JP2008132475A - ガスの処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ニッケル含有触媒を用いて、水素、アンモニア、不活性ガス等の原料ガスに含まれる不純物を除去するガスの処理方法において、該ニッケル含有触媒が激しく発熱する危険性を低下し、しかもニッケル含有触媒による原料ガス中の不純物を除去する能力を維持する方法を提供する。
【解決手段】 金属原子数割合でニッケル全体の４０〜９０％が酸化ニッケルである酸化状態のニッケル含有触媒を、金属原子数割合で酸化ニッケルがニッケル全体の２０％以下となるように還元処理し、この還元処理されたニッケル含有触媒に原料ガスを接触させて、該原料ガスから不純物を除去する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、ニッケル含有触媒を用いてガス中の不純物の除去処理を行なう方法に関し、さらに詳しくは、ニッケル含有触媒を還元処理し、これを用いて原料ガスに含まれる不純物の除去処理を行なう方法に関する。

半導体工業においては、水素、アンモニア、あるいは窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが頻繁に使用されているが、これらのガスは極めて高純度であることが要求される。そのため、従来から、ニッケル等の金属からなる触媒を用いて、水素、アンモニア、あるいは不活性ガスに含まれる酸素、一酸化炭素、二酸化炭素等の不純物を極めて低濃度になるまで除去する処理（精製）方法が開発されている。

例えば、粗水素ガスを還元処理されたニッケル触媒と接触させて、該ガスに不純物として含まれる一酸化炭素及び二酸化炭素を除去する方法（特表平８−５０８９６８、特表平８−５０９４５４）、粗アンモニアを還元処理されたニッケル触媒と接触させて、該ガスに不純物として含まれる酸素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を除去する方法（特開平５−１２４８１３、特開平６−１０７４１２）、不活性ガスを還元処理されたニッケル触媒または銅触媒と接触させて、該ガスに不純物として含まれる酸素を除去する方法（特開平７−３１８７７の従来技術）を挙げることができる。
また、ニッケル触媒は、このように各種ガスに含まれる不純物の除去に使用されるほか、例えば各種有機化合物を合成するための触媒として使用されている。

特開平５−１２４８１３号公報 特開平６−１０７４１２号公報 特開平７−３１８７７号公報 特表平８−５０８９６８号公報 特表平８−５０９４５４号公報

前述のニッケル含有触媒は、前処理に手間をかけることなくすぐに利用できるように、また触媒の効果を充分に発揮できるように、通常はニッケルを含む化合物を還元した後に軽く酸化して、空気中で発火せずに取扱える状態とした安定化ニッケル触媒として製造、販売されている。しかしながら、これらの安定化ニッケル触媒であっても、依然として酸化性物質（それ自体は必ずしも可燃性ではないが、酸素を与えることにより通常の物の燃焼を引き起こし、または他の物の燃焼を助長しうる物質）であることから、高温化で自己発熱性であり、輸送している途中等に、何らかの原因で高温度となった周囲の空気中の酸素と反応して発熱し、周囲の物品の発火や爆発の原因となる虞がある。

従って、本発明が解決しようとする課題は、ニッケル含有触媒を用いて、水素、アンモニア、不活性ガス等の原料ガスに含まれる不純物を除去するガスの処理方法において、該ニッケル含有触媒が激しく発熱する危険性を低下し、しかもニッケル含有触媒による原料ガス中の不純物を除去する能力（触媒単位量当たりに対する不純物の除去量）を維持する方法を提供することである。

本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討した結果、不純物を含む原料ガスを、ニッケル含有触媒と接触させて、前記ガスから不純物を除去するガスの処理方法において、高い酸化状態のニッケル含有触媒を還元処理して活性化して使用することにより、激しく発熱する危険性を低下しつつ、酸化処理を行なわない場合と同等の不純物除去能力を発揮することを見出し、本発明のガスの処理方法に到達した。

