DE2342909C3 - Katalysator zur Reduktion von Stickstoffoxiden - Google Patents
Katalysator zur Reduktion von StickstoffoxidenInfo
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Description
entsprechende Zusammensetzung aufweist, in der A mindestens ein Lanthanidenelement der Atomzahl
von 59 bis 71, Yttrium oder mindestens ein Erdalkalimetall, B mindestens eines der Elemente
Lithium, Aluminium, Titan, Vanadin, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Zink, Gallium, Zirkon,
Zinn, Molybdän oder Wolfram bedeutet und in der χ eine Zahl > 0 und
< 2 ist und y eine Zahl > 0 und < I ist, wobei die erhaltene M&talloxidzusammensetzungeine
Kristallstruktur des K2MgF4-Typs hat.
2. Verwendung des Katalysators nach Anspruch 1 zur Reinigung eines Stickstoffoxide enthaltenden
Abgases.
Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Reduktion von Stickstoffoxiden, der durch Erhitzen eines
homogenen Gemisches von Salzen der seltenen Erdmetalle und/oder des Yttriums sowie von mindestens
einem der Elemente Aluminium, Titan, Vanadin, Chrom, Mangan, Zirkon, Zinn, Molybdän, Wolfrarr,.
Eisen, Kobalt und Nickel an der Luft auf hohe Temperaturen, gegebenenfalls auf einen Träger, erhalten
wurde.
Ein solcher Katalysator eignet sich für die Reduktion von Stickstoffoxiden mit Hilfe einer Redoxreaktion
oder bei der Luftelektrodenreaktion in Brennstoffelementen.
Abgase oder Auspuffgase aus Verbrennungskraftmaschinen, aus Dampfkesselheizungen oder Verbrennungsanlagen
enthalten Stickstoffoxide und verbrennbare Gase, wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe
und partiell oxydierte Kohlenwasserstoffe als Produkte der unvollständigen Oxydation.
Da diese Verbindungen, speziell Stickstoffoxide, zur Verunreinigung der Atmosphäre führen, ist man
bestrebt, derartige Abgase von Stickstoffoxiden zu befreien. Es ist bekannt, hierbei Metalloxide, wie Fe2Oj,
Cu2O, Oxide von seltenen Erdmetalle!! und Edelmetalle,
wie Platin und Palladium, als Katalysatoren einzusetzen. Diese Meialloxid-Katalysatorcn sind jedoch insofern
nachteilig, als die Lebensdauer des Katalysators kurz ist, die Reduktionswirksamkeit gegenüber NC) in Gegenwart
von Sauerstoff stark vermindert ist und der Katalysator desaktiviert wird oder die Katalysatoraktivität
verlorengeht, wenn der Katalysator bei einer Temperatur von mehr als 800'C eingesetzt wird. Rs ist
daher unmöglich, den Katalysator zur Reinigung von Abgasen aus Automobilen zu verwenden.
Es wurden auch bereits Katalysatoren zur Reduktion von Stickstoffoxiden vorgeschlagen, die aus Oxidgemisehen
der Metalle Strontium, Barium und/oder Blei mit den Oxiden von Nickel, Kobalt, Eisen, Zink, Kupfer
und/oder Mangan und den Oxiden von Ruthenium, Osmium, Iridium, Titan, Molybdän, Wolfram, Niob,
Mangan, Vanadin, Tantal, Antimon bestehen (DE-OS
lü 21 51 958).
Ein Katalysator der gleichen Zusammensetzung wurde auch zur Oxidation von brennbaren gasförmigen
Bestandteilen von Gasgemischen, insbesondere von Kohlenmonoxid und/oder gasförmigen organischen
π Substanzen in Autoabgasen vorgeschlagen (DE-OS
21 51 958).
Metalloxidkatalysatoren wurden auch bereits für andere chemische Reaktionen eingesetzt.
So ist aus der DE-OS 21 09 Ol 1 ein Katalysator zur Disproportionierung von äthylenisch ungesättigten Verbindungen bekannt, der aus mindestens 75 Gew.-°/b Aluminiumoxid als Träger besteht, auf weichen eines der Metalle Titan, Vanadin, Chrom, Mangan, Zirkon, Niob, Molybdän, Technetium, Ruthenium, Zinn etc. und
So ist aus der DE-OS 21 09 Ol 1 ein Katalysator zur Disproportionierung von äthylenisch ungesättigten Verbindungen bekannt, der aus mindestens 75 Gew.-°/b Aluminiumoxid als Träger besteht, auf weichen eines der Metalle Titan, Vanadin, Chrom, Mangan, Zirkon, Niob, Molybdän, Technetium, Ruthenium, Zinn etc. und
2) mindestens eine Verbindung eines seltenen Erdmetalls
einschließlich Scandium und/oder Yttrium und gegebenenfalls Koaktivatoren und/oder Zusätze, wie die Oxide
von Kobalt, Molybdän, Eisen, Nickel oder Wismut, aufgetragen sind. Dieser bekannte Katalysator zeigt
in keine spezielle Kristallstruktur und scheint amorph zu
sein.
