JP2017522170A - 排ガスを処理するための触媒物品 - Google Patents

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Abstract

(a)チャネル壁を有するフロースルーハニカム基材;(b)第1のゾーンのチャネル壁の上に及び/又はチャネル壁内にコーティングされている第1のNH3−SCR触媒組成物;及び(c)第2のゾーンのチャネル壁の上に及び/又はチャネル壁内にコーティングされている第2のNH3−SCR触媒組成物を備えた触媒物品であって、第1のゾーンが第2のゾーンの上流にあり、かつ、第1のゾーン及び第2のゾーンは隣接しているか、又は少なくとも部分的に重なっていることを条件とし;第1のNH3−SCR触媒が約0.1から0.375の銅のアルミニウムに対する原子比を有する第1の銅ロードモレキュラーシーブを含み、第2のNH3−SCR触媒が約0.3から約0.6の銅のアルミニウムに対する原子比を有する第2の銅ロードモレキュラーシーブを含む、触媒物品が提供される。【選択図】図1

Description

本発明は、燃焼排ガスを処理するための触媒物品及び方法に関する。
エンジンにおける炭化水素系燃料の燃焼は、大部分において、比較的無害な窒素(N)、水蒸気(HO)及び二酸化炭素(CO)を含有する排ガスを生成する。だが、排ガスは、有害及び/又は毒性物質、例えば不完全燃焼から生じる一酸化炭素(CO)、未燃燃料から生じる炭化水素(HC)、過度の燃焼温度から生じる窒素酸化物(NO)、及び粒子状物質(大部分はスート)も比較的少量で含有する。大気中に放出される燃焼ガス及び排ガスの環境影響を軽減するために、望ましくない成分の量を、好ましくは、別の有害又は有毒な物質を生じないプロセスにより、除去又は低減することが望ましい。
典型的には、リーンバーンガスエンジンからの排ガスは、炭化水素燃料の適度な燃焼を確実にするためにもたらされる高比率の酸素に起因して、正味の酸化作用を有する。このようなガスにおいて、除去するのに最も問題となる成分の一つは、一酸化窒素(NO)、二酸化窒素(NO)、及び亜酸化窒素(NO)を含むNOである。NOのNへの還元は、排ガスが還元の代わりに酸化反応を有利にするのに十分な酸素を含むことから、特に問題となる。それにもかかわらず、NOは、選択的触媒還元(SCR)として一般に知られるプロセスにより還元されうる。SCRプロセスは、触媒の存在下、アンモニア等の還元剤を用いて、NOを元素窒素(N)と水に変換することを包含する。SCRプロセスでは、アンモニアのようなガス状の還元剤は、排ガスをSCR触媒と接触させる前に、排ガス流に添加される。還元剤は触媒上に吸収されており、ガスが触媒化基材の内部又は上を通過する際にNOの還元反応が起こる。アンモニアを使用した化学量論的SCR反応の化学式は次の通りである:
4NO+4NH+O → 4N+6H
2NO+4NH+O → 3N+6H
NO+NO+2NH → 2N+3H
交換された遷移金属を有するゼオライトはSCR触媒として有用であることが知られている。銅で交換された通常の小細孔ゼオライトは、低い温度で高いNO変換を達成するのに特に有用である。しかしながら、NHと、交換されたゼオライトの遷移金属上に吸収されたNOとの相互作用は、NOを生成する望ましくない副反応を引き起こしうる。このNOは、排気流から除去することに特に問題がある。したがって、NOの生成を最小限に抑えつつ、NOの高い変換をもたらす改善された方法が依然として必要とされている。本発明は、とりわけこの必要性を満たす。
出願人らは、触媒ゾーンの各々が銅ロードモレキュラーシーブを含む、少なくとも2つの触媒ゾーンを有する触媒基材が、上流ゾーンに位置づけられた銅ロードモレキュラーシーブ触媒が下流ゾーンの銅ロードモレキュラーシーブと比較してより低いCu:Alモル比を有することを条件として、SCR反応における全般的に高いN選択性を維持しつつ、望ましくないNOの生成を実質的に低減することができることを見出した。例えば、高いN選択性及び少ないNO副生成物は、SCRプロセスにおいて、約0.1から0.375のCu:Alモル比を有する銅ロードモレキュラーシーブを含む上流のNH−SCR触媒ゾーンと、約0.3から0.6のCu:Alモル比を有する下流のNH−SCR触媒ゾーンとを有する基材を通る又は通過した排ガスによって達成されうる。好ましい実施態様では、上流のモレキュラーシーブは、下流のモレキュラーシーブと比較して高いシリカのアルミナに対する(SAR)比を有する。別の好ましい実施態様では、上流のモレキュラーシーブ触媒は下流のモレキュラーシーブ触媒と比較して低い銅ロードを有する。さらに別の好ましい実施態様では、上流のモレキュラーシーブ触媒は、下流のモレキュラーシーブ触媒と比較してより高いSAR及びより低い銅ロードを有する。
したがって、1つの態様では、(a)入口側、出口側、入口側から出口側までの軸方向長さ、及び入口側から出口側へと延びるチャネル壁によって画定された複数のチャネルを有するフロースルーハニカム基材;(b)第1のゾーンのチャネル壁の上に及び/又はチャネル壁内にコーティングされた第1のNH−SCR触媒組成物;及び(c)第2のゾーンのチャネル壁の上及び/又はチャネル壁内にコーティングされた第2のNH−SCR触媒組成物を備えた触媒物品であって、第1のゾーンが第2のゾーンの上流にあり、かつ第1のゾーンと第2のゾーンが直列に配置されていることを条件とし、さらに、第1のNH−SCR触媒が約0.1から0.375の銅のアルミニウムに対するモル比を有する第1の銅ロードモレキュラーシーブを含み、第2のNH−SCR触媒が約0.3から約0.6の銅のアルミニウムに対するモル比を有する第2の銅ロードモレキュラーシーブを含むことを条件とする、触媒物品が提供される。
別の態様では、(a)入口側、出口側、入口側から出口側までの軸方向長さ、及び入口側から出口側へと延びるチャネル壁によって画定される複数のチャネルを有するフロースルーハニカム基材;(b)第1のウォッシュコートからなる第1の触媒ゾーン;(c)第1のウォッシュコート及び第2のウォッシュコートからなる第2の触媒ゾーン;(d)第2のウォッシュコートからなる第3の触媒ゾーン;及び(e)第3のウォッシュコート上の第2のウォッシュコートからなる第4の触媒ゾーンを備えた触媒物品であって;第1のウォッシュコートが第1の銅ロードモレキュラーシーブを含み、第2のウォッシュコートが第2の銅ロードモレキュラーシーブを含み、第1のモレキュラーシーブと第2のモレキュラーシーブは材料が異なっており、かつ、第3のウォッシュコートはアンモニア酸化触媒を含み、第1、第2、第3、及び第4のゾーンは基材上に直列に配置され、各ゾーンは直列に連なった次のゾーンに隣接しており、第1のゾーンは入口側の近位にあり、第4のゾーンは出口側の近位にある、触媒物品が提供される。
本発明のさらに別の態様では、(a)本明細書の記載に従った触媒物品;及び(b)DOC、NAC、外部NHインジェクタ、二次的SCR触媒、ASC、及び微粒子フィルタから選択される1つ以上の排ガス処理要素を備えた排ガスを処理するためのシステムであって、請求項1に記載の触媒物品と1つ以上の排ガス処理要素が流体連通し、かつ直列に配置されている、システムが提供される。
本発明の別の態様では、(a)NOとNHを含む排ガスを請求項1に記載の触媒物品と接触させること;及び(b)NOの少なくとも一部をNとHOに選択的に還元することを含む、排ガスの処理方法が提供される。
