JP2004346902A - 酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタおよび排ガス処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで効率よくディーゼル排ガス中の粒子状物質を酸化、処理することができる、耐久性に優れた酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタを提供すること。
【解決手段】ガス流路２の入口開孔端から流入した排ガスを酸化触媒を担持した隔壁３の細孔を経て隣接するガス流路２に導入し、出口開孔端から流出させる酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタにおいて、隔壁３のガス入口側の圧力損失をガス出口側よりも大きくしたこと。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタおよび排ガス処理方法に係り、特に、黒煙の元となる粒子状物質（ 以下、ＰＭともいう） をコンパクトな装置で効率よく酸化、処理することができる酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタおよびこれを用いた排ガス処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル排ガスの浄化方法については多くの研究がなされており、さまざまな技術が開発されている。特に、排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を効率よく除去するためには、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦともいう）を用いる技術が優れており、従来技術として次のようなものが知られている。すなわち、特開平０１−３１８７１５ 号公報には、まず酸化触媒により排ガス中のＮＯをＮＯ_２に酸化し、生成したＮＯ_２を用いて後流に設置したディーゼルパティキュレートフィルタで捕獲したＰＭを酸化除去する技術が開示されている。この反応を纏めると下記（１） 式、 （２）式で示される。
【０００３】
ＮＯ ＋ １／２Ｏ_２ → ＮＯ_２ … （１）
Ｃ ＋ ２ＮＯ_２ → ＣＯ_２ ＋ ２ＮＯ … （２）
また、特開昭６０−２３５６２０号公報には、ＤＰＦに酸化触媒を担持し、コンパクトな１つの装置で上記（１） 式および（２） 式の反応を同時に行う技術が開示されており、特開２００２−３３９７２８号公報には、ＤＰＦの前端面に上記（１）式に有効な触媒を担持させ、後段に炭素分酸化触媒を担持する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−３３９７２８号公報
【特許文献２】特開平０１−３１８７１５号公報
【特許文献３】特開昭６０−２３５６２０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術は、装置のコンパクト化と耐久性の両方を満足することはできなかった。すなわち、酸化触媒とディーゼルパティキュレートフィルタを併用する技術では装置のコンパクト化が図れず、一方、コンパクトな酸化触媒担持ＤＰＦを用いた技術では、前流部において上記（１）式に示すＮＯの酸化反応が十分に進行しないために、ＰＭの酸化速度が遅くなり、酸化されないままのＰＭがフィルタ部の入口側から徐々に堆積し、ＰＭが堆積した部分では、排ガスと触媒との接触が妨害されてＮＯの酸化が阻害され、結果としてＰＭの堆積が後流部へと進行し、耐久性の点で問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決し、コンパクトな装置で効率よくディーゼル排ガス中のＰＭを酸化、処理することができるとともに、優れた耐久性を有する酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタおよびこれを用いた排ガス浄化方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者は、ＤＰＦへの酸化触媒の担持方法とＤＰＦ内部のガスの流れおよびＰＭの除去効率との関係等について鋭意研究した結果、ＤＰＦのガス流れに対して上流側（以下、ガス入口側ともいう）と下流側（以下、ガス出口側ともいう）の触媒担持量を変えることにより、具体的には、ＤＰＦの上流側への触媒担持量を下流側への触媒担持量よりも多くして隔壁における上流側の圧力損失を下流側の圧力損失よりも大きくすることにより、フィルタ内部のガスの流れがコトロールされ、ＮＯのＮＯ_２ への酸化およびＮＯ_２ によるＰＭの酸化が促進されることを見出し、本発明に到達したものである。
【０００７】
すなわち、本願で特許請求する発明は、以下のとおりである。
（１）ガス流路の入口開孔端から流入した排ガスを酸化触媒を担持した隔壁の細孔を経て隣接するガス流路に導入し、該隣接ガス流路の出口開孔端から流出させる酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタにおいて、前記隔壁のガス入口側の圧力損失をガス出口側よりも大きくしたことを特徴とする酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタ。
【０００８】
（２）前記ディーゼルパティキュレートフィルタのガス入口側の触媒成分担持量をガス出口側よりも多くするか、またはガス入口側のみに触媒成分を担持させ、隔壁におけるガス入口側の細孔をガス出口側よりも数多く閉塞させたことを特徴とする上記（１）に記載の酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタ。
（３）前記触媒成分は、チタニア、アルミナ、セリアおよびシリカから選ばれた少なくとも１つの酸化物を有する第１成分と、Ｐｔ、Ｐｄ、ＩｒおよびＲｈから選ばれた少なくとも１つの貴金属成分を有する第２成分を含むことを特徴とする上記（２）に記載の酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタ。
【０００９】
（４）上記（１）〜（３）の何れかに記載の酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタの製造方法であって、前記ディーゼルパティキュレートフィルタのガス入口側への触媒成分の担持回数をガス出口側への担持回数よりも多くすることを特徴とする酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタの製造方法。
（５）酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側から下流側に被処理ガスを通してディーゼル機関からの排ガスを浄化する方法において、前記フィルタは、ガス入口側への触媒担持量をガス出口側への触媒担持量よりも多くしたものであり、ガス入口側で排ガス中のＮＯを酸化してＮＯ_２ を生成させ、ガス出口側で前記生成したＮＯ_２ により排ガス中の粒子状物質を酸化することを特徴とする排ガス浄化方法。
【００１０】
次に、本発明の原理を図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の酸化触媒担持ＤＰＦにおける排ガスの流れを模式的に示す説明図、図２は、従来技術における排ガスの流れを示す説明図である。
ＤＰＦは、隔壁を介して複数平行に設けられたガス流路の隣接する入口端および出口端をそれぞれ交互に閉塞させ、ガス流路の入口開孔端から流入した排ガスを前記隔壁の細孔を経て隣接するガス流路に導入し、該隣接ガス流路の出口開孔端から流出させ、排ガスがセルの隔壁３を通り抜ける際、該隔壁３に設けられた細孔よりも大きいＰＭを分離、除去することを目的とするものであり、経時的に圧力損失は高くなる。このため、できるだけ気孔率の大きなものを用いて圧力損失の増加割合を小さくするように設計されている。
【００１１】