Zur Durchführung von Hydrierungs- und/oder Dehydrierungsreaktionen waren Katalysatoren bekannt,
die Kupfer, Chrom, ein oder mehrere seltene
r> Erdmetalle sowie gegebenenfalls eines oder mehrere
der Elemente Thorium, Uran, Mangan und Eisen enthalten (DE-OS 19 12 079). Dieser bekannte Katalysator
hat keine definierte Kristallstruktur und ist auch im Hinblick auf das Verhältnis von Medien zu Sauerstoff
-to nicht weiter definiert.
Weitere Katalysatoren zur Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, bestehend aus
Aluminiumoxid, in welchem Kupfer, Chrom und seltene Erdmetalle dispergiert sind, werden in der DE-OS
r> 22 33 266 vorgeschlagen. Auch dabei handelt es sich
offensichtlich um Mischkatalysatoren einer nicht definierten Zusammensetzung, die keine kristalline Struktur
besitzen.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe
><> zugrunde, einen Katalysator zur Verfugung zu stellen,
der zur Reduktion von Stickstoffoxiden und zur Reinigung von Abgasen geeignet ist und der aus leicht
zugänglichen Komponenten in wirtschaftlicher Weise erhältlich ist und auch bei hohen Anwendungstempera-
->-, türen gute Reduktionswirksamkeil für Stickstoffoxide
auch in Gegenwart von Sauerstoff hat und dessen katalytischc Aktivität während langer Betriebsdauer
beibehalten wird.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Katalysator
w) zur Reduktion von Stickstoffoxiden, erhallen durch
Erhitzen eines homogenen Gemisches von Sal/cn der
seltenen Erdmetalle und/oder des Yttriums sowie von mindestens einem der Elemente Aluminium, Titan.
Vanadin, Chrom, Mangan. Zirkon, /inn, Molybdän.
•Ti Wolfram, Eisen, Kobalt und Nickel an der Luft auf hohe
Temperaturen, gegebenenfalls auf einem Triiger, der
dadurch gekennzeichnet ist, claLS das homogene Gemisch der Salze während 0.5 bis 2 Stunden auf eine
Temperatur von 700 bis 10000C erhitzt wird und daß der
Katalysator eine der Formel
entsprechende Zusammensetzung aufweist, in der A mindestens ein Lanthanidenelement der Atomzahl von
59 bis 71, Yttrium oder mindestens ein Erdalkalimetall, B mindestens eines der Elemente Lithium, Aluminium,
Titan, Vanadin, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Zink, Gallium, Zirkon, Zinn, Molybdän oder Wolfram
bedeutet und in der χ eine Zahl >0und <2istundj'eine
Zahl >0 und < I ist, wobei die erhaltene Metalloxidzusammensetzung
eine Kristallstruktur des K2MgF4-Typs
hat.
Dieser Katalysator eignet sich zur Reduktion von Stickstoffoxiden, die beispielsweise in Abgasen von
Automobilen oder Heizanlagen vorliegen, darüber hinaus jedoch auch als Katalysator zur Oxidation von
CO und Kohlenwasserstoffen, die in Automobilabgasen vorliegen und als Katalysator zur Herstellung von
Äthylenoxid aus Äthylen oder für die Elektrodenreaktion in einem Brennstoffelement
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform hat der Katalysator die Zusammensetzung
in der B Aluminium und/oder Zirkon und y eine Zahl
von 0,2 bis 0,6 bedeuten.
Wenn dieses Metalloxidsystem tatsächlich als Redox- «>
katalysator verwendet wird, geht es in eine Form über, die durch die folgende Formel
bezeichnet werden kann, in der »Λ« das nicht stöchiometrische Vorliegen des Sauerstoffes anzeigt
und wenn auch dieser Wert in Abhängigkeit von den Herstellungsbedingungen des Katalysators und den
Reaktionsbedingungen abhängt, liegt er doch unvermeidlich innerhalb eines Bereiches von-03 bis+0,5.
Wenn die Art des Elementes A oder B oder der Wert von .v oder y in der vorstehenden Formel in geeigneter
Weise verändert wird, läßt sich der erfindungsgemäße Katalysator nicht nur für die Reduktionsreaktion von
NO. sondern auch für die Gasphasenoxydation anwenden. die durch die folgenden Reaktionsgleichungen
verdeutlicht wird:
CO + 1/2O2-* CO2,
CH4+2 O2-CO2+2 HiO und
CH ,CH2CH1 + O2- CH1CH2CHO + H2O
sowie auf die Elcktrodenreaktion, wie die Eicktrodenreaktion
der Luftelektrode, die durch die folgende Reaktionsgleichung veranschaulicht wird
2OH-.