すなわち本発明は、金属原子数割合でニッケル全体の４０〜９０％が酸化ニッケルである酸化状態のニッケル含有触媒を、金属原子数割合で酸化ニッケルがニッケル全体の２０％以下となるように還元処理し、この還元処理されたニッケル含有触媒に原料ガスを接触させて、該原料ガスから不純物を除去することを特徴とするガスの処理方法である。
また、本発明は、金属原子数割合でニッケル全体の２５〜６０％が酸化ニッケルであるニッケル含有触媒を、金属原子数割合でニッケル全体の４０〜９０％が酸化ニッケルとなるように酸化処理し、この酸化状態のニッケル含有触媒を、金属原子数割合で酸化ニッケルがニッケル全体の２０％以下となるように還元処理し、この還元処理されたニッケル含有触媒に原料ガスを接触させて、該原料ガスから不純物を除去することを特徴とするガスの処理方法でもある。

本発明においては、水素、アンモニア、または不活性ガス等の原料ガスに含まれる不純物を除去する能力（触媒単位量当たりに対する不純物の除去量）を低下させることなく、ニッケル含有触媒が激しく発熱する危険性を低下させることができる。

本発明のガスの処理方法は、ニッケル含有触媒を用いて、水素、アンモニア、または不活性ガス等の原料ガスに含まれる酸素、一酸化炭素、二酸化炭素等の不純物を除去する処理（精製）方法に適用される。原料ガスに含まれる不純物は、通常は５００ｐｐｍ以下である。また、不純物には、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素等のほかに、水素（処理対象ガスが水素の場合を除く）、水、メタン等が含まれていてもよく、原料ガスは複数の不純物を含有していてもよい。

本発明のガスの処理方法において、酸化処理される前のニッケル含有触媒としては、金属ニッケル、またはニッケルの水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、有機酸塩等、還元され易いニッケル化合物を主成分とする原料から調製されるものであればよいが、その酸化状態に関しては、金属原子数割合（ニッケル原子数割合）で、通常はニッケル全体の２５〜６０％、好ましくは３０〜６０％、より好ましくは３０〜５５％である。また、ニッケル以外の金属成分として、クロム、鉄、コバルト、銅等の金属が少量（好ましくは金属原子数割合で金属全体の５０％以下、好ましくは４０％以下、より好ましくは３０％以下）含まれているものであってもよい。これらの原料は単独で用いてもよく、複数を組み合せてもよい。また、ニッケルの表面とガスとの接触効率を高める目的等から、触媒担体等に担持させた形態で使用することが好ましい。

ニッケルを担体に担持させる方法としては、例えば、ニッケル塩の水溶液中に珪藻土、アルミナ、シリカアルミナ、アルミノシリケート、またはカルシウムシリケート等の担体粉末を分散させ、さらにアルカリを添加して担体の粉末上にニッケル成分を沈殿させ、次いで濾過し必要に応じて水洗して得たケーキを８０〜１５０℃で乾燥後、３００℃以上で焼成しこの焼成物を粉砕する方法、あるいはＮｉＣＯ_３、Ｎｉ（ＯＨ）_２、Ｎｉ（ＮＯ_３）_２等の無機塩、ＮｉＣ_２Ｏ_４、Ｎｉ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２等の有機塩を焼成し、粉砕した後、これに耐熱性セメントを混合し焼成する方法が挙げられる。

これらは、通常は、押出成型、打錠成型などで成型体とされ、そのまま、あるいは必要に応じて適当な大きさに破砕して使用される。成型方法としては乾式法あるいは湿式法を用いることができ、その際、少量の水、滑剤等を使用してもよい。また、ニッケル系触媒として例えばＮ−１１１（Ｎｉ−珪藻土）（日揮（株）製）等が市販されているので、それらから選択したものを使用してもよい。要は、金属ニッケル、ニッケル化合物等が微細に分散されて、その表面積が大きくガスとの接触効率の高い形態のものであればよい。

前述のニッケル含有触媒のＢＥＴ比表面積は、通常は１０〜３００ｍ^２／ｇ、好ましくは３０〜２５０ｍ^２／ｇである。また、ニッケル含有触媒全体に対するニッケルの含有率は、通常は５〜９５ｗｔ％、好ましくは２０〜９５ｗｔ％である。ニッケルの含有量が５ｗｔ％よりも少なくなると不純物の除去能力が低くなり、また９５ｗｔ％よりも高くなると水素による還元の際にシンタリングが生じて活性が低下する虞がある。

