(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6396045
(24)【登録日】2018年9月7日
(45)【発行日】2018年9月26日
(54)【発明の名称】VOCおよび/または気相無機還元性化合物のオゾン酸化反応方法及び該方法に用いる酸化物超微粒子の製造方法
(51)【国際特許分類】
B01D 53/86 20060101AFI20180913BHJP
B01D 53/72 20060101ALI20180913BHJP
B01D 53/58 20060101ALI20180913BHJP
B01D 53/48 20060101ALI20180913BHJP
B01D 53/54 20060101ALI20180913BHJP
B01D 53/52 20060101ALI20180913BHJP
B01D 53/62 20060101ALI20180913BHJP
C01B 13/10 20060101ALI20180913BHJP
【FI】
B01D53/86 280
B01D53/72
B01D53/58
B01D53/48 100
B01D53/54
B01D53/52
B01D53/62 100
C01B13/10 DZAB
【請求項の数】5
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2014-51021(P2014-51021)
(22)【出願日】2014年3月14日
(65)【公開番号】特開2015-174017(P2015-174017A)
(43)【公開日】2015年10月5日
【審査請求日】2017年2月28日
(73)【特許権者】
【識別番号】592184876
【氏名又は名称】フタムラ化学株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000002820
【氏名又は名称】大日精化工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100098707
【弁理士】
【氏名又は名称】近藤 利英子
(74)【代理人】
【識別番号】100135987
【弁理士】
【氏名又は名称】菅野 重慶
(74)【代理人】
【識別番号】100161377
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 薫
(74)【代理人】
【識別番号】100168033
【弁理士】
【氏名又は名称】竹山 圭太
(72)【発明者】
【氏名】泉 順
(72)【発明者】
【氏名】深堀 香織
(72)【発明者】
【氏名】川上 徹
(72)【発明者】
【氏名】西尾 章
【審査官】
神田 和輝
(56)【参考文献】
【文献】
特開昭53−030978(JP,A)
【文献】
特開平02−251226(JP,A)
【文献】
特開平06−190236(JP,A)
【文献】
特開2007−222697(JP,A)
【文献】
特開平09−313584(JP,A)
【文献】
特開2004−267621(JP,A)
【文献】
特表2006−528055(JP,A)
【文献】
特開2007−125509(JP,A)
【文献】
特開2010−274178(JP,A)
【文献】
特開平04−275922(JP,A)
【文献】
特表2013−501615(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
A61L 9/00−9/12
B01D 53/34−53/96
B01J 21/00−38/74
C01B 13/10
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
VOCおよび/または気相無機還元性化合物を含有するガスをオゾンと混合した後、
混合した前記ガスとオゾンを遷移金属含有酸化物多孔質体と接触させて、VOCおよび/または気相無機還元性化合物とオゾンの促進酸化で、前記VOCおよび/または気相無機還元性化合物の分解を行なう際に、
前記遷移金属含有酸化物多孔質体として、BET比表面積が80m2以上である、Co、Mn及びCuの金属塩の混合水溶液からアルカリによって共沈させた共沈物を熱処理して得られたCo、Mn及びCuの酸化物で構成されてなる超微粒子、または、Coの金属塩水溶液からアルカリによって沈殿させた沈殿物を熱処理して得られたCoの酸化物で構成されてなる超微粒子、のいずれかが、アルミナシリケートで成型されたコルゲートに担持されてなる多孔質体モノリスを使用することを特徴とするVOCおよび/または気相無機還元性化合物のオゾン酸化反応方法。
【請求項2】
