JP2007075783A - 触媒体およびそれを用いた触媒装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 より低温で煤の燃焼が可能な触媒体およびそれを用いた触媒装置を提供する。
【解決手段】 触媒体２０は、煤を燃焼させるための触媒体であって、ナトリウムとアルミニウムとの組成比が１：１の複合酸化物（ＮａＡｌＯ₂）からなる。この触媒体２０は、粉末状の複合酸化物を圧縮成型によりペレット状にしたもので、排ガスが透過する容器１０内に収納され、排ガス中の煤をフィルタリングする。そして、再生時においては、触媒体２０は４００℃以下の低温にて煤の燃焼が可能であり、燃費の向上などが可能となっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンの排気ガスなどの含まれる煤を燃焼させるための触媒体およびそれを用いた触媒装置に関する。

近年、ディーゼルエンジン等において煤の排出が問題になっている。一般には、エンジンの排気管に、白金アルミナよりなる触媒体を用いた触媒装置を介在させ、排ガス中の煤を除去するようにしている。

この触媒装置は、セラミックからなるフィルタに白金アルミナよりなる触媒体を担持させたものを、容器に収納し、この容器に、煤を含む被燃焼媒体すなわち排ガスを透過させ、排ガス中の煤を除去するようにしている。

そして、フィルタの再生過程においては、過剰な燃料を燃やすことでフィルタの温度を上げ、フィルタにたまった煤を触媒体により燃焼させるようにしている。ここで、従来の白金アルミナよりなる触媒体では、６００℃以上の高温にしないと、煤の燃焼が行われないため、フィルタを収納する容器の上流に、白金などからなる酸化触媒を別途設けている。

この酸化触媒に燃料を供給し、そこで高温のガスを発生させ、この高温のガスを下流の容器すなわちフィルタに送り込むことで、触媒体の温度を６００℃以上とし、燃焼可能な温度としている。

しかしながら、このようなフィルタの再生過程において、フィルタを高温とするための燃料消費が多く、燃費の低下を引き起こすことになる。また、急激な温度上昇によるフィルタの破損を生じる恐れがある。

そこで、煤の燃焼をより低温で可能とするために、従来では、１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃（Ｃ１２Ａ７）や１２ＳｒＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃（Ｓ１２Ａ７）といった大気中で酸素ラジカルを生成する材料よりなる触媒体が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２３８１４９号公報

しかしながら、上記Ｃ１２Ａ７やＳ１２Ａ７といった触媒体では、従来の一般的な白金アルミナ触媒よりは低温で、煤の燃焼が行えるものの、その燃焼温度は、せいぜい５００℃程度であり、さらなる低温燃焼化が要望されている。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、より低温で煤の燃焼が可能な触媒体およびそれを用いた触媒装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者は、種々の材料について鋭意検討を行った。その結果、ナトリウムとアルミニウムとの組成比が１：１の複合酸化物からなるものを用いれば、従来よりも、さらに低温で燃焼が可能なこと実験的に見出した。

すなわち、本発明は、煤を燃焼させるための触媒体であって、ナトリウムとアルミニウムとの組成比が１：１の複合酸化物からなることを第１の特徴とする。

ナトリウムとアルミニウムとの組成比が１：１の複合酸化物であれば、後述する図２に示されるように、４００℃以下で煤の燃焼が可能である。よって、本発明の触媒体によれば、従来に比べて、より低温で煤を燃焼させることができる。

また、本発明は、煤を含む被燃焼媒体が透過する容器内に、煤を燃焼させるための触媒体であってナトリウムとアルミニウムとの組成比が１：１の複合酸化物からなる触媒体を設置してなることを特徴とする。

それによれば、上記第１の特徴を有する触媒体を用いた触媒装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る触媒装置の概略断面構成を示す図である。

この触媒装置は、たとえば、ディーゼルエンジンの排気管に介在設定されるものであり、その被燃焼媒体としての排ガスに含まれる煤を除去するものである。なお、煤とは、各種の技術用語辞典に定義されているように、炭化水素の不完全燃焼によって生成する微細な炭素の集合体である。

この触媒装置は、排ガスが透過する容器１０を備えている。この容器１０は、ステンレスなどの耐熱性や耐食性に優れた材料からなる筒状のものであり、その一端側に排ガスが導入される導入口１１、他端側に排ガスが排出される排出口１２が設けられている。ここで、導入口１１から排気管の排ガスが導入され、その排ガスは容器１０内を通過して排出口１２から排出されるようになっている。

容器１０内には、ペレットとして成型された触媒体２０が収納されている。この触媒体２０は、たとえば数ｍｍ程度の直径を有する粒状のものであり、容器１０内に充填されている。そして、この触媒体２０は、ステンレスなどからなるメッシュ状の保持部材３０により容器１０内に保持されている。

