DE2218665B2 - Eisen, Chrom und Nickel enthaltender Katalysator zur Zersetzung von Stickstoffoxiden - Google Patents

Eisen, Chrom und Nickel enthaltender Katalysator zur Zersetzung von Stickstoffoxiden

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Description

Die Erfindung betrifft einen Eisen, Chrom und Nickel enthaltenden Katalysator zur Zersetzung von Stickstoffoxiden, hergestellt durch Aufbringen von Verbindungen des Eisens, Chroms und Nickels auf einen Träger, Trocknen und Erhitzen bei höheren Temperaturen.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Katalysators nach Anspruch 1 zur Zersetzung von Stickstoffoxiden in den Abgasen von Verbrennungsmotoren.
Um den Gehalt an Stickstoffoxiden in den Abgasen von Verbrennungsmotoren zu reduzieren, hat man erwogen, diese Stickstoffoxide katalytisch in Molekularstickstoff umzuwandeln. Tatsächlich kann man, da die Abgase im wesentlichen aus Wasserdampf, Kohlensäureanhydrid, Wasserstoff, unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffoxid und Stickstoffoxiden bestehen, die Stickstoffoxide mittels des enthaltenen Kohlenstoffoxides und/oder Wasserstoffes katalytisch umzuwandeln.
Die Durchführung dieser katalytischen Umwandlung wirft verschiedene Probleme auf:
1. Da die Abgase b*i hohen Temperaturen ausgestoßen werden (bis zu etwa 100O0C)1 wird der verwendete Katalysator großen Temperaturspitzen ausgesetzt (bis zu etwa 8000C). Seine Aktivität wird sich infolge der Versinterung des Trägers und/oder des aktiven Elementes und vor allem infolge der Bildung von katalytisch inaktiven Verbindungen zwischen diesen aktiven Elementen und dem Träger verringern.
2. Die Umwandlung der Stickstoffoxide kann zu der Bildung von Ammoniakgas führen. Letzteres kann, wenn es dann mit einem oxydierenden Medium in Berührung gebracht wird, wieder oxydieren, wobei wiederum Stickstoffoxide von beträchtlicher Ausbeute entstehen.
Aus den für diese Umsetzung vorgeschlagenen
Katalysatoren kann man bestimmte binäre Oxide anführen, die zwischen einem Metall der Gruppe VIA (Chrom zum Beispiel) und einem Metall der Gruppe VIII (Nickel oder Eisen zum Beispiel) gebildet werden.
Jedoch selbst wenn die Chrom-Nickel-Katalysatoren die Stickstoffoxide nur zu einem relativ geringen Teil in Ammoniak umwandeln und selbst wenn ihre Ausgangsaktivität gut ist, neigt diese Aktivität dazu, sich im Laufe
ίο der Zeit stark zu verringern. Andererseits wandeln die Eisen-Chrom-Katalysatoren, deren Ausgangsaktivität hoch ist und sich wenig verringert im Laufe der Zeit, den größten Teil der Stickstoffoxide in Ammoniak um.
Darüber hinaus fangen diese Systeme im allgemeinen
is erst bei relativ hohen Temperaturen an, eine erhöhte Aktivität zu entfalten (500 bis 7000C).
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Zersetzung von Stickstoffoxiden zu schaffen, mit dem diese Stickstoffoxide wirksam in Molekularstickstoff umgewandelt werden können.
Zum Stand der Technik ist die DE-OS 18 12 813 zu nennen, die einen Katalysator für die Herstellung von Wasserstoff aus kohlenmonoxidhaltigen Gasen beschreibt; dieser bekannte Konvertierungs-Katalysator enthält als aktive Metalle Eisen, Chrom und Kobalt in Form der Oxide auf einem Aluminiumoxidträger, wobei ganz bestimmte Gewichtsverhältnisse der Oxide einzuhalten sind und das Kobaltoxid teilweise oder ganz durch Nickeloxid ersetzt sein kann. Hierbei handelt es sich nicht um homogene Oxidgemische, die durch Imprägnierung auf einen Träger aufgebracht werden, sondern um Gemische der Oxide die durch den Träger verdünnt werden. Das Atomverhältnis
Fe+ Cr
liegt gemäß DE-OS 18 12 813 sehr stark unterhalb von 0,37 und übersteigt nicht den Wert von 0,15.
Die oben dargelegte Aufgabe wird bei einem Katalysator der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Katalysator durch Imprägnieren eines Trägers mit einer Mischung von Nickel-, Eisen- und Chrom-Verbindungen, Trocknen bei einer Temperatur zwischen 80 und 250° C und Aktiveren durch Erhitzen auf eine Temperatur von 500 bis 8000C erhalten worden ist, wobei auf den Träger ein Anteil von 6 bis 15% des Katalysatcrgewichts einer aktiven Phase aufgebracht ist, die eine Nickel-, Eisen- und Chrom-Verbindung der Formel Ni»(FejCrz)Ot enthält, in welcher die Zahl χ einen Wert von 0,85 bis 1,30, die Summe (y+z) einen Wert von 1,8 bis 2,3, das Verhältnis
j^rz einen Wert von 0,02 :1 bis 0,6 : 1 und die Zahl / einen Wert von 2 bis 6 bedeutet.
In der obengenannten Verbindung Ni^Fe^Cr^O, können bis zu etwa 50% und vorzugsweise bis zu 30% der Nickelatome durch Atome mindestens eines
to Elementes M ersetzt werden, welches Magnesium, Kalzium, Mangan, Kupfer, Zink, Kobalt oder Eisen sein kann. Ferner ist es möglich, bis zu etwa 50% und vorzugsweise bis 40% der Gesamtheit der Eisen- und Chromatome durch Atome mindestens eines Elementes N zu ersetzen, welches Aluminium, Mangan, Vanadium, Scandium, Yttrium oder eines der Elemente mit Ordnungszahlen zwischen 57 und 71 einschließlich (seltene Erden) sein kann.
Als Träger für diese Katalysatoren kann erfindungsgemäß beispielsweise Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Aluminiumoxid—Siliziumdioxid, Zirkon, Thoriumoxid, ein Magnesiumaluminat oder auch Siliziumkarbid verwendet werden, wobei die bevorzugten Träger hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehen und eventuell geringe Mengen Siliziumdioxid und/oder Aluminosilikat enthalten können.