前記Co、Mn及びCuの金属塩の混合水溶液が、各金属の全体に対するモル比で、Coは40モル%以下、Mnは30〜70モル%及びCuは25〜45モル%で含む請求項1に記載のオゾン酸化反応方法。
【請求項3】
前記VOCを含有するガスをオゾンと混合する際に、注入オゾン濃度と原料VOC濃度(C1換算)の濃度比が0.8以上となるようにする請求項1または2に記載のオゾン酸化反応方法。
【請求項4】
請求項1〜3のいずれか1項に記載のVOCおよび/または気相無機還元性化合物のオゾン酸化反応方法で用いる、BET比表面積が80m2以上である遷移金属含有酸化物多孔質体を調製する際に使用する金属酸化物からなる超微粒子の製造法であって、Co、Mn及びCuの金属塩の混合水溶液と、アルカリ水溶液を水媒体中に滴下し、前記Co、Mn及びCuの共沈物を析出させ、得られた共沈物を、濾過、水洗、乾燥した後、100〜500℃の範囲で熱処理を施すことを特徴とする酸化物超微粒子の製造方法。
【請求項5】
前記混合水溶液を作る際の、前記金属塩の割合が、各金属の全体に対するモル比で、Coは40モル%以下、Mnは30〜70モル%及びCuは25〜45モル%である請求項4に記載の酸化物超微粒子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は大気汚染防止法で排出規制が強化されつつある揮発性有機化合物(VOC)の処理、悪臭防止法で排出規制が強化されつつある悪臭処理、農作物鮮度保持に当たってのエチレン、アルデヒド、テルペンの除去にあたって、遷移金属含有多孔質体上でオゾンとVOCの酸化反応が促進される現象を利用して、大風量、低濃度のVOCを処理する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
VOCを含有する排ガス処理に於いて最も頻繁に採用されている方法は、排ガスに含まれるVOCを高シリカゼオライトを充填した吸着塔に供給してVOCを吸着除去し,VOCを吸着した高シリカゼオライト吸着塔に高温熱風を供給してVOCを高温脱着させ、減容濃縮して脱着したVOCを触媒燃焼で酸化分解するハニカムローターTSA+触媒燃焼である。又今後普及が予想されるものとしては米国環境保護局(EPA)が提案している強誘電体(チタン酸バリウム等)の充填塔において強誘電体表面で延命放電を行い、ここにVOC含有ガスを供給することで酸化分解する充填塔プラズマ処理 (Packed Bed Plasma VOC Treatment)がある。これらの方法はVOCの処理に対し一定の性能を示しているが、ハニカムローターTSA+触媒燃焼では装置の複雑さと操作の煩雑さによるコスト低減の限界があり、充填塔プラズマ処理ではVOC除去率に限界があり今後のVOC排出規制に対応できない懸念がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
VOC含有ガスにオゾンを加えてVOCの均一気相反応による酸化分解をすることも考えられるが、低濃度VOCに対するオゾン酸化反応が遅いこと、未反応オゾンの処理が煩雑なこと、酸化剤として使用するオゾンの製造コストが高価なことから実用化には至っていない。又オゾン酸化反応の反応効率の向上のためVOCおよびオゾンを高シリカゼオライトに吸着して、VOCおよびオゾンを共吸着して高シリカゼオライト結晶内でオゾンによるVOCのオゾンによる酸化反応の高効率化を計ることが提案されている。この方法においてオゾン反応の高効率化は実現するが、VOCの反応が途中で停止して有機酸が生成して臭気成分になることおよびこの有機酸がゼオライト結晶に蓄積してオゾン酸化反応の反応速度が低下する課題がある。
【課題を解決するための手段】
【0004】
発明者等は気相でのオゾン−VOC酸化反応試験を行う中で遷移金属を含有する多孔質体に、オゾンとVOC(アルコール、ケトン、エステル、エーテル、アルデヒド、芳香族等)が接触したあとVOCがオゾンで高効率に酸化され、未反応なオゾンは酸素に変換することを見いだした。すなわち
[1] VOCを含有するガスをオゾンと混合した後、遷移金属含有酸化物多孔質体と接触させて、VOCとオゾンの促進酸化で、VOCの高効率な分解を行なうことを特長とするVOCのオゾン酸化反応方法。
[2] 前記VOCオゾン酸化反応用遷移金属含有酸化物多孔質体としてCo、Mn、Cuを含む酸化物を単独または複数から選択して調製する酸化物超微粒子を使用する、VOCのオゾン酸化反応方法。
[3] 前記[1]または[2]に記載のVOCオゾン酸化反応用遷移金属含有酸化物の調整法として、Co、Mn、Cuの金属塩から1種類以上を選び混合水溶液を作り、アルカリ溶液と混合することにより沈殿物を生成させて濾過、水洗、乾燥した後、熱処理を施すことを特徴とする酸化物超微粒子の製造方法。
