JP6229791B2

JP6229791B2 - バイオディーゼル燃料の水素化処理方法

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Publication number: JP6229791B2
Application number: JP2016506509A
Authority: JP
Inventors: 剛久望月; 誠鳥羽; 雄二葭村; 容子阿部; 仕元陳
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2035-03-03
Also published as: US9650582B2; WO2015133487A1; US20170015918A1; PH12016501731B1; EP3115439A1; EP3115439B1; EP3115439A4; PH12016501731A1; JPWO2015133487A1

Description

本発明は、バイオディーゼル燃料の水素化処理方法に関する。

長鎖の脂肪酸アルキルエステルからなるバイオディーゼル燃料は、天然物である植物油脂或いは動物油脂を原料とすることから、環境対応型の軽油代替燃料として欧州及び東南アジアを中心に導入、普及が進められている。バイオディーゼル燃料を自動車用燃料として安全に使用するための品質を規定する規格として、欧州規格ＥＮ１４２１４、日本規格ＪＩＳＫ２３９０、米国規格ＡＳＴＭＤ６７５１が定められ、軽油に混合して市場に供給する際には、この品質規格を満たす必要がある。

バイオディーゼル燃料の酸化安定性を向上するために、抗酸化剤を添加する技術（特許文献１〜２）が知られている。しかし、不飽和脂肪酸含有量の多いバイオディーゼル燃料に対しては多量の抗酸化剤を添加する必要があり、燃料製造コストの上昇に繋がる。また、バイオディーゼル燃料に抗酸化剤を加えても、スラッジが生成するという問題点は依然として解消されず、バイオディーゼル燃料の酸化安定性についてのさらなる技術の開発が求められている。

そこで本発明者らは、常圧程度の水素圧下で、バイオディーゼル燃料に含まれる脂肪酸アルキルエステル中の酸化安定性の劣る二重結合を２個以上有する多不飽和脂肪酸アルキルエステルを、比較的低温流動性や酸化安定性が良好なモノ不飽和脂肪酸アルキルエステルまで選択的に水素化して、酸化安定性が極めて優れたバイオディーゼル燃料が得られる水素化処理触媒を提案している（特許文献３〜４）。

しかしながら、前記本発明者らが提案した触媒は、多不飽和脂肪酸アルキルエステルからモノ不飽和脂肪酸アルキルエステルへの選択的水素化に優れているものの、天然油脂由来のバイオディーゼル燃料中には、硫黄化合物、窒素化合物、微量金属等様々な不純物が含まれており、これらの不純物により水素化処理触媒が被毒され、活性が低下する問題が見られた。

この問題の対策として失活の原因である不純物を除去することが有効であり、吸着剤を用いる精製方法が行われている（特許文献５）。吸着剤を用いる方法は、分離性能が高い反面、吸着量に上限があるため不純物量が多い場合には多量の吸着剤を必要とすること、吸着性能が吸着剤の種類や原料油（粗バイオディーゼル燃料）の組成に依存するという問題に加え、使用後の吸着剤の再生ないし廃棄の問題がある。

また、特許文献６には、油脂の水素化処理触媒とその製造方法が提案されている。しかし、それら技術では、水素化処理時の圧力は、例えば２０ＭＰａと極めて高圧下で水素化処理することが求められており、低圧（１ＭＰａ以下）条件下でも有効であるかは、明らかとされていない。

貴金属系触媒による軽油中の芳香族炭化水素の水素化処理方法として、反応系内に水素と同時に１００〜１００００ｐｐｍの酸素及び／又は有機酸素化合物を導入して、軽油中の硫黄化合物や窒素化合物等の不純物に対する耐性を付与する方法が開示されている。しかし、この技術では、水素化処理時の圧力は、例えば３.９ＭＰａと、極めて高圧下で水素化処理することが求められ、バイオディーゼル燃料の水素化処理条件のような低圧（１ＭＰａ以下）でも効果があるかは、明らかとされていない。また、酸素及び／又は有機酸素化合物の添加効果を得るためには貴金属触媒に重希土類元素を添加して用いる必要があり、脱硫活性の安定化には効果が見られるが、水素化活性にはその効果は見られない。さらに、酸素及び／又は有機酸素化合物を添加することにより、初期活性は脱硫活性および水素化活性の両者において低下している（特許文献７）。

特開２００９−５７５１０号公報特表２００９−５２２４２１号公報特許第５１１０６０７号公報特開２０１１−１７４０２８号公報特開２００４−３０７６０８号公報特開２００９−２２９３８号公報特開２００２−２０７６６号公報

