JP2001501533A - 触媒特にNO▲下x▼還元用触媒、およびNO▲下x▼還元方法 - Google Patents
触媒特にNO▲下x▼還元用触媒、およびNO▲下x▼還元方法Info
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Abstract
(57)【要約】
本発明は、とくにメタン又はメタンを主成分として含有するあらゆる混合物によるNOxの還元のための触媒に関するものである。この触媒は、Pdおよび/またはCoで浩瀚された小細孔を有するモルデナイト構造のゼオライトからなる。本発明は、窒素酸化物の還元に有用である。
Description
【発明の詳細な説明】
触媒特にNOx還元用触媒、およびNOx還元方法
本発明は、触媒、特にNOx還元用触媒、ならびにNOx還元方法に関する。
NOxを窒素に変換する方法としては数多くのものが知られている。
例えば、米国特許第5149512号は、コバルトで交換された細孔径5〜1
5Åの間の特にモルデナイト構造をもつゼオライトからなる触媒が利用される、
酸素の存在下でのメタンによるNOxの還元方法について記述している。
しかしながら、NOxの窒素への転換率はきわめて低く、450℃で27%前
後である。その上、この触媒は、高いコバルト含有量、より厳密に言うと触媒全
重量との関係において5.5重量%のコバルトで交換される。
一方、欧州特許第EP−A−0286507号は、酸素の存在下でのNOxの
還元のために「大細孔」と呼ばれる、つまり6.6Åを上回る細孔径をもつアン
モニア又は酸の形をしたモルデナイト構造のゼオライトの利用について記述して
いる。この刊行物は同様に、酸素の存在下でのNOxの還元のための、銅で交換
された「小細孔」つまり4.4Å未満の細孔径をもつモルデナイト構造のゼオラ
イトの利用についても記述している。しかしながら、後者の場合、NOx還元剤
としてアンモニアが利用されている。ところが、このアンモニアの利用および保
管は非常に難しい。その上、前記文書には、NOxの転換百分率で表わし触媒の
活性についての言及が全く無い。
本発明は、アンモニアの利用に関連する欠点を補正し、同時により高いNOx
転換率を得ることを目的とする。
このため、本発明は、Pdおよび/又はCoで交換された「小細孔」モルデナ
イト構造のゼオライトで構成されていることを特徴とする触媒を提案する。
本発明の触媒の第1の実施形態に従うと、ゼオライトは、触媒の全重量との関
係において約0.4重量%〜約0.6重量%の間に含まれるPd2+陽イオン含有量
でPdのみで交換される。
本発明の触媒の第2の実施形態に従うと、ゼオライトは、触媒の全重量との関
係において約1.2重量%〜約3.2重量%の間に含まれるCo2+陽イオン含有量
でCoのみで交換される。
本発明の触媒の特に好ましい一実施形態に従うと、ゼオライトは、触媒の全重
量との関係において約0.4重量%〜約0.6重量%のPd2+陽イオンおよび約1
.2重量%〜約3.2重量%のCo2-陽イオンにより交換される。
本発明に従った触媒の1つの特徴に従うと、ゼオライトは、5.5に等しいS
i/Al比で、ナトリウム又はアンモニアの形をしている。
本発明は同様に、メタン又はメタンを主成分として含有するあらゆる混合物に
よるNOxの還元方法において、NOxおよびメタンを含む反応媒質を、本発明に
従った触媒と接触させる段階を含むことを特徴とする方法をも提案している。
本発明に従ったNOxの還元方法はさらに、反応媒質がさらに酸素を含有する
ことを特徴とする。
本発明の方法においては、反応媒質はさらに、含硫黄化合物を含有することが
できる。
本発明は同様にPdおよび/又はCoで交換された「小細孔」モルデナイト構
造のゼオライトで構成され、メタン又はメタンを主成分として含有するあらゆる
混合物によるNOxの還元用の触媒をも目的としている。
より特定的に言うと、本発明に従ったNOxの還元用触媒は、触媒の重量との
関係において約0.4重量%〜約0.6重量%のPdおよび/又は約1.6重量%
〜約3.2重量%のCoで交換された「小細孔」モルデナイト構造のゼオライト
である。
さらに厳密に言うと、本発明のNOxの還元用触媒を構成するゼオライトは、
