである場合、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物の転換反応の効率に劣るものとなる。 The zeolite constituting the pyrolysis product conversion catalyst of the present invention is (ii) an MFI-type or MEL-type 10-membered ring pore zeolite. Examples of MFI-type zeolites include aluminosilicate compounds that belong to the structure code MFI defined by the International Zeolite Association. Zeolites other than MFI-type or MEL-type 10-membered ring pore zeolites will result in less efficient conversion reactions of pyrolysis products of hydrocarbon plastics.
本発明の熱分解生成物転換触媒を構成するゼオライトは、(iii)外表面のブレンステッド酸量(以下、B酸量と記す場合がある。)が0.1~10.0μmol/gであり、特定の範囲内の外表面B酸量を有することで特に優れた触媒性能を示すものとなる。ここで、外表面B酸量が0.1μmol/g未満である場合、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物の転換を行う際の生産効率や触媒性能に劣るものとなる。一方、10.0μmol/gよりも大きい場合、触媒表面における副反応やコーキングが生じやすく、触媒性能として不十分なものとなる。 The zeolite constituting the pyrolysis product conversion catalyst of the present invention (iii) has an outer surface Bronsted acid amount (hereinafter sometimes referred to as B acid amount) of 0.1 to 10.0 μmol/g, and by having an outer surface B acid amount within a specific range, it exhibits particularly excellent catalytic performance. Here, if the outer surface B acid amount is less than 0.1 μmol/g, the production efficiency and catalytic performance when converting the pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics will be inferior. On the other hand, if it is greater than 10.0 μmol/g, side reactions and coking will easily occur on the catalyst surface, resulting in insufficient catalytic performance.
そして、本発明の熱分解生成物転換触媒を構成するゼオライトにおいては、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物の転換効率、特に炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素等の低級炭化水素への選択性に優れる触媒となることから(iv)B酸量が0.01~1.0mmol/gであるものが好ましく、更に0.1~1.0mmol/gであるものが好ましい。 The zeolite constituting the pyrolysis product conversion catalyst of the present invention is a catalyst that exhibits excellent conversion efficiency for pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics, particularly selectivity to lower hydrocarbons such as olefins, paraffins, and aromatic hydrocarbons having 2 to 8 carbon atoms. Therefore, (iv) the amount of B acid is preferably 0.01 to 1.0 mmol/g, and more preferably 0.1 to 1.0 mmol/g.
ここで、ゼオライトのB酸量とは、ブレンステッド酸点(以下、B酸点と記す場合がある。)の量を示すものであり、ゼオライトに存在する酸性OH基を示すものである。通常、ゼオライトは、その外表面及び(ミクロ)細孔内にB酸点を有するものである。そして、外表面にB酸点をわずかしか有さないものとは、そのB酸点はそのほとんどが(ミクロ)細孔内に存在することを意味するものである。 Here, the B acid amount of a zeolite refers to the number of Bronsted acid sites (hereinafter sometimes referred to as B acid sites), and indicates the acidic OH groups present in the zeolite. Typically, zeolites have B acid sites on their outer surface and within their (micro)pores. Having only a small number of B acid sites on the outer surface means that most of the B acid sites are present within the (micro)pores.
該ゼオライトにおける外表面のB酸量の確認方法としては、その確認を行うことが可能であれば如何なる方法をも用いることが可能であり、例えばB酸点に対する吸着性を有する2,4-ジメチルキノリンの吸着により確認することが可能である。2,4-ジメチルキノリンは、ゼオライト(細孔内を含む)に存在するB酸点(酸性OH基)との吸着性質を有している。しかし、MFI型のようにゼオライトの(ミクロ)細孔径が2,4-ジメチルキノリン分子より小さい場合、(ミクロ)細孔内に侵入することができず、(ミクロ)細孔内のB酸点と吸着することは出来ない。つまり、ゼオライトの外表面のB酸点のみと吸着するものとなる。よって、MFI型ゼオライトの外表面のB酸点への2,4-ジメチルキノリンの吸着量を求めることで、外表面のB酸量を定量することができる。 Any method that can confirm the amount of B acid on the outer surface of the zeolite can be used. For example, it can be confirmed by adsorption of 2,4-dimethylquinoline, which has adsorption properties for B acid sites. 2,4-Dimethylquinoline has the ability to adsorb to B acid sites (acidic OH groups) present in zeolite (including within the pores). However, when the (micro)pore diameter of the zeolite is smaller than the 2,4-dimethylquinoline molecule, as in the case of MFI-type zeolite, it cannot penetrate the (micro)pores and cannot adsorb to the B acid sites within the (micro)pores. In other words, it only adsorbs to the B acid sites on the outer surface of the zeolite. Therefore, the amount of B acid on the outer surface can be quantified by determining the amount of 2,4-dimethylquinoline adsorbed to the B acid sites on the outer surface of MFI-type zeolite.
より具体的な方法としては、ゼオライトの前処理として400℃で2時間の脱気・脱水処理を行ったゼオライトの150℃における赤外吸収スペクトル測定を行う。そして、脱気・脱水処理を行ったゼオライトに2,4-ジメチルキノリンガスを導入して30分間吸着させ、150℃での排気により余剰2,4-ジメチルキノリンを除き、2,4-ジメチルキノリン吸着ゼオライトの調製を行い150℃における赤外吸収スペクトル測定を行う。つまり、2,4-ジメチルキノリン吸着前後の赤外吸収の差スペクトルにおいて、3600~3650cm-1の範囲で赤外線吸収の差(減少)を定量することで、外表面のB酸量を得ることができる。なお、2,4-ジメチルキノリンはゼオライト表面のシラノール部位にも吸着するが、シラノールのO-H伸縮振動に由来する吸収は、3700~3800cm-1に観測される。一方、ゼオライトの外表面のB酸点のO-H伸縮振動に由来する吸収は、3600~3650cm-1に観測され、2,4-ジメチルキノリンを吸着してB酸点のO-H伸縮振動に由来する吸収3600~3650cm-1の範囲に赤外吸収スペクトルの減少がみられることは、2,4-ジメチルキノリンがゼオライトの外表面のB酸点に吸着したことを示す。 More specifically, the zeolite is pretreated by degassing and dehydrating it for two hours at 400°C, and then its infrared absorption spectrum is measured at 150°C. Then, 2,4-dimethylquinoline gas is introduced into the degassed and dehydrated zeolite and adsorbed for 30 minutes. The excess 2,4-dimethylquinoline is removed by evacuation at 150°C to prepare 2,4-dimethylquinoline-adsorbed zeolite, and its infrared absorption spectrum is measured at 150°C. That is, the amount of B acid on the outer surface can be determined by quantifying the difference (decrease) in infrared absorption in the range of 3600 to 3650 cm -1 in the difference spectrum of infrared absorption before and after 2,4-dimethylquinoline adsorption. Note that 2,4-dimethylquinoline also adsorbs to silanol sites on the zeolite surface, and absorption due to the O-H stretching vibration of silanol is observed at 3700 to 3800 cm -1 . On the other hand, absorption due to the O-H stretching vibration of the acid sites B on the outer surface of the zeolite was observed in the range of 3600 to 3650 cm −1 , and the decrease in the infrared absorption spectrum in the range of 3600 to 3650 cm −1 due to the O-H stretching vibration of the acid sites B upon adsorption of 2,4-dimethylquinoline indicates that 2,4-dimethylquinoline was adsorbed onto the acid sites B on the outer surface of the zeolite.
また、該ゼオライトのB酸量(外表面及び(ミクロ)細孔内に存在するB酸点)の測定方法としては、その測定を行うことが可能であれば如何なる方法をも用いることが可能であり、例えばB酸点に対する吸着性を有するピリジンの吸着により確認することが可能である。ピリジンは、ゼオライト(細孔内を含む)に存在するB酸点(酸性OH基)との吸着性質を有しており、ゼオライトの(ミクロ)細孔径がピリジンより大きい場合、(ミクロ)細孔内にも侵入することができ、外表面及び(ミクロ)細孔内のB酸点とも吸着出来る。よって、MFI型ゼオライトの細孔内に存在するB酸点も含め、ゼオライトに存在するすべてのB酸量を定量することができる。 The amount of B acid in the zeolite (the B acid sites present on the outer surface and within the (micro)pores) can be measured by any method that allows such measurement. For example, it can be confirmed by adsorption of pyridine, which has adsorption properties for B acid sites. Pyridine has the ability to adsorb B acid sites (acidic OH groups) present in zeolite (including within the pores). If the (micro)pore diameter of the zeolite is larger than that of pyridine, it can penetrate into the (micro)pores and adsorb to the B acid sites on the outer surface and within the (micro)pores. Therefore, it is possible to quantify the amount of all B acid present in the zeolite, including the B acid sites present within the pores of MFI zeolite.
