KR20000008359A - 자동차 배기가스 정화용 촉매 - Google Patents

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B01J23/644—Arsenic, antimony or bismuth
    • B01J23/6447—Bismuth

Abstract

본 발명은 담체부, 및 담체부 상에 담지되어 있으며 귀금속 및 5A족 금속산화물로 된 주촉매 성분을 포함하는 자동차 배기가스 정화용 촉매가 개시되어 있다. 본 발명에 따른 촉매는 탄화수소, 일산화탄소 및 입자상 물질에 대해서도 비교적 양호한 제거 효율을 유지하면서 이산화황에 대한 산화율은 크게 낮출 수 있다. 따라서, 이산화황의 산화로 인해 나타나는 여러 가지 폐해, 예를 들면 산성비 유발, 입자상 오염 물질의 증가, 촉매열화 촉진 등을 방지할 수 있다는 잇점이 있다.

Description

자동차 배기가스 정화용 촉매
본 발명은 자동차 배기가스 정화용 촉매에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 황산화물에 대한 산화억제 활성을 나타낼 수 있는 자동차 배기가스 정화용 촉매에 관한 것이다.
최근들어 전세계적으로 환경파괴에 대한 우려와 함께 환경보호에 대한 관심이 높아지고 있는데, 환경오염은 대기오염, 수질오염, 토양오염 등으로 대별될 수 있다.
이중, 특히 대기오염에 의한 현상으로는 염화불화수소(CFC)의 사용으로 인한 오존층의 파괴, 화석 연료를 사용할 때 발생하는 이산화탄소에 의한 지구 온실화 등을 들 수 있다. 또한, 각종 오염물질 배출시설로부터 배출되는 황산화물, 질소산화물, 탄화수소 등은 동식물에 각종 질병을 유발한다.
대기오염은 주로 연소체로부터 발생되며 연소체의 배출시설 구조와 작동방법, 그리고 외부 기상조건 등에 의해 피해의 경중이 결정된다. 대표적인 연소체로는 자동차를 들 수 있다.
자동차는 다른 대기오염 배출시설과는 달리 움직이면서 오염물질을 배출한다는 특징을 가지고 있는데, 생활수준이 향상되면서 자동차 사용이 급속하게 증가됨에 따라 자동차로 인한 대기오염 문제가 심각해지고 있다.
자동차 배기가스의 성분과 배출량은 엔진의 온도, 압력 및 공기의 비율과 관계가 있다. 즉, 엔진의 공연비(air/fuel ratio)를 적절히 조절함으로써 배기가스 정화효율을 높일 수 있다. 또한 배기가스 성분과 배출량은 사용되는 연료원과 정화장치의 종류에 의해서도 크게 좌우된다.
가솔린을 연료원으로 사용하는 스파크 점화식 엔진에 의해 구동되는 자동차에 대해서는 삼원 촉매와 같은 배기가스 제거 기술이 많이 개발되고 있어서, 가솔린 차량에 의한 오염물질의 배출은 현저하게 감소되고 있다.
이에 반해, 경유를 연료원으로 사용하는 디젤식 엔진은 악성 오염물질을 다량 배출한다는 치명적인 단점이 있으나 열효율이 매우 좋기 때문에 많은 나라에서 트럭과 같은 대형차에 디젤식 엔진을 많이 장착하고 있다. 그럼에도 불구하고, 가솔린 자동차에 비해 경유를 사용하는 디젤 자동차의 배기가스를 정화시키는 기술은 매우 낙후된 상태여서 이에 대한 지속적인 연구가 요구되고 있다.
경유를 사용하는 디젤 자동차는 사용되는 연료원의 성분 특성과 엔진 기관의 구조적 특성이 가솔린 자동차와는 다르기 때문에 배출되는 오염물질의 성분도 다소 차이가 있는데, 일산화탄소 및 탄화수소의 배출량은 가솔린 자동차보다 적으나, 가솔린 자동차와는 달리 다량의 황산화물(SOx)과 입자상 물질을 배출한다.
특히, 경유 중에 다량 함유되어 있는 유황 성분이 문제가 되고 있는데, 유황 성분은 산소와 반응하여 이산화황을 배출한다.
그런데 현재 널리 사용되고 있는 촉매들은 각종 유해성분-미연소 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물, 가용성 유기물(SOF: soluble organic fraction) 등-에 대한 정화효율은 우수하지만 저온에서 이산화황을 다량 흡착한다는 단점이 있다. 이렇게 흡착된 이산화황은 350℃ 이상의 고온 분위기에서는 탈착하면서 촉매 성분에 의해 산화되거나 또는 스스로 산화되어 삼산화황을 배출하게 된다.
이렇게 배출되는 삼산화황은 수증기 등과 결합하여 황산을 만들어냄으로써 산성비의 폐해를 입히기고 하고, 그 자체가 결정 성장의 핵을 제공하여 입자상 물질의 생성을 증가시키기도 한다. 또한, 촉매에 피독인자로 작용하여 촉매 후처리 장치의 성능 저하를 촉진시키는 것은 물론 후처리 장치에 침착되어 배압증가 등의 폐해를 일으킨다.
따라서 촉매의 담체 및 활성 성분은 이산화황 분위기에서 안정해야 하고 이산화황을 산화시키지 않는 것이어야 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이산화황에 대한 산화력은 낮으면서 입자상 물질을 포함한 다른 배기가스 성분에 대한 정화 효율은 높은 자동차 배기가스 정화용 촉매를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 자동차 배기가스 정화용 촉매 및 통상의 자동차 배기가스 정화용 촉매의 황산화물 산화억제 활성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
