JP3482662B2 - 排気ガス浄化方法 - Google Patents

排気ガス浄化方法

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JP3482662B2 JP24476693A JP24476693A JP3482662B2 JP 3482662 B2 JP3482662 B2 JP 3482662B2 JP 24476693 A JP24476693 A JP 24476693A JP 24476693 A JP24476693 A JP 24476693A JP 3482662 B2 JP3482662 B2 JP 3482662B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関から排出され
る排気ガスを浄化する方法に関し、特に酸素過剰の排気
ガス中の窒素酸化物を除去する方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】現在、環境問題の深刻化から窒素酸化
物、一酸化炭素、炭化水素等の浄化が重要視されてい
る。窒素酸化物は自動車のガソリンエンジン等の内燃機
関を代表とする各種移動発生源、および工場プラントの
ボイラー、コージェネレーションシステムのガスエンジ
ン、ガスタービン等の内燃機関を代表とする固定発生源
からも多量に排出されており、その浄化は緊急かつ重大
な社会的課題である。
【0003】現在、内燃機関から排出される排気ガスの
浄化触媒としてPt、Rh、Pd等を担体上に担持させ
た三元触媒が用いられているが、三元触媒は酸素過剰排
ガス中の窒素酸化物を浄化することができないので、空
気と燃料の比(所謂、空燃比)を制御するシステムと併
用されている。
【0004】一方、低燃費化や排出炭酸ガスの低減等の
目的で希薄燃焼方式が開発されているが、希薄燃焼の排
気ガスは酸素過剰となるため、上記三元触媒では窒素酸
化物を除去することができない。
【0005】酸素過剰排ガスの窒素酸化物除去方法とし
ては、アンモニア添加による還元脱硝が行われている
が、装置の大型化、アンモニアの危険性からその利用範
囲が限定される。
【0006】最近、アンモニア等の特別な還元剤を添加
しなくても、酸素過剰な排気ガス中の窒素酸化物を浄化
できるゼオライト系触媒が提案されている。例えば、特
開昭63−283727号公報や特開平1−13073
5号公報には、遷移金属をイオン交換したゼオライト触
媒が、酸素過剰の排ガス中でも微量含まれている未燃の
炭化水素を還元剤として窒素酸化物を浄化できることが
提案されている。
【0007】また、ニッケルを含有したゼオライト触媒
を用いる窒素酸化物除去方法は、特開平4−21024
4号公報により開示されている。
【0008】しかしながら、ガスエンジン、ガスタービ
ン等の気体燃料を使用した内燃機関の場合、排気ガス中
に含まれる微量炭化水素は主に炭素数1の炭化水素であ
るメタンであり、従来提唱されているゼオライト系触媒
では窒素酸化物の浄化性能が特に低かった。
【0009】炭化水素種がメタンであり、ニッケルを含
有したゼオライト触媒を用いることによって、酸素過剰
の排ガス中でも窒素酸化物を浄化できることが、US5
149512号により開示されている。
【0010】また最近、御園生らによると、パラジウム
をイオン交換したゼオライト触媒を用い、窒素酸化物、
一酸化炭素及び炭化水素を含む酸素過剰な排気ガスか
ら、炭化水素がメタンであっても窒素酸化物、一酸化炭
素及び炭化水素を除去する方法が報告されている(日本
化学会第65春季年会、予稿集第420ペ−ジ)。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来提
案されている浄化方法は、排気ガス浄化性能としては不
十分であり、更に高い窒素酸化物浄化能が要求される。
