JP2003503191A - ディーゼルエンジン排気ガス処理用酸化触媒 - Google Patents

ディーゼルエンジン排気ガス処理用酸化触媒

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Abstract

(57)【要約】 本発明はディーゼルエンジン排気流れを処理する方法および製品に関する。前記流れをセリウム成分および/またはゼオライト成分を有する上流の触媒組成物に接触させることで前記排気流れに入っている粒状物の分量および総量を減少させる。前記流れを前記上流の触媒組成物からこの上流の触媒組成物の下流に位置する粒子フィルターに通す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (発明の背景) (発明の分野) 本発明は触媒組成物そしてこの組成物を用いて気体流れ、例えばディーゼエン
ジン排気流れなどが大気に放出される前に前記排気ガスを処理してそれに含まれ
る被酸化性成分、例えば炭化水素および一酸化炭素などに酸化を受けさせ、窒素
酸化物に還元を受けさせかつ揮発性の有機材料および有機粒子そして他の汚染物
の量を少なくする方法に関する。
【0002】 (背景および関連技術) ディーゼルエンジンの排気は不均一な材料であり、それには気体状汚染物、例
えば一酸化炭素(「CO」)および未燃焼炭化水素(「HC」)および窒素酸化
物[「NOx」として]などばかりでなく煤粒子も入っていて、その煤粒子は、
乾燥している固体状の炭素質画分と可溶有機画分の両方を含有している。この可
溶有機画分(「SOF」)は時として揮発性有機画分(「VOF」)と呼ばれ、
本明細書ではこの用語を用いる。このVOFは、ディーゼル排気の温度に応じて
蒸気としてか或はエーロゾル(液状凝縮物の微細液滴)としてディーゼル排気に
存在し得る。加うるに、VOFは固体状の炭素質画分に吸着されている可能性が
ある。
【0003】 汚染物を減少させる方法は、フィルター[これに触媒を含有させ(catal
yzed)てもよい]を用いて粒状材料をディーゼルエンジン排気ガスから濾過
することに関する。本技術分野で開示されているフィルターはウォールフローフ
ィルター(wallflow filters)である。そのようなウォールフ
ローフィルターはフィルターの上またはフィルターの中に触媒を含有していて粒
状物を濾過しそしてその取り除いた粒状物を焼失させ得る。一般的な構成は通路
が多数備わっているハニカム(honeycomb)構造物であり、このハニカ
ム構造物の上流および下流側の通路末端部は交互にふさがれている。その結果と
して、両方の末端部とも方格形の模様を有する。上流、即ち入り口末端部がふさ
がれている通路は下流、即ち出口末端部が開放されている。それによって、気体
は開放されている上流通路に入り、多孔質壁を貫通して流れた後、下流末端部が
開放されている通路を通って出る。処理を受けさせるべき気体は、通路の開放さ
れている上流末端部を通って触媒構造物の中に入り込み、この同じ通路の下流末
端部はふさがれていることから、その下流末端部からは出て行かない。この気体
は、この気体の圧力によって、多孔質構造壁を貫通して、上流末端部が封鎖され
ていて下流末端部が開放されている通路の中に入る。そのような構造物は、主に
、排気ガス流れから粒子を濾過で除去する目的で開示されている。そのような構
造物にはしばしば前記粒子の酸化を増強させる触媒が入っており、この触媒が位
置する場所は基質の上または基質の中である。そのような触媒構造物を開示して
いる典型的な特許には、米国特許第3,904,551号、4,329,162
号、4,340,403号、4,364,760号、4,403,008号、4
,519,820号、4,559,193号および4,563,414号が含ま
れる。
【0004】 ディーゼルエンジンの排気を処理する時に気体状HCおよびCO汚染物と粒子
、即ち煤粒子の両方の酸化に触媒作用を及ぼすことでそのような汚染物を二酸化
炭素と水に変化させる目的で耐火性金属酸化物支持体の上に分散している白金族
金属を含んで成る酸化触媒が用いられることは公知である。
【0005】 米国特許第4,510,265号には、白金族金属とバナジン酸銀の触媒混合
物を含有させた自己洗浄型のディーゼル排気粒子フィルターが記述されており、
前記触媒混合物を存在させると粒状物の着火および焼失開始温度が低くなると開
示されている。開示されているフィルターには薄壁多孔質ハニカム[モノリス(
monoliths)]または発泡構造物(この中を排気ガスは最小限の圧力降
下を伴って通る)が含まれる。有用なフィルターをセラミック、一般的には結晶
性セラミック、ガラスセラミック、ガラス、金属、セメント、樹脂または有機重
合体、紙、織り布およびそれらの組み合わせから作成することが開示されている
【0006】 また、米国特許第5,100,632号にも、触媒を含有させたディーゼル排
気粒子フィルターおよびディーゼルエンジンの排気ガスから付着物を除去する方
法が記述されている。その方法は、排気ガスを触媒含有フィルター(これは多孔
質壁を有していて、その壁に白金族金属とアルカリ土類金属の混合物が触媒とし
て付着している)に通すことを包含する。前記触媒混合物はその集められた粒状
物の着火開始温度を低くする働きをすると記述されている。
【0007】 米国特許第4,902,487号は、ディーゼル排気ガスをフィルターに通す
ことで粒状物が排出される前にそれを前記ガスから除去する方法に向けたもので
ある。前記フィルターに付着した粒状物を燃焼させる。その開示によれば、前記
粒状物をNO2含有気体で燃焼させる。そのNO2は排気ガスがフィルター(これ
がディーゼルの粒子を捕捉する)の下流を通る前に触媒作用で生じると開示され
ている。そのNO2酸化剤はその集められた粒子を低温で有効に燃焼させること
で背圧(これは一般に前記フィルターに粒状物が付着することで起こる)を低下
させる働きをする。前記フィルターがその付着した炭素煤および同様な粒状物を
有効に燃焼させるにはその送り込まれる気体にNO2が充分な量で存在していな
ければならないと開示されている。NOからNO2を生じさせることが知られて
いる触媒が有効であると開示されている。そのような触媒には白金族金属、例え
ばPt、Pd、Ru、Rhまたはそれらの組み合わせなどおよび白金族金属の酸
化物が含まれると開示されている。下流のフィルターは通常の如何なるフィルタ
ーであってもよい。具体的態様では、セラミック製ハニカムモノリスをPt触媒
が入っているアルミナウォッシュコート(washcoat)で被覆している。
前記モノリスの下流に粒子フィルター(particlate filter)
を位置させている。炭素質粒子は一般に375℃から500℃の桁の温度で燃焼
すると開示されている。EP 0 835 684 A2には、上流の触媒に続
いて下流の触媒含有フロースルー(flow−through)モノリスが位置
する装置が開示されている。米国特許第4,902,487号にはNO2を生じ
させることの利点が開示されているが、米国特許第5,157,007号には、
NO2の毒性はNOの毒性より高いことからNO2を抑制すべきであることが教示
されている。
【0008】 米国特許第4,714,694号には、アルミナによる安定化を受けさせたセ
リア触媒組成物が開示されている。ある材料を製造する方法が開示されており、
その方法は、バルクな(bulk)セリアまたはバルクなセリアの前駆体にアル
ミニウム化合物を含浸させた後にその含浸させたセリアに焼成を受けさせること
でアルミナ安定化セリアを生じさせることを包含する。その組成物に更に1種以
上の白金族触媒成分も含有させて、それを前記セリアの上に分散させている。ま
た、バルクなセリアをロジウム以外の白金族金属触媒のための触媒支持体として
用いることもC.Z.Wan他の米国特許第4,727,052号およびOha
ta他の米国特許第4,708,946号に開示されている。
【0009】 米国特許第5,597,771号には、セリアを触媒組成物で用いることが開
示されており、前記セリアは、バルクな形態、即ち粒状材料として、また触媒組
成物のいろいろな成分と密に接触した状態としての両方で用いられている。この
ような密な接触は、セリア含有成分を可溶セリウム塩として他の成分の少なくと
もいくらかと一緒に組み合わせることで達成可能である。前記セリウム塩に熱を
かける(例えば前記セリウム塩に焼成を受けさせる)と、これはセリアになる。
【0010】 米国特許第4,624,940号および5,057,483号にはセリア−ジ
ルコニア含有粒子が言及されている。セリアがセリア−ジルコニア複合体全重量
の30重量パーセントに及んでジルコニアマトリックス(matrix)全体に
均一に分散することで固溶体が生じ得ることが確認されている。共生成(例えば
共沈させた)粒子状のセリア−ジルコニア複合体を用いると、セリア−ジルコニ
ア混合物含有粒子内のセリアの利用度が高くなり得る。このセリアがジルコニア
を安定にしており、そしてこのセリアはまた酸素貯蔵成分(oxygen st
orage component)としても作用する。この’483特許には、
そのセリア−ジルコニア複合体にネオジムおよび/またはイットリウムを添加す
ることを通して結果として得られる酸化物の特性を所望に応じて改善することが
できることが開示されている。
【0011】 米国特許第5,491,120号には、セリアとバルクな2番目の金属酸化物
(これはチタニア、ジルコニア、セリア−ジルコニア、シリカ、アルミナ−シリ
カおよびアルファ−アルミナの1種以上であってもよい)を含有させた酸化触媒
が開示されている。
【0012】 米国特許第5,627,124号には、セリアとアルミナを含有させた酸化触
媒が開示されている。各々に少なくとも約10m2/gの表面積を持たせること
が開示されている。セリアとアルミナの重量比を1.5:1から1:1.5にす
ることが開示されている。更に、場合により白金を含めてもよいことも開示され
ている。前記アルミナは好適には活性アルミナであることが開示されている。米
国特許第5,491,120号には、セリアとバルクな2番目の金属酸化物(こ
れはチタニア、ジルコニア、セリア−ジルコニア、シリカ、アルミナ−シリカお
よびアルファ−アルミナの1種以上であってもよい)を含有させた酸化触媒が開
示されている。
【0013】 従来技術には、また、ディーゼル排気の処理でゼオライト類を用いることの認
識も示されており、そのようなゼオライトには酸性ゼオライトおよび金属がドー
パントとして添加されている(metal−doped)ゼオライトが含まれる
。ヨーロッパ特許第0 499 931 B 1号は、ディーゼルエンジンに含
まれる粒子の分量および/または大きさを小さくしかつ排気ガスを減少させる目
的で触媒を用いることに向けたものである。前記触媒は、酸性特性のゼオライト
類、例えばファウジャス石、ペンタシルまたはモルデン沸石などを用いて長鎖お
よび芳香族炭化水素を分解させることを特徴とする。前記特許はドイツ特許第D
E 4105534C2号(これには酸性ゼオライトを用いて長鎖炭化水素を分
解させることが開示されている)の優先権を主張している。追加的に、DE 4
226111A1号およびDE 4226112A1号もまた酸性ゼオライトの 使用を開示している特許である。DE 4226111A1号には、粒子の質量 および/または大きさの低下に触媒作用を及ぼす目的で用いる組成物として貴金 属と酸性ゼオライトが開示されている。DE 4226112A1号には遷移金 属の酸化物と酸性ゼオライトを同様な理由で用いた組成物が開示されている。米 国特許第5,330,945号には、ディーゼル排気の粒子を触媒で処理するこ とが開示されている。そのような組成物は、カチオン部位の所に交換可能カチオ ンを有するゼオライトとの組み合わせでシリカおよび触媒作用を示す金属の非常 に微細な粒子を含有する。その場合の目的も再びそこを通る炭化水素に分解と酸 化を受けさせることにある。
【0014】 WO 94/22564にはディーゼル排気処理用触媒組成物が開示されてお
り、前記組成物はセリアと場合によりアルミナに加えてベータゼオライトを含有
する。SO2からSO3への変換を制限しながらCOおよびHCの酸化を助長する
目的で白金族金属を用いている。
【0015】 表題が「Improved Zeolite−Containig Oxid
ation Catalyst and Method of Use」のWO