Die verwendeten Träger haben vorzugsweise spezifische Oberfläche von weniger als 100m2/g, noch ι ο günstiger von weniger als 80 m2/g und noch besser von weniger als 30 m2/g. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, auch Träger mit größerer spezifischer Oberfläche zu verwenden.
Die verwendeten Träger, die hauptsächlich aus is Aluminiumoxid bestehen, können auch mindestens ein Oxid mindestens eines mit Z bezeichneten Elementes enthalten, welches Magnesium, Kalzium, Barium oder Lithium sein kann, und zwar zu einem Anteil von im allgemeinen weniger als 10% ihres Gewichtes. Dieses Oxid wirkt als Gefügestabilisator, Anregungsmittel, Aktivierungsmittel, Strukturstabilisator oder Co-Katalysator. Es kann dem Träger während seiner Herstellung inkorporiert oder ihm später zugesetzt werden, beispielsweise durch Imprägnieren.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Masse des Katalysators eine große Homogenität aufweist und die aktive Phase auf dem Träger sich in einem Zustand erhöhter Dispersion befindet
Die Homogenität ist vorzugsweise so beschaffen, daß die Fluktuationen von den Atomteilen der Elemente, die den Träger und die aktive Phase des Katalysators bilden beispielsweise unter 10% bleiben.
Darüber hinaus ist die spezifische Oberfläche der erfindungsgemäßen Katalysatoren der des Trägers, aus dem sie entstanden sind und der unter den gleichen Bedingungen kalziniert worden ist wie die Endkatalysatoren, vorzugsweise mindestens gleich.
Die verwendeten Träger können beispielsweise in Form von Körnern von einer Größe von weniger als 10 mm (kugelförmige oder zylindrische Körner beispielsweise) vorliegen.
Sie können auch die Form eines hohiraumhaltigen Blocks haben, dessen Hohlräume mindestens 20% des Gesamtvolumens des Blocks ausmachen. Diese hohlraumhaltigen Blöcke können aus versinterten kleinen Kugeln eines Träger-»Vorläufers« herkommen; sie können auch durch Eingabe einer pastenförmigen »Vorläufer«-Trägermasse in eine Presse hergestellt werden, die mit Nadeln versehen ist, durch die so Hohlräume im Block gebildet werden.
Diese hohiraumhaltigen Blöcke können die innere Form der Katalysatorvorrichtung haben, in welche sie eingesetzt werden. Sie können also entweder aus einer einzigen Masse (im allgemeinen zylindrischer Form), aus verschiedenen miteinander verbundenen zylindrischen Teilen oder aus Scheiben (zum Beispiel von einer Dicke von 5 bis 150 mm) bestehen, die mittels einer geeigneten Vorrichtung miteinander verbunden sind.
Bei der Herstellung der Katalysatoren kann das e>o Aufsetzen der aktiven Phase auf den Träger beispielsweise durch Imprägnieren oder Einkneten durchgeführt werden.
Wenn man das Imprägnieren wählt, kann man eine oder mehrere wäßrige Lösungen verwenden, die t» lösliche Verbindungen der zu vereinigenden Elemente Ni, Fe und Cr enthalten, oder mindestens eines der im vorhereehenden mit M. N und Z bezeichneten Elemente, und man kann den Vorgang in einem Mal oder in mehreren Malen durchführen.
Um eine gute Homogenität und eine gute Dispersion der aktiven Phase zu erhalten, ist es vorteilhaft, der Imprägnierlösung oder den -lösungen folgendes hinzuzufügen:
— mindestens eine komplexbildende Verbindung wie eine Polycarbonsäure (z. B. Oxalsäure oder eines ihrer Salze), eine Carbonsäure mit Alkoholgruppe (z.B. die Zitronensäure, Apfelsäure, Milchsäure, Weinsäure und Glykolsäure oder auch deren Salze), eine Ketosäure (z.B. Brenztraubensäure), eine Aminosäure (z. B. Glycin oder Alanin), einen Aminoalkohol (ζ. B. die Mono-, Di- und Triäthanolamine oder auch deren Aminoammoniumsalze), einen Polyalkohol (z. B. die Mono-, Di-, Tri- und Polyäthylenglykole oder Polyvinylalkohol) oder auch eine Polyose (z. B. Glykose, Saccharose oder Amidon);
— und/oder mindestens ein Geliermittel wie Gummi, eine Alkylcellulose (z. B. Methylcellulose, Äthylcellulose oder Carboxymethylcellulose) oder auch Propylenoxid, Polypropylenoxid oder Polyäthylenoxid.
Ebenso kann es vorteilhaft sein, eines der Metallelemente, z. B. Eisen, ganz oder teilweise in Foim einer chemischen Verbindung mit einer der obengenannten Substanzen einzusetzen, wie beispielsweise ein Eisenzitrat, Ammoniumoxalatferrat oder eine Lösung, die ein Salz oder ein Eisenhydroxyd enthält, oder elementares Eisen mit mindestens einer Verbindung wie beispielsweise Zitronensäure, Apfelsäure, Glykolsäure, Milchsäure, Weinsäure, ein Alkanolamin oder ein Salz des Ammoniumalkanolamins, Äthylenglykol, Diäthylenglykol,TriäthylenglykoI, Polyäthylenglykol und Glycerol.
Nach dem Imprägnieren mit der Lösung oder den Lösungen trocknet man den Träger bei einer Temperatur zwischen 80 und 250°C und während einer Dauer, die ausreicht, um jeden Verlust an mechanischer Festigkeit während der späteren thermischen Aktivierung zu vermeiden.
Die thermische Aktivierung des Katalysators erfolgt durch Erwärmen auf eine Temperatur von 500 bis 8000C während einer Dauer von mehr als 30 Minuten in Gegenwart eines Gases, welches Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff oder auch ein Stickstoff-Wasserstoffgemisch sein kann. Man kann auch in Gegenwart von Wasserdampf aktivieren. Die thermische Aktivierung kann unter den obengenannten Bedingungen direkt in der Vorrichtung durchgeführt werden, in welcher der Katalysator verwendet werden soll, z. B. in einer Vorrichtung zur Behandlung von Abgas (Katalysatortopf z. B.).
