JP2006026590A - 二酸化窒素の除去方法および二酸化窒素用吸着剤 - Google Patents
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Abstract
【課題】 吸着剤として金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤とを使用してNOx含有ガスを処理するに当たって、従来法よりもより一層効率的である上に、NO2を選択的に除去することができ、且つNOを増加させない方法と吸着剤を提供する。
【解決手段】 本発明に係る二酸化窒素の除去方法は、NOxを含む被処理ガスから二酸化窒素を除去する方法であって、ルテニウム化合物を担持した遷移金属酸化物を含む吸着剤と炭素質吸着剤とを混合した二酸化窒素除去層へ、被処理ガスを通気することに要旨を有する。
【解決手段】 本発明に係る二酸化窒素の除去方法は、NOxを含む被処理ガスから二酸化窒素を除去する方法であって、ルテニウム化合物を担持した遷移金属酸化物を含む吸着剤と炭素質吸着剤とを混合した二酸化窒素除去層へ、被処理ガスを通気することに要旨を有する。
Description
本発明は、NOxを含む被処理ガスから二酸化窒素を除去する方法、および当該方法で用いる二酸化窒素用吸着剤に関するものである。
NOxは一酸化窒素(以下、「NO」という)と二酸化窒素(以下、「NO2」という)の総称であり、大都市地域においてはNOxによる大気汚染が依然として深刻な問題となっている。特に二酸化窒素は、それ自体が呼吸器等に悪影響を与える上に酸性雨や光化学スモッグの原因にもなるため、工場に対してはNOxの排出規制が設けられているのみならず、近年の自動車車種規制にまで発展している。この様に、自動車はNOx発生の一因であるため、自動車トンネルや地下駐車場などからの換気排ガスに含まれるNOxをできる限り低減することが望ましい。
ところで、焼却設備の煙道排ガス等については、チタニア(TiO2)を主成分とする脱硝触媒と還元剤としてのアンモニアによって、NOxを窒素まで還元する方法(アンモニア還元脱硝法)が適用されている。しかし、この方法は、高温で且つNOx濃度が高いガスにこそ適するものであって、数ppm程度とNOx濃度が低く、常温(特に、冷却や加熱を施さない状態をいう)である自動車トンネルの換気排ガス等に適用するには、効率が悪い。
そこで、低濃度で且つ常温のNOxガスに適する技術が、種々検討されている。例えば特許文献1には、遷移金属酸化物を含む充填層にNOxガスを通じた後、更に炭素質吸着剤を含む充填層に通じるNOxの除去方法が開示されている。この技術によれば、遷移金属酸化物によりNOがNO2へ酸化されると共にNOの一部が吸着され、その後に設けられた炭素質吸着剤によりNO2が吸着される。更に、遷移金属酸化物はNO吸着能を有し、炭素質吸着剤はNO2の還元能を有する。その結果、これら層を交互に組合わせることによって、炭素質吸着剤を単独で用いる場合に比べて炭素質吸着剤の経時的な性能低下を抑制できるため、その寿命を延ばして取替え頻度を少なくし得、或いはその所要充填量を低減でき、ひいては経済性を高めることができる。また、特許文献2には、NOxを効率よく吸着除去できるものとして、Mn酸化物等とルテニウム酸のアルカリ金属塩等を含有する窒素酸化物用吸着剤が開示されている。
そして、これら技術により吸着されたNOxを加熱により脱着すれば、処理前のガスに比してNOx濃度が高められていることから、この脱着ガスを加熱した上で前述したアンモニア還元脱硝法によって窒素まで還元することが考えられる。
なお、非特許文献1によれば、NOxをアンモニア還元脱硝法(4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O,6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O)により窒素まで還元する場合、全NOxに占めるNO2の割合が0から0.5になるまでは脱硝効率が向上して0.5程度で最大となる。しかし、0.5から1にかけて、即ちNO2濃度がNO濃度よりも高くなると、脱硝効率は大幅に低下する。
特開平8−66611号公報(特許請求の範囲,段落[0015],実施例)
特開平6−112022号公報(段落[0015],[0016],実施例)
市来正義,日立造船技報,第59号第2号,第56〜61頁(1998年)
上述した様に、自動車トンネルの換気排ガスの様に、常温で且つ低濃度のNOxガスを処理する様々な技術は既に存在している。しかし、より効率的な処理方法が求められている。また、NO2はNOよりも有害であるので、NO2を選択的に除去することができ、且つNOを増加させないことが望ましい。
