JP7774252B2 - VOC removal catalyst, its manufacturing method, and VOC removal method - Google Patents
VOC removal catalyst, its manufacturing method, and VOC removal methodInfo
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Description
本発明は、VOC除去触媒及びその製造方法並びにVOCの除去方法に関する。
に関する。
The present invention relates to a VOC removal catalyst, a method for producing the same, and a method for removing VOCs.
Regarding.
VOCは、揮発性有機化合物(Volatile Organic Compounds)の略称であり、例えば、トルエン、キシレン、ベンゼン、酢酸エチル、メタノール及びジクロロメタン等が知られている。このようなVOCは、溶剤、接着剤、化学品原料等に広く利用されている反面、VOCは、光化学オキシダント、あるいは、浮遊粒子状物質(SPM)の原因になると指摘されていることから、大気汚染防止法によりその排出量が厳しく規制されている。このため、VOC排出量をさらなる低減すべく、VOCをより効率良く除去する技術の確立が望まれている。 VOC is an abbreviation for volatile organic compounds, and known examples include toluene, xylene, benzene, ethyl acetate, methanol, and dichloromethane. While such VOCs are widely used in solvents, adhesives, chemical raw materials, and more, they have been identified as a cause of photochemical oxidants and suspended particulate matter (SPM), and their emissions are therefore strictly regulated under the Air Pollution Control Act. Therefore, there is a need to establish technology to more efficiently remove VOCs in order to further reduce VOC emissions.
VOCを除去する技術としては、触媒酸化による方法が知られている。この方法では、比較的低温でVOC除去が行われる点で最も有望であると考えられている。触媒酸化による方法では、主に遷移金属酸化物が使用されることから、貴金属触媒と比較してコスト面でも有利であり、この観点から遷移金属酸化物の触媒性能を向上させる研究が広く行われている。例えば、特許文献1には、酸化マンガン(IV)を含む材料により、VOCを効率的に除去する技術が開示されている。 Catalytic oxidation is a known technique for removing VOCs. This method is considered the most promising because it removes VOCs at relatively low temperatures. Because catalytic oxidation primarily uses transition metal oxides, it offers cost advantages over precious metal catalysts. From this perspective, extensive research is being conducted into improving the catalytic performance of transition metal oxides. For example, Patent Document 1 discloses a technology for efficiently removing VOCs using a material containing manganese (IV) oxide.
しかしながら、従来のVOC除去触媒は、低温環境化においてはVOCの除去性能が未だ十分ではなく、また、製造にも時間を要するという問題点もあり、実用化を考えると総合的には依然として課題を有するものであった。このような観点から、容易に製造でき、低温であっても効率よくVOCを除去することができる触媒の開発が望まれているのが現状である。 However, conventional VOC removal catalysts still lack sufficient VOC removal performance in low-temperature environments, and their production also takes time, meaning that overall there are still challenges to overcome when considering practical application. From this perspective, there is currently a demand for the development of a catalyst that can be easily produced and can efficiently remove VOCs even at low temperatures.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、製造が容易であり、VOC除去効率に優れ、低温であっても効率よくVOCを除去することができるVOC除去触媒及びその製造方法並びにVOCの除去方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above, and aims to provide a VOC removal catalyst that is easy to manufacture, has excellent VOC removal efficiency, and can efficiently remove VOCs even at low temperatures, as well as a method for manufacturing the same and a method for removing VOCs.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、特定のMn系複合酸化物を必須成分とすることにより、あるいは、特定の工程を経て製造されたMn系複合酸化物を必須成分とすることにより上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of extensive research into achieving the above objective, the inventors discovered that the above objective can be achieved by using a specific Mn-based composite oxide as an essential component, or by using a Mn-based composite oxide produced through a specific process as an essential component, and thus completed the present invention.
すなわち、本発明は、例えば、以下の項に記載の主題を包含する。
項1
VOC除去触媒の製造方法であって、
金属元素Mを含む原料と、ゲル化剤とを混合してゲル状前駆体を得る工程1と、
前記ゲル状前駆体と、Mnを含む酸化剤とを混合して得られた生成物を焼成して、Mn及び金属元素Mを含む複合酸化物を得る工程2とを備え、
前記金属元素Mが遷移金属、希土類元素及び貴金属元素からなる群より選ばれる少なくとも1種である、製造方法。
項2
前記金属元素Mは、Co、Fe、Ni、Cu、Zn、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Ir、Ru及びWからなる群より選ばれる少なくとも1種である、項1に記載の製造方法。
項3
前記ゲル化剤は澱粉である、項1又は2に記載の製造方法。
項4
前記複合酸化物は、Mn元素を1~35モル%含有する、項1~3のいずれか1項に記載の製造方法。
項5
VOC除去触媒であって、
Mn及び金属元素Mを含む複合酸化物を含有し、前記金属元素Mが遷移金属、希土類元素及び貴金属元素からなる群より選ばれる少なくとも1種であり、
前記複合酸化物は、主相がアモルファスである、VOC除去触媒。
項6
前記金属元素Mは、Co、Fe、Ni、Cu、Zn、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Ir、Ru及びWからなる群より選ばれる少なくとも1種である、項5に記載のVOC除去触媒。
項7
前記複合酸化物は、Mn元素を1~35モル%含有する、項5又は6に記載のVOC除去触媒。
項8
項1~4のいずれか1項に記載の製造方法で得られたVOC除去触媒又は請求項5~7のいずれか1項に記載のVOC除去触媒を用いてVOCを分解する工程を備える、VOCの除去方法。
That is, the present invention includes, for example, the subject matter described in the following sections.
Item 1
A method for producing a VOC removal catalyst, comprising:
Step 1: Mixing a raw material containing a metal element M with a gelling agent to obtain a gel precursor;
and step 2 of calcining a product obtained by mixing the gel precursor with an oxidizing agent containing Mn to obtain a composite oxide containing Mn and a metal element M,
The manufacturing method, wherein the metal element M is at least one element selected from the group consisting of transition metals, rare earth elements, and noble metal elements.
