BRPI0718172A2 - Catalisadores de ce-zr-r-o-, artigos compreendendo os catalizadores ce-zr-r-o-, e métodeos para a fabricação e ea utilização dos catalizadores ce-zr-r-o- - Google Patents

Catalisadores de ce-zr-r-o-, artigos compreendendo os catalizadores ce-zr-r-o-, e métodeos para a fabricação e ea utilização dos catalizadores ce-zr-r-o- Download PDF

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Alexandra S Ivanova
Elena M Slavinskaya
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Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CATALISA- DORES DE Ce-Zr-R-O-, ARTIGOS COMPREENDENDO OS CATALISA- DORES Ce-Zr-R-O-, E MÉTODOS PARA A FABRICAÇÃO E EA UTILIZA- ÇÃO DOS CATALISADORES Ce-Zr-R-O-".
5 ANTECEDENTES
A presente exposição se refere a catalisadores, especificamente catalisadores seletivos para a redução catalítica compreendendo cério, zir- cônio e manganês e/ou tungstênio, e a métodos para a fabricação e a utili- zação dos mesmos.
Regulamentação de emissões com boas perspectivas de apro-
vação estão levando os fabricantes de equipamento original (os (OEM) a incorporar dispositivos de pós tratamento, como por exemplo, dispositivos de controle de exaustão, dentro dos sistemas de exaustão com a finalidade de ficarem de acordo com essas regulamentações. Esses dispositivos de con- 15 trole de emissão de exaustão podem incluir: conversores catalíticos (como por exemplo, catalisadores de três vias, catalisadores de oxidação, catalisa- dores de redução catalítica seletiva (SCR) e os semelhantes), dispositivos de emissões de evaporação, dispositivos de esfregação, (como por exemplo, hidrocarbonetos (HC), enxofre e os semelhantes, filtros particula- 20 dos/retentores, adsorventes/absorventes, reatores de plasma (como por e- xemplo, reatores de plasma não térmicos), e os semelhantes.
Um desafio principal em satisfazer as exigências com relação às futuras emissões de diesel é o tratamento dos óxidos de nitrogênio (NO=x) devido à proporção ar para combustível de exaustão inerentemente pesada. 25 Um método para o tratamento de NOx é o uso de catalisadores SDR que usam amônio como o agente de redução. Correntemente o amônio é produ- zido em um veículo através da injeção de uréia aquosa dentro do gás de exaustão quente, à montante do catalisador SCR. A uréia se decompõe em amônio no sistema de exaustão e é usada pelo catalisador SCR para reagir 30 com o NOx. A reação desejável compreende amônio NH3, óxidos de nitro- gênio (NOx), e oxigênio (O) sendo convertidos para nitrogênio (N2) e água (H2O) na presença do catalisador. Os sistemas de exaustão projetados em uma tentativa de satis- fazer os regulamentos de emissão tendem a ser complexos e altamente sensíveis a temperatura. Como resultado da sensibilidade à temperatura, muitos dos componentes do sistema requerem localizações específicas no 5 sistema de exaustão para inibir a desativação do componente (isto é, do ca- talisador no componente), e para atingir e manter a temperatura de operação do catalisador.
O que é continuadamente necessário na técnica são sistemas simplificados e/ou catalisadores que tenham uma faixa de operação mais ampla e por esse motivo permitam uma flexibilidade maior no projeto do sis- tema de exaustão.
É descrito aqui, neste pedido de patente catalisadores de redu- ção dos NOx, filtros particulados, sistemas de tratamento de exaustão e mé- todos para o tratamento da corrente de gás.
Em uma modalidade, um catalisador de redução dos NOx com-
preende Cea-Znb-Rc-Ad-Me-Ox. "R" é W e/ou Mn. Se "R" for W, "A" é selecio- nado a partir do grupo que consiste de Mo, Ta, Nb e combinações que com- preendam pelo menos um dos "A" precedentes, e se "R" for Μη, "A" é sele- cionado a partir do grupo que consiste de W, Mo, Ta, Nb e as combinações 20 que compreendam pelo menos um dos "A" precedentes. "M" é um íon triva- Iente de terra rara. a + b + c + d + e = 1. "a" é de cerca de 0,1 até cerca de 0,6, "b" é de cerca de 0,25 até cerca de 0,7, "c" é de cerca de 0,02 até cerca de 0,5; e se "R" for Mn, "d" é de cerca de 0,04 até cerca de 0,2, e se "R" for W, "d" é menos do que ou igual à cerca de 0,2, enquanto que "e" é menos 25 do que ou igual à cerca de 0,15. Catalisador de redução de NOx é capaz da redução de NOx.
Em uma modalidade, um filtro específico compreende um invó- lucro e um elemento de filtro para a remoção de matéria particulada a partir de uma corrente de gás. O elemento de filtro está disposto no interior do in- vólucro e compreende um catalisador de redução de NOx.
Em uma modalidade, um método para o tratamento de uma cor- rente de gás compreende a introdução da corrente de gás em um catalisador de redução de NOx e reduzindOo mais do que ou igual à cerca de 50% em volume de NOx na corrente de gás, com base no volume total de NOx inici- almente na corrente de gás, em que a corrente de gás tem uma temperatura de cerca de 150°C até cerca de 550°C.
Um outra modalidade, um método para o tratamento da corrente
de gás compreende: introdução do gás de exaustão em um filtro particulado sem tratamento do gás de exaustão com um catalisador de oxidação, pas- sando o gás de exaustão diretamente a partir do filtro particulado através de um SCR opcional e em seguida liberar o gás de exaustão diretamente para o 10 ambiente. Se o SCR estiver presente, o SCR e/ou o filtro particulado com- preende um catalisador de redução de NOx, e se o SCR não estiver presen- te, o filtro particulado compreende o catalisador de redução de NOx.
Em uma modalidade, um sistema de tratamento de NOx com- preende: um filtro particulado disposto para ser capaz de receber o gás de 15 exaustão que não tenha sido tratado com um catalisador de oxidação, e, opcionalmente um catalisador de SCR disposto á jusante e em comunicação fluida direta com o filtro particulado para o recebimento do gás diretamente a partir do filtro particulado, e uma saída para o meio ambiente em comunica- ção fluida direta com o SCR, se presente, ou com o filtro particulado se o 20 SCR não estiver presente. Se O SCR estiver presente, o SCR e/ou o filtro particulado compreendem um catalisador de redução, e se o SCR não esti- ver presente, o filtro particulado compreende o catalisador de redução de NOx.
O que está descrito acima e outras características serão apreci- adas e entendidas por aquelas pessoas versadas na técnica a partir da des- crição detalhada, dos desenhos e reivindicações em anexo que se seguem. DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS
Referência a seguir a figuras que são modalidades a titulo de exemplo, e nas quais elementos iguais são numerados da mesma forma.
A figura 1 é uma comparação gráfica do percentual de conver-
são de NOx em temperaturas de entrada diferentes com relação a um catali- sador CE-Zr-Mn-W-O e um catalisador MnCe. A figura 1 é uma comparação gráfica do percentual de conver- são de NOx em temperaturas de entrada diferentes com relação a um catali- sador CE-Zr-Mn-W-O velho versus catalisadores de VOx-WO3-TiO2 frescos e velhos.
A fig. 3 uma comparação gráfica do percentual de conversão de
NH3 com relação a temperaturas de entrada diferentes do catalisador Ce-Zr- Mn-W-O velho versus catalisadores de VOx-WO3-TiO2 frescos e velhos.
A figura 4 é uma comparação gráfica do percentual de conver- são de NOx em temperaturas de entrada diferentes com relação a outros catalisadores Ce-Zr-Mn-W-O velhos versus catalisadores de V0x-W03-Ti02 frescos e velhos.
A fig. 5 uma comparação gráfica do percentual de conversão de NH3 com relação a temperaturas de entrada diferentes para outros catalisa- dores Ce-Zr-Mn-W-O velhos versus catalisadores de VOx-WO3-TiO2 frescos e velhos.
A figura 6 é uma comparação gráfica do percentual de conver- são de NOx em temperaturas de entrada diferentes com relação a dois cata- lisadores diferentes de CE-Zr-Mn-W-O1 cada um envelhecido em duas tem- peraturas diferentes.
A figura 7 é uma comparação gráfica de dois catalisadores dife-
rentes de CE-Zr-Mn-W-O que foram envelhecidos à 950°C com relação a um catalisador VOx-WO3-TiO2 fresco.
A figura 8 é uma comparação gráfica de catalisadores de Mn com e sem Fe, por exemplo, compreendendo diversas quantidades de CE/Zr/Mn/Fe/La/Y.
A figura 9 é uma representação gráfica de como o teor de titânia afeta o catalisador CE-Zr-Mn.
