DE102008016177A1 - Harnstoffhydrolysekatalysator - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Harnstoffhydrolysekatalysator, umfassend eine katalytisch aktive Zusammensetzung, enthaltend einen metallausgetauschten Zeolithen und/oder Zirkoniumdioxid, sowie dessen Verwendung.The present invention relates to a urea hydrolysis catalyst comprising a catalytically active composition containing a metal-exchanged zeolite and / or zirconia, and to the use thereof.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Harnstoffhydrolysekatalysator umfassend eine katalytisch aktive Zusammensetzung enthaltend einen metallausgetauschten Zeolithen und/oder Zirkoniumdioxid sowie dessen Verwendung in einem Abgasreinigungssystem für mobile und stationäre Verbrennungsanlagen.The The present invention relates to a urea hydrolysis catalyst comprising a catalytically active composition containing a metal-exchanged Zeolites and / or zirconium dioxide and its use in one Emission control system for mobile and stationary Incinerators.
Aufgrund der schädlichen Auswirkung von Stickoxidemissionen auf die Umwelt ist wichtig, diese Emissionen weiter zu verringern. Deutlich tiefere NOx Emissionsgrenzwerte für stationäre und KFZ-Abgase als heutzutage üblich, sind in den Vereinigten Staaten in naher Zukunft vorgesehen und werden auch in der Europäischen Union diskutiert.by virtue of the harmful effect of nitrogen oxide emissions the environment is important to further reduce these emissions. Clear lower NOx emission limits for stationary and automotive exhaust gases now commonplace in the United States States envisaged in the near future and will also be in the European Union discussed.
Die Entstickung von Abgasen wird auch als DeNOx bezeichnet. In der Automobiltechnik ist die selektive katalytische Reduktion (SCR) eine der wichtigsten DeNOx-Techniken. Als Reduktionsmittel dienen üblicherweise Kohlenwasserstoffe (HC-SCR) oder Ammoniak (NH3-SCR) bzw. NH3-Vorläufer wie Harnstoff (AdBlue®).The denitrification of exhaust gases is also referred to as DeNOx. In automotive engineering, selective catalytic reduction (SCR) is one of the most important DeNOx techniques. As the reducing agent commonly used hydrocarbons (HC-SCR) or ammonia (NH 3 -SCR) and NH 3 precursors such as urea (AdBlue ®).
Die Beseitigung der HC (Kohlenwasserstoffe) und CO Emissionen aus dem Dieselabgas kann vergleichsweise einfach durch einen Oxidationskatalysator erfolgen. Dieseloxidationskatalysatoren (DOC) bestehen dabei im Wesentlichen aus einer Trägerstruktur aus Keramik, einer Oxidmischung (washcoat) sowie aus den katalytisch aktiven Edelmetallkomponenten wie Platin, Palladium und Rhodium.The Elimination of HC (hydrocarbons) and CO emissions from the Diesel exhaust can be comparatively easy by an oxidation catalyst respectively. Diesel oxidation catalysts (DOC) exist in the Essentially from a support structure made of ceramic, a Oxide mixture (washcoat) and from the catalytically active noble metal components such as platinum, palladium and rhodium.
Der DOC erfüllt dabei die Funktion, dass CO und HC am Katalysator zu CO2 und H2 oxidiert werden und die emittierten Partikel, die zum Teil aus Kohlenwasserstoffen bestehen, bei steigenden Temperaturen vom Partikelkern desorbiert werden. Durch die Oxidation dieser Kohlenwasserstoffe im DOC wird die Partikelmasse reduziert.The DOC fulfills the function that CO and HC are oxidized on the catalyst to CO 2 and H 2 and the emitted particles, which consist partly of hydrocarbons, are desorbed from the particle core at increasing temperatures. The oxidation of these hydrocarbons in the DOC reduces the particle mass.
Der DOC kann ebenso als katalytischer Brenner (cat burner) zur Anhebung der Abgastemperatur eingesetzt werden z. B. bei der Partikelfilterregeneration.Of the DOC can also be used as a catalytic burner (cat burner) to boost the exhaust gas temperature are used for. B. in the particle filter regeneration.
Weiter
bedarf ein Abgasreinigungssystem, wie es beispielsweise auch in
der
Daher werden die NO Anteile zunächst in einem vorgeschalteten oder integrierten Oxidationskatalysator zu NO2 oxidiert.Therefore, the NO components are first oxidized to NO 2 in an upstream or integrated oxidation catalyst.
