JP2001129406A - 低温脱硝触媒 - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
温度において、また標準の二酸化マンガンや電解二酸化
マンガン触媒よりも一層低温において、窒素酸化物を含
むガスを効果的に脱硝処理しうると共に、触媒寿命の長
い新規な低温脱硝触媒を提供すること。 【解決手段】 Mn3 O4 又はMn2 O3 を含むマンガ
ン酸化物からMnOを部分的に除去して得られるMnO
2 を主体とした改質マンガン酸化物からなる低温脱硝触
媒であって、当該改質マンガン酸化物が、MnOを4〜
15重量%、Fe2 O3 を2〜10重量%及びアルカリ
金属分をNa換算で0.1〜0.7重量%含むととも
に、平均粒径0.5〜150μm及び嵩比重0.1〜
0.7g/mlであることを特徴とする低温脱硝触媒で
ある。
Description
の脱硝触媒に関する。さらに詳しくは、従来、脱硝触媒
作用を発揮し得なかった低温度において、窒素酸化物を
含むガスを効果的に脱硝処理することができ、しかも、
触媒寿命が長く、水蒸気雰囲気下においても触媒効果が
維持できる優れた低温脱硝触媒に関する。
吸着剤,触媒,酸化剤,マンガン乾電池やアルカリマン
ガン乾電池の正極活物質,リチウム一次電池の正極活物
質などに用いられている。これらの用途のうち触媒とし
て用いる場合には、マンガン酸化物、特に二酸化マンガ
ンの酸化反応を利用して、一酸化炭素(CO)除去及び
脱硝(NOx;還元剤はNH3 )処理が行われる。この
際の処理温度は、通常200℃以上で行われ、それ以上
の温度にならないと触媒効果が発揮できないという問題
を有していた。また、白金−ロジウム系等の触媒は脱硝
効果に優れるが、800〜900℃の温度が反応条件で
あり、200℃以下の低温、特に150℃以下で作用す
る触媒の出現が望まれている。
試薬等に使われている高純度の二酸化マンガンが使用さ
れるが、試薬として使用される二酸化マンガンは比表面
積が、BET値で55m2 /g程度であり、シリカゲ
ル、アルミナ等の担体に比べて有効表面積がそれほど大
きいとはいえず、触媒としての機能が必ずしも充分では
なかった。脱硝触媒としての二酸化マンガン触媒に関す
る技術は、例えば特開平8−196920号公報,特開
平10−225641号公報などに開示されている。特
開平8−196920号公報に記載された発明は、窒素
酸化物を含む排ガスにアンモニアを添加してマンガン鉱
石または二酸化マンガンからなる触媒により排ガス中の
窒素酸化物を還元除去する技術に関するものであり、触
媒としてマンガン鉱石が開示されている。特開平10−
225641号公報に記載された発明は、Mn、Fe、
Co及びNiの少なくとも一種の金属酸化物が活性炭素
繊維に担持された低温脱硝触媒であり、硝酸マンガン化
合物を活性炭素繊維に担持させ、その後、酸化性雰囲気
で加熱処理してマンガン塩を金属酸化物とする方法が開
示されている。この技術においては、脱硝触媒であるマ
ンガン酸化物として、マンガン鉱石または二酸化マンガ
ンを用い、またその際の脱硝温度は、白金−ロジウム系
触媒や酸化バナジウム系触媒に比べてかなり低くしうる
ものの、必ずしも充分に満足しうるものではなく、しか
も触媒寿命が短いという欠点があった。
理して、Mn2+成分及び他の不純物成分を溶解、除去し
てなる、平均粒径が0.1〜5μmで、かつ比表面積
(BET値)が50m2 /g以上の活性化二酸化マンガ
ンが提案されている(特開平6−92639号公報,特
開平7−247122号公報)。そして、この活性化二
酸化マンガンの用途として、空気浄化用吸着剤,有害金
属類吸着剤,有価金属類吸着剤,特殊気体の酸化剤,そ
の他電池用原料,フェライト用原料,触媒などが記載さ
れている。しかしながら、触媒としての具体的な記載、
実施例は当時確認も検討もされておらず、もちろん、脱
硝触媒としての作用効果については、なんら認識されて
いなかった。また、近年、二酸化マンガン(MnO2)に
酸化マンガン(MnO)及び酸化第二鉄(Fe2 O3)を
含有させてなる活性化二酸化マンガンを低温脱硝触媒と
して使用することが提案されている(化学工学会第31
回秋季大会研究発表講演要旨集,第2分冊,第189