94/01926には、揮発性有機画分が入っているディーゼルエンジン排気
流れを処理するための触媒組成物が開示されている。この触媒組成物は耐火性担
体を含んで成っていて前記担体の上にBET表面積が少なくとも約10m2/g
のセリアを触媒有効量で含有しかつゼオライトを触媒有効量で含有する触媒材料
の被膜が位置している。また、セリアとアルミナを白金族金属の支持体として用
いることも公知である[二重(dual)排気用触媒として]。このゼオライト
に白金族金属をドーパントとして添加することも可能である。前記組成物にはゼ
オライトが用いられており、これはVOFの酸化およびより大型のVOF分子の
分解の両方に触媒作用を及ぼしそして温度が比較的低い運転期間中には気相炭化
水素をゼオライトの孔の中に捕捉する働きをする。このゼオライトに1種以上の
触媒金属または水素をドーパントとして添加しておくと、この触媒活性を示すカ
チオンと捕捉された気相炭化水素が密に接触することで炭化水素の酸化が助長さ
れる。
【0016】 興味の持たれる文献には、また、Feeley他、ABATEMENT OF
NOX FROM DIESEL ENGINES;STATUS AND
TECHNICAL CHALLENGES、SAE #950747;M.I
wamoto他、JSAE(日本)Review、16、21−25頁(199
5)およびBurch他、AN INVESTIGATION OF THE
MECHANISM OF THE SELECTIVE CATALYTIC
REDUCTION OF NO ON VARIOUS METAL/ZS
M−5 CATALYSTS:REACTION OF H2/NO MIXT
URES、Catal.Lett.、27、177−186頁(1994)が含
まれる。
【0017】 (発明の要約) 本発明は、窒素酸化物、一酸化炭素、気体状炭化水素および粒状物を含有する
ディーゼルエンジン排気流れを処理する方法および関連製品に関する。本方法は
、前記流れをセリウム成分およびゼオライト成分から本質的に成る群から選択さ
れる少なくとも1種の上流の触媒成分を含んで成る上流の触媒組成物に接触させ
ることで前記粒状物の分量および総量(quantity and amout
)を減少させることを包含する。有用な触媒成分はセリウム成分とゼオライト成
分の組み合わせを含んで成る。次に、前記流れを前記上流の触媒組成物からこの
上流の触媒組成物の下流に位置する粒子フィルターに送ってもよい。
【0018】 前記上流の触媒成分に更に貴金属触媒成分も含有させることで、前記貴金属触
媒成分の存在下で前記窒素酸化物の少なくともいくらかに還元を受けさせること
で窒素を生じさせかつ前記炭化水素および一酸化炭素のいくらかに酸化を受けさ
せる。
【0019】 本発明の製品は排気出口を有するディーゼルエンジンを含んで成る。排気導管
を存在させて、前記排気出口が前記排気導管の上流末端部を限定するようにする
。前記導管は排気パイプの出口にまで伸びている。上流の触媒組成物を前記排気
導管内に位置させそして前記排気導管内に粒子フィルターを前記上流の触媒組成
物の下流に位置させる。前記上流の触媒組成物を適切な担体の上に位置させても
よくそして前記担体を上流の容器または「缶」内に位置させてもよい。下流のフ
ィルターを前記上流の触媒組成物のとは別の下流の容器または缶内に位置させて
もよい。代替態様では、前記上流の触媒組成物を適切な担体の上に位置させて前
記下流のフィルターのと同じ缶の中に位置させてもよい。
【0020】 本発明では、前記組成物に含有させる貴金属触媒成分の量が僅かのみであるか
或はそれを本質的に全く含有させなくても、粒状物の大きさおよび総量を低下さ
せることができる。これを、セリウム成分およびゼオライト成分から本質的に成
る群から選択した少なくとも1種の上流の触媒成分を含有させた上流の触媒組成
物を用いることで達成する。この上流の触媒をウォッシュコートとして前記フィ
ルターの上流に位置させるフロースルー担体の上に位置させてもよい。この上流
の触媒には粒状物がほとんど蓄積せず、この触媒は、これの下流に位置するフィ
ルターに到達する粒状物の大きさおよび総量を低下させる。
【0021】 前記下流のフィルターを触媒作用フィルター(catalytic filt
er)、好適には触媒含有ウォールフローフィルター(catalyzed w
allflow filter)と呼ぶ。この下流フィルターに付着させるフィ
ルター用触媒は、接触酸化の如き過程で粒状物を触媒作用で除去するように設計
可能である。本発明の上流触媒を用いると前記触媒含有フィルターの均衡点温度
(balance point temperature)(以下に定義する)
が有意に低くなることを確認した。このフィルター触媒は本分野で公知な如き少
なくとも1種の触媒活性材料を含んで成り、好適なフィルター触媒は、セリウム
成分、ゼオライト成分および白金族金属成分から選択される少なくとも1種の触
媒活性材料を含んで成る。このフィルター用触媒は、好適には、フィルター用貴
金属酸化触媒(precious metal oxidation filt
er catalyst)を基にした組成物を含んで成る。このフィルター触媒
で用いるに有用な貴金属成分には、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウムお
よびそれらの混合物から選択される少なくとも1種の白金族金属成分が含まれ、
最も好適な貴金属成分は白金、パラジウムおよびロジウムである。
【0022】 上流の触媒成分として用いるに有用なばかりでなく前記触媒含有フィルターで
用いるに有用なゼオライトは、一般式: M1n[mM22・nSiO2]・qH2O (I) [式中、 M1は、1当量の交換可能カチオンであり、これの数はM2成分に対応し、 M2は、三価の元素であり、これはSiと一緒になってゼオライトの酸化物骨格
を形成しており、 n/mは、M22に対するSiO2の比率であり、そして qは、吸収されている水の分量である] で表されることを特徴とし得る。
【0023】 M2は、Al、B、Ga、In、Fe、Cr、V、AsおよびSbから成る群
から選択される少なくとも1種の金属を含んで成っていてもよく、そしてM1
、水素およびLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Cr、M
n、Fe、Co、Ni、Cu、Nb、Ma、Ta、W、Re、Pt、Pdおよび
Rhから成る群から選択される少なくとも1種の金属から成る群から選択可能で
ある。
【0024】 特定態様では、M1を、水素およびRhおよびPtから成る群から選択される
少なくとも1種の金属から成る群から選択してもよい。M2は、Al、B、Ga
、In、Fe、Crから成る群から選択される少なくとも1種の金属を含んで成
っていてもよく、そしてM1を、水素およびRhおよびPtから成る群から選択
される少なくとも1種の金属から成る群から選択する。M2は好適にはAlであ
る。
【0025】 好適なゼオライトにはベータ、ファウジャス石、ペンタシルおよびモルデン沸
石が含まれ、有用なゼオライトはベータゼオライト、ZSM−5およびゼオライ
トYである。
【0026】 他の特定態様では、M1が100%に及んで水素イオンを含んで成っていても
よい。好適な態様におけるゼオライトは酸である。上述した構造型の前記ゼオラ
イトでは、金属カチオンの少なくとも一部が水素イオンに置き換わっている。全
てのM1金属の好適には50−100%、特に好適には80−100%が水素イ
オンに置き換わっていてもよい。
【0027】 特定態様の利点は、上流の触媒組成物に貴金属を本質的に全く存在させない点
にある。このような態様におけるM2は三価の金属を含んで成りそしてM1は実質
的に貴金属を含まない。
【0028】 有用で好適な上流の触媒組成物はセリウム成分を含んで成る。有用な態様のセ
リウム成分はセリアを含んで成り、このセリアは適切な形態、好適にはバルクな
形態(以下に定義する)であってもよい。
【0029】 前記上流の触媒に他のいろいろな成分を含めてもよく、そのような成分には、
アルミナ、チタニア、ジルコニア、アルカリ土類金属の酸化物、希土類の酸化物
および遷移金属の酸化物から選択される少なくとも1種の化合物が含まれる。前
記上流の触媒組成物に支持体成分、例えば耐火性酸化物などを含めてもよく、こ
のような耐火性酸化物はチタニア、ジルコニアおよびシリカ含有成分から選択可
能である。場合により、少なくとも1種の貴金属成分を支持体成分の上に位置さ
せてもよい。前記上流の触媒で用いるに有用な貴金属成分には、白金、パラジウ
ム、ロジウム、イリジウムおよびそれらの混合物から選択される少なくとも1種
の白金族金属成分が含まれ、白金、パラジウムおよびロジウムが最も好適である
【0030】 前記上流の触媒組成物に更に少なくとも1種の卑金属成分も含めてもよく、そ
れを前記ゼオライトから離れて位置させる。この卑金属はアルミナ、チタニアお
よびジルコニアから成る群から選択される酸化物を含んで成っていてもよ、アル
ミナが好適である。
【0031】 この示した触媒組成物を触媒担体(また基質とも呼ぶ)に支持させる。前記上
流の触媒組成物を支持させる目的で用いるに好適な担体は、フロースルー、フォ
ーム(foam)およびメッシュ(mesh)基質から選択可能である。最も好
適な上流の担体はフロースルー担体であり、これは好適には金属製または耐火性
セラミック製であり、これに、全体に渡って伸びていて通路壁(これを前記上流
の触媒組成物で被覆する)で限定されている多数の平行な排気流路を持たせる。
有用なフィルターにはウォールフローフィルター(wallflow filt
ers)、フォームフィルター、巻き繊維フィルター(wound fiber
filters)、セラミック繊維フェルト、ニットまたは織りフィルター、
およびメッシュフィルターが含まれ、ウォールフローフィルターが好適である。
【0032】 (好適な態様の説明) 本発明は、ディーゼルエンジンの排気を処理して特にこの排気に含まれる粒状
物全体そして気体状炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)および窒素酸化物(
NOx)を減少させることに関して効果を示す上流触媒と下流フィルター、好適
には触媒含有フィルターを含んで成る製品および関連方法に関する。
【0033】 ディーゼルエンジンの排気に含まれる炭素質粒状物(「煤」)成分は、この上
で考察したように、比較的乾燥した炭素質粒状物と揮発性の有機画分(「VOF
」)[これはディーゼル燃料および潤滑油が未燃焼およびある程度燃焼する結果
として生じる高分子量の炭化水素、典型的にはC9を越える炭化水素、通常はC1 2 −C50の範囲の炭化水素を含んで成る]で構成されていることが知られている
。このVOFはディーゼル排気内にこの排気の温度に応じて気相または液相もし
くは両方として存在する。このVOFは追加的に固体状の炭素質画分に吸着され
ている可能性がある。
【0034】 排出される粒状物の全体量を減少させるには、それを酸化触媒に適切な反応条
件下で接触させて揮発性有機画分またはそれの少なくとも一部に酸化を受けさせ
ることで無害なCO2とH2Oを生じさせる必要がある。HC、COおよびNOx
を包含する気体状汚染物は触媒で処理可能である。気体状の炭化水素(典型的に
はC2からC6を包含する炭化水素)には酸化を受けさせてCO2とH2Oを生じさ
せることができそして窒素酸化物には還元を受けさせて窒素(N2)を生じさせ
ることができる。
【0035】 本発明の製品は、これをディーゼル排気処理用触媒として用いると、粒状物全
体量の低下の遂行で効果を示しかつまた特に以下に記述するようにこれに白金族
金属成分および/または触媒作用を示す他の金属を添加しておくとディーゼルエ
ンジン排気の気体状成分に含まれるHCおよびCOの一部に酸化を受けさせそし
てNOxの一部に還元を受けさせると言った追加的利点も示し得る。これを、前
記上流の触媒によってNO2が生じる度合を最小限にしながら達成する。好適な
態様では、本装置に前記上流の触媒を存在させる結果として生じるNO2の生成
がほとんどか或は全く起こらないようにすると同時に低い均衡点温度を達成する
定義 本明細書および請求の範囲で下記の用語を用いる場合、これらは以下に示す意
味を有する。
【0036】 用語「活性アルミナ」は、高いBET表面積を有するアルミナ[主に1種以上