Das NO2 wird typischerweise gespeichert, in dem es mit Verbindungen an der Katalysatoroberfläche (z. B. Bariumcarbonat BaCO3 als Speichermaterial) und Sauerstoff aus dem Dieselabgas zu Nitraten reagiert.The NO 2 is typically stored by reacting with compounds on the catalyst surface (eg, barium carbonate BaCO 3 as a storage material) and oxygen from the diesel exhaust to form nitrates.
Am Ende der Einspeicherphase muss der Katalysator typischerweise regeneriert werden. Dazu müssen im Abgasfilter spezifische Bedingungen eingestellt werden (Λ1). Im Abgas ist dann so viel Reduktionsmittel vorhanden (CO, H2 und verschiedene Kohlenwasserstoffe), dass die Nitratbindung schlagartig gelöst und das frei werdende NO2 direkt an dem edelmetallhaltigen Katalysator zu N2 reduziert wird.At the end of the injection phase, the catalyst typically needs to be regenerated. For this purpose, specific conditions must be set in the exhaust filter (Λ1). In the exhaust gas is then so much reducing agent present (CO, H 2, and various hydrocarbons) that the nitrate binding dissolved abruptly and the released NO 2 is reduced directly to the noble metal catalyst to N 2.
Die Regeneration erfolgt typischerweise in ca. 2 bis 10 Sek. Bei der selektiven katalytischen Reduktion beruht das Prinzip darauf, dass ausgewählte Reduktionsmittel in Gegenwart von Sauerstoff selektiv Stickoxide reduzieren. Selektiv bedeutet hierbei, dass die Oxidation des Reduktionsmittels bevorzugt ist (selektiv), die mit dem Sauerstoff Stickoxide und nicht mit dem im Abgas wesentlich reichlicher vorhandenen molekularen Sauerstoff erfolgt. Ammoniak bzw. Ammoniakvorläufer haben sich dabei als Reduktionsmittel mit der höchsten Selektivität bewährt.The Regeneration typically takes about 2 to 10 seconds Selective catalytic reduction is based on the principle that selected reducing agents in the presence of oxygen selectively reduce nitrogen oxides. Selective here means that the oxidation of the reducing agent is preferred (selective), the with the oxygen nitrogen oxides and not with that in the exhaust gas substantially abundant molecular oxygen available. Ammonia or Ammonia precursors have themselves as reducing agent proven with the highest selectivity.
Typischerweise wird dabei anstelle des reinen Ammoniaks Harnstoff insbesondere aufgrund seiner Ungiftigkeit verwendet. Harnstoff weist außerdem eine sehr gute Löslichkeit in Wasser auf und kann daher entweder als Feststoff oder als einfach zu dosierende wässrige Lösung dem Abgas zugegeben werden.typically, In this case, urea is used in place of the pure ammonia in particular used because of its non-toxicity. Urea also points a very good solubility in water and therefore can either as a solid or as an easy-to-dose aqueous Solution are added to the exhaust gas.
Bei einer Massenkonstellation von 32,5 Gew.-% Harnstoff in Wasser hat der Gefrierpunkt bei –11° ein lokales Minimum, wobei sich ein Eutektikum bildet, wodurch ein Entmischen der Lösung im Fall des Einfrierens ausgeschlossen wird.at a mass constellation of 32.5 wt .-% urea in water has the freezing point at -11 ° a local minimum, wherein a eutectic forms, thereby segregating the solution is excluded in the case of freezing.
Die Firma Robert Bosch GmbH hat für die präzise Zudosierung des Reduktionsmittels das so genannte DeNoxtronic1-System entwickelt. Harnstoff-Wasserlösungen werden unter dem Markennamen AdBlue® angeboten.Robert Bosch GmbH has developed the so-called DeNoxtronic1 system for the precise metering of the reducing agent. Urea water solutions are offered under the brand name AdBlue ® .
Vor
der eigentlichen SCR-Reaktion muss aus Harnstoff zunächst
Ammoniak gebildet werden. Dies geschieht in zwei Reaktionsschritten,
die zusammengefasst als Hydrolysereaktion bezeichnet werden. Zunächst
werden in einer Thermolysereaktion NH3 und
Isocyansäure gebildet:
Anschließend
wird in einer katalytischen Hydrolysereaktion die Isocyansäure
mit Wasser zu Ammoniak und Kohlendioxid umgesetzt.
Zur Vermeidung von festen Ausscheidungen ist es erforderlich, dass die zweite Reaktion durch die Wahl geeigneter Katalysatoren und genügend hoher Temperaturen (ab 250°) ausreichend schnell erfolgt.to Avoiding solid precipitates requires that the second reaction by choosing suitable catalysts and enough high temperatures (from 250 °) sufficiently fast.
