JP2019018166A - 触媒及び触媒を用いた窒素酸化物還元の方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高価な構造指向剤を使用することなく、β型ゼオライトからなるSCR触媒としての置換が可能な触媒及びこれを用いた窒素酸化物還元方法の提供。
【解決手段】遷移金属を含有し、なおかつ、以下の粉末X線回折パターンを有するゼオライト、を含む触媒。前記遷移金属が周期表8,9,10,11族からの一種以上であり、Cu又はFeのいずれかで少なくともある、窒素酸化物の還元触媒。
Figure 2019018166

【選択図】なし

Description

本発明は、ゼオライトを含む触媒及びこれを用いた窒素酸化物の処理方法に関する。
選択的接触還元(Selective catalytic reduction;以下、「SCR」とする)は窒素酸化物を還元して無害化する技術であり、工場排ガス、自動車排ガス、船舶排ガスなど、各種の内燃機関から排出される排ガスの浄化技術として実用化されている。SCRに用いられる触媒(以下、「SCR触媒」とする。)は、主にゼオライトに遷移金属を含有させたものが使用されており、用途に応じて使い分けがされている。例えば、β型ゼオライトに鉄を含有させたものは高い窒素酸化物還元特性を有するため、ディーゼル車の排ガス中の窒素酸化物を還元するためのSCR触媒として検討されている(例えば、特許文献1)。一方、CHA型ゼオライトをはじめとする、最大細孔環サイズが酸素8員環であるゼオライト(以下、「小細孔ゼオライト」ともいう。)もSCR触媒として検討されている(例えば、特許文献2)。
US2007/348517 WO2008/132452
小細孔ゼオライトは一般的に高価な構造指向剤を使用して合成する必要があるためコストが高く、より安価なディーゼル車の排ガス浄化触媒が求められている。これに対し、β型ゼオライトは安価な原料から合成することができるが、熱負荷に対する耐性が十分ではなく、触媒寿命が短い。
本発明は、高価な構造指向剤を使用することなく、β型ゼオライトからなるSCR触媒としてのとの置換が可能な触媒及びこれを用いた窒素酸化物還元方法を提供することを目的とする。
本発明者等は、SCR触媒として、原料に高価な構造指向剤を必要とすることなく、高い窒素酸化物還元特性を示す触媒及び触媒担体について検討した。その結果、β型ゼオライトからなる触媒と比べ、より熱負荷に対する耐性に優れた触媒を見出した。
すなわち、本発明の要旨は、以下のとおりである。
[1] 遷移金属を含有し、なおかつ、以下の粉末X線回折パターンを有するゼオライト、を含む触媒。
Figure 2019018166
[2] 前記遷移金属が周期表の8族、9族、10族及び11族からなる群の少なくとも1種である上記[1]に記載の触媒。
[3] 前記遷移金属が銅又は鉄の少なくともいずれかである上記[1]又は[2]に記載の触媒。
[4] 上記[1]乃至[3]のいずれかに記載の触媒を使用することを特徴とする窒素酸化物の還元方法。
本発明により、高価な構造指向剤を使用することなく、β型ゼオライトからなるSCR触媒としてのとの置換が可能な触媒及びこれを用いた窒素酸化物還元方法を提供することができる。
以下、本発明の触媒について説明する。
本発明の触媒は、遷移金属を含有し、なおかつ、以下の粉末X線回折(以下、「XRD」ともいう。)パターンを有するゼオライト、を含む。
Figure 2019018166
より好ましいゼオライトのXRDパターンとして、以下のXRDパターンを挙げることができる。
Figure 2019018166
本発明において、相対ピーク強度は、d値=3.43±0.07Åのピーク強度を100とした場合の各ピークの相対強度である。
この様なXRDパターンを有するゼオライトは、酸素12員環及び酸素8員環を含むゼオライトであり、YNU−5であることが好ましい。
ゼオライトのアルミナに対するシリカのモル比(以下、「SiO/Al」ともいう。)は、5以上100以下、更には10以上50以下、また更には15以上30以下を挙げることができる。
本発明の触媒に含まれるゼオライトは遷移金属を含有する。上記のXRDパターンを有するゼオライトと遷移金属との間に相互作用が生じることにより、熱負荷に対する耐性が高くなり、なおかつ、窒素酸化物還元特性が発現される。
ゼオライトが含有する遷移金属として、周期表の8族、9族、10族及び11族の群から選ばれる少なくとも1種が挙げられ、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、鉄(Fe)、銅(Cu)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)及びインジウム(In)の群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましく、鉄又は銅の少なくともいずれかであることがより好ましい。
本発明の触媒におけるアルミニウムに対する遷移金属のモル比(以下、「Metal/Al比」ともいう。)は0.1以上0.5以下、更には0.15以上0.45以下であることが挙げられる。このようなMetal/Al比を有することで、低温下における窒素酸化物還元率が高くなりやすい。