より具体的な方法としては、ゼオライトの前処理として400℃で2時間の脱気・脱水処理を行ったゼオライトの150℃における赤外吸収スペクトル測定を行う。そして、脱気・脱水処理を行ったゼオライトにピリジンガスを導入して10分間吸着させ、150℃での排気により余剰ピリジンを除き、ピリジン吸着ゼオライトの調製を行い150℃における赤外吸収スペクトル測定を行う。つまり、ピリジン吸着前後の赤外吸収の差スペクトルにおいて、1515~1565cm-1の範囲で赤外線吸収の差(減少)を定量することで、細孔内も含めたB酸量を得ることができる。 More specifically, the zeolite is pretreated by degassing and dehydrating it for two hours at 400°C, and then its infrared absorption spectrum is measured at 150°C. Pyridine gas is then introduced into the degassed and dehydrated zeolite and adsorbed for 10 minutes, and the excess pyridine is removed by evacuation at 150°C to prepare pyridine-adsorbed zeolite, which is then subjected to infrared absorption spectrum measurement at 150°C. That is, the amount of B acid, including that within the pores, can be obtained by quantifying the difference (decrease) in infrared absorption in the range of 1515 to 1565 cm-1 in the difference spectrum of infrared absorption before and after pyridine adsorption.
そして、本発明の熱分解生成物転換触媒を構成するゼオライトは、特に炭化水素系プラスチックの熱分解生成物の転換効率、炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素の選択性に優れる触媒となることから、外表面に僅かなB酸点を有し、B酸点のほとんどが(ミクロ)細孔内に存在するものであることが好ましい、その外表面に存在するB酸点は、全B酸点の1~10%のものであることが好ましい。なお、外表面のB酸点の割合は、上述したゼオライトの外表面のB酸量を、ゼオライト(細孔内を含む)に存在するB酸量の割合として求められる。 The zeolite that constitutes the pyrolysis product conversion catalyst of the present invention is a catalyst that is particularly excellent in conversion efficiency for pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics and selectivity for olefins, paraffins, and aromatic hydrocarbons having 2 to 8 carbon atoms. Therefore, it is preferable that the zeolite has a small number of B acid sites on its outer surface, with most of the B acid sites being present within its (micro)pores. It is preferable that the B acid sites present on the outer surface account for 1 to 10% of all B acid sites. The proportion of B acid sites on the outer surface is calculated by dividing the amount of B acid on the outer surface of the zeolite described above by the amount of B acid present in the zeolite (including within its pores).
該ゼオライトの製造方法としては、上記(i)~(iii)に記載の特性を満足するゼオライトの製造が可能であれば如何なる方法をも用いることは可能である。そして、外表面に特定量の微量のB酸点を有するゼオライト、つまり、ゼオライト表面のB酸点の選択的な除去方法としては、(i)~(ii)の特性を満足するゼオライトを製造する際の焼成処理(熱処理)の一部又は全部を水熱(スチーム)処理とし、該焼成処理の前後にイオン交換処理を付加する方法を挙げることができる。 Any method can be used to produce this zeolite, as long as it can produce a zeolite that satisfies the characteristics (i) to (iii) above. Furthermore, a method for selectively removing B acid sites from the zeolite surface, that is, a zeolite that has a specific, minute amount of B acid sites on its outer surface, can be produced by hydrothermal (steam) treatment for part or all of the calcination treatment (heat treatment) when producing a zeolite that satisfies the characteristics (i) to (ii), and adding an ion exchange treatment before or after the calcination treatment.
そして、(i)~(ii)の特性を満足するゼオライトの合成方法としては、一般的な公知の方法を用いることにより、PD≦100nm、MFI型またはMEL型の10員環細孔の骨格構造を有するゼオライトとすることができる。具体的にはカチオンとしてアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を含む化合物、有機構造指向剤とアルミノシリケートゲルとを混合し、得られた結晶物を焼成することにより製造することができる。その際のアルカリ金属、アルカリ土類金属を含む化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム等を挙げることでき、中でも水酸化ナトリウムが好ましい。有機構造指向剤としては、例えばテトラプロピルアンモニウム水酸化物、テトラブチルアンモニウム水酸化物、テトラエチルアンモニウム水酸化物等を挙げることができる。また、アルミノシリケートゲルとしては、例えば不定形アルミノシリケートゲル等を挙げることができる。 Zeolites satisfying the characteristics (i) and (ii) can be synthesized using commonly known methods to produce zeolites with a PD≦100 nm, MFI or MEL 10-ring pore framework structure. Specifically, they can be produced by mixing a compound containing an alkali metal and/or alkaline earth metal as a cation, an organic structure-directing agent, and an aluminosilicate gel, and then calcining the resulting crystals. Examples of compounds containing alkali metals and alkaline earth metals include sodium hydroxide, potassium hydroxide, calcium hydroxide, and magnesium hydroxide, with sodium hydroxide being preferred. Examples of organic structure-directing agents include tetrapropylammonium hydroxide, tetrabutylammonium hydroxide, and tetraethylammonium hydroxide. Examples of aluminosilicate gels include amorphous aluminosilicate gels.
さらに、(i)~(iii)の特性を満足するゼオライトとする際には、上記により得られた結晶物を焼成する前にイオン交換を行い、焼成の際の一部又は全部を水熱処理とし、その後、更にイオン交換を行う方法、上記により得られた結晶物を焼成した後にイオン交換を行いプロトン型ゼオライトとし、その後に水熱雰囲気下で焼成を行う方法、等により製造することが可能となる。 Furthermore, zeolites satisfying the characteristics (i) to (iii) can be produced by a method in which the crystalline material obtained as described above is subjected to ion exchange before being calcined, and then part or all of the calcination is hydrothermal treated, followed by further ion exchange; or by a method in which the crystalline material obtained as described above is calcined and then ion exchanged to form proton-type zeolite, followed by calcination in a hydrothermal atmosphere.
その際の焼成条件としては、処理温度としては300~900℃が好ましく、特に400~700℃であることが好ましい。処理時間は、工業的には好ましくは5分~25時間である。雰囲気としては、例えば窒素、空気、酸素、アルゴン、その他不活性ガスのうち一つもしくは二つ以上の組み合わせのガスをも挙げることができる。そして、該焼成工程の一部又は全部は水熱(スチーム)処理を行うことにより、B酸点のアルミニウムが脱離される。水熱処理の処理温度としては400~750℃が好ましく、特に500~650℃が好ましい。また、水蒸気濃度は5~100%が好ましく、特に10~80%であることが好ましい。 The firing conditions are preferably a treatment temperature of 300 to 900°C, and more preferably 400 to 700°C. The treatment time is preferably 5 minutes to 25 hours from an industrial perspective. Examples of the atmosphere include nitrogen, air, oxygen, argon, and other inert gases, or a combination of two or more of these. Part or all of the firing process is hydrothermal (steam) treatment, which removes aluminum from the B acid site. The hydrothermal treatment temperature is preferably 400 to 750°C, and more preferably 500 to 650°C. The steam concentration is preferably 5 to 100%, and more preferably 10 to 80%.
また、イオン交換は、焼成工程の前後に行うものであり、複数回のイオン交換に分割して行ってもよい。また、イオン交換は、塩化アンモニウム、塩酸、硝酸等の酸を用いたイオン交換が挙げられ、塩酸、硝酸によるものが好ましい。また、イオン交換は水での洗浄で代用することもできる。 Ion exchange is carried out before or after the calcination process, and may be carried out in multiple separate steps. Examples of ion exchange include ion exchange using acids such as ammonium chloride, hydrochloric acid, and nitric acid, with hydrochloric acid and nitric acid being preferred. Ion exchange can also be performed by washing with water.
本発明の熱分解生成物転換触媒を構成するゼオライトは、そのままで高い触媒性能を示すが、更に高い耐コーキング性や触媒寿命を示す触媒となることから、(v)ナトリウム、カリウム、カルシウム、銀、亜鉛から選択される少なくとも1種以上の金属を含有していても良く、その含有率が0.05~5.0wt%の金属含有ゼオライトであることが好ましい。これら金属の内、炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素の選択性が高まることから、亜鉛及び/またはカルシウム含有ゼオライトであることがさらに好ましい。また、該金属を含有させる際の導入方法としては限定されるものではなく、例えば、含侵担持、イオン交換、物理混合、蒸着等のいずれの方法でも可能である。 The zeolite that constitutes the pyrolysis product conversion catalyst of the present invention exhibits high catalytic performance as is, but to further enhance coking resistance and catalyst life, it may contain (v) at least one metal selected from sodium, potassium, calcium, silver, and zinc, with a metal-containing zeolite having a content of 0.05 to 5.0 wt% being preferred. Of these metals, zinc- and/or calcium-containing zeolite is even more preferred, as this enhances selectivity to olefins, paraffins, and aromatic hydrocarbons having 2 to 8 carbon atoms. Furthermore, there are no limitations on the method for incorporating the metal, and any of methods such as impregnation, ion exchange, physical mixing, and vapor deposition are possible.
