JP2009166032A - Catalyst and method for conversion of nitrogen oxide - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ferric silicate catalyst being capable of converting nitrogen oxides efficiently over a wide temperature range from low to high temperatures and having high hydrothermal durability, and to provide a method of converting nitrogen oxides using the catalyst. <P>SOLUTION: The catalyst consists of a crystalline silicate or an aluminosilicate containing iron in the β structure. For the β ferric silicate of a SiO<SB>2</SB>/Fe<SB>2</SB>O<SB>3</SB>mol ratio of 20-300 and a log(SiO<SB>2</SB>/Al<SB>2</SB>O<SB>3</SB>) of ≥2, the catalyst uses at least one reducing agent selected from ammonia, urea and organic amines so as to exert high performance of reducing nitrogen oxides in exhaust gas selectively, especially a high activity after a durability treatment at low temperatures of ≤250°C. The iron in the β ferric silicate is preferably an isolated ferric ion having a symmetric tetrahedral structure confirmable by UV/visible absorption spectrometry and electron spin resonance measurement. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、内燃機関から排出される窒素酸化物の浄化に関するものであり、β構造を有する鉄シリケートからなる窒素酸化物浄化触媒、並びにそれを用いてアンモニア、尿素、有機アミン類の少なくとも一つと反応させる窒素酸化物浄化方法を提供するものである。   The present invention relates to the purification of nitrogen oxides discharged from an internal combustion engine, a nitrogen oxide purification catalyst comprising an iron silicate having a β structure, and at least one of ammonia, urea, and organic amines using the catalyst. The present invention provides a method for purifying nitrogen oxides to be reacted.

骨格構造中に異種元素を置換したシリケートは、通常のアルミノシリケートゼオライトとは異なる特性が期待され、触媒反応への利用が検討されている。   Silicates substituted with different elements in the skeletal structure are expected to have different properties from ordinary aluminosilicate zeolites, and their use in catalytic reactions is being investigated.

例えば白金を担持した鉄シリケートを用いたキシレン異性化触媒(特許文献1)、また鉄シリケートを用いたナフタレン性化合物の選択メチル化触媒(特許文献2)、また環状エーテルの開環重合触媒として鉄シリケートを用いたポリアルキレングリコールの製造方法(特許文献3)等が開示されている。   For example, iron as a xylene isomerization catalyst using an iron silicate carrying platinum (Patent Document 1), a selective methylation catalyst of a naphthalene compound using an iron silicate (Patent Document 2), and a ring-opening polymerization catalyst of a cyclic ether A method for producing polyalkylene glycol using silicate (Patent Document 3) and the like are disclosed.

一方、鉄シリケートを用いた窒素酸化物の浄化技術も検討されている。   On the other hand, nitrogen oxide purification technology using iron silicate is also being studied.

例えば、ZSM−5型鉄シリケートに銅とガリウムとの共沈複合酸化物が分散担持された窒素酸化物を含む排ガスの浄化用触媒(特許文献4)、過剰の酸素が存在する雰囲気中で、炭化水素類または含酸素化合物の存在下、ZSM−5型鉄シリケートのアルカリ金属交換体を窒素酸化物を含む排ガスと接触させる窒素酸化物浄化方法(特許文献5)、窒素酸化物、酸素ガスおよび必要に応じて亜硫酸ガスを含有する燃焼排ガスを、鉄シリケート触媒および炭化水素還元剤の存在下で接触反応させる窒素酸化物の除去方法(特許文献6)、鉄シリケートに白金、パラジウム、ロジウム及びコバルトのうち少なくとも一種を担持した窒素酸化物を主として除去する排気ガス浄化触媒(特許文献7)等が報告されている。   For example, a catalyst for purifying exhaust gas containing nitrogen oxide in which a coprecipitation complex oxide of copper and gallium is dispersed and supported on ZSM-5 type iron silicate (Patent Document 4), in an atmosphere where excess oxygen exists, Nitrogen oxide purification method (patent document 5) in which an alkali metal exchanger of ZSM-5 type iron silicate is contacted with exhaust gas containing nitrogen oxide in the presence of hydrocarbons or oxygen-containing compounds, nitrogen oxide, oxygen gas, and Nitrogen oxide removal method in which combustion exhaust gas containing sulfurous acid gas is contact-reacted in the presence of an iron silicate catalyst and a hydrocarbon reducing agent as required (Patent Document 6), platinum, palladium, rhodium and cobalt on iron silicate Among them, an exhaust gas purification catalyst that mainly removes nitrogen oxides supporting at least one of them (Patent Document 7) has been reported.

なお、特許文献6、7に記載される鉄シリケートは合成の際にテトラプロピルアンモニウム塩を使用していることから、得られた鉄シリケートの骨格構造はZSM−5構造であると予測される。   In addition, since the iron silicate described in Patent Documents 6 and 7 uses a tetrapropylammonium salt at the time of synthesis, the skeleton structure of the obtained iron silicate is predicted to be a ZSM-5 structure.

亜酸化窒素の浄化触媒については、亜酸化窒素の直接分解に用いられる、銅やコバルト等を担持したβ型鉄シリケートを含む触媒の製造方法(特許文献8)、β構造を有する鉄シリケートを用いて、亜酸化窒素を直接分解する方法、及び一酸化炭素を還元剤として亜酸化窒素を非選択的接触還元する方法(非特許文献1)等が開示されている。   As for the purification catalyst for nitrous oxide, a method for producing a catalyst containing β-type iron silicate supporting copper, cobalt, etc., used for direct decomposition of nitrous oxide (Patent Document 8), an iron silicate having a β structure is used. In addition, a method of directly decomposing nitrous oxide, a method of non-selective catalytic reduction of nitrous oxide using carbon monoxide as a reducing agent (Non-patent Document 1), and the like are disclosed.

一方、排ガス中の窒素酸化物の浄化触媒については、リーンバーン燃焼排ガスやディーゼル燃焼排ガスに代表される酸素過剰排ガスの窒素酸化物の浄化に関し、鉄又は銅を担持したアルミノシリケートゼオライト触媒を用い、アンモニアにより選択的接触還元(通常SCRという)する方法(特許文献9)が知られている。   On the other hand, for the purification catalyst of nitrogen oxides in exhaust gas, with respect to the purification of nitrogen oxides of oxygen excess exhaust gas represented by lean burn combustion exhaust gas and diesel combustion exhaust gas, an aluminosilicate zeolite catalyst supporting iron or copper is used, A method of selective catalytic reduction (usually called SCR) with ammonia (Patent Document 9) is known.

しかし、アンモニアを還元剤として用いた窒素酸化物(NOx)の還元方法において、低温での窒素酸化物の分解性能並びに水熱耐久性に優れた鉄シリケートはこれまで知られていなかった。   However, in a method for reducing nitrogen oxide (NOx) using ammonia as a reducing agent, an iron silicate excellent in nitrogen oxide decomposition performance at low temperature and hydrothermal durability has not been known so far.

特許第3269828号公報Japanese Patent No. 3269828 特表2004−524142号公報JP-T-2004-524142 特許第3477799号公報Japanese Patent No. 3477799 特開平5−305240号公報JP-A-5-305240 特許第2691643号公報Japanese Patent No. 2691643 特開平5−154349号公報JP-A-5-154349 特許第2605956号公報Japanese Patent No. 2605956 米国特許出願公開第2006―0088469号公報US Patent Application Publication No. 2006-0088469 特開平2−293021号JP-A-2-2933021 Journal of Catalysis,232(2005)318−334Journal of Catalysis, 232 (2005) 318-334

排出ガス中の窒素酸化物の効率的な浄化が望まれている中で、従来、250℃以下の低温における窒素酸化物浄化活性が高く、なおかつ水熱耐久性能の高い窒素酸化物浄化触媒は得られていなかった。   While efficient purification of nitrogen oxides in exhaust gas is desired, a nitrogen oxide purification catalyst having high nitrogen oxide purification activity at a low temperature of 250 ° C. or lower and high hydrothermal durability performance has been obtained. It was not done.

本発明の目的は、幅広い温度域、特に250℃以下の比較的低温の領域で効率的に窒素酸化物を浄化する触媒性能を有し、かつ従来よりも優れた水熱耐久性を有する鉄シリケート触媒を提供することにある。   An object of the present invention is an iron silicate having catalytic performance for efficiently purifying nitrogen oxides in a wide temperature range, particularly in a relatively low temperature range of 250 ° C. or less, and having hydrothermal durability superior to conventional ones. It is to provide a catalyst.

