JP2002530190A - 窒素酸化物を分解する触媒体及び分解方法 - Google Patents

窒素酸化物を分解する触媒体及び分解方法

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Abstract

(57)【要約】 窒素酸化物を含有するガス流(2)を、還元剤の存在下にゼオライトと二酸化チタンを含む活性コンパウンドを含有した触媒体(4)に通す。本発明で用いるゼオライトは水素イオンで置換された酸性のゼオライトであり、450℃以上の温度でもなおガス流中に含まれる窒素酸化物を効果的に窒素と水とに変換する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、窒素酸化物を還元剤の存在下に分解する、ゼオライト及び二酸化チ
タンを含む活性コンパウンドを含有した触媒体に関する。更に本発明は、窒素酸
化物を含むガス流を触媒体に通し、ガス流中の窒素酸化物を分解する方法に関す
る。特にこの触媒体で窒素酸化物は還元剤により酸素の存在下に選択還元触媒
(SCR)法により分子状窒素と水とに変換される。
【0002】 冒頭に記載した形式の触媒体は、英国特許出願公開第2193655号明細書
から公知である。そこに記載されている触媒体の活性コンパウンドは、比表面積
の低い二酸化チタンと、銅を含みイオン置換により得られたゼオライトとを含有
している。このゼオライトは、10Å又はそれ以下の平均細孔径を持ち、酸化ケ
イ素が酸化アルミニウムに対し10又はそれ以上のモル比を有する。この触媒体
は高度の機械的強度並びにヒ素、セレン又はテルルのような揮発性の触媒毒に対
しその触媒活性が優れた耐性を有している必要がある。好ましいゼオライトとし
てはモルデナイト、“ZSM-5”及びフェリエライトを挙げることができる。
【0003】 更に欧州特許出願公開第0393917号明細書から、窒素酸化物を分解する
触媒体が公知であり、その活性コンパウンドはイオン置換により、銅及び/又は
鉄を含むゼオライトを含有している。その際、このゼオライトは酸化ケイ素が酸
化アルミニウムに対し少なくとも10のモル比と、3つの空間方向の全てに少な
くとも直径7Åの溝を有する細孔構造を有している。この触媒体は250〜60
0℃の温度範囲で窒素酸化物を分解するのに適している必要がある。好適なゼオ
ライトとして、USY(Ultra Stabilized Y、超安定化Y型)、Beta及び“ZSM-
20”ゼオライトを挙げることができる。
【0004】 これに対し二酸化チタンと、添加物としての酸化バナジウム、酸化タングステ
ン及び/又は酸化モリブデンを含む活性コンパウンドとを含む従来の触媒体は、
約450℃迄の温度で窒素酸化物を分解するのに適するに過ぎない。例えば化石
燃料を燃やす発電所、ガスタービン又は内燃機関のような燃焼設備の窒素酸化物
を含む排ガスは500℃或いはそれ以上の温度になることも稀ではなく、欧州特
許出願公開第0393917号明細書に記載の触媒体は大きな利点を生ずる。
【0005】 また米国特許第5271913号明細書からも、その活性コンパウンドがゼオ
ライトを含み、窒素酸化物を分解する触媒体が公知である。この場合ゼオライト
は酸化セリウム又は酸化鉄で含浸されている。この触媒体は選択還元触媒(SCR
)法により500〜700℃の温度で窒素酸化物を分解するのに適する。更にこ
こに記載の触媒体は、排ガス中に含まれる硫黄成分に対して高度の耐性を有する
。好適なゼオライトとして、“ZSM-5”ゼオライトを挙げることができ、その際
酸化ケイ素の酸化アルミニウムに対するモル比は20又はそれ以上である。
【0006】 本発明の課題は、400〜750℃の温度でも、なお還元剤の存在下に窒素酸
化物を分解するのに適した触媒体を提供することにある。それには、触媒体が十
分な機械的強度と、十分な触媒安定性とを有する必要がある。更に本発明の課題
は、400〜750℃のガス温度でもなお効果的に窒素酸化物の低減を達成でき
、ガス流中の窒素酸化物を分解する方法を提供することにある。
【0007】 第1に挙げた課題は、ゼオライト及び二酸化チタンを含む活性コンパウンドを
含有する触媒体において、本発明によればこのゼオライトが水素イオンで置換さ
れた酸性のゼオライトであることにより解決される。
【0008】 その際「水素イオンで置換された酸性のゼオライト」とは、交換可能な陽イオ
