DE3853003T2 - Heat-resistant catalyst support fittings and combustion catalysts. - Google Patents
Heat-resistant catalyst support fittings and combustion catalysts.Info
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- Catalysts (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Träger aus Siliziumdioxid und Aluminiumoxid für Katalysatoren.The present invention relates to supports made of silicon dioxide and aluminum oxide for catalysts.
Als Träger- oder Unterlagenmaterialien für Katalysatoren, die unter Bedingungen hoher Temperatur und Feuchtigkeit eingesetzt werden, wie z. B. für Katalysatoren für Verbrennungen bei hoher Temperatur wie für Gasturbinen, Erhitzer auf Basis Kerosin und Gas, Heißwassererzeugung auf Basis von Öl und Gas, Brenner auf Basis Schweröl und Reformer für Brennstoffzellen, für Katalysatoren für Dampf-Reformer sowie wie für Katalysatoren zur Reinigung von Geruchsstoffen und Abgasen, sind bisher Cordierit (2MgO-2Al&sub2;O&sub3;5SiO&sub2;), Mullit (3Al&sub2;O&sub3;-2SiO&sub2;) und dergl. als keramische Substrate oder Träger verwendet worden. Vor Gebrauch müssen diese jedoch auf ihren Oberflächen mit einem porösen Material überzogen werden, da sie selbst nicht porös sind. Als poröse Trägerunterlage wird im allgemeinen Aluminiumoxid herangezogen, um eine katalytisch aktive Metallkomponente aufzunehmen; bei Einsatz unter hohen Temperaturbedingungen wird Aluminiumoxid allerdings in alpha-Aluminiumoxid umgewandelt, das eine spezifische Oberflächenfläche aufweist, die so verringert ist, daß die aktive Metallkomponente kaum dispergiert und rasch deaktiviert wird.As carrier or support materials for catalysts used under high temperature and humidity conditions, such as catalysts for high temperature combustion such as for gas turbines, kerosene and gas-based heaters, oil and gas-based hot water generators, heavy oil-based burners and reformers for fuel cells, catalysts for steam reformers, and catalysts for purifying odorous substances and exhaust gases, cordierite (2MgO-2Al₂O₃5SiO₂), mullite (3Al₂O₃-2SiO₂) and the like have been used as ceramic substrates or supports. However, before use, these must be coated on their surfaces with a porous material since they themselves are not porous. Alumina is generally used as a porous support to support a catalytically active metal component; however, when used under high temperature conditions, alumina is converted to alpha-alumina, which has a specific surface area so reduced that the active metal component is hardly dispersed and is rapidly deactivated.
Ebenfalls ist berichtet worden, daß Lanthan-beta- Aluminiumoxid (LaO&sub3;-11Al&sub2;O&sub3;) und Barium-Aluminiumoxid (BaO-6Al&sub2;O&sub3;) hohe Hitzebeständigkeit aufweisen (siehe JP-A- 62-153158); diese Materialien verursachen jedoch insofern Probleme, als deren spezifische Oberflächenflächen nach Befeuerung oder Kalzinierung bei hoher Temperatur sich als ungenügend erweisen und deren kommerzielle oder industrielle Anwendung wegen einer gesteigerten Menge an als Katalysatorkomponente erforderlichem Edelmetall teuer ist.It has also been reported that lanthanum beta-alumina (LaO₃-11Al₂O₃) and barium-alumina (BaO-6Al₂O₃) have high heat resistance (see JP-A-62-153158); however, these materials cause problems in that their specific surface areas after firing or calcination at high temperature are insufficient and their commercial or industrial application is expensive because of an increased amount of precious metal required as a catalyst component.
Ferner ist berichtet worden, daß eine wäßrige Lösung einer Mischung aus einem Aluminiumoxid-Hydrat mit kolloidalem Silika durch Zugabe einer basischen Verbindung verdickt und geliert werden kann, wobei das sich ergebene Gel getrocknet und zu einer hitzebeständigen Katalysatorträger- Zusammensetzung auf Basis Silikon-Aluminiumoxid gealtert werden kann (JP-A-61-287446). Des weiteren ist über einen monolithischen Katalysatorträger berichtet worden, umfassend eine strukturelle Phase aus einem entsprechend integrierten gesinterten Keramikmaterial sowie eine Trägerphase mit hoher Oberflächenfläche aus einem porösen anorganischen Oxid, bestehend aus 50 bis 93 Gew.% Aluminiumoxid und 7 bis 50 Gew.% Siliziumdioxid. Ein diesen Zusammensetzungen gemeinsames Problem besteht jedoch dahingehend, daß deren spezifische Oberflächenflächen bei Einsatz bei hohen Temperaturen über eine verlängerte Zeitdauer scharf verringert werden. Ein weiteres Problem bei der genannten monolithischen Katalysatorträgerunterlage ist es, daß es insbesondere zur Aufbringung einer Überzugsschicht für z. B. eine Waben-Struktur schwierig ist, eine einheitliche und dicke Überzugsschicht innerhalb der geschlossenen Zellen einer Wabe zu bilden.It has also been reported that an aqueous solution of a mixture of an alumina hydrate with colloidal silica can be thickened and gelled by adding a basic compound, and the resulting gel can be dried and aged to form a heat-resistant silicon-alumina catalyst support composition (JP-A-61-287446). A monolithic catalyst support has also been reported comprising a structural phase of a suitably integrated sintered ceramic material and a high surface area support phase of a porous inorganic oxide consisting of 50 to 93 wt.% alumina and 7 to 50 wt.% silicon dioxide. However, a problem common to these compositions is that their specific surface areas are sharply reduced when used at high temperatures for a prolonged period of time. A further problem with the above-mentioned monolithic catalyst support is that it is difficult, particularly for applying a coating layer for a honeycomb structure, to form a uniform and thick coating layer within the closed cells of a honeycomb.
EP-A-0235411 offenbart Katalysatoren zur Konversion von Kohlenwasserstoffen, die Nickel und Wolfram enthalten und auf einer porösen Trägerunterlage aus gamma-Aluminiumoxid aufgebracht sind, wobei mindestens 60 % des Porenvolumens in Poren eines Durchmessers von 1800 bis 2400 nm und vorzugsweise im wesentlichen alle in Poren eines Durchmessers von mehr als 1000 nm vorliegen. Beispiel 1 beschreibt einen Katalysator, der aus Aluminiumoxid hergestellt ist und Poren einer Größe von 1200 nm und darüber aufweist. Silika- Aluminiumoxid-Katalysatoren können bis zu 10 % Silika enthalten.EP-A-0235411 discloses catalysts for the conversion of hydrocarbons which contain nickel and tungsten and are supported on a porous support of gamma-alumina, wherein at least 60% of the pore volume is in Pores of diameter from 1800 to 2400 nm and preferably substantially all of them are in pores of diameter greater than 1000 nm. Example 1 describes a catalyst made from alumina and having pores of size 1200 nm and above. Silica-alumina catalysts can contain up to 10% silica.
EP-A-0105435 beschreibt einen Katalysatorträger für Wasserstoff-Bereitstellungsverfahren, welcher durch ein Cogel aus Aluminiumoxid und 5 bis 10 Gew.% Silika dargestellt ist, welches eine Oberflächenfläche in Poren unterhalb 6000 nm Durchmesser von 350 bis 450 m²/g sowie ein Porenvolumen in den Poren unterhalb 6000 nm Durchmesser von 1,0 bis 1,35 cc/g aufweist. Es wird durch gemeinsame Ausfällungen von Natriumsilikat und Aluminiumsulfat und sodann von Natriumaluminat hergestellt. Der Mengenanteil des Gesamtporenvolumens aus Poren mit einem Durchmesser von mindestens 1000 nm ist nicht offenbart.EP-A-0105435 describes a catalyst support for hydrogen supply processes, which is represented by a cogel of alumina and 5 to 10 wt.% silica, which has a surface area in pores below 6000 nm diameter of 350 to 450 m²/g and a pore volume in the pores below 6000 nm diameter of 1.0 to 1.35 cc/g. It is prepared by coprecipitations of sodium silicate and aluminum sulfate and then of sodium aluminate. The proportion of the total pore volume of pores with a diameter of at least 1000 nm is not disclosed.
US-A-424236 beschreibt Katalysatorträger für Katalysatoren zur Entschwefelung von Öl, die aus Aluminiumoxid und Siliziumdioxid eines mittleren Porenradius von 650 bis 1300 nm zusammengesetzt sind, wobei ein Gesamtporenvolumen von 0,75 bis 1,3 ml/g vorliegt und weniger als 10 % des Porenvolumens aus Poren eines Durchmessers von 10000 nm und darüber zusammengesetzt sind.US-A-424236 describes catalyst supports for catalysts for the desulfurization of oil, which are composed of aluminum oxide and silicon dioxide with an average pore radius of 650 to 1300 nm, with a total pore volume of 0.75 to 1.3 ml/g and less than 10% of the pore volume being composed of pores with a diameter of 10,000 nm and above.
Keines dieser Dokumente offenbart eine Alterungsmaßnahme für die Trägerunterlage oder deren NMR-Spektrum.None of these documents discloses an aging measure for the carrier substrate or its NMR spectrum.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein hitzebeständiger Katalysatorträger bereitgestellt, der eine Zusammensetzung aus Siliziumdioxid und Aluminiumoxid aufweist und durch Verfahrensstufen gebildet ist, in denen man ein Aluminiumoxid-Hydrogel bei einem pH außerhalb des Bereichs von 6,0 bis 8,0 bildet, das Hydrogel mit Siliziumdioxid überzieht und das überzogene Hydrogel bei einem endgültigen pH von 6,0 bis 7,7 bei einer Temperatur von 40 bis 90ºC 1 bis 5 h lang altert und dann bei einer höheren Temperatur erhitzt, um die gebildeten Kristalle aus Silizumdioxid- Aluminiumoxid zu Kristallen einer einheitlichen Größe wachsen zu lassen, wobei der Träger aufweist:According to the present invention, there is provided a heat-resistant catalyst support having a composition of silica and alumina and formed by process steps in which a Forming alumina hydrogel at a pH outside the range of 6.0 to 8.0, coating the hydrogel with silica, and aging the coated hydrogel at a final pH of 6.0 to 7.7 at a temperature of 40 to 90ºC for 1 to 5 hours and then heating at a higher temperature to allow the formed silica-alumina crystals to grow into crystals of a uniform size, the support comprising:
einen Siliziumdioxidgehalt im Bereich von 2 bis 30 Gew.%,a silicon dioxide content in the range of 2 to 30 wt.%,
ein Gesamtporenvolumen von mindestens 0,3 ml/g, wovon mindestens 60 % des Porenvolumens in Poren eines Durchmessers von 1000 nm (100 A) oder darüber vorliegen (wie ermittelt durch Messung der Porenverteilung durch das Stickstoff- Absorptionsverfahren) sowiea total pore volume of at least 0.3 ml/g, of which at least 60% of the pore volume is in pores with a diameter of 1000 nm (100 A) or more (as determined by measuring the pore distribution by the nitrogen absorption method) and
ein NMR-Spektrum, das eine Peak-Fläche (gemessen durch ²&sup9;Si- NMR, mit Silikon-Gummi nach einer bei 500ºC an Luft durchgeführten Befeuerung als Referenz-Peak (-21,9 ppm)) bei -50 bis -130 ppm aufweist, wobei 0 bis 10 % der Peak-Fläche eine Peak-Fläche bei -100 bis -130 ppm umfassen.an NMR spectrum exhibiting a peak area (measured by ²⁹Si NMR, with silicone rubber after firing at 500ºC in air as a reference peak (-21.9 ppm)) at -50 to -130 ppm, with 0 to 10% of the peak area comprising a peak area at -100 to -130 ppm.
Vorzugsweise beträgt das Volumen an Poren, die einen Durchmesser von 1000 bis 4000 nm (100 bis 400 Å) aufweisen, mindestens 0,20 ml/g.Preferably, the volume of pores having a diameter of 1000 to 4000 nm (100 to 400 Å) is at least 0.20 ml/g.
Der Katalysatorträger umfaßt somit ein anorganisches Oxid einer hohen Oberflächenfläche mit der Befähigung zur Beibehaltung seines Porenvolumens und der spezifischen Oberflächenfläche, sogar bei Befeuerung unter hohen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen bzw. unter entsprechenden Reaktionsbedingungen. Ein Katalysator, der diesen Träger aufweist, zeigt Reaktivität für die Verbrennung brennbarer Bestandteile über einen ausgedehnten Zeitraum und erweist sich als beständig gegenüber Vergiftung durch Verunreinigungen. Katalytische Reaktionen, Aktivität, Lebensdauer, Selektivität oder Wirtschaftlichkeit werden bei eingesetzten Katalysatoren in starkem Maß von der Qualität der verwendeten Katalysatorträger beeinflußt. Katalysatorträger sollen ein geeignetes Porenvolumen aufweisen; es wird angenommen, daß eine Erhöhung des Porendurchmessers eine Geschwindigkeitssteigerung der nach innen und außen gerichteten Diffusion von Reaktanden und Reaktionsprodukten, d. h. von Katalysator-Partikeln, verursacht, wodurch die katalytische Wirksamkeit verbessert wird. Da die Reaktionen an der Katalysatoroberfläche ablaufen, sollte die Oberflächenfläche nicht auf das äußerste vermindert werden; erforderlich ist es, daß die gegenseitige Korrelation zwischen den beiden physikalischen Eigenschaften in einem spezifischen Bereich liegt.The catalyst support thus comprises an inorganic oxide of high surface area capable of maintaining its pore volume and specific surface area even when fired under high temperature and humidity conditions or under corresponding reaction conditions. A catalyst comprising this support exhibits reactivity for the combustion of combustible components over an extended period of time and proves to be resistant to poisoning by impurities. Catalytic reactions, activity, lifetime, selectivity or economic efficiency of catalysts used are strongly influenced by the quality of the catalyst supports used. Catalyst supports should have a suitable pore volume; it is assumed that an increase in the pore diameter causes an increase in the rate of inward and outward diffusion of reactants and reaction products, ie catalyst particles, thereby improving the catalytic efficiency. Since the reactions take place on the catalyst surface, the surface area should not be reduced to the utmost; it is necessary that the mutual correlation between the two physical properties lies within a specific range.
Die Erfinder haben nun herausgefunden, daß Silika- Aluminiumoxid-Zusammensetzungen, die kleine Poren aufweisen, leichter gesintert werden und dazu neigen, ihre Poren bei Befeuerung leichter zu verlieren, verglichen mit Silika- Aluminiumoxid-Zusammensetzungen, die große Poren aufweisen. Genauer gesagt, wenn ein Träger aus Silika-Aluminiumoxid- Zusammensetzungen mit großen Poren bei niedriger Temperatur zur Aufnahme einer katalytisch wirksamen Metallkomponente einer Befeuerung unterzogen und dann bei hoher Temperatur angewandt wird, sintert ein Teil der wirksamen Metallkomponente in den Träger hinein, was zu einem Absinken beim Mengenanteil der wirksamen Metallkomponente führt. Sogar wenn der Träger andererseits bei hoher Temperatur zur entsprechenden Aufnahme einer katalytisch wirksamen Metallkomponente einer Befeuerung unterzogen und bei hoher Temperatur angewandt wird, neigt die aktive Metallkomponente zum Koaleszieren, weil die spezifische Oberflächenfläche des Trägers bereits vermindert ist, was wiederum zum Absinken beim Mengenanteil des Aktivmetalls führt. Wird der Träger für eine diffusionsgesteuerte Oxidationsreaktion herangezogen, ist es andererseits erforderlich, die Wirkung auf die freie Diffusion von Molekülen zu verbessern, die an den entsprechenden Reaktionen beteiligt sind. Für diesen Zweck ist es wiederum erwünscht, einen Träger zu verwenden, der relativ große Poren aufweist, und zwar in jeweils großem Volumenanteil.The inventors have now found that silica-alumina compositions having small pores are more easily sintered and tend to lose their pores when fired compared to silica-alumina compositions having large pores. More specifically, when a support of silica-alumina compositions having large pores is subjected to firing at a low temperature to accommodate a catalytically active metal component and then used at a high temperature, a portion of the active metal component sinters into the support, resulting in a decrease in the amount of the active metal component. On the other hand, even when the support is subjected to firing at a high temperature to accommodate a catalytically active metal component and used at a high temperature, the active metal component tends to coalesce because the specific surface area of the support is already reduced, which in turn leads to a decrease in the amount of the active metal component. in the amount of active metal. On the other hand, if the support is used for a diffusion-controlled oxidation reaction, it is necessary to improve the effect on the free diffusion of molecules involved in the corresponding reactions. For this purpose, it is again desirable to use a support which has relatively large pores, in a large volume fraction in each case.
Ebenfalls ist es wünschenswert, daß in der Zusammensetzung aus Siliziumdioxid-Aluminiumoxid die Koaleszenz von Siliziumdioxid unterdrückt wird, und zwar sogar auch dann, wenn das Oxid über einen verlängerten Zeitraum unter Bedingungen hoher Temperatur- und Feuchtigkeitseinflüsse gehalten wird; auch soll die Phase aus Silika bzw. Siliziumdioxid, die an Aluminiumoxid gebunden ist, homogenisiert vorliegen, wodurch es für die genannte Zusammensetzung ermöglicht wird, eine große spezifische Oberflächenfläche aufzuweisen, so daß der Katalysator eine lange Lebensdauer besitzt.It is also desirable that in the silica-alumina composition, the coalescence of silica is suppressed, even when the oxide is kept under conditions of high temperature and humidity for a prolonged period of time; also, the silica or silicon dioxide phase bonded to alumina should be homogenized, thereby enabling the said composition to have a large specific surface area so that the catalyst has a long service life.