しかしながら、図２に示した従来技術では、排ガス流４が隔壁３をほぼ均一に通り抜けているので、ガス入口側で、排ガスとＤＰＦに担持された触媒との接触時間を十分に確保することができず上記（１）式に示したＮＯのＮＯ_２への酸化が不十分となる。従って、結果として（２）式に示したＮＯ_２によるＰＭの酸化量が少なくなる。このため、ＤＰＦ入口部におけるＰＭの浄化は、ＮＯ_２ による酸化よりも触媒との接触酸化の占める割合が多くなり、ＰＭとの接触酸化速度の非常に速い触媒の開発が重要となるが、ＰＭの燃焼工程においては上記（２）式に示す反応が非常に速いことからこの反応速度と同等の反応速度が得られるような触媒の開発は非常に困難であり、ガス入口部に未処理のＰＭが堆積し易いという問題がある。
【００１２】
これに対して、本発明は、ＤＰＦの隔壁３におけるガス入口側の圧力損失をガス出口側よりも大きくし、これによって図１に示したように、ＮＯ_２濃度の低いＤＰＦ入口部における隔壁３を通り抜けるガス量を少なくするかまたは無くし、ＮＯの酸化によるＮＯ_２濃度が高くなったガス出口側で隔壁３を通り抜けるガス流４を多くしたものである。これによって本発明は、ＤＰＦの入口部における排ガスと触媒との接触時間が確保され、ＮＯのＮＯ_２ への酸化が促進される一方、排ガス中のＰＭは、隔壁を通り抜けるガス量が多くなるガス出口側で主として捕集され、ガス入口側で生成したＮＯ_２ によって効率よく燃焼、除去される。
【００１３】
本発明においては、ＤＰＦのガス入口部でＮＯのＮＯ_２ への酸化と、一部のＰＭの触媒との接触反応による酸化が行われ、ガス出口部では反応速度の速いＮＯ_２によるＰＭの酸化が効率よく行われる。従って、酸化触媒層とＤＰＦの２つ設備を必要とすることなく、コンパクトな装置でディーゼル排ガスを効率よく浄化することができ、かつ前記ＰＭの燃焼によってフィルタが再生されるので、優れた耐久性を有する。
【００１４】
本発明において、ガス流路隔壁のガス入口側の圧力損失をガス出口側の圧力損失よりも大きくする方法としては、例えばガス入口側の触媒成分担持量をガス出口側よりも多くするか、またはガス入口側のみに触媒成分を担持させ、前記隔壁におけるガス入口側の細孔をガス出口側の細孔に比べて数多く閉塞させる方法が採用される。
【００１５】
本発明において、酸化触媒担持ＤＰＦは、ガス入口側の触媒成分担持回数をガス出口側の触媒成分担持回数よりも多くすることによって調製される。例えば、ＤＰＦのガス入口側の３分の２に触媒成分を担持し、次いでガス入口側の３分の１だけに触媒成分を担持するなどの方法が好適に採用される。触媒成分の担持方法としては、例えば触媒成分を含むゾル、水溶液またはスラリを調製し、これにＤＰＦの一部または全部を浸漬、含浸する方法が挙げられる。このとき、後述する第１触媒成分と第２触媒成分を順次含浸、担持させることもできるが、両成分を同時に担持させてもよい。またＤＰＦの上流側のみに第１成分を担持させ、その後、第２成分をＤＰＦ全体に担持させるようにしてもよい。
【００１６】
本発明の酸化触媒担持ＤＰＦを用いた排ガス処理方法においては、ＤＰＦのガス入口側で主として排ガス中のＮＯを酸化してＮＯ_２ を生成させ、ガス出口側で、主として前記生成したＮＯ_２ によってガス流路隔壁に捕集されたＰＭの酸化が行われる。
【００１７】
本発明において、ＤＰＦに担持する触媒成分としては、例えば、チタニア、アルミナ、セリアおよびシリカから選ばれた少なくとも１つの酸化物を有する第１成分と、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）およびＲｈ（ロジウム）から選ばれた少なくとも１つの貴金属成分を有する第２成分を含むものが好適に適用される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を実施例を用いてより詳細に説明する。
実施例１
アルミナゾル（日産化学社製、アルミナゾル５２０）とセリウムゾル（多木化学社製、ニードラールＵ−１５）を重量比２：１で混合した含浸液を調製し、これにディーゼルパティキュレートフィルタ（日立金属社製、多孔質コージェライト、３００ｃｐｓｉ 、８セル×６６ｍｍ、以下ＨＫ−ＤＰＦという）のガス流れ方向で上流側となる半分を浸漬した。このときの浸漬は、毛細現象により前記ゾルが下流側に移行しないように、予めＤＰＦの吸水量の半分の水を下流側から吸い切った状態で行った。その後、遠心分離により液切りを行い、１５０℃で２時間乾燥後、５００℃で２時間焼成した。