ゾーンSCR触媒の配置を有する本発明の実施態様を示す略図。 ゾーンSCR触媒の別の配置を有する本発明の実施態様を示す略図。 ゾーンSCR触媒の別の配置を有する本発明の実施態様を示す略図。 ゾーンSCR触媒の別の配置を有する本発明の実施態様を示す略図(図4)。ゾーンSCR触媒の別の配置を有する本発明の実施態様を示す略図(図4A)。 ゾーンSCR触媒及びアンモニア酸化触媒の配置を有する実施態様を示す略図。 ゾーンSCR触媒の別の配置を有する本発明の実施態様を示す略図。 2つの基材を備えたゾーンSCR触媒の別の配置を有する本発明の実施態様を示す略図(図7)。2つの基材及びASCゾーンを備えた、ゾーンSCR触媒の別の配置を有する本発明の実施態様を示す略図(図7)。 ゾーンの1つが押出成形触媒体内にある、ゾーンSCR触媒の別の配置を有する本発明の実施態様を示す略図(図8);ゾーンの1つが押出成形触媒体内にある、ゾーンSCR触媒の別の配置を有する本発明の実施態様を示す略図(図8A);ゾーンが押出成形触媒体上にある、ゾーンSCR触媒の別の配置を有する本発明の実施態様を示す略図(図8B)。 ゾーンの1つが押出成形触媒体内にある、ゾーンSCR触媒の別の配置を有する本発明の実施態様を示す略図。 ゾーンSCR触媒を備えたフロースルーハニカム基材の略図(図10);フロースルーハニカム基材のセルの略図(図10A)。 本発明の実施態様に従った排ガスを処理するためのシステムの略図。
本発明は、少なくとも部分的には、環境大気質を改善するための方法、特に、発電所、ガスタービン、リーンバーン内燃機関等によって生成される排ガスの排出を処理するための方法を対象とする。排ガスの排出は、幅広い動作温度範囲にわたってNO濃度を低減することによって、少なくとも部分的に改善される。NOの変換は、ゾーンに配置された2つ以上のNH−SCR触媒を有する基材、好ましくはハニカムフロースルーモノリス内又はその上を排ガスが通過することで達成される。
好ましくは、第1のNH−SCR触媒組成物はフロースルーモノリスの第1のゾーンにおけるチャネル壁の上及び/又は内にコーティングされ、第2のNH−SCR触媒組成物はフロースルーモノリスの第2のゾーンのチャネル壁の上及び/又は内にコーティングされ、第1のゾーンは第2のゾーンの上流にある。ある特定の実施態様では、第1のゾーン又は第2のゾーンは押出成形された触媒体の形態であってもよく、他のゾーンは触媒体上のコーティングである。ある特定の実施態様では、第1のゾーンと第2のゾーンは、第1のゾーンが第2のゾーンと比較してより少ないウォッシュコートロードを有することを条件として、同一の触媒配合物である。1つの例では、第1のゾーンは、後方のウォッシュコートロードの85%、75%、65%、又は50%のウォッシュコートロードを有しうる。ある特定の実施態様では、同一の触媒配合物だが異なるウォッシュコートロードを有する第1のゾーンと第2のゾーンは、異なる基材上に分かれている。好ましくは、これらの2つの基材は互いに隣接している。ある特定の実施態様では、これらの基材は、他のSCR触媒、及び好ましくは他の排ガス処理触媒が2つの基材の間に位置づけられないように、排ガス処理システム内に配置される。
図1に目を向けると、フロースルーハニカム基材10が第1の触媒ゾーン20と第2の触媒ゾーン30を有する本発明の実施態様が示されており、第1の触媒ゾーンと第2の触媒ゾーンは連続的かつ接触している。用語「第1のゾーン」及び「第2のゾーン」は基材上のゾーンの方向性を示している。さらに具体的には、ゾーンは、通常の動作条件下において、処理される排ガスが第2のゾーンに接触する前に第1のゾーンと接触するように、直列に方向づけられている。1つの実施態様では、第1のゾーンと第2のゾーンは、途切れることなく連続的に次々に連なる(すなわち、第1のゾーンと第2のゾーンの間に例えばフィルタのような触媒又は他の排ガス処理操作が存在しない)ように、連続的に配置される。したがって、ある特定の実施態様では、第1のゾーンは、基材内又はその上を通る正常な排ガス流1に関して第2のゾーンの上流にある。
第1のゾーンと第2のゾーンの触媒材料の差異は、排ガスが基材内又はその上を通過する際に、異なる排ガス処理を生じる。例えば、第1のゾーンは、第2のゾーンと比較してより少ないNO副生成物を生成しつつ、選択的にNOを還元し、第2のゾーンは、第1のゾーンと比較してより高い選択性で選択的にNOを還元する。2つのゾーンの組み合わせの相乗効果は、単一の触媒システム又は他のゾーン配置と比較して触媒の全般的な性能を改善する。
図10では、ゾーン触媒基材2が示されており、この基材は、基材を通る排ガス流1の正常な方向に対して入口側110及び出口側120を有するハニカムフロースルーモノリス100である。基材は、入口側110から出口側120へと延びる軸方向長さ190を有する。図11は、排ガスがそこを通過して流れうる開放チャネル120を画定するチャネル壁110を有するハニカム基材の単一セル200を示している。チャネル壁は、好ましくは多孔性又は半多孔性である。各ゾーンの触媒は、壁表面上のコーティング、押出成形体として壁に直接取り込まれた、壁に部分的に又は完全に浸透するコーティング、又はこれらの幾つかの組み合わせでありうる。
図1では、第1のゾーン20は、入口側110から、軸方向長さ190の約10から90パーセント、例えば約80〜90パーセント、約10から25パーセント又は約20〜30パーセントに位置づけられた第1の端点29へと延びる。第2のゾーン120は、出口側120から、軸方向長さ190の約20から90パーセント、例えば約60から約80パーセント又は約50から約75パーセント、延びる。好ましくは、第2のゾーンは、第1のゾーンと第2のゾーンが接触するように、少なくとも第1の端点へと延びる。軸方向長さは、好ましくは、約1から約24インチ、約3から約12インチ、又は約3から約6インチなど、24インチ未満である。
図2では、第1の触媒ゾーン20が第2の触媒ゾーン30に部分的に重なる。図3では、第2の触媒ゾーン30が第1の触媒ゾーン20に部分的に重なる。重なりは、好ましくは、基材の軸方向長さの90パーセント未満であり、例えば約80から約90パーセント、約40パーセント未満、約40から約60パーセント、約10から約15パーセント、又は約10から約25パーセントである。第2の触媒ゾーンが第1の触媒ゾーンに重なる実施態様については、重なりは、80〜90パーセントなど、軸方向長さの50パーセント超でありうる。第1の触媒ゾーンが第2の触媒ゾーンと重なる実施態様については、重なりは、好ましくは、例えば約10〜20パーセントなど、軸方向長さの50パーセント未満である。
図4では、第1の触媒ゾーン20が第2の触媒ゾーン30と完全に重なる。好ましくは、第1のゾーンと第2のゾーンは接触している(すなわち、第1のゾーンと第2のゾーンの間に介在する触媒活性層が存在しない)。このような実施態様については、処理される排ガスは、最初に第1のゾーンに接触し、第1のゾーンによって少なくとも部分的に処理される。排ガスの少なくとも一部は第1のゾーンを通って浸透し、ここで第2のゾーンと接触し、その後に処理される。処理された排ガスの少なくとも一部は、第1のゾーンを通じて浸透して戻り、開放チャネルに入り、基材から出る。図4は、第1の触媒ゾーンと第2の触媒ゾーンが基材の軸方向全長にわたって延びる実施態様を示している。図4Aは、第1の触媒ゾーンが第2のゾーンと完全に重なり合い、第1の触媒ゾーンが基材の軸方向全長に延在し、第2のゾーンが出口側から基材の軸方向全長未満で延在する実施態様を示している。
図5は本発明の別の実施態様を示す。ここでは、触媒物品は、基材の出口側の近位に、好ましくは基材の出口側まで延びる、第3の触媒ゾーンをさらに備える。第3の触媒ゾーンは、酸化触媒、好ましくはアンモニアを酸化するのに効果的な触媒を含む。ある特定の実施態様では、触媒は、Pt、Pd、又はそれらの組み合わせなど、1つ以上の白金族金属(PGM)を、好ましくはアルミナなどの金属酸化物担体上に含む。第2のゾーンと第3のゾーンの層状の配置での組み合わせはアンモニアスリップ触媒としての機能を果たし、ここで、上流のSCR反応で消費されなかった過剰のアンモニアの少なくとも一部が第2のゾーンを通って第3のゾーンに達し、そこでアンモニアはHOと二次的NOへと酸化される。HO及び二次的NOは第2のゾーンを通じて戻り、ここで二次的NOの少なくとも一部はSCR型の反応を経てNとHOへと還元される。
基材が4つの離散した触媒ゾーンを担持する本発明の別の実施態様が図6に示されており、この触媒ゾーンの各々は別々の触媒組成物を含んでいる。第1、第2、及び第3の触媒ゾーンは上述のものと同様の組成である。第4の触媒ゾーンは、第1、第4、及び第2のゾーンが直列に配置され、第1のゾーンは第4のゾーンと接触し、第4のゾーンは第2のゾーンと接触するように、第1のゾーンと第2のゾーンの間に位置づけられる。ある特定の実施態様では、第4のゾーンは、各触媒層が銅ロードモレキュラーシーブを含む、2つ以上の触媒層を有しうる。