ンが主に水素イオンにより置換されていることを意味する。このことは例えば、
合成ゼオライト中に含まれるアンモニウムイオン(NH4 +)の熱置換により、ま
た水素イオン置換により或いは脱水素反応中に多重に負荷された陽イオンを含む
ゼオライトの加水分解により実施可能である。これについては、特にカーク(Kir
k)その他による「化学技術百科全書(Encyclopedia of Chemical Technology
)」第3版、第15巻、John Wiley & Sons社、ニューヨーク、1981、
第640〜669頁を参照されたい。
【0009】 従来技術とは対照的に、本発明による触媒体は、活性コンパウンドのゼオライ
トを金属陽イオンと置換すること、即ち置換可能なゼオライトの陽イオンを、例
えば銅又は鉄のような金属陽イオンと置換する必要がない。
【0010】 ゼオライトとは普通アルミノケイ酸塩の骨格を有するものを意味し、その際酸
素原子の、アルミニウム原子とケイ素原子の合計に対する割合は2:1である。
酸化段階IVの幾つかのケイ素原子を、酸化段階IIIのアルミニウム原子と置
換すると、骨格又は骨格構造は概して陰電荷を持つ。この陰電荷は、骨格構造内
にある陽イオンにより相殺される。これらの陽イオンは所謂置換可能な陽イオン
であり、それらはイオンの置換により容易に他の陽イオン、特に金属陽イオンと
置換可能である。
【0011】 ゼオライトは、更にその骨格構造が特徴的な気孔径を持つ貫通細孔を有する点
で有利である。ゼオライトは、酸化ケイ素の酸化アルミニウムに対するモル比に
より又はこの比により特徴づけられる骨格構造により分類されている。分類につ
いては、バラー(R.M.Barrer)の論文「合成及び天然ゼオライトの構造の化学
命名法及び配合表(Chemical Nomenclature and Formulation of composit
ions of Synthetic and Natural Zeolites)」Pure Appl.Chem.51(
1979)第1091〜1100頁を参照されたい。
【0012】 天然のゼオライトには、例えばモルデナイト又は斜方沸石がある。合成ゼオラ
イトには、例えばモルデナイトの合成型を表すA、X及びYゼオライトがあり、
“ZSM-5”(Mobil Oil Co.Ltd.で製造される合成ゼオライトの商標名)、U
SY(超安定化Y型)又はBeta型ゼオライトがある。モルデナイト、“ZSM-5”及
びYゼオライトの構造については、この分野のヴィツェル(Frank O.Witzel)
の論文「ゼオライト触媒における(ルイス酸点)の酸性度−試料分子としての一
酸化窒素NO」、改善報告書(Vortschrittberichite)VDI、第3欄・処理法、第
292号、1992を参照されたい。
【0013】 二酸化チタン及び水素イオンで置換された酸性のゼオライトを含む活性コンパ
ウンドを含有する触媒体が、750℃の温度迄SCR法により窒素酸化物を接触還
元するのに適することを広範な研究が検証している。つまり、このような触媒体
は、一方ではこのような高温迄触媒的に活性であり、他方ではそれに必要な温度
安定性も有している。その上この触媒体は、湿気に対し高い安定性を持つ。さら
に、被処理排ガス中の硫黄を含有する成分に対し高度の耐性を示す。
【0014】 この触媒体により、排ガスが極めて高温の内燃機関又はガスタービンの排ガス
中の窒素酸化物を還元する可能性が開かれ、触媒体を保護するため温度を下げる
補助的措置が不要となる。
【0015】 1つの有利な実施形態によれば、この触媒体の活性コンパウンドは40〜60
重量%のゼオライトを含有する。この組成により、高温時の特に優れた温度安定
性と、触媒活性の極めて低い失活とを実現できる。
【0016】 更に、活性コンパウンドが40〜60重量%の活性成分を含み、該成分が活性
成分の重量に対し70〜95重量%の二酸化チタン、2〜30重量%の三酸化タ
ングステン、0.1〜10重量%の酸化アルミニウム及び0.1〜10重量%の
二酸化ケイ素を含むと有利である。その結果この触媒体はSCR法、即ち窒素酸化
物を還元剤の存在下に分解する窒素酸化物の還元に関し高度の触媒活性を示す。
【0017】 特に、活性成分が8〜12重量%の三酸化タングステンを含むと有利である。
【0018】 更にゼオライトとしてUSY,Beta型又は“ZSM-5”を使用するとよい。これら
