JP4270581B2 - 窒素酸化物の還元 - Google Patents

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Description

本発明は、窒素酸化物(NOX)への特定の触媒の用途、及び対応する方法に関する。窒素酸化物は、主に、燃焼排出ガス、特にディーゼルエンジン等の内燃エンジンから発生するものである。
炭化水素の空気との燃焼が、特に過剰の空気と高温で、オキシダントとして、空気中での窒素の酸化により酸化窒素が生ずる。このような酸化窒素としては、NO、NO2、NO3、N23、N24及びN25が挙げられる。汚染物質である酸化窒素は、環境汚染を避けるために燃焼排出ガスからできるだけ完全に除去されるべきである。発電所及び工場からの排出ガスは、排出ガス処理プラントのために顕著に下降する一方、自動車排出ガスの汚染成分の減少させることが、特に自動車の数の増大と共に益々重要となっている。
多くの解決は、自動車エンジンのNOx放出を減少させるために提案されてきた。NOx放出を減少させるための効果的な解決は、特に触媒を用いた場合には、多くの基準に適合しなければならない。例えば下記の如く:
高変換率、即ち、高温及び低温でさえ、また動作中の頻繁な負荷変化においてさえの、広範囲のNOxの除去;
アンモニアや尿素等の補助材料の使用の回避;
製造及び操作が低コストであること;
長いオンストリーム時間;
低いNO2の生成;
高い触媒の機械的安定性。
窒素酸化物を減少させるための多くの触媒が提案されてきた。
EP−A1−0687499には、窒素酸化物を減少させるための、銅、亜鉛及びアルミニウムからなるスピネルから作製されたスピネル触媒が記載されている。
US3974255には、白金被覆されたアルミン酸マグネシウムスピネルが記載されている。この触媒は、内燃エンジンからの排気ガス中のNOxの還元に使用される。
EP−B1−0494388には、排気ガスから窒素酸化物を除去する方法で、触媒として、多価金属の燐酸塩、多価金属の硫酸塩又は元素の周期表の第4族の遷移金属のスピネルアルミン酸塩を用いる方法が記載されている。特に、コバルトアルミン酸塩触媒が記載され、それは硝酸コバルト及び硝酸アルミニウムの共沈、その後の乾燥、か焼により製造される。
JP−A2−08024648には、排気ガスから窒素酸化物を除去する触媒が記載されている。触媒としては、例えばAg0.010.01Pr0.01Cu0.2Zn0.5Al2.0の組成を有し、そしてFe0.02Co0.02又は0.01%のMgOもさらに存在しても良い。触媒は、H3PO4と共に混合されたAg及びPrの硝酸塩から製造されが、その際この混合物は、アンモニア又は炭酸アンモニウム又は硫酸アンモニウムの水溶液の存在下にCu、Zn及びAlの酸化物混合物に導入される。か焼は、500℃及び800℃で、それぞれで行われる。触媒の銀含有量は、0.67重量%である。
酸化二窒素(N2O)の触媒分解用の触媒も知られている。DE−A1−4224881には、銀含有酸化アルミニウムの担体を有する触媒、及び純粋に或いはガス混合物中に存在する酸化二窒素の触媒分解方法−その際酸化二窒素は、他の窒素酸化物がかなりの程度、分解して元素になるというようなことはなく、分解される−が記載されている。使用される触媒は銀がドープ添加された銅/亜鉛/アルミニウムスピネルの形であり得る。これは、例えば酸化アルミニウムの担体を硝酸銅及び硝酸亜鉛の溶液に含浸させ、乾燥、か焼させ、そして硝酸銀の溶液に含浸させ、乾燥、か焼させることを包含している。
本発明の目的は、NOxを還元するための触媒で、公知の触媒に比較して向上した特性を有するものを提供することにある。更に、特に内燃エンジンからの排気ガス中の、NOxを還元する方法を提供することにある。
本発明者等は、上記目的が、下記の成分(a)〜(e)の合計量に対して、
(a)20〜97重量%のAl23
(b)1〜40重量%のCuO、
(c)1〜50重量%のZnO、
(d)1〜40重量%のAg、
(e)0〜2重量%のPt
をこれらの合計が100重量%となるように含み、且つ
成分(a)、(b)及び(c)が、成分(d)、(e)及び(f)がドープ添加されたスピネルを形成し、そして単モード又は双モードの孔径分布を有し、更に孔容積の40〜99%が中間細孔とし存在し、1〜60%がマクロ孔とし存在する、触媒、NOX還元に使用することにより達成されることを見出した。
