JP2936416B2 - 排気ガスの浄化方法 - Google Patents

排気ガスの浄化方法

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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、自動車等の内燃機関、硝酸製造工場から排
出される排気ガス中の窒素酸化物を効率よく除去する方
法に関する。
(従来技術の説明) 近年、自動車等の内燃機関、硝酸製造工場等より排出
される排気ガス中には、窒素酸化物(NOx)の有害成分
が含まれており、大気汚染の原因となっている。そのた
め、この排気ガス中の窒素酸化物の除去が種々の方法で
検討されている。
また、自動車の低燃費化から希薄燃焼が考えられてい
る。この場合空燃比がリーン側の酸素過剰雰囲気とな
り、従来用いられてきた貴金属をAl2O3等の担体に担持
した三元触媒では排気ガス中の有害成分のうち炭化水素
(HC)、COを酸化除去できても、NOxを浄化できない欠
点があった。この問題を解決する触媒としてゼオライト
にイオン交換した銅(Cu)触媒(特開昭63−283727)が
ある。このCuを担持したゼオライト触媒による酸素過剰
雰囲気におけるNOx除去の基本原理は、CuがNOxを吸着
し、この吸着したNOxと排気ガス中に含まれる還元性の
未燃焼炭化水素とを接触反応させてN2まで還元すること
にある。
(従来技術の問題点) Cu担持ゼオライト触媒は、CuがNOxに対し優れた吸着
能を有し、かつ、ゼオライトが有機化合物を選択的に吸
着する能力に優れているため、初期の触媒活性において
は優れた特性を有するが、耐久性、特に高温での耐久性
に問題があった。そこで、長期間使用しても優れた触媒
活性を有する触媒の開発が望まれていた。該触媒が耐久
性に劣る原因は、約600℃以上の温度において銅がゼオ
ライト中を移動、凝集し、触媒としての作用を失うこ
と、更にゼオライト構造の安定性がCuを担持することに
より低下し、長時間使用後にその構造が破壊することに
よるものである。また、前記触媒はNOxを有機化合物に
よって還元して除去するものであるが、排気ガス中に含
まれる有機化合物のうち、還元反応が起こるゼオライト
細孔内に侵入でき、かつ、ゼオライト細孔内の活性点に
吸着するための分子径の比較的小さな有機化合物しか利
用できないのが欠点であった。
(発明の目的) 本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためにな
されたもので、酸素過剰雰囲気下において、800℃以下
の広範囲の温度域において、長時間使用しても触媒活性
が低下しない優れた耐久性を有するNOx除去用の触媒を
用いる排気ガスの浄化方法を提供することである。
(第1発明の説明) 本第1発明の排気ガスの浄化方法は、酸素過剰雰囲気
中で有機化合物の存在下で、ゼオライトにCuと原子価可
変金属の1種以上を担持した触媒に排気ガスを接触さ
せ、排気ガス中の窒素酸化物を除去することを特徴とす
る。
本発明に係る方法に用いる触媒は、Cuと原子価可変金
属とを複合してゼオライトに担持したので、酸素過剰雰
囲気下において、従来公知のCuを単独担持したゼオライ
ト触媒以上に優れたNOx除去能を有する。CuはNOxを選択
的に吸着する能力があり、他のものに比しNOx吸着能に
優れている。したがって、NOxは大部分がゼオライト細
孔内にイオン交換担持されたCu上に選択的に吸着され
る。一方、有機化合物はゼオライト中の酸点に選択的に
吸着し、原子価可変金属によって活性な有機化合物に変
換された上、Cu上で活性化されたNOxと接触反応しNOx
無害のN2に還元するのである。このときの反応は次式の
ようであると考えられる。
uHC+vNOx→wH2O+yCO2+zN2 本発明に係る触媒は、NOxを直接窒素と酸素とに分解
