ES2219722T3 - Catalizador purificador de los gases de escape y metodo para purificar gases de escape. - Google Patents

Catalizador purificador de los gases de escape y metodo para purificar gases de escape.

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ES2219722T3 ES97121697T ES97121697T ES2219722T3 ES 2219722 T3 ES2219722 T3 ES 2219722T3 ES 97121697 T ES97121697 T ES 97121697T ES 97121697 T ES97121697 T ES 97121697T ES 2219722 T3 ES2219722 T3 ES 2219722T3
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Abstract

CATALIZADOR PURIFICADOR DE LOS GASES DE SALIDA COMPUESTO DE UN PRIMER POLVO FORMADO DE PARTICULAS POROSAS QUE LLEVAN RODIO (RH) Y UN SEGUNDO POLVO FORMADO DE PARTICULAS POROSAS QUE LLEVAN PLATINO (PT) Y MATERIAL ADSORBENTE DE OXIDOS DE NITROGENO (NO X ). EL SEGUNDO POLVO Y EL PRIMER POLVO SE PRESENTAN EN FORMA DE MEZCLA. LA PRESENCIA ADICIONAL DE RH EN ESTE CATALIZADOR, APARTE DEL PT Y EL ADSORBENTE DE NO X , PERMITE E VITAR LA REDUCCION DEL PODER OXIDANTE DEL PT, LO QUE ELIMINA LOS PROBLEMAS DE FALTA DE COMPATIBILIDAD ENTRE EL RH Y EL ADSORBENTE DE NO X . EN CONSECUENCIA, EL CATALIZADOR MANTIENE U NA GRAN CAPACIDAD DE ELIMINACION DE NO X , NO SOLO DURANTE UN PERIODO INICIAL, SINO TAMBIEN DESPUES DEL ENSAYO DE RESISTENCIA.

Description

Catalizador purificador de los gases de escape y método para purificar gases de escape.
Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención
La presente invención se refiere a un catalizador purificador de gases de escape y un método de purificación de gases de escape para purificar gases de escape de un motor de combustión interna de un automóvil o similar y, más particularmente, a un catalizador purificador de gases de escape y un método de purificación de gases de escape capaz de eliminar de manera eficiente óxidos de nitrógeno (NOx) por reducción, a partir de los gases de escape que contienen una cantidad de oxígeno en exceso respecto a la cantidad de oxígeno requerida para la oxidación completa de los componentes reductores de los gases de escape, tales como monóxido de carbono (CO), gas hidrógeno (H_{2}), hidrocarburos (HC) y otros similares.
2. Descripción de la técnica relacionada
Muchos automóviles convencionales emplean catalizadores de tres vías que purifican los gases de escape oxidando simultáneamente CO y HC y reduciendo NOx en los gases de escape en una relación teórica de aire y combustible (relación estequiométrica). En un catalizador de tres vías de este tipo ampliamente conocido, un componente de base resistente al calor formado de, por ejemplo, cordierita, lleva sobre sí una capa de soporte porosa formada de \gamma-alúmina, y la capa de soporte porosa soporta metales nobles catalíticos tales como platino (Pt), rodio (Rh) y otros similares.
Recientemente, la presencia de dióxido de carbono (CO_{2}) en los gases de escape de los motores de combustión internos de automóviles y similares se ha vuelto una cuestión en vista a la protección del medio ambiente global. Una tecnología prometedora para reducir la cantidad de emisión de CO_{2} de un motor de combustión interna es una sistema de mezcla pobre, en el que la combustión se realiza con una relación de combustible y aire pobre con una cantidad en exceso de oxígeno. El sistema de mezcla pobre reduce el consumo de combustible debido a la mejor eficacia del combustible y, por lo tanto, reduce la cantidad de CO_{2} producido por la combustión.
Debido a que los catalizadores convencionales de tres vías alcanzan la oxidación simultánea de CO y HC y la reducción de NOx en los gases de escape cuando la relación de combustible y aire es sustancialmente la relación estequiométrica, los catalizadores convencionales de tres vías fallan en eliminar suficientemente los NOx por reducción de los gases de escape de mezcla pobre, que contienen una cantidad en exceso de oxígeno. Por lo tanto, ha habido una necesidad del desarrollo de un catalizador y un sistema de purificación de gases de escape capaz de eliminar los NOx hasta en una atmósfera de oxígeno en exceso.
El solicitante presente propuso en, por ejemplo, la solicitud de patente japonesa expuesta al público Nº. Hei 5-317652, un catalizador purificador de gases de escape en el que un metal alcalino-térreo, tal como el bario (Ba) o similar, y el platino (Pt) es soportado por un soporte poroso formado de alúmina o similares. Usando el catalizador purificador de gases de escape, pueden eliminarse los NOx de manera eficiente de los gases de escape de la mezcla pobre a partir de un sistema de mezcla pobre si la relación de combustible y aire es controlada de modo que la relación de combustible y aire cambie de un extremo pobre a un extremo estequiométrico/rico en una manera pulsada. Los NOx son adsorbidos por el metal alcalino-térreo (adsorbente de NOx) en el extremo pobre, y reacciona con componentes reductores, tales como HC, CO y similares, en el extremo estequiométrico/rico.
Ha sido encontrado que el procedimiento de eliminación de NOx anteriormente mencionado usando el catalizador purificador de gases de escape procede en tres etapas: la primera etapa en la que el NO en los gases de escape es oxidado a NOx; la segunda etapa en la que los NOx son adsorbidos por el adsorbente de NOx; y la tercera etapa en la que los NOx liberados del adsorbente de NOx se reduce sobre el catalizador.
Sin embargo, en los catalizadores purificadores de gases de escape convencionales, ocurre el crecimiento de partículas de platino (Pt) en una atmósfera pobre, reduciendo así el número de puntos de reacción catalíticos. Por lo tanto, la reactividad en la primera y tercera etapas queda disminuida inoportunamente.
Se sabe que el rodio (Rh) es un metal noble catalítico que tiene menos tendencia a sufrir el crecimiento de partículas en una atmósfera pobre. Sin embargo, la capacidad oxidante del Rh es bastante inferior que la del Pt. El uso de una combinación de Pt y Rh puede ser considerado. Se sabe que la presencia conjunta de Pt y Rh reduce el crecimiento de partículas de Pt.
Con respeto al uso combinado de Pt y Rh, ha sido encontrado que cuando la cantidad de Rh contenida aumenta, la capacidad oxidante de Pt disminuye, probablemente porque el Rh cubre las superficies de Pt. Por lo tanto, cuando el contenido de Rh aumenta, la reactividad de oxidación de NO a NOx en la primera etapa disminuye y la velocidad de adsorción de NOx en la segunda etapa también disminuye. Otro problema con el Rh es la baja compatibilidad con adsorbentes de NOx. La presencia conjunta de Rh y un adsorbente de NOx causa un funcionamiento insuficiente del adsorbente de NOx y de Rh.
Además, los componentes de azufre (S) contenidos en el combustible se oxidan a SO_{2}, que además es oxidado sobre el catalizador en forma de sulfatos. Si los sulfatos reaccionan con el adsorbente de NOx, la capacidad de adsorción de NOx del adsorbente de NOx se pierde, impidiendo así la eliminación de NOx por reducción. Este fenómeno indeseado se llama generalmente envenenamiento de azufre del adsorbente de NOx.
Sumario de la invención
En consecuencia, es un objeto de la presente invención prevenir una reducción de la durabilidad debido al crecimiento de partículas de platino (Pt) usando rodio (Rh) además de Pt y mejorar la durabilidad previniendo la reducción de la adsorción de NOx y liberando el comportamiento del adsorbente de NOx.
De acuerdo con un aspecto de la invención, se proporciona un catalizador purificador de gases de escape que incluye un primer polvo formado de partículas porosas que soportan rodio, y un segundo polvo formado de partículas porosas que soportan platino y un material de adsorción de óxidos de nitrógeno de modo que el rodio y el platino sean soportados aparte uno del otro sobre los primeros y segundos polvos, respectivamente. El segundo polvo y el primer polvo están presentes en un estado de mezcla.
Al menos uno del primer polvo y del segundo polvo pueden soportar al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en cobalto, hierro y níquel.
Un adsorbente que adsorbe hidrocarburos puede ser proporcionado adyacente al primer polvo.
