CN101842157A - 氮氧化物去除用催化剂和使用该催化剂的氮氧化物去除方法 - Google Patents

氮氧化物去除用催化剂和使用该催化剂的氮氧化物去除方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供可充分去除废气中氮氧化物的催化剂。本发明的氮氧化物去除用催化剂是通过在整体式载体上覆盖包括催化剂组分A的底层和包括催化剂组分B的上层而形成的,所述催化剂组分A含有氧化铈;所述催化剂组分B含有从铜、锰、铁、钴和镍中选出的至少一种以及沸石。本发明的氮氧化物去除用催化剂为,其上层的催化剂组分B催化氧化反应,以促进将废气中的氮氧化物、尤其是一氧化氮(NO)有效地氧化成二氧化氮(NO2),并利用底层的氧化铈吸附由此形成的二氧化氮。本发明的氮氧化物去除用催化剂即使在100℃附近、如80~150℃的低温区域,也能发挥充分的催化剂活性。因此使用本发明的催化剂时,即使在低温下也能有效地减少、去除废气中氮氧化物(NOx)的量。

Description

氮氧化物去除用催化剂和使用该催化剂的氮氧化物去除方法
技术领域
本发明是涉及废气中的氮氧化物去除的发明。更详细地说,本发明涉及一种以去除汽油发动机、柴油发动机的废气中所包含的有害成分中的尤其是氮氧化物(NOx)为目的的催化剂、以及氮氧化物去除方法。
背景技术
大气中的NOx会导致光化学烟雾或酸雨。因此,来自作为NOx的发生源之一的、具有汽油发动机或柴油发动机等内燃机的汽车等移动发生源的NOx排放就成为一种社会问题,今后,关于NOx的排放量的法律规定,变得越来越严格。因此,废气净化用催化剂的开发研究受到了人们的重视。
目前已提供有很多关于去除废气中的氮氧化物的技术,尤其提出了很多使用沸石类催化剂的技术。例如,在US-A-4961917中公开了以下的方法,即、作为催化剂使用铁或铜以及沸石(ZSM20、β、Y型),在250~600℃下作为还原剂使用NH3,对氮氧化物进行去除的方法。另外,在US-A-5141906中,公开了一种在含有硫化物的气体气流中对催化剂进行热处理而成的废气净化用催化剂,所述催化剂为,在陶瓷制的蜂窝状载体的壁面上形成有催化剂载体涂层(wash-coat layer),且该催化剂载体涂层包含用铜或钴进行了离子交换的沸石(ZSM5)。在此,作为沸石,一般使用ZSM-5、ZSM-20、β型、Y型等。
发明内容
然而,在US-A-4961917或US-A-5141906等的现有技术中,虽然在废气温度为250℃以上时可以发挥效果,但在废气温度较低的情况下其效果较低,从而不能充分地处理废气中的氮氧化物。尤其是,如果提高对废气的排放限制,则该氮氧化物的处理技术将不能充分应对。另外,作为其他的技术,还有一种利用尿素水进行化学反应的结果、即氨作为还原剂从而去除氮氧化物的方法,但是在该方法中,由于在160℃以下难以产生尿素的水解,并且容易生成副产物,因此难以利用尿素水对氮氧化物进行去除。
因此,本发明是鉴于上述的情况而完成的,其目的在于,提供一种能够充分地去除废气中的氮氧化物的催化剂。
本发明的另一目的在于,提供一种即使在较低的废气温度下,也能够充分地去除废气中的氮氧化物的催化剂。
而且,本发明的另一目的在于,提供一种能够在较低的废气温度下去除废气中的氮氧化物的方法。
本发明人为了解决上述的问题,进行了潜心研究,结果发现:通过在载体上首先形成含有氧化铈的底层,再在所述底层上进一步形成含有过渡金属和沸石的上层,从而能够利用底层中的氧化铈,来吸附由上层中的氧化反应所生成的二氧化氮,由此能够有效地去除废气中的氮氧化物。而且,本发明人还发现,具有上述结构的催化剂即使在80~150℃左右的低温条件下,也可以发挥优良的催化剂活性。并且,根据上述见解,完成了本发明。
因此,上述本发明的目的,能够利用通过在整体式载体上覆盖包含催化剂组分A的底层、和包含催化剂组分B的上层而形成的氮氧化物去除用催化剂来实现,其中,所述催化剂组分A含有氧化铈;所述催化剂组分B含有从铜、锰、铁、钴和镍中选出的至少一种金属或金属氧化物以及沸石。
另外,上述本发明的另一目的,能够利用废气中的氮氧化物去除方法来实现,该方法为,使含有氮氧化物的废气与本发明的氮氧化物去除用催化剂接触。
通过使用本发明的催化剂,即使将废气置于较低的处理温度(例如,80~150℃左右)下,也能够充分地去除废气中的氮氧化物。
附图说明
图1为表示使用本发明的催化剂来去除废气中的氮氧化物时的状况的图。其中,纵轴的左侧表示NOx的排放量(表示NOx值越低则NOx越被吸附),横轴表示处理工序的经过时间。
图2为表示使用本发明的催化剂来去除废气中的氮氧化物时的状况的图。其中,纵轴的右侧表示废气温度,纵轴的左侧表示NOx的排放量(表示NOx值越低则NOx越被吸附),横轴表示处理工序的经过时间。
图3为表示在使用了本发明的催化剂的情况下,在100℃时的NOx吸附量的图表。
具体实施方式
