構造を制御した触媒膜の開発と膜型反応への応用

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13555216
• Research Institution: HIROSHIMA UNIVERSITY
• Principal Investigator: 都留 稔了 広島大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (20201642)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 武藤 晴彦 フルーエント・アジアパシフィック(株), シニアエンジニア(研究職) ; 吉岡 朋久 広島大学, 大学院・工学研究科, 助手 (50284162) ; 淺枝 正司 広島大学, 大学院・工学研究科, 教授 (40026224) ; 吉田 和広 中国電力(株), 技術研究所, 研究員(研究職)
• Keywords: 触媒膜 / ゼオライト膜 / シリカ膜 / トルエン / メタノール / キシレン / メタン / 水蒸気改質

Research Abstract

膜型反応器とは,膜分離と触媒反応を一つのシステムにまとめたものである。本研究では.触媒層と分離膜が一体化された触媒膜に焦点を絞り、膜反応特性の評価およびモデル化を行うことを研究目的とする。具体的には,触媒膜の構造として,分離層自体が触媒活性を有するType-a,および,触媒層と分離層が層状に存在するType-bについて,MFIゼオライト膜(Type-a),および,ゾルゲル法によりシリカ/ジルコニア系多孔性膜を製膜後(あるいは前)に触媒を含浸担持した触媒膜(Type-b)の2種類を開発した。
Type-aに関しては,本年度は昨年度に引き続きZSM-5膜を製膜し、トルエンのアルキル化反応に応用した。Na-ZSM-5膜をNH_4C1でイオン交換しH-ZSM-5膜とし,トルエンのメチル化の触媒膜型反応を行った.Si/Al=50膜を用い,400〜500℃において,反応温度が高くなるに従いトルエンの初期反応率は増加し,p-キシレン選択率は約80%と高い値を示した.反応生成物のo-/m-/p-キシレン組成は熱力平衡組成(o-/m-/p-=24/52/24)を超えるp-キシレン選択性を示した。また,Permeate側のトルエン反応率はretentate側よりも常に高いこと,滞留時間に関わらずほぼ一定のp-キシレン選択性を示したことから,ZSM-5触媒膜の有用性が示されたと考えられる。
Type-bの触媒膜として,硝酸ニッケルに含浸し,乾燥・焼成することで,まず,ニッケル担持多孔質支持体を作製し,その上に水素分離機能を有するシリカ膜を製膜した。500℃,メタン/水蒸気比3でのメタン水蒸気改質の膜型反応に適用した。水素を選択的に引き抜くことで,平衡を超えた反応率を得ることが可能であることを示した。また,膜型反応シミュレーションモデルを構築し,実験値とよく一致することを明らかとした。さらに,メタン改質による水素製造の膜型反応器は,2種類の無次元数,Permeation数とDamkohler数で統一的に表せることをシミュレーションより明らかとした。

Research Products

• [Publications] 都留稔了: "多孔質水素分離膜を用いたメタン改質の膜型反応シミュレーション"化学工学論文集. accepted. (2004)
• [Publications] Toshinori Tsuru: "Methane Steam Reforming by Catalytic Membrane Reactors Using Hydrogen-Permselective Microporous Silica Membranes and the Effect of Added Oxygen"AIChE J.. accepted. (2004)
• [Publications] Toshinori Tsuru: "Catalytic membrane reactors for methane reforming using hydrogen permselectiv e silica membranes"Transactions of Materials Research Society of Japan. accepted. (2004)