JP2017534448A - 空気供給源中に存在するオゾン及び揮発性有機化合物を処理するための卑金属触媒 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2014年10月30日に出願された米国仮特許出願第62/072,738号(U.S. Provisional Patent Application No.62/072,738)の優先権の利益を請求し、ここで参照によって全て本明細書に組み込む。
大気汚染は、様々な大気汚染物質の水準が上がり続けているため、ますます重大な問題である。問題となる主要汚染物質の1つがオゾンである。オゾンは、3つの酸素原子から成る分子である。自然発生するオゾンは、地上から何マイルも上の成層圏で形成される。このオゾン層が、太陽の有害な紫外線の大部分を吸収する役割を担っている。地表面でのオゾンは、窒素酸化物及び揮発性有機化合物を直射日光の存在下で反応させることによって生成する。窒素酸化物及び揮発性有機化合物のガスの主な発生源は、自動車からの排出、大規模工場、電気施設、化学溶媒、及びガソリンの蒸気である。
本明細書では、オゾン及び揮発性有機化合物の空気供給源を浄化するための方法、装置、及びシステムを開示する。また明細書では、触媒装置の製造方法も開示する。
本開示は、オゾン、炭化水素、一酸化炭素、及び様々なVOCをより害の少ない化合物、例えば、酸素、二酸化炭素、及び水蒸気に転化するための、卑金属だけの触媒の使用に関する。特定の実施形態において、セリアに担持された酸化マグネシウム触媒及び酸化銅触媒を有する触媒は、白金触媒を有することなく、VOC転化機能を有するパラジウム金属触媒よりも高い効率でオゾンを酸素に転化すると示されている。
以下の実施例は、本明細書に記載されている実施形態の理解を助けるために明記するのであって、特にここに記載及び請求されている実施形態に制限されるものとして解釈すべきではない。そのような変法(現在知られている又は後に開発されるあらゆる等価物の代替を含み、当業者の理解の範囲内にあると思われるもの)及び調製物における変更点、又は実験の設計における小さな変更点は、本明細書に組み込まれている実施形態の範囲内にあるものと考えられる。
マンガン及び銅の硝酸塩を水と混ぜ、酸化セリウムのインシピエントウェットネス含浸のための溶液を作製した。そして、この溶液を酸化セリウムに含浸させ、その後、110℃で2時間乾燥させ、500℃で3時間か焼した。含浸した触媒におけるマンガン及び銅の付与率は、セリア上における10質量%のMnO2、10質量%のCuOと同等である。そして、含浸した試料を水、アルミナゾルバインダー(5質量%)、及びアルミナ(15質量%)と混ぜると、固体を約42質量%含有するスラリーが形成された。このスラリーのpHを硝酸で4.0に調整した。そして、このスラリーをウォッシュコーティングに適した粒子サイズになるまで粉砕した。そして、400cpsiのセル密度を有するコーディエライト基材上にスラリーをウォッシュコーティングすることによって触媒層を作製した。そしてウォッシュコーティング後に、触媒層を120℃で2時間乾燥させ、500℃で2時間か焼した。触媒層の付与率は2.75g/in3であった。
マンガン及び銅の硝酸塩を水と混ぜ、酸化セリウムのインシピエントウェットネス含浸のための溶液を作製した。そして、この溶液を酸化セリウムに含浸させ、その後、110℃で2時間乾燥させ、500℃で3時間か焼した。含浸した触媒におけるマンガン及び銅の付与率は、セリア上における5質量%のMnO2、10質量%のCuOと同等であった。そして、含浸した試料を水及びアルミナゾルバインダー(5質量%)と混ぜて、固体を約42質量%含有するスラリーが形成された。このスラリーのpHを硝酸で4.5に調整した。そして、このスラリーをウォッシュコーティングに適した粒子サイズになるまで粉砕した。そして、400cpsiのセル密度を有するコーディエライト基材上にスラリーをウォッシュコーティングすることによって触媒層を作製した。そしてウォッシュコーティング後に、触媒層を120℃で2時間乾燥させ、500℃で2時間か焼した。触媒層の付与率は1.70g/in3であった。
この実施例における触媒層は、使用された担体がセリアを80質量%含有するセリア−ジルコニア材料であった点を除いて、実施例2に記載されているものと同じ手順に従って作製した。
この実施例における触媒層は、使用された担体がセリアを45質量%含有するセリア−ジルコニア材料であった点を除いて、実施例2に記載されているものと同じ手順に従って作製した。
この実施例におけるモノリス触媒は、使用された担体がセリアを12.5質量%含有するセリア−ジルコニア材料であった点を除いて、実施例2に記載されているものと同じ手順に従って作製した。
この実施例におけるモノリス触媒は、使用された担体がチタニアであった点を除いて、実施例2に記載されているものと同じ手順に従って作製した。
この実施例におけるモノリス触媒は、触媒層の付与率が2.75g/in3であった点を除いて、実施例2に記載されているものと同じ手順に従って作製した。