さらに他の目的は、上記触媒を用いた窒素酸化物の浄化方法を提供することにある。   Still another object is to provide a method for purifying nitrogen oxides using the above catalyst.

本発明者らは、アンモニア等を用いた窒素酸化物の選択還元触媒について鋭意検討を重ねた結果、SiO/Feモル比が20〜300、SiO/Alモル比がlog(SiO/Al)として2以上であるβ骨格構造中に鉄を有する結晶性シリケートでは、アンモニア等を還元剤とする窒素酸化物の選択還元において、優れた窒素酸化物の浄化性能を有していることを見出し、本発明を完成させるに至ったものである。 As a result of intensive studies on a selective reduction catalyst for nitrogen oxides using ammonia or the like, the present inventors have found that the SiO 2 / Fe 2 O 3 molar ratio is 20 to 300, and the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio is In crystalline silicate having iron in β skeleton structure which is 2 or more as log (SiO 2 / Al 2 O 3 ), excellent nitrogen oxide purification in selective reduction of nitrogen oxide using ammonia or the like as a reducing agent The present invention has been found to have performance, and the present invention has been completed.

以下、本発明の窒素酸化物浄化触媒について説明する。   Hereinafter, the nitrogen oxide purification catalyst of the present invention will be described.

本発明の窒素酸化物浄化触媒は、SiO/Feモル比が20〜300、log(SiO/Al)が2以上(モル比)のβ骨格構造中に鉄を有する結晶性シリケート(以下、「β型鉄シリケート」と呼称する)である。 The nitrogen oxide purification catalyst of the present invention has iron in a β skeleton structure having a SiO 2 / Fe 2 O 3 molar ratio of 20 to 300 and a log (SiO 2 / Al 2 O 3 ) of 2 or more (molar ratio). Crystalline silicate (hereinafter referred to as “β-type iron silicate”).

β型鉄シリケートの組成は、
(x+y)M(2/n)O・xFe・yAl・zSiO・wH
(但し、nは陽イオンMの原子価、x、y、z、はそれぞれFe、Al、SiOのモル分率を表し、x+y+z=1である。wは0以上の数であり、z/yは100以上、yは0であってもよい)で表される。
The composition of β-type iron silicate is
(X + y) M (2 / n) O.xFe 2 O 3 .yAl 2 O 3 .zSiO 2 .wH 2 O
(Where n is the valence of the cation M, x, y, and z are mole fractions of Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , and SiO 2 , respectively, and x + y + z = 1. W is 0 or more. And z / y may be 100 or more, and y may be 0).

本発明のβ型鉄シリケートの結晶構造は、X線回折で確認される結晶構造がβ型である。β型鉄シリケートは、酸素12員環からなる0.76×0.64nmおよび0.55×0.55nmの細孔が交差した3次元細孔を有するメタロシリケートである。β型鉄シリケートのX線回折パターンは以下の表1に示す格子面間隔d(オングストローム)とその回折強度で特徴付けられる。   The crystal structure of the β-type iron silicate of the present invention is β-type as confirmed by X-ray diffraction. β-type iron silicate is a metallosilicate having three-dimensional pores in which 0.76 × 0.64 nm and 0.55 × 0.55 nm pores composed of oxygen 12-membered rings intersect. The X-ray diffraction pattern of β-type iron silicate is characterized by the lattice spacing d (angstrom) shown in Table 1 below and its diffraction intensity.

Figure 2009166032
本発明のβ型鉄シリケートは、四配位構造の鉄が骨格原子として酸素原子と連結した構造を有し、アルミノシリケートゼオライトと同様にシリケート骨格の電荷不足に由来する固体酸性質を有するものである。本発明の鉄シリケートは、通常のアルミノシリケートゼオライトに鉄を担持した触媒に比べ、触媒の活性金属としての鉄が高度に分散した孤立鉄イオン(Fe3+)として存在しており、アンモニア等を用いた選択還元反応において、鉄の凝集が抑制され、特に高い性能が発揮される。
Figure 2009166032
The β-type iron silicate of the present invention has a structure in which four-coordinate iron is connected to an oxygen atom as a skeleton atom, and has a solid acid property derived from a lack of charge in the silicate skeleton as in the case of an aluminosilicate zeolite. is there. The iron silicate of the present invention exists as isolated iron ions (Fe 3+ ) in which iron as a catalyst active metal is highly dispersed compared to a catalyst in which iron is supported on a normal aluminosilicate zeolite. In the selective reduction reaction, iron aggregation is suppressed, and particularly high performance is exhibited.

本発明のβ型鉄シリケートはβ骨格構造中に鉄を有する結晶性シリケートであって、SiO/Feモル比は20〜300、好ましくは25〜300の範囲である。 The β-type iron silicate of the present invention is a crystalline silicate having iron in the β skeleton structure, and the SiO 2 / Fe 2 O 3 molar ratio is in the range of 20 to 300, preferably 25 to 300.

SiO/Feモル比が20未満では鉄の合計含有量は多くなるが、耐熱水処理によって結晶性が低下しやすく、活性に寄与する孤立Fe3+を十分に保持することが難しい。結晶性の観点からは、SiO/Feモル比は特に25以上が好ましい。 If the SiO 2 / Fe 2 O 3 molar ratio is less than 20, the total iron content increases, but the crystallinity is likely to be lowered by the hot water treatment, and it is difficult to sufficiently retain isolated Fe 3+ that contributes to activity. From the viewpoint of crystallinity, the SiO 2 / Fe 2 O 3 molar ratio is particularly preferably 25 or more.

一方SiO/Feモル比300を超えるものでは、絶対的な鉄イオン量が少なく、十分な触媒活性が得られない。 On the other hand, when the SiO 2 / Fe 2 O 3 molar ratio exceeds 300, the absolute iron ion amount is small and sufficient catalytic activity cannot be obtained.

SiO/Feモル比は20〜150、さらに25〜100の範囲であることが好ましい。 The SiO 2 / Fe 2 O 3 molar ratio is preferably in the range of 20 to 150, more preferably 25 to 100.

なお、本発明のβ型鉄シリケート中で窒素酸化物の還元に最も寄与する鉄は、後述するシリケート骨格中に孤立鉄イオン(Fe3+)として分散して存在するものであり、Feとして凝集しているものではない。本発明のβ型鉄シリケートの組成の定義で用いているSiO/Feモル比は、孤立鉄イオンを含む全ての鉄含有量を定義するために便宜上に用いられる表記である。 The iron that contributes most to the reduction of nitrogen oxides in the β-type iron silicate of the present invention is dispersed as isolated iron ions (Fe 3+ ) in the silicate skeleton described later, and Fe 2 O 3 Not agglomerated. The SiO 2 / Fe 2 O 3 molar ratio used in the definition of the composition of the β-type iron silicate of the present invention is a notation used for convenience to define the total iron content including isolated iron ions.

本発明の鉄シリケートは、log(SiO/Al)が2以上(モル比)のものである。log(SiO/Al)が2未満では、水熱耐久処理によって急激に250℃以下の低温での窒素酸化物浄化性能が低下する。 The iron silicate of the present invention has a log (SiO 2 / Al 2 O 3 ) of 2 or more (molar ratio). When log (SiO 2 / Al 2 O 3 ) is less than 2, the nitrogen oxide purification performance at a low temperature of 250 ° C. or lower is drastically reduced by the hydrothermal durability treatment.

log(SiO/Al)の上限は、特に限定はないが、2(SiO/Alとして100)より大であればよく、特に2.5(SiO/Alとして310)以上であることが好ましく、さらには3(SiO/Alとして1000)以上であることがより好ましい。一方、log(SiO/Al)が4(SiO/Alとして10000)以上であってもその効果は飽和傾向となる。 The upper limit of log (SiO 2 / Al 2 O 3 ) is not particularly limited, but may be larger than 2 (100 as SiO 2 / Al 2 O 3 ), particularly 2.5 (SiO 2 / Al 2 O 3 is preferably 310) or more, more preferably 3 (1000 as SiO 2 / Al 2 O 3 ) or more. On the other hand, even if log (SiO 2 / Al 2 O 3 ) is 4 (10000 as SiO 2 / Al 2 O 3 ) or more, the effect tends to be saturated.

