CN101983103A - 利用具有cha晶体结构的非沸石的含金属分子筛的催化剂、***和方法 - Google Patents
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Abstract
公开了包含具有CHA晶体结构的负载金属的非沸石分子筛(包括Cu-SAPO-34)的催化剂、制备此类催化剂的方法、以及包含此类催化剂的处理废气用的***和方法。该催化剂可用于在宽温度范围内从气体介质中除去氮氧化物并在高反应温度下表现出水热稳定性。
Description
技术领域
本发明的实施方案涉及包含具有CHA骨架或晶体结构的非沸石的含金属分子筛的催化剂、它们的制造和使用方法、和含有此类催化剂的废气处理***。
背景技术
几种技术可用于减少汽车发动机废气中的氮氧化物(NOx)。三元催化剂(TWC)旨在从配有汽油机的车辆的废气中除去NOx。在三元催化剂上,氮氧化物与未燃烃或CO反应以使NOx的氧用于未燃烃或CO的氧化,以产生氮、二氧化碳和水。由于在氧存在下的低NOx转化率,三元催化剂不能用于处理来自稀薄燃烧(lean burn)和柴油机的废气。
对于柴油机,有两种类型的减少NOx的技术。第一类型是NOx储存和还原,这需要发动机的交替稀薄燃烧和富燃运行期。在稀薄燃烧期间,氮氧化物以硝酸盐形式吸附。在富燃运行期间,通过与废气中所含的烃反应来将硝酸盐还原成氮。
第二类型的减少柴油机中的NOx的技术涉及NOx的选择性催化还原(SCR)。第一类型的SCR涉及烃SCR(HC SCR),这涉及使用烃如柴油燃料作为还原剂以还原柴油机废气流中的NOx。但是,HC SCR的柴油机适用性看起来不可行,因为适用于HC-SCR的大多数催化剂表现出可获得有效NOx还原的极窄温度范围。参见例如Ishihara等人,Ind.Eng.Chem.Res.,第36卷,No.1,1997,其中使用Cu-SAPO-34和烃的NOx转化率据观察在大约400℃下小于70%和在200℃下小于大约20%。
第二类型的SCR涉及氨SCR。使用氨或氨前体作为还原剂的选择性催化还原被认为是最可行的从柴油机废气中除去氮氧化物的技术。在典型废气中,氮氧化物主要由NO(>90%)构成,因此SCR催化剂有利于NO和NH3转化成氮和水。开发用于氨SCR工艺的汽车用途的催化剂中的两个主要挑战是提供SCR活性的宽运行范围,包括200℃和更高的低温及改进该催化剂在高于500℃的温度下的水热稳定性。本文所用的水热稳定性是指材料催化NOx的SCR的能力的保持率,该保持率优选为该材料在水热老化前的NOx转化能力的至少85%。
使用标准化发动机或车辆试验循环测量车辆排放物,其中改变速度和负荷以模拟实际驾驶状况。ECE试验循环,也被称作UDC,代表在低速度和负荷下的市内驾驶,Extra Urban Driving Cycle(EUDC)涉及更高速度。大多数试验循环包括冷启动部分。例如,欧3试验循环包括ECE+EUDC循环,并包括在催化剂在相当大部分驾驶周期中处于低至150℃的温度下时评价排放物。
沸石是具有相当均匀的孔尺寸的硅铝酸盐结晶材料,根据沸石类型和沸石晶格中包含的阳离子的类型和量,该孔尺寸通常为大约3至10埃。合成和天然沸石及它们在促进某些反应,包括在氧存在下用氨选择性还原氮氧化物的反应中的用途都是本领域中公知的。
用氨选择性催化还原氮氧化物用的金属助催化的沸石催化剂,尤其包括铁助催化和铜助催化的沸石催化剂是已知的,其中,例如,经由离子交换引入该金属。铁助催化的沸石β是用氨选择性还原氮氧化物用的有效催化剂。不幸地,已经发现,在苛刻水热条件下,如在超过500℃的温度下还原废气中的NOx时,许多金属助催化的沸石,如ZSM-5和β的Cu和Fe形式的活性开始下降。这种活性下降被认为归因于沸石的失稳定,如通过脱铝,和随之损失该沸石内的含金属的催化位点。
为保持NOx还原的总体活性,必须提供该铁助催化的沸石催化剂的提高的修补基面涂层(washcoat)载量。由于为提供充足NOx脱除而提高沸石催化剂的含量,由于催化剂成本提高,NOx脱除法的成本效率明显降低。
由于上文论述的考虑因素,需要制备与现有沸石材料相比提供改进的低温SCR活性和/或改进的水热耐久性的材料,例如,在高达至少大约650℃和更高的温度下,例如在大约700℃至大约800℃和最多大约900℃的温度下稳定的催化剂材料。此外,由于柴油机在瞬变条件下运行,需要提供在从低至200℃到大约450℃的宽温度范围内表现出高性能的材料。参见Klingstedt等人,″Improved Catalytic Low-Temperature NOxRemoval,″ACCOUNTS OF CHEMICAL RESEARCH/第39卷,NO.4,2006。因此,尽管现有技术提供高温性能,但需要可以在主要NO进料中提供低温性能以及水热稳定性的材料。低温性能对冷启动和低发动机负荷条件而言是重要的。
概述
本发明的方面涉及具有CHA结构并有效地在氧存在下用氨选择性还原氮氧化物的负载金属的非沸石分子筛,此类催化剂的制造方法、包含此类分子筛的催化剂复合材料、和包含此类催化剂的废气处理***和方法。该催化剂可以是用于处理废气流,尤其是来自汽油机或柴油机的那些废气流的废气处理***的一部分。
本发明的一个实施方案涉及具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛及其在排气***,如旨在减少氮氧化物的那些排气***中的用途。在具体实施方案中,提供具有CHA结构的新型的负载金属的非沸石分子筛催化剂,其表现出NOx的改进的NH3SCR。根据本发明的一个或多个实施方案制成的非沸石分子筛催化剂提供在宽温度范围内表现出优异水热稳定性和高催化能力的催化剂材料。与可用于此领域的其它沸石催化剂如Feβ沸石相比,根据本发明的实施方案的非沸石分子筛催化剂材料提供改进的低温活性和水热稳定性。
根据第一实施方案,包含具有CHA晶体结构的载铜非沸石分子筛,其具有这样的Cu载量,即其使得在该催化剂以2至2.5克/立方英寸的载量沉积在孔隙密度为400cpsi的蜂窝基底上并在80,000hr-1的空速下在进料流包含10%O2、5%H2O、500ppm NO和500ppm NH3的混合物的情况下测试时,该催化剂有效地在200℃下在废气流中在氧存在下用氨选择性还原氮氧化物以提供至少80%NOx转化率。为清楚起见,该第一实施方案涉及在200℃下表现出优异NOx转化率的催化剂,且不受特定加载物的限制。权利要求书中的叙述“在该催化剂以2至2.5克/立方英寸的载量沉积在孔隙密度为400cpsi的蜂窝基底上并在80,000hr-1的空速下在进料流包含10%O2、5%H2O、500ppm NO和500ppm NH3的混合物的情况下测试时”作为测试参数提供以在具有CHA晶体结构的非沸石分子筛具有造成在200℃下至少80%转化率的铜载量时提供清楚性。在第二实施方案中,该非沸石分子筛包含Cu-SAPO-34且该催化剂有效地在200℃下提供废气流中至少大约85%NOx转化率。在第三实施方案中,该催化剂有效地在200℃下提供废气流中至少大约90%NOx转化率。
在第四实施方案中,该Cu-SAPO-34材料在10%蒸汽中在850℃下水热老化6小时后按百分比计保持在200℃下的NOx转化率的至少85%。在第五实施方案中,该Cu-SAPO-34材料在10%蒸汽中在900℃下水热老化1小时后按百分比计保持在200℃下的NOx转化率的至少90%。在第六实施方案中,该Cu-SAPO-34材料在10%蒸汽中在900℃下水热老化1小时后按百分比计保持在200℃下的NOx转化率的至少95%。
在第七实施方案中,该催化剂有效还原NOx以使通过该催化剂后的气流中NOx与N2O的比率大于2.5。在第八实施方案中,该催化剂有效还原NOx以使通过该催化剂后的气流中NOx与N2O的比率大于5。
在第九实施方案中,该催化剂有效地在200℃至450℃的温度范围内生成少于10ppm N2O。在第十实施方案中,该催化剂有效地在200℃至450℃的温度范围内生成少于5ppm N2O。
在上述任何实施方案1-10中,一个或多个下列特征可能进一步限制上述任何实施方案:该催化剂含有第二金属;b)该第二金属包含锆;该催化剂含有大约2重量%至4重量%Cu。
本发明的另一方面涉及制造Cu-SAPO-34的方法。在第十一实施方案中,制造Cu-SAPO-34的方法包括在凝胶混合物中混合中性含氮有机模板、氧化铝源、二氧化硅源和磷源;将该凝胶加热至小于大约200℃至少大约12小时以形成结晶SAPO-34;过滤和洗涤该结晶SAPO-34;煅烧该结晶SAPO-34;和使该结晶SAPO-34与铜盐离子交换以提供Cu-SAPO-34。
该第十一实施方案可包括一个或多个下列方法方案:该模板包含吗啉且加热温度小于大约185℃,加热时间为至少大约24小时;该铜盐包含乙酸铜;在使该结晶SAPO-34与铜盐离子交换以提供Cu-SAPO-34后,洗涤Cu-SAPO-34以提供电导率小于大约600μScm-1,或小于大约400μScm-1,或小于大约200μScm-1的滤液;在小于大约600℃的温度下煅烧该洗过的Cu-SAPO-34材料;和/或该结晶材料的晶体大小为90%晶体小于20微米,或小于15微米。
在第十二实施方案中,提供通过第十一实施方案中所述的制造方法和上述方案制成的催化剂。
本发明的另一方面涉及包括上述实施方案1-11任一项的催化剂的催化剂复合材料。在第十三实施方案中,催化剂复合材料包含蜂窝基底,所述蜂窝基底具有以大约0.5克/立方英寸至3.5克/立方英寸的载量作为修补基面涂层沉积在蜂窝基底上的实施方案1-10和12任一项的催化剂。该蜂窝体可以是壁流基底或流过基底。在该蜂窝基底是流过基底的第十四实施方案中,该流过基底的至少一部分涂有含Pt和负载金属的非沸石分子筛的修补基面涂层以氧化废气流中的氨。在第十六实施方案中,该壁流基底的至少一部分涂有含Pt和负载金属的非沸石分子筛的修补基面涂层以氧化废气流中的氨。
本发明的另一方面涉及废气处理***。在第十七实施方案中,废气处理***包括实施方案1-10或12-16的催化剂和第二催化剂,如氧化催化剂。
在第十八实施方案中,将权利要求1-10任一项的催化剂与含金属的沸石SCR催化剂合并。
本发明的另一方面涉及在氧存在下还原气流中所含的氮氧化物的方法,包括使该气流与如前述实施方案1-10或12-17任一项所述的载铜非沸石分子筛接触。
附图简述
图1A、1B和1C是本发明的排放处理***的三个示例性实施方案的示意图。
图2是描绘根据实施例1的方法制成的含3.31重量%CuO的Cu-SAPO34催化剂的作为反应温度的函数的氮氧化物脱除效率(%)和N2O生成量(ppm)的图;
图3是描绘根据实施例1的方法制成的含3.31重量%CuO的Cu-SAPO34催化剂的老化形式的作为反应温度的函数的氮氧化物脱除效率(%)和N2O生成量(ppm)的图;
图4是描绘根据实施例2的方法制成的含3.18重量%CuO的Cu-SAPO34催化剂的作为反应温度的函数的氮氧化物脱除效率(%)、氨消耗(%)和N2O生成量(ppm)的图;
图5是描绘根据实施例3的方法制成的含3.78重量%CuO的CuSAPO-44催化剂的作为老化温度的函数的氮氧化物脱除效率(%)和N2O生成量(ppm)的图;