[4] 前記[1]に記載のVOCを含有するガスをオゾンと混合する際、注入オゾン濃度と原料VOC濃度(C1換算)の濃度比が0.8以上となるオゾン酸化反応方法。
[5] 前記[1]〜[3]のいずれかに記載のVOCオゾン酸化反応用遷移金属含有酸化物において、BET比表面積が80m
2以上である酸化物超微粒子粉末。
【発明の効果】
【0005】
本発明において、気相中のオゾン酸化分解反応に比べ、酸化反応速度が10〜100倍程度に達することが確認された。これは、気相に於いてはオゾンはVOC成分以外の第3物質との衝突により酸化分解に寄与することなく分解する頻度が多くなり、その効率はそれ程大きなものとはならない。一方、多孔質体内でのオゾンとVOC成分の酸化反応に於いては、遷移金属がオゾンで酸化状態となり、ここにVOC拡散して遷移金属を還元して、VOCは酸化する酸化−還元反応が進行していると推定している。この効率的なオゾンのVOCの酸化のためのオゾンの消費量は、上記気相反応に比べ大幅に低減され且つ、顕著な反応速度の上昇が達成される。これは従来のオゾン酸化反応の知見においては何ら教示されていないものである。この性質を利用するとVOC処理に於けるオゾンの使用量を大幅に削減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0006】
本発明の一実施態様を図−1に示す。1例として、VOCとしてMEK25ppmを含有する排ガス1,000m
3N/hを一流路通じて遷移金属多孔体充填塔3に供給する。遷移金属多孔体としては、Co、Mn、Cu含有超微粒子酸化物、Co含有超微粒子酸化物等が考えられる。これらのスラリーを、アルミナ、アルミナシリケート、シリカのコルゲートに担持して、乾燥、焼成してモノリスに成型して使用した。同時にオゾン発生機で発生したオゾンを他の流路から前述流路に結び、VOCと混合して、充填塔3に供給する。(充填塔には遷移金属多孔質体が充填されている。ここで入口オゾン濃度/入口VOC濃度(C1換算)比を0.8以上、SV値(1m
3の充填塔当たりの処理ガス流量(m
3N/h)、単位(1/h))を、入口VOC濃度100ppm(C1換算)でSV値10,000以下、入口VOC濃度10ppm(C1換算)でSV値25,000以下、入口VOC濃度1ppm(C1換算)でSV値50,000以下とすると供給されるVOCの90%以上が分解される。
【0007】
VOCとしてMEK25ppmを含有する排ガス1,000m
3N/h 1を流路2に通じて遷移金属多孔体充填塔3に供給する。遷移金属多孔体4としては、Sample−AとしてCo、Mn、Cu含有超微粒子酸化物を、Sample−Bとしては、Co含有超微粒子酸化物を調製した。
【0008】
Sample−Aの調製は、Co、Mn、Cuの金属塩水溶液とアルカリ水溶液を水媒体中に滴下し、各金属の共沈物を析出させた。得られた共沈物を濾過、水洗、乾燥した後100〜500℃の範囲で熱処理を行い、目的とするCo、Mn、Cu含有超微粒子酸化物を得た。この際に使用する各金属の塩は、市販の金属塩であればいずれも使用可能で、硫酸塩、硝酸塩、塩化物などが使用可能である。また使用するアルカリは苛性ソーダ、ソーダ゛灰、重曹などの一般的なアルカリが使用可能である。混合する金属塩の割合は各金属の全体に対するモル比でCoは40モル%以下、Mnは30〜70モル%、Cuは25〜45モル%の範囲が好適である。また、金属塩の濃度は概ね5〜50重量%の範囲が適当である。沈殿条件としては、沈殿pHは遷移金属が沈殿する範囲のpH領域にあれば微細な沈殿が析出でき、概ね5〜14の範囲が適当である。得られた沈殿物は無定形に近いが、結晶をより完全なものにするためには熱処理が必要で、100〜500℃の範囲が良好である。熱処理温度が高いと比表面積が減少し、VOC吸着サイトが減少するため吸着特性が劣化する。
【0009】
Sample−Bの調整はCoの金属溶液とアルカリ水溶液を水媒体中に滴下し、Co金属の沈殿物を得た。得られた沈殿物を濾過、水洗、乾燥した後300〜800℃の範囲で熱処理を行い、目的とするCo含有微粒子酸化物を得た。この際に使用するCo金属の塩は、市販の金属塩であればいずれも使用可能で、硫酸塩、硝酸塩、塩化物などが使用可能である。また使用するアルカリは苛性ソーダ、ソーダ゛灰、重曹などの一般的なアルカリが使用可能である。また金属塩の濃度は概ね5〜50重量%の範囲が適当である。沈殿条件としては、沈殿pHはCo金属が沈殿する範囲のpH領域にあれば微細な沈殿が析出でき、概ね5〜14の範囲が適当である。得られた沈殿物は無定形に近いが、一部結晶化しており、さらに結晶を完全なものにするためには熱処理が必要で、300〜800℃の範囲が良好である。熱処理温度が高いと比表面積が減少し、VOC吸着サイトが減少するため吸着特性が劣化する。