鉄シリケートによる窒素酸化物浄化において、直接の反応活性点は孤立鉄イオンであるが、骨格中のアルミニウムも活性向上に寄与することが知られている。従来、アルミノシリケートではSiO/Al比が高いほど耐熱性が高い傾向があるが、Al量が少なくなることによって固体酸点が減少するため、触媒活性は必ずしも高いものではなかった。しかし、本発明のβ型鉄シリケートはlog(SiO/Al)が2以上において、水熱耐久処理前後での低温活性(耐熱性)が著しく高いものである。 In nitrogen oxide purification by iron silicate, the direct reaction active site is an isolated iron ion, but it is known that aluminum in the skeleton also contributes to the activity improvement. Conventionally, in aluminosilicate, the higher the SiO 2 / Al 2 O 3 ratio, the higher the heat resistance tends to be. However, the amount of Al 2 O 3 decreases and the solid acid point decreases, so the catalytic activity is not necessarily high. There wasn't. However, the β-type iron silicate of the present invention has remarkably high low-temperature activity (heat resistance) before and after hydrothermal durability treatment when the log (SiO 2 / Al 2 O 3 ) is 2 or more.

本発明の鉄シリケートは、ミクロ孔中に有機構造指向剤(Structure Directing Agent)(以下、SDAと呼称する)を含まない状態(以下、フレッシュと呼称する)において、含有する孤立鉄イオンの70%以上が対称四面体構造を有するものであることが好ましい。ここでいう、孤立鉄イオンとして存在する鉄とは、酸化鉄(Fe)等のように凝集したものでなく、シリケート骨格中やイオン交換サイトに分散して孤立して存在する鉄イオンを指し、具体的には電子スピン共鳴測定において検出される鉄イオンのことを指す。 The iron silicate of the present invention contains 70% of isolated iron ions in a state (hereinafter referred to as fresh) that does not include an organic structure directing agent (hereinafter referred to as SDA) in the micropores. The above preferably has a symmetric tetrahedral structure. The iron that exists as isolated iron ion here is not agglomerated like iron oxide (Fe 2 O 3 ) or the like, but is an iron ion that is isolated and dispersed in the silicate skeleton or at the ion exchange site. Specifically, it refers to an iron ion detected in electron spin resonance measurement.

鉄成分の構造対称性は、電子スピン共鳴測定(測定温度77K)で測定することができる。   The structural symmetry of the iron component can be measured by electron spin resonance measurement (measurement temperature 77K).

常磁性の鉄イオン(Fe3+)は電子スピン共鳴測定において共鳴吸収を示し、吸収ピークとしてはg≒2.0、g≒4.3及びg>4.3の少なくとも3つの吸収ピークをもつものに帰属されることが知られている。(Journal of Catalysis,249(2007)67他参照)g≒2.0の吸収ピークをもつものは対称四面体構造(又は高対称な多配位構造)を有する孤立鉄イオン、g≒4.3及びg>4.3の吸収をもつ鉄イオンは歪んだ四面体構造及び歪んだ多配位構造を有する孤立鉄イオンに帰属される。 Paramagnetic iron ion (Fe 3+ ) exhibits resonance absorption in electron spin resonance measurement, and has absorption peaks having at least three absorption peaks of g≈2.0, g≈4.3, and g> 4.3. It is known to belong to (See Journal of Catalysis, 249 (2007) 67, etc.) Those having an absorption peak of g≈2.0 are isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure (or highly symmetric multi-coordination structure), g≈4.3. And an iron ion having an absorption of g> 4.3 is attributed to an isolated iron ion having a distorted tetrahedral structure and a distorted multi-coordination structure.

すなわち、対称四面体構造を有する孤立鉄イオンが、孤立鉄イオン中の70%以上であるということは、電子スピン共鳴測定においてg≒2.0の電子スピン共鳴スペクトルの強度が、g≒2.0、g≒4.3及びg>4.3の全スペクトル強度の和に対して70%以上であることを意味する。   That is, the fact that the number of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure is 70% or more of the isolated iron ions means that the electron spin resonance spectrum intensity of g≈2.0 in the electron spin resonance measurement is g≈2. It means 70% or more with respect to the sum of all spectrum intensities of 0, g≈4.3 and g> 4.3.

電子スピン共鳴スペクトルは、微分形で表されるスペクトルで評価されることが一般的であるため、本発明においても電子スピン共鳴スペクトルの強度は、微分曲線の振幅長を用いて求められる。即ち、対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの比率はg≒2.0の電子スピン共鳴スペクトルの微分曲線の振幅長を、g≒2.0、g≒4.3及びg>4.3の各振幅長の和で除した値である。   Since the electron spin resonance spectrum is generally evaluated by a spectrum expressed in a differential form, the intensity of the electron spin resonance spectrum is also obtained in the present invention using the amplitude length of the differential curve. That is, the ratio of the isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure is the amplitude length of the differential curve of the electron spin resonance spectrum of g≈2.0, g≈2.0, g≈4.3, and g> 4.3. It is the value divided by the sum of each amplitude length.

電子スピン共鳴スペクトルは、一般的な方法で測定することができる。   The electron spin resonance spectrum can be measured by a general method.

例えば電子スピン共鳴装置((株)日本電子製JES−TE200)を用い、測定条件としては測定温度77K、マイクロ波出力は1.0mW、観測範囲は0〜1000mT、変調幅は0.32mT、時定数は0.3secとすることができる。試料は約10mgを石英製試料管に秤取し、液体窒素温度測定用デュアに挿入後、測定を行う。   For example, using an electron spin resonance apparatus (JES-TE200 manufactured by JEOL Ltd.), the measurement conditions are a measurement temperature of 77K, a microwave output of 1.0 mW, an observation range of 0 to 1000 mT, a modulation width of 0.32 mT, The constant can be 0.3 sec. About 10 mg of the sample is weighed into a quartz sample tube, inserted into a liquid nitrogen temperature measurement dewar, and then measured.

本発明において、電子スピン共鳴スペクトルの評価には、試料を乾燥空気及び/又は窒素の雰囲気下、約600℃で焼成してフレッシュとした後、測定温度77Kで測定した値を用いる。   In the present invention, the electron spin resonance spectrum is evaluated by using a value measured at a measurement temperature of 77K after the sample is baked and fresh at about 600 ° C. in an atmosphere of dry air and / or nitrogen.

本発明のβ型鉄シリケートは、g≒2.0に帰属される電子スピン共鳴スペクトル(測定温度77K)の微分吸収曲線のピーク強度が、g≒4.3及びg>4.3の微分吸収曲線のいずれのピーク強度より大きいものであることが特に好ましい。   The β-type iron silicate of the present invention has a differential absorption curve in which the peak intensity of the differential absorption curve of the electron spin resonance spectrum (measurement temperature 77 K) attributed to g≈2.0 is g≈4.3 and g> 4.3. It is particularly preferred that it is greater than any peak intensity of the curve.

対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの比率は、孤立鉄イオン全体の70%以上、特に80%以上であることが好ましい。当該比率は理論的に100%を超えることはない。   The ratio of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure is preferably 70% or more, particularly 80% or more of the entire isolated iron ions. The ratio does not theoretically exceed 100%.

本発明のβ型鉄シリケートは対称四面体構造を有する孤立鉄イオンが、全含有鉄の60%以上であることが好ましい。   In the β-type iron silicate of the present invention, the number of isolated iron ions having a symmetrical tetrahedral structure is preferably 60% or more of the total iron content.

鉄イオンが鉄シリケートの結晶中(骨格中及びイオン交換サイトを含む)において凝集せず、孤立鉄イオンとして存在しているか否かは、紫外可視吸光測定によって測定することができる。従って含有する鉄全体に対する対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの比率は、紫外可視吸光測定によって求めた孤立鉄イオンの比率と、電子スピン共鳴測定で求めた対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの比率とを乗じた値として求めることができる。   Whether or not iron ions are present in the form of isolated iron ions without aggregating in the iron silicate crystal (including in the skeleton and including the ion exchange sites) can be measured by UV-visible absorption measurement. Therefore, the ratio of the isolated iron ion having a symmetric tetrahedral structure to the total iron contained is the ratio of the isolated iron ion obtained by ultraviolet-visible absorption measurement and the isolated iron ion having a symmetric tetrahedral structure obtained by electron spin resonance measurement. It can be determined as a value multiplied by the ratio.