同時に、本発明によれば、DE−A1−4224881に記載の触媒がNOxを還元するために使用することができることを見出した。
関連して、本発明の触媒は、Al23を好ましくは30〜80重量%、特に40〜75重量%、とりわけ45〜65重量%含有し、CuOを好ましくは3〜35重量%、特に5〜30重量%、とりわけ8〜25重量%含有し、ZnOを好ましくは2〜40重量%、特に5〜30重量%、とりわけ10〜26重量%含有し、Agを好ましくは2〜35重量%、特に3〜30重量%、とりわけ5〜25重量%含有し、Ptを好ましくは0〜1重量%、特に0〜0.5重量%、とりわけ0〜0.1重量%含有する。上述のようにこれらの特定の重量は、成分(a)〜(e)の合計量に対するものであり、合計は100重量%ととなる。
好ましくは、成分(a)、(b)、(c)、(d)及び/又は(e)の重量の多くとも1/3、更に好ましくは多くとも1/5、特に1/10を、前記のように置き換えることができる。成分(a)、(b)、(c)、(d)及び(e)のいずれも置き換えないことが好ましい。
成分(f)として適当なものとしては、希土類金属の酸化物、及び元素周期表の第3b族元素の酸化物を挙げることができる。好ましくは3価の希土類金属の酸化物、特にLa及び/又はCeの酸化物である。Prは触媒中には存在しない。
成分(f)は、成分(a)〜(e)の合計量に対して、0〜15重量%、更に好ましくは0〜10重量%、特に好ましくは0〜5重量%で使用される。成分(f)は含まないことが好ましい。
触媒は成分(a)〜(e)から構成されることが好ましい。特にAl23、CuO、ZnO、Ag及び存在してもよいPtのみから構成されることが好ましい。本発明によれば、銅/亜鉛/アルミニウムの酸化物が使用され、この酸化物はCuaZnb3+a+b(但しa>0、b>0、a+b≦1)で一般に表すことができる。
成分(a)、(b)及び(c)がスピネルを形成していることが好ましい。スピネルについては、例えば、C.W. Correns, Einfuehrung in die Mineralogie[Introduction to mineralogy], Springer Verlag 1949, 77-80頁, H. Remy, Lehrbuch der Anorganishen Chemie[Textbook of inorganic chemistry], Akademische Verlagsgsellschaft Geest & Portig K-G Leipzig 1950, 308-311頁, Roemp, Chemielexikon, 第9版, 1995, 4245頁に記載されている。スピネルは、形式的にはMgAl24から誘導される;ここで、マグネシウムは他の2価のイオン、例えば亜鉛、銅、鉄により置き換えることができる。アルミニウムは他の3価のイオン、例えば鉄又はクロムにより置き換えることができる。スピネル格子においては、酸素原子は、面心格子に対応する立方最密構造(cubic close-packed structure)を形成する。その中の八面体空格子点の半分がアルミニウムによって占められ、残りの半分が空である。四面体空格子点の1/8はマグネシウムによってしめられている。
存在することが好ましいのは、実質的に銅/亜鉛スピネルである。a+b=1のためには、スピネル格子に空位置が存在しないことである。Al23は、他の金属酸化物が存在するマトリックスとして機能することができる。これは特にa+b≦1の場合である。
新規な触媒は、触媒の特性に実質的な影響を与えない限り、少量のSiO2、TiO2、ZrO2、タルク及び/又はセメントを含んでいても良い。一態様によれば、触媒は、特にPrが存在する場合、燐は含まない。
新規な触媒の孔容積(空隙率)は、0.01〜1ml/g、好ましくは0.01〜0.8ml/g、特に0.1〜0.7ml/gであり、その孔径分布が、単モード、双モード又は多モードである。関連して、双モード又は多モードの触媒、中間細孔(mesopore)及びマクロ孔を有することが好ましい。中間細孔は、50nm未満の直径を有し、マクロ孔は50〜1000nmの直径を有する。触媒は双モード又は多モードの孔径分布を有し、且つ孔容積の40〜99%(好ましくは50〜98%、特に55〜95%)が中間細孔として存在し、1〜60%(好ましくは2〜50%、特に5〜45%)がマクロ孔として存在することが好ましい。触媒は特に双モードが好ましい。