触媒体２０は、煤を燃焼させるための触媒体であって、ナトリウムとアルミニウムとの組成比が１：１の複合酸化物からなる。具体的には、ＮａＡｌＯ₂である。詳細は後述するが、このＮａＡｌＯ₂からなる触媒体２０は、４００℃以下の低温で煤の燃焼が可能なものである。

また、図示しないが、この触媒装置を排気管に取り付けた状態では、その上流には従来と同様の酸化触媒が設けられている。装置の再生を行うときに、この酸化触媒に、たとえばディーゼルエンジンの燃料である軽油が供給され、その燃焼により発生する高温のガスが容器１０に送られ、容器１０を昇温させるようになっている。

このような本実施形態の触媒装置においては、エンジンから送り込まれる排ガス中の煤が容器１０を透過するときにフィルタリングされるようになっている。そして、上記酸化触媒から送られる高温のガスにより触媒体２０が４００℃程度の高温になると、容器１０内に溜まった煤が燃焼し、再生が行われるようになっている。

このＮａＡｌＯ₂からなる触媒体２０の製造方法について述べる。耐熱性・耐薬品性を有する容器中にて硝酸アルミニウムを蒸留水に溶かし、この水溶液に対して、水酸化ナトリウム水溶液を、アルミイオンとナトリウムイオンが１：１のモル比となるまで撹拌しながら混合し、スラリーを作製する。

このスラリーを、そのまま当該容器中で１５０℃で加熱して、乾固した後、この乾固物を磁製のるつぼに移し変えて１０００℃で熱分解する。それにより、粉末状のＮａＡｌＯ₂を得る。そして、この粉末を圧縮成型後に焼成することにより、上記ペレットとしての触媒体２０を作製する。

本実施形態の触媒体２０は、従来の一般的な白金アルミナ触媒、さらには、従来の低温燃焼が可能な触媒体よりも、さらに、低温で煤の燃焼が可能である。このような本実施形態の作用効果について、具体的に検証した結果を述べる。

触媒の燃焼性能について、一般的なＴＧ／ＤＴＡ（熱重量／示差熱分析）による調査を行った。サンプルとしては、上記製造方法により得られた本実施形態の触媒体としての粉末状のＮａＡｌＯ₂、従来の一般的な白金アルミナ触媒（Ｐｔ／Ａｌ₂Ｏ₃）および比較例として上記Ｃ１２Ａ７（１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃）を用いた。

評価に使用した煤は、ディーゼル自動車のＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）に付着した煤を採集して用いた。評価は、それぞれのサンプル触媒に対して、全体を１００％として、５ｗｔ％の煤を機械的に混合し、上記熱重量／示差熱分析により行った。

ここで、サンプル量は１５ｍｇ、分析の容器としてはアルミナ容器、標準サンプルとしてアルミナを用い、空気を５０ｍＬ／ｍｉｎで流通させながら、室温〜８００℃まで１０℃／ｍｉｎの昇温速度で分析を行った。

図２は、この検証における分析結果を示す図であり、（ａ）は熱重量分析の結果を示す図、（ｂ）は示差熱分析の結果を示す図である。図２中、本実施形態の触媒体（ＮａＡｌＯ₂）は実線、従来の一般的な白金アルミナ触媒（Ｐｔ／Ａｌ₂Ｏ₃）は破線、上記Ｃ１２Ａ７は一点鎖線にて示してある。

なお、煤は、それ自身単独で燃焼させた場合でも７００℃〜８００℃の間ですべて燃焼してしまうため、熱重量分析では、各サンプルにおいて１００℃のときの重量を１、８００℃のときの重量を０と規格化した値を用いた。

図２（ａ）に示されるように、温度上昇とともに、各サンプルとも重量が減少していくが、大きな減少は２回見られる。ここで、各サンプルにおける低温側の重量の減少は、サンプルに化合している水分の脱離、すなわち脱水によるものであり、煤の燃焼による重量の減少は高温側の減少である。

このことは、図２（ｂ）に示される示差熱分析の結果から理解される。示差熱分析では、燃焼に応じてピークが検出されるが、これらのサンプルにおいて脱水反応は吸熱反応であり、マイナス側のピークとなるが、煤の燃焼反応は発熱反応であり、プラス側のピークとなる。

図２（ｂ）に示される各サンプルにおける低温側のピークは、マイナス側すなわち脱水反応によるピークであり、そのピーク温度は図２（ａ）における低温側の重量減少の温度と一致している。

また、図２（ｂ）に示される各サンプルにおける高温側のピークは、プラス側すなわち煤の燃焼によるピークであり、そのピーク温度は図２（ａ）における高温側の重量減少の温度と一致している。

つまり、本実施形態の触媒体は３８０℃あたりで、従来の一般的な白金アルミナ触媒は６００℃あたりで、比較例としての上記Ｃ１２Ａ７は５００℃あたりで、それぞれ煤の燃焼が行われている。