第4のゾーンにおけるリニアインチあたりの銅の総量は、第1のゾーンのリニアインチあたりの銅の総量より大きく、かつ、第2のゾーンの総量より小さいか、又は、個別に第1のゾーン及び第2のゾーンのリニアインチあたりの銅の総量より大きい。ある特定の実施態様では、第4のゾーンのモレキュラーシーブは、第1のゾーン及び/又は第2のゾーンにおけるモレキュラーシーブと同一である。ある特定の実施態様では、第4のゾーンのモレキュラーシーブは2種類のモレキュラーシーブ材料を含む。例えば、第4のゾーンは、第1のゾーンと第2のゾーンが異なるモレキュラーシーブを有することを条件として、第1のゾーンのモレキュラーシーブと第2のゾーンのモレキュラーシーブを含みうる。
好ましくは、第1のゾーンと第2のゾーンは、第1のゾーンが第2のゾーンと接触するように、単一の基材上に連続的に配置される。ある特定の実施態様では、第1のゾーンと第2のゾーンは、第1のゾーンと第2のゾーンが直列に配置され、かつ接触するように、排ガス処理システム内に配置される別々の基材上に配置される。2つの基材は、同一の基材であっても異なる基材であってもよい。例えば、第1の基材は第2の基材よりも高い細孔率を有していてもよく、第1の基材と第2の基材は異なる組成でありうるか、又は異なるセル密度を有していてもよく、及び/又は第1の基材と第2の基材は異なる長さであってもよい。図7では、第1のゾーンと第2のゾーンは、第1のゾーンと第2のゾーンが直列に配置され、かつ隣接しているが、直接は接触しないように、排ガス処理システム内に配置された別々の基材上に配置される。第1の基材と第2の基材の間の最大距離は、好ましくは2インチ未満であり、さらに好ましくは1インチ未満であり、好ましくは、第1のゾーンと第2のゾーンの間に、及び/又は第1の基材と第2の基材の間に、介在する基材、フィルタ、又は触媒材料が存在しない。図7Aでは、第2の基材は、基材の出口側から基材の全長未満の長さまで延びるアンモニア酸化触媒の下層40をさらに備える。第2のゾーンは、酸化触媒を完全に覆い、好ましくは基材の長さを延びる。
ある特定の実施態様では、第1の触媒ゾーン又は第2の触媒ゾーンは押出成形された触媒材料を含む。図8に示される実施態様は、例えば、押出成形された触媒基材の一部の上及び/又はその内部に、コーティングの形態をした第1の触媒ゾーン26を含む。押出成形された触媒基材は、同様にして第2の触媒ゾーン16を含む。第1のゾーンは、排ガスの正常な流れ1に関して第2のゾーンの上流になるように、基材上に配置される。ゾーン16における触媒活性基材は、本明細書に記載の他の第2のゾーンと同様の触媒活性材料を含む。図8では、第1のゾーンは、入口側から基材の全長未満まで延びる。図8Aでは、第1のゾーン26は、第2のゾーンを含む触媒活性基材を完全に覆う。
図8Bでは、例えば押出成形された触媒材料で形成されたフロースルーハニカム基材のような触媒活性基材300は、上流ゾーン310及び下流ゾーン330を伴ってコーティングされる。上流のゾーンは、入口側312から、軸方向長さ390の約10から80パーセント、例えば約50〜80パーセント、約10から25パーセント、又は約20〜30パーセントに位置づけられた第1の端点314へと延びる。下流のゾーンは、出口側344から、軸方向長さ390の約20から80パーセント、例えば約20〜40パーセント、約60から約80パーセント、又は約50から約75パーセントに位置づけられた第2の端点332へと延びる。上流のゾーン及び下流のゾーンは、直接は接触せず、よって上流のゾーンと下流のゾーンの間にはギャップ320が存在する。好ましくは、このギャップは触媒層を含まない代わりに、処理される排ガスに直接晒される。排ガスはギャップにおいて触媒体と接触し、それによって排ガスが処理されて、例えば排ガス中のNOの一部が選択的に還元される。第1の端点314と第2の端点332によって画定されるギャップは、好ましくは軸方向長さの75パーセント未満であり、例えば軸方向長さ390の約40から約60パーセント、約10から約15パーセント、又は約10から約25パーセントである。任意選択的なNH酸化触媒は、出口側344から入口側312の方へと下流のゾーンの長さ以下の長さだけ延びる、基材300のゾーンの上及び/又はその内部にコーティングされる。任意選択的なNH酸化触媒は、好ましくは、下流のゾーンを形成する触媒組成物によって完全に覆われた下層である。
上流のゾーン、押出成形体、及び下流のゾーンにおける触媒の組成は、上流のゾーン、押出成形体、及び下流のゾーンのうち少なくとも2つが本明細書に定義される第1のゾーン及び第2のゾーンの要件に適合すること、すなわち第1のゾーンにおける銅ロードモレキュラーシーブは第2のゾーンにおける銅ロードモレキュラーシーブのCu:Al比未満のCu:Al比を有することを条件として、特に限定されない。1つの例では、上流のゾーンは第1のゾーンに対応し、下流のゾーンは第2のゾーンに対応する。このような実施態様では、押出成形された触媒体は、好ましくはTiOなどの金属酸化物上に担持される、バナジウムなどの別のタイプのSCR触媒を含み、任意選択的にタングステンなどの1つ以上の追加の金属を含む。別の例では、押出成形された触媒体は第1のゾーンに対応し、下流のゾーンは第2のゾーンに対応する。この例では、上流のゾーンは、別のタイプの触媒、好ましくは鉄ロードモレキュラーシーブなどのSCR触媒を含みうる。別の例では、上流のゾーンは第1のゾーンに対応し、押出成形体は第2のゾーンに対応する。この例では、この下流ゾーンは別のものを含み、好ましくは本明細書に記載されるものの1つなど、別のタイプのSCR触媒を含む。
図9は、第1の触媒ゾーン17が押出成形された触媒体の一部であり、第2の触媒ゾーン37が押出成形された触媒基材の一部の上及び/又は内部のコーティングである、別の実施態様を示している。またしても、第1のゾーンは排ガスの清浄な流れ1に関して第2のゾーンの上流に配置され、触媒活性基材のゾーン17は本明細書に記載される他の第1のゾーンのものと同様の触媒活性材料を含む。
第1の触媒ゾーンは第1のNH−SCR触媒組成物を含む。第1のNH−SCR触媒は銅ロードモレキュラーシーブを触媒活性成分として含むが、他の成分、特に、結合剤などの触媒的に不活性な成分を含みうる。本明細書で用いられる場合、「触媒的に活性な」成分とは、NOの触媒還元及び/又はNH又は他の窒素系SCR還元剤の酸化に直接関与するものである。当然の結果として、「触媒的に不活性な」成分とは、NOの触媒還元及び/又はNH又は他の窒素系SCR還元剤の酸化に直接関与しないものである。
有用なモレキュラーシーブは結晶性又は準結晶性の材料であり、例えばアルミノケイ酸塩(ゼオライト)又はシリコアルミノリン酸塩(SAPO)でありうる。このようなモレキュラーシーブは、例えば環において、SiO、AlO、及び任意選択的にPOの連結した四面体単位の繰り返しで構成されて、分子寸法の規則正しい結晶内空洞及びチャネルを有する骨格を形成する。四面体単位(環員)の特定の配置はモレキュラーシーブの骨格を生成し、慣例により、各固有の骨格には国際ゼオライト協会(IZA)によって固有の3文字コード(例えば「CHA」)が割り当てられている。有用なモレキュラーシーブの骨格の例としては、大細孔の骨格(すなわち12員の最小環サイズを有する)、中細孔の骨格(すなわち10員の最小環サイズを有する)、及び小細孔の骨格(すなわち8員の最小環サイズを有する)が挙げられる。骨格の例としては、BEA、MFI、CHA、AEI、LEV、KFI、MER、RHO、ERI、OFF、FER、及びAFXが挙げられる。モレキュラーシーブはまた、AEI及びCHAなどの2つ以上の骨格の連晶であってもよい。ある特定の実施態様では、第1及び/又は第2のゾーンは、独立して、2つ以上のモレキュラーシーブのブレンドを含みうる。好ましいブレンドは、CHA骨格を有する、さらに好ましくは大半がCHA骨格である、少なくとも1つのモレキュラーシーブを有する。
