DE2218665C3 - 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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DE2218665C3
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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 bei hohen Temperaturen ausgestoßen werden (bis zu etwa 10000C), wird der verwendete Katalysator großen Temperalurspitzen ausgesetzt (bis zu etwa 800° C). 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 Elsen-Chrom-Katalysatoren, deren Ausgangsaktivität hoch ist und sich wenig verringert itr. Laufe der Zeit, den größten Teil der Stickstoffoxide in Ammoniak um.
Darüber hinaus fangen diese Systeme im allgemeinen 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 kohlenmonoxidhaliigen 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
Ni (+Co)
Fe+ Cr
liegt gemäß DE-OS 18 12 813 sehr stark unterhalb von •to 037 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 2500C 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 Katalysatorgewichts einer aktiven Phase aufgebracht ist, die eine Nickel-, Eisen- und Chrom-Verbindung der Formel Ni^FejCrz)O, enthält, in welcher die Zahl χ einen Wert von 0,85 bis 1,30, die Summe (y+z) einen Wert von 1,8 bis 23, das Verhältnis
-~ einen Wert von 0,02 :1 bis 0,6 :1 und die Zahl f
a5 y+z
einen Wert von 2 bis 6 bedeutet.
In der obengenannten Verbindung Ni;,(Fe,Cr*)Oi können bis zu etwa 50% und vorzugsweise bis zu 30% der Nickelatome durch Atome mindestens eines 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 100 m2/g, noch günstiger von weniger als 80 mVg und noch besser von weniger als 30 mz/g. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, auch Träger mit größerer spezifischer Oberfläche zu verwenden.
Die verwendeten Träger, die hauptsächlich aus 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 Oefügestabilisator, 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 de: 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 hohlraumhaltigen 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 Hohlräume im Block gebildet werden.
Diese hohlraumhaltigen 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 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 b> lösliche Verbindungen der zu vereinigenden Elemente Ni, Fe und Cr enthalten, oder mindestens eines der im vorhe. gehenden 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 Alkoholgi-uppe (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 Alkylccllulose (z. B. Methylcellulose, Äthylcellulose oder Carboxymethylcellulose) oder auch Propylenoxid, Polypropylenoxid oder Polyäthylenoxid.
Ebenso kann es vorteilhaft sein, eines der Metallelemente, z. B. Eisen, gaaz oder teilweise in Form einer chemischen Verbindung mit einer der obengenannten Substanzen einzusetzen, wie beispielsweise ein Eisenzitrat, Ammoniumoxalatferrat oder eine Lösung, die ein Salz oder ein Eisenhjidroxyd enthält, oder elementares Eisen mit mindestens einer Verbindung wie beispielsweise Zitronensäure, Apfelsäure, Glykolsäure, Milchsäure, Weinsäure, ein Alkanolamin oder ein Salz des Ammoniumalkanolamins, Äthylenglykol, Diäthylengiykol,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 Abgss (Katalysatortopf z. B.).
Die erfindungsgemäßen Katalysatoren bvtsiuen 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 I, 2, 5, 6, 14, 15, 17 bis 20, 23, 25, 31 und 33 beschriebenen Katalysatoren verwendete Träger ist ein Akminiumoxidträger, der im wesentlichen au) λ-AIu nini-
umoxid mit einem niedrigen Gehalt an Natrium (weniger als 1000 ppm Na2O) besteht und ein Porenvolumen von etwa 45mI/100g und eine spezifische Oberfläche von etwa 8m3g-' hat. Dieser Träger, der im folgenden als A bezeichnet wird, weist eine Zerreibung von 2,5% auf, und die Werte für die Zerquetschungsfestigkeit der Körner bei Körnern von einer Größe zwischen 3,2 und 4 mm liegen zwischen 8 und 15 kg (Mittelwert W 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 mVg. Es weist eine Zerreibung von 03% 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 verwende! 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 800° C während 3 Stunden die folgenden sind:
Gesamtporenvolumen ~67mI/100g
Porenvolumen (Porosimetrie
gegenüber Quecksilber
bis 2000 Bar) -56,5 ml/100 g
Spezifische Oberfläche ~153mVg
Korndichte -1,03
Strukturdichte -332
Zerreibung (5 Minuten) -5,8%
MgO -0%
200Oj dieses Trägers werden bei 500° C während 3 Stunden desorbiert, dann mit 135OmI einer Lösung imprägniert, die 1480 g Magnesiumnitrathexahydrat (was 222 g Magnesiumoxid entspricht) und 50 ml Salpetersäure mit einer Dichte von 138 enthält. Nach der Trocknung bei 200° C während 48 Stunden und nach der thermischen Aktivierung bei 800° C während 3 Stunden weist der neue Träger, der mit D bezeiciinet wird, die folgenden Eigenschaften auf:
Gesamtporenvolumen -55,1 ml/100 g
Porenvolumen (Porosimetrie
gegenüber Quecksilber
bis zu 2000 Bar) -49,3 ml/100 g
Spezifische Oberfläche -128 m2/g
Korndichte -1,18
Strukturdichte -3,37
Zerreibung (5 Minuten) -4,6%
MgO -10%
Die Untersuchung dieses Trägers durch Röntgenstrahlenbrechung zeigt, daß er die Spinellphase MgÄl2Ö4 enthält.