本发明的第一种方式提供一种氮氧化物去除用催化剂,该催化剂通过在整体式载体上覆盖包含催化剂组分A的底层和包含催化剂组分B的上层而形成,所述催化剂组分A含有氧化铈;所述催化剂组分B含有从铜、锰、铁、钴和镍中选出的至少一种金属或金属化合物以及沸石。通过将催化剂组分A和B分别设置在底层和上层中,从而与在单层中单独使用催化剂组分A或B时相比,能够发挥更为显著的去除氮氧化物的作用。因此,通过在通常用于汽车催化剂的整体式载体上,将各催化剂组分A和B作为不同的层而进行覆盖(涂布),从而能够有效地发挥上述的效果。虽然其具体的机理还不明确,但认为这是由于催化剂组分B可以催化氧化反应,促进将废气中的氮氧化物、尤其是一氧化氮(NO)氧化成二氧化氮(NO2),并且底层的氧化铈吸附在上层形成的二氧化氮。此外,本发明不受上述推论的限制。因此,若使用本发明的催化剂,能够有效地减少、去除废气中的氮氧化物(NOx)的量。
另外,本发明的催化剂组分A和B在100℃附近、例如在80℃~150℃的低温区域内,也能够发挥充分的催化剂活性。一般认为这是由于在包括含有氧化铈的催化剂组分A的底层中所吸附的二氧化氮,在该温度区域内不会从催化剂中解吸而是被保存在催化剂中。因此,即使在100℃附近、例如在80℃~150℃的低温区域内使本发明的催化剂与含有氮氧化物的废气接触,也能够有效地减少、去除废气中的氮氧化物(NOx)的量。但是,由于吸附在催化剂中的二氧化氮,因暴露于150℃以上的废气中将导致解吸并再次被作为NOx而排放,因此需要有效地去除该解吸后的NOx。如果使用本发明的催化剂,则通过使用作为还原剂的氨和烃,从而不会使吸附的NOx再次解吸,并能够有效地减少、去除废气中的氮氧化物。并且,通过将本发明的催化剂与其他的催化剂进行组合,除了能够有效地去除废气中的氮氧化物之外,还能够有效地去除烃、一氧化碳和黑烟。
以下对本发明的实施方式进行说明。
1.催化剂组分A
在本发明中,被包含在底层内的催化剂组分A,作为必需组分含有氧化铈。由于设置在底层中的氧化铈,可以有效地吸附在上层中生成的二氧化氮(NO2),因此能够有效地减少、去除NOx的排放量。在此,关于氧化铈,除了可以使用氧化铈本身之外,还可以使用通过加热而生成氧化铈的物质。作为可通过加热而生成氧化铈的物质,例如包括:氢氧化铈、硝酸铈、醋酸铈、碳酸铈等的水溶性的铈盐。
另外,虽然对氧化铈的形状和比表面积等没有特别限制,但优选为,其能够充分地吸附在上层中所生成的二氧化氮。氧化铈可以具有例如粒状、微粒状、粉末状、圆柱状、圆锥状、棱柱状、立方体状、棱锥体状、不定形等的形状。优选为,氧化铈为粒状、微粒状、粉末状。当氧化铈为粒状、微粒状、粉末状时对氧化铈的平均粒径没有特别限制,优选为例如1.0~100μm的范围内,更优选为1.0~20.0μm的范围内。此外,本发明中的氧化铈的“平均粒径”,能够通过由分级等的公知方法所测量出的氧化铈粒径的平均值,来进行测定。
而且,氧化铈的BET比表面积,只要是能够吸附在上层中生成的二氧化氮的足够的比表面积即可,优选为100~300m2/g,更优选为200~300m2/g。如果上述比表面积处于上述范围内,则氧化铈能够充分地吸附在上层中生成的二氧化氮。
在本发明中,催化剂组分A既可以仅由氧化铈组成,也可以进一步含有其他组分(以下也称为“其他组分A’”)。在此,氧化铈在底层中可以以与其他组分A’混合的混合物的形式被包含,也可以以由氧化铈覆盖其他组分A’的形式(包括氧化铈被负载在其他组分A’上的形式)被包含。对于使用由氧化铈覆盖其他组分A’形式时的覆盖方法,没有特别限制,可以使用公知的方法。具体而言,可以优选使用浸渍法、离子交换法、混合法等方法。
另外,作为在含有其他组分A’的情况下可使用的其他组分A’,优选为耐火性无机氧化物,更具体而言,包括:氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化磷(P2O5)、磷酸沸石等,在这些物质中,优选为氧化铝、氧化硅(二氧化硅)以及氧化锆,更优选为氧化硅、氧化铝。此时,其他组分A’既可以单独使用,也可以以两种以上的混合物的形式而使用。而且,其他组分A’还可以以上述氧化物的形式来使用,也可以使用能通过加热而形成氧化物的物质。在后者的情况下,可以使用上述铝、硅、钛、锆、磷的氢氧化物、硝酸盐、氯化物等的卤化物、醋酸盐、硫酸盐、碳酸盐等。而且,在使用其他组分A’时的其他组分A’的使用(添加)量,虽然只要是不抑制由氧化铈引起的上述作用的量,就对其没有特别限制,但是对于100质量份的氧化铈,其他组分A’的使用量优选为2~100质量份,更优选为5~50质量份。
在本发明中,本发明的催化剂中催化剂组分A的存在量,只要是能够发挥上述效果的量即可,对其没有特别限制。在每1升整体式载体中所含有的催化剂组分A的量优选为10~200g,更优选为50~150g,最优选为90~150g。
2.催化剂组分B
在本发明中被包含在上层内的催化剂组分B,作为必需组分含有从铜、锰、铁、钴和镍中选出的至少一种金属或金属化合物(以下也称为“催化剂组分B-2”)以及沸石(以下也称为“催化剂组分B-1”)。催化剂组分B具有促进将废气中的氮氧化物、尤其是一氧化氮(NO)氧化成二氧化氮(NO2)的反应的作用。
沸石(催化剂组分B-1)只要是具有通常沸石骨架的结晶铝硅酸盐,即可采用其中的任意一种,并且可以使用公知的沸石。例如包括:β型(β-沸石)、Y型、ZSM-5(合成沸石)、ZSM-20(合成沸石)、镁碱沸石、八面沸石、丝光沸石等。在这些沸石中,优选为β型(β-沸石)、ZSM-5等,更优选为β型(β-沸石)。
