JPH08173761A - 窒素酸化物の除去方法 - Google Patents

窒素酸化物の除去方法

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JPH08173761A
JPH08173761A JP6323090A JP32309094A JPH08173761A JP H08173761 A JPH08173761 A JP H08173761A JP 6323090 A JP6323090 A JP 6323090A JP 32309094 A JP32309094 A JP 32309094A JP H08173761 A JPH08173761 A JP H08173761A
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catalyst
zeolite
exhaust gas
nitrogen oxides
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JP6323090A
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Hiroshi Ogawa
宏 小川
Shuji Okazaki
修二 岡崎
Senji Kasahara
泉司 笠原
Kazuhiko Sekizawa
和彦 関沢
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Tosoh Corp
Original Assignee
Tosoh Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 広い温度範囲、特に低温で高い性能を有
する触媒を用いて、内燃機関より排出される酸素過剰の
排ガスから窒素酸化物をより効率的に除去する方法を提
供するところにある。 【構成】 窒素酸化物および炭化水素を含有する酸
素過剰の排ガス中の窒素酸化物を除去する方法におい
て、粒子径が0.1ミクロン未満のゼオライトにCu、
Co、Pt、RhまたはInなどの遷移金属を1種類以
上含有させた触媒を上記排ガスと接触させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、自動車等の内燃機関か
ら排出される排ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素および
炭化水素を除去する排ガス浄化触媒に関し、更に詳細に
は過剰酸素下の排ガスから窒素酸化物を低減する方法に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】現在、ガソリンエンジンより排出される
排ガスの中で人体に対して有害である窒素酸化物、一酸
化炭素は、白金,ロジウム,パラジウムを担体上に担持
させた三元触媒により除去されている。しかし、ディ−
ゼルエンジン排ガスについては、ガソリンエンジンに比
べて排ガス中の酸素濃度が高いため、三元触媒による還
元脱硝は困難である。
【0003】また近年では、炭酸ガス排出量低減にとも
なう低燃費化のため、希薄燃焼方式のガソリンエンジン
が開発されている。しかしながら、この希薄燃焼ガソリ
ンエンジンの排ガスは酸素過剰雰囲気であるため、上記
のような従来の三元触媒での脱硝が困難であり、窒素酸
化物除去に関する技術開発が望まれている。
【0004】これまでに、酸素過剰の排ガスから窒素酸
化物を除去する方法として、アンモニアを還元剤とした
25/TiO2上での選択的接触還元法、アルカリ溶
液への吸収法が知られているが、いずれの場合も使用範
囲が限定され、自動車等の移動発生源への適用は困難で
ある。
【0005】近年、遷移金属を担持したゼオライト触媒
が、アンモニア等の選択的還元剤を添加しなくても、酸
素過剰下で排ガス中の窒素酸化物を還元除去できること
が報告されている(例えば、特開昭63−283727
号公報、特開平1−130735号公報等)。
【0006】遷移金属を含有するゼオライト触媒におい
て、これまでに触媒の構成成分であるゼオライトとして
ZSM−5、モルデナイト、フェリエライト、USY、
ゼオライトβ等を使用し、これらのゼオライトにCu,
Co,Fe,Ni等の遷移金属を担持した窒素酸化物の
除去触媒が提案されている。これらのゼオライトの中で
もZSM−5を用いた窒素酸化物除去触媒は触媒活性が
特異的に高く、最も有望な脱硝用触媒として注目されて
いる。
【0007】しかしながら、上記遷移金属含有ゼオライ
ト触媒は、例えば、特開平5−168863号公報等で
指摘されているような高温による触媒劣化に加えて、低
温活性が低いこと等の問題点を有している。このため、
ガソリンエンジンに比べて排ガス温度が低い、ディ−ゼ
ルエンジンの排ガス浄化に適用するには、更に低温域で
の触媒性能を改善する必要がある。
【0008】これに対して、遷移金属の中でも白金、パ
ラジウム、ロジウム等の貴金属を含有するゼオライト触
媒は、上記遷移金属含有ゼオライト触媒に比べて低温活
性が高く、耐熱性が高い特徴を有している。しかしなが
ら、その活性は十分でなく、活性向上等の性能改善が望
まれている。
【0009】これまでにも、低温域での触媒性能向上に
関する改良触媒が多く提案されている。例えば、特開平
5−168942号公報にはAuを添加した遷移金属含
有ゼオライト触媒が、特開平5−317720号公報に
はMgを共存させたPt担持ゼオライト触媒が提案され
ている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、その効
果は十分に満足されるほどでなく、低温活性が不十分で
あるため、実用化には至っていない。本発明の目的は、
更に広い温度範囲、特に低温で高い性能を有する触媒を
用いて、内燃機関より排出される酸素過剰の排ガスから
窒素酸化物をより効率的に除去する方法を提供するとこ
ろにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、これらの
状況に鑑み、ゼオライト触媒の酸素過剰の排ガス中の窒
素酸化物除去性能を鋭意検討した結果、粒子径が0.1
ミクロン未満のゼオライトに、1種類以上の遷移金属を
含有した触媒が、これまでに提案されているゼオライト
触媒に比べて、広い温度範囲で優れた窒素酸化物除去能
を有することを見出し、本発明を完成するに至った。
【0012】すなわち本発明は、粒子径が0.1ミクロ
ン未満のゼオライトに、1種類以上の遷移金属を含有し
た触媒を、窒素酸化物および炭化水素を含有する酸素過
剰の排ガスに接触させることを特徴とする窒素酸化物の
除去方法を提供するものである。
【0013】以下、本発明を詳細に説明する。
【0014】本発明に係る触媒を構成するゼオライト
は、その粒子径が0.1ミクロン未満であることが重要
である。ゼオライトの粒子径が0.1ミクロン以上の場
合、十分な性能向上効果が発現しない。好ましくは0.