Das
durch die Thermohydrolyse entstandene Ammoniak reagiert am SCR Katalysator
nach den folgenden Gleichungen:
Bei niedrigen Temperaturen im Abgassystem (< 300°) läuft der Umsatz überwiegend über die Reaktion (2) ab. Für einen guten Niedertemperaturumsatz ist es deshalb erforderlich, ein NO2:NO Verhältnis von etwa 1:1 einzustellen. Unter diesen Umständen kann die Reaktion (2) bereits bei Temperaturen ab 170° bis 200° erfolgen.At low temperatures in the exhaust system (<300 °), the conversion proceeds predominantly via the reaction (2). For a good low-temperature conversion, it is therefore necessary to set a NO 2 : NO ratio of about 1: 1. Under these circumstances, the reaction (2) can already take place at temperatures from 170 ° to 200 °.
Die Oxidation von NO zu NOx erfolgt an dem vorstehend beschriebenen vorgelagerten Oxidationskatalysator, der deshalb wesentlich für einen optimalen Wirkungsgrad eines Abgasreinigungssystems für Dieselmotoren ist.The oxidation of NO to NO x occurs on the above-described upstream oxidation catalyst, which is therefore essential for optimum efficiency of an exhaust gas purification system for diesel engines.
Weiter umfassen klassische Abgasreinigungssysteme von Dieselmotoren so genannte Partikelfilter (DPF), die die von einem Dieselmotor emittierten Rußpartikel aus dem Abgas mit Wirkungsgraden bis zu 95% entfernen können.Further include classic diesel engine emission control systems like this Particulate filter (DPF), which emitted by a diesel engine Soot particles from the exhaust gas with efficiencies of up to 95% can remove.
Derzeit üblicherweise verwendete Harnstoffhydrolysekatalysatoren umfassen hauptsächlich Titandioxid in der Anatasmodifikation. Vorliegend wird, wie im Stand der Technik üblich, der Begriff „Harnstoffhydrolysekatalysator” verwendet, um einen Katalysator zu bezeichnen, der streng genommen nur die Hydrolyse von Isocyansäure katalysiert, d. h. dem Produkt der thermolytischen Zersetzung von z. B. Harnstoff oder anderen NH3 bildenden Reduktionsmitteln. Die Thermolyse findet aber ebenfalls hauptsächlich am Harnstoffhydrolysekatalysator statt.Currently commonly used urea hydrolysis catalysts mainly comprise titanium dioxide in anatase modification. As used herein, as used in the art, the term "urea hydrolysis catalyst" is used to refer to a catalyst which, strictly speaking, catalyzes only the hydrolysis of isocyanic acid, ie, the product of thermolytic decomposition of e.g. As urea or other NH 3 forming reducing agents. However, the thermolysis also takes place mainly on the urea hydrolysis catalyst.
Beispiele
dafür finden sich in der
Wird dieser Katalysator hohen Abgastemperaturen ausgesetzt, so kann es zu einer Phasenumwandlung von Anatas nach Rutil kommen. Die Rutilphase weist eine erheblich geringere Aktivität bezüglich der zu katalysierenden Reaktion von Isocyansäure zu Ammoniak auf. Außerdem sinkt die spezifische Oberfläche des Katalysators erheblich ab. Diese Katalysatoralterung tritt insbesondere bei einer Temperatur von 600°C auf.Becomes this catalyst can be exposed to high exhaust temperatures, so it can come to a phase transition from anatase to rutile. The rutile phase has a considerably lower activity the catalysed reaction of isocyanic acid to ammonia on. In addition, the specific surface area decreases of the catalyst significantly. This catalyst aging occurs in particular at a temperature of 600 ° C.
Um diese Alterung zu verringern oder zeitlich zu verzögern werden entweder verschiedene Zusatzstoffe dem Titandioxid zugesetzt, wie insbesondere Siliziumoxide, Lanthanoxide oder Wolframoxide. Diese Zusatzstoffe wirken sich allerdings negativ auf die Leistung des Katalysators aus und verringern insbesondere den Umsatz der Isocyansäure zu Ammoniak.Around to reduce or delay this aging either different additives are added to the titanium dioxide, in particular silicon oxides, lanthanum oxides or tungsten oxides. However, these additives have a negative impact on performance of the catalyst and reduce in particular the conversion of the Isocyanic acid to ammonia.