已知,沸石是具有特殊细孔结构和固体酸性质的材料,其结构适合用于NOx净化作用。因此,沸石优选为,具有适当的细孔结构和酸强度以及/或量。
其中,沸石的酸性质(酸强度),一般是通过作为构成要素的Si和Al之比(SiO2/Al2O3(摩尔比))来表示的。如果是具有同一结构的沸石,则Al的含量越多,沸石的酸量就越多(酸强度较高)。在此,通常若考虑到氨(NH3)和烃(HC)的吸附量,则优选为SiO2/Al2O3(摩尔比)较小。因此,本发明所使用的沸石优选为,具有适当的SiO2/Al2O3(摩尔比)。更具体而言,本发明所使用的沸石的SiO2/Al2O3(摩尔比),优选为10~100,更优选为10~50。此时,当SiO2/Al2O3(摩尔比)低于下限时,则有可能缺乏水热耐久性。而且,当SiO2/Al2O3(摩尔比)超过上限时,则有可能缺乏对氨(NH3)和烃(HC)的吸附能力,从而有可能无法有效地去除氮氧化物。
另外,在本发明中,沸石也可以是质子型沸石。而且,质子型沸石可以是,用铈、镧、磷、硼、镓、镁、钙或钡;优选用铈、镧、磷、硼、镓(在本说明书中,统一称为“修饰组分C-1”)等,来修饰一部分该质子型沸石的方式。在此,“修饰”是指,能够通过离子交换、浸渍负载、骨架Al离子交换等使SiO2/Al2O3(摩尔比)发生改变,从而能够提高耐热性。进行上述修饰时的修饰组分C-1的量,只要能够达到所希望的效果(例如耐热性的提高)就没有特别限制,对于100质量份的沸石,修饰组分C-1的量优选为0.1~5.0质量份左右。可以在上述方式的基础上增加以下的方式、或者代替上述方式而采用以下的方式,即、可以使用从铜、钴和锰中选出的至少一种(在本说明书中,统一称为“修饰组分C-2”)来修饰沸石。通过这种修饰,能够对在使用中堆积在沸石细孔内的碳等堆积物进行去除。对进行上述修饰时的修饰组分C-2的量没有限制,可以参考所希望的效果(例如对碳等堆积物的去除)等而进行适当选择。例如,对于100质量份的沸石,修饰组分C-2的量优选为1.0~10质量份左右。
此外,在本发明中,上述沸石可以以单独一种的形式使用、或者也可以以两种以上的混合物的形式使用。
在本发明中,对催化剂组分B-1的形状和大小等没有特别限制。催化剂组分B-1可以采用例如粒状、微粒状、粉末状、圆柱状、圆锥状、棱柱状、立方体状、棱锥体状、不定形等的形状。优选为,催化剂组分B-1为粒状、微粒状、粉末状。当催化剂组分B-1为粒状、微粒状、粉末状时对催化剂组分B-1的平均粒径没有特别限制,例如催化剂组分B-1的平均粒径优选为10~2000nm的范围内。此外,本发明中的催化剂组分B-1的“平均粒径”,能够通过由电子显微镜图像检测出的催化剂组分的粒径平均值来进行测量。
另外,催化剂组分B-2是从铜、锰、铁、钴和镍中选出的至少一种金属或金属化合物。其中,优选为,含有铁的金属或金属化合物。尤其在将这些催化剂组分B-2与上述催化剂组分B-1一起进行组合使用时,能够有效地促进氮氧化物、尤其是一氧化氮向二氧化氮的转变(氧化反应)。在此,催化剂组分B-2,既可以单独使用,也可以以两种以上的混合物的形式使用,或者还可以以含有至少一种这些组分的合金的形式使用。而且,催化剂组分B-2的各个金属组分,既可以是金属本身的形式,也可以是金属化合物的形式。在此,作为金属化合物包括:卤化物(例如氯化物)、醋酸盐、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、胺盐、碳酸盐、碳酸氢盐、亚硝酸盐、草酸盐、甲酸盐等盐类、氢氧化物、醇盐、氧化物等,优选为氧化物、硝酸盐、醋酸盐等。
另外,在本发明中,催化剂组分B-1和B-2的混合比例,只要是能够促进氮氧化物、尤其是一氧化氮向二氧化氮转变(氧化反应)的比例即可,没有特别限制。相对于100质量份的催化剂组分B-1,催化剂组分B-2的量优选位于1.0~30.0质量份的范围内,更优选位于3.0~10.0质量份的范围内。在此,在催化剂组分B-2的量超过所述上限(存在过多的催化剂组分B-2)的情况下,当使用还原剂去除氮氧化物时,若催化剂被暴露于450℃以上的温度,则NOx(氮氧化物)的去除效率有可能下降;相反,在催化剂组分B-2的量低于所述下限(存在过多的催化剂组分B-1)的情况下,催化剂将NO转变成NO2的效率下降,NOx的去除效率也有可能下降。另外,在本发明中,当催化剂组分B-2为金属本身时,催化剂组分B-2的量被记载为其金属本身的量,当催化剂组分B-2为其他形式(例如硝酸盐等)时,只要没有特别记载,则催化剂组分B-2的量被记载为换算成金属氧化物后的量。
在本发明中,催化剂组分B-1和B-2,可以以混合物的形式被包含在上层中,或者也可以以在催化剂组分B-1上覆盖(包括负载)催化剂组分B-2的形式而被包含在上层中,但是如果考虑到对于氮氧化物、尤其是一氧化氮(NO)向二氧化氮(NO2)转变(氧化反应)的促进能力,则优选以在催化剂组分B-1上覆盖(包括负载)催化剂组分B-2的形式而包含。当以在催化剂组分B-1上覆盖(包括负载)催化剂组分B-2的形式使用时,对于在催化剂组分B-1上覆盖催化剂组分B-2的方法没有特别限制,可以使用公知的方法。具体而言,可以优选使用浸渍法、离子交换法、混合法等方法。