頁,1998年,社団法人化学工学会発行)。しかし、
この脱硝触媒は、水蒸気雰囲気下での触媒効果が未だ不
十分である。従って、上記従来の触媒またはマンガン酸
化物は、低温での触媒効果が満足でないかまたは確認さ
れていないこと、および脱硝反応工程において水蒸気が
介在すると触媒としての作用効果が著しく低下するが、
従来のマンガン酸化物は、このような作用効果の低下を
防止できないという課題があった。
−ロジウム系触媒やバナジウム系触媒に比べて著しく低
温度において、また、上記従来の二酸化マンガン触媒よ
りも一層低温において、窒素酸化物を含むガスを効果的
に脱硝処理しうると共に、触媒寿命の長い新規な低温脱
硝触媒を提供することを目的とするものである。また、
本発明の他の目的は、排ガス等の窒素酸化物を脱硝する
際に、水蒸気が雰囲気中に含まれていても脱硝効果が失
われることなく脱硝効果を維持できる脱硝触媒を提供す
ることを目的とする。
触媒について鋭意研究を重ねた結果、一定のマンガン酸
化物原料を硫酸による処理を施して、特定組成とした改
質マンガン酸化物が、低温脱硝触媒として有効であるこ
とを知見した。また、詳細なメカニズムの解明等は今後
の研究を待たねばならないところではあるが、このよう
な触媒には、酸化マンガン(MnO)に加えて特に一定
量のアルカリ分が含まれていることが触媒機能として有
効に作用していると推測され、これらのことが前記目的
に好適であることを見出した。本発明は、かかる知見に
基づいて完成したものである。すなわち本発明は、四酸
化三マンガン(Mn3 O4)又は三酸化二マンガン(Mn
2 O3)を含むマンガン酸化物から酸化マンガン(Mn
O)を部分的に除去して得られる二酸化マンガン(Mn
O2)を主体とした改質マンガン酸化物からなる低温脱硝
触媒であって、当該改質マンガン酸化物が、酸化マンガ
ン(MnO)を4〜15重量%、酸化第二鉄(Fe2 O
3)を2〜10重量%及びアルカリ金属分をNa換算で
0.1〜0.7重量%含むとともに、平均粒径0.5〜
150μm及び嵩比重0.1〜0.7g/mlであるこ
とを特徴とする低温脱硝触媒を提供するものである。な
お、上記改質マンガン酸化物を、顆粒状若しくはペレッ
ト状に成形または担体表面に被覆して低温脱硝触媒とす
ることが好ましい。また、この改質マンガン酸化物の比
表面積(BET値)は、100m2 /g以上であること
が好ましい。さらに、上述の四酸化三マンガン(Mn3
O4)又は三酸化二マンガン(Mn2O3)を含むマンガン
酸化物は、例えばマンガン鉱石又は二酸化マンガン(M
nO 2)を800℃以上の温度で還元焙焼することによっ
て得られる。
られる改質マンガン酸化物は、平均粒径が0.5〜15
0μmの範囲にあり、好ましくは比表面積(BET値)
が100m2/g以上、特に150m2 /g以上である
実質上球状体のものが好適である。また、本発明の改質
マンガン酸化物は、二酸化マンガン(MnO2)を主体と
し、さらに酸化マンガン(MnO)を4〜15重量%、
好ましくは8〜12重量%、酸化第二鉄(Fe2 O3)を
2〜10重量%、好ましくは4〜8重量%、及びアルカ
リ金属分をNa換算で0.1〜0.7重量%、好ましく
は0.3〜0.5重量%含む弱アルカリ性のものである。特
に、酸化マンガン(MnO)がこれより多くなると触媒
としての酸化力が低下し、また酸化第二鉄(Fe2 O3)
が多すぎると相対的に二酸化マンガン(MnO2)含有量
が少なくなり、触媒機能の低下に繋がる。本発明の触媒
である改質マンガン酸化物において、二酸化マンガン
(MnO2)以外の他の成分(すなわち酸化マンガン(M
nO)、酸化第二鉄(Fe2 O3))アルカリを含有する
理由、とりわけ酸化マンガン(MnO)とアルカリを含
有する理由は、これらが含まれる場合には低温での触媒
活性が向上し、しかも、水蒸気が反応工程に含まれてい
た場合であっても、触媒機能が低下しないという作用を
有するものと考えられるからである。これらの成分がな
いと、低温、特に100℃以下での触媒活性及び水蒸気
雰囲気下での触媒効果が失われる実験結果となった。従
って、各成分は上記特定量含まれる必要があると思慮さ
れる。このような性状を有する改質マンガン酸化物の製
造方法については特に制限はなく、従来公知の方法(例