5.5に等しいSi/Alモル比を有する。
本発明のその他の詳細、特徴および利点は、添付図面を参考にして行なわれる
以下の詳細な記述の中でより明確になるものと思われる。
なお図面中、
図1は、還元温度に応じた、10%の酸素の存在下で触媒の全重量との関係に
おいて0.5重量%のPdで交換された「小細孔」モルデナイト構造のゼオライ
トで構成される本発明に従った触媒を用いて得たNOxおよびCH4の転換率を
例示している。
図2は、還元温度に応じた、10%の酸素の存在下で触媒の全重量との関係に
おいて1.9重量%のCoで交換された「小細孔」モルデナイトタイプのゼオラ
イトで構成される本発明に従った触媒を用いたNOxおよびCH4の転換率を例示
している。
図3は、還元温度に応じた、10%の酸素の存在下で、1.9重量%のCoお
よび0.6重量%のPdで交換された「小細孔」モルデナイト構造のゼオライト
で構成される本発明に従った触媒を用いたNOxおよびCH4の転換率を例示して
いる。
本発明に従った、特にNOxの選択的還元用の触媒は、「小細孔」と呼ばれる
変種のモルデナイト構造のゼオライトであり、言い換えれば、このゼオライトは
、約6.5Åの分子運動直径を有するベンゼン分子を吸着しない。このような理
由から以下および以上では、モルデナイト構造をもつゼオライトは、細孔の直径
が5Å未満である場合「小細孔」と呼ばれ、細孔の直径が5Åを上回る場合「大
細孔」と呼ばれる。
2つの場合において、モルデナイト構造のゼオライトは、5.5というSi/A
lモル比を有する。これは、ナトリウム形態(NaM)の、又は好ましくはアン
モニア形態(NH4M)の粉末モルデナイトである。本発明の触媒は、それ自体
既知の要領で、コバルト、パラジウム又はパラジウム/コバルト塩の溶液から交
換によって調製される。
水溶液の形で交換に用いられる塩は、テトラミンパラジウムおよび酢酸コバル
トである。
その後、ゼオライトは、触媒全重量との関係において約10重量%のシリカベ
ースの結合剤を用いた加圧による塊状化およびその後の造粒および0.5〜1m
mでのふるい分けにより顆粒剤の形に整形される。
その後触媒は、2時間500℃の空気下で活性化され、その後、加熱シェルで
とり囲まれたステンレス鋼製管状反応装置内でメタンによる触媒還元について評
価される。温度はレギュレータによって制御され、反応装置の入口における異な
る気体の濃度は比流量計により確認される。気体混合物中のNOおよびNO2の
濃度は化学ルミネセンスにより測定され、NO2の濃度は赤外線によって測定さ
れた。
すでにここで言及した通り、「小細孔」モルデナイト構造のゼオライトは、酸
素の存在下での窒素酸化物の還元のためにすでに利用されてきた。しかしながら
、この還元は、還元剤としてアンモニアを利用して実施され、ゼオライトは銅で
交換されていた。
しかしながら、このような触媒の活性に関してNOxの転換率で表わされた結
果は全く示されていなかった。
従って、上述のとおり2.5重量%のCuで交換された「小細孔」モルデナイ
ト構造のゼオライトからなるものと、2.25%のCuで交換された「大細孔」
モルデナイト構造のゼオライトからなるものという2つの触媒を調製した。これ
ら2つの触媒は、そのNOxから窒素への転換活性について、5%の酸素の存在
下でアンモニア還元剤として利用することによってテストされた。
実験条件は、以下の通りであった:
テスト条件: NO: 500ppm
NH3: 550ppm
O2: 気体全体積との関係において5体積%
VVH: 20000h-1
VVH=空間時速
結果は以下の表1にまとめられている。
表1
表1で報告されている結果から、銅で交換された「大細孔」モルデナイトで構
成された触媒が、アンモニアによる窒素酸化物の選択的還元について、同じ銅交
換率の「小細孔」モルデナイトからなる触媒より大きい活性をもつことがわかる
。
しかながら、先行技術の教示および「小細孔」モルデナイトからなる触媒を利
用して以上で得られた結果にもかかわらず、驚くべきことに、Coおよび/又は
Pdで交換された「小細孔」モルデナイト構造のゼオライトからなる触媒により
、以下で論述するように、水、酸素さらにはSO2といったような含硫黄化合物