そして、熱分解生成物転換触媒とする際には、その取り扱い性、触媒性能に優れる触媒となることから成形体としての形状付与を行うことが好ましい。形状付与を行う際には如何なる方法により成形してもよく、例えば、ゼオライト粉末をそのまま圧縮成形等により所定形状に成形し成形体とする方法、所定割合のバインダーをゼオライトに混合し、場合によっては更なる添加剤等を所定割合で混合し、その混合物を所定形状に成形し成形体とする方法、さらには焼結を付随し成形体とする方法などを挙げることが出来る。そして、特に炭化水素系プラスチックの熱分解生成物転換触媒とする際には、成形体としての成形性に優れることはもとより、高い圧壊強度を示しその取り扱い性、触媒寿命にも優れるものとなることから、該ゼオライト及びバインダーとからなる成形体であることが好ましく、より良好な触媒性能を示すものとなることから該ゼオライト及びシリカとからなる成形体であることがより好ましい。その際のシリカとしては、シリカと称される範疇に属するものであれば如何なるものであってもよく、特定の結晶構造を有するもの、また、非結晶性のものであってもよい。さらに、シリカの粒子径や凝集径等に関しても如何なる制限もない。また、該ゼオライトとシリカの配合割合は任意であり、中でも特に優れた触媒性能、取り扱い性、触媒寿命を示す転換触媒となることから、該ゼオライト:シリカ=50~95:50~5(重量割合)であることが好ましく、特に60~90:40~10であることが好ましい。 When used as a catalyst for converting pyrolysis products, it is preferable to mold the zeolite into a molded body, as this provides excellent handleability and catalytic performance. Any molding method can be used to mold the zeolite powder directly into a desired shape, such as by compression molding; mixing a predetermined proportion of binder with the zeolite, optionally with additional additives, and molding the mixture into a desired shape; or sintering the resulting molded body. Particularly when used as a catalyst for converting pyrolysis products of hydrocarbon plastics, a molded body consisting of the zeolite and a binder is preferred, as it not only provides excellent moldability as a molded body but also exhibits high crushing strength, ease of handling, and excellent catalyst life. A molded body consisting of the zeolite and silica is even more preferred, as it provides even better catalytic performance. The silica used in this case may be any type that falls within the category known as silica, and may have a specific crystalline structure or be amorphous. Furthermore, there are no restrictions on the particle size or agglomeration size of the silica. The blending ratio of the zeolite and silica is optional, but a zeolite:silica ratio of 50-95:50-5 (weight ratio) is preferred, with a ratio of 60-90:40-10 being particularly preferred, as this results in a conversion catalyst that exhibits particularly excellent catalytic performance, ease of handling, and catalyst life.
該熱分解生成物転換触媒は、その形状が如何なるものであってもよく、例えば円柱形状、円筒形状、三角柱形状,四角柱形状,五角柱形状,六角柱形状等の多角柱形状、中空多角柱形状、球形状等を挙げることができ、中でも、連続生産性に優れ、かつ圧壊強度の高い触媒となることから円柱形状、円筒形状であることが好ましい。また、その直径,幅,長さ等のサイズ、嵩密度,真密度等の密度としては充填効率等を考慮し任意に選択可能であり、特に石油化学製品として有用な炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素等を有効に製造することが可能となる触媒となることから、径1.0~10mmの円柱形状又は厚さ0.5~5.0mmの円筒形状を有するものであることが好ましい。 The pyrolysis product conversion catalyst may be of any shape, including, for example, a cylindrical shape, a polygonal prism such as a triangular prism, a square prism, a pentagonal prism, or a hexagonal prism, a hollow polygonal prism, or a spherical shape. Among these, a cylindrical shape is preferred, as it provides a catalyst with excellent continuous productivity and high crushing strength. Furthermore, its size (diameter, width, length, etc.) and density (bulk density, true density, etc.) can be selected as desired, taking into account factors such as packing efficiency. A cylindrical shape with a diameter of 1.0 to 10 mm or a thickness of 0.5 to 5.0 mm is preferred, as it provides a catalyst that can effectively produce olefins, paraffins, aromatic hydrocarbons, and other compounds with 2 to 8 carbon atoms, which are particularly useful as petrochemical products.
本発明の熱分解生成物転換触媒は、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物である炭化水素を原料として接触することにより炭化水素、特に石油化学製品として有用な低級炭化水素、即ち、炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素を高選択的に製造することを可能とするものである。その際の原料である炭化水素系プラスチックの熱分解生成物としては、炭化水素系プラスチックを熱分解して得られるものであれば制限はなく、中でもプラスチックの廃棄物を再び資源として活用することにより、資源確保や廃棄物処理の両面での社会的課題の解決に貢献することができることから、プラスチックの構造中に酸素原子や窒素原子を持たずかつ熱可塑性を示す炭化水素系プラスチック、更にはその使用済みの廃プラスチックおよび/又は炭化水素系プラスチックの製造・加工時におけるロス品の熱分解生成物であることが好ましい。炭化水素系プラスチックとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンプロピレンラバー、ポリスチレン等が挙げられ、さらに塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン樹脂、塩素化ポリエチレンの塩素化プラスチックに構成される塩素原子を分離除去したプラスチックが挙げられる。 The pyrolysis product conversion catalyst of the present invention enables the highly selective production of hydrocarbons, particularly lower hydrocarbons useful as petrochemical products, i.e., olefins, paraffins, and aromatic hydrocarbons having 2 to 8 carbon atoms, by contacting hydrocarbons, which are pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics, as a raw material. The pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics used as the raw material can be any product obtained by pyrolysis of hydrocarbon-based plastics. Among these, hydrocarbon-based plastics that exhibit thermoplasticity and do not contain oxygen or nitrogen atoms in their structure, as well as pyrolysis products of used waste plastics and/or waste products generated during the production and processing of hydrocarbon-based plastics, are preferred, since recycling plastic waste as a resource can contribute to resolving social issues in both resource conservation and waste disposal. Examples of hydrocarbon-based plastics include polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene rubber, and polystyrene. Further examples include vinyl chloride resin, vinylidene chloride resin, and plastics obtained by separating and removing the chlorine atoms from chlorinated plastics such as chlorinated polyethylene.
そして、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物としては、炭化水素系プラスチックが熱分解して生成した炭化水素であれば特に制限はなく、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンを無酸素かつ無触媒条件下で溶融し、この溶融物を熱分解した生成物を挙げることができる。炭化水素系プラスチックの熱分解生成物は、一般的には炭素数分布がC1~C30のパラフィン、オレフィン、ジオレフィンからなる脂肪族炭化水素の混合物であり、その混合割合等は炭化水素系プラスチック、その熱分解条件等により適宜選択可能である。 The pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics are not particularly limited, as long as they are hydrocarbons produced by the thermal decomposition of hydrocarbon-based plastics. For example, they can be products obtained by melting polyolefins such as polyethylene or polypropylene under oxygen-free and catalyst-free conditions and then thermally decomposing the melt. Pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics are generally mixtures of aliphatic hydrocarbons consisting of paraffins, olefins, and diolefins with carbon numbers ranging from C1 to C30, and the blend ratios can be selected appropriately depending on the hydrocarbon-based plastic and its thermal decomposition conditions.
本発明の熱分解生成物転換触媒は、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物と接触することにより、高選択的に低級炭化水素、特に炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素を製造することが可能であり、その際の反応温度は特に制限されるものではなく、より効率的な製造方法となることから350~650℃の範囲が好ましく、有用成分の選択率が高くなることから500~600℃の範囲がより好ましい。また、反応圧力にも制限はなく、例えば0.05MPa~5MPa程度の圧力範囲で運転が可能である。そして熱分解生成物の供給は、該触媒体積に対し原熱分解生成物ガスの体積の比として特に制限されるものではなく、例えば1h-1~50000h-1程度の空間速度を挙げることができる。その際には、窒素等の不活性ガス、水素、一酸化炭素、二酸化炭素から選ばれる単一または混合ガスにより希釈したものとして用いることもできる。 The pyrolysis product conversion catalyst of the present invention, when contacted with the pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics, can highly selectively produce lower hydrocarbons, particularly olefins, paraffins, and aromatic hydrocarbons having 2 to 8 carbon atoms. The reaction temperature is not particularly limited; a range of 350 to 650°C is preferred because it results in a more efficient production method, and a range of 500 to 600°C is more preferred because it increases the selectivity of useful components. There is also no restriction on the reaction pressure; for example, operation is possible within a pressure range of approximately 0.05 MPa to 5 MPa. The supply of pyrolysis products is not particularly limited as a ratio of the volume of the raw pyrolysis product gas to the catalyst volume; for example, a space velocity of approximately 1 h -1 to 50,000 h -1 can be used. In this case, the catalyst can be diluted with a single or mixed gas selected from an inert gas such as nitrogen, hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide.