紫外可視吸光測定における孤立鉄イオンの比率は、紫外可視吸収スペクトルの波長領域220〜700nmの範囲において、全吸収積分強度(B)に対し、ピーク波長211±10nmの積分吸収強度(C)及びピーク波長272±10nmの積分吸収強度(D)の比(A=(C+D)/B)によって求められる。   The ratio of isolated iron ions in the UV-visible absorption measurement is as follows: the integrated absorption intensity (C) and the peak wavelength of 211 ± 10 nm with respect to the total absorption integrated intensity (B) and the peak in the wavelength range of 220 to 700 nm of the UV-visible absorption spectrum. It is calculated | required by ratio (A = (C + D) / B) of the integral absorption intensity | strength (D) of wavelength 272 +/- 10nm.

鉄イオン又は鉄酸化物は紫外及び可視光の波長領域に吸収を示す。紫外可視吸光測定における、鉄の吸収波長領域はその存在状態によって異なり、300nm未満の吸収は孤立鉄イオン(Fe3+)に、300〜400nmの範囲の吸収はFeクラスターに、400nmを超える吸収はFe凝集粒子に帰属される。即ち、紫外可視吸収スペクトルにおけるピーク波長約211±10nm及び約272±10nmのガウス曲線よりなる分解波形C及びDは孤立鉄イオンに基づく吸収に帰属される。孤立鉄イオンは、主にβ型鉄シリケートの骨格又はイオン交換サイトに位置するFe3+からなり、高分散状態で存在する鉄に帰属される。 Iron ions or iron oxides absorb in the ultraviolet and visible wavelength regions. In the UV-Vis absorption measurement, the absorption wavelength region of iron varies depending on the state of existence, absorption less than 300 nm is in isolated iron ions (Fe 3+ ), absorption in the range of 300 to 400 nm is in Fe 2 O 3 clusters, and exceeds 400 nm. Absorption is attributed to Fe 2 O 3 aggregated particles. That is, the decomposition waveforms C and D consisting of Gaussian curves with peak wavelengths of about 211 ± 10 nm and about 272 ± 10 nm in the UV-visible absorption spectrum are attributed to absorption based on isolated iron ions. The isolated iron ion is mainly composed of Fe 3+ located at the skeleton of the β-type iron silicate or the ion exchange site, and is attributed to iron existing in a highly dispersed state.

本発明のβ型鉄シリケートでは、全含有鉄に対する孤立鉄イオンの比率が90%以上であることが好ましいが、鉄イオンが孤立しているだけでは不十分であり、対称四面体構造を有していることが窒素酸化物の浄化性能に大きく寄与する。   In the β-type iron silicate of the present invention, the ratio of isolated iron ions to the total iron content is preferably 90% or more, but it is not sufficient that the iron ions are isolated and has a symmetrical tetrahedral structure. This greatly contributes to the nitrogen oxide purification performance.

対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの割合は、全含有鉄に対して60%以上、さらに70%以上であることが好ましい。その上限は特に限定されないが、理論的に100%を超えることはない。   The ratio of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure is preferably 60% or more, more preferably 70% or more, based on the total contained iron. The upper limit is not particularly limited, but theoretically does not exceed 100%.

紫外可視吸光測定には、以下の一般的な方法が用いられる。   The following general methods are used for UV-visible absorption measurement.

すなわち、積分球付属装置(例えば(株)島津製作所製のISR−3100)を試料室に取り付けた自記分光光度計((株)島津製作所製のUV−3100)を用いて紫外可視吸光の測定が行われる。スキャンスピードは200nm/min、スリット幅は5.0nm、ベースライン補正には硫酸バリウム粉末が用られる。粉末化した試料は、試料フォルダに充填し、波長範囲220〜700nmにおける反射率を測定すればよい。   That is, the measurement of ultraviolet-visible light absorption was performed using a self-recording spectrophotometer (UV-3100, manufactured by Shimadzu Corporation) equipped with an integrating sphere attachment device (for example, ISR-3100 manufactured by Shimadzu Corporation) attached to the sample chamber. Done. The scan speed is 200 nm / min, the slit width is 5.0 nm, and barium sulfate powder is used for baseline correction. The powdered sample may be filled in a sample folder and the reflectance in the wavelength range of 220 to 700 nm may be measured.

なお、水熱合成直後のβ型鉄シリケートはそのミクロ孔中にテトラエチルアンモニウムカチオン等のSDAを含有しているため、紫外可視吸収スペクトルの測定は、乾燥空気あるいは窒素等の雰囲気下、β型鉄シリケートを約600℃で焼成することにより通常行われるSDAの除去操作(以下、フレッシュ焼成と呼称する)後に行う。   In addition, since β-type iron silicate immediately after hydrothermal synthesis contains SDA such as tetraethylammonium cation in its micropores, the measurement of the UV-visible absorption spectrum is carried out in an atmosphere such as dry air or nitrogen in the form of β-type iron. This is performed after the SDA removal operation (hereinafter referred to as “fresh baking”), which is usually performed by baking the silicate at about 600 ° C.

次に、本発明のβ型鉄シリケートは、対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの含有率が、2モル%以上(Fe3+/(Si+Al+Fe)のモル比において)であることが好ましい。 Next, in the β-type iron silicate of the present invention, the content of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure is preferably 2 mol% or more (in a molar ratio of Fe 3+ / (Si + Al + Fe)).

対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの比率が大きくても、その絶対量が少なすぎると、窒素酸化物の浄化性能は低いものとなる。   Even if the ratio of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure is large, the purification performance of nitrogen oxides is low if the absolute amount is too small.

対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの絶対量は、β型鉄シリケート中の鉄のモル数Fe/(Si+Al+Fe)に紫外可視吸収スペクトルで求めた孤立鉄イオンの比率と、電子スピン共鳴スペクトルから求めた孤立鉄イオン中の対称四面体構造を有するものの比率を乗じた数値である。   The absolute amount of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure is obtained from the ratio of isolated iron ions obtained by ultraviolet-visible absorption spectrum to the number of moles of iron Fe / (Si + Al + Fe) in β-type iron silicate and the electron spin resonance spectrum. It is a numerical value obtained by multiplying the ratio of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure.

本発明のβ型鉄シリケート中の対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの含有率は2モル%以上、特に2.2モル%以上であることが好ましい。一方、本発明では、SiO/Feモル比の下限を20(Si/Feモル比10)と規定しているため、対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの絶対量の上限は約9.1モル%(1/(10+0+1))である。 The content of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure in the β-type iron silicate of the present invention is preferably 2 mol% or more, particularly 2.2 mol% or more. On the other hand, in the present invention, since the lower limit of the SiO 2 / Fe 2 O 3 molar ratio is defined as 20 (Si / Fe molar ratio 10), the upper limit of the absolute amount of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure is about 9.1 mol% (1 / (10 + 0 + 1)).

本発明のβ型鉄シリケートは耐久処理後も高い窒素酸化物の還元性能を有するものであるが、耐久処理後においてもβ型鉄シリケート中に存在する対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの比率が高いものである。   The β-type iron silicate of the present invention has high nitrogen oxide reduction performance even after endurance treatment, but the ratio of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure present in the β-type iron silicate even after endurance treatment Is expensive.

本発明のβ型鉄シリケート中の、電子スピン共鳴測定において検出可能な孤立鉄イオンに対する対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの比率は耐久処理後も40%を超えるものであり、特に80%以上、さらには90%以上が維持されているものが好ましい。   In the β-type iron silicate of the present invention, the ratio of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure to isolated iron ions detectable by electron spin resonance measurement is more than 40% even after endurance treatment, particularly 80% or more. Furthermore, it is preferable that 90% or more is maintained.

なお、ここで言う「耐久処理」とは、シリケート触媒の水熱耐久性を評価するために慣用される処理であって、HOを含む高温雰囲気中で行う熱処理を指す。耐久処理は、例えば、シリケート触媒を反応管に充填し、700℃で20時間、HOを含む空気を流通させて行う。具体的な処理条件は、実施例に記載されている。本発明のβ型鉄シリケート触媒は、高い水熱耐久性を有し、耐久処理後も高い窒素酸化物浄化活性を維持する。 The “endurance treatment” referred to here is a treatment commonly used for evaluating the hydrothermal durability of the silicate catalyst, and refers to a heat treatment performed in a high-temperature atmosphere containing H 2 O. The durability treatment is performed, for example, by filling a reaction tube with a silicate catalyst and circulating air containing H 2 O at 700 ° C. for 20 hours. Specific processing conditions are described in the examples. The β-type iron silicate catalyst of the present invention has high hydrothermal durability and maintains high nitrogen oxide purification activity even after durability treatment.