Section 2
Item 2. The method according to Item 1, wherein the metal element M is at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Cu, Zn, Ti, V, Zr, Nb, Mo, Ir, Ru, and W.
Section 3
Item 3. The method according to Item 1 or 2, wherein the gelling agent is starch.
Section 4
Item 4. The method according to any one of Items 1 to 3, wherein the composite oxide contains 1 to 35 mol% of Mn element.
Section 5
A VOC removal catalyst,
a composite oxide containing Mn and a metal element M, wherein the metal element M is at least one element selected from the group consisting of transition metals, rare earth elements, and noble metal elements;
The VOC removal catalyst, wherein the composite oxide has an amorphous main phase.
Section 6
Item 6. The VOC removal catalyst according to Item 5, wherein the metal element M is at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Cu, Zn, Ti, V, Zr, Nb, Mo, Ir, Ru, and W.
Section 7
Item 7. The VOC removal catalyst according to Item 5 or 6, wherein the composite oxide contains 1 to 35 mol % of Mn element.
Section 8
A method for removing VOCs, comprising a step of decomposing VOCs using a VOC removal catalyst obtained by the production method according to any one of Items 1 to 4 or the VOC removal catalyst according to any one of Items 5 to 7.
本発明のVOC除去触媒は、製造が容易であり、VOC除去効率に優れ、低温であっても効率よくVOCを除去することができる。また、本発明のVOC除去触媒の製造方法は、前述の本発明のVOC除去触媒を簡便な方法製造することができる。 The VOC removal catalyst of the present invention is easy to manufacture, has excellent VOC removal efficiency, and can efficiently remove VOCs even at low temperatures. Furthermore, the method for manufacturing the VOC removal catalyst of the present invention allows for the simple manufacture of the aforementioned VOC removal catalyst of the present invention.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書中において、「含有」及び「含む」なる表現については、「含有」、「含む」、「実質的にからなる」及び「のみからなる」という概念を含む。 Embodiments of the present invention are described in detail below. Note that, in this specification, the expressions "contain" and "comprise" include the concepts of "contain," "comprise," "consist essentially of," and "consist only of."
1.VOC除去触媒の製造方法
本発明の製造方法は、下記工程1及び工程2を備える。
工程1:金属元素Mを含む原料と、ゲル化剤とを混合してゲル状前駆体を得る工程。
工程2:前記ゲル状前駆体と、Mnを含む酸化剤とを混合して得られた生成物を焼成して、Mn及び金属元素Mを含む複合酸化物を得る工程。
1. Method for Producing a VOC Removal Catalyst The production method of the present invention comprises the following steps 1 and 2.
Step 1: A step of mixing a raw material containing a metal element M with a gelling agent to obtain a gel precursor.
Step 2: A step of calcining a product obtained by mixing the gel precursor with an oxidizing agent containing Mn to obtain a composite oxide containing Mn and a metal element M.
ここで、前記金属元素Mは、遷移金属、希土類元素及び貴金属元素からなる群より選ばれる少なくとも1種である。 Here, the metal element M is at least one selected from the group consisting of transition metals, rare earth elements, and noble metal elements.
上記の工程1及び工程2を備える製造方法により、Mn及び金属元素Mを含む複合酸化物を得ることができ、当該該複合酸化物はVOC除去触媒に適用することができる。斯かるVOC除去触媒は、工程1及び工程2を備える製造方法で得られるので、VOC除去効率に優れ、低温であっても効率よくVOCを除去することができるものである。 By using the manufacturing method comprising steps 1 and 2 described above, a composite oxide containing Mn and the metal element M can be obtained, and this composite oxide can be used in a VOC removal catalyst. Because such a VOC removal catalyst is obtained by a manufacturing method comprising steps 1 and 2, it has excellent VOC removal efficiency and can efficiently remove VOCs even at low temperatures.
(工程1)
工程1は、金属元素Mを含む原料と、ゲル化剤とを混合してゲル状前駆体を得るための工程である。
(Step 1)
Step 1 is a step for obtaining a gel precursor by mixing a raw material containing a metal element M with a gelling agent.
金属元素Mは、前述のとおり、遷移金属、希土類元素及び貴金属元素からなる群より選ばれる少なくとも1種であるが、より具体的には、Co、Fe、Ni、Cu、Zn、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Ir、Ru、W等の遷移金属元素;La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Ho、Yb等の希土類金属元素;Pt、Rh、Pd、Ag、Au等の貴金属元素を挙げることができる。 As mentioned above, the metal element M is at least one element selected from the group consisting of transition metals, rare earth elements, and noble metal elements. More specifically, examples of the metal element M include transition metal elements such as Co, Fe, Ni, Cu, Zn, Ti, V, Zr, Nb, Mo, Ir, Ru, and W; rare earth metal elements such as La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Ho, and Yb; and noble metal elements such as Pt, Rh, Pd, Ag, and Au.
中でも、より優れたVOC除去効率をもたらすVOC除去触媒が得られやすいという点で、金属元素Mは、Co、Fe、Ni、Cu、Zn、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Ir、Ru及びWからなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましく、Coであることがさらに好ましい。従って、Mn及び金属元素Mを含む複合酸化物は、Mn及びCoを含む複合酸化物であることが好ましく、Mn及びCoの複合酸化物であることが特に好ましい。 In particular, the metal element M is preferably at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Cu, Zn, Ti, V, Zr, Nb, Mo, Ir, Ru, and W, and more preferably Co, in that it is easier to obtain a VOC removal catalyst that provides superior VOC removal efficiency. Therefore, the composite oxide containing Mn and the metal element M is preferably a composite oxide containing Mn and Co, and particularly preferably a composite oxide of Mn and Co.
金属元素Mを含む原料は、金属元素Mを含む限り特に限定されず、例えば、金属元素M単体又は金属元素Mの化合物もしくはこれらの混合物が、溶媒に溶解又は分散した溶液を挙げることができる The raw material containing metal element M is not particularly limited as long as it contains metal element M. For example, it can be a solution in which metal element M, a compound of metal element M, or a mixture thereof is dissolved or dispersed in a solvent.