Die erfindungsgemäßen Katalysatoren besitzen eine gute mechanische Festigkeit; sie sind abrieb- und zerreibungsfest.
Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Beispiele 21 und 22 werden zu Vergleichszwecken angeführt.
Zunächst werden die Träger und die bei der Herstellung der Katalysatoren verwendeten Lösungen beschrieben.
— Der für die Herstellung der in den Beispielen 1, 2, 5, 6, 14, 15, 17 bis 20, 23, 25, 31 und 33 beschriebenen Katalysatoren verwendete Träger ist ein Aluminiumoxidträger, der im wesentlichen aus a-Alumini-
umoxid mit einem niedrigen Gehalt an Natrium (weniger als 1000 ppm Na2O) besteht und ein Porenvolumen von etwa 45 ml/100 g und eine spezifische Oberfläche von etwa 8m2g-' hat Dieser Träger, der im folgenden als A bezeichnet wird, weist eine Zerreibung von 2,5% auf, und die Werte für die Zerquetschungsf estigkeit der Körner bei Körnern von einer Größe zwischen 3,2 und 4 mm liegen zwischen 8 und 15 kg (Mittelwert Wj kg).
Der in den Beispielen 3, 4, 7, 8, 13 und 16 verwendete Träger ist ein Aluminiumoxidträger mit einem Porenvolumen von 35 ml/100 g und einer spezifischen Oberfläche von 6 m2/g. Es weist eine Zerreibung von 0,3% auf, und die Werte für die Körnerzerquetschung liegen zwischen 4,4 und 14 kg (Mittelwert 10,4 kg).
Dieser Träger wird im folgenden mit B bezeichnet
In den Beispielen 10 bis 12 hat man einen Aluminiumoxidträger mit einer spezifischen Oberfläche von 60 m2/g verwendet, der im folgenden mit C bezeichnet wird.
In Beispiel 9 hat man einen Aluminiumoxid-Magnesiumoxidträger verwendet der, wie im folgenden beschrieben wird, aus einem Aluminiumoxidträger hergestellt wurde, und dessen Eigenschaften nach der thermischen Aktivierung bei 8000C während 3 Stunden die folgenden sind:
Gesamtporenvolumen -67 ml/100 g
Porenvolumen (Porosimetrie
gegenüber Quecksilber
bis 2000 Bar) -56,5 ml/100 g
Spezifische Oberfläche ~153m2/g
Korndichte -1,03
Strukturdichte -3,32
Zerreibung (5 Minuten) -5,8%
MgO -0%
weist eine Zerreibung von 0,1 % auf.
Man hat auch die folgenden Imprägnierlösungen verwendet:
Lösung A
Man löst nacheinander in 450 ml Wasser 130,4 g Chromsäureanhydrid, 277 g Nickelacetattetrahydrat auf und verdünnt dann auf 700 mL Nach Abkühlen setzt man unter Rühren 203 g ammoniakalisches Eisen(III)-zitrat ίο mit einem Gehalt von 25,3% Fe2Qj zu. Nach Auflösen verdünnt man die Lösung auf 1000 mL
Lösung B
300 ml Wasser setzt man nacheinander 522 g Chromnitratnonahydrat (130 g-Ion Cr3+]1,259 g Ferrinitratnonahydrat(0,64 g-Ion Fe3+) und 297 g Nickelnitrathexahydrat (1,02 Mol) zu. Dann wird auf 60 bis 800C erwärmt, um eine Vereinigung der Nitrate in ihrem Kristallisationswasser zu erzielen, und nach dem Abkühlen wird die Lösung auf 1000 ml verdünnt
Lösung C
In 300 ml Wasser löst man 163 g Chromsäureanhydrid auf. Unter Rühren werden 346 g Nickelacetattetrahydrat zugesetzt Man erwärmt auf 500C bis zur Auflösung und setzt nach Abkühlen 254 g ammoniakalisches Eisen(III)-zitrat mit einem Gehalt von 25,3% Fe2Oj zu. Man erwärmt auf 600C und verdünnt nach dem Abkühlen durch Zugabe von Wasser und 15 ml Ammoniak (Dichte = 0,89) auf 950 ml.
Lösung D
Man löst 73,5 g basisches Nickelkarbonat in einer Lösung aus 78,5 g CrO3 und 60 ml Salpetersäure (Dichte 1,38) in 250 ml Wasser auf. Nach der Auflösung setzt man 156 g Ferrinitratnonahydrat und dann 0,4 ml Zitronensäuremonohydrat zu; dann wird auf 470 ml verdünnt.
g dieses Trägers werden bei 5000C während 3 Stunden desorbiert, dann mit 1350 ml einer Lösung imprägniert, die 1480 g Magnesiumnitrathexahydrat (was 222 g Magnesiumoxid entspricht) und 50 ml Salpetersäure mit einer Dichte von 1,38 enthält. Nach der Trocknung bei 2000C während 48 Stunden und nach der thermischen Aktivierung bei 8000C während 3 Stunden weist der neue Träger, der mi; D bezeichnet wird, die folgenden Eigenschaften auf:
Gesamtporenvolumen -55,1 ml/100 g
Porenvolumen (Porosimetrie
gegenüber Quecksilber
bis zu 2000 Bar) -493 ml/100 g
Spezifische Oberfläche ~128m.'/g
Korndichte -1,18
Strukturdichte -337
Zerreibung (5 Minuten) -4,6%
MgO ~ 10%
Die Untersuchung dieses Trägers durch Röntgenstrahlenbrechung zeigt, daß er die Spinellphase MgAI2O4 enthält.
Der lür die Herstellung des Katalysators von Beispiel verwendete Träger ist ein Aiuminiumoxidträger, der aus dem Aluminium- und Magnesiumspinell (MgAbO4) besteht, mit einem Gehalt von 72% Al2Oj. Sein Porenvolumen beträgt etwa 39 ml/100 g und seine spezifische Oberfläche ist etwa 3Om2Zg-1. Dieser Träger, der im folgenden mit MgAbO4 bezeichnet wird, Lösung E
Man löst in 170 ml Wasser 138 g Chromsäureanhydrid auf und löst dann in dieser Lösung 94 g basisches Nickelkarbonat (0,75 g lon Ni) auf. Nach völliger Auflösung fügt man 38 g ammoniakalisches Eisen(II)-zitrat(0,12 Mol) hinzu und verdünnt auf 600 ml.