Der für die Herstellung des Katalysators von Beispiel verwendete Träger ist ein Aluminiumoxidträger, der aus dem Aluminium- und Magnesiumspinell (MgAIjOO besteht, mit einem Gehalt von 72% AI2O3. Sein Porenvolumen beträgt etwa 39 ml/100 g und seine spezifische OberilVhe ist etwa 3OmVg-'. Dieser Träger, der im folgenden mit MgAhO4 bezeichnet wird.
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 mit einem Gehalt von 253% Fe2O3 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+), 259 g Ferrinitratnonahydrat (0,64 g-Ion Fe3+) und 297 g Nickelnitrathexahydrat (1,02MoI) zu. Dann wird auf 60 bis 80° C erwärmt, um eine Vereinigung der Nitrate in ihrem Kristailisationswasser 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 Nickelccetattetrahydrat zugesetzt Man erwärmt auf 50°C bis zur Auflösung und setzt nach Abkühlen 254 g ammoniakalisches Eisen(III)-zitrat mit einem Gehalt von 253% Fe2Ü3 zu. Man erwärmt auf 60° C 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 138) 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.
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 Ion Ni) auf. Nach völliger Auflösung fügt man 38 g ammoniakalisciies Eisen(II)-zitrat (0,12 Mol) hinzu und verdünnt a;n 600 mi.
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 gAmmoniumferrioxalat (0,12MoI) zu und verdünnt durch Zugabe von Wasser auf 850 ml.
Lösung G
In 150 ml Wasser löst man 124 g Chromsäareanhydrid (1,24MoI) auf, dann setzt man 93,5 g fein pulverisiertes basisches Nickelkarbonat (0,745 g-lon Ni) hinzu. Nach langsamer Digerierung und völliger Auflösung dr-s basischen Nickelkarbonats setzt man 78 g ammoniakalisches Eisen(lll)-zitrat (0,246 Mol) zu und verdünnt auf 600 ml.
Lösung H
In 170 ml Wasser werden 144 g Chromsäureanhydrid
h> (1,44 Mol) aufgelöst. Der erhaltenen Lösung setzt man 94 g basisches Nickelkarbonat (0,75 g-Ion Ni) zu und setzt nach Zersetzung des Karbonats und nach Auflösung 19 g ammoniakalisches Eisen(lll)-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 31,1g Kobaltnitrathexahydrat und 48,7 g Mangannitrattetrahydrat zu. Nach Auflösen 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 70ml Salpetersäure (Dichte= 1,38) und Wasser und nach völliger Auflösung 51,3 g Magnesiumnitrathexahydrat zu. Die Lösung wird auf 1000 ml verdünnt. Nach Abkühlen seizi man langsam 310 g ammuniakaiisciies 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(III)-zitrat mit einem Gehalt von 25,3% Ft1Oi 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
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u/irH c^h1i<kftlt/->h oitf 1 *)(Y\ ι
Lösung M
Einer Lösung von 130 g Chromsäureanhydrid in 200 ml Wasser setzt man 120 ml Essigsäure (Dichte =1,050) 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 besU-Jit, 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 mi 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(HI)-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 135 g Eisenzitrat mit einem Gehalt von 25.8% 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% Fe2Oa und 150 g Triammoniumzitrat zu. Die Lösung wird auf 470 ml
ίο eingestellt.