图6是描绘根据实施例4的方法制成的Cu-SAPO34催化剂的作为老化温度的函数的氮氧化物脱除效率(%)和N2O生成量(ppm)的图;
图7是描绘根据实施例11的方法制成的Cu-SAPO34催化剂的作为老化温度的函数的氮氧化物脱除效率(%)和N2O生成量(ppm)的图;
图8是描绘根据实施例12的方法制成的Cu-SAPO34催化剂的作为老化温度的函数的氮氧化物脱除效率(%)和N2O生成量(ppm)的图;
图9是描绘根据实施例13的方法制成的Cu-SAPO34催化剂的作为老化温度的函数的氮氧化物脱除效率(%)和N2O生成量(ppm)的图;
图10是描绘根据实施例14的方法制成的Cu-SAPO34催化剂的作为老化温度的函数的氮氧化物脱除效率(%)和N2O生成量(ppm)的图;
详述
在描述本发明的几个示例性实施方案之前,要理解的是,本发明不限于下列描述中所述的构造或工艺步骤的细节。本发明能有其它实施方案并且能以各种方式实施或进行。
在本发明的一个实施方案中,提供具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛。本文所用的术语“非沸石分子筛”是指共角四面体骨架,其中至少一部分四面***置被硅或铝以外的元素占据。本文所用的“新鲜”是指刚制成的尚未水热老化的催化剂。可以根据本发明的实施方案使用包含至少一个非Si或Al并表现出改进的NH3 SCR或NOx的T元素的具有CHA骨架结构(如International Zeolite Association所定义)的任何非硅铝酸盐组合物。此类分子筛的非限制性实例包括铝磷酸盐和金属铝磷酸盐,其中金属可包括硅、铜、锌或其它合适的金属。具体的非限制性实例包括SAPO-34、SAPO-44和SAPO-47。尤其合适的材料是兼具通过老化时的极小活性损失表现出的优异水热稳定性和与Fe-β沸石催化剂材料相比改进的催化活性的那些材料。根据本发明的实施方案的材料表现出在宽温度范围内的高催化NOx转化性能和低N2O生成量。更具体地,Cu-SAPO-34材料在新鲜和老化样品的情况下在极端温度条件下和在80,000h-1的高空速下表现出高NOx转化率。要认识到,在比较材料之间的NOx转化值时,较高的空速对该材料施以较苛刻的NOx转化率试验。换言之,在较高空速下测试的样品会造成比在相同条件但较低空速下测试的样品低的NOx转化率。
在具体实施方案中,宽温度范围包括低温,例如低至200℃的温度。在更具体的实施方案中,提供在新鲜时和在10%蒸汽中在至少大约800℃、至少大约850℃和至少大约900℃下水热老化至少1小时、3小时和6小时时表现出至少大约75%,更尤其至少大约80%,再更尤其至少大约85%,在非常特定的实施方案中至少大约90%的NOx转化率的Cu-SAPO-34材料。为避免任何疑问,根据本发明的实施方案的材料在10%蒸汽中在800℃和850℃下各水热老化多达至少3小时和多达6小时时表现出上述NOx转化率。在一个或多个实施方案中,在10%蒸汽中在900℃下水热老化1小时的材料表现出至少80%、85%和90%的NOx转化率。在另一些实施方案中,Cu-SAPO-34材料的新鲜和水热老化的NOx转化率表现出比CuCHA沸石分子筛(例如Cu SSZ-13)的新鲜和在类似条件下老化和测试的水热老化材料都好的NOx转化率。在一个或多个实施方案中,本文中提供的Cu-SAPO-34材料的NOx转化性能比在类似条件下的CuCHA沸石分子筛(例如Cu SSZ-13)好至少大约5%(例如,85%相对于80%)、10%(例如90%相对于80%)、15%(例如95%相对于80%)或20%(例如100%相对于80%)百分点。在一个或多个实施方案中,提供在新鲜和水热老化样品的情况下在200℃至450℃的温度范围内表现出极低N2O生成量的Cu-SAPO-34材料。在具体实施方案中,在200℃至450℃的温度范围内的N2O生成量小于大约10ppm,小于9ppm,小于大约8ppm,小于7ppm,小于大约5ppm,小于大约4ppm,小于大约3ppm,和小于大约2ppm。
在下列程序和条件下测量如本文定义的Cu-SAPO-34的NOx转化率。通过将90克如下详述的Cu-SAPO-34与215毫升去离子水混合,制备Cu-SAPO-34浆料。将该混合物球磨11小时以获得90%粒子小于10微米的浆料。将15.8克在稀乙酸中的乙酸氧锆(zirconyl acetate)(含有30%ZrO2)在搅拌下添加到该浆料中。将该浆料涂布到具有400cpsi(孔隙/平方英寸)的孔隙密度和6.5密耳壁厚的1″直径x3″长(1″Dx3″L)多孔陶瓷芯上。该涂布芯在110℃下干燥3小时和在400℃下煅烧1小时。该涂布过程重复至少一次以获得2.4克/立方英寸的目标修补基面涂层载量。这提供与汽车中所用的催化制品类似的样品。
通过将500ppm NO、500ppm NH3、10%O2、5%H2O和余量N2的进料气体混合物添加到含有1″Dx3″L催化剂芯的稳态反应器中,测量新鲜(刚制成)催化剂芯的氮氧化物选择性催化还原(SCR)效率和选择性。对于该催化试验,将该带有修补基面涂层的芯成型成被陶瓷绝缘层包裹的正方形横截面,并置于用电炉加热的Inconel反应管内。气体O2(来自空气)、N2和H2O在进入该反应器之前在预热炉中预热。在预热炉和反应器之间引入反应性气体NO和NH3。在上述400cpsi(孔隙/平方英寸)芯上涂布该催化剂至2至2.5克/立方英寸的目标载量。在150℃至450℃温度范围内在80,000hr-1空速(在32°F下测得的空速)下进行该反应。空速是指包含整个反应混合物的气体流速除以该催化剂芯的几何体积。这些条件规定新鲜催化剂的标准试验。
通过新鲜催化剂芯在10%H2O(余量为空气;在32°F h-1下的空速为4000h-1)存在下在下列条件之一下水热老化:750℃25小时、800℃50小时,850℃6和10小时,900℃1小时,和随后用上文阐述的用于新鲜催化剂芯上的SCR评价的相同方法测量氮氧化物SCR效率和选择性,测量该催化剂的水热稳定性。
在一个或多个实施方案中,在本文中提供具有通过x-射线荧光(XRF)测得的大约10至25重量%,更尤其大约12至20重量%,最尤其大约15至19重量%的SiO2含量的Cu-SAPO34材料。在一个或多个实施方案中,该新鲜SAPO-34或Cu-SAPO-34材料具有大约300至600平方米/克,优选大于350平方米/克,375平方米/克至600平方米/克的BET表面积。在一个或多个实施方案中,该Cu-SAPO34材料在离子交换后具有足够低的电导率,例如小于600μScm-1,更尤其小于400μScm-1和小于大约200μScm-1,从而基本不含未交换金属的含该结晶材料的溶液或滤液的电导率。可以通过电导率计(Newport Electronics,Model DP-03,Santa Anna,Ca)测量该滤液的电导率。在一个或多个实施方案中,通过电感耦合等离子体(ICP)分析测得的该Cu-SAPO34材料的以CuO计的Cu含量为大约1%至5%,更尤其大约2%至大约4%,再更尤其大约2.5%至大约3.5%。
根据本发明的另一方面,提供制造或合成Cu-SAPO-34材料的方法。在一个实施方案中,将中性含氮有机模板(例如,吗啉)、合适的氧化铝、二氧化硅和磷源材料混合在一起以形成凝胶混合物。此后,将该凝胶加热至小于大约200℃,更尤其小于大约185℃,在非常特定的实施方案中小于大约175℃的温度。在合适的温度,例如大约170℃下的加热进行至少大约12小时,至少大约24小时,或至少大约48小时。然后将该混合物冷却,过滤和洗涤。此后,使用合适的铜盐,如硫酸铜、硝酸铜或乙酸铜进行离子交换。在离子交换后,洗涤结晶材料直至滤液的电导率足够低。此后,在小于大约650℃,尤其小于600℃,更优选小于550℃的温度下煅烧该材料。在一个或多个实施方案中,通过该方法制成的结晶材料的晶体大小为90%晶体小于大约20微米,在具体实施方案中,90%晶体小于大约15微米。在实施例中提供合成Cu-SAPO-34材料的方法的更多细节。根据一个或多个实施方案,提供通过上述制造方法制成的Cu-SAPO-34催化剂材料。
如本文根据一个或多个实施方案所用,“负载”是指金属在分子筛多孔网络内的额外骨架占据。该额外骨架物类位于该分子筛的通道、空腔、笼和/或外表面中。金属可以为若干形式之一,包括但不限于,离子、氧化物和含氧阳离子(oxycations)。在本发明的一个或多个实施方案中,通过该分子筛中金属的存在提高该沸石或催化剂的结构完整性。在一个或多个实施方案中,第二金属进一步改进包括Cu-SAPO-34分子筛的催化制品的催化性质。此类第二金属的实例包括锆,其可以改进修补基面涂层性质,如粘合性或孔隙率,并可以改进该Cu-SAPO-34材料的NOx转化活性和抗水热老化劣化性。
如熟练技术人员认识到的那样,多种材料参数,包括但不限于,硅含量、负载的特定金属、金属载量、该金属的氧化态、晶体大小、表面积、该非沸石分子筛的总体组成、结构缺陷等在它们对水热稳定性和NOx转化性能的影响方面可能独立或相互依赖。相应地,为了获得表现出优异的新鲜和老化NOx转化性能的SCR催化剂材料,要认识到,改变一个参数,如金属载量、晶体大小和/或表面积可能改进NOx转化性能,但可能不利地影响其它材料性质。此外,用于制造该非沸石分子筛材料的多种加工参数,包括但不限于水热合成条件,如温度、时间、pH、特定反应物和特定反应物的材料性质,会影响最终材料的新鲜和/或老化NOx转化性能。此外,除了为获得可用作NOx消除用SCR催化剂的非沸石分子筛而必须考虑的许多工艺条件外,在文献中几乎没有提供关于将金属(例如Cu、Fe或Co)加载到分子筛材料上的细节。在此方面,特定金属盐、离子交换过程中的加载条件的pH值和金属在分子筛水热合成过程中直接并入该分子筛中(例如单步合成相对于多步合成),提供了在用作氮氧化物消除用SCR催化剂的负载金属的分子筛的制造中要考虑的另一组变量。获得SCR性能优异的材料不是直接了当的工作。
根据本发明的一个或多个实施方案的具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛催化剂可用在涉及氧化和/或水热条件,例如在超过大约600℃,例如高于大约800℃的温度下和在最多大约10%水蒸汽存在下的催化法中。更具体地,已经发现,根据本发明的实施方案制成的具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛催化剂与Feβ沸石相比具有提高的水热稳定性。根据本发明的实施方案制成的具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛催化剂在用氨选择性催化还原NOx中产生改进的活性,尤其是在至少大约600℃,例如大约800℃和更高的高温和高达大约10%或更大的高水蒸汽环境下运行时。