08ミクロン以下であり、更に好ましくは0.05ミク
ロン以下である。ここで粒子径とはゼオライトの一次粒
子を意味し、通常、電子顕微鏡で確認することができ
る。ゼオライトの構造に関しては特に限定されないが、
例えばZSM−5,−11,−12,−20,モルデナ
イト,フェリエライト,Y型,ゼオライトβ等が挙げら
れる。好ましくはZSM−5,ゼオライトβである。ゼ
オライトの製造方法に関しても特に限定されるものでは
なく、これまでに報告されている既知の方法で製造でき
る。また、ゼオライトの粒子径を制御する方法に関して
も特に限定されない。製造されたゼオライトの粒子径が
0.1ミクロン以上の場合、粉砕処理を施こすことも可
能であるが、粉砕により結晶性が低下し、性能低下を起
こす可能性があるため、製造されたゼオライトで0.1
ミクロン未満のものを使用することが望ましい。
【0015】さらにその組成は特に限定されるものでは
ないが、高耐熱性、高耐久性のものを得る場合にはSi
2/Al23モル比が10〜1000程度のものを用
いることが望ましい。また、このゼオライトは、そのま
まあるいはアンモニウム塩、鉱酸等で処理してNH4
あるいはH型にイオン交換してから本発明の触媒として
使用することもできる。
【0016】本発明に係る触媒は、上記ゼオライトに1
種類以上の遷移金属を含有させることにより調製され
る。
【0017】上記ゼオライトに含有させる遷移金属とし
ては特に限定されないが、チタン、バナジウム、クロ
ム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジ
ルコニウム、モリブデン、白金、ルテニウム、パラジウ
ム、ロジウム、インジウム、金等を使用することができ
る。好ましくは銅、鉄、コバルト、ニッケル、白金、パ
ラジウム、ロジウム、インジウムがよく、更に好ましく
は銅、コバルト、白金、ロジウム、インジウムがよい。
これらの遷移金属は一般に、イオン交換法や含浸担持
法、蒸発乾固法、物理混合法等により含有させることが
できるが、好ましくはイオン交換法がよい。
【0018】イオン交換法としては一般に行なわれてい
る方法、例えば、所定の金属を含有する水溶液を用いて
イオン交換する方法を採用することができる。これらの
金属は可溶性の塩の形で使用でき、可溶性の塩として
は、硝酸塩、酢酸塩、蓚酸塩、塩化物等あるいはアンミ
ン錯体等の錯塩化合物が使用できる。
【0019】イオン交換時の金属の添加量はゼオライト
中のアルミニウムに対して原子比で0.1から10であ
ることが望ましい。金属の添加量が0.1未満である
と、本発明の触媒の金属の含有量が少なくなり、十分な
触媒性能が得られなくなる恐れがあり、また、10を越
えてもそれに見合うだけの効果が得られなくなる恐れが
ある。処理条件については、通常行なわれる室温から1
00℃の温度、数時間から数十時間の時間でよい。ま
た、必要に応じて、イオン交換操作を繰り返し行なうこ
ともできる。また、イオン交換の際、交換母液へアンモ
ニウム水溶液を添加してイオン交換することもできる。
2種類以上の上記遷移金属を含有させる場合は、これら
の金属を順次含有させても、同時に含有させてもどちら
でもよい。