Lösung Q
130 ml Wasser werden 180,9 g Nickelnitrathexahy drat, 23,2 g Kupfernitrattrihydrat, 5 g Chromsäureanhvi' drid, 72,Og 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
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 Manganni- -'"' trattetrahydrat 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 eingestel!..
J0 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 ü 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
4" Man löst 2,22 g Rutheniumtetrachlorid mit einem Gehalt von 41,5% Ruthenium in 830 ml Wasser auf. r»onn cA«7t man IO σ 7itrnnensäiiremonohydrat zu.
Lösung U
1T 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.
Vl Lösung V
Man löst 2,32 g Rhodiumchlorid mit einem Gc'ialt 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 m! Wasser auf. Man setzt nacheinander 36,6 g Nickelacetat, 100m ml Wasser, 54,8 g ammoniakalisches Eisen(HI)-zi-%5 trat 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(IH)-zitrat mit einem Gehalt von 25,75% Fe2C>3 behandelt. Nach vollständiger Auflösung verdünnt man auf 1400 ml.
Lösung Z
Man verdünnt 4,4 ml handelsüblicher Palladiumchloridlösung mit einem Gehalt von 24 g Fet 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
ividf'l ÜCIIttnucit OO
ter wäßriger Lösung mit 36,4 g Nickelacetat und 150 ml Wasser. Man setzt 63,6 g ammoniakalisches Eisen(IH)· 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 ml 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 Metallelemente ίο enthält.
Beispiel 21 (Eisenchromit)
150 g in 150 ml Wasser aufgelöstes Chromsäureanhy-
i) drid werden mit 243 g ammoniakalischem Eisen(III)-zi trat 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 !0 Stunden !sii" bei 200° C getrocknet
und dann 3 Siunden lang bei 500°C aktiviert.
Beispiel 22 (Nickelchromit)
150 g Chromsäureanhydrid, aufgelöst in 150 ml .π 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 200°C 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
( Π
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 (1Q Erhaltener Katalysator
aktive Phase Gew.-%
mVg
1 500
2 500
3 500
2250
2250
2800
Ni1-I5Fe0-66Cr1J4O4.,;
10
10
20 ±5
23±5
T Π Masse 22 18 665 12 Spez.
( C) (g) Oberfl.
500 Aktivierung 1330 BET
500 1370 Erhaltener Katalysator m2/g
Fortsetzung 600 Dauer 1870 Gew.-% 15 ± 5
Beispiel Therm. 500 (Std.) 1670 aktive Phase 16±5
500 3 1700 10 -
500 3 2250 Ni Fe0-66Cr Ij4O4 12,4 22 ±5
3 NiFe016CrI(I4O4 9,1 18 ±5
4 2 NiFe016CrI S4O4 10 -
■[: 5 3 NiFe(U,Cri67O, IO
6 2 NiFe008Cr, .,2O4 Il
7 (NimsCOr ι)
8
9
600
1820
(Ni0.,Mgo.2)i(Fe(l<Crn.5>204
12,2
Tabelle I (Forsetzung)
Beispiel Trägermasse Desorption Dauer
(Std.)
Imprägnierung Menge
(ml)
besondere Bedingungen Trockng. Dauer
(Std.)
(g) T
( C)
2 Lösg. 1500 in 2 Malen mit
Zwischentroekng.
200 C 3 Std.
T
( O
10
11 1600 500 2 J 1500 in 2 Malen mit
Zwischentroekng.
200 C 3 Std.
150 10
12 1600 500 J 1700 in 2 Malen mit
Zwischentroekng.
220 C 3 Std.
150 10
13 2300 500 3 K 1200 in 2 Malen mit
Zwiichentrockng.
200 C 3 Std.
160 5
8
14 1400 450 3 L 950 in 10 Minuten 150
220
3
15 2100 500 M 150 4
1 t ι nnn (ΑΛ KI IQn
Tabelle I (Fortsetzung)
Beispiel Therm. Aktivierung
T unter 600 Dauer Mas«
(Q 550 (Std.) (g)
11 unter Luft 550 unter Luft
900 600 24
12 580 N2H2 50-50
4 -
13 3 2530
14 3 1630
15 4 2330
16 2 2130
Erhaltener Katalysator
aktive Phase
Gew.-%
Spez.