Las partículas porosas del primer polvo pueden servir como el adsorbente que adsorbe hidrocarburo.
El adsorbente que adsorbe HC puede existir en una interfase entre el primer polvo y el segundo polvo.
El adsorbente que adsorbe HC puede formar una capa de revestimiento proporcionada sobre un elemento de base monolítica. Al menos, el primer polvo es soportado en la capa de revestimiento.
De acuerdo con otro aspecto más de la invención, se proporciona un método de purificación de gases de escape. En una etapa del método, un catalizador que tiene un primer polvo y un segundo polvo es dispuesto en un paso de gases de escape. El primer polvo se forma a partir de partículas porosas que soportan rodio, y el segundo polvo se forma a partir de partículas porosas que soportan platino y un material de adsorción de óxidos de nitrógeno de modo que el rodio y el platino sean soportados aparte uno del otro sobre los primeros y segundos polvos, respectivamente. El primer polvo y el segundo polvo están presentes en un estado de mezcla. En otra etapa, se permite al material de adsorción de óxidos de nitrógeno adsorber óxidos de nitrógeno en una atmósfera pobre en la que está presente una cantidad en exceso de oxígeno. En otra etapa más, la atmósfera pobre es cambiada temporalmente a una atmósfera estequiométrica rica para causar la reducción de óxidos de nitrógeno liberados del material de adsorción de óxidos de nitrógeno.
Breve descripción de los dibujos
Los anteriores y siguientes objetos, características y ventajas de la presente invención se harán evidentes de la descripción siguiente a partir de realizaciones preferidas con referencia a los dibujos que acompañan, en los que se usan similares números para representar similares elementos y en los que:
La figura 1 es una ilustración de la estructura de un catalizador purificador de gases de escape del Ejemplo 1 de la invención;
La figura 2 es un gráfico que indica la relación entre la cantidad de Rh soportado y la velocidad de eliminación de NO durante un período inicial;
La figura 3 es un gráfico que indica la relación entre la cantidad de Rh soportado y la velocidad de eliminación de NO después del ensayo de resistencia;
La figura 4 es una ilustración ampliada de la estructura de un catalizador purificador de gases de escape del Ejemplo Comparativo 1;
La figura 5 es una ilustración de la estructura de un catalizador purificador de gases de escape del Ejemplo 3 de la invención;
La figura 6 es un gráfico que indica la relación entre la cantidad de Rh soportado y la velocidad de eliminación de NO durante un período inicial;
La figura 7 es un gráfico que indica la relación entre la cantidad de Rh soportado y la velocidad de eliminación de NO después del ensayo de resistencia;
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La figura 8 es una ilustración de la estructura de un catalizador purificador de gases de escape del Ejemplo 6 de la invención;
La figura 9 es una ilustración de la estructura de un catalizador purificador de gases de escape del Ejemplo Comparativo 3;
Descripción detallada de la invención
En el catalizador purificador de gases de escape de la invención, el rodio (Rh) está presente en el primer polvo, y el platino (Pt) y el material que adsorbe los óxidos de nitrógeno (adsorbente de NOx) están presentes en el segundo polvo, y el primer polvo y el segundo polvo están en un estado de mezcla. Es decir, el Pt y el adsorbente de NOx son soportados adyacentes el uno al otro, y el Rh y el Pt son soportados el uno aparte del otro.
El crecimiento de partículas de Rh en una atmósfera pobre es notablemente menor que él de Pt. Por lo tanto, la presencia de Rh mejora la durabilidad. Además, ya que el Rh está soportado aparte del adsorbente de NOx, el problema de la pobre compatibilidad entre los dos componentes es eliminado, de modo que la deterioración del comportamiento del adsorbente de NOx y Rh se previene.
Además, debido a que el Rh está soportado separadamente, se produce hidrógeno, que tiene una alta potencia reductora, a partir del hidrocarburo (HC) y H_{2}O en los gases de escape por Rh (reacción de reformado con vapor de agua). El hidrógeno así producido contribuye bastante a la reducción de NOx y a la desorción de óxidos de azufre (SOx) del adsorbente de NOx que está sometido al envenenamiento de azufre. Por lo tanto, la reducción de NOx durante pulsos ricos aumenta, y el envenenamiento de azufre disminuye bastante. Aunque la actividad reformante del vapor de agua de Rh se reduzca normalmente por la presencia del adsorbente de NOx, el catalizador purificador de gases de escape de la invención previene este fenómeno y por lo tanto permite que la reacción reformante del vapor de agua por Rh se lleve al máximo nivel posible debido a que Rh y el adsorbente de NOx son soportados el uno aparte del otro.
Por lo tanto, si el catalizador purificador de gases de escape de la invención es expuesto en realidad en una atmósfera pobre (gases de escape de mezcla pobre) que tienen una cantidad en exceso de oxígeno, el monóxido de nitrógeno (NO) se oxida a NOx sobre Pt en el segundo polvo, y los NOx rápidamente se adsorben por el adsorbente de NOx soportado adyacente al Pt. Debido a que el Rh está soportado aparte del Pt, la inhibición de la capacidad oxidante de Pt por Rh es prevenida, de modo que el NO se convierte de manera eficiente en NOx. Además, debido a que el Rh está también aparte del adsorbente de NOx, la deterioración de la actividad adsorbente de NOx es prevenida.
HC y CO en los gases de escape reaccionan con el oxígeno presente en una cantidad en exceso por la reacción catalítica de Pt y Rh. Por lo tanto, HC y CO son fácilmente eliminados por oxidación. En atmósferas estequiométricas ricas, los NOx se liberan del adsorbente de NOx, y luego reaccionan con HC y CO en los gases de escape por la reacción catalítica de Pt y Rh. Así, los NOx se eliminan por reducción en gas nitrógeno (N_{2}).
El comportamiento reductor de NOx se mejora por el hidrógeno producido por la reacción reformante del vapor de agua mostrada según la fórmula (1). La reacción de la fórmula (1) ocurre por el rodio (Rh), y cuando se utiliza un primer polvo formado de rodio (Rh) soportado por zirconia, se acelera además la reacción reformante del vapor de agua.
CnHm + 2nH_{2}O \ -> nCO_{2} + (m/2 + 2n)H_{2}
En el catalizador purificador de gases de escape de la invención, es preferible que al menos uno del primer polvo y del segundo polvo lleven al menos un elemento seleccionado de cobalto (Co), hierro (Fe) y níquel (Ni). Estos elementos aceleran la reacción de cambio de gas acuosa expresada en la fórmula (2), acelerando así la generación de hidrógeno.
CO + H_{2}O \ -> CO_{2} + H_{2}
Con su fuerte potencia reductora, el hidrógeno reduce a los NOx, de modo que el catalizador purificador de gases de escape mantiene un alto comportamiento reductor de NOx hasta después del ensayo de resistencia.
Además, el hidrógeno que está en los alrededores del adsorbente de NOx reduce los sulfatos tomados por el adsorbente de NOx, reduciendo así la degradación del adsorbente de NOx por el envenenamiento por azufre.
La cantidad de al menos uno de Co, Fe y Ni soportados en el catalizador purificador de gases de escape está preferiblemente en el intervalo de 0,01-2,0 moles en relación con 120 g de partículas porosas, si un elemento solo o dos o más elementos son seleccionados. Si la cantidad es menos de 0,01 moles en relación con 120 g, no se alcanza ningún efecto sustancial. Si la cantidad es mayor que 2,0 moles en relación con 120 g, no se alcanza ninguna mejora más y se puede reducir la reacción del metal noble catalítico.
Al menos un elemento seleccionado de Co, Fe y Ni puede ser soportado sobre las partículas porosas del primer polvo o sobre las partículas porosas del segundo polvo, y también puede ser soportado sobre las partículas porosas de ambos polvos.
Las partículas porosas que llevan al menos un elemento de Co, Fe y Ni pueden soportar preferiblemente a un promotor de al menos uno de silicio (Si) y magnesio (Mg). La provisión del promotor además promoverá las reacciones que producen hidrógeno. La cantidad del promotor soportado sobre las partículas porosas está preferiblemente dentro del intervalo de 0,005-2,0 moles en relación con 120 g de las partículas porosas. Si la cantidad es menos de 0,005 moles en relación con 120 g, no se alcanza ningún efecto sustancial. Si la cantidad es mayor que 2,0 moles en relación con 120 g, no se alcanza ninguna mejora más. Un intervalo particularmente preferible de la cantidad del promotor es de 0,01-0,5 moles en relación con 120 g de las partículas porosas.