본 발명의 기술적 과제는 담체부, 및 담체부 상에 담지되어 있으며 귀금속 및 5A족 금속산화물로 된 주촉매 성분을 포함하는 자동차 배기가스 정화용 촉매에 의하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 담체부는 이산화지르코니아, 이산화티탄,이산화실리콘 및 이산화주석으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 다공질체이며, 귀금속은 백금, 팔라듐 및 로듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로서 바람직하게는 백금이며, 담지량은 담체부의 총량을 기준으로 하여 0.01∼3중량%이다.
또한, 5A족 금속산화물은 바람직하게는 산화비스무트 (Bi2O3)이며, 담지량은 담체부의 총량을 기준으로 하여 0.058 내지 20중량%이다.
본 발명의 원리는 다음과 같다:
본 발명에서는 다공질체로서 본 발명의 분야에서 사용될 수 있는 것이면 특별한 제한을 두지 않고 사용될 수 있다. 그러나, 가솔린 자동차에서는 안정적인 담체로서 인정을 받고 있는 알루미나를 디젤 자동차용 촉매의 담체로서 사용할 경우, 디젤 자동차 배기가스 중에 포함되어 있는 이산화황을 저온에서 흡착하였다가 350℃ 이상의 고온이 되면 흡착한 이산화황을 삼산화황으로 산화시켜 배출하는데, 삼산화황은 대기 중의 수분과 반응하여 입자상 물질 생성시 결정핵으로서 작용하는 황산염을 생성하기 때문에 알루미나를 담체로 하는 촉매를 사용하면 입자상 물질의 배출량이 증가되고 촉매 성분의 열화를 촉진한다는 문제점이 있어 본 발명에서는 알루미나를 담체부로서 사용하지 않는다.
또한, 주촉매 성분중 하나인 귀금속은 입자상 물질뿐 아니라 일산화탄소 및 탄화수소 등에 대하여 높은 산화력을 나타내기는 하지만 이산화황에 대해서도 높은 산화력을 나타내기 때문에 이를 억제할 수 있는 성분이 필요하다.
본 발명에서는 5A족 금속산화물, 특히 산화비스무트가 귀금속과 이산화황과의 반응을 억제시킬 수 있다는 것에 착안하여 이를 귀금속과 함께 담체부에 담지시킴으로써 입자상 물질, 일산화탄소 및 탄화수소에 대해서는 높은 정화율을 나타내면서 이산화황의 산화력은 억제함으로써 입자상 물질의 발생을 억제하며 촉매의 내구성을 개선할 수 있다.
본 발명의 자동차 배기가스 정화용 촉매는 하기와 같은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있다.
먼저, 이산화지르코니아, 이산화티탄,이산화실리콘 및 이산화주석으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 다공질체를 담체로서 준비한다.
다음으로, 백금, 팔라듐 또는 로듐으로부터 선택된 귀금속의 염, 및 5A족 금속의 질산염을 에틸렌글리콜 또는 프로필렌글리콜 등과 같은 폴리올에 용해시켜 제조한 용액을 담체에 가하여 흡수시킨후, 소성하여 촉매를 수득한다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
실시예 1
4g의 에틸렌 글리콜에 0.018g의 Pt(NH3)4Cl2·H2O 및 2.081g의 Bi(NO3)3·5H2O을 용해시키고 이 용액을 10g의 TiO2에 서서히 첨가한 다음, 120℃에서 5시간 동안 건조시켰다. 건조된 분말을 500℃에서 3시간 동안 소성하여 촉매 A를 수득하였다.
이와 같이 만들어진 촉매를 디젤 자동차의 배기가스와 함께 반응기에 넣고 이산화황 산화율을 측정하였다. 측정시의 배기가스 조성 및 반응조건은 하기와 같다:
NO: 500ppm, O2: 10%, HC: 1,000ppm, CO: 1,500ppm, SO2: 200ppm
측정 온도: 200∼600℃
공간속도: 40,000h-1.
결과를 도 1에 나타내었다.
실시예 2
TiO2대신 ZrO2를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법을 실시하여 촉매 B를 수득한 다음, 그 활성을 실시예 1에서와 동일한 방법으로 측정하여 결과를 도 1에 나타내었다.
비교예 1
4g의 에틸렌 글리콜에 0.018g의 Pt(NH3)4Cl2·H2O을 용해시키고 이 용액을 10g의 TiO2에 서서히 첨가한 다음, 120℃에서 5시간 동안 건조시켰다. 건조된 분말을 500℃에서 3시간 동안 소성하여 촉매 C를 수득하였다.
이와 같이 만들어진 촉매 C에 대하여 실시예 1에서와 동일한 방법으로 이산화황 산화율을 측정하여 결과를 도 1에 나타내었다.
비교예 2
TiO2대신 ZrO2를 사용하는 것을 제외하고는 비교예 1에서와 동일한 방법을 실시하여 촉매 D를 수득한 다음, 그 활성을 실시예 1에서와 동일한 방법으로 측정하여 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1을 참조하여 보면, 본 발명에 따른 촉매 (촉매 A 및 B)의 이산화황 산화율은 400℃ 부근에서도 약 10% 미만에 불과하며, 450℃에 이르러서야 급격하게 높아지는 것을 알 수 있다.
이에 반해, 종래의 촉매 (촉매 C 및 D)의 경우에는 저온에서는 물론 고온에서도 이산화황의 산화율이 매우 높아서 350℃ 부근에서 심지어는 90%에 육박하는 산화율을 나타내는 것으로 나타났다.
본 발명에 따른 촉매는 탄화수소, 일산화탄소 및 입자상 물질에 대해서도 비교적 양호한 제거 효율을 유지하면서 이산화황에 대한 산화율은 크게 낮출 수 있다. 따라서, 이산화황의 산화로 인해 나타나는 여러 가지 폐해, 예를 들면 산성비 유발, 입자상 오염 물질의 증가, 촉매열화 촉진 등을 방지할 수 있다는 잇점이 있다.