本発明のβ型鉄シリケート中の全含有鉄に対する対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの比率は耐久処理後も20%を超えるものであり、特に40%以上、さらには50%以上が維持されているものが好ましい。   The ratio of the isolated iron ion having a symmetric tetrahedral structure to the total iron content in the β-type iron silicate of the present invention exceeds 20% even after the endurance treatment, particularly 40% or more, and more preferably 50% or more. Are preferred.

本発明のβ型鉄シリケート中の対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの絶対量は耐久処理後も0.6モル%を超えるものであり、特に1モル%%以上、さらには1.5モル%以上が維持されているものが好ましい。   The absolute amount of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure in the β-type iron silicate of the present invention is more than 0.6 mol% even after endurance treatment, in particular 1 mol% or more, and further 1.5 mol. % Or more is preferred.

本発明のβ型鉄シリケート中の孤立鉄イオンの比率は耐久処理後も50%を超えるものが好ましいが、単に孤立鉄イオンであるだけでなく、上述の対称四面体構造を有していることが特に好ましい。   The ratio of isolated iron ions in the β-type iron silicate of the present invention is preferably more than 50% even after endurance treatment, but it is not only isolated iron ions but also has the above-mentioned symmetrical tetrahedral structure. Is particularly preferred.

次に本願発明のβ型鉄シリケートの製造方法について説明する。   Next, a method for producing the β-type iron silicate of the present invention will be described.

本発明のβ型鉄シリケートは、得られるβ型鉄シリケートの組成がSiO/Feモル比で20〜300、かつlog(SiO/Al)として2以上となる様な仕込み組成によって結晶化することによって製造することができる。 In the β-type iron silicate of the present invention, the composition of the obtained β-type iron silicate is such that the SiO 2 / Fe 2 O 3 molar ratio is 20 to 300 and the log (SiO 2 / Al 2 O 3 ) is 2 or more. It can manufacture by crystallizing with a preparation composition.

この様な条件下での結晶化では、β型鉄シリケートの骨格構造中に、孤立鉄イオンとして高度に分散しており、なおかつ高対称四面体構造を有する孤立鉄イオンを導入することができる。   In crystallization under such conditions, it is possible to introduce isolated iron ions that are highly dispersed as isolated iron ions in the skeleton structure of β-type iron silicate and that have a highly symmetric tetrahedral structure.

鉄の量が多すぎると、フレッシュ焼成や耐久処理によって凝集が進み易く、孤立した対称四面体構造の孤立鉄イオンの導入が十分でなく、またβ型鉄シリケートの結晶性も低下し易い。   If the amount of iron is too large, aggregation is likely to proceed due to fresh baking or durability treatment, and isolated iron ions having an isolated symmetric tetrahedral structure are not sufficiently introduced, and the crystallinity of β-type iron silicate is likely to deteriorate.

AlとFeとはβ型シリケートの骨格中への導入の際、競合反応となることが予想されるが、本発明では競合するAl含有量が少ないことが、対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの比率を増大することに寄与していると考えられる。   Al and Fe are expected to be a competitive reaction when introduced into the skeleton of β-type silicate, but in the present invention, the content of competing Al is low, so that isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure. It is thought that it contributes to increasing the ratio.

合成用原料はシリカ源、鉄源、SDA及び水から構成され、必要に応じてアルミニウム源及びフッ素源が使用される。   The raw material for synthesis is composed of a silica source, an iron source, SDA and water, and an aluminum source and a fluorine source are used as necessary.

シリカ源としてはコロイダルシリカ、無定型シリカ、珪酸ナトリウム、テトラエチルオルトシリケート、アルミノシリケートゲルなどを用いることができる。鉄源としては硝酸鉄、塩化鉄、硫酸鉄、金属鉄などを用いることができる。これらの原料は、他の成分と十分均一に混合できるものが好ましい。   As the silica source, colloidal silica, amorphous silica, sodium silicate, tetraethylorthosilicate, aluminosilicate gel and the like can be used. As the iron source, iron nitrate, iron chloride, iron sulfate, metallic iron and the like can be used. These raw materials are preferably those that can be sufficiently uniformly mixed with other components.

SDA原料としてはテトラエチルアンモニウムカチオンを有するテトラエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムブロマイド、テトラエチルアンモニウムフルオリド、更にはオクタメチレンビスキヌクリジウム、α,α’−ジキヌクリジウム−p−キシレン、α,α’−ジキヌクリジウム−m−キシレン、α,α’−ジキヌクリジウム−o−キシレン、1,4−ジアザビシクロ[2,2,2]オクタン、1,3,3,N,N−ペンタメチル−6−アゾニウムビシクロ[3,2,1]オクタン又はN,N−ジエチル−1,3,3−トリメチル−6−アゾニウムビシクロ[3,2,1]オクタンカチオンを含む化合物の群の少なくとも一種以上を使用することができる。   As SDA raw materials, tetraethylammonium hydroxide having tetraethylammonium cation, tetraethylammonium bromide, tetraethylammonium fluoride, octamethylenebiskinucridium, α, α′-diquinuclidium-p-xylene, α, α′-diquinuclidium- m-xylene, α, α′-diquinuclidium-o-xylene, 1,4-diazabicyclo [2,2,2] octane, 1,3,3, N, N-pentamethyl-6-azonium bicyclo [3,2 , 1] octane or at least one of a group of compounds containing N, N-diethyl-1,3,3-trimethyl-6-azonium bicyclo [3,2,1] octane cation can be used.

アルミニウム源としては硫酸アルミニウム、アルミン酸ナトリウム、水酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、アルミノシリケートゲル、金属アルミニウムなどを用いることができ、フッ素源としてはフッ酸、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム、フッ化アンモニウム、テトラエチルアンモニウムフルオリドなどを用いることができる。   As the aluminum source, aluminum sulfate, sodium aluminate, aluminum hydroxide, aluminum nitrate, aluminosilicate gel, metal aluminum, etc. can be used. As the fluorine source, hydrofluoric acid, sodium fluoride, potassium fluoride, ammonium fluoride, Tetraethylammonium fluoride or the like can be used.

これらの原料は他の成分と均一に混合し易いものが望ましい。   These raw materials are preferably easy to mix uniformly with other components.

原料混合物の仕込み組成は下記の組成範囲が例示される。但しこれらの組成範囲は限定的なものではなく、最終的な生成物組成が本発明のβ型鉄シリケートの組成の範囲内となるように任意に設定することができる。また、種晶などの結晶化促進作用を有する成分を添加してもよく、大きな結晶粒径が得られる条件が好ましい。   The following composition range is illustrated as a preparation composition of a raw material mixture. However, these composition ranges are not limited, and can be arbitrarily set so that the final product composition falls within the composition range of the β-type iron silicate of the present invention. In addition, a component having a crystallization promoting action such as a seed crystal may be added, and conditions under which a large crystal grain size can be obtained are preferable.

SiO/Alモル比 15以上であり、Alは無添加でもよい
SiO/Feモル比 20〜300、好ましくは100以下
O/SiOモル比 5〜50、好ましくは5〜10
SDA/SiOモル比 0.1〜5、好ましくは0.1〜1
F/SiOモル比 0〜5、好ましくは0〜1
水、シリカ源、鉄源、SDA、必要に応じてアルミニウム源及びフッ素源の原料混合物を密閉式圧力容器中で、100〜180℃の温度で、結晶化させることにより本発明に係るβ型鉄シリケートを得ることができる。
SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio is 15 or more, and Al 2 O 3 may not be added. SiO 2 / Fe 2 O 3 molar ratio 20 to 300, preferably 100 or less H 2 O / SiO 2 molar ratio 5 50, preferably 5-10
SDA / SiO 2 molar ratio of 0.1 to 5, preferably 0.1 to 1
F / SiO 2 molar ratio 0-5, preferably 0-1
Β-type iron according to the present invention by crystallizing a raw material mixture of water, silica source, iron source, SDA, and optionally an aluminum source and a fluorine source in a sealed pressure vessel at a temperature of 100 to 180 ° C. A silicate can be obtained.