Lösung F
Man löst 138 g Chromsäureanhydrid in 250 ml
Wasser auf, setzt dieser Lösung 94 g basisches Nickelkarbonat (0,75 Ni2+) und dann 51,4 g Ammoniumferrioxalat (0,12MoI) zu und verdünnt durch Zugabe von Wasser auf 850 ml.
Lösung G
In 150 ml Wasser löst man 124 g Chromsäureanhydrid (1,24MoI) auf, dann setzt man 93,5 g fein pulverisiertes basisches Nickelkarbonat (0,745 g-Ion Ni) hinzu. Nach langsamer Digerierung und völliger Auflösung des basischen Nickelkarbonats setzt man
bo 78 g ammoniakalisches Eisen(III)-zitrat (0,246 Mol) zu und verdünnt auf 600 ml.
Lösung H
In 170 ml Wasser werden 1·44 g Chromsäureanhydrid (1,44 Mol) aufgelöst. Der erhaltenen Lösung setzt man 94 g basisches Nickelkarbonai (0,75 g-Ion Ni) zu und setzt nach Zersetzung des Karbonats und nach Auflösung 19 g ammoniakalisches Eisen(III)-zitrat
(0,06 Mol) hinzu. Die abgekühlte Lösung wird auf 600 ml verdünnt.
Lösung I
Man wiederholt die Herstellung der Lösung A.
Zu 1000 ml der Lösung setzt man unter Rühren 31,1 g Kobaltnitrathexahydrat und 48,7 g Mangannitrattetrahydrat zu. Nach Auflöser, setzt man der Lösung 25 ml Ammoniak (D = 0,89) zu und verdünnt dann auf 2100 ml.
Lösung J
In 400 ml Wasser löst man 100 g Chromsäureanhydrid auf und setzt der Lösung dann 94,5 g basisches Nickelkarbonat mit einem Gehalt von 63,15% NiO zu. Nach einer Stunde bei 600C unter Rühren setzt man 70 ml Salpetersäure (Dichte = 1,38) und Wasser und nach völliger Auflösung 51,3 g Magnesiumnitrathexahydrat zu. Die Lösung wird auf 1000 ml verdünnt. Nach Abkühlen setzt man langsam 310 g ammoniakalisches Eisen(III)-zitrat und 60 ml Ammoniak (Dichte = 0,89) zu. Man erwärmt, um eine völlige Auflösung zu erzielen, und verdünnt dann auf 1500 ml.
Lösung K
Einer Lösung von 120 g Chromsäureanhydrid in 300 ml Wasser setzt man 11,5 g basisches Kupferkarbonat mit einem Gehalt von 68,9% CuO zu. Nach völliger Auflösung löst man 224 g Nickelacetattetrahydrat auf und setzt dann 30 ml Ammoniak (Dichte = 0,89), 248 g ammoniakalisches Eisen(lII)-zitrat mit einem Gehalt von 25,3% Fe2O3 und 500 ml Wasser zu. Nach Auflösen aller Bestandteile wird die Lösung auf 1720 ml verdünnt.
Lösung L
Einer Lösung von 140 g Chromsäureanhydrid in 300 ml Wasser setzt man nacheinander 262 g Nickelnitrathexahydrat, 29,1 g Kobaltnitrathexahydrat, 75 g Aluminiumnitratnonahydrat und 12,55 g Mangannitrattetrahydrat zu. Nach Auflösung aller Bestandteile setzt man der vorher auf 1000 ml verdünnten Lösung 124 g ammoniakalisches Eisen(III)-zitrat zu. Die erhaltene Lösung wird schließlich auf 1200 ml gebracht.
Lösung M
Einer Lösung von 130 g Chromsäureanhydrid in 200 ml Wasser setzt man 120 ml Essigsäure (Dichte=! ,050) zu und löst dann 106 g basisches Nickelkarbonat auf. Danach setzt man 25,10 g Mangannitratetrahydrat und 200 ml Wasser zu. Der erhaltenen Lösung setzt man eine Lösung zu, die aus 216 g Eisen(III)-zitrat in 100 ml Wasser besteht, und verdünnt dann auf 950 ml.
Lösung N
In einem Mörser zerstampft man 134 g Chromsäureanhydrid und 53 g Nickelkarbonat Das erhaltene Produkt wird mit 200 ml Wasser behandelt, und nach Auflösung aller Bestandteile setzt man 112 g Nickelacetattetrahydrat, 24,51 g Zinkacetattetrahydrat und dann eine Lösung zu, die aus 205 g Eisen(III)-zitrat in 100 ml Wasser besteht Die Lösung wird auf 720 ml verdünnt.
Lösung O
Man stellt eine Lösung her, die sich aus 176,2 g Nickelnitrathexahydrat, 29 g Kupfernitrattrihydrat 35,9 g Chromsäureanhydrid, 91,4 g Mangannitrattetrahydrat, 1,55 g Eisenzitrat mit einem Gehalt von 25,8% Fe2O3, 100 g Zitronensäuremonohydrat und 120 ml Wasser zusammensetzt. Die Lösung wird auf 480 ml eingestellt.
Lösung P
150 ml Wasser setzt man 36,3 g Chromsäureanhydrid, 106,7 g Nickelnitrathexahydrat, 17,64 g Kupfernitrattrihydrat, 165,9 g Mangannitrattetrahydrat, 1,55 g Eisenzitrat mit einem Gehalt von 25,8% Fe2O3 und 150 g Triammoniumzitrat zu. Die Lösung wird auf 470 ml ίο eingestellt.
Lösung Q
130 ml Wasser werden 180,9 g Nickelnitrathexahydrat, 23,2 g Kupfernitrattrihydrat, 5 g Chromsäureanhydrid, 72,0 g Mangannitrattetrahydrat und dann eine Lösung von. 119 g Eisenzitrat mit einem Gehalt von 25,8% Eisen gerechnet als Fe2O3 in 100 ml Wasser zugesetzt Die erhaltene Lösung wird auf 470 ml eingestellt.