Wenn der erfindungsgemäße Katalysator zum Entfernen von Stickstoffoxiden und brennbaren Gasen aus
einem Abgas oder zur Synthese in der chemischen Industrie verwendet wird, kann er im allgemeinen bei
Temperaturen im Bereich von 200—lOOO'C eingesetzt
werden. Wird der erfindiitigsgeniäUe Katalysator als
Katalysator für 'lie lüektrodenreaklion eingesetzt, können zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden,
wenn die Temperatur inerhalb eines Bereiches von 0 bis ! 50C gehalten wird.
Die durch die vorstehende allgemeine Formel dargestellte Metalloxid-Verbindung, die den erfindungsgemäßen
Katalysator darstellt, wird durch Erhitzen eines homogenen Gemisches verschiedener Salze,
r> welche die als Bestandteile vorliegenden Elemente
enthalten, beispielsweise von Nitraten, Acetaten, Oxalaten,
Carbonaten oder Chloriden der als Bestandteile vorliegenden Elemente, auf eine Temperatur von 700 bis
1000° C während 0,5 bis 2 Stunden an der Luft, in hergestellt. Es wird bevorzugt, das erhaltene pulverförmige
Metalloxidmaterial zu Pellets zu verformen und diese Pellets zu sintern, wenn sie als Katalysator
verwendet werden.
Wie normalerweise bei der Herstellung von Katalysa-Ii
toren üblich, können keramische Materialien, wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Zirkonoxid; Magnesiumoxid
und Thoriumoxid als Träger für die erfindungsgemäße Metalloxid-Verbindung verwendet werden,
falls dies gewünscht wird, sofern diese keramischen 2t) Materialien nicht mit dem erfindunfi'ijemäßen Metalloxid-Materia!
reagieren.
So kann spezieller das erfindungsgemäße Metalloxid-Material
auf einem keramischen Träger gebildet werden und in wirksamer Weise als Trägerkatalysator
>ί eingesetzt werden. In wirtschaftlicher Hinsicht und im
HinblicK auf die mechanische Festigkeit ist es wünschenswert, daß die erfindungsgemäße Metalloxid-Verbindung
in Form eines Trägerkatalysators angewendet wird.
Das Kupfer enthaltende erfindungsgemäße Metalloxid-Material der vorstehend angegebenen allgemeinen
Formel hat die gleiche Kristallstruktur wie K2MgF4, die
dem tetragonalen System angehört oder geringfügig von der Struktur dieses Systems abweicht. Ihre
Raumgruppe ist I4/mmn.
La oder das Element A nimmt einen Gitterpunkt entsprechend dem von K im K2MgF4-Kristall ein, Cu
oder das Element B nimmt einen Gitterpunkt entsprechend dem des Mg in dem K2MgF4-Kristall ein
und O nimmt einen Gitterpunkt entsprechend dem des F in dem K2MgF4-Kristall ein.
Wie aus der vorstehenden allgemeinen Formel ersichtlich ist, ist der Gitterpunkt von La durch das
Element A und der Gitterpunkt von Cu durch das Element B substituiert. Wie vorstehend angegeben
wurde, liegt der durch das Element A ersetzte Anteil (x) innerhalb eines Bereiches von 0 bis 2 und La kann
vollständig durch das Element A ersetzt sein. Falls La vollständig durch ein Element A ersetzt ist. wird
>n bevorzugt, daß dieses Element Pr, Nb, Pm, Sm. Eu oder
Gd ist.
Wie aus der vorstehend angegebenen allgemeinen Formel außerdem hervorgeht, liegt der durch das
Element B ersetzte Anteil ^innerhalb eines Bereiches ■>") von OSy<
1 und es wird bevorzugt, daß der Wert von y
innerhalb eines Bereiches von 0 bis 0,7, insbesondere von 0,2 bis 0,6 liegt. Bevorzugte Beispiele für das
Element B sind Zr, Ni, Mn, Cr, Fe, Co, Sn, W, Mo. Al. Zn
und Li.
W) Die Figur dient zur weiteren Veranschaulichiing der
Erfindung.
Sie zeigt eint graphische Darstellung, die ilen
Zusammenhang zv ischen dem Wert von y und der Zersetzungsrate von Stickstoffmonoxid (NO) für eine
hi Ausführungsforni d,:.c crfimlungsgcmäßcn Metalloxid-Systems
der Formel La2CiIi t(Nio.;Coo.i)t04 wiedergibt.
Zur Erläuterung von bevorzugten Ausfiihningsfnimen
dienen die nachstehenden Beispiele.