DESCRIÇÃO DETALHADA
Os catalisadores de manganês não modificados têm uma janela estreita com relação à SCR de amônio devido a que em temperaturas mode- radas (como por exemplo, de 300°C). Esses catalisadores começam a oxi- dar o NH3 de forma não seletiva com relação aos NOx. A titânia foi o ele- mento lógico para ser tentado devido a que ele não se volatiliza em tempera- turas elevadas, porem ele não funciona bem com manganês. Com relação ao tungstênio, ele parece não ser provável de funcionar uma vez que ele tende a ser volátil em uma temperatura elevada. Por exemplo, os catalísado- 5 res de V-W-Ti-O nos quais W(VI) é sustentado sobre a superfície de octae- drita (anatásio) de titânia, sofre a partir do fato de que o WO3 pode se volati- Iizar em temperaturas de cerca de 600°C. Além disso, o WO3 é volátil quan- do sustentado sobre alumina. Por esse motivo, os catalisadores de Mn-W-Al- O não são presumidos como sendo viáveis depois do envelhecimento em 10 temperatura elevada.
Embora, segundo o nosso conhecimento, não existam relatos de tungstênio em sistemas de oxidação com um número de coordenação maior do que 6, foi procurada uma estrutura da fluorita de tungstênio. Na fluorita, todos os átomos estão em posições cristalográficas normais, os á- 15 tomos de metal são coordenados através de 8 átomos de oxigênio, com o átomo de metal no centro de um cubo de 8 átomos de oxigênio.
Algumas modalidades das composições Ce-Zr-R-A-M-O (como por exemplo, o catalisador Ce-Zr-Mn-W-O e o catalisador CE-Zr-W-O) pare- ce resolver um ou mais dos problemas acima. A janela de temperatura ex- 20 pandida, e nenhuma evidência de volatilização do tungstênio à 850°C e 950°C foram encontradas. Como oposto a meramente uma mistura intima de WO3 com outro óxido, acredita-se que nossa composição é um novo com- posto. O fato de que o tungstênio aparece ir para dentro da estrutura da fluo- rita nas presentes composições é improcedente. Além disso, a presença si- 25 multânea de Ce-Zr-Mn-A-O (no qual A é W, Nb, Ta, e/ou Mo) em um fluorito também é improcedente, como é a presença simultânea de Ce-Zr-W-A-O (na qual A, que é opcional, é (Nb, Ta, e/ou Mo) em um fluorito. Para não ficar ligados por teoria, com relação ao tungstênio a estrutura da fluorita é consi- derada como sendo significativa devido a que, ao contrario da alumina(tanto 30 espinel Y-AI2O3 ou o corundum a-AI203) ou titânia (tanto o anatásio ou o ruti- lo) ou sílica (seja como um zeólito, ou sílica amorfa, ou quartzo), a estrutura da fluorita acomoda os átomos de tungstênio em posições de treliça. Nos outros óxidos, o tungstênio está meramente misturado com o óxido e não faz parte da treliça.
O catalisador de Ce-Zr-R-A-M-O, por exemplo um catalisador de fluorita meio porosa de Ce-Zn-Mn-A-M-O (que compreende opcionalmen- te tanto as fases de fluorita como o MnWO), é um catalisador de redução de NOx1 que pode chegar a temperaturas "light-off" de cerca de 150°C, com a conversão de NOx à cerca de 150°C até cerca de 300°C, e a estabilidade térmica de até, e excedendo a cerca de 859°C. Na forma usada aqui, neste pedido de patente, um material é "meio poroso" se mais do que ou igual a 50% do volume de poros do mesmo é em poros quer tenham um tamanho (como medido ao longo de um eixo maios) de 2 nanômetros (nm) até 50 nm. Esta catalisador é especificamente útil para a redução dos NOx e é capaz de reduzir os NOx sem a necessidade de um catalisador de metal precioso (como por exemplo, sem a necessidade de converter algum do NO para NO2). Dois mecanismos comuns para a redução catalítica de NOx1 conheci- dos como a "Reação Padrão" e a "Reação Rápida" são:
4N0 + 4NH2 + O2 -> 4N2 + 6H2O Reação Padrão
2N0 = 2N02 + 4NH3 -» 4N2 + 6H2O Reação Rápida
Quando a "reação Padrão" atinge melhores resultados, um catalisador para 20 a formação de NO2 não é necessário; como por exemplo, nenhum catalisa- dor de metal precioso (por exemplo, a platina) é necessário com ou à mon- tante do catalisador de NOx. Catalisador pode ser empregado como um dis- positivo SCR à jusante, por exemplo, e catalisador "underfloor" ou descarta- do depois de um filtro particulado, ou pode ser combinado com o filtro parti- 25 culado para a redução do NOx e também para a eliminação da fuligem.
Se o dispositivo SCR está á jusante do catalisador Ce-Zr-R-A- M-O que funciona como um filtro particulado, o catalisador SCR pode ser de qualquer um de vários materiais conhecidos como reduzindo o NOx com amônio, tal como os zeólitos que contenham cobre ou ferro, ou vanádia (op- 30 cionalmente com tugsta ou molibdena) sustentado sobre anatásio ou titânia de anatásio. Em outra modalidade 0 catalisador Ce-Zr-R-A-M-O pode estar disposto no SCR1 à jusante de um filtro particulado. A fórmula do catalisador é Cea-Znb-Rc-Ad-Me-Ox. Os subscritos a, b, c, d, e e x, representam frações atômicas, submetidas à condição de que (a + b + c + d = e = 1). Além disso, o valor de "a" pode ser de cerca de 0,1 até cerca de 0,6, ou mais especificamente de cerca de 0,25 até cerca de 5 0,65 e ainda mais especificamente de cerca de 0,3 até cerca de 0,4. "b" po- de ser de cerca de 0,25 até cerca de 0,7 ou, mais especificamente de cerca de 0,3 até cerca de 0,6 e ainda mais especificamente de cerca de 0,35 até cerca de 0,5.
"c" pode ser de cerca de 0,02 até cerca de 0,5 ou, mais especificamente de 10 cerca de 0,1 até cerca de 0,4 e ainda mais especificamente de cerca de 0,2 até cerca de 0,35, ou em algumas modalidades de 0,05 até cerca de 0,2. Quando "R" for Mn, "d" pode ser de cerca de 0,04 até cerca de 0,2, ou mais especificamente de cerca de 0,05 até cerca de 0,15, e ainda mais especifi- camente de cerca de 0,07 até cerca de 0,12. Quando "R" for W, "d" pode ser 15 de menos do que ou igual à cerca de 0,2, ou mais especificamente, de cerca de 0,04 até cerca de 0,2, ainda de forma mais especifica de cerca de 0,05 até cerca de 0,15, e ainda amais especificamente de cerca de 0,07 até cerca de 0,12. "e" pode ser menos do que ou igual à cerca de 0,15, ou mais espe- cificamente de cerca de 0,03 até cerca de 0,1. O valor exato para "x" (e por 20 esse motivo o valor exato para δ) depende do tipo do componente de metal, a carga do mesmo, a fração atômica e a exigência de que aquele óxido de metal tenha uma carga total neutra. Os exemplos de catalisadores incluem, por exemplo, Ceo,35-Zro,35-Mno,25-Wo,o5-0; Ceo,3o-Zro,3o-Mno,3o-Wo,i-0; e Ceo,45_ Zr0 ,45^0,1-02+6-
"R" é Mn ou W. Se "R" for Μη, "A" compreende W, Mo, Ta e Nb,
bem como as combinações que compreendem pelo menos um dos prece- dentes. Se R for W, A, que é opcional, compreende Mo, Ta e Nb, bem como as combinações que compreendem pelo menos um dos precedentes. "M", que é opcional, compreende íon(s) trivalente(s) de terras raras (como por 30 exemplo, disprósio (Dy), érbio (Er), itérbio (Yb), hólmio (Ho), érbio (Er), túlio (Tm), lantânio (La). ítrio (Y), lutécio (Lu), samário (Sm) e gadolínio (Gd), bem como as combinações que compreendem pelo menos um dos precedentes. Em algumas modalidades, o catalisador é isento de La e de Y. Como defini- do aqui, neste pedido de patente, "isento" significa que o La e o Y não foram adicionados ao catalisador, porem podem existir como uma impureza em um reagente usado para a fabricação do catalisador.
O catalisador Cea-Znb-Rc-Ad-Me-Ox pode ser formado em diver-
sos modos. Por exemplo, os sais solúveis em água de cério, zircônio, "M" e "R" (se "R" for Mn), podem ser preparados em uma solução suficientemente acida para dissolver os sais (como por exemplo, soluções ligeiramente aci- das, tais como com um pH de menos do que ou igual à cerca de 2,0, ou 10 mais especificamente, um pH de cera de 3 até cerca de 2,0). Para W, no entanto (quando "W" for W) um sal solúvel em água de tungstênio, de prefe- rência o tungstenato de sódio ou tungstenato de amônio, é preparado, por exemplo, através da dissolução do sal em água para dar uma solução com um pH de cerca de 7,5 até cerca de 10,0, ou mais especificamente, de cerca 15 de 7,5 até cerca de 9,0. Um sal (por exemplo um sal de sódio ou um sal de amônio) der "A" pode ser dissolvido dentro da solução básica (como por e- xemplo, que tenha um pH de cerca de 7,5 até cerca de 10,0). Por exemplo, para cério, zircônio, "R" (quando "R" for Mn), e "M", os sais podem ser nitra- tos, acetatos e/ou cloretos (de preferência nitratos e/ou acetatos), com o áci- 20 do nítrico ou o ácido acético sendo os ácidos adequados para a acidificação dessa solução. Para "A" e "R" (quando "R" for W), o sal pode ser os sais de álcali ou de amônio (de preferência sais de sódio), com, o hidróxido de só- dio, hidróxido de potássio, ou hidróxido de tetraalquilamônio opcionalmente presentes para a manutenção de uma solução adequadamente básica.