本発明の熱分解生成物転換触媒を用い製造される低級炭化水素としては、炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素であることが好ましく、例えばエタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン等のパラフィン;エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセン、ヘプテン、オクテン等のオレフィン;ベンゼン、トルエン、キシレン、トリメチルベンゼン、エチルベンゼン、エチルトルエン等を挙げることができる。 The lower hydrocarbons produced using the thermal cracking product conversion catalyst of the present invention are preferably olefins, paraffins, and aromatic hydrocarbons having 2 to 8 carbon atoms, such as paraffins such as ethane, propane, butane, pentane, hexane, heptane, and octane; olefins such as ethylene, propylene, butene, pentene, hexene, heptene, and octene; and benzene, toluene, xylene, trimethylbenzene, ethylbenzene, and ethyltoluene.
本発明の熱分解生成物転換触媒により、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物の低分子量化および環化脱水素反応が効率良く進行し、石油化学製品として有用な低級炭化水素、即ち、炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素が高選択的に、特に60%以上の選択率で製造することが可能となる。また、炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素の各成分がバランス良く生成することから、新たな蒸留塔を新設することなく、既設プラントとの効率的な併用運転を行うことが可能になる。具体的には、エチレンプラントの各成分の蒸留塔をフルに活用できることから、過度にナフサクラッカーの稼働率を下げることなく、効率よくエチレンプラントの運転が可能になる。 The pyrolysis product conversion catalyst of the present invention efficiently reduces the molecular weight of pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics and promotes cyclodehydrogenation, enabling the highly selective production of lower hydrocarbons useful as petrochemical products, namely, olefins, paraffins, and aromatic hydrocarbons having 2 to 8 carbon atoms, with selectivity of 60% or more. Furthermore, because the components of olefins, paraffins, and aromatic hydrocarbons having 2 to 8 carbon atoms are produced in a well-balanced manner, efficient combined operation with an existing plant is possible without the need to install new distillation columns. Specifically, because the distillation columns for each component in the ethylene plant can be fully utilized, the ethylene plant can be operated efficiently without excessively reducing the operating rate of the naphtha cracker.
ここで、本発明の熱分解生成物転換触媒は、その選択性、効率、触媒寿命、耐コーキング性に優れるものではあるが、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物を原材料として用いる低級炭化水素の製造においては、触媒反応が進行するにつれて触媒上でコークが生成し、コーク付着により触媒性能が低下することは避けられない。触媒性能が低下した触媒の再生方法は特に限定されないが、例えば、酸素による燃焼除去が好ましく用いられる。本発明の熱分解生成物転換触媒に付着したコークは、酸素含有量2~25重量%のガスを380~530℃の条件下で該触媒に接触することにより効率的に除去し、触媒の性能を回復することが可能となり、特に再生効率に優れることから酸素含有量5~25重量%、400~450℃のガスを接触することが好ましい。 While the pyrolysis product conversion catalyst of the present invention is excellent in selectivity, efficiency, catalyst life, and coking resistance, in the production of lower hydrocarbons using the pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics as raw materials, coke forms on the catalyst as the catalytic reaction progresses, and the coke deposition inevitably reduces catalytic performance. While there are no particular limitations on the method for regenerating a catalyst with reduced catalytic performance, for example, combustion removal with oxygen is a preferred method. Coke deposited on the pyrolysis product conversion catalyst of the present invention can be efficiently removed by contacting the catalyst with a gas containing 2 to 25% oxygen by weight at 380 to 530°C, thereby restoring catalytic performance. Contact with a gas containing 5 to 25% oxygen by weight at 400 to 450°C is particularly preferred due to its excellent regeneration efficiency.
酸素含有量が2~25重量%のガスとしては、例えば空気又は酸素に窒素、アルゴン、ネオン等の不活性ガスを混合して調製したものを挙げることができる。また、再生の際のガスの供給量、再生時間としては、触媒の再生が可能であれば特に制限はなく、中でも、本発明の熱分解生成物転換触媒に堆積したコークを効率よく除去することが可能となることから、時間当たりにガス体積/触媒体積=200~700の条件で供給することが好ましく、再生時間としては、30~65時間であることが好ましい。 Examples of gases with an oxygen content of 2 to 25% by weight include those prepared by mixing air or oxygen with an inert gas such as nitrogen, argon, or neon. There are no particular restrictions on the amount of gas supplied or the regeneration time during regeneration, as long as the catalyst can be regenerated. In particular, since this allows for efficient removal of coke that has accumulated on the pyrolysis product conversion catalyst of the present invention, it is preferable to supply the gas at a gas volume/catalyst volume ratio of 200 to 700 per hour, and the regeneration time is preferably 30 to 65 hours.
本発明の熱分解生成物転換触媒は、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物を用いた際にもその耐コーキング性が高く触媒寿命が長いことから長期にわたって安定的に、しかも石油化学製品として有用な炭素数2~8のパラフィン、オレフィン、芳香族炭化水素を高選択的に製造することが可能となることから、工業的な有用性が期待されるものである。 The pyrolysis product conversion catalyst of the present invention has high coking resistance and a long catalyst life, even when used with pyrolysis products of hydrocarbon-based plastics. This enables stable, long-term production of paraffins, olefins, and aromatic hydrocarbons with 2 to 8 carbon atoms, which are useful as petrochemical products, with high selectivity, and is therefore expected to be industrially useful.
以下に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below using examples, but the present invention is not limited to these examples.
なお、実施例および比較例に用いた10員環細孔ゼオライトは、特許6070336号に基づき調製を行った。また、ゼオライト及び熱分解生成物転換触媒は、以下の方法により評価・測定した。 The 10-membered ring pore zeolite used in the examples and comparative examples was prepared based on Japanese Patent No. 6070336. The zeolite and the catalyst for converting pyrolysis products were evaluated and measured using the following methods.
~平均粒子径の測定~
平均粒子径は、透過型電子顕微鏡(以下、TEMと記す場合がある。)及び走査型電子顕微鏡(以下、SEMと記す場合がある。)により測定を行った。TEMは、透過型電子顕微鏡(日本電子株式会社製、(商品名)JEM-2100、加速電圧200kV、観察倍率3万倍)を用い、乳鉢で軽く粉砕した試料をアセトン中に超音波分散し、プラスチック支持膜上に滴下し自然乾燥させたものを検鏡用試料とし、写真を撮影した。写真中の各一次粒子について、最長径とその中点において直角方向の径の平均を測定し、合計300個の粒子の平均を平均粒子径とした。
~Measuring average particle size~
The average particle size was measured using a transmission electron microscope (hereinafter sometimes referred to as TEM) and a scanning electron microscope (hereinafter sometimes referred to as SEM). TEM was performed using a transmission electron microscope (manufactured by JEOL Ltd., (trade name) JEM-2100, acceleration voltage 200 kV, observation magnification 30,000 times). A sample was lightly crushed in a mortar, ultrasonically dispersed in acetone, dropped onto a plastic support film, and air-dried to serve as a microscopic sample, which was then photographed. For each primary particle in the photograph, the longest diameter and the average diameter in the perpendicular direction at its midpoint were measured, and the average of a total of 300 particles was taken as the average particle size.
SEMは、走査型電子顕微鏡(株式会社キーエンス製、(商品名)VE-9800、加速電圧20kV、観察倍率2000倍)を用い、乳鉢で軽く粉砕した試料を試料台に乗せ、金蒸着させたものを検鏡用試料とし、写真を撮影した。写真中の粒子一辺の長さを150個計測し、その平均値を平均結晶径とした。 SEM was performed using a scanning electron microscope (Keyence Corporation, product name VE-9800, accelerating voltage 20 kV, observation magnification 2000x). A sample lightly crushed in a mortar was placed on a sample stage, gold was vapor-deposited on it, and a photograph was taken. The side length of 150 particles in the photograph was measured, and the average value was taken as the average crystal diameter.