本発明は、従来のバイオディーゼル燃料の水素化処理方法における現状を鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、酸化安定性および低温流動性に優れたバイオディーゼル燃料を製造するための、バイオディーゼル燃料の水素化処理方法を提供することにある。

本発明者らは、前述の問題点を解決するために鋭意研究を重ねた結果、バイオディーゼル燃料の水素化処理において、貴金属成分を含有する触媒の存在下に、酸素分を含んだバイオディーゼル燃料を導入して反応させると、１.０ＭＰａ以下の水素圧条件下において該触媒は高い水素化活性および安定性を示すことを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明によれば、以下の発明が提供される。
［１］バイオディーゼル燃料を周期律表第８〜１０族から選ばれる少なくとも一種の貴金属を含有する触媒の存在下に水素化処理する方法であって、反応系内に酸素を存在させることを特徴とするバイオディーゼル燃料の水素化処理方法。
［２］前記酸素の濃度を、バイオディーゼル燃料中の酸素分子として１５０〜３５００ｐｐｍとすることを特徴とする［１］に記載のバイオディーゼル燃料の水素化処理方法。
［３］酸素を含むガスを反応系内に導入させることを特徴とする［１］又は［２］に記載のバイオディーゼル燃料の水素化処理方法。
［４］前記バイオディーゼル燃料をあらかじめ強制的に酸化させることを特徴とする［１］又は［２］に記載のバイオディーゼル燃料の水素化処理方法。

本発明のバイオディーゼル燃料の水素化処理方法は、バイオディーゼル燃料水素化触媒の初期活性の向上及び活性安定化に有効であり、酸化安定性に優れたバイオディーゼル燃料を製造することができる。また、本発明の方法によれば、従来法では必須であった重希土類元素を触媒に添加する必要がなく、耐圧／高圧設備を要しない１ＭＰａ以下の低圧条件下で作用して、水素化活性の失活を大幅に抑制することができ、触媒の長寿命化に有用な極めて実用的な方法である。

ジャトロファ油脂肪酸メチルエステル（ＦＡＭＥ）の水素化反応活性に及ぼす酸素添加の影響を示す図。ジャトロファ油ＦＡＭＥの水素化活性劣化速度と反応系内の酸素濃度の関係を示す図。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明において、バイオディーゼル燃料とは、脂肪酸トリグリセリドを主成分とし、副成分としてジグリセリド及び／又は脂肪酸モノグリセリドから構成される混合物からなる天然油脂類を、アルコール類とのエステル交換により脂肪酸アルキルエステルに変換したものをいう。

本発明における水素化処理とは、不飽和結合に水素を付加する反応であるが、本発明においては、特に、バイオディーゼル燃料の成分である不飽和脂肪酸メチルエステルや不飽和脂肪酸モノグリセリドの炭素−炭素二重結合に水素を付加する反応をいう。

本発明におけるバイオディーゼル燃料の水素化方法は特に限定しないが、バイオディーゼル燃料中の不飽和脂肪酸メチルエステルが完全に水素化されて飽和脂肪酸メチルエステルが生成すると、流動点が著しく上昇して液体燃料として使用できなくなるため、易酸化劣化成分である多不飽和脂肪酸メチルエステルを、より酸化安定性の高いモノ不飽和脂肪酸メチルエステルへと部分水素化できる方法が好ましい。例えば、このような水素化方法として、前記の特許文献３および特許文献４の方法が挙げられる。

上記方法により、本発明の特徴であるバイオディーゼル燃料中の不飽和脂肪酸メチルエステルの飽和脂肪酸メチルエステルへの完全水素化を抑制しつつ水素化するためには、バイオディーゼル燃料の水素化は、反応温度８０〜１３０℃、水素圧０.２〜０.７ＭＰａで行うことが好ましい。これより高温、高圧で反応を行うと、飽和脂肪酸メチルエステルへの完全水素化の併発が顕著となる。また、これより低温、低圧で反応を行うと、水素化が十分に進行しないという問題がある。

水素化処理時には、水素化触媒を共存させることが必要である。水素化触媒としては、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）等の、周期律表第８〜１０族から選ばれる貴金属が用いられる。該貴金属は、単独で用いてもよいが、複数の貴金属を用いてもよい。
また、それら貴金属は、多孔性担体に担持させることが好ましい。多孔性担体としては、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、シリカ−アルミナ、アルミナ−ボリア、アルミナ−チタニア、アルミナ−リン、シリカ−チタニア、チタニア−ジルコニア、超安定化Ｙ型ゼオライトなど、通常、軽油などの水素化処理触媒に使用される多孔性無機酸化物、活性炭等の多孔性炭素材料やイオン交換樹脂等を含む多孔性有機材料が使用可能である。該貴金属の担体への担持方法としては、通常の水素化処理触媒の製造方法が採用でき、例えば、担体に該含浸溶液を公知の含浸方法で担持する方法や担体前駆物質と該含浸溶液を混練した後、成型、乾燥、焼成する方法などが挙げられる。