本発明における酸化状態のニッケル含有触媒は、金属原子数割合でニッケル全体の４０〜９０％が酸化ニッケルであることを要し、好ましくは４５〜８５％、さらに好ましくは５０〜８０％が酸化ニッケルである。ニッケル含有触媒が激しく発熱する危険性は、触媒のニッケル含有率によっても変化し、すなわち、ニッケル含有率がより高い触媒はより高い危険性を有する。従って、ニッケル含有率がより高い触媒であれば、酸化ニッケルの割合がより高い酸化状態とすることが好ましいが、一般に酸化ニッケルの割合が４０％未満であると、ニッケル含有触媒が激しく発熱する危険性を充分に低下させることができず、９０％を超えると還元処理を行なってもニッケル含有触媒の活性が充分に回復しない。

本発明における酸化状態のニッケル含有触媒は、ニッケル全体における酸化ニッケルの比率が前述の金属原子数割合のものであれば、市販品であってもこれをそのまま用いることもできるが、通常は前述のニッケル含有触媒に対して酸化処理を施し、ニッケル全体における酸化ニッケルの比率を上昇させたものが用いられる。例えば前述のニッケル含有触媒を処理容器あるいは処理筒に充填し、１００〜８００℃の加熱下で、空筒線速度（ＬＶ）１００ｃｍ／ｓｅｃ以下、好ましくは５０ｃｍ／ｓｅｃ以下で０．５〜２５時間、好ましくは１〜１５時間、酸素を含むガスと接触させることにより調製することができる。この酸素含有ガスにおける酸素濃度は、酸化処理の開始から終了まで２０％以上としてもよいが、急激な酸化反応を避けるため、開始直後は５％以下の濃度の酸素を含むガスを用い、時間の経過とともに酸素濃度を徐々に増加させ、終了直前に２０〜４０％の濃度の酸素を含むガスと接触させることが好ましい。尚、終了直前に４０％を超える濃度の酸素を含むガスと接触させることも可能である。

本発明において、前述の酸化状態のニッケル含有触媒は、たとえ加熱された場合であっても、周囲の空気中の酸素と激しく反応して発熱する虞がないため、安全に保存したり、車両（自動車、電車等）、船舶、航空機等で目的地に輸送したりすることができる。
また、前述の酸化状態のニッケル含有触媒は、後述する不純物の除去処理に用いられる前に、還元処理により活性化される。還元処理されたニッケル含有触媒の酸化状態は、酸化ニッケルが金属原子数割合でニッケル全体の２０％以下となることを要し、好ましくは１５％以下、さらに好ましくは１０％以下となる。酸化状態のニッケル含有触媒の還元処理は、通常は酸化状態のニッケル含有触媒を、１００〜８００℃、好ましくは１５０〜４００℃の加熱下で、水素を含むガスまたは不活性ガスと接触させることにより行なわれ、該不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴン等が挙げられる。

本発明のガスの処理方法における不純物除去処理は、前述のように調製した還元処理されたニッケル含有触媒が充填された処理筒に、原料ガスを流通することにより行なわれる。原料ガスと還元処理されたニッケル含有触媒の接触温度は、通常は０〜１００℃である。また、原料ガスと還元処理されたニッケル含有触媒の接触時の圧力にも特に制限はなく、常圧、減圧、加圧のいずれでも処理が可能であるが、通常は常圧ないし１．０ＭＰａの加圧下で行なわれる。不純物除去処理時のガスの空筒線速度（ＬＶ）は、供給される原料ガス中の不純物の濃度及び操作条件等によって異なり一概に特定できないが、通常は１００ｃｍ／ｓｅｃ以下、好ましくは５０ｃｍ／ｓｅｃ以下である。