特に有用なモレキュラーシーブは小細孔のゼオライトである。本明細書で用いられる場合、用語「小細孔のゼオライト」とは、8つの四面体原子の最大環サイズを有するゼオライト骨格を意味する。他のモレキュラーシーブの結晶相も存在して差し支えないが、好ましくは、モレキュラーシーブの主要結晶相は1つ以上の小細孔の骨格から構成される。好ましくは、主要結晶相は、モレキュラーシーブ材料の総量に基づいて、小細孔のモレキュラーシーブ骨格を、少なくとも約90重量パーセント、さらに好ましくは少なくとも約95重量パーセント、なおさらに好ましくは少なくとも約98又は少なくとも約99重量パーセント含む。
幾つかの例では、本発明に使用するための小細孔ゼオライトは、少なくとも1つの寸法が4.3Å未満の細孔サイズを有する。1つの実施態様では、小細孔ゼオライトは、以下からなる群から選択される骨格を有する:ACO、AEI、AEN、AFN、AFT、AFX、ANA、APC、APD、ATT、CDO、CHA、DDR、DFT、EAB、EDI、EPI、ERI、GIS、GOO、IHW、ITE、ITW、LEV、KFI、MER、MON、NSI、OWE、PAU、PHI、RHO、RTH、SAT、SAV、SIV、THO、TSC、UEI、UFI、VNI、YUG及びZON。好ましいゼオライト骨格は、AEI、AFT、AFX、CHA、DDR、ERI、LEV、KFI、RHO、及びUEIから選択される。ある特定の用途では、好ましいゼオライト骨格はAEI、AFT、及びAFXから選択され、特にAEIである。ある特定の用途では、好ましいゼオライト骨格はCHAである。ある特定の用途では、ERI骨格が好ましい。本発明に有用な特定のゼオライトとしては、SSZ−39、Mu−10、SSZ−16、SSZ−13、Sigma−1、ZSM−34、NU−3、ZK−5、及びMU−18が挙げられる。他の有用なモレキュラーシーブとしては、SAPO−34及びSAPO−18が挙げられる。特に好ましい実施態様では、第1及び第2のNH−SCR触媒は、独立して、銅をロードしたCHA骨格を有するアルミノケイ酸塩(例えばSSZ−13)を含む。別の特に好ましい実施態様では、第1のNH−SCR触媒は、銅ロードSAPO−34モレキュラーシーブを含み、第2のNH−SCR触媒は、CHA骨格を有する銅ロードアルミノケイ酸塩を含む。
好ましいアルミノケイ酸塩(は、約10から約50、例えば約15から約30、約10から約15、15から約20、約20から約25、約15から約18、又は約20から約30のシリカのアルミナに対する比(SAR)を有する。好ましいSAPOは2未満のSAR、例えば約0.1から約1.5又は約0.5から約1.0のSARを有する。モレキュラーシーブのSARは、通常の解析によって決定されうる。この比は、モレキュラーシーブ結晶の硬い原子骨格における比にできるだけ近づけて表すこと、及び、結合剤中の、又は、チャネル内のカチオン又は他の形態中の、ケイ素又はアルミニウムを除外することが意図されている。結合剤材料、特にアルミナ結合剤と組み合わされた後に、モレキュラーシーブのSARを直接的に測定することは困難でありうることから、本明細書に記載されるSAR値は、モレキュラーシーブ自体のSAR、すなわち、ゼオライトが他の触媒成分と組み合される前のSARを単位として表わされる。
ある特定の用途では、第1のゾーンにおけるモレキュラーシーブのSARは第2のゾーンにおけるモレキュラーシーブのSARより小さい。例えば、第1のゾーンのモレキュラーシーブは約10から約20のSARを有するアルミノケイ酸塩であって差し支えなく、第2のゾーンのモレキュラーシーブは約20から約50のSARを有するアルミノケイ酸塩でありうる。別の例では、第1のゾーンのモレキュラーシーブは約15から約20のSARを有するアルミノケイ酸塩であって差し支えなく、第2のゾーンのモレキュラーシーブは約25から約30のSARを有するアルミノケイ酸塩でありうる。別の例では、第1のゾーンのモレキュラーシーブはSAPOであり、第2のゾーンのモレキュラーシーブはアルミノケイ酸塩である。他の実施態様では、第1のゾーンのモレキュラーシーブと第2のゾーンのモレキュラーシーブは、第1のゾーンのモレキュラーシーブ上の銅ローディングが第2のゾーンのモレキュラーシーブ上の銅ローディングよりも高いことを条件として、同一のSARを有する。
モレキュラーシーブはアルミニウム以外の骨格金属を含みうる(すなわち、金属置換ゼオライト)。本明細書で用いられる場合、モレキュラーシーブに関して用語「金属置換(された)」とは、1つ以上のアルミニウム又はケイ素骨格原子が置換金属に置き換えられたモレキュラーシーブ骨格を意味する。対照的に、用語「金属交換(された)」とは、ゼオライトに関連付けられる1つ以上のイオン種(例えば、H、NH4、Na等)が金属(例えば金属酸化物のような金属イオン又は遊離金属)によって置き換えられたモレキュラーシーブのことを意味し、ここで金属はモレキュラーシーブ骨格原子(例えば、T−原子)としては取り込まれず、代わりに分子細孔内又はモレキュラーシーブ骨格の外部表面上に取り込まれる。交換された金属は、好ましくはイオン種として、モレキュラーシーブ内及び/又はモレキュラーシーブ表面の少なくとも一部の上に存在し、アルミニウムを含まず、かつモレキュラーシーブの骨格を構成する原子を含まない、「骨格外金属」である。用語「金属ロードモレキュラーシーブ」とは、1つ以上の骨格外金属を含むモレキュラーシーブを意味する。本明細書で用いられる場合、用語「アルミノケイ酸塩」及び「シリコアルミノリン酸塩」は、金属置換されたモレキュラーシーブを除外している。
本発明の銅ロードモレキュラーシーブは、骨格外金属としてモレキュラーシーブ材料上及び/又は内に銅を含む。好ましくは、銅の存在及び濃度は、NOの形成も抑制しつつ、NOの還元、NHの酸化、及びNOの貯蔵などのプロセスを含む、ディーゼルエンジン由来の排ガスなどの排ガスの処理を促進する。
銅(Cu)は、モレキュラーシーブ中のアルミニウム(Al)の量、すなわち骨格アルミニウムの量に対するある量で存在する。Cu:Al比は、モレキュラーシーブ中の骨格Alのモル量に対する銅の相対的なモル量に基づく。第1のゾーンにおける銅ロードモレキュラーシーブは、第2のゾーンにおける銅ロードモレキュラーシーブの銅のアルミニウムに対するモル比(Cu:Al比)より小さいCu:Al比を有する。出願人らは驚くべきことに、フロースルーハニカム基材の上流ゾーンと下流ゾーンの間のモレキュラーシーブのCu:Al比を調整することにより、SCRプロセスにおいて、副生成物として同時に発生する不必要なNOの量を実質的に低減しつつ、高いNO変換(特にNO及びNO)及びN選択性がもたらされることを見出した。下流の触媒ゾーンと比較した上流の触媒ゾーンにおけるCu:Al比の差は、下流のゾーンにおけるモレキュラーシーブと比較して少ない銅を上流のゾーンにおけるモレキュラーシーブにロードすることによって、上流のゾーンにおけるモレキュラーシーブと比較して下流のゾーンにおけるモレキュラーシーブのSARを増大させることによって、又はこれらの組み合わせで達成されうる。
他に明記されない限り、モレキュラーシーブ上にロードされた銅の量及び触媒における銅濃度は、対応するモレキュラーシーブの総重量あたりの銅を単位として言及され、よって基材上にロードされる触媒ウォッシュコートの量又は触媒ウォッシュコート中の他の材料の存在とは無関係である。
ある特定の用途では、第1のゾーンの触媒におけるCu:Al比が第2のゾーン触媒におけるCu:Al比未満であることを条件として、第1のゾーンの触媒のCu:Al比は約0.1から約0.375であり、第2のゾーンの触媒のCu:Al比は約0.3から約0.6である。ある特定の実施態様では、第1のゾーンは銅をロードしたSAPOを含み、約0.01から約0.1のCu:Al比を有する。ある特定の実施態様では、第1のゾーンはアルミノケイ酸塩を含み、約0.15から約0.375のCu:Al比を有する。ある特定の実施態様では、第1のゾーンはSAPOを含み、第2のゾーンはアルミノケイ酸塩モレキュラーシーブを含み、SAPO及びアルミノケイ酸塩モレキュラーシーブは同じ量の銅をロードされる。別の実施態様では、第1のゾーンと第2のゾーンのモレキュラーシーブは、第1のゾーンのモレキュラーシーブが第2のゾーンのモレキュラーシーブと比較して低い濃度の銅をロードされることを条件として、両方とも、同等のSARを有するアルミノケイ酸塩である。別の実施態様では、第1のゾーンと第2のゾーンのモレキュラーシーブは、両方ともアルミノケイ酸塩であり、ここで、第1のゾーンのアルミノケイ酸塩は第2のゾーンのモレキュラーシーブと比較して低いSARを有し、2つのアルミノケイ酸塩は同一の銅ロードを有するか、又は第1のゾーンのモレキュラーシーブは第2のゾーンのモレキュラーシーブと比較して低い銅ロードを有する。