4Ί
2 Mol Lanthanacetat und I Mol Kupferacetat wurden in 5 I warmem Wasser gelöst und die Entwässerung
wurde unter vermindertem Druck und unter Rühren durchgeführt. Das resultierende homogene Gemisch aus
Lanthanacetat und Kupferacetat wurde an der Luft auf 8500C erhitzt, eine Stunde bei dieser Temperatur
gehalten und danach auf Raumtemperatur abgekühlt. 7.U dem erhaltenen pulvcrförmigcn zusammengesetzten
Oxid (La2CuO4) mit einer Kristallstruktur des K2MgIY
Typs wurde eine 10%ige wäßrige Lösung von Polyvinylalkohol in einer Menge von 20 g pro 100 g des
Pulvers gegeben. Das resultierende Gemisch wurde gründlich geknetet und danach bei 100"C getrocknet.
Dann wurde das getrocknete Gemisch pulverisiert und gesiebt, so daß gleichmäßige Teilchen mit einer Größe
entsprechend einem Sieu von ciwa ί>0 Maschen pro
2,54 cm (Maschenweite 0,25 mm) erhallen wurden. Die Teilchen wurden zu säulenförmigen Pellets mit einem
Durchmesser von 3 mm und einer Höhe von 2,5 mm mit Hilfe einer Peilctisiervorrichtung verformt. Die erhaltenen
Pellets wurden bei 900°C 30 Minuten gesintert, wobei Pellets einer Porosität von 56% erhalten wurden.
Die so hergestellten Pellets aus der Melalloxidmasse wurden in eine Katalysatorschicht übergeführt und
gasförmiger Stickstoff, der 2000 ppm Stickstoffmonoxid (NO), 3000 ppm Kohlenmonoxid (CO) und 3000 ppm
Sauerstoff enthielt, wurde in einer Raumgeschwindigkeit von 20000 h"1 durch die Katalysatorschicht
geleitet. Die NO-Konzentration am Austrittsende der Katalysatorschicht wurde gemessen und die prozentuale
Entfernung von NO wurde anhand der folgenden Formel berechnet:
Prozentuale NO-Entfernung (%) = ( I -CVCo) χ 100.
in der Co die NO-Konzentration am Eintrittsendc der
Kaialysatorschicht und C die NO-Konzentration am Austritt der Katalysatorschicht bedeuten.
Die prozentuale Entfernung von NO bei verschiedenen Temperaturen wird in der nachstehenden Tabelle I
gezeigt.
Temperatur der | Prozentuale |
Katalysatorschicht | NO-Hntfcrnung |
( O | (%) |
200 | 75 |
300 | 95 |
400 | 100 |
500 | 100 |
900 | 100 |
Wie in Tabelle 1 gezeigt wird, wurde innerhalb eines breiten Temperaturbereiches von 200 bis 900° C eine
gute prozentuale Entfernung erzielt und bei einer Temperatur von 400 bis 900° C wurde NO vollständig zu
N2 unter Bildung von CO2 reduziert Keine Veränderung
wurde beobachtet, auch wenn der Katalysator kontinuierlich während 800 Stunden bei 350° C verwendet
worden war.
Nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren wurden zusammengesetzte Metalloxidkaialysatoren
LajCitniAIiIiO4 und La2CuOqZrOiO4 des K2MgI-J-Kristalltyps
synthetisiert und gesinterte Pellets dieser Mctalloxid-Materialicn (die in gleicher Weise wie im
Beispiel I hergestellt worden waren) wurden im Hinblick auf ihre katalytischc Aktivität für folgende
Reaktion geprüft:
Zu diesem Zweck wurde gasförmiger Stickstoff, der
2000 ppm NHi. 2000 ppm NO und 5000 ppm O2 enthielt,
in einer Raumgescliwindigkcit von 5000 h ' durch eine
mil den Pellets der Metalloxid Zusammensetzung gefüllte Schicht geleitel und die prozentuale NO-Entfernung
(gemäß der Definition im Beispiel I) wurde bestimmt. Wenn die Katalysalorschicht bei 250 C
gehalten wurde, betrug für beide l-'ällc, La2Cu111)AIn^)1
oder La-ICtInC)Zr(IiO4. die prozentuale NO-Entfernung
» I. I »(.IIUUI
Beispiel I hergestellt wurde, winde NO ausreichend rasch bei 250'C zu NHi reduziert, wenn kein Sauerstoff
vorlag. Wenn jedoch in dem Ausgangsgas Sauerstoff in einer Konzentralion von etwa 5000 ppm vorlag, wurde
gleichzeitig die nachsiehende Reaktion gefördert
Nll, + V4();- NO+ V-H,O
und die prozentuale NO-Entfernung wurde auf 70",Ί>
vermini! Ί Anders ausgedrückt, ist es bei dem
erfindungsgemäßen MetalloxidSysicni. wenn ein Teil
des Kupfers durch ein Element ersetzt wird, das leicht in dreiwertiger oder vicrwcrtiger Form vorliegt, wie Al
und Zr. möglich, vorzugsweise die folgende Reaktion zu beschleunigen:
-7)NHi + NO- VhN24 H2O
Wenn daher der erfindungsgemäße Katalysator zur Reduktion von NO verwendet wird, wird vorzugsweise
die folgende Zusammensetzung des Katalysators eingehalten:
in der ν die vorstehend gegebene Definition hat und B ein dreiwertiges oder vierwertigcs Element, wie Al oder
Zr. bedeutet.