のγ−、θ−およびδ−アルミナ(ガンマ、シータおよびデルタ)を含んで成る
]の通常の意味を有する。
【0037】 「均衡点温度(BPT)」は、触媒含有粒子フィルターに流れ込む粒状物の量
が前記触媒含有フィルターによって非粒子状成分に変化した粒状物の量に等しく
なる時の排気ガス流入温度(触媒含有フィルターに流入する)を意味する。即ち
、前記フィルター内で燃焼する粒状物の速度は前記フィルター内に蓄積する粒状
物の蓄積速度に等しい。別の様式で述べると、これは前記触媒含有フィルターに
粒状物が蓄積しなくなる、即ちそれが「自己生成(self−generati
ng)」する時の温度である。BPTは、前記フィルターを横切る経時的圧力降
下(ΔP)に関係し得る。
【0038】 「BET表面積」は、N2吸着で表面積を測定するBrunauer、Emm
ett、Teller方法に述べられている通常の意味を有する。特に明記しな
い限り、本明細書でセリア、アルミナまたは他の成分の表面積を言及する場合、
このような言及は全部BET表面積を指す。
【0039】 本明細書または請求の範囲でセリアまたはアルミナに関してそれらが「バルク
」形態であると言及する場合の「バルク」は、そのセリアまたはアルミナが個々
別々の粒子(これの大きさは非常に小さく、例えば直径が10から20ミクロン
またはそれ以下でさえあってもよく、そして通常はそうである)として存在する
ことを意味する[それらを溶体の形態で別の構成要素の中に分散させた場合とは
対照的に]。例えば、米国特許第4,714,694号に記述されているように
、セリア粒子(バルクセリア)にアルミナによる熱安定化を受けさせると、結果
として前記アルミナがセリア粒子の中に分散し、アルミナは「バルク」形態では
分散しない、即ち個々別々のアルミナ粒子としては分散しない。
【0040】 「触媒有効量」は、存在する材料の量が処理を受けさせる排気に含まれる汚染
物の酸化もしくは還元反応速度に影響を与えるに充分な量であることを意味する
【0041】 金属または水素をゼオライトにドーパントとして添加することを指す目的で用
いる「ドーパントとして添加した(doped)」そして同じ文脈で用いる用語
”ドープ(dope)”または”ドーピング(doping)”は、金属または
水素部分がゼオライトの孔の中に組み込まれていることを意味し、それは、金属
または水素部分がゼオライトの表面上に分散していて如何なる有意な度合でもゼ
オライトの孔の中には存在しないと言ったことから区別される。ゼオライトのド
ーピングを好適には公知のイオン交換技術で実施し、このようなイオン交換技術
では、金属カチオン(または水素イオンを与える酸)が入っている溶液をゼオラ
イトに繰り返しかけるか、或はゼオライトの孔を前記溶液で溢れさせる。しかし
ながら、この定義した用語は、触媒作用を示す部分、例えば1種以上の金属(イ
オンまたは中性の金属含有種として)または水素イオンをゼオライトの孔の中に
特にゼオライトのカチオン交換または置換を通して組み込むに適した如何なる技
術も包含する。 「1時間当たりの気体空間速度」(GHSV)は、1時間毎を基準にして標準条
件(1気圧、Rm T 300度K)における気体体積流量を触媒の全体積(担
体を包含)[例えばハニカム担体の場合にはハニカムの全体積を用いる]である
反応槽の体積で割った値である。
【0042】 「流入温度」は、処理を受けさせる排気、試験ガスおよび他の流れが処理装置
、例えば触媒成分またはフィルターなどに最初に接触する直前の前記排気、試験
ガスまたは他の流れの温度を意味する。
【0043】 「ウォッシュコート」は、典型的には耐火性材料、例えばコージライトまたは
他の酸化物もしくは酸化物混合物またはステンレス鋼などで作られている担体に
含まれる平行な気体流れ通路を形成する壁に付着させる材料、例えば本発明の触
媒材料などの粘着性薄被膜を指す。
【0044】 当該組成物をモノリス担体基質に被膜として付着させる時の「ウォッシュコー
ト充填率」は、触媒および基質1立方インチ当たりの材料(これを通常は材料の
グラムとして表す)の比率を指すが、但し貴金属成分の場合にはこれを通常は触
媒および基質1立方フィート当たりの材料のグラムとして表す。このような尺度
は、モノリス担体基質が異なりそしてそれに含まれる気体流路セルの大きさが異
なっても適応する。白金族金属成分は白金族金属の重量を基にしている。製品 図1−4を参照することで本発明の製品の好適な態様が理解されるであろう。
【0045】 本発明の製品は、排気出口12を有するディーゼルエンジン10を含んで成る
。排気導管14を前記排気出口12が前記排気導管14の上流末端部を限定する
ように存在させる。この導管は排気パイプの出口にまで伸びている。上流の触媒
組成物16を好適には適切な担体の上に位置させる。この担体を上流の容器(ま
たは缶)16’の中に入れて前記排気導管14内に位置させてもよい。粒子フィ
ルター18を前記排気導管14内に前記上流の触媒組成物14の下流に位置させ
る。この下流の粒子フィルター18を前記上流の触媒組成物16のとは別の下流
の容器18’または缶の中に位置させてもよい。代替態様では、前記上流の触媒
組成物16を適切な担体に付着させて前記下流のフィルター18のと同じ缶の中
に位置させてもよい。排気パイプ20を存在させて、これを前記粒子フィルター
18の出口と伝達状態にする。
【0046】 前記上流の触媒担体16’はフロースルーハニカムであり、これはセラミック
または金属材料で作られていてもよい。図2を参照して、フロースルーハニカム
30は多数の通路32を有する。このハニカムは入り口末端部34と出口末端部
36を有する。好適には、各通路32は入り口側34が開放されておりかつ出口
側36も開放されている。前記ハニカムの中を通る気体(矢印38で示す)は入
り口末端部34から入って出口末端部36から出る。この気体は通路12の中を
通る。前記通路は通路壁40を有する。この通路壁40は触媒組成物42の層(
この組成物の塗布は以下に記述する通りである)で覆われている。この触媒組成
物を好適にはハニカム通路の各々が触媒で覆われるように通路壁40の各側に付
着させる。
【0047】 好適な下流の粒子フィルター18は、図3および4に示す如きウォールフロー
フィルター30である。その通路は、入り口54および出口56の所に相対する
方格模様が生じるように、交互に入り口の所が入り口プラグ(plugs)58
でふさがれておりかつ出口の所が出口プラグ60でふさがれている。気体流れ6
2はふさがれていない通路入り口64から入り、出口プラグ56で阻まれること
で、通路壁53を貫通して出口側46に拡散する。この気体は、入り口プラグ5
8が存在することから、壁33の入り口側に戻ることはできない。この入り口側
の壁53を多孔質の触媒組成物で覆っておいてもよい。上流の触媒組成物 上流の触媒組成物は、粒状物の分量および総量を減少させるセリウム成分およ
びゼオライト成分から本質的に成る群から選択される少なくとも1種の上流の触
媒成分を含んで成る。有用な触媒成分はセリウム成分とゼオライト成分の組み合
わせを含んで成る。
【0048】 本発明の上流の触媒組成物を基質、例えばフロースルーハニカムモノリス基質
などと一緒に用いる場合、これのウォッシュコート充填率(立方インチ当たりの
グラムで表す)を好適には1立方インチ当たり0.5から5.0、より好適には
0.5から3グラムにする。セリウム成分 本発明の上流の触媒組成物にセリウム成分、好適には酸化セリウム(セリア)
を含有させてもよい。このセリウム成分を本上流触媒組成物の少なくとも5重量
%、好適には少なくとも10重量%、より好適には少なくとも15重量%の量で
存在させてもよい。セリウム成分量の有用な範囲には、本上流触媒組成物を基準
にして5から80、好適には25から75、より好適には40から60重量%が
含まれる。
【0049】 そのようなセリウム成分を含有させる場合、これは本技術分野で公知の分散方
法を用いて実施可能である。そのような方法には、水溶性セリウム成分を本上流
組成物に含める成分に含浸(セリウム成分を支持体成分に含浸)させることで好
適には前記組成物の層を適切な基質の上に生じさせ、その結果として生じた混合
物に乾燥および焼成を空気中で受けさせることで、セリアをこれが前記組成物の
成分に接触した状態で含有する触媒層を生じさせることが含まれ得る。含浸は、
典型的に、含浸を受けさせるべき材料の孔を満たすに実質的に充分な量で液体を
存在させることを意味する。使用可能な水溶性もしくは分散性セリウム成分の例
には、これらに限定するものでないが、酢酸セリウム、硝酸セリウムなどの水溶
性塩および/またはコロイド状分散液が含まれる。米国特許第4,189,40
4号に硝酸セリウムによるアルミナを基にした支持体組成物の含浸が開示されて
いる。
【0050】 別法として、このセリウム成分はバルクなセリアの形態であってもよい。バル
ク形態は、セリアおよび/またはプラセオジミアが個々別々の粒子(これは直径
が1から15ミクロン以下であるように小さくてもよい)として存在することを
意味し、これは、1番目の層の場合のようにそれが溶体の状態で分散しているの
とは対照的である。そのようなバルク成分の説明および使用が米国特許第4,7
14,694号(引用することによって本明細書に組み入れられる)に示されて
いる。米国特許第4,727,052号(また引用することによって本明細書に
組み入れらる)に示されているように、バルク形態は、セリアが固体またはバル
クの形態で存在するようにセリアの粒子が活性アルミナの粒子と混ざり合ってい
ることを意味し、これは、例えばアルミナの粒子にセリウム化合物の溶液を含浸
させた後に焼成でそれを前記アルミナ粒子内に位置するセリアに変化させるのと
は対照的である。
【0051】 有用なセリウム成分には、セリアとジルコニアといろいろな希土類成分から作
られた複合体が含まれる。セリア−ジルコニア含有粒子を言及している米国特許
第4,624,940号および5,057,483号を参照のこと。セリアをジ
ルコニアマトリックス全体にセリア−ジルコニア複合体の全重量の50重量パー
セントに及ぶ量で均一に分散させることで固溶体を生じさせてもよい。共生成(
例えば共沈)セリア−ジルコニア粒子複合体では、セリア−ジルコニア混合物含
有粒子に含まれるセリアの利用度が向上し得る。前記’483特許には、ネオジ
ムおよび/またはイットリウムを前記セリア−ジルコニア複合体に添加すること
で結果として生じる酸化物の特性を所望通り修飾することができることが開示さ
れている。有用なセリウム成分はセリア、ジルコニア、ネオジミアおよびプラセ
オジムを含有する複合体、例えば米国特許第5,898,014号に開示されて
いる如き複合体であり得る。
【0052】 上流組成物に含まれるセリアの含有量が低く、前記上流触媒の重量を基準にし
たセリアの含有量が約40重量%以下、具体的には1から約25重量%、より具
体的には2から20重量%、更により具体的には2から15重量%の触媒を用い
ると、結果として、排気ガスの温度が約400℃に及んでもNO2の生成量は最
小限から本質的にゼロである。セリアを約2から10重量%の量で用いると、結
果として、排気ガスの流入温度が400℃に及んでもNO2は本質的に全く生じ
ない。予想外に、セリウム成分を前記下流の触媒組成物を基準にして40重量%
を越える量で用いると結果として僅かではあるがNO2が生じることを確認した
。セリアを約45重量%の量で用いた実施例4および5では結果としてこれらの
実施例で示されるように僅かではあるがNO2が生じることを参照されたい。背
景で示したように、NO2が生じないようにする方が望ましい可能性がある。し
かしながら、特定の状況下では、また背景で開示したように、上流の触媒がNO 2 を生じさせるようにする方が望ましいこともあり得ることも開示されている。
本発明の組成物に従うと、NO2がほとんど生成しないか或は全く生成しないよ
うにした時でもそのような利点が達成された。ゼオライト成分 本発明の上流の触媒組成物にゼオライト成分を含有させてもよい。このゼオラ
イト成分を本上流触媒組成物の少なくとも5重量%、好適には少なくとも10重
量%、より好適には少なくとも15重量%の量で存在させてもよい。セリウム成
分量の有用な範囲には5から80、好適には20から60、より好適には40か
ら60が含まれる。
【0053】 本発明に従って用いるに特に適したゼオライトがDE 41 05 534