【0012】本発明の目的は、窒素酸化物、一酸化炭素
及び炭化水素を含む酸素過剰な排気ガスから、窒素酸化
物、一酸化炭素及び炭化水素を除去する方法において、
より高い排気ガス浄化率の排ガス浄化方法を提供するも
のである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明者らが鋭意検討し
た結果、パラジウムおよびニッケルを含有したゼオライ
トが、窒素酸化物および炭化水素を含む酸素過剰な排気
ガスから、窒素酸化物を効率良く除去できる触媒である
ことを見出し、本発明を完成するに至った。
【0014】即ち、本発明は窒素酸化物および炭化水素
を含む酸素過剰な排気ガスから、窒素酸化物を除去する
にあたり、パラジウムおよびニッケルを含有するゼオラ
イトを触媒として用いることを特徴とする排気ガス浄化
方法を提供するものである。
【0015】以下、本発明をより詳細に説明する。
【0016】本発明において用いるゼオライトは、一般
に、 xM2/nO・Al23・ySiO2・zH2O (但し、nは陽イオンMの原子価、xは0.8〜1.2
の範囲の数、yは2以上の数、zは0以上の数である)
の組成を有する結晶性のアルミノシリケートであり、天
然品および合成品として多くの種類が知られている。本
発明に用いられるゼオライトの種類は特に限定はされな
いが、SiO2/Al23モル比が10以上であること
が望ましい。代表的には、フェリエライト、Y、モルデ
ナイト、ZSM−5、ZSM−11等を挙げることがで
きる。これらのうちZSM−5が最も好ましい。また、
これらのゼオライトはそのまま用いても良いが、これを
NH4Cl、NH4NO3,(NH42SO4等でイオン交
換したNH4型あるいはこれを焼成もしくは鉱酸等でプ
ロトンにイオン交換し、H型として用いても一向に差し
支えない。また、アルカリ金属、アルカリ土類金属等の
陽イオンを含んでいても一向に差し支えない。
【0017】本発明の排気ガス浄化触媒は、ゼオライト
にパラジウムおよびニッケルを含有することを特徴とす
る。ゼオライトにパラジウムを含有させる方法は特に限
定されず、イオン交換法、含浸担持法等により行えばよ
い。ゼオライトにパラジウムをイオン交換する場合、パ
ラジウムイオンを含む溶液にゼオライトを投入し、20
〜100℃で数時間〜数十時間撹拌して行えばよい。使
用するパラジウム塩としては酢酸塩、硝酸塩、アンミン
錯塩、塩化物等が挙げられる。
【0018】 また、ニッケルを含有する方法は特に限
定されず、イオン交換法、含浸担持法等により行えばよ
い。ゼオライトにニッケルをイオン交換する場合、ニッ
ケルイオンを含む溶液にゼオライトを投入し、20〜1
00℃で数時間〜数十時間撹拌して行えばよい。使用す
るニッケル塩としては、硝酸塩、酢酸塩、硫酸塩等が挙
げられる。
【0019】ゼオライトにパラジウムおよびニッケルを
含有させる順序は特に限定されず、最終的にゼオライト
にパラジウムおよびニッケルを含有させればよい。
【0020】パラジウムおよびニッケルの含有量は特に
限定されないが、パラジウムの含有量はPdO/Al2
3モル比で表わして0.01〜1.0が好ましく、
0.05〜0.4が更に好ましい。ニッケルの含有量は
特に限定されないが、NiO/Al23モル比で表して
0.2〜2.5が好ましく、0.8〜2.0がさらに好
ましい。PdO/Al23モル比が0.01より低い場
合、十分な活性が得られない。また、PdO/Al23
モル比が1.0より高くてもパラジウムを多くした効果
が得られない。NiO/Al23モル比が0.2よりも
低い場合、十分な活性が得られない。また、NiO/A
23モル比を2.5より高くしても、ニッケルを多く
した効果が得られにくい。
【0021】パラジウムおよびニッケルを含有したゼオ
ライトは、触媒として用いるに際して、乾燥や焼成等の
前処理を行ってから用いてもよい。
【0022】本発明に係わるパラジウムおよびニッケル