Beispiel 3
Bei einem Katalysator der Zusammensetzung
Bei einem Katalysator der Zusammensetzung
der in der im Beispiel I beschriebenen Weise hergestellt wurde, wurde der Zusammenhang zwischen dem "Vert
von y und der NO-Zersetzungsrate (prozentuale Entfernung) untersucht. Das mit der Katalysalorschichi
in Berührung zu bringende Gas war gasförmiger Stickstoff, der 1000 ppm Stickstoffmonoxid enthielt.
Dieses Gas wurde mit einer Raumgeschwindigkeit von 5000 h"1 durch die Katalysatorschicht geleitet und die
Katalysatorschicht wurde bei 450° C gehallen. NO wurde nach der folgenden chemischen Gleichung
zersetzt:
NO- '/2 N2+ '/2 O2.
Die dabei erzielten Ergebnisse sind in der Figur graphisch aufgetragen. Diese graphische Darstellung
verdeutlicht den Einfluß des Ersatzes eines Teils von Cu durch das Element B auf die Aktivität des Katalysators
zur Zersetzung von NO. Wie aus der Figur ersichtlich
ist, kann ein bevorzugtes Ergebnis in entsprechender Weise erhalten werden, wenn Cu durch ein geeignetes
Element B ersetzt ist, auch wenn der ersetzte Anteil gering ist. Maximale Wirksamkeit wird erzielt, wenn der
ersetzte Anteil ()) etwa 0.4 beträgt. Wenn der Wert y
diesen Punkt überschreitet, wird die Wirkung allmählich vermindert. Wenn jedoch der Wert y nicht mehr als 0,7
> beträgt, wird eine gewisse Wirkung durch Ersetzen von Cu di'i;h das Element B erzielt. Wenn der Wert /0,7
überschreitet, so wird durch den Ersatz keine Wirkung erzielt und die Aktivität des Katalysators wird dagegen
vermindert. Auch wenn jedoch der Wert y 0,7 überschreitet, jedoch noch geringer als 1 ist, d. h. wenn
noch Cu in dem Metalloxid-System vorliegt, kann mit dem Katalysator im Versuch die angestrebte Aufgabe
gelöst werden, wenn auch die Aktivität niedrig ist. Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen wird π
erfindungsgemäß y als eine Zahl innerhalb eines Bereiches von 0äy<\ festgelegt. Wie aus der
graphischen Darstellung in der Figur ersichtlich ist. wird bevorzugt, den Wert y im Bereich von 0,2 bis 0,6 zu
wählen und der am meisten bevorzugte Wert für y i»
beträgt etwa 0,4.
Gesinterte Pellets von Gd2Cu04. die nach der im
Beispiel I beschriebenen Methode hergestellt wurden. i\
wurden in eine Katalysatorschicht gefüllt und ein Abgas aus einer Kesselheizvorrichtung, das 1000 ppm NO.
1000 ppm NHj, 10 000 ppm O2,1000 ppm SO2.15% CO2
und 10% H2O sowie Rest Stickstoff enthielt, wurde in
einer Raumgjschwindigkeit von 5000h-' bei einer m
Temperatur der Katalysatorschicht von 2000C durch die Katalysatorschicht geleilet. Die prozentuale NO-Entfernung
wurde zu 98% festgestellt. Dieser Wert blieb unverändert, nachdem der Katalysator kontinuierlich
während 1000 Std. unter den vorstehenden Bedingun- r>
gen verwendet worden war. Daraus wird leicht verständlich, daß der Katalysator durch SO2 oder CO2
r.icht vergiftet worden war.
Beispiel 5 4(|
1 Mol Lantlianacetat. 0.2 Mol Neodymacetat, 0,2 Mol
Gadoliniumacetat, 0,2 Mol Yttriumacetat, 0,9 Mol Kupferacetat und 0,1 Mol Zinkacetat wurden in 51
warmem Wasser gelöst. Die erhaltene Lösung wurde -n abgekühlt und Oxalsäure wurde zugesetzt, um die als
Bestandteile vorliegenden Elemente in Form der Oxalate auszufällen. Das resultierende Oxalatgemisch
wurde eine Stunde bei 10000C gesintert, wobei ein zusammengesetztes Metalloxid des K2MgF4-Kristall- ν ι
typs einer Zusammensetzung der Formel
erhalten wurde. Dieses Material wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 zu einem pelletisierten
Katalysator verformt. Die Aktivität des Katalysators für die nachstehende Reaktion
NO+ CO- '/2N2H-CO2
wurde nach der im Beispiel 1 beschriebenen Methode t>o
geprüft Dabei wurde gefunden, daß die niedrigste Temperatur, bei der die prozentuale NO-Entfernung
100% betrug, 280° C war.