マンガン及び銅の硝酸塩を水と混ぜ、溶液を作製した。この溶液を80℃に保った酸化セリウム懸濁液に添加した。添加している間、この懸濁液のpHを水酸化ナトリウム溶液によって8〜10に保った。そして、得られた粉末を濾過し、水で洗浄し、110℃で2時間乾燥させ、その後、500℃で3時間か焼した。マンガン及び銅の付与率は、セリア上における5質量%のMnO2、10質量%のCuOと同等であった。そして、試料を水及びアルミナゾルバインダー(5質量%)と混ぜて、固体を約42質量%含有するスラリーが形成された。このスラリーのpHを硝酸で4.5に調整した。そして、このスラリーをウォッシュコーティングに適した粒子サイズになるまで粉砕した。そして、400cpsiのセル密度を有するコーディエライト基材上にスラリーをウォッシュコーティングすることによって触媒層を作製した。そしてウォッシュコーティング後に、触媒層を120℃で2時間乾燥させ、か焼した。
この実施例におけるモノリス触媒は、含浸した触媒における銅の付与率が20質量%のCuOと同等だった点を除いて、実施例2に記載されているものと同じ手順に従って作製した。
Claims (103)
- オゾン及び揮発性有機化合物の空気供給源を浄化するための触媒装置であって、以下のもの:
ハウジング;
ハウジング内に配置された固体基材;並びに、
基材上に配置された触媒層、ここで触媒層は、
第一質量パーセントの第一卑金属触媒、
第二質量パーセントの第二卑金属触媒、及び
第一卑金属触媒又は第二卑金属触媒を少なくとも1つ含浸させた担体材料を有する;
を有する前記触媒装置。 - 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで触媒層が、浄化されていない空気供給源から、オゾン、二酸化炭素、一酸化炭素、窒素酸化物、アミン、硫黄化合物、チオール、塩素化炭化水素、又は揮発性有機化合物のうち1つ以上を除去するためのものである前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで触媒層が、オゾンを酸素に転化させるためのものである前記触媒層。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで第一卑金属触媒及び第二卑金属触媒がそれぞれ、Cu、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Nd、Ba、Ce、La、Pr、Mg、Ca、Zn、Nb、Zr、Mo、Sn、Ta、又はSrのうち少なくとも1つを含有する前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで第一卑金属触媒が酸化銅である前記触媒装置。
- 請求項5に記載の触媒装置であって、ここで第一質量パーセントが約1%〜約30%である前記触媒装置。
- 請求項5に記載の触媒装置であって、ここで第一質量パーセントが約5%〜15%である前記触媒装置。
- 請求項5に記載の触媒装置であって、ここで第一質量パーセントが約8%〜約12%である前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで第二卑金属触媒が酸化マンガンである前記触媒装置。
- 請求項9に記載の触媒装置であって、ここで第二質量パーセントが約1〜約30%である前記触媒装置。
- 請求項9に記載の触媒装置であって、ここで第二質量パーセントが約5%〜15%である前記触媒装置。
- 請求項9に記載の触媒装置であって、ここで第二質量パーセントが約8%〜約12%である前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで担体材料が酸素供与性担体である前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで担体材料が少なくとも約50m2/gの表面積を有する前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで担体材料が少なくとも約100m2/gの表面積を有する前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで担体材料が約50m2/g〜約5000m2/gの表面積を有する前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで担体材料が約100m2/g〜約300m2/gの表面積を有する前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで担体材料が約0.1cc/g〜約10cc/gの細孔容積を有する前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで担体材料が約0.3cc/g〜約3cc/gの細孔容積を有する前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで担体材料が約0.3cc/g〜約1.2cc/gの細孔容積を有する前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで担体材料が耐火性酸化物を含有する前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで担体材料が、セリア、アルミナ、チタニア、シリカ、ジルコニア、炭素、金属有機構造体、クレイ、ゼオライト、及びこれらの組み合わせから成る群より選択される材料を含有する前