の存在下でさえ、同じ触媒ではあるものの「大細孔」ゼオライトで構成されてい
る触媒を利用して得られるものをはるかに上回るNOxからN2への転換率を得る
ことが可能となる、ということが発見された。
本発明の目的および利点をより良く理解するため、ここで制限的な意味なく純
粋に例示を目的として、複数の実施形態について記述する。
実施例1:
0.5重量%のPdを含有する本発明に従った触媒のNOx還元活性
以前に記述した通り、触媒全重量との関係において0.5重量%のPdで交換
された「小細孔」モルデナイト構造のゼオライトで構成される触媒を調製した。
ベースのモルデナイトは、アンモニア形態のモルデナイトであった。この触媒を
次に、以下の条件下でテストした:
テスト条件: NO: 200ppm
CH4: 300ppm
O2: 気体全体積との関係において10体積%
VVH: 10000h-1
VVH=空間時速
還元温度に応じたNOxおよびCH4の転換率で表わした結果は、下表2で報告
されている:
表2 これらの結果は、同様に、添付の図1の中にグラフの形で示されている。
上記表2および添付の図1から、触媒全重量との関係において0.5重量%の
パラジウムで交換された「小細孔」モルデナイト構造のゼオライトで構成された
本発明に従った触媒が、300〜250℃の間の比較的低い温度で優れたNOx
還元活性を呈することがわかる。得られた最大転換率は、全気体体積との関係に
おいて10体積%の酸素の存在下で400℃で約53%である。
実施例2
1.6重量%のCoを含有する本発明に従った触媒のNOx還元活性
触媒全重量との関係において1.6重量%のコバルトで交換された「小細孔」
モルデナイト構造のゼオライトで構成される触媒を、アンモニア形態のモルデナ
イトから、以前に記述された通りに調製した。
この触媒を次に、以下の条件下でテストした。
テスト条件: NO: 200ppm
CH4: 300ppm
O2: 気体全体積との関係において10体積%
VVH: 10000h-1
VVH=空間時速
還元の反応温度に応じたNOxおよびCH4の転換率で表わした結果は、下表3
で報告され、添付の図2にグラフの形で表わされている。
表3
表3および図2から、触媒全重量との関係において1.6重量%のパラジウム
で交換された「小細孔」モルデナイト構造のゼオライトで構成される本発明に従
った触媒が、同じ還元温度すなわち450℃で先行技術のものをはるかに上回る
NOx転換活性を有することがわかる。かくして、米国特許第149512号は
、「大細孔」モルデナイトを用いて450℃で27%のNOx転換率を報告して
いたのに対し、本発明の触媒を用いると、10%の酸素の存在下で400〜45
0℃の間で60〜65%のNOx転換率が得られる。
同様に、先行技術ではゼオライトは5.5重量%のCoで交換されていたのに
対し、本発明の触媒の場合、「小細孔」モルデナイト内で1.6重量%のCoの
みで交換することによってより優れたNOx転換結果が得られる、ということに
も留意されたい。
実施例3
1.6重量%のCoおよび0.47重量%のPdを含有する本発明に従った触媒
のNOx還元活性
触媒全重量との関係において1.6重量%のコバルトおよび0.47重量%のパ
ラジウムで交換された「小細孔」モルデナイト構造のゼオライトで構成される触
媒を、アンモニア形態のモルデナイトから、前述のものと同じ条件下で調製した
。
この触媒を次に、以下の条件下でテストした。
テスト条件: NO: 200ppm
CH4: 300ppm
O2: 気体全体積との関係において10体積%
VVH: 10000h-1
VVH=空間時速
NOxおよびCH4の転換率で表わしたテストの結果は、下表4で報告され、添
付図3にグラフの形で表わされている。
表4表4および図3から、Pd/Coの二種金属触媒が、広い温度範囲内で強い活性
をもつことがわかる。同様に、NOx変換率が400℃で高まっていることも認
められる。実際、この変換率は、10%の酸素の存在下でメタンの完全転換の場
合、約70%である。
「大細孔」ゼオライトで構成された同じ触媒と比べて、コバルト、パラジウム
又はコバルトとパラジウムの混合物で交換された「小細孔」モルデナイト構造の
ゼオライトを利用する利点を確認するため、ここで、以下のような比較試験を実