~2,4-ジメチルキノリン吸着赤外吸収分光測定(外表面B酸量)~
赤外吸収分光の測定は、FT-IR測定装置((商品名)FT/IR-6700,日本分光株式会社製)を用いて、透過法により測定を行った。MCT検出器を使用し、積算回数256回にてスペクトルを得た。試料は直径13mmのディスクに成形した後、石英製真空脱気セル内のディスクホルダーに設置することで、赤外光路上に垂直に設置した。試料の前処理として、真空排気下、10℃/分で400℃まで昇温し、2時間保持した。150℃に冷却後、2,4-ジメチルキノリン吸着前の赤外吸収スペクトルを測定した。2,4-ジメチルキノリンガスを導入し、30分間吸着させ、150℃で1時間真空排気した後、2,4-ジメチルキノリン吸着後の赤外吸収スペクトルを測定した。2,4-ジメチルキノリン吸着後の赤外吸収スペクトルと吸着前のスペクトルの差をとり、吸着による赤外吸収の変化を測定した。この差スペクトルのうち3600cm-1付近のピークがブレンステッド酸に吸着した2,4-ジメチルキノリンの吸収スペクトルのピークであり、この面積強度を求めた後、ランベルト-ベア(Lamber-berr)の法則により下記の式(2)より外表面B酸量を求めた。
B酸量(μmol/mg)=A・S/(W・ε) (2)
(ここで、A;対象のピークのピーク面積強度(cm-1)、S;サンプル断面積(cm2)、W;サンプル重量(mg)、ε;積分吸光係数であり、3.7cm・μmol-1、のそれぞれを示す。)
~ピリジン吸着赤外吸収分光測定(全B酸量)~
上記の2,4-ジメチルキノリン吸着赤外吸収分光測定において、ピリジンガスを導入し、10分間吸着させた点のみを変更し、同一の装置、同一の手法で測定した。
~2,4-dimethylquinoline adsorption infrared absorption spectroscopy measurement (amount of outer surface B acid)~
Infrared absorption spectroscopy was measured by the transmission method using an FT-IR measurement device (product name FT/IR-6700, manufactured by JASCO Corporation). An MCT detector was used to obtain a spectrum with 256 integration times. The sample was molded into a 13 mm diameter disk and then placed in a disk holder inside a quartz vacuum degassing cell, thereby being positioned perpendicular to the infrared light path. As a pretreatment for the sample, the temperature was raised to 400°C at 10°C/min under vacuum evacuation and maintained at that temperature for 2 hours. After cooling to 150°C, the infrared absorption spectrum before 2,4-dimethylquinoline adsorption was measured. 2,4-dimethylquinoline gas was introduced and allowed to adsorb for 30 minutes. After evacuation at 150°C for 1 hour, the infrared absorption spectrum after 2,4-dimethylquinoline adsorption was measured. The difference between the infrared absorption spectrum after 2,4-dimethylquinoline adsorption and the spectrum before adsorption was calculated, and the change in infrared absorption due to adsorption was measured. In this difference spectrum, the peak near 3600 cm −1 is the peak of the absorption spectrum of 2,4-dimethylquinoline adsorbed to the Brønsted acid. After determining this integrated intensity, the amount of outer surface B acid was calculated using the Lambert-Beerr law according to the following formula (2):
Amount of B acid (μmol/mg) = A・S/(W・ε) (2)
(Here, A is the peak area intensity (cm −1 ) of the peak of interest, S is the sample cross-sectional area (cm 2 ), W is the sample weight (mg), and ε is the integrated extinction coefficient, which is 3.7 cm·μmol −1 .)
~ Pyridine adsorption infrared absorption spectroscopy measurement (total amount of B acid) ~
The same apparatus and method were used in the above 2,4-dimethylquinoline adsorption infrared absorption spectroscopy measurement, except that pyridine gas was introduced and allowed to adsorb for 10 minutes.
ただし、差スペクトルにおける1545cm-1付近のピークをブレンステッド酸に吸着したピリジンの吸収スペクトルのピークとして用い、積分吸光係数を1.67cm・μmol-1とて、上記の式(2)より全B酸量を求めた。 The peak near 1545 cm −1 in the difference spectrum was used as the peak of the absorption spectrum of pyridine adsorbed to the Bronsted acid, and the total amount of B acid was calculated from the above formula (2) using an integrated absorption coefficient of 1.67 cm μmol −1 .
~外表面B酸率~
外表面B酸量を全B酸量で除した割合を外表面B酸率とした。
~Outer surface B acid rate~
The ratio of the amount of B acid on the outer surface divided by the total amount of B acid was defined as the outer surface B acid ratio.
~粉末X線回折の測定~
X線回折測定装置(スペクトリス社製、(商品名)X’pert PRO MPD)を用い、管電圧45kV、管電流40mAとしてCuKα1を用いて、大気中において測定した。0.04~5度の範囲を0.08度/ステップ、200秒/ステップで分析した。また、ダイレクトビームの吸収率で補正したバックグラウンドを除去している。
~ Powder X-ray diffraction measurement ~
Measurements were taken in air using an X-ray diffraction measurement device (Spectris, product name: X'pert PRO MPD) with a tube voltage of 45 kV, a tube current of 40 mA, and CuKα1. The range of 0.04 to 5 degrees was analyzed at 0.08 degree/step and 200 seconds/step. In addition, background correction based on the absorption rate of the direct beam was removed.
ピークの有無の確認を目視で行うことにより結晶構造の同定を行った。他の方法として、ピークサーチプログラムを利用してもよい。ピークサーチプログラムは、一般的なプログラムが利用できる。例えば、横軸が2θ(度)、縦軸が強度(a.u.)の測定結果をSAVITSKY&GOLAYの式とSliding Polynomialフィルターで平滑化した後、2次微分を行ったときに、3点以上連続する負の値がある場合、ピークが存在すると判断できる。 The crystal structure was identified by visually checking for the presence or absence of peaks. Alternatively, a peak search program can be used. Any common peak search program can be used. For example, when the measurement results, with 2θ (degrees) on the horizontal axis and intensity (a.u.) on the vertical axis, are smoothed using the SAVITSKY & GOLAY equation and a sliding polynomial filter, and then second-order differentiation is performed, if three or more consecutive negative values are found, it can be determined that a peak is present.
~SiO2/Al2O3モル比、金属導入量の測定~
ゼオライトのSiO2/Al2O3モル比および遷移金属の導入量は、ゼオライトをフッ酸と硝酸の混合水溶液で溶解し、ICP装置((商品名)OPTIMA3300DV,PerkinElmer社製)による誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP-AES)で測定し、求めた。
~Measurement of SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio and amount of metal introduced~
The SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of the zeolite and the amount of transition metal incorporated were determined by dissolving the zeolite in a mixed aqueous solution of hydrofluoric acid and nitric acid and measuring the resultant solution by inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) using an ICP apparatus (product name: OPTIMA 3300DV, manufactured by PerkinElmer).
~低級炭化水素の製造装置及びその製造方法~
実施例、比較例により得られた触媒を用いて以下の方法により低級炭化水素の製造を行い、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物転換触媒としての性能評価を行った。
-Production equipment for lower hydrocarbons and its production method-
Using the catalysts obtained in the Examples and Comparative Examples, lower hydrocarbons were produced by the following method, and their performance as catalysts for converting pyrolysis products of hydrocarbon plastics was evaluated.
低級炭化水素の製造装置は、炭化水素系プラスチックの溶融および熱分解を行うステンレス製オートクレーブ(内容積200ml)と熱分解生成物を低級炭化水素に転換するステンレス製反応管(内径16mm、長さ600mm)を有する固定床気相流通式反応装置を連結した装置を用いた。ここで、ステンレス製反応管は中段に、触媒の成形体を充填し、乾燥空気流通下、530℃で加熱前処理を行った。 The lower hydrocarbon production equipment used consisted of a fixed-bed gas-phase flow reactor connected to a stainless steel autoclave (internal volume 200 ml) for melting and thermally decomposing hydrocarbon plastics, and a stainless steel reaction tube (inner diameter 16 mm, length 600 mm) for converting the pyrolysis products into lower hydrocarbons. The stainless steel reaction tube was packed in the middle with a molded catalyst body, and a thermal pretreatment was carried out at 530°C in a dry air flow.
ステンレス製オートクレーブに、低圧ポリエチレン製造設備の製造過程でロス品となった高密度ポリエチレン(HDPE)を入れ、窒素で置換した。温度を180℃までゆっくり昇温することによりHDPEを溶融状態とし、次いで窒素ガス流通(40ml/分)下、450℃まで昇温し、熱分解を行い炭化水素混合物である熱分解生成物とした。熱分解生成物は窒素ガスによりステンレス製反応管にフィードし、熱分解生成物転換触媒と接触し反応を行った。触媒(成形体)層の温度制御はセラミック製管状炉を用い行った。 High-density polyethylene (HDPE), a waste product from the production process of a low-pressure polyethylene manufacturing facility, was placed in a stainless steel autoclave and purged with nitrogen. The HDPE was melted by slowly raising the temperature to 180°C, and then heated to 450°C under a nitrogen gas flow (40 ml/min) to undergo thermal decomposition, producing a hydrocarbon mixture called a pyrolysis product. The pyrolysis product was fed into a stainless steel reaction tube using nitrogen gas, where it came into contact with a pyrolysis product conversion catalyst and reacted. The temperature of the catalyst (molded body) layer was controlled using a ceramic tubular furnace.