Lösung R
Man stellt eine Lösung her, die aus 120 ml Wasser, 119,5 g Nickelnitrathexahydrat, 19,8 g Kupfernitrattrihydrat, 16 g Chromsäureanhydrid, 103,2 g Mangannitrattetrahydrat und einer Lösung aus 76,6 g Eisenzitrat mit einem Gehalt von 25,8% Fe2O3 in 60 ml Wasser besteht. Die erhaltene Lösung wird auf 460 ml eingestellt.
Lösung S
6250 g Chromsäureanhydrid, aufgelöst in 4000 ml Wasser, werden mit 6560 g basischem Nickelkarbonat mit einem Gehalt von 63,15% NiO und dann mit 3250 ml Salpetersäure mit einer Dichte von 1,38 behandelt. Nach völliger Auflösung setzt man 10 150 g Ammoniumferrizitrat mit einem Gehalt von 25,75% Fe2O3 zu. Nach Auflösung verdünnt man die Lösung auf 47 Liter.
Lösung T
Man löst 2,22 g Rutheniumtetrachlorid mit einem Gehalt von 41,5% Ruthenium in 830 ml Wasser auf. Dann setzt man 10 g Zitronensäuremonohydrat zu.
Lösung U
Man verdünnt 4 ml einer handelsüblichen Palladiumchloridlösung mit einem Gehalt von 24 g Palladium pro 100 ml in 830 ml Wasser. Man setzt 16 ml Salzsäure mit einer Dichte von 1,19 zu.
Lösung V
Man löst 2,32 g Rhodiumchlorid mit einem Gehalt von 38,75% Rh in einer Lösung von 10 g Zitronensäuremonohydrat in 830 ml Wasser auf.
Lösung W
Man verdünnt 12 ml einer handelsüblichen Iridiumchloridlösung mit einem Gehalt von 8 g Ir pro 100 ml durch eine Lösung von 15 g Apfelsäure in 820 ml Wasser.
Lösung X
Man löst 117,6 g Chromsäureanhydrid in 150 ml Wasser auf. Man setzt nacheinander 36,6 g Nickelacetat, 100m ml Wasser, 54,8 g ammoniakalisches Eisen(III)-zitrat mit einem Gehalt von 25,75% Fe2O3, 4 ml der handelsüblichen Palladiumchloridlösung mit einem Gehalt von 24 g Pd pro 100 ml zu. Nach vollständiger Auflösung verdünnt man auf 900 ml.
ίο
Lösung Y
58,4 g Chromsäureanhydrid in 80 ml Wasser werden mit 363 g Nickelacetat, 100 ml Wasser, 72,4 g ammoniakalisches Eisen(III)-zitrat mit einem Gehalt von 25,75% Fe2O3 behandelt. Nach vollständiger Auflösung verdünnt man auf 1400 ml.
Lösung Z
Man verdünnt 4,4 ml handelsüblicher Palladiumchloridlösung mit einem Gehalt von 24 g Pd pro 100 ml in 1100 ml Wasser, versetzt mit 20 ml Salzsäure mit einer Dichte von 1,19. Man setzt dann 0,36 g Rutheniumtetrachlorid mit einem Gehalt von 41,5% Ru und 5 g Zitronensäuremonohydrat zu. Die Lösung wird auf 1200 ml eingestellt.
Lösung AA
Man behandelt 88 g Chromsäureanhydrid in gesättigter wäßriger Lösung mit 36,4 g Nickelacetat und 150 ml Wasser. Man setzt 63,6 g ammoniakalisches Eisen(III)-zitrat zu und nach vollständiger Auflösung verdünnt man auf 1400 ml.
Lösung AB
Man verdünnt 5,6 ml handelsüblicher Palladiumnitratlösung mit einem Gehalt von 24 g Pd pro 100 ml mit 25 ml reiner Salpetersäure (mit einer Dichte von 1,38) und mit 1200 inl Wasser.
Beispiele 1 bis 20
Die Katalysatoren der Beispiele 1 bis 20 sind durch Imprägnieren unter den in den nachstehenden Tabellen I und II angegebenen Bedingungen hergestellt worden.
Vergleichsbeispiele
Man hat ferner zu Vergleichszwecken Katalysatoren hergestellt, deren aktive Phase nur zwei Metailelemente ίο enthält.
Beispiel 21
(Eisenchromit)
150 g in 150 ml Wasser aufgelöstes Chromsäureanhydrid werden mit 243 g ammoniakalischem Eisen(III)-zitrat und 10 ml Ammoniak (D = 0,89) behandelt. Nach Zugabe von Wasser bis zu einem Volumen von 600 ml wird die Lösung auf 1500 g Träger B imprägniert. Der Katalysator wird 10 Stunden lang bei 2000C getrocknet und dann 3 Stunden lang bei 500° C aktiviert.
Beispiel 22
(Nickelchromit)
150 g Chromsäureanhydrid, aufgelöst in 150 ml Wasser, werden mit 186,5 g Nickelacetattetrahydrat behandelt. Man verdünnt auf 460 ml, und dann wird die Lösung auf 1150 g Träger B imprägniert. Der Katalysator wird 10 Stunden lang bei 2000C getrocknet und 3 Stunden lang bei 5000C aktiviert
Tabelle I
Beispiel Trägermasse Desorption T
(C)
(Std.) Imprägnierung Lösg. Masse Menge
(ml)
besondere Bedingungen Trocknung Dauer
(Std.)
500 Dauer
(Std.)
A (g) 1000 in 20 Min. T
(C)
12
1 2000 500 3 B 1000 - 200 15
2 2000 500 3 C 950 in 40 Min. 200 15
3 2500 500 3 D 470 - 180-220 12
4 1200 500 3 E 600 - 200 12
5 1200 500 3 F 850 - 200 20
6 1700 500 3 G 600 - 180 10
7 1500 500 3 H 600 - 200 10
8 1500 " 3 I 2100 in 2 Malen m.
Zwischentrockng.
200 C 12 Std.
150-250 10
9 2000 500 J 1500 in 2 Malen m.
Zwischentrockng.