Beispiele fc5
In diesem Beispiel wurden brennbare Gase, die in einem Ab,<*-.s vorlagen, oxydiert und entfernt Als
Beispiele für brennbare Gase wurden ein Kohlenwasserstoff (CH4) und Kohlenmonoxid (CO) verwendet.
Ein zusammengesetztes Metalloxid der Formel La2Cuo.<)Lii),i04 des K2MgF4-Kristalltyps wurde in gleicher
Weise wie im Beispiel 1 hergestellt und dieses zusammengesetzte Metalloxid wurde in gleicher Weise
wie im Beispiel I zu einem pelletisierten Katalysator verformt. Ein Gasgemisch, das 3000 ppm CH4,1000 ppm
CO und 15 000 ppm O2 und zum restlichen Anteil Stickstoff enthielt, wurde durch eine mit dem so
gebildeten Katalysator gefüllte Schicht, die bei 200 bis 225°C gehalten wurde, mit einer Raumgeschwindigkeit
von 25 000 h -' geleitet. Die Ergebnisse der Analyse des abströmenden Gases zeigten, daß die CH4-Konzentration
2 ppm und die CO-Konzentration 21 ppm betrug. Es wird angenommen, daß mehr als 99% jedes der
Bestandteile CH4 und CO entsprechend den folgenden Reaktionen entfernt wurden:
Ci 14 + 2 O2-* 2 H2O +CG2
CO+ V2 O2- CO2
CO+ V2 O2- CO2
Dieses Beispiel veranschaulicht eine Ausführungsform, in der der erfindungsgemäße Katalysator für eine
chemische Synthese durch Gasphasenreaktion verwendet wurde.
I Mol Neodymacetat, 0,7 Mol Lanthanacetat. 0,3 Mol Strontiumacetat, 0,5 Mol Kupferacetat, 0,4 Mol Nickelacetat
und 0,1 Mol Lithiumacetat wurden in 5 I Wasser gelöst. Der resultierenden Lösung wurde Oxalsäure
zugesetzt, um jedes der als Bestandteile vorliegenden Elemente in Form eines Oxalats auszufällen. Der
Oxalatniederschlag wurde durch Zentrifugalabscheidung von dem Wasser abgetrennt und der gewonnene
Niederschlag wurde mit Hilfe von flüssigem Stickstoff gefroren. Der gefrorene Niederschlag wurde im
Vakuum getrocknet und eine Stunde bei 7000C gesintert, wobei ein zusammengesetztes Metalloxid der
Formel
NdLao.7SrojCuo.5Nio.4Lio.1O4
t W I I . 11 I. .._ -J. r»--
tllll CIIlCIII IV2IVIgI 4-IN.I 19IUIIgIlIl.! dliaillll OTUlUt.. L^u.3
pulverförmige zusammengesetzte Metalloxid, das mit Hilfe der vorstehenden Gefriertrocknungsmethode
erhalten wurde, hatte eine spezifische Oberfläche von 27 m2/g, ein Wert, der wesentlich höher als der eines
Produkts ist, das mit Hilfe einer üblichen Synthesemethode hergestellt wurde. Wenn Äthylenoxid unter
Verwendung des so erhaltenen Katalysators durch Luftoxydation aus Äthylen hergestellt wurde, zeigte
sich, daß der erfindungsgemäße Katalysator im Hinblick auf die Katalysatoraktivität und die katalytischen
Eigenschaften, die Herstellungskosten und Betriebskosten besser war als ein üblicher Silberoxid-Katalysator,
der bisher für diese Reaktion verwendet wurde.