本发明的实施方案还涉及利用具有CHAiegou的负载金属的非沸石分子筛催化剂消除内燃机生成的废气流中的NOx的方法。另一些实施方案涉及包含具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛的SCR催化剂和包含具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛的废气处理***。再一些实施方案涉及氨氧化(AMOX)催化剂和包含含有具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛催化剂的AMOX催化剂的废气处理***。根据一个或多个实施方案,催化剂和***利用在至少大约600℃,例如大约800℃和更高的高温和大约10%或更大的高水蒸汽环境下老化时没有表现出催化剂的显著水热劣化的具有离子交换金属的具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛。如本文所用,通过在使用上述测试条件在至少大约800℃和850℃的温度下水热老化6和10小时和在上述测试条件下在900℃下水热老化1小时时保持新鲜NOx转化率的至少大约85%,保持新鲜NOx转化率的至少大约90%和新鲜NOx转化率的至少大约95%,显示该催化剂材料无显著水热劣化。本文所用的在老化后按百分比计的“NOx转化保持率”(或“保持NOx转化率”)是指老化样品的NOx转化率百分比除以新鲜样品的NOx转化率百分比。在200℃至450℃的温度下保持NOx转化率。
根据一个或多个实施方案,该具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛在低温范围内运行。随时间经过,在具有在发动机下游的DOC预催化剂、随后SCR催化剂和CSF,或在CSF和SCR上游的DOC预催化剂的废气处理***中,该DOC倾向于在低温点火和HC燃料燃烧时都活化。在此类***中,如果该SCR催化剂可保持其低温工作能力,则是有益的。由于该氧化催化剂会损失它们将NO氧化成NO2的能力,提供可以像NO2那样有效地处理NO的SCR催化剂是有用的。根据本发明的实施方案制成的具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛具有在低温下用NH3还原NO的能力。
根据本发明的一个或多个实施方案的催化剂的另一特征在于,它们可实现NOx通过氨SCR转化成氮的高转化率,这与NOx物种形成,即NO∶NO2比率无关。本领域中公知的是,NO2比NO更反应性且氨SCR催化剂进料流中NO2的存在改进NOx转化。对许多催化剂而言,最佳NO∶NO2比率为大约1∶1。
在废气进料流中实现这种比率是成问题的,因为NO是由高温燃烧形成的主要NOx物类,且在不存在催化剂的情况下,NO向NO2的转化是缓慢的。因此,该SCR催化剂通常位于含有可将NO转化成NO2的元素的柴油氧化催化剂(DOC)下游。但是,该DOC催化剂会随时间经过失活,在任何情况下,离开该DOC催化剂的NO∶NO2比率难以控制且可能不是最佳的。
因此,根据本发明的一个或多个实施方案的催化剂提供用于处理来自柴油机废气流的污染物的额外灵活性。
根据本发明的实施方案,该SCR催化剂可以是自支撑催化剂粒子形式或是由SCR催化剂组合物形成的蜂窝整料形式。但是,在本发明的一个或多个实施方案,该SCR催化剂组合物作为修补基面涂层或作为修补基面涂层的组合位于陶瓷或金属基底,例如蜂窝流过基底上。
在排放处理***的具体实施方案中,该SCR催化剂由具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛形成。
当本发明的催化剂沉积在蜂窝整料基底上以提供催化剂复合材料时,此类SCR催化剂组合物以至少大约0.5克/立方英寸,例如,大约1.3克/立方英寸,大约2.4克/立方英寸或更高,如5克/立方英寸的浓度沉积以确保实现所需NOx还原和确保该催化剂在长期使用过程中的充足耐久性。
术语“SCR”催化剂在本文中以更广义使用以表示选择性催化还原,其中发生氮氧化物与还原剂的催化反应以还原该氮氧化物。“还原剂”在本文中也广义使用以表示倾向于在升高的温度下还原NOx的任何化学品或化合物。在具体实施方案中,该还原剂是氨,尤其是氨前体,即脲。
基底
在一个或多个实施方案中,该催化剂组合物位于基底上。该基底可以是常用于制备催化剂的任何材料,并通常包含陶瓷或金属蜂窝结构。可以使用任何合适的基底,如具有从基底的入口或出口面贯穿其的细的平行气流通道以使通道畅通地允许流体流过的类型的整料基底(被称作蜂窝流过基底)。这些通道,从其流体入口到其流体出口的基本直的路径,由其上带有作为修补基面涂层的该催化材料的壁划定出,以使流经通道的气体接触该催化材料。该整料基底的流道是薄壁通道,它们可以具有任何合适的横截面形状和尺寸,如梯形、矩形、正方形、正弦形、六边形、椭圆形、圆形等。这类结构可含有每平方英寸横截面大约60至大约400个或更多的气体入口开口(即孔隙)。
该基底也可以是壁流过滤器基底,其中通道交替封闭,以使从一个方向(入口方向)进入通道的气流流过通道壁并从另一方向(出口方向)离开该通道。可以在该流过或壁流过滤器上涂布AMOX和/或SCR催化剂组合物。如果采用壁流基底,所得***能与气态污染物一起除去颗粒物。壁流过滤器基底可以由本领域公知的材料,如堇青石、钛酸铝或碳化硅制成。要理解的是,壁流基底上的催化组合物载量取决于基底性质,如孔隙率和壁厚,并通常小于流过基底上的载量。
该陶瓷基底可以由任何合适的耐火材料,例如堇青石、堇青石-氧化铝、氮化硅、锆莫来石、锂辉石、氧化铝-二氧化硅氧化镁、硅酸锆、硅线石、硅酸镁、锆、透锂长石、α-氧化铝、硅铝酸盐等制成。合适的基底是可获自Corning,Inc.的堇青石基底和可获自NGK的钛酸铝基底。
可用于本发明的实施方案的催化剂的基底也可以是金属性质的并由一种或多种金属或金属合金构成。金属基底可以以各种形状,如波纹板或整料形式使用。合适的金属载体包括耐热金属和金属合金,如钛和不锈钢以及以铁为基本或主要组分的其它合金。这类合金可含有镍、铬和/或铝中的一种或多种,且这些金属的总量可有利地占该合金的至少15重量%,例如10-25重量%的铬、3-8重量%的铝和最多20重量%的镍。该合金也可以含有少量或痕量的一种或多种其它金属,如锰、铜、钒、钛等。该金属基底的表面可以在例如1000℃和更高的高温下氧化以通过在基底表面上形成氧化层来改进合金的耐腐蚀性。这种高温诱发的氧化可增强耐火金属氧化物载体和助催化金属组分与基底的粘附。
在另一些实施方案中,该具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛组合物之一或两者可沉积在开孔泡沫基底上。这类基底是本领域中公知的,并通常由耐火陶瓷或金属材料形成。
修补基面涂层制备
根据一个或多个实施方案,可以使用粘合剂制备具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛的修补基面涂层。根据一个或多个实施方案,使用衍生自合适的前体,如乙酸氧锆或任何其它合适的锆前体,如硝酸氧锆的ZrO2粘合剂。在一个实施方案中,乙酸氧锆粘合剂提供在热老化后,例如在该催化剂暴露在至少大约600℃,例如大约800℃和更高的高温和大约10%或更大的高水蒸汽环境中时保持均匀和完整的催化涂层。使修补基面涂层保持完整是有益的,因为松动或释放的涂料会堵塞下游CSF,以致背压提高。其它可能合适的粘合剂包括,但不限于,氧化铝和二氧化硅。氧化铝粘合剂包括氧化铝、氢氧化铝和羟基氧化铝(aluminumoxyhydroxide)。也可以使用铝盐和胶体形式的氧化铝。二氧化硅粘合剂包括各种形式的SiO2,包括胶态二氧化硅。此外,粘合剂组合物可包括氧化锆、氧化铝和二氧化硅的任何组合。根据一个或多个实施方案,具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛可用作氨氧化催化剂。此类AMOX催化剂可用在包括SCR催化剂的废气处理***中。如整个内容经此引用并入本文的共同转让的美国专利No.5,516,497中所论述,可以使含有氧、氮氧化物和氨的气流相继通过第一和第二催化剂,第一催化剂有利于还原氮氧化物,第二催化剂有利于过量氨的氧化或其它分解。如美国专利No.5,516,497中所述,第一催化剂可以是包含沸石的SCR催化剂,第二催化剂可以是包含分子筛的AMOX催化剂。
如本领域中已知的那样,为了减少来自烟道气和废气的氮氧化物排放物,将氨添加到含氮氧化物的气流中,随后使该气流在升高的温度下与合适的催化剂接触以催化用氨还原氮氧化物。此类气流,例如内燃机或燃气或燃油涡轮发动机的燃烧产物,通常也固有地含有相当大量氧。涡轮发动机的典型废气含有大约2至15体积%氧和百万分之大约20至500体积份氮氧化物,后者通常包含NO和NO2的混合物。通常,该气流中存在的氧足以氧化残留氨,即使使用超过还原存在的所有氮氧化物所需的化学计算量的氨。但是,在使用超过化学计算量的极大过量的氨的情况下,或在要处理的气流缺乏氧含量或氧含量低的情况下,可以在第一催化剂区和第二催化剂区之间引入含氧气体,通常空气,以确保在第二催化剂区中存在足以氧化残留或过量氨的氧。
金属助催化的沸石已用于促进氨与氮氧化物的选择性反应(以形成氮和H2O)以压倒氧和氨的竞争性反应。氨和氮氧化物的催化反应因此有时被称作氮氧化物的选择性催化还原(“SCR”),或在本文中有时简称为“SCR法”。理论上,在SCR法中以超过与存在的氮氧化物完全反应所需的化学计算量提供氨是合意的,既有利于驱动反应完成,又有助于克服氨在该气流中的不充分混合。但是,实际上,通常不提供超过这种化学计算量的显著过量氨,因为未反应的氨从该催化剂排放到大气中本身会造成空气污染问题。由于氨在该气流中的不完全反应和/或差混合,甚至在氨仅以化学计量或低于化学计量存在的情况下也会发生未反应的氨的这种排放,以致在其中形成高氨浓度通道。在利用包含整料蜂窝型载体(其包含具有贯穿其中的多个细的平行气体流径的耐火体)的催化剂时,这种通道的形成特别令人担心,因为与微粒催化剂床的情况不同,在通道之间没有气体混合机会。
根据本发明的实施方案,具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛可以配制成促进(1)SCR工艺,即用氨还原氮氧化物以形成氮和H2O,或(2)用氧氧化氨以形成氮和H2O。美国专利No.5,516,497教导了沸石上除硅铝磷酸铜外的铁和铜载量以获得对SCR反应的选择性和该催化剂在牺牲SCR工艺的情况下对氨被氧氧化的选择性,由此改进氨去除。根据本发明的实施方案,可以调节金属载量以获得对SCR反应和氨被氧氧化的选择性,和提供利用这两种类型的催化剂的废气处理***。
使用上述原理这样地使用,即通过提供分级或双区催化剂,其中具有具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛的第一催化剂区其促进SCR,后面是包含具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛和/或贵金属组分(其促进氨氧化)的第二催化剂区。所得催化剂组合物因此具有促进用氨还原氮氧化物的第一(上游)区和促进氨氧化的第二(下游)区。由此,当氨超过化学计算量存在(无论是在被处理的气流的整个流动横截面中还是在局部高氨浓度通道中)时,该下游或第二催化剂区促进残留氨被氧氧化。由此降低或消除从该催化剂排出的气流中的氨量。第一区和第二区可以在单一催化剂基底上或作为分开的基底存在。