そこで、本発明が解決すべき課題は、吸着剤として金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤とを使用してNOx含有ガスを処理するに当たって、従来法よりもより一層効率的である上に、NO2を選択的に除去することができ、且つNOを増加させない方法と吸着剤を提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決すべく、特にNOxを吸着する吸着剤の構成について鋭意研究を進めた。その結果、金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤それぞれ単独でNOx除去層を形成するよりも、これら吸着剤を混合した方が両者の特性をより効率的に発揮できることを見出して、本発明を完成した。
即ち、本発明に係るNO2の除去方法は、NOxを含む被処理ガスからNOより有害なNO2を除去する方法であって、ルテニウム化合物を担持した遷移金属酸化物を含む吸着剤(以下、「ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤」という)と炭素質吸着剤とを混合したNO2除去層へ、被処理ガスを通気することを特徴とする。なお、本発明方法は特にNO2を除去できるものであるが、NOも除去できるため、被処理ガス中のNOが低減される態様も本発明範囲に含まれるものとする。
上記方法においては、NO2除去層へ被処理ガスを通気した後、当該NO2除去層を300℃以下で加熱することによってNOxを脱着させ、このNOxを還元剤と脱硝触媒により無害の窒素と水にすることが好ましい。
このとき、NO2除去層から脱着した上記NOx中、NO濃度がNO2濃度よりも高くなるように、ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤との混合比を調整する態様が好適である。脱着したNOxをより効率的に窒素と水まで還元できるからである。
また、本発明のNO2用吸着剤は、ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤とを含み、これら吸着剤が均一に混合されていることを特徴とする。
上記NO2用吸着剤としては、炭素質吸着剤に対する上記ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤の量の比(ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤量/炭素質吸着剤量)が、0.05〜1であるものが好適である。脱着したNOxを還元剤と脱硝触媒により窒素と水へ還元する際、効率的に反応が進行するからである。
上記遷移金属酸化物としては、Mn酸化物,Mn−Cu複合酸化物およびMn−Fe複合酸化物よりなる群から選択される1種または2種以上、また、上記ルテニウム化合物としては、ルテニウムのハロゲン化物,ルテニウム酸のアルカリ金属塩およびルテニウム酸のアルカリ土類金属塩よりなる群から選択される1種または2種以上が好ましい。更に、上記ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤中のルテニウムの含有率としては、ルテニウム金属換算で0.05質量%以上であるものが好適である。これらはNO含有ガスの処理に用いられる吸着剤の構成成分として、優れているからである。
上記ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤中、遷移金属酸化物としてMn−Cu複合酸化物を用いる場合には、MnとCuの合計に対するMnの質量比[Mn/(Mn+Cu)]を0.15以上とすることが好ましい。斯かるルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤は、NO吸着能にも優れるため、被処理ガス中のNOを低減するという観点から重要なものである。
また、上記炭素質吸着剤としては、その表面積が100m3/g以上であるものが好適である。斯かる炭素質吸着剤は、NO2をNOへ還元する能力に優れているからである。
本発明の二酸化窒素用吸着剤は、ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤とが均一混合されているという特徴によって、両者の特性をより一層効率的に発揮させることができる。その結果、NOxを含む被処理ガス中のNOを増加することなくNO2を吸着除去できる上に、得られる脱着ガスにはNOとNO2が濃縮されており且つこれらの比率が適切であるため、効率的なアンモニア還元脱硝が可能になる。
従って、本発明に係るNO2の除去方法とNO2用吸着剤は、特に有害なNO2を効率的に吸着し、窒素まで還元できるものとして、産業上極めて優れている。
本発明のNO2用吸着剤は、ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤とを含み、これら吸着剤が均一に混合されていることに要旨を有する。なお、ここでの「均一」とは厳密な均一のみをいうものではなく、ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤が互いに相乗効果を発揮できる程度に混合されていればよいものとする。