C2(引用することによって本明細書に組み入れられる)に記述されており、そ
れには下記の構造型のものが含まれる:ファウジャス石、ペンタシル、モルデン
沸石、ZSM−12、ゼオライトベータ、ゼオライトL、ゼオライトオメガ、Z
SM−22、ZSM−23、ZSM−48、EU−1など。ペンタシル型ゼオラ
イトのAl23に対するSiO2の比率は、好適には25から2000である。
【0054】 ゼオライト類は、一般式(I): M1n[mM22・nSiO2]・qH2O (I) [式中、 M1は、1当量の交換可能カチオンであり、これの数はM2成分に対応し、 M2は、三価の元素であり、これはSiと一緒になってゼオライトの酸化物骨格
を形成しており、 n/mは、M22に対するSiO2の比率であり、そして qは、吸収されている水の分量である] で表されることを特徴とし得る。
【0055】 ゼオライト類は、それの基本的な構造の意味で、SiO4とM24の四面体の
網状組織で構成されている結晶性アルミノシリケートである。個々の四面体はこ
の四面体の隅で互いに酸素橋渡しによって結合していて、通路および空隙を通し
て均一に広がる三次元網状組織を形成している。個々のゼオライト構造は通路お
よび空隙の配置および大きさそしてそれらの組成の点で互いに異なる。M2成分
から生じる格子の負電荷を補うように交換可能なカチオンが組み込まれている。
吸収されている水相qH2Oは骨格がそれの構造を失うことなく可逆的に除去可
能である。M2はしばしばアルミニウムであるが、これはある程度または完全に
他の三価元素に置き換わり得る。
【0056】 ゼオライト類の詳細な説明を、例えばD.W.Breck著の表題が「Zeo
lite Molecular Sieves,Structure,Chem
istry and Use」の本(J.Wiley & Sons、ニューヨ
ーク、1974)などに見ることができる。特に触媒用途で用いるに適切な高シ
リカ(high−silica)ゼオライト類のさらなる説明を、P.A.Ja
cobsおよびJ.A.Martens著の表題が「Synthesis of
High−Silica Aluminosilicate Zeolite
」の本(Studies in Surface Science and C
atalysis、33巻、B.DelmonおよびJ.T.Yates編集、
Elsevier、アムステルダム−オックスフォード−ニューヨーク−東京、
1987)に見ることができる。
【0057】 本発明に従って用いるゼオライト類の場合のM2はAl、B、Ga、In、F
e、Cr、V、AsおよびSbから成る群の1つ以上の元素、好適にはAl、B
、GaおよびFeから成る群から選択される1つ以上の元素であってもよく、A
lが最も好適である。
【0058】 この述べたゼオライトに存在する交換可能カチオンM1は、例えばK、Na、
Li、Mg、Ca、Sr、Ba、Rb、Csのカチオン、およびまた遷移金属カ
チオン、例えばCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Nb、Ma、Ru、Rh
、Pd、Ag、Ta、W、ReおよびPtのカチオンであってもよい。また、希
土類族のカチオンおよびプロトンも適切である。
【0059】 特定態様におけるゼオライトは、M2が三価金属を含んで成りそしてM1が実質
的に貴金属を含まない一般式(I)で表されることを特徴とする。この1番目の
ゼオライトは、好適には、M2がAl、B、Ga、In、Feから成る群から選
択される少なくとも1種の金属を含んで成りそしてM1がK、Mg、Ca、Sr
、Ba、Mn、Fe、Co、Ni、Cr、VおよびCuから成る群から選択され
る少なくとも1種の金属および/または水素から成る群から選択される一般式(
I)で表されることを特徴とする。最も好適なM2はAlでありそして最も好適
なM1はH、Mg、Ca、Sr、Ba、FeおよびMnから選択され、Hおよび
Feが最も好適である。より好適なゼオライト類は、ファウジャス石、ペンタシ
ル、モルデン沸石、Yおよびベータから成る群から選択され、ペンタシルおよび
ベータが最も好適である。最も好適なゼオライトはベータゼオライトを含んで成
る。このベータゼオライトにHおよび/またはFeによる交換を受けさせること
も可能である。
【0060】 好適な態様におけるゼオライトは酸性である。そのようなゼオライトは、上述
した構造型のゼオライトに含まれる金属カチオンの少なくとも一部が水素イオン
に置き換わっているゼオライトである。全てのM1金属の好適には50−100
%、特に好適には80−100%が水素イオンに置き換わっていてもよい。
【0061】 例えばベータゼオライトを酸と反応させることなどで、アルミナに対するシリ
カのモル比を高くすることができる。Scherzer、「The Prepa
ration and Characterization of Alumi
num−Deficit Zeolites」、Catalytic Mate
rials、American Chemical Society 1984
(0097 6156/84/0248 0157)、157−200頁は、ア
ルミニウム欠乏ゼオライトの製造方法に向けたものである。3種類の方法には、
熱または水熱による脱アルミニウム、化学的脱アルミニウム、そして熱による脱
アルミニウムと化学的脱アルミニウムの組み合わせが含まれる。熱または水熱に
よる処理を用いることも可能ではあるが、この場合に結果として起こる骨組みの
脱アルミニウムはある程度であることからアルミニウムはゼオライトのケージま
たは通路内に残存したままである。いろいろな反応体を用いて好適な化学的処理
を実施することができ、この場合には、結果として、アルミニウムがゼオライト
から可溶もしくは揮発形態で取り除かれる。ゼオライトと適切な反応体を溶液(
水溶液または非水性溶液)の状態で反応させるか或はゼオライトと反応体を高温
の気相中で反応させることを通して、好適な化学的脱アルミニウムを達成するこ
とができる。好適には、ゼオライトを酸、塩または関連反応体、最も好適には酸
が入っている溶液と一緒に溶液の状態で反応させることで脱アルミニウムを達成
する。有用な酸には、鉱酸、例えば硫酸、塩酸および硝酸などが含まれ、硫酸が
最も好適である。前記Breckには、特定のゼオライトを酸で処理することで
それの骨組みからアルミニウムを除去することができることが開示されておりか
つそれを塩酸で処理することでアルミナに対するケイ素の比率を高くする実施例
も与えられている(Breck、前記、505−507頁)。
【0062】 前記ゼオライトと酸を好適には反応槽内で周囲温度および周囲圧力下で反応さ
せる。結果として生じた反応生成物を分離して脱イオン水で洗浄した後、濾過す
る。次に、この反応生成物を乾燥させる。アルミナに対するシリカのモル比は公
知方法、好適にはX線蛍光で測定可能である。SiO2/Al23比を測定する
好適な分析手順は、サンプルに焼成を1,000℃で1時間受けさせる手順であ
る。このサンプルを10重量部のフラックス剤(fluxing agent)
(好適には、メタホウ酸リチウムとテトラホウ酸リチウムが80/20の重量比
)と混合する。この混合物を1,200℃で約5分間融解させる。結果としてボ
タン形態で生じた混合物にX線蛍光による分析を受けさせる。これを標準との比
較で行う。
【0063】 本発明のゼオライト組成物は、本技術分野で公知の種類のディーゼル酸化触媒
、例えばYavuz他が1994年6月7日付けで提出した共通譲渡の米国連続
番号08/255,289、Voss他が1995年3月16日付けで提出した
共通譲渡の米国連続番号08/405,279およびFarrauto他が19
95年6月1日付けで提出した共通譲渡の米国連続番号08/457,557(
これらは全部引用することによって本明細書に組み入れられる)に開示されてい
る如き酸化触媒との混合物の状態で含んで成っていてもよい。本発明のゼオライ
ト組成物を酸化組成物と組み合わせて用いる場合、このゼオライト組成物がその
一緒にした組成物の10から90、好適には20から70、より好適には30か
ら60パーセントを構成するようにしてもよい。
【0064】 ゼオライトを約40重量%とセリアを約5重量%含有させた触媒を用いると、
結果として、排気ガスの温度が約350℃に及んでも本質的に全くNO2が生じ
ず、温度が約400℃に到達した時に僅かのみであるがNO2が生じる。結合剤 本発明の組成物に場合によるが好適には結合剤を含有させる。好適な結合剤は
アルミナ、シリカ、シリカ−アルミナおよびジルコニアである。高表面積のアル
ミナが好適な結合剤である。この結合剤の量を典型的には前記上流触媒組成物の
重量を基準にして5から50、好適には10から40、最も好適には15から3
5重量パーセントにする。
【0065】 本発明の好適な組成物はセリアを前記上流触媒組成物を基準にして0から75
、好適には25から75、より好適には25から60重量%とゼオライトを0か
ら60、好適には20から60、より好適には25から60重量%と結合剤を5
から50、好適には10から40、最も好適には15から35重量%含んで成る
。好適な組成物はセリアを30から35重量%とゼオライトを30から35重量
%と結合剤を30から35重量%含んで成る。
【0066】 本発明の触媒に場合により少なくとも1種の貴金属成分を含有させてもよく、
この成分を、粒状物、VOF、気体状炭化水素および一酸化炭素の酸化と窒素酸
化物の還元をもたらす触媒活性が有意に向上した組成物が得られるに充分な量で
存在させる。本明細書で用いる如き用語「貴金属成分」には、金、銀、および「
白金族金属成分」(白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウムおよびイリジウム
成分を包含)が含まれ、これは、この触媒の焼成時または使用時に分解を起こす
か或は他の様式で触媒活性を示す形態、即ち通常は金属または金属酸化物に変化
するような任意の白金族金属の化合物、錯体などを意味する。この白金族金属成
分は、前記セリアおよびゼオライト粒子から離れて位置する粒子であってもよく
、好適には白金またはパラジウム金属成分であり、白金を触媒材料に担持させる
場合には、これを約0.1から約60、例えば0.1から15、好適には0.1
から5g/立方フィートの量で分散させ、或はパラジウムを触媒材料に担持させ
る場合には、これを約0.1から約200、例えば20から120、好適には5
0から120g/立方フィートの量で分散させる。
【0067】 具体的な触媒組成物に含める好適な貴金属成分は、好適には、白金もしくは白
金/ロジウム成分であり、これを典型的にはモノリスハニカム型基質を覆う層と
して用いる。モノリス体積当たりの貴金属のグラムを基準にした全貴金属成分充
填量を5から400g/立方フィート、好ましくは15から250g/立方フィ
ート、好適には10から150g/立方フィート、より好適には25から100
g/立方フィートにする。支持体である耐火性酸化物を基準にした充填量を好適
には5から200g/立方フィート、より好適には5から100g/立方フィー
ト、最も好適には20から75g/立方フィートにする。ゼオライトを基準にし
た充填量を好適には3から100g/立方フィート、より好適には5から75g
/立方フィート、最も好適には15から50g/立方フィートにする。
【0068】 この支持体材料は好適には耐火性酸化物材料であり、これを好適にはシリカ、
アルミナおよびチタニア化合物を包含する群から選択する。特に好適な支持体は
、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、シリカ−アルミナ、アルミナ−ジ
ルコニア、アルミナ−クロミア、アルミナ−セリア、ケイ酸ジルコニウムおよび
チタン−アルミナから成る群から選択される高表面積で活性化を受けた化合物で
ある。
【0069】 この支持体は好適には高い表面積を有する耐火性酸化物支持体を含んで成る。
この支持体の粒子は、典型的には、粒子の少なくとも90%が15ミクロン未満
の平均直径を有するような粒子であり、より典型的には、この支持体は、粒子の
90%が10ミクロメートル未満の平均直径を有するものである。本発明の目的
で、Brinkman粒子サイズ分析装置を用いて粒子サイズを測定する。粒子
サイズの分布を、所定値より小さい平均粒子直径(ミクロメートルで表す)を有
する粒子のパーセントで示す。名目上、支持体に支持されている貴金属および他