本発明の触媒の遷移金属含有量は1.0重量%以上であることが好ましく、1.5重量%以上であることがより好ましく、2.0重量%以上であることが更に好ましい。遷移金属の含有量が1.0重量%以上であることで、本発明の金属含有ゼオライト触媒の窒素酸化物還元率がより高くなりやすい。一方、遷移金属の含有量が5.0重量%以下、更には4.5重量%以下、また更には4.0重量%以下であればよい。
本発明における触媒の遷移金属含有量は、本発明の触媒に含まれる遷移金属を含有するゼオライトの重量に対する遷移金属の重量である。
本発明の触媒に含まれるゼオライトは、アルミナに対するシリカのモル比(以下、「SiO/Al」ともいう。)は、5以上100以下、更には10以上50以下、また更には15以上30以下であることが好ましい。
次に、本発明の触媒の製造方法について説明する。
本発明の触媒は、遷移金属を含有し、なおかつ、上記のXRDピークを有するゼオライトを含んでいれば任意の方法で製造することができる。本発明の触媒の製造方法として、以下のXRDパターンを有するゼオライトと遷移金属源を混合して、遷移金属含有ゼオライトを得る金属含有工程、を含む製造方法を挙げることができる。
Figure 2019018166
金属含有工程に供するゼオライトは、以下のXRDパターンを有していることが好ましい。
Figure 2019018166
金属含有工程に供するゼオライトのアルミナに対するシリカのモル比(SiO/Al)は、5以上100以下、更には10以上50以下、また更には15以上30以下を挙げることができる。
このようなゼオライトは触媒担体として供することもできる。このようなゼオライトの製造方法として、第32回ゼオライト研究発表会講演予稿集(2016)p.27(以下、「参考文献」ともいう。)で開示された方法で製造する製造方法を挙げることができる。このようなゼオライトは、シリカ源、アルミナ源、アルカリ源、水、及び、構造指向剤(以下、「SDA」ともいう。)としてジメチルジプロピルアンモニウムヒドロキシド(以下、「MePrNOH」ともいう。)を含む原料組成物をオートクレーブで水熱処理することで結晶化することができる。
原料組成物の組成として以下のものを挙げることができる。
SiO:0.025Al:0.17MePrNOH
:0.15NaOH:0.15KOH:7H
水熱処理の条件は、160℃で7日間加熱することが挙げられる。得られたゼオライトを脱アルミニウム処理し、ゼオライトのSiO/Alを調整してもよい。
金属含有工程において、ゼオライトに遷移金属が含有されれば、ゼオライトと遷移金属源の混合方法は任意である。混合方法として、例えば、含浸担持法、蒸発乾固法、沈殿担持法、及び物理混合法の群から選ばれる少なくとも1種を挙げることができる。ゼオライトへの遷移金属含有量が制御しやすいため、混合方法は含浸担持法であることが好ましい。
金属含有工程に供する遷移金属源は、遷移金属又は遷移金属を含む化合物であればよく、遷移金属の化合物であることが好ましい。遷移金属の化合物として、遷移金属を含む硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物、錯塩、酸化物及び複合酸化物からなる群の少なくとも1種を挙げることができ、硝酸塩、硫酸塩及び塩化物からなる群の少なくとも1種であることが好ましい
遷移金属源に含まれる遷移金属は、周期表の8族、9族、10族及び11族の群から選ばれる少なくとも1種が挙げられ、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、鉄(Fe)、銅(Cu)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)及びインジウム(In)の群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましく、鉄又は銅の少なくともいずれかであることがより好ましい。
本発明の触媒の製造方法は、遷移金属含有ゼオライトを焼成する焼成工程を含むことが好ましい。金属含有工程後の遷移金属含有ゼオライトの不純物等が除去できれば焼成条件は任意である。焼成条件として、酸化雰囲気又は還元雰囲気の少なくともいずれかで、100℃以上600℃以下、1時間以上10時間以下処理することが挙げられる。
本発明の触媒は、熱負荷に対する耐性が高い。そのため、水熱耐久処理など、高温高湿下に晒された後であっても結晶性の低下が少ない。更には高い窒素酸化物還元率を有し、特に水熱耐久処理後であっても高い窒素酸化物還元特性を有する。そのため、本発明の触媒は、触媒として、更には窒素酸化物還元触媒として、また更には尿素SCR触媒として使用することができる。さらには、より高い排気ガス温度におけるディーゼル車用のSCR触媒として使用することができる。
本発明において、水熱耐久処理とは、水分濃度4.5体積%以上の空気中、700℃以上で処理することである。水熱耐久処理の温度及び時間は任意であるが、水熱耐久処理の温度が高くなること、時間が長くなること、又は水分濃度が高くなることで、ゼオライトへの熱負荷が大きくなる。そのため、一般的には水熱耐久処理が高温、長時間、又は高水分濃度となるほど、ゼオライト骨格からのアルミニウムの脱離をはじめとする、ゼオライトの崩壊が起こりやすくなる。