根据本发明的一个或多个实施方案,具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛SCR催化剂可位于壁流过滤器或催化碳烟过滤器上。可以在多孔过滤器上涂布包含具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛的修补基面涂层以实现碳烟燃烧、SCR和AMOX功能。
在本发明的一个或多个实施方案中,该催化剂包含贵金属组分,即铂族金属组分。例如,如上所述,AMOX催化剂通常包括铂组分。合适的贵金属组分包括铂、钯、铑及其混合物。该催化剂材料的几种组分(例如具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛和贵金属组分)可作为两种或多种组分的混合物或作为独立组分在相继步骤中以催化剂制造领域技术人员显而易见的方式施加到耐火载体元件,即基底上。如上文和实施例中所述,制造根据本发明的一个实施方案的催化剂的典型方法是在合适的载体元件的气流通道的壁上提供该催化剂材料作为涂层或修补基面涂层。这可以通过用一种或多种催化金属组分,如贵金属,即铂族金属、化合物或其它贵金属或贱金属浸渍细粒耐火金属氧化物载体材料,例如γ氧化铝,干燥和煅烧该浸渍的载体粒子和形成这些粒子的含水浆料来实现。在该浆料中可以包括具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛的本体粒子。活性氧化铝可以如本领域中公知的那样在其上分散催化组分之前热稳定化,即通过用例如钡、镧、锆、稀土金属或其它合适的稳定剂前体的可溶盐溶液浸渍其,此后干燥(例如在110℃下1小时)和煅烧(例如在550℃下1小时)该浸渍的活性氧化铝以形成分散到该氧化铝上的稳定金属氧化物。贱金属催化剂可任选也浸渍到该活性氧化铝中,例如通过将贱金属硝酸盐的溶液浸渍到氧化铝粒子中并煅烧提供分散在该氧化铝粒子中的贱金属氧化物。
可随后将该载体浸到浸渍活性氧化铝的浆料中,并除去过量浆料以在该载体的气流通道壁上提供该浆料的薄涂层。该涂布的载体随后干燥和煅烧以在其通道壁上提供催化组分和任选的具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛材料的粘附涂层。可以在该载体上提供一个或多个附加层。在施加各层后或在施加许多所需层后,随后将该载体干燥和煅烧以提供根据本发明的一个实施方案的最终催化剂元件。
或者,可以将用贵金属或贱金属组分浸渍的氧化铝或其它载体粒子与该具有CHA结构的负载金属的非沸石材料的本体或负载型粒子在含水浆料中混合,并可以将催化组分粒子和具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛材料粒子的这种混合浆料作为涂层施加到该载体的气流通道壁上。
在使用中,可以使废气流接触根据本发明的实施方案制成的催化剂。例如,根据本发明的实施方案制成的包含具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛的催化剂非常适合处理发动机,包括柴油机的废气。根据一个或多个实施方案,该具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛可以与其它含金属的沸石SCR催化剂,如β沸石(例如,Feβ)、沸石Y和ZSM5联合使用。具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛可以与含金属的沸石SCR催化剂物理混合,或它们可以在分开的修补基面涂层中。含有不同催化剂的分开的修补基面涂层可以以分层结构提供,或这些不同催化剂可以以上游/下游关系布置在基底上。在另一备选方案中,将一种类型的催化剂置于第一基底上和将另一类型的催化剂置于与第一基底分立的第二基底上可能是合意的。在一个示例性实施方案中,与Feβ合并的负载金属的非沸石分子筛可提供催化剂,其中Feβ表现出优异的高温性能,而负载金属的非沸石分子筛表现出优异的低温性能,从而提供宽工作范围。
排放处理***的示例性实施方案显示在图1A、1B和1C中。标作1A的本发明的排放处理***的一个实施方案示意性描绘在图1A中。将含有气态污染物(包括未燃烃、一氧化碳和NOx)和颗粒物的废气从发动机19传送至排气***中的下游位置,在此将还原剂,即氨或氨前体添加到该废气流中。经喷嘴(未显示)将该还原剂以喷雾形式注入该废气流。显示在一个管线25上的含水脲可充当氨前体,其可以与另一管线26上的空气在混合站24中混合。阀23可用于计量加入精确量的含水脲,其在该废气流中转化成氨。
将含有该添加的氨的废气流传送至含有根据本发明的一个或多个实施方案的具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛的SCR催化剂基底12(在本文,包括权利要求中也称作“第一基底”)。在经过第一基底12时,该废气流的NOx组分通过用NH3选择性催化还原NOx来转化成N2和H2O。此外,来自入口区的过量NH3可通过被也含有具有CHA结构的负载金属的非沸石分子筛的下游氨氧化催化剂(未显示)氧化来转化以将氨转化成N2和H2O。该第一基底通常是流过整料基底。
标作1B的该排放处理***的另一实施方案描绘在图1B中,其含有在NH3喷射器和第一基底12之间***的第二基底27。在此实施方案中,该第二基底涂有SCR催化剂组合物,该组合物可以是与用于涂布第一基底12的相同的组合物或不同组合物。此实施方案的有利特征在于,可以选择用于涂布该基底的SCR催化剂组合物以针对沿排气***的位置特有的工作条件优化NOx转化。例如,该第二基底可涂有更适合在该排气***上游区段出现的较高工作温度的SCR催化剂组合物,而更适合在该排气***下游区段出现的较低废气温度的另一SCR组合物可用于涂布该第一基底(即第一基底的入口区)。
在图1B中所示的实施方案中,第二基底27可以是蜂窝流过基底、开孔泡沫基底或蜂窝壁流基底。在第二基底是壁流基底或高效率开孔泡沫过滤器的这种实施方案的构造中,该***可除去多于80%的颗粒物,包括碳烟成分和SOF。例如已经在共同待决的美国专利No.7,229,597(其公开内容经此引用并入本文)中描述了SCR涂布的壁流基底及其在减少NOx和颗粒物中的用途。
在一些用途中,在氨/氨前体喷射点上游包括氧化催化剂可能是有利的。例如,在图1C中所示的实施方案中,氧化催化剂位于催化剂基底34上。排放处理***11C带有第一基底12并任选包括第二基底27。在此实施方案中,首先将废气流传送至催化剂基底34,在此将至少一些气态烃、CO和颗粒物燃烧成无害组分。此外,将该废气的NOx组分的显著部分的NO转化成NO2。NOx组分中较高的NO2比例促进NOx在位于下游的SCR催化剂上还原成N2和H2O。要认识到,在图1C中所示的实施方案中,第一基底12可以是催化碳烟过滤器,可以在该催化碳烟过滤器上设置SCR催化剂。在另一实施方案中,包含SCR催化剂的第二基底27可位于催化剂基底34上游。
可如下测试催化剂样品以测定催化剂的SCR性能和/或与其它催化剂比较性能。将该催化剂样品制浆和如下所述涂层到整料芯上。修整该芯的尺寸以产生144个孔隙(400cpsi)×3英寸长的正方形。将该样品加载到管式流动反应器中并测试催化活性。设定流速以使该样品上的空速为大约80,000h-1,其由相对于气流总体积的样品几何体积确定。该测试包括使模拟柴油废气混合物流过该催化剂并测量NOx和NH3转化率以及N2O生成量。该模拟气体混合物由10%O2、5%H2O、500ppm NO和500ppm NH3构成。该测试程序在几个稳态温度点平衡该催化剂并测量所得转化率。为本文中的样品测试和对比选择的稳态温度点为200℃、250℃、300℃和450℃。通过在850℃下用空气和蒸汽(10体积%)流处理该催化剂,测量高温稳定性。根据一个或多个实施方案,样品可以在600℃以上,更特别在700℃以上老化长于6小时,更特别长于24小时的时间。
在下列实施例中描述了根据本发明的一个或多个实施方案的催化剂的各种合成条件。当然,要理解的是,可能有其它合成途径。本文报道了合成此类材料的多种方式。例如,已经报道使用多种有机模板、二氧化硅、氧化铝和磷源合成硅铝磷酸盐,包括SAPO-34、44和47。本文所用的术语“模板”和术语“结构导向剂”同义。各种合成条件的实例可见于美国专利No.4,440,871、美国专利No.6,162,415、美国专利No.5,096,684、美国专利No.6,914,030、美国专利No.7,247,287和美国专利申请公开No.US2007/0043249,这些文献各自的内容全文经此引用并入本文。例如,美国专利No.4,440,871论述了具有各种骨架类型的多种SAPO材料的合成,包括使用四乙基氢氧化铵(TEAOH)、或异丙胺、或TEAOH和二丙胺(DPA)的混合物作为模板制备SAPO-34。在此专利中也公开了在SAPO44的制备中利用环己胺的具体实例。在美国专利No.6,142,415中,使用相同模板但在控制模板/铝源的比率和磷源/铝源的比率的情况下获得相对纯的CHASAPO-44。在EP 0 993 867中报道,使用甲基丁胺产生SAPO-47和使用环己胺产生不纯的SAPO-44。美国专利No.6,914,030公开了使用含有至少一个二甲基氨基部分的合成模板合成具有相对较低硅含量的纯相CHA骨架型硅铝磷酸盐分子筛的方法,该合成模板选自N,N-二甲基乙醇胺、N,N-二甲基丙醇胺、N,N-二甲基丁醇胺、N,N-二甲基庚醇胺、N,N-二甲基己醇胺、N,N-二甲基乙二胺、N,N-二甲基丁二胺、N,N-二甲基庚二胺、N,N-二甲基己二胺、1-二甲基氨基-2-丙醇、N,N-二甲基乙胺、N,N-二甲基丙胺、N5N-二甲基戊胺、N,N-二甲基季胺和N,N-二甲基庚胺中的一种或多种。
美国专利No.7,247,287公开了使用具有式R1R2N--R3的模板合成具有CHA骨架类型的硅铝磷酸盐分子筛,其中R1和R2独立地选自具有1至3个碳原子的烷基和具有1至3个碳原子的羟烷基,R3选自任选被1至3个具有1至3个碳原子的烷基取代的4-至8-元环烷基;和具有1至3个杂原子的4-至8-元杂环基团,所述杂环基团任选被1至3个具有1至3个碳原子的烷基取代且所述杂环基团中的杂原子选自O、N和S。该模板优选选自N,N-二甲基-环己胺、N,N-二甲基-甲基-环己胺、N,N-二甲基-环戊胺、N,N-二甲基-甲基-环戊胺、N,N-二甲基-环庚胺、N,N-二甲基-甲基环庚胺,最优选为N,N-二甲基-环己胺。可以在或不在氟离子存在下实施该合成,并可产生具有低Si/Al比率的CHA骨架型硅铝磷酸盐。备选合成条件和途径当然在本发明的范围内。
不是要以任何方式限制本发明,但通过下列实施例更充分描述本发明的实施方案。
实施例1