200 C 3 Std.
200 10
10 1600 I (Fortsetzung) 2 150
Tabelle Therm. Aktivierung
T Dauer
Spez.
Oberfl.
BET
Beispiel CQ Erhaltener Katalysator
aktive Phase Gew.-%
m2/g
1 500
2 500
3 500
2250
2250
2800
Ni1J5Fe0-66Cr1-34O4-15
10
10
10
20 ±5
23 + 5
T Π Masse 22 18 665 12 Spez.
CQ (g) Oberfl.
500 Aktivierung 1330 BET
500 1370 Erhaltener Katalysator mVg
Fortsetzung 600 Dauer 1870 Gew.-% 15±5
Beispiel Therm. 500 (Std.) 1670 aktive Phase 16 + 5
500 3 1700 10 -
500 3 2250 NiFe066Cr ι,.I4O4 12,4 22 ±5
3 NiFe0-16CrL84O4 9,1 18 ±5
4 600 2 1820 NiFe016CrL84O4 10 -
5 3 NiFe033Cr)67O4 10
6 2 NiFe0108CrL92O4 11 -
7 (Ni105Co0.!)
8 3 (Fe03Cr061 Mno-09)204 12,2
9 (Nio.8Mgo.2)i (Fe0-5Cr0-S)2O4
10
Tabelle I (Forsetzung)
Beispiel Trägermasse Desorption Imprägnierung
T Dauer Lösg. Menge
(g) ( C) (Std.) (ml)
11
12
1600
1600
13 2300
14 1400
500
500
500
450
15 2100 500 3 M 950
16 1900 500 2 N 720
Track ng. Dauer
(Std)
besondere Bedingungen T
(Q
10
in 2 Malen mit
Zwischentrockng.
200 C 3 Std.
150 10
in 2 Malen mit
Zwischentrockng.
200 C 3 Std.
150 10
in 2 Malen mit
Zwischentrockng.
220 C 3 Std.
160 5
8
in 2 Malen mit
Zwischentrockng.
200 C 3 Std.
150
220
3
in 10 Minuten 150 4
_ 190
Tabelle I (Fortsetzung)
Beispiel Therm. Aktivierung
T unter N 600 Dauer Masse
(°Q 550 (Std.) (g)
11 unter Luft 550 unter Luft
900 600 24
12 580 2H2 50-50
4 -
13 3 2530
14 3 1630
15 4 2330
16 2 2130
Erhaltener Katalysator
aktive Phase
Gew.-%
(Ni0,8Mg0-2)1(Fe0-5Cr0-5)2O4 12,2
reduzierte Phase
(Nio,9Cuo,i)(Fe04Cro-6)204 (NiQ-9Fe0-,)*)
(FM
(Cr0-65Mn0-05Fe0-3O)2O4 (Ni0-9Zn0-1)(Fe0-66Cr1-34)O4
9,1 14
9,8 10,8
Spez.
Oberfl.
BET
mVg
*) Kann auch der Struktur (NiO-9COoweder Eisen oder Kobalt ergebenden Parameterabweichungen machen sich nicht bemerkbar.
ι; die sich durch das Ersetzen des Nickels durch ent-
Tabelle II
Beispiel Träger Masse
(g)
Imprägnierung Trockng.
Lösung Menge T
(ml) ( C) Dauer
Therm. Aktivierung
T Dauer
( C) (h)
500 2
480 3
540 1
son 2
A
A
A
A
1000
1000
1000
1000
Tabelle II (Fortsetzung)
O P
Q R
480 470 470 460 200
190
200
180
1125
1128
1126
1128
Beispiel el Italiener ivaiaiy&atur Gew.-% spez.
Masse aktive Phase Oberfl. BET
mV
(g)
(Ni1-25CUo-25)(Cr074Mn0-75FeO-O1)O3-75 10
(Ni0i75CuO-15Mn0-6O)(Cro,74Mn075Feo oi)03-75 10,2
(Nili30Cu0,2o)(Cr0ilMn0-6Fen-8)03-75 10,1
no.5Feü3)204-5 10,2
20 + 5 20 ±5 20 ±5 20 ±5
Man hat bestimmte physikalische Eigenschaften der Katalysatoren der Beispiele 1 und 3 festgestellt. Sie werden im folgenden angegeben:
Katalysator 1 Katalysator 3
Spezifische Oberfläche 20,4 m2/g 25 m7g
Porenvolumen 36 ml/100 g 32 ml/100 g
Fülldichte 0,82 g/ml 0,99 g/ml
Zerreibung 6,1% 1,6%
Körnerzerquetschung
minimal 7,4 kg 5,9 kg
maximal 16,5 kg 13,7 ke
mittel 10,3 kg 11,2 kg
auf der Oberfläche der Probe die Intensität /Ni, /bzw. /o der Röntgenstrahlen K„ dieser Elemente, ausgedrückt in jo Anzahl der Impulse pro Minute, als Funktion von der Entfernung des Meßpunktes der Probe auf.
An 50 wahllos auf diesen Kurven gewählten Punkten mißt man iNi i'Fc iCr, man errechnet
50
Man sieht, daß die spezifische Oberfläche jedes dieser Katalysatoren erheblich kleiner ist als die des für die Herstellung jedes Katalysators verwendeten Trägers, wie oben angegeben.
Die Homogenität der Katalysatoren der Beispiele 1 und 3 hat man folgendermaßen festgestellt
Die Katalysatoren, die nach geeigneter Behandlung in eine Mikrosonde gegeben werden, werden dem Beschüß durch eine Elektronensonde ausgesetzt, die die Katalysatormasse entsprechend einem Zylinder von etwa 1 Mikron Durchmesser und 1,5 Mikron Seite untersucht
Die Erregungsbedingungen sind:
Beschleunigungsspannung 20 Kilovolt Intensität der Sonde 10 Nanoampere
Mit dem Geigerzähler mißt man die Intensität der charakteristischen Röntgenstrahlung der Bestandteile des Katalysators; die Strahlen Και des Eisens, des Nickels und des Chroms werden mittels Monochromatoren gefiltert, und ihre jeweilige Intensität wird bestimmt
Man zeichnet gleichzeitig für verschiedene Bahnen
O1 =
'Ni 'Fc
'Ni
'Yr
O3 =
Man errechnet dann die relativen Mittelwerte
A7 =
50 '
2ua2
A3='
Die Maximalwerte der Verhältnisse au a2 und a3: o«,,, a,„«(2) und amaf{3) und die Minimalwerte dieser gleichen Verhältnisse ΐα,,,,,,ι,, amina) und anin<3) werden diesen Maßnahmen entnommen, und man errechnet die Abweichungen Δα = (α maximum — a minimum), woraus sich die Werte Ja1, Ia2 und J a3 ergeben. In Tabelle III sind die Werte der Verhältnisse
Aa1
Aa2 . Aa3
—- und —-
Für die Katalysatoren der Beispiele 1 und 3 aufgeführt.
