JP2557712B2 - 排気ガス浄化方法 - Google Patents

排気ガス浄化方法

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は空燃比がリーン側（A/F＞14.7）にある酸素
雰囲気であって、耐熱性が要求される使用条件において
NOxを効率よく浄化することが可能な排気ガス浄化方法
に関するものである。
（従来技術） 自動車等の内燃機関においては、省エネルギーの見地
から低燃費化が要請されている。低燃費化の一つの手段
として走行時に酸素過剰の混合気を燃焼させることが従
来より行われている。しかし、このような空燃比がリー
ン側の酸素過剰雰囲気では、排気ガス中の有害成分のう
ちHCおよびCOは酸化除去できても、NOxは触媒床に吸着
したO2によって触媒金属との接触が大幅に妨げられるた
め還元除去が難しく、たとえ触媒金属と接触することが
でき、還元できても、窒素は触媒床に吸着した酸素と直
ちに結合してしまうため浄化効率が著しく低くなるとい
う問題があった。かかる問題を解決するために、U.S.P.
4297328はゼオライトの表面に多数存在する細孔内にCu
を担持した触媒を開発し、酸化雰囲気下に置いてNOxの
還元除去を図っている。しかし、このゼオライトを用い
た触媒は耐熱性および耐久性が劣っており、実用上問題
があった。
そこで、本発明者等は上記問題点を解決すべく鋭意研
究し、各種の系統的実験を重ねた結果、結晶性シリコア
ルミノホスフェート多孔質体に活性元素を担持した触媒
を用いると従来使用されてきたゼオライトを用いる浄化
方法よりも耐熱性が要求される使用条件においてNOxを
効率よく浄化できることを見出し本発明をなすに至った
ものである。
（発明の目的） 本発明は空燃比がリーン状態の酸素過剰雰囲気におい
て耐熱性が要求される使用条件においてNOxを効率よく
浄化することができる排気ガス浄化方法を提供すること
を目的とする。
（第１発明の説明） 本第１発明（請求項（１）に記載の発明）は、排気ガ
ス中のNOxを酸化雰囲気中で除去するための排気ガス浄
化方法であって、Cu,Feおよびアルカリ土類金属のうち
少なくとも一つの活性元素を結晶質シリコアルミノホス
フェート多孔質担体に担持した触媒を用意し、該触媒
を、窒素酸化物、炭化水素と酸素を含む排気ガスと接触
させ、前記活性元素に吸着された窒素酸化物と前記排気
ガス中に存在する炭化水素との間で行われる酸化雰囲気
中での選択的反応によって、排気ガスから窒素酸化物と
炭化水素を触媒的に浄化する排気ガス浄化方法。
本第１発明において担体として用いる結晶質シリコア
ルミノホスフェートはその表面に多数の細孔を有してお
り、その直径は５〜10Åであって、NOx分子の大きさよ
りもわずかに大きい。NOxを還元する活性元素である遷
移金属等は該シリコアルミノホスフェートの表面ならび
に前記細孔内表面に担持されている。担持量は細孔内部
において著しく多いため、NOxの還元反応は主として、
上記細孔中のCu等の活性サイトにNOxが選択的に吸着し
てなされる。また、本第１発明で用いる触媒は結晶質シ
リコアルミノホスフェートの固体酸性によりHC−NOx反
応を選択的に促進させるものである。
本第１発明の排気ガス浄化方法はこのような作用を利
用するため、空燃比がリーン側となる酸素過剰雰囲気に
おいてもNOxを効率よく浄化できる。すなわち、細孔中
のCu等にNOxが選択的に吸着するため、O2によってCu等
の活性サイトとの接触を妨げられることがなく、酸化雰
囲気においてもNOxを還元除去できるのである。
また、本第１発明に係る排気ガス浄化方法で用いる触
媒は、それを構成する担体であるシリコアルミノホスフ
ェートの骨格構造が900〜1000℃においても崩れること
がないため、その表面に存在する細孔の消滅や縮小がな
く、耐熱性および耐久性に著しく優れており、耐熱性が
要求される使用条件において使用することができる。