由1.0Al2O3∶1.06P2O5∶1.08SiO2∶2.09R∶66H2O的凝胶组合物制备SAPO-34。通过将1.54千克85重量%正磷酸与920克假勃姆石氧化铝(Catapal B)在1.8千克去离子水中的混合物合并,形成反应混合物。随后再加入1千克去离子水。将该混合物搅拌至均匀。向该混合物中加入含有409克火成二氧化硅(Aerosil-200)、1.16千克吗啉(Aldrich,99%)和1.5千克去离子水的混合物。在搅拌下缓慢添加该含二氧化硅的混合物并搅拌至均匀。再加入2.5千克去离子水并将该混合物搅拌至均匀。将所得凝胶转移到5加仑高压釜中,在此使其在38℃下老化24小时。然后将其在该高压釜中在200℃下加热24小时。该结晶产物经过滤回收并洗涤至电导率低于200μScm-1。由此洗涤离子交换后的结晶产物以使电导率足够低,即低于200μScm-1,这产生基本不含未交换金属的结晶材料。将该样品干燥,随后在540℃下煅烧4小时。该结晶产物的X-射线粉末衍射图表明其是SAPO-34——具有菱沸石结构的非沸石分子筛。
通过XRF化学分析,确定该固体产物的组成为0.19重量%C、49.63重量%Al2O3、26.92重量%P2O5和23.14重量%SiO2。
通过在硝酸铵溶液(与1750克去离子水混合的1750克54重量%硝酸铵)中交换350克该煅烧SAPO-34,制备NH4形式的SAPO-34。在将该溶液加热至80℃之前通过添加氢氧化铵将该pH值调节至3。通过在80℃下搅拌该浆料1小时,进行该交换,在此期间pH值为2.57至3。随后在布氏漏斗上过滤固体并洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1。随后将该粉末干燥16小时,此后进行上述铵交换过程总共两次交换。
通过将350克NH4+-形式SAPO-34与1.31升1.0M硫酸铜(II)溶液混合,制备Cu-SAPO34粉末催化剂。通过在70℃下搅拌该浆料1小时,进行该NH4+-形式SAPO-34和铜离子之间的离子交换反应。在该反应过程中pH值为2.9至3.2。随后过滤所得混合物,洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1,这表明基本没有可溶或游离铜留在该样品中,洗过的样品在90℃下干燥。重复包括离子交换、过滤、洗涤和干燥的上述方法以进行总共2次交换。在该反应过程中第二次交换的pH值为2.9至3.1。所得Cu-SAPO34催化剂包含通过ICP分析测得的3.31重量%的CuO。刚制成的这种样品的BET表面积为417平方米/克。在10%蒸汽中在800℃下老化50小时后这种样品的BET表面积为406平方米/克。
通过将90克如上所述的Cu-SAPO34与215毫升去离子水混合,制备Cu-SAPO34浆料。将该混合物球磨11小时以获得90%粒子小于10微米的浆料。将15.8克在稀乙酸中的乙酸氧锆(含有30%ZrO2)在搅拌下添加到该浆料中。
将该浆料涂布到具有400cpsi(孔隙/平方英寸)的孔隙密度和6.5密耳壁厚的1″Dx3″L多孔陶瓷芯上。该涂布芯在110℃下干燥3小时和在400℃下煅烧1小时。该涂布过程重复一次以获得2.4克/立方英寸的目标修补基面涂层载量。
通过将500ppm NO、500ppm NH3、10%O2、5%H2O和余量N2的进料气体混合物添加到含有1″Dx3″L催化剂芯的稳态反应器中,测量新鲜催化剂芯的氮氧化物选择性催化还原(SCR)效率和选择性。对于该催化试验,将该带有修补基面涂层的芯成型成被陶瓷绝缘层包裹的正方形横截面,并置于用电炉加热的Inconel反应管内。气体O2(来自空气)、N2和H2O在进入该反应器之前在预热炉中预热。在预热炉和反应器之间引入反应性气体NO和NH3。在上述400cpsi(孔隙/平方英寸)芯上涂布该催化剂至2至2.5克/立方英寸的目标载量。在80,000hr-1的空速下在150℃至460℃温度范围内进行该反应。空速是指包含整个反应混合物的气体流速除以该催化剂芯的几何体积。这些条件规定新鲜催化剂的标准试验。
通过新鲜催化剂芯在10%H2O存在下在下列条件之一下水热老化:750℃25小时、800℃50小时和850℃6小时,和随后用上文阐述的用于新鲜催化剂芯上的SCR评价的相同方法测量氮氧化物SCR效率和选择性,测量该催化剂的水热稳定性。老化催化剂的标准试验评价在800℃下老化50小时的催化剂。
图2是显示新鲜样品和在800℃下老化的样品的NOx转化率和N2O生成或形成量相对于温度的图。在图2中,新鲜NOx在200℃下的转化率为大约72%,且老化样品在200℃下的NOx转化率为87%。图3是显示老化样品的NOx转化率和N2O形成量相对于老化温度的图。如图2中所示,750℃老化样品在200℃下的NOx转化率为90%,且850℃老化样品为大约80%。新鲜样品在200℃下的N2O生成量为1ppm,在200℃至450℃范围内的最大值为3ppm。对于在800℃下老化的样品,在200℃下的N2O生成量为4ppm,在200℃至450℃范围内的最大值为5ppm。
实施例2
使用实施例1中详述的相同水热合成和铵交换条件形成NH4+-形式的SAPO-34。
通过将320克NH4+-形式SAPO-34与1.28升0.5M一水合乙酸铜(II)溶液混合,制备Cu-SAPO34粉末催化剂。在该反应过程中pH值为4.0至4.3。通过在70℃下搅拌该浆料1小时,进行该NH4+-形式SAPO-34和铜离子之间的离子交换反应。随后过滤所得混合物,洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1,这表明基本没有可溶或游离铜留在该样品中,洗过的样品在90℃下干燥。所得Cu-SAPO34催化剂包含3.18重量%的CuO。刚制成的这种样品的BET表面积为307平方米/克。在10%蒸汽中在850℃下老化6小时后这种样品的BET表面积为303平方米/克。
该浆料制备、涂布和SCR NOx评价与上文对实施例1所述的相同,例外是该催化剂仅在800℃下老化50小时。图4是显示该样品的NOx转化率和N2O生成或形成量相对于温度的图。新鲜样品在200℃下的NOx转化率为79%,在850℃下老化10小时的样品为大约68%。尽管该样品的NOx转化率不像实施例1、11和12那样高,类似于下述实施例4,该新鲜表面积相对较低,为307平方米/克,在850℃下老化时的表面积为303平方米/克。不清楚该较低NOx转化率是否归因于表面积或其它因素是否影响NOx性能。
实施例3
由1.0Al2O3∶1.0P2O5∶1.0SiO2∶1.9R∶63H2O的凝胶组合物制备SAPO-44。通过将1.54千克85重量%正磷酸与971克假勃姆石氧化铝(Catapal B)在4千克去离子水中的混合物合并,形成反应混合物。将该混合物搅拌至均匀。向该混合物中加入含有399.6克火成二氧化硅(Aerosil-200)、1.25千克环己胺(Aldrich,99%)和2.66千克去离子水的混合物。在搅拌下缓慢添加该含二氧化硅的混合物并搅拌至均匀。将所得凝胶转移到5加仑高压釜中,在此将其在该高压釜中在190℃下加热48小时。该结晶产物经过滤回收并洗涤至电导率低于200μScm-1。将该样品干燥,随后在600℃下煅烧4小时。该结晶产物的X-射线粉末衍射图表明其是SAPO-44——具有菱沸石结构的非沸石分子筛。
通过XRF化学分析,确定该固体产物的组成为42.51重量%Al2O3、35.93重量%P2O5和21.17重量%SiO2。
通过在硝酸铵溶液(与1750克去离子水混合的1750克54重量%硝酸铵)中交换350克该煅烧SAPO-44,制备NH4-形式的SAPO-44。在将该溶液加热至80℃之前通过添加氢氧化铵将该pH值调节至3。通过在80℃下搅拌该浆料1小时,进行该交换,在此期间pH值为2.57至3。随后在布氏漏斗上过滤固体并洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1。随后将该粉末干燥16小时,此后进行上述铵交换过程总共两次交换。
通过与实施例1中相同的方法制备包含3.78重量%CuO的CuSAPO-44催化剂。这两次交换的pH值都在整个交换过程中为2.6至2.7。使用实施例1中的程序,制备3.78重量%CuO的300克CuSAPO-44。
该浆料制备、涂布和SCR NOx评价与上文对实施例1所述的相同,例外是该催化剂在750℃下老化25小时和在800℃下老化50小时。图5是显示该样品的NOx转化率和N2O形成量相对于老化温度的图。
实施例4
由1.0Al2O3∶1.06P2O5∶1.08SiO2∶2.09R∶66H2O的凝胶组合物制备SAPO-34。通过将1.54千克85重量%正磷酸与920克假勃姆石氧化铝(Catapal B)在1.8千克去离子水中的混合物合并,形成反应混合物。随后再加入1千克去离子水。将该混合物搅拌至均匀。向该混合物中加入含有1022.5克胶态二氧化硅(Ludox AS40)、1.16千克吗啉(Aldrich,99%)和886.5克去离子水的混合物。在搅拌下缓慢添加该含二氧化硅的混合物并搅拌至均匀。再加入2.5千克去离子水并将该混合物搅拌至均匀。将所得凝胶转移到5加仑高压釜中,在此使其在38℃下老化24小时。然后将其在该高压釜中在200℃下加热24小时。该结晶产物经过滤回收并洗涤至电导率低于200μScm-1。将该样品干燥,随后在大约640℃下煅烧4小时。
通过在硝酸铵溶液(与1750克去离子水混合的1750克54重量%硝酸铵)中交换350克该煅烧SAPO-34,制备NH4形式的SAPO-34。在将该溶液加热至80℃之前通过添加氢氧化铵将该pH值调节至4。通过在80℃下搅拌该浆料1小时,进行该交换。随后在布氏漏斗上过滤固体并洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1。随后将该粉末干燥16小时,此后进行上述铵交换过程总共两次交换。
通过将350克NH4+-形式SAPO-34与1.31升1.0M硫酸铜(II)溶液混合,制备Cu-SAPO34粉末催化剂。通过在70℃下搅拌该浆料1小时,进行该NH4+-形式SAPO-34和铜离子之间的离子交换反应。随后过滤所得混合物,洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1,这表明基本没有可溶或游离铜留在该样品中,洗过的样品在90℃下干燥。重复包括离子交换、过滤、洗涤和干燥的上述方法以进行总共2次交换。这两次交换的pH值都在整个交换过程中为2.8至3.2。
所得Cu-SAPO34催化剂包含通过ICP分析测得的3.71重量%的CuO。刚制成的这种样品的BET表面积为309平方米/克。在10%蒸汽中在800℃下老化50小时后这种样品的BET表面积为264平方米/克。
该浆料制备、涂布和SCR NOx评价与上文对实施例1所述的相同,例外是该催化剂在750℃下老化25小时和在800℃下老化50小时。图6是显示该样品的NOx转化率和N2O形成量相对于老化温度的图。新鲜样品在200℃下的NOx转化率为大约49%且800℃样品为大约22%。尽管没有完全理解该样品为何表现出比其它差的NOx转化率,要指出,该样品的新鲜表面积位于该样品底端,测得为309平方米/克,在800℃下老化的表面积为264平方米/克。