金属元素Mの化合物の種類は特に限定されず、例えば、金属元素Mの無機化合物、塩化物、有機化合物を挙げることができる。金属元素Mの無機化合物としては、例えば、金属元素Mの酸化物、金属元素Mのオキソアニオンを含む化合物(金属酸塩)、金属元素Mの硝酸塩、硫酸塩、塩化物、塩素酸塩、過塩素酸塩、クロリド錯体、炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩及びリン酸水素塩等を挙げることができ、中でも、金属元素Mの無機化合物は、硝酸塩であることが好ましい。金属元素Mの有機化合物としては、酢酸塩、シュウ酸塩、蟻酸塩及びコハク酸塩等を挙げることができる。 The type of compound of metal element M is not particularly limited, and examples include inorganic compounds, chlorides, and organic compounds of metal element M. Examples of inorganic compounds of metal element M include oxides of metal element M, compounds containing oxoanions of metal element M (metallates), nitrates, sulfates, chlorides, chlorates, perchlorates, chloride complexes, carbonates, bicarbonates, phosphates, and hydrogen phosphates of metal element M, with nitrates being preferred as inorganic compounds of metal element M. Examples of organic compounds of metal element M include acetates, oxalates, formates, and succinates.
金属元素Mを含む原料の溶媒としては、水を挙げることができ、その他、エタノール、イソプロパノール等のアルコール系溶媒であってもよく、水とアルコールとの混合溶媒を採用することもできる。 Examples of solvents for raw materials containing metal element M include water, but other alcohol-based solvents such as ethanol and isopropanol may also be used, and mixed solvents of water and alcohol may also be used.
金属元素Mを含む原料は、金属元素Mの無機化合物の水溶液であることが好ましく、金属元素Mの硝酸塩水溶液であることがより好ましく、硝酸コバルト水溶液であることが特に好ましい。 The raw material containing metal element M is preferably an aqueous solution of an inorganic compound of metal element M, more preferably an aqueous solution of a nitrate of metal element M, and particularly preferably an aqueous solution of cobalt nitrate.
金属元素Mを含む原料において、金属元素Mの濃度は特に限定されず、好ましくは0.01M以上、より好ましくは0.05M以上であり、さらに好ましくは0.1M以上であり、また、好ましくは100M以下、より好ましくは50M以下、さらに好ましくは10M以下、特に好ましくは5M以下である。 In raw materials containing metal element M, the concentration of metal element M is not particularly limited, but is preferably 0.01 M or more, more preferably 0.05 M or more, even more preferably 0.1 M or more, and is preferably 100 M or less, more preferably 50 M or less, even more preferably 10 M or less, and particularly preferably 5 M or less.
ゲル化剤は、金属元素Mを含む原料をゲル化する役割を果たすものである。斯かるゲル化剤は、ゲル化作用をもたらすことができる限り、その種類は特に限定されず、例えば、公知のゲル化剤を広く使用することができる。 The gelling agent serves to gel raw materials containing the metal element M. There are no particular limitations on the type of gelling agent, as long as it can produce a gelling effect; for example, a wide range of known gelling agents can be used.
ゲル化剤としては澱粉を挙げることができ、その他、澱粉以外の各種の多糖類、具体的には、寒天、セルロース等が例示される。また、ゲル化剤は、クエン酸等の有機酸であってもよい。 Gelling agents include starch, as well as various polysaccharides other than starch, such as agar and cellulose. Gelling agents may also be organic acids such as citric acid.
金属元素Mを含む原料に対するゲル化効果が高いという点で、工程1で好ましく使用できるゲル化剤は、澱粉である。特に、ゲル化剤として澱粉を使用した場合、後記工程2において、分散剤及び還元剤としての機能も発揮することができるので、最終的に得られる複合酸化物は空孔が多くなって結晶化度が低下し、これにより、構造欠陥が多くなって触媒活性が向上しやすくなる。 Starch is a preferred gelling agent for use in Step 1, as it has a strong gelling effect on raw materials containing the metal element M. In particular, when starch is used as a gelling agent, it can also function as a dispersant and reducing agent in Step 2, which will be described later. This means that the final composite oxide will have more voids and a lower degree of crystallinity, which will increase structural defects and tend to improve catalytic activity.
澱粉の種類は特に限定されず、例えば、馬鈴薯澱粉、小麦澱粉、米澱粉、コーンスターチ、マングビーン澱粉等が挙げられる。 The type of starch is not particularly limited, and examples include potato starch, wheat starch, rice starch, corn starch, mung bean starch, etc.
ゲル化剤の使用量は、金属元素Mを含む原料がゲル化する限りは特に限定されない。例えば、金属元素Mを含む原料中のゲル化剤の濃度が1~100g/L、好ましくは5~50g/L、より好ましくは10~30g/Lとなるように、ゲル化剤を使用することができる。 The amount of gelling agent used is not particularly limited, as long as it gels the raw material containing the metal element M. For example, the gelling agent can be used so that the concentration of the gelling agent in the raw material containing the metal element M is 1 to 100 g/L, preferably 5 to 50 g/L, and more preferably 10 to 30 g/L.
工程1において、金属元素Mを含む原料とゲル化剤との混合の方法は特に限定されず、例えば、公知の混合機を使用して混合を行うことができる。混合する際の温度も特に限定されず、例えば、15~120℃、好ましくは20~110℃、より好ましくは40~100℃である。 In step 1, the method for mixing the raw material containing metal element M with the gelling agent is not particularly limited; for example, mixing can be carried out using a known mixer. The temperature during mixing is also not particularly limited; for example, it is 15 to 120°C, preferably 20 to 110°C, and more preferably 40 to 100°C.
工程1において、金属元素Mを含む原料と、ゲル化剤とを混合することで、ゲル化が進行し、ゲル状前駆体が生成する。 In step 1, a raw material containing metal element M is mixed with a gelling agent, causing gelation to occur and producing a gel precursor.
(工程2)
工程2では、工程1で得られたゲル状前駆体と、Mnを含む酸化剤とを混合する。
(Step 2)
In step 2, the gel precursor obtained in step 1 is mixed with an oxidizing agent containing Mn.
Mnを含む酸化剤(以下、単に「酸化剤」と表記する)は、例えば、Mnを含み、かつ、酸化作用を有する化合物を広く使用することができ、具体的には、過マンガン酸塩を挙げることができる。中でも、Mnを含む酸化剤は、過マンガン酸カリウム(KMnO4、K2MnO4等)であることが好ましく、KMnO4がより好ましい。 The oxidizing agent containing Mn (hereinafter simply referred to as "oxidizing agent") can be, for example, a wide variety of compounds that contain Mn and have oxidizing properties, and specifically, permanganates can be used. Among them, the oxidizing agent containing Mn is preferably potassium permanganate ( KMnO4 , K2MnO4 , etc. ), and more preferably KMnO4 .
工程2で使用する酸化剤は、溶液状態とすることができ、例えば、酸化剤の水溶液である。酸化剤の濃度は、例えば、0.01M以上、より好ましくは0.05M以上であり、さらに好ましくは0.1M以上であり、また、好ましくは100M以下、より好ましくは50M以下、さらに好ましくは10M以下、特に好ましくは5M以下である。 The oxidizing agent used in step 2 can be in the form of a solution, for example, an aqueous solution of the oxidizing agent. The concentration of the oxidizing agent is, for example, 0.01 M or more, more preferably 0.05 M or more, even more preferably 0.1 M or more, and preferably 100 M or less, more preferably 50 M or less, even more preferably 10 M or less, and particularly preferably 5 M or less.
工程2において、ゲル状前駆体と、酸化剤とが混合されることで、ゲル状前駆体が酸化剤によってエッチングされる。従って、工程2において、ゲル状前駆体と、酸化剤とが混合されることで得られる生成物は、マンガンの酸化物と金属元素Mの酸化物とを含む。 In step 2, the gel precursor is mixed with an oxidizing agent, and the gel precursor is etched by the oxidizing agent. Therefore, the product obtained by mixing the gel precursor with the oxidizing agent in step 2 contains an oxide of manganese and an oxide of the metal element M.
工程2において、酸化剤の使用量は特に限定されず、例えば、工程1で使用する原料に含まれる金属元素1モルあたりのマンガンのモル数が0.01~100モルであることが好ましく、0.05~50モルであることがより好ましく、0.1~10モルであることがさらに好ましく、0.5~5モルであることが特に好ましい。 In Step 2, the amount of oxidizing agent used is not particularly limited. For example, the number of moles of manganese per mole of metal element contained in the raw materials used in Step 1 is preferably 0.01 to 100 moles, more preferably 0.05 to 50 moles, even more preferably 0.1 to 10 moles, and particularly preferably 0.5 to 5 moles.
ゲル状前駆体と、酸化剤との混合により生じた生成物は、適宜の方法で回収することができ、例えば、遠心分離、ろ過等の公知の固液分離によって、生成物を固形物として回収することができる。回収された固形物は適宜の方法で洗浄処理を行うこともできる。 The product produced by mixing the gel precursor with the oxidizing agent can be recovered by an appropriate method. For example, the product can be recovered as a solid by known solid-liquid separation methods such as centrifugation or filtration. The recovered solid can also be washed by an appropriate method.
工程2で生成した生成物は、焼成処理に供する。これにより、Mn及び金属元素Mを含む複合酸化物(Mn系複合酸化物)が得られる。 The product produced in step 2 is subjected to a calcination treatment. This results in a composite oxide containing Mn and the metal element M (Mn-based composite oxide).
焼成処理の方法は特に限定的ではなく、公知の焼成方法を広く採用することができる。例えば、焼成処理の温度は、200℃以上とすることができる。また、得られる複合酸化物の結晶化度が低くなりやすいという点で、焼成処理の温度は、600℃以下とすることが好ましい。好ましい焼成温度は250~480℃、より好ましい焼成温度は290~450℃、さらに好ましい焼成温度は300~400℃である。 The calcination method is not particularly limited, and a wide variety of known calcination methods can be used. For example, the calcination temperature can be 200°C or higher. Furthermore, since the crystallinity of the resulting composite oxide tends to be low, it is preferable that the calcination temperature be 600°C or lower. The preferred calcination temperature is 250 to 480°C, more preferably 290 to 450°C, and even more preferably 300 to 400°C.
焼成時間は、焼成温度によって適宜選択すればよく、例えば、1.5~5時間とすることができる。工程2において、焼成を行う際の昇温速度も特に限定されず、適宜設定することができ、例えば、1~10℃/分である。 The firing time can be selected appropriately depending on the firing temperature, and can be, for example, 1.5 to 5 hours. The temperature rise rate during firing in Step 2 is also not particularly limited and can be set appropriately, for example, at 1 to 10°C/min.
焼成処理は、空気中及び不活性ガス雰囲気中のいずれで行ってもよい。好ましくは、空気中で焼成処理を行うことである。焼成処理は、例えば、市販の加熱炉等の公知の加熱装置を使用することができる。 The calcination process may be carried out in air or in an inert gas atmosphere. Calcination is preferably carried out in air. For the calcination process, a known heating device such as a commercially available heating furnace can be used.
焼成処理により、不純物等が除去されて高い純度のMn及び金属元素Mを含む複合酸化物が形成される。 By firing, impurities are removed and a highly pure composite oxide containing Mn and the metal element M is formed.
以上の工程1及び工程2を備える製造方法で得られる複合酸化物を直接VOC除去触媒として用いることができ、必要に応じて、複合酸化物に他の添加剤を混合してVOC除去触媒とすることもできる。VOC除去触媒は、Mn及び金属元素Mを含む複合酸化物のみであってもよい。 The composite oxide obtained by the manufacturing method comprising steps 1 and 2 above can be used directly as a VOC removal catalyst, or, if necessary, other additives can be mixed with the composite oxide to produce a VOC removal catalyst. The VOC removal catalyst may consist solely of a composite oxide containing Mn and the metal element M.
特に、工程1でゲル化剤として澱粉を使用した場合は、前述のように、得られる複合酸化物は空孔が多くなって結晶化度が低下し、これにより、構造欠陥が多くなって触媒活性が向上しやすくなる。この結果、工程1でゲル化剤として澱粉を使用して得られるVOC除去触媒は、より低温であってもVOCの除去効率に優れるものである。この観点から、工程1及び工程2を備える製造方法で得られる複合酸化物は、アモルファスが主相であることが好ましい。 In particular, when starch is used as the gelling agent in step 1, as mentioned above, the resulting composite oxide has more voids and a lower degree of crystallinity, which increases structural defects and makes it easier to improve catalytic activity. As a result, the VOC removal catalyst obtained by using starch as the gelling agent in step 1 has excellent VOC removal efficiency even at lower temperatures. From this perspective, it is preferable that the composite oxide obtained by the production method comprising steps 1 and 2 has an amorphous main phase.
本発明の製造方法は、工程1及び工程2を備えるものであり、特にゲル化剤を使用してゲル化させたゲル状前駆体をエッチングすることに特徴を有するものであり、毒性の低い原料だけでVOC除去効率に優れる触媒を容易に製造することができる。必ずしも限定的な解釈を望むものではないが、本発明の製造方法はゲル状前駆体のエッチング処理を備えていることにより、得られる複合酸化物は、マンガンと金属元素M(例えば、コバルト)が均一に分散したものと考えられる。特に、エッチング対象がゲル状であることで、金属元素Mがより分散しやすくなり、マンガンと金属元素M(例えば、コバルト)が均一に分散しやすい。この結果、複合酸化物は高い比表面積を有し、かつ、低い結晶化度を有するので、いわゆる構造欠陥が多くなり、多くの酸素空孔と活性種が提供されるので、VOC除去触媒は低温であっても効率よくVOCを除去することができるものと推察される。 The manufacturing method of the present invention comprises steps 1 and 2, and is particularly characterized by etching a gel precursor gelled using a gelling agent. This allows for the easy production of a catalyst with excellent VOC removal efficiency using only low-toxicity raw materials. While not intended to be limiting, the manufacturing method of the present invention includes etching the gel precursor, and it is believed that the resulting composite oxide has uniformly dispersed manganese and metal element M (e.g., cobalt). In particular, the etching target being gel-like makes it easier for metal element M to disperse, facilitating the uniform dispersion of manganese and metal element M (e.g., cobalt). As a result, the composite oxide has a high specific surface area and low crystallinity, resulting in numerous so-called structural defects, providing numerous oxygen vacancies and active species. It is therefore believed that the VOC removal catalyst can efficiently remove VOCs even at low temperatures.
本発明の製造方法で生成するMn及び金属元素Mを含む複合酸化物は、例えば、Mn元素を1~35モル%含有することが好ましい。この場合、VOC除去触媒はVOCの除去効率が高まりやすい。またMn及び金属元素Mを含む複合酸化物は、金属元素Mを5~40モル%含有することが好ましい。この場合、VOC除去触媒はVOCの除去効率が高まりやすい。当該複合酸化物は、金属元素Mを6モル%以上含有することがより好ましく、7モル%以上含有することがさらに好ましく、8モル%以上含有することが特に好ましく、また、30モル%以下含有することがより好ましく、20モル%以下含有することがさらに好ましい。本発明の製造方法で生成するMn及び金属元素Mを含む複合酸化物は、さらに酸化物由来の酸素及び酸化剤由来のカリウム等を含み得る。 The composite oxide containing Mn and the metal element M produced by the production method of the present invention preferably contains, for example, 1 to 35 mol% Mn. In this case, the VOC removal catalyst is likely to have a high VOC removal efficiency. The composite oxide containing Mn and the metal element M preferably contains 5 to 40 mol% M. In this case, the VOC removal catalyst is likely to have a high VOC removal efficiency. The composite oxide more preferably contains 6 mol% or more of the metal element M, even more preferably 7 mol% or more, and particularly preferably 8 mol% or more, and more preferably 30 mol% or less, and even more preferably 20 mol% or less. The composite oxide containing Mn and the metal element M produced by the production method of the present invention may further contain oxygen derived from the oxide and potassium derived from the oxidizing agent.
2.VOC除去触媒
本発明のVOC除去触媒は、Mn及び金属元素Mを含む複合酸化物を含有し、前記金属元素Mが遷移金属、希土類元素及び貴金属元素からなる群より選ばれる少なくとも1種であり、前記複合酸化物は、主相がアモルファスである。斯かるVOC除去触媒は、例えば、前述の工程1及び工程2を備える本発明の製造方法で製造することができる。
2. VOC Removal Catalyst The VOC removal catalyst of the present invention contains a composite oxide containing Mn and a metal element M, where the metal element M is at least one selected from the group consisting of transition metals, rare earth elements, and noble metal elements, and the composite oxide has an amorphous main phase. Such a VOC removal catalyst can be produced, for example, by the production method of the present invention comprising the above-mentioned steps 1 and 2.
金属元素Mは、より具体的には、Co、Fe、Ni、Cu、Zn、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Ir、Ru、W等の遷移金属元素;La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Ho、Yb等の希土類金属元素;Pt、Rh、Pd、Ag、Au等の貴金属元素を挙げることができる。中でも、より優れたVOC除去効率をもたらすVOC除去触媒が得られやすいという点で、金属元素Mは、Co、Fe、Ni、Cu、Zn、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Ir、Ru及びWからなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましく、Coであることがさらに好ましい。 More specifically, examples of the metal element M include transition metal elements such as Co, Fe, Ni, Cu, Zn, Ti, V, Zr, Nb, Mo, Ir, Ru, and W; rare earth metal elements such as La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Ho, and Yb; and noble metal elements such as Pt, Rh, Pd, Ag, and Au. Among these, in terms of the ease with which a VOC removal catalyst that provides superior VOC removal efficiency can be obtained, it is preferable that the metal element M be at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Cu, Zn, Ti, V, Zr, Nb, Mo, Ir, Ru, and W, and Co is even more preferable.
前記複合酸化物は、主相がアモルファスであり、具体的には、前記複合酸化物に含まれる結晶相が10質量%以下、好ましくは5質量%以下、より好ましくは1質量%以下である。前記複合酸化物の主相がアモルファスであることで、VOC除去触媒は、低温であってもVOCの除去効率が高まりやすい。複合酸化物の主相がアモルファスであることは、XRDスペクトルから判断することができる。 The composite oxide has an amorphous main phase; specifically, the crystalline phase contained in the composite oxide is 10% by mass or less, preferably 5% by mass or less, and more preferably 1% by mass or less. When the composite oxide has an amorphous main phase, the VOC removal catalyst tends to have high VOC removal efficiency even at low temperatures. Whether the composite oxide has an amorphous main phase can be determined from the XRD spectrum.
前記複合酸化物のBET比表面積は、80m2/g以上であることが好ましく、90m2/g以上であることがより好ましく、95m2/g以上であることがさらに好ましく、100m2/g以上であることが特に好ましい。 The BET specific surface area of the composite oxide is preferably 80 m 2 /g or more, more preferably 90 m 2 /g or more, even more preferably 95 m 2 /g or more, and particularly preferably 100 m 2 /g or more.
本発明のVOC除去触媒は、前記複合酸化物のみで形成することができ、あるいは、本発明の効果が阻害されない程度である限りは、前記複合酸化物以外の成分を含むこともできる。 The VOC removal catalyst of the present invention can be formed solely from the above-mentioned complex oxide, or it can contain components other than the above-mentioned complex oxide, as long as the effects of the present invention are not impaired.
前記複合酸化物は、Mn元素を1~35モル%含有することが好ましい。この場合、VOC除去触媒はVOCの除去効率が高まりやすい。前記複合酸化物は、Mn元素を5モル%以上含有することがより好ましく、10モル%以上含有することがさらに好ましく、15モル%以上含有することが特に好ましく、また、30モル%以下含有することがより好ましく、25モル%以下含有することが特に好ましい。また、複合酸化物は、金属元素Mを5~40モル%含有することが好ましい。この場合、VOC除去触媒はVOCの除去効率が高まりやすい。当該複合酸化物は、金属元素Mを6モル%以上含有することがより好ましく、7モル%以上含有することがさらに好ましく、8モル%以上含有することが特に好ましく、また、30モル%以下含有することがより好ましく、20モル%以下含有することがさらに好ましい。 The composite oxide preferably contains 1 to 35 mol% Mn element. In this case, the VOC removal catalyst is likely to have a high VOC removal efficiency. The composite oxide more preferably contains 5 mol% or more Mn element, even more preferably 10 mol% or more, particularly preferably 15 mol% or more, more preferably 30 mol% or less, and particularly preferably 25 mol% or less. The composite oxide also preferably contains 5 to 40 mol% metal element M. In this case, the VOC removal catalyst is likely to have a high VOC removal efficiency. The composite oxide more preferably contains 6 mol% or more metal element M, even more preferably 7 mol% or more, particularly preferably 8 mol% or more, more preferably 30 mol% or less, and even more preferably 20 mol% or less.
前記複合酸化物は、Mn元素及び金属元素M以外に酸素を含む。酸素は、前記複合酸化物中、例えば、50モル%以上、70モル%以下含まれる。前記複合酸化物は、Mn元素、金属元素M及び酸素以外に、例えば、合成時に使用する酸化剤由来の金属元素(例えば、カリウム等の金属元素)を含み得る。 The composite oxide contains oxygen in addition to the Mn element and the metal element M. The oxygen content of the composite oxide is, for example, 50 mol % or more and 70 mol % or less. In addition to the Mn element, the metal element M, and oxygen, the composite oxide may also contain, for example, a metal element (e.g., a metal element such as potassium) derived from the oxidizing agent used during synthesis.
前記複合酸化物は、Mnの酸化物と、金属元素Mの酸化物の混合物であっても良いし、Mn及び金属元素Mが固溶体を形成した複合酸化物であってもよいし、Mnの酸化物の一部のMnが金属元素で置き換えられた複合酸化物であっても良い。 The composite oxide may be a mixture of an oxide of Mn and an oxide of the metal element M, a composite oxide in which Mn and the metal element M form a solid solution, or a composite oxide in which some of the Mn in the Mn oxide has been replaced with a metal element.
本発明のVOC除去触媒に含まれる前記複合酸化物は、例えば、粉末状である。前記複合酸化物の形状は特に限定されず、例えば、粒子状、多角形状、鱗片状、繊維状、棒状等の種々の形状を形成することができ、中でもナノ粒子状であることが好ましい。 The complex oxide contained in the VOC removal catalyst of the present invention is, for example, in powder form. The shape of the complex oxide is not particularly limited, and it can be formed into various shapes such as particles, polygons, scales, fibers, and rods, among which nanoparticles are preferred.
3.VOC除去方法
本発明のVOC除去方法は、前述のVOC除去触媒、又は、前記工程1及び前記工程2を備える製造方法で得られたVOC触媒を用いてVOCを燃焼する工程を備える。
3. VOC Removal Method The VOC removal method of the present invention comprises a step of burning VOCs using the above-described VOC removal catalyst or a VOC catalyst obtained by a production method comprising steps 1 and 2.
例えば、VOC除去触媒を反応器内に収容し、該反応器にトルエン等のVOCを導入し、所定の温度で処理することで、VOCを燃焼する。これにより、VOCを除去することができる。必要に応じて、反応器内には窒素と酸素の混合ガスを流入させ、VOCを燃焼させる。 For example, a VOC removal catalyst is placed in a reactor, and VOCs such as toluene are introduced into the reactor and treated at a predetermined temperature to combust the VOCs. This allows the VOCs to be removed. If necessary, a mixed gas of nitrogen and oxygen is introduced into the reactor to combust the VOCs.
VOCの除去にあたり、使用する反応器の種類は特に限定されず、例えば、VOCの触媒燃焼で使用される公知の反応器を広く使用することができる。反応器内でのVOCの処理温度は特に限定されず、公知のVOCの除去のために設定される処理温度と同様とすることができる。特に本発明では、上記VOC除去触媒を使用することで、低温であってもVOC除去効率に優れる。 There are no particular restrictions on the type of reactor used to remove VOCs; for example, a wide range of known reactors used in catalytic combustion of VOCs can be used. The VOC treatment temperature in the reactor is also not particularly limited, and can be the same as the treatment temperature set for known VOC removal. In particular, the present invention achieves excellent VOC removal efficiency even at low temperatures by using the above-mentioned VOC removal catalyst.
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例の態様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.
(実施例1)
5mmolのCo(NO3)2・6H2Oを50mLの脱イオン水に溶解して調製した硝酸水溶液をビーカーに加え、そこで2gの馬鈴薯澱粉を加えて室温で10分間撹拌した後、70℃の水浴中で90分間撹拌し、赤色のゲル状前駆体(ゼラチン状物質)を得た。その後、ビーカーを室温(25℃)まで冷却してから、さらに10mmolのKMnO4水溶液(40mL)を注ぎ、黒色沈殿物が生成するまで室温で撹拌した。得られた黒色沈殿物は、エタノール-水混合溶媒によって数回洗浄し、その後、遠心分離によって黒色沈殿物を回収し、60℃で12時間乾燥させた。次いで、黒色沈殿物を、空気中350℃で3時間にわたって焼成処理し、複合酸化物を得た。この複合酸化物を「MnCoαOβ」と表記し、VOC除去触媒とした。
Example 1
A nitric acid solution prepared by dissolving 5 mmol of Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O in 50 mL of deionized water was added to a beaker, and 2 g of potato starch was added. The mixture was stirred at room temperature for 10 minutes, followed by stirring in a 70°C water bath for 90 minutes to obtain a red gel precursor (gelatinous substance). The beaker was then cooled to room temperature (25°C), and 10 mmol of KMnO 4 aqueous solution (40 mL) was added and stirred at room temperature until a black precipitate formed. The resulting black precipitate was washed several times with an ethanol-water mixed solvent, then collected by centrifugation and dried at 60°C for 12 hours. The black precipitate was then calcined in air at 350°C for 3 hours to obtain a composite oxide. This composite oxide was designated "MnCoαOβ" and used as a VOC removal catalyst.
(比較例1)
5mmolのCo(NO3)2・6H2Oを50mLの脱イオン水に溶解して調製した硝酸水溶液をビーカーに加え、そこで2gの馬鈴薯澱粉を加えて室温で10分間撹拌した後、70℃の水浴中で90分間撹拌し、赤色のゲル状前駆体(ゼラチン状物質)を得た。ゲル状前駆体、60℃で12時間乾燥し、次いで、空気中350℃で3時間にわたって焼成処理し、コバルトの酸化物を得た。このコバルトの酸化物を「CoOx」と表記し、VOC除去触媒とした。
(Comparative Example 1)
A nitric acid solution prepared by dissolving 5 mmol of Co( NO3 ) 2.6H2O in 50 mL of deionized water was added to a beaker, and 2 g of potato starch was added thereto . The mixture was stirred at room temperature for 10 minutes, followed by stirring in a water bath at 70°C for 90 minutes to obtain a red gel precursor (gelatinous substance). The gel precursor was dried at 60°C for 12 hours and then calcined in air at 350°C for 3 hours to obtain cobalt oxide. This cobalt oxide was designated "CoOx" and used as a VOC removal catalyst.
(比較例2)
ビーカー内で、2gの馬鈴薯澱粉を脱イオン水50mLに分散させ、室温で10分間撹拌した後、そのビーカーを70℃の水浴中で90分間撹拌し、ゲル状前駆体(ゼラチン状物質)を得た。その後、ビーカーを室温(25℃)まで冷却してから、さらに10mmolのKMnO4水溶液(40mL)を注ぎ、黒色沈殿物が生成するまで室温で撹拌した。得られた黒色沈殿物は、エタノール-水混合溶媒によって数回洗浄し、その後、遠心分離によって黒色沈殿物を回収し、60℃で12時間乾燥させた。次いで、黒色沈殿物を、空気中350℃で3時間にわたって焼成処理し、酸化物を得た。この酸化物を「MnOx」と表記し、VOC除去触媒とした。
(Comparative Example 2)
In a beaker, 2 g of potato starch was dispersed in 50 mL of deionized water and stirred at room temperature for 10 minutes. The beaker was then placed in a 70°C water bath and stirred for 90 minutes to obtain a gel precursor (gelatinous substance). The beaker was then cooled to room temperature (25°C), and 10 mmol of KMnO4 aqueous solution (40 mL) was poured into the dispersion and stirred at room temperature until a black precipitate formed. The resulting black precipitate was washed several times with an ethanol-water mixed solvent, then collected by centrifugation and dried at 60°C for 12 hours. The black precipitate was then calcined in air at 350°C for 3 hours to obtain an oxide. This oxide was designated "MnOx" and used as a VOC removal catalyst.
<評価方法>
(VOC除去試験)
図1に示す概略フローにより、各実施例で得たVOC除去触媒のトルエン除去試験を行った。この試験では、管状反応器内にVOC除去触媒(図中のCatalyst)を石英ウールで挟み込むように充填し、そこへトルエンを所定の流速で流入させて反応させることで、トルエンを除去するようにした。図1に示すように、反応器は、酸素ボンベ及び窒素ボンベと連結しており、反応器内に酸素及び窒素を流入できるようにしている。トルエン除去試験の条件として、内径8mmのガラス反応器を使用し、そこへVOC除去触媒の充填量を50mgとし、反応器内のトルエン濃度を1000体積ppmとなるようにした。また、反応器内へのキャリアー用窒素ガス流量を35cm3/min、トルエン導入用窒素ガス流量を5cm3/min、酸素ガス流量を10cm3/minとした。反応器内での反応温度を130~300℃の範囲の種々の温度に調節して、トルエン除去特性を評価した。なお、130~200℃の範囲では10℃毎に3回サンプリングをし、200~250℃の範囲では5℃毎に3回サンプリングをし、260~300℃の範囲では10℃毎に3回サンプリングをした。VOC濃度の測定は、島津製作所社製「GC-2014ガスクロマトグラフ」を使用した。また、反応器出口から排出される二酸化炭素濃度をHORIBA社製FT-IRガス分析装置「FG-120」を使用して計測した。
<Evaluation method>
(VOC removal test)
A toluene removal test was conducted on the VOC removal catalyst obtained in each example according to the schematic flow chart shown in Figure 1. In this test, a tubular reactor was filled with the VOC removal catalyst (Catalyst in the figure) sandwiched between quartz wool, and toluene was introduced into the reactor at a predetermined flow rate to cause a reaction, thereby removing the toluene. As shown in Figure 1, the reactor was connected to an oxygen cylinder and a nitrogen cylinder, allowing oxygen and nitrogen to flow into the reactor. The toluene removal test was conducted using a glass reactor with an inner diameter of 8 mm, with a VOC removal catalyst loading of 50 mg and a toluene concentration of 1,000 ppm by volume in the reactor. The flow rate of the nitrogen gas carrier into the reactor was 35 cm 3 /min, the nitrogen gas flow rate for introducing toluene was 5 cm 3 /min, and the oxygen gas flow rate was 10 cm 3 /min. The reaction temperature in the reactor was adjusted to various temperatures ranging from 130 to 300°C, and the toluene removal characteristics were evaluated. Sampling was performed three times every 10°C in the temperature range of 130 to 200°C, three times every 5°C in the temperature range of 200 to 250°C, and three times every 10°C in the temperature range of 260 to 300°C. A Shimadzu GC-2014 gas chromatograph was used to measure the VOC concentration. The carbon dioxide concentration discharged from the reactor outlet was measured using a HORIBA FG-120 FT-IR gas analyzer.
図2は、実施例1及び比較例1~2で得た触媒のSEM画像を示している。実施例1の触媒では不規則ナノ粒子状であるのに対し、比較例1(CoOx)は不規則なフレークとブロックで構成され、比較例2(MnOx)は表面が滑らかなバルク状で構成されていた。 Figure 2 shows SEM images of the catalysts obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. The catalyst in Example 1 was in the form of irregular nanoparticles, while Comparative Example 1 (CoOx) was composed of irregular flakes and blocks, and Comparative Example 2 (MnOx) was composed of a bulk with a smooth surface.
表1には、EDS分析によって、実施例1及び比較例1~2で得た触媒の各元素分析を行った結果を示している。 Table 1 shows the results of elemental analysis of the catalysts obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, performed by EDS analysis.
図3は、実施例1及び比較例1~2で得た触媒のXRDスペクトルを示している。XRDスペクトルにおいて、比較例1(CoOx)は、Co3O4相の鋭い回折ピークを示すことが認められ、比較例2(MnOx)は、MnO2及びK2Mn4O8相を含む多相混合物であることがわかった。一方、実施例1のMnCoαOβは、Co3O4相の弱い回折ピークを示し、マンガン種に関連する回折ピークは認められなかった。この結果は、実施例1のMnCoαOβは、多くのアモルファス相が形成していることを示唆しており、結晶化度が10質量%以下となり、構造欠陥が多く形成されたものであった。 3 shows the XRD spectra of the catalysts obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. In the XRD spectra, Comparative Example 1 (CoOx) was found to exhibit a sharp diffraction peak of the Co3O4 phase, while Comparative Example 2 (MnOx) was found to be a multiphase mixture containing MnO2 and K2Mn4O8 phases . On the other hand, MnCoαOβ of Example 1 exhibited a weak diffraction peak of the Co3O4 phase, and no diffraction peaks related to manganese species were observed. This result suggests that the MnCoαOβ of Example 1 contained a large amount of amorphous phase, had a crystallinity of 10% by mass or less, and had many structural defects.
図4は、実施例1及び比較例1~2で得られた触媒によるVOC除去試験の結果を示している。具体的に図4は、温度(X軸)とトルエン除去率(Y軸)との関係を示すプロットである。また、図4のグラフ中には、各触媒のトルエンの50%分解温度(T50%)、90%分解温度(T90%)、100%分解温度(T100%)の値を挿入している。 Figure 4 shows the results of the VOC removal test using the catalysts obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. Specifically, Figure 4 is a plot showing the relationship between temperature (X axis) and toluene removal rate (Y axis). The graph in Figure 4 also includes the values of the 50% decomposition temperature (T 50% ), 90% decomposition temperature (T 90% ), and 100% decomposition temperature (T 100% ) of toluene for each catalyst.
表2は、図4の結果のまとめであり、実施例1及び比較例1~2で得られた触媒によるVOC除去試験の結果である。図4及び表2の結果から、各実施例で得られたVOC除去触媒は、比較例よりも優れたVOC除去性能を有していることがわかる。従って、各実施例で得られたVOC除去触媒は、代表的なVOC物質の一種であるトルエンの触媒燃焼の触媒として好適に使用できることがわかった。特に、触媒の製造に使用する過マンガン酸カリウムの使用量に依存することがわかった。 Table 2 summarizes the results of Figure 4, showing the results of VOC removal tests using the catalysts obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. The results of Figure 4 and Table 2 show that the VOC removal catalysts obtained in each Example have better VOC removal performance than the Comparative Examples. Therefore, it was found that the VOC removal catalysts obtained in each Example can be suitably used as catalysts for the catalytic combustion of toluene, a typical VOC substance. In particular, it was found that this depends on the amount of potassium permanganate used in producing the catalyst.
Claims (4)
Coを含む原料と、ゲル化剤とを混合してゲル状前駆体を得る工程1と、
前記ゲル状前駆体と、Mnを含む酸化剤とを混合して得られた生成物を焼成して、Mn及びCoを含む複合酸化物を得る工程2とを備え、
前記ゲル化剤が澱粉、寒天およびセルロースからなる群より選ばれる少なくとも1種である、製造方法。 A method for producing a VOC removal catalyst, comprising:
Step 1: Mixing a raw material containing Co with a gelling agent to obtain a gel precursor;
and step 2 of calcining a product obtained by mixing the gel precursor with an oxidizing agent containing Mn to obtain a composite oxide containing Mn and Co.
The method for producing the gelling agent is at least one selected from the group consisting of starch, agar, and cellulose .
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