在本发明中,催化剂组分B可以仅由所述催化剂组分B-1和B-2组成,但也可以进一步包含其他组分(以下也称为“其他组分B’”)。在此,催化剂组分B-1和B-2,可以以与其他组分B’的混合物的形式而被包含在上层中,或者以由催化剂组分B-1和B-2中的至少一方覆盖其他组分B’的形式(包括在其他组分B’上负载了催化剂组分B-1和B-2中的至少一方的形式)而被包含在上层中。对于在使用由催化剂组分B-1和B-2中的至少一种覆盖其他组分B’的形式时的覆盖方法没有特别限制,可以使用公知的方法。具体而言,可以优选使用浸渍法、离子交换法、混合法等方法。
另外,作为在包含其他组分B’时能够使用的其他组分B’,优选为耐火性无机氧化物,更具体而言,包括:氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化磷(P2O5)、磷酸沸石等,在这些物质中,优选为氧化铝、氧化硅(二氧化硅)、氧化磷、氧化钛以及氧化锆,更优选为氧化硅、氧化铝、氧化钛。此时,其他组分B’可以单独使用,也可以以两种以上的混合物的形式来使用。而且,其他组分B’可以以上述氧化物的形式来使用,也可以使用能通过加热而形成氧化物的物质。在后者的情况下,可以使用上述铝、硅、钛、锆、磷的氢氧化物、硝酸盐、氯化物等的卤化物、醋酸盐、硫酸盐、碳酸盐等。而且,在使用其他组分B’时的其他组分B’的使用(添加)量,只要是不会抑制催化剂组分B-1和B-2的效果的量即可,没有特别限制,相对于催化剂组分B-1(沸石)和催化剂组分B-2(金属或金属化合物)的合计量为100质量份,其他组分B’的使用量优选为10~100质量份,更优选为10~50质量份,最优选为10~20质量份。
另外,在本发明中,底层中的催化剂组分A和上层中的催化剂组分B的存在比例,只要是能够有效地在上层将废气中的氮氧化物、尤其是一氧化氮(NO)转变成二氧化氮(NO2)、且在底层中能够有效地吸附在上层生成的二氧化氮(NO2)的比例即可,没有特别限制。具体而言,相对于100质量份的催化剂组分B,催化剂组分A优选位于10~100质量份的范围内,更优选位于50~100质量份的范围内。尤其是,底层中的氧化铈与上层中的催化剂组分B-1和B-2的合计量之间的质量比为,相对于催化剂组分B-1和B-2的合计量为100质量份,氧化铈优选位于10~100质量份的范围内,更优选位于50~100质量份的范围内。当催化剂组分A过量存在时,与氧化铈对二氧化氮的吸附能力相比,将废气中的氮氧化物、尤其是一氧化氮(NO)转变成二氧化氮(NO2)的能力过低,从而有可能出现对废气中的氮氧化物的去除能力不足,而且还有可能无法有效地去除已解吸的NOx。相反,当催化剂组分B过量存在时,则有可能会出现,在底层中无法将废气中的氮氧化物、尤其是与一氧化氮(NO)转变成二氧化氮(NO2)的能力相符合量的二氧化氮完全吸附的情况。
在本发明中,本发明的催化剂中的催化剂组分B的存在量,只要是能够发挥上述效果的量即可,没有特别限制。在每1升整体式载体中包含的催化剂组分B的量,优选为100~300g,更优选为150~250g。
3.整体式载体
在本发明中,对整体式载体没有特别限制,可以使用公知的整体式载体。具体而言,整体式载体可以使用气体能够直接通过的流通型、能够过滤废气中的黑烟的过滤型。
在此,对整体式载体为流通型时的整体式载体也没有特别限制,可以使用公知的整体式载体。具体而言,包括:蜂窝、金属蜂窝、插头蜂窝、金属丝网、波纹形状等具有多个在轴向上贯穿的贯通孔的筒状的整体式载体;以及泡沫型整体式载体等,优选使用蜂窝型整体式载体、波纹型整体式载体,特别优选使用蜂窝型整体式载体。
另外,在整体式载体为蜂窝型或波纹型的情况下,虽然整体式载体具有多个孔,但对其结构和制造方法没有特别限制,可以使用与公知结构相同的结构。例如,整体式载体可以利用挤压成形法或卷绕薄片状元件的方法等进行制造。而且,整体式载体的气体通过口(网眼形状)的形状可以是六边形、四边形、三角形或波纹形等中的任意一种。网眼密度(网眼数/单位截面面积)只要在100~600网眼/平方英寸范围内就能够充分使用。
对整体式载体的材质没有特别限制,可以使用与通常所用材质相同的材质。优选为,以例如堇青石、多铝红柱石、透锂长石、氧化铝(α-氧化铝)、二氧化硅、氧化锆、二氧化钛、磷酸钛、钛酸铝、锂辉石(スポンジユメン)、铝硅酸盐、硅酸镁、沸石、二氧化硅等作为材料的蜂窝状载体,其中特别优选为,堇青石材质的蜂窝状载体。此外还可以使用,例如用不锈钢、Fe-Cr-Al合金等具有抗氧化性的耐热性金属一体化构成的载体。
另外,在整体式载体为过滤型的情况下,整体式载体在壁面上具有细孔,从而能够过滤黑烟,而气体能够通过壁面。而且,在过滤型整体式载体中具有如下结构,即、在载体的废气入口一侧将方格花纹状的孔封闭,并且未封闭的孔在废气出口一侧的孔被封闭,而废气入口一侧的孔已被封闭的孔的废气出口一侧的孔未封闭。
4.本发明的氮氧化物去除用催化剂的制造方法
对于本发明的氮氧化物去除用催化剂的制造方法没有特别限制,可以采用与公知方法相同或适当进行修饰的方法,此外可以将上述方法单独使用或适当组合使用。下面,对本发明的氮氧化物去除用催化剂的制造方法的优选实施方式进行说明,但本发明不受以下的方法所限制。