を含有したゼオライト触媒は、粉状体、ペレット状体、
ハニカム状体等の形状、構造等は問わない。さらに、金
属元素の導入は成型後に行うこともできる。
【0023】本発明の排気ガス浄化触媒は、アルミナゾ
ルやシリカゾルや粘土等のバインダーを加えて所定の形
状に成型したり、水を加えてスラリー状とし、ハニカム
等の形状のアルミナ、マグネシア、コージエライト等の
耐火性基材上に塗布してから使用してもよい。
【0024】本発明の触媒が対象とする排気ガスは、窒
素酸化物を含む酸素過剰な排気ガスである。酸素過剰な
排気ガスとは、排気ガスに含まれる一酸化炭素や炭化水
素等の還元成分を完全に酸化するのに必要な酸素量より
も過剰に酸素を含む排気ガスを示す。また、排気ガスに
含まれる炭化水素は、特に制限はないが、本発明の触媒
は炭化水素の主成分が炭素数1のメタンである排気ガス
に対しても、効率良く排気ガスを浄化することができ
る。一般的に、自動車等の液体燃料を使用するエンジン
から排出された排気ガスに含まれる炭化水素のほとんど
は炭素数2以上の炭化水素である。一方、ガスエンジン
等の気体燃料を使用するエンジンから排出される排気ガ
スに含まれる炭化水素の主成分はメタンである。通常、
炭化水素の反応性は炭素数が多くなるほど高くなる傾向
があり、炭素数1であるメタンの場合、特に反応性が低
い。ここで、炭化水素の主成分がメタンの排気ガスと
は、排気ガス中に含まれる炭化水素の80%以上がメタ
ンである排気ガスのことを示す。このような排気ガスと
しては例えば、都市ガスを燃料とした希薄燃焼式のガス
エンジンから排出される排気ガスを挙げることができ
る。
【0025】また、本発明の触媒を用いる場合、上記排
ガスに炭化水素を添加してもよい。添加する炭化水素と
しては、特に制限はないが、本発明の触媒は、炭化水素
がメタンあるいはメタンを主成分とする炭化水素の混合
ガスであっても効率良く排気ガスを浄化することができ
る。メタンを主成分とする炭化水素の混合ガスとは、混
合ガス中の炭化水素の80%以上がメタンである混合ガ
スのことを示す。添加する炭化水素の濃度は、特に制限
はなく、50ppm〜1%程度であれば良い。更に添加
量を多くしてもかまわないが、経済性の低下および炭化
水素浄化率の低下を招くため、あまり好ましくない。ま
た、排気ガス中の炭化水素濃度が十分に高い場合は、炭
化水素を添加しなくても良い。
【0026】窒素酸化物を除去する際の空間速度、温度
等は特に限定されないが、空間速度100〜50000
0hr-1、温度200〜800℃であることが好まし
い。
【0027】
【実施例】以下、実施例において本発明をさらに詳細に
説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるも
のではない。
【0028】実施例1<触媒1の調製> シリカ/アルミナ比が40のNH4−ZSM−5ゼオラ
イト20gを0.25Mの酢酸ニッケル水溶液180m
lに投入し、80℃で20時間撹拌してイオン交換を行
った。スラリーを固液分離後、ゼオライトケーキを再び
上記と同じ組成の水溶液中に投入して再度イオン交換操
作を行った。固液分離後、20リットルの純水で洗浄
し、110℃で10時間乾燥しNi−ZSM−5を得
た。元素分析の結果、ニッケルはアルミナの1.15倍
であった。このうち10gを純水90mlに投入し、7
%アンモニア水を添加して、pHを10.0に調整後、
ゼオライト中のアルミナのモル数に対して0.1倍の
[Pd(NH34]Cl2・H2Oを添加し、30℃にて
2時間撹拌し、パラジウムイオン交換を行った。この操
作の後、固液分離、洗浄、110℃で20時間乾燥し、
触媒1とした。元素分析の結果、ニッケルはアルミナの
1.15倍、パラジウムは0.1倍であった。
【0029】実施例2<触媒2の調製> ニッケルのイオン交換の操作の繰り返し回数を2回とし