Bevorzugt weisen auch die entsprechenden NMR-Spektren eine Peak-Fläche bei -50 bis -80 ppm auf, die 0 bis 25 % ausmacht, bezogen auf die Peak-Fläche bei -50 bis -130 ppm, gemessen durch das genannte kernmagnetische Resonanzverfahren.Preferably, the corresponding NMR spectra also have a peak area at -50 to -80 ppm which amounts to 0 to 25%, based on the peak area at -50 to -130 ppm, measured by the said nuclear magnetic resonance method.
Ist das Silika nicht gut auf dem Aluminiumoxid dispergiert, wie in später zu beschreibenden Vergleichsbeispiel 4 und Fig. 6, weist die Zusammensetzung eine nur geringe Hitzebeständigkeit auf. Obwohl der genaue Grund dafür nicht klar ist, wird aus der Betrachtung eines Produkts, erhalten durch bloßes Verschmelzen, ohne Reaktion, von Silika mit Aluminiumoxid, davon ausgegangen, daß, wenn Silika auf Aluminiumoxid überhaupt nicht dispergiert ist, Aluminiumoxidkristalle in eine α-Phase umgewandelt werden, wodurch sich eine Verringerung der spezifischen Oberflächenfläche und dadurch auch der Hitzebeständigkeit ergibt. Übersteigt die NMR-Peak-Fläche bei -50 bis -80 ppm 25 %, bezogen auf die Peak-Fläche bei -50 bis -130 ppm, wie in der nachfolgenden Fig. 4 dargestellt, wird Silika in höherem Maß als erforderlich auf Aluminiumoxid dispergiert, so daß die Zusammensetzung geringerwertig bei der Hitzebeständigkeit ausfällt.If the silica is not well dispersed on the alumina, as in Comparative Example 4 and Fig. 6 to be described later, the composition has poor heat resistance. Although the exact reason for this is not clear, from the observation of a product obtained by merely fusing, without reaction, silica with alumina, it is considered that if silica is not dispersed on alumina at all, alumina crystals are converted into an α-phase, which results in a reduction in the specific surface area and hence in the heat resistance. If the NMR peak area at -50 to -80 ppm exceeds 25% based on the peak area at -50 to -130 ppm, as shown in Fig. 4 below, silica is dispersed on alumina to a greater extent than required, so that the composition is inferior in heat resistance.
Der genaue Grund dafür ist ebenfalls nicht ganz klar. Im Falle einer Silika-Aluminiumoxid-Zusammensetzung, die eine Aluminiumoxid-Quelle enthält, die 2 bis 30 Gew.% Silika aufweist, ist allerdings Silika sehr einheitlich und in hohem Maß auf Aluminiumoxid dispergiert, da 4 Al-Atome im allgemeinen an 1 SiO gebunden sind. In einem solchen Fall ist die sich ergebende Zusammensetzung bezüglich der Hitzebeständigkeit gegenüber einer Zusammensetzung verbessert, in welcher das Silika nicht gänzlich auf Aluminiumoxid dispergiert ist; jene Zusammensetzung wird allerdings als so instabil erachtet, daß eine starke Phasenumwandlung stattfindet, wenn Silika-Aluminiumoxid bei Befeuerung zu Mullit (3Al&sub2;O&sub3;-2SiO&sub2;) umgewandelt wird. Daher wird zur Erzeugung der Katalysatorträger mit dem vorgenannten NMR-Spektrum oder der bevorzugten Peak-Fläche bei -50 bis -130 ppm das Silika auf einem Aluminiumoxid-Hydrogel nach Ausfällung abgeschieden. Dann werden ein Alterungsmittel wie eine Hydroxycarboxylsäure oder deren Salz dem Produkt unter Steuerung des pH zugefügt, wodurch eine Zusammensetzung mit hoher Hitzebeständigkeit erhältlich ist, worin Silika auf Aluminiumoxid in einer geeignet einheitlichen Weise dispergiert ist. Es ist davon auszugehen, daß solch einheitliche Dispersion von Silika auf Aluminiumoxid der Grund dafür ist, daß die Zusammensetzung so stabilisiert ist, daß keine nennenswerte Phasenänderung stattfindet, wenn das Silika-Aluminiumoxid bei der Befeuerung in Mullit (3Al&sub2;O&sub3;-2SiO&sub2;) umgewandelt wird, wodurch sich eine Erhöhung der Hitzebeständigkeit ergibt.The exact reason for this is also not entirely clear. However, in the case of a silica-alumina composition containing an alumina source having 2 to 30 wt.% silica, silica is very uniform and highly dispersed on alumina because 4 Al atoms are generally bonded to 1 SiO. In such a case, the resulting composition is improved in heat resistance over a composition in which silica is not entirely dispersed on alumina; however, that composition is considered to be so unstable that a severe phase transformation occurs when silica-alumina is converted to mullite (3Al₂O₃-2SiO₂) upon firing. Therefore, to produce the catalyst supports having the above-mentioned NMR spectrum or the preferred peak area at -50 to -130 ppm, the silica is deposited on an alumina hydrogel after precipitation. Then, an ageing agent such as a hydroxycarboxylic acid or its salt is added to the product while controlling the pH, thereby obtaining a composition having high heat resistance in which silica is dispersed on alumina in a suitably uniform manner. It is believed that such uniform dispersion of silica on alumina is the reason why the composition is so stabilized that no appreciable phase change takes place when the silica-alumina is converted into mullite (3Al₂O₃-2SiO₂) upon firing. which results in an increase in heat resistance.
Der Silika-Aluminiumoxid-Katalysatorträger der vorliegenden Erfindung wird zum Gebrauch als eine Schicht auf einem anorganischen Oxid als Substrat ausgestaltet; oder ein gesintertes Keramikprodukt weist den Katalysatorträger als eine Schicht darauf oder einheitlich dispergiert darin auf. Es wird eine katalytisch aktive Metallkomponente in den Träger eingebracht.The silica-alumina catalyst support of the present invention is designed for use as a layer on an inorganic oxide as a substrate; or a sintered ceramic product having the catalyst support as a layer thereon or uniformly dispersed therein. A catalytically active metal component is incorporated into the support.
Die erfindungsgemäßen Katalysatorträger-Formkörper und Katalysatoren für Verbrennungsreaktionen werden in der obengenannten Weise geformt, wobei die Katalysatorträger deren hohes Porenvolumen und ihre spezifische Oberflächenfläche beizubehalten vermögen, sogar wenn sie unter Bedingungen hoher Temperatur und Feuchtigkeit über einen ausgedehnten Zeitraum verwendet werden, wobei die Katalysatoren auch ihre hohe Reaktivität bei verminderter oder eingeschränkter Deaktivierung beibehalten.The catalyst support moldings and catalysts for combustion reactions according to the invention are molded in the above-mentioned manner, whereby the catalyst supports are able to maintain their high pore volume and their specific surface area even when they are used under conditions of high temperature and humidity for an extended period of time, whereby the catalysts also retain their high reactivity with reduced or limited deactivation.
In den beigefügten Figuren stellen dar:In the attached figures represent:
Fig. 1 ein Röntgenstrahl-Beugungsdiagramm des im erfindungsgemäßen Beispiel 1 hergestellten Katalysatorträgers,Fig. 1 is an X-ray diffraction pattern of the catalyst support prepared in Example 1 of the invention,
Fig. 2 ein Röntgenstrahl-Beugungsdiagramm des im erfindungsgemäßen Beispiel 3 hergestellten Katalysatorträgers,Fig. 2 is an X-ray diffraction pattern of the catalyst support prepared in Example 3 of the invention,
Fig. 3 ein Röntgenstrahl-Beugungsdiagramm des in Vergleichsbeispie1 3 hergestellten Katalystorträgers,Fig. 3 is an X-ray diffraction pattern of the catalyst carrier prepared in Comparative Example 3,
Fig. 4 ein von dem im erfindungsgemäßen Beispiel 1 hergestellten Katalysatorträger gemessenes NMR- Spektrum,Fig. 4 shows an NMR spectrum measured from the catalyst support prepared in Example 1 according to the invention,
Fig. 5 ein von dem im erfindungsgemäßen Beispiel 5 hergestellten Katalysatorträger gemessenes NMR- Spektrum,Fig. 5 shows an NMR spectrum measured from the catalyst support prepared in Example 5 according to the invention,
Fig. 6 ein von dem im Vergleichsbeispiel 4 hergestellten Katalysatorträger gemessenes NMR-Spektrum,Fig. 6 shows an NMR spectrum measured from the catalyst support prepared in Comparative Example 4,
Fig. 7 ein von dem im Vergleichsbeispiel 7 hergestellten Katalysatorträger gemessenes NMR-Spektrum undFig. 7 shows an NMR spectrum measured from the catalyst support prepared in Comparative Example 7 and
Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung von Auswertungen der gemessenen NMR-Spektren.Fig. 8 is a diagram explaining the evaluation of the measured NMR spectra.
Die Katalysatorträger gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun in weiterem Detail erläutert.The catalyst supports according to the present invention will now be explained in further detail.
Der Katalysatorträger weist einen Silika-Gehalt von 2 bis 30 Gew.%, vorzugsweise von 2,5 bis 25 Gew.%, auf. Beträgt der Silika-Gehalt weniger als 2 Gew.%, kann die hitzebeständige anorganische Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht erhalten werden; es erhöht sich die Anzahl von feinen Poren mit einem kleinen Porendurchmesser, welche bei der Hochtemperaturbefeuerung zu zerstören sind, wodurch sich eine Verringerung des Gesamtporenvolumens ergibt. Übersteigt andererseits der Silika-Gehalt 30 Gew.%, stellt sich dann eine Erhöhung beim Komponentenverhältnis des Mullits ein, was wiederum zu einer Verringerung des Gesamtporenvolumens und somit der Reaktivität führt.The catalyst carrier has a silica content of 2 to 30 wt.%, preferably 2.5 to 25 wt.%. If the silica content is less than 2 wt.%, the heat-resistant inorganic composition according to the present invention cannot be obtained, and the number of fine pores with a small pore diameter to be destroyed during high-temperature firing increases, resulting in a reduction in the total pore volume. On the other hand, if the silica content exceeds 30 wt.%, then there is an increase in the component ratio of mullite, which in turn leads to a reduction in the total pore volume and thus in the reactivity.
Ein bevorzugtes Gesamtporenvolumen beträgt 0,4 bis 1,5 ml/g, insbesondere 1,3 ml/g oder weniger. Eines der Probleme bei einem Gesamtporenvolumen von 0,3 ml/g oder weniger besteht darin, daß keine genügende Diffusionsgeschwindigkeit von Reaktanden und Reaktionsprodukten zu erhalten ist, wie später beschrieben wird. Andererseits beruht eines der Probleme bei einem Gesamtporenvolumen von mehr als 1,5 ml/g darauf, daß keine Festigkeit beizubehalten ist und eine Verminderung des Schüttgewichts eintritt, was eine Verringerung beim Einspeisgewicht in den Reaktor zur Folge hat. Bevorzugter beträgt das Volumen an Poren, die einen Durchmesser im Bereich von 100 bis 400 Å aufweisen, 0,20 ml/g oder mehr. Der Katalysatorträger der vorliegenden Erfindung weist eine spezifische Oberflächenfläche von 20 m2/g oder mehr nach einer bei 1200ºC an Luft durchgeführten Befeuerung auf, er sollte aber vorzugsweise eine spezifischen Oberflächefläche von mindestens 50 m²/g, insbesondere von mindestens 70 m²/g, aufweisen.A preferred total pore volume is 0.4 to 1.5 ml/g, especially 1.3 ml/g or less. One of the problems with a total pore volume of 0.3 ml/g or less is that a sufficient diffusion rate of reactants and reaction products cannot be obtained, as will be described later. On the other hand, one of the problems with a total pore volume of more than 1.5 ml/g is that strength cannot be maintained and a reduction in bulk density occurs, resulting in a reduction in the feed weight to the reactor. More preferably, the volume of pores having a diameter in the range of 100 to 400 Å is 0.20 ml/g or more. The catalyst carrier of the present invention has a specific surface area of 20 m2/g or more after firing at 1200°C in air, but should preferably have a specific surface area of at least 50 m2/g, particularly at least 70 m2/g.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Katalysatorträger wird ein kolloidales Gel einer jeden der Komponenten davon zuerst zubereitet und dann Verfahrensmaßnahmen der Alterung, Trocknung, Formgebung und/oder Befeuerung unterzogen. Bei diesem Herstellverfahren erzeugt allerdings die Alterungsmaßnahme einen beachtlichen Einfluß auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften, d. h. die Porenstruktur und Silika-Dispersibilität der Produkte.To prepare the catalyst supports of the invention, a colloidal gel of each of the components thereof is first prepared and then subjected to aging, drying, shaping and/or firing processes. In this preparation process, however, the aging process produces a considerable influence on the physical and chemical properties, i.e. the pore structure and silica dispersibility of the products.
Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Katalysatorträger-Zusammensetzungen schließt Stufen ein, in denen man:The process for preparing the catalyst support compositions of the invention includes steps in which:
(1) ein Aluminiumoxid-Hydrogel bildet,(1) forms an alumina hydrogel,
(2) Silika aufbringt und(2) Apply silica and
(3) die Aluminiumoxid-Silika-Kristalle altert.(3) the alumina-silica crystals age.
Das zum Einsatz in der Stufe zur Bildung des Aluminiumoxid- Hydrogels vorgesehene Ausgangsmaterial kann ein anorganisches Salz wie ein Sulfat, Nitrat oder Chlorid von Aluminium und ein lösliches Aluminiumsalz wie Alkalimetallaluminate einschließen.The starting material for use in the alumina hydrogel formation step may include an inorganic salt such as a sulfate, nitrate or chloride of aluminum and a soluble aluminum salt such as alkali metal aluminates.
Die Aluminiumoxid-Quelle kann vorzugsweise in wäßrigem Zustand eingesetzt werden, und ihre wäßrige Salzkonzentration kann im Bereich von ca. 0,1 bis 4,0 Mol, vorzugsweise von ca. 0,3 bis 2,0 Mol, liegen. Eine basische Verbindung wie wäßriges Ammoniak wird der wäßrigen Salzlösung zugefügt, um das Aluminiumoxid-Hydrogel zu bilden.The alumina source may preferably be used in an aqueous state, and its aqueous salt concentration may range from about 0.1 to 4.0 moles, preferably from about 0.3 to 2.0 moles. A basic compound such as aqueous ammonia is added to the aqueous salt solution to form the alumina hydrogel.
Bei der Stufe zur Bildung des Aluminiumoxid-Hydrogels ist es von wesentlicher Bedeutung, so viel verkleinerte Alumimiumoxid-Hydrogelpartikel wie möglich zu bilden. Der pH in dieser Bildungsstufe ist von Bedeutung und kann 8 oder mehr oder andererseits 6 oder weniger betragen. In einem pH- Bereich von 6 bis 8 ist die Löslichkeit des Aluminiumoxid- Hydrogels zu stark erhöht, wobei dann große Kristalle gebildet werden.In the alumina hydrogel formation step, it is essential to form as many reduced alumina hydrogel particles as possible. The pH in this formation step is important and can be 8 or more or, on the other hand, 6 or less. In a pH range of 6 to 8, the solubility of the alumina hydrogel is increased too much, and large crystals are then formed.
Sodann wird das Aluminiumoxid-Hydrogel in die Stufe zum Überziehen mit dem Silika überführt.The alumina hydrogel is then transferred to the silica coating step.
In dieser Stufe des Überziehens mit Silika wird eine wäßrige Lösung (mit einer löslichen Salzkonzentration im Bereich von ca. 0,1 bis 10 Mol, vorzugsweise von ca. 0,3 bis 5,0 Mol) eines Alkalimetallsilikats (mit vorzugsweise einem Verhältnis Na&sub2;O : SiO&sub2; = 1 : 2 bis 1 : 4) verwendet und zu dem in der vorhergehenden Stufe gebildeten Aluminiumoxid-Hydrogel getropft, worauf dessen gute Dispersion zum Überziehen erfolgt. Bei der Mitfällung von Aluminiumoxid und Silika im selben pH-Bereich, kann Aluminiumoxid gebildet werden und auf Silika wachsen, das als ein Nukleus wirkt. Solche Fälle sind jedoch nicht bevorzugt, da Aluminiumoxid in der später zu beschreibenden Alterungsstufe wachsen soll, und es wird dann beim Wachstumsvorgang, zu α-Aluminiumoxid umgewandelt.In this step of coating with silica, an aqueous solution (with a soluble salt concentration in the range of about 0.1 to 10 mol, preferably about 0.3 to 5.0 mol) of an alkali metal silicate (with preferably a ratio of Na₂O:SiO₂ = 1:2 to 1:4) is used and added dropwise to the alumina hydrogel formed in the previous step, whereupon it is well dispersed for coating. When co-precipitating alumina and silica in the same pH range, alumina can be formed and deposited on silica, which acts as a nucleus. However, such cases are not preferred because alumina is to grow in the aging stage to be described later, and it is then converted to α-alumina in the growth process.
Die so gebildeten Slika-Aluminiumoxid-Kristalle werden nun in die Alterungsstufe überführt.The silica-alumina crystals thus formed are now transferred to the aging stage.