結晶化の際、原料混合物は混合攪拌された状態でもよいが、耐熱性の高い結晶を得るためには静置した状態が好ましい。結晶化終了後、十分放冷し、固液分離、十分量の純水で洗浄し、110〜150℃の温度で乾燥して本発明に係るβ型鉄シリケートが得られる。   At the time of crystallization, the raw material mixture may be mixed and stirred, but in order to obtain crystals having high heat resistance, a stationary state is preferable. After completion of crystallization, the mixture is allowed to cool sufficiently, separated into solid and liquid, washed with a sufficient amount of pure water, and dried at a temperature of 110 to 150 ° C. to obtain the β-type iron silicate according to the present invention.

本発明のβ型鉄シリケートはそのまま窒素酸化物の浄化触媒として使用することができる。合成直後のβ型鉄シリケートは細孔内にSDAを含有するため、必要に応じてこれらを除去した後に窒素酸化物の浄化触媒として使用することが好ましい。   The β-type iron silicate of the present invention can be used as it is as a purification catalyst for nitrogen oxides. Since the β-type iron silicate immediately after synthesis contains SDA in the pores, it is preferably used as a purification catalyst for nitrogen oxides after removing these if necessary.

SDAの除去処理は、酸性溶液やSDA分解成分を含んだ薬液を用いた液相処理、レジンなどを用いた交換処理、熱分解処理を採用することができ、これらの処理を組合せても良い。更には、β型鉄シリケートのイオン交換能を利用してH型やNH型に変換して用いることもできる。 As the SDA removal treatment, a liquid phase treatment using a chemical solution containing an acidic solution or an SDA decomposition component, an exchange treatment using a resin or the like, or a thermal decomposition treatment may be employed, and these treatments may be combined. Furthermore, it can be used by converting into β-type or NH 4 type by utilizing the ion exchange ability of β-type iron silicate.

本発明のβ型鉄シリケートの結晶粒径(SEM粒径)は大きい方が好ましい。SEM径としては5μmを超えるもの、好ましくは7μm以上、特に10μm以上が好ましい。結晶粒径の大きいものは、結晶化を無攪拌で行うことによって得られやすい。   The crystal grain size (SEM particle size) of the β-type iron silicate of the present invention is preferably larger. The SEM diameter is more than 5 μm, preferably 7 μm or more, particularly preferably 10 μm or more. A large crystal grain size is easily obtained by performing crystallization without stirring.

本発明のβ型鉄シリケート中には活性な孤立鉄イオンが含まれているため、そのまま窒素酸化物の浄化触媒として用いることができるが、さらに触媒活性な金属種を担持させて用いてもよい。   Since the β-type iron silicate of the present invention contains active isolated iron ions, it can be used as it is as a purification catalyst for nitrogen oxides, but it may also be used by supporting a catalytically active metal species. .

担持させる金属種は特に限定されないが、例えば8、9、10族、11族の元素、特に鉄、コバルト、パラジウム、イリジウム、白金、銅、銀、金の群から選ばれる一種以上である。特に、鉄、パラジウム、白金、銅、銀の一種以上であることが好ましい。   The metal species to be supported is not particularly limited, but is, for example, at least one selected from the group consisting of elements of groups 8, 9, 10, and 11, particularly iron, cobalt, palladium, iridium, platinum, copper, silver, and gold. In particular, at least one of iron, palladium, platinum, copper, and silver is preferable.

また希土類金属、チタン、ジルコニアなどの助触媒成分を付加的に加えることもできる。触媒活性な金属種を担持させる場合の担持方法は特に限定されない。担持方法として、イオン交換法、含浸担持法、蒸発乾固法、沈殿担持法、物理混合法等の方法が採用することができる。金属担持に用いる原料としては硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物、錯塩、酸化物、複合酸化物などがいずれも使用できる。   In addition, a promoter component such as rare earth metal, titanium or zirconia can be additionally added. There are no particular limitations on the loading method when loading a catalytically active metal species. As the loading method, methods such as an ion exchange method, an impregnation loading method, an evaporation to dryness method, a precipitation loading method, and a physical mixing method can be employed. Nitrate, sulfate, acetate, chloride, complex salt, oxide, composite oxide and the like can be used as raw materials for metal loading.

金属の担持量は限定されないが、特に0.1〜10重量%の範囲が好ましい。   The amount of metal supported is not limited, but a range of 0.1 to 10% by weight is particularly preferable.

本発明の触媒は、シリカ、アルミナ及び粘土鉱物等のバインダーと混合し成形して使用することもできる。成形する際に用いられる粘土鉱物として、カオリン、アタパルガイト、モンモリロナイト、ベントナイト、アロフェン、セピオライトが例示できる。また、コージェライト製或いは金属製のハニカム基材にウォッシュコートして使用することもできる。   The catalyst of the present invention can be used after being mixed with a binder such as silica, alumina and clay mineral. Examples of clay minerals used for molding include kaolin, attapulgite, montmorillonite, bentonite, allophane, and sepiolite. Moreover, it can also be used by wash-coating on a cordierite or metal honeycomb substrate.

本発明のβ型鉄シリケートを窒素酸化物浄化触媒として用い、還元剤としてアンモニア、尿素、有機アミン類の少なくとも一つを反応させることによって、排ガス中の窒素酸化物を選択的に還元することができる。   By using β-type iron silicate of the present invention as a nitrogen oxide purification catalyst and reacting at least one of ammonia, urea, and organic amines as a reducing agent, nitrogen oxide in exhaust gas can be selectively reduced. it can.

本発明で浄化される窒素酸化物は、一酸化窒素、二酸化窒素及びそれらの混合物である。ここで本発明により処理される排ガス中の窒素酸化物濃度は限定されるものではない。   The nitrogen oxides purified by the present invention are nitric oxide, nitrogen dioxide and mixtures thereof. Here, the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas treated according to the present invention is not limited.

還元剤の添加方法は特に限定されず、還元成分をガス状で直接添加する方法、水溶液などの液状を噴霧し気化させる方法、噴霧熱分解させる方法等を採用することができる。これらの還元剤の添加量は、十分に窒素酸化物が浄化できるように任意に設定することができる。   The method of adding the reducing agent is not particularly limited, and a method of directly adding the reducing component in a gaseous state, a method of spraying and vaporizing a liquid such as an aqueous solution, a method of spraying pyrolysis, and the like can be employed. The addition amount of these reducing agents can be arbitrarily set so that nitrogen oxides can be sufficiently purified.

また該排ガスには窒素酸化物以外の成分が含まれていてもよく、例えば炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、窒素、酸素、硫黄酸化物、水が含まれていても良い。具体的には、本発明の方法ではディーゼル自動車、ガソリン自動車、ボイラー、ガスタービン等の多種多様の排ガスから窒素酸化物を浄化することができる。   The exhaust gas may contain components other than nitrogen oxides, and may contain, for example, hydrocarbons, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, nitrogen, oxygen, sulfur oxides, and water. Specifically, the method of the present invention can purify nitrogen oxides from a wide variety of exhaust gases such as diesel vehicles, gasoline vehicles, boilers, gas turbines and the like.

本発明の窒素酸化物の浄化方法において、本発明のβ型鉄シリケートから成る触媒と排ガスを接触させる際の空間速度は特に限定されないが、好ましい空間速度は体積基準で500〜50万hr−1、更に好ましくは2,000〜30万hr−1である。 In the method for purifying nitrogen oxides of the present invention, the space velocity when contacting the exhaust gas with the catalyst comprising the β-type iron silicate of the present invention is not particularly limited, but the preferred space velocity is 500 to 500,000 hr −1 on a volume basis. More preferably, it is 2,000 to 300,000 hr −1 .

本発明のβ型鉄シリケートは窒素酸化物の浄化性能が高く、幅広い温度域、特に250℃以下の低温において効率的に窒素酸化物を浄化することができる。また耐久性に優れ、耐久処理後も高い触媒活性を有する。   The β-type iron silicate of the present invention has high nitrogen oxide purification performance and can efficiently purify nitrogen oxide in a wide temperature range, particularly at a low temperature of 250 ° C. or lower. Moreover, it is excellent in durability and has high catalytic activity even after durability treatment.