オリゴモード(oligomodal)の触媒は、10000nmを超える直径の孔を含んでいても良い。これらの孔の部分は、孔容積の0.1〜20%、特に1〜15%の範囲であることが好ましく、ここで中間細孔及びマクロ孔の上記特定の値は残りの孔容積に関連している。
双モード又は多モードの孔径分布の触媒の場合、孔容積の大部分は、10〜1000nmの孔径内にある。
触媒内に存在する銀粒子のサイズは、0.1〜200nmが好ましく、特に5〜50nmが好ましい。関連して、300℃を超えると、銀は金属として存在するが、この温度以下で酸化物として存在することができる。前記特定の重量は金属に基づくものである。
孔容積及び孔容積分布は、Hgポロシメトリー(porosimetry)により決定することが好ましい。銀の粒子径は、例えば、X線回折の線幅を測定することにより決定される。
BET表面積は、1〜200m2/gが好ましく、さらに20〜150m2/gが好ましく、特に50〜100m2/gが好ましい。
本発明で使用される触媒は、どのような形状でも、例えばペレット、錠剤、これらは中空でも固体でも良く;好ましくは0.5〜3mmの直径の顆粒、チップ、ハニカム構造等でも良い。新規な触媒は、他の担体材料、例えばガラス繊維マット上、セラミック又は金属担体上に存在することもできる。担体は、種々の形状、例えば波形にされたもの、圧延されたものでも良い。関連して、前記規定された量は、追加の担体を含まない触媒固有に関するものである。自動車分野で使用されるべき本発明に従って使用される触媒は、ハニカム形状が好ましく、その孔が0.1〜10nm、特に0.5〜5nmの範囲にあることが好ましく、ウェブ幅が0.1〜5mm、特に0.3〜3mmが好ましい。
本発明に従い使用される触媒は、適当な方法により製造することができる。好適な方法は、たとえばDE−A1−4224881に記載されている。例えば、AlOOH(boehmite)、CuO、ZnO及び必要な他の金属酸化物を、バインダの存在下水と混練し、押し出して押出物を形成し、乾燥、そしてか焼して得ることができる。このようにして製造された触媒ベースは硝酸水溶液に含浸することができる。含浸した触媒を次いで乾燥、か焼する。
金属酸化物の代わりに、対応する水酸化物、オキシ水和物、炭酸塩、有機酸の塩、硝酸塩、塩化物、硫酸塩又は燐酸塩を使用することができる。双モード又は多モードの触媒を製造するために、AlOOHの代わりに、AlOOH及びAl23(好ましくはγ−Al23又はδ−Al23)の混合物、所望により異なる孔径分布を有するAl23を用いることも可能である。
乾燥は、10〜200℃の範囲で行うのが好ましく、さらに20〜150℃、特に30〜120℃が好ましい。か焼は1100℃未満で行われ、600〜900℃が好ましい。硝酸銀溶液の含浸の後のか焼は、200〜800℃で行うことが好ましい。
本発明で使用される触媒は、燃焼排気ガス中のNOxを還元するために使用することが好ましい。NOの還元は、還元剤との反応により行われる。
本発明は、NOx、O2及び炭化水素化合物を含む混合物中のNOxを触媒還元する方法で、その還元を上記規定された触媒の存在下に行い、その際炭化水素化合物は還元剤として機能する方法に関するものでもある。
上記混合物は、燃焼排気ガス、特に内燃モータ又は内燃エンジンから発生する燃焼排気ガスであることが好ましい。
このような排気ガスは、特に、酸化窒素(NOx)、酸素(O2)、水蒸気及び存在し得る炭化水素化合物を含むものである。炭化水素化合物は、例えば酸素含有炭化水素(例、アルコール、エーテル、アルデヒド、ケトン、エポキシ等)である。用語「炭化水素化合物」はまた、アルカン、アルケン、アルキン又は芳香族化合物も包含する。炭化水素化合物の代わりに、CO又はH2を使用することも可能である。添加炭化水素化合物を使用することが好ましい。例えば、短鎖炭化水素、例えばプロペンを排気ガス流に測量して供給することができる。他の好ましい手段としては、例えば自動車の場合に、炭化水素化合物が排気ガスに存在するように、燃料の一部が排気ガス流に供給される。炭化水素化合物としてプロペンを使用した場合に起こる反応の例は、下記の化学反応式により示される。
4NO2+NO+CH3−CH=CH2→5/2N2+3CO2+3H2
ディーゼル排気ガスは、特に、燃焼が過剰の空気と共に行われるので、さらに酸素を含んでいる。これは、更に有機酸素含有化合物の形成が起こるであろうことを意味する。
