DE102011111307A1

DE102011111307A1 - Katalysator zur Zersetzung von Distickstoffmonoxid in sauerstoffhaltigen Gasen

Info

Publication number: DE102011111307A1
Application number: DE201110111307
Authority: DE
Inventors: Bastian Geiger; Stefan Koch; Gabrielle Przibilla; Dr. Kiemel Rainer; Kirsten Schuh
Original assignee: Heraeus Precious Metals GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2013-02-28
Also published as: WO2013029756A1

Abstract

Ein Katalysator zur Lachgaszersetzung in Sauerstoff enthaltenden Gasgemischen, besonders Luft, bei Temperaturen von 180 bis 300°C, weist A Rhodium und B ein Oxid oder Mischoxid mit sauerstoffspeichernden Eigenschaften auf. Bei B handelt es sich vorzugsweise um Cerdioxid oder ein Cer-Zirkoniummischoxid mit einem Ce/Zr-Verhältnis von 5/95 bis 95/5.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Katalysator zur Zersetzung von N₂O (Distickstoffmonoxid, Lachgas) in sauerstoffhaltigen Gasen, bevorzugt Luft.
Für die Zersetzung von Lachgas sind bereits unterschiedliche Materialien als Katalysatoren untersucht und beschrieben worden. Die Anwendungen und Anforderungen sind dabei verschieden, je nachdem, ob es sich um Abgasreinigung, die Lachgasentfernung aus Narkosegasen oder industriellen Prozessgasen handelt. Die bei den verschiedenen Katalysatoren aufzuwendenden Temperaturen, bei denen eine vollständige oder zumindest ausreichende Zersetzung des als Schadkomponente enthaltenen Lachgases an diesen Katalysatoren auftritt, sind äußerst verschieden und stark von der Gaszusammensetzung und Anwendungsbedingungen abhängig.
Beispielsweise wird in der EP 2 062 639 B1 ein Pd-haltiger Katalysator beschrieben, der Lachgas in sauerstoffhaltigen Gasen mit hohem Feuchtegehalt bei Temperaturen bis 450°C umsetzen kann.
In DE 10 2008 048 159 A1 werden Rh-Katalysatoren beschrieben, die Lachgas unter verschiedenen Bedingungen umsetzen können. Bei niedrigen Sauerstoffgehalten und unter Ausschluss von Feuchtigkeit gelingt die Zersetzung bereits bei Temperaturen unter 200°C, bei Gegenwart von höheren Sauerstoffgehalten benötigen diese Katalysatoren jedoch auch Temperaturen für vollständigen Umsatz im Bereich von > 350°C. In derselben Patentanmeldung werden auch Dotierungen des verwendeten Trägermaterials Al₂O₃ mit Ceroxid beschrieben, die aber in den gezeigten Beispielen der DE 10 2008 048 159 A1, 6, keinen wesentlichen Einfluss auf die Umsatztemperatur erzielen.
In DE 10 2004 024 026 A1 werden Pd/Rh-Mischkatalysatoren beschrieben, die hohe katalytische Aktivität unter den Bedingungen des Ostwald-Prozesses aufweisen. Bei dieser Anwendung wird der Katalysator direkt im Oxidationsreaktor angeordnet und ist deshalb hohen Temperaturen (880°C) und korrosiver Atmosphäre ausgesetzt. Als Träger für diesen Katalysator eignen sich deshalb nur Materialien, die unter diesen Bedingungen beständig sind, wie z. B. α-Aluminiumoxid oder Zirkonoxid. Bei Anwendung in sauerstoffhaltigen Gasen bei niedrigen Temperaturen sind diese Katalysatoren jedoch zu inaktiv.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen Katalysator zu schaffen, der in sauerstoffhaltigen Temperaturen Lachgas in die Bestandteile N₂ und O₂ zersetzen kann. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der Anwendung dieses Katalysators zur Vorreinigung von Luft bei Luftzersetzungsanlagen, um die in der Luft enthaltenen geringen Mengen von N₂O (ca. 300 ppb) zu entfernen. Aber auch bei anderen Anwendungen, z. B. bei Abgasströmen aus Salpetersäureanlagen, die bis zu 5000 ppm Lachgase enthalten, ist eine niedrige Umsatztemperatur vorteilhaft, um Energiekosten für die Aufheizung des Gasstroms möglichst niedrig zu halten. Besonders vorteilhaft sind dabei Katalysatoren, die eine vollständige Umsetzung des Lachgases unter den Sauerstoffkonzentrationen der Luft (20–21%) bei Temperaturen unter 300°C bewerkstelligen.
Überraschenderweise wurde von den Erfindern festgestellt, dass Rh in Kombination mit oxidischen Materialien mit sauerstoffspeichernden Eigenschaften eine besonders hohe Aktivität bei der Zersetzung von Lachgas bei niedrigen Temperaturen aufweist. Als solche sauerstoffspeichernden Materialien können z. B. Cerdioxid oder Cer-Zirkonmischoxide mit Ce/Zr-Verhältnissen von 5/95 bis 95/5 verwendet werden. Diese Oxide werden bei der Herstellung von Drei-Wege-Abgaskatalysatoren verwendet, hierbei dient die Sauerstoffspeicherfähigkeit dieser Materialien aber als Pufferfunktion, um bei niedrigem Lambdawert, d. h. niedrigem Sauerstoffgehalt im Abgas, den Sauerstoff für die Oxidation der Schadkomponenten bereitzustellen.
Die Erfindung betrifft somit Katalysatoren gemäß Anspruch 1, Verfahren gemäß Anspruch 4 und eine Verwendung gemäß Anspruch 10. Weitere Ausgestaltungen sind den übrigen Ansprüchen zu entnehmen.
Als besonders vorteilhaft haben sich Katalysatoren auf Ceroxid-Basis mit einem Rh-Gehalt von 0,1–0,5% erwiesen. Mit diesen Katalysatoren konnten bereits bei Temperaturen unter 300°C ein vollständiger Umsatz von Lachgas unter Luftbedingungen (20% Sauerstoff) erreicht werden. Vergleichbare Rh-Katalysatoren auf anderen Trägermaterialien, wie Al₂O₃, ZrO₂ oder nur teilweise mit CeO₂ belegtem Al₂O₃ zeigten deutlich höhere Temperaturen, um vollständigen Umsatz zu erreichen.
Abbildung: 1 zeigt ein Diagramm mit Umsatzkurven.
Beispiel
Die Versuche zu den in 1 dargestellten Resultaten betrafen die Lachgaszersetzung Die Erklärung der Kürzel ist der folgenden Tabelle zu entnehmen:

Codierung Material

MbFGK 59 CeO2 Granulat

MbFGK 64 CeO2:Al2O3 = 1:1 Granulat

Bd 2/28 3 mm Kugeln Al2O3

Ge 197/5 3 mm Pellets ca. 20% CeO2/ca. 80% ZrO2
Die Versuche wurden mit den in der Tabelle beschriebenen Katalysatoren durchgeführt. Die Messbedingungen waren:
60 ml Katalysator, 10000 1/h Raumgeschwindigkeit, 1000 ppb N₂O in synthetischer Luft, 1 K/mm abkühlende Rampe
Die Umsätze sind im Diagramm auf der y-Achse dargestellt, die Temperaturen auf der x-Achse. Man sieht, dass bei Rhodium auf CeO₂-Granulat die Umsatzkurve bei der geringsten Temperatur, nämlich ca. 190°C, einsetzt.
Angesichts der zahlreichen Verbesserungsversuche in Gestalt der Katalysatorsysteme des Standes der Technik ist dieses Resultat als überraschend zu werten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2062639 B1 [0003]
DE 102008048159 A1 [0004]
DE 102004024026 A1 [0005]

Claims

Katalysator zur Lachgaszersetzung in Sauerstoff enthaltenden Gasgemischen bei Temperaturen von 180 bis 300°C, dadurch gekennzeichnet, dass er A Rhodium und B ein Oxid oder Mischoxid mit sauerstoffspeichernden Eigenschaften aufweist.
Katalysator gemäß Anspruch 1, wobei es sich bei B um Cerdioxid oder ein Cer-Zirkoniummischoxid mit einem Ce/Zr-Verhältnis von 5/95 bis 95/5 handelt.
Katalysator nach einem der Ansprüche 1 und 2, dessen Rhodiumanteil 0,1 bis 0,5% beträgt.
Verfahren zur Lachgaszersetzung in Sauerstoff enthaltenden Gasgemischen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch auf Temperaturen von 180 bis 300°C gebracht und über einen Katalysator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 geleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Temperaturbereich von 180 bis 270°C reicht.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Temperaturbereich von 180 bis 250°C reicht.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Gasgemisch Luft mit geringen Mengen von N₂O ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Gasgemisch Luft mit 250 bis 700 ppb N₂O ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Gasgemische Abgasströme aus Salpetersäureanlagen sind, die bis zu 5000 ppm Lachgas enthalten.
Verwendung eines Katalysators nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Zersetzung von Lachgas in sauerstoffhaltigen Gasgemischen bei Temperaturen von 180 bis 300°C.
Verwendung nach Anspruch 10, wobei das Gasgemisch Luft mit 250 bis 350 ppb N₂O ist.
Verwendung nach Anspruch 10, wobei die Gasgemische Abgasströme aus Salpetersäureanlagen sind, die bis zu 5000 ppm Lachgas enthalten.