（第２発明の説明） 以下、本第１発明を具体化した発明（第２発明とす
る）を説明する。
結晶質シリコアルミノホスフェートに担持して用いる
活性元素とは、NOxを還元する能力を有するCu,Feならび
にアルカリ土類金属であるCa,Mg,Baをいう。このうちCu
が最も望ましい。
また、担体である結晶質シリコアルミノホスフェート
としては、細孔が均一であり、約３Åより大きな公称直
径を持ち、無水型であって、化学組成が、一般式 （SixAlyPz）O2 （ｘ＋ｙ＋ｚ＝1,0.01≦ｘ＜0.8,z≧0.01） であるものを用いる。
細孔径としては、NOx分子径よりもわずかに大きい約
５〜10Åのものが望ましい。シリコアルミノホスフェー
ト中のSiの割合は0.01≦ｘ＜0.8の範囲、望ましくは0.0
5〜0.25が良い。0.05以下では固体酸性が弱くなり、活
性元素の担持能、特にイオン交換能が低下し、触媒活性
が充分でなくなる。0.25以上になると耐熱性が低下する
ため好ましくない。前記活性元素の担持量は結晶質シリ
コアルミノホスフェートに対し0.5〜6wt％が望ましい。
0.5wt％より少ないとNOxを還元する能力が低く、また6w
t％より多くなっても還元能力の増大はない。
本第２発明で用いる触媒は以下のように製造する。シ
リコアルミノホスフェートの合成は通常用いられる方法
でよく、例えばリン酸塩、水和アルミナならびにシリカ
ゾル等を出発原料として、これらを均一に混合して、該
混合物に細孔構造を規定するために有機物を混入し、均
一になるように撹拌後、水熱合成により結晶質シリコア
ルミノホスフェート粉末を得る。
該有機物としては第４級アンモニウム、第４級アミ
ン、テトラプロピルアンモニウムイオン、テトラエチル
アンモニウムイオン、トリプロピルアミン、トリエチル
アミン、トリエタノールアミン、ピペリジン、シクロヘ
キシルアミン、２−メチルピリジン、N,N−ジメチルベ
ンジルアミン、N,N−ジエチルエタノールアミン、ジシ
クロヘキシルアミン、N,N−ジメチルエタノールアミ
ン、コリン、N,N−ジメチルピペラジン、1,4−ジアゾビ
シクロ−（2,2,2）オクタン、Ｎ−メチルジエタノール
アミン、Ｎ−メチルエタノールアミン、Ｎ−メチルピペ
リジン、３−メチルピペリジン、Ｎ−メチルシクロヘキ
シルアミン、３−メチルピリジン、４−メチルピリジ
ン、キヌクリジン、N,N−ジメチル−1,4−ジアザビシク
ロ−（2,2,2）オクタンイオン、テトラメチルアンモニ
ウムイオン、テトラブチルアンモニウムイオン、テトラ
ペンチルアンモニウムイオン、ジ−ｎ−ブチルアミン、
ネオペンチルアミン、ジ−ｎ−ペンチルアミン、イソプ
ロピルアミン、ｉ−ブチルアミン、エチレンジアミン及
び２−イミダゾリドン、ジ−ｎ−プロピルアミン並びに
高分子第４級アンモニウム塩〔（C14H23N2）2+〕ｘ〔式
中、ｘは少なくとも２値を有する〕を用いる。
次に、該粉末に活性元素を担持する。活性元素の担持
は活性元素の塩の水溶液中に前記シリコアルミノホスフ
ェート粉末を１〜２時間浸漬後、大気中で乾燥するか、
あるいは前記塩の水溶液中にシリコアルミノホスフェー
ト粉末を一昼夜浸漬した後水洗する処理を１ないし数回
繰り返し行った後、500〜700℃の温度に数時間保持して
焼成する操作からなるイオン交換法によって行う。イオ
ン交換法により担持した方が活性元素の付着力が強い。
このようにして得られる粉末状の触媒は、そのまま用い
るか、或いは該触媒粉末にアルミナゾルやシリカゾル等
のバインダーを添加して、所定の形状に成形したり、水
を加えてスラリー状として、ハニカム等の形状のAl2O3
等の耐火性基体上に塗布して用いる。
（実施例） 以下、本発明の実施例を説明する。
すなわち、結晶質シリコアルミノホスフェート多孔質
担体に活性金属を担持した触媒を用いて酸化雰囲気下、
前記触媒をNOxと炭化水素を含有する排気ガスと接触さ
せて本発明に係る排気ガス浄化方法の有効性を確認し
た。