えば特開平7−247122号公報など)により、四酸
化三マンガン(Mn3 O4)又は三酸化二マンガン(Mn
2 O3)を含むマンガン酸化物を酸処理することによっ
て、所望の改質マンガン酸化物を製造することができ
る。以下に、改質マンガン酸化物の製造方法の一例につ
いて説明する。
ンガン(Mn3 O4)又は三酸化二マンガン(Mn2 O3)
を含むものであれば、市販のものをはじめ様々なものを
用いることができる。例えば、マンガン鉱石又は二酸化
マンガン(MnO2)を800℃以上の温度で還元焙焼す
ることによって得ることができる。また、金属マンガン
若しくはマンガン合金(フェロマンガン)の溶湯を酸化
焙焼・蒸散させて得られた球状微粒子からなるマンガン
酸化物を用いることもできる。特に二酸化マンガン粉末
(平均粒径が0.1〜150μm程度)である微粒子状マ
ンガン酸化物が好ましい。次に、このようにして得られ
たマンガン酸化物を、必要に応じて粉砕して微粒子状の
ものとし、これに酸、特に硫酸などを加えて常温で又は
加温して処理することにより、粒径を維持しつつ、粒子
内部まで存在するMn2+成分(Mn3 O4中の酸化マン
ガン(MnO)成分)及び不純物成分などを溶解して除
去すれば、二酸化マンガン(MnO2 )を主成分とした
凹凸表面を有する改質マンガン酸化物を得ることができ
る。なお、この過程においては、所望により酸化第二鉄
(Fe2 O3)成分やアルカリ金属分の量を調節する操作
を行うことも有効である。かくして得られる改質マンガ
ン酸化物は、酸化マンガン(MnO)、酸化第二鉄(F
e2 O3)及びアルカリ金属分を上述の如き割合で含むと
ともに、平均粒径が0.5〜150μm、好ましくは1
〜20μmであり、また嵩比重が0.1〜0.7g/m
l、好ましくは0.3〜0.5g/mlである。またこの改
質マンガン酸化物の比表面積(BET値)は好ましくは
100m2 /g以上、特に好ましくは150m2 /g以
上である。
た粉末状の改質マンガン酸化物を低温脱硝触媒として用
いるが、この改質マンガン酸化物をそのまま用いてもよ
く、また、顆粒状,球状,ペレット状,ハニカム状など
に成形して用いてもよい。さらに、この改質マンガン酸
化物を適当な担体に担持させて、担体表面を被覆して、
粉末状,粒状,球状,ペレット状,ハニカム状などの形
態で用いることもできる。この際用いられる担体として
は、例えばアルミナ,シリカ,シリカアルミナ,チタニ
ア,活性炭,ジルコニア,ゼオライト,ガラスなどが挙
げられる。ここで改質マンガン酸化物の担持量は、特に
制限はないが、好ましくは担体に対して0.1〜10重
量%である。本発明の低温脱硝触媒を用いて、脱硝処理
する方法としては、本発明の触媒に、窒素酸化物を含む
被処理ガスを還元剤の存在下に接触させる方法を挙げる
ことができる。この際、還元剤としては、公知のもの、
例えばアンモニア,水素,炭化水素化合物などを用いる
ことができるが、これらの中でアンモニアが好適であ
る。
素酸化物は、下記の反応式で示すように無害な窒素と水
蒸気に分解される。 4NO+4NH3 +O2 →4N2 +6H2 O ・・・(I) 6NO2 +8NH3 →7N2 +12H2 O ・・・(II) 上記還元剤の量は、窒素酸化物を還元、分解するのに必
要な化学量論的な量又はそれ以上の範囲、具体的には窒
素酸化物に対して、通常1〜5倍当量、好ましくは1〜
2倍当量の範囲で選定される。窒素酸化物を含む被処理
ガスの組成は、排気ガスなどの組成のままでよいが一般
的には、窒素酸化物10〜500ppm、好ましくは2
0〜300ppm、酸素3容量%以上、好ましくは5〜
20容量%及び水蒸気50容量%以下、好ましくは0.5
〜10容量%を含む組成のものが用いられる。また、触
媒に接触させる際の温度としては特に制限はないが、1
00〜150℃の範囲で選定される。
知の方法に従えばよい。例えば本発明の低温脱硝触媒を
カラムに充填し、これに窒素酸化物を含む被処理ガスと
還元剤との混合ガスを導入する方法を用いることができ
る。触媒充填塔の型式については特に制限はなく、固定
床,流動床,ハニカム回転式など、公知の型式の触媒充
填塔を使用することができる。また、被処理ガスと還元
剤との混合ガスの流速については特に制限はないが、空
