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JP2018153777A - アクリル酸製造用触媒ならびに該触媒を用いたアクリル酸の製造方法 - Google Patents

アクリル酸製造用触媒ならびに該触媒を用いたアクリル酸の製造方法 Download PDF

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俊哉 西口
Toshiya Nishiguchi
俊哉 西口
徳彦 井口
Norihiko Iguchi
徳彦 井口
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Abstract

【課題】本発明はアクリル酸を製造するための機械的強度、粉化度に優れ、目的生成物を高収率で製造可能であり、かつ、健康有害性が低い触媒を提供するものである。【解決手段】本発明はモリブデンおよびバナジウムを必須成分として含有する触媒活性成分と無機質繊維を不活性担体に担持してなる触媒であって、前記無機質繊維が生体溶解性繊維を含有する触媒である。【選択図】なし

Description

本発明はプロパンおよび/またはアクロレインを分子状酸素または分子状酸素含有ガスの存在下で接触気相酸化してアクリル酸を製造するのに好適な触媒ならびに該触媒を用いたアクリル酸の製造に関する。
アクリル酸は各種合成樹脂、塗料、可塑剤などの原料として重要であり、特に近年では吸水性樹脂の原料として、その重要性が高まっている。アクリル酸の製造方法としては、まず、プロピレンの接触気相酸化によってアクロレインを得て、次に、得られたアクロレインの接触気相酸化によってアクリル酸を製造するという二段酸化法が一般的である。近年では他にも、プロピレンよりも安価なプロパンを原料に用いて、プロパンの接触気相酸化によって一段でアクリル酸を製造する方法についても数々の提案がなされている。
プロピレンからの二段酸化法における二段目の反応、すなわちアクロレインの接触気相酸化や、プロパンからの一段での接触気相酸化反応においては、一般にモリブデン−バナジウム系の触媒が用いられる。これらの触媒の形態としては、触媒活性成分のみを一定の形状に成型して成る成型触媒や、一定の形状の不活性担体の表面上に触媒活性成分を担持して成る担持型触媒があるが、触媒層の厚みを薄くすることができ、目的生成物の逐次酸化による収率低下を抑制できるという観点から、担持型触媒が特に好まれる。
しかし一方で、担持型触媒は触媒活性成分が不活性担体上に担持された形態であるため、例えば、触媒を反応器内に落下させて充填する際の衝撃により、触媒活性成分が不活性担体上から剥離し易いという欠点や、触媒の輸送工程や充填工程での触媒同士の接触、あるいは触媒と壁面等との摩擦によって触媒活性成分が粉化するという欠点がある。これらの剥離、あるいは粉化した触媒活性成分は反応器の圧力損失の増大や反応管の閉塞、有効な触媒活性成分のロスによる性能低下などの問題を引き起こす。
このように、触媒の機械的強度が低いことに起因する問題を抑制、防止することは工業的なアクリル酸製造の見地において極めて重要な課題であり、触媒の強度向上を目的とした種々の提案がされている。例えば、特許文献1には、平均径が異なる少なくとも2種類の無機繊維、具体的には、平均繊維径が1.0μm未満の無機繊維と1.5〜7μmの無機繊維を触媒活性成分と共に含有させることによって機械的強度、および粉化度を改善し、かつ目的生成物を高収率で製造可能な触媒が開示されている。特許文献2には、出発原料混合液から得られる乾燥物を成形し焼成して得られる触媒において、前記乾燥物の減量率が5〜40質量%である触媒が開示されている。また、特許文献3においては、触媒粒子の機械的強度向上材としてセラミックス繊維、ウィスカ等を用いることができ、特にセラミックス繊維が好ましいことがその明細内に記載されている。特許文献4においても同様に、反応ガスに対して不活性な無機繊維、例えばセラミックス繊維またはウィスカ等を触媒の機械的強度向上のために用いることがその明細内に記載されている。