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで担体材料がセリアを含有する前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで触媒層の密度が約0.003g/in3〜約0.078g/in3である前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで触媒層の密度が約0.015g/in3〜約0.062g/in3である前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで触媒層の密度が約0.039g/in3〜約0.047g/in3である前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで触媒層の厚さが約10ナノメートル〜約10ミリメートルである前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで触媒層の厚さが約500ナノメートル〜約1ミリメートルである前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで触媒層の厚さが約1マイクロメートル〜約500マイクロメートルである前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで固体基材が、不織布フィルター、ペーパーフィルター、セラミックフィルター、又は繊維フィルターである前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで固体基材が、金属発泡基材、セラミック発泡基材、又はポリマー発泡基材である前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで固体基材が、金属ハニカム基材、セラミックハニカム基材、ペーパーハニカム基材、又はセラミック繊維ハニカム基材である前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで固体基材が、熱交換器、ラジエータ、加熱コア、又はコンデンサの表面である前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、ここで固体基材が、HVACダクト、エアフィルター、又はルーバー表面である前記触媒装置。
- 請求項1に記載の触媒装置であって、さらに以下のもの:
浄化されていない空気をハウジング内部に受け入れるように構成された吸入口、及び
浄化された空気をハウジングから送り出すように構成された排出口
を有する前記触媒装置。 - 請求項35に記載の触媒装置であって、浄化されていない空気を触媒層と接触させるように構成されている前記触媒装置。
- 請求項36に記載の触媒装置であって、ここで、浄化されていない空気中に存在するオゾンが、触媒層と接触すると酸素に転化する前記触媒装置。
- 請求項37に記載の触媒装置であって、ここで、浄化されていない空気が初期オゾン含分を有し、浄化された空気が初期オゾン含分より低い最終オゾン含分を有する前記触媒装置。
- 請求項38に記載の触媒装置であって、ここで、浄化された空気の最終オゾン含分が、浄化されていない空気の初期オゾン含分の約20%未満である前記触媒装置。
- 請求項38に記載の触媒装置であって、ここで、浄化された空気の最終オゾン含分が、浄化されていない空気の初期オゾン含分の約10%未満である前記触媒装置。
- 請求項35に記載の触媒装置であって、航空機環境制御システム又は航空機用燃料タンク発火防止装置に組み込まれる前記触媒装置。
- 請求項41に記載の触媒装置であって、ここで、浄化されていない空気が、再循環した航空機キャビンの空気である前記触媒装置。
- 請求項41に記載の触媒装置であって、ここで、浄化されていない空気が、航空機ジェットエンジンのブリードエアである前記触媒装置。
- 請求項41に記載の触媒装置であって、ここで、浄化された空気が、航空機のキャビン又はコックピット内へ流れる空気である前記触媒装置。
- 請求項35に記載の触媒装置であって、自動車に組み込まれる前記触媒装置。
- 請求項45に記載の触媒装置であって、ここで、浄化されていない空気が、自動車の換気ユニット内へ流れる空気である前記触媒装置。
- 請求項45に記載の触媒装置であって、ここで、浄化された空気が、自動車の換気ユニットから出て自動車内部へ流れる空気である前記触媒装置。
- 請求項35に記載の触媒装置であって、建物の暖房、換気、及び空調(HVAC)システムに組み込まれる前記触媒装置。
- 請求項48に記載の触媒装置であって、ここで、浄化されていない空気が、建物外部からの空気である前記触媒装置。
- 請求項48に記載の触媒装置であって、ここで、浄化されていない空気が、建物内部からの再循環した空気である前記触媒装置。
- 請求項48に記載の触媒装置であって、ここで、浄化された空気が、建物内へ流れる空気である前記触媒装置。
- 請求項35に記載の触媒装置であって、携帯用空気清浄機に組み込まれる前記触媒装置。
- 空気流の流れを浄化するための方法であって、前記方法は、
浄化されていない空気流の流れを触媒層と接触させて、浄化された空気流の流れを生成すること
を含み、ここで