反応出口ガスおよび反応液を採取し、ガスクロマトグラフを用い、ガス成分および液成分を個別に分析した。ガス成分は、TCD検出器を備え、充填剤(Waters社製、(商品名)PorapakQまたはGLサイエンス社製、(商品名)MS-5A)を有するガスクロマトグラフ(島津製作所製、(商品名)GC-1700)を用いて分析した。液成分は、FID検出器を備え、分離カラムとしてキャピラリーカラム(GLサイエンス社製、(商品名)TC-1)を有するガスクロマトグラフ(島津製作所製、(商品名)GC-2015)を用いて分析した。 The reaction outlet gas and reaction liquid were collected and analyzed separately using a gas chromatograph. The gas components were analyzed using a gas chromatograph (Shimadzu Corporation, product name GC-1700) equipped with a TCD detector and packing material (Waters, product name PorapakQ or GL Sciences, product name MS-5A). The liquid components were analyzed using a gas chromatograph (Shimadzu Corporation, product name GC-2015) equipped with an FID detector and a capillary column (GL Sciences, product name TC-1) as a separation column.
反応条件は下記のように設定した。 The reaction conditions were set as follows:
(低級炭化水素製造時の触媒反応条件)
触媒重量:3.8g。
流通ガス:窒素40ml/分。
反応温度:530℃または585℃。
反応時間:24時間。
(Catalytic reaction conditions for producing lower hydrocarbons)
Catalyst weight: 3.8g.
Flow gas: nitrogen 40 ml/min.
Reaction temperature: 530°C or 585°C.
Reaction time: 24 hours.
~触媒寿命の指標となる触媒の活性試験方法~
上記の低級炭化水素の製造装置にて炭化水素系プラスチックの熱分解生成物転換触媒の性能評価終了後、ステンレス製反応管からステンレス製オートクレーブを切り離し、下記のC4留分を用いて、ステンレス製反応管に充填した熱分解生成物転換触媒の活性試験を行った。反応開始1時間後のC4留分の転化率を触媒寿命の指標とした。
- Catalyst activity testing method as an indicator of catalyst life -
After the performance evaluation of the catalyst for converting hydrocarbon plastics into pyrolysis products in the above-mentioned lower hydrocarbon production equipment was completed, the stainless steel autoclave was separated from the stainless steel reaction tube, and the activity of the catalyst for converting pyrolysis products packed in the stainless steel reaction tube was tested using the following C4 fraction. The conversion rate of the C4 fraction one hour after the start of the reaction was used as an index of catalyst life.
(触媒活性試験における触媒反応条件)
C4留分:イソブタン2Nml/分、ノルマルブタン5Nml/分、トランス-2-ブテン8Nml/分、1-ブテン15Nml/分、イソブテン3Nml/分、プロパン7Nml/分、プロピレン2Nml/分
希釈ガス;窒素42Nml/分。
反応温度:530℃。
反応時間:1時間。
(Catalytic reaction conditions in catalytic activity test)
C4 fraction: isobutane 2 Nml/min, normal butane 5 Nml/min, trans-2-butene 8 Nml/min, 1-butene 15 Nml/min, isobutene 3 Nml/min, propane 7 Nml/min, propylene 2 Nml/min. Diluent gas: nitrogen 42 Nml/min.
Reaction temperature: 530°C.
Reaction time: 1 hour.
実施例1
テトラプロピルアンモニウム水酸化物と水酸化ナトリウムの水溶液に不定形アルミノシリケートゲルを添加して懸濁させた。得られた懸濁液にMFI型ゼオライトを種晶として加え原料組成物とした。その際の種晶の添加量は、原料組成物中のAl2O3とSiO2の重量に対して、0.7重量%とした。該原料組成物の組成は以下のとおりである。
SiO2/Al2O3モル比=48、TPA/Siモル比=0.05、Na/Siモル比=0.16、OH/Siモル比=0.21、H2O/Siモル比=10。
Example 1
Amorphous aluminosilicate gel was added to an aqueous solution of tetrapropylammonium hydroxide and sodium hydroxide and suspended. MFI zeolite was added as seed crystals to the resulting suspension to prepare a raw material composition. The amount of seed crystals added was 0.7 wt % relative to the weight of Al 2 O 3 and SiO 2 in the raw material composition. The composition of the raw material composition is as follows:
SiO2 / Al2O3 molar ratio=48, TPA/Si molar ratio=0.05, Na/Si molar ratio=0.16, OH/Si molar ratio=0.21, H2O /Si molar ratio=10.
得られた原料組成物をステンレス製オートクレーブに密閉し、115℃で攪拌しながら4日間結晶化させ、スラリー状混合液を得た。結晶化後のスラリー状混合液を遠心沈降機で固液分離した後、十分量の純水で固体粒子を洗浄し、110℃で乾燥して乾燥粉末を得た。 The resulting raw material composition was sealed in a stainless steel autoclave and crystallized for four days while stirring at 115°C, yielding a slurry-like mixture. After crystallization, the slurry-like mixture was subjected to solid-liquid separation using a centrifugal settler, and the solid particles were washed with a sufficient amount of pure water and dried at 110°C to yield a dry powder.
得られた乾燥粉末を1mol/Lの常温の塩酸中に分散し、ろ過した後に、十分量の純水で固体粒子を洗浄し、再度ろ過後、100℃で1晩乾燥させた。空気下、550℃で1時間焼成後、600℃、30%の水蒸気で2時間処理した。 The resulting dry powder was dispersed in 1 mol/L hydrochloric acid at room temperature, filtered, and the solid particles were washed with a sufficient amount of pure water. After filtering again, the powder was dried overnight at 100°C. It was then calcined in air at 550°C for 1 hour and then treated with 30% water vapor at 600°C for 2 hours.
得られた粉末を1mol/Lの常温の塩酸中に分散し、ろ過した後に、十分量の純水で固体粒子を洗浄し、再度ろ過後、ゼオライトを得た。 The resulting powder was dispersed in 1 mol/L hydrochloric acid at room temperature, filtered, and the solid particles were washed with a sufficient amount of pure water. After filtering again, zeolite was obtained.
得られたゼオライトの物性を表1に示す。そのゼオライトはMFI型ゼオライトの骨格構造を有する10員環細孔ゼオライトであり、TEMを用いて測定した平均粒子径は25nmであった。 The physical properties of the obtained zeolite are shown in Table 1. The zeolite was a 10-ring pore zeolite with an MFI-type zeolite framework structure, and the average particle diameter measured using TEM was 25 nm.
上記で調製したゼオライト100重量部に対して、シリカ(日産化学工業社製、(商品名)スノーテックスN-30G)25重量部、セルロース5重量部、純水40重量部を加え混練した。そして、混練物を直径1.5mm、長さ1.0~7.0mm(平均長さ3.5mm)の円柱状の成形体とした。これを100℃で1晩乾燥した。乾燥後の成形体を、空気流通下、600℃で2時間焼成して成形体を得、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物転換触媒とした。 100 parts by weight of the zeolite prepared above was mixed with 25 parts by weight of silica (product name Snowtex N-30G, manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.), 5 parts by weight of cellulose, and 40 parts by weight of pure water, and the mixture was then kneaded. The kneaded mixture was then formed into a cylindrical molded body with a diameter of 1.5 mm and a length of 1.0 to 7.0 mm (average length 3.5 mm). This was dried overnight at 100°C. The dried molded body was calcined in an air stream at 600°C for 2 hours to obtain a molded body, which was used as a catalyst for converting pyrolysis products of hydrocarbon plastics.
得られた炭化水素系プラスチックの熱分解生成物転換触媒を用い、585℃の温度条件にて低級炭化水素の製造を行い、触媒反応評価を行った。結果を表1に示す。炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素の有用成分は高い選択率で得られた。また、反応終了後も高い触媒性能を維持しており、安定的な製造を可能とすると共に耐コーキング性にも優れるものであった。 Using the resulting catalyst for converting pyrolysis products from hydrocarbon plastics, lower hydrocarbons were produced at a temperature of 585°C, and the catalytic reaction was evaluated. The results are shown in Table 1. Useful components such as olefins, paraffins, and aromatic hydrocarbons with carbon numbers of 2 to 8 were obtained with high selectivity. Furthermore, high catalytic performance was maintained even after the reaction was completed, enabling stable production and exhibiting excellent coking resistance.