の成分の組み合わせの粒子はその支持体と同じ粒子サイズを有すると見なす。
【0070】 有用な高表面積の支持体には1種以上の耐火性酸化物が含まれる。このような
酸化物には、例えばシリカ、アルミナ、チタニアおよびジルコニアなどが含まれ
、それには混合酸化物形態、例えばシリカ−アルミナ、非晶質もしくは結晶性で
あってもよいアルミノシリケート類、アルミナ−ジルコニア、アルミナ−クロミ
ア、アルミナ−セリア、セリア−ジルコニアなど、そしてチタン−アルミナおよ
びケイ酸ジルコニウムなどが含まれる。この支持体を好適にはアルミナ(これに
は、好適には、ガンマまたは過渡的なアルミナ、例えばガンマおよびイータアル
ミナなどの一員が含まれる)で構成させ、そしてこれに他の耐火性酸化物を存在
させる場合、それを少量、例えば約20重量パーセント以下の量で存在させる。
望ましくは、この活性アルミナに60から350m2/g、典型的には90から
250m2/gの比表面積を持たせる。
【0071】 貴金属成分を用いる場合、支持型貴金属を生じさせる時に用いる貴金属成分、
例えば触媒作用を示す白金族金属成分などは、支持体の上に触媒成分を分散させ
ることを達成するに適切な白金族金属いずれかの化合物および/または錯体であ
り得る。触媒作用を示す金属化合物を支持体粒子に含浸または付着させる目的で
用いる液体が触媒作用を示す金属またはそれの化合物もしくは錯体とも前記スラ
リーに含める他の成分とも不利な反応を起こさずそして熱および/または真空を
かけた時点で蒸発または分解することで当該触媒から除去され得る限り、1種以
上の白金族金属成分の水溶性化合物または水に分散し得る化合物もしくは錯体を
用いることができる。ある場合には、この触媒を使用に供してこれが運転中に遭
遇する高温を受けるまでは前記液体の完全な除去が起こらない可能性もある。一
般的には、経済および環境両方の面を鑑み、白金族金属の可溶化合物もしくは錯
体が入っている水溶液を用いるのが好適である。適切な化合物は、例えばクロロ
白金酸、アミンで可溶化した水酸化白金、例えば白金のヘキサヒドロキシモノエ
タノールアミン錯体、((MEA)XPt(OH)6)、塩化ロジウム、硝酸ロジ
ウム、ヘキサミン塩化ロジウム、硝酸パラジウムまたは塩化パラジウムなどであ
る。この触媒の焼成段階中か或は少なくともこの触媒を使用する初期段階中に、
前記化合物は触媒活性を示す形態の白金族金属またはそれらの化合物、典型的に
は酸化物に変化する。
【0072】 別法として、貴金属をドーパントとして添加しておいたゼオライトの形態で貴
金属を存在させることも可能である。少なくとも所望パーセントのゼオライトに
貴金属をドーパントとして添加しておいてもよいか、或は好適には貴金属をドー
パントとして添加しておいた2番目のゼオライトを存在させてもよい。この2番
目のゼオライトに好適にはPtおよびRhから成る群から選択される少なくとも
1種の貴金属をドーパントとして添加しておいてもよい。
【0073】 好適な特定態様では、そのような2番目のゼオライトを、M2が三価の金属を
含んで成る一般式(I)で特徴付ける。好適には、この2番目のゼオライトを、
2がAl、B、Ga、In、Feから成る群から選択される少なくとも1種の
金属を含んで成りそしてM1が水素および/またはMg、Cr、Sr、Ba、M
n、Fe、Co、Ni、Cu、RhおよびPtから成る群から選択される少なく
とも1種の金属から成る群から選択されるがPt、PdおよびRhの少なくとも
1種を含有する一般式(I)で特徴付ける。より好適には、この2番目のゼオラ
イトをファウジャス石、ペンタシル、モルデン沸石、ベータおよびZSM−5か
ら成る群から選択して、この2番目のゼオライトに少なくとも1種の貴金属をド
ーパントとして添加しておく。
【0074】 本組成物に、任意ではあるが好適には、安定化を与える成分を含める。このよ
うな安定剤はアルカリ土類金属化合物から成る群から選択可能である。好適な化
合物にはマグネシウム、バリウム、カルシウムおよびストロンチウムから成る群
から選択される金属から誘導される化合物が含まれる。安定剤または安定剤組み
合わせを用いて支持体材料、例えば活性アルミナなどを熱的に安定にすることで
アルミナ相が高温で望ましくなくガンマからアルファに変化するのを遅らせるこ
とができることは米国特許第4,727,052号から公知である。多様な安定
剤が開示されているが、本発明の組成物では好適にアルカリ土類金属成分を用い
る。このアルカリ土類金属成分は好適にはアルカリ土類金属の酸化物である。特
に好適な組成物では、酸化ストロンチウムおよび/または酸化バリウムをこの組
成物に入れる化合物として用いるのが望ましい。このアルカリ土類金属を可溶形
態で加えることができ、これは焼成時に酸化物になる。可溶バリウムを亜硝酸バ
リウムまたは水酸化バリウムとして供給しそして可溶ストロンチウムを硝酸スト
ロンチウムまたは酢酸ストロンチウムとして供給するのが好適であり、これらは
全部、焼成時に酸化物になる。この安定剤の量は支持体材料と安定剤の重量を基
準にして0.05から30重量パーセントであってもよい。
【0075】 本組成物に、ジルコニウムから誘導されるジルコニウム化合物、好適には酸化
ジルコニウムを含めてもよい。このジルコニウム化合物は、水溶性化合物、例え
ば酢酸ジルコニウムなどとしてか或は比較的不溶な化合物、例えば水酸化ジルコ
ニウムなどとして供給可能である。個々の組成物の安定性および助触媒性を高め
るに充分な量にすべきである。
【0076】 本組成物に、好適には、プラセオジム金属成分およびネオジム金属成分から成
る群から選択される少なくとも1種の助触媒を含め、好適な成分は酸化プラセオ
ジム(プラセオジミア)および酸化ネオジム(ネオジミア)である。このような
化合物は安定剤として働くことが開示されているが、これらはまた反応助触媒と
しても働き得る。助触媒は、所望の化学物質が別の物質に変化する変換率を高め
る材料であると見なす。この助触媒は、触媒作用による一酸化炭素および炭化水
素から水および二酸化炭素への変換率そして窒素酸化物から窒素および酸素への
変換率を高める。また、プラセオジム化合物を酸素貯蔵機能(oxygen s
torage function)として与えることも可能である。
【0077】 プラセオジムおよび/またはネオジム成分をそれらの酸化物の形態にする。好
適には、これらの化合物を最初に可溶形態、例えば酢酸塩、ハロゲン化物、硝酸
塩、硫酸塩などの形態で供給して固体状成分に含浸させた後、酸化物に変化させ
る。この助触媒を本組成物に含める他の成分、特に白金族金属と密に接触させる
のが好適である。
【0078】 本触媒組成物をモノリス型基質に1層以上の層としてそれが一般にモノリス体
積当たりの組成物のグラムを基準にして触媒組成物が1層当たり約0.50から
約5.0、好適には約0.5から約3.0g/立方インチの充填率を構成し得る
ように被覆してもよい。
【0079】 本発明の触媒組成物は適切な如何なる方法で作られてもよい。好適な方法は、
水、ゼオライトおよび/またはセリウム成分、結合剤および高表面積の耐火性酸
化物の混合物を混合することで1番目のスラリーを生じさせることを含んで成る
【0080】 場合により、水に溶解し得る少なくとも1種の貴金属成分が入っている溶液と
この溶液を本質的に全部吸収するに充分なほど乾燥している高表面積の耐火性酸
化物を混合することで2番目のスラリーを生じさせてもよい。この貴金属成分を
好適には前記2番目のスラリー中で粉砕した後、前記ゼオライトおよび/または
セリウム成分が入っている1番目のスラリーに添加して、ウォッシュコートスラ
リーを生じさせてもよい。特に好適な態様では、前記ウォッシュコートスラリー
を粉砕することで、結果として実質的に全ての固体が平均直径が約15ミクロメ
ートル未満の粒子サイズを有するようにする。その結果として生じたスラリーに
入っている支持型貴金属成分が混合段階で水に不溶な形態に変化し得る。熱でか
、化学的にか或は焼成によって、前記貴金属成分を不溶形態に変化させることが
できる。好適には約50℃から550℃の空気中で0.5から2.0時間に渡っ
て前記貴金属を熱で前記支持体に固着させてもよい。
【0081】 本組成物で用いるに有用な2番目のスラリーの調製を、また、米国特許第4,
134,860号(引用することによって組み入れられる)に開示されている方
法を用いて行うことも可能である。上流の触媒担体 本発明による触媒製造では、本発明で用いるに有用な上流の触媒組成物をマク
ロサイズの担体、好適には全表面積が小さい担体の上に位置させてもよい。本発
明で用いる担体はこれに本触媒組成物を分散させることに関して比較的不活性で
なければならない。本発明に従って生じさせるいろいろな組成物を個別の層に加
えてもよい。このように担体の上にスラリーが適当量で存在するようになるまで
、その完成したスラリーに前記担体を浸漬するか或はそれを噴霧してもよい。こ
の触媒助触媒(catalytically−promoting)金属成分−
高表面積支持体の複合体を担体に付着させる時に用いるスラリーに入っている微
細固体の量を、しばしば約20から60重量パーセント、好適には約35から4
5重量パーセントにする。別法として、本触媒組成物を自己支持型構造物、例え
ばペレットなどの形態で用いることも可能である。本組成物を公知手段で調製し
てペレットに成形することができる。
【0082】 この粉砕した触媒助触媒金属成分−高表面積支持体組成物を所望量で担体、例
えば金属もしくはセラミック製のハニカムまたは発泡構造物などに付着させても
よい。この複合体が、例えば、その被覆担体の約2から30重量パーセント、好
適には約5から20重量パーセントを構成するようにしてもよい。この担体に付
着した本組成物は、一般に、その接触している担体表面の大部分(全部でなくて
も)を覆う被膜として生じる。この組み合わせた構造物を乾燥させた後、これの
焼成を好適には少なくとも約250℃の温度で行ってもよいが、所定の状況で望
まれない限り、その耐火性酸化物支持体が有する広い面積を過度に壊すほどの高
温では行わない。
【0083】 適切な如何なる担体も使用可能であり、例えば中を通って流れる流体流れに通
路を開放するように担体の入り口または出口面から中を通って伸びる多数の平行
で微細な気体流れ通路が備わっている種類のモノリス型担体などを使用すること
ができる。流体入り口から流体出口に向かって本質的に真っすぐな通路が壁で限
定されていて、その壁に触媒材料を「ウオッシュコート」として被覆すると、結
果として、その通路の中を流れる気体はその触媒材料に接触する。このモノリス
型担体に備わっている流れ通路は薄壁通路であり、この通路は、適切な如何なる
断面形状および大きさを有していてもよく、例えば台形、長方形、正方形、正弦
形、六角形、楕円形、円形などであってもよい。前記構造物に気体流入開口部(
「セル」)を断面1平方インチ当たり約60から約600個またはそれ以上持た
せてもよい。このセルの数は排気ガスの組成に応じて多様であり得る。例えば、
排気ガスに含まれる粒状物の量が多ければ多いほど、フロースルー担体1インチ
当たりのセルの数を少なく選択してもよく、例えばセルの数を1インチ当たり6
0から400、または60から250にしてもよい。セラミック製担体は適切な
如何なる耐火性材料で作られていてもよく、例えばコージライト、コージライト
−アルファアルミナ、窒化ケイ素、ジルコンムライト、スポジュメン、アルミナ
−シリカマグネシア、ケイ酸ジルコン、ケイ酸マグネシウム、ジルコン、ペタラ
イト、アルファアルミナおよびアルミノシリケート類などで作られていてもよい
。金属製ハニカムは耐火性金属、例えばステンレス鋼または鉄を基とする他の適
切な耐食性合金などで作られていてもよい。
【0084】 本発明で製造する触媒で用いるに有用な担体は、実際、金属製であってもよく
、1種以上の金属または金属合金で作られていてもよい。この金属製担体は多様
な形状、例えばペレットまたはモノリス形態などであり得る。この金属製ハニカ
ムを複数の金属製構成要素で構成させることも可能であり、例えば平らな金属箔
と波形金属箔の層を交互に位置させてもよい。好適な金属製支持体には耐熱性卑
金属合金、特に鉄が実質的成分、即ち主要成分である合金が含まれる。このよう
な合金にニッケル、クロムおよびアルミニウムの1種以上を含めてもよく、この
ような金属の総量が有利に前記合金の少なくとも約15重量パーセントを構成す