A través de la presente investigación del mecanismo actuante del catalizador, se ha hecho claro que en una atmósfera rica, la reacción entre el vapor de agua y los HC en los gases de escape ocurre sobre el primer polvo, produciendo hidrógeno, que a su vez contribuye a la reducción de NOx.
Es decir, la reacción reformante del vapor de agua con HC en los gases de escape ocurre sobre el primer polvo, produciendo así hidrógeno, que a su vez reduce los NOx liberados del adsorbente de NOx en una atmósfera rica. Por lo tanto, la reacción anteriormente mencionada en la tercera etapa del procedimiento de eliminación de NOx se acelera.
En algunos casos, ocurre envenenamiento de azufre del adsorbente de NOx, en el que SOx en los gases de escape reacciona con el adsorbente de NOx para producir sales de ácido sulfúrico por lo que se pierde la capacidad de adsorción de NOx. Sin embargo, debido a la producción de hidrógeno, los SOx en los gases de escape se reducen de modo que el envenenamiento por azufre se previene bastante. Además, el envenenado por azufre del adsorbente de NOx también se reduce por el hidrógeno, de modo que la capacidad adsorbente de NOx se recupera. Por lo tanto, la alta capacidad adsorbente de NOx del adsorbente de NOx se mantiene, de modo que la reacción en la tercera etapa se acelera.
La reacción entre el vapor de agua y HC, es decir, una reacción que produce hidrógeno, apenas ocurre en una atmósfera pobre que contenga una cantidad de oxígeno excesiva porque no hay casi ningún HC que quede en los gases de escape de la mezcla pobre. En una atmósfera pobre, el oxígeno presente en una cantidad en exceso oxida casi la cantidad entera de HC a H_{2}O y CO_{2}. Si se produce una pequeña cantidad de hidrógeno, el hidrógeno reacciona inmediatamente con el oxígeno presente con una cantidad en exceso para producir H_{2}O. Por lo tanto, las reacciones que producen hidrógeno anteriormente mencionadas no se implican totalmente en la purificación de gases de escape de un sistema, tal como un motor de mezcla pobre, en el que las atmósferas pobres ocurren en la mayor parte de las condiciones de operación.
Por lo tanto, se prefiere que sea proporcionado un adsorbente que adsorba HC adyacente al primer polvo. Así, una gran cantidad de HC presente en una atmósfera rica se adsorbe en el adsorbente que adsorbe HC. En una atmósfera pobre, los HC se liberan del adsorbente que adsorbe HC, de modo que los HC reaccionan con el vapor de agua sobre el primer polvo, por la reacción de Rh, para producir hidrógeno.
Así, la provisión del adsorbente que adsorbe HC permite la producción de hidrógeno hasta en una atmósfera pobre, de modo que los NOx se reducen, mejorando así el comportamiento de eliminación de NOx. Además, el adsorbente de NOx envenenado por azufre e, incluso, los SOx son también reducidos por el hidrógeno, de modo que el envenenamiento por azufre del adsorbente de NOx se elimina y la capacidad de adsorción de NOx es recuperada. Además, se previene un posterior envenenamiento por azufre. Por lo tanto, el comportamiento de eliminación de NOx se mejora considerablemente.
Un ejemplo representativo del adsorbente que adsorbe HC es la zeolita. Hay varios tipos de zeolitas, tales como las del tipo Y, tipo A, tipo X, ZSM-5, silicalita, mordenita, ferrierita, y otras similares. Todos estos tipos tienen alta capacidad de adsorción de HC. Entre ellas, la zeolita del tipo Y, ZSM-5, silicalita y mordenita tienen particularmente una alta capacidad de adsorción de HC. Por lo tanto, se prefiere usar una zeolita seleccionada de estas zeolitas.
Para aumentar la velocidad de producción de hidrógeno por el aumento de la velocidad de reacción entre HC y el vapor de agua, es necesario que el absorbente que adsorbe HC, que suministra HC en atmósferas pobres, esté adyacente al primer polvo, que ofrece puntos activos a la reacción para la reacción entre HC y el vapor de agua.
Esta exigencia puede ser alcanzada empleando el primer polvo en el que las partículas porosas son usadas como un adsorbente que adsorbe HC. Tal primer polvo puede estar formado, por ejemplo, soportando o fijando al menos Rh sobre partículas porosas formadas de zeolita. El primer polvo así producido adsorberá HC en atmósferas ricas, y liberará HC en atmósferas pobres, que inmediatamente reaccionará con vapor de agua sobre el primer polvo. Por lo tanto, la reacción entre HC y el vapor de agua ocurre fácilmente sobre el primer polvo para producir hidrógeno no sólo en atmósferas ricas, sino que también en atmósferas pobres.
La exigencia anteriormente mencionada puede ser alcanzada también disponiendo un adsorbente de HC en una interfase entre el primer polvo y el segundo polvo. Por ejemplo, un adsorbente que adsorbe HC en forma de partículas se mezcla con el primer polvo y el segundo polvo, para formar un catalizador. En esta manera, el adsorbente que adsorbe HC se dispone en la interfase entre el primer polvo y el segundo polvo, de modo que los HC se adsorben al adsorbente que adsorbe HC en atmósferas ricas, y se liberan de ahí en atmósferas pobres para inmediatamente reaccionar con el vapor de agua sobre el primer polvo para producir hidrógeno.
En otra manera posible más, una capa de revestimiento formada de adsorbente que adsorbe HC se proporciona sobre un elemento de base monolítica, el primer polvo es soportado en la capa de revestimiento. En algunos casos, tal capa de revestimiento puede estar formada a partir del primer polvo y del polvo de adsorbente que adsorbe HC. En el catalizador así producido, los HC se adsorben en la capa de revestimiento en atmósferas ricas, y se liberan de ésta en atmósferas pobres y reaccionan con el vapor de agua sobre el primer polvo. Por lo tanto, la reacción entre HC y el vapor de agua ocurre fácilmente sobre el primer polvo para producir hidrógeno no sólo en atmósferas ricas, sino que también en atmósferas pobres.
En un ejemplo de método para producir un catalizador purificador de gases de escape que contiene tal adsorbente que adsorbe HC, el primer polvo está preparado soportando o fijando Rh en un polvo adsorbente que adsorbe HC. El primer polvo se mezcla con el segundo polvo y la mezcla se forma como pelets, produciendo así un catalizador deseado en forma de pelets. En otro ejemplo de método, se revisten una base monolítica o una base de panal de abeja formada a partir de una lámina metálica con una mezcla que contiene una mezcla de los primeros y segundos polvos como componente principal, y la base revestida se cuece, produciendo así el catalizador deseado.
Además, puede formarse una mezcla del primer polvo que no contenga ningún adsorbente del tipo que adsorbe HC, el segundo polvo y un polvo adsorbente que adsorba HC, en pelets o en una capa de revestimiento.
Además, después de que una base monolítica es revestida con un adsorbente que adsorbe HC, una mezcla del primer polvo y el segundo polvo puede estar soportada sobre la capa de revestimiento. Para soportar el primer polvo y el segundo polvo en el adsorbente de HC, pueden emplearse varios métodos, por ejemplo: un método de deposición en el cual la zeolita se suspende en una solución acuosa de una sal de circonio o una sal de aluminio, y se añade una base para cambiar el pH a un pH básico de modo que la precipitación ocurra sobre la zeolita; un método de sol-gel en el que se hidroliza un alcóxido de circonio o aluminio de modo que el hidróxido de circonio o de aluminio sea soportado sobre la zeolita, y similares.
Normalmente, los catalizadores purificadores de gases de escape se proporcionan en forma de panal de abeja, en el que se revisten la cordierita o la base metálica en forma de panal de abeja con un material de soporte, tal como alúmina, y la capa de revestimiento soporta un metal catalítico o un adsorbente de NOx.
Un método convencional establecido para soportar un metal noble en un catalizador es un método de soporte por adsorción en el que una base que tiene una capa de revestimiento se sumerge en una solución acuosa de un compuesto de metal noble, y luego se retira, se seca y se cuece. En el método de soporte por adsorción, se fijan iones de metales nobles en la solución acuosa en una parte de la superficie de la capa de revestimiento, de modo que ninguno de los iones del metal noble están sustancialmente contenidos en la solución acuosa que penetra en la parte interior. Por lo tanto, el metal noble es soportado sólo en una capa superficial de la capa de revestimiento. Esto es favorable en vista a las reacciones catalíticas.