炭化水素化合物は、このため、一方で存在する酸素と反応し、他方で、存在する窒素酸化物と反応する。この時、本発明で使用される触媒は炭化水素化合物の酸素との反応に比較して、優先的に炭化水素とNOxとの反応に触媒作用を示す。
特にディーゼルエンジンの排気ガスは、NOx及び炭化水素の他に、CO、すす、SO2及び水蒸気、酸素、窒素(N2)及びCO2を含む。ディーゼル排気ガスは下記の組成を有することができる:
10〜10000ppm、平均2000ppmのNOx
10〜2000ppm、平均200ppmの炭化水素、
10〜4000ppm、平均100ppmのCO、
0〜1g/l、平均0.3g/lのすす、
0〜200ppm、平均40ppmの二酸化硫黄、
1.5〜8容量%、平均7容量%の水蒸気、
3〜18容量%、平均4容量%の酸素、
2〜15容量%、平均3容量%のCO2
典型的な触媒処理量(loading)は、20000〜30000m3(s.t.p.)[1時間当たり触媒1m3当たりのガス量]の範囲で、最大処理量が100000m3未満である。本発明は、実施例を示しながら、画に更に詳細に説明する。
[実施例]
[触媒の一般的製法]
本発明で使用される触媒は、DE−A1−4224881に記載と同様の手順で製造することができる。
これは、例えば、400gのAlOOH(Boehmite, PuralRSB, Condea社製)、50gのCuO、154.5gのZnO及び25gのメチルセルロース(WalocelR, Wolff, Walsrode社製)を、270gの水と共に1時間混練し、押出しして、直径3mm、長さ8mmの固形押出物を製造し、乾燥後、800℃で4時間か焼した。か焼後得られた材料は、表面積54m2/gを有するものであった。孔容積(空隙率)は0.32ml/gであった。
無機の構成成分は、下記の組成を有する;
Cu:0.63モル(CuO:10重量%)、Zn:1.90モル(ZnO:28重量%)、Al:6.67モル(Al23:62重量%)。これは、実験式Cu0.2Zn0.6Al23.8に相当する。
上記材料(スピネル)108gを、30.2gの硝酸銀を含む51ml水溶液に含浸させ、1時間放置した。含浸材料を120℃で1時間乾燥させ、一定の重量とし、その後600℃でか焼した。こうして得られた触媒ペレットは、19.2gの金属銀(17.8重量%に相当)を含む。
特に断らない限り、下記の実施例における%は重量%である。
[実施例1]
20%のCuO、20%のZnO、45%のAl23、15%の銀の組成物を有する単一モード触媒
400gのAlOOH(Boehmite, Pural SB, Condea社製)、150gのCuO及び151gのZnO並びに30gのメチルセルロース(Walocel, Wolff, Walsrode社製)を、320gの水と共に1時間混練し、押出しして、直径3mm、長さ8mmの固形押出物を製造し、乾燥後、800℃で4時間か焼した。
上記スピネル体640gを、50%濃度AgNO3水溶液の形で178gの硝酸銀に含浸させた。次いで、これを120℃で1時間乾燥させ、その後600℃で4時間か焼した。
こうして得られた触媒ペレットは、15%のAg、20%のCuO、20%のZnO及び45%のAl23を含むものであった。このペレットは単一モードで、直径50〜50000nmの孔を95%含むものであった。全空隙率は0.32ml/gであった。
[実施例2]
5%のAg、15%のCuO、19%のZnO、61%のAl23を有する双モード触媒
双モード触媒は、AlOOHの代わりにAlOOHとAl23の混合物により得られた。
611gのCu(NO32×3H2O、581gのPuraloxR SCF-A230(Al23、Condea社製)、及び322gのPural SB(AlOOH, Condea社製)を3時間良く混合した。その後、乾燥組成物を水と充分に混合し、プラスチック混練組成物を製造した。45gの蟻酸を更に加えた。組成物を70分間混練し、押出物とし、120℃で16時間乾燥、次いで800℃で4時間か焼した。
800gの得られたものを、373gのZn(NO32×6H2O(水に溶解して溶液の合計を400Lにしたもの)に含浸させた。1.5時間含浸後、これを120℃で16時間乾燥させ、その後600℃で4時間か焼した。