また、本実施形態の触媒体は、示差熱分析による煤の燃焼時のピークが、他のものに比べて、大きくしかも急峻となっている。このピークが急峻で大きいということは、燃焼速度が速いことを意味しており、具体的には、本実施形態の触媒体の燃焼速度は、比較例のＣ１２Ａ７の２倍から３倍となっている。

このように、本実施形態の触媒体２０およびそれを用いた触媒装置によれば、ＮａＡｌＯ₂を、採用することにより、従来では成し得なかった４００℃以下という低温にて、煤を燃焼させることができる。

そのため、触媒装置の再生時において、上記酸化触媒によって発生させる高温ガスの温度は、当然ながら、従来よりも低温でよく、そのため、酸化触媒に供給される燃料の量を低減することができる。このことは、たとえば、燃費向上につながる。

さらに、４００℃以下で燃焼可能であれば、エンジンによっては、その排ガス自体が４００℃程度になりうるため、このような場合には、上記酸化触媒からの高温ガスによるアシストがなくても、燃焼が可能となる。そのため、本実施形態によれば、上流の酸化触媒を必要としない触媒装置の実現が可能となる。

ここで、このＮａＡｌＯ₂による煤の燃焼の詳細なメカニズムは不明であるが、本発明者は次のように考えている。

本実施形態の触媒体は、ナトリウムとアルミニウムの複合酸化物であり、水が存在する大気中では、この酸化物の表面は、加水分解して、ナトリウム炭酸塩（Ｎａ₂ＣＯ₃）とアルミナとなっている。

ここで、ナトリウム炭酸塩は、約４００℃弱の温度にて分解し始め、酸化物Ｎａ₂Ｏとなり、続いて不均化反応により、ナトリウム（Ｎａ）と過酸化ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ₂）となることが知られている。この過酸化ナトリウムは非常に酸化力の強い物質である。

そこで、触媒体である複合酸化物に煤が付着すると水により電離したナトリウムが煤の表面の官能基と結合して、このナトリウムが煤を包み込む。一方、過酸化ナトリウムにより煤は酸化され、ナトリウムは還元される。

還元されたナトリウムは大気中の酸素と反応し再び過酸化ナトリウムを形成する。このように連鎖的に酸素ラジカルからなる過酸化ナトリウムを生成できるため、比較的低温で高速に煤を燃焼できると考えられる。

一方、アルミニウムについては、詳細は不明であるが、ナトリウムとの複合化により、ナトリウムを保持する機能を発揮するとともに、たとえば比表面積の増大などにより、活性に寄与していると考えられる。以上が、ＮａＡｌＯ₂による煤の燃焼の推定メカニズムである。

なお、本発明者がＸ線回折を行ったところ、ＮａＡｌＯ₂は、水分の存在により、その一部がＮａ₂Ａｌ₂Ｏ₄・６Ｈ₂Ｏに変化することを確認している。しかし、このような変成物を含む場合であっても、上記した結果と同様、低温で速度の速い燃焼が行われることを実験的に確認している。

したがって、本実施形態でいうナトリウムとアルミニウムとの組成比が１：１の複合酸化物とは、ＮａＡｌＯ₂に限るものではなく、ナトリウムとアルミニウムとの組成比が１：１ならば、ＮａＡｌＯ₂の変成物であってもよい。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、ＮａＡｌＯ₂からなる触媒体２０としては、成形されたペレットとしたものを採用したが、ＮａＡｌＯ₂からなる粉末を、セラミックの担体に担持したものとしてもよい。

図３は、他の実施形態に係る触媒装置の概略断面図であり、当該粉末をコージェライトなどからなるハニカム状の担体４０に担持させたものである。この担体４０は、ハニカム内の複数の内孔４１が、排ガスの流通する方向に沿って配置されており、アルミナなどの繊維からなる保持部材３１により容器１０内に保持されている。

この図３では、触媒体は、図示されていないが、この担体４０の内孔４１の内面に担持されている。その担持方法は、通常の触媒と同様に、担体４０を触媒体の粉末を含むスラリーに浸漬し、乾燥させることにより行われる。

また、担体４０としては、このようなハニカム状のものに限らず、煤を除去できるものであるならば、一般に触媒装置の担体として適用される種々の形態のものが、本触媒体に対しても採用可能である。

本発明の実施形態に係る触媒装置の概略断面図である。 本発明者の行った検証における分析結果を示す図であり、（ａ）は熱重量分析の結果を示す図、（ｂ）は示差熱分析の結果を示す図である。 他の実施形態に係る触媒装置の概略断面図である。

符号の説明

１０…容器、２０…触媒体。

Claims (2)

1. 煤を燃焼させるための触媒体であって、ナトリウムとアルミニウムとの組成比が１：１の複合酸化物からなることを特徴とする触媒体。
2. 煤を含む被燃焼媒体が透過する容器内に、煤を燃焼させるための触媒体であってナトリウムとアルミニウムとの組成比が１：１の複合酸化物からなる触媒体を設置してなることを特徴とする触媒装置。
   

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