本発明は、こうしたバイオディーゼル燃料の水素化処理方法において、酸素を反応系内に存在させることにより、水素化触媒の初期活性を向上させるとともに、水素化触媒の水素化活性の失活を大幅に抑制するものである。バイオディーゼル燃料の水素化処理法において、酸素を反応系に存在させて水素化処理を行う場合、触媒がバイオディーゼル燃料、水素及び微量供給された酸素に接触していれば反応器様式は特に問わないが、触媒が反応器内に固定された固定床反応器、触媒が反応器内を移動する移動床式反応器、触媒が反応器内で分散されたスラリー式反応器等が使用可能である。

本発明において、酸素を反応系内に存在させる方法としては、酸素を含むガスを、所定の濃度となるように、バイオディーゼル燃料とともに反応系内に導入する方法、或いは、バイオディーゼル燃料自体をあらかじめ強制的に酸化させて、バイオディーゼル燃料中の酸素濃度を増加させた後、反応系内に導入する方法がある。

また、前者の酸素を含むガスをバイオディーゼル燃料とともに反応系内に導入する場合は、酸素を含むガスを供給原料のバイオディーゼル燃料中に溶存させて反応系内に供給することもできるし、また、供給原料のバイオディーゼル燃料とは別の供給手段により反応系内に供給して触媒と接触させても良い。
酸素を含むガスとしては、酸素ガス、空気ガスなどが例示される。

反応系内に存在させる酸素の量は、バイオディーゼル燃料に対して酸素分子として１５０ｐｐｍ以上、３５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。なお、バイオディーゼル燃料をあらかじめ強制的に酸化させる場合には、それにより増加したバイオディーゼル燃料中の酸素の量を、「反応系内に存在させる酸素の量」とする。
該酸素量が酸素分子として１５０ｐｐｍより少ない場合には、本発明の効果が充分には得られないことがある。また、酸素量が酸素分子として３５００ｐｐｍより多くなると水素化触媒の酸化が生じ、水素化活性が反応時間とともに低下することがある。該酸素の最適な量は、バイオディーゼル燃料中に含まれる不純物量に依存し、不純物量が多くなると共存させる酸素の量も増加させる必要がある。特に好ましい酸素分子としての量は、３００〜２０００ｐｐｍ、さらに好ましくは４００〜１５００ｐｐｍの範囲で選択することが望ましい。

以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
はじめに、実施例に用いた、流動点、酸化安定性、過酸化物価、バイオディーゼル燃料中の脂肪酸組成の測定方法および活性劣化速度の定義について記載する。

（流動点の測定）
流動点測定には、米国規格ＡＳＴＭＤ６７４９に準拠した自動流動点・曇り点試験器（田中科学機器製作（株）社製、ＭＰＣ−１０２Ａ型）を用いた。

（酸化安定性の測定）
欧州規格ＥＮ１４１１２：２００３規定の方法（Rancimat法）に従い、試料３ｇを測定容器に入れ、１１０℃に加熱しながら、その中に清浄空気を１０Ｌ／ｈで送り込み、揮発性分解物を水中に捕集し、捕集水の導電率が急激に変化する折曲点までの時間(誘導時間)を測定した。測定には、自動油脂安定性試験装置（メトローム社製、ランシマット743型）を用いた。

（過酸化物価の測定）
過酸化物価（ＰＯＶ）の測定には、基準油脂分析試験法２．５．２．１に基づいた、酢酸−イソオクタン法に従った。測定には、自動滴定装置（メトローム社製、Ｔｉｔｒａｎｄｏ８０９）を用いた。

（触媒の水素化バイオディーゼル燃料中の脂肪酸組成の測定）
水素化後のバイオディーゼル燃料中に含まれる脂肪酸組成を測定した。測定には、ガスクロマトグラフ（Ａｇｉｌｅｎｔ社製、６８９０Ｎ型）を用いた（分析条件：検出器＝ＦＩＤ、カラム＝（８８％シアノプロピル）アリルポリシロキサンキャピラリーカラム（ＡｇｉｌｅｎｔＨＰ−８８長さ×内径×膜厚＝１００ｍ×２５０μｍ×０.２μｍ）、昇温条件＝１５５℃、２０分→昇温２℃／分→２３０℃、２.５分、キャリアガス流量：２.４０ｍｌ／分（定流量モード）、スプリット比：１００：１）。