特定の実施態様では、骨格外銅は、モレキュラーシーブの総重量に基づいて、約0.1から約10重量パーセント(重量%)の濃度で、例えば、約0.5重量%から約5重量%、約0.5から約1重量%、約1から約5重量%、約2.5重量%から約3.5重量%、及び約3重量%から約3.5重量%の濃度で、モレキュラーシーブの第1のゾーン又は第2のゾーン内に存在する。
銅に加えて、モレキュラーシーブはさらに、追加の骨格外金属が銅と比較して少量(すなわち、<50モル%、例えば約1から30モル%、約1〜10モル%又は約1〜5モル%など)で存在することを条件として、1つ以上の追加の骨格外金属を含みうる。追加の骨格外金属は、金属交換されたモレキュラーシーブを形成するために触媒産業において使用される広く認められた触媒活性金属のいずれかであって差し支えなく、特に、燃焼プロセスに由来する排ガスを処理するための、触媒活性を有することが知られているものでありうる。特に好ましいのは、NOの還元プロセス及び貯蔵プロセスに有用な金属である。このような金属の例としては、金属ニッケル、亜鉛、鉄、タングステン、モリブデン、コバルト、チタン、ジルコニウム、マンガン、クロム、バナジウム、ニオブ、並びに錫、ビスマス、及びアンチモン;ルテニウム、ロジウム、パラジウム、インジウム、白金、及び金や銀等の貴金属などの白金族金属が挙げられる。好ましい遷移金属は卑金属であり、好ましい卑金属としては、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、及びそれらの混合物が挙げられる。
好ましくは、銅は、好ましくは金属ロードされたモレキュラーシーブの高温処理なしに、モレキュラーシーブ結晶内に高度に分散される。銅を使用する実施態様については、銅ローディングは、好ましくは完全なイオン交換である、及び/又は、好ましくはモレキュラーシーブ担体の交換部位に収容されうるより小さい。好ましくは、触媒は、昇温還元(TPR)分析及び/又はUV−vis分析で測定して、バルクの酸化銅を含まないか又は実質的に含まず、モレキュラーシーブ結晶の外表面に銅の種を含まないか又は実質的に含まず、及び/又は銅金属クラスターを含まないか又は実質的に含まない。
1つの例では、金属交換されたモレキュラーシーブは、モレキュラーシーブ、例えばH−型モレキュラーシーブ又はNH−型モレキュラーシーブを、触媒活性金属の可溶性前駆体を含む溶液内に混合することによって作り出される。溶液のpHは、モレキュラーシーブ構造上又は構造内(だが、モレキュラーシーブ骨格を含まない)に触媒活性金属カチオンの沈殿を誘導するように調整されうる。例えば、好ましい実施態様では、モレキュラーシーブ材料は、イオン交換によってモレキュラーシーブ構造内への触媒活性銅カチオンの組み込みを可能にするのに十分な時間の間に、硝酸銅又は酢酸銅を含む溶液に浸漬される。非交換銅イオンは沈殿する。用途に応じて、非交換イオンの一部は、遊離銅としてモレキュラーシーブ材料内に残りうる。金属交換モレキュラーシーブはその後、洗浄され、乾燥され、か焼される。か焼された材料は、ある特定の割合の銅を、モレキュラーシーブの表面に又はモレキュラーシーブの空洞内に存在する酸化銅として含みうる。
一般的に、モレキュラーシーブ内又はその上での触媒金属カチオンのイオン交換は、約7のpHで約1から24時間にわたり、室温又は約80℃までの温度で行われうる。得られる触媒モレキュラーシーブ材料は、好ましくは、約100から120℃で一晩乾燥され、少なくとも約500℃の温度でか焼される。
特定の実施態様では、触媒組成物は、銅と、少なくとも1つのアルカリ又はアルカリ土類金属との組み合わせを含み、ここで、銅とアルカリ又はアルカリ土類金属は、モレキュラーシーブ材料の上に又は内に配置される。アルカリ又はアルカリ土類金属は、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、又はそれらの幾つかの組み合わせから選択されうる。本明細書で使用される表現「アルカリ又はアルカリ土類金属」は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属が代替的に使用されることを意味しないが、代わりに1以上のアルカリ金属が単独で若しくは1以上のアルカリ土類金属と組み合せて使用されうること、及び1以上のアルカリ土類金属が単独で若しくは1以上のアルカリ金属と組み合せて使用されうることを意味する。ある特定の実施態様では、アルカリ金属が好適である。ある特定の実施態様では、アルカリ土類金属が好適である。好適なアルカリ又はアルカリ土類金属としては、カルシウム、カリウム、及びそれらの組み合わせが挙げられる。
ある特定の実施態様では、触媒組成物は、マグネシウム及び/又はバリウムを本質的に含まない。ある特定の実施態様では、触媒は、カルシウム及びカリウムを除く任意のアルカリ又はアルカリ土類金属を本質的に含まない。ある特定の実施態様では、触媒は、カルシウムを除く任意のアルカリ又はアルカリ土類金属を本質的に含まない。更に、ある特定の実施態様では、触媒は、カリウムを除く任意のアルカリ又はアルカリ土類金属を本質的に含まない。本明細書で使用される用語「本質的に含まない」とは、材料が、感知される量の特定の金属を有しないことを意味する。すなわち、特定の金属は、特に、NOを選択的に還元又は貯蔵するための材料の能力に関して、材料の基本的な物理的及び/又は化学的特性に影響を与えるであろう量で存在しない。ある特定の実施態様では、モレキュラーシーブ材料は、3重量パーセント未満、さらに好ましくは1重量パーセント未満、さらになお好ましくは0.1重量パーセント未満のアルカリ含量を有する。
ある特定の実施態様では、アルカリ及び/又はアルカリ土類金属(集合的にA)は、モレキュラーシーブ内の銅の量に対してある量でモレキュラーシーブ材料中に存在する。特に、Aがカルシウムの場合に、好ましくは、Cu及びAは、それぞれ、約15:1から約1:1のモル比、例えば、約10:1から約2:1、約10:1から約3:1、又は約6:1から約4:1のル比で存在する。カルシウムなどのアルカリ及び/又はアルカリ土類金属を含むある特定の実施態様では、存在する銅の量は、モレキュラーシーブの重量に基づいて、2.5重量パーセント未満、例えば、2重量パーセント未満、又は1重量パーセント未満である。ある特定の実施態様では、第2のゾーンの銅ロードモレキュラーシーブはアルカリ又はアルカリ土類金属、特にカルシウムを含み、第1のゾーンの銅ロードモレキュラーシーブは本質的にアルカリ又はアルカリ土類金属を含まない。このような実施態様については、第2のゾーンのモレキュラーシーブ材料内に存在する銅及びアルカリ及び/又はアルカリ土類金属(A)の相対的蓄積量は、モレキュラーシーブ中のアルミニウムの量、すなわち骨格アルミニウムの量に対するものである。本明細書では、(Cu+A):Al比は、対応するモレキュラーシーブ中の骨格Alのモル量に対するCu+Aの相対的なモル量に基づいている。ある特定の実施態様では、第2のゾーンのモレキュラーシーブは、特にAがカルシウムの場合に、約0.6を超えない(Cu+A):Al比を有する。ある特定の実施態様では、(Cu+A):Al比は少なくとも0.3、例えば約0.3から約0.6である。このような実施態様では、第1のゾーンにおける触媒のCu:Al比は、第1のゾーンにおける触媒のCu:Al比が第2のゾーンの触媒の(Cu+A):Al比より小さいことを条件として、約0.1から約0.375である。