施した:
比較例1
それぞれ0.5重量%のパラジウムで交換された、「小細孔」モルデナイト構
造のゼオライトで構成される触媒および「大細孔」ゼオライトで構成される触媒
の比較:
2つの触媒をそれぞれ、触媒全重量との関係において0.5重量%のPdで交
換されたアンモニア形態の「小細孔」モルデナイト構造のゼオライト、および触
媒全重量との関係において0.5重量%のPdで交換された「大細孔」アンモニ
ア形態のモルデナイト構造のゼオライトから、前述のものと同じ条件下で調製し
た。
これらの触媒を、以下の条件でテストした:
テスト条件: NO: 200ppm
CH4: 300ppm
O2: 気体全体積との関係において10体積%
VVH: 10000h-1
VVH=空間時速
テストの結果は、下表5に報告されている:
表5
表5を見ればわかるように、「小細孔」モルデナイト構造のゼオライトで構成
された触媒は、「大細孔」モルデナイトで構成された触媒よりも高い活性を示し
ている。
比較例2
触媒全重量との関係において0.57重量%のPdおよび2.56重量%のCo
で交換された「大細孔」アンモニア形態のモルデナイト構造のゼオライトで構成
された触媒と、触媒全重量との関係において0.5重量%のPdおよび2.51重
量%のCoで交換されたアンモニア形態の「小細孔」モルデナイト構造のゼオラ
イトで構成された触媒の比較
触媒調製条件は、先行する実施例のものと同じであった。
これらの触媒を、比較例1と同じ条件下でテストした。
テスト結果は、以下の表6に報告されている:
表6
表6の結果は、先行技術の「大細孔」ゼオライトで構成された触媒との関係に
おいて、本発明に従った二種金属触媒の利点を確認している。
最後に、本発明の触媒におけるPdおよびCoの相乗効果を確認するため、以
下の3つの補足的試験が行なわれ、Co含有量と同じPd+Co含有量について
、はるかに高い結果がPd+Coで得られることが実証された。
実施例4
触媒全重量との関係において1.9重量%のCoで交換されたアンモニア形態
の「小細孔」モルデナイト構造のゼオライトで構成される本発明に従った触媒、
触媒全重量との関係において0.6重量%のPdで交換されたアンモニア形態の
「小細孔」モルデナイト構造のゼオライトで構成される触媒、および触媒全重量
との関係において1.2重量%のCoおよび0.6重量%のPdで交換されたアン
モニア形態の「小細孔」モルデナイト構造のゼオライトで構成される触媒を、前
述のものと同じ条件下で調製した。
かくして、テストされた二種金属触媒は、この実施例でテストされた触媒のC
oのみの含有量と同等のCo+Pd含有量を有している。
テスト条件は以下の通りであった。
テスト条件: NO: 200ppm
CH4: 300ppm
O2: 気体全体積との関係において10体積%
VVH: 10000h-1
VVH=空間時速
テスト結果は、下表7に報告されている:
表7
表7からわかるように、本発明に従った二種金属触媒の場合、66%のNOx
転換率は400℃で得られる。この転換率は、コバルトのみで交換された本発明
に従った触媒で得られる転換率よりも高いと同時に、パラジムウのみで交換され
た触媒よりも高い。
実施例5
触媒全重量との関係において3.2重量%のコバルトで交換された「小細孔」
アンモニア形態のモルデナイト構造のゼオライトで構成された本発明に従った触
媒、および触媒全重量との関係において2.8重量%のCoおよび0.4重量%の
パラジウムで交換された「小細孔」アンモニア形態のモルデナイト構造のゼオラ
イトで構成された本発明に従った触媒を、前述の通りに合成した。これら2つの
触媒を前述のものと同じ条件でテストした。
結果は下表8に報告されている:
表8
表8に報告された結果は、NOx転換活性に関して、CoおよびPdで同時に
交換された本発明の二種金属触媒で得られる相乗効果を確認している。
実施例6
本発明の二種金属触媒の活性に対する酸素の影響
触媒全重量との関係において0.59重量%のPdおよび1.18重量%のCo
で交換されたアンモニア形態の「小細孔」モルデナイト構造のゼオライトで構成
された本発明に従った触媒を、前述の通りに調製した。
この触媒を、酸素反応混合物の全体積との関係において10体積%にまで至る