一方で、近年、セラミックス繊維が及ぼす生体への有害性懸念から、人体に吸入されても問題を起こさない、又は起こしにくい生体溶解性を有する無機繊維の開発が進められており、例えば、特許文献5には、pH4.5の生理食塩水に対する溶解性に優れた特定組成の無機繊維が開示されている。
国際公開第2012/073584号 特開2004−243213号公報 特開2003−200055号公報 国際公開第2010/052909号 国際公開第2013/132859号
アクリル酸製造用触媒では、前述のように、触媒の強度向上を目的とした種々の検討や提案がなされており、しばしば、機械的強度向上材として、繊維状の化学物質、例えばシリカ−アルミナ繊維などのセラミック繊維や、炭化ケイ素ウィスカなどのウィスカが添加される。
一方で、近年、発がん性に対する懸念から、このような繊維状の化学物質に対しては、規制強化が進んでいる。例えば前述のシリカ−アルミナ繊維はリフラクトリーセラミックファイバーの分類に該当し、EU域では高懸念物質(SVHC)に登録され、今後その使用が制限される可能性が高い。日本国内でも同様に、2015年より労働安全衛生法が定める特定化学物質に指定され、取扱者の健康障害を防止するために、粉塵の発散抑制措置、作業環境測定、作業者の健康診断等の管理が義務付けられている。また、前述の炭化ケイ素ウィスカについてもACGIHの発がん性分類ではA2に区分され、人に対して発がん性が疑われる物質とされている。アクリル酸製造用触媒の補強材としては他に、アルミナ繊維も用いられるが、この繊維については歴史が新しいため、人の健康影響に関するデータが少なく、十分な安全性が確認されているとは言い難い。
そのような背景下、当該触媒の製造工程における各種繊維の取扱い作業や、各種繊維を含む当該触媒の化成器内への充填、抜出作業、抜出触媒の廃棄作業等で、各種繊維を含む触媒粉塵に暴露される作業者にかかる健康障害へのリスクは大きく、より安全で健康有害性が低い物質から成るアクリル酸製造用触媒が求められている。
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討を行った結果、モリブデンおよびバナジウムを必須成分として含有する触媒活性成分と無機質繊維を不活性担体に担持してなるアクリル酸製造用触媒であって、前記無機質繊維に生体溶解性のある繊維を使用することで、健康有害性が低く、目的生成物を高収率で製造可能であり、かつ、従来用いられてきた繊維と同等の十分な触媒強度を有するアクリル酸製造用触媒が得られることを見出し、本発明を開発するに至った。
生体溶解性のある繊維は、生体内で容易に分解するため体内での滞留時間が短く、健康被害を及ぼし難いことが知られている。マグネシウムやカルシウム等のアルカリ土類成分が多いと生体溶解性が増すと言われており、特に、アルカリアースシリケートウール(AES繊維)と呼ばれるものは、GHS分類における発がん性が区分外であり、安全性が高い。
本発明によれば、プロパンおよび/またはアクロレインを分子状酸素または分子状酸素含有ガスの存在下で接触気相酸化してアクリル酸を製造するのに好適な触媒として、機械的強度、粉化度に優れ、目的生成物を高収率で製造可能であり、かつ、健康有害性が低い触媒を得ることができ、当該触媒の製造作業や取扱い作業時に作業者にかかる健康障害へのリスクを軽減することが可能となる。
以下、本発明にかかるアクリル酸製造用触媒および該触媒を用いたアクリル酸の製造方法について詳しく説明するが、本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることはなく、以下の例示以外についても本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更し、実施することができる。
本発明におけるアクリル酸製造用触媒は、モリブデンおよびバナジウムを必須成分としているが、より具体的な触媒活性成分としては、下記一般式(1)
Mo12 (1)