在适当的溶剂中,以规定量混合氧化铈以及根据需要而添加的其他组分A’,从而制备出含有氧化铈以及根据需要而添加的其他组分A’的溶液或者浆液(1)。在此,作为溶剂,只要是能够溶解或者悬浮氧化铈以及根据需要而添加的其他组分A’的溶剂即可,没有特别限制,优选使用水。而且,对此时的氧化铈在溶剂中的浓度、在使用其他组分A’时该其他组分A’在溶剂中的浓度和与氧化铈的混合比例等,可以进行适当调节以形成所述的底层。另外,所述溶液或者浆液(1)可以根据需要使用球磨机等进行湿式粉碎。
其次,在所得的溶液或者浆液(1)中,浸渍整体式载体,并去除多余的溶液或者浆液(1)。在此,由于在上文中对整体式载体已经进行了说明,因而在此省略其说明。在所述工序中,浸渍条件只要是能够以所述的量覆盖氧化铈以及根据需要而添加的其他组分A’的条件即可,没有特别限制。例如,将整体式载体浸渍在所述溶液或者浆液(1)中之后,在100~150℃下干燥10分钟~1小时。然后,通过将所得的干燥物在400~800℃下烧成1~3小时,从而能够使整体式载体被含有催化剂组分A的底层所覆盖(以下也称为“底层覆盖整体式载体”)。
另一方面,在适当的溶剂中,以规定量混合催化剂组分B-1、B-2以及根据需要而添加的其他组分B’,从而制备出含有催化剂组分B-1、B-2以及根据需要而添加的其他组分B’的溶液或者浆液(2)。在此,溶液或者浆液(2),可以通过仅仅混合所述催化剂组分B-1、B-2以及根据需要而添加的其他组分B’来制备,但优选为,将催化剂组分B-2分散、负载于催化剂组分B-1之后,将该负载物与其他组分B’在适当的溶剂中各自以规定量进行混合,从而制备溶液或者浆液(2)。
在此,作为溶剂,只要是能够将催化剂组分B-1、B-2、或催化剂组分B-2分散、负载于催化剂组分B-1后的负载物、以及根据需要而添加的其他组分B’进行溶解或悬浮的溶剂即可,对其没有特别限制,优选使用水。而且,对此时的所述各催化剂组分B-1、B-2在溶剂中的浓度、在使用其他组分B’时其他组分B’在溶剂中的浓度和与催化剂组分B-1、B-2的混合比例等,可以进行适当调节以形成所述的上层。
对于将催化剂组分B-2分散、负载于催化剂组分B-1时的方法,没有特别限制,可以应用公知的催化剂的制造方法或根据需要对其进行适当修饰并应用。具体而言,在将催化剂组分B-1(沸石)添加到含有催化剂组分B-2的水溶液或水性浆液中,并进行充分混合之后,例如在100~150℃下干燥10~20小时。然后,通过对以上述方式去除了水分的干燥粉状体进行干燥之后,在400~800℃下烧成1~3小时,从而获得了将催化剂组分B-2分散、负载于催化剂组分B-1上的负载物。在适当的溶剂中,以规定量将该负载物与根据需要而添加的其他组分B’一起进行混合,从而制备溶液或者浆液(2)。另外,所述溶液或者浆液(2)可以根据需要使用球磨机等进行湿式粉碎。
其次,在上述制备出的溶液或者浆液(2)中,浸渍上述制造出的底层覆盖整体式载体,并去除多余的溶液或者浆液(2)。在此,底层覆盖整体式载体的浸渍条件,只要是能够以所述的量覆盖所需的催化剂组分(将催化剂组分B-1、B-2、或催化剂组分B-2分散、负载于催化剂组分B-1上的负载物、以及根据需要而添加的其他组分B’,以下均相同)的条件即可,对其没有特别限制。例如,将底层覆盖整体式载体浸渍在所述溶液或者浆液(2)中之后,在100~150℃下干燥10分钟~1小时。然后,通过将以上述方式去除了水分后的干燥粉状体直接干燥一昼夜之后,在400~800℃下烧成1~3小时,从而使底层覆盖整体式载体被含有催化剂组分B的上层覆盖,由此能够制造出本发明的氮氧化物去除用催化剂。
在如上所述的本发明的氮氧化物去除用催化剂中,其上层的催化剂组分B催化氧化反应,从而可以促进将废气中的氮氧化物、尤其是一氧化氮(NO)有效地氧化成二氧化氮(NO2),并且利用底层的氧化铈对由此形成的二氧化氮进行吸附。而且,本发明的氮氧化物去除用催化剂即使在100℃附近、例如在80℃~150℃的低温区域内,也能够发挥充分的催化剂活性。因此,如果使用本发明的催化剂,即使在低温下,也能够有效地减少、去除废气中的氮氧化物(NOx)的量。
因此,本发明包括使用了本发明的氮氧化物去除用催化剂的、去除废气中的氮氧化物的方法。即、本发明的第二种方式是提供一种废气中的氮氧化物的去除方法,所述方法包括:使含有氮氧化物的废气与本发明的氮氧化物去除用催化剂接触。
5.废气中的氮氧化物的去除方法
通过使用本发明的氮氧化物去除用催化剂,能够对柴油发动机、汽油发动机等内燃机的废气进行净化。尤其是,具有优良的对低温启动时的柴油发动机废气中的NOx净化的能力。
在本发明的方法中,通过将本发明的氮氧化物去除用催化剂设置在废气中,从而进行废气的净化。或者,也可以将本发明的氮氧化物去除用催化剂与至少一种其他的催化剂进行组合使用。此时,作为其他的催化剂,例如包括:公知的烃吸附用或氮氧化物去除用的氧化催化剂以及三元催化剂等。通过以这种方式将本发明的催化剂与其他的催化剂进行组合,除了能够有效地去除废气中的氮氧化物之外,还能够有效地去除烃、一氧化碳、黑烟。
对于将本发明的催化剂与其他的催化剂进行组合时,本发明的催化剂以及其他催化剂的设置场所没有特别限制,既可以将本发明的催化剂设置在废气的上游一侧,而将其他的催化剂设置在废气的下游一侧;或者也可以将本发明的催化剂设置在废气的下游一侧,而将其他的催化剂设置在废气的上游一侧。优选为,将本发明的氮氧化物去除用催化剂设置在废气的下游一侧,而将其他的催化剂、尤其是氧化催化剂和三元催化剂中的至少一种设置在废气的上游一侧。