En el catalizador anteriormente descrito, en el que Rh y el adsorbente de NOx están soportados el uno aparte del otro, el metal noble y el adsorbente de NOx son cada uno soportados sobre el polvo, y el polvo se aplica como un revestimiento en una base para formar el catalizador deseado. Por lo tanto, el metal noble en este catalizador de soporte por separado está soportado uniformemente en la capa de revestimiento entera.
En el catalizador purificador de gases de escape de la invención, HC y CO son oxidados sobre Pt en atmósferas pobres que contienen cantidades en exceso de oxígeno. Simultáneamente, ocurre la primera etapa en la que NO se oxida en los gases de escape a NOx y la segunda etapa en la que los NOx se adsorben por el adsorbente de NOx. Debido a que el Pt y el adsorbente de NOx están soportados adyacentes el uno al otro y el Rh está soportado aparte del Pt, el problema de una reducción del comportamiento oxidante de Pt debido a la presencia de Rh en la proximidad no surge. Por lo tanto, las primeras y segundas etapas proceden suavemente.
Bajo un cambio temporal a una atmósfera estequiométrica rica, los NOx se liberan del adsorbente de NOx y reaccionan con HC y CO en los gases de escape por las reacciones catalíticas de Pt y Rh. NOx, HC y CO son eliminados así por reducción y oxidación.
En el catalizador purificador de gases de escape de la invención, el NO se oxida a NO_{2} sobre Pt en el segundo polvo, y los NOx rápidamente se adsorben por el adsorbente de NOx soportado adyacente al Pt, en una atmósfera pobre que contiene una cantidad en exceso de oxígeno. Debido a que el Pt y el Rh están soportados el uno aparte del otro, la inhibición del comportamiento oxidante de Pt por Rh se previene y, por lo tanto, el NO se convierte suavemente en NO_{2}. Además, debido a que el adsorbente de NOx está soportado aparte de Rh, la deterioración del comportamiento de la eliminación de NOx se previene. Por lo tanto, se adsorben NOx suavemente por el adsorbente de NOx y se impide así que se libere al exterior. HC y CO en los gases de escape reaccionan con el oxígeno presente en una cantidad en exceso por las reacciones catalíticas de Pt y Rh. HC y CO son así fácilmente eliminados por oxidación.
Cuando la atmósfera se cambia a una atmósfera estequiométrica rica, se liberan NOx del adsorbente de NOx, y reaccionan con HC y CO en los gases de escape por las reacciones catalíticas de Pt y Rh y, además, reaccionan con el hidrógeno producido en el segundo polvo, convertiéndose así en N_{2}. De esta forma, se eliminan NOx por reducción. Incluso si se da un crecimiento de partículas de Pt de modo que el polvo reductor disminuye, el gran poder reductor de Rh todavía elimina los NOx de manera eficiente por reducción.
Los HC en los gases de escape se adsorben y se acumulan en el adsorbente que adsorbe HC en una atmósfera estequiométrica rica. Cuando la atmósfera se hace una atmósfera pobre conteniendo una cantidad en exceso de oxígeno, se libera HC del adsorbente que adsorbe HC, y reacciona con el vapor de agua para producir hidrógeno, que a su vez reduce NOx y, además, reduce el envenenado por azufre del adsorbente de NOx. Por lo tanto, la capacidad de adsorción de NOx es recuperada. Debido a que los SOx se reducen por el hidrógeno, se previene el envenenamiento por azufre posterior del adsorbente de NOx.
Por lo tanto, el catalizador purificador de gases de escape de la invención es capaz de producir hidrógeno no sólo en atmósferas ricas, sino que también en atmósferas pobres, mejorando así bastante el comportamiento de eliminación de NOx.
Las partículas porosas, tanto para el primer polvo como para el segundo polvo, pueden seleccionarse de alúmina, sílice, titania, zirconia, sílice-alúmina, zeolita y otros similares. Puede seleccionarse alguno de estos materiales o varios. Si son seleccionados más de un material, pueden usarse en una mezcla o en una forma compuesta. En vista de la resistencia al calor, y la buena compatibilidad de zirconia con Rh, se prefiere que se use zirconia para el primer polvo y se use alúmina para el segundo polvo. Si se usa zirconia para el primer polvo, la reacción reformante del vapor de agua de Rh se mejora notablemente.
El diámetro de partículas de las partículas porosas de los primeros y segundos polvos está preferiblemente dentro del intervalo de 1-100 \mum. Si el diámetro de partículas es más pequeño que 1 \mum, se hace difícil alcanzar el efecto del soporte por separado de Rh y Pt. Si el diámetro de partículas es más grande que 100 \mum, la interreacción entre el primer polvo y el segundo polvo se reduce inoportunamente.
La cantidad de Rh soportado en el primer polvo está preferiblemente dentro del intervalo de 0,05-20 g en relación con 120 g de partículas porosas. Si la cantidad de Rh soportado es menos de 0,05 g en relación con 120 g de partículas porosas, la durabilidad se deteriora. Si es más de 20 g en relación con 120 g, ninguna mejora más del efecto es alcanzada y puede darse como resultado un aumento de costes. Un intervalo preferido particularmente de la cantidad de Rh soportado en el primer polvo es de 0,1-10 g en relación con 120 g de partículas porosas. Es también posible soportar paladio (Pd), iridio (Ir) o similares en el primer polvo, además de Rh. La cantidad de tal material puede ser determinada tal que la cantidad total, incluyendo la cantidad de Rh, esté dentro del intervalo anteriormente mencionado.
La cantidad de Pt soportado en el segundo polvo está preferiblemente dentro del intervalo de 0,1-10 g en relación con 120 g de partículas porosas. Si la cantidad de Pt soportado es menos de 0,1 g en relación con 120 g de partículas porosas, las velocidades de eliminación para HC, CO y NOx disminuyen. Si es más de 10 g en relación con 120 g, ninguna mejora más del efecto es alcanzada y puede darse como resultado un aumento de costes. Es también posible soportar Pd en el segundo polvo, además de Pt. Preferiblemente, la cantidad de Pd se determina tal que la cantidad total de Pt y Pd está dentro del intervalo de 0,1-10 g en relación con 120 g de partículas porosas.
El adsorbente de NOx puede estar formado por al menos un elemento seleccionado de metales alcalinos, metales alcalino-térreos y metales de tierra raras. Los ejemplos de los metales alcalinos incluyen litio (Li), sodio (Na), potasio (K), cesio (Cs), y otros similares Los metales alcalino-térreos son los que se refieren como los elementos de la familia 2A de acuerdo con la tabla periódica. Los ejemplos de los metales alcalino-térreos incluyen magnesio (Mg), calcio (Ca), estroncio (Sr), bario (Ba), y otros similares Los ejemplos de los metales de tierras raras incluyen lantano (La), cerio (Ce), praseodimio (Pr), y otros similares.
La cantidad de adsorbente de NOx soportado en el segundo polvo está preferiblemente dentro del intervalo de 0,05-3 moles en relación con 120 g de partículas porosas. Si la cantidad de adsorbente de NOx en el segundo polvo es menos de 0,05 moles en relación con 120 g de partículas porosas, la velocidad de eliminación de NOx disminuye. Si la cantidad es más de 3 moles en relación con 120 g de partículas porosas, ninguna mejora más es alcanzada. Un intervalo particularmente preferido de la cantidad del adsorbente de NOx en el segundo polvo es de 0,05-0,5 moles en relación con 120 g de partículas porosas.
La relación de mezcla entre el primer polvo y el segundo polvo está preferiblemente dentro del intervalo de primer polvo:segundo polvo = 0,05:1 a 1:1, sobre la base de la relación en peso entre Rh y Pt o el peso total de Pt y Pd. Si se usa alúmina como partículas porosas tanto del primer polvo como del segundo polvo, la relación de mezcla está preferiblemente dentro del intervalo de primer polvo:segundo polvo = 0,1:1 a 2:1, en una base de relación en peso de alúmina. Si la relación de mezcla está fuera de estos intervalos, pueden ocurrir problemas similares a los causados por cantidades inadecuadas de Rh y Pt.