Zweck dieser Alterungsstufe ist es, kleine Kristalle aufzulösen, um sich dadurch zu Kristallen einheitlicher Größe zu entwickeln. In dieser Stufe werden die in der vorgenannten Überzugsstufe gebildeten Silika-Aluminiumoxid-Kristalle einem Kristallwachstum gemäß Bildung unterzogen. Wird die Alterungsstufe jedoch in der Nähe von pH 8 durchgeführt, können die Silika-Aluminiumoxid-Kristalle zu Silika- Aluminiumoxid-Kristallen umgeordnet werden, die mit Aluminiumoxid überzogene Schichten aufweisen. Es ist allerdings herausgefunden worden, daß es bevorzugt ist, den pH auf 6,0 in der Alterungsstufe zu dem Zweck herabzusetzen, das Wachstum der Silika-Aluminiumoxid-Kristalle so zu beeinflussen, wie sie gebildet werden. Durch eine solche Maßnahme ist es möglich, die Umordnung der Silika- Aluminiumoxid-Kristalle zu unterdrücken und Silika- Aluminiuinoxid-Kristalle mit kleinem Durchmesser in einem Zustand gemäß Bildung zu züchten, aber mit Steigerungen beim Porenvolumen. Die Alterungsstufe wird bei 40 bis 90ºC, vorzugsweise bei 50 bis 80ºC, 1 bis 5 h und vorzugsweise 1,5 bis 3 h lang durchgeführt.The purpose of this aging step is to dissolve small crystals to thereby develop into crystals of uniform size. In this step, the silica-alumina crystals formed in the aforementioned coating step undergo crystal growth as formed. However, if the aging step is carried out near pH 8, the silica-alumina crystals can be rearranged into silica-alumina crystals having alumina-coated layers. However, it has been found that it is preferable to lower the pH to 6.0 in the aging step for the purpose of influencing the growth of the silica-alumina crystals as they are formed. By such a measure, it is possible to suppress the rearrangement of the silica-alumina crystals and to grow small-diameter silica-alumina crystals in an as-formed state but with increases in pore volume. The aging step is carried out at 40 to 90°C, preferably at 50 to 80°C, for 1 to 5 hours, and preferably 1.5 to 3 hours.
Werden die Silika-Aluminiumoxid-Kristalle mit kleinem Durchmesser in dem Zustand wie gebildet der Befeuerungsstufe unterzogen, ohne solch eine Alterungsstufe durchzuführen, wird das Aluminiumoxid durch Befeuerung gesintert, und zwar wegen des kleinen Porendurchmessers des Aluminiumoxids, wodurch sich die Hitzebeständigkeit erniedrigt. Somit wird es ermöglicht, eine Zusammensetzung, die einen großen Porendurchmesser aufweist, durch eine Vergrößerung des Porendurchmessers der Kristalle in der Alterungsstufe zu erhalten.If the small diameter silica-alumina crystals are subjected to the firing step in the as-formed state without performing such an aging step, the alumina is sintered by firing because of the small pore diameter of the alumina, which lowers the heat resistance. Thus, it is makes it possible to obtain a composition having a large pore diameter by increasing the pore diameter of the crystals in the aging step.
Die in der Alterungsstufe entwickelten Silika-Aluminiumoxid- Kristalle werden abfiltriert, dann mit einer wäßrigen Lösung von Ammoniumcarbonat, -chlorid und -nitrat gewaschen und danach an Luft bei 80 bis 200ºC, vorzugsweise bei 90 bis 150ºC, getrocknet.The silica-alumina crystals developed in the ageing stage are filtered off, then washed with an aqueous solution of ammonium carbonate, chloride and nitrate and then dried in air at 80 to 200°C, preferably at 90 to 150°C.
Nach der Trocknung können die Silika-Aluminiumoxid- Zusammensetzungen an Luft bei 400 bis 1400ºC, vorzugsweise bei 500 bis 1200ºC, einer Befeuerung unterzogen werden, um einen Katalysatorträger gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden.After drying, the silica-alumina compositions may be fired in air at 400 to 1400°C, preferably at 500 to 1200°C, to form a catalyst support according to the present invention.
Es wird davon ausgegangen, daß durch die Herstellung der Silika-Aluminiumoxid-Zusammensetzungen durch das oben dargelegte Herstellverfahren das Aluminiumoxid-Hydrogel mit Silika überzogen wird, wodurch poröses θ-Aluminiumoxid stabilisiert wird, um dessen Umwandlung in α-Aluminiumoxid zu unterdrücken. Andererseits wird Mullit (ein Kompositmaterial aus Aluminiumoxid mit Silika) durch die Zugabe von Silika gebildet, um eine verringerte spezifische Oberflächenfläche zu verursachen. Durch Optimierung der Menge an zuzufügendem Silika zur Steuerung des Wachstums der Silika-Aluminiumoxid- Kristalle wird es jedoch durchführbar, die Umwandlung von θ- Aluminiumoxid in α-Aluminiumoxid zu unterdrücken, Poren aufgrund der Stabilisierung von θ-Aluminiumoxid zu erlangen und spezifische Oberflächenflächen bei hohen Temperaturen zu erreichen.It is considered that by preparing the silica-alumina compositions by the above-mentioned preparation method, the alumina hydrogel is coated with silica, thereby stabilizing porous θ-alumina to suppress its conversion to α-alumina. On the other hand, mullite (a composite material of alumina with silica) is formed by the addition of silica to cause a reduced specific surface area. However, by optimizing the amount of silica to be added to control the growth of the silica-alumina crystals, it becomes feasible to suppress the conversion of θ-alumina to α-alumina, obtain pores due to the stabilization of θ-alumina, and achieve specific surface areas at high temperatures.
Im allgemeinen sind die Bindungszustände von Silika mit Aluminiumoxid in Aluminiumoxid-Silika-Zusammensetzungen durch die Formeln dargestellt: In general, the bonding states of silica with alumina in alumina-silica compositions are represented by the formulas:
Gemäß der vorgenannten NMR-Messung solcher Silika- Aluminiumoxid-Zusammensetzungen weisen die durch die obigen Formeln (I) bis (IV) dargestellten Strukturen ihre Absorptionspeaks bei -80 ppm, -88 ppm, -97 ppm bzw. -105 ppm auf. Dabei ist anzumerken, daß die Struktur (V) die keinen Aluminium-Substituent aufweist, ihren Absorptionspeak bei -111 ppm hat.According to the above-mentioned NMR measurement of such silica-alumina compositions, the structures represented by the above formulas (I) to (IV) have their absorption peaks at -80 ppm, -88 ppm, -97 ppm and -105 ppm, respectively. It should be noted that the structure (V) having no aluminum substituent has its absorption peak at -111 ppm.
Fig. 8 stellt ein Diagramm dar, worin die Ergebnisse der ²&sup9;Si-NMR-Messung einer Silika-Aluminiumoxid-Zusammensetzung mit den Verschiebungswerten gegenüber dem Referenz-Peak als Abszisse und der relativen Absorptionsstärke als Ordinate dargestellt sind.Fig. 8 is a graph showing the results of 29Si-NMR measurement of a silica-alumina composition with the shift values from the reference peak as abscissa and the relative absorption strength as ordinate.
In Fig. 8 sind die Peak-Position der genannten Formeln (I) bis (V) bei a bis e angegeben. Wie durch die gestrichelten Linien dargelegt, zeigen die Kurven für die durch die genannten Formeln (I) bis (V) dargestellten Bindungszustände eine erniedrigte relative Stärke, bezogen auf die Verschiebungen, gegenüber dem Referenz-Peak. Deshalb sind die Meßergebnisse als die Summe von Absorptionswerten angegeben, bezogen auf die jeweiligen Strukturen; der Maximalwert der relativen Absorptionsstärke der Absorptionskurven, die den genannten Formeln (II) bis (IV) entsprechen, welche die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung zeigen, ist nicht ganz klar anzugeben.In Fig. 8, the peak position of the above formulas (I) to (V) are indicated at a to e. As shown by the dashed lines, the curves for the bonding states represented by the above formulas (I) to (V) show a decreased relative strength in terms of shifts compared with the reference peak. Therefore, the measurement results are given as the sum of absorption values related to the respective structures; the maximum value of the relative absorption strength of the absorption curves corresponding to the above formulas (II) to (IV) showing the compositions of the present invention cannot be clearly indicated.
Durch eine solche Messung kann jedoch die Relativmenge der vorliegenden Menge der jeweiligen Bindungszustände, die zumindest den genannten Formeln (I) bis (V) entsprechen, herausgefunden werden. Da sich die Kurve der Gesamtrelativstärke zur Absorptionspeakposition des durch die genannte Formel (I) dargestellten Bindungszustands verschiebt, nähert sich einerseits Al/Si 4, da sich die Kurve der Gesamtrelativstärke zur Peakposition des durch die genannte Formel (V) dargestellten Bindungszustands verschiebt, nähert sich andererseits Al/Si 0, und zwar wegen jeweils inkorrekter Dispersion von Silika und Aluminiumoxid.However, by such a measurement, the relative amount of the present amount of the respective bonding states, which correspond at least to the above-mentioned formulas (I) to (V), can be found out. Since the curve of the total relative strength shifts to the absorption peak position of the bonding state represented by the above-mentioned formula (I), on the one hand, Al/Si approaches 4, since the curve of the total relative strength shifts to the peak position of the bonding state represented by the above-mentioned formula (V), on the other hand, Al/Si approaches 0, due to incorrect dispersion of silica and aluminum oxide.
Aus diesem Grund kann der zweite Katalysatorträger der vorliegenden Erfindung durch das Verhältnis von s' und s", bezogen auf S, definiert werden, worin:For this reason, the second catalyst support of the present invention can be defined by the ratio of s' and s", relative to S, where:
s' die Fläche ist, die durch einen Kurvenabschnitt, der den Verschiebungswert übersteigt, bei dem das Al/Si-Verhältnis 4 beträgt, und eine Referenzlinie A definiert ist,s' is the area defined by a curve section exceeding the displacement value at which the Al/Si ratio is 4 and a reference line A,
s" die Fläche ist, die durch einen Kurvenabschnitt von nicht höher als dem Verschiebungswert, bei dem das Al/Si- Verhältnis 0 beträgt, und die Referenzlinie A definiert ist, sowies" is the area defined by a curve section of not higher than the displacement value at which the Al/Si ratio is 0 and the reference line A, and
S die Gesamtfläche ist, die durch eine entsprechende Kurve und die Referenzlinie A definiert ist.S is the total area defined by a corresponding curve and the reference line A.
Anzumerken ist, daß das ²&sup9;Si-NMR-Verfahren mit einem JNM- GX 270 Modell, hergestellt von JEOL, Ltd., und die Messung der ²&sup9;Si-Kerne (53,54 MHz) durch die Anwendung des CP/MAS- (Cross Polarization/Magic Angle Spinning)-Verfahrens durchgeführt wurden. Silikon-Gummi wurde als die Standard- Substanz herangezogen, und zwar mit der Maßgabe, daß der entsprechende Wert bei -21,90 ppm festgelegt ist.Note that the ²⁹Si NMR method was carried out using a JNM-GX 270 model manufactured by JEOL, Ltd. and the measurement of ²⁹Si nuclei (53.54 MHz) was carried out by using the CP/MAS (Cross Polarization/Magic Angle Spinning) method. Silicon rubber was used as the standard substance with the proviso that the corresponding value is fixed at -21.90 ppm.
Zur Herstellung der Silika-Aluminiumoxid-Zusammensetzungen zur Bildung der Katalysatorträger wird eine Silika-Quelle einer Aluminiumoxid-Quelle beim Herstellverfahren der genannten Silika-Aluminiumoxid-Zusammensetzungen zugefügt. Es wird die Ausfällung des Aluminiumoxid-Hydrogels bei einem pH gleich oder höher als 8 oder gleich oder niedriger als 6 durchgeführt. Des weiteren wird die Silika-Quelle zur Abscheidung von Silika zugegeben. Danach wird eine Hydroxycarboxylsäure oder ihr Salz als Alterungsmittel für das Hydrogel zugefügt, und es wird ein Alterungsverfahren durchgeführt, wobei man den pH auf 6 herabsetzt, um die Silika-Aluminiumoxid-Zusammensetzungen zu erhalten.To prepare the silica-alumina compositions for forming the catalyst supports, a silica source is added to an alumina source in the process of preparing the said silica-alumina compositions. Precipitation of the alumina hydrogel is carried out at a pH equal to or higher than 8 or equal to or lower than 6. Further, the silica source is added to deposit silica. Thereafter, a hydroxycarboxylic acid or its salt is added as an aging agent for the hydrogel, and an aging process is carried out while lowering the pH to 6 to obtain the silica-alumina compositions.
Als Hydroxycarboxylsäuren oder deren Salze, welche dafür verwendbar sind, können z. B. Weinsäure, Zitronensäure oder weitere Hydroxylgruppen-enthaltende mehrwertige Carboxylsäuren sowie deren Alkalimetallsalze, Aminodicarboxylsäuren oder deren Salze wie Glutamin- oder Asparaginsäure oder weitere Aminogruppen-enthaltende mehrwertige Carboxylsäuren und deren Alkalimetallsalze eingesetzt werden. Diese Verbindungen können der Aluminiumverbindung mit 0,0002 bis 0,1 Mol pro Mol zugefügt werden.Hydroxycarboxylic acids or their salts which can be used for this purpose include tartaric acid, citric acid or other hydroxyl group-containing polyvalent carboxylic acids and their alkali metal salts, aminodicarboxylic acids or their salts such as glutamic or aspartic acid or other amino group-containing polyvalent carboxylic acids and their alkali metal salts can be used. These compounds can be added to the aluminum compound at 0.0002 to 0.1 mole per mole.
Beim Verfahren zur Herstellung der Silika-Aluminiumoxid- Zusammensetzungen werden die Hydroxycarboxylsäure oder ihr Salz zugefügt und der pH in der Alterungsstufe auf 6 herabgesetzt, wodurch das s'/s-Verhältnis auf einen Wert von 0 bis 25 % unter gleichzeitiger stabiler Regulierung des s"/s-Verhältnisses bei einem Wert von 0 bis 10 % eingestellt wird.In the process for preparing the silica-alumina compositions, the hydroxycarboxylic acid or its salt is added and the pH is lowered to 6 in the aging step, thereby adjusting the s'/s ratio to a value of 0 to 25% while stably controlling the s"/s ratio at a value of 0 to 10%.
Ohne Rückgriff auf irgendein Alterungsmittel kann sich ein Anstieg beim s'/s-Verhältnis wegen ungenügender Dispergierbarkeit von Silika ergeben. In einem solchen Fall kann es unmöglich sein, Katalysatorträger zu erzeugen, in denen die Peak-Fläche bei -50 bis -80 ppm 0 bis 25 %, bezogen auf die Peak-Fläche bei -50 bis -130 ppm beträgt, gemessen durch ein kernmagnetisches Resonanzverfahren (²&sup9;Si-NMR), mit Silikon-Gummi als Referenz-Peak. Im Verfahren zur Erzeugung der Silika-Aluminiumoxid-Zusammensetzungen können jedoch die Verhältnisse s'/s und s"/s in stabiler Weise gezielt auf einen Wert von 0 bis 25 % bzw. von 0 bis 10 % eingestellt werden, und zwar unter Steuerung der Porenverteilung, indem man die Ausfällung des Aluminuiumoxid-Hydrogels bei pH = 8 bewerkstelligt, eine Silika-Quelle zufügt und die Alterungsstufe durch Zugabe von Ammoniumtartrat (eingesetzt in einem Verhältnis von 0,01 Mol pro Mol Aluminiumoxid) durchführt, wobei der pH auf 6 herabgesetzt wird. Auf diese Weise ist es möglich, Silika-Aluminiumoxid-Zusammensetzungen herzustellen, in denen die Peak-Fläche bei -110 bis -130 ppm 0 bis 10 %, bezogen auf die Peak-Fläche bei -50 bis -130 ppm, und die Peak-Fläche bei -50 bis -80 ppm 0 bis 25 % betragen, bezogen auf die Peak-Fläche bei -50 bis -130 ppm, gemessen durch ein kernmagnetisches Resonanzverfahren (²&sup9;Si-NMR) mit Silikon-Gummi als Referenz-Peak.Without resorting to any ageing agent, an increase in the s'/s ratio may result due to insufficient dispersibility of silica. In such a case, it may be impossible to produce catalyst supports in which the peak area at -50 to -80 ppm is 0 to 25% based on the peak area at -50 to -130 ppm as measured by a nuclear magnetic resonance method (29Si-NMR) with silicone rubber as a reference peak. However, in the process for producing the silica-alumina compositions, the ratios s'/s and s"/s can be stably controlled to a value of 0 to 25% and 0 to 10%, respectively, while controlling the pore distribution by causing the precipitation of the alumina hydrogel at pH = 8, adding a silica source and carrying out the aging step by adding ammonium tartrate (used in a ratio of 0.01 mole per mole of alumina) while lowering the pH to 6. In this way, it is possible to produce silica-alumina compositions in which the peak area at -110 to -130 ppm is 0 to 10% based on the peak area at -50 to -130 ppm, and the peak area at -50 to -80 ppm is 0 to 25% based on the peak area at -50 to -130 ppm, as measured by a nuclear magnetic resonance method (29Si-NMR) using silicone rubber as a reference peak.