することができるが、この反応に対しては本発明のよう
な使用環境では反応系に水分および酸素が含まれるた
め、ほとんどNOの分解が起こらないので、従来あるCuの
みを担持したゼオライト触媒と比較してそれほど改善さ
れず実用的でない。本触媒は上述したように、有機化合
物の共存下でNOxを還元除去するところに特徴がある。
また、排気ガス中に存在する水分、酸素は、NO分解反応
の場合とは逆に上記反応を促進する効果がある。
また、800℃という高温でも著しく優れた耐久性を示
す。
従来のCuのみを担持したゼオライト触媒の劣化機構
は、触媒そのものが酸素の吸着能力に劣っているため、
ゼオライトの細孔内が還元雰囲気となり、Cuイオンが還
元されて金属化が起こり、ゼオライト上を移動凝集し、
耐久性が低下するものである。本発明は原子価可変金属
のイオンを持つ金属イオンを共存させることにより、そ
れ自身の価数変化作用によりCuの価数変化を抑制し、Cu
イオンを安定化させ、金属化を防止するのである。ま
た、原子価可変金属のイオンを持つ金属イオンは酸素と
の親和力が強いため、ゼオライト細孔の壁を構成する酸
素と強く結合し、Cuイオンの間に介在して、Cuイオンの
移動を抑制し、Cuの凝集を防止できる。
さらに、前述した反応に利用できる有機化合物として
はゼオライトの細孔内に存在する酸点に吸着できる必要
があり、従来、アルキルベンゼン等の分子径が大きな芳
香族有機化合物や枝分かれした直鎖パラフィン、芳香族
パラフィンは利用できなかった。
ところが原子価可変金属を細孔外に導入することによ
り、これら金属自身の有機化合物に対する強力な部分酸
化作用等により、活性な状態に有機化合物を変化させ
る。すなわちパラフィン系の有機化合物に対しては酸化
脱水素反応、酸化切断反応、酸素付加反応等により低級
のオレフィンあるいは含酸素化合物に変換させ、芳香族
有機化合物に対しては部分酸化反応等により開環あるい
は、置換基切断等の低分子化を可能とするものである。
また、ゼオライト中のイオン交換点である強酸点は有
機化合物の分解によって生成したグラファイトが多数結
合したコーク生成の原因となり、コークによる細孔閉
塞、さらにはゼオライトの構造破壊にもつながる。原子
価可変金属は炭化水素の吸着点のうち、コーク生成に関
与する余分の強酸点を消失させるため、コーク生成を防
止し、触媒の劣化を防ぐことができる。
(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。
本第2発明において、ゼオライトとは、SiO2およびAl
2O3の四面体網状構造から構成され、個々の四面体構造
はその隅を介して酸素の架橋により互いに結合してお
り、通路および空洞が貫通した網状構造をつくってい
る。格子の負の電荷を有するイオン交換点(強酸点)に
は交換可能な陽イオン(H+,Na+等)が導入されている。
SiO2/Al2O3のモル比は10〜200が望ましい。10より少な
いと600℃以上の高温において熱安定性が悪くなる。ま
た、200より多くなるとAl2O3量が減ってイオン交換点が
減少するためイオン交換量の減少すなわち、Cu等のイオ
ン交換が困難となり、かつ有機化合物の吸着量が減少す
るため、触媒活性が低下するようになる。熱劣化はアル
ミニウム周辺の構造変化が主因と推定されるので、特に
高温での耐久性を確保したい場合には、SiO2/Al2O3のモ
ル比をAl2O3量の少ない20以上としたゼオライトを用い
る。このうちSiO2/Al2O3のモル比が20〜200であるZSM−
5、Yあるいはモルデナイト構造のものが特に望まし
い。また、ゼオライトとしてはCuとのイオン交換が容易
なNH4やHあるいはNaなどのアルカリ金属が強酸点に付
着したものが望ましい。また、ゼオライト表面の細孔は
8Å以下と小さいことが望ましい。細孔を多環芳香族炭
化水素の入り込めない大きさとすることによりコークが
生成しにくく、細孔閉塞による構造破壊や触媒活性低下