Os sais podem ser dissolvidos separadamente nas soluções
apropriadas e em seguida combinados. Alternativamente, as soluções áci- das podem ser formadas como uma solução e as soluções básicas podem ser formadas como uma solução. Em um exemplo, o nitrato do hidrato de cério (III) pode ser dissolvido em água sem o ácido adicional, por exemplo, 30 para produzir uma solução com um pH de cerca de 1,2 até cerca de 1,4. O hidrato de nitrato de zirconil pode ser dissolvido em água com um pouco de ácido nítrico, por exemplo, para produzir uma solução com um pH de cerca de 0,7, enquanto que o nitrato de manganês pode ser dissolvido sem ácido extra, por exemplo, para produzir uma solução com um pH de cerca de 1,4. Essas soluções podem, opcionalmente, ser combinadas inicialmente para a formação de uma única solução ácida para a combinação com a solução ou soluções básicas, ou cada uma pode ser combinada diretamente com a so- lução ou soluções básicas em uma única etapa. Com relação à solução bá- sica, Na2WO4, por exemplo, pode ser dissolvido sem base extra, por exem- plo, para produzir uma solução com um pH de cerca de 8,5 e/ou [NH4]ioW1204i pode ser dissolvido sem base extra, para produzir, por exem- pio, uma solução com um pH de cerca de 7,8 a 8,0. Os molibdatos, tantala- tos, ou niobatos de sódio ou de amônio podem ser dissolvidos de forma simi- lar. Tal como as soluções ácidas, as soluções básicas podem ser inicialmen- te combinadas para a formação de uma única solução básica, ou podem ser adicionadas de forma individual diretamente à solução ou soluções ácidas para a formação do precipitado.
Essas soluções podem ser misturadas, por exemplo, através da adição da solução ou soluções básicas à solução ou soluções ácidas para a formação de um precipitado inicial. O aquecimento opcional, como por e- xemplo, para cerca de 50°C ate cerca de 90°C, e uma ou mais das soluções, 20 antes da misturação, pode ser empregado. A precipitação é completada a- través da adição de NaOH ou de KOH para a elevação do pH, por exemplo, para cerca de 8,8 até cerca de 9,2. A solução é em seguida opcionalmente aquecida para uma temperatura de cerca de 50°C até cerca de 90°C, ou mais especificamente, cerca de 60°C até cerca de 80°C (como por exemplo, 25 de cerca de 70°C), e agitada durante menos do que ou igual à cerca de 6 horas ou isso (como por exemplo, de cerca de 1 até cerca de 6 horas, ou de forma mais especifica, de cerca de 1,5 até cerca de 2,5 horas(por exemplo, cerca de 2 horas)). O precipitado pode em seguida ser lavado para a remo- ção dos sais solúveis, secado (por exemplo, de forma ativa e/ou passiva) e 30 calcinado. A calcinação pode ser em uma temperatura de menos do que ou igual à cerca de 700°C, ou mais especificamente, cerca de 600°C até cerca de 700°C, ou ainda mais especificamente, de cerca de 650°C até cerca de 700°C.
É possível a fabricação e o uso de soluções precursoras com concentrações de XO2 de 100 gramas por litro (g/litro) ou mais (em que "X" representa CE, Zr, "R" (quando "R" for Mn) e "M"), Nessa nomenclatura de XO2, a quantidade de CeO2 ZrO2 e MnO2 equivalente ao sal CE(III) (como por exemplo o nitrato de Ce(III), sal de zirconil (como por exemplo nitrato de zirconil) e sal de Mn(II) (como por exemplo, o nitrato de Mn(II), é calculada e colocada na solução precursora (como por exemplo, a solução de nitrato). Quando "R" for W, uma solução inicial que contenha uma concentração de tungstênio equivalente a até 20 g/litro de WO3 é preparada. Por exemplo, a concentração de tungstênio, em sua solução básica antes da adição à solu- ção ou as soluções acidas de XO2, pode ser equivalente a de cerca de 15 g/litro até cerca de 25 g/litro de WO3 (por exemplo, cerca de 20 g/litro de WO3), enquanto que a concentração de CE, Zr, Mn e "M" pode, cada uma ser de cerca de 50 g XO2/ litro até cerca de 100 g de XO2/ litro.
Também é observado que, embora precursores de nitratos se- jam usados na preparação das amostras acima, é possível a utilização de outros sais solúveis em água de cério, zircônio e manganês, incluindo, por exemplo, os sais de acetato e/ou de cloreto. Se forem usados os sais de 20 cloreto, o precipitado será selado para assegurar a remoção essencialmente completa do cloreto de sódio.
É notado que nem todos os materiais proporcionam catalisado- res desejáveis. Como pode ser observado na Figura 8, um catalisador de seis componentes de Ce-Zr-La-Y-Mn-Fe (linha 807), embora possuindo uma 25 estrutura de fluorita termicamente estável depois do tratamento a 1.OOO0C, é menos ativo com relação ao SCR do que composições similares menos complexas. Somente níveis baixos (de cerca de 2 moles%) de ambos Mn e Fe estavam presentes naquele material. As concentrações mais elevadas de manganês também estão mostradas na Figura 8. O aumento da fração de 30 olés de Mn a partir de 2% até 30% resultou em um alargamento gradual, para baixas temperaturas, da janela de redução de NOx (linhas 8,1, 803, 805 e 809). De modo similar, o emprego de dióxido de titânio (TiO2), por exemplo, o uso de quantidades variadas de TiO2 na composição, não au- mentou o desempenho como está ilustrado na Figura 9. A Figura 9 ilustra realmente que a titânia está falhando na diminuição da oxidação parasita em 5 temperaturas maiores do que ou iguais a cerca de 450°C. Como pode ser observado, na medida em que a quantidade de titânia no catalisador aumen- ta, a conversão do NOx do catalisador diminui (linha 901 (menos quantidade de titânia (2,5 moles%)) até a linha 907 (maior quantidade de titânia (20 mo- les0/))).
A estrutura do catalisador pode afetar o desempenho, como por
exemplo, a conversão de NOx e/ou NH3. Ambos (NH4)10Wi2O4I e Na2(WO4) tem provado serem úteis para a síntese do catalisador Ce-Zr-R-A-M-O. É observado que em alguns dos catalisadores sintetizados, o catalisador con- tem ambas as fases de fluorita e de MnWO4. Em seguida, poderemos fazer um calculo em bruto da proporção de fluorita para MnWO4 no Ce0,3-Zro,3- Mn0,3-W0ii-O0,i que tenha sido calcinado à 700°C com base em nossos re- sultados da difração de raios X. Foram examinados os 200 reflexos de fluori- ta e o reflexo 011 de MnWO4. A característica m ais intensa dos padrões de difração de raios X ocorrer a cerca de 30° 2-teta em nosso padrão de difra- ção; esta intensidade de difração resulta a partir da contribuição da fluorita (100) e MnWO4 (1-bar 1 1). Desse modo, baseamos a nossa análise sobre o reflexo devido somente a fluorita, a saber os (200) reflexos que ocorreram a cerca de 34° 2-theta e (011) para MnWO4 que ocorreram a cerca de 26° 2- teta. Nós determinamos a intensidade máxima desses dois reflexos e pesa- dos os mesmos de acordo com a intensidade relativa desses reflexos, como reportados nos carões JCPDS 13-0434 (para o MnWO4) e 43-1002 (para o CeO2). JPPDS é um acrônimo para Joint Committee on Powder Diffraction Standards, agora associados com o International Centre for Diffraction Data. A proporção de MnWO4 para fluorita pode ser descrita, em bruto como (N. do T.: copiar a fórmula que se segue no texto da pag. 9 do doc. orig.)
A proporção de MnWO4 para fluorita pode ser de menos do que ou igual à cerca de 0,25, ou de modo mais específico de menos do que ou igual à cer- ca de 0,15.
Um método de síntese a titulo de exemplo compreende a disso- lução de uma quantidade apropriada de Na2WO4 em uma solução aquosa de hidróxido alcalino (por exemplo, uma solução de NaOH e/ou KOH). Sepa- 5 radamente, os nitratos de cério, zircônio e manganês (como por exemplo,o hidrato de Ce(NO3)S,hidrato de ZrO(NO3), e Mn(NO3)2) podem ser dissolvi- dos em uma solução aquosa acida que contenha opcionalmente um pouco de ácido nítrico para promover a dissolução. Essas soluções são combina- das de forma lenta e o material de Ce-Zr-Mn-W-O é precipitado. O precipita- 10 do é lavado e calcinado.