Um
dieses Problem zu umgehen wurden insbesondere verschiedene Anordnungen
des Harnstoffhydrolysekatalysators im Abgasreinigungssystem vorgeschlagen,
wie beispielsweise in den
Allerdings kann es durch eine relativ motornahe Anordnung des Harnstoffhydrolysekatalysators im Abgassystem zu Temperaturen am Katalysator von bis zu 750°C kommen, die insbesondere bei Volllastpunkten im Motorbetrieb bei PKWs auftreten, z. B. bei starker Beschleunigung oder starken Steigungen. Alternativ dazu kann der Harnstoffhydrolysekatalysator auch hinter dem Dieselpartikelfilter angeordnet werden. Allerdings treten dabei bei der vorstehend beschriebenen thermischen Regeneration des Filters ebenfalls Temperaturspitzen auf, die auch in einem Temperaturbereich von 750°C und mehr liegen.Indeed It may be due to a relatively close-coupled arrangement of the urea hydrolysis in the Exhaust system to temperatures at the catalytic converter of up to 750 ° C come in, especially at full load points in engine operation Cars occur, for. B. at high acceleration or steep gradients. Alternatively, the urea hydrolysis catalyst may also be behind the diesel particulate filter are arranged. However, there are in the above-described thermal regeneration of the filter also temperature peaks, which also in a temperature range of 750 ° C and more.
Es bestand daher ein Bedarf, einen Harnstoffhydrolysekatalysator bereit zu stellen, der insbesondere temperaturstabil ist und ein geringes Alterungsverhalten aufweist und durch kurzfristig auftretende erhöhte Temperaturspitzen nur wenig in seiner katalytischen Aktivität beeinflusst wird.It Therefore, there was a need to provide a urea hydrolysis catalyst to provide, which is particularly temperature stable and a low Has aging behavior and increased by short-term occurring Temperature peaks little in its catalytic activity being affected.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Harnstoffhydrolysekatalysator umfassend eine katalytisch aktive Zusammensetzung enthaltend einen metallausgetauschten Zeolithen und/oder Zirkoniumdioxid.These Task is solved by a urea hydrolysis catalyst comprising a catalytically active composition containing a metal exchanged zeolites and / or zirconia.
Es ist bekannt, dass die Einbringung (Dotierung) von Metallen in Zeolithe, (d. h. genauer gesagt ist dies typischerweise ein Austausch der Gitter-H oder NH4-Ionen durch die entsprechenden Metallionen) zu einer guten Hochtemperaturstabilität und Hydrothermalstabilität dieser Spezies beiträgt. Gleiches gilt für nichtdotiertes bzw. dotiertes Zirkondioxid. Darüber hinaus weisen beide Materialien eine katalytisch gute Aktivität bezüglich der Hydrolyse von Isocyansäure auf. Zirkoniumdioxid ist extrem hoch temperaturbeständig und wird auch als Werkstoff für feuerfeste Keramiken und technische Keramiken insbesondere im Maschinenbau verwendet. Eine Phasenumwandlung hin zu katalytisch inaktiveren Phasen tritt bei Zirkoniumdixoid erst ab ca. 1173°C auf. Von Raumtemperatur bis zu dieser Temperatur liegt die für die Hydrolysereaktion katalytisch relevante monokline Phase (Baddeleyit) vor, die sich ab 1173°C katalytisch in eine für die Hydrolysereaktion nahezu inaktive tetragonale Phase umwandelt.It is known that the incorporation (doping) of metals into zeolites (ie, more specifically, this typically involves replacement of the lattice H or NH 4 ions by the corresponding metal ions) contributes to good high temperature stability and hydrothermal stability of these species. The same applies to undoped or doped zirconium dioxide. In addition, both materials have a catalytically good activity with respect to the hydrolysis of isocyanic acid. Zirconium dioxide is extremely high temperature resistant and is also used as a material for refractory ceramics and technical ceramics, especially in mechanical engineering. A phase transition to catalytically inactive phases occurs in zirconium dioxide only from about 1173 ° C. From room temperature to this temperature is the catalytically relevant for the hydrolysis reaction monoclinic phase (Baddeleyit), which catalytically from 1173 ° C in one for the hydrolysis reaction almost in active tetragonal phase converts.
Insbesondere beginnt die katalytische Aktivität der Materialien des erfindungsgemäßen Harnstoffhydrolysekatalysators schon bei ca. 120°C und wird auch durch kurzfristig auftretende hohe Temperaturspitzen nicht beeinträchtigt.Especially begins the catalytic activity of the materials of the urea hydrolysis catalyst according to the invention already at about 120 ° C and is also caused by short-term high temperature peaks are not affected.