増大する量を含有する反応混合物を用いて、テストした。
テスト条件は、以下の通りであった:
テスト条件: NO: 200ppm
CH4: 300ppm
O2: 気体全体積との関係において0〜10体積%
T°: 400℃
VVH: 10000h-1
VVH=空間時速
これらのテストの結果は、下表9に報告されている。
表9:
表9から、本発明に従って二種金属タイプの触媒を用いると、無酸素状態での
NOx転換率が完全であることがわかる。この結果は、無酸素状態でもこのよう
な結果を得ることのできない先行技術のその他の触媒系と比べて、驚くべきもの
である。
同様に、10%の酸素の存在下でさえ、つねに優れたNOx転換率が得られる
ということもわかる。その上、10%の酸素の存在下でのNOx転換率は、わず
か1%の酸素の存在下でのNOx転換率とほぼ同等である。
実施例7
本発明の二種金属触媒の活性に対する水の影響
触媒全重量との関係において0.50重量%のPdおよび2.56重量%のCo
で交換されたアンモニア形態の「小細孔」モルデナイト構造のゼオライトで構成
された本発明に従った触媒を、前述の通りに調製した。この触媒は、実施例3の
触媒にほぼ対応する。この触媒を0〜10%の水を含有する反応混合物を用いて
テストした。
テスト条件は以下の通りであった:
テスト条件: NO: 200ppm
CH4: 300ppm
O2: 気体全体積との関係において10体積%
H2O:気体全体積との関係において0.3および10体積%
VVH:10000h-1
VVH=空間時速
テスト結果は、下表10に報告されている。
表10
触媒は、一般に水の存在に対しきわめて敏感である。
しかしながら、表10で報告されている結果は、本発明の触媒が最高10体積
%の水の存在下で350℃および400℃の転換温度でわずかにしか活性を喪失
し
ないのに対し、450℃では全く活性を喪失しない、ということを示している。
実施例8
本発明の二種金属触媒の活性に対する含硫黄化合物の存在の影響
触媒は「含硫黄毒」に対しきわめて強い感応性をもつものとして知られている
。
従って、気体全体積との関係において3体積%の水とそれぞれ0.50ppm
および500ppmのSO2の存在下で、実施例6の触媒をテストした。
テスト条件は、以下の通りであった:
テスト条件: NO: 200ppm
CH4: 300ppm
O2: 気体全体積との関係において10体積%
H2O: 気体全体積との関係において3体積%
SO2: 0.50および500ppm
VVH: 10000h-1
VVH=空間時速
テスト結果は、下表11に報告されている:
表11
表11の結果から、本発明の二種金属触媒が、転換温度の如何に関わらず50
ppmのSO2の存在下でさえその活性を保つことがわかる。さらに良いことに
、450℃で本発明の触媒は、500ppmのSO2の存在下でさえその活性を
保っている。
実施例6〜8の結果から、本発明に従った二種金属触媒は、Coのみを含有す
る本発明に従った触媒が失活した条件下での場合を含め、水およびSO2に対す
る感応性のきわめて低いものであることがわかる。
従って、本発明に従った二種金属触媒は数多くの利点を示し、本発明の特に好
ましい1実施形態である。
実施例9
本発明に従った二種金属触媒の活性に対するNO濃度の影響
実施例6および実施例8のものと同じ触媒を、最高600ppmのNOの存在
下でテストした。
テスト条件は以下の通りであった:
テスト条件: CH4/NO: 1.5
O2: 気体全体積との関係において10体積%
VVH: 10000h-1
VVH=空間時速
テスト結果は、下表12に報告されている:
表12
(表中)表12の結果から、本発明に従った二種金属触媒が、高濃度のNOの存
在下でも優れたNOx転換活性を有することがわかる。
実施例10
本発明に従った触媒の活性に対するCoおよびPd濃度の影響
最後に、本発明の触媒の優れた特性をより良く実証するべく、下表13にこれ
らの触媒について行なったテストの結果をまとめた。
テスト条件は以下の通りであった:
テスト条件: NO: 200ppm
CH4: 300ppm
O2: 気体全体積との関係において10体積%
VVH: 10000h-1
VVH=空間時速