【００１９】
次いで、得られたアルミナ、セリウム含浸ＤＰＦのガス流れ方向の上流側からジニトロジアンミン白金硝酸液を吸い切り含浸により担持し、１５０℃で２時間乾燥後、５５０℃で２時間焼成し、酸化触媒担持ＤＰＦ−１（担持量：Ａｌ_２Ｏ_３・ＣｅＯ_２＝２２ｇ／Ｌ、Ｐｔ＝１．６ｇ／Ｌ）を得た。得られた酸化触媒担持ＤＰＦ−１を用い、下記表１に示した条件でディーゼルエンジンからの排ガス処理試験を行い、差圧の変動を測定した。また、このとき同様に調製したサンプルをガス流れ方向で半分に切断し、２液混合の接着剤により栓を設けてＤＰＦ化し、ＳＶ＝８００００ｈ^−１にて差圧を測定したところ、上流側で３５ｍｍＨ_２Ｏ、下流側で３３ｍｍＨ_２Ｏであった。
【００２０】
【表１】

【００２１】
比較例１
触媒を担持していないＨＫ−ＤＰＦを用い、上記実施例１と同様の試験を行い同様にして差圧の変動を測定した。また、このとき同様のサンプルをガス流れ方向で半分に切断し、２液混合接着剤により栓を設けてＤＰＦ化して差圧を測定したところ、上流側で３３ｍｍＨ_２Ｏ、下流側で３３ｍｍＨ_２Ｏであった。
【００２２】
実施例２
チタニアゾル（石原産業社製、ＣＳ−Ｎ）に、ＨＫ−ＤＰＦを浸漬し、遠心分離により液切りを行い、１５０℃で２時間乾燥した後、吸水量の半分の水を下流側から吸い切った状態でガス流れ方向で上流側となる半分のみを再度前記チタニアゾルに浸漬し、遠心分離により液切りを行い、１５０℃で２時間乾燥後、５００℃で２時間焼成した。次いで、得られたチタニアゾル含浸ＤＰＦにジニトロジアンミン白金硝酸液を含浸担持させ、１５０℃で２時間乾燥し、５５０℃で２時間焼成して酸化触媒担持ＤＰＦ−２（担持量：ＴｉＯ_２＝６１ｇ／Ｌ，Ｐｔ＝１．６ｇ／Ｌ）を得た。得られた酸化触媒担持ＤＰＦ−２を用い、実施例１と同様の試験を行い、同様にして差圧の変動を測定した。また、このとき同様に調製したサンプルをガス流れ方向で半分に切断し、２液混合の接着剤により栓を設けてＤＰＦ化し、差圧を測定したところ、上流側で３８ｍｍＨ_２Ｏ、下流側で３４ｍｍＨ_２Ｏであった。
【００２３】
比較例２
チタニアゾル（石原産業社製、ＣＳ−Ｎ）に、ＨＫ−ＤＰＦを浸漬し、遠心分離により液切りを行った後、１５０℃で２時間乾燥し、５００℃で２時間焼成した。次いでジニトロジアンミン白金硝酸液を含浸担持し、遠心分離後、１５０℃で２時間乾燥し、５５０℃で２時間焼成して酸化触媒担持ＤＰＦ−３（担持量：ＴｉＯ_２＝３８ｇ／Ｌ、Ｐｔ＝１．６ｇ／Ｌ）を得た。得られた酸化触媒担持ＤＰＦ−３を用い、実施例１と同様の試験を行い、同様にして差圧の変動を測定した。また、このとき同様に調製したサンプルをガス流れ方向で半分に切断し、２液混合接着剤により栓を設けてＤＰＦ化し、差圧を測定したところ、上流側で３４ｍｍＨ_２Ｏ、下流側で３４ｍｍＨ_２Ｏであった。
【００２４】
実施例１、２および比較例１、２における初期差圧を表２に、差圧の変化を図３に示した。
【表２】

【００２５】
実施例１と比較例１から、触媒を担持していない比較例１は経過時間とともに差圧が大きく上昇しているが、触媒を担持させた実施例１では途中からほとんど上昇していないことが分かる。また実施例１および２と比較例２との比較より、ガス入口側の触媒担持量をガス出口側よりも多くして隔壁におけるガス入口側の差圧をガス出口側の差圧よりも大きくした実施例１および２における経時的な差圧の上昇は比較例２のそれよりも小さいことが分かる。この結果、本発明を採用することにより、ＤＰＦ内部でのガス流れを制御し、ガスの流れ方向に対して上流側で主にＮＯの酸化を行い、ＰＭの酸化分解は主に下流側で多く行うことで効率よくディーゼル排ガスを浄化できることが分かる。
【００２６】
【発明の効果】