実施例2
オートクレーブによるゼオライトの結晶化、洗浄、乾燥操作までを実施例1と同様に行った。得られた乾燥粉末を1mol/Lの常温の塩酸中に分散し、ろ過した後に、十分量の純水で固体粒子を洗浄し、再度ろ過後、100℃で1晩乾燥させた。空気下、550℃で1時間焼成後、600℃、45%の水蒸気で3時間処理した。
Example 2
The crystallization of zeolite in an autoclave, washing, and drying operations were carried out in the same manner as in Example 1. The obtained dry powder was dispersed in 1 mol/L hydrochloric acid at room temperature and filtered, after which the solid particles were washed with a sufficient amount of pure water, filtered again, and dried overnight at 100°C. After calcining in air at 550°C for 1 hour, the mixture was treated with 45% steam at 600°C for 3 hours.
得られた粉末を1mol/Lの40℃の塩酸中に分散し、ろ過した後に、十分量の純水で固体粒子を洗浄し、再度ろ過後、100℃で1晩乾燥させ、MFI型ゼオライトを得た。得られたMFI型ゼオライトの物性を表1に示す。 The obtained powder was dispersed in 1 mol/L hydrochloric acid at 40°C, filtered, and the solid particles were washed with a sufficient amount of pure water. After filtering again, the mixture was dried overnight at 100°C to obtain MFI zeolite. The physical properties of the obtained MFI zeolite are shown in Table 1.
上記で調製したMFI型ゼオライト100重量部に対して、シリカ(日産化学工業社製、(商品名)スノーテックスN-30G)25重量部、セルロース5重量部、純水40重量部を加え混練した。そして、混練物を直径1.5mm、長さ1.0~7.0mm(平均長さ3.4mm)の円柱状の成形体とした。これを100℃で1晩乾燥した。乾燥後の成形体を、空気流通下、600℃で2時間焼成して成形体を得、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物転換触媒とした。 100 parts by weight of the MFI zeolite prepared above was mixed with 25 parts by weight of silica (product name Snowtex N-30G, manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.), 5 parts by weight of cellulose, and 40 parts by weight of pure water, and the mixture was then formed into a cylindrical molded body with a diameter of 1.5 mm and a length of 1.0 to 7.0 mm (average length 3.4 mm). This was dried overnight at 100°C. The dried molded body was calcined in an air stream at 600°C for 2 hours to obtain a molded body, which was used as a catalyst for converting pyrolysis products of hydrocarbon plastics.
得られた成形体を炭化水素系プラスチックの熱分解生成物転換触媒を用い、585℃の温度条件にて低級炭化水素の製造を行い、触媒反応評価を行った。結果を表1に示す。炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素の有用成分は高い選択率で得られた。また、反応終了後も高い触媒性能を維持しており、安定的な製造を可能とすると共に耐コーキング性にも優れるものであった。 The resulting molded body was used to produce lower hydrocarbons at a temperature of 585°C using a catalyst for converting pyrolysis products from hydrocarbon plastics, and the catalytic reaction was evaluated. The results are shown in Table 1. Useful components such as olefins, paraffins, and aromatic hydrocarbons with carbon numbers of 2 to 8 were obtained with high selectivity. Furthermore, high catalytic performance was maintained even after the reaction was completed, enabling stable production and exhibiting excellent coking resistance.
実施例3
オートクレーブによるゼオライトの結晶化、洗浄、乾燥操作までを実施例1と同様に行った。
Example 3
The procedures for crystallization of zeolite in an autoclave, washing, and drying were carried out in the same manner as in Example 1.
得られた乾燥粉末を、空気下、550℃で焼成後、得られた粉末を1mol/Lの常温の塩酸中に分散し、ろ過した後に、十分量の純水で固体粒子を洗浄し、再度ろ過後、100℃で1晩乾燥させた。 The resulting dried powder was calcined in air at 550°C, dispersed in 1 mol/L hydrochloric acid at room temperature, filtered, and the solid particles were washed with a sufficient amount of pure water. After filtering again, the powder was dried overnight at 100°C.
得られた粉末を空気下、550℃で1時間焼成後、600℃、20%の水蒸気で60分間処理した。得られたMFI型ゼオライトの物性を表1に示す。 The resulting powder was calcined in air at 550°C for 1 hour, and then treated with 20% steam at 600°C for 60 minutes. The physical properties of the resulting MFI zeolite are shown in Table 1.
上記で調製したMFI型ゼオライト100重量部に対して、シリカ(日産化学工業社製、(商品名)スノーテックスN-30G)25重量部、セルロース5重量部、純水40重量部を加え混練した。そして、混練物を直径1.5mm、長さ1.0~7.0mm(平均長さ3.5mm)の円柱状の成形体とした。これを100℃で1晩乾燥した。乾燥後の成形体を、空気流通下、600℃で2時間焼成して成形体を得、炭化水素系プラスチックの熱分解生成物転換触媒とした。 100 parts by weight of the MFI zeolite prepared above was mixed with 25 parts by weight of silica (product name Snowtex N-30G, manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.), 5 parts by weight of cellulose, and 40 parts by weight of pure water, and the mixture was then kneaded. The kneaded mixture was then formed into cylindrical molded bodies with a diameter of 1.5 mm and lengths of 1.0 to 7.0 mm (average length 3.5 mm). These were dried overnight at 100°C. The dried molded bodies were calcined in an air stream at 600°C for 2 hours to obtain a molded body, which was used as a catalyst for converting pyrolysis products of hydrocarbon plastics.
得られた炭化水素系プラスチックの熱分解生成物転換触媒を用い、585℃の温度条件にて低級炭化水素の製造を行い、触媒反応評価を行った。結果を表1に示す。炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素の有用成分は高い選択率で得られた。また、反応終了後も高い触媒性能を維持しており、安定的な製造を可能とすると共に耐コーキング性にも優れるものであった。 Using the resulting catalyst for converting pyrolysis products from hydrocarbon plastics, lower hydrocarbons were produced at a temperature of 585°C, and the catalytic reaction was evaluated. The results are shown in Table 1. Useful components such as olefins, paraffins, and aromatic hydrocarbons with carbon numbers of 2 to 8 were obtained with high selectivity. Furthermore, high catalytic performance was maintained even after the reaction was completed, enabling stable production and exhibiting excellent coking resistance.
比較例1
オートクレーブによるゼオライトの結晶化、洗浄、乾燥操作までを実施例1と同様に行った。
Comparative Example 1
The procedures for crystallization of zeolite in an autoclave, washing, and drying were carried out in the same manner as in Example 1.
得られた乾燥粉末を、空気下、550℃で焼成後、得られた粉末を常温の1mol/Lの塩酸中に分散し、ろ過した後に、十分量の純水で固体粒子を洗浄し、再度ろ過後、100℃で1晩乾燥させ、ゼオライトを得た。得られたゼオライトの物性を表1に示す。 The resulting dried powder was calcined in air at 550°C, dispersed in 1 mol/L hydrochloric acid at room temperature, filtered, and the solid particles were washed with a sufficient amount of pure water. After filtering again, the mixture was dried overnight at 100°C to obtain zeolite. The physical properties of the resulting zeolite are shown in Table 1.
上記で調製したゼオライト100重量部に対して、シリカ(日産化学工業社製、(商品名)スノーテックスN-30G)25重量部、セルロース5重量部、純水40重量部を加え混練した。そして、混練物を直径1.5mm、長さ1.0~7.0mm(平均長さ3.6mm)の円柱状の成形体とした。これを100℃で1晩乾燥した。乾燥後の成形体を、空気流通下、600℃で2時間焼成して成形体を得た。 100 parts by weight of the zeolite prepared above was mixed with 25 parts by weight of silica (Nissan Chemical Industries, Ltd., product name Snowtex N-30G), 5 parts by weight of cellulose, and 40 parts by weight of pure water, and the mixture was then formed into a cylindrical molded body with a diameter of 1.5 mm and a length of 1.0 to 7.0 mm (average length 3.6 mm). This was dried overnight at 100°C. The dried molded body was then calcined in an air stream at 600°C for 2 hours to obtain a molded body.
得られた成形体を触媒として用い、585℃の条件にて低級炭化水素の製造を行い、触媒反応評価を行った。結果を表1に示す。炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素の選択率は低く、しかも触媒活性の低下が著しく、熱分解生成物転換触媒としての性能に劣るものであった。 The resulting molded product was used as a catalyst to produce lower hydrocarbons at 585°C, and the catalytic reaction was evaluated. The results are shown in Table 1. The selectivity for olefins, paraffins, and aromatic hydrocarbons with 2 to 8 carbon atoms was low, and the catalytic activity decreased significantly, indicating poor performance as a catalyst for converting thermal cracking products.