以下本発明を実施例で説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

(紫外可視吸光測定)
紫外可視吸光測定は以下の条件で行った。
(UV-visible absorption measurement)
The ultraviolet-visible absorption measurement was performed under the following conditions.

積分球付属装置::(株)島津製作所製のISR−3100
自記分光光度計:(株)島津製作所製のUV−3100
スキャンスピード:200nm/min
スリット幅:5.0nm
ベースライン補正:硫酸バリウム粉末使用
波長範囲:220〜700nmの反射率測定
試料前処理:乾燥空気中 600℃焼成(フレッシュ焼成)
(電子スピン共鳴測定)
電子スピン共鳴測定を以下の条件で行った。
Integrating sphere attachment device :: ISR-3100 manufactured by Shimadzu Corporation
Self-recording spectrophotometer: UV-3100 manufactured by Shimadzu Corporation
Scan speed: 200 nm / min
Slit width: 5.0nm
Baseline correction: Barium sulfate powder used Wavelength range: 220-700 nm reflectance measurement Sample pretreatment: 600 ° C. firing in dry air (fresh firing)
(Electron spin resonance measurement)
Electron spin resonance measurement was performed under the following conditions.

測定温度:77K
マイクロ波出力:1.0mW
観測範囲:0〜1000mT
変調幅:0.32mT
時定数:0.3sec
試料量:約10mg
(窒素酸化物浄化試験)
実施例、比較例で合成した鉄シリケート粉末をプレス成形後、破砕して12〜20メッシュに整粒した。整粒した粉末1.5ccを常圧固定床流通式反応管に充填した。触媒層に、下記表2に示す組成を有するガスを1500cc/minで流通させながら、100〜500℃の任意の温度で定常的な窒素酸化物の除去率を測定した。
Measurement temperature: 77K
Microwave output: 1.0 mW
Observation range: 0 to 1000 mT
Modulation width: 0.32 mT
Time constant: 0.3 sec
Sample amount: about 10mg
(Nitrogen oxide purification test)
The iron silicate powders synthesized in Examples and Comparative Examples were pressed and then crushed and sized to 12-20 mesh. 1.5 cc of the sized powder was filled into a normal pressure fixed bed flow type reaction tube. While the gas having the composition shown in Table 2 below was passed through the catalyst layer at 1500 cc / min, the nitrogen oxide removal rate at a constant temperature of 100 to 500 ° C. was measured.

Figure 2009166032
窒素酸化物の除去活性は下式で表される。
Figure 2009166032
The nitrogen oxide removal activity is represented by the following formula.

Figure 2009166032
ここで、XNOxは窒素酸化物の浄化率(%)、[NOx]inは入りガスの窒素酸化物濃度、[NOx]outは出ガスの窒素酸化物濃度を示す。
Figure 2009166032
Here, X NOx represents the nitrogen oxide purification rate (%), [NOx] in represents the nitrogen oxide concentration of the incoming gas, and [NOx] out represents the nitrogen oxide concentration of the outgoing gas.

耐久処理後の性能は、各触媒3ccを常圧固定床流通式反応管に充填し、700℃で20時間、HO=10vol%を含む空気を300cc/minで流通させて処理した後、上記と同様の条件で窒素酸化物の除去率を測定した。 The performance after the endurance treatment was as follows: 3 cc of each catalyst was filled in a normal pressure fixed bed flow type reaction tube, and the air containing H 2 O = 10 vol% was circulated at 300 cc / min for 20 hours at 700 ° C. The nitrogen oxide removal rate was measured under the same conditions as above.

実施例1
水酸化テトラエチルアンモニウム35%水溶液(以下、「TEAOH」と呼称する)264gに硝酸鉄九水和物9.43gを溶解し、テトラエチルオルトシリケート(TEOS)214gを加え、十分に撹拌混合し室温にて加水分解を行い、生成したエタノールを蒸発させた。続いて必要量の水を蒸発させた。これに48%フッ酸21.45gを加え、乳鉢にて混合した後、この反応混合物をステンレス製オートクレーブに充填し、150℃で240時間加熱して結晶化した。反応混合物の組成は62SiO:Fe:31HF:37.8TEAOH:465HOであった。結晶化後のスラリー状混合物は白色であった。これを固液分離し、十分量の純水で洗浄し、110℃で乾燥した。
Example 1
9.43 g of iron nitrate nonahydrate is dissolved in 264 g of a 35% aqueous solution of tetraethylammonium hydroxide (hereinafter referred to as “TEAOH”), and 214 g of tetraethylorthosilicate (TEOS) is added thereto, followed by thorough mixing at room temperature. Hydrolysis was performed and the ethanol produced was evaporated. Subsequently, the required amount of water was evaporated. After adding 21.45 g of 48% hydrofluoric acid to this and mixing in a mortar, the reaction mixture was filled in a stainless steel autoclave and crystallized by heating at 150 ° C. for 240 hours. The composition of the reaction mixture was 62SiO 2 : Fe 2 O 3 : 31HF: 37.8TEAOH: 465H 2 O. The slurry mixture after crystallization was white. This was separated into solid and liquid, washed with a sufficient amount of pure water, and dried at 110 ° C.

その乾燥粉末を空気流通下、600℃で2時間焼成した。X線回折測定の結果、β型鉄シリケートは表1のX線回折パターンを有し、ICP発光分析の結果、SiO/Alモル比は4743、SiO/Feモル比は62であった。結晶粒径は約7.5μmであった。 The dried powder was calcined at 600 ° C. for 2 hours under air flow. As a result of X-ray diffraction measurement, β-type iron silicate has the X-ray diffraction pattern of Table 1. As a result of ICP emission analysis, SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio is 4743, SiO 2 / Fe 2 O 3 molar ratio Was 62. The crystal grain size was about 7.5 μm.

実施例2
3号珪酸ソーダ(SiO;402g/l、NaO;129g/l、Al;0.22g/l)、98%硫酸、水及び硝酸鉄九水和物の所定量を混合し、生成したゲルをヌッチェにて固液分離した後、純水により十分量の洗浄を行った。洗浄後のゲルに所定量の水、TEAOH及びNaOHを加えて十分に撹拌混合した。反応混合物の組成比は1965SiO:Al:30.05Fe:98.27NaO:786.2TEAOH:19654HOであった。この反応混合物をステンレス製オートクレーブに密閉し、回転条件下150℃で90時間加熱して結晶化した。結晶化後のスラリー状混合物は白色であった。これを固液分離し、十分量の純水で洗浄し、110℃で乾燥した。その乾燥粉末を空気流通下、600℃で2時間焼成した。
Example 2
No. 3 sodium silicate (SiO 2 ; 402 g / l, Na 2 O; 129 g / l, Al 2 O 3 ; 0.22 g / l), 98% sulfuric acid, water and iron nitrate nonahydrate The produced gel was subjected to solid-liquid separation with Nutsche, and then a sufficient amount of washing was performed with pure water. A predetermined amount of water, TEAOH, and NaOH were added to the washed gel and mixed thoroughly with stirring. The composition ratio of the reaction mixture was 1965SiO 2 : Al 2 O 3 : 30.05Fe 2 O 3 : 98.27Na 2 O: 786.2TEAOH: 19654H 2 O. The reaction mixture was sealed in a stainless steel autoclave and crystallized by heating at 150 ° C. for 90 hours under rotating conditions. The slurry mixture after crystallization was white. This was separated into solid and liquid, washed with a sufficient amount of pure water, and dried at 110 ° C. The dried powder was calcined at 600 ° C. for 2 hours under air flow.

実施例3
結晶化させる反応混合物の組成比を500SiO:Al:7.69Fe:250HF:305TEAOH:3750HOに変え、硝酸アルミニウム九水和物を使用したこと以外は実施例1と同様の操作で反応混合物を調製した。この反応混合物をステンレス製オートクレーブに充填し、150℃で240時間加熱して結晶化した。結晶化後のスラリー状混合物は白色であった。これを固液分離し、十分量の純水で洗浄し、110℃で乾燥した。その乾燥粉末を空気流通下、600℃で2時間焼成した。
Example 3
The composition ratio of the reaction mixture to be crystallized was changed to 500SiO 2 : Al 2 O 3 : 7.69Fe 2 O 3 : 250HF: 305TEAOH: 3750H 2 O, and Example 1 was used except that aluminum nitrate nonahydrate was used. A reaction mixture was prepared in the same manner. This reaction mixture was charged in a stainless steel autoclave and crystallized by heating at 150 ° C. for 240 hours. The slurry mixture after crystallization was white. This was separated into solid and liquid, washed with a sufficient amount of pure water, and dried at 110 ° C. The dried powder was calcined at 600 ° C. for 2 hours under air flow.