るようにしてもよく、例えばクロムを約10から25重量パーセント、アルミニ
ウムを約1から8重量パーセントおよびニッケルを0から約20重量パーセント
の量で存在させてもよい。好適な合金は、他の金属、例えばモリブデン、銅、ケ
イ素、ニオブ、チタンなどの1種以上を少量または痕跡量で含有するものであり
得る。この金属担体の表面を極めて高い温度、例えば少なくとも約800℃の温
度で酸化させてこの担体の表面に酸化物層を生じさせることで、この合金の耐食
性を向上させてもよく、この層の厚みおよび表面積は、周囲温度で酸化を起こさ
せる結果として生じる厚みおよび表面積よりも高い。高温酸化で酸化させたか或
は拡張させた表面を前記合金担体に与えると、この担体に対して前記耐火性酸化
物支持体および触媒助触媒金属成分が示す接着力が高くなり得る。下流のフィルター この下流のフィルターは、エンジンの排気流れに含まれる粒状物を濾過するこ
とが知られている種類の適切な如何なるフィルター要素(filter ele
ment)であってもよい。有用なフィルターには、ウォールフローフィルター
、フォームフィルター、巻き繊維フィルター、セラミック繊維フェルト、ニット
または織りフィルターおよびメッシュフィルターが含まれ、ウォールフローフィ
ルターが好適である。
【0085】 ウォールフロー担体は構造の点で一般にフロースルー担体に類似しているが、
通路が相対する末端表面の所で交互に遮断されるように各通路が担体本体の1つ
の末端部の所で遮断されている点で異なる。ウォールフロー担体基質とこれの上
に位置するウォッシュコート被膜は必ず多孔質である、と言うのは、排気を担体
構造物から出させるにはそれが前記担体の壁を通り抜けるようにする必要がある
からである。
【0086】 「セラミック製」または「発泡セラミック製」ウォールフロー製品を本明細書
および請求の範囲で用いる場合、これの言及は、コージライト、ムライト、アル
ミナおよび/またはこの目的で通常用いられる他の耐火性金属酸化物から作られ
た種類の通常のフィルター型製品を意味し、それらを包含する。この要素は環境
1種または2種以上、特に興味の持たれる流体流れを処理する時に遭遇する高温
に耐え得る如何なる多孔質材料で作られていてもよい。本発明の実施では、前記
フィルターに触媒を含有させてもよく、そしてそれをハウジング(これはこれの
入り口を通って来る処理を受けさせるべき流体流れを前記要素の入り口側に向か
わせる)内に位置させてもよい。前記流体は、触媒を含んで成る多孔質壁を通り
抜けて出口側に到達して出口から出て行く。本発明の目的で用いるに有用な好適
な触媒製品には、多孔質の薄い壁を有するハニカム(モノリス)または発泡構造
物が含まれ、前記流体流れは前記発泡構造物を背圧の多大な上昇も前記製品を横
切る多大な圧力降下も起こすことなく通り抜ける。奇麗なウォールフロー製品を
存在させた時の背圧は一般に1インチ水柱から10psigであろう。ウォール
フロー製品に含有させる通路は、平行な壁で分離されているスロット付き(sl
otted)通路、平らなシートと正弦シートを交互に位置させることで構成さ
せた正弦通路、または長方形、正方形、円形、楕円形、三角形、六角形または他
の多角形断面を持たせた平行な通路であってもよい。この種類のウォールフロー
製品は、好適には、正方形の通路を多数(断面1平方インチ当たり8から600
個の通路)含んで成り、壁厚は0.002から0.1インチであり、かつ孔が水
を吸収する体積は10重量%から70重量%の範囲である。好適な形態は、通路
の数が1平方インチ当たり50から200で壁厚が0.007から0.03イン
チで孔が水を吸収する体積が15%から50%の範囲の形態である。従来技術の
多様なディーゼル排気粒子フィルター(本発明の実施に従ってこれに触媒を含有
させておいてもよい)、例えば本発明の背景で開示した如き粒子フィルターが本
発明の目的で用いるに特に有用である。米国特許第4,329,162号および
5,100,632号ばかりでなく発明の背景で上述した他の特許は適切なフィ
ルター要素の開示に関して引用することによって本明細書に組み入れられる。
【0087】 本発明で用いる多孔質ウォールフロー製品に、好適には、この要素の壁の上ま
たはそれの中に1種以上の触媒材料を位置させる点で、触媒を含有させる。触媒
材料を前記要素の壁の内側のみ、外側のみ、内側と外側の両方に存在させてもよ
いか、或は前記壁自身の全部または一部を触媒材料で構成させてもよい。本発明
は、前記要素の入り口壁および/または出口壁の上に位置させた1層以上の触媒
材料層を用いることとそれらの上に位置させた1層以上の触媒材料層の組み合わ
せを用いることを包含する。
【0088】 本技術分野で開示されたフィルター用触媒を用いて粒子フィルターに触媒を含
有させてもよい。このフィルターは、全体に渡って伸びていて通路壁(これの上
に触媒ウォッシュコートを存在させる)で限定されている多数の多孔質通路を有
する耐火性ウォールフロー担体、即ち基質を含んで成っていてもよい。フィルタ
ー用触媒組成物で用いるに有用な触媒活性材料は、本発明の背景で上述した文献
に記述されており、これを引用することによって本明細書に組み入れる。好適な
フィルター用触媒は、セリウム成分、ゼオライト成分および白金族金属成分から
選択される少なくとも1種の触媒活性材料を含んで成る。白金を触媒材料に担持
させる場合、これの量は約0.1から約100、例えば0.1から75、好適に
は0.1から50g/立方フィートであってもよく、パラジウムを触媒材料に担
持させる場合、これを約0.1から約200、例えば20から120、好適には
50から120g/立方フィートの量で分散させてもよい。
【0089】 一般的には、本組成物の粒子を含有させたスラリーを担体基質の上に付着させ
、乾燥させた後、これに焼成を受けさせることで、触媒材料をウォールフロー担
体に接着させる。この触媒材料または任意成分を適切なハニカム担体、例えばこ
の上に記述した担体などに付着させる時、本明細書および請求の範囲では前記成
分の量を通常は触媒の単位体積当たりの成分の重量として表す、と言うのは、こ
のような尺度は、担体の壁厚、気体流路の寸法などが異なることで存在する触媒
組成物空所の大きさが異なっても順応するからである。本明細書および請求の範
囲で比較的多い成分、例えばゼオライト材料などの量を表す時には1立方インチ
当たりのグラム(「g/立方インチ」)単位を用いそして使用量が少ない材料、
例えば白金金属などの量を表す時には1立方フィート当たりのグラム(「g/立
方フィート」)単位を用いる。典型的なディーゼル排気用途の場合、本発明の触
媒材料は一般に被覆担体基質1立方インチ当たり約0.25から約4.0g、好
適には1立方インチ当たり約0.25から約3.0gを構成し得る。
【0090】 別法として、水溶性成分、例えば水溶性セリウム、ジルコニウムおよび/また
は貴金属の塩を適切な基質または耐火性酸化物層に含浸させてもよい。
【0091】 (実施例) 実施例1 いろいろな煤フィルター構造配置(soot filter configu
rations)をMY’97 Cummins L−10ディーゼルエンジン
と一緒に用いた時の煤燃焼または再生性能を測定する目的でエンジンベンチ試験
(engine bench testing)を実施した。このエンジンはU
S HD Transient Testで高い全粒状物放出量(>0.7g/
hp−hr)を示し、これは、煤フィルターによる改造を受けさせる被験体であ
る特定のpre−Euro Iエンジンの代表例であった。煤燃焼/フィルター
再生挙動を測定する目的で均衡点温度(BPT)試験を実施し、BPTが低けれ
ば低いほど性能が良好であることを示す。BPT性能をエンジン速度範囲内の3
種類の速度(1300、1700および2100 RPM)で測定した。
【0092】 いくつかの煤フィルター構造配置が示したBPTを以下の図5に示し、これを
用いて、そのように放出量が多いエンジンの性能を向上させることに対して上流
のフィルターが示す効果を立証することができる。上流の触媒を長さが6インチ
で直径が9.5インチでセル数が1平方インチ当たり300のセラミック製フロ
ースルーハニカム6に被覆した。煤フィルターは長さが14インチで直径が11
.25インチでセル数が1平方インチ当たり100のセラミック製ウォールフロ
ーハニカム14であった。
【0093】 図5に、煤フィルターの構造配置が一定の場合にはエンジンの速度を速くすれ
ばするほど一般にBPTが高くなる傾向があることを示している。このことは、
放出される排気の質量は速度を速くすればするほど多くなることによるものであ
り、従って煤が蓄積する速度が速くなり、そのことから、煤フィルター用触媒が
均衡点[フィルターを横切る経時的測定圧力降下(ΔP)の変化がゼロ]を達成
することを満足させる煤燃焼速度を達成する目的で温度を高くする必要がある。
【0094】 比較装置、即ちPt充填量が高い(200g/立方フィート)上流のフロース
ルー触媒を触媒を含有しない煤フィルター基質の上流に取り付けた装置(比較1
)が示したBPTを対照として示す。比較1で用いた燃料の硫黄含有量は10p
pm未満であった。そのような装置における煤の燃焼、従ってこの装置を用いた
時のフィルターの再生は、米国特許第4,902,487号によれば、エンジン
が排出するNOが酸化されてNO2、従って煤の燃焼にとってO2よりも高い活性
を低い温度で示す酸化剤が生じることによるものである。
【0095】 上流の触媒を存在させていない触媒含有煤フィルター(即ち比較2−3)を評
価した結果、煤フィルター基質のPt充填率を高くする(5g/立方フィートか
ら50g/立方フィート)と前記エンジンのBPTが低くなり得ることが分かる
。比較2にはセリアを500g/立方フィート含有させそして比較3にはセリア
を500g/立方フィートとジルコニアを250g/立方フィート含有させた。
ジルコニアを含有させなかった比較サンプル(グラフには示していない)は比較
3と同様な性能を示さなかったが、比較2よりも良好な性能を示した。
【0096】 実施例1 Pt充填率が低いフロースルー(Ptが5g/立方フィートでガンマ−アルミ
ナが0.84g/立方インチでバルクなCeが0.83g/立方インチで鉄がド
ーパントとして添加されているベータゼオライトが0.83g/立方インチ)を
比較3の煤フィルター(Ptが50g/立方フィート)の上流の排気内に位置さ
せた。その結果として、1300および1700RPMの両方でBPTが有意に
更に低下した。このような性能の理由は、主に、エンジンから出る粒状物、主に
VOFの全部が前記フロースルー触媒によって変換を受け、その結果として、今
度は下流の触媒含有煤フィルターに蓄積する粒子の質量蓄積速度が遅くなること
でBPTが低くなったと考えている。実施例1そして比較2および3で用いた燃
料の硫黄含有量は350ppmより高かった。
【0097】 そのように粒子放出量が多いエンジンを用いて実験を行った時の結果は、前記
触媒含有煤フィルターの前方に上流の触媒を位置させると前記触媒含有煤フィル
ターを単独で用いた時よりも性能が良好になることを示していた。この機構はV
OFが変換を受けることで触媒含有煤フィルターに蓄積する粒子の蓄積速度が遅
くなることを包含すると考えている。
【0098】 実施例2−4 上流のフロースルー触媒サンプルがNOをNO2に変化させる活性を測定する
目的で実験室のベンチ反応槽試験を実施した。
【0099】 ハニカム基質の上を覆っている触媒のコア(直径1.5”x長さ6”、300
cpsi)を用いて実験を実施した。前記反応槽に送り込む気体を200ppm
のNO、500ppmのCO、200ppmのC1022としてのHC(C1とし
て)、10%のO2、5%のH2O、5%のCO2で構成させ、残りをN2にした。
このような供給ガスを用いて1組の実験を実施した後、前記供給ガスにまたSO 2 も20ppm添加して2番目の組の実験を行って、それがNOからNO2への変
換に対して示す影響を測定した。前記反応槽に入る気体流量をGHSV(1時間
当たりの気体空間速度)が25,000時-1になるように設定した。この試験実
験では、温度を約100℃から500℃にまで上昇させながらNOからNO2
の変換をFTIRで監視した。
【0100】 下記の上流触媒サンプルに試験を受けさせた: 1. 比較1; 2. 実施例1、ガンマ−アルミナにPtを5g/立方フィート; 3. 実施例2、Pt充填率が90g/立方フィートでガンマ−アルミナが1.