Claims (7)

  1. 담체부, 및 담체부 상에 담지되어 있으며 귀금속 및 5A족 금속산화물로 된 주촉매 성분을 포함하는 자동차 배기가스 정화용 촉매.
  2. 제1항에 있어서, 담체부가 이산화지르코니아, 이산화티탄,이산화실리콘 및 이산화주석으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 다공질체인 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화용 촉매.
  3. 제1항에 있어서, 귀금속이 백금, 팔라듐 및 로듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화용 촉매.
  4. 제3항에 있어서, 귀금속이 백금인 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화용 촉매.
  5. 제1항에 있어서, 귀금속 담지량이 담체부의 총량을 기준으로 하여 0.01∼3중량%인 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화용 촉매.
  6. 제1항에 있어서, 5A족 금속산화물이 산화비스무트 (Bi2O3)인 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화용 촉매.
  7. 제1항에 있어서, 5A족 금속산화물의 담지량이 담체부의 총량을 기준으로 하여 0.05 내지 20중량%인 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화용 촉매.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100879965B1 (ko) * 2004-12-03 2009-01-23 도요타 지도샤（주） 배기가스정화용 촉매
KR100942080B1 (ko) * 2006-11-20 2010-02-12 나노스텔라 인코포레이티드 엔진 배기가스를 처리하기 위한 백금-비스무트 촉매

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