Es wird nun die Form bzw. Formgebung der Katalysatorträger der vorliegenden Erfindung beschrieben. D.h., die im oben beschriebenen Herstellungsverfahren erhältlichen Silika- Aluminiumoxid-Zusammensetzungen werden durch Filtration gesammelt, getrocknet und, falls erforderlich, pulverisiert, dann wird Wasser über den Weg der Befeuerung oder nicht über diesen Weg zugefügt, worauf eine Konditionierung durch Feuchtigkeitseinfluß und eine Vermischung erfolgen. Alternativ dazu, können auch die Niederschläge (Hydrogel) miteinander vermischt werden. Obwohl Formkörper im Detail unter Bezug auf die später zu beschreibenden Katalysatorträger-Formkörper zu erläutern sein werden, wird ganz allgemein die sich ergebende Mischung mit einem Extruder zu einem z. B. Extrudat oder einer Waben- oder Teilchen-Form extrudiert, welche dann an Luft bei 400 bis 1400ºC, vorzugsweise 500 bis 1200ºC, einer Befeuerungsmaßnahme unterzogen werden. Für Katalysatoren zur Reinigung von Abgasen aus Automobilen kann die Befeuerungsmaßnahme bei 550 bis 1000ºC durchgeführt werden. Wird andererseits ein Verbrennungskatalysator durch ein Wachs-Überzugsverfahren auf einer Trägerunterlage wie Mullit, Silika-Alumuminiumoxid, Cordierit oder einem entsprechenden Waben-Produkt hergestellt, taucht man die genannte Trägerunterlage in eine Suspension, die eine Mischung aus den vorgenannten Pulvern und einer Säure (wie Essig-, Salpeter- oder Salzsäure) oder einer Base (wie Ammoniumhydroxid) und/oder zugefügtes Hydrogel umfaßt. Nachdem die überschüssigen Abscheidungen mit einem Inertgas (wie Stickstoff) abgespült worden sind, wird die Trägerunterlage getrocknet und befeuert. Die Trocknungsmaßnahmen werden an Luft bei einer Temperatur von 80 bis 200ºC, vorzugsweise 90 bis 150ºC, und die Befeuerungsmaßnahmen durch Erhitzen an Luft bei einer Temperatur von 400 bis 1400ºC, vorzugsweise 500 bis 1200ºC, durchgeführt.The shape of the catalyst carrier of the present invention will now be described. That is, the silica-alumina compositions obtainable in the above-described production process are collected by filtration, dried and, if necessary, pulverized, then water is added by firing or not, followed by moisture conditioning and mixing. Alternatively, the precipitates (hydrogel) may be mixed together. Although molded bodies will be explained in detail with reference to the catalyst carrier molded bodies to be described later, in general, the resulting mixture is extruded by an extruder into, for example, an extrudate or a honeycomb or particle shape, which is then subjected to firing in air at 400 to 1400°C, preferably 500 to 1200°C. For catalysts for purifying exhaust gases from automobiles, the firing operation can be carried out at 550 to 1000°C. On the other hand, when a combustion catalyst is prepared by a wax coating process on a support such as mullite, silica-alumina, cordierite or a corresponding honeycomb product, said support is immersed in a suspension comprising a mixture of the aforementioned powders and an acid (such as acetic, nitric or hydrochloric acid) or a base (such as ammonium hydroxide) and/or added hydrogel. After the excess deposits have been flushed off with an inert gas (such as nitrogen), the carrier base is dried and fired. The drying measures are carried out in air at a temperature of 80 to 200ºC, preferably 90 to 150ºC, and the firing measures are carried out by heating in air at a temperature of 400 to 1400ºC, preferably 500 to 1200ºC.
Zur Ausgestaltung von Katalysatorträgern der vorliegenden Erfindung in Katalysatorträger zur Reinigung von Abgasen aus Automobilen werden die Träger mit mindestens einer Metallkomponente, ausgewählt aus Metallen der Gruppe VIII des Periodensystems, d. h. mit einer Metallkomponente der Eisengruppe, Eisen, Nickel und Kobalt, und den Edelmetallen Platin, Palladium, Iridium, Rhodium, Ruthenium und Osmium, als katalytisch aktiver Metallkomponente beaufschlagt. Zusätzlich zu den Metallkomponenten der Gruppe VIII können Metallkomponenten der Gruppe V wie Vanadin und Metallkomponenten der Gruppe VI wie Chrom als katalytisch aktive Metallkomponenten verwendet werden. Bevorzugte aktive Metallkomponenten sind mindestens eine, ausgewählt aus Platin, Rhodium und Iridium. Diese aktiven Metallkomponenten sind in Form von Oxiden auf den Trägern in einer katalytisch wirksamen Menge vorhanden, die vorzugsweise im Bereich von 0,001 bis 5 Gew.%, insbesondere von 0,005 bis 2 Gew.%, liegt.To design catalyst supports of the present invention in catalyst supports for purifying exhaust gases from automobiles, the supports are treated with at least one metal component selected from metals of group VIII of the periodic table, i.e. with a metal component of the iron group, iron, nickel and cobalt, and the noble metals platinum, palladium, iridium, rhodium, ruthenium and osmium, as a catalytically active metal component. In addition to the metal components of group VIII, metal components of group V such as vanadium and metal components of group VI such as chromium can be used as catalytically active metal components. Preferred active metal components are at least one selected from platinum, rhodium and iridium. These active metal components are present in the form of oxides on the supports in a catalytically effective amount which is preferably in the range of 0.001 to 5% by weight, in particular 0.005 to 2% by weight.
Es können zugefügt zu und verwendet werden für die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung ein oder zwei oder mehrere Oxide eines Erdalkalimetalls wie Barium, Kalzium, Strontium, Zirkon und Magnesium, ein Metall der Gruppe III des Periodensystems der Elemente wie Bor, Scandium und Yttrium, ein Metall der Gruppe IV wie Titan, Zirkonium und Hafnium und/oder ein seltenes Erdmetall wie Lanthan, Cer und Thorium in einer Menge von 0,01 bis 30 Gew.%, vorzugsweise von 0,05 bis 10 Gew.%. Obwohl das entsprechende Zugabeverfahren nicht kritisch ist, können die entsprechenden Substanzen in geeigneter Weise gleichzeitig mit der Ausfällung von Aluminiumoxid oder Silika mitgefällt werden.There may be added to and used for the compositions of the present invention one or two or more oxides of an alkaline earth metal such as barium, calcium, strontium, zirconium and magnesium, a metal of Group III of the Periodic Table of the Elements such as boron, scandium and yttrium, a metal of Group IV such as titanium, zirconium and hafnium and/or a rare earth metal such as lanthanum, cerium and thorium in an amount of from 0.01 to 30 wt.%, preferably from 0.05 to 10 wt.%. Although the method of addition is not critical, the corresponding Substances can be suitably coprecipitated simultaneously with the precipitation of aluminium oxide or silica.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Porenvolumen, Porenverteilung und spezifische Oberflächenfläche der Katalysatorträger sowie die charakteristischen NMR-Werte auch durch eine Beaufschlagung mit den katalytisch aktiven Metallkomponenten nicht beeinflußt. Somit sind die erhaltenen Katalysatoren bezüglich dieser Besonderheiten und Eigenschaften identisch mit den Trägern.According to the present invention, the pore volume, pore distribution and specific surface area of the catalyst supports as well as the characteristic NMR values are not influenced by exposure to the catalytically active metal components. The catalysts obtained are therefore identical to the supports with regard to these special features and properties.
Die Katalysatorträger und Verbrennungskatalysatoren der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezug auf die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele im einzelnen erläutert.The catalyst supports and combustion catalysts of the present invention will now be explained in detail with reference to the following Examples and Comparative Examples.
Es wurden 0,15 Mol einer wäßrigen Aluminiumsulfat-Lösung vorgelegt, die ihrerseits auf einen pH von 8 durch die Zugabe von 1 N Ammoniakwasser eingestellt wurde. Dann wurde eine wäßrige Lösung von Nr. 3 Wasserglas (JISK-1408) der sich ergebenden Lösung so zugefügt, daß der Silika-Gehalt des Produkts 10 Gew.% ergab, wodurch sich Niederschläge aus Silika-Aluminiumoxid bildeten.0.15 mol of an aqueous aluminum sulfate solution was initially charged, which in turn was adjusted to pH 8 by the addition of 1 N ammonia water. Then, an aqueous solution of No. 3 water glass (JISK-1408) was added to the resulting solution so that the silica content of the product became 10 wt%, thereby forming silica-alumina precipitates.
Die so gebildeten Niederschläge wurden bei 60ºC 3 h lang gealtert und der endgültige pH auf 6,2 herabgesetzt. Nach der Alterung wurden die Niederschläge abfiltriert und mit Wasser gewaschen. Das Produkt wurde dann bei 120ºC 12 h lang an Luft getrocknet und an Luft bei 500ºC 3 h lang, bei 1000ºC 15 h lang und bei 1200ºC 15 h lang einer Feuerungsmaßnahme unterzogen, um 3 Katalysatorträger zu erhalten.The precipitates thus formed were aged at 60ºC for 3 h and the final pH was reduced to 6.2. After aging, the precipitates were filtered and washed with water. The product was then dried in air at 120ºC for 12 h and subjected to firing in air at 500ºC for 3 h, at 1000ºC for 15 h and at 1200ºC for 15 h to obtain 3 catalyst supports.
Katalysatorträger wurden in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, daß der endgültige pH bei der Alterung auf 7,5 herabgesetzt wurde.Catalyst supports were obtained in a similar manner to Example 1, except that the final pH upon aging was reduced to 7.5.
Katalysatorträger wurden in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 erhalten, allerdings mit der Maßgabe, daß eine wäßrige Lösung von Nr. 3 Wasserglas so zugegeben wurde, daß der Silika- Gehalt des Produkts 5 Gew.% betrug, und der endgültige pH bei der Alterung auf 6,0 herabgesetzt wurde.Catalyst supports were obtained in a similar manner to Example 1, except that an aqueous solution of No. 3 water glass was added so that the silica content of the product was 5 wt.% and the final pH upon aging was reduced to 6.0.
Katalysatorträger wurden in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 erhalten, allerdings mit der Maßgabe, daß eine wäßrige Lösung von Nr. 3 Wasserglas so zugefügt wurde, daß der Silika-Gehalt des Produkts 5 Gew.% betrug und der endgültige pH bei der Alterung auf 7,7 herabgesetzt wurde.Catalyst supports were obtained in a similar manner to Example 1, except that an aqueous solution of No. 3 water glass was added such that the silica content of the product was 5 wt.% and the final pH upon aging was reduced to 7.7.
Es wurden 0,15 Mol einer wäßrigen Aluminiumsulfat-Lösung vorgelegt, die ihrerseits durch die Zugabe von 1 N Ammoniakwasser auf pH = 8 eingestellt wurde. Es wurde eine wäßrige Lösung von Nr. 3 Wasserglas (JISK-1408) der sich ergebenden Lösung so zugefügt, daß der Silika-Gehalt des Produkts 10 Gew.% ergab, wodurch sich Niederschläge aus Silika-Aluminiumoxid bildeten. Ferner wurden den Niederschlägen 0,0015 Mol Ammoniumtartrat zugefügt.0.15 mol of an aqueous aluminum sulfate solution was initially charged, which in turn was adjusted to pH = 8 by the addition of 1 N ammonia water. An aqueous solution of No. 3 water glass (JISK-1408) was added to the resulting solution so that the silica content of the product became 10 wt.%, thereby forming precipitates of silica-alumina. Furthermore, 0.0015 mol of ammonium tartrate was added to the precipitates.
Die so gebildeten Niederschläge wurden bei 60ºC 3 h lang gealtert, der endgültige pH war auf 6 herabgesetzt. Nach der Alterung wurden die Niederschläge abfiltriert und mit Wasser gewaschen. Das Produkt wurde dann bei 120ºC 12 h lang an Luft getrocknet und an Luft bei 500ºC 3 h lang, bei 1000ºC 15 h lang und bei 1200ºC 15 h lang einer Feuerung unterzogen, um 3 Katalysatorträger zu erhalten.The precipitates thus formed were aged at 60ºC for 3 hours, the final pH was reduced to 6. After After aging, the precipitates were filtered off and washed with water. The product was then dried in air at 120ºC for 12 hours and subjected to firing in air at 500ºC for 3 hours, at 1000ºC for 15 hours and at 1200ºC for 15 hours to obtain 3 catalyst supports.
Eine wäßrige Lösung von Aluminiumsulfat wurde mit einer wäßrigen Lösung von Nr. 3 Wasserglas (JISK-1408) so vorvermischt, daß der Silika-Gehalt des Produkts 10 Gew.% betrug, dann wurde Ammoniakwasser zur vermischten Lösung gegeben, wobei der PH auf 8 eingestellt wurde, wodurch Silika und Aluminiumoxid gleichzeitig ausfielen. Ohne Alterung wurden die Niederschläge von der wäßrigen Lösung abfiltriert und dann mit Wasser gewaschen. Danach wurde das Produkt bei 120ºC 12 h lang an Luft getrocknet und bei 500ºC 3 h lang an Luft einer Feuerung unterzogen.An aqueous solution of aluminum sulfate was premixed with an aqueous solution of No. 3 water glass (JISK-1408) so that the silica content of the product was 10 wt%, then ammonia water was added to the mixed solution while adjusting the PH to 8, whereby silica and alumina were precipitated simultaneously. Without aging, the precipitates were filtered off from the aqueous solution and then washed with water. Thereafter, the product was dried at 120°C for 12 hours in air and subjected to firing at 500°C for 3 hours in air.
Eine wäßrige Lösung von Aluminiumsulfat wurde durch Zugabe von Ammoniakwasser auf pH 8 eingestellt, und es wurde eine wäßrige Lösung von Nr. 3 Wasserglas (JISK-1408) der Lösung so zugefügt, daß der Silika-Gehalt des Produkts 5 Gew.% ergab, wodurch sich Niederschläge aus Silika/Aluminiumoxid bildeten, die dann ohne Alterung in ähnlicher Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 einer Feuerung unterzogen wurden.An aqueous solution of aluminum sulfate was adjusted to pH 8 by adding ammonia water, and an aqueous solution of No. 3 water glass (JISK-1408) was added to the solution so that the silica content of the product became 5 wt%, thereby forming silica/alumina precipitates, which were then subjected to firing without aging in a similar manner to Comparative Example 1.
Pulver aus Aluminiumoxid wurden in ähnlicher Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 erhalten, allerdings mit der Maßgabe, daß nur Aluminiumsulfat als Ausgangsmaterial und kein Silika verwendet wurden, und die Pulver wurden dann in ähnlicher Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 einer Feuerung unterzogen.Powders of alumina were obtained in a similar manner to Comparative Example 1, except that only aluminum sulfate was used as the starting material and no silica were used, and the powders were then subjected to firing in a similar manner as in Comparative Example 1.
Die in Vergleichsbeispiel 3 hergestellten Pulver aus Aluminiumoxid wurden als Ausgangsmaterial verwendet und mit im Handel erhältlichen Pulvern aus Silikagel vermischt, und die Mischung wurde dann in ähnlicher Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 einer Feuerung unterzogen.The alumina powders prepared in Comparative Example 3 were used as a starting material and mixed with commercially available silica gel powders, and the mixture was then subjected to firing in a similar manner to Comparative Example 1.
Aluminiumoxid-Sol (hergestellt von Nishio Kogyo Co., Ltd.) und kolloidales Silika (hergestellt von Nissan Chemical Industries, Ltd.) wurden in Wasser suspendiert und so miteinander vermischt, daß 10 Gew.% Silika in der endgültigen Zusammensetzung enthalten waren. Unter Aufrechterhaltung des pH bei 7 wurde eine Zusammensetzung aus Silika-Aluminiumoxid ausgefällt. Nach Filtration und Waschen mit Wasser wurden die Niederschläge bei 120ºC an Luft 2 h lang getrocknet und dann bei 500ºC an Luft 3 h lang einer Feuerung unterzogen, um ein bei 500ºC befeuertes Produkt zu erhalten. Eine weitere Befeuerung bei 1200ºC 15 h lang, 100 h und 300 h lang ergab 3 Produkte, die einer Befeuerung bei 1200ºC unterzogen waren.Alumina sol (manufactured by Nishio Kogyo Co., Ltd.) and colloidal silica (manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) were suspended in water and mixed together so that 10 wt% of silica was contained in the final composition. While maintaining the pH at 7, a silica-alumina composition was precipitated. After filtration and washing with water, the precipitates were dried at 120°C in air for 2 hours and then subjected to firing at 500°C in air for 3 hours to obtain a 500°C fired product. Further firing at 1200°C for 15 hours, 100 hours and 300 hours gave 3 products subjected to firing at 1200°C.
Eine katalytische aktive Metallkomponente kann auf die Träger durch ein Imprägnierverfahren, ein Knetverfahren und ähnliche weitere Verfahren aufgebracht werden. Wegen der einfachen Verfahrensweise ist jedoch das Imprägnierverfahren bevorzugt. Zur Imprägnierung mit der aktiven Metallkomponente wird eine lösliche Verbindung der genannten Metallkomponente zubereitet und der Träger dann damit imprägniert. Eine Konzentration der Imprägnierlösung liegt im Bereich von ca. 0,005 bis ca. 0,1 Gew.%. Bevorzugt für die Imprägnierlösung ist eine wäßrige Lösung. Nach der Imprägnierung wird der mit der aktiven Metallkomponente imprägnierte Träger in die Trocknungs- und Feuerungsstufen überführt. Die Trocknung wird bei ca. 80 bis ca. 200ºC und die Feuerung bei ca. 500 bis ca. 1400ºC durchgeführt.A catalytically active metal component can be applied to the carriers by an impregnation method, a kneading method and similar other methods. However, the impregnation method is preferred because of the simple procedure. For impregnation with the active metal component, a soluble compound of the said metal component is prepared and the carrier is then impregnated with it. A concentration of the impregnation solution is in the range of about 0.005 to about 0.1 wt.%. A preferred impregnation solution is aqueous solution. After impregnation, the carrier impregnated with the active metal component is transferred to the drying and firing stages. Drying is carried out at approx. 80 to approx. 200ºC and firing at approx. 500 to approx. 1400ºC.
Gemäß dem Knetverfahren wird eine Lösung der aktiven Metallkomponente der Zusammensetzung aus Silika-Aluminiumoxid während ihrer Ausfällung zugefügt und darin eingebracht.According to the kneading method, a solution of the active metal component is added to and introduced into the silica-alumina composition during its precipitation.
Die Analyseergebnisse der Röntgenstrahlbeugung der durch eine bei 1200ºC 15 h lang durchgeführte Befeuerung in Beispielen 1 und 3 bzw. Vergleichsbeispiel 3 erhaltenen Katalysatorträger sind in Figuren 1, 2 bzw. 3 gezeigt.The X-ray diffraction analysis results of the catalyst supports obtained by firing at 1200°C for 15 hours in Examples 1 and 3 and Comparative Example 3 are shown in Figures 1, 2 and 3, respectively.