Cu-SAPO34实施例5
由1.0Al2O3∶1.06P2O5∶1.08SiO2∶1.05(TEA)2O∶66H2O的凝胶组合物制备SAPO-34。通过将1.54千克85重量%正磷酸与920克假勃姆石氧化铝(Catapal B)在1.8千克去离子水中的混合物合并,形成反应混合物。随后再加入1千克去离子水。将该混合物搅拌至均匀。向该混合物中加入含有409克火成二氧化硅(Aerosil-200)、4.86千克40重量%四乙基氢氧化铵(Aldrich)的混合物。在搅拌下缓慢添加该含二氧化硅的混合物并搅拌至均匀。再加入1085.25克去离子水并将该混合物搅拌至均匀。将一部分所得凝胶转移到5加仑高压釜中,在此使其在38℃下老化24小时。然后将其在该高压釜中在200℃下加热24小时。该结晶产物经过滤回收并洗涤至电导率低于200μScm-1。将该样品干燥,随后在540℃下煅烧4小时。
通过在硝酸铵溶液(与1750克去离子水混合的1750克54重量%硝酸铵)中交换350克该煅烧SAPO-34,制备NH4形式的SAPO-34。在将该溶液加热至80℃之前通过添加氢氧化铵将该pH值调节至4。通过在80℃下搅拌该浆料1小时,进行该交换。随后在布氏漏斗上过滤固体并洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1。随后将该粉末干燥16小时,此后进行上述铵交换过程总共两次交换。
通过将350克NH4+-形式SAPO-34与1.31升1.0M硫酸铜(II)溶液混合,制备Cu-SAPO34粉末催化剂。通过在70℃下搅拌该浆料1小时,进行该NH4+-形式SAPO-34和铜离子之间的离子交换反应。随后过滤所得混合物,洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1,这表明基本没有可溶或游离铜留在该样品中,洗过的样品在90℃下干燥。重复包括离子交换、过滤、洗涤和干燥的上述方法以进行总共2次交换。
实施例6
由1.0Al2O3∶1.06P2O5∶1.08SiO2∶2.09i-PrNH2∶66H2O的凝胶组合物制备SAPO-34。通过将1.54千克85重量%正磷酸与920克假勃姆石氧化铝(Catapal B)在1.8千克去离子水中的混合物合并,形成反应混合物。随后再加入1千克去离子水。将该混合物搅拌至均匀。向该混合物中加入含有409克火成二氧化硅(Aerosil-200)、778.7克异丙胺(i-PrNH2,Aldrich,99%)和1.5千克去离子水的混合物。在搅拌下缓慢添加该含二氧化硅的混合物并搅拌至均匀。再加入2.5千克去离子水并将该混合物搅拌至均匀。将一部分所得凝胶转移到5加仑高压釜中,在此使其在38℃下老化24小时。然后将其在该高压釜中在200℃下加热24小时。该结晶产物经过滤回收并洗涤至电导率低于200μScm-1。将该样品干燥,随后在540℃下煅烧4小时。
通过在硝酸铵溶液(与1750克去离子水混合的1750克54重量%硝酸铵)中交换350克该煅烧SAPO-34,制备NH4形式的SAPO-34。在将该溶液加热至80℃之前通过添加氢氧化铵将该pH值调节至4。通过在80℃下搅拌该浆料1小时,进行该交换。随后在布氏漏斗上过滤固体并洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1。随后将该粉末干燥16小时,此后进行上述铵交换过程总共两次交换。
通过将350克NH4+-形式SAPO-34与1.31升1.0M硫酸铜(II)溶液混合,制备Cu-SAPO34粉末催化剂。通过在70℃下搅拌该浆料1小时,进行该NH4+-形式SAPO-34和铜离子之间的离子交换反应。随后过滤所得混合物,洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1,这表明基本没有可溶或游离铜留在该样品中,洗过的样品在90℃下干燥。重复包括离子交换、过滤、洗涤和干燥的上述方法以进行总共2次交换。
实施例7
由1.0Al2O3∶1.06P2O5∶1.08SiO2∶1.05(Pr2NH)∶0.53(TEA)2O∶66H2O的凝胶组合物制备SAPO-34。通过将1.54千克85重量%正磷酸与920克假勃姆石氧化铝(Catapal B)在1.8千克去离子水中的混合物合并,形成反应混合物。随后再加入1千克去离子水。将该混合物搅拌至均匀。向该混合物中加入含有409克火成二氧化硅(Aerosil-200)、2.46千克40重量%四乙基氢氧化铵(Aldrich)、669.7克二正丙胺(Aldrich,99%)的混合物。在搅拌下缓慢添加该含二氧化硅的混合物并搅拌至均匀。再加入2.5千克去离子水并将该混合物搅拌至均匀。将一部分所得凝胶转移到5加仑高压釜中,在此使其在38℃下老化24小时。然后将其在该高压釜中在200℃下加热24小时。该结晶产物经过滤回收并洗涤至电导率低于200μScm-1。将该样品干燥,随后在540℃下煅烧4小时。
通过在硝酸铵溶液(与1750克去离子水混合的1750克54重量%硝酸铵)中交换350克该煅烧SAPO-34,制备NH4形式的SAPO-34。在将该溶液加热至80℃之前通过添加氢氧化铵将该pH值调节至4。通过在80℃下搅拌该浆料1小时,进行该交换。随后在布氏漏斗上过滤固体并洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1。随后将该粉末干燥16小时,此后进行上述铵交换过程总共两次交换。
通过将350克NH4+-形式SAPO-34与1.31升1.0M硫酸铜(II)溶液混合,制备Cu-SAPO34粉末催化剂。通过在70℃下搅拌该浆料1小时,进行该NH4+-形式SAPO-34和铜离子之间的离子交换反应。随后过滤所得混合物,洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1,这表明基本没有可溶或游离铜留在该样品中,洗过的样品在90℃下干燥。重复包括离子交换、过滤、洗涤和干燥的上述方法以进行总共2次交换。
实施例8
由1.0Al2O3∶1.06P2O5∶1.08SiO2∶2.09Pr2NH∶66H2O的凝胶组合物制备SAPO-34。通过将1.54千克85重量%正磷酸与920克假勃姆石氧化铝(Catapal B)在1.8千克去离子水中的混合物合并,形成反应混合物。随后再加入1千克去离子水。将该混合物搅拌至均匀。向该混合物中加入含有409克火成二氧化硅(Aerosil-200)、1.19千克二丙胺(Aldrich,99%)和1.5千克去离子水的混合物。在搅拌下缓慢添加该含二氧化硅的混合物并搅拌至均匀。再加入2.5千克去离子水并将该混合物搅拌至均匀。将一部分所得凝胶转移到5加仑高压釜中,在此使其在38℃下老化24小时。然后将其在该高压釜中在200℃下加热24小时。该结晶产物经过滤回收并洗涤至电导率低于200μScm-1。将该样品干燥,随后在540℃下煅烧4小时。
通过在硝酸铵溶液(与1750克去离子水混合的1750克54重量%硝酸铵)中交换350克该煅烧SAPO-34,制备NH4形式的SAPO-34。在将该溶液加热至80℃之前通过添加氢氧化铵将该pH值调节至4。通过在80℃下搅拌该浆料1小时,进行该交换。随后在布氏漏斗上过滤固体并洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1。随后将该粉末干燥16小时,此后进行上述铵交换过程总共两次交换。
通过将350克NH4+-形式SAPO-34与1.31升1.0M硫酸铜(II)溶液混合,制备Cu-SAPO34粉末催化剂。通过在70℃下搅拌该浆料1小时,进行该NH4+-形式SAPO-34和铜离子之间的离子交换反应。随后过滤所得混合物,洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1,这表明基本没有可溶或游离铜留在该样品中,洗过的样品在90℃下干燥。重复包括离子交换、过滤、洗涤和干燥的上述方法以进行总共2次交换。
实施例9
由1.0Al2O3∶1.06P2O5∶1.08SiO2∶1.05Pr2NH∶1.05DEA∶66H2O的凝胶组合物制备SAPO-34。通过将1.54千克85重量%正磷酸与920克假勃姆石氧化铝(Catapal B)在1.8千克去离子水中的混合物合并,形成反应混合物。随后再加入1千克去离子水。将该混合物搅拌至均匀。向该混合物中加入含有409克火成二氧化硅(Aerosil-200)、669.7克二丙胺(Pr2NH Aldrich,99%)、695.9克二乙醇胺(DEA Aldrich,>98.5%)和1.5千克去离子水的混合物。在搅拌下缓慢添加该含二氧化硅的混合物并搅拌至均匀。再加入2.5千克去离子水并将该混合物搅拌至均匀。将一部分所得凝胶转移到5加仑高压釜中,在此使其在38℃下老化24小时。然后将其在该高压釜中在200℃下加热24小时。该结晶产物经过滤回收并洗涤至电导率低于200μScm-1。将该样品干燥,随后在540℃下煅烧4小时。
通过在硝酸铵溶液(与1750克去离子水混合的1750克54重量%硝酸铵)中交换350克该煅烧SAPO-34,制备NH4形式的SAPO-34。在将该溶液加热至80℃之前通过添加氢氧化铵将该pH值调节至4。通过在80℃下搅拌该浆料1小时,进行该交换。随后在布氏漏斗上过滤固体并洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1。随后将该粉末干燥16小时,此后进行上述铵交换过程总共两次交换。
通过将350克NH4+-形式SAPO-34与1.31升1.0M硫酸铜(II)溶液混合,制备Cu-SAPO34粉末催化剂。通过在70℃下搅拌该浆料1小时,进行该NH4+-形式SAPO-34和铜离子之间的离子交换反应。随后过滤所得混合物,洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1,这表明基本没有可溶或游离铜留在该样品中,洗过的样品在90℃下干燥。重复包括离子交换、过滤、洗涤和干燥的上述方法以进行总共2次交换。
实施例10
由1.0Al2O3∶1.06P2O5∶1.08SiO2∶1.05Pr3N∶0.53(TEA)2O∶66H2O的凝胶组合物制备SAPO-34。通过将1.54千克85重量%正磷酸与920克假勃姆石氧化铝(Catapal B)在1.8千克去离子水中的混合物合并,形成反应混合物。随后再加入1千克去离子水。将该混合物搅拌至均匀。向该混合物中加入含有409克火成二氧化硅(Aerosil-200)、2.46千克40重量%四乙基氢氧化铵、948.2克三丙胺(Pr3N Aldrich,99%)的混合物。在搅拌下缓慢添加该含二氧化硅的混合物并搅拌至均匀。再加入2.5千克去离子水并将该混合物搅拌至均匀。将一部分所得凝胶转移到5加仑高压釜中,在此使其在38℃下老化24小时。然后将其在该高压釜中在200℃下加热24小时。该结晶产物经过滤回收并洗涤至电导率低于200μScm-1。将该样品干燥,随后在540℃下煅烧4小时.