間速度として100〜1000hr-1程度で充分であ
り、また処理圧力は、通常常圧である。脱硝触媒とし
て、前記改質マンガン酸化物を用い、窒素酸化物を含む
被処理ガスの脱硝処理を行うことにより、標準の二酸化
マンガン又は電解二酸化マンガンを用いて脱硝処理を行
う場合に比べて、100〜150℃の低温での処理にお
いて、優れた脱硝効果を発揮する上、触媒寿命も長くな
る。
明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定され
るものではない。 実施例1 (1)改質マンガン酸化物の製造 容器内に収容した四酸化三マンガン(Mn3 O4)650
kgに、濃度71重量%の硫酸718リットルを常温常
圧下で徐々に添加し、攪拌しながら反応させ、反応開始
より2時間は常温、それ以降は蒸気を吹き込んで昇温さ
せて70±5℃でさらに5時間反応させた。反応終了
後、攪拌を停止させて12時間程度静置し、その後ろ過
を行い、このろ過後の不溶物に対してアルカリ溶液で中
和し、ろ過、水洗後、120℃で乾燥することにより、
平均粒径約2μm、比表面積(BET値)163m2 /
g、嵩比重0.46g/ml及び真比重3.90g/m
lの改質マンガン酸化物粉末を得た。この改質マンガン
酸化物粉末は、電子顕微鏡写真により、凹凸表面をもつ
多孔質体であることが確認され、また、その組成は、M
nO2 81.83重量%、MnO6.54%、Fe2 O3
4.53重量%、H2 O1.96重量%、アルカリ分
(Na換算)0.41重量%であった。
物粉末0.10gを充填したのち、この触媒塔に、NO2
00ppm,NH3 200ppm,O2 15容量%及び
ヘリウム残部を含有する混合ガスを、100ミリリット
ル/分の速度で供給し、運転時間3時間後の各温度にお
ける脱硝率を求めた。その結果を第1表に示す。また、
100℃で20時間反応させ、脱硝率の経時変化を求め
た。その結果を第2表に示す。また、別にNO100p
pm,NH3 100ppm,O2 15容量%及び水蒸気
1.5%を含ませた混合ガスを200ミリリットル/分の
速度で供給し、運転時間3時間後の各温度に於ける脱硝
率を求めた。結果を第3表に示す。 比較例1 平均粒径約14μm、比表面積(BET値)33m2 /
g及び嵩比重1.55g/mlの電解二酸化マンガン粉
末を用い、実施例1と同様にして脱硝処理を行い、各温
度における脱硝率を求めると共に、脱硝率の経時変化を
求めた。それぞれの結果を第1表及び第2表に示す。ま
た、別にNO100ppm,NH3 100ppm,O2
15容量%及び水蒸気1.5%を含ませた混合ガスを用意
し、実施例1と同様にして各温度に於ける脱硝率を求め
た。結果を第3表に示す。 比較例2 平均粒径約2.6μm、比表面積(BET値)55m2 /
g及び嵩比重1.46g/mlの標準の二酸化マンガン
粉末を用い、実施例1と同様にして脱硝処理を行い、各
温度における脱硝率を求めると共に、脱硝率の経時変化
を求めた。それぞれの結果を第1表及び第2表に示す。
また、別にNO100ppm,NH3 100ppm,O
2 15容量%及び水蒸気1.5%を含ませた混合ガスを用
意し、実施例1と同様にして各温度に於ける脱硝率を求
めた。結果を第3表に示す。
明の改質マンガン酸化物からなる脱硝触媒は、電解二酸
化マンガンや標準の二酸化マンガンからなる触媒に比べ
て、特に反応温度が100〜125℃の低温において脱
硝性能に優れている上、経時による触媒活性低下も小さ
い。また、第3表から分かるように、水蒸気を含む混合
ガスでは、著しく脱硝率に差がみとめられた。 実施例2 実施例1で用いた同じ触媒塔に、NO100ppm,N
H3 100ppm,O 2 15容量%及びヘリウム残部を
含有する混合ガスを、200ミリリットル/分の速度で
供給し、100℃で脱硝処理を行い、運転時間2時間後
における流量(ミリリットル/g・分)と脱硝率との関
係を求めた。結果を第4表に示す。 比較例3 実施例2において、改質マンガン酸化物粉末の代わり
に、比較例1で用いたものと同じ電解二酸化マンガン粉
末を用いた以外は、実施例2と同様にして脱硝処理を行
い、運転時間2時間後における流量と脱硝率との関係を
求めた。結果を第4表に示す。