使用本发明的催化剂进行处理的废气是指,从柴油发动机、汽油发动机等内燃机中排放的包含氮氧化物的废气。虽然对废气中的氮氧化物的量没有特别限制,但本发明的催化剂,适合用于废气中的氮氧化物的量优选为2000体积ppm以下的废气处理。
对于将本发明的催化剂与其他催化剂进行组合时优选使用的三元催化剂,没有特别限制,通常,只要是能够同时处理HC、NOx、CO的催化剂,则任意一种均可,可以使用公知的三元催化剂。优选为,三元催化剂是将催化剂活性组分负载于耐火性无机氧化物(优选为多孔质的耐火性无机氧化物)而形成的。在此,作为耐火性无机氧化物,没有特别限制,可以使用公知的耐火性无机氧化物。具体而言,可以包括:活性氧化铝、二氧化硅、氧化锆、二氧化钛、二氧化铈等具有很高表面积的物质、或者这些物质的复合氧化物等。在这些物质中,优选为活性氧化铝、氧化锆、二氧化铈,特别优选为活性氧化铝。而且,所述耐火性无机氧化物既可以单独使用,或者也可以两种以上混合使用。
另外,作为用于三元催化剂的催化剂活性组分包括:铂、铑、钯以及它们的混合物,优选为铂和铑;钯和铑;或者钯、铑和铂,更优选使用钯和铑。尤其是,优选使用将Pt-Rh、Pd-Rh、Pt-Pd-Rh类的贵金属负载于多孔质无机氧化物中的催化剂。
而且,三元催化剂可以包含其他的添加组分,作为该添加组分包括:钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)等稀土类金属;锆(Zr)、铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)等金属;上述金属的氧化物;上述金属的复合氧化物等。在这些物质中,优选为Zr、Ce、La、Y、Nd、Pr的氧化物或者它们的复合氧化物,更优选为Zr、Ce、La的氧化物或者它们的复合氧化物。
在此,三元催化剂可以被覆盖于整体式载体上使用。此时,对整体式载体没有特别限制,由于其与上文所述的本发明的整体式载体相同,因而在此省略其说明。
对整体式载体的三元催化剂的覆盖(负载)量没有特别限制,可以使用与公知的三元催化剂的覆盖(负载)量相同的量。
对于将本发明的催化剂与其他催化剂进行组合的情况下优选使用的氧化催化剂,没有特别限制,通常只要是能够用于氧化HC、CO的氧化催化剂则任意一种均可,可以使用公知的氧化催化剂。优选为,氧化催化剂是将贵金属等催化剂活性组分,负载于耐火性无机氧化物(优选为多孔质的耐火性无机氧化物)而形成的,例如可以使用铂、钯、铑等贵金属;以及耐火性无机氧化物、尤其是氧化铝、二氧化硅、氧化锆、二氧化钛或它们的复合氧化物。优选为,包含贵金属的铂以及/或钯(催化剂活性组分);以及氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、氧化锆或它们的复合氧化物的耐火性无机氧化物。并且,有时还会添加氧化镧(La2O3)等稀土类氧化物以及铁、钴、镍等金属中的一种或两种以上。
在此,氧化催化剂可以被覆盖于整体式载体上使用。此时,对整体式载体没有特别限制,由于其与上文所述的本发明的整体式载体相同,因而在此省略其说明。
对整体式载体的氧化催化剂的覆盖(负载)量,没有特别限制,可以使用与公知的氧化催化剂的覆盖(负载)量相同的量。本发明的催化剂、与氧化催化剂以及/或三元催化剂之间的体积比(本发明的催化剂的体积∶氧化催化剂以及三元催化剂的合计体积之比),优选为1∶0.5~2。
通过使含有氮氧化物(尤其是一氧化氮)的废气与本发明的催化剂接触,从而去除废气中的氮氧化物。关于进行该处理时的条件,没有特别限制,可以适当选择最优条件来进行处理。例如,废气的空间速度(在1小时内通过每体积催化剂的废气量)通常为5,000~200,000hr-1(STP),优选为5,000~50,000hr-1(STP)。此外,将含有氮氧化物(尤其是一氧化氮)的废气与本发明催化剂接触时的温度,优选为80~150℃。如果使用本发明的催化剂,即使在上述这种与废气的接触温度较低的情况下,也能够发挥充分的催化剂活性。
实施例
下面,利用以下的实施例和比较例对本发明的效果进行说明。但是,本发明的技术范围并不仅限于以下的实施例。
[实施例1]
在水中,充分地混合了含有147g氧化铈(BET比表面积:250m2/g、平均粒径:15μm)以及37g硅溶胶(日产化学制造、スノ一テツクスオ一)的悬浮液之后,使用球磨机进行了14小时的湿式粉碎,从而制备了浆液A。
在所得的浆液A中,浸渍了直径24mm×长度66mm大小的堇青石制蜂窝状载体(400网眼/英寸2)。然后,在去除了多余的浆液A后,通过鼓风进行横向干燥,并在500℃下烧成1小时,从而获得了催化剂A,所述催化剂A是通过使作为催化剂组分A而含有氧化铈和二氧化硅的底层覆盖在载体上而形成的。所得的催化剂A在每1升载体中,分别含有95g氧化铈、5g二氧化硅。