Ein pulverförmiges zusammengesetztes Metalloxid der Formel LaNdCuo.4Lio.2O4 mit einer Kristallstruktur
des K2MgF4-Typs wurde nach der gleichen Methode wie im Beispiel 7 hergestellt. Pulverförmiges Carbonylnickel
wurde in einer Menge von 5 g pro 5 g des zusammengesetzten Metalloxids diesem pulverförmigen
zusammengesetzten Metalloxid zugegeben und das Gemisch wurde gut vermischt Dann wurden 60 ml einer
wäßrigen Dispersion von Polytetrafluorethylen mit einem Feststoffgehalt von 20% dem Gemisch zugesetzt
und das resultierende Gemisch wurde gut gerührt Das
pulverförmige zusammengesetzte Metalloxid und die pulverförmige Nickelkomponente wurden durch Teilchen
von Polytetrafluorethylen koaguliert. Die resultierende koagulierte Aufschlämmung wurde auf ein
Nickelnetz in einer Menge von 75 bis 80 mg pro cm2 des Netzes aufgetragen und das überzogene Netz wurde
einem Druck von 500 kg/cm2 ausgesetzt und wurde bei
25O0C wärmebehandelt. Die so hergestellte Elektrode wurde als Luftelektrode zur Durchführung der Luftelektrodenreaktion
in einem aus !5% KOH bestehenden Elektrolyten verwendet. Die Spannung bei 25°C bei
offenem Stromkreis betrug 0.25 V gegenüber einer Quecksilberoxid-Bezugselektrode und wenn elektrischer
Strom in einer Stromdichte von 100 mA/cm2
entnommen wurde, betrug das Potential dieser Elektrode gegenüber einer Quecksilberoxid-Bezugselektrode
-0,05 V. Im Vergleich mit üblichen Luftelektroden zeigte diese Elektrode eine höhere Spannung (bessere
Betriebseigenschalten) sowohl bei geöffnetem als auch
bei geschlossenem Stromkreis. Daraus ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Katalysator wirksam für die
Luftelektrodenreaktion entsprechend der folgenden Reaktionsgleichung ist:
2ΟΗ NO-Entfernung vurde bestimmt, wobei die in Tabelle 2
gezeigten Ergebnisse erzielt wurden. Die Daten für einen Platinkatalysator auf Aluminiumoxid als Träger
wurden zu Vergleichszwecken ebenfalls in Tabelle 2 angegeben.
2 Mol Gadoliniumacetat und I Mol Kupferacetat wurden in 4 I warmem Wasser gelöst und Aluminiumoxid-Kugeln
mit einem Durchmesser von 1 mm wurden als Katalysatorträger während etwa 10 Stunden in die
erhaltene Lösung getaucht. Der mit dem Acetat imprägnierte Aluminiumoxid-Träger wurde 2 Stunden
bei 900°C unter Bildung einer Schicht von Gd2CuO4 auf
dem Aluminiumoxid-Träger gesintert. In gleicher Weise wie bei diesem Verfahren konnte eine Schicht mit hoher
mechanischer Festigkeit auf keramischen Trägern, wie Aluminiumoxid-Siliziumdioxid, Zirkonoxid und Magnesiumoxid,
gebildet werden. Ein Gasgemisch, das 1000 ppm NO, 1% CO und 0,5% O2 sowie einen
restlichen Anteil an Stickstoff enthielt wurde durch eine ΓΤ!!ί dieserr! T¥*2*1ferk'.il.2rl*:'lrtr o^füWtn \C atnlv<;:itnr.
schicht, die bei 250°C gehalten wurde, in einer
Raumgeschwindigkeit von 20 000 h ' geleitet. Das abströmende Gas wurde analysiert und die prozentuale
Tabelle 2 | Katalysator | Prozentuale |
... Keramischer | NO-Entfernung ("«) |
|
Tniger | CkI-CuO1 | KK) |
Aluminiumoxid | (Jd2CuO4 | KK) |
Zirkonoxid | Gd2CuO4 | l>5 |
Aluminiumoxid- | ||
Siliziumoxid | CkI-CuO4 | l)8 |
Magnesiumoxid | Pt | 78 (Vergleich) |
Aluminiumoxid | ||
Beispiel IO
Der im Beispiel 9 hergestellte Gd)CuO4 auf Aluminiumoxid
als Träger enthaltende Katalysator wurde in ein rostfreies Stahlrohr mit einem Durchmesser von 50 mm
und einer Länge von 150 mm gefüllt und das gefüllte Rohr wurde mit der Auspufföffnung eines Viertakt-Benzinmotors
mit einer Auspuffkapazität von etwa 1000 cm3 verbunden. Die NO-Konzentration am Austritt
des katalysatorgefüllten Rohrs wurde bestimmt, wenn der Motor mit einer Drehzahl von JOOO Upm
betrieben wurde. Dabei wurde gefunden, daß die NO-Konzentration 5 ppm betrug, ein Wert, der etwa
1 /i2o des ohne Verwendung des Katalysators erzielten
Werts betrug. Die Aktivität war auch nach dem Betrieb während 20 000 km nicht verändert.