【0020】これらの金属を含有するゼオライトは、更
にアルカリ金属およびアルカリ土類金属が含まれてもよ
い。アルカリ金属およびアルカリ土類金属の含有方法は
特に限定されないが、イオン交換法が好ましく、含有さ
せる際にアルカリ金属およびアルカリ土類金属と上記金
属を順次含有させてもよい。好ましくは、先にアルカリ
金属およびアルカリ土類金属を含有させた後、上記金属
を含有させる。
【0021】上記の方法で調製された触媒の金属の含有
量は特に限定されないが、ゼオライト中のアルミニウム
に対して原子比で0.1から3倍であることが望まし
い。含有金属がゼオライト中のアルミニウムに対して原
子比で0.1未満では十分な触媒性能が得られなくなる
恐れがある。また、3を越えてもそれに見合うだけの効
果が得られない恐れがある。
【0022】本発明に係る排ガス浄化触媒は、粘土鉱物
等のバインダ−と混合し成形して使用することもでき
る。また、予めゼオライトを成形し、その成形体に遷移
金属およびアルカリ金属、アルカリ土類金属を含有させ
ることもできる。ゼオライトを成形する際に用いられる
バインダ−としては、特に制限はないが、カオリン、ア
タパルガイト、モンモリロナイト、ベントナイト、アロ
フェン、セピオライト等の粘土鉱物やシリカ、アルミナ
等が使用できる。あるいは、バインダ−を用いずに成形
体を直接合成したバインダレスゼオライト成形体であっ
てもよい。また、コ−ジェライト製あるいは金属製のハ
ニカム状基材にゼオライトをウォッシュコ−トして用い
ることもできる。
【0023】酸素過剰排ガスからの窒素酸化物の除去
は、上記で説明した排ガス浄化触媒と該排ガスを接触さ
せることにより行うことができる。該排ガスは窒素酸化
物および炭化水素を含むものであり、本発明が対象とす
る酸素過剰の排ガスとは、排ガス中に含まれる炭化水素
を完全に酸化するのに必要な酸素量より過剰な酸素が含
まれている排ガスを指し、このような排ガスとしては例
えば、ディ−ゼルエンジン等の内燃機関から排出される
排ガス、特に空燃比が大きい状態で燃焼された排ガス等
が具体的に例示される。
【0024】本発明で処理される排ガスに含まれる炭化
水素の種類は特に限定されず、パラフィン、オレフィ
ン、芳香族化合物およびそれらの混合物が使用できる。
具体的には、パラフィン、オレフィンとしては炭素数で
1〜20の炭化水素が使用でき、芳香族化合物としては
ベンゼン、ナフタレン、アントラセンおよびそれらの誘
導体が使用できる。また、混合物としては軽油、灯油、
ガソリン等が使用できる。本発明ではゼオライト粒子間
でも触媒反応が生じていると考えられるため、細孔に入
りにくい炭化水素種が共存している場合に一層効果が大
きくなる。ゼオライト細孔に入りにくい炭化水素種とし
ては炭素数で10以上のものであり、例えばペンタデカ
ン、ヘキサデカン、ヘプタデカン、1−ヘキサデセン等
のパラフィン並びにオレフィン,ナフタレン、アントラ
セン等の芳香族化合物,または軽油、灯油の混合物であ
る。更には、炭化水素として軽油を用いることが好まし
い。
【0025】排ガス中の各成分ガスの濃度は特に限定さ
れないが、通常、窒素酸化物が50から2000pp
m、炭化水素が10から10000ppm、酸素が0.