本発明で用いるルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤に含まれる遷移金属酸化物は、NOとNO2の吸着能に優れるものであれば特に制限なく使用できる。この様な吸着剤としては、例えば、Mn,Fe,Co,Ni,Cuの酸化物,及びこれら金属の複合酸化物から選択したものを使用すればよい。好適には、Mn酸化物,Mn−Cu複合酸化物およびMn−Fe複合酸化物よりなる群から選択される1種または2種以上を用いる。これらは、特に常温でのNO吸着能に優れるからである。
本発明のルテニウム化合物としては、複合酸化物に担持されることにより吸着剤のNO吸着能を高めることができるものを使用する。例えば、RuCl3等のルテニウムのハロゲン化物;Na2RuO4やK2RuO4等のルテニウム酸のアルカリ金属塩;およびCaRuO4等のルテニウム酸のアルカリ土類金属塩を挙げることができ、これらから1種または2種以上を選択して使用すればよい。
遷移金属酸化物としてMn−Cu複合酸化物を用いる場合には、MnとCuの合計に対するMnの質量比[Mn/(Mn+Cu)]を0.15以上(より好ましくは0.45以上)とすることが好ましい。また、Mn−Fe複合酸化物の場合には、MnとFeの合計に対するMnの質量比[Mn/(Mn+Fe)]を0.1以上(より好ましくは0.30以上)とすることが好ましい。NO吸着剤として、より高レベルの性能を確保できるからである。
本発明では、ルテニウム化合物を遷移金属酸化物へ担持する。この担持方法は特に制限されることはなく、従来方法を適用することができる。例えば、乾燥させた遷移金属酸化物を破砕して粉末とした後にルテニウム化合物を担持し、更に添加成分を加えた上で押出成形法や打錠成形法などによって錠剤としたり、或いは遷移金属酸化物を破砕して粉末とし更に錠剤としたものへ、ルテニウム化合物の水溶液を吹き付けた後に乾燥させればよい。
ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤中のルテニウムの含有率は、ルテニウム金属換算で0.05質量%以上とすることが好ましい。0.05質量%未満では、NO吸着能の向上効果が得られ難くなる傾向があるからである。従って、当該値としては、0.1質量%以上がより好ましく、更に好ましくは0.3質量%以上である。但し、約5質量%を超えて配合しても、それ以上の向上効果は得られない場合があるので、上限は約5質量%とする。より好ましくは、2質量%以下である。
本発明で用いる炭素質吸着剤は、NOx吸着能の他に、NO2をNOへ還元する作用を有するものである。この様な炭素質吸着剤としては、例えば、ヤシガラ,サトウキビバガス,麦わら,籾殻,チップダスト,のこ屑,鉋屑などを炭化させた材料や、活性コークス、石炭等、また、更にこれらを活性化したもの(活性炭)を挙げることができ、好適には活性炭を用いる。また、他材料と活性炭との複合材料や、活性炭を他材料上に担持したものを用いてもよい。炭素質吸着剤としては、その表面積が100m3/g以上であるものも好適である。斯かる炭素質吸着剤は、NO2からNOへの還元性能が特に優れるからである。
本発明では、ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤とを均一混合して二酸化窒素用吸着剤とするが、炭素質吸着剤に対するルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤の量の比(ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤量/炭素質吸着剤量)が0.05〜1となる様に配合することが好ましい。後述する様に、吸着したNO2はNOとNO2との混合ガスとして脱着するが、この脱着ガスを効率的に還元脱硝するにはNO濃度がNO2濃度よりも高いことが好ましく、当該比の範囲で両吸着剤を配合すれば、この条件を満たすことができるからである。また、両吸着剤の比が当該範囲内であれば、ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤が有するNOx吸着能の飽和を抑制し、NO2の吸着を効率よく進めることが可能になる。
本発明では、炭素質吸着剤のNO2還元能(NO2をNOまで還元する作用)を利用して、被処理ガス中のNO2を積極的にNOへ還元し、これをルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤により吸着させることによって、被処理ガスからNO2を除去する。また、以下で説明する様に、本発明ではルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤の吸着能が高められているため、NO2をNOへ還元しても、NO濃度を増やすことはない。
本発明では、ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤とが均一混合されていることによって、NOx処理を極めて効率的に行なうことができる。その理由を以下に述べる。