実施例１ 本実施例の排気ガス浄化方法で用いる触媒を調整し、
該触媒について酸素過剰のリーン状態のモデルガス雰囲
気中で加熱処理した後、NOx浄化率を測定し、浄化活性
評価を行った。また、比較触媒についても同様の活性評
価を行った。
本実施例触媒（No.1〜No.7）の調整； まず、結晶質シリコアルミノホスフェートの合成を行
った。
10.4gの85wt％のオルト燐酸（H3PO4）と26.0gの水を
混合し、これに擬ベーマイト相の水和酸化アルミニウム
6.0gを添加し、均質になるまで撹拌した。該混合物にコ
ロイダルシリカ（SiO220wt％）3.0gを加え、均質になる
まで混合し、さらに該混合物に有機物としてトリエチル
アミン8.4mlを加えて均質になるまで撹拌した。次に該
混合物をポリテトラフルオロエチレンでライニングした
ステンレス鋼製の圧力容器中に封入し、180℃、72時間
加熱した後、反応混合物を圧力容器中より取り出し、固
体反応生成物のみをろ過回収し、水洗・乾燥した。さら
に、該生成物を600℃に１時間仮焼して、有機物を分解
除去し、組成比が（Si0.05Al0.50Ｐ0.45）O2、細孔径が
約８Åである結晶質シリコアルミノホスフェートを得
た。
続いて、該結晶質シリコアルミノホスフェートを0.1M
酢酸銅水溶液に24時間浸漬し、該溶液をろ過・洗浄した
後、600℃で２時間焼成して、イオン交換法によって活
性元素としてCuを担持した結晶質シリコアルミノホスフ
ェート触媒No.1を得た。Cuの担持量はCuO換算で約2.5wt
％であった。
また、上記ｎ−トリエチルアミンの代わりに、水酸化
テトラプロピルアンモニウム水溶液を用いた以外は、前
記触媒No.1と同条件により細孔径約７Åの結晶質シリコ
アルミノホスフェートを得、さらに触媒No.1と同条件に
よりCuO換算でCuを約2.5wt％担持した結晶質シリコアル
ミノホスフェート触媒No.2を得た。
また、ｎ−トリエチルアミンの代わりに、ジ−ｎ−プ
ロピルアミンを用いた以外は前記触媒No.1と同条件によ
り、CuO換算でCuを約2.5wt％担持した細孔径が約６Åの
結晶質シリコアルミノホスフェート触媒No.3を得た。
また、コロイダルシリカの量を3.0gから6.0gにオルト
燐酸の量を10.4gから9.2gに代えた以外は前記触媒No.1
と同条件によってCuを担持した組成比（Si0.1Al0.5Ｐ
0.4）O2の結晶質シリコアルミノホスフェート触媒No.4
を得た。また同様にコロイダルシリカの量を15gにオル
ト燐酸の量を5.8gに代えてCuO換算でCuを約2.5wt％を担
持した組成比（Si0.25Al0.5Ｐ0.25）O2の結晶質シリコ
アルミノホスフェート触媒No.5を得た。
また、活性元素としてCaを担持するために酢酸銅の代
わりに酢酸カルシウムを用いた以外は、前記触媒No.1の
条件によりCa担持結晶質シリコアルミノホスフェート触
媒No.6を得た。Caの担持量は1.6wt％であった。
また、前記触媒No.1により製造した結晶質シリコアル
ミノホスフェート1M酢酸銅水溶液中に２時間浸漬し、大
気中で乾燥するCu担持法により、CuO換算で4.5wt％のCu
が担持された結晶質シリコアルミノホスフェート触媒N
o.7を得た。
次に、11.6gの85wt％のH3PO4と20.4gのアルミニウム
イソプロポキシドと40gの水とを混合し、均質になるま
で混合し、さらに、該混合物に水酸化テトラエチルアン
モニウム水溶液を加えて均質になるまで撹拌した後は圧
力容器中での加熱温度を約200℃とする以外は触媒No.1
と同条件にて、CuO換算でCuを約2.5wt％担持した組成比
が（Si0.12Al0.4Ｐ0.48）O2細孔径が約4.3Åである結晶
質シリコアルミノホスフェート触媒No.8を得た。
また、水酸化テトラエチルアンモニム水溶液の代わり
にジ−ｎ−プロピルアミンを用いた以外は触媒No.8と同
条件にてCuO換算でCu量約2.5wt％を担持した組成比が