比較例2
プロトン型MFI型ゼオライト粉末(東ソー株式会社製、商品名:HSZ-840HOA)100重量部に対して、シリカ(日産化学工業社製、(商品名)スノーテックスN-30G)40重量部、セルロース5重量部、純水40重量部を加え混練した。そして、混練物を直径1.5mm、長さ1.0~7.0mm(平均長さ3.5mm)の円柱状の成形体とした。これを100℃で1晩乾燥した。乾燥後の成形体を、空気流通下、600℃で2時間焼成して成形体を得た。
Comparative Example 2
100 parts by weight of proton-type MFI zeolite powder (manufactured by Tosoh Corporation, product name: HSZ-840HOA) were mixed with 40 parts by weight of silica (manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd., product name: Snowtex N-30G), 5 parts by weight of cellulose, and 40 parts by weight of pure water, and the mixture was kneaded. The kneaded mixture was then formed into a cylindrical molded body having a diameter of 1.5 mm and a length of 1.0 to 7.0 mm (average length 3.5 mm). This was dried overnight at 100°C. The dried molded body was calcined at 600°C for 2 hours in an air stream to obtain a molded body.
得られた成形体を触媒として用い、585℃の温度条件にて低級炭化水素の製造を行い、触媒反応評価を行った。結果を表1に示す。炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素の有用成分の選択率は低く、しかも触媒活性の低下が著しく、熱分解生成物転換触媒としての性能に劣るものであった。 The resulting molded product was used as a catalyst to produce lower hydrocarbons at a temperature of 585°C, and the catalytic reaction was evaluated. The results are shown in Table 1. The selectivity for useful components, such as olefins, paraffins, and aromatic hydrocarbons with 2 to 8 carbon atoms, was low, and catalytic activity declined significantly, indicating poor performance as a catalyst for converting pyrolysis products.
実施例4
実施例1により得られたMFI型ゼオライト成形体100gを、0.75mol/Lの酢酸亜鉛水溶液109.9gに30分間浸漬させた。成形体を濾別後、110℃で一晩乾燥させた後、空気流通下550℃で5時間焼成を行い、亜鉛含有MFI型ゼオライトを得た。得られた亜鉛含有MFI型ゼオライトの亜鉛含有量は2.6wt%であった。
Example 4
100 g of the MFI zeolite molded body obtained in Example 1 was immersed for 30 minutes in 109.9 g of a 0.75 mol/L aqueous zinc acetate solution. The molded body was separated by filtration, dried overnight at 110°C, and then calcined for 5 hours at 550°C in an air stream to obtain zinc-containing MFI zeolite. The zinc content of the obtained zinc-containing MFI zeolite was 2.6 wt%.
該亜鉛含有MFI型ゼオライトは、10員環細孔構造を有し、TEMを用いて測定した平均粒子径は25nm、外表面B酸量は2.8μmol/g、全B酸量は0.06mmol/gであり、外表面B酸率は4.7%であった。 The zinc-containing MFI zeolite had a 10-membered ring pore structure, and the average particle size measured using TEM was 25 nm, the amount of B acid on the outer surface was 2.8 μmol/g, the total amount of B acid was 0.06 mmol/g, and the outer surface B acid ratio was 4.7%.
亜鉛含有MFI型ゼオライトを炭化水素系プラスチックの熱分解生成物転換触媒とし、530℃の温度条件にて低級炭化水素の製造を行い、触媒反応評価を行った。結果を表2に示す。石油化学製品として有用な炭素数2~8のパラフィン、オレフィン、芳香族炭化水素が高い選択率を示すとともに、各成分がバランスよく生成していた。 Zinc-containing MFI-type zeolite was used as a catalyst for converting pyrolysis products from hydrocarbon plastics, and lower hydrocarbons were produced at a temperature of 530°C, and the catalytic reaction was evaluated. The results are shown in Table 2. Paraffins, olefins, and aromatic hydrocarbons with carbon numbers of 2 to 8, which are useful as petrochemical products, showed high selectivity, and each component was produced in a balanced manner.
実施例5
実施例1により得られたMFI型ゼオライト成形体240gを、内径10mmのポリ塩化ビニル管に充填した(充填長さ2.0m)。12.1mmol/Lの水酸化カルシウム水溶液を流通線速度26cm/minで6時間循環させた。その後、同じ流通線速度で純水を循環し、pHが8~10の範囲に収まるまで繰り返し洗浄を行った。成形体を濾別後、110℃で一晩乾燥させた後、空気流通下550℃で5時間焼成を行い、カルシウム含有MFI型ゼオライトを得た。得られたカルシウム含有MFI型ゼオライトのカルシウム含有量は0.23wt%であった。
Example 5
240 g of the MFI zeolite shaped body obtained in Example 1 was packed into a polyvinyl chloride tube with an inner diameter of 10 mm (packing length: 2.0 m). A 12.1 mmol/L aqueous calcium hydroxide solution was circulated for 6 hours at a linear flow velocity of 26 cm/min. Thereafter, pure water was circulated at the same linear flow velocity, and washing was repeated until the pH fell within the range of 8 to 10. The shaped body was separated by filtration, dried overnight at 110°C, and then calcined for 5 hours at 550°C in an air stream, yielding a calcium-containing MFI zeolite. The calcium content of the resulting calcium-containing MFI zeolite was 0.23 wt%.
該カルシウム含有MFI型ゼオライトは、10員環細孔構造を有し、TEMを用いて測定した平均粒子径は25nm、外表面B酸量は2.8μmol/g、全B酸量は0.13mmol/gであり、外表面B酸率は2.2%であった。 The calcium-containing MFI zeolite had a 10-membered ring pore structure, and the average particle size measured using TEM was 25 nm, the amount of B acid on the outer surface was 2.8 μmol/g, the total amount of B acid was 0.13 mmol/g, and the outer surface B acid ratio was 2.2%.
カルシウム含有MFI型ゼオライトを炭化水素系プラスチックの熱分解生成物転換触媒とし、585℃の温度条件にて低級炭化水素の製造を行い、触媒反応評価を行った。結果を表2に示すが、石油化学製品として有用な炭素数2~8のパラフィン、オレフィン、芳香族炭化水素が高い選択率を示すとともに、各成分がバランスよく生成していた。 Calcium-containing MFI zeolite was used as a catalyst for converting pyrolysis products from hydrocarbon plastics, and lower hydrocarbons were produced at a temperature of 585°C, and the catalytic reaction was evaluated. The results are shown in Table 2. They demonstrate high selectivity for paraffins, olefins, and aromatic hydrocarbons with carbon numbers of 2 to 8, which are useful as petrochemical products, and the production of each component was well balanced.
実施例6
炭化水素系プラスチックとしてHDPEの代わりに、低密度ポリエチレン(LDPE)を用いたこと、530℃の温度条件にて低級炭化水素の製造を行ったこと以外、実施例1と同様に触媒反応評価を行った。結果を表2に示す。炭素数2~8のオレフィン、パラフィン、芳香族炭化水素の有用成分は高い選択率で得られた。また、反応終了後も高い触媒性能を維持しており、安定的な製造を可能とすると共に耐コーキング性にも優れるものであった。
Example 6
The catalytic reaction evaluation was carried out in the same manner as in Example 1, except that low-density polyethylene (LDPE) was used instead of HDPE as the hydrocarbon-based plastic and lower hydrocarbons were produced at a temperature of 530°C. The results are shown in Table 2. Useful components, such as olefins, paraffins, and aromatic hydrocarbons having 2 to 8 carbon atoms, were obtained with high selectivity. Furthermore, high catalytic performance was maintained even after the reaction was completed, enabling stable production and exhibiting excellent coking resistance.
本発明の熱分解生成物転換触媒及びそれを用いた低級炭化水素の製造方法は、炭化水素系プラスチック、特に廃プラスチックの熱分解生成物を低級炭化水素へと転換する際に優れた触媒性能を発現し、その触媒としての産業的価値は極めて高いものである。 The pyrolysis product conversion catalyst of the present invention and the method for producing lower hydrocarbons using the same exhibit excellent catalytic performance when converting hydrocarbon plastics, particularly the pyrolysis products of waste plastics, into lower hydrocarbons, and are of extremely high industrial value as catalysts.
Claims (9)
下記(i)~(iii)の特性を満足するゼオライトを含む転換触媒であることを特徴とする熱分解生成物転換触媒。
(i)平均粒子径が100nm以下。
(ii)MFI型又はMEL型である10員環細孔ゼオライト。
(iii)外表面のブレンステッド酸量が0.1~10.0μmol/g。 A catalyst for converting pyrolysis products of polyolefins , comprising:
A catalyst for converting pyrolysis products, characterized in that it is a conversion catalyst containing a zeolite that satisfies the following characteristics (i) to (iii):
(i) The average particle size is 100 nm or less.
(ii) 10-ring pore zeolites of MFI type or MEL type.
(iii) The Bronsted acid amount of the outer surface is 0.1 to 10.0 μmol/g.
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