Para formar un catalizador purificador de gases de escape de una mezcla del primer polvo y del segundo polvo, la mezcla puede formarse como pelets por un método estándar, produciendo así un catalizador en forma de pelets. Además, puede aplicarse una mezcla que contiene una mezcla de los primeros y segundos polvos como componente principal como un revestimiento en una base de cordierita o en forma de hoja de panal de abeja de metal, que después se cuece para producir un catalizador monolítico.
En el método de purificación de gases de escape de la invención, HC y CO son eliminados por oxidación sobre Pt en el segundo polvo en una atmósfera pobre que contiene una cantidad en exceso de oxígeno. Simultáneamente, se oxida NO a NOx, que rápidamente se adsorbe por el adsorbente de NOx soportado adyacente al Pt. Debido a que el Pt está soportado aparte del Rh, la inhibición del comportamiento oxidante de Pt por Rh es prevenida y, por lo tanto, se convierte NO suavemente en NOx. Además, debido a que el adsorbente de NOx está soportado aparte del Rh, la deterioración del comportamiento de eliminación de NOx se previene. Por lo tanto, se adsorbe NOx suavemente por el adsorbente de NOx y así se impede ser liberados al exterior. HC y CO en los gases de escape reaccionan con el oxígeno presente en una cantidad en exceso por las reacciones catalíticas de Pt y Rh. HC y CO así son fácilmente eliminados por oxidación.
Cuando la atmósfera se cambia temporalmente a una atmósfera estequiométrica rica, se liberan NOx del adsorbente de NOx, y reaccionan con HC y CO en los gases de escape por las reacciones catalíticas de Pt y Rh y, además, reaccionan con el hidrógeno producido por las reacciones de las fórmulas (1) y (2), que se aceleran por al menos un elemento seleccionado de Co, Fe y Ni. Los NOx así se reducen a N_{2}. Incluso si ocurre el crecimiento de partículas de Pt de modo que el poder reductor disminuye, la gran potencia reductora del Rh elimina todavía de manera eficiente los NOx por reducción.
Ejemplos
La invención será además descrita detalladamente con referencia a Ejemplos y Ejemplos Comparativos, y por los dibujos que acompañan.
(1) Ejemplos de primera serie
Ejemplo 1 Preparación del primer polvo
Polvo de alúmina que tenía un diámetro de partículas medio de 5 \mum fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de nitrato de rodio de una concentración predeterminada, y después fue secado a 110ºC durante 3 horas, y cocido a 250ºC durante 2 horas, soportando con ello Rh en el polvo de alúmina. Como para la cantidad de Rh soportado, fueron seleccionados cuatro niveles diferentes, es decir 0,1 g, 0,5 g, 1,0 g y 2,0 g en relación con 120 g del polvo de alúmina. Así, fueron preparados cuatro tipos de los primeros polvos.
Preparación del segundo polvo
Polvo de alúmina que tenía un diámetro de partículas medio de 5 \mum fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de acetato de bario de una concentración predeterminada, y después fue secado a 110ºC durante 3 horas, y cocido a 500ºC durante 2 horas, soportando con ello Ba en el polvo de alúmina. La cantidad de Ba soportada era de 0,4 moles en relación con 120 g del polvo de alúmina.
Posteriormente, el polvo de alúmina que llevaba Ba así obtenido fue impregnado con una solución acuosa de bicarbonato de amonio de 15 g/L, y después fue secado a 110ºC durante 3 horas. Así, el Ba fue convertido en carbonato de bario y soportado uniformemente en el polvo de alúmina.
El polvo Ba/alumina fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de nitrato de platino de dinitrodiamina de una concentración predeterminada, y fue secado a 110ºC durante 3 horas, y después fue secado a 250ºC durante 2 horas, soportando con ello Pt en el polvo. La cantidad de Pt soportada era de 2,0 g en relación con 120 g del polvo de alúmina. El segundo polvo fue preparado de esta forma.
Preparación del catalizador
Cantidades equivalentes del primer polvo y del segundo polvo en relación en peso fueron mezcladas uniformemente, y después se les dio forma de pelets mediante un método estándar, y así fueron preparados cuatro tipos de catalizadores con forma de pelet. Esquemáticamente se muestra la estructura de los catalizadores en pelet en la figura 1.
Ensayo de evaluación
El catalizador con forma de pelet obtenido de cada tipo fue dispuesto en un dispositivo de ensayo de evaluación, y se pasaron a su través los gases modelos descritos en la Tabla 1. Más específicamente, se permitió fluir a través un gas rico modelo y un gas pobre modelo a una temperatura de entrada de gas de 350ºC, a un caudal de 2 L/minuto durante dos minutos respectivamente. La velocidad de eliminación de NO de transición de cada catalizador fue determinada a partir de la diferencia entre la concentración de NO en el gas que entra al catalizador y la concentración de NO en el gas que sale del catalizador. Los resultados se indican en la figura 2.
TABLA 1
Atmósfera O_{2} NO C_{3}H_{6} CO H_{2} He
Rica 0,25% - 710 ppm 1,06% 0,25% equilibrio
Pobre 7,9% 570 ppm 1200 ppm 0,19% 0,05% equilibrio
El ensayo de resistencia fue realizado permitiendo fluir a los gases ricos y pobres modelos de resistencia mostrados en la Tabla 2 durante 10 horas a una temperatura de entrada de gas de 800ºC cambiando entre los dos gases en un modelo de 1 minuto para el gas rico y 4 minutos para el gas pobre. Después de esto, las velocidades de eliminación de NO de transición fueron determinadas de la manera descrita anteriormente. Los resultados se indican en la figura 3.
TABLA 2
Atmósfera O_{2} NO C_{3}H_{6} CO H_{2} H_{2}O He
Rica 0,16% 0,15% 650 ppm 0,70% 0,20% 3% equilibrio
Pobre 7,9% 0,14% 620 ppm 780 ppm - 3% equilibrio
Ejemplo 2
Cuatro tipos de los primeros polvos fueron preparados sustancialmente de la misma manera que en el Ejemplo 1, pero fue usado polvo de zirconia que tenía un diámetro de partículas medio de 5 \mum en vez del polvo de alúmina. El primer polvo de cada tipo fue mezclado con el segundo polvo sustancialmente igual que en el Ejemplo 1, preparando así cuatro tipos de catalizadores con forma de pelet.
Usando 2,0 g de cada uno de los catalizadores con forma de pelet obtenidos del Ejemplo 2, las velocidades de eliminación de NO durante un período inicial y después del ensayo de resistencia fueron determinadas sustancialmente de la misma manera que en el Ejemplo 1. Los resultados se indican en las figuras 2 y 3.
Ejemplo comparativo 1
La figura 4 ilustra esquemáticamente la estructura de un catalizador purificador de gases de escape del Ejemplo Comparativo 1.
Preparación del polvo
Polvo de alúmina que tenía un diámetro de partículas medio de 5 \mum fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de acetato de bario de una concentración predeterminada, y después fue secado a 110ºC durante 3 horas, y cocido a 500ºC durante 2 horas, soportando con ello Ba en el polvo de alúmina. La cantidad de Ba soportado era de 0,2 moles en relación con 120 g del polvo de alúmina.
Posteriormente, el polvo de alúmina que llevaba Ba así obtenido fue impregnado con una solución acuosa de bicarbonato de amonio de 15 g/L, y después fue secado a 110ºC durante 3 horas. Así, el Ba fue convertido en carbonato de bario y soportado uniformemente en el polvo de alúmina.
El polvo Ba/alumina fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de nitrato de platino de dinitrodiamina de una concentración predeterminada, y fue secado a 110ºC durante 3 horas, y después fue secado a 250ºC durante 2 horas, soportando con ello Pt en el polvo. La cantidad de Pt soportado era de 1,0 g en relación con 120 g del polvo de alúmina.
Posteriormente, el polvo de Ba/alumina que llevaba Pt obtenido fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de nitrato de rodio de una concentración predeterminada, y luego fue secado a 110ºC durante 3 horas, y cocido a 250ºC durante 2 horas, soportando con ello Rh en el polvo. De igual forma que para la cantidad de Rh soportado, fueron seleccionados cuatro niveles diferentes, es decir 0,05 g, 0,25 g, 0,5 g y 1,0 g en relación con 120 g del polvo de alúmina. De esta forma se prepararon cuatro tipos de los polvos de catalizador.