5g/立方フィートでH−ベータゼオライトが1.5g/立方インチ; 4. 実施例3、実施例1と同じであるがPt充填率を0.5g/立方フィート
にした;そして 5. 実施例4、1.10g/立方インチのガンマ−アルミナと0.10g/立
方インチのNGL−5セリアと0.80g/立方インチのFe−ベータゼオライ
ト(Ptを含まない)。
【0101】 SO2を含有しない供給ガスを用いて反応槽試験を実施した時の結果を図6に
示す。
【0102】 Pt充填率が高いサンプルを用いた比較1および実施例2は、100℃から1
50℃の範囲のライトオフ(light−off)を伴って約50−60%の非
常に高い変換レベルを示す。驚くべきことに、Ptが90g/立方フィートの実
施例2は、Ptをアルミナに200g/立方フィートの量で付着させた場合に比
べて、NOからNO2への変換に関して高い活性を示した。このことは、Ptが
より良好に分散していることによるものであろう。Pt充填率が低い方の上流触
媒を用いた実施例1、3および4は、NOからNO2への変換に関してずっと低
い活性を示した。このような結果は、NOからNO2への変換はPt充填率に依
存していることを示唆している。Ptを含まないDOCが最も低いNO2変換レ
ベルを与えた。
【0103】 前記供給ガスにSO2を20ppm添加して行った反応槽実験の変換結果を図
7に示す。分かるであろうように、Pt充填率が高いサンプルがNOをNO2
変化させる度合は供給ガスにSO2を入れないで行った実験のそれに類似してい
た。その上、実施例2が示した変換率は供給材料にSO2を入れた時の方がそれ
を入れなかった時よりも若干高かった。このことはいくらか驚くべきことである
、と言うのは、SO2が存在しているとNOからNO2への変換が抑制されると予
測されていたからである。他の上流触媒サンプルでは、供給材料にSO2が存在
しているとNOからNO2への変換に対して抑制効果が現れた。このような結果
を基にすると、Ptを含まない上流触媒は触媒含有煤フィルターが煤焼失および
フィルター再生(低BPT)に関して示す性能を向上させると同時にエンジンか
ら排出されるNOをNO2にほとんど変化させないか或は全く変化させない良好
な候補品になり得ることが期待された。
【0104】 実施例5 上流のフロースルー触媒に関する試験を、フルサイズ(full size)
の触媒を用いてこれをエンジン動力計試験ベンチで評価することで実施した。用
いたエンジンは、定格が300HPで2200RPMのMY−98 Cater
pillar Model 3126(7.2リットル)エンジンであった。C
AT 3126に7g/hp−hrのNOxに関する較正をUS HD Tra
nsiet Testで受けさせた。初期試験実験を修飾Euro III(O
ICA)テストサイクルを用いて実施した。OICAテストサイクルは13種類
の速度および負荷条件から成る。OICAサイクルで得たエンジン排気温度は主
に約300℃から約450℃の範囲であった。この試験の目的で、OICAテス
トサイクルの終了時に追加的に3種類の10%負荷モデルを組み込むことで、低
い方の温度条件(200−300℃)を得た。
【0105】 この「修飾OICA」テストサイクルに渡って、排気をFTIR(これを用い
てNOおよびNO2の両方のレベルを定量的に測定することができ、それらの合
計は全NOxである)を用いて監視した。このようにして、排気に含まれる全N
Oxレベルに対するNO2(NO2/NOx)を決定してパーセントとして表すこ
とができた。テストサイクル実験を実施して、エンジンが排出するNO2/NO
xを測定した。次の実験では、比較1(ガンマ−アルミナにPtが200g/立
方フィート)および実施例1(ガンマ−アルミナにPtが5g/立方フィート)
および実施例3(ガンマ−アルミナにPtが0.5g/立方フィート)と同じ上
流触媒組成を持たせた上流のフロースルー触媒の出口の所の排気に含まれるNO 2 /NOxを測定した。また、実施例4[1.10g/立方インチのガンマ−ア
ルミナと0.10g/立方インチのNGL−5セリアと0.80g/立方インチ
のFe−ベータゼオライト(Ptが0.0g/立方フィート)]と同じ組成を持
たせた実施例5にも試験を受けさせた。この試験を受けさせる上流の触媒を試験
用の大きさである直径9.5”x長さ6.0”で300cpsiのセラミック製
フロースルー担体の上に位置させた。前記修飾OICAサイクルでエンジンが排
出するNO2/NOxのパーセントは非常に低く、全NOx中に存在するNO2
割合は約3−8%のみであることを確認した。比較として、比較1のフロースル
ー触媒(Ptが200g/立方フィート)は高いレベルのNO2変換率を示した
。比較1サンプルを用いたテストサイクルの大部分でNO2/NOxの範囲は約
40%からほぼ80%の範囲であり、90%を越える所に1つのピークが存在し
ていて、最小値でも約20−25%以上であった。Ptが5.0g/立方フィー
トの実施例1が前記サイクルの大部分で示した最大のNO2/NOxレベルは約
56%であったが、他の3つのピークのNO2/NOxレベルは20%未満であ
った。Ptが0.5g/立方フィートの実施例3が示したNO2/NOxレベル
はより低く、大部分が10%以下であり、20%に近いか或はそれより高いピー
クは数ピークのみであった。Ptを含まないサンプルである実施例5が最も低い
NO2/NOxレベルを与え、テストサイクルの大部分でエンジンが排出するレ
ベルよりも低かった。
【0106】 このエンジン試験の結果は、上流の触媒は比較1に比べて実質的に低いNO2
/NOxレベルを与えることを示していた。しかしながら、Ptを含有させたサ
ンプルは、これの充填率が低い時でも、エンジンが排出するレベルよりも高いN
2/NOxレベルを与えた。エンジンが排出するレベルより低いか或はそれに
匹敵するNO2/NOxレベルを与えたのはPtを含まない上流触媒のみであっ
た。
【0107】 実施例6 実施例6は、ガンマ−アルミナとセリアを含有していてPtを全く含有しない
上流の触媒である。実施例6にCAT 3126エンジンを用いた試験を受けさ
せた。実施例6の組成物はバルクなセリアを1.36g/立方フィートとバルク
なガンマ−アルミナを1.59g/立方フィート含有する組成物であった。この
試験では、上流のセラミック製フロースルー触媒をPt充填率が75g/立方フ
ィートの触媒含有セラミック製ウォールフロー煤フィルターサンプルと組み合わ
せた状態で評価した。前記煤フィルター用触媒を直径10.5”x長さ12.0
”の寸法を有していてセル間隔が100cpsiのウォールフロー基質に被覆し
た。修飾OICAサイクルを用いて試験実験を実施して、FTIRを用いてエン
ジンが排出する排気のNO2/NOxパーセントを上流の触媒の出口位置および
下流の煤フィルターの出口位置で測定した。
【0108】 エンジンが排出するNO2/NOxパーセントのレベルは3%から8%の範囲
であり、これは先に行った修飾OICAサイクルテストの結果に一致していた。
実施例6のサンプルの上流触媒(Ptを含まない)が与えたNO2/NOxレベ
ルは、Ptが0.5g/立方フィートの実施例3のそれに匹敵していたが、ガン
マ−アルミナの含有量が1.10g/立方インチでバルクなセリアの含有量が0
.1g/立方インチでPtを含まない実施例5のそれには匹敵しなかった。実施
例6の場合の出口の所のNO2/NOx比はテストサイクルの大部分で5−20
%であったが、20から30%の範囲の所に1つの主要なピークと3つの主要で
ないピークが存在していた。このことは、NO2/NOxのレベルがエンジンが
排出するレベルよりも高くなるようにNO2の変換に貢献するPt充填レベル以
上のものが存在することを示していた。
【0109】 この段階で、Ptを含まない実施例6の上流触媒がNOをNO2に変化させる
のはセリアの酸化機能によるものであるに違いないと思われる。これは予想しな
かった結果であった。更に、Ptを含まない実施例5で確認したNO2/NOx
レベルが有意に低いことは恐らくはセリアの充填レベルが非常に低い(約0.1
0g/立方フィートであり、これは実施例6の1/15未満である)ことによる
ものである可能性がある。実施例5のVOF変換は主にFe−ベータゼオライト
成分の機能であり、セリアの機能ではないと考えている。
【0110】 本発明を本発明の好適な具体的態様に関して詳細に記述してきたが、それにも
拘らず本発明および添付請求の範囲の範囲内に入るそれらの変形が成され得るこ
とは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明の製品の図式図である。
【図2】 図2は、ウォールフローハニカムの壁の一部を示す断面図である。
【図3】 図3は、触媒作用を示すウォールフローハニカムの透視図式図である。
【図4】 図4は、通路が交互にふさがれていることを示す要素の部分断面図である。
【図5】 図5に、実施例1が示した均衡点温度(℃)をエンジンの速度に対比させたグ
ラフを示す。
【図6および7】 図6および7に、実施例2−4が示したNOからNO2への変換を排気ガスの
温度(℃)に対比させたグラフを示す。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成13年9月5日(2001.9.5)
【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
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B01D 39/20 B01D 39/20 D 53/86 ZAB F01N 3/02 301A 53/94 301D F01N 3/02 301 301E 3/10 A 3/28 A 3/10 301C 3/28 B01D 53/36 104A 301 104B ZAB (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ,UG ,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD, RU,TJ,TM),AE,AL,AM,AT,AU, AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,C N,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,EE,ES ,FI,GB,GD,GE,GH,GM,HR,HU, ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG,KP,K R,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV ,MA,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO, NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,S I,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,TZ,UA ,UG,UZ,VN,YU,ZA,ZW (72)発明者 ロス,スタンリー アメリカ合衆国ペンシルベニア州19067ヤ ードリー・クレストビユーウエイ167 (72)発明者 カクワニ,ラメシユ アメリカ合衆国ニユージヤージイ州08889 ホワイトハウスステーシヨン・アブラハム ロード7 (72)発明者 ルイ,イウ・クワン アメリカ合衆国ニユージヤージイ州08859 パーリン・パプロタコート3 (72)発明者 ゴレル,アレクサンダー アメリカ合衆国ニユージヤージイ州08876 ヒルスボロ・アスペンドライブ23 (72)発明者 ライス,ゲイリー・ダブリユー アメリカ合衆国ニユージヤージイ州07076 スコツチプレインズ・ラリタンロード1221 Fターム(参考) 3G090 AA01 AA02 AA06 3G091 AA18 AB01 AB02 AB04 AB13 BA14 BA15 BA19 GA04 GA06 GB01W GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB07W GB09W GB10W GB10X HA15 4D019 AA01 BA02 BA05 BB02 BB03 BB06 BB07 BC07 CA01 CA03 CB04 4D048 AA06 AA13 AA14 AA18 AB01 AB05 BA01Y BA02Y BA03X BA06Y BA07Y BA08Y BA11X BA15Y BA19X BA30X BA31Y BA32Y BA33Y BA41X BB02 BB07 BB08 BB09 BB14 CC32 CC38 CC46 CC47 CD05 CD08 4G069 AA03 BA01A BA01B BA02A BA04A BA05A BA05B BA07A BA13A BA13B BA45A BB04A BB04B BC02A BC03A BC04A BC05A BC06A BC08A BC09A BC10A BC12A BC13A BC16A BC18A BC26A BC27A BC29A BC31A BC32A BC33A BC38A BC43A BC43B BC54A BC55A BC56A BC58A BC60A BC62A BC64A BC66A BC66B BC67A BC68A BC69A BC71A BC72A BC74A BC75A BC75B BD01A BD03A CA02 CA03 CA07 CA09 CA18 EA09 EA13 EA18 EA27 EB12Y EB14Y EE08 EE09 ZA03A ZA04A ZA06A ZA10A ZA11A ZA19A ZA19B ZA37A ZA38A ZC04 ZD01 ZF05A ZF05B