Quando o catalisador de Ce-Zr-R-A-M-O é usado no dispositivo SCR, por exemplo em uma localização "underfloor", o dispositivo SCR com- preende um suporte poroso com o catalisador Ce-Zr-R-A-M-O localizado dentro do mesmo e/ou sobre o mesmo. Os exemplos de materiais de supor- 15 te poroso incluem cordierite, suportes metálicos, carbureto de sílica (SiC), alumina (por exemplo, alumina reforçada com zircônio) e os semelhantes, bem como as combinações que compreenda, pelo menos um dos materiais precedentes. O suporte poroso pode estar na forma de um monólito, espon- ja, folha e assim por diante, e pode também compreender um revestimento 20 de proteção, como por exemplo, de fosfato ou de fosfato de metal.
O catalisador de Ce-Zr-R-A-M-O pode, de forma alternativa ou em adição, ficar localizado no filtro particulado. O filtro particulado pode compreender qualquer filtro ou modelo capaz da remoção de matéria parti- culada a partir da corrente de exaustão e impedir a emissão de TAC matéria 25 particulada para dentro da atmosfera. Além disso, quando o catalisador de Ce-Zr-R-A-M-O também está disposto no filtro, o filtro e capaz da redução de NOx. Por exemplo, depois da calcinação à 600°C, alguns dos catalisadores de Ce-Zr-R-A-M-O são capazes de converter o NOx para baixo até menos do que 50 partes por milhão em volume (ppm), (isto é, uma conversão de 30 85%) que pode ser atingida sobre uma temperatura de cerca de 200°C até cerca de 415°C.
Como observado acima, o catalisador Ce-Zr-R-A-M-O pode ser usado em um filtro particulado. Um filtro particulado em geral compreende um invólucro e um elemento de filtro com material de retenção disposto entre eles. 0 elemento de filtro remove a matéria particulada da corrente de e- xaustão. O elemento de filtro pode compreender qualquer material destina- 5 do para ser usado no ambiente e que possa remover matéria particulada a partir de uma corrente gasosa. Alguns materiais possíveis incluem cerâmi- cas (como por exemplo, cerâmicas extrudadas), metais (como por exemplo, metais sinterizados extrudados), e carbureto de sílica, e assim por diante, bem como as combinações que compreendam pelo menos um dos materiais 10 precedentes, tais como a cordierite, óxido de alumínio, fosfato de alumínio, aço sinterizado (tal como aço inoxidável sinterizado). Por exemplo, o ele- mento de filtro pode com prender um material de cerâmica permeável ao gás que tenha uma estrutura de favo de mel consistindo de uma pluralidade de canais, como por exemplo, canais paralelos. Os canais podem ser divididos 15 em canais de entrada alternando com canais de saída. Os canais de entrada são abertos em uma extremidade de entrada do elemento de filtro e fecha- dos na extremidade oposta do elemento de filtro, enquanto que os canais de saída são fechados na extremidade de entrada e abertos na extremidade de saída. Os canais de entrada e de saída são separados por paredes laterais 20 longitudinais porosas que permitem que os gases de exaustão passem a partir dos canais de entrada para os canais de saída ao longo do compri- mento dos mesmos.
Opcionalmente, uma composição apropriada para a oxidação da fuligem pode estar disposta em um ou mais dos canais de entrada, en- 25 quanto que o catalisador Ce-Zr-R-A-M-O pode estar disposto em um ou mais dos canais de saída. Esses materiais podem ser lavados, revestidos, embe- bidos, impregnados, absorvidos fisicamente, absorvidos quimicamente, pre- cipitados, pulverizados ou aplicados de outra forma ao elemento de filtro. Dependendo da localização do catalisador de Ce-Zr-R-A-M-O no filtro parti- 30 culado, a composição para a oxidação da fuligem também pode ser escolhi- da com relação à reatividade da mesma com outros componentes da exaus- tão. Por exemplo, pode ser escolhida uma composição de oxidação de fuli- gem que não oxide de forma não seletiva a amônia (ou a uréia) sem a co- reação de NOx1 dentro da faixa de temperatura de interesse (como por e- xemplo, de 150°C até cerca de 500°C ou aproximadamente).
Os catalisadores de oxidação de fuligem são quaisquer materi- 5 ais capazes de oxidar a fuligem, com uma temperatura de ignição abaixo de cerca de 550°C, que não tenha atividade para a oxidação do NH3 em tem- peraturas abaixo de cerca de 600°C. Os exemplos possíveis de tais catali- sadores são aqueles dos catalisadores discutidos na Publicação da Patente U.S. No. 2005-0282698 que não tem a atividade de oxidação da amônia. 10 Muitas composições de catalisadores com base em metal irão prover esse tipo de atividade. Em geral, no entanto, os catalisadores de oxidação de fuli- gem que contem platina (PT) e/ou paládio (Pd) não serão adequados.
Se for empregado um catalisador de oxidação tal como o dispo- sitivo SDR1 o catalisador de oxidação compreende um substrato, material 15 catalítico e um envoltório, com um material de retenção disposto entre o substrato e o envoltório. O material ou materiais catalíticos para o catalisador de oxidação podem ser um catalisador capaz de oxidar pelo menos um de HC e CO para água e CO2 respectivamente, e de preferência que não oxide NO para NO2. O substrato pode compreender materiais empregados no filtro 20 particulado e;ou no dispositivo SCR. Embora o substrato possa ter qualquer tamanho ou geometria, o tamanho e a geometria são escolhidos de prefe- rência para otimizar a área de superfície no referido dispositivo de controle de emissão de exaustão. Tipicamente, o substrato tem uma geometria de favo de mel, com os canais através dos favos tendo qualquer formato de 25 paredes múltiplas ou arredondado, com substancialmente geometrias subs- tancialmente quadradas, triangulares, pentagonais, hexagonais, heptagonais ou octogonais ou similares, de preferência devido à facilidade de fabricação e de área de superfície aumentada.
Como mencionado acima, aparentemente devido ao mecanismo de operação do presente catalisador, o catalisador tem uma redução de NOx e conversão de amônia melhorada quando operado sob condições de "Rea- ção Padrão". Como resultado a exaustão a partir de um motor diesel pode opcionalmente ser passada a partir do tubo de distribuição diretamente atra- vés do filtro particulado e a partir do filtro particulado, diretamente através de um SCR opcional e em seguida diretamente descarregada no ambiente (isto é, sem o uso de outros dispositivos, ou de dispositivos adicionais de trata- mento de exaustão). Nesta modalidade, o catalisador de Ce-Zr-R-A-M-O pode estar disposto no filtro particulado e/ou no SCR. Sem levar em conta a localização do catalisador, a amônia (uréia) também é introduzida para o catalisador através da introdução diretamente para o dispositivo que com- preende o catalisador, ou a introdução na corrente de exaustão à montante do mesmo. Alternativamente a amônia pode ser produzida no local através da dessorção da amônia a partir de um sal amoníaco tal como o Mg(NH3)6CI2 contido em um sistema dedicado de suprimento de amônia. Uma vez que o catalisador tenha alcançado uma temperatura maior do que ou igual a 150°C, ele alcança "light -off", convertendo o NH3 e o NOx em ni- trogênio e água.
Se o catalisador estiver localizado no filtro particulado, como por exemplo, nos canais de saída do filtro, a corrente de exaustão flui para den- tro dos canais de entrada e passa através das paredes dos canais, filtrando dessa forma a fuligem e a matéria particulada a partir da corrente. Na medi- 20 da em que a corrente passa através dos canais de saída, O NOx e a amônia são convertidos em nitrogênio e água. Depois que a corrente sai do filtro, ela pode opcionalmente ser tratada para oxidar o HC e o CO na corrente antes da liberação para o meio ambiente.
Quando é empregado um catalisador de oxidação, é de prefe- 25 rência o emprego de um catalisador de oxidação que não converta o NO para o NO2, porem que oxide o HC e o CO. A partir do catalisador de oxida- ção, a corrente pode passar através de um filtro particulado para a remoção da fuligem e/ou de outra matéria particulada. Se o catalisador de Ce-Zr-R-A- M-O não está localizado no filtro, o NOx é reduzido à jusante em um SCR 30 que compreenda o catalisador Ce-Zr-R-A-M-O.
Os exemplos que se seguem são providos meramente como uma ilustração adicional do presente catalisador de Ce-Zr-R-A-M-O e não para limitar o âmbito deste pedido de patente.
EXEMPLOS
Exemplo 1: A amostra 1 é um catalisador de Ce0i35-Zr0t35-Mn0i25-W0i05-O2.
168,3 mililitros (ml) de uma solução de para-tungstenato de a- 5 mônia, (NH4)10W12O4-I (concentração 12,5 gramas (g) de WO3 por litro (I)), foram vertidos em uma solução obtida através da misturação de 220,5 ml de (CE(NO3)3, 158 ml de ZrO(NO3)2 e 79,5 ml de Mn(NO3)2, com concentrações de 50 g de M02/l. O despejo do para-tungstenato de amônia, foi executado em temperatura ambiente (20 a 23°C) em uma velocidade de 10 mililitros por 10 minuto (ml/min) sob agitação intensa. Depois que o para-tungstenato de a- mônia foi adicionado à solução misturada de nitrato, uma suspensão resul- tante foi aquecida para 70°C e em seguida 2N KOH foram adicionados até atingir o pH 9 ± 0,1. A suspensão foi agitada sob essas condições durante 2 horas. A suspensão foi filtrada e o precipitado foi lavado com água destilada 15 até que houvesse a ausência de nitrato no filtrado. Finalmente, o precipitado foi lavado com etanol. O precipitado foi secado primeiro ao ar e em seguida em um forno de secagem à 110°C até 120°C durante de 12 até 14 horas e, depois disso foi calcinado à 600°C durante 4 horas Exemplo 2: A amostra 2 é um catalisador de Ceo,3-Zro,3-Mno,3-Wo,r02.
336,5 mililitros (ml) de uma solução de para-tungstenato de a-
mônia, (NH4)10Wi2O4I (concentração 12,5 gramas (g) de WO3 por litro (I)), foram vertidos em uma solução obtida através da misturação de 187 ml de (CE(NO3)3, 134 ml de ZrO(NO3)2 e 95 ml de Mn(NO3)2, com concentrações de 50 g de M02/l. O despejo do para-tungstenato de amônia, foi executado 25 em temperatura ambiente (20 a 23°C) em uma velocidade de 10 mililitros por minuto (ml/min) sob agitação intensa. Depois que o para-tungstenato de a- mônia foi adicionado à solução misturada de nitrato, uma suspensão resul- tante foi aquecida para 70°C m seguida 2N KOH foram adicionados até atin- gir o pH 9 ± 0,1. A suspensão foi agitada sob essas condições durante 2 ho- 30 ras. A suspensão foi filtrada e 0 precipitado foi lavado com água destilada até que houvesse a ausência de nitrato no filtrado. Finalmente, o precipitado foi lavado com etanol. O precipitado foi secado primeiro ao ar e em seguida em um forno de secagem à 1100C até 120°C durante de 12 até 14 horas e, depois disso foi calcinado à 600°C durante 4 horas
Quando calcinado em baixas temperaturas (como por exemplo, de menos do que ou igual a 700°C) ambos os materiais (Amostra 1 e Amos- 5 tra 2) compreendem uma estrutura de fluorita. Além disso, foi detectado MnWO4 na amostra 2 depois da calcinação à 700°C, porem não depois da calcinação a 6-00°C, enquanto que o MnWO4 não é detectado depois da calcinação à 600°C ou 700°C. na Amostra 1.
As Amostras 1 e 2, frescas ou envelhecidas, bem como os cata- 10 Iisadores em referência (como é explicado em cada figura) foram testadas. As condições de envelhecimento foram 16 horas (hrs) na temperatura de envelhecimento em um ambiente compreendendo 28 partes por milhão em volume (ppm) de SO2, 4,5 volumes por cento (vol%) de H2O, 214% volumes por cento de O2, 0 restante de N2 e Ar. As condições de avaliação que foram 15 então empregadas para o teste do catalisador compreenderam: 350 ppm de No, 350 ppm NH3, 4,5 volumes por cento de O2, o restante He.
A figura 2 ilustra graficamente uma comparação da redução de NOx com relação à amostra 2 comparada com um material de MnCe. O MnCe contem, formalmente, cerca de 50% em peso de MnO2 e 50% de Ce- 20 O2. A análise por difração de raios X revela duas fases: CeO2 e MnO2. Uma contração do parâmetro da treliça de CeO2 da fluorita indica alguma adição de céria com uma ocupação parcial por átomos de manganês na posição do cério. Como é evidente a partir dos gráficos, o catalisador de MnCe (linha 101) tem uma janela de redução de NOx de cerca de 150°C até 275°C, e em 25 seguida na realidade oxida o NH3 para NOx em temperaturas de cerca de 300°C e maiores. A amostra 2 (linha 103) tem uma janela de redução de NOx de cerca de 150°C até cerca de 475°C, com a oxidação de NH3 para NOx, não ocorrendo até temperaturas que excedam a 500°C e mesmo exce- dendo a 525°C. A adição de W para a composição alargou a janela de redu- 30 ção de NOx para temperaturas mais altas. As janelas de redução de NOx maiores do que ou iguais a cerca de 350°C e mesmo maiores do que ou i- guais a cerca de 400°C (como por exemplo, de cerca de 200°C até cerca de 600°C ou mais), podem ser obtidas com um catalisador de Ce-Zr-W-A-M-O, no qual ambos os "A" e "M" sejam opcionais, como por exemplo, Ceo,45- Zr0, 45-W0,02-O2+5 do que sendo sinterizado à 600°C.
A Figura 2 compara a conversão de NOx para a Amostra 2 de- 5 pois do envelhecimento à 700°C (linha 201) e da Amostra 2 depois do enve- lhecimento à 850°C (linha 203), com relação ao catalisador de referência VOx-WO3-TiO2 fresco e envelhecido à 850°C (linhas 205 e 207, respectiva- mente). A inspeção revelou que o catalisador de referência foi completamen- te desativado com relação à redução de NOx depois de envelhecido à 850°C 10 (linha 207). A amostra 2 envelhecida à 700°C (linha 201) teve um desempe- nho melhor do que mesmo o catalisador de referência fresco (linha 205) en- quanto que a Amostra 2 envelhecida à 850°C (linha 203) teve um desempe- nho ligeiramente pios do que 0 catalisador de referência fresco (linha 205).
A Figura 3 compara a conversão de NH3 com relação à Amostra 2 depois do envelhecimento à 700°C (linha 301), e a Amostra 2 depois do envelhecimento à 850°C (linha 303), com relação ao catalisador de referên- cia Vox-WO2-TiO2 fresco e à 850°C (linhas 305 e 307, respectivamente). A conversão de NH3 com relação á Amostra 2 envelhecida é ligeiramente me- lhor do que a conversão de NH3 com relação ao catalisador de referência fresco. Depois do envelhecimento, o catalisador de referência fica desativa- do de forma bastante substancial com relação à conversão do NH3 (linha 307). Catalisadorde referência fresco (linha 305) atingiu próximo a 100% de conversão de NH3 em temperaturas maiores do que 275°C, com o "light-off” à cerca de 240°C, enquanto que o catalisador de referência envelhecido (li- nha 307) não checou perto de 100% de conversão do NH3 até temperaturas maiores do que 550°C, como "light-off" à cerca de 525°C. A Amostra 2, mesmo envelhecida à 850°C (linha 303) atingiu a conversão do NH3 em temperaturas maiores do que ou iguais a cerca de 275°C com o "light-off" em torno de 240°C. A Amostra 2 que ficou somente envelhecida à 700°C (linha 301) chegou na realidade ao "light-off" em temperaturas de menos do que ou iguais a cerca de 200°C, com a conversão de NH3 em temperaturas maiores do que ou iguais a cerca de 260°C. A figura 4 mostra tendências análogas envolvendo a Amostra 1. Essa figura compara a conversão de NOx com relação à Amostra 1 depois do envelhecimento à 700°C (linha 401), e a Amostra 1 depois do envelheci- mento a 850°C (linha 403) com relação ao catalisador de referência Vox- 5 WO2-TiO2 fresco e à 850°C (linhas 405 e 407, respectivamente. A inspeção revelou que o catalisador de referência foi completamente desativado com relação à redução de NOx depois de envelhecido à 850°C (linha 407). A a- mostra 1 envelhecida à 700°C (linha 401) teve um desempenho melhor do que mesmo o catalisador de referência fresco (linha 405) enquanto que a 10 Amostra 1 envelhecida a 850°C teve somente um desempenho ligeiramente pior do que o catalisador de referência fresco (linha 405).
A figura 5 compara a conversão de NH3 com relação à Amostra 1 depois do envelhecimento à 700°C (linha 501), e a Amostra 1 depois do envelhecimento à 850°C (linha 503), com relação ao catalisador de referên- cia Vox-WO2-TiO2 fresco e à 850°C (linhas 505 e 507, respectivamente). A conversão de NH3 com relação à Amostra 1 envelhecida é ligeiramente me- lhor do que a conversão de NH3 com relação ao catalisador de referência fresco. Depois do envelhecimento, o catalisador de referência fica desativa- do de forma bastante substancial com relação à conversão do NH3 (linha 507). Catalisador de referência fresco (linha 505) atingiu á de conversão de NH3 em temperaturas maiores do que 285°C, com o "light-off" à cerca de 250°C, enquanto que o catalisador de referência envelhecido (linha 507) chegou à conversão do NH3 em temperaturas maiores do que 570°C, como "light-off" à cerca de 520°C. A Amostra 1, mesmo envelhecida à 850°C (linha 503) atingiu a conversão do NH3 em temperaturas maiores do que ou iguais a cerca de 320°C com o "light-off" substancialmente o mesmo como o do catalisador de referência fresco à cerca de 250°C. A Amostra 1 que ficou somente envelhecida à 700°C (linha 501) chegou na realidade ao "light-off' em temperaturas de menos do que ou iguais a cerca de 200°C, com a con- versão de NH3 em temperaturas maiores do que ou iguais a cerca de 240°C.
A figura 6 ilustra de forma gráfica o envelhecimento adicional das Amostras 1 e 2 para a determinação do efeito do envelhecimento em temperatura mais alta. è mostrado que o envelhecimento em temperatura mais alta não resulta da desativação, em que o catalisador de referência fica desativado quando é envelhecido à 850°C. A Amostra 1, quando envelheci- da à 950°C (linha 601) teve um light-off' próximo a cerca de 300°C e uma percentagem de pico de conversão de NOx de 40% até cerca de 400°C, en- quanto que quando envelhecida à 850°C (linha 605), teve um light-off” de cerca de 240°C e uma percentagem de pico de conversão de NOx de 80% à cerca de 350°C. Com relação à Amostra 2, quando envelhecida à 950°C (li- nha 605) teve um light-off" próximo a cerca de 290°C e uma percentagem de pico de conversão de NOx de 60% à cerca de 380°C, enquanto que quando envelhecida à 850°C (linha 607), teve um "light-off" de cerca de 225°C e uma percentagem de pico de conversão de NOx de 80% à cerca de 315°C. Mes- mo com o envelhecimento em temperatura alta (como por exemplo, 950°C), por exemplo em uma temperatura de entrada abaixo de 500°C, a Amostra 1 manteve alguma capacidade de conversão de NOx (maios do que ou igual à cerca de 40%), enquanto que a amostra 2 manteve uma capacidade de con- versão de NOx substancial (maior do que ou igual a 60%). Como pode ser observado nas Figuras 2 e 4, o catalisador de referência, mesmo quando envelhecido para somente 850°, não manteve a capacidade de conversão de NOx.
A figura 7 mostra que o envelhecimento das Amostras 1 e 2 à 950°C ocasiona alguma perda no desempenho de conversão de NOx, como por exemplo, o catalisador de referência fresco é melhor na conversão de NH3 do que as Amostras 1 e 2 envelhecidas. NO entanto, as Amostras 1 e 2, 25 mesmo envelhecidas à 950°C exibiram uma conversão de NH3 substancial- mente melhor ( por exemplo, em temperaturas de menos do que 500°C) do que o catalisador de referência envelhecido à 850°C. (ver também as Figu- ras 3 e 5).
Em uma modalidade, um catalisador de redução de NOx consis- te essencialmente de fluorita de Cea-Zrb-Rc-Ad-Me-Ox, no qual somente os elementos que não reduzem a conversão de NOx podem ser incorporados adicionalmente dentro do catalisador, "a" pode ser de cerca de 0,1 até cerca de 0,6, ou mais especificamente de cerca de 0,25 até cerca de 0,65 e ainda mais especificamente de cerca de 0,3 até cerca de 0,4. "b" pode ser de cer- ca de 0,25 até cerca de 0,7 ou, mais especificamente de cerca de 0,3 até cerca de 0,6 e ainda mais especificamente de cerca de 0,35 até cerca de 5 0,5.
"c" pode ser de cerca de 0,02 até cerca de 0,5 ou, mais especificamente de cerca de 0,1 até cerca de 0,4 e ainda mais especificamente de cerca de 0,2 até cerca de 0,35, ou em algumas modalidades de 0,05 até cerca de 0,2. Quando "R" for Mn, "d" pode ser de cerca de 0,04 até cerca de 0,2, ou mais 10 especificamente de cerca de 0,05 até cerca de 0,15, e ainda mais especifi- camente de cerca de 0,07 até cerca de 0,12. Quando "R" for W, "d" pode ser de menos do que ou igual à cerca de 0,2, ou mais especificamente, de cerca de 0,04 até cerca de 0,2, ainda de forma mais especifica de cerca de 0,05 até cerca de 0,15, e ainda amais especificamente de cerca de 0,07 até cerca 15 de 0,12. "e" pode ser menos do que ou igual à cerca de 0,15, ou mais espe- cificamente de cerca de 0,03 até cerca de 0,1. Catalisador de redução de NOx é capaz de reduzir o NOx (como por exemplo, promovendo uma reação química entre o NOx e a espécie de nitrogênio reduzida (tal como a amônia) para fazer, predominantemente, nitrogênio (N2)).
O catalisador descrito aqui, neste pedido de patente tem tempe-
raturas de "light-off1 de menos do que ou igual à cerca de 200°C, mesmo menos do que ou igual à cerca de 175°C, cerca de 140°C até cerca de 260°C. Catalisador também tem uma faixa de operação mais ampla de mais do que ou igual à cerca de 200°C, ou mais especificamente, maior do que ou igual à cerca de 300°C, e ainda maior do que ou igual à cerca de 400°C.
Além disso o catalisador Ce-Zr-R-A-M-O descrito aqui, neste pedido de patente é inesperadamente altamente termicamente estável (co- mo por exemplo, estável em temperaturas de mais do que ou iguais a 700°C) e manter as capacidades de redução de NOx mesmo depois de 16 30 horas de envelhecimento, sob condições hidro térmicas em uma temperatura de 850°C. Uma vez que esse catalisador exibe capacidades maiores de re- dução de NOx sem a presença de N02, um catalisador de oxidação à mon- tante deste catalisador de NOx pode ser eliminado embora seja alcançada uma alta conversão de NOx. Também é observado que o presente catalisa- dor exibe uma boa tolerância ao enxofre (como por exemplo, o SO2 e SO3) e um transporte de átomos de oxigênio superior, quando comparado, por e- 5 xemplo, aos cérios puros. Desse modo, acredita-se que o catalisador de Ce- Zr-R-A-M-O poderá funcionar efetivamente como os catalisadores de oxida- ção de fuligem bem como um catalisador para a redução de NOx. Por essa razão, um único material pode ser usado para a realização de duas funções mais difíceis da destoxificação do gás de exaustão de diesel: a remoção do 10 NOx e a remoção da matéria particulada carbonífera.
Por exemplo, os sistemas de controle de emissão do diesel que não empregam 0 catalisador de Ce-Zr-R-A-M-O descrito aqui, neste pedido de patente, e que utilizam retentores de SCR e de particulados, terão quase sempre um primeiro catalisador no sistema de controle de emissão, um cata- 15 Iisador de oxidação. Esse catalisador (tipicamente com base em Pt) serve para duas ou três funções: oxidando o CO e HC que vem a partir do motor, oxidando o NO para NO2 (por exemplo,com relação à reação FAST NOx), e servindo como uma fonte de calor para o aquecimento do retentor particula- do até temperaturas suficientes para ocasionar a regeneração do mesmo 20 através da oxidação do carbono armazenado no retentor. O aquecimento é conseguido através da injeção de quantidades suficientes (relativamente grandes quando comparadas a operação normal do motor) de hidrocarbone- tos à montante do motor como um pulso tardio durante o ciclo de combustão (de tal forma que o hidrocarboneto emerge a partir do cilindro grandemente 25 não queimado) e/ou no tubo de exaustão, à montante do catalisador de oxi- dação. Os hidrocarbonetos, quando oxidados sobre o catalisador de oxida- ção, aumentam a temperatura do gás de exaustão de modo suficiente para aquecer o retentor particulado para as temperaturas de regeneração da fuli- gem.
À jusante desse catalisador de oxidação existe em geral um re-
tentor particulado seguido por um catalisador SCR (uma vez que o catalisa- dor SCR em geral falha em temperaturas abaixo da temperatura de regene- ração do retentor particulado), como por exemplo, catalisadores SCR com base em zeólito e catalisadores com base em vanádia-titânia falham em uma temperatura abaixo de cerca de 750°C. No entanto, uma vez que o catalisa- dor de Ce-Zr-R-A-M-O descrito aqui, neste pedido de patente, é mais tole- 5 rante em temperatura, eles são mais capazes de suportar a posição media (entre o catalisador de oxidação e o retentor particulado).
Não estando sujeitos a teorias, os catalisadores de Ce-Zr-R-A- M-O (catalisadores de Ce-Zr-Mn-A-M-O) parecem reduzir o NO de forma mais efetiva do que o NO2, permitindo por isso o uso de catalisador de oxi- dação de Pd (em uma economia substancial de custo com relação ao uso cós catalisadores de PT), para o aquecimento da exaustão para as tempera- turas necessárias para a regeneração de um retentor particulado. Os catali- sadores de Pd não menos efetivos do que os catalisadores de PT na oxida- ção de NO para NO2, o que parece desejável com relação aos novos catali- sadores descritos aqui, neste pedido de patente. Em outras palavras, ao contrario dos catalisadores de zeólito de ferro e dos catalisadores de V-=W- TiO2 usados para as aplicações móveis, o catalisador de Ce-Zr-R-A-M-O não exige o uso de catalisadores de oxidação de PT para a conversão do NO para NO2 devido a que ele é ativo com relação á "Reação Padrão". Isso reduz os custos de forma substancial.
Os catalisadores de Ce-Zr-R-A-M-O (catalisadores de Ce-Zr- Mn-A-M-O) podem ser revestidos sobre um retentor particulado, permitindo a combinação co controle do SCR e do material particulado (PM) com um uni- do substrato revestido, permitindo reduções que ajudam na complexidade e 25 no custo do sistema. Depois dos catalisadores SCR e do retentor particula- do, um catalisador de oxidação opcional pode ser usado para oxidar o CO que escapa do retentor particulado durante a regeneração em alta tempera- tura e para oxidar qualquer amônia que escape a partir do catalisador SCR. processo para a redução de NOx no qual o NOx é em sua maioria NO (co- 30 mo por exemplo, maior ou igual à cerca de 60% em volume, com base no% de volume total do NOx), com a utilização de amônia tal como aquela em temperaturas abaixo de cerca de 300°C, as características da redução de NOx melhoram na medida em que a proporção N0/N02 aumenta. As carac- terísticas de redução de NOx do catalisador em temperaturas abaixo de 300°C são melhores quando o NOx é cerca de 95% em volume de NO, 5% em volume de NO2, comparado a quando o NOx é 50% em volume de NO, 5 50% em volume de NO2. Por isso, em muitas modalidades do catalisador de Ce-Zr-R-A-M-O, as características de redução do NOx em temperaturas a- baixo de cerca de 300°C são melhores quando o NOx é maior do que ou igual à cerca de 75% em volume de NO (como por exemplo, menos do quer ou igual a 25% em volume de NO2), do que quando o NOx é de menos do 10 que ou igual a 50% em volume (por exemplo, 50% em volume de NO2), com base no volume total do NOx. É observado que o NOx na exaustão de um motor normal é tipicamente de mais do que 75% em volume de NO e usual- mente de mais do que 90% em volume de NO. Como resultado, as vanta- gens do presente catalisador a partir das condições normais de exaustão, 15 permite a utilização do NOx da exaustão como ele é, sem a conversão da proporção de N0/N02. O presente catalisador pode reduzir mais do que ou igual à cerca de 50% do NOx em uma corrente de gás, ou mais especifica- mente, mais do que ou igual à cerca de 80% em volume do NOx em uma corrente de gás, e ainda de forma mais específica, mais do que ou igual à 20 cerca de 90% em volume de NOx em uma corrente de gás (com base em um volume total de NOx na corrente de gás), em uma temperatura de cerca de 250°C até cerca de 550°C, ou m ais especificamente, a temperatura é de cerca de 150°C até cerca de 400°C. Além disso, o presente catalisador pode ter uma janela de redução de temperatura de NOx de cerca de mais do que 25 ou igual à cerca de 250°C, ainda maior do que ou igual à cerca de 300°C, e ainda maior ou igual à cerca de 350°C, na qual mais do que ou igual à cerca de 50%, e mesmo maios ou igual à cerca de 70% de conversão de NOx po- de ser alcançada.
As faixas descritas aqui, neste pedido de patente são inclusivas e combináveis (como por exemplo, faixas de "até cerca de 25%, ou mais especificamente de cerca de 7% até cerca de 20% em peso" são inclusivas dos pintos finais e de todos os valores intermediários das faixas de "cerca de 5% em peso até cerca de 25% em peso, etc.). Na forma usada aqui, neste pedido de patente, "combinação" é inclusiva de combinações, misturas, li- gas, óxidos, copolímeros, produtos de reação, e os semelhantes, na medida em que aplicáveis. Além disso, os termos "primeiro", "segundo" e os seme- lhantes, aqui, neste pedido de patente, não indicam nenhuma ordem, quan- tidade ou importância, porem ao contrário são usados para distinguir um e- Iemento de outro elemento, e os termos "um" e "um" não indicam uma limi- tação de quantidade, porem ao contrario indicam a presença de pelo menos um dos itens referenciados. O modificador "cerca de" usado em conexão com uma quantidade é inclusivo do valos declarado e tem o significado dita- do pelo contexto (por exemplo, inclui o grau de erro associado com a medi- ção da quantidade especifica). O sufixo "(s)" na forma usado aqui, neste pedido de patente, é destinado a incluir ambos o singular e o plural do termo que ele modifica, incluindo por isso um ou mais daquele termo (como por exemplo, o(s) corante(s) incluem um ou mais corantes).
Todas as patentes, pedidos de patentes e outras referências citadas ficam incorporadas aqui, neste pedido de patente por referência em suas totalidades. NO entanto, se um termo no presente pedido de patente contradiz ou conflita com um termo na referência incorporada, o termo do 20 presente pedido de patente tem precedência sobre o termo conflitante da referência incorporada.
Embora a invenção tenha sido descrita com referência a uma modalidade a titulo de exemplo, será entendido por aquelas pessoas versa- das na técnica que podem ser feitas diversas trocas e equivalentes podem 25 ser substituídos por elementos do mesmo sem que se afastem do âmbito da invenção. Além disso, muitas modificações podem ser feitas para adaptar a uma situação ou material específico com relação às informações da inven- ção sem que se afastem do âmbito essencial da mesma. Por esse motivo, é pretendido que a invenção não fique limitada a modalidade especifica descri- 30 ta como o melhor modo contemplado para a execução desta invenção, po- rem que a invenção incluirá todas as modalidades que caiam dentro do âm- bito das reivindicações em avexo.

Claims (32)

1. Catalisador de redução de NOx que compreende: Cea-Znb-Rc-AcJ-Me-Ox, no qual "R" é W ou Mn se "R" dor W1 "A" é selecionado a partir do grupo que consiste de Mo, Ta, Nb e combinações que compreendam pelo menos um dos "A" precedentes, e se "R" for Mn, "A" é selecionado a partir do grupo que consiste de W, Mo, Ta, Nb e as combinações que compreendam pelo menos um dos "A" precedentes; e "M" é um íon trivalente de terra rara; a + b + c + d + e = 1; "a" é de cerca de 0,1 até cerca de 0,6; "b" é de cerca de 0,25 até cerca de 0,7; "c" é de cerca de 0,02 até cerca de 0,5; se "R" for Mn, "d" é de cerca de 0,04 até cerca de 0,2, e se "R" for W, "d" é menos do que ou igual à cerca de 0,2; e "e" é menos do que ou igual à cerca de 0,15; e em que o catalisador é capaz da redução de NOx.
2. Catalisador da reivindicação 1, no qual o íon trivalente de terra rara é selecionado a partir do grupo que consiste de Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Ho, Er, Tm, Lu e as combinações que compreendam pelo menos um dos prece- dentes.
3. Catalisador da reivindicação 1, no qual "M” está isento de La ou de Y.
4. Catalisadorda reivindicação 1, no qual "a" é de cerca de 0,3 até cerca de 0,4; "b" é de cerca de 0,3 até cerca de 0,7; "c" é de cerca de 0,1 até cerca de 0,4; "d" é de cerca de 0,05 até cerca de 0,2.
5. Catalisador da reivindicação 4, no qual "e” é de cerca de 0,03 até cerca de 0,1.
6. Catalisador da reivindicação 1, que tem uma estrutura de fluo- rita.
7. Catalisadorda reivindicação 6, em que o catalisador é um ca- talisador meio poroso.
8. Catalisador da reivindicação 1, que compreende fases de fluo- rita e de MnWO.
9. Catalisador da reivindicação 8, no qual a proporção da fase de MnWO para a fase de fluorita é de menos do que ou igual à cerca de 0,25.
10. Catalisador da reivindicação 9, no qual a proporção e de menos do que ou igual à cerca de 0,15.
11. Catalisador da reivindicação 1, no qual "R" é Mn.
12. Catalisadorda reivindicação 11, no qual "A" compreende W.
13. Catalisador da reivindicação 1, em que o catalisador é con- figurado de tal forma que, quando reduzindo NOx o catalisador atinge a um grau maior de redução de NOx através de uma "Reação Padrão" do que em uma "Reação Rápida" sob as mesmas condições da corrente de gás.
14. Catalisador da reivindicação 1, no qual "R" é W.
15. Catalisador da reivindicação 14, no qual "c" é de cerca de 0,05 até cerca de 0,2.
16. Método para o tratamento de uma corrente de gás, compre- endendo: introduzir a corrente de gás a um catalisador de redução de NOx1 em que o catalisador de redução de NOx compreende: Cea-Znb-Rc-Ad-Me-Ox, no qual "R" é W ou Mn se "R" dor W, "A" é selecionado a partir do grupo que consiste de Mo, Ta, Nb e combinações que compreendam pelo menos um dos "A" precedentes, e se "R" for Μη, "A" é selecionado a partir do grupo que consiste de W, Mo, Ta, Nb e as combinações que compreendam pelo menos um dos "A" precedentes; e "M" é um íon trivalente de terra rara; a + b + c + d + e = 1; "a" é de cerca de 0,1 até cerca de 0,6; "b" é de cerca de 0,25 até cerca de 0,7; "c" é de cerca de 0,02 até cerca de 0,5; se "R" for Mn, "d" é de cerca de 0,04 até cerca de 0,2, e se "R" for W, "d" é menos do que ou igual á cerca de 0,2; e "e" é menos do que ou igual à cerca de 0,15; e reduzindo mais do que ou igual à cerca de 50% em volume de NOx na corrente de gás, com base no volume total de NOx inicialmente na corrente de gás, em que a corrente de gás tem uma temperatura de cerca de 50°C até cerca de 550°C.
17. Método da reivindicação 16, no qual a corrente de gás com- preende mais do que ou igual à cerca de 60% em volume de NO, com base no volume total de NOx no gás.
18. Método da reivindicação 17, no qual a corrente de gás com- preende mais do que ou igual á cerca de 75% em volume de NO.
19. Método da reivindicação 18, no qual a corrente de gás com- preende mais do que ou igual à cerca de 90% em volume de NO.
20. Método da reivindicação 16, que compreende a redução de mais do que ou igual à cerca de 89% em volume do NOx na corrente de gás.
21. Filtro particulado que compreende: um invólucro; um elemento de filtro para a remoção de matéria particulada a partir de uma corrente de gás, em que o elemento de filtro está disposto no interior do invólucro, em que o elemento de filtro compreende um catalisador de redução de NOx, em que o catalisador de redução de NOx compreende Cea-Znb-Rc-Ad-Me-Ox, no qual "R" é W ou Mn se "R" dor W, "A" é selecionado a partir do grupo que consiste de Mo, Ta, Nb e combinações que compreendam pelo menos um dos "A" precedentes, e se "R" for Μη, "A" é selecionado a partir do grupo que consiste de W, Mo, Ta, Nb e as combinações que compreendam pelo menos um dos "A" precedentes; e "M" é um íon trivalente de terra rara; a + b + c + d+ e = 1; "a" é de cerca de 0,1 até cerca de 0,6; "b" é de cerca de 0,25 até cerca de 0,7; "c" é de cerca de 0,02 até cerca de 0,5; se "R" for Mn, "d" é de cerca de 0,04 até cerca de 0,2, e se "R" for W, "d" é menos do que ou igual à cerca de 0,2; e "e" é menos do que ou igual à cerca de 0,15; e em que o catalisador é capaz da redução de NOx.
22. Sistema de tratamento de NOx, compreendendo; introduzindo gás de exaustão para um filtro particulado sem o tratamento do gás de exaustão com um catalisador de oxidação; e passando o gás de exaustão diretamente a partir do filtro particu- lado através de um SCR opcional e em seguida liberar o gás de exaustão diretamente para o ambiente; em que se o SCR estiver presente, o SCR e/ou o filtro particula- do compreendem um catalisador de redução de NOx; em que, se o SCR não estiver presente, o filtro particulado com- preende o catalisador de redução de NOx; e em que o catalisador de redução de NOx compreende Cea-Zrib- Rc-Ad-Me-Ox, no qual "R" é W ou Mn se "R" dor W, "A" é selecionado a partir do grupo que consiste de Mo, Ta, Nb e combinações que compreendam pelo menos um dos "A" precedentes, e se "R" for Μη, "A" é selecionado a partir do grupo que consiste de W, Mo, Ta, Nb e as combinações que compreendam pelo menos um dos "A" precedentes; e "M" é um íon trivalente de terra rara; a + b + c + d + e = 1; "a" é de cerca de 0,1 até cerca de 0,6; "b" é de cerca de 0,25 até cerca de 0,7; "c" é de cerca de 0,02 até cerca de 0,5; se "R" for Mn, "d" é de cerca de 0,04 até cerca de 0,2, e se "R" for W, "d" é menos do que ou igual à cerca de 0,2; e "e" é menos do que ou igual à cerca de 0,15; e em que o catalisador é capaz da redução de NOx.
23. UM sistema para o tratamento de NOx, compreendendo: um filtro particulado disposto para ser capaz de receber gás de exaustão que não tenha sido tratado com um catalisador de oxidação; opcionalmente um SCR disposto à jusante e em comunicação fluida direta com o filtro particulado para o recebimento do gás diretamente a partir do filtro particulado; e uma saída para o ambiente em comunicação fluida direta com o SCR, se presente, ou com o filtro particulado se o SCR não estiver presente; em que se o SCR estiver presente, o SCR e/ou o filtro particula- do compreendem um catalisador de redução de NOx; em que se o SCR não estiver presente, o filtro particulado com- preende o catalisador de redução de NOx; e em que o catalisador de redução de NOx compreende Cea-Znb- Rc-Ad-Me-Ox, no qual "R" é W ou Mn se "R" dor W, "A" é selecionado a partir do grupo que consiste de Mo, Ta, Nb e combinações que compreendam pelo menos um dos "A" precedentes, e se "R" for Μη, "A" é selecionado a partir do grupo que consiste de W, Mo, Ta, Nb e as combinações que compreendam pelo menos um dos "A" precedentes; e "M" é um íon trivalente de terra rara; a + b + c + d + e = 1; "a" é de cerca de 0,1 até cerca de 0,6; "b" é de cerca de 0,25 até cerca de 0,7; "c" é de cerca de 0,02 até cerca de 0,5; se "R" for Mn, "d" é de cerca de 0,04 até cerca de 0,2, e se "R" for W, "d" é menos do que ou igual à cerca de 0,2; e "e" é menos do que ou igual à cerca de 0,15; e em que o catalisador é capaz da redução de NOx.
24. Catalisador de redução de NOx, que consiste essencialmen- te de fluorita de Cea-Znb-Rc-Ad-Me-Oxi no qual "R" é W ou Mn se "R" for W, "A" é selecionado a partir do grupo que consiste de Mo, Ta, Nb e combinações que compreendam pelo menos um dos "A" pre- cedentes, e se "R" for Μη, "A" é selecionado a partir do grupo que consiste de W, Mo, Ta, Nb e as combinações que compreendam pelo menos um dos "A" precedentes; e "M" é um íon trivalente de terra rara; a + b + c + d + e = 1; "a" é de cerca de 0,1 até cerca de 0,6; "b" é de cerca de 0,25 até cerca de 0,7; "c" é de cerca de 0,02 até cerca de 0,5; se "R" for Mn, "d" é de cerca de 0,04 até cerca de 0,2, e se "R" for W, "d" é menos do que ou igual à cerca de 0,2; e "e" é menos do que ou igual à cerca de 0,15; e em que o catalisador é capaz da redução de NOx.
25. Método para a fabricação de um catalisador de NOx, com- preendendo: dissolvendo um sal de cério para a formação de uma primeira solução ácida; dissolvendo um sal de zircônio para a formação de uma segunda so- luço ácida; dissolvendo um sal de "R", em que "R" é Mn ou W, e se "R" for MN, "R" é dissolvido para a formação de uma terceira solução ácida, e se "R" for W, "R" é dissolvido para a formação de uma primeira solução básica, se "R" for Mn, dissolvendo um sal de "A" para a formação de uma se- gunda solução básica em que "A" é selecionado a partir do grupo que con- siste de W, Mo, Ta, Nb e as combinações que compreendam pelo menos um dos "A" precedentes; misturando a primeira solução acida e a segunda solução acida, e se presente a segunda solução básica, e se presente a terceira solução ácida, e se presente a primeira solução básica para a formação de um precipitado; secando o precipitado; e calcinando o precipitado para a formação do catalisador.
26. Método da reivindicação 25, compreendendo ainda dissolvendo um sal de "M" para a formação de uma quarta solução ácida, em que "M" é selecionado a partir do grupo que consiste de Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Ho, Er, Tm, Lu e as combinações que compreendam pelo menos um dos precedentes; e formando o precipitado compreendendo também a misturação da quarta solução básica com a primeira solução ácida, a segunda solução aci- da, a terceira solução ácida, a primeira solução básica, e a segunda solução básica.
27. Método da reivindicação 25, no qual a solução acida tem um pH de cerca de 0,5 até cerca de 2,0, e a solução básica tem um pH de cerca de 7,5 até cerca de 10,0.
28. Método da reivindicação 25, que compreende ainda, antes da dissolução dos sais solúveis em água de cério, zircônio, e "R" na solução ácida, calcular uma quantidade de CEO2 equivalente ao sal de Ce(IlI), uma quantidade de ZrO2 equivalente ao sal de zirconil, e uma quantidade de MnO2 equivalente ao sal de Mn(II), e dissolvendo as quantidades calculadas na solução acida.
29. Método da reivindicação 25, no qual o precipitado é calcina- do em uma temperatura de menos do que ou igual à cerca de 700°C.
30. Método da reivindicação 25, que compreende também, an- tes da misturação, o aquecimento da primeira solução acida, segunda solu- ção ácida, a terceira solução acida, a primeira solução básica, e/ou a segun- da solução básica para uma temperatura de cerca de 50°C até 90°C.
31. Método da reivindicação 25, no qual, se presente, a concen- tração de W, na primeira solução básica é de cerca de 15 g/litro até cerca de 25 g/litro de WO3, a concentração de Ce na primeira solução ácida é de cer- ca de 50 g de XO2/ litro até cerca de 100 g de XO2/ litro, a concentração de Zr na segunda solução acida é de cerca de 50 g de XO2/ litro até cerca de 100 g de XO2/ litro, e, se presente, a concentração de Mn na terceira solução acida é de cerca de 50 g de XO2/ litro até cerca de 100 g de XO2/ litro.
32. Método da reivindicação 25, no qual "R” é W, compreenden- do ainda a dissolução do sal de "AQ" para a formação de uma segunda so- lução básica, em que "A" é selecionado a partir do grupo quer consiste de Mo, Ta, Nb, e combinações que compreendam pelo menos um de A prece- dentes.
BRPI0718172-8A 2006-10-19 2007-10-15 CATALISADORES DE REDUÇÃO DE NOx, MÉTODO PARA O TRATAMENTO DE UMA CORRENTE DE GÁS, FILTRO PARTICULADO E SISTEMA PARA TRATAMENTO DE NOx BRPI0718172B1 (pt)

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