も防止できる。
Cuの担持量はゼオライト中のAl原子に対し5〜80%が
望ましい。5%より少ないと十分な触媒効果が得られな
い。本第2発明に係る触媒の触媒作用点はCuであるか
ら、Cuの担持量が多いほど触媒性能は向上するが、80%
以上担持するとCuが移動凝集しやすくなって耐熱性が低
下するようになる。
原子価可変金属は1種以上を担持して用いる。原子価
可変金属としては例えばFe、Co、Ni、V、Mn、W、Mo、
Cr、Ti、Nbをいい、2以上の原子価を有し金属まで還元
されにくいものをいう。担持量はゼオライトに対し重量
比で0.01〜3%が好ましい。0.01重量%から効果を示す
が、3%を越えると、これら金属のイオンおよび酸化物
の一部は有機化合物を炭酸ガスにまで酸化することに消
費されてしまいCu上でのNOxの還元反応が抑制される恐
れがあるからである。
Cuの担持はイオン交換法によって行う。イオン交換は
ゼオライトの格子の負の電荷を有するイオン交換点に導
入されているH+やNH4 +等がCuイオンと交換して行われ
る。Cuイオンは可溶性の塩の形で用いる。可溶性の塩と
しては酢酸塩、硝酸塩、ギ酸塩あるいは銅アンミン錯体
等が使用できる。イオン交換はアンモニア等を加えてや
や塩基性とした溶液中で行った方が、Cuイオンの交換が
容易となる。また、溶液のpHは9〜12の範囲が良い。お
そらく、溶液中の全カチオンに対するCuのカチオンの割
合が大きいためと思われる。原子価可変金属の担持はイ
オン交換法でも含浸法によって行ってもよい。ただし、
熱分解により触媒を調製する場合にはできるだけ低温で
熱分解し、かつ強酸性ガスを発生しない物質、例えば酢
酸塩、アンミン錯体が好ましい。イオン交換法、含浸法
ともに原子価可変金属の酢酸塩や硝酸塩等を用いて行
う。イオン交換法の一例としてはCuの場合も同様である
が、前記塩の中にゼオライトを一昼夜浸漬するイオン交
換工程と、100〜120℃の温度で約10時間加熱する乾燥工
程、300〜700℃の温度に数時間保持する焼成工程とから
なる。また含浸法の一例としては前記塩の水溶液中に1
〜2時間浸漬後、大気中で乾燥して担持するものであ
る。イオン交換法によって担持した方が付着力が強い。
Cuと原子価可変金属の担持順序は限定しないが、原子
価可変金属の担持量が0.5重量%以上と多い場合には、
該金属をCuイオン交換後に担持しなければCuイオンを担
持できなくなる。
本第2発明に係るCuと原子価可変金属を担持した触媒
は紛状体、ペレット状体、ハニカム状体等その形状・構
造は問わない。
また、粉末状の触媒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アルミナ
等の耐火性基体上に塗布して用いてもよい。
本第2発明に係る触媒は排気ガス中のNOxを反応させ
て浄化するものである。
有機化合物としては未燃焼のオレフィン、パラフィン
等の炭化水素、部分的に燃焼して生成した含酸素化合物
を用いることができる。このうち官能基(2重結合等)
を有し、吸着力の強いオレフィンおよび含酸素有機化合
物が好ましい。
この炭化水素等は排気ガス中に残留するものでよい
が、炭化水素等が反応を行わせるのに必要な量よりも不
足している場合には、排気中に外部より炭化水素等を添
加するのが良い。
(実施例) 以下、本発明の実施例を説明する。
本発明に係る触媒を調製し、該触媒について酸素過剰
のリーン状態のモデルガスを用いてNOに対する浄化活性
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.1〜16)および比較触媒(No.1)の調
製 ゼオライトであるH型ZSM−5(SiO2/Al2O3=40)粉
末を用意し、該ゼオライトにまず、イオン交換法により
Cu担持した。
イオン交換はゼオライトをpH=10のテトラアンミン銅