16
Tabelle III
Katalysator
tL2I A2
Beispiel 1
Beispiel 3
0,06
0,065
0,05 0,06
0,07 0,075
Man sieht, daß diese Werte unter 0,10 liegen. Tabelle IV Man hat ferner durch Röntgenstrahlenberechnun die Katalysatoren 1,3,4,5, 7 und 8 untersucht Die fei vermahlenen Proben werden in einer Debye-Sherrei Kammer analysiert
Außer dem charakteristischen Spektrum des Träger (Λ-ΑΙ2Ο3) stellt man fest, daß jede dieser Proben selekti eine kubische Monophase des Spinelltyps enthält, dere Parameter ao bestimmt werden konnte. Die Ergebniss sind die folgenden:
Katalysator 1, 3 und 4
o
(Angström)
8,31,
8,320
8,324
B e i s ρ i e 1 e 23 bis 36
Die Bedingungen für die Herstellung der Katalysatoren 23 bis 34 sind im folgenden in Tabelle V angegeben.
Die Katalysatoren der Beispiele 26 bis 29 sind aus den Katalysatoren des Beispiels 23 und die Katalysatoren der Beispiele 32 und 34 sind jeweils aus den Katalysatoren der Beispiele 31 und 33 hergestellt worden.
Der Katalysator des Beispiels 35 besteht aus einem
Tabelle V
Gemisch der folgenden Zusammensetzung:
Gew.-% des Katalysators des Beispiels 23
Gew.-% des Katalysators des Beispiels 25 und
Gew.-°/o des "'atalysators des Beispiels 24.
Der Katalysator des Beispiels 36 hat die folgendi Zusammensetzung:
Gew.-% des Katalysators des Beispiels 17 und Gew.-% des Katalysators des Beispiels 25.
Beispiel Träger Masse Imprägnierung Menge Dauer Trockng. Dauer
Bezeichng. (kg) Lösung (ml) T (Sid.)
(Min.) (C)
23 A 100 S 47000 60 200 24
24 A 2 T 850 + 100 ml 10 150 2
H2O
25 A 2 U 850 + 100 ml 10 150 2
H2O
26 Beisp. 1 2 T 850 30 150 2
V Beisp. 1 2 U 850 30 150 2
28 Beisp. 1 2 V 850 40 120 2
29 Beisp. 1 2 W 850 50 170 1
30 MgAl2O4 3 X 900 20 200 18
Tabelle V (Fortsetzung)
Beispiel Therm. Aktivierung
T Dauer
( Ο (Std.)
Erhaltener Katalysator
Masse Aktive Phase
(kg) Gew.-%
23 500 2 112,5 Nii.is
24 500 2 2 Ru
25 500 2 2 Pd
26 500 2 2 + Ru
27 500 2 2 Ni11S
+ Pd
28 500 2 2 Ni,.|S
+ Rh
10
0,046 0,048
10
0,046 10
0,048 10
0,045
030 132/9
Fortsetzung
18
Beispiel Therm. Aktivierung
T Dauer
( C) (Std.)
Erhaltener Katalysator Masse Aktive Phase
(kg) Gew.-%
500 500
Tabelle V (Fortsetzung)
Beispiel 31 A Beispiel 33
Tabelle V (Fortsetzung)
2 3,4
Li3 + Ir
Ni1Fe14Cr0-8O4 + Pd
Y Z
AA AB
1400 1200 1400 1250
Beispiel
Therm. Aktivierung
T Dauer
(C) (Std.)
550 1 1/2
500 2
500 3
500 1 1/2
Erhaltener Katalysator Aktive Phase
Masse
(kg) NiFe 1,,,Cr11-4O4
3,4 NiFd6Cr04O4
3 + Pd
+ Ru
NiFe1-4Cr0-6O4
3,4 NiFe14Cr06O4
3 + Pd
200 120 200 120
10 0,043
10 0,032
Beispiel Träger Masse Imprägnierung Dauer Trockng. Dauer
Bezeichng. (kg) Lösung Menge T (Std.)
(ml) (Min.) (Q
18 4
12 6
Gew.-%
10
10
0,035 0,005
10
ίο
0,045
Die gemäß den Beispielen 1 bis 20 hergestellten Katalysatoren sind in einem mit bleifreiem Benzin angetriebenen Einspritzmotor, der auf einem Probestand montiert war, untersucht worden. Der Motor wird auf 3000 U/min, eingestellt, und an jedem Zylinderausgang werden die Abgase gesammelt, gemischt und auf vier Katalysatortöpfe mit einem Liter Fassungsvermögen verteilt Die in dem Katalysatorbett gemessene Temperatur liegt etwa bei 700° C, und die Gase strömen durch dieses Katalysatorbett mit einer stündlichen Volumendurchsatzgeschwindigkeit von etwa 24 000 h~' (bezogen auf die kalten Gase). Der Test besteht aus Perioden von 20 bis 22 Betriebsstunden, und dazwischen liegen Perioden von 4 bis 2 Stunden Abkühlung, während derer man dem Katalysator eventuell Luft
45 zuführen kann. Die Extremwerte für den Gehalt an verunreinigenden Substanzen in den Gasen sind
[NO] = 1600-2600 ppm
[CO] = 1,8 bis 3^%
[Kohlenwasserstoffe] = 200 bis 400 ppm
Im Verlaufe des Tests werden zahlreiche Entnahmen an den Aus- und Eingängen der Katalysatortöpfe vorgenommen.