Beispiele Il bis 19
Die in der nachstehenden Tabelle 3 a· fgeführten K:)t;ily<:.ntnrpn wurden hrrpoiiMlt und ihre katalvtiirhpn
Eigenschaften wurden unter den in Tabelle 3 angegebenen Bedingungen geprüft. Die dabei erzielten Ergebnisse
sind ebenfalls in Tabelle 3 aufgeführt
Bei- Katalysatorspiel zusammensetzung
Reaktionsgleichung Betriebstemperatur
Betriebsbedingungen und
Wirksamkeit des Katalysators
Wirksamkeit des Katalysators
Herstellung und Eigenschaften des Katalysators
6NO + 4NH.,
5 N2 + 6 H2O
5 N2 + 6 H2O
NO + CO-
V2 N2 + CO;
200- 400 N2-GaS enthaltend 1000 ppm NO, aurgetragen aui
800 ppm NH, und 1 % O?; ^Aluminium-
Raumgeschwindigkeit: 104 h"1; oxid (aufge-%
NO-Entfernung: 88 % (bei 350 C) tragene
Menge: 5 %); hergestellt in gleicher Weise wie in Bei-
1— 700 N2-GaS. enthaltend 1000 ppm NO,
2000 ppm CO und 1,5 % O2; Raumgeschwindigkeil: 104 h~';
% NO-Entfernung: 88 % (bei 300 C)
spiel I desgl.
Fortsetzung | Katalysator- | 23 | f IhO + 2 e | 42 909 | 12 | Herstellung | ) | wie in | ) | desgl. | ) | |
Bei | zusammcnsclzung | I | und Eigen | Beispiel 8 | ||||||||
spiel | Betriebsbedingungen und | schaften des | ||||||||||
11 | Reaktionsgleichung | Betriebs | Wirksamkeit des Katalysators | Katalysators | ||||||||
La,Cii„„Mnooia, | 1 - O | temperatur | desgl. | gesinterter | ||||||||
13 | Katalysator. | |||||||||||
( C) | gleiche Reaktionsbedingungen | hergestellt wie | ||||||||||
Lai ^Sr11SCu011S | desgl. | 250- 700 | wie in Beispiel 12; | ι in Beispiel I: | ||||||||
14 | Ni110Cr11Os(I4 | % NO-Entrernung: 85 % (bei 300 C | V aus Am- | |||||||||
Luflelektrode, 25% wäßriges KOlI | moniumvanadat | |||||||||||
'"> Ol | '.'N2 ^ | O 150 | (Elektrolyt): | gesinterter | ||||||||
2 OtI | mehr als -0,05 V gegen Hg/llgO | Katalysator. | ||||||||||
15 | Νί,,.,ν,,',Ο, | bei 50 mA/cnr | ) hergestellt wie | |||||||||
N2-GaS, enthaltend 1 % CO und | in Beispiel 1; | |||||||||||
CO t | 200- 8(K) | 15% O2; | Ee aus Eisen- | |||||||||
CO2 | Raunigcschwindigkeit: K)4 ti '. | citrat | ||||||||||
% CO-Entfernung: 90 % (hei 250 C | gesinterter | |||||||||||
LUiCu11VNi04I-C11IO4 | Katalysator. | |||||||||||
16 | ) hergestellt wie | |||||||||||
N2-GaS, enthaltend KXX) ppm NO: | in Beispiel I | |||||||||||
NO · | f 4NlI., ■ | 3(HI-HKK) | Raumgeschwindigkeit: 50(M) h '. | desgl. | ||||||||
1 , O. | f 6 1I2O | % NO-Entfernung: 70% (bei 460 C | ||||||||||
La2Cu0 ιCo,isNi04O4 | ||||||||||||
17 | ||||||||||||
gleiche Reaklionsbcdingungen | ||||||||||||
desgl. | 250-KXX) | wie in Beispiel 16; | ||||||||||
La2Cu1111SSn00SO4 | Hierzu 1 | % NO-Entfernung: 65 % (bei 400 ( | ||||||||||
18 | ||||||||||||
N2-Gas, enthaltend 1000 ppm NO. | ||||||||||||
6NO | 2(Xl- 450 | 750 ppm NH,. 3% O2 u. 10% H2O | ||||||||||
La2Cu112IsW1101Mo1I112O4 | 5 N2 | Raumgeschwindigkeit: K)4 h '. | ||||||||||
I') | % NO-Entfernung: 97 % (bei 350 ( | |||||||||||
gleiche Reaktionsbedingungen | ||||||||||||
desgl. | 200- 450 | wie in Beispiel 18: | ||||||||||
% NO-Entfernung: 98 % (bei 350 ( | ||||||||||||
Blatt Zeichnungen | ||||||||||||
Claims (1)
1. Katalysator zur Reduktion von Stickstoffoxiden, erhalten durch Erhitzen eines homogenen
Gemisches von Salzen der seltenen Erdmetalle und/oder des Yttriums sowie von mindestens einem
der Elemente Aluminium, Titan, Vanadin, Chrom, Mangan, Zirkon, Zinn, Molybdän, Wolfram, Eisen,
Kobalt und Nickel an der Luft auf hohe Temperaturen, gegebenenfalls auf einem Träger, dadurch
gekennzeichnet, daß das homogene Gemisch
der Salze während 0,5 bis 2 Stunden auf eine Temperatur von 700 bis 1000° C erhitzt wird und daß
der Katalysator eine der Formel
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