た以外は実施例1と同様に行い、触媒2とした。元素分
析の結果、ニッケルはアルミナの1.50倍、パラジウ
ムは0.1倍であった。
【0030】実施例3<触媒3の調製> ニッケルのイオン交換の操作の繰り返し回数を3回とし
た以外は実施例1と同様に行い、触媒3とした。元素分
析の結果、ニッケルはアルミナの1.90倍、パラジウ
ムは0.1倍であった。
【0031】比較例1<比較触媒1の調製> パラジウムイオン交換を行わなかったこと以外は実施例
1と同様に行い、比較触媒1とした。元素分析の結果、
ニッケルはアルミナの1.15倍であった。
【0032】比較例2<比較触媒2の調製> シリカ/アルミナ比が40のNH4−ZSM−5ゼオラ
イト10gを、純水90mlに添加した。その後、7%
アンモニア水を添加して、pHを10.0に調整し、ゼ
オライト中のアルミナのモル数に対して0.1倍の[P
d(NH34]Cl2・H2Oを添加し、30℃にて2時
間撹拌し、パラジウムイオン交換を行った。スラリ−を
固液分離後、1リットルの純水で洗浄し、110℃で2
0時間乾燥し、パラジウム含有ゼオライトを得、比較触
媒2とした。
【0033】元素分析の結果、パラジウムはアルミナの
0.1倍であった。
【0034】実施例4<触媒評価1> 触媒1〜3および比較触媒1と2を打錠成形後破砕し、
12〜20メッシュに整粒し、そのうち1.2gを常圧
固定床反応装置に充填した。空気流通下、500℃で1
時間前処理を施した後、表1に示す組成のガスを500
ml/分で流通させ、400℃および500℃における
触媒活性を測定した。各温度で定常に達した時のNOx
およびメタンの浄化率を表2に示した。CO浄化率はい
ずれの触媒においても100%であった。なお、NOx
浄化率は次式から求めた値である。
【0035】NOx浄化率(%)=(NOxin−NOx
out )/NOxin×100 NOxin :反応管入口NOx濃度 NOxout :反応管出口NOx濃度
【0036】
【表1】
【0037】
【表2】
【0038】実施例5<触媒評価2> 触媒1〜3および比較触媒1と2を各々打錠成型後破砕
し、12〜20メッシュに整粒し、その5.0gを常圧
固定床反応装置に充填した。空気流通下、500℃で1
時間前処理を施した後、表3に示す組成のガスを500
ml/分で流通させ、400℃および500℃における
触媒活性を測定した。各温度で定常に達した時のNOx
浄化率を表4に示した。CO浄化率はいずれの触媒にお
いてもほぼ100%であった。なお、NOx浄化率は実
施例4と同様に求めた値である。
【0039】
【表3】
【0040】
【表4】
【0041】
【発明の効果】表2および表4の結果より、本発明のパ
ラジウムおよびニッケルを含有したゼオライトを触媒と
して用いることにより、窒素酸化物および炭化水素を含
む酸素過剰な排気ガスから窒素酸化物を効率よく除去で
きることは明らかである。また、本発明の方法によれ
ば、上記排気ガスの炭化水素の主成分がメタンである排
気ガスであっても、比較触媒と比べ高い浄化率で、窒素
酸化物を除去することができる。従って本発明は、環境
保全上極めて有意義である。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01D 53/94 B01J 29/46

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒素酸化物および炭化水素を含む酸素過剰
    な排気ガスから、窒素酸化物を除去するにあたり、パラ
    ジウムおよびニッケルを含有するゼオライトを触媒とし
    て用いることを特徴とする排気ガス浄化方法。
  2. 【請求項2】排気ガスに含まれる炭化水素の主成分がメ
    タンである請求項1に記載の排気ガス浄化方法。
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