Claims (53)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 粒状物を含有するディーゼルエンジン排気流れを処理する方
    法であって、 前記流れをセリウム成分およびゼオライト成分から本質的に成る群から選択さ
    れる少なくとも1種の上流の触媒成分を含んで成る上流の触媒組成物に接触させ
    ることで前記粒状物の分量および総量を減少させ、 前記流れを前記上流の触媒組成物からこの上流の触媒組成物の下流に位置する
    粒子フィルターに送る、 段階を含んで成る方法。
  2. 【請求項2】 前記ディーゼルエンジン排気流れが更に窒素酸化物、一酸化
    炭素、気体状炭化水素も含有し、前記上流の触媒成分が更に貴金属触媒成分も含
    んで成り、そして前記方法が、更に、 前記貴金属触媒成分の存在下で前記窒素酸化物の少なくともいくらかに還元を
    受けさせることで窒素を生じさせ、そして 前記炭化水素および一酸化炭素に酸化を受けさせる、 ことも含んで成る請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記ゼオライトが一般式: M1n[mM22・nSiO2]・qH2O [式中、 M1は、1当量の交換可能カチオンであり、これの数はM2成分に対応し、 M2は、三価の元素であり、これはSiと一緒になってゼオライトの酸化物骨格
    を形成しており、 n/mは、M22に対するSiO2の比率であり、そして qは、吸収されている水の分量である] で表されることを特徴とする請求項1記載の方法。
  4. 【請求項4】 M2がAl、B、Ga、In、Fe、Cr、V、Asおよび
    Sbから成る群から選択される少なくとも1種の金属を含んで成りそしてM1
    水素およびLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Cr、Mn
    、Fe、Co、Ni、Cu、Nb、Ma、Ta、W、Re、Pt、PdおよびR
    hから成る群から選択される少なくとも1種の金属から成る群から選択される請
    求項3記載の方法。
  5. 【請求項5】 M2がAl、B、Ga、In、Fe、Cr、VおよびSbか
    ら成る群から選択される少なくとも1種の金属を含んで成りそしてM1が水素お
    よびRhおよびPtから成る群から選択される少なくとも1種の金属から成る群
    から選択される請求項4記載の方法。
  6. 【請求項6】 M2がAl、B、Ga、In、Fe、Cr、V、Asおよび
    Sbから成る群から選択される少なくとも1種の金属を含んで成りそしてM1
    水素イオンを含んで成る請求項5記載の方法。
  7. 【請求項7】 M2が三価の金属を含んで成りそしてM1が実質的に貴金属を
    含まない請求項3記載の方法。
  8. 【請求項8】 M2がアルミニウムを含んで成る請求項7記載の方法。
  9. 【請求項9】 前記ゼオライトがファウジャス石、ペンタシル、モルデン沸
    石、Yから成る群から選択される請求項3記載の方法。
  10. 【請求項10】 前記ゼオライトが酸性である請求項3記載の方法。
  11. 【請求項11】 前記上流の触媒組成物が更に結合剤も含んで成る請求項1
    記載の方法。
  12. 【請求項12】 前記上流の触媒組成物がセリアを含んで成る請求項1記載
    の方法。
  13. 【請求項13】 前記セリアがバルクなセリアを含んで成る請求項12記載
    の方法。
  14. 【請求項14】 前記上流の触媒組成物が本質的に白金族金属成分を含有し
    ない請求項1記載の方法。
  15. 【請求項15】 前記粒子フィルターがフィルター用触媒を触媒として含有
    する請求項1記載の方法。
  16. 【請求項16】 前記フィルター用触媒がセリウム成分、ゼオライト成分お
    よび白金族金属成分から選択される少なくとも1種の触媒活性材料を含んで成る
    請求項15記載の方法。
  17. 【請求項17】 前記上流の触媒が更にアルミナ、チタニア、ジルコニア、
    アルカリ土類金属の酸化物、希土類の酸化物および遷移金属の酸化物から選択さ
    れる少なくとも1種の化合物も含んで成る請求項1記載の方法。
  18. 【請求項18】 前記上流の触媒組成物が更に支持体成分も含んで成る請求
    項1記載の方法。
  19. 【請求項19】 前記支持体成分が耐火性酸化物を含んで成る請求項18記
    載の方法。
  20. 【請求項20】 前記支持体がチタニア、ジルコニアおよびシリカ含有成分
    から選択される化合物を含んで成る請求項18記載の方法。
  21. 【請求項21】 前記少なくとも1種の貴金属成分が前記支持体成分の上に
    位置している請求項18記載の方法。
  22. 【請求項22】 前記少なくとも1種の貴金属成分が白金、パラジウムおよ
    びロジウムから選択される請求項21記載の方法。
  23. 【請求項23】 前記上流の触媒組成物が上流の触媒担体に支持されている
    請求項1記載の方法。
  24. 【請求項24】 前記上流の触媒担体がフロースルー、フォームおよびメッ
    シュ基質から選択されそして前記フィルターがウォールフローフィルター、フォ
    ームフィルター、巻き繊維フィルター、セラミック繊維フェルトフィルター、ニ
    ットまたは織りフィルターおよびメッシュフィルターから選択される請求項1記
    載の方法。
  25. 【請求項25】 製品であって、 排気出口を有するディーゼルエンジン、 前記排気出口が排気導管の上流末端部を限定するように前記排気出口を伴う排
    気導管、 前記排気導管内に位置していて粒状物の分量および総量を減少させるセリウム
    成分およびゼオライト成分から本質的に成る群から選択される少なくとも1種の
    上流の触媒成分を含んで成る上流の触媒組成物、 前記排気導管内に位置していて前記上流の触媒組成物の下流に位置する粒子フ
    ィルター、 を含んで成る製品。
  26. 【請求項26】 前記ゼオライトが一般式: M1n[mM22・nSiO2]・qH2O [式中、 M1は、1当量の交換可能カチオンであり、これの数はM2成分に対応し、 M2は、三価の元素であり、これはSiと一緒になってゼオライトの酸化物骨格
    を形成しており、 n/mは、M22に対するSiO2の比率であり、そして qは、吸収されている水の分量である] で表されることを特徴とする請求項25記載の製品。
  27. 【請求項27】 M2がAl、B、Ga、In、Fe、Cr、V、Asおよ
    びSbから成る群から選択される少なくとも1種の金属を含んで成りそしてM1
    が水素およびLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Cr、M
    n、Fe、Co、Ni、Cu、Nb、Ma、Ta、W、Re、Pt、Pdおよび
    Rhから成る群から選択される少なくとも1種の金属から成る群から選択される
    請求項26記載の製品。
  28. 【請求項28】 M2がAl、B、Ga、In、Fe、Cr、VおよびSb
    から成る群から選択される少なくとも1種の金属を含んで成りそしてM1が水素
    およびRhおよびPtから成る群から選択される少なくとも1種の金属から成る
    群から選択される請求項27記載の製品。
  29. 【請求項29】 M2がAl、B、Ga、In、Fe、Cr、V、Asおよ
    びSbから成る群から選択される少なくとも1種の金属を含んで成りそしてM1
    が水素イオンを含んで成る請求項28記載の製品。
  30. 【請求項30】 M2が三価の金属を含んで成りそしてM1が実質的に貴金属
    を含まない請求項26記載の製品。
  31. 【請求項31】 M2がアルミニウムを含んで成る請求項30記載の製品。
  32. 【請求項32】 前記ゼオライトがファウジャス石、ペンタシル、モルデン
    沸石、Yから成る群から選択される請求項26記載の製品。
  33. 【請求項33】 前記ゼオライトが酸性である請求項26記載の製品。
  34. 【請求項34】 前記上流の触媒成分がセリアを含んで成る請求項25記載
    の製品。
  35. 【請求項35】 前記セリアがバルクなセリアを含んで成る請求項35記載
    の製品。
  36. 【請求項36】 前記上流の触媒組成物が本質的に白金族金属成分を含有し
    ない請求項25記載の製品。
  37. 【請求項37】 前記粒子フィルターが触媒を含有する請求項25記載の製
    品。
  38. 【請求項38】 前記粒子フィルターがセリウム成分、ゼオライト成分およ
    び白金族金属成分から選択される少なくとも1種の触媒活性材料を含んで成る請
    求項37記載の製品。
  39. 【請求項39】 前記上流の触媒成分が更に貴金属触媒成分も含んで成る請
    求項25記載の製品。
  40. 【請求項40】 前記白金族金属成分が白金、パラジウム、ロジウム、イリ
    ジウムおよびそれらの混合物から選択される請求項39記載の製品。
  41. 【請求項41】 更に前記ゼオライトから離れて位置する少なくとも1種の
    卑金属成分も含んで成る請求項25記載の製品。
  42. 【請求項42】 前記卑金属がアルミナ、チタニアおよびジルコニアから成
    る群から選択される酸化物を含んで成る請求項41記載の製品。
  43. 【請求項43】 前記卑金属成分がアルミナを含んで成る請求項42記載の
    製品。
  44. 【請求項44】 前記上流の触媒組成物が担体の上に位置している請求項2
    5記載の製品。
  45. 【請求項45】 前記担体が全体を貫いて伸びていて通路壁で限定されてい
    る多数の平行な排気流路を有する耐火性モノリスを含んで成っていて前記通路壁
    が前記組成物で覆われている請求項44記載の製品。
  46. 【請求項46】 前記担体が全体を貫いて伸びていて通路壁で限定されてい
    る多数の平行な排気流路を有する金属製基質を含んで成っていて前記通路壁が前
    記組成物で覆われている請求項40記載の製品。
  47. 【請求項47】 前記上流の触媒組成物が上流の触媒担体に支持されている
    請求項25記載の製品。
  48. 【請求項48】 前記上流の触媒担体がフロースルー、フォームおよびメッ
    シュ基質から選択されそして前記フィルターがウォールフローフィルター、フォ
    ームフィルター、巻き繊維フィルター、セラミック繊維フェルトフィルター、ニ
    ットまたは織りフィルターおよびメッシュフィルターから選択される請求項47
    記載の製品。
  49. 【請求項49】 前記上流の触媒組成物が上流の触媒担体の上に位置してお
    りそして前記上流の触媒担体および前記粒子フィルターが個々別々の缶の中に位
    置している請求項25記載の製品。
  50. 【請求項50】 前記上流の触媒組成物が上流の触媒担体の上に位置してお
    りそして前記上流の触媒担体および前記粒子フィルターが同じ缶の中に位置して
    いる請求項25記載の製品。
  51. 【請求項51】 前記上流の触媒成分がセリアを前記上流の触媒組成物の重
    量を基準にして約40重量%以下の量で含んで成る請求項25記載の製品。
  52. 【請求項52】 前記上流の触媒成分がセリアを前記上流の触媒組成物の重
    量を基準にして約40重量%を越える量で含んで成る請求項25記載の製品。
  53. 【請求項53】 前記上流の触媒組成物が更に結合剤も含んで成る請求項2
    5記載の製品。
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