(ここで、Moはモリブデン、Vはバナジウム、Aはタングステンおよびニオブからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素、Bはクロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ビスマスから選ばれた少なくとも1種の元素、Cはアンチモン、スズ、テルル、リンから選ばれる少なくとも1種の元素、Dはシリコン、アルミニウム、チタン、セリウム、ジルコニウムから選ばれた少なくとも1種の元素、Oは酸素であり、a、b、c、d、eおよびxはそれぞれV、A、B、C、DおよびOの原子比を表し、0<a≦14、0≦b≦12、0≦c≦6、0≦d≦6、0≦e≦50であり、xは各元素の酸化状態によって定まる数値である。)で表される触媒活性成分が好適である。
また、本発明におけるアクリル酸製造用触媒は、無機質繊維を不活性担体に担持してなる触媒であって、前記無機質繊維が生体溶解性繊維を含有することを特徴としている。この生体溶解性繊維としては、機械的強度が高い触媒が得られ、かつ、生体溶解性が高いという観点から考えて、NaO、KO、CaO、MgO、SrO、およびBaOから選ばれる少なくとも1種を含み、かつ、生体溶解性繊維中のそれらの含有量が18〜43質量%であり、さらにSiOを含有するとともに、生体溶解性繊維中のその含有量が50〜82質量%であることが好ましい。また、前記生体溶解性繊維がMgO、SrOを必須成分として含有することがより好ましい。例えば、これに該当する繊維としてアルカリアースシリケートウールがある。一般に、アルカリ土類の含有率が多いと生体溶解性が高まることが知られている。
また、前記無機質繊維は必ずしも一種類である必要はなく、二種類以上の生体溶解性繊維を用いても良く、さらには、従来用いられているシリカ−アルミナ繊維やアルミナ繊維などのセラミックス繊維や炭化ケイ素ウィスカなどのウィスカと生体溶解性繊維を併用することも可能であり、健康有害性が高いセラミックス繊維やウィスカの使用量の低減効果がある。
前記無機質繊維の含有率としては触媒活性成分に対して0.5〜30質量%であることが好ましい。含有率が0.5質量%より低いと触媒の機械的強度が低下する傾向にあり、30質量%より多いと触媒活性成分が過剰に希釈され、触媒活性や触媒寿命が低下する傾向にあるためである。
前記無機質繊維の平均繊維長は、特に限定はないが、触媒中への分散性の面から好ましくは1〜1000μm、より好ましくは10〜500μmのものを用いるのが良い。しかしながら、1000μmを超える平均繊維長を有する無機質繊維であっても、ホモミキサー等で強く撹拌して繊維を切断し、結果的に平均繊維径が上記範囲に入るようにして用いてもよい。
前記無機繊維の平均繊維径は、特に限定はないが、得られる触媒の強度が高いという点で、7μm以下であることが好ましく、より好ましくは1.5〜7μm、さらに好ましくは2〜5μmであることが好ましい。
前記無機質繊維や生体溶解性繊維の添加方法については特に制限はなく、触媒活性成分中に均一に分散し得るものであれば、いずれの方法も用いることができる。例えば、一般式(1)で表される触媒活性成分の出発原料混合液に添加しても良く、これを乾燥あるいは更に焼成した後に得られる触媒前駆体あるいは焼成物に添加しても良い。中でも、出発原料混合液に添加混合する手法が、繊維の分散性の面から好ましい。繊維は一括して添加しても、分割して添加してもよく、例えばその一部を出発原料混合液に添加し、出発原料混合液を乾燥あるいは更に焼成した後に得られる触媒前駆体あるいは焼成物に残りの繊維を添加しても良い。
本発明の触媒は、生体溶解性繊維を含有する点を除けば、公知の不活性担体に担持してなるアクリル酸製造用触媒、もしくは不飽和カルボン酸製造用触媒の調製に一般に用いられている方法に準じて製造することができる。
具体的には、一般式(1)で表される触媒活性成分の原料として、各成分元素の酸化物や水酸化物、アンモニウム塩、硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、有機酸塩などの塩類や、それらの水溶液、ゾルなど、あるいは複数の元素を含む化合物などを用いることができ、これらの原料を、水等の溶媒に溶解あるいは懸濁させることにより、出発原料混合液を調製する。
出発原料混合液の調製方法は、上記出発原料を順次水に混合する方法や、出発原料の種類に応じて複数の水溶液または水生スラリーを調製し、これらを順次混合する方法など、この種の触媒製造に一般的に用いられる方法により調製すればよい。出発原料の混合順序、温度、圧力、pH等については特に制限はなく、出発原料に応じて適宜選択できる。また、適宜、硝酸、アンモニア、硝酸アンモニウム、炭酸アンモニウムなどの含窒素化合物を加えて、pHは4〜10の範囲内で制御するのが好ましい。