実施例1に記載のように、上記触媒を、50%濃度AgNO3水溶液に含浸させ、最終触媒は5%の銀を含むものとなった。上記触媒は、5%のAg、19%のZnO、15%のCuO及び61%のAl23の組成を有するものであった。BET表面積は約100m2/gであった。水吸収量は、0.5ml/gで、これは同じ大きさの全空隙率に相当する。
[実施例3]
触媒を実施例2と類似の方法で製造した。但し、その組成は、15%のAg、17%のZnO、13.6%のCuO及び54.4%のAl2Oであった。
[実施例4]
実施例2の手順を繰り返した。但し、得られた触媒は、25%のAg、15%のZnO、12%のCuO及び46%のAl2Oの組成を有するであった。
[実施例5]
実施例2の手順を繰り返した。但し、得られた触媒は、15%のAg、17%のZnO、13.6%のCuO、54.3%のAl2O及び0.1%のPtの組成を有するであった。Ptのドーピングは、硝酸白金水溶液に含浸することによりもたらされた。この含浸は、硝酸銀の含浸と同時に行ったが、それぞれ独立して行うこともできる。
[実施例6]
触媒を実施例2と類似の方法で製造した。但し、その組成は、15%のAg、25.5%のZnO、8.5%のCuO及び51%のAl2Oであった。
[比較例1]
比較のため、触媒を、銀を用いなかった以外は実施例2と類似の方法で製造した。その組成は、15%のZnO、21.3%のCuO及び63.7%のAl2Oであった。
[比較例2]
比較のための触媒を、銀の代わりに極少量のパラジウムを用いた以外は実施例2と類似の方法で製造した。その組成は、20%のZnO、16%のCuO、64%のAl2O、0.1%のPdであった。
[触媒の検討]
得られた触媒を下記のように検討した:
各触媒について、削り取った1.6〜2.0mmの部分10gを、触媒供給用のガス透過性フリットが中央に装備した、垂直に配置された石英反応器(直径20mm、高さ約500mm)に導入した。層の高さは約15mmであった。石英反応器の周囲に炉が配置されおり、これは、長さ100mmを超える反応器の中央部分を加熱して、550℃までの温度に到達可能である。
ガス混合物は、約10000(L[s.t.p.](ガス))/(L(触媒)×時間)の流速で触媒を通過した。ガス混合物は1000ppmのNO、1000ppmのプロペン、10容量%の酸素及びキャリアガスとしてアルゴン(残り)から構成された。
反応器の下流へのNO濃度をガス検出器で測定し、そして検出の上流側で形成したNO2は転化器で還元された。反応は、200℃〜400℃の範囲の温度で行われた。得られた検討結果は下記の表に列記されている。表には、反応器の下流側で測定されたNOx濃度、及び最小のNOx濃度、最小のNOx濃度を測定したときの温度が含まれている。更に、最大の転化率;即ち(NOx上流側)に対する{(NOx上流側)−(NOx下流側)}の比、が列記されている。
Figure 0004270581
表の結果から、実施例1〜6に従う本発明で使用される触媒は、比較例1及び2の比較用触媒に比べて、NOxの除去を相当向上させること分かる。

Claims (7)

  1. 下記の成分(a)〜(e)の合計量に対して、
    (a)20〜97重量%のAl23
    (b)1〜40重量%のCuO、
    (c)1〜50重量%のZnO、
    (d)1〜40重量%のAg、
    (e)0〜2重量%のPt、
    をこれらの合計が100重量%となるように含み、且つ
    成分(a)、(b)及び(c)が、成分(d)及び(e)がドープ添加されたスピネルを形成し、そして単モード又は双モードの孔径分布を有し、更に孔容積の40〜99%が中間細孔として存在し、1〜60%がマクロ孔として存在する、触媒を、NOx還元に使用する方法。
  2. 触媒の孔容積が0.01〜1ml/gの範囲にある請求項1に記載の方法。
  3. 燃焼排出ガス中のNOxを還元するための請求項1又は2に記載の方法。
  4. 請求項1に記載の触媒の存在下に還元することを特徴とするNOx、O2及び炭化水素化合物を含む混合物中のNOxを接触還元するための方法。
  5. 混合物が燃焼排出ガスである請求項4に記載の方法。
  6. 燃焼排出ガスが内燃モータ又は内燃エンジンから生ずる請求項3又は5に記載の方法。
  7. 炭化水素化合物、CO又はH2が還元剤として機能する請求項1、3、4、5又は6に記載の方法。
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