通过在硝酸铵溶液(与1750克去离子水混合的1750克54重量%硝酸铵)交换350克该煅烧SAPO-34,制备NH4形式的SAPO-34。在将该溶液加热至80℃之前通过添加氢氧化铵将该pH值调节至4。通过在80℃下搅拌该浆料1小时,进行该交换。随后在布氏漏斗上过滤固体并洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1。随后将该粉末干燥16小时,此后进行上述铵交换过程总共两次交换。
通过将350克NH4+-形式SAPO-34与1.31升1.0M硫酸铜(II)溶液混合,制备Cu-SAPO34粉末催化剂。通过在70℃下搅拌该浆料1小时,进行该NH4+-形式SAPO-34和铜离子之间的离子交换反应。随后过滤所得混合物,洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1,这表明基本没有可溶或游离铜留在该样品中,洗过的样品在90℃下干燥。重复包括离子交换、过滤、洗涤和干燥的上述方法以进行总共2次交换。
实施例11
由1.0Al2O3∶0.85P2O5∶0.60SiO2∶3.0R∶32H2O的凝胶组合物制备SAPO-34。通过混合45千克DI水和18.76千克磷酸,制备反应混合物。此后经45分钟将10.80千克Catapal B氧化铝添加到该酸溶液中。该氧化铝消化在强搅拌下继续2小时。然后经60分钟加入22.74千克吗啉。在此阶段使用另外0.3千克水。在加入吗啉后,温度升至大约46℃。在下次添加之前将该浆料冷却至大约28℃。随后加入7.76千克Ludox AS 40胶态二氧化硅以及另外0.50千克DI水。将所得凝胶转移到30加仑反应器中并加入另外2.20千克DI水。
反应器温度在8小时内升至170℃,并在此温度下保持48小时。该结晶产物经过滤回收并洗涤至电导率低于200μScm-1。该产物在540℃下煅烧6小时。该结晶产物的X-射线粉末衍射图表明其是SAPO-34——具有菱沸石结构的非沸石分子筛。该产物由3至10微米范围的晶体构成。该煅烧产物的元素分析显示15.5%SiO2、40.3%Al2O3和44.2%P2O5。该BET表面积为583平方米/克。
通过在硝酸铵溶液(与2000克去离子水混合的2000克60重量%硝酸铵)中交换400克该煅烧SAPO-34,制备NH4形式的SAPO-34。通过在80℃下搅拌该浆料1小时,进行该交换,使用NH4OH将初始pH值调节至3.0-3.5。随后过滤固体并洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1。
通过NH4+-形式SAPO-34与乙酸铜(II)溶液的离子交换,制备Cu-SAPO34粉末催化剂。后一溶液通过将63.48克乙酸铜(II)(Aldrich)溶解在1590克DI水中来制备。将该溶液加热至70℃,随后加入400克NH4-SAPO-34。测得在70℃下的pH值为4.49。不调节该pH值。使其在70℃下反应1小时。在79℃下测得该浆料的最终pH值为4.03。随后过滤所得混合物,洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1,这表明基本没有可溶或游离铜留在该样品中,洗过的样品在90℃下干燥。所得Cu-SAPO34催化剂具有通过ICP分析测得的2.71重量%的以CuO计的铜含量。这种Cu-SAPO-34样品具有486平方米/克的BET表面积。所得的两个单独的样品在850℃下水热老化6小时和在900℃下水热老化1小时。在10%蒸汽中在850℃下老化该粉末6小时后,其具有550平方米/克的BET表面积。
该浆料制备、涂布和SCR NOx评价与上文对实施例1所述的相同,例外是该催化剂在几个不同温度下老化。图7是显示该样品的NOx转化率和N2O形成量相对于老化温度的图。新鲜样品在200℃下的NOx转化率为90%,对于在850℃下老化的样品,该NOx转化率为93%,对于在900℃下老化的样品,NOx转化率为90%。该新鲜样品在200℃下的N2O生成量为0.4ppm,在200℃至450℃范围内的最大值为2ppm。对于在850℃下老化的样品,在200℃下的N2O生成量为2ppm,在200℃至450℃范围内的最大值为4ppm。对于在900℃下老化的样品,在200℃下的N2O生成量为1ppm,在200℃至450℃范围内的最大值为5ppm。
实施例12
以与实施例11中所述类似的方式进行SAPO-34的大规模制备。主要差别在于成分的量,它们如下:3,433千克DI水、1,582千克H3PO4、970千克Catapal B氧化铝、1,910千克吗啉、657千克Ludox AS-40和在该方法全程中另外630千克漂洗和冲洗用的DI水。反应器温度在8小时内升至169℃。其在168-171℃范围内保持48.5小时。
X-射线衍射图确定该产品为SAPO-34,含有少量(少于5%)具有方钠石结构的次要相。该煅烧粉末具有550平方米/克的BET表面积。
通过在硝酸铵溶液(与2000克去离子水混合的2000克60重量%硝酸铵)中交换400克该煅烧SAPO-34,制备NH4形式的SAPO-34。通过在80℃下搅拌该浆料1小时,进行该交换,使用NH4OH将初始pH值调节至3.0-3.5。随后过滤固体并洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1。
通过NH4+-形式SAPO-34与乙酸铜(II)溶液的离子交换,制备Cu-SAPO34粉末催化剂。后一溶液通过将63.48克乙酸铜(II)(Aldrich)溶解在1590克DI水中来制备。将该溶液加热至70℃,随后加入400克NH4-SAPO-34。在66℃下测得pH值为4.57。不调节该pH值。使其在70℃下反应1小时。在74℃下测得该浆料的最终pH值为4.14。随后过滤所得混合物,洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1,这表明基本没有可溶或游离铜留在该样品中,洗过的样品在90℃下干燥。
所得Cu-SAPO34催化剂具有通过ICP分析测得的2.72重量%的以CuO计的铜含量。这种Cu-SAPO-34样品具有462平方米/克的BET表面积。在10%蒸汽中在850℃下老化该粉末6小时后,其具有527平方米/克的BET表面积。
该浆料制备、涂布和SCR NOx评价与上文对实施例1所述的相同,例外是该催化剂在850C下老化6小时和在900℃下老化3小时。图8是显示该样品的NOx转化率和N2O形成量相对于老化温度的图。新鲜样品表现出88%的在200℃下的NOx转化率,850℃老化样品在200℃下的NOx转化率为89%。该新鲜样品在200℃下的N2O生成量为0.2ppm,在200℃至450℃范围内的最大值为2ppm。对于在850℃下老化的样品,在200℃下的N2O生成量为2ppm,在200℃至450℃范围内的最大值为3ppm。
根据实施例12制成的样品在900℃下水热老化3小时显著降低该样品的NOx转化率。在200℃至450℃温度范围内的最大NOx转化率为65%。
实施例13
由1.0Al2O3∶0.93P2O5∶0.96SiO2∶3.0R∶32H2O的凝胶组合物制备SAPO-34。通过混合37千克DI水和17.65千克磷酸,制备反应混合物。此后经30分钟将9.18千克Catapal B氧化铝添加到该酸溶液中。该氧化铝消化在强搅拌下继续2小时。然后经15分钟加入19.24千克吗啉。在此阶段使用另外0.3千克水。在加入吗啉后,温度升至大约75℃。在下次添加之前将该浆料冷却至大约38℃。随后加入10.53千克Ludox AS 40胶态二氧化硅,以及另外0.52千克DI水。将所得凝胶转移到30加仑反应器中并加入另外2.5千克DI水。
反应器温度在8小时内升至170℃,并在此温度下保持48小时。该结晶产物经过滤回收并洗涤至电导率低于200μScm-1。该产物在540℃下煅烧6小时。该结晶产物的X-射线粉末衍射图表明其是SAPO-3——具有菱沸石结构的非沸石分子筛。该产物由3至10微米范围的晶体构成。该煅烧产物的元素分析显示18.4%SiO2、40.8%Al2O3和40.8%P2O5。该煅烧粉末具有382平方米/克的BET表面积。在10%蒸汽中在900℃下老化该粉末1小时后,其具有334平方米/克的BET表面积。
通过在硝酸铵溶液(与1370克去离子水混合的1370克60重量%硝酸铵)中交换274克该煅烧SAPO-34,制备NH4形式的SAPO-34。通过在80℃下搅拌该浆料1小时,进行该交换,使用NH4OH将初始pH值调节至3.0-3.5。随后过滤固体并洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1。
通过NH4+-形式SAPO-34与乙酸铜(II)溶液的离子交换,制备Cu-SAPO34粉末催化剂。后一溶液通过将31.74克乙酸铜(II)(Aldrich)溶解在795克DI水中来制备。将该溶液加热至70℃,随后加入200克NH4-SAPO-34。一开始测得pH值为4.53。不调节该pH值。使其在70℃下反应1小时。测得该浆料的最终pH值为4.02。随后过滤所得混合物,洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1,这表明基本没有可溶或游离铜留在该样品中,洗过的样品在90℃下干燥。
所得Cu-SAPO34催化剂具有通过ICP分析测得的2.89重量%的以CuO计的铜含量。
该浆料制备、涂布和SCR NOx评价与上文对实施例1所述的相同,例外是该催化剂在不同温度下水热老化,即850℃6小时。图9是显示该样品的NOx转化率和N2O形成量相对于老化条件的图。如图9中所示,该新鲜样品表现出在200℃下大于85%和接近90%的NOx转化率,在200℃至450℃的范围内更高。该新鲜样品在200℃下的N2O生成量为0.3ppm,在200℃至450℃范围内的最大值为2ppm。对于850℃老化样品,在200℃下的N2O生成量为3ppm,在200℃至450℃范围内的最大值为3ppm。
实施例14
由1.0Al2O3∶0.93P2O5∶0.96SiO2∶3.0R∶32H2O的凝胶组合物制备SAPO-34。通过混合37千克DI水和17.65千克磷酸,制备反应混合物。此后经30分钟将9.18千克Catapal B氧化铝添加到该酸溶液中。该氧化铝消化在强搅拌下继续2小时。然后经15分钟加入19.24千克吗啉。在此阶段使用另外0.3千克水。在加入吗啉后,温度升至大约75℃。在下次添加之前将该浆料冷却至大约38℃。随后加入10.53千克Ludox AS 40胶态二氧化硅,以及另外0.52千克DI水。将所得凝胶转移到30加仑反应器中并加入另外2.5千克DI水。