次に、必要に応じて、得られた出発原料混合液を加熱や減圧などの各種方法により乾燥させて触媒前駆体とする。加熱による乾燥方法としては、例えばスプレードライヤー、ドラムドライヤー等を用いて粉末状の乾燥物を得るようにしても良いし、箱型乾燥機、トンネル型乾燥機等を用いて気流中で加熱してブロック状またはフレーク状の乾燥物を得るようにしても良い。また、一旦、出発原料混合液を濃縮、蒸発乾固してケーキ状の固形物を得て、この固形物をさらに上記加熱処理する方法も採用できる。減圧による乾燥方法としては、例えば真空乾燥機を用いて、ブロック状または粉末状の触媒前駆体を得ることができる。
得られた乾燥物は、必要に応じて適当な粒度の粉体を得るための粉砕工程や分級工程を経て、続く担持工程に送られる。その際の前記触媒前駆体の粉体粒度は、特に限定されないが、担持性に優れる点で500μm以下、好ましくは200μm以下、更には100μm以下が好ましい。また、続く担持工程に送る前に、得られた触媒前駆体を一旦焼成し、焼成物としてもよい。例えば、この焼成温度は250〜600℃、好ましくは300〜550℃、更に好ましくは350〜450℃、焼成時間としては1〜20時間が好ましい。このような触媒前駆体粉体を一旦焼成した後で不活性担体上に担持し、再度焼成する手法は2段階焼成として知られている。
担持工程において不活性担体に担持する方法としては、特に限定はないが、例えば、特公昭49−11371号公報に記載の一定の形状を有する不活性担体に出発原料混合液を加熱攪拌しながら蒸発乾固して担体に付着させる方法や、特開昭64−85139号公報、特開平8−299797号公報あるいは特開2004−136267号公報に記載の方法に従って、不活性担体上に前記触媒前駆体もしくはその焼成物を粉体状で担持させる造粒法などが採用できる。
不活性担体としては、アルミナ、シリカ、シリカ−アルミナ、チタニア、マグネシア、ステアタイト、コージェライト、シリカ−マグネシア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ゼオライト等が挙げられる。その形状については特に制限はなく、球状、円柱状、リング状など公知の形状のものが使用できる。不活性担体に対する触媒活性成分の担持量については、特に限定されないが、10〜300質量%の範囲が好ましく、20〜200質量%の範囲がより好ましい。
担持工程においては、担持性を向上させるための成形補助剤やバインダー、触媒に適度な細孔を形成させるための気孔形成剤などを用いることができる。具体例としては、エチレングリコール、グリセリン、プロピオン酸、マレイン酸、ベンジルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、フェノール類、セルロースやエチルセルロースなどのセルロース類などの有機化合物や水、硝酸、硝酸アンモニウム、炭酸アンモニウムなどが挙げられる。また、これらは1 種のみで用いても、2 種以上を併用して用いてもよい。
上記担持工程で得られた担持体は、続く乾燥工程および/または焼成工程に送られる。必ずしも乾燥工程は必要なく、乾燥工程を経ずに焼成を行ってもよい。また、必ずしも焼成工程は必要なく、前記触媒前駆体の焼成物を担持工程で用いた担持体の場合は、担持工程で使用した成型補助剤やバインダー等を除去するための乾燥工程のみでもよい。
前記乾燥工程において、担持体の乾燥は、一般的に使用される箱型乾燥機、トンネル型乾燥機等を用いて空気、窒素などの不活性ガス、あるいはその他窒素酸化物などの気流中で加熱すればよく、乾燥温度としては80〜300℃、好ましくは100〜250℃、乾燥時間としては好ましくは1〜20時間である。
前記焼成工程において、用いる焼成炉としては特に制限はなく、一般的に使用される箱型焼成炉あるいはトンネル型焼成炉等を用いればよい。焼成温度としては250〜600℃、好ましくは300〜550℃、更に好ましくは350〜450℃、焼成時間としては好ましくは1〜20時間である。焼成雰囲気としては、空気雰囲気下、空気流通下、あるいは、不活性ガス雰囲気下、過熱水蒸気雰囲気下など適宜選択できる。