（Si0.15Al0.39Ｐ0.46）O2、細孔径が約６Åである結晶
質シリコアルミノホスフェート触媒No.9を得た。
比較触媒（No.C1）の調整； Si/Al比40のゼオライトを0.1M酢酸銅水溶液中に24時
間浸漬し、その後該混合液をろ過洗浄し、さらに600℃
で２時間焼成するイオン交換法により、Cuを担持したゼ
オライト触媒No.C1を得た。Cuの担持量はCuO換算で3wt
％であった。
耐熱・耐久試験 前記本実施例触媒No.1〜９、比較触媒No.C1の粉末を
酸化過剰のリーン状態（空燃比（A/F）約22）のモデル
ガス雰囲気中で、500、600、700および800℃各５時間の
加熱処理を行った。このモデルガスの組成は0.47％CO、
8.4％O2、0.16％H2、9.0％CO2、0.1％C3H6（THC3000pp
m）、1000ppmNOからなる。
浄化活性評価 上記試験を行った触媒を用いて、室温〜600℃におけ
るNO浄化率を測定した。
測定に際し、粉末状の触媒を加圧成形し、約2mmφの
ペレット状とし実験用触媒コンバーターに充填し、酸化
雰囲気の排気モデルガスを導入した。該ガスの組成は0.
10％CO、4.0％O2、0.03％H2、0.04％C3H6（THC0.12
％）、10.0％CO2、670ppmNOであり、測定時の空間速度G
HSVは約３万／時であった。第１表に各 触媒の各温度における最高浄化率を示す。本実施例の触
媒は比較触媒に比して、優れた耐熱・耐久性を有してお
り、本実施例に係る排気ガス浄化方法は耐熱性が要求さ
れる使用条件で使用することができる。
実施例２ 市街地走行を考慮した本実施例に係る触媒の耐熱・耐
久性を評価した結果を以下に説明する。
本実施例触媒No.10の調整： 実施例１の触媒No.1をボールミルで平均粒径５μｍの
粉末に成形した。該粉末100重量部とシリカゾル20重量
部（固形分10％）および水50部を混合撹拌し、粘度200
〜300cpsのスラリーを調整した。次に、市販のハニカム
基材（容積1.7、セル数400、コージエライト質）を用
意し、その表面に前記スラリーを塗布し、余分を空気流
で吹き払い、乾燥し、焼成した。このようにして得た触
媒No.10は担体１あたり140gのCu担持結晶質シリコア
ルミノホスフェートを含むものである。
比較触媒No.C2の調整： 前記触媒No.10を調整した場合と同条件で、前記比較
触媒No.C1から比較触媒No.C2を得た。
浄化活性評価 本触媒No.10と比較触媒No.C2をコンバーターに取り付
け、該コンバーターを排気量1.6のリーンバーンエン
ジン排気系に装着し、市街地走行を模擬したパターンで
耐久試験を行い、200時間毎のNOx浄化率を測定した。エ
ンジンの平均空燃比は酸素過剰のリーン状態の22であ
り、最高温度は750℃で、試験時間は600時間である。得
られた結果を第２表に示す。
本実施例触媒No.10は市街地走行に近い条件下におい
ても比較触媒に比較し、特に200時間以上試験後におい
て著しい耐久性を示し、600時間においても実用的なNOx
浄化能を維持しており、実施例触媒No.10を用いた本実
施例の排気ガス浄化方法は耐熱性が要求される使用条件
で使用することができる。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】Cu、Feおよびアルカリ土類金属のうち少な
    くとも一つの活性元素を結晶質シリコアルミノホスフェ
    ート多孔質担体に担持した触媒を用意し、該触媒を、窒
    素酸化物、炭化水素と酸素を含む排気ガスと接触させ、
    前記活性元素に吸着された窒素酸化物と前記排気ガス中
    に存在する炭化水素との間で行われる酸化雰囲気中での
    選択的反応によって、排気ガスから窒素酸化物と炭化水
    素を触媒的に浄化する排気ガス浄化方法。
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