Preparación del catalizador
Cada tipo de polvo de catalizador fue formado como pelets por el método estándar, preparando así cuatro tipos de catalizadores con forma de pelet. Usando los catalizadores con forma de pelet obtenidos del Ejemplo Comparativo 1, fueron determinadas las velocidades de eliminación de NO tanto durante un período inicial como después del ensayo de resistencia sustancialmente de la misma manera que en el Ejemplo 1. Los resultados se indican en las figuras 2 y 3.
Evaluación
Como se indica en las figuras 2 y 3, la velocidad de eliminación de NO disminuyó cuando la cantidad de Rh soportado aumentó en el Ejemplo Comparativo 1, mientras que en los Ejemplos 1 y 2, la velocidad de eliminación de NO aumentó cuando la cantidad de Rh soportado aumentaba. Es claro que esta diferencia fue alcanzada debido al soporte por separado de Rh y Pt en los Ejemplos 1 y 2.
Además, también se indica que para las partículas porosas del primer polvo, el polvo de zirconia (Ejemplo 2) exhibió una velocidad de eliminación de NO más alta que el polvo de alúmina (Ejemplo 1).
Esta tendencia se indica de modo similar en las figuras 2 y 3 aunque la diferencia en la figura 3 sea más pequeña que en la figura 2. Es decir, claramente se indica que los catalizadores que purifican los gases de escape de estos ejemplos exhibieron velocidades de eliminación de NO altas tanto durante el período inicial como después del ensayo de resistencia.
Aunque en los ejemplos precedentes, los catalizadores con forma de pelet fueran formados e investigados, debería ser evidente que un catalizador monolítico formado por revestimiento con una base de cordierita o de panal de abeja con forma de hoja de metal con una capa de revestimiento que contenga una mezcla del primer polvo y del segundo polvo como componente principal alcanzará sustancialmente las mismas ventajas que se alcanzan con los catalizadores con forma de pelet.
(2) Ejemplo de la segunda serie
Ejemplo 3 Preparación del primer polvo
Polvo de alúmina que tenía un diámetro de partículas medio de 5 \mum fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de nitrato de rodio de una concentración predeterminada, y después fue secado a 110ºC durante 3 horas, y cocido a 250ºC durante 2 horas, soportando con ello Rh en el polvo de alúmina. La cantidad de Rh soportado era de 0,3 g en relación con 120 g del polvo de alúmina.
Preparación del segundo polvo
Polvo de alúmina que tenía un diámetro de partículas medio de 5 \mum fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de acetato de bario de una concentración predeterminada, y después fue secado a 110ºC durante 5 horas, y cocido a 500ºC durante 2 horas, soportando con ello Ba en el polvo de alúmina. La cantidad de Ba soportado era de 0,3 moles en relación con 120 g del polvo de alúmina.
Posteriormente, el polvo de alúmina que llevaba Ba así obtenido fue impregnado con 1,2 L de una solución acuosa de bicarbonato de amonio de 15 g/L, y después fue secado a 110ºC durante 5 horas. Así, el Ba fue convertido a carbonato de bario y soportado uniformemente en el polvo de alúmina.
El polvo Ba/alumina fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de nitrato de platino de dinitrodiamina de una concentración predeterminada, y fue secado a 110ºC durante 2 horas, y luego cocido a 400ºC durante 2 horas, soportando con ello Pt en el polvo. La cantidad de Pt soportado era de 2,0 g en relación con 120 g del polvo de alúmina. El segundo polvo fue preparado de esta forma.
Soporte del metal de transición
Cantidades equivalentes del primer polvo y del segundo polvo fueron mezcladas. El polvo mezclado fue impregnado con una solución de nitrato de cobalto acuosa, y fue secado a 110ºC durante 5 horas y luego cocido a 400ºC a 2 horas, soportando con ello Co en el polvo. La cantidad de Co soportado era de 0,1 moles en relación con 120 g del polvo mezclado.
El polvo obtenido fue formado en pelets por el método estándar, preparando así el catalizador del Ejemplo 3. La figura 5 ilustra esquemáticamente la estructura del catalizador con forma de pelet.
Ensayo de evaluación
El catalizador con forma de pelet obtenido fue dispuesto en un dispositivo de ensayo de evaluación, y fueron pasados los gases modelos descritos en la Tabla 1. Más específicamente, se permitió al gas rico modelo y al gas pobre modelo fluir separadamente a una temperatura de entrada de gas de 350ºC, a un caudal de 2 L/minuto. La cantidad de NO adsorbido y la cantidad de NO reducido fue determinada para cada catalizador a partir de la diferencia entre la concentración de NO en el gas que entra al catalizador y la concentración de NO en el gas que sale del catalizador. Se muestran los resultados en la tabla 4.
El ensayo de resistencia fue realizado permitiendo fluir a los gases ricos y pobres modelos de resistencia mostrados en la Tabla 3 durante 8 horas a una temperatura de entrada de gas de 600ºC cambiando entre los dos gases con un modelo de 1 minuto para el gas rico y 4 minutos para el gas pobre. Después de esto, fue determinada la cantidad de envenenamiento por azufre (Envenenamiento por S) a partir del análisis cuantitativo elemental en cada catalizador después del ensayo de resistencia. Usando el catalizador después del ensayo de resistencia, fueron determinadas la cantidad de NO adsorbido y la cantidad de NO reducido de la manera que se describe anteriormente. Se muestran los resultados en la tabla 4.
TABLA 3
Atmósfera O_{2} % NO % C_{3}H_{6} ppm CO H_{2} % S_{2}O ppm H_{2}O % N_{2}
Rica 0,16 0,15 650 0,70% 0,20 160 3 equilibrio
Pobre 7,9 0,14 620 780 ppm - 160 3 equilibrio
Ejemplo 4
Un polvo mezclado fue preparado sustancialmente de la misma manera que en el Ejemplo 3, usando un primer polvo sustancialmente igual que en el Ejemplo 3 y un segundo polvo que fue preparado sustancialmente de la misma manera que en el Ejemplo 3, pero fue usada una solución acuosa mixta de acetato de bario y nitrato de cobalto en vez de la solución acuosa de acetato de bario. El polvo mezclado fue usado directamente para formar el catalizador con forma de pelet del Ejemplo 4. Las cantidades de Ba y Co en el segundo polvo eran de 0,3 moles y 0,1 moles, respectivamente, en relación con 120 g del polvo de alúmina.
Usando el catalizador con forma de pelet obtenido del Ejemplo 4, la cantidad de NO adsorbido y la cantidad de NO reducido y la cantidad de envenenamiento por azufre tanto durante el período inicial como después del ensayo de resistencia fueron determinadas sustancialmente del mismo modo que en el Ejemplo 3. Se muestran los resultados en la tabla 4.
Ejemplo 5
Polvo de alúmina que tenía un diámetro de partículas medio de 5 \mum fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución de nitrato de cobalto acuosa de una concentración predeterminada, y después fue secado a 110ºC durante 5 horas, y cocido a 500ºC durante 2 horas. La cantidad de Co soportado era de 0,1 moles en relación con 120 g del polvo de alúmina. El polvo de alúmina que llevaba Co fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de nitrato de rodio de una concentración predeterminada, y fue secado a 110ºC durante 3 horas y luego cocido a 250ºC durante 2 horas, preparando así el primer polvo.
Usando el primer polvo así preparado y el segundo polvo preparado sustancialmente de la misma manera que en el Ejemplo 3, fue preparado un polvo mezclado sustancialmente de la misma manera que en el Ejemplo 3. El polvo mezclado directamente fue usado para preparar un catalizador con forma de pelet del Ejemplo 5.
Usando el catalizador con forma de pelet obtenido del Ejemplo 5, la cantidad de NO adsorbido y la cantidad de NO reducido y la cantidad de envenenamiento por azufre tanto durante el período inicial como después del ensayo de resistencia fueron determinadas sustancialmente del mismo modo que en el Ejemplo 3. Se muestran los resultados en la tabla 4.
Ejemplo comparativo 2
Polvo de alúmina que tenía un diámetro de partículas medio de 5 \mum fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de acetato de bario de una concentración predeterminada, y después fue secado a 110ºC durante 3 horas, y cocido a 500ºC durante 2 horas, soportando con ello Ba en el polvo de alúmina. La cantidad de Ba soportado era de 0,3 moles en relación con 120 g del polvo de alúmina.