ある特定の実施態様では、銅とアルカリ及び/又はアルカリ土類金属(A)の相対的蓄積量は、モレキュラーシーブ中のアルミニウムの量、すなわち骨格アルミニウムの量に対するある量でモレキュラーシーブ材料の第2のゾーンに存在する。本明細書では、(Cu+A):Al比は、対応するモレキュラーシーブ中の骨格Alのモル量に対するCu+Aの相対的なモル量に基づいている。ある特定の実施態様では、触媒材料は、約0.6以下の(Cu+A):Al比を有する。ある特定の実施態様では、(Cu+A):Al比は、0.5以下、例えば、約0.05から約0.5、約0.1から約0.4、又は約0.1から約0.2である。
アルカリ/アルカリ土類金属は、イオン交換、含浸、同形置換等の任意の既知の技法を介して、モレキュラーシーブに添加されて差し支えない。銅及びアルカリ又はアルカリ土類金属は、任意の順序でモレキュラーシーブに添加することができる(例えば、金属は、アルカリ又はアルカリ土類金属の前に、後に、又は同時に交換されうる)が、好ましくは、アルカリ又はアルカリ土類金属は、銅の添加前に又は銅と同時に添加される。
本発明の触媒物品は、不均一触媒反応システム(すなわち、ガス反応種と接触する固体触媒)に塗布可能である。接触面積、機械的安定性、及び/又は流体流れの特性を改良するために、SCR触媒は、ハニカムコージェライトブリックなどの基材の上及び/又は内部に配置される。ある特定の実施態様では、1種類以上の触媒組成物がウォッシュコートとして基材に塗布される。あるいは、1種類以上の触媒組成物は、充填剤、結合剤、及び強化剤などの他の成分と一緒に押出成形可能なペーストへと混練され、その後、これがダイを通じて押出成形されて、ハニカムブリックを形成する。
本発明のある特定の態様は、触媒ウォッシュコートを提供する。本明細書に記載の銅ロードモレキュラーシーブ触媒を含むウォッシュコートは、好ましくは、溶液、懸濁液、又はスラリーである。適切なコーティングは、表面コーティング、基材の一部分を貫通するコーティング、基材に浸透するコーティング、又はこれらの幾つかの組み合わせを含む。
ウォッシュコートはまた、アルミナ、シリカ、非モレキュラーシーブのシリカアルミナ、チタニア、ジルコニア、セリアのうちの1種類以上を含む、充填剤、結合剤、安定剤、レオロジー改質剤、及び他の添加剤などの非触媒成分も含みうる。特定の実施態様では、触媒組成物は、グラファイト、セルロース、デンプン、ポリアクリル酸塩、及びポリエチレン及び同様のものなど、細孔形成剤を含みうる。これらの追加的な成分は、必ずしも所望の反応に触媒作用を及ぼさないが、代わりに、例えば、その動作温度範囲を増大すること、触媒の接触面積を増大すること、基材に対する触媒の付着性を増大することなどによって、触媒材料の効率を改善する。好ましい実施態様では、ウォッシュコートローディングは>0.3g/inであり、例えば>1.2g/in、>1.5g/in、>1.7g/in又は>2.00g/inなどであり、好ましくは<3.5g/inであり、例えば<2.5g/inなどである。ある特定の実施態様では、ウォッシュコートは、約0.8から1.0g/in、1.0から1.5g/in、又は1.5から2.5g/in、又は2.5から3.5g/inのローディングで基材に塗布される。
好ましい基材は、特に移動用途のためには、両端が開口し、かつ一般に基材の入口面から出口面に延在し、高い体積に対する表面積の比をもたらす、複数の隣接した平行なチャネルを備えた、いわゆるハニカム形状を有するフロースルーモノリスを含む。ある特定の用途では、ハニカムフロースルーモノリスは、好ましくは、例えば、約600から800セル/平方インチの高いセル密度、及び/又は約0.18から0.35mm、好ましくは約0.20から0.25mmの内壁の平均厚さを有する。ある特定の他の用途では、ハニカムフロースルーモノリスは、好ましくは、約150から600セル/平方インチ、さらに好ましくは約200から400セル/平方インチの低いセル密度を有する。好ましくは、ハニカムモノリスは多孔質である。コーディエライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、セラミック及び金属に加えて、基材に使用されうる他の材料としては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、チタン酸アルミニウム、α−アルミナ、針状ムライト等のムライト、ポルサイト、例えばAlOsZFe、Al/Ni又はBCZFe等のサーメット、又はこれらのいずれか2種以上のセグメントを含む複合物が挙げられる。好ましい材料としては、コーディエライト、炭化ケイ素、及びチタン酸アルミナが挙げられる。
ある特定の実施態様では、本発明は、本明細書に記載の方法によって作製された触媒物品である。特定の実施態様では、触媒物品は、第2のNH−SCR触媒組成物が好ましくはウォッシュコートとして基材に塗布される前又は後のいずれかに、第1のNH−SCR触媒組成物を、好ましくはウォッシュコートとして、基材に層として塗布する工程を含む方法によって生産される。
ある特定の実施態様では、第2のNH−SCR触媒組成物が最上層として基材上に配置され、かつ酸化触媒、還元触媒、消去(scavenging)成分、又はNO貯蔵成分などの別の組成物が底層として基材上に配置される。
一般に、第1又は第2のNH−SCR触媒組成物を含む押出成形固形体の生産は、モレキュラーシーブ及び銅(金属交換されたモレキュラーシーブとして別々に又は一緒に)、結合剤、任意選択的な有機粘性促進化合物を混ぜ合わせて均質なペーストにすることを含み、その後、ペーストは、結合剤/マトリクス成分又はそれらの前駆体及び、任意選択的に安定化セリア及び無機繊維のうちの1つ以上に加えられる。このブレンドは、混合装置又は混練装置又は押出成形機中で圧縮される。混合物は、湿潤性を促して均一なバッチを生成するために、加工助剤として結合剤、細孔形成剤、可塑剤、界面活性剤、潤滑剤、分散剤などの有機添加剤を含む。次に、得られた可塑性材料は、特に、押出ダイを備えた押出プレス又は押出成形機を使用して成形され、得られた成形物は乾燥し、かつか焼される。有機添加物は、押出成形された固形物のか焼の間に「燃え尽きる」。金属促進されたゼオライト触媒は、また、表面上に存在するか又は押出成形された固形体内へ完全に又は部分的に貫通する1以上の副層として、ウォッシュコートされるか、又は別の方法で、押出成形された固形体に塗布される。あるいは、金属促進されたゼオライトは、押出成形の前にペーストに加えられてもよい。好ましくは、銅ロードモレキュラーシーブは、押出成形された触媒体全体にわたって、好ましくは、押出成形された触媒体全体にわたって均等に分散される。
本発明による金属促進されたゼオライトを含む押出成形された固形体は、概して、第1の端部から第2の端部へと延びる均一に寸法化された平行なチャネルを有するハニカムの形態をした一体構造を備える。チャネルを画定するチャネル壁は多孔質である。典型的には、外部の「皮膜」が、押出成形された固形体の複数のチャネルを取り囲む。押出成形された固形体は、円形、四角形、又は楕円型など、任意の所望の断面から形成されうる。複数のチャネルの個々のチャネルは、正方形、三角形、六角形、円形等でありうる。
本明細書に記載される触媒物品は、元素窒素(N)及び水(HO)を選択的に生成するために、窒素性還元体、好ましくはアンモニアと、窒素酸化物との反応を促進することができる。このような窒素系還元剤の例としては、アンモニア、及びアンモニアヒドラジン、又は任意の適切なアンモニア前駆体、例えば、尿素((NHCO)、炭酸アンモニウム、カルバミン酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム又はギ酸アンモニウムが挙げられる。本発明の方法のSCRプロセスは、幅広い温度範囲(例えば、約150〜700℃、約200〜350℃、約350〜550℃、又は約450〜550℃)にわたり、少なくとも75%、好ましくは少なくとも80%、さらに好ましくは少なくとも90%のNO(NO及び/又はNO)変換を生じうる。