ゼオライトは、その骨格構造の故に所望の触媒に使用するのに極めて適する。
【0019】 更に触媒活性に関しては、活性コンパウンドが30〜150m2/gのBET 表
面積及び水銀圧入法で測定して100〜1000ml/gの細孔容積を有すると
有利である。
【0020】 水素イオンで置換された酸性ゼオライトの準備後、触媒体の活性コンパウンド
をそれ自体公知の方法で、以下のようにして製造する。即ちゼオライトの含有下
に、個々の成分又は(例えば水溶性塩のような上記金属酸化物用の)それらの前
駆化合物の混合、粉砕及び/又は混練により、そして場合によっては通常のセラ
ミックス補助剤と、充填材及び/又はガラス繊維とを添加しながら出発コンパウ
ンドを生成する。この出発コンパウンドを、次に完全な押出成形体に更に加工す
るか又はハニカム形又は板形のセラミックス又は金属坦体上に被覆として施す。
引続きこの出発コンパウンドを20〜100℃の温度で乾燥する。乾燥工程後、
出発コンパウンドを400〜700℃の温度で活性コンパウンドに焼成する。
【0021】 付加的に、焼成プロセスにより焼成した活性コンパウンドを、この焼成温度よ
りも高い温度での最終熱処理によって予備老化させてもよい。予備老化には、後
に触媒体に印加する最高温度より約50℃高い温度を選択する。この最終熱処理
は、20〜80時間をかけて実施する。
【0022】 こうして触媒体は、改善された温度安定性を有することになる。
【0023】 ガス流中の窒素酸化物を分解する方法に関する課題は、本発明により窒素酸化
物を含むガス流を還元剤の存在下に上記の触媒体に通し、窒素酸化物を窒素と水
とに変換することにより解決される。
【0024】 ガス流に還元剤としてアンモニア又は尿素水溶液を添加すると、本方法にとっ
て有利であり、費用の著しい低減が可能である。
【0025】 250〜750℃の温度のガス流を触媒体に通すとよい。この温度範囲内で、窒
素酸化物の窒素と水への効果的な変換が起こる。触媒体の活性コンパウンドの失
活は考えられない。
【0026】 本発明の実施例を図面に基づき以下に詳述する。
【0027】 図1は、詳細には図示しないディーゼル機関1の排ガスから、窒素酸化物をS
CR法により接触除去する排ガス浄化設備を示す。この場合、ディーゼル機関1
の排ガスは、ガス流2として排ガス導管3及び該管3内に配置された触媒体4を
貫流する。この触媒体4は貫流可能なハニカム体として形成されており、並列す
る、貫流可能な多数の溝5を有する。触媒体4を貫流後、窒素酸化物を除かれた
ガス流2は排出口6を介して外界に放出される。
【0028】 触媒体4は完全な押出成形体として活性コンパウンドから製造される。この場
合活性コンパウンドは、“ZSM-5”ゼオライト50重量%と、二酸化チタン90
重量%及び三酸化タングステン10重量%を含む活性成分を50重量%とを含有
する。通常の補助剤及び充填材の重量分は含めていない。
【0029】 触媒体4を、水素イオンで置換した酸性の“ZSM-5”ゼオライトを含有する二
酸化チタン/三酸化タングステンの共沈殿物の混合により製造した。このような
ゼオライトは、所謂AlSi-PentaのH型の“ZSM-5”ゼオライトとして市販されて
いる。水の供給下にこの混合物から混練可能なコンパウンドを生成し、これをハ
ニカム体に押出成形すべく更に加工した。このハニカム体を80℃で乾燥し、最
後に600℃の温度で焼成した。
【0030】 排ガス導管3には、SCR法での窒素酸化物の分解のため、触媒体4手前の流
れ方向に還元剤用導入装置を配置した。この場合、導入装置7は排ガス導管3に
接続する還元剤導管9を有する還元剤タンク8を含んでいた。還元剤導管9は、
排ガス導管3内で供給ノズル10に接続した。還元剤を排ガス2中に導入するた
め、尿素水溶液11を圧縮器12により制御弁13を介して排ガス導管3内に必
要に応じて入れた。熱したガス流2で尿素を熱分解及び/又は熱解離により還元
剤中でアンモニアに変換した。更に触媒体4でSCR法によりガス流2中に含ま
れる窒素酸化物をアンモニアの存在下に分子状の窒素と水とに変換した。
【0031】 以下、本発明の触媒体の高温活性及び高温安定性を実施例に基づき証明する。
【0032】 例 A まず、90重量%の二酸化チタン及び10重量%の三酸化タングステンから成る
二酸化チタン/三酸化タングステン共沈殿物を生成するため、H型の“ZSM-5”