Posteriormente, el polvo de alúmina que llevaba Ba así obtenido fue impregnado con una solución acuosa de bicarbonato de amonio de 15 g/L, y después fue secado a 110ºC durante 3 horas. Así, el Ba fue convertido a carbonato de bario y soportado uniformemente en el polvo de alúmina.
El polvo Ba/alumina fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de nitrato de platino de dinitrodiamina de una concentración predeterminada, y fue secado a 110ºC durante 3 horas, y después fue secado a 250ºC durante 2 horas, soportando con ello Pt en el polvo. La cantidad de Pt soportado era de 2,0 g en relación con 120 g del polvo de alúmina.
Posteriormente, el polvo de Ba/alumina que llevaba Pt obtenido fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de nitrato de rodio de una concentración predeterminada, y luego fue secado a 110ºC durante 3 horas, y cocido a 250ºC durante 2 horas, soportando con ello Rh en el polvo. La cantidad de Rh soportado era de 0,3 g en relación con 120 g del polvo de alúmina.
El polvo de catalizador obtenido fue formado en pelets por el método estándar, preparando así un catalizador con forma de pelet del Ejemplo Comparativo 2. Usando el catalizador con forma de pelet obtenido del Ejemplo Comparativo 2, la cantidad de NO adsorbido y la cantidad de NO reducido y la cantidad de envenenamiento por azufre tanto durante el período inicial como después del ensayo de resistencia fueron determinadas sustancialmente del mismo modo que en el Ejemplo 3. Se muestran los resultados en la tabla 4.
Evaluación TABLA 4
1
Como puede observarse de la Tabla 4, los catalizadores de los ejemplos mejoraron en la cantidad de NO adsorbido y en la cantidad de NO reducido después del ensayo de resistencia, comparado con el Ejemplo Comparativo 2. Particularmente, la mejora en la cantidad de NO reducido fue grande. Además, puede observarse que el catalizador de los ejemplos redujo bastante el envenenamiento por azufre, comparado con el Ejemplo Comparativo 2.
Es decir, es claro que los catalizadores que purifican los gases de escape de los ejemplos alcanzaron altas velocidades de eliminación de NO tanto durante el período inicial como después del ensayo de resistencia.
Aunque los ejemplos anteriores hayan sido descritos junto con el empleo de Co como promotor, debe ser apreciado que el empleo de Fe o Ni como un único componente, en vez de Co, o combinaciones de dos o tres componentes, alcanzaron sustancialmente los mismos resultados.
Aunque los ejemplos hayan sido descritos junto con los catalizadores con forma de pelet, debe ser evidente que un catalizador monolítico formado por revestimiento de una base o de cordierita en panal de abeja con forma de hoja de metal con una capa de revestimiento que contiene una mezcla del primer polvo y del segundo polvo como componente principal alcanzará sustancialmente las mismas ventajas que se alcanzan con los catalizadores con forma de pelet.
(3) Ejemplos de tercera serie
Ejemplo de preparación para un catalizador en forma de panal de abeja
Fueron mezcladas 240 partes en peso de un primer polvo y 320 partes en peso de un segundo polvo uniformemente, y fue además mezclado con 235 partes en peso de una solución acuosa de nonahidrato de nitrato de aluminio de 40% en peso, 15 partes en peso de un aglomerante a base de alúmina y 540 partes en peso de agua, preparando así una mezcla. Un elemento base de panal de abeja hecho de cordierita se sumergió en la mezcla, y se tomó de ahí. Después de eliminar una cantidad extraña de mezcla, la base de panal de abeja fue secada y cocida, formando así capas de revestimiento. Un catalizador de panal de abeja fue preparado de esta forma. La capa de revestimiento formada era de 290 g en relación con 1 litro del elemento de base de panal de abeja.
Ensayo de evaluación
El catalizador de panal de abeja obtenido fue puesto en un dispositivo de ensayo de evaluación, y fueron pasados a través los gases modelos descritos en la Tabla 1. Más específicamente, se permitió fluir al gas rico modelo y al gas pobre modelo alternativamente a una temperatura de entrada de gas de 350ºC, a un caudal de 2 L/minuto durante dos minutos respectivamente. La velocidad de eliminación de NO de transición del catalizador fue determinada a partir de la diferencia entre la concentración de NO en el gas que entra al catalizador y la concentración de NO en el gas que sale del catalizador.
El ensayo de resistencia fue realizado permitiendo fluir a los gases ricos y pobres modelos de resistencia mostrados en la Tabla 2 durante 10 horas a una temperatura de entrada de gas de 800ºC cambiando entre los dos gases con un modelo de 1 minuto para el gas rico y 4 minutos para el gas pobre. Después de esto, fueron determinadas las velocidades de eliminación de NO de transición de la manera descrita anteriormente.
Ejemplo 6 Preparación del primer polvo
Polvo de alúmina que tenía un diámetro de partículas medio de 5 \mum fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de nitrato de rodio de una concentración predeterminada, y después fue secado a 110ºC durante 3 horas, y fue cocido a 250ºC durante 2 horas, soportando con ello Rh en el polvo de alúmina. Como para la cantidad de Rh soportado, fueron seleccionados cuatro niveles diferentes, es decir 0,1 g, 0,5 g, 1,0 g y 2,0 g en relación con 120 g del polvo de alúmina. Así, fueron preparados cuatro tipos de los primeros polvos.
Preparación del segundo polvo
Polvo de alúmina que tenía un diámetro de partículas medio de 5 \mum fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de acetato de bario de una concentración predeterminada, y después fue secado a 110ºC durante 3 horas, y cocido a 500ºC durante 2 horas, soportando con ello Ba en el polvo de alúmina. La cantidad de Ba soportado era de 0,3 moles en relación con 120 g del polvo de alúmina.
Posteriormente, el polvo de alúmina que llevaba Ba así obtenido fue impregnado con una solución acuosa de bicarbonato de amonio de 15 g/L, y después fue secado a 110ºC durante 3 horas. Así, el Ba fue convertido a carbonato de bario y soportado uniformemente en el polvo de alúmina.
El polvo Ba/alumina fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de nitrato de platino de dinitrodiamina de una concentración predeterminada, y fue secado a 110ºC durante 3 horas, y después secado a 250ºC durante 2 horas, soportando con ello Pt en el polvo. La cantidad de Pt soportado era de 2,0 g en relación con 120 g del polvo de alúmina. El segundo polvo fue preparado de esta forma.
Preparación del catalizador
Cantidades equivalentes del primer polvo y del segundo polvo en relación de peso fueron mezcladas uniformemente, y luego formadas en catalizadores de panal de abeja sustancialmente de la misma manera que en el Ejemplo de Preparación. Las cantidades de Rh soportado en relación con 1 litro del catalizador de panal de abeja fueron 0,05 g, 0,25 g, 0,5 g y 1,0 g.
La figura 8 ilustra esquemáticamente la estructura de una capa de revestimiento de los catalizadores de panal de abeja. Refiriendonos a la figura 8, las partículas del primer polvo (polvo de alúmina) 5 soportan Rh 6, y las partículas del segundo polvo (de polvo Ba/alumina) 7 soportan Pt 8. Así, Pt y Rh son soportados el uno aparte del otro.
Usando los catalizadores de panal de abeja obtenidos, fueron determinadas las velocidades de eliminación de NO tanto durante el período inicial como después del ensayo de resistencia sustancialmente de la misma manera que en el Ensayo de Evaluación. Los resultados se indican en las figuras 6 y 7.
Ejemplo 7
Cuatro tipos de los primeros polvos fueron preparados sustancialmente de la misma manera que en el Ejemplo 6, pero fue usado polvo de zirconia que tenía un diámetro de partículas medio de 5 \mum en vez de polvo de alúmina. El primer polvo de cada tipo fue mezclado con el segundo polvo sustancialmente del mismo modo que en el Ejemplo 6, preparando así cuatro tipos de catalizadores de panal de abeja.
Usando los catalizadores de panal de abeja obtenidos del Ejemplo 7, fueron determinadas las velocidades de eliminación de NO durante el período inicial y después del ensayo de resistencia sustancialmente de la misma manera que en el Ejemplo 6. Los resultados se indican en las figuras 6 y 7.