比較例1
結晶化させる反応混合物の組成比を70SiO:Al:Fe:35HF:42TEAOH:490HOに変えたこと以外は実施例1と同様の操作で反応混合物を調製した。この反応混合物をステンレス製オートクレーブに充填し、150℃で240時間加熱して結晶化した。結晶化後のスラリー状混合物は白色であった。これを固液分離し、十分量の純水で洗浄し、110℃で乾燥した。その乾燥粉末を空気流通下、600℃で2時間焼成した。
Comparative Example 1
A reaction mixture was prepared in the same manner as in Example 1, except that the composition ratio of the reaction mixture to be crystallized was changed to 70SiO 2 : Al 2 O 3 : Fe 2 O 3 : 35HF: 42TEAOH: 490H 2 O. This reaction mixture was charged in a stainless steel autoclave and crystallized by heating at 150 ° C. for 240 hours. The slurry mixture after crystallization was white. This was separated into solid and liquid, washed with a sufficient amount of pure water, and dried at 110 ° C. The dried powder was calcined at 600 ° C. for 2 hours under air flow.

比較例2
SiO/Alモル比が40の東ソー製β型ゼオライト(商品名:HSZ−940NHA)を乾燥空気気流下、600℃で焼成した。X線回折よりβ型ゼオライトは表1のX線回折パターンを有し、ICP発光分析におけるSiO/Alモル比は40であった。このβ型ゼオライトに鉄担持量が3重量%になるように精秤されたFe(NO・9水和物の水溶液を用いて、鉄を含浸担持した。これを500℃で空気焼成した。
Comparative Example 2
Tosoh β-type zeolite (trade name: HSZ-940NHA) having a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of 40 was calcined at 600 ° C. in a dry air stream. From the X-ray diffraction, the β-type zeolite had the X-ray diffraction pattern shown in Table 1, and the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio in the ICP emission analysis was 40. The β-type zeolite supporting iron amount is accurately weighed so as to be 3 wt% Fe (NO 3) 3 · 9 with an aqueous solution of hydrate was impregnated supporting iron. This was air calcined at 500 ° C.

比較例3
TEAOH235gに、水酸化アルミニウム1.26g、硝酸鉄8.36g、東ソーシリカ製の無定形シリカ粉末(商品名:ニップシールVN−3)62.8gおよび水172gを加え、十分に撹拌混合した。反応混合物の組成は90SiO:Al:Fe:54TEAOH:1800HOであった。この反応混合物をステンレス製オートクレーブに密閉し、150℃で96時間加熱して結晶化した。結晶化後のスラリー状混合物は白色であった。これを固液分離し、十分量の純水で洗浄し、110℃で乾燥した。その乾燥粉末を空気流通下、600℃で焼成した。
Comparative Example 3
To 235 g of TEAOH, 1.26 g of aluminum hydroxide, 8.36 g of iron nitrate, 62.8 g of amorphous silica powder (trade name: Nipsil VN-3) manufactured by Tosoh Silica, and 172 g of water were added and mixed thoroughly. The composition of the reaction mixture was 90SiO 2 : Al 2 O 3 : Fe 2 O 3 : 54TEAOH: 1800H 2 O. The reaction mixture was sealed in a stainless steel autoclave and heated at 150 ° C. for 96 hours for crystallization. The slurry mixture after crystallization was white. This was separated into solid and liquid, washed with a sufficient amount of pure water, and dried at 110 ° C. The dried powder was fired at 600 ° C. under air flow.

実施例、比較例で得られたβ型鉄シリケートの耐久処理前後の窒素酸化物浄化性能を評価した結果を表3(耐久処理前;フレッシュ)及び表4(耐久処理後)に示す。耐久処理前および耐久処理後の触媒について、紫外可視吸光測定及び電子スピン共鳴測定より求めた孤立鉄イオン比率、対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの比率と低温(200℃、250℃)での窒素酸化物浄化率(耐久後)の関係を表5(耐久処理前;フレッシュ)、表6(耐久処理後)に、log(SiO/Al)と低温(200℃)での窒素酸化物浄化率の関係を表7に示す。 Table 3 (before endurance treatment; fresh) and Table 4 (after endurance treatment) show the results of evaluating the nitrogen oxide purification performance before and after the endurance treatment of the β-type iron silicate obtained in Examples and Comparative Examples. For the catalyst before and after the endurance treatment, the ratio of isolated iron ions, the ratio of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure and the low temperature (200 ° C., 250 ° C.) determined by UV-visible absorption measurement and electron spin resonance measurement. Table 5 (before endurance treatment; fresh) and Table 6 (after endurance treatment) show the relationship between nitrogen oxide purification rates (after endurance), and log (SiO 2 / Al 2 O 3 ) and nitrogen at low temperature (200 ° C.). Table 7 shows the relationship between the oxide purification rates.

Figure 2009166032
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Figure 2009166032
log(SiO/Al)が2以上において、耐久後における低温(200℃)
の浄化率の急激な立ち上がりが認められ、log(SiO/Al)が2において
臨界的な変曲点が認められた。
Figure 2009166032
log (SiO 2 / Al 2 O 3 ) of 2 or more, low temperature after durability (200 ° C.)
A sharp rise in the purification rate was observed, and a critical inflection point was observed when log (SiO 2 / Al 2 O 3 ) was 2.

耐久処理前後のβ型鉄シリケートの電子スピン共鳴スペクトルの一例(実施例1)。An example (Example 1) of the electron spin resonance spectrum of the β-type iron silicate before and after the durability treatment. 耐久処理前後の鉄担持β型ゼオライトの電子スピン共鳴スペクトルの一例(比較例2)。An example of the electron spin resonance spectrum of the iron-supported β-type zeolite before and after the durability treatment (Comparative Example 2). 本発明のβ型鉄シリケートの紫外可視吸収スペクトル(実施例1)。The ultraviolet-visible absorption spectrum of the β-type iron silicate of the present invention (Example 1). 耐久処理前後の窒素酸化物浄化率(200℃)とlog(SiO/Al)との関係。Relationship between nitrogen oxide purification rate (200 ° C.) before and after endurance treatment and log (SiO 2 / Al 2 O 3 ).

Claims (5)

β骨格構造中に鉄を有する結晶性シリケートであって、SiO/Feモル比が20〜300、log(SiO/Al)が2以上である窒素酸化物浄化触媒。 A nitrogen oxide purification catalyst which is a crystalline silicate having iron in a β skeleton structure, wherein the SiO 2 / Fe 2 O 3 molar ratio is 20 to 300 and the log (SiO 2 / Al 2 O 3 ) is 2 or more. 対称四面体構造を有する孤立鉄イオンが、孤立鉄イオン中の70%以上である請求項1に記載の窒素酸化物浄化触媒。 The nitrogen oxide purification catalyst according to claim 1, wherein the number of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure is 70% or more of the isolated iron ions. 対称四面体構造を有する孤立鉄イオンが、全含有鉄の60%以上である請求項1に記載の窒素酸化物浄化触媒。 2. The nitrogen oxide purification catalyst according to claim 1, wherein the number of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure is 60% or more of the total content of iron. 対称四面体構造を有する孤立鉄イオンの含有率(Fe3+/(Si+Al+Fe))が2モル%以上である請求項1〜3に記載の窒素酸化物浄化触媒。 4. The nitrogen oxide purification catalyst according to claim 1, wherein the content of isolated iron ions having a symmetric tetrahedral structure (Fe 3+ / (Si + Al + Fe)) is 2 mol% or more. 請求項1乃至4の何れかに記載の窒素酸化物浄化触媒を用い、還元剤としてアンモニア、尿素、有機アミン類の少なくとも一つと反応させることによって、窒素酸化物を選択的に還元することを特徴とする窒素酸化物浄化方法。 5. The nitrogen oxide purification catalyst according to claim 1, wherein nitrogen oxide is selectively reduced by reacting with at least one of ammonia, urea, and organic amines as a reducing agent. Nitrogen oxide purification method.
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