Oberfl.
BET
reduzierte Phase
(Ni0oCu0-!)(Feo-4Cr0-6)204
(Ni0-9Fe0-1)
(Cr065Mn005Fe03O)2O4
(NJf-Zn0-1)(Fe0-66Cr1J4)O4
12,2
9.1 14
9,8 10,8
*) Kann auch der Struktur (Ni0^Co0J)(Fe0 4AlOjMrIo-OsCrI-40)O4 entsprechen: die sich durch das Ersetzen des Nickels durch entweder E'sen oder Kobalt ergebenden Parameterabweichungen machen sich nicht bemerkbar.
13 aktiv 22 18 665 Trockng. ,Mn11. Katalysator 1 Katalysator 3 Γι g -11 ( Π 14 Therm. Aktivierung K, dieser Elemente, ausgedrückt in . man errechnet
Menge T Man 200 Dauer T Dauer pro Minute, als Funktion von der
Taille II Masse (ml) Man hat bestimmte physikalische Eigenschaften der 190 (h) ( O (h) Entfernung des Meßpunktes der Probe auf.
Beispiel Träger (Ni, Imprägnierung 480 Katalysatoren der Beispiele I und 3 festgestellt. 20.4 m2/g 25 mVg 200 10 500 2
(g) (Nin Lösung 470 Sie werden im folgenden awgegeben: 36 ml/100 g 32 ml/100 180 12 480 3
1000 (Ni, 470 0,82 g/ml 0,99 g/ml 8 540 1
17 A 1000 (Ni, O 460 6,1% 1,6% 10 500 2 An 50 wahllos auf diesen Kurven gewählten Punkten
18 A 1000 P mißt man iSj i!c iCr
19 A 1000 Q 7.4 kg 5.9 kg
20 A R Spezifische Oberfläche 16.5 kg 13.7 ke spe?. a - —
Tabelle Il (Fortsetzung) Beispiel Erhaltener Katalysator Porenvolumen -FC,,,,, >();-< Oherfl. BF.T ' 'Ve '
Masse Fülldichte -4MlI11^Fe11111)Oi-, üew.-% rrr'/E ' _ "Ni
e Phase -4Mn, Zerreibung „Fe„.s)O,.-s 10 20 ±5 'Yr
Ie) -Cud i<Mn„ ^1)(Cr1 Körnerzerquetschung Fe111I2O4^ 10,2 20 ±5
17 1125 M1Cu11J11)(Cr, minimal 10.1 20 ±5 'Fc
IR 1128 ;<CU|i;i)(Cr, ,,,Cu10)(Cr1, maximal 10.2 20 ±5
19 1126 auf der Oberfläche der Probe die Intensität /n,. /bzw. /cr
20 1128 der Röntgenstrahlen
Anzahl der Impulse
mittel
10,3 kg
11,2 kg
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 lONanoampere
Mit dem Geigerzähler mißt man die Intensität der charakteristischen Röntgenstrahlung der Bestandteile des Katalysators; die Strahler K«i des Eisens, des Nickels und des Chroms werden mittels Monochromatorer, gefiltert und ihre jeweilige Intensität wird bestimmt
Man zeichnet gleichzeitig für verschiedene Bahnen
Man errechnet dann die relativen Mittelwerte
Ai = ~w·
50
Ay = -
Die Maximalwerte der Verhältnisse α,, a2 und O3IanO1,!,, amaim und ama?(3) und die Minimalwerte dieser gleichen Verhältnisse :amin(U, awdna) und ami0) werden diesen Maßnahmen entnommen, und man errechnet die Abweichungen Aa = [a maximum — a minimum), woraus sich die Werte Ia1. Ia2 und Ia3 ergeben. In Tabelle III sind die Werte der Verhältnisse
la, Ia2
und
la.
"I "2 "3
für die Katalysatoren der Beispiele 1 und 3 aufgeführt.