本発明における、アクロレインもしくはプロパン含有ガスを分子状酸素の存在下に接触気相酸化してアクリル酸を製造するのに用いられる反応器については、特段の制限はないが、通常、固定床反応器が用いられ、特に固定床多管式反応器が好ましい。
触媒を反応器に充填する場合には、必ずしも単一な触媒である必要はなく、例えば活性の異なる複数種の触媒を用い、これらを活性の異なる順に充填したり、触媒の一部を不活性担体などで希釈したりしてもよい。
本発明における反応条件には特に制限は無く、この種の反応に一般に用いられている条件であればいずれも実施することが可能である。例えば、反応原料ガスとして1〜15容量%、好ましくは4〜12容量%のアクロレインおよび/またはプロパン、0.5〜25容量%、好ましくは2〜20容量%の分子状酸素、0〜30容量%、好ましくは0〜25容量%の水蒸気、残部が窒素などの不活性ガスからなる混合ガスを200〜400℃の温度範囲で0.1〜1.0MPaの圧力下、300〜5,000h−1(STP)の空間速度で触媒に接触させればよい。
反応原料ガスとしては、アクロレインおよび/またはプロパン、分子状酸素および不活性ガスからなる混合ガスはもちろんのこと、例えば、グリセリンの脱水反応やプロピレンの接触酸化反応によって得られるアクロレイン含有の混合ガスを用いることもできる。また、この混合ガスに必要に応じ、空気または分子状酸素などを添加することもできる。
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。なお、以下では便宜上、「質量部」を「部」と記すことがある。実施例および比較例における転化率および収率は、次式によって求めた。
転化率[モル%]
=(反応したアクロレインのモル数)/(供給したアクロレインのモル数)×100
収率[モル%]
=(生成したアクリル酸のモル数)/(供給したアクロレインのモル数)×100
[触媒の機械的強度測定方法]
内径25mm、長さ5000mmのステンレス製反応管を鉛直方向に設置し、該反応管の下端を厚さ1mmのステンレス製受け板で塞ぐ。約50gの触媒を該反応管の上端から反応管内に落下させた後、反応管下端のステンレス製受け板を外し、反応管から触媒を静かに抜き出す。抜き出した触媒を目開き5mmの篩にかけ、篩上に残った触媒の質量(g)を計量した。
機械的強度(質量%)=(篩上に残った触媒の質量(g)/反応管上端から落下させた触媒の質量(g))×100
[触媒の粉化度測定方法]
鉛直方向の断面が直径150mmの円であり、水平方向の幅が150mmである円筒ドラム状のステンレス製密閉容器内に触媒を約200g入れる。該容器をその水平方向中心軸を中心として150rpmで30分間回転させた後、該容器から触媒を取り出し、目開き2mmの篩にかけ、篩状に残った触媒の重量(g)を計量した。
粉化度(質量%)=〔(容器内に入れた触媒の質量(g)−篩上に残った触媒の質量(g))/容器内に入れた触媒の質量(g)〕×100
<実施例1>
[触媒調製]
純水10000部を加熱撹拌しながら、モリブデン酸アンモニウム1000部、メタバナジン酸アンモニウム331部、パラタングステン酸アンモニウム166部を溶解させた。別に純水400部を加熱混合しながら硝酸銅148部を溶解させた。得られた2つの水溶液を混合し、さらに硝酸鉄95部、三酸化アンチモン21部を添加した。さらに、補強材として、GHS分類による発がん性が区分外であり、平均繊維径3μm、平均繊維長50μm、CaO、MgOおよびSrOが合計25質量%、SiOが75質量%の組成から成るアルカリアースシリケートウールを触媒活性成分に対して10質量%となるように添加し、出発原料混合液を得た。得られた出発原料混合液をスプレードライヤーで乾燥した後、得られた乾燥物を粉砕して100μm以下に篩分けし、触媒前駆体の粉体を得た。皿型転動造粒機に平均直径が5.2mmの球状アルミナ担体2000部を投入し、次いで回転皿を回転させた状態で、バインダーの純水を噴霧しながら上記触媒前駆体の粉体を徐々に投入して担体に担持させた後、約90℃の熱風で乾燥して担持物を得た。得られた担持物を空気雰囲気下に400℃で6時間焼成して触媒A1を得た。この触媒の担持率は約35質量%であり、酸素を除く触媒活性成分の金属元素組成は次の通りであった。