本発明のガスの処理方法においては、前述の酸化状態のニッケル含有触媒を処理筒内に充填し、そこに水素含有ガスまたは不活性ガスを流通することにより還元処理を行ない、さらに原料ガスを流通することにより不純物の除去を行なうことが好ましい。また、より好ましくは、前述の酸化処理される前のニッケル含有触媒を処理筒内に充填し、そこに酸素含有ガスを流通することにより酸化処理を行ない、次に水素含有ガスまたは不活性ガスを流通することにより還元処理を行ない、さらに原料ガスを流通することにより不純物の除去を行なう。このようにすることにより、酸化処理や還元処理後、ニッケル含有触媒の詰替えをすることなく、そのまま還元処理や原料ガスの不純物除去処理に使用することができる。処理筒にニッケル含有触媒を充填して前記の一連の処理を行なう場合、処理筒に充填されるニッケル含有触媒の充填長は、実用上通常は１０〜２０００ｍｍとされる。充填長が１０ｍｍよりも短い場合、ガスの不純物除去処理の際に、不純物の除去率が低下する虞があり、また、２０００ｍｍよりも長い場合、圧力損失が大きくなり過ぎる虞が生じる。

本発明のガスの処理方法においては、還元処理されたニッケル含有触媒が充填された処理筒と、例えば合成ゼオライトが充填されている吸着筒やゲッター材が充填されているゲッター筒を組合せて使用することができる。本発明のガスの処理方法では、主に酸素、一酸化炭素、二酸化炭素を除去することができるが、例えば、原料ガスにさらに水が含まれている場合は、前記の吸着筒との組合せを使用することにより、これらの不純物を全て除去することが可能である。

次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。

［実施例１］
（ニッケル含有触媒の酸化処理）
市販のニッケル含有触媒（金属ニッケル及び酸化ニッケルを含み、Ｎｉ：４５〜４７ｗｔ％、Ｃｒ：２〜３ｗｔ％、Ｃｕ：２〜３ｗｔ％、珪藻土：２７〜２９ｗｔ％、黒鉛：４〜５ｗｔ％、比表面積：１５０ｍ^２／ｇ、直径５ｍｍ、高さ４．５ｍｍの成型体）を用いた。このニッケル含有触媒は、還元した後に軽く酸化して空気中で発火せずに取扱える状態とした安定化ニッケル含有触媒である。また、分析の結果、金属原子数割合でニッケル全体の２９％が酸化ニッケルであった。このニッケル含有触媒を、８〜１０ｍｅｓｈに破砕したものを、内径５４．９ｍｍ、長さ１０００ｍｍのステンレス製の処理筒に、充填長が５００ｍｍとなるように充填した。

処理筒のヒータをニッケル含有触媒の温度が２５０℃となるように加熱するとともに、初め２％、終了時３０％の濃度となるように少しずつ酸素濃度を増加させた酸素と窒素の混合ガスを、１０Ｌ／ｍｉｎの流量で流通し、８時間酸化処理を行なった後、常温に冷却した。次に、処理筒から少量のニッケル含有触媒を取出し分析した結果、金属原子数割合でニッケル全体の４１％が酸化ニッケルであった。また、この酸化処理されたニッケル含有触媒について、以下のような危険性評価試験を行なった。

（ニッケル含有触媒の危険性評価試験）
ニッケル含有触媒の危険性評価試験は、自己発熱性試験（国連勧告試験方法“Manual of Test and Criteria-third revised edition
(ST/SG/AC.10/11/rev.3)” SECTION 33 RELATING TO CLASS 4.:Division 4.2 33.3.3 Substances
liable to spontaneous combustion, Test N.4:Test method for Self-heating
substances.）に準じて、一辺が１０ｃｍのステンレス網立方体の試料容器にニッケル含有触媒を充填し、１４０℃高温槽内部（空気雰囲気下）に吊り下げ、２４時間連続してニッケル含有触媒の温度を測定することにより行なった。最高温度と危険性の有無（２００℃を超えた場合に危険性有とした）の結果を表１に示す。また、一辺が２．５ｃｍのステンレス網立方体の試料容器にニッケル含有触媒を充填して、同様な危険性評価試験を行なった結果を表１に示す。