1から20%である。
【0026】処理される排ガスの空間速度および温度は
特に限定されないが、好ましくは空間速度(体積基準)
500から500000hr-1、温度100から800
℃、更に好ましくは、空間速度2000から20000
0hr-1、温度100から600℃である。
【0027】
【実施例】以下、本発明を実施例により更に説明する
が、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0028】実施例1<触媒1の調製> 特開昭53−147699号公報の実施例15に従っ
て、ZSM−5型ゼオライトを調製した。無水ベ−スに
おける酸化物のモル比で表して次の組成を有していた。
【0029】1.38(TPA)2O・0.73Na2
・Al23・45SiO2 (TPA:テトラプロピルアンモニウム) また、このZSM−5型ゼオライトを電子顕微鏡(SE
M)で観察したところ、0.04〜0.045ミクロン
の粒子径を有していた。
【0030】このゼオライトを空気流通下で550℃、
4時間焼成することによりテトラプロピルアンモニウム
を除去した。
【0031】焼成後のゼオライト;30gを、酢酸アン
モニウム;11.5gを含む水溶液500ccに添加
し、60℃にて20時間撹拌した後、洗浄し、アンモニ
ウムイオン交換を行った。この操作を2回繰り返した
後、110℃で20時間乾燥してアンモニウム型ゼオラ
イトを得た。
【0032】このアンモニウム型ゼオライト;10g
を、その中に含まれているアルミニウムに対して原子比
で2倍となるように精秤された濃度0.1mol/Lの
酢酸銅水溶液中に添加し、直ちに2.5%−アンモニア
水を加えてスラリ−のpHを10.5とし、室温で20
時間撹拌した。固液分離後、十分洗浄し、110℃で2
0時間乾燥して触媒1を得た。化学分析の結果、触媒1
は無水ベースにおける酸化物のモル比で表して次の組成
を有していた。
【0033】1.86CuO・Al23・45SiO2 実施例2<触媒2の調製> 実施例1で調製したアンモニウム型ゼオライト;10g
を、その中に含まれているアルミニウムに対して原子比
で0.5倍となるように精秤された濃度0.1mol/
Lのテトラアンミン硝酸白金水溶液中に添加し、直ちに
2.5%−アンモニア水を加えてスラリ−のpHを1
0.5とし、室温で20時間撹拌した。固液分離後、十
分洗浄し、110℃で20時間乾燥して触媒2を得た。
化学分析の結果、触媒2は無水ベースにおける酸化物の
モル比で表して次の組成を有していた。
【0034】0.43PtO・Al23・45SiO2 実施例3<触媒3の調製> アルミン酸ナトリウム;1.88gと水酸化ナトリウ
ム;8.08gを水酸化テトラエチルアンモニウム水溶
液(20%水溶液);442gに添加し、完全に溶解さ
せた。これにニップシ−ル(日本シリカ工業製Nip
VN−3);82gを徐々に添加し、30分混合撹拌さ
せた。反応混合物の組成はモル比で表して次に示すとお
りであった。
【0035】SiO2/Al23=100 (TEA)2O/SiO2=0.25 (TEA;テトラ
エチルアンモニウム) Na2O/SiO2=0.09 H2O/SiO2=16.9 該混合物をオ−トクレ−ブに仕込み、150℃で96時
間静置下で結晶化した。生成物を固液分離、水洗、乾燥
した。この生成物をX線回折により、分析したところ、
純粋なゼオライトβであった。化学分析の結果、その組
成は無水ベ−スにおける酸化物のモル比で表して次の組
成を有していた。
【0036】2.38(TEA)2O・0.51Na2
・Al23・36SiO2 また、ゼオライトβを電子顕微鏡(SEM)で観察した
ところ、0.2〜1ミクロンの粒子径を有していた。
【0037】このゼオライトを空気流通下で550℃、
4時間焼成することによりテトラエチルアンモニウムを
除去した。焼成後のゼオライトを3時間のボ−ルミル粉
砕を行った後に、電子顕微鏡で観察したところ、0.0
45〜0.05ミクロンの粒子径を有していた。
【0038】このゼオライト;30gを酢酸アンモニウ
ム;11.5gを含む水溶液500ccに添加し、60
℃にて20時間撹拌してアンモニウム交換を行った。こ
の操作を2回繰り返した後、110℃で20時間乾燥し
てアンモニウム型ゼオライトを得た。
【0039】このアンモニウム型ゼオライト;10g
を、その中に含まれているアルミニウムに対して原子比
で2倍となるように精秤された濃度0.1mol/Lの
酢酸銅水溶液中に添加し、直ちに2.5%−アンモニア
水を加えてスラリ−のpHを10.5とし、室温で20
時間撹拌した。固液分離後、十分洗浄し、110℃で2
0時間乾燥して、触媒3を得た。化学分析の結果、触媒
3は無水ベ−スにおける酸化物のモル比で表して次の組
成を有していた。
【0040】1.91CuO・Al23・36SiO2 実施例4<触媒活性試験> 触媒1〜3を各々プレス成形後、粉砕して12〜20メ
ッシュに整粒した。整粒した各触媒2ccを常圧固定床
流通反応管に充填し、反応に供した。反応前処理とし
