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.Info
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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.
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.
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.
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.
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;
\newpage
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;
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.
La invención será además descrita detalladamente
con referencia a Ejemplos y Ejemplos Comparativos, y por los dibujos
que acompañan.
(1) Ejemplos de primera
serie
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.
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.
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.
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.
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.
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 |
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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 |
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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