Wie aus den Röntgenstrahl-Beugungsdiagrammen ersichtlich, umfaßt die Kristallstruktur der Silika-Aluminiumoxid- Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung Mullit (3Al&sub2;O&sub3;-2SiO&sub2;) und θ-Al&sub2;O&sub3;, wogegen diejenige des Vergleichsbeispiels in α-Al&sub2;O&sub3; umgewandelt ist.As can be seen from the X-ray diffraction patterns, the crystal structure of the silica-alumina compositions of the present invention comprises mullite (3Al₂O₃-2SiO₂) and θ-Al₂O₃, whereas that of the Comparative Example is converted to α-Al₂O₃.
Dann wurden die durch eine Befeuerung bei 500ºC über 3 h, bei 1000ºC über 15 h und bei 1200ºC über 15 h in den obigen Beispielen und Vergleichsbeispielen erhaltenen Katalysatorträger bezüglich der spezifischen Oberflächenfläche (m²/g), des Porenvolumens (ml/g) und der Porenverteilung (%) sowie bezüglich des Anteils an Poren mit einem Durchmesser von 100 Å oder mehr, bezogen auf das Gesamtporenvolumen, und das Volumen (ml/g) an Poren mit einem Durchmesser von 100 bis 400 Å gemessen. Die Meßergebnisse sind in den folgenden Tabellen 1 bis 3 angegeben. In Tabelle 1 sind auch die NMR-Ergebnisse angegeben. TABELLE 1 (Nach Befeuerung bei 500ºC 3 h lang) Beispiel Silika (Gew.%) Aluminiumoxid (Gew.%) Spezif. Oberfläche (m²/g) Porenvolumen (ml/g) Porenverteilung (%) Å Durchmesser 400 oder größer Volumen an Poren mit Durchmesser von 100 Å oder mehr / Gesamtporenvolumen Volumen an Poren mit Durchmesser von 100-400 Å TABELLE 2 (Nach Befeuerung bei 1000ºC 15 h lang) Silika (Gew.%) Aluminiumoxid (Gew.%) Spezif. Oberfläche (m²/g) Porenvolumen (ml/g) Porenverteilung (%) Å Durchmesser 400 oder größer Volumen an Poren mit Durchmesser von 100 Å oder mehr / Gesamtporenvolumen Volumen an Poren mit Durchmesser von 100-400 Å TABELLE 3 (Nach Befeuerung bei 1000ºC 15 h lang) Silika (Gew.%) Aluminiumoxid (Gew.%) Spezif. Oberfläche (m²/g) Porenvolumen (ml/g) Porenverteilung (%) Å Durchmesser 400 oder größer Volumen an Poren mit Durchmesser von 100 Å oder mehr / Gesamtporenvolumen Volumen an Poren mit Durchmesser von 100-400 ÅThen, the catalyst supports obtained by firing at 500°C for 3 hours, at 1000°C for 15 hours and at 1200°C for 15 hours in the above Examples and Comparative Examples were measured for specific surface area (m²/g), pore volume (ml/g) and pore distribution (%), as well as the proportion of pores having a diameter of 100 Å or more based on the total pore volume and the volume (ml/g) of pores having a diameter of 100 to 400 Å. The measurement results are shown in Tables 1 to 3 below. Table 1 also shows the NMR results. TABLE 1 (After firing at 500ºC for 3 hours) Example Silica (wt%) Alumina (wt%) Specific surface area (m²/g) Pore volume (ml/g) Pore distribution (%) Å diameter 400 or larger Volume of pores with diameter 100 Å or more / total pore volume Volume of pores with diameter 100-400 Å TABLE 2 (After firing at 1000ºC for 15 hours) Silica (wt%) Alumina (wt%) Specific surface area (m²/g) Pore volume (ml/g) Pore distribution (%) Å diameter 400 or larger Volume of pores with diameter 100 Å or more / total pore volume Volume of pores with diameter 100-400 Å TABLE 3 (After firing at 1000ºC for 15 hours) Silica (wt%) Alumina (wt%) Specific surface area (m²/g) Pore volume (ml/g) Pore distribution (%) Å diameter 400 or larger Volume of pores with diameter 100 Å or more / total pore volume Volume of pores with diameter 100-400 Å
Bezüglich der oben angegebenen physikalischen Eigenschaften wurde die spezifische Oberflächenfläche (m²/g) mit einem Meßgerät für die spezifische Oberflächenfläche vom BET-Typ gemessen, worin Stickstoffgas als Absorptionsgas verwendet wurde. Die Porenverteilung wurde ermittelt, indem eine Absorptionsisotherme mit einem Ominisorp, hergestellt von Omicron Co., Ltd., aufgefunden und eine Berechnung gemäß dem Verfahren von Cranston-Inkley/BJH [Advances in Catalysis, 9, 143 (1970); J. A. C. S. 73, 373 (1951)] durchgeführt wurden, und zwar unter Anwendung eines Realtivdrucks.Regarding the above physical properties, the specific surface area (m²/g) was measured with a BET type specific surface area meter using nitrogen gas as an absorption gas. The pore distribution was determined by finding an absorption isotherm with an Ominisorp manufactured by Omicron Co., Ltd. and performing calculation according to the method of Cranston-Inkley/BJH [Advances in Catalysis, 9, 143 (1970); J. A. C. S. 73, 373 (1951)], using a relative pressure.
Dann wurde eine Hitzebeständigkeitsabschätzung durchgeführt, bezogen auf die spezifischen Oberflächenflächen der obigen Katalysatorträger, die bei 1200ºC an Luft 15 h, 100 h bzw. 300 h lang einer Befeuerung unterzogen waren. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 angegeben. TABELLE 4 Träger Nrn. Vergleichsbeispiel BeispielThen, heat resistance estimation was carried out based on the specific surface areas of the above catalyst supports subjected to firing at 1200 °C in air for 15 h, 100 h and 300 h, respectively. The results are shown in Table 4. TABLE 4 Beam No. Comparison Example Example
Es sollte klar sein, daß, obwohl Tabelle 4 Ergebnisse betrifft, die an bei 1200ºC an Luft befeuerten Produkten erhalten wurden, von ähnlichen Abbautendenzen bei Produkten auszugehen ist, die bei niedrigeren Temperaturen von nicht mehr als 1200ºC behandelt wurden.It should be clear that although Table 4 relates to results obtained on products fired at 1200ºC in air, similar degradation trends are expected for products which have been treated at lower temperatures of not more than 1200ºC.
Die in Beispiel 1 hergestellten Niederschläge wurden abfiltriert, gewaschen, bei 120ºC 20 h lang getrocknet und in einer Kugelmühle pulverisiert. Das Produkt wurde mit Wasser zu einem Ton verknetet, der dann mit einem Extruder extrudiert wurde, der mit einer Matrize mit einer Vielzahl von Löchern mit jeweils einem Durchmesser von 9,15 cm ausgerüstet war, um einen runden Stab zu erhalten. Danach wurde der Stab bei 120ºC an Luft getrocknet und dann bei 500ºC 3 h lang an Luft einer Befeuerung unterzogen, um einen Katalysatorträger zu erhalten.The precipitates prepared in Example 1 were filtered, washed, dried at 120°C for 20 hours and pulverized in a ball mill. The product was kneaded with water into a clay, which was then extruded with an extruder equipped with a die having a plurality of holes each having a diameter of 9.15 cm to obtain a round rod. Thereafter, the rod was dried at 120°C in air and then subjected to firing at 500°C in air for 3 hours to obtain a catalyst carrier.
Im Handel erhältliche erstklassige Salpetersäure wurde zu entionisiertem Wasser gegeben, um eine 0,1 N wäßrige Salpetersäurelösung herzustellen, und es wurden 1,6 g Palladiumchlorid zugefügt und erhitzt und in 1 l dieser wäßrigen Lösung aufgelöst, um eine palladiumhaltige Lösung herzustellen.Commercially available premium nitric acid was added to deionized water to prepare a 0.1 N aqueous nitric acid solution, and 1.6 g of palladium chloride was added and heated and dissolved in 1 L of this aqueous solution to prepare a palladium-containing solution.
Zwanzig (20) ml des genannten stabförmigen Katalysatorträgers wurden in 25 ml dieser Lösung getaucht, wobei dann Palladium auf den Träger in einer Menge von 0,024 g/20 ml durch ca. 2- stündiges langsames Rühren aufgebracht war. Nach Waschen mit entionisiertem Wasser wurde das Produkt bei 120ºC 12 h lang an Luft getrocknet und ferner bei 500ºC 3 h lang an Luft befeuert.Twenty (20) ml of the above rod-shaped catalyst support was immersed in 25 ml of this solution, and then palladium was supported on the support in an amount of 0.024 g/20 ml by slowly stirring for about 2 hours. After washing with deionized water, the product was dried in air at 120°C for 12 hours and further fired in air at 500°C for 3 hours.
In ähnlicher Weise wie oben wurden die Zusammensetzungen der Beispiele 2 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 als Träger herangezogen, um mit Palladium beaufschlagt zu werden, wodurch entsprechende Katalysatoren hergestellt wurden.In a similar manner as above, the compositions of Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 to 5 were Carriers were used to deposit palladium, thereby producing corresponding catalysts.
Eine Mischung aus 1 % CO, 4 % O&sub2; und dem Rest aus N&sub2; wurde als Reaktionsgas herangezogen, und sie wurde unter Bedingungen einer Volumengeschwindigkeit von 30000 V/h/V und einer Reaktionstemperatur eines Rohr-Erhitzungsofens von 250ºC durch ein Reaktionsgefäß aus einem Quarzglasrohr mit einem Innendurchmesser von 12,7 mm (und einem Volumen von 1,9 cm³) geleitet, das mit jedem der in Tabelle 5 angegebenen Katalysatoren befüllt war. Nachdem die Einlaßöffnung des Reaktionsgefäßes auf eine Temperatur von 250ºC angehoben und bei dieser Temperatur stabil gehalten wurde, analysierte man die am Auslaß des Reaktionsgefäßes austretenden Gase durch Gaschromatographie. Anzumerken ist, daß Katalysatoren eingesetzt wurden, die einer Befeuerung bei 500ºC 3 h, bei 1000ºC 100 h bzw. bei 1200ºC 100 h lang unterzogen waren. Die gemessenen Ergebnisse der CO-Umwandlung sind in Tabelle 5 angegeben. TABELLE 5 Träger Nrn. Vergleichsbeispiel BeispielA mixture of 1% CO, 4% O₂ and the balance N₂ was used as a reaction gas, and it was passed through a reaction vessel made of a quartz glass tube having an inner diameter of 12.7 mm (and a volume of 1.9 cm³) filled with each of the catalysts shown in Table 5 under conditions of a volume velocity of 30,000 V/h/V and a reaction temperature of a tube heating furnace of 250 °C. After the inlet port of the reaction vessel was raised to a temperature of 250 °C and kept stable at that temperature, the gases emitted from the outlet of the reaction vessel were analyzed by gas chromatography. Note that catalysts subjected to firing at 500 °C for 3 hours, at 1000 °C for 100 hours and at 1200 °C for 100 hours were used, respectively. The measured results of CO conversion are given in Table 5. TABLE 5 Beam No. Comparison Example Example
Aus Tabelle 5 ist ersichtlich, daß die Katalysatoren der vorliegenden Erfindung keinen deutlichen Unterschied bei der Reaktivität gegenüber Vergleichskatalysatoren ergeben, solange sie nur einer Behandlung bei niedriger Temperatur wie einer 3-stündigen Befeuerung bei 500ºC unterzogen waren; sie zeigen allerdings immer noch einen hohen Wert bei der CO- Umwandlung, wenn sie einer Behandlung bei hoher Temperatur wie einer Bef euerung bei 1000 und 1200ºC unterzogen waren.From Table 5, it can be seen that the catalysts of the present invention show no significant difference in reactivity over comparative catalysts when subjected to only low temperature treatment such as firing at 500°C for 3 hours, but still show high CO conversion when subjected to high temperature treatment such as firing at 1000 and 1200°C.
Zur Untersuchung der Haltbarkeit der Katalysatoren wurden beschleunigte Haltbarkeitstests mit den bei 1000 und 1200ºC befeuerten Produkten durchgeführt. Gemäß dem beschleunigten Haltbarkeitstest wurde jeder Katalysator in einen elektrischen Ofen gegeben, worin er auf 1000ºC erhitzt wurde, wobei Wasserdampf mit einem Wasser/Luft-Molenbruch von 0,029 hindurchgeleitet und das ganze bei dieser Temperatur 200 bis 500 h lang gehalten wurde um die spezifische Oberflächenfläche (ml/g) des Katalysators zu ermitteln. Die eingesetzten Katalysatoren wurden mit den in Beispielen 1, 3 und 5 und Vergleichsbeispielen 2 und 3 hergestellten Katalysatorträgern erhalten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 angegeben. TABELLE 6 1000ºC ohne Zufuhr von Wasser 1000ºC mit Zufuhr von Wasser Haltezeit Vergleichsbeispiel BeispielTo investigate the durability of the catalysts, accelerated durability tests were carried out on the products fired at 1000 and 1200°C. According to the accelerated durability test, each catalyst was placed in an electric furnace, heated to 1000°C while passing steam having a water/air mole fraction of 0.029 and kept at this temperature for 200 to 500 hours to determine the specific surface area (ml/g) of the catalyst. The catalysts used were obtained with the catalyst supports prepared in Examples 1, 3 and 5 and Comparative Examples 2 and 3. The results are shown in Table 6. TABLE 6 1000ºC without water supply 1000ºC with water supply Holding time Comparison example Example
Es ergab sich auch keine wesentliche Änderung bei der Porenverteilung, was bedeutet, daß die Katalysatoren verlängerte Einsatz zeiträume unter Hochtemperaturbedingungen aus zuhalten vermögen.There was also no significant change in the pore distribution, which means that the catalysts can withstand extended periods of use under high temperature conditions.
Bevorzugte Ausgestaltungsformen der Katalysatorträger der vorliegenden Erfindung werden nun beschrieben.Preferred embodiments of the catalyst supports of the present invention will now be described.
Es wurde in obigem Beispiel 1 die Silika-Aluminiumoxid- Zusammensetzung (nachfolgend bezeichnet mit Zusammensetzung A) erhalten, mit einem Hauptpeak in einer Position, bei der das Aluminium zu Silizium-Atomverhältnis einer Teilmenge mit einer darin gebildeten Silika-Bindung 4 zu 3 betrug, welche einen Silika-Gehalt von 10 Gew.% aufwies. Die Ergebnisse der ²&sup9;Si-NMR-Messung dieser Zusammensetzung sind in Fig. 4 veranschaulicht. Die Messung wurde durch Messung des ²&sup9;Si- Kerns bei 53,54 MHz gemäß dem CP/MAS-(Cross Polarization/Magic Angle Spinning)-Verfahren durchgeführt. Silikon-Gummi wurde als Standard-Substanz verwendet. Aus Fig. 4 wurden die folgenden Ergebnisse erhalten.The silica-alumina composition (hereinafter referred to as composition A) having a main peak at a position where the aluminum to silicon atomic ratio of a portion having a silica bond formed therein was 4 to 3 and having a silica content of 10 wt% was obtained in Example 1 above. The results of 29Si NMR measurement of this composition are illustrated in Fig. 4. The measurement was carried out by measuring the 29Si nucleus at 53.54 MHz according to the CP/MAS (Cross Polarization/Magic Angle Spinning) method. Silicone rubber was used as a standard substance. From Fig. 4, the following results were obtained.
Fläche (-50 bis -80 ppm) / Fläche (-50 bis -130 ppm) = 0,27Area (-50 to -80 ppm) / Area (-50 to -130 ppm) = 0.27
Fläche (-110 bis -130 ppm) / Fläche (-50 bis -130 ppm) = 0,05Area (-110 to -130 ppm) / Area (-50 to -130 ppm) = 0.05
Ebenfalls erhalten wurden 3 Feuerungsprodukte durch 15-, 100- und 200-stündige Befeuerung bei 1200ºC.Three combustion products were also obtained by firing for 15, 100 and 200 hours at 1200ºC.
Die Silika-Aluminiumoxid-Zusammensetzung von Beispiel 2 weist einen Hauptpeak in einer Position auf, bei der das Aluminium zu Silika-Verhältnis einer Teilmenge mit einer darin gebildeten Silika-Bindung 4 zu 3 beträgt, während die Zusammensetzung von Beispiel 3 einen Peak bei 4 zu 3 und die Zusammensetzung von Beispiel 4 einen Hauptpeak bei 4 zu 3 aufweisen.The silica-alumina composition of Example 2 has a main peak in a position where the aluminum to silica ratio of a subset having a formed silica bond is 4 to 3, while the composition of Example 3 has a peak at 4 to 3 and the composition of Example 4 has a main peak at 4 to 3.
Die Aluminiumoxid-Silika-Zusammensetzungen aus Beispielen 1, 2, 3 und 4 sowie aus Vergleichsbeispiel 4 wurden mit Wasser gewaschen, bei 120ºC an Luft 12 h lang getrocknet und dann bei 500ºC an Luft 3 h lang einer Befeuerung unterzogen, um bei 500ºC befeuerte Produkte zu erhalten.The alumina-silica compositions of Examples 1, 2, 3 and 4 and Comparative Example 4 were washed with water, dried at 120 °C in air for 12 hours and then subjected to firing at 500 °C in air for 3 hours to obtain 500 °C fired products.