本願の請求項１に記載の発明によれば、ガス入口側において、排ガスの隔壁通過を抑制し、排ガスと酸化触媒との接触を促進して主としてＮＯのＮＯ_２ への酸化を行い、ガス出口側では、排ガスの隔壁通過を促し、主として前記隔壁に捕捉されたＰＭを、ガス入口側で生成したＮＯ_２ によって燃焼、酸化させることができるので、ディーゼル排ガスを効率よく浄化することができる。また、前記隔壁に捕捉されたＰＭの燃焼によってＤＰＦが連続的に再生されるので、コンパクトで耐久性に優れた排ガス浄化装置を構成することができる。
本願の請求項２に記載の発明によれば、上記発明の効果に加え、ＤＰＦの上流側と下流側の差圧差を任意に選択、調整してＤＰＦ内の排ガス流をより細かく制御することができる。
【００２７】
本願の請求項３に記載の発明によれば、上記発明の効果に加え、特定の貴金属を含む酸化触媒により、効率よく排ガス中のＮＯおよびＰＭを酸化、燃焼させ、ディーゼル排ガスを効率よく浄化することができる。
本願の請求項４に記載の発明によれば、隔壁におけるガス入口側の圧力損失がガス出口側の圧力損失よりも大きい酸化触媒担持ＤＰＦを容易に製造することができる。
本願の請求項５に記載の発明によれば、ガス入口側で主としてディーゼル排ガス中のＮＯをＮＯ_２ に酸化し、ガス出口側で主としてＰＭを前記ＮＯ_２ によって酸化、燃焼させることにより、全体としてディーゼル排ガスを効率よく処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である酸化触媒担持ＤＰＦの原理を示す説明図。
【図２】従来技術を示す説明図。
【図３】実施例および比較例における差圧の経時変化を示す説明図。
【符号の説明】
１…ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）、２…ガス流路、３…隔壁、４…排ガス流。

Claims (5)

1. ガス流路の入口開孔端から流入した排ガスを酸化触媒を担持した隔壁の細孔を経て隣接するガス流路に導入し、該隣接ガス流路の出口開孔端から流出させる酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタにおいて、前記隔壁のガス入口側の圧力損失をガス出口側よりも大きくしたことを特徴とする酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタ。
2. 前記ディーゼルパティキュレートフィルタのガス入口側の触媒成分担持量をガス出口側よりも多くするか、またはガス入口側のみに触媒成分を担持させ、隔壁におけるガス入口側の細孔をガス出口側よりも数多く閉塞させたことを特徴とする請求項１に記載の酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタ。
3. 前記触媒成分は、チタニア、アルミナ、セリアおよびシリカから選ばれた少なくとも１つの酸化物を有する第１成分と、Ｐｔ、Ｐｄ、ＩｒおよびＲｈから選ばれた少なくとも１つの貴金属成分を有する第２成分を含むことを特徴とする請求項２に記載の酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタ。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタの製造方法であって、前記ディーゼルパティキュレートフィルタのガス入口側への触媒成分の担持回数をガス出口側への担持回数よりも多くすることを特徴とする酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタの製造方法。
5. 酸化触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側から下流側に被処理ガスを通してディーゼル機関からの排ガスを浄化する方法において、前記フィルタは、ガス入口側への触媒担持量をガス出口側への触媒担持量よりも多くしたものであり、ガス入口側で排ガス中のＮＯを酸化してＮＯ_２ を生成させ、ガス出口側で前記生成したＮＯ_２ により排ガス中の粒子状物質を酸化することを特徴とする排ガス浄化方法。

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