ゼオライトに通常のセラミックス補助剤及び充填材の添加下に混合及び粉砕し、
水の添加下に所謂ドロス、即ち液状セラミックスコンパウンドに加工した。引続
きこのドロスを、浸漬工程によりコーディエライト(射方晶完面体(orthorhombi
c-holohedral)の構造を持つ、組成Mg2Al4Si518のマグネシウムアルミノ
シリケート)から成るハニカム形坦体上に被覆として施した。このコーディエラ
イトは150×150mm2の流れ表面積 で1225本の貫通する溝を持ってい
た。90℃の温度で乾燥し、引続き600℃の温度で焼成し、被覆されたコーデ
ィエライト坦体上に活性コンパウンドを施した触媒体を得た。
【0033】 出発材料の分量を、完成触媒体の活性コンパウンドが、二酸化チタン及び三酸
化タングステンを含む活性成分と、ゼオライトとを同分量で含むよう選択した。
【0034】 例 B 例Aと同様にして、被覆されたコーディエライトを、完成した触媒体の活性コン
パウンドが二酸化チタン及び三酸化タングステンを含む活性成分と、ゼオライト
とを75:25の重量比で含有するように生成した。
【0035】 例 C 例Aと同様にして、被覆されたコーディエライト坦体を、完成した触媒体の活性
コンパウンドが、二酸化チタン及び三酸化タングステンを含む活性成分と、ゼオ
ライトとを25:75の重量比で含有するように生成した。
【0036】 例 D 例Aに記載の二酸化チタンと三酸化タングステンから成る共沈殿物を、H型の
“ZSM-5”ゼオライトと共にセラミックス補助剤及び充填材を添加しながら混和
・粉砕し、水を添加しつつ混練可能なプラスチックコンパウンドに加工した。こ
のコンパウンドを、更にハニカム形触媒体に押出成形した。完全な押出成形体と
して製造されたハニカム形触媒体は、同様に150×150mm2の流通表面積
に1225本の並列する流動溝を持つ。この触媒体を90℃で乾燥し、引続き6
00℃で焼成した。この最終プロセスで触媒体は触媒活性を得た。
【0037】 例 E 例Dにより完全な押出成形体として製造されたハニカム形の触媒体を、500
時間、700℃の一定した温度負荷に曝した。
【0038】 実 験 例A〜Eの触媒体に15500/時の空間速度でモデル排ガスを通した。モデ
ル排ガスは窒素であり、200ppmの一酸化窒素NOを含み、還元剤として2
00ppmのアンモニアNH3、11容量%の酸素O2及び10容量%の水H2
を含んでいた。
【0039】 450℃、500℃、540℃、570℃、600℃、650℃及び750℃
のモデル排ガスの温度で、順次触媒体における一酸化窒素NOの分子状窒素N2
への接触変換率を測定した。そのため、触媒体前後のモデル排ガス中における一
酸化窒素NO含有量並びに触媒体の後方の窒素N2含有量を測定した。
【0040】 測定結果を図2及び3にまとめた。図2は、例A、B及びCによる触媒体の、
モデル排ガスの温度に対し測定されたNO/N2変換の依存度を百分率で示す。
【0041】 図3は、例D及びEによる触媒体のモデル排ガスの温度において測定したNO
/N2変換率を百分率で示す。
【0042】 図2に示すように、例A、B及びCによる触媒体は、450〜650℃の高温
範囲で40〜60%の接触変換率を示した。モデル排ガス中に含まれるNOの4
0〜60%をN2に変換したことになる。例Aの触媒体は、450〜650℃の
全温度範囲にわたり50%及びそれ以上の接触変換率を示している。例Cによる
触媒体の測定変換率は、むしろ温度が高くなるにつれて上昇している。
【0043】 650℃以上の温度で初めて触媒体の触媒活性は減少する。しかし700℃の
温度でさえも、例A〜Cの触媒体は約43%の変換率を示している。
【0044】 この結果は、450℃から700℃以上の高温域内で、SCR法により窒素酸
化物を分解する例A〜Cによる触媒体の有効性を明確に証明している。それに対
し、三酸化タングステン及び/又は五酸化バナジウムを添加した二酸化チタンを
ベースとし、活性コンパウンドを含有する比較触媒体は、450℃以下の温度で
SCR法による窒素酸化物の変換を辛うじて示した。
【0045】 触媒体の温度安定性を図3により一層明らかにする。例D及びEによる触媒体
に、上述のモデル排ガスを通した。450℃、500℃、540℃、570℃、
600℃、650℃及び700℃の温度に対し、順次各々一酸化窒素NOの分子