Unter
dem Begriff ”Zeolith” wird im Rahmen der vorliegenden
Erfindung gemäß der Definition der International
Mineralogical Association (
Die Zeolithstruktur enthält Hohlräume und Kanäle, die für jeden Zeolithen charakteristisch sind. Die Zeolithe werden gemäß ihrer Topologie in verschiedene Strukturen (siehe oben) eingeteilt. Das Zeolithgerüst enthält offene Hohlräume in Form von Kanälen und Käfigen, die normalerweise von Wassermolekülen und extra Gerüstkationen, die ausgetauscht werden können, besetzt sind. Auf ein Aluminiumatom kommt eine überschüssige negative Ladung, die durch diese Kationen kompensiert wird. Das Innere des Porensystems stellt die katalytisch aktive Oberfläche dar. Je mehr Aluminium und je weniger Silizium ein Zeolith enthält, desto dichter ist die negative Ladung in seinem Gitter und desto polarer seine innere Oberfläche. Die Porengröße und Struktur wird neben den Parametern bei der Herstellung (Verwendung bzw. Art von Templaten, pH, Druck, Temperatur, Anwesenheit von Impfkristallen) durch das Si/Al-Verhältnis bestimmt, das den größten Teil des katalytischen Charakters eines Zeolithen bestimmen.The Zeolite structure contains cavities and channels, which are characteristic of each zeolite. The zeolites become different structures according to their topology (see above) divided. Contains the zeolite framework open cavities in the form of channels and cages, usually of water molecules and extra framework cations, which can be exchanged are occupied. On an aluminum atom comes an excess negative charge that is compensated by these cations. The interior of the pore system represents the catalytically active surface. The more aluminum and the less silicon a zeolite contains, the denser is the negative charge in its lattice and the more polar its inner surface. The pore size and Structure is in addition to the parameters in the production (use or type of template, pH, pressure, temperature, presence of seed crystals) determined by the Si / Al ratio, which is the largest Determine part of the catalytic character of a zeolite.
Durch die Anwesenheit von 2- oder 3-wertigen Kationen als Tetraederzentrum im Zeolithgerüst erhält der Zeolith eine negative Ladung in Form von so genannten Anionenstellen, in deren Nachbarschaft sich die entsprechenden Kationenpositionen befinden. Die negative Ladung wird durch den Einbau von Kationen in die Poren des Zeolithmaterials kompensiert. Die Zeolithe unterscheidet man hauptsächlich nach der Geometrie der Hohlräume, die durch das starre Netzwerk der SiO4/AlO4-Tetraeder gebildet werden. Die Eingänge zu den Hohlräumen werden von 8, 10 oder 12 ”Ringen” gebildet (eng-, mittel- und weitporige Zeolithe). Bestimmte Zeolithe zeigen einen gleichförmigen Strukturaufbau (z. B. ZSM-5 mit MFI-Topologie) mit linearen oder zickzackförmig verlaufenden Kanälen, bei anderen schließen sich hinter den Porenöffnungen größere Hohlräume an, z. B. bei den Y- und A-Zeolithen, mit den Topologien FAU und LTA.The presence of 2- or 3-valent cations as a tetrahedral center in the zeolite framework, the zeolite receives a negative charge in the form of so-called anion sites, in the vicinity of which are the corresponding cation positions. The negative charge is compensated by the incorporation of cations in the pores of the zeolite material. The zeolites are mainly distinguished by the geometry of the cavities formed by the rigid network of SiO 4 / AlO 4 tetrahedra. The entrances to the cavities are formed by 8, 10 or 12 "rings" (narrow, medium and large pore zeolites). Certain zeolites show a uniform structure structure (eg ZSM-5 with MFI topology) with linear or zigzag running channels, in others close behind the pore openings larger cavities, eg. B. in the Y and A zeolites, with the topologies FAU and LTA.
Erfindungsgemäß bevorzugt sind Zeolithe mit den Topologien BEA, MFI, SAPO (insbesondere SAPO-34) und TS (insbesondere TS-1). Bei TS-1 handelt es sich streng genommen eigentlich nicht um einen Zeolithen, sondern um ein Titansilikalit. Die dreidimensionale Gitter- bzw. Käfigstruktur entspricht im Wesentlichen derjenigen von ZSM5. Bei Titansilikalit besteht das Gitter aus Si- und Ti-Tetraedern. Wichtig ist die Unterscheidung, dass Ti hier nicht durch Ionenaustausch im Zeolithen vorhanden ist, sondern fester Bestandteil des Gitters ist. Al ist nicht im Gitter vorhanden. Die thermische Stabilität von TS ist allerdings sehr gut.According to the invention preferred are zeolites with the topologies BEA, MFI, SAPO (especially SAPO-34) and TS (especially TS-1). TS-1 is strictly speaking not a zeolite, but a titanium silicalite. The three-dimensional grid or cage structure corresponds in Essentially those of ZSM5. For titanium silicalite that exists Lattice of Si and Ti tetrahedra. Important is the distinction that Ti is not present here by ion exchange in the zeolite, but instead is an integral part of the grid. Al is not present in the grid. However, the thermal stability of TS is very good.