Die ²&sup9;Si-NMR-Messung wurde mit den bei 500ºC befeuerten Produkten an den oben hergestellten Katalysatorträgern durchgeführt. Die Ergebnisse sind jeweils in Fig. 4 bis 7 angegeben. Auf der Grundlage der Ergebnisse der NMR-Messung wurden die Gesamtfläche S, definiert durch die Referenzlinie A und die Kurve, sowie die Flächen s' und s", definiert durch die Absorptionsstärkekurven und die Referenzlinie A, von -50 bis -80 ppm bzw. von -110 bis -130 ppm ermittelt und die s'/S- und s"/S-Verhältnisse berechnet. TABELLE 7 Beispiel29Si NMR measurement was carried out on the products fired at 500°C on the catalyst supports prepared above. The results are shown in Figs. 4 to 7, respectively. Based on the results of NMR measurement, the total area S defined by the reference line A and the curve, and the areas s' and s", defined by the absorption strength curves and the reference line A were determined to be from -50 to -80 ppm and from -110 to -130 ppm, respectively, and the s'/S and s"/S ratios were calculated. TABLE 7 Example
(Die Messung wurde mit Silikon-Gummi (-21,9 ppm) als Referenz-Peak durchgeführt.)(The measurement was carried out using silicone rubber (-21.9 ppm) as a reference peak.)
Es ist anzumerken, daß die s'/S- und s"/S-Werte aus Fig. 4 für Beispiel 1, aus Fig. 5 für Beispiel 5, aus Fig. 6 für Vergleichsbeispiel 4 und aus Fig. 7 für Vergleichsbeispiel 5 erhalten sind. Ebenfalls sollte erkennbar und zu verstehen sein, daß bezüglich der s'/S- und s"/S-Werte der durch Befeuerung bei 1200ºC hergestellten 3 Feuerungsprodukte die erhaltenen Ergebnisse ähnlich zu denjenigen ausfielen, die mit dem bei 500ºC bef euerten Produkt erhalten wurden.It should be noted that the s'/S and s"/S values are obtained from Fig. 4 for Example 1, from Fig. 5 for Example 5, from Fig. 6 for Comparative Example 4 and from Fig. 7 for Comparative Example 5. It should also be recognized and understood that with respect to the s'/S and s"/S values, the For the 3 firing products produced by firing at 1200ºC, the results obtained were similar to those obtained with the product fired at 500ºC.
Die Beziehungen zwischen den Herstellungsbedingungen und den s'/S- und s"/S-Werten in Beispielen 3 und 5 sind nachfolgend aufgezeigt. BEISPIEL 3 (ohne Alterungsmittel) pH bei Fällung von Aluminiumoxid-Hydrogel pH bei Alterung BEISPIEL 5 (mit Alterungsmittel) pH bei Fällung von Aluminiumoxid-Hydrogel pH bei AlterungThe relationships between the manufacturing conditions and the s'/S and s"/S values in Examples 3 and 5 are shown below. EXAMPLE 3 (without ageing agent) pH during precipitation of alumina hydrogel pH during ageing EXAMPLE 5 (with ageing agent) pH during precipitation of alumina hydrogel pH during ageing
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, läßt sich eine hohe spezifische Oberflächenfläche mit den erfindungsgemäßen Katalysatorträgern in einem bevorzugteren Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten.As can be seen from the above, a high specific surface area can be obtained with the catalyst supports of the present invention in a more preferable range according to the present invention.
Es erfolgt nun eine Beschreibung von Katalysatorträger- Formkörpern der vorliegenden Erfindung.A description will now be given of catalyst support molded bodies of the present invention.
Katalysatorträger-Formkörper der vorliegenden Erfindung werden durch ein erstes Verfahren erhalten, wobei man die Silika-Aluminiumoxid-Zusammensetzungen einer Formgebung unterzieht, die beim vorgenannten ersten Katalysatorträger hergestellt wurden, oder wobei man auf dem erhaltenen Formkörper eine Katalysatorträgerschicht mit hoher Oberflächenfläche des weiteren ausbildet, welche eine Silika-Aluminumoxid-Zusammensetzung umfaßt; ein zweites Verfahren beruht darauf, daß man eine Mischung aus einem keramischen Material wie Cordierit oder Mullit mit den genannten Silika-Aluminiumoxid-Zusammensetzungen einem Formgebungsverfahren unterzieht; oder man führt ein drittes Verfahren durch, wobei man eine Katalysatorträgerschicht mit hoher Oberflächenfläche, die die genannten Silika-Aluminiumoxid- Zusammensetzungen umfaßt, auf einem keramischen Formkörper ausbildet, der durch Formung von Cordierit, Mullit usw. erhältlich ist.Catalyst carrier molded bodies of the present invention are obtained by a first process of molding the silica-alumina compositions prepared in the aforementioned first catalyst carrier or by forming on the obtained molded body further forms a catalyst support layer with a high surface area which comprises a silica-alumina composition; a second method is based on subjecting a mixture of a ceramic material such as cordierite or mullite with said silica-alumina compositions to a molding process; or a third method is carried out in which a catalyst support layer with a high surface area which comprises said silica-alumina compositions is formed on a ceramic molded body which is obtainable by molding cordierite, mullite, etc.
Was nun das erste Verfahren betrifft, werden Niederschläge aus Silika-Aluminiumoxid, die im Zusammenhang mit der Herstellung des vorgenannten ersten Katalysatorträgers dargelegt sind, getrocknet und, falls erforderlich, pulverisiert, um Pulver zu erhalten, denen dann im Rahmen einer Befeuerungsmaßnahme, oder auch ohne eine solche, Wasser zugefügt wird, worauf durch Feuchtigkeitseinfluß eine Konditionierung und Vermischung erfolgt. Alternativ dazu, können die Niederschläge (Hydrogel) miteinander verinischt werden. Die Silika-Aluminiumoxid-Zusammensetzung kann dann fein pulverisiert und unter Zugabe eines Binders wie von Methylzellulose, Polyvinlyalkohol oder Stärke ausgeformt werden. Zur Erleichterung der Formgebung können die Pulver auch mit Wasser und einem Mittel zur Steuerung der Verdampfung von Feuchtigkeit beim Trocknen wie z. B. mit Glycerin oder Ethylenglycol beaufschlagt und vermischt werden. Falls der Formkörper eine Wabenform aufweist, werden die Pulver mit einem Extruder mit einer Gitter-Düse extrudiert, dann getrocknet und schließlich bei 400 bis 1400ºC, vorzugsweise bei 500 bis 1200ºC, an Luft einer Befeuerung unterzogen. Ferner kann die Silika-Aluminiumoxid- Zusammensetzung auf die so erhaltenen Formkörper durch ein Wach-Überzugsverfahren in einer später zu beschreibenden Weise laminiert werden.As for the first method, silica-alumina precipitates prepared in connection with the preparation of the aforementioned first catalyst support are dried and, if necessary, pulverized to obtain powders, to which water is then added with or without firing, followed by conditioning and mixing by exposure to moisture. Alternatively, the precipitates (hydrogel) may be mixed together. The silica-alumina composition may then be finely pulverized and molded with the addition of a binder such as methyl cellulose, polyvinyl alcohol or starch. To facilitate molding, the powders may also be treated and mixed with water and an agent for controlling the evaporation of moisture during drying, such as glycerine or ethylene glycol. If the molded body has a honeycomb shape, the powders are extruded using an extruder with a grid nozzle, then dried and finally subjected to firing in air at 400 to 1400°C, preferably at 500 to 1200°C. Furthermore, the silica-alumina composition can be applied to the molded bodies thus obtained by a wax coating process in a manner to be described later.
Gemäß dem zweiten Verfahren wird ein fein pulverisiertes keramisches Material, das einer Vorreaktion unterzogen wurde, mit der fein pulverisierten Silika-Aluminiumoxid- Zusammensetzung vermischt, die bei der Herstellung des vorgenannten ersten Katalysatorträgers hergestellt wurde. Als in der vorliegenden Erfindung einsetzbare keramische Materialien kann von jedem sinterfähigen Material Gebrauch gemacht werden, das den hitzebeständigen Katalysatorträger- Formkörpern mechanische und thermische Festigkeit und Beständigkeit zu verleihen vermag. Bevorzugt sind Cordierit, Mullit, Ton, Talk, Zirkonoxid, Zirkonoxid-Spinell, Aluminiumoxid, Silika, Lithiumaluminiumsilikat oder Aluminiumoxid-Zirkonoxid-Kompositmaterialien.According to the second method, a finely pulverized ceramic material that has been subjected to a pre-reaction is mixed with the finely pulverized silica-alumina composition that was prepared in the preparation of the above-mentioned first catalyst carrier. As the ceramic materials that can be used in the present invention, use can be made of any sinterable material that can impart mechanical and thermal strength and durability to the heat-resistant catalyst carrier molded bodies. Cordierite, mullite, clay, talc, zirconia, zirconia spinel, alumina, silica, lithium aluminum silicate or alumina-zirconia composite materials are preferred.
Bei den vorgenannten keramischen Materialien liegt der Mengenanteil der Silika-Aluminiumoxid-Zusammensetzung vorzugsweise in einem Bereich von 30 bis 60 Gew.%. Der Zweck der Verwendung des einer Vorreaktion unterzogenen keramischen Materials beruht teilweise darauf, vorab eine Cordierit- Kristallstruktur herzustellen und diese erst in einer späteren Stufe mit den Silika-Aluminiumoxid-Pulvern zu vermischen, wodurch ein weiteres Wachstum der Cordierit- Kristalle bei einer relativ niedrigen Temperatur (1000 bis 1100ºC) in der Feuerungsstufe bewerkstelligt wird.In the above-mentioned ceramic materials, the proportion of the silica-alumina composition is preferably in a range of 30 to 60 wt.%. The purpose of using the pre-reacted ceramic material is partly to produce a cordierite crystal structure in advance and to mix it with the silica-alumina powders only at a later stage, thereby achieving further growth of the cordierite crystals at a relatively low temperature (1000 to 1100°C) in the firing stage.
Die Mischung kann dann unter Zugabe eines Binders wie von Methylzellulose, Polyvinylalkohol oder Stärke geformt werden. Zur Erleichterung der Formgebung kann die Mischung auch mit Wasser und einem Mittel zur Steuerung der Verdampfung von Feuchtigkeit beim Trocknen wie z. B. von Glycerin oder Ethylenglycol beaufschlagt und einem Knetverfahren unterzogen werden. Falls der Formkörper eine Wabenforin aufweist, wird das verknetete Produkt dann mit einem Extruder mit einer Gitter-Düse extrudiert, anschließend getrocknet und schließlich bei 400 bis 1400ºC, vorzugsweise bei 500 bis 1200ºC, an Luft einer Befeuerung unterzogen.The mixture can then be molded by adding a binder such as methyl cellulose, polyvinyl alcohol or starch. To facilitate molding, the mixture can also be treated with water and an agent for controlling the evaporation of moisture during drying, such as glycerin or ethylene glycol, and subjected to a kneading process. If the molded body has a honeycomb shape, the kneaded product is then extruded with an extruder with a grid nozzle, then dried and finally subjected to firing in air at 400 to 1400ºC, preferably at 500 to 1200ºC.
Gemäß dem dritten Verfahren wird eine Überzugsschicht aus Silika-Aluminiumoxid gemäß der vorliegenden Erfindung auf einem vorgeformten keramischen Formkörper mit Wabenform durch ein später zu beschreibendes Wasch-Überzugsverfahren gebildet. Keramische Waben-Formkörper werden hergestellt, indem man einen Binder, Wasser und ein Mittel zur Steuerung der Verdampfung von Feuchtigkeit usw. einem keramischen Material, das bei Befeuerung in Cordierit umgewandelt werden soll, zufügt, das ganze verknetet und das verknetete Produkt mit einem Extruder mit einer Gitter-Düse extrudiert, worauf Trocknung und Befeuerung erfolgen.According to the third method, a coating layer of silica-alumina according to the present invention is formed on a preformed honeycomb ceramic molded article by a wash-coating method to be described later. Honeycomb ceramic molded articles are prepared by adding a binder, water and a moisture evaporation control agent, etc. to a ceramic material to be converted into cordierite upon firing, kneading them, and extruding the kneaded product with an extruder having a mesh die, followed by drying and firing.
Bezüglich des in den ersten und dritten Verfahren angewandten Wasch-Überzugsverfahrens werden die Niederschläge der Silika-Aluminiumoxid-Zusammensetzung zuerst bei 120ºC getrocknet und dann bei 500ºC 5 h lang und bei 1000ºC 5 h lang einer Befeuerung unterzogen, um verschiedene Typen von Pulvern zur Aufschlämmung herzustellen. Diese Pulver werden in Kombination verwendet. Pulver, die bei niedrigerer Temperatur befeuert wurden, sind bezüglich der spezifischen Oberflächenfläche gegenüber Pulvern im Vorteil, die bei höherer Temperatur befeuert wurden, wogegen Pulver, die bei höherer Temperatur befeuert wurden, gegenüber Pulvern, die bei niedrigerer Temperatur befeuert wurden, bezüglich des Grades des Fortschreitens der Sinterung höherwertig ausfallen, und das nach Sinterung eintretende Wärme-Schrumpfvermögen einer Überzugsschicht wird entsprechend vermindert, so daß die aufgebrachte Schicht fest und im wesentlichen unablösbar haftet.Regarding the washing coating method used in the first and third methods, the precipitates of the silica-alumina composition are first dried at 120°C and then subjected to firing at 500°C for 5 hours and at 1000°C for 5 hours to prepare various types of powders for slurry. These powders are used in combination. Powders fired at lower temperatures have an advantage in terms of specific surface area over powders fired at higher temperatures, whereas powders fired at higher temperatures have an advantage in terms of the degree of sintering progress over powders fired at lower temperatures, and the post-sintering heat shrinkage of a coating layer is correspondingly reduced so that the applied layer adheres firmly and is essentially irremovable.
Bezüglich der Teilchengröße der Überzugsmaterialpulver ist es von Bedeutung, daß sie auf eine Partikelgröße fein pulverisiert sind, die ausreicht, daß sie in Poren von 4 um eines Cordierit-Substrats eindringen können. Anders ausgedrückt, es ist bevorzugt, daß die bei 500 und 1000ºC befeuerten Produkte auf eine Durchschnitts-Teilchengröße bis 5 um herabgesetzt sind und Teilchen von 1 bis 10 um 80 % oder mehr ausmachen.Regarding the particle size of the coating material powders, it is important that they be finely pulverized to a particle size sufficient to penetrate 4 µm pores of a cordierite substrate. In other words, it is preferred that the products fired at 500 and 1000°C be reduced to an average particle size of up to 5 µm and that particles of 1 to 10 µm account for 80% or more.
Als Lösungsmittel zur Aufschlämmung kann andererseits eine Mischflüssigkeit aus Wasser und Glycerin verwendet werden. Glycerin übt einen Effekt auf die Steuerung der Verdampfungsgeschwindigkeit von Wasser beim Trocknen der Überzugsschicht aus. Je höher die Konzentration an Glycerin, desto langsamer vollzieht sich die Verdampfung von Wasser aus der Überzugsschicht, und desto geringer ist der Unterschied bei der Feuchtigkeitsmenge zwischen den tieferen und an der Oberfläche liegenden Teilbereichen der Überzugsschicht. Somit ist eine höhere Konzentration von Glycerin wirksam zur Verhinderung von Mikrorissen der Überzugsschicht, wozu beim Trocknungsverfahren eine gewisse Neigung besteht. Das Glycerin-zu-Wasser-Verhältnis liegt in geeigneter Weise in einem Bereich von 1/20 bis 1/3. Ebenfalls bevorzugt ist es, daß der Mengenanteil an Glycerin mit dem Anstieg bei der Dicke des durch 1 Tauchvorgang gebildeten Überzugsfilms angehoben wird. Zusätzlich zu Wasser und Glycerin können organische Binder, oberflächenaktive Mittel usw. zugefügt werden, einschließlich quaternäres Ammoniumsilikat, Aluminiumverbindungen und Phosphate und Nitrate von Magnesium oder Aluminiumoxid-Sol, Silika-Sol, Polyvinylalkohol und Methylzellulose, welche gewöhnlich als Binder für Aufschlämmungspartikel verwendet werden.On the other hand, as the solvent for slurrying, a mixed liquid of water and glycerin can be used. Glycerin has an effect of controlling the evaporation rate of water when drying the coating layer. The higher the concentration of glycerin, the slower the evaporation of water from the coating layer and the smaller the difference in the amount of moisture between the deeper and the surface portions of the coating layer. Thus, a higher concentration of glycerin is effective in preventing microcracks of the coating layer, which tend to occur in the drying process. The glycerin-to-water ratio is suitably in a range of 1/20 to 1/3. It is also preferable that the amount of glycerin is increased with the increase in the thickness of the coating film formed by 1 dipping process. In addition to water and glycerin, organic binders, surfactants, etc. may be added, including quaternary ammonium silicate, aluminum compounds and phosphates and nitrates of magnesium or alumina sol, silica sol, polyvinyl alcohol and methyl cellulose, which are commonly used as binders for slurry particles.
Der vorgenannte Formkörper wird in eine Aufschlämmung getaucht oder damit besprüht, welche die Aufschlämmungspulver, die Lösungsmittel zur Aufschlämmung, die organischen Binder und dergl. enthält, um ihn mit der Silika-Aluminiumoxid-Zusammensetzung im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu überziehen. Nachdem überschüssige Abscheidungen mit einem Inertgas (Stickstoff, usw.) abgespült worden sind, wird der überzogene Formkörper getrocknet und einer Befeuerungsmaßnahme unterzogen. Es wird bei einer Temperatur von 80 bis 200ºC, vorzugsweise von 90 bis 150ºC, an Luft getrocknet, und die Feuerungsmaßnahme wird durch Erhitzen auf 400 bis 1400ºC, vorzugsweise auf 500 bis 1200ºC, an Luft durchgeführt. Formkörper mit einem Überzug aus bei 1000ºC befeuerten Produkten waren denjenigen ähnlich, die mit einem bei 500ºC befeuerten Produkt erhalten wurden.The above-mentioned molded body is dipped in or sprayed with a slurry which Slurry powder containing solvents for slurrying, organic binders and the like for coating with the silica-alumina composition of the present invention. After excess deposits are purged with an inert gas (nitrogen, etc.), the coated molded article is dried and subjected to a firing operation. It is dried at a temperature of 80 to 200°C, preferably 90 to 150°C, in air, and the firing operation is carried out by heating to 400 to 1400°C, preferably 500 to 1200°C, in air. Molded articles coated from products fired at 1000°C were similar to those obtained from a product fired at 500°C.