（活性劣化速度の定義）
活性劣化速度（ｈ^-1）＝｛（原料油中の多不飽和ＦＡＭＥ量−反応２５時間後の多不飽和ＦＡＭＥ量）／（原料油中の多不飽和ＦＡＭＥ量）−（原料油中の多不飽和ＦＡＭＥ量−反応５０時間後の多不飽和ＦＡＭＥ量）／（原料油中の多不飽和ＦＡＭＥ量）｝／（５０ｈ−２５ｈ）

脂肪酸アルキルエステル油として、ジャトロファ油のメチルエステル油およびパーム油のメチルエステルを用いた。ジャトロファ油メチルエステルは、タイ国から入手したものである。メチルエステル油の脂肪酸組成および物性値を表１に示す。ここで示すＦＡＭＥは、脂肪酸メチルエステル（ＦａｔｔｙＡｃｉｄＭｅｔｈｙｌＥｓｔｅｒ）である。

［実施例１］
（水素化触媒の調製）
アルミナ担体２０ｇに対して、金属換算で０.１ｇ（パラジウム含有量：０.５ｗｔ％）となるようパラジウムテトラアンミン錯体水溶液を含浸法により担持させて表面のみにパラジウムを担持させたパラジウム／アルミナ水素化触媒Ａを得た。
（バイオディーゼル燃料の水素化）
得られた触媒Ａを反応管に充填し、該反応管に、水素気流中（常圧、０.１Ｌ／ｍｉｎ）、３００℃で３時間（昇温速度；５℃／ｍｉｎ）還元処理した後、酸素源として純酸素ガスを使用し、ジャトロファ油ＦＡＭＥに対する酸素添加量が１９０ｐｐｍとなるように反応管内に、導入して、ジャトロファ油ＦＡＭＥの水素化を行った。
水素化活性評価は、固定床流通式反応装置（アップフローモード）を用い、触媒量０.２０ｇ、水素分圧０.５ＭＰａ、反応温度１００℃、重量空間速度（ＷＨＳＶ）１４４ｈ^-1、Ｈ₂／ジャトロファ油ＦＡＭＥ比４０５ＮＬ/Ｌの条件で行った。液体生成物は定期的に採取し、前記ガスクロマトグラフで分析した。水素化反応結果を表２に示す。流動点および酸化安定性は反応２５ｈ〜２５.５ｈで採取したＦＡＭＥを測定した。

［実施例２：バイオディーゼル燃料の水素化］
酸素添加量を３００ｐｐｍとする他は、実施例１と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表２に示す。

［実施例３：バイオディーゼル燃料の水素化］
酸素添加量を３９０ｐｐｍとする他は、実施例１と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表２に示す。

［実施例４：バイオディーゼル燃料の水素化］
酸素添加量を８１０ｐｐｍとする他は、実施例１と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表２に示す。

［実施例５：バイオディーゼル燃料の水素化］
酸素添加量を１５００ｐｐｍとする他は、実施例１と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表２に示す。

［実施例６：バイオディーゼル燃料の水素化］
酸素添加量を２０００ｐｐｍとする他は、実施例１と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表２に示す。

［実施例７：バイオディーゼル燃料の水素化］
酸素添加量を３２００ｐｐｍとする他は、実施例１と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表２に示す。

［実施例８：バイオディーゼル燃料の水素化］
酸素源として空気ガス（酸素：窒素＝２１％：７９％）を使用し、ジャトロファ油ＦＡＭＥに対する酸素添加量を８１０ｐｐｍとした他は、実施例１と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表２に示す。

［比較例１：バイオディーゼル燃料の水素化］
酸素を添加しない他は、実施例１と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表２に示す。

［実施例９］
（水素化触媒の調製）
アルミナ担体２０ｇに対して、触媒Ａに担持したパラジウムと等モルとなるよう金属換算で０.１８４ｇの白金テトラアンミン錯体水溶液を含浸法により担持させ、表面のみに白金を担持させた白金／アルミナ水素化触媒Ｂを得た。
（バイオディーゼル燃料の水素化）
触媒Ｂを用いた他は、実施例３と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表３に示す。

［実施例１０］
（水素化触媒の調製）
アルミナ担体２０ｇに対して、金属換算で０.０８ｇとなるようパラジウムテトラアン
ミン錯体および金属換算で０.０３７ｇとなるよう白金テトラアンミン錯体水溶液（パラ
ジウム／白金＝４モル／モル）を含浸法により担持させ、表面のみにパラジウム−白金を担持させたパラジウム−白金／アルミナ水素化触媒Ｃを得た。
（バイオディーゼル燃料の水素化）
触媒Ｃを用いた他は、実施例３と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表３に示す。