炭素質吸着剤は、相対湿度が高い環境下で優れたNO2還元能(NO2をNOまで還元する能力)を発揮することができるが、低湿度下では斯かるNO2還元能は低下することが知られている。一方、遷移金属酸化物吸着剤は、相対湿度が60%以下の領域において高いNOx吸着能を発揮できるが、湿度が高くなるとNOx吸着能は低下する。従って、各吸着剤単独からなる層を積層すれば、互いの欠点を補完することができる。しかし、本発明では、これら吸着剤を均一混合することによって、より一層の効率化を達成することに成功した。
炭素質吸着剤は、水分を吸着すると吸着熱を発する。よって、本発明で処理対象としている低濃度NOx含有ガスは、常温であり当然に水分を有しているため、本発明のNO2除去層(ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤との均一混合層)へ当該ガスを通気すると、炭素質吸着剤は水分を吸着して発熱する。その結果、炭素質吸着剤では比較的湿度が高く保たれ、その機能(NO2還元能)を十分に発揮できる上に、発せられた熱が均一混合されているルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤へ伝わり、その周辺の相対湿度を低下させるために、その機能(NOx吸着能)も発揮され得る。また、これら吸着剤を二層に分割する必要がないので、実施装置を簡便にすることができ、更にNOxを脱着するための加熱を容易に行なえるという利点もある。
本発明に係る二酸化窒素の除去方法では、先ず、NOxを含む被処理ガスを、上記で説明したNO2除去層へ通気する。そして、先ず炭素質吸着剤の作用によってNO2をNOへ還元した上で、発生したNOをルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤に吸着させる。
次いで、吸着したNO2とNO(NOx)を還元するために、二酸化窒素除去層を300℃以下で加熱することによってNOxを脱着させる。この脱着されたNOx含有ガスは、当初の被処理ガスに比してNOx濃度が高められているので、アンモニア還元脱硝法による還元処理が可能になる。ここで、ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤は、300℃超に加熱すると活性酸素が放出され、再利用が困難になるおそれがあるため、脱着温度は300℃以下が好ましい。
そして最後に、脱着したNOxを還元剤と脱硝触媒により還元する。ここで用いられる還元剤としては、主にアンモニアや尿素等を挙げることができ、脱硝触媒としては、酸化チタンや酸化バナジウム等を主成分とするチタニア系脱硝触媒を使用できる。
また、非特許文献1によれば、アンモニア還元脱硝法によりNOxを処理するに当たっては、全NOxに占めるNO2濃度がNO濃度よりも高くなると、脱硝効率は低下してしまう。そこで、NO2除去層から脱着した上記NOx中、NO濃度がNO2濃度よりも高くなるように、ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤との混合比を調整する。つまり、本発明では被処理ガスからNO2を除去することを目的としているため、炭素質吸着剤をより多くして、NO2をNOへ積極的に還元し、増加するNOをルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤へ吸着させることが好ましい。また、脱着時にルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤からより多く放出されるのはNO2であることから、炭素質吸着剤を多く配合することによって、この脱着NO2をNOへ還元できるという利点もある。従って、炭素質吸着剤とルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤の混合割合を適切に調節することにより、脱着したNOx含有ガスのNOとNO2の割合をも調節できるので、予備実験を行なって効率的な脱硝処理ができる様に吸着剤の混合割合を決定すればよい。
以下に、実施例を示すことによって本発明を更に詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。
実施例1
以下に示すルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤を用い、これらを混合するか或いは各吸着剤単独による層を積層することによって、二酸化窒素除去層を作成した。
以下に示すルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤を用い、これらを混合するか或いは各吸着剤単独による層を積層することによって、二酸化窒素除去層を作成した。
吸着剤a(ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤) : ズードケミー触媒社製の銅−マンガン複合酸化物に、ルテニウム酸カリウムを金属ルテニウム換算で1質量%担持させた吸着剤(粒状),Mn/(Mn+Cu)=40/55(約0.73)
吸着剤b(炭素質吸着剤) : 日本エンバイロケミカルズ社製の粒状やし殻活性炭(表面積:850m2/g)
上記各吸着剤を、下記に示す割合で混合するか、或いは単独吸着剤からなる層が積層される様に内寸:2.8cmの吸着管内に充填した。この際、各吸着管での吸着剤充填高さの合計は、何れの場合でも30mmにした。