【0010】
上記記載の製造法によるSample−A、Sample−Bは各金属の酸化物や炭酸塩、塩基性炭酸塩、シュウ酸塩などを組み合わせて乾式混合し、焼成することにより製造が可能であるが、各金属の酸化物などの混合原料は1次粒子が大きく、焼成して得られる粉末の粒子径はサブミクロンが限界で、それ以下の粒子径を作ることは難しい。従って、比表面積も数m
2程度で、吸着サイトの少ない粉末になる。それに対し、上記記載の湿式法による粉末は場合により、100m
2を超えるサンプルを作ることができるため、当該VOC除去に極めて有用である。
【0011】
このようにして得られた超微粒子遷移金属酸化物を10w%のスラリーとして、アルミナシリケートで成型されたコルゲート(平板と波状板を交互に積層した基材(平板間隔2mm、波状板山−山間隔2mm、板厚0.2mm)に担持して、250℃で乾燥、焼成してモノリスに成型して使用した。また参照のために従来法であるゼオライトとしてSiO
2/Al
2O
3比100の超安定Y型ゼオライト(USY)モノリスに成型して使用した。また同時にオゾン発生機5で発生したオゾン(最大500g/hr)を流路6から流路2に結び、VOCと混合して、充填塔3に供給する。(充填塔3は直径60cm、高さ30cmの大きさでありここに80Lの遷移金属多孔質体4が充填されている。(空塔速度は1m/sec、SV値は10,0001/hで有る。)オゾン酸化分解後の排ガスは流路7から流過するので採取ライン8から排ガスを採取して反応生成物、未反応オゾン、未反応VOCの濃度計測を行い本発明の有効性を検証した。本発明の試験条件及び各種シリカ多孔質体のオゾン酸化分解特性を吸着工程出口MEK濃度、O
3濃度で評価したのでこれを表−1に示す。
【0012】
【表-1】
【実施例】
【0013】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する
表−1に基づき、遷移金属多孔体として、1:共沈法で調製したCo、Mn、Cu酸化物を含有する超微粒子から構成される多孔質体モノリス(Sample−A)、2:沈殿法で調製したCo酸化物を含有する超微粒子から構成される多孔質体モノリス(Sample−B)、3:参照として公知多孔質体として超安定Y型ゼオライト(USY)(Sample−C)からなるモノリスを充填塔に充填して、VOCのオゾン酸化反応による分解性能を評価した。
試験では、1)入口ガス量/充填塔体積比(SV値(1/hr)、2)入口オゾン濃度/入口MEK濃度(C1換算)比、3)入口オゾン濃度(C1換算)を変更して、A)MEKの流過率(MEK出口/入口濃度比)、B)オゾン流過率(オゾン出口/入口濃度比)で評価した。
【0014】
試験結果及び結果に基づく評価を表−2a、表−2b、表−2cに示す。
表−2の試験条件でRunをハイフンで結ぶ3桁の数字で表したが、左端の数字が、1は、共沈法で調製したCo、Mn、Cu含有酸化物超微粒子モノリスを表し、2は、沈殿法で調製したCo含有酸化物超微粒子モノリスを表し、3は、USYモノリスを表す。次に中央の数字が、1は、実験変数の入口ガス量の変更を表し、2は、入口オゾン量の変更を表し、3は、入口MEK濃度の変更を表した。
右端の数字は、各モノリス、実験変数に於ける実験条件を表している。
この表記に基づき、Sample−Aの試験結果を表−2aに記し、Sample−Bの結果を表−2b、Sample−Cの結果を表−2cに記した。
【0015】
【表-2a】
【0016】
【表-2b】
【0017】
【表-2c】
【0018】
(入口ガス量依存性)
入口ガス量を、5,000m
3N/hから250m
3N/h迄変更すると、SV値は、60,000から3,000に低下する。この時、Sample−Aでは、MEK流過率は、36%から1.2%に低下する。Sample−Bでは、43%から1.4%に変化し、Sample−Cでは、64.8%から5.4%に変化する。
Co,Mn,Cu酸化物超微粒子(Sample−A)が最も良い性能を示し、Co含有酸化物超微粒子(Sample−B)がこれに続き、USY(Sample−C)の性能はかなり低い。
【0019】
(オゾン注入量依存性)
入口オゾン濃度/入口MEK濃度(C1換算)比が1.3から0.8の間で変更するように、オゾンの注入量を、0.27−0.17kg/hの間で注入量を変更した。