表13 当然のことながら、本発明は、一実施例として示されたにすぎず、以上
で記述し図示した実施形態に制限されるものでは全くない。
反対に、本発明は、その精神に従って実施されるかぎり、上述の手段の技術的
均等物ならびにそれらの組合せを全て内含するものである。
表13
【手続補正書】特許法第184条の8第1項
【提出日】平成10年9月29日(1998.9.29)
【補正内容】
請求の範囲
1.細孔径が5Å未満であるモルデナイト構造のゼオライトで構成される、メタ
ン又はメタンを主成分として含有するあらゆる混合物によるNOxの還元用触媒
において、前記ゼオライトは、触媒の全重量との関係において0.4%〜0.6重
量%のPd2-形態のPdおよび/または1.2%〜3.2重量%のCo2-形態のC
oで交換される触媒。
2.前記ゼオライトは、5.5に等しいSi/Alモル比で、ナトリウム又はアン
モニアの形をしている、請求の範囲第1項に記載の触媒。
3.前記ゼオライトはPdのみで交換される、請求の範囲第1又は第2項に記載
の触媒。
4.前記ゼオライトはCoのみで交換される、請求の範囲第1項又は第2項に記
載の触媒。
5.前記ゼオライトはPdおよびCoで交換される、請求の範囲第1項又は第2
項に記載の触媒。
6.メタン又はメタンを主成分として含有するあらゆる混合物によるNOxの還
元方法において、NOxおよびメタンを含む反応媒質を請求の範囲第1項ないし
第5項のいずれか1項に記載の触媒と接触させる段階を含んでなる方法。
7.反応媒質がさらに酸素を含有することを特徴とする請求の範囲第6項に記載
のNOxの還元方法。
8.反応媒質がさらに含硫黄化合物を含有することを特徴とする請求の範囲第6
項又は第7項に記載の方法。
9.反応混合物がさらに水を含有することを特徴とする請求の範囲第6項ないし
第8項のいずれか1項に記載の方法。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 サン―ジュスト、ジャック
フランス国、78230 ル・ペック、アヴニ
ュー・ピエール・キューリ 43
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.Pdおよび/又はCoで交換された「小細孔」モルデナイト構造のゼオライ トで構成されていることを特徴とする触媒。 2.前記ゼオライトは、触媒の全重量との関係において約0.4重量%〜約0.6 重量%の間に含まれるPd2+陽イオン含有量でPdのみで交換されることを特徴 とする請求の範囲第1項に記載の触媒。 3.前記ゼオライトは、触媒の全重量との関係において約1.2重量%〜約3.2 重量%の間に含まれるCo2+陽イオン含有量でCoのみで交換されることを特徴 とする請求の範囲第1項に記載の触媒。 4.前記ゼオライトは、触媒の全重量との関係において約0.4重量%〜約0.6 重量%のPd2+陽イオンおよび約1.2重量%〜約3.2重量%のCo2-陽イオン により交換されることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の触媒。 5.前記ゼオライトは、5.5に等しいSi/Alモル比で、ナトリウム又はアン モニアの形をしていることを特徴とする請求の範囲第1項ないし第4項のいずれ か1項に記載の触媒。 6.メタン又はメタンを主成分として含有するあらゆる混合物によるNOxの還 元方法において、NOxおよびメタンを含む反応媒質を請求の範囲第1項ないし 第5項のいずれか1項に記載の触媒と接触させる段階を含んでなる方法。 7.反応媒質がさらに酸素を含有することを特徴とする請求の範囲第6項に記載 のNOxの還元方法。 8.反応媒質がさらに含硫黄化合物を含有することを特徴とする請求の範囲第6 又は第7項に記載の方法。 9.反応混合物がさらに水を含有することを特徴とする請求の範囲第6項ないし 第8項のいずれか1項に記載の方法。 10.請求の範囲第1項ないし第5項のいずれか1項に記載の触媒で構成されてい ることを特徴とする、メタン又はメタンを主成分として含有するあらゆる混合物 によるNOxの還元用触媒。
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