吸着剤b(炭素質吸着剤) : 日本エンバイロケミカルズ社製の粒状やし殻活性炭(表面積:850m2/g)
上記各吸着剤を、下記に示す割合で混合するか、或いは単独吸着剤からなる層が積層される様に内寸:2.8cmの吸着管内に充填した。この際、各吸着管での吸着剤充填高さの合計は、何れの場合でも30mmにした。
充填層構成
No.1 − 吸着剤a:吸着剤b=1:10の混合充填
No.2 − 吸着剤a:吸着剤b=1:1の混合充填
No.3 − 上流側:吸着剤a層,下流側:吸着剤b層(吸着剤a:吸着剤b=1:1)の二層充填
No.4 − 上流側:吸着剤b層,下流側:吸着剤a層(吸着剤a:吸着剤b=1:1)の二層充填。
No.1 − 吸着剤a:吸着剤b=1:10の混合充填
No.2 − 吸着剤a:吸着剤b=1:1の混合充填
No.3 − 上流側:吸着剤a層,下流側:吸着剤b層(吸着剤a:吸着剤b=1:1)の二層充填
No.4 − 上流側:吸着剤b層,下流側:吸着剤a層(吸着剤a:吸着剤b=1:1)の二層充填。
上記各二酸化窒素除去層へ、NOを9ppm,NO2を1ppm含む空気(温度:35℃,相対湿度:60%)を空間速度:100,000/hで通気させ、吸着開始直後における出口のNO,NO2の濃度を測定し、下記式に従って除去率を算出した。
NO除去率=1−(出口NO濃度)/(入口NO濃度)
NO2除去率=1−(出口NO2濃度)/(入口NO2濃度)
NO2除去率=1−(出口NO2濃度)/(入口NO2濃度)
更に、各二酸化窒素除去層へ上記空気を100時間通気させた後、吸着管を200℃に加熱することによりNOとNO2を脱着させ、それぞれの濃度を測定し、その比率を計算した。結果を表1に示す。
当該結果より、ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤とを混合充填した吸着管によりNO2を処理する本発明によれば(No.1と2)、各吸着剤の単独層を積層させた従来方法よりも(No.3と4)、より効率的にNO2を除去でき、且つNO濃度も低減できることが実証された。また、脱着されたNOxは、アンモニア還元脱硝法による効率的な脱硝が可能なNO/NO2比率を示している(No.1と2)。従って、本発明方法によれば、吸着したNO2をNOへ還元でき、更に窒素と水までの効率的な脱硝が可能になることが期待される。
Claims (10)
- NOxを含む被処理ガスから二酸化窒素を除去する方法であって、
ルテニウム化合物を担持した遷移金属酸化物を含む吸着剤(以下、「ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤」という)と炭素質吸着剤とを混合した二酸化窒素除去層へ、被処理ガスを通気することを特徴とする二酸化窒素の除去方法。 - 上記二酸化窒素除去層へ被処理ガスを通気した後、当該二酸化窒素除去層を300℃以下で加熱することによってNOxを脱着させ、このNOxを還元剤と脱硝触媒により還元脱硝する請求項1に記載の二酸化窒素の除去方法。
- 二酸化窒素除去層から脱着した上記NOx中、一酸化窒素濃度が二酸化窒素濃度よりも高くなるように、ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤との混合比を調整する請求項2記載の二酸化窒素の除去方法。
- ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤と炭素質吸着剤とを含み、これら吸着剤が均一に混合されていることを特徴とする二酸化窒素用吸着剤。
- 上記炭素質吸着剤に対する上記ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤の量の比(ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤量/炭素質吸着剤量)が、0.05〜1である請求項4に記載の二酸化窒素用吸着剤。
- 上記遷移金属酸化物が、Mn酸化物,Mn−Cu複合酸化物およびMn−Fe複合酸化物よりなる群から選択される1種または2種以上である請求項4または5に記載の二酸化窒素用吸着剤。
- 上記ルテニウム化合物が、ルテニウムのハロゲン化物,ルテニウム酸のアルカリ金属塩およびルテニウム酸のアルカリ土類金属塩よりなる群から選択される1種または2種以上である請求項4〜6のいずれかに記載の二酸化窒素用吸着剤。
- 上記ルテニウム化合物担持遷移金属酸化物吸着剤中のルテニウムの含有率が、ルテニウム金属換算で0.05質量%以上である請求項4〜7のいずれかに記載の二酸化窒素用吸着剤。
- 上記遷移金属酸化物がMn−Cu複合酸化物であり、且つMnとCuの合計に対するMnの質量比[Mn/(Mn+Cu)]が0.15以上である請求項4〜8のいずれかに記載の二酸化窒素用吸着剤。
- 上記炭素質吸着剤の表面積が100m3/g以上である請求項4〜9のいずれかに記載の二酸化窒素用吸着剤。
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