Tabelle
Katalysator
Ja1M,
Beispiel I
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 Rontgenstrahlenberechnuni die Katalysatoren 1,3,4, 5, 7 und 8 untersucht Die feil vermahlenen Proben werden in einer Debye-Sherrer Kammer analysiert
Außer dem charakteristischen Spektrum des Trägen («-AI.2O3) stellt man fest daß jede dieser Proben selekth eine kubische Monophase des Spinelltyps enthält derer Parameter aa bestimmt werden konnte. Dk Ergebnisse sind die folgenden:
Katalysator 1,3 und 4 5
8,31,
(Angstrom)
8,32O
8,324
B e i s ρ i e I 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:
80 Gew.-% des Katalysators des Beispiels 23
15 Gew.-% des Katalysators des Beispiels 25 und
5 Gew.-% des Katalysators des Beispiels 24.
Der Katalysator des Beispiels 36 hat die folgende Zusammensetzung:
90 Gew.-% des Katalysators des Beispiels 17 und
10 Gew.-% des Katalysators des Beispiels 25.
Beispiel Träger Masse (Fortsetzung) Aktivierung Imprägnierung Menge Dauer Aktive Phase ,Cr2,,)2O4 Trockng. Dauer
Bezeichng. (kg) Therm. Dauer Lösung (ml) T (Std.)
100 T (Std.) 47000 (Min.) ,Cr,z,)2O.| (Q 24
23 A 2 ( C) 2 S 850 + 100 ml 60 Ni|,s(Fe, z.iCr2z.i)2O4 200 2
24 A 500 2 T H2O 10 Ru ,Crj/;)jO4 150
2 500 2 850 + 100 ml Pd 2
25 A 500 2 U H2O 10 Ni, J5(Fe;/ 150
2 500 850 + Ru 2
26 Beisp. 1 2 2 T 850 30 Ni,. I5(Fe,/ 150 2
27 Beisp. 1 2 500 U 850 30 + Pd 150 2
28 Beisp. 1 2 2 V 850 40 Ni, H(Fe,; 120 1
29 Beisp. 1 3 500 W 900 50 + Rh 170 18
30 MgAI2O4 X 20 200
Tabelle V Erhaltener Katalysator
Beispiel Masse Ocw.-%
(kg)
112,5 10
2.1 2 0,046
24 2 0,048
25 2 10
26 0,046
2 10
TI 0,048
2 10
28 0.045
130 249/f
Fortsetzurm
18
Beispiel Therm. Aktivierung
T Dauer
( O (Std.)
Erhaltener Katalysator
Masse Aktive Phase
(kg) Gcw.-%
500
500
Tabelle V (Fortsetzung)
Beispiel 31
A
Beispiel 33
2 3,4 + Ir
Ni1Fe1-2Cr0-8O4
+ Pd
Y Z
AA AB 1400
1200
1400
1250
15
50
25
30
200
120
200
120
10
0,043
10
0,032
Beispiel Träger Masse Imprägnierung Dauer Trockng. Dauer
Bczcichng. (kg) Lösung Menge T (Std.)
(ml) (Min.) (Q
18 4
12 6
Tabelle V (Fortsetzung)
Beispiel Therm. Aktivierung
T Dauer
( C) (Std.)
Erhaltener Katalysator
Masse Aktive Phase
(kg)
3.4 NiFe1-6Cr0-4O4
3 NiFe1-6Cr0-4O4
+ Pd
+ Ru
3,4 NiFe14Cr0-6O4
3 NiFe14Cr0-6O4
+ Pd
Gew.-%
550
500
500
500
1 1/2 2
3 I 1/2 10
10
0,035 0,005
IO
10
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 7000C, 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
zuführen kann.
Die Extremwerte für den Gehalt an verunreinigenden Substanzen in den Gasen sind
[NO] = 1600-2-f^Oppm
[CO] = 1,8 bis 3,5%
[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, VIl und VIII angegeben werden, zeigen die Leistungen der Katalysatoren:
Nach den Betriebsperioden unterschiedlicher Dauer wird folgendes angegeben:
die Umwandlung (%) der Stickstoffoxide
die SlickstolTausbeute, gemessen an dem ursprünglichen Gehalt an Stickstoffoxiden NO:
Gesamte umgewandelte NO-Menge —in Ammoniak umgew. NO ursprüngliche N O-Menge
Gehalt an gebildetem Ammoniak (ppm) Umwandlung des Kohlenstoffoxide .