イオン(Cu(NH34 2+)水溶液中に一晩浸漬して行っ
た。イオン交換後、水洗し、空気中で100℃に5時間加
熱して乾燥し、Cuを担持したゼオライト触媒(比較触媒
No.C1)を得た。
上記Cuを担持したゼオライト触媒に、硝酸第2鉄、硝
酸コバルト、硝酸ニッケル、メタバナジン酸アンモニウ
ム、硝酸マンガン、タングステン酸アンモニウム、モリ
ブデン酸アンモニウム、クロム酸アンモニウム、三塩化
チタン、三塩化ニオブ各水溶液を吸水させて、各金属に
換算して0.1wt%を触媒に含浸させた。その後、空気中
において300℃で硝酸塩やアンモニウム塩等を熱分解さ
せた後、1%アンモニア水で洗浄し、塩素イオン等の余
分のイオンを取り除いた。さらに、空気中100℃で乾燥
して、Cuに加えてFe、Co、Ni等を0.1wt%担持したゼオ
ライト触媒(本実施例触媒No.1〜10)を得た。
ゼオライトにCuのみを担持した比較触媒No.C1に、含
浸法によりFeを0.5、1ならびに3wt%担持した本実施例
触媒No.11、12ならびに15を調製した。Feの担持は上記
と同様に硝酸第2鉄水溶液を含浸させて行った。同様に
してCrを0.5、1ならびに3wt%担持した本実施例触媒N
o.13、14ならびに16を調製した。
浄化活性評価 ペレット状とした本実施例触媒No.1〜16および比較触
媒No.C1を用い、酸素過剰のリーン状態(空燃比(A/F)
18相当)のガス組成(vol%)がNO:0.067、C3H6:0.04、
CO:0.1、H2:0.033、O2:4.0、CO2:10.0、H2O:3.0、N2
部からなるモデルガスAおよび該ガスのC3H6をi−オク
タン(C8H18)0.025vol%に代えた以外は同一組成のモ
デルガスB雰囲気中で400℃におけるNO浄化率を求め
た。次にそれぞれの前記モデルガス雰囲気中で700℃、
5時間の加熱処理を行い、耐久性を評価した。活性評価
時の上記ガスの空間速度は30,000hr-1であった。
第1表(モデルガスAを用いた場合)および第2表
(モデルガスBを用いた場合)に各触媒の初期ならびに
耐久試験後のNO浄化率を示す。
本実施例に係る触媒は比較触媒と比較し、初期性能、
700℃における耐久性ともに著しく優れていることがわ
かる。また、第2表の結果から、本実施例に係る触媒は
パラフィン系の飽和炭化水素を用いた場合も優れた活性
を有していることが明らかである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 伸一 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 石橋 一伸 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 中野 雅雄 山口県新南陽市大字富田4560番地 東ソ ー株式会社内 (56)参考文献 特開 昭50−59283(JP,A) 特開 昭63−126560(JP,A) 特開 昭63−283727(JP,A) 特開 平2−251247(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B01D 53/86 B01J 29/46,29/14,29/24

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸素過剰雰囲気中で有機化合物の存在下
    で、ゼオライトにCuと原子価可変金属の1種以上を担持
    した触媒に排気ガスを接触させ、排気ガス中の窒素酸化
    物を除去することを特徴とする、排気ガスの浄化方法。
  2. 【請求項2】前記原子価可変金属が、Fe、Co、Ni、V、
    Mn、W、Mo、Cr、Ti、及びNbより選ばれる、請求項1記
    載の排気ガスの浄化方法。
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