浄化されていない空気流の流れが第一オゾン含分を有し、
浄化された空気流の流れが第一オゾン含分より低い第二オゾン含分を有し、かつ
触媒層が、第一卑金属触媒、第二卑金属触媒、及び担体材料を有する
前記方法。 - 請求項53に記載の方法であって、ここで触媒層が固体基材上に配置されている前記方法。
- 請求項54に記載の方法であって、ここで固体基材が熱交換器である前記方法。
- 請求項55に記載の方法であって、ここで熱交換器が自動車の換気ユニットの一部である前記方法。
- 請求項54に記載の方法であって、ここで固体基材が航空機環境制御システムの一部である前記方法。
- 請求項54に記載の方法であって、ここで固体基材がHVACシステムの一部である前記方法。
- 請求項54に記載の方法であって、ここで固体基材が、不織布フィルター、ペーパーフィルター、セラミックフィルター、又は繊維フィルターである前記方法。
- 請求項54に記載の方法であって、ここで固体基材が、金属発泡基材、セラミック発泡基材、又はポリマー発泡基材である前記方法。
- 請求項54に記載の方法であって、ここで固体基材が、金属ハニカム基材、セラミックハニカム基材、ペーパーハニカム基材、又はセラミック繊維ハニカム基材である前記方法。
- 請求項54に記載の方法であって、ここで固体基材が、熱交換器、ラジエータ、加熱コア又はコンデンサの表面である前記方法。
- 請求項54に記載の方法であって、ここで固体基材が、HVACダクト、エアフィルター、又はルーバー表面である前記方法。
- 請求項54に記載の方法であって、ここで浄化されていない空気流の流れを触媒層と接触させることによって、二酸化炭素、一酸化炭素、窒素酸化物、又は揮発性有機化合物のうち少なくとも1つが、浄化されていない空気流の流れから除去され、浄化された空気流の流れが生成される前記方法。
- 請求項54に記載の方法であって、ここで第一卑金属触媒及び第二卑金属触媒がそれぞれ、Cu、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Nd、Ba、Ce、La、Pr、Mg、Ca、Zn、Nb、Zr、Mo、Sn、Ta、又はSrのうち少なくとも1つを含有する前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで第一卑金属触媒が酸化銅である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで触媒層における第一卑金属触媒の第一質量パーセントが約1%〜約30%である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで触媒層における第一卑金属触媒の第一質量パーセントが約5%〜15%である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで触媒層における第一卑金属触媒の第一質量パーセントが約8%〜約12%である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで第二卑金属触媒が酸化マンガンである前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで触媒層における第二卑金属触媒の第二質量パーセントが約1%〜約30%である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで触媒層における第二卑金属触媒の第二質量パーセントが約5%〜15%である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで触媒層における第二卑金属触媒の第二質量パーセントが約8%〜約12%である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで担体材料が酸素供与性担体である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで担体材料が少なくとも約50m2/gの表面積を有する前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで担体材料が少なくとも約100m2/gの表面積を有する前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで担体材料が約50m2/g〜約5000m2/gの表面積を有する前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで担体材料が約100m2/g〜約300m2/gの表面積を有する前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで担体材料が約0.1cc/g〜約10cc/gの細孔容積を有する前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで担体材料が約0.3cc/g〜約3cc/gの細孔容積を有する前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで担体材料が約0.3cc/g〜約1.2cc/gの細孔容積を有する前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで担体材料が耐火性酸化物を含有する前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで担体材料が、セリア、アルミナ、チタニア、シリカ、ジルコニア、炭素、金属有機構造体、クレイ、ゼオライト、及びこれらの組み合わせから成る群より選択される材料を含有する前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで担体材料がセリアを含有する前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで触媒層の密度が約0.003g/in3〜約0.078g/in3である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで触媒層の密度が約0.015g/in3〜約0.062g/in3である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで触媒層の密度が約0.039g/in3〜約0.047g/in3である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで触媒層の厚さが約10ナノメートル〜約10ミリメートルである前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで触媒層の厚さが約500ナノメートル〜約1ミリメートルである前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで触媒層の厚さが約1マイクロメートル〜約500マイクロメートルである前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで、浄化された空気流の流れの第二オゾン含分が、浄化されていない空気流の流れの第一オゾン含分の約20%未満である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで、浄化された空気流の流れの第二オゾン含分が、浄化されていない空気流の流れの第一オゾン含分の約10%未満である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで、浄化されていない空気流の流れが、航空機ジェットエンジンのブリードエアの流れである前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで、浄化されていない空気流の流れが、再循環した航空機キャビンの空気である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで、浄化された空気流の流れが、航空機のキャビン又はコックピット内へ流れる空気である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで、浄化されていない空気流の流れが、自動車の換気ユニット内へ流れる空気である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで、浄化された空気流の流れが、自動車の換気ユニットから出て自動車内部へ流れる空気である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで、浄化されていない空気流の流れが、建物外部から建物内へ流れる空気である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで、浄化されていない空気流の流れが、HVACシステム内へ流れる、建物内部からの再循環した空気である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで、浄化された空気流の流れが、HVACシステムを介して建物内へ流れる空気である前記方法。
- 請求項53に記載の方法であって、ここで、浄化されていない空気流の流れが、携帯用空気清浄機内へ流れる空気である前記方法。
- 航空機環境制御システムであって:
卑金属触媒が内部に配置されているハウジング;
浄化されていない空気を前記ハウジング内へ受け入れるための吸入口、ここで浄化されていない空気が、ジェットエンジンのブリードエア又は再循環した航空機キャビンの空気のうち少なくとも1つである;及び
オゾンを減少させた空気を前記ハウジングから航空機の内部へと送り出すための排出口、ここで、オゾンを減少させた空気が、浄化されていない空気と卑金属触媒との接触の結果として生成される;
を有する前記航空機環境制御システム。 - 触媒装置の製造方法であって:
スラリーを用意すること、ここでスラリーは、第一卑金属触媒、第二卑金属触媒、担体材料、及びバインダー材料を含有する;
固体基材の表面上にスラリーを堆積させること;
堆積させたスラリーをか焼して、固体基材の表面上に配置された触媒層を作製すること;及び
固体基材を空気浄化チャンバ内に入れること、ここで固体基材は、空気流が空気浄化チャンバ内に導入されると触媒層が空気流に接触し、空気流中のオゾンを酸素に転化するように配置されている;
を含む前記製造方法。
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