（ニッケル含有触媒の還元処理）
酸化処理済のニッケル含有触媒が充填された前記と同様の処理筒について、この処理筒のヒータをニッケル含有触媒の温度が２５０℃となるように加熱するとともに、水素を２５００ｍｌ／ｍｉｎの流量で流通し、３時間還元処理を行なった後、常温に冷却した。この間、処理筒から排出するガスの一部をサンプリングし、ガスクロマトグラフにより水分の排出量を測定して還元処理されたニッケル含有触媒の酸化状態を計算した。その結果、還元処理されたニッケル含有触媒は、金属原子数割合でニッケル全体の約１０％が酸化ニッケルであることがわかった。

（不純物の除去処理試験）
次に、２５℃の温度下で、不純物として３０ｐｐｍの二酸化炭素を含む窒素を、０．４ＭＰａの加圧下で２００Ｌ／ｍｉｎの流量で流通し、二酸化炭素の除去処理を行なった。この間、処理筒から排出するガスの一部をサンプリングし、二酸化炭素が検出され始めるまでの時間をガスクロマトグラフにより測定して、ニッケル含有触媒の除去能力（触媒１ｇ当たりに対する二酸化炭素の除去量）を求めた。その結果を表２に示す。また、不純物として二酸化炭素を含む水素、不純物として二酸化炭素を含むアンモニアについても、同様にして除去能力を測定した。さらに、不純物として一酸化炭素を含む窒素、不純物として一酸化炭素を含む水素、不純物として一酸化炭素を含むアンモニア、不純物として酸素を含む窒素、不純物として酸素を含む水素、不純物として酸素を含むアンモニアについても、同様にして除去能力を測定した。これらの結果を表２に示す。

［実施例２］
（ニッケル含有触媒の酸化処理）
実施例１のニッケル含有触媒の酸化処理において、酸化処理条件を変えたほかは実施例１と同様にして、市販のニッケル含有触媒を用いて、金属原子数割合でニッケル全体の５０％が酸化ニッケルであるニッケル含有触媒を調製した。
（ニッケル含有触媒の危険性評価試験）
実施例１と同様にして前記の酸化処理されたニッケル含有触媒の危険性評価試験を行なった。その結果を表１に示す。
（不純物の除去処理試験）
実施例１と同様にして前記のニッケル含有触媒の還元処理を行なった後、実施例１と同様にして不純物の除去処理試験を行なった。その結果を表２に示す。

［実施例３］
（ニッケル含有触媒の酸化処理）
実施例１のニッケル含有触媒の酸化処理において、酸化処理条件を変えたほかは実施例１と同様にして、市販のニッケル含有触媒を用いて、金属原子数割合でニッケル全体の６２％が酸化ニッケルであるニッケル含有触媒を調製した。
（ニッケル含有触媒の危険性評価試験）
実施例１と同様にして前記の酸化処理されたニッケル含有触媒の危険性評価試験を行なった。その結果を表１に示す。
（不純物の除去処理試験）
実施例１と同様にして前記のニッケル含有触媒の還元処理を行なった後、実施例１と同様にして不純物の除去処理試験を行なった。その結果を表２に示す。

［実施例４］
（ニッケル含有触媒の酸化処理）
実施例１のニッケル含有触媒の酸化処理において、酸化処理条件を変えたほかは実施例１と同様にして、市販のニッケル含有触媒を用いて、金属原子数割合でニッケル全体の７９％が酸化ニッケルであるニッケル含有触媒を調製した。
（ニッケル含有触媒の危険性評価試験）
実施例１と同様にして前記の酸化処理されたニッケル含有触媒の危険性評価試験を行なった。その結果を表１に示す。
（不純物の除去処理試験）
実施例１と同様にして前記のニッケル含有触媒の還元処理を行なった後、実施例１と同様にして不純物の除去処理試験を行なった。その結果を表２に示す。