H3 100ppm,水蒸気1.5容量%及びヘリウム残部
を含有する混合ガスを、200ミリリットル/分の速度
で供給し、100℃で脱硝処理を行い、脱硝率の経時変
化を求めた。結果を第5表に示す。 比較例4 実施例3において、改質マンガン酸化物粉末の代わり
に、比較例1で用いたものと同じ電解二酸化マンガン粉
末を用いた以外は、実施例3と同様にして脱硝処理を行
い、脱硝率の経時変化を求めた。結果を第5表に示す。 比較例5 実施例3において、改質マンガン酸化物粉末の代わり
に、比較例2で用いたものと同じ標準の二酸化マンガン
粉末を用いた以外は、実施例3と同様にして脱硝処理を
行い、脱硝率の経時変化を求めた。結果を第5表に示
す。
酸化物からなるものであって、従来のバナジウム系触媒
に比べて著しく低い温度において、また標準の二酸化マ
ンガンや電解二酸化マンガン触媒よりも一層低温におい
て、窒素酸化物を含むガスを効果的に脱硝処理すること
ができる上、触媒寿命も長い。また、水蒸気雰囲気であ
っても本発明の低温脱硝触媒は、例えば火力発電や都市
ゴミ流動溶融装置などから排出される様々な燃焼排ガス
の脱硝処理に適用でき、また、ジーゼル車を始めとする
自動車の排ガス浄化触媒などとしても使用することがで
きる。
Claims (4)
- 【請求項1】 四酸化三マンガン(Mn3 O4)又は三酸
化二マンガン(Mn 2 O3)を含むマンガン酸化物から酸
化マンガン(MnO)を部分的に除去して得られる二酸
化マンガン(MnO2)を主体とした改質マンガン酸化物
からなる低温脱硝触媒であって、当該改質マンガン酸化
物が、酸化マンガン(MnO)を4〜15重量%、酸化
第二鉄(Fe2 O3)を2〜10重量%及びアルカリ金属
分をNa換算で0.1〜0.7重量%含むとともに、平
均粒径0.5〜150μm及び嵩比重0.1〜0.7g
/mlであることを特徴とする低温脱硝触媒。 - 【請求項2】 改質マンガン酸化物を、顆粒状若しくは
ペレット状に成形または担体表面に被覆したことを特徴
とする請求項1に記載の低温脱硝触媒。 - 【請求項3】 改質マンガン酸化物の比表面積(BET
値)が、100m2/g以上であることを特徴とする請
求項1又は2に記載の低温脱硝触媒。 - 【請求項4】 四酸化三マンガン(Mn3 O4)又は三酸
化二マンガン(Mn 2 O3)を含むマンガン酸化物が、マ
ンガン鉱石又は二酸化マンガン(MnO2)を800℃以
上の温度で還元焙焼して得られるものである請求項1に
記載の低温脱硝触媒。
Priority Applications (1)
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JP31823499A JP3710975B2 (ja) | 1999-11-09 | 1999-11-09 | 低温脱硝触媒 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109594326A (zh) * | 2018-12-21 | 2019-04-09 | 福建工程学院 | 一种基于γ-Fe2O3/ MnO2磁导自推进微纳马达及其制备方法 |
CN115025772A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-09-09 | 西安交通大学 | 一种负载型钒钛系协同脱硝脱汞催化剂及其制备方法 |
CN116943638A (zh) * | 2023-08-07 | 2023-10-27 | 陕西积健环保科技有限公司 | 一种烟气脱硝催化剂及其制备方法 |
-
1999
- 1999-11-09 JP JP31823499A patent/JP3710975B2/ja not_active Expired - Fee Related
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CN115025772A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-09-09 | 西安交通大学 | 一种负载型钒钛系协同脱硝脱汞催化剂及其制备方法 |
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