Die Ergebnisse der durchgeführten Analysen, die in den Tabellen VI, VII und VIII angegeben werden, zeigen die Leistungen der Katalysatoren:
Nach den Betriebsperioden unterschiedlicher Dauer wird folgendes angegeben:
50
55
die Umwandlung (%) der Stickstoffoxide
die StickstofTausbeute, gemessen an dem ursprünglichen Gehalt an Stickstoffoxiden NO:
Gesamte umgewandelte NO-Menge-in Ammoniak umgew. NO ursprüngliche NO-Menge
Gehalt an gebildetem Ammoniak (ppm) Umwandlung des Kohlenstoffoxide .
19 20
In Tabelle VI sind die Ergebnisse des mit den Katalysatoren 1 und 3 durchgeführten Katalysatortests angegeben.
In Tabelle VlI sind die Ergebnisse des Katalysatortests mit den Katalysatoren 2 und 4 bis 16 aufgeführt
In Tabelle VIII sind die Ergebnisse des Katalysatortests mit den Katalysatoren 17 bis 20 aufgeführt
Auch die Katalysatoren der Beispiele 21 und 22 hat man dem oben erwähnten Katalysatortest unterzogen.
Tabelle VI
Katalysator des Beispiels Man hat damit ihre Anfangsaktivität bei verschiedenen Temperaiuren festgestellt Tabelle IX gibt die Umwandlung der Stickstoffoxide, die Stickstoffausbeute, die entstandene Ammoniakmenge und die Umwandlung des Kohlenstoffoxids an.
Man hat auch die zunehmende Abnutzung der Aktivität des Katalysators 22 bei 700° C festgestellt Die Ergebnisse sind aus Tabelle X ersichtlich.
Betriebsdauer (in Stunden) 48 65 48 60 85 110 87 198 445
24 - 93 91,8 92,7 91,2 86
Umwandlung
von NO (%)
- 83 85 84 83,2 84 81,4
Ausbeute an N2 (%) 87 270 170 170 220 140 110
Gehalt an NH3 (ppm) 125 18 16,2 18
Umwandlung
von CO (%)
20
Katalysator des Beispiels 3 Betriebsdauer (in Stunden)
24 108 250
Umwandlung von NO (%) -
Ausbeute an N2 (%) Gehalt an NH3 (ppm) Umwandlung von CO (%)
90,2 90 86,4 85 83
88 88,3 85 84 82,8
45 30 25 25 10
16 15 14 _
Tabelle VII Katalysator Betriebsdauer
(Stunden)
Umwandlung von NO
Stickstoffausbeute Ammoniak
(ppm)
Umwandlung von Kohlenoxyd
6 96
6 96
6 96
6 96
6 96
6 96
6 96
6 96
91 85 95 90 91 90 89 87 94 92 83 81 87 79 92 88 83
75
90
88
85
85
82
81
93
91
80
78
78
74
89
86
190
220
120
35
150
160
160
140
90
45
80
25
200
130
70
90
36 21 48 50 52 49 48 46 51 47 38 32 40 35 45 42
21 . NO % Gew.-% 22 Betriebsdauer 24 T 18 665 Umwandig. 22 NH3- Umwandlung 96 Std.
6 Std. 66 von NO BiI dung von Kohlen 24
Fortsetzung Betriebsdauer - 99 20 CO Ammoniak (ppm) oxyd 55
Katalysator 10 Umwandlung 250 345 ~0 (%)
von NO 492 72 - 40
570 Stickstoffausbeute 91 (ppm) '500 36
(%) 702 97 110 1300 15
11 (Stunden) 13 87 480 7 120 - 12
6 85 612 (%) 98 30 510 -
12 96 89 740 85 99 90 200 -
6 87 642 83 95 210 300 -
13 96 95 88 180 -
24 91 86 200 -
14 96 88 Std. 86 48 Std. 150 72 Std. -
24 85 83 50 140 25 -
15 96 90 79,5 45 160 20 -
24 86 78 130
16 96 85 84 110 Umwandlung
24 83 80 von CO
Tabelle VIII 96 79 (%)
Katalysator 77 48
20
52
17 19
46
18 22
50
19 21
20 Umwandlung
von CO
Tabelle IX (%)
2,5
34,5
Betriebsdauer 53,6
Ammoniak 54,2
(Std.) Umwandlung 8,3
24 vor NO (ppm) 41
450 (%) Stickstoffausbeute 250 45,8
24 95 120 22,2
450 86 (%) 300
24 95 84 100
450 85 80,5 260
24 95 82 130
450 87 80,5 300
95 83,5 150
Katalysator Aktive Phase S4 81
82 Stickstoff-
Träger 77 ausbeute
<%>
_
21 FeCr2O4 B 46
24
13
3
B 75
89
80
22 NiCr2O4
Tabelle X
Umwandlung ν
nnm NIK

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Eisen, Chrom und Nickel enthaltender Katalysator zur Zersetzung von Stickstoffoxiden, hergestellt durch Aufbringen von Verbindungen des Eisens, Chroms und Nickels auf einen Träger, Trocknen und Erhitzen bei höheren Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß er durch Imprägnieren eines Trägers mit einer Mischung von Nickel-, Eisen- und Chrom-Verbindungen, Trocknen bei einer Temperatur zwischen 80 und 2500C und Aktivieren durch Erhitzen auf eine Temperatur von 500 bis 800° C erhalten worden ist, wobei auf den Träger ein Anteil von 6 bis 15% des Katalysatorgewichts einer aktiven Phase aufgebracht ist, die eine Nickel-, Eisen- und Chrom-Verbindung der Formel UiJ[Fe3CT2)Oi enthält, in welcher die Zahl χ einen Wert von 0,85 bis UO, die Summe (y+z) einen Wert
von 1,8 bis 2,3, das Verhältnis j^rz einen Wert von 0,02 :1 bis 0,6 :1 und die Zahl t einen Wert von 2 bis 6 bedeutet
2. Verwendung des Katalysators nach Anspruch 1 zur Zersetzung von Stickstoffoxiden in den Abgasen von Verbrennungsmotoren.
DE2218665A 1971-04-19 1972-04-18 Eisen, Chrom und Nickel enthaltender Katalysator zur Zersetzung von Stickstoffoxiden Expired DE2218665C3 (de)

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