［実施例５］
（ニッケル含有触媒の酸化処理）
実施例１のニッケル含有触媒の酸化処理において、酸化処理条件を変えたほかは実施例１と同様にして、市販のニッケル含有触媒を用いて、金属原子数割合でニッケル全体の８８％が酸化ニッケルであるニッケル含有触媒を調製した。
（ニッケル含有触媒の危険性評価試験）
実施例１と同様にして前記の酸化処理されたニッケル含有触媒の危険性評価試験を行なった。その結果を表１に示す。
（不純物の除去処理試験）
実施例１と同様にして前記のニッケル含有触媒の還元処理を行なった後、実施例１と同様にして不純物の除去処理試験を行なった。その結果を表２に示す。

［比較例１］
（ニッケル含有触媒の危険性評価試験）
実施例１と同様にして市販のニッケル含有触媒の危険性評価試験を行なった。その結果を表１に示す。
（不純物の除去処理試験）
実施例１と同様にして市販のニッケル含有触媒の還元処理を行なった後、実施例１と同様にして不純物の除去処理試験を行なった。その結果を表１に示す。

以上のように、本発明の実施例における酸化処理されたニッケル含有触媒は、比較例のニッケル含有触媒に較べて、原料ガスに含まれる不純物を除去する能力の低下がなく、高温雰囲気下における安全性が高いことが明らかとなった。

Claims (12)

1. 金属原子数割合でニッケル全体の４０〜９０％が酸化ニッケルである酸化状態のニッケル含有触媒を、金属原子数割合で酸化ニッケルがニッケル全体の２０％以下となるように還元処理し、この還元処理されたニッケル含有触媒に原料ガスを接触させて、該原料ガスから不純物を除去することを特徴とするガスの処理方法。
2. 前記酸化状態のニッケル含有触媒を、車両、船舶、及び航空機から選ばれる少なくとも一手段によって輸送した後、前記還元処理を行なう請求項１に記載のガスの処理方法。
3. 前記酸化状態のニッケル含有触媒を処理筒内に充填し、そこに水素含有ガスまたは不活性ガスを流通することで前記還元処理を行ない、さらに原料ガスを流通することにより前記不純物の除去を行なう請求項１に記載のガスの処理方法。
4. 前記酸化状態のニッケル含有触媒が、ニッケル及び／またはニッケル化合物を担体に担持させたニッケル含有触媒を、酸化処理したものである請求項１に記載のガスの処理方法。
5. 前記担体が、珪藻土、アルミナ、シリカアルミナ、アルミノシリケート、またはカルシウムシリケートである請求項４に記載のガスの処理方法。
6. 金属原子数割合でニッケル全体の２５〜６０％が酸化ニッケルであるニッケル含有触媒を、金属原子数割合でニッケル全体の４０〜９０％が酸化ニッケルとなるように酸化処理し、この酸化状態のニッケル含有触媒を、金属原子数割合で酸化ニッケルがニッケル全体の２０％以下となるように還元処理し、この還元処理されたニッケル含有触媒に原料ガスを接触させて、該原料ガスから不純物を除去することを特徴とするガスの処理方法。
7. 前記ニッケル含有触媒を処理筒内に充填し、そこに酸素含有ガスを流通することにより前記酸化処理を行ない、水素含有ガスまたは不活性ガスを流通することにより前記還元処理を行ない、さらに原料ガスを流通することで前記不純物の除去を行なう請求項６に記載のガスの処理方法。
8. 前記ニッケル含有触媒が、ニッケル及び／またはニッケル化合物を担体に担持させた触媒である請求項６に記載のガスの処理方法。
9. 前記担体が、珪藻土、アルミナ、シリカアルミナ、アルミノシリケート、またはカルシウムシリケートである請求項８に記載のガスの処理方法。
10. 前記ニッケル含有触媒の酸化処理は、ニッケル含有触媒を加熱下で酸素含有ガスと接触させ、該酸素含有ガスの酸素濃度を時間の経過とともに増加させる請求項６に記載のガスの処理方法。
11. 前記ニッケル含有触媒のＢＥＴ比表面積が、１０〜３００ｍ^２／ｇである請求項６に記載のガスの処理方法。
12. 前記不純物が、酸素、一酸化炭素、及び二酸化炭素から選ばれる１種以上のガスである請求項１または請求項６に記載のガスの処理方法。