重要なことには、本発明に従ったゾーン触媒の使用は通常のSCR触媒と比較してNO副生成物を少ない量で生成する。すなわち、本発明の方法のSCRプロセスは、SCR入口におけるNO及び/又はNOに基づいて、NOを少ない量で生成しうる。例えば、SCR触媒における入口のNO濃度をSCR触媒後の出口のNO濃度と比較した相対比は、幅広い温度範囲(例えば、約150〜700℃、約200〜350℃、約350〜550℃、又は約450〜550℃)にわたり、約25超、約30超(例えば約30から約40)、約50超、約80超、又は約100超である。別の例では、SCR触媒における入口のNO濃度をSCR触媒後の出口のNO濃度と比較した相対比は、広い温度範囲(例えば、約150〜700℃、約200〜350℃、約350〜550℃、又は約450〜550℃)にわたり、約50超、約80超、又は約100超である。
酸化触媒に連結された本明細書に記載の銅ロードモレキュラーシーブ触媒はまた、アンモニアの酸化を促進することができ、かつ、酸化プロセスによる望ましくないNOの形成を制限する(すなわち、アンモニアスリップ触媒(ASC))。ある特定の実施態様では、本発明の触媒物品は、基材の出口端にASCゾーンを含む。他の実施態様では、ゾーンSCR触媒の下流の分離したブリック上に配置されたアンモニアスリップ触媒。これらの分離したブリックは、それらが互いに流体連通し、かつSCR触媒ブリックがアンモニアスリップ触媒ブリックの上流に配置されることを条件として、互いに隣接し、かつ接触していてもよく、あるいは、所定の距離だけ離れていてもよい。
ある特定の実施態様では、SCR及び/又はASCプロセスは、少なくとも100℃の温度で行われる。別の実施態様では、プロセスは約150℃から約750℃の温度で生じる。特定の実施態様では、温度範囲は約175から約550℃である。別の実施態様では、温度範囲は175から400℃である。さらに別の実施態様では、温度範囲は450から900℃であり、好ましくは500から750℃、500から650℃、450から550℃、又は650から850℃である。
本発明の別の態様によれば、ガス中のNO化合物の還元及び/又はNHの酸化のための方法であって、ガスと本明細書に記載の触媒を、ガス中のNO化合物のレベルが低減するのに十分な時間接触させることを含む方法が提供される。本発明の方法は、以下の工程の1つ以上を含みうる:(a)フィルタの入口と接触するスートを蓄積及び/又は燃焼する工程;(b)好ましくはNOと還元剤の処理を包含する触媒工程の介在なしに、SCR触媒と接触するより前に窒素性還元剤を排ガス流内に導入する工程、(c)好ましくは下流のSCR反応においてNHを還元剤として使用して、NO吸着触媒又はリーンNOトラップ上でNHを生成する工程、(d)排ガス流をDOCと接触させて、炭化水素ベースの可溶性有機成分(SOF)及び/又は一酸化炭素をCOへと酸化し、及び/又はNOをNOへと酸化し、これを次に微粒子フィルタにおいて微粒子物質を酸化するために使用してもよく、及び/又は、排ガス中の微粒子物質(PM)を還元する工程、(e)還元剤の存在下、排ガスを1つ以上の下流のSCR触媒装置(フィルタ又はフロースルー基材)と接触させて、排ガス中のNO濃度を低減させる工程、及び(f)排ガスを大気中に放出する前に、排ガスをアンモニアスリップ触媒と好ましくはSCR触媒の下流で接触させ、全てではないにしてもほとんどのアンモニアを酸化するか、又は排ガスがエンジンに入る/再入する前に、排ガスを再循環ループに通す工程、を含みうる。
好ましい実施態様では、SCRプロセスで消費するために、窒素をベースとした還元剤、特にNHの全て又は少なくとも一部は、SCR触媒の上流に配置されるNO吸蔵触媒(NAC)、リーンNOトラップ(LNT)、又はNO吸蔵/還元触媒(NSRC)、(集合的にNAC)から供給されうる。ある特定の実施態様では、NACはゾーンSCR触媒と同一のフロースルー基材上にコーティングされる。このような実施態様では、NAC触媒及びSCR触媒はNACがSCRゾーンの上流になるように直列にコーティングされる。
本発明に有用なNAC成分としては、塩基性材料(例えば、アルカリ金属の酸化物、アルカリ土類金属の酸化物、及びこれらの組み合わせを含んだ、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又は希土類金属など)及び貴金属(白金など)、及び任意選択的にロジウムなどの還元性触媒成分の触媒組み合わせが挙げられる。NACにおいて有用な塩基性材料の具体的な種類は、酸化セシウム、酸化カリウム、酸化マグネシウム、酸化ナトリウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、及びこれらの組み合わせを含む。貴金属は、好ましくは約10から約200g/ft、例えば20から60g/ftで存在する。あるいは、触媒の貴金属は、約40から約100グラム/ftでありうる平均濃度によって特徴付けられる。
ある特定の条件下、周期的にリッチな再生イベントの間に、NHがNOx吸蔵触媒上で生成されうる。NOx吸蔵触媒の下流のSCR触媒は、システム全体のNOx還元効率を向上しうる。複合システムでは、SCR触媒は、リッチ再生イベントの間に、NAC触媒から放出されたNHを吸蔵することが可能であり、通常のリーン作動状態の間に、吸蔵されたNHを利用して、NAC触媒をすり抜けたNOの一部又は全てを選択的に還元する。
ある特定の態様では、本発明は、内燃機関(移動式又は固定式)、ガスタービン、石炭若しくは石油の火力発電所などに由来する燃焼プロセスよって発生した排ガスを処理するためのシステムである。このようなシステムは、本明細書に記載のゾーンSCR触媒物品と、排ガスを処理するための少なくとも1つの追加要素を備え、ここで、ゾーンSCR触媒物品と少なくとも1つの追加要素は一体的ユニットとして機能するように設計される。ゾーンSCR触媒物品及び少なくとも1つの追加要素は、任意選択的にシステムを通る排ガスを導くための導管の1つ以上のセクションによって、流体連通している。
排ガス処理システムは、排ガス中の一酸化窒素を二酸化窒素へと酸化するための酸化触媒(例えばディーゼル用酸化触媒(DOC))を備えていてもよく、排ガス内に入る窒素性還元剤を計量する地点の上流に配置することができる。一実施態様では、酸化触媒は、例えば250℃から450℃の酸化触媒の入口における排ガス温度で、約4:1から約1:3までのNOのNOに対する体積比を有する、SCRゼオライト触媒に入るガス流を生じるように適合される。酸化触媒は、フロースルーモノリス基材上にコーティングされた白金、パラジウム、又はロジウム等の、少なくとも1つの白金族金属(又はこれらの幾つかの組み合わせ)を含みうる。一実施態様では、少なくとも1種の白金族金属は、白金、パラジウム、又は白金とパラジウム両方の組合せである。白金族金属は、アルミナ、アルミノシリケートゼオライトなどのゼオライト、シリカ、非ゼオライトシリカアルミナ、セリア、ジルコニア、チタニア、又はセリアとジルコニアの両方を含有する混合酸化物若しくは複合酸化物など、高表面積のウォッシュコート成分上に担持させることができる。
排ガス処理システムは第2のフロースルーモノリス又はウォールフローフィルタ上に追加のSCR触媒を備えていてもよく、ここで追加のSCRを備えた第2のフロースルーモノリス又はウォールフローフィルタは、本明細書に記載されるゾーンSCR触媒物品の上流又は下流に、流体連通して位置づけられる。追加のSCR触媒は、好ましくは、Cu−Beta、Cu−ZSM5、Cu−CHA、Cu−ZSM−34、又はCu−AEIなどの金属交換されたゼオライトである。
排ガス処理システムは、触媒物品の上流に配置されたNAC及び/又は窒素性還元剤の外部供給源(例えば、アンモニア又は尿素インジェクタ)を含みうる。本システムは、SCR触媒ゾーンが、例えば100℃超、150℃超、又は175℃超などにおいて、所望の効率又はそれ以上で、NOx還元に触媒作用を及ぼすことが可能であると決定された場合にのみ、流れている排ガス内に入れる外部の窒素性還元体を計量するための制御装置を含みうる。窒素系還元剤の計量は、SCR触媒に入る排ガス中に、1:1のNH/NO及び4:3のNH/NOで計算して60%から200%の理論上のアンモニアが存在するように調整することができる。