另一方面,在加入了49g硝酸铁·9水合物的水溶液中,添加225g的β-沸石(Zeolyst会社制造的β-沸石、SiO2/Al2O3(摩尔比)=25)并进行充分混合之后,在120℃下干燥16小时,然后再在500℃下烧成1小时,从而获得了对催化剂组分进行分散负载后的铁/沸石粉末。将所得的171g粉末,加入到含有160g硅溶胶(日产化学制造、スノ一テツクスオ一)的水溶液中进行充分混合,从而获得了悬浮液。之后,使用球磨机,对所得的悬浮液进行14小时的湿式粉碎,从而制备了浆液B。
在所得的浆液B中,浸渍了上述所获得的催化剂A。接着,在去除多余的浆液B后,通过鼓风进行横向干燥,然后,在500℃下烧成1小时,从而获得了本发明的氮氧化物去除用催化剂(1),所述氮氧化物去除用催化剂(1)是通过使作为催化剂组分B而含有铁、二氧化硅和β-沸石的底层进一步覆盖在催化剂A上而形成的。
其结果为,在所获得的氮氧化物去除用催化剂(1)的底层中,在每1升载体内,分别含有95g氧化铈、5g二氧化硅。并且,在氮氧化物去除用催化剂(1)的上层中,在每1升载体内,分别含有150g的β-沸石、30g二氧化硅、7g铁(氧化铁换算)。
[实施例2]
在水中,充分地混合了含有101g氧化铈(BET比表面积:250m2/g、平均粒径:15μm)以及51g氧化铝(γ-Al2O3、BET比表面积:150m2/g、SASOL制造)的悬浮液之后,使用球磨机进行14小时的湿式粉碎,从而制备了浆液A。
在所得的浆液A中,浸渍了直径24mm×长度66mm大小的堇青石制蜂窝状载体(400网眼/英寸2)。然后,在去除了多余的浆液A后,通过鼓风进行横向干燥,之后再在500℃下烧成1小时,从而获得了催化剂A,所述催化剂A是通过使作为催化剂组分A而含有氧化铈和氧化铝的底层覆盖在载体上而形成的。所得的催化剂A在每1升载体中,分别含有75g氧化铈、25g氧化铝。
另一方面,在加入了49g硝酸铁·9水合物的水溶液中,添加225g的β-沸石(Zeolyst会社制造的β-沸石、SiO2/Al2O3(摩尔比)=25)并进行充分混合之后,在120℃下干燥16小时,然后再在500℃下烧成1小时,从而获得了对催化剂组分进行分散负载后的铁/沸石粉末。将所获得的171g粉末,加入到含有160g硅溶胶(日产化学制造、スノ一テツクスオ一)的水溶液中进行充分混合,从而获得了悬浮液。之后,使用球磨机,对所获得的悬浮液进行14小时的湿式粉碎,从而制备了浆液B。
在所获得的浆液B中,浸渍上述所得的催化剂A。接着,在去除了多余的浆液B后,通过鼓风进行横向干燥,然后,再在500℃下烧成1小时,从而获得了本发明的氮氧化物去除用催化剂(2),所述氮氧化物去除用催化剂(2)是通过使作为催化剂组分B而含有铁、二氧化硅和β-沸石的底层进一步覆盖在催化剂A上而形成的。
其结果为,在所获得的氮氧化物去除用催化剂(2)的底层中,在每1升载体内,分别含有75g氧化铈、25g氧化铝。并且,在氮氧化物去除用催化剂(2)的上层中,在每1升载体内,分别含有150g的β-沸石、30g二氧化硅、7g铁(氧化铁换算)。
[比较例1]
在水中,充分地混合了含有147g氧化铈(BET比表面积:250m2/g、平均粒径:15μm)以及37g硅溶胶(日产化学制造、スノ一テツクスオ一)的悬浮液之后,使用球磨机进行14小时的湿式粉碎,从而制备了浆液A。
在所获得的浆液A中,浸渍了直径24mm×长度66mm大小的堇青石制蜂窝状载体(400网眼/英寸2)。然后,在去除了多余的浆液A后,通过鼓风进行横向干燥,接着再在500℃下烧成1小时,从而获得了比较用氮氧化物去除用催化剂(1),所述比较用氮氧化物去除用催化剂(1),是通过仅使作为催化剂组分A而含有氧化铈和二氧化硅的催化剂组分A层覆盖在载体上而形成的。在所获得的比较用氮氧化物去除用催化剂(1)中,在每1升载体内,分别含有95g氧化铈、5g二氧化硅。
[比较例2]
在加入了49g的硝酸铁·9水合物的水溶液中,添加225g的β-沸石(Zeolyst会社制造的β-沸石、SiO2/Al2O3(摩尔比)=25)并进行充分混合之后,在120℃下干燥16小时,然后再在500℃下烧成1小时,从而获得了对催化剂组分进行分散负载后的铁/沸石粉末。将所获得的171g粉末,加入到含有160g硅溶胶(日产化学制造、スノ一テツクスオ一)的水溶液中并进行充分混合,从而获得了悬浮液。之后,使用球磨机,对所获得的悬浮液进行14小时的湿式粉碎,从而制备了浆液B。
在所获得的浆液B中,浸渍直径24mm×长度66mm大小的堇青石制蜂窝状载体(400网眼/英寸2)。然后,在去除了多余的浆液A后,通过鼓风进行横向干燥,接着再在500℃下烧成1小时,从而获得了比较用氮氧化物去除用催化剂(2),所述比较用氮氧化物去除用催化剂(2),是通过仅使作为催化剂组分B而含有铁、二氧化硅和β-沸石的催化剂组分B层覆盖在载体上而形成的。在所获得的比较用氮氧化物去除用催化剂(2)中,在每1升载体内,分别含有150g的β-沸石、30g二氧化硅、7g铁(氧化铁换算)。
[比较例3]
将在比较例1中制备出的浆液A以及在比较例2中制备出的浆液B,以固体成分为1∶1.87的比例进行混合,从而制备了浆液混合物。
在所获得的浆液混合物中,浸渍直径24mm×长度66mm大小的堇青石制蜂窝状载体(400网眼/英寸2)。然后,在去除了多余的浆液混合物C后,通过鼓风进行横向干燥,接下来再在500℃下烧成1小时,从而获得了比较用氮氧化物去除用催化剂(3),所述比较用氮氧化物去除用催化剂(3),是通过仅使作为混合了催化剂组分A和催化剂组分B的催化剂混合物、即、由含有氧化铈、二氧化硅、β-沸石和铁的催化剂混合物所组成的层覆盖在载体上而形成的。在所获得的比较用氮氧化物去除用催化剂(3)中,在每1升载体内,分别含有95g氧化铈、35g二氧化硅、150g的β-沸石、7g铁(氧化铁换算)。