反应器温度在8小时内升至170℃,并在此温度下保持48小时。该结晶产物经过滤回收并洗涤至电导率低于200μScm-1。该产物在540℃下煅烧6小时。该结晶产物的X-射线粉末衍射图表明其是SAPO-34——具有菱沸石结构的非沸石分子筛。该产物由3至10微米范围的晶体构成。该煅烧产物的元素分析显示18.4%SiO2、40.8%Al2O3和40.8%P2O5。该煅烧粉末具有382平方米/克的BET表面积。在10%蒸汽中在900℃下老化该粉末1小时后,其具有334平方米/克的BET表面积。
通过在硝酸铵溶液(与1370克去离子水混合的1370克60重量%硝酸铵)中交换274克该煅烧SAPO-34,制备NH4形式的SAPO-34。通过在80℃下搅拌该浆料1小时,进行该交换,使用NH4OH将初始pH值调节至3.0。最终pH值为2.45。随后过滤固体并洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1。
通过NH4+-形式SAPO-34与乙酸铜(II)溶液的离子交换,制备Cu-SAPO34粉末催化剂。后一溶液通过将15.87克乙酸铜(II)(Aldrich)溶解在795克DI水中来制备。将该溶液加热至70℃,随后加入200克NH4-SAPO-34。一开始测得pH值为4.51。不调节该pH值。使其在70℃下反应1小时。随后过滤所得混合物,洗涤直至滤液的电导率低于200μScm-1,这表明基本没有可溶或游离铜留在该样品中,洗过的样品在90C下干燥。
所得Cu-SAPO34催化剂具有通过ICP分析测得的1.93重量%重量%的以CuO计的铜含量。这种Cu-SAPO-34样品具有337平方米/克的BET表面积。在10%蒸汽中在900℃下老化该粉末1小时后,其具有295平方米/克的BET表面积。
该浆料制备、涂布和SCR NOx评价与上文对实施例1所述的相同,例外是该催化剂在850℃下老化6小时。图10是显示老化样品的NOx转化率和N2O形成量的图。不进行新鲜样品的NOx转化率分析。如图10中所示,在200℃下的NOx转化率为至少大约75%,在250℃至450℃范围内的转化率大于85%。老化样品的N2O生成量在200℃下为2.6ppm,在200℃至450℃范围内的最大值为3ppm。
从实施例1、11和12的数据可以看出,根据本发明的实施方案的Cu-SAPO-34材料表现出超过80%、85%和90%的新鲜和老化样品的优异NOx转化率,在850℃下老化6小时或在900℃下老化1小时后,老化后的NOx转化保持率为至少85%、至少90%和至少95%。此外,通过该催化剂后的废气流中的NOx(NOx是指NO和NO2)与通过该Cu-SAPO-34催化剂材料后的气流中的N2O的比率小于大于2.5∶1,更具体5∶1,甚至更具体地
对比例15
如下制备包含3.36重量%CuO的沸石CuCHA催化剂,然后初始湿度浸渍。通过将17千克二氧化硅/氧化铝摩尔比为30的市售NH4+-形式CHA沸石与68升1.0M硫酸铜(II)溶液混合,制备沸石CuCHA粉末催化剂。用硝酸将pH值调节至3.5。通过在80℃下搅拌该浆料1小时,进行该NH4+-形式CHA和铜离子之间的离子交换反应。随后将所得混合物过滤和风干。将包括离子交换和过滤的上述方法重复一次。随后将该湿滤饼再制浆到40升去离子水中,然后过滤和在90℃下干燥。所得CuCHA产物随后在空气中在640℃下煅烧6小时。
如下制备含3.11%CuO的134克CuCHA。通过将90克如上所述的CuCHA与215毫升去离子水混合,制备CuCHA浆料。球磨该混合物。将15.8克在稀乙酸中的乙酸氧锆(含有30%ZrO2)在搅拌下添加到该浆料中。
将该浆料涂布到具有400cpsi(孔隙/平方英寸)的孔隙密度和6.5密耳壁厚的1″Dx3″L多孔陶瓷芯上。该涂布芯在110℃下干燥3小时和在400℃下煅烧1小时。该涂布过程重复一次以获得2.4克/立方英寸的目标修补基面涂层载量。向该材料中加入含有1.64克五水合硫酸铜和105毫升去离子水的硫酸铜溶液。该浸渍样品在90℃下干燥和在640℃下煅烧6小时。
对比例16-Cu/Y
如下进一步所述制备二氧化硅/氧化铝摩尔比为5的Cu/Y沸石粉末催化剂。
通过将500克二氧化硅/氧化铝摩尔比为~5的NH4+-形式沸石Y与2500毫升0.1M硫酸铜(II)溶液混合,制备Cu/Y粉末催化剂。该pH值为2.9至3.3。通过在80℃下搅拌该浆料1小时,进行该NH4+-形式Y沸石和铜离子之间的离子交换反应。随后过滤所得混合物,用去离子水洗涤和在90℃下干燥。重复包括离子交换、过滤、洗涤和干燥的上述方法总共5次交换,其中pH值与上述类似。所得Cu沸石Y产物随后在空气中在640℃下煅烧16小时。所得Cu沸石Y催化剂包含4.60重量%CuO。
通过将如上所述的200克Cu/Y与400毫升去离子水混合,制备Cu/Y浆料。通过Eigermill两次以研磨该混合物,从而获得90%粒子小于8微米的浆料。将8.7克在稀乙酸中的乙酸氧锆(含有30%ZrO2)在搅拌下添加到该浆料中。
将该浆料涂布到具有400cpsi(孔隙/平方英寸)的孔隙密度和6.5密耳壁厚的1″Dx3″L多孔陶瓷芯上。需要两个涂层以获得1.6克/立方英寸的目标修补基面涂层载量。该涂布芯在90℃下干燥3小时,该芯在第二干燥步骤后在450℃下煅烧1小时。
水热老化和SCR评价与实施例1中阐述的相同,只是在750℃下进行老化25小时。
对比例17
使用与对比例15中制成的样品类似的程序,制备二氧化硅/氧化铝摩尔比为35的Cu/β粉末催化剂。水热老化和SCR评价与实施例1中阐述的相同。
表1
本领域技术人员显而易见的是,可以在不背离本发明的精神或范围的情况下对本发明作出各种修改和变动。还要指出,可以使用一定范围的温度和反应时间合成这些材料。因此,本发明意在涵盖本发明的修改和变动,只要它们落在所附权利要求及其对等物的范围内。
Claims (33)
1.合成Cu-SAPO-34的方法,包括:
在凝胶混合物中混合中性含氮有机模板、氧化铝源、二氧化硅源和磷源;将该凝胶加热至小于大约200℃至少大约12小时以形成结晶SAPO-34;
过滤和洗涤该结晶SAPO-34;
煅烧该结晶SAPO-34;和
使该结晶SAPO-34与铜盐离子交换以提供Cu-SAPO-34。
2.权利要求1的方法,其中该模板包含吗啉且加热温度小于大约185℃,加热时间为至少大约24小时。
3.权利要求2的方法,其中该铜盐包含乙酸铜。
4.权利要求1的方法,其中在使该结晶SAPO-34与铜盐离子交换以提供Cu-SAPO-34后,洗涤Cu-SAPO-34以提供电导率小于大约600μScm-1的滤液。
5.权利要求1的方法,其中洗涤该Cu-SAPO-34以提供电导率小于大约400μScm-1的滤液。
6.权利要求1的方法,其中洗涤该Cu-SAPO-34以提供电导率小于大约200μScm-1的滤液。
7.权利要求4的方法,进一步包括在小于大约600℃的温度下煅烧该洗过的Cu-SAPO-34材料。
8.权利要求1的方法,其中该结晶材料的晶体大小为90%晶体小于20微米。
9.权利要求1的方法,其中该结晶材料的晶体大小为90%晶体小于15微米。
10.通过权利要求1-9任一项的方法制成的催化剂。
11.一种催化剂,其包含:
具有CHA晶体结构的载铜非沸石分子筛,其Cu载量使得在该催化剂以2至2.5克/立方英寸的载量沉积在孔隙密度为400cpsi的蜂窝基底上并在80,000hr-1的空速下在进料流包含10%O2、5%H2O、500ppm NO和500ppm NH3的混合物的情况下测试时,该催化剂有效地在200℃下在废气流中在氧存在下用氨选择性还原氮氧化物,以提供至少80%NOx转化率。
12.权利要求11的方法,其中该非沸石分子筛包含Cu-SAPO-34且该催化剂有效地在200℃下提供废气流中至少大约85%NOx转化率。
13.权利要求12的方法,其中该催化剂有效地在200℃下提供废气流中至少大约90%NOx转化率。
14.权利要求11的方法,其中该Cu-SAPO-34材料在10%蒸汽中在850℃下水热老化6小时后按百分比计保持在200℃下的NOx转化率的至少85%。
15.权利要求12的方法,其中该Cu-SAPO-34材料在10%蒸汽中在900℃下水热老化1小时后按百分比计保持在200℃下的NOx转化率的至少90%。
16.权利要求13的催化剂,其中该Cu-SAPO-34材料在10%蒸汽中在900℃下水热老化1小时后按百分比计保持在200℃下的NOx转化率的至少95%。
17.权利要求12的方法,其中该催化剂有效还原NOx以使通过该催化剂后的气流中NOx与N2O的比率大于2.5。
18.权利要求12的方法,其中该催化剂有效还原NOx以使通过该催化剂后的气流中NOx与N2O的比率大于5。
19.权利要求12的方法,其中该催化剂有效地在200℃至450℃的温度范围内生成少于10ppm N2O。
20.权利要求12的方法,其中该催化剂有效地在200℃至450℃的温度范围内生成少于5ppm N2O。
21.权利要求12的方法,其中该Cu-SAPO-34含有第二金属。
22.权利要求21的催化剂,其中该第二金属包含锆。
23.权利要求22的催化剂,其中该Cu-SAPO-34含有大约2重量%至4重量%Cu。
24.催化剂复合材料,其中权利要求10-23任一项的催化剂以大约0.5克/立方英寸至3.5克/立方英寸的载量作为修补基面涂层沉积在蜂窝基底上。
25.权利要求24的催化剂复合材料,其中该蜂窝基底包含壁流基底。
26.权利要求25的催化剂复合材料,其中该蜂窝基底包含流过基底。
27.权利要求26的催化剂复合材料,其中该流过基底的至少一部分涂有含Pt和负载金属的非沸石分子筛的修补基面涂层以氧化废气流中的氨。
28.权利要求25的催化剂复合材料,其中该壁流基底的至少一部分涂有含Pt和负载金属的非沸石分子筛的修补基面涂层以氧化废气流中的氨。
29.包含氧化催化剂和权利要求25的催化剂复合材料的废气处理***。
30.包含氧化催化剂和权利要求26的催化剂复合材料的废气处理***。
31.权利要求10-23任一项的催化剂,其中将该Cu-SAPO-34材料与含金属的沸石SCR催化剂结合。
32.在氧存在下还原气流中所含的氮氧化物的方法,包括使该气流与权利要求10-23任一项中的催化剂接触。
33.用于处理包含NOx和颗粒物的废气流的排放处理***,该排放处理***包含:氧化催化剂和根据权利要求10-23任一项的催化剂。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110302 |