状窒素N2への接触変換率を求めた。結果として測定されたNO/N2変換率を百
分率で温度の関数として図3に示す。高温負荷に曝された 例Eによる触媒体が
高温負荷後もなおその高い触媒活性の約10%を損失したに過ぎないことを明ら
かに読み取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ディーゼル機関の排ガス浄化設備のハニカム形触媒体を示す図。
【図2】 種々の組成を持つ触媒体の、NOからN2への変換の経過を排ガス流の温度の
関数として示す第1の図。
【図3】 新たなそして温度負荷に曝される触媒体の、NOからN2への変換の経過を排
ガス流の温度の関数として示す第2の図。
【符号の説明】
1 ディーゼル機関 2 ガス流 3 排ガス導管 4 触媒体 5 排ガス貫流溝 6 ガス排出口 7 導入装置 8 還元剤タンク 9 還元剤導管 10 供給ノズル 11 尿素水溶液 12 圧縮器 13 制御弁
【手続補正書】
【提出日】平成13年5月23日(2001.5.23)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴィッツェル、フランク アメリカ合衆国 48304 ミシガン ブル ームフィールド ヒルズ フォックス ヒ ルズ ドクター エヌ 579 (72)発明者 パヨンク、ギュンター ドイツ連邦共和国 デー‐96199 ツァッ プフェンドルフ ヘラーヴィーゼ 7 Fターム(参考) 3G091 AA18 AB05 BA04 BA14 CA13 CA17 GA06 GB01W GB01X GB09W GB10W GB10X GB17X 4D048 AA06 AB02 AB03 AC03 BA03Y BA06Y BA07X BA11X BA13X BA27X BA41Y BA42X BB02 BB17 DA03 DA06 4G069 AA02 AA08 BA01A BA02A BA04A BA04B BA07A BA07B BA13B BB06A BB06B BC60A BC60B CA08 CA10 CA13 EA19 EC02X EC02Y EC03X EC03Y EC08X EC08Y FB09 FB15 FB67 FC08 ZA05A ZA11A ZA11B ZA19A

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 還元剤の存在下に窒素酸化物を分解する、ゼオライト及び二
    酸化チタンを含む活性コンパウンドを含有する触媒体(4)において、ゼオライ
    トが水素イオンで置換された酸性のゼオライトであることを特徴とする窒素酸化
    物を分解する触媒体。
  2. 【請求項2】 活性コンパウンドが40〜60重量%のゼオライトを含有す
    ることを特徴とする請求項1記載の触媒体。
  3. 【請求項3】 活性コンパウンドが、活性成分の重量に対し各々70〜95
    重量%の二酸化チタン、2〜30重量%の三酸化タングステン、0.1〜10重
    量%の酸化アルミニウム及び0.1〜10重量%の二酸化ケイ素を含む活性成分
    を40〜60重量%含有することを特徴とする請求項1又は2記載の触媒体。
  4. 【請求項4】 活性成分が8〜12重量%の三酸化タングステンを含むこと
    を特徴とする請求項3記載の触媒体。
  5. 【請求項5】 ゼオライトがUSY、Beta又は“ZSM-5”ゼオライトであるこ
    とを特徴とする請求項1乃至4の1つに記載の触媒体。
  6. 【請求項6】 30〜150m2/gのBET表面積と、水銀圧入法により測定
    して100〜1000ml/gの細孔容積とを有することを特徴とする請求項1
    乃至5の1つに記載の触媒体。
  7. 【請求項7】 窒素酸化物を含有するガス流(1)を、還元剤の存在下に請
    求項1乃至6の1つに記載の触媒体(4)に通し、窒素酸化物を窒素と水とに変
    換することを特徴とするガス流(1)中の窒素酸化物の分解方法。
  8. 【請求項8】 ガス流(1)に還元剤として尿素水溶液(11)を添加する
    ことを特徴とする請求項7記載の方法。
  9. 【請求項9】 250〜750℃の温度のガス流(1)を触媒体(4)に通
    すことを特徴とする請求項7又は8記載の方法。
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