[空白]
为了估计吸附在催化剂上的NOx的吸附量,作为空白、使用了未涂覆催化剂的直径24mm×长度66mm大小的堇青石制蜂窝状载体(400网眼/英寸2)。
(废气净化性能的实验方法)
根据以下的方法,对在实施例和比较例中所制造出的催化剂进行了废气净化性能的实验。
首先,在以下的条件下,对直径24mm×长度66mm大小的催化剂进行了水热耐久性的实验。
[表1]
<水热耐久的条件>
700℃×50hrs
气体环境O2:10vol.%;H2O:10%;N2:平衡
然后,将上述进行水热耐久处理后的催化剂制成直径24mm×长度66mm的大小,并且将该催化剂装入不锈钢制造的催化剂反应管中,并使以下的混合气体流入催化剂内。反应管使用加热器,按照以下的表2所述的预处理和各个评价条件,对催化剂入口温度进行了控制。在评价条件1、2和所述预处理条件下,对催化剂进行处理后,将催化剂入口温度设定为100℃,等到稳定之后再开始进行评价。在开始1分钟后导入了NO、NH3(仅评价条件2)。
[表2]
<催化剂处理条件>
气体量:16NL/min.
催化剂入口温度:600℃×5min.
O2:12vol.%;CO2:6vol.%;H2O:6vol.%;N2:平衡
[评价条件1(NO吸附实验)]
NO:180ppm;O2:12vol.%;CO2:6vol.%;H2O:6vol.%;N2:平衡
催化剂入口温度:100℃
[评价条件2(NH3·NO吸附实验)]
NH3:180ppm;NO:180ppm;O2:12vol.%;CO2:6vol.%;
H2O:6vol.%;N2:平衡
催化剂入口温度:100~300℃
并且,对上述这些条件下的催化剂的出口气体的NOx浓度,利用化学发光分析仪(CLD)进行了测量。图1表示评价条件1的结果,图2表示评价条件2的结果。
(NOx吸附量的计算)
通过在上述评价条件1下求出的结果,计算出了NOx吸附量。对于图1中的300秒为止的NOx浓度的累计值,将从空白用载体的NOx排放浓度的累计值中,减去在各个实施例和比较例中制造出的催化剂的NOx排放浓度的累计值之后的值作为X。并且,通过下式计算出了此时的NOx吸附量(mmol/Lcat)。
[公式1]
图3表示结果。
从图3中可以看出,比较例1和2的比较用氮氧化物去除用催化剂(1)和(2),在100℃下均不能吸附NOx,相对于此,本发明的氮氧化物去除用催化剂(1)和(2)即使在100℃的低温下,也能够有效地吸附NOx。
另外,本申请以2007年10月29日申请的日本专利申请第2007-280253号为依据,通过参照从而全部引用其公开内容。

Claims (11)

1.一种氮氧化物去除用催化剂,是通过在整体式载体上覆盖包括催化剂组分A的底层和包括催化剂组分B的上层而形成的,其中,所述催化剂组分A中含有氧化铈;所述催化剂组分B中含有从铜、锰、铁、钴和镍中选出的至少一种金属或金属化合物以及沸石。
2.根据权利要求1所述的氮氧化物去除用催化剂,相对于100质量份的该催化剂组分B,该催化剂组分A的含量为10~100质量份。
3.根据权利要求1或2所述的氮氧化物去除用催化剂,相对于100质量份的沸石,包含在上层中的该金属或金属化合物的含量为1.0~30.0质量份。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的氮氧化物去除用催化剂,该催化剂组分A以及/或催化剂组分B包括从氧化铝、氧化硅、氧化磷、氧化钛以及氧化锆中选出的至少一种耐火性无机氧化物。
5.根据权利要求4所述的氮氧化物去除用催化剂,相对于100质量份的氧化铈,该催化剂组分A中所包含的耐火性无机氧化物的含量为2~100质量份。
6.根据权利要求4或5所述的氮氧化物去除用催化剂,相对于100质量份的金属或金属化合物与沸石的合计质量,该催化剂组分B中所包含的耐火性无机氧化物的含量为10~100质量份。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的氮氧化物去除用催化剂,该催化剂组分A的含量为,在每1升整体式载体中含有50~150g;该催化剂组分B的含量为,在每1升整体式载体中含有150~250g。
8.一种废气中的氮氧化物去除方法,使含有氮氧化物的废气与权利要求1至7中任意一项所述的氮氧化物去除用催化剂接触。
9.根据权利要求8所述的废气中的氮氧化物去除方法,其中,将权利要求1至7中任意一项所述的氮氧化物去除用催化剂设置在废气的下游一侧,而将氧化催化剂和三元催化剂中的至少一种设置在废气的上游一侧。
10.根据权利要求8或9所述的废气中的氮氧化物去除方法,使温度为80~150℃的含有氮氧化物的废气,与该氮氧化物去除用催化剂接触。
11.根据权利要求8至10中任意一项所述的废气中的氮氧化物去除方法,其中,该废气是从柴油发动机中被排放的。
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