Sample−Aでは、MEK流過率は、4%から20%に上昇する。このことから、入口オゾン濃度/入口MEK濃度(C1換算)比は、1以上を保持することが必要であり、C1換算MEK濃度に対応して、入口オゾン濃度/入口MEK濃度(C1換算)比>1での、オゾンの注入でMEK流過率10%以下が達成できる。ここでも、MEK分解性能は、Sample−A,Sample−B,Sample−Cの順で有り、USYに比べ遷移金属多孔質体のVOC分解性能の顕著な優位性が確認できた。
【0020】
(MEK濃度依存性)
入口MEK濃度(C1換算)を100から1ppmの間で変更して、MEK流過率が10%以下となる入口流量を調整した。
【0021】
Sample−Aを例にすると、MEK濃度100ppmでは、MEK流過率10%以下を確保できる、入口流量は1,000m
3N/h程度(SV10,000)である。ここでMEK濃度を10ppmに下げると流過率10%以下を確保できる流量は2,500m
3N/h程度(SV25,000)となり、MEK濃度1ppmでは、入口ガス量5,000m
3N/h(SV50,000)でもMEK流過率10%以下が達成できる。これから判るように、MEK入口濃度が下がると、より大きなSV値(少ない充填量)でMEK分解性能が達成できることが判る。ここでも、MEK分解性能は、Sample−A,Sample−B,Sample−Cの順で有り、USYに比べ遷移金属多孔質体のVOC分解性能の顕著な優位性が確認できた。
【0022】
(VOCの種類への汎用性)
入口ガス量を、1,000m
3N/h、SV値は、12,000、使用する遷移金属多孔質体は、MEKオゾン処理で最も良好なオゾン分解性能を示した、Co,Mn,Cu系多孔質体のSample−Aを充填し、注入オゾン濃度/VOC濃度(C1換算)比1.2として、処理対象VOCとしてMEKに替えて、1)酢酸エチル100ppm asC1(25ppm as 酢酸エチル)、2)シクロヘキサノン100ppm asC1(16.6ppm as シクロヘキサノン)、3)トルエン100ppm asC1(14.3ppm as トルエン)、4)スチレン100ppm asC1(12.5ppm as スチレン)、5)キシレン100ppm asC1(12.5ppm as キシレン)、6)アセトアルデヒド100ppm asC1(50ppm as アセトアルデヒド)、7)プロピオンアルデヒド50ppm asC1(16.6ppm as プロピオンアルデヒド)、8)プロピオン酸50ppm asC1(16.6ppm as プロピオン酸)、9)酢酸150ppm asC1(75ppm as 酢酸)のオゾン酸化処理を行った。この時の流過率は、1)酢酸エチル3%、2)シクロヘキサノン6%、3)トルエン8%、4)スチレン6%、5)キシレン5%、6)アセトアルデヒド15%、7)プロピオンアルデヒド10%、8)プロピオン酸4%、9)酢酸3%の良好な分解性能を示した。
【0023】
(気相無機還元性化合物への適用)
入口ガス量を、1,000m
3N/h、SV値は、12,000、使用する遷移金属多孔質体は、VOCオゾン処理で最も良好なオゾン分解性能を示した、Co、Mn、Cu系多孔質体のSample−Aを充填し、注入オゾン濃度/気相無機還元性化合物濃度比2として、処理対象気相無機還元性化合物として、1)アンモニア100ppm、2)メチルメルカプタン10ppm、3)トリメチルアミン100ppm、4)硫化水素10ppm、5)一酸化炭素10ppmのオゾン酸化処理を行った。この時1)アンモニア流過率は、0.5%、2)メチルメルカプタン流過率1%、3)トリメチルアミン流過率6%、4)硫化水素流過率1%、5)一酸化炭素流過率5%の良好な分解性能を示した。
このことから当該発明の適用により、オゾンに対して還元性化合物であるVOCに対し従来全く示唆されなかった処理効率が示された。
【産業上の利用可能性】
【0024】
本発明は大気汚染防止法で排出規制が強化されつつある揮発性有機化合物(VOC)の処理、悪臭防止法で排出規制が強化されつつある悪臭処理、農作物鮮度保持に当たって障害因子となるエチレン、アルデヒド、テルペンの除去のための、大風量、回収するには低濃度のVOCを処理への適用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【
図1】本発明の方法の一実施態様を実施するフローを示す概略図である。
【符号の説明】
【0026】
流路 ―――1、2a、2b、2c、2d、5a、5b、5c、5d、6、8、11
吸着塔―――3a、3b、3c、3d
トルエン吸着塔―――4a、4b、4c、4d
オゾン発生器―――7
オゾン吸着反応器―――9
高シリカゼオライトハニカム―――10
排ガス―――1
流路 ―――2、6、7
遷移金属多孔体充填塔―――3
遷移金属多孔体―――4
オゾン発生機―――5
採取ライン―――8