排ガス処理システムは、ウォールフローフィルタなどの適切な微粒子フィルタを備えていてもよい。適切なフィルタとしては、排ガス流からスートを除去するのに有用なものが挙げられる。フィルタはベア型及び受動再生型であってよく、あるいはスート燃焼触媒又は加水分解触媒を含んでいてもよい。フィルタはまた、フィルタ壁の入口側にロードされたSCR触媒、フィルタ壁の出口側にロードされたSCR触媒、フィルタ壁に部分的に又は完全に浸透するSCR触媒、又はこれらの幾つかの組み合わせも備えうる。ある特定の実施態様では、フィルタは、代替的なゾーンがフロースルー基材上に配置されることを条件として、本明細書に記載される第1の触媒ゾーン又は第2の触媒ゾーンのための基材である。例えば、ウォールフローフィルタは第1のゾーンのための基材として使用することができ、フロースルーハニカムは第2のゾーンのための基材として使用することができる。別の例では、フロースルーハニカムは第1のゾーンのための基材として使用することができ、ウォールフローフィルタは第2のゾーンのための基材として使用することができる。このような実施態様では、ウォールフロー基材はさらに、ASCゾーンを形成するためのNH酸化触媒を含みうる。
フィルタは、排ガス処理システムにおいて、ゾーンSCR触媒の上流又は下流のいずれかに位置づけられうる。好ましくは、フィルタは、DOCが存在する場合にはDOCの下流に位置づけられる。ゾーンSCR触媒の上流にベアフィルタ(すなわち触媒コーティングを有しない)及びアンモニアインジェクタを含む実施態様では、インジェクタは、ゾーンSCR触媒の上流に位置づけられることを条件として、フィルタの上流又は下流に位置づけられうる。ゾーンSCR触媒の下流に加水分解触媒を含むフィルタを有する実施態様では、アンモニアインジェクタはフィルタの上流に位置づけられることが好ましい。
図11に目を向けると、内燃機関501、排ガス処理システム502、システムを通る排ガス流の方向1、任意選択的なDOC510及び/又は任意選択的なNAC520、任意選択的な微粒子フィルタ570、アンモニア及びインジェクタの任意選択的な外部供給源530、ゾーンSCR触媒540、任意選択的な追加のSCR触媒550、及び任意選択的なASC560を備えた排ガス処理システムが示されている。
本明細書に記載の排ガスを処理するための方法は、燃焼プロセス、例えば、内燃機関(移動式又は固定式)、ガスタービン、及び石炭若しくは石油の火力発電所に由来する排ガスに行われうる。本方法は、精錬のような工業プロセスに由来するガス、精錬所のヒーター及びボイラー、燃焼炉、化学処理工業、コークス炉、都市廃棄物のプラント及び焼却炉等に由来するガスを処理するためにも使用されうる。特定の実施態様では、本方法は、車両のリーンバーン内燃機関、例えば、ディーゼルエンジン、リーンバーンガソリンエンジン、又は液化石油ガス若しくは天然ガスにより駆動されるエンジンからの排ガスを処理するために使用される。

Claims (20)

  1. 触媒物品であって、
    a.入口側、出口側、入口側から出口側までの軸方向長さ、及び入口側から出口側へと延びるチャネル壁によって画定される複数のチャネルを有するフロースルーハニカム基材;
    b.第1のゾーンのチャネル壁の上に及び/又はチャネル壁内にコーティングされている第1のNH−SCR触媒組成物;及び
    c.第2のゾーンのチャネル壁の上に及び/又はチャネル壁内にコーティングされている第2のNH−SCR触媒組成物を備え、第1のゾーンが第2のゾーンの上流にあり、かつ第1のゾーン及び第2のゾーンは隣接しているか、又は少なくとも部分的に重なっていることを条件とし;
    第1のNH−SCR触媒が約0.1から0.375の銅のアルミニウムに対する原子比を有する第1の銅ロードモレキュラーシーブを含み、かつ第2のNH−SCR触媒が約0.3から約0.6の銅のアルミニウムに対する原子比を有する第2の銅ロードモレキュラーシーブを含む、触媒物品。
  2. 第1のゾーンが第2のゾーンに隣接する、請求項1に記載の触媒物品。
  3. 第1のゾーンが第2のゾーンを完全に覆う、請求項1に記載の触媒物品。
  4. 第1のゾーンが入口側から軸方向長さの約10から40パーセントの位置である第1の端点へと延び、第2のゾーンが軸方向長さの約20から90パーセントであり、第1のゾーンと第2のゾーンが隣接するか又は軸方向長さの90パーセント未満で重なることを条件とする、請求項1に記載の触媒物品。
  5. 第1のゾーンが第2のゾーンに重なる、請求項4に記載の触媒物品。
  6. 第2のゾーンが第1のゾーンに重なる、請求項4に記載の触媒物品。
  7. 第1の銅ロードモレキュラーシーブが、第2の銅ロードモレキュラーシーブと比較してより低い銅濃度を有する、請求項1に記載の触媒物品。
  8. 第1の銅ロードモレキュラーシーブが、第2の銅ロードモレキュラーシーブの約50から90パーセントの銅ロードを有する、請求項2に記載の触媒物品。
  9. 第1の銅ロードモレキュラーシーブが第1のSARを有し、かつ第2の銅ロードモレキュラーシーブが、第1のSARよりも大きい第2のSARを有する、請求項1に記載の触媒物品。
  10. 第1のモレキュラーシーブが、約10から約20のSARを有するアルミノケイ酸塩であり、第2のモレキュラーシーブが、約20から約50のSARを有するアルミノケイ酸塩である、請求項9に記載の触媒物品。
  11. 第1及び第2のモレキュラーシーブが小細孔骨格を有する、請求項9に記載の触媒物品。
  12. 第1及び第2のモレキュラーシーブがCHA骨格を有する、請求項9に記載の触媒物品。
  13. 第1のモレキュラーシーブがシリコアルミノリン酸塩であり、第2のモレキュラーシーブが、約15から約50のSARを有するアルミノケイ酸塩である、請求項9に記載の触媒物品。
  14. 第1のゾーンと第2のゾーンが、重なって第3の触媒ゾーンを作り出し、第3のゾーンが、第1のゾーン及び第2のゾーンと個別に比較してより多量の銅を有する、請求項4に記載の触媒物品。
  15. チャネル壁の上に及び/又はチャネル壁内にコーティングされているアンモニア酸化触媒を有するASCゾーンをさらに備え、ASCゾーンが出口側から軸方向長さの約10から50パーセントの距離にわたって延び、かつ第1のゾーンとは接触しない、請求項1に記載の触媒物品。
  16. 第2のNH−SCR触媒組成物が酸化触媒と完全に重なる、請求項15に記載の触媒物品。
  17. 酸化触媒が白金を含む、請求項16に記載の触媒物品。
  18. 触媒物品であって、
    a.入口側、出口側、入口側から出口側までの軸方向長さ、及び入口側から出口側へと延びるチャネル壁によって画定される複数のチャネルを有するフロースルーハニカム基材、
    b.第1のウォッシュコートからなる第1の触媒ゾーン、
    c.第1のウォッシュコート及び第2のウォッシュコートからなる第2の触媒ゾーン、
    d.第2のウォッシュコートからなる第3の触媒ゾーン、及び
    e.第3のウォッシュコート上の第2のウォッシュコートからなる第4の触媒ゾーンを備え、
    第1のウォッシュコートが第1の銅ロードモレキュラーシーブを含み、第2のウォッシュコートが第2の銅ロードモレキュラーシーブを含み、第1のモレキュラーシーブと第2のモレキュラーシーブは材料が異なっており、かつ第3のウォッシュコートはアンモニア酸化触媒を含み、第1、第2、第3及び第4のゾーンは基材上に直列に配置され、各ゾーンは連続した次のゾーンに隣接しており、第1のゾーンは入口側の近位にあり、かつ第4のゾーンは出口側の近位にある、触媒物品。
  19. 排ガスを処理するためのシステムであって、
    a.請求項1に記載の触媒物品;及び
    b.DOC、NAC、外部NHインジェクタ、二次的SCR触媒、ASC、及び微粒子フィルタから選択される1つ以上の排ガス処理要素を備え、
    請求項1に記載の触媒物品と1つ以上の排ガス処理要素が流体連通しておりかつ直列である、システム。
  20. 排ガスを処理するための方法であって、
    NO及びNHを含む排ガスを請求項1に記載の触媒物品と接触させることと、
    NOの少なくとも一部をNとHOに選択的に還元することを含む、方法。
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