て、反応ガスを1000mL/minで流通させながら
550℃まで昇温し、30分保持した。その後、150
〜550℃の間の任意の温度で表1のモデルガスを使用
して触媒定常活性を調べた。この時の空間速度(体積基
準)は、30000hr-1であった。表2には各温度に
おけるNOx除去率を示した。尚、NOx除去率は次式
で表される。
【0041】NOx除去率={([NOx]in−[NO
x]out)/[NOx]in}×100 [NOx]in :入口ガスのNOx濃度 [NOx]out:出口ガスのNOx濃度 比較例1<比較触媒1の調製> 撹拌状態にある実容積2Lのオーバフロータイプの反応
槽に、珪酸ソーダ水溶液(SiO2:29.6%,Na2
O:9.35%,Al23:0.01%,H2O:6
1.04%)と、硫酸アルミニウム水溶液(Al23
8.8g/L,H2SO4;370g/L)とをそれぞれ
3L/hr,1L/hrの速度で連続的に供給した。反
応温度は30〜32℃、排出されるスラリーのpHは
6.7〜7.0であった。
【0042】排出スラリーを固液分離し十分洗浄した
後、Na2O;0.75wt%,Al23;0.77w
t%,SiO2;36.1wt%,H2O;62.5wt
%の粒状無定形アルミノ珪酸塩均一化合物を得た。該均
一化合物;2,860gと3.2wt%のNaOH水溶
液;6,150gとをオートクレーブに仕込み、160
℃で72時間撹拌下で結晶化した。生成物を固液分離、
水洗、乾燥してZSM−5型ゼオライトを得た。化学分
析の結果、その組成は無水ベースにおける酸化物のモル
比で表して次の組成を有していた。
【0043】1.03Na2O・Al23・41SiO2 また、このZSM−5型ゼオライトを電子顕微鏡(SE
M)で観察したところ、1〜3ミクロンの粒子径を有し
ていた。
【0044】上記ナトリウム型ZSM−5;200g
を、その中に含まれているアルミニウムに対して原子比
で2倍となるように精秤された濃度0.1mol/Lの
酢酸銅水溶液中に添加し、直ちに2.5%アンモニア水
を加えてスラリ−のpHを10.5とし、室温で20時
間攪拌した。固液分離後、十分洗浄し、110℃で20
時間乾燥して比較触媒1を得た。この比較触媒1の銅イ
オン含有量を化学分析で調べた結果、無水ベースの酸化
物モル比で表して次の組成を有していた。
【0045】1.74CuO・Al23・41SiO2 比較例2<比較触媒2の調製>比較例1で調製したナト
リウム型ゼオライト;10gを、その中に含まれている
アルミニウムに対して原子比で0.5倍となるように精
秤された濃度0.1mol/Lのテトラアンミン硝酸白
金水溶液中に添加し、直ちに2.5%−アンモニア水を
加えてスラリ−のpHを10.5とし、室温で20時間
撹拌した。固液分離後、十分洗浄し、110℃で20時
間乾燥して比較触媒2を得た。化学分析の結果、比較触
媒2は無水ベースにおける酸化物のモル比で表して次の
組成を有していた。
【0046】0.45PtO・0.51Na2O・Al2
3・41SiO2 比較例3<比較触媒3の調製> ボ−ルミル粉砕を行わなかったこと以外は、実施例3と
同様な操作を行って、アンモニウム型のゼオライトβを
調製した。
【0047】このアンモニウム型ゼオライトβ;10g
を、その中に含まれているアルミニウムに対して原子比
で2倍となるように精秤された濃度0.1mol/Lの
酢酸銅水溶液中に添加し、直ちに2.5%−アンモニア
水を加えてスラリ−のpHを10.5とし、室温で20
時間撹拌した。固液分離後、十分洗浄し、110℃で2
0時間乾燥して、比較触媒3を得た。化学分析の結果、
比較触媒3は無水ベ−スにおける酸化物のモル比で表し
て次の組成を有していた。
【0048】1.95CuO・Al23・36SiO 比較例4<触媒活性試験> 触媒1〜3、および比較触媒1〜3についてNOx転化
活性を実施例4と同様な条件で測定した。各温度におけ
るNOx除去率を表2に示す。
【0049】
【表1】
【0050】
【表2】
【0051】
【発明の効果】本発明の触媒を用いることにより、窒素
酸化物および炭化水素を含有する酸素過剰の排ガスから
窒素酸化物を、更に広い温度域で、より効率的に除去す
ることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 B01J 29/44 ZAB A 29/46 A 29/48 A B01D 53/36 102 H 102 A

Claims (1)

    【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有する酸
    素過剰の排ガス中の窒素酸化物を除去する方法におい
    て、粒子径が0.1ミクロン未満のゼオライトに1種類
    以上の遷移金属を含有させた触媒を、窒素酸化物および
    炭化水素を含有する酸素過剰の排ガスと接触させること
    を特徴とする窒素酸化物の除去方法。
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