Es gibt in Zeolithen üblicherweise drei verschiedene Zentren, die als so genannte α-, β- und γ-Positionen bezeichnet werden, die die Position der Austauschplätze (auch als ”austauschbare Positionen bzw. Stellen” bezeichnet) definieren. Ganz besonders bevorzugt sind MFI Zeolithe wie ZSM-5 oder ZSM 12, außerdem die Topologien von SAPO-34 und TS-1.It usually gives three different centers in zeolites, as so-called α-, β- and γ-positions which are the location of the exchange places (also referred to as "interchangeable positions or positions") define. Most preferred are MFI zeolites such as ZSM-5 or ZSM 12, as well as the topologies of SAPO-34 and TS-1.
Das erfindungsgemäß bevorzugte SiO2/Al2O3-Modul (bei TS wäre dies das SiO2/TiO2 Verhältnis) (Molverhältnis) liegt im Bereich von 5:1 bis 300:1, besonders bevorzugt im Bereich von 20:1 bis 200:1 und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 30:1 bis 150:1. Grundsätzlich gilt, dass je höher das Modul ist, desto temperaturstabiler ist der Zeolith.The inventively preferred SiO 2 / Al 2 O 3 modulus (in the case of TS this would be the SiO 2 / TiO 2 ratio) (molar ratio) is in the range from 5: 1 to 300: 1, particularly preferably in the range from 20: 1 to 200 1, and most preferably in the range of 30: 1 to 150: 1. Basically, the higher the modulus, the more temperature stable the zeolite is.
Bevorzugt ist der Zeolith und/oder das ZrO2 in einer Menge von 50 bis 99 Gew.-%, besonders bevorzugt in einer Menge von 75 bis 95 Gew.-% in der katalytisch aktiven Zusammensetzung enthalten.Prefers is the zeolite and / or ZrO 2 in an amount of 50 to 99 wt .-%, particularly preferably in an amount of 75 to 95 wt .-% in the catalytic active composition.
Neben der Menge des Zeolithen kommt es wie vorstehend schon erläutert auch auf die Art des verwendeten Zeolithen an, wobei auch Kombinationen der vorgenannten bevorzugten Zeolithe eingesetzt werden können. Die genannten Katalysatoren sowie Verfahren zu deren Herstellung sind dem Fachmann bekannt.Next the amount of zeolite is as already explained above also on the type of zeolite used, including combinations the aforementioned preferred zeolites can be used. The catalysts mentioned and methods for their preparation are known in the art.
Erfindungsgemäß ist der Zeolith ein metallausgetauschter Zeolith, beispielsweise ein eisenausgetauschter Zeolith, da eisenausgetauschte Zeolithen besonders temperaturstabil sind.According to the invention the zeolite is a metal-exchanged zeolite, for example a iron-exchanged zeolite, as iron-exchanged zeolites particularly are temperature stable.
Bei metallausgetauschten bzw. dotierten Zeolithen wird der Metallgehalt bzw. der Austauschgrad eines Zeolithen maßgeblich durch die im Zeolithen vorliegende Metallspezies bestimmt. Dadurch kann der Zeolith sowohl nur mit einem einzigen Metall oder mit verschiedenen Metallen dotiert sein. Die bevorzugten Metalle für den Austausch und die Dotierung sind katalytisch aktive Metalle wie Fe, Co, Cu, Ce und Ag. Die Zeolithe können dabei teilweise, ganz oder auch überausgetauscht sein. Von überausgetauscht spricht man, wenn beispielsweise mehr Eisen im Zeolith vorhanden ist als theoretisch durch die negativen Ladungen des Gitters vorgegeben ist. Dieses Eisen liegt dann in der Regel als Eisenoxid vor und stört die eigentliche, katalytische Reaktion nicht. Überausgetauschte Zeolithe lassen sich relativ leicht über Feststoffionenaustausch herstellen.at Metal exchanged or doped zeolites becomes the metal content or the degree of exchange of a zeolite decisively determines the metal species present in the zeolite. This allows the Zeolite both with a single metal or with different ones Be doped metals. The preferred metals for the Exchange and doping are catalytically active metals such as Fe, Co, Cu, Ce and Ag. The zeolites can partially, be completely or else exchanged. From over-talking speaks if, for example, more iron is present in the zeolite than theoretically given by the negative charges of the grid is. This iron is then usually present as iron oxide and does not disturb the actual, catalytic reaction. About Exchanged Zeolites are relatively easy to exchange via solid ions produce.
Die Herstellungsverfahren für metallausgetauschte Zeolithe, beispielsweise über Fest- oder Flüssigphasenaustausch, sind dem Fachmann bekannt.The Manufacturing process for metal-exchanged zeolites, for example via solid or liquid phase exchange, are known in the art.
Ebenso vorteilhaft können auch beide Bestandteile, nämlich der metallausgetauschte Zeolithen und Zirkoniumdioxid, in der katalytisch aktiven Zusammensetzung vorhanden sein.As well Advantageously, both components, namely the metal exchanged zeolite and zirconia, in the catalytic active composition.
Ganz besonders bevorzugt liegt der metallausgetauschte Zeolith und/oder das Zirkoniumdioxid in einem Anteil von 80 Gew.-% bis 95 Gew.-% in der katalytisch aktiven Zusammensetzung vor.All particularly preferably the metal-exchanged zeolite and / or the zirconia in a proportion of 80% by weight to 95% by weight in the catalytically active composition.
Die katalytisch aktive Zusammensetzung ist bevorzugt auf einen Träger aufgebracht. Der Träger besteht dabei typischerweise aus einer Keramik, einem Metall oder einer Metalllegierung.The Catalytically active composition is preferably supported applied. The carrier typically consists of a ceramic, a metal or a metal alloy.
Der Träger liegt dabei in Form eines Wabenkörpers, eines Monolithen, eines Rohrs oder eines Schaums vor.Of the Carrier is in the form of a honeycomb body, a monolith, a pipe or a foam.
Anstelle der vorstehend genannten Träger kann der Harnstoffhydrolysekatalysator als solcher auch bereits zur Hydrolyse in einem der üblichen Bauteile eines Abgasreinigungssystems verwendet werden, beispielsweise als Teil einer Verdampfereinheit, als Teil einer Dosierleitung, als Teil einer Zugabeleitung mit der der Harnstoffhydrolysekatalysator mit der Abgasleitung verbindbar ist oder zumindest Teile einer Zugabeleitung zur Zugabe des gasförmigen Stoffgemisches zum eigentlichen Harnstoffhydrolysekatalysator oder Teile der Verbindungseinheit. Ebenfalls können Mischerelemente als Träger fungieren, die z. B. als einfache Umlenkbleche, über Wirbel erzeugende Einbauten bis hin zu strukturierten Monolithen mit Quervermischung über mehrere Kanäle (wie z. B. der Typ MX der Firma Emitec) ausgestaltet sind.Instead of the above-mentioned carrier may be the urea hydrolysis catalyst as such already for hydrolysis in one of the usual components an exhaust gas cleaning system may be used, for example as Part of an evaporator unit, as part of a dosing, as Part of a feed line with the urea hydrolysis with the exhaust pipe is connectable or at least parts of a metering line for adding the gaseous substance mixture to the actual Urea hydrolysis catalyst or parts of the compound unit. Also For example, mixer elements can act as carriers that z. B. as simple baffles, generating vortex Internals to structured monoliths with cross-mixing over several channels (such as the type MX of the company Emitec) are designed.
Dies erhöht die Umsetzungseffektivität und erlaubt es, den Harnstoffhydrolysekatalysator entsprechend kleinvolumiger mit einer kleineren katalytisch aktiven Oberfläche auszubilden.This increases the conversion efficiency and allows it, the urea hydrolysis catalyst correspondingly smaller volume with a smaller catalytically active surface form.
Die Aufbringung der katalytisch aktiven Zusammensetzung des Harnstoffhydrolysekatalysators erfolgt dabei nach aus dem Stand der Technik bekannten Methoden, beispielsweise durch Aufbringen eines Washcoats, durch Beschichtung im Tauchbad oder durch Sprühbeschichtung.The Application of the catalytically active composition of the urea hydrolysis catalyst takes place doing so by methods known in the art, for example by applying a washcoat, by coating in a dip or by spray coating.
Der erfindungsgemäße Harnstoffhydrolysekatalysator eignet sich demgemäß hervorragend zum Einsatz in Abgasreinigungssystemen oder zur Verringerung von Stickoxidemissionen von mobilen und stationären Verbrennungseinrichtungen.Of the urea hydrolysis catalyst according to the invention Accordingly, it is ideal for use in emission control systems or to reduce nitrogen oxide emissions of mobile and stationary incinerators.
Mobile Verbrennungseinrichtungen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, insbesondere Dieselmotoren, Stromerzeugungsaggregate auf Basis von Verbrennungsmotoren oder sonstige Aggregate auf Basis von Verbrennungsmotoren.mobile Combustion devices in the context of the present invention are For example, internal combustion engines of motor vehicles, in particular Diesel engines, generating sets based on internal combustion engines or other units based on internal combustion engines.
Bei den stationären Verbrennungseinrichtungen handelt es sich für gewöhnlich um Kraftwerksanlagen, Feuerungsanlagen, Müllverbrennungsanlagen und auch um Heizungssysteme von Privathaushalten.at the stationary combustion devices are usually around power plants, combustion plants, Waste incineration plants and also to heating systems of Private households.
Die Erfindung ist nachstehend anhand einiger Beispiele weiter erläutert, ohne dass diese Beispiele als einschränkend verstanden werden sollen.The The invention is explained below with reference to some examples, without these examples being understood as limiting should be.
1. Herstellung von Washcoats für die Beschichtung von erfindungsgemäßen Hydrolysekatalysatoren1. Preparation of washcoats for the coating of hydrolysis catalysts according to the invention
1.1. ZrO2-Washcoat1.1. ZrO 2 washcoat
Es wurden 80 g ZrO2-Pulver mit 100 g ZrO2-Sol (Feststoffgehalt 20%, nitratstabilisiert) mit 20 g Silikonharz-Emulsion vermischt.80 g of ZrO 2 powder were mixed with 100 g of ZrO 2 sol (solids content 20%, nitrate-stabilized) with 20 g of silicone resin emulsion.
1.2. Fe-ZSM5-Washcoat1.2. Fe-ZSM5 washcoat
Es wurden 80 g Fe-ZSM5-Pulver (Fe-Gehalt 6 Gew.-%, Fa. Süd-Chemie), 45 g SiO2-Sol (Feststoffgehalt 40%, stabilisiert mit Ammoniumhydroxid) sowie 0,5 g Tylose miteinander vermischt.There were 80 g of Fe-ZSM5 powder (Fe content 6 wt .-%, Fa. Süd-Chemie), 45 g of SiO 2 sol (solids content 40%, stabilized with ammonium hydroxide) and 0.5 g Tylose mixed together.
1.3. TiO2-Washcoat1.3. TiO 2 washcoat
Es wurden 80 g TiO2-Pulver, 170 g TiO2-Sol (Feststoffgehalt 12%, nitratstabilisiert) mit 20 g Silikonharz-Emulsion vermischt.80 g of TiO 2 powder, 170 g of TiO 2 sol (solids content 12%, nitrate-stabilized) were mixed with 20 g of silicone resin emulsion.
Anschließend wurde eine Beschichtung eines metallischen Monolithen (erhältlich von der Firma Emitec, Typbezeichnung ST400, Standardstruktur mit 400 cpsi Zelligkeit) durchgeführt.Subsequently, a coating of a metallic monolith (available from Emitec, type designation ST400, standard structure 400 cpsi cell size).
Die Beschichtung erfolgte über gängige Beschichtungsverfahren. In der Regel wurden die Substrate in die Washcoat-Suspension getaucht und anschließend der überschüssige Washcoat entleert. Dabei kann sowohl mit Überdruck (Ausblasen des Monolithen) oder Unterdruck (Absaugen des Monolithen) gearbeitet werden. Falls strukturierte Substrate verwendet wurden, hatte sich auch die Entleerung des Substrats mittels einer Zentrifuge als vorteilhaft erwiesen.The Coating was carried out by common coating methods. In general, the substrates were immersed in the washcoat suspension and then the excess washcoat emptied. It can be used both with overpressure (blowing out the monolith) or negative pressure (suction of the monolith) are worked. If Structured substrates were also used, the emptying of the Substrate proved by means of a centrifuge advantageous.
2. Aktivitätsuntersuchungen an den erfindungsgemäßen Katalysatoren.2. Activity investigations the catalysts of the invention.
Für die folgenden Aktivitätsuntersuchungen wurden Messungen an den erfindungsgemäßen gemäß Beispiel 1 beschichteten Monolithen durchgeführt.For the following activity studies were measurements on the inventive according to Example 1 coated monoliths performed.
Die
Aktivitätsmessungen wurden bei folgenden Bedingungen durchgeführt:
GHSV:
52.000 h–1, 1000 ppm HNCO (Isocyansäure), 5%
H2O, 10% O2, N2 als Gas zur Einstellung des Gleichgewichts.The activity measurements were carried out under the following conditions:
GHSV: 52,000 h -1 , 1000 ppm HNCO (isocyanic acid), 5% H 2 O, 10% O 2 , N 2 as gas to adjust the equilibrium.
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