触媒A1: Mo126.01.3Cu1.3Fe0.5Sb0.3
なお、担持率は下記式により求めた。
担持率(質量%)= 担持された触媒粉体の質量(g)/用いた担体の質量(g)×100
この触媒A1の機械的強度および粉化度を表1に示す。
[反応器]
全長3000mm、内径25mmの鋼鉄製反応管およびこれを覆う熱媒体を流すためのシェルからなる反応器を鉛直方向に用意した。反応管上部より得られた触媒A1を落下させて、層長が2800mmとなるように充填した。
[酸化反応]
上記触媒を充填した反応管の下部より、アクロレイン6容量%、酸素7.5容量%、水蒸気20容量%、残部が窒素等の不活性ガスからなる混合ガスを空間速度2000hr−1(標準状態)で導入し、アクロレイン酸化反応を行った。その際、アクロレイン転化率が約98.5モル%となるように熱媒体温度(反応温度)を調節した。その結果を表2に示す。
<比較例1>
実施例1において、補強材となる繊維を添加しなかったこと以外は実施例1と同様に調製し、触媒R1を得た。この触媒R1の担持率、および、酸素を除く触媒活性成分の金属元素組成は触媒A1と同じであった。触媒R1の機械的強度および粉化度を表1に示す。触媒R1を実施例1と同様に反応器に充填し、同条件でアクロレイン酸化反応を行った。その結果を表2に示す。
<比較例2>
実施例1において、補強材としてアルカリアースシリケートウールの代わりに、GHS分類による発がん性が区分2であり、平均繊維径2μm、平均繊維長50μmのリフラクトリーセラミックファイバー(シリカ−アルミナ繊維)を添加したこと以外は実施例1と同様に調製し、触媒R2を得た。この触媒R2の担持率、および、酸素を除く触媒活性成分の金属元素組成は触媒A1と同じであった。触媒R2の機械的強度および粉化度を表1に示す。触媒R2を実施例1と同様に反応器に充填し、同条件でアクロレイン酸化反応を行った。その結果を表2に示す。
<実施例2>
実施例1において、補強材であるアルカリアースシリケートウールを触媒活性成分に対して25質量%となるように添加した以外は実施例1と同様に調製し、触媒A2を得た。この触媒A2の担持率、および、酸素を除く触媒活性成分の金属元素組成は触媒A1と同じであった。触媒A2の機械的強度および粉化度を表1に示す。触媒A2を実施例1と同様に反応器に充填し、同条件でアクロレイン酸化反応を行った。その結果を表2に示す。
<実施例3>
実施例1において、補強材であるアルカリアースシリケートウールを触媒活性成分に対して1質量%となるように添加した以外は実施例1と同様に調製し、触媒A3を得た。この触媒A3の担持率、および、酸素を除く触媒活性成分の金属元素組成は触媒A1と同じであった。触媒A3の機械的強度および粉化度を表1に示す。触媒A3を実施例1と同様に反応器に充填し、同条件でアクロレイン酸化反応を行った。その結果を表2に示す。
Figure 2018153777
Figure 2018153777

Claims (5)

  1. モリブデンおよびバナジウムを必須成分として含有する触媒活性成分と無機質繊維を不活性担体に担持してなる触媒であって、前記無機質繊維が生体溶解性繊維を含有することを特徴とするアクリル酸製造用触媒。
  2. 前記の生体溶解性繊維がNaO、KO、CaO、MgO、SrO、およびBaOから選ばれる少なくとも1種を含み、かつ、生体溶解性繊維中のそれらの含有量が18〜43質量%であり、さらにSiOを含有するとともに、生体溶解性繊維中のその含有量が50〜82質量%であることを特徴とする請求項1に記載の触媒。
  3. 前記生体溶解性繊維がMgO、SrOを必須成分として含有することを特長とする請求項2に記載の触媒。
  4. 前記無機質繊維の含有量が、前記触媒活性成分に対して0.5質量%〜30質量%である請求項1〜3のいずれかに記載の触媒。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載の触媒を用いることを特徴とするアクリル酸の製造方法。
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