Ejemplo comparativo 3
Polvo de alúmina que tenía un diámetro de partículas medio de 5 \mum fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de acetato de bario de una concentración predeterminada, y después fue secado a 110ºC durante 3 horas, y cocido a 500ºC durante 2 horas, soportando con ello Ba en el polvo de alúmina. La cantidad de Ba soportado era de 0,3 moles en relación con 120 g del polvo de alúmina.
Posteriormente, el polvo de alúmina que llevaba Ba así obtenido fue impregnado con una solución acuosa de bicarbonato de amonio de 15 g/L, y después fue secado a 110ºC durante 3 horas. Así, el Ba fue convertido a carbonato de bario y soportado uniformemente en el polvo de alúmina.
El polvo Ba/alumina fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de nitrato de platino de dinitrodiamina de una concentración predeterminada, y fue secado a 110ºC durante 3 horas, y después fue secado a 250ºC durante 2 horas, soportando con ello Pt en el polvo. La cantidad de Pt soportado era de 2 g en relación con 120 g del polvo de alúmina.
Posteriormente, el polvo de Ba/alumina que llevaba Pt obtenido fue impregnado con una cantidad predeterminada de una solución acuosa de nitrato de rodio de una concentración predeterminada, y luego fue secado a 110ºC durante 3 horas, y fue cocido a 250ºC durante 2 horas, soportando con ello Rh en el polvo. Como para la cantidad de Rh soportado, fueron seleccionados cuatro niveles diferentes, es decir 0,05 g, 0,25 g, 0,5 g y 1,0 g en relación con 120 g del polvo de alúmina. De esta forma se prepararon cuatro tipos de polvos de catalizador.
La figura 9 ilustra esquemáticamente la estructura de los catalizadores purificadores de gases de escape (tipo convencional) del Ejemplo Comparativo 3. Refiriendonos a la figura 9, las partículas del polvo de Ba/alumina 9 soportan Pt 10 y Rh 11 adyacentes el uno al otro.
Cada tipo de polvo de catalizador fue formado en pelets por el método estándar, preparando así cuatro tipos de catalizadores con forma de pelet. Usando los catalizadores con forma de pelet obtenidos del Ejemplo Comparativo 3, fueron determinadas las velocidades de eliminación de NO tanto durante el período inicial como después del ensayo de resistencia sustancialmente de la misma manera que en el Ejemplo 6. Los resultados se indican en las figuras 6 y 7.
Evaluación
Como se indica en las figuras 6 y 7, la velocidad de eliminación de NO disminuía cuando la cantidad de Rh soportado aumentaba en el Ejemplo Comparativo 3, mientras que en los Ejemplos 6 y 7, la velocidad de eliminación de NO aumentaba cuando la cantidad de Rh soportado aumentaba. Es claro que esta diferencia fue alcanzada debido al soporte por separado de Rh y Pt en los Ejemplos 6 y 7.
Además, también se indica que como para las partículas porosas del primer polvo, el polvo de zirconia (Ejemplo 7) exhibía una velocidad de eliminación de NO ligeramente más alta que el polvo de alúmina (Ejemplo 6).
Esta tendencia se indica de modo similar en las figuras 6 y 7 aunque la diferencia en la figura 7 sea más pequeña que en la figura 6. Es decir, claramente se indica que los catalizadores que purifican gases de escape de los Ejemplos 6, 7 exhibieron altas velocidades de eliminación de NO tanto durante el período inicial como después del ensayo de resistencia.
Como se entiende de la descripción anterior, el catalizador purificador de gases de escape de la invención alcanza un alto comportamiento de eliminación de NOx tanto durante el período inicial como después del ensayo de resistencia y, por lo tanto, tiene alta durabilidad.
Si se emplea el método de purificación de gases de escape de la invención, la producción de NOx por oxidación de NO, la adsorción del NOx al adsorbente de NOx, y la reducción del NOx liberado del adsorbente de NOx progresa suavemente. Por lo tanto, se hace posible mantener fielmente un óptimo comportamiento en la eliminación del NOx no sólo durante un período inicial, sino que también después del ensayo de resistencia.
Además, si opcionalmente se soporta al menos un elemento seleccionado de Co, Fe y Ni, se reduce además el envenenamiento por azufre del adsorbente de NOx, de modo que la durabilidad además queda realzada.

Claims (17)

1. Un catalizador purificador de gases de escape que comprende:
un primer polvo formado de partículas porosas que soportan rodio; y
un segundo polvo formado de partículas porosas que soportan platino y un material que adsorbe óxidos de nitrógeno de modo que el rodio y el platino sean soportados el uno aparte del otro sobre los primeros y segundos polvos, respectivamente,
en el que el segundo polvo y el primer polvo está presente en un estado de mezcla.
2. Un catalizador purificador de gases de escape de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las partículas porosas, tanto para el primer polvo como para el segundo polvo, pueden ser seleccionadas de uno o varios de alúmina, sílice, titania, zirconia, sílice-alúmina y zeolita, y en el que si más de uno de estos materiales es seleccionado, pueden usarse en una mezcla o en una forma compuesta.
3. Un catalizador purificador de gases de escape de acuerdo con la reivindicación 2, en el que se usa zirconia para el primer polvo.
4. Un catalizador purificador de gases de escape de acuerdo con la reivindicación 3, en el que se usa alúmina para el segundo polvo.
5. Un catalizador purificador de gases de escape de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que al menos uno del primer polvo y del segundo polvo soporta al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en cobalto, hierro y níquel.
6. Un catalizador purificador de gases de escape de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que se proporciona un adsorbente que adsorbe hidrocarburo adyacente al primer polvo.
7. Un catalizador purificador de gases de escape de acuerdo con la reivindicación 6, en el que las partículas porosas del primer polvo sirven como adsorbente que adsorbe HC.
8. Un catalizador purificador de gases de escape de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el adsorbente que adsorbe HC existe en una interfase entre el primer polvo y el segundo polvo.
9. Un catalizador purificador de gases de escape de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el adsorbente que adsorbe HC forma una capa de revestimiento dispuesta sobre un elemento de base monolítica, y se dispone una capa mezclada que comprende el primer polvo y el segundo polvo sobre la capa de revestimiento.
10. Un método purificador de gases de escape que comprende las etapas de:
poner, en un paso de gases de escape, un catalizador que tiene un primer polvo formado de partículas porosas que soportan rodio y un segundo polvo formado de partículas porosas que soportan platino y un material de adsorción de óxidos de nitrógeno, de modo que el rodio y el platino sean soportados el uno aparte del otro sobre los primeros y segundos polvos, respectivamente, en el que el primer polvo y el segundo polvo están presentes en un estado de mezcla;
permitir que el material que adsorbe óxidos de nitrógeno adsorba óxidos de nitrógeno en una atmósfera pobre en la que una cantidad en exceso de oxígeno está presente; y cambiar temporalmente la atmósfera pobre a una atmósfera estequiométrica rica para causar la reducción de óxidos de nitrógeno liberados del material de adsorción de óxidos de nitrógeno.
11. Un método de purificación de gases de escape de acuerdo con la reivindicación 10, en el que las partículas porosas, tanto para el primer polvo como el segundo polvo, puede ser seleccionado de uno o varios de alúmina, sílice, titania, zirconia, sílice-alúmina y zeolita, y en el que si más de uno de estos materiales se selecciona, pueden usarse en una mezcla o en una forma compuesta.
12. Un método de purificación de gases de escape de acuerdo con la reivindicación 11, en el que se usa zirconia para el primer polvo.
13. Un catalizador purificador de gases de escape de acuerdo con la reivindicación 12, en el que se usa alúmina para el segundo polvo.
14. Un método de purificación de gases de escape de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en el que al menos uno del primer polvo y del segundo polvo soporta al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en cobalto, hierro y níquel.
15. Un método de purificación de gases de escape de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, en el que se proporciona un adsorbente que adsorbe hidrocarburo adyacente al primer polvo.
16. Un método de purificación de gases de escape de acuerdo con la reivindicación 15, en el que las partículas porosas del primer polvo sirven como el adsorbente que adsorbe HC.
17. Un método de purificación de gases de escape de acuerdo con la reivindicación 15, en el que el adsorbente que adsorbe HC existe en una interfase entre el primer polvo y el segundo polvo.
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