Es sollte klar sein, daß die Formkörper eine jede von monolithischen Formen wie Formen aus säulenartigem und kugelförmigem Pellet, Wabe, Schaum und Faser aufweisen können. Besonders bevorzugt ist die Wabenform.It should be understood that the molded articles may have any of monolithic shapes such as columnar and spherical pellet, honeycomb, foam and fiber shapes. The honeycomb shape is particularly preferred.
Werden Katalysatorträger-Formkörper zu Verbrennungskatalysatoren ausgestaltet, werden sie hergestellt, indem man die Formkörper in eine Suspension taucht, der eine Mischung einer Säure (Essig-, Salpeter-, Salzsäure, usw.) oder eine Base (Ammoniumhydroxid, usw.) zugefügt ist, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung die entsprechenden Formkörper und/oder das entsprechende Hydrogel herangezogen werden. Bei Ausgestaltung zu Katalysatoren zur Reinigung von Abgasen aus Automobilen wird mindestens eine Metallkomponente aus Metallen der Gruppe VIII des Periodensystems, d. h. eine Metallkomponente der Eisengruppe, Eisen, Nickel oder Kobalt, oder die Edelmetalle Platin, Palladium, Iridium, Rhodium, Ruthenium oder Osmium, auf die Träger als katalytische aktive Metallkomponente aufgebracht. Eine bevorzugte aktive Metallkomponente ist mindestens eine aus Platin, Rhodium und Iridium. Diese aktiven Metallkomponenten werden in der Form von Oxiden auf die Träger in einer katalytisch wirksamen Menge aufgebracht, die vorzugsweise in einem Bereich von 0,001 bis 5 Gew.%, ganz besonders von 0,005 bis 2 Gew.%, liegt.If catalyst carrier molded bodies are designed to become combustion catalysts, they are produced by immersing the molded bodies in a suspension to which a mixture of an acid (acetic acid, nitric acid, hydrochloric acid, etc.) or a base (ammonium hydroxide, etc.) has been added, the corresponding molded bodies and/or the corresponding hydrogel being used within the scope of the present invention. When designed to become catalysts for cleaning exhaust gases from automobiles, at least one metal component from metals of group VIII of the periodic table, ie a metal component from the iron group, iron, nickel or cobalt, or the noble metals platinum, palladium, iridium, rhodium, ruthenium or osmium, is applied to the carrier as a catalytically active metal component. A preferred active metal component is at least one from platinum, rhodium and iridium. These active Metal components are applied to the supports in the form of oxides in a catalytically effective amount which is preferably in the range of 0.001 to 5 wt.%, particularly 0.005 to 2 wt.%.
Zugefügt zu bzw. verwendet werden für Silika-Aluminiumoxid- Zusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung können auch ein oder zwei oder mehrere Oxide eines Erdalkalimetalls wie von Barium, Calcium, Strontium, Zirkon oder Magnesium, eines Metalls der Gruppe III des Periodensystems der Elemente wie von Bor, Scandium oder Yttrium, eines Metalls der Gruppe IV des Periodensystems der Elemente wie von Titan, Zirkon oder Hafnium sowie eines seltenen Erdmetalls wie von Lanthan, Cer oder Thorium. Obwohl das Verfahren für deren Zugabe nicht kritisch ist, können sie in geeigneter Weise gleichzeitig mit der Ausfällung von Aluminiumoxid oder Silika mitgefällt werden.Also added to or used in silica-alumina compositions according to the present invention may be one or two or more oxides of an alkaline earth metal such as barium, calcium, strontium, zirconium or magnesium, a metal of Group III of the Periodic Table of the Elements such as boron, scandium or yttrium, a metal of Group IV of the Periodic Table of the Elements such as titanium, zirconium or hafnium, and a rare earth metal such as lanthanum, cerium or thorium. Although the method for their addition is not critical, they may be suitably coprecipitated simultaneously with the precipitation of alumina or silica.
Im folgenden werden Katalysatorträger-Formkörper sowie Verbrennungskatalysatoren, in denen diese Träger verwendet sind, unter Bezug auf Vergleichsbeispiele näher beschrieben.In the following, catalyst carrier moldings and combustion catalysts in which these carriers are used are described in more detail with reference to comparative examples.
Die in Beispiel 1 hergestellten Niederschläge wurden abf iltriert, mit einer wäßrigen Lösung von Ammoniumcarbonat gewaschen und bei 120ºC 20 h lang getrocknet. Danach wurden einhundert (100) Gew.-Teile des getrockneten Produkts bei 500ºC 3 h lang einer Befeuerung unterzogen und danach in einer Kugelmühle auf 3 bis 20 um pulverisiert. Das pulverisierte Produkt wurde beaufschlagt und verknetet mit 5 Gew.-Teilen Methylzellulose, 10 Gew.-Teilen Glycerin und 30 Gew.-Teilen Wasser in einem Schraubenkneter über eine Dauer von 30 Minuten, um einen embryonischen Ton zur Extrusionsformung herzustellen.The precipitates prepared in Example 1 were filtered, washed with an aqueous solution of ammonium carbonate, and dried at 120°C for 20 hours. Thereafter, one hundred (100) parts by weight of the dried product was subjected to firing at 500°C for 3 hours and then pulverized to 3 to 20 µm in a ball mill. The pulverized product was charged and kneaded with 5 parts by weight of methyl cellulose, 10 parts by weight of glycerin, and 30 parts by weight of water in a screw kneader for 30 minutes to prepare an embryonic clay for extrusion molding.
Dieses Produkt wurde einem Extruder vom Schraubentyp zugeführt, um eine Wabenstruktur mit 50 mm Durchmesser x 1000 mm Länge, einschließend ein Flächengitter mit einer Wandstärke von 0,2 mm und an 1 Seite von 1,8 mm zu bilden. Dann wurde diese Struktur sehr schonend bei 80ºC 12 h, dann bei 100ºC 24 h und schließlich bei 120ºC 24 h lang getrocknet und anschließend auf 500ºC mit einer Erhitzungsgeschwindigkeit von 60ºC/h erhitzt, bei welcher Temperatur sie 3 h lang einer Feuerung unterzogen wurde, um einen Waben-Katalysatorträger-Formkörper der Silika- Aluminiumoxid-Zusammensetzung zu erhalten.This product was fed to a screw type extruder to form a honeycomb structure of 50 mm diameter x 1000 mm length including a surface grid with a wall thickness of 0.2 mm and 1 side of 1.8 mm. Then, this structure was very gently dried at 80ºC for 12 hours, then at 100ºC for 24 hours and finally at 120ºC for 24 hours and then heated to 500ºC at a heating rate of 60ºC/h, at which temperature it was subjected to firing for 3 hours to obtain a honeycomb catalyst support molded body of the silica-alumina composition.
Während Aluminiumoxid-Sol (ASK 110, hergestellt von Nishio Kogyo Co., Ltd.) in einem auf 80ºC erwärmten Kneter gerührt wurde, fügte man kolloidales Silika (Snowtex, hergestellt von Nissan Chemical Industries, Ltd.) zu und tropfte ferner langsam eine 1 N wäßrige Lösung von Ammoniumcarbonat zu, bis ein pH von 8,5 erreicht war. Nach Beendigung des Zutropfens wurde weitere 20 Minuten lang verknetet. Das Produkt wurde bei 120ºC 12 h lang getrocknet und zu Pulvern von 10 um pulverisiert, die dann bei 1000ºC 5 h lang und bei 1200ºC 5 h lang befeuert wurden. Bei der erhaltenen Zusammensetzung wurde ein Gehalt von 10 Gew.% Silika ermittelt. Unter Einsatz dieser Zusammensetzung wurde ein Waben-Katalysatorträger in ähnlicher Weise wie in Beispiel 7 erhalten.While alumina sol (ASK 110, manufactured by Nishio Kogyo Co., Ltd.) was stirred in a kneader heated to 80°C, colloidal silica (Snowtex, manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) was added thereto and a 1N aqueous solution of ammonium carbonate was further slowly added dropwise until a pH of 8.5 was reached. After the dropping was completed, kneading was continued for 20 minutes. The product was dried at 120°C for 12 hours and pulverized into 10 µm powders, which were then fired at 1000°C for 5 hours and at 1200°C for 5 hours. The resulting composition was found to contain 10 wt% of silica. Using this composition, a honeycomb catalyst carrier was obtained in a similar manner to Example 7.
Aluminiumoxid-Sol (ASK 110, hergestellt von Nishio Kogyo Co., Ltd.) und kolloidales Silika (Snowtex, hergestellt von Nissan Chemical Industries, Ltd.), beide bei 120ºC genügend getrocknet, wurden unabhängig voneinander pulverisiert und fein zerteilt. Beide Pulver wurden in einen Mörser so gegeben, daß ein SiO&sub2;/Al&sub2;O&sub3;-Gewichtsverhältnis von 10/90 erhalten wurde, worin sie miteinander genügend vermischt und getrocknet wurden. Nach Zugabe von Wasser zur Mischung wurde die Mischung weiter vermischt und danach zu einer Teilchenform getrocknet. Eine Pulverisierung ergab Pulver von 10 um. Die erhaltene Pulverformulierung wurde bei 1000 und 1200ºC jeweils 5 h lang einer Feuerungsmaßnahme unterzogen. Unter Einsatz der erhaltenen Zusammensetzung wurde ein Waben-Katalysatorträger in ähnlicher Weise wie in Beispiel 7 erhalten.Alumina sol (ASK 110, manufactured by Nishio Kogyo Co., Ltd.) and colloidal silica (Snowtex, manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.), both sufficiently dried at 120ºC, were independently pulverized and finely divided. Both powders were put into a mortar so as to obtain a SiO₂/Al₂O₃ weight ratio of 10/90, wherein they were sufficiently mixed together and dried. After adding water to the mixture, the mixture was further mixed and then dried to a particle form. Pulverization gave powders of 10 µm. The obtained powder formulation was subjected to firing at 1000 and 1200°C for 5 hours each. Using the obtained composition, a honeycomb catalyst carrier was obtained in a similar manner to Example 7.
An den bei 1200ºC 15 h lang befeuerten Produkten von Beispiel 7 und an den Produkten der Vergleichsbeispiele 6 und 7 wurden die spezifische Oberflächenfläche (m²/g), das Porenvolumen (ml/g) und die Porenverteilung (%) sowie der Anteil an Poren mit einem Durchmesser von 100 Å oder mehr, bezogen auf das Gesamtporenvolumen, und das Volumen (ml/g) an Poren mit einem Durchmesser von 100 bis 400 Å ermittelt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 9 angegeben. TABELLE 9 Beispiel Silika (Gew.%) Aluminiumoxid (Gew.%) Spezif. Oberfläche (m²/g) Porenvolumen (ml/g) Porenverteilung (%) Å Durchmesser 400 oder größer Volumen an Poren mit Durchmesser von 100 Å oder mehr / Gesamtporenvolumen Volumen an Poren mit Durchmesser von 100-400 ÅThe specific surface area (m²/g), pore volume (ml/g) and pore distribution (%), as well as the proportion of pores having a diameter of 100 Å or more based on the total pore volume and the volume (ml/g) of pores having a diameter of 100 to 400 Å were measured for the products of Example 7 fired at 1200 °C for 15 hours and the products of Comparative Examples 6 and 7. The results are shown in Table 9 below. TABLE 9 Example Silica (wt%) Alumina (wt%) Specific surface area (m²/g) Pore volume (ml/g) Pore distribution (%) Å diameter 400 or larger Volume of pores with diameter of 100 Å or more / total pore volume Volume of pores with diameter of 100-400 Å
Es wurde eine Abschätzung der Hitzebeständigkeit der vorgenannten Zusammensetzungen vorgenommen, indem deren spezifische Oberflächen nach 15-, 100- und 300-stündiger Befeuerung bei 1200ºC an Luft ermittelt wurden. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 10 angegeben. TABELLE 10 Träger Nrn. Vergleichsbeispiel BeispielAn estimate of the heat resistance of the above compositions was made by determining their specific surface areas after firing at 1200ºC in air for 15, 100 and 300 hours. The results are given in Table 10 below. TABLE 10 Beam Nos. Comparison Example Example
Es sollte berücksichtigt sein, daß, obwohl Tabelle 10 Ergebnisse an bei 1200ºC an Luft befeuerten Produkten betrifft, ähnliche Abbautendenzen auch bei niedrigeren Temperaturen von nicht höher als 1200ºC anzunehmen sind.It should be noted that although Table 10 concerns results on products fired at 1200ºC in air, similar degradation trends are also expected at lower temperatures not higher than 1200ºC.
Kaolin, Talk und Pulver aus Kugelton wurden in den jeweiligen Mengen von 3,8, 4,0 und 1,2 kg mit einem Spat-Fließmischer (hergestellt von Kawada, Ltd.) miteinander so genügend vermischt, daß die chemische Zusammensetzung der Hauptmenge aus 51 Gew.% Silika, 35 Gew.% Aluminiumoxid und 14 Gew.% Magnesiumoxid zusammengesetzt war, um ein Cordierit-bildendes Material zu formulieren. Es wurden der Formulierung 10 Teile Methylzellulose und eine geeignete Menge entionisiertes Wasser zugefügt, worauf in einem Kneter vermischt und verknetet wurde, um das Produkt zu einem durch Extrusion formbaren Zustand zu plastifizieren. Das Produkt wurde mit einem Extruder vom Kolbentyp extrudiert, der eine Düse mit einer Vielzahl von Löchern von jeweils 1,5 mm Durchmesser aufwies, um einen runden Stab zu erhalten, der dann in einem elektrischen Ofen, der auf eine Temperatur von 1300ºC eingestellt war, 4 h lang einer Befeuerung unterzogen wurde. Das Feuerungsprodukt wurde in einer Kugelmühle fein zu Cordieritpulvern zerteilt, die einer Vorreaktion unterzogen waren und eine Durchschnittsteilchengröße von 10 um aufwiesen.Kaolin, talc and ball clay powder in respective amounts of 3.8, 4.0 and 1.2 kg were mixed with each other sufficiently by a Spat flow mixer (manufactured by Kawada, Ltd.) so that the chemical composition of the main amount was 51 wt% of silica, 35 wt% of alumina and 14 wt% of magnesia to formulate a cordierite-forming material. 10 parts of methyl cellulose and an appropriate amount of deionized water were added to the formulation, followed by mixing and kneading in a kneader to plasticize the product to an extrusion-moldable state. The product was extruded by a piston type extruder having a nozzle with a plurality of holes each having a diameter of 1.5 mm to obtain a round rod, which was then heated in an electric furnace heated to a temperature of 1300°C. was subjected to firing for 4 hours. The firing product was finely divided in a ball mill into cordierite powders which had undergone a pre-reaction and had an average particle size of 10 µm.
Andererseits wurden die in Beispiel 1 hergestellten Niederschläge abfiltriert, mit einer wäßrigen Lösung von Ammoniumcarbonat gewaschen und bei 120ºC 3 h lang getrocknet. Anschließend wurden 100 Gew.-Teile des getrockneten Produkts bei 1500ºC 3 h lang befeuert und danach in einer Kugelmühle auf 3 bis 20 um pulverisiert. Dann wurden 4 Komponenten, umfassend 3 Gew.-Teile Methylzellulose, 0,3 Gew.-Teile Stearinsäure, 60 Gew.-Teile vorreagierten Cordierit und 40 Gew.-Teile der genannten Silika-Aluminiumoxid- Zusammensetzung, in einer Kugelmühle rotiert, bis sie gut miteinander vermischt waren. Dann wurde die Mischung aus der Kugelmühle entfernt und mit 40 Gew.-Teilen entionisiertem Wasser 30 Minuten lang in einem Schraubenkneter verknetet, um einen durch Extrusion formbaren embryonischen Ton herzustellen. Dann wurde der Ton einem Schraubenextruder zugeführt, um eine Wabenform von 45 mm Durchmesser und 100 mm Höhe zu bilden, die eine Flächenzellenstruktur mit einer Wandstärke von 0,40 mm und eine Zellendichte von 100/2,54 cm² aufwies.On the other hand, the precipitates prepared in Example 1 were filtered, washed with an aqueous solution of ammonium carbonate and dried at 120°C for 3 hours. Then, 100 parts by weight of the dried product was fired at 1500°C for 3 hours and then pulverized to 3 to 20 µm in a ball mill. Then, 4 components comprising 3 parts by weight of methyl cellulose, 0.3 parts by weight of stearic acid, 60 parts by weight of pre-reacted cordierite and 40 parts by weight of the above-mentioned silica-alumina composition were rotated in a ball mill until they were well mixed with each other. Then, the mixture was removed from the ball mill and kneaded with 40 parts by weight of deionized water in a screw kneader for 30 minutes to prepare an extrusion-moldable embryonic clay. Then, the clay was fed into a screw extruder to form a honeycomb mold of 45 mm in diameter and 100 mm in height, which had a planar cell structure with a wall thickness of 0.40 mm and a cell density of 100/2.54 cm2.