22 18 19 die Ergebnisse des Katalysator- Betriebsdauer (in Stunden) Betriebsdauer (in Stunden) 91 665 20 der Stickstoffoxide, die Stickstoffausbeute, die 85 110 87 (ppm) 198 445
I die Ergebnisse des mit den tests mit den Katalysatoren 17 bis 20 aufgeführt. 24 48 65 24 48 85 entstandene Ammoniakmeng« • und die Umwandlung 91,8 92,7 86,4 190 91,2 86
In Tabelle VI sine durchgeführten Katalysatortests Auch die Katalysatoren der Beispiele 21 und 22 hat - - 93 (%) - 90,2 95 Man des Kohlenstoffoxids an. 85 220
Katalysatoren t und 3 man dem oben erwähnten Katalysatortest unterzogen. 94 88 90 hat damit ihre Anfangsaktivität bei verschiedenen Man hat auch die zunehmende Abnutzung der 84 83,2 IS 120 84 81,4
angegeben. die Ergebnisse des Katalysator- Tabelle VI 87 83 85 60 45 91 Temperaturen festgestellt, Tabelle IX gibt die Umwand Aktivität des Katalysators 22 bei 700° C festgestellt Die 170 220 14 35 140 110
In Tabelle VII sind tests mit den Katalysatoren 2 und 4 bis 16 aufgeführt. i 125 270 170 (%) 19 16 90 lung Ergebnisse sind aus Tabelle X ersichtlich. 18 150 - -
In Tabelle VIII sind Katalysator des Beispiels 1 20 18 16,2 89 Stickstoffausbeute Ammoniak 160
Katalysator Betriebsdauer Umwandlung 87 160
Katalysator des Beispiels 3 94 140
Umwandlung 92 (%) 90 108 250
von NO (%) von NO 83 83 45 85 83
Ausbeute an N2 (%) Umwandlung von NO 81 75 80 84 82,8
Gehalt an NH3 (ppm) Ausbeute an N2 (%) (Stunden) (%) 87 90 25 25 10
Umwandlung Gehalt an NH3 (ppm) 2 6 79 88 200 — —
von CO (%) Umwandlung von CO 1 96 92 85 130
Tabelle VII U 4 6 88 85 70 Umwandlung
* 96 82 90 von Kohlen
] 5 6 81 oxyd
96 93 (%)
i 6 6 60 91 36
96 90 80 21
7 6 88,3 78 48
96 30 78 50
;ΐ 8 6 15 74 52
96 89 49
9 6 86 48
96 46
10 6 51
96 47
38
32
40
35
45
42 ·
21 NO % Gew.-% 22 24 T 18 665 Umwandig. 22 NH3- Umwandlung 96 Std.
66 von NO Bildung von Kohlen 24
Fortsetzung Betriebsdauer 20 cn (%) Ammoniak (ppm) oxyd 55
Katalysator 10 Umwandlung 345 ~0 _ (%)
von NO 492 72 - 40
570 Stickstoffausbeute 91 (ppm) 1500 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 Betriebsdauer 91 86 200 -
14 96 6 Std. 88 Std. 86 48 Std. 150 72 Std. -
24 99 85 83 50 140 25 -
15 96 250 90 79,5 45 160 20 -
24 86 78 130
16 96 85 84 110 Umwandlung
24 83 80 von CO
Tabelle VIU 96 79 (%)
Katalysator 77 48
20
52
17 19
46
18 Il
50
19 21
20 Umwandlung
von CO
Tabelle IX (%)
2,5
34,5
Betriebsdauer 53,6
Ammoniak 54,2
(Std.) Umwandlung 8,3
24 von 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 84 81
82 Stickstoff
Träger 77 ausbeute
(%)
21 FeCr2O4 B 46
24
13
3
B 75
89
d0
22 NiCr2O4
Tabelle X
Umwandlung ν
pm η NI 11

Claims (2)

  1. Patentansprüche:
    t. 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 8000C 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 Ni1(Fe1CrJO, enthält, in welcher die Zahl χ einen Wert von 0,85 bis 1,30, die Summe (y+z) einen Wert
    von 1,8 bis 23. das Verhältnis -^i einen Wert von
    0,02 :1 bis 0,6 :1 und die Zahl t einen Wert von 2 bis 6 bedeutet.
  2. 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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