［実施例１１］
（ＰＯＶ増加ジャトロファ油ＦＡＭＥの調製）
３００ｍｌのジャトロファ油ＦＡＭＥ（酸素濃度１６８ｐｐｍ）を１０００ｍｌのガラス製ビーカーに入れ、６０℃に加温されたインキュベーター内で２４時間、１００時間静置して貯蔵した。ＰＯＶ値は５９ｍｅｑ／ｋｇ（酸素量換算４７２ｐｐｍ）となり、結果として、酸素濃度が３０４ｐｐｍ増加した。
（バイオディーゼル燃料の水素化）
調製したＰＯＶ＝５９（ｍｅｑ／ｋｇ）のジャトロファ油ＦＡＭＥを用いた他は、比較例１と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表４に示す。

［実施例１２］
（ＰＯＶ増加ジャトロファ油ＦＡＭＥの調製）
３００ｍｌのジャトロファ油ＦＡＭＥ（酸素濃度１６８ｐｐｍ）を１０００ｍｌのガラス製ビーカーに入れ、６０℃に加温されたインキュベーター内で１００時間静置して貯蔵した。ＰＯＶ値は１２１ｍｅｑ／ｋｇ（酸素量換算９４７ｐｐｍ）となり、結果として、酸素濃度が７７９ｐｐｍ増加した。
（バイオディーゼル燃料の水素化）
調製したＰＯＶ＝１２１（ｍｅｑ／ｋｇ）のジャトロファ油ＦＡＭＥを用いた他は、比較例１と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表４に示す。

図１は、実施例４、実施例１１及び比較例１の水素化活性（多不飽和ＦＡＭＥ転化率）の経時変化を示す図である。
図から明らかなとおり、酸素未添加の比較例１（−●−）では時間の経過とともに水素化活性が低下しているが、酸素ガスを導入した実施例４（−▲−）およびバイオディーゼル燃料あらかじめ強制酸化させて酸素濃度を増加させた実施例１１（−■−）では水素化活性が安定していることが分かる。

図２は、実施例１〜７、実施例１１，１２、比較例１の水素化活性劣化速度と反応系内の酸素濃度の関係を図２に示す図である。図中、−■−は、酸素ガスを導入した例（実施例１〜７）を、−△−は、バイオディーゼル燃料自体をあらかじめ強制酸化した例（実施例１１、１２）を、−●−は、酸素未添加の例（比較例１）を、それぞれ示している。
図２から明らかなとおり、酸素ガスを導入することで、好ましくは１５０〜３５００ｐｐｍ、より好ましくは３００〜２０００ｐｐｍ導入することで、水素化活性劣化速度が低下しており、水素化活性の安定化に効果があることが分かる。また、バイオディーゼル燃料を強制酸化させて酸素濃度を増加させた場合も、水素化活性劣化速度が低下しており、酸素ガスを導入した場合と同様な効果が得られることが分かる。

［実施例１３：バイオディーゼル燃料の水素化］
原料油ＦＡＭＥをパーム油ＦＡＭＥとし、酸素添加量を４００ｐｐｍとする他は、実施例１と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表５に示す。

［実施例１４：バイオディーゼル燃料の水素化］
酸素添加量を８１０ｐｐｍとする他は、実施例１３と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表５に示す。

［実施例１５：バイオディーゼル燃料の水素化］
酸素添加量を１６２０ｐｐｍとする他は、実施例１３と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表５に示す。

［実施例１６：バイオディーゼル燃料の水素化］
酸素添加量を２４３０ｐｐｍとする他は、実施例１３と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表５に示す。

［比較例２：バイオディーゼル燃料の水素化］
酸素を添加しない他は、実施例１３と同様の方法で反応を行った。水素化反応結果を表５に示す。

Claims

バイオディーゼル燃料を、周期律表第８〜１０族から選ばれる少なくとも一種の貴金属を含有する触媒の存在下に水素化処理する方法であって、反応系内に酸素を、バイオディーゼル燃料中の酸素分子として１５０〜３５００ｐｐｍの濃度で存在させることを特徴とするバイオディーゼル燃料の水素化処理方法。
酸素を含むガスを反応系内に導入させることを特徴とする請求項１に記載のバイオディーゼル燃料の水素化処理方法。
前記バイオディーゼル燃料をあらかじめ強制的に酸化させることを特徴とする請求項１に記載のバイオディーゼル燃料の水素化処理方法。