Dann wurde diese Wabenform mit einer Aluminiumfolie umhüllt und bei 110ºC 24 h mit Dampf getrocknet. Danach wurde das Produkt auf 1000ºC mit einer Erhitzungsgeschwindigkeit von 60ºC/h und anschließend auf 1200ºC mit einer Erhitzungsgeschwindigkeit von 30ºC/h erhitzt, bei welcher Temperatur es weitererhitzt wurde, um das keramische Material zu sintern, wodurch ein Waben-Katalysatorträger erhalten wurde.Then, this honeycomb shape was wrapped with an aluminum foil and dried with steam at 110ºC for 24 hours. After that, the product was heated to 1000ºC at a heating rate of 60ºC/h and then to 1200ºC at a heating rate of 30ºC/h, at which temperature it was further heated to sinter the ceramic material, thus obtaining a honeycomb catalyst carrier.
Ein Waben-Katalysatorträger wurde in ähnlicher Weise wie in Beispiel 8 erhalten, mit der Ausnahme, daß die Niederschläge von Vergleichsbeispiel 6 anstatt der in Beispiel 1 hergestellten Niederschläge verwendet wurden.A honeycomb catalyst carrier was obtained in a similar manner as in Example 8, except that the precipitates of Comparative Example 6 were used instead of the precipitates prepared in Example 1.
Ein Waben-Katalysatorträger wurde in ähnlicher Weise wie in Beispiel 8 erhalten, mit der Ausnahme, daß die Niederschläge von Vergleichsbeispiel 7 anstatt der in Beispiel 1 hergestellten Niederschläge verwendet wurden.A honeycomb catalyst carrier was obtained in a similar manner as in Example 8, except that the precipitates of Comparative Example 7 were used instead of the precipitates prepared in Example 1.
Physikalische Eigenschaften der Waben-Katalysatorträger, die auf diese Weise erhalten und bei 1200ºC 15 h lang befeuert wurden, sind in der folgenden Tabelle 11 angegeben. TABELLE 11 Porosität Axiale Bruchfestigkeit Spezifische Oberflächenfläche Beispiel VergleichsbeispielPhysical properties of the honeycomb catalyst supports thus obtained and fired at 1200 °C for 15 h are given in Table 11 below. TABLE 11 Porosity Axial fracture strength Specific surface area Example Comparative example
Anzumerken ist, daß die Porosität in %, die axiale Bruchfestigkeit in g/cm und die spezifische Oberflächenfläche in m²/g angegeben sind.It should be noted that the porosity is given in %, the axial breaking strength in g/cm and the specific surface area in m²/g.
An den in diesem Beispiel und den Vergleichsbeispielen hergestellten Feuerungsprodukten wurden die spezifische Oberflächenfläche (m²/g), das Porenvolumen (ml/g) und die Porenverteilung (%) sowie der Mengenanteil an Poren mit einem Durchmesser von 100 Å oder mehr, bezogen auf das Gesamtporenvolumen, und das Volumen (ml/g) an Poren mit einem Durchmesser von 100 bis 400 Å ermittelt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 12 angegeben. TABELLE 12 Beispiel Silika (Gew.%) Aluminiumoxid (Gew.%) Spezif. Oberfläche (m²/g) Porenvolumen (ml/g) Porenverteilung (%) Å Durchmesser 400 oder größer Volumen an Poren mit Durchmesser von 100 Å oder mehr / Gesamtporenvolumen Volumen an Poren mit Durchmesser von 100-400 ÅThe specific surface area (m²/g), pore volume (ml/g) and pore distribution (%) as well as the proportion of pores with a diameter of 100 Å or more, based on the Total pore volume and the volume (ml/g) of pores with a diameter of 100 to 400 Å were determined. The results are shown in Table 12 below. TABLE 12 Example Silica (wt%) Alumina (wt%) Specific surface area (m²/g) Pore volume (ml/g) Pore distribution (%) Å diameter 400 or larger Volume of pores with diameter of 100 Å or more / total pore volume Volume of pores with diameter of 100-400 Å
Es wurden die Werte für die spezifische Oberflächenfläche der Waben-Katalysatorträger ermittelt, die in Beispiel 8 und Vergleichsbeispielen 8 und 9 hergestellt und bei 1200ºC 15, 100, 200 und 300 h lang befeuert wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 13 in m²/g angegeben. TABELLE 13 Befeuerungszeit Beispiel VergleichsbeispielThe specific surface area values of the honeycomb catalyst supports prepared in Example 8 and Comparative Examples 8 and 9 and fired at 1200ºC for 15, 100, 200 and 300 hours were determined. The results are given in Table 13 in m²/g. TABLE 13 Firing time Example Comparison example
Die in Beispiel 1 hergestellten Niederschläge wurden abfiltriert, mit einer wäßrigen Lösung von Ammoniumcarbonat gewaschen und bei 1200ºC 20 h lang getrocknet. Danach wurde das getrocknete Produkt bei 950ºC 5 h lang befeuert und anschließend 3 h lang mit einem automatischen Mörser, hergestellt von Nitto Science Co., Ltd., zu Überzugspulvern mit einer Durchschnittsteilchengröße von 10 um fein pulverisiert. Dreihundert (300) g dieser Pulver, 10 g Ammoniumnitrat, 40g Glycerin und 650 g entionisiertes Wasser wurden vermischt und mit einem Labo-Rührer, hergestellt von Yamato Co., Ltd., 3 h lang oder länger verrührt, um eine Aufschlämmung herzustellen.The precipitates prepared in Example 1 were filtered off, washed with an aqueous solution of ammonium carbonate, and dried at 1200°C for 20 hours. Thereafter, the dried product was fired at 950°C for 5 hours and then finely pulverized for 3 hours with an automatic mortar manufactured by Nitto Science Co., Ltd. to obtain coating powders having an average particle size of 10 µm. Three hundred (300) g of these powders, 10 g of ammonium nitrate, 40 g of glycerin, and 650 g of deionized water were mixed and stirred with a Labo stirrer manufactured by Yamato Co., Ltd. for 3 hours or more to prepare a slurry.
Dann wurde ein wabenförmiger monolithischer Träger (hergestellt von NGK Insulators, Ltd., Durchmesser: 150 mm, Länge: 15 mm, 220,5 g und 0,26 l), gebildet aus zylindrischem Cordierit mit 210 Zellen pro 2,54 cm², in Wasser getaucht, um ihn mit Wasser zu versorgen, dann wurde er herausgenommen, wobei das in den Zellen verbliebene Wasser durch einen Luftstrom weggeblasen wurde.Then, a honeycomb monolithic support (manufactured by NGK Insulators, Ltd., diameter: 150 mm, length: 15 mm, 220.5 g and 0.26 L) formed of cylindrical cordierite with 210 cells per 2.54 cm2 was immersed in water to supply it with water, then it was taken out while blowing away the water remaining in the cells by an air stream.
Der Waben-Träger, der mit Wasser versorgt worden war, wurde 15 Minuten lang in die vorher hergestellte Aufschlämmung getaucht und dann herausgenommen, wobei überschüssige, in den Zellen verbliebene Aufschlämmung durch einen Luftstrom weggeblasen wurde. Der Träger, auf den die Aufschlämmung in dieser Weise aufgebracht war, wurde bei 130ºC 5 h lang getrocknet und des weiteren bei 1000ºC 5 h lang an Luft unter Einsatz eines elektrischen Ofens einer Befeuerungsmaßnahme unterzogen, um 18 g Überzugsfilm auf dem Träger zu bilden.The honeycomb support, which had been supplied with water, was immersed in the slurry prepared previously for 15 minutes and then taken out while blowing away excess slurry remaining in the cells by an air stream. The support on which the slurry was coated in this manner was dried at 130°C for 5 hours and further subjected to firing at 1000°C for 5 hours in air using an electric furnace to form 18 g of coating film on the support.
Ein Waben-Katalysatorträger wurde in ähnlicher Weise wie in Beispiel 9 erhalten, mit der Ausnahme, daß die Niederschläge von Vergleichsbeispiel 6 anstatt der in Beispiel 1 hergestellten Niederschläge verwendet wurden.A honeycomb catalyst carrier was obtained in a similar manner as in Example 9, except that the precipitates of Comparative Example 6 were used instead of the precipitates prepared in Example 1.
Ein Waben-Katalysatorträger wurde in ähnlicher Weise wie in Beispiel 9 erhalten, mit der Ausnahme, daß die Niederschläge von Vergleichsbeispiel 7 anstatt der in Beispiel 1 hergestellten Niederschläge verwendet wurden.A honeycomb catalyst carrier was obtained in a similar manner as in Example 9, except that the precipitates of Comparative Example 7 were used instead of the precipitates prepared in Example 1.
An den in diesem Beispiel und den Vergleichsbeispielen 15 h lang bei 1000ºC befeuerten Produkten wurden spezifische Oberflächenfläche (m²/g), Porenvolumen (ml/g) und Porenverteilung (%) sowie der Mengenanteil an Poren mit einem Durchmesser von 100 Å oder mehr , bezogen auf das Gesamtporenvolumen, und das Volumen (ml/g) an Poren mit einem Durchmesser von 100 bis 400 Å ermittelt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 14 angegeben. TABELLE 14 Beispiel Silika (Gew.%) Aluminiumoxid (Gew.%) Spezif. Oberfläche (m²/g) Porenvolumen (ml/g) Porenverteilung (%) Å Durchmesser 400 oder größer Volumen an Poren mit Durchmesser von 100 Å oder mehr / Gesamtporenvolumen Volumen an Poren mit Durchmesser von 100-400 ÅThe specific surface area (m²/g), pore volume (ml/g) and pore distribution (%), as well as the proportion of pores with a diameter of 100 Å or more based on the total pore volume and the volume (ml/g) of pores with a diameter of 100 to 400 Å were measured for the products fired at 1000ºC for 15 hours in this example and the comparative examples. The results are shown in Table 14 below. TABLE 14 Example Silica (wt%) Alumina (wt%) Specific surface area (m²/g) Pore volume (ml/g) Pore distribution (%) Å diameter 400 or larger Volume of pores with diameter of 100 Å or more / total pore volume Volume of pores with diameter of 100-400 Å
Es wurden Messungen an den Waben-Katalysatorträgern, die in Beispiel 9 und Vergleichsbeispiel 10 und 11 hergestellt und bei 100ºC 15, 100, 200 und 300 h lang befeuert wurden, mit dem Stickstoff-Absorptionsverfahren durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 15 in m²/g angegeben. TABELLE 15 Befeuerungszeit Beispiel VergleichsbeispielMeasurements were made on the honeycomb catalyst supports prepared in Example 9 and Comparative Examples 10 and 11 and fired at 100°C for 15, 100, 200 and 300 hours by the nitrogen absorption method. The results are shown in Table 15 below in m²/g. TABLE 15 Firing time Example Comparison example
Die in Beispiel 10 hergestellten Katalysatorträger-Formkörper wurden in eine wäßrige Lösung von Chloroplatinat in Salpetersäure (H&sub2;PtCl&sub6; x 6H&sub2;O, 0,47 g/200 ml 0,1 N HNO&sub3;) getaucht, um platinhaltigen Metallkatalysator auf den Katalysatorträger aufzubringen. Danach wurde das Produkt bei 80ºC 1 h lang mit Warmluft und anschließend 1 h lang bei 250ºC getrocknet. Im Anschluß daran wurde der getrocknete Katalysatorträger in eine wäßrige Lösung von Rhodiumchlorid (RhCl&sub6; x 3H&sub2;O, 0,045 g/200 ml 0,1 N HNO&sub3;) getaucht, um rhodiumhaltigen Metallkatalysator auf den Träger aufzutragen, worauf Warmlufttrocknung bei 80ºC erfolgte, um dadurch einen Katalysator A zu erhalten. Quantitative Analysen der in diesem Katalysator enthaltenen Edelmetalle ergaben, daß Platin mit 1,0 g/1 Katalysator und Rhodium in einer Menge von 0,1 g/l Katalysator vorhanden waren.The catalyst support moldings prepared in Example 10 were immersed in an aqueous solution of chloroplatinate in nitric acid (H2PtCl6 x 6H2O, 0.47 g/200 ml 0.1 N HNO3) to support platinum-containing metal catalyst on the catalyst support. The product was then dried at 80°C for 1 hour with warm air and then at 250°C for 1 hour. Thereafter, the dried catalyst support was immersed in an aqueous solution of rhodium chloride (RhCl6 x 3H2O, 0.045 g/200 ml of 0.1 N HNO3) to support rhodium-containing metal catalyst on the support, followed by warm air drying at 80°C to thereby obtain a catalyst A. Quantitative analyses of the noble metals contained in this catalyst revealed that platinum was present at 1.0 g/l of catalyst and rhodium was present at 0.1 g/l of catalyst.
In ähnlicher Weise wie oben wurden die in Beispielen 8 und 9 und Vergleichsbeispielen 6 bis 9 erhaltenen Zusammensetzungen als Träger eingesetzt, um mit Palladium beaufschlagt zu werden, wodurch weitere Katalysatoren hergestellt wurden.In a similar manner as above, the compositions obtained in Examples 8 and 9 and Comparative Examples 6 to 9 were used as a carrier to be loaded with palladium, thereby preparing further catalysts.
Eine Mischung aus 1 % CO, 4 % O&sub2; und dem Rest aus N&sub2; wurde als Reaktionsgas herangezogen und unter Bedingungen einer Volumengeschwindigkeit von 30000 V/h/V und einer Reaktionstemperatur eines Rohr-Erhitzungsofens von 250ºC durch ein Reaktionsgefäß aus einem Quarzglasrohr mit einem Innendurchmesser von 12,7 mm (und einem Volumen von 1,9 cm³) hindurchgeleitet, das mit jedem der in Tabelle l6 angegebenen Katalysatoren befüllt war. Nachdem der Einlaßbereich des Reaktionsgefäßes auf eine Temperatur von 250ºC angehoben und bei dieser Temperatur stabil gehalten wurde, analysierte man die Gase, die am Auslaß des Reaktionsgefäßes austraten, mit Gaschromatographie. Anzumerken ist, daß Katalysatoren eingesetzt und untersucht wurden, die bei 500ºC 3 h bzw. bei 1200ºC 100 h lang einer Befeuerung unterzogen waren. Die ermittelten Ergebnisse für die CO-Konversion sind in Tabelle 16 angegeben. TABELLE 16 Beispiel VergleichsbeispielA mixture of 1% CO, 4% O₂ and the balance N₂ was used as a reaction gas and passed through a reaction vessel made of a quartz glass tube having an inner diameter of 12.7 mm (and a volume of 1.9 cm³) filled with each of the catalysts shown in Table 16 under conditions of a volumetric velocity of 30,000 V/h/V and a reaction temperature of a tube heating furnace of 250°C. After the inlet portion of the reaction vessel was raised to a temperature of 250°C and kept stable at that temperature, the gases emitted from the outlet of the reaction vessel were analyzed by gas chromatography. It should be noted that catalysts subjected to firing at 500°C for 3 hours and at 1200°C for 100 hours were used and examined. The results obtained for CO conversion are given in Table 16. TABLE 16 Example Comparison example
Aus Tabelle 16 ist ersichtlich, daß die unter Verwendung der Träger der vorliegenden Erfindung hergestellten Katalysatoren keinen deutlichen Unterschied bei der Reaktivität gegenüber Vergleichskatalysatoren ergeben, wenn diese einer Niedrigtemperaturbehandlung wie einer 3-stündigen Befeuerung bei 500ºC unterzogen waren; allerdings zeigen sie noch immer einen hohen Wert bei der CO-Konversion, auch wenn sie einer Hochtemperaturbehandlung wie einer Bef euerung bei 1200ºC unterzogen waren.From Table 16, it can be seen that the catalysts prepared using the supports of the present invention show no significant difference in reactivity from comparative catalysts when subjected to low temperature treatment such as firing at 500°C for 3 hours, but they still show a high value in CO conversion even when subjected to high temperature treatment such as firing at 1200°C.
Zur Untersuchung der Haltbarkeit der Katalysatoren wurden beschleunigte Haltbarkeitstests mit bei 1000 und 1200ºC befeuerten Produkten durchgeführt. Gemäß dem beschleunigten Haltbarkeitstest wurde jeder Katalysator in einen elektrischen Ofen gegeben, worin er bei 1000ºC erhitzt wurde, wobei Wasserdampf mit einem Wasser/Luft-Molenbruch von 0,029 hindurchgeleitet und das ganze bei jener Temperatur 200 bis 500 h lang gehalten wurde um die spezifische Oberflächenfläche (ml/g) der Katalysatoren zu ermitteln. Die Zusammensetzungen der Beispiele 8 und 9 wurden als die erfindungsgemäßen und die Zusammensetzungen der Vergleichsbeispielen 9 und 10 als Vergleichsprodukte zur Herstellung der jeweiligen Katalysatoren verwendet. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 17 angegeben. Es war keine wesentliche Änderung bei der Porenverteilung der erfindungsgemäßen Katalysatorträger-Formkörper festzustellen, wodurch aufgezeigt ist, daß die erfindungsgemäßen Formkörper auch verlängerte Betriebszeiträume unter Bedingungen eines hohen Feuchtigkeitseinflusses auszuhalten vermögen. TABELLE 17 1000ºC ohne Zufuhr von Wasser 1000ºC mit Zufuhr von Wasser Haltezeit Beispiel VergleichsbeispielTo examine the durability of the catalysts, accelerated durability tests were conducted on products fired at 1000 and 1200°C. According to the accelerated durability test, each catalyst was placed in an electric furnace, heated at 1000°C while passing steam having a water/air mole fraction of 0.029 therethrough, and kept at that temperature for 200 to 500 hours to determine the specific surface area (ml/g) of the catalysts. The compositions of Examples 8 and 9 were used as the products of the invention and the compositions of Comparative Examples 9 and 10 were used as comparative products to prepare the respective catalysts. The results are shown in Table 17 below. No significant change was observed in the pore distribution of the catalyst support moldings of the invention, thereby demonstrating that the moldings of the invention can withstand extended periods of operation under conditions of high humidity. TABLE 17 1000ºC without water supply 1000ºC with water supply Holding time Example Comparison example
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Legal Events
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |