触媒の失活を防ぐには？

はじめに

触媒は、化学反応をより効率的に、より低い温度や圧力で起こすことを可能にするため、多くの工業プロセスにおいて不可欠である。とはいえ、触媒は時間の経過とともに失活する可能性があり、これ は効率の低下とコストの増加につながる。この記事では、触媒の失活を防ぐ方法について説明する。さまざまな触媒のメンテナンスについて、より理解を深めていただければ幸いである。

触媒の失活を防ぐには？

使用中の触媒の失活を防ぐには、触媒の失活の原因を特定することによって、効果的な解決策を見出すことができる。

--中毒

触媒失活の主な原因は中毒である。これは、触媒の可逆的または不可逆的な化学的失活を意味し、触媒活性、安定性、選択性の喪失につながり、工業的触媒プロセスにおいて深刻な問題と経済的損失を引き起こす。図 1 に、酸素添加の有無によるニッケル触媒の H2S による硫黄被毒を示す。

触媒被毒を防止するために、前処理または除去を選択することができる。

• 可逆的であれば、触媒は再利用できる。
• そうでない場合は、触媒を捨てなければならず、大量のエネルギーと費用が無駄になる。しかし、触媒に何らかの前処理を施すことはできる。例えば、ZnOやその他のガードを使えば、硫黄被毒を効果的に軽減できる。
• 毒の完全除去が難しい場合は、不活性化した触媒を除去する。

[1]

図1.硫黄被毒

--焼結

シンタリングも触媒失活の一般的な原因である。シンタリングは、触媒表面積と担体面積の減少を伴う熱変性である。さらに悪いことに、触媒相が非触媒相に移行し、意図した化学反応が阻害される。

シンタリングを防ぐために、材料や環境には十分注意してください。

• アルカリ金属は焼結を促進し、Ba、Ca、Srの酸化物は焼結速度を低下させる。多孔質物質は一般的に焼結率が低くなります。
• 蒸気と塩素は焼結を促進する。さらに、湿った雰囲気、過熱、表面積の減少が、酸化物担体の構造変化を加速する。

--コーキング

コーキングは触媒失活の約 20%を占め、通常プラッギングと関連している。すなわち、触媒細孔内の炭素質やその他の物質が析出し、細孔径を減少させ、反応分子が細孔内に拡散するのを妨げる。

通常、これらの炭素質堆積物は、水蒸気または水素によるガス化によって除去することができ、それぞれCH4、CO、COxを得ることができる。つまり、コーキングの不活性化は可逆的なプロセスなのである。図 2 は、未修飾 HZSM-5 触媒と金属修飾 HZSM-5 触媒におけるコーク析出の模式図である [2]。

[2]

図 2.コーク析出

--その他

触媒の失活を防止するための有用なアプローチは、他にも数多くある。

• 正しい触媒の選択

失活を防止するには、特定の用途に適した触媒を選択するこ とが重要である。触媒の種類によって、安定性や失活に対する耐性は様々である。従って、特定のプロセス条件に適した触媒を選択することが重要である。触媒の設計も重要である。触媒被毒を防ぐために、表面積、細孔径、ペレッ トサイズを変えることができる。

• 触媒を清潔に保つ

触媒が不活性化する主な原因の一つは、触媒表面への不純物の蓄積であ る。このような不純物は、原料や周囲の環境からもたらされることがある。これを防ぐには、システムを定期的にパージするか、供給原料をろ過することが不可欠である。

• 高温を避ける

触媒は高温に弱く、不活性化につながることがある。触媒を、その安全な作動範囲を超える温度にさらさないことが極めて重要である。システムの温度をモニターし、それに応じてプロセスを調整するのがよい。

• 触媒活性の監視

触媒の活性をモニターすることは、触媒性能の変化を検出 するのに役立つ。これは、反応速度を定期的に測定するか、定期的な触媒試験を実施することで達成できる。触媒活性をモニターすることで、問題を早期に発見し、失活を防ぐための是正措置を講じることができる。

結論

一言で言えば、触媒失活の主な原因である被毒、シンタリング、コーキングに対抗するために、上記のステップに従ってほしい。また、運転条件や触媒の適切な選択、使用、メンテナンスにも注意を払うべきである。こうして触媒の寿命を延ばし、工業プロセスの効率向上とコスト削減につなげることができる。

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参考文献

[1] Philipp Wachter, Christian Gaber, Juraj Raic, Martin Demuth, Christoph Hochenauer, (2021).H2SおよびSO2による硫黄被毒と、メタン三元化における市販ニッケル触媒の再生に関する実験的研究[Photograph]. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319920340921.

[2] Balasundram, Vekes & Ibrahim, Norazana & Kasmani, Rafiziana & Isha, Ruzinah & Abd Hamid, Mohd Kamaruddin & Hasbullah, Hasrinah.(2022).金属修飾HZSM-5を用いたバイオマス由来熱分解蒸気のBTXへの触媒アップグレード：A comprehensive review[Photograph]. https://www.researchgate.net/publication/343461067_Catalytic_upgrading_of_biomass-derived_pyrolysis_vapour_over_metal-modified_HZSM-5_into_BTX_a_comprehensive_review