超臨界水中での炭化水素の部分酸化反応機構の解明

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13750707
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 渡邉 賢 東北大学, 超臨界溶媒工学研究センター, 助手 (40312607)
• キーワード: 超臨界水 / 部分酸化 / 水素 / ポリエチレン / n-ヘキサデカン / アルカリ / ジルコニア / リグニン

研究概要

昨年度の結果から超臨界水中での部分酸化反応がpHなどのイオン的作用によりコントロールできる可能性が示された。今年度はその知見をもとに、下記の項目について研究を行った。
(1)炭化水素の部分酸化反応のイオン的作用によるコントロール
超臨界水中での部分酸化反応を廃棄物のガス化プロセスのためには、水素をいかに効率良く回収するかということが重要である。昨年度の酸・アルカリを加えることで超臨界水のpHを変化させてメタノールの酸化反応を行った結果、いずれの反応条件においても、メタノールの酸化反応の主経路は、メタノールがまずCOに酸化され、その後COがCO_2へと酸化される逐次反応であることが分かり、また、各酸化反応の経路がpHに大きく依存していた。すなわち、pHが低くなるほど(酸性雰囲気)メタノールのCOへの酸化が抑制され、またpHが高い時も(アルカリ雰囲気)、酸性雰囲気と同様にメタノールのCOへの酸化が抑制された。ポリエチレンやn-ヘキサデカンといった重質炭化水素を超臨界水中で部分酸化させ、効率良く水素を回収するためにはまず前駆体となるCOに部分酸化し、その後水性ガスシフト反応により水素にする手法が有力となるが、メタノールの知見から、アルカリ雰囲気が望ましいことになる。したがってここでは、水酸化ナトリウムを添加した実験と固体塩基触媒として研究代表者がその有用性を確認しているジルコニアを添加して、水素の生成量に着目して検討した。その結果、いずれの塩基触媒においても超臨界水中で部分酸化させることで、水素を高い収率で生成できることを明らかにした。
(2)リグニンの部分酸化反応のイオン的作用によるコントロール
これからの社会は循環型であることが望ましく、今後のエネルギーや化学原料資源として有限時間内で再生可能な木質バイオマスの利用が必要不可欠である。木質バイオマスの構成成分で軽質化・化学原料化が困難なものがリグニンであり、ここではこのリグニンからの水素回収法として上記の方法を適用した。その結果、炭化水素の部分酸化同様にいずれの塩基触媒においても超臨界水中で部分酸化させることで、水素を高い収率で生成できることを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] Masaru Watanabe, Hiroshi Inomata, Mitsumasa Osada, Takafumi Sato, Tadafumi Adschri, Kunio Arai: "Catalytic effect of NaOH and ZrO2 for partial oxidative gasification of n-hexadecane and lignin in supercritical water"Fuel. 82. 545-552 (2003)
• [文献書誌] Takafumi Sato, Gaku Sekiguchi, Motofumi Saisu, Masaru Watanabe, Tadafumi Adschiri, Kunio Ara: "Dealkylation and Rearrangement Kinetics of 2-Isopropylphenol in Supercritical Water"Industrial and Engineering Chemistry Research. 41. 3124-3130 (2002)
• [文献書誌] Masaru Watanabe, Hiroshi Inomata, Kunio Arai: "Catalytic Hydrogen Generation from Biomass(Glucose and Cellulose)with ZrO2 in Supercritical Water"Biomass and Bioenergy. 22. 405-410 (2002)
• [文献書誌] Mitsumasa Osada, Katsunori Toyoshima, Takakazu Mizutani, Kimitaka Minami, Masaru Watanabe, Tadafumi Adschiri, Kunio Arai: "Estimation of the degree of hydrogen bonding between quinoline and water by UV-visible absorbance spectroscopy in sub-and supercritical water"Journal of Chemical Physics. 118. 4573-4577 (2003)
• [文献書誌] Takafumi Sato, Masaru Watanabe, Richard L.Smith, Jr., Tadafumi Adschiri, Kunio Arai: "Analysis of the Density Effect on Partial Oxidation of Methane in Supercritical Water"The Journal of Supercritical Fluids. (in press).
• [文献書誌] Masaru Watanabe, Mitsumasa Osada, Hiroshi Inomata, Kunio Arai, Andrea Kruse: "Acidity and basicity of metal oxide catalysts for formaldehyde reaction in supercritical water at 673 K"Applied Catalysis A : General. (in press).