具体的な水熱処理条件として、水分濃度5〜15体積%の空気中、720〜800℃で1時間以上処理すること、更には水分濃度7.5〜12.5体積%の空気中、730〜780℃で12時間以上処理することが挙げられる。
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。しかしながら、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
(構造の同定)
一般的なX線回折装置(装置名:RINT Ultima IV、リガク社製)を使用し、試料のXRD測定をした。測定条件を以下に示す。
線源 :CuKα線(λ=1.5405Å)
測定モード :ステップスキャン
スキャン条件 :毎秒0.02°
計測時間 :6.7分
測定範囲 :2θとして3°から43°
(組成分析)
組成分析は誘導結合プラズマ発光分析法(ICP法)により行った。すなわち、試料をフッ酸と硝酸の混合溶液に溶解させ、測定溶液を調製した。一般的な誘導結合プラズマ発光分析装置(装置名:OPTIMA5300DV、PERKIN ELMER製)を用いて、得られた測定溶液を測定して試料の組成を分析した。
アルミニウム(Al)のモル濃度に対する、銅(Cu)のモル濃度を求め、これをアルミニウムに対する銅の原子割合とした。
(水熱耐久処理)
試料をプレス成形し、凝集径12メッシュ〜20メッシュの凝集粒子とした。凝集粒子状の試料2mLを常圧固定床流通式反応管に充填し、これに水分濃度10体積%の空気を300mL/分(空間速度として9,000h−1)で流通させながら、750℃で24時間処理することで、水熱耐久処理とした。
(耐久性評価)
水熱耐久処理前後の試料について、(構造の同定)と同様な方法でXRDパターンを測定した。水熱耐久処理前において相対強度が75%以上であった各XRDピークについて、当該XRDピークに対する水熱耐久処理前後のピーク強度の割合(%)を求め、その平均値をもって残存強度とした。
(窒素酸化物還元率の測定方法)
試料の窒素酸化物還元率は、以下に示すアンモニアSCR方法により測定した。
プレス成形後、12メッシュ〜20メッシュに整粒した試料1.5mLを反応管に充填した。その後、反応温度200℃で、以下の条件で処理ガスを当該反応管に流通させた。
処理ガス組成 :NO 200ppm
NH 200ppm
10容量%
O 3容量%
残部 N
処理ガスの流量 :1.5L/min
空間速度(SV) :60,000hr−1
反応管に流通させた処理ガス中の窒素酸化物濃度(200ppm)に対する、触媒流通後の処理ガス中の窒素酸化物濃度(ppm)を求め、以下の式に従って、窒素酸化物還元率を求めた。
窒素酸化物還元率(%)={1−(接触後の処理ガス中の窒素酸化物濃度
/接触前の処理ガス中の窒素酸化物濃度)}×100
実施例1
(触媒の調製)
参考文献の方法に準じてゼオライトを合成した。すなわち、コロイダルシリカAS−40、Y型ゼオライトHSZ−350HUA、MePrNOH、NaOH、KOH及びHOを混合し、以下のモル組成を有する原料組成物を得た。
SiO:0.025Al:0.17MePrNOH
:0.15NaOH:0.15KOH:7H
得られた原料組成物をオートクレーブに充填し、160℃、7日間静置下で結晶化することでゼオライトを得た。得られたゼオライトを空気中、550℃で6時間焼成した。焼成後のゼオライトを20%塩化アンモニウム水溶液で処理した後、大気中110℃で一晩乾燥した。これにより、SiO/Alが19である、NH型のゼオライトを得た。
得られたゼオライトのXRDパターンを下表に示す。
Figure 2019018166
次いで、硝酸銅三水和物0.078gを純水0.53gに溶解して硝酸銅溶液を調製した。当該硝酸銅溶液を、得られたNH型のゼオライト2.8gに滴下し、乳鉢で10分間含浸混合した。混合後のゼオライトを110℃で一晩乾燥させた後、空気中、550℃で1時間焼成することで銅含有ゼオライトを得、これを本実施例の触媒とした。
本実施例の触媒は、SiO/Alが20であり、銅含有量が3.1重量%であり、Cu/Al比が0.34であった。本発明の触媒のXRDパターンを下表に示す。
Figure 2019018166
(水熱耐久処理)
比較対象としてディーゼル車用のSCR触媒として良好な性能を示す銅含有β型ゼオライト(SiO/Al=18、Cu/Al=0.32及び銅含有量3.3重量%)を使用した。銅含有β型ゼオライトのXRDパターンを下表に示す。
Figure 2019018166
本実施例の触媒及び銅含有β型ゼオライトをそれぞれプレス成形し、凝集径12メッシュ〜20メッシュの凝集粒子とした。凝集粒子状の試料2mLを常圧固定床流通式反応管にそれぞれ充填し、これに水分濃度10体積%の空気を300mL/分(空間速度として9,000h−1)で流通させながら、750℃で24時間処理することで、水熱耐久処理とした。水熱耐久処理後の本実施例の触媒のピーク強度割合を表8に、銅含有β型ゼオライトのピーク強度割合を表9に示した。
Figure 2019018166
Figure 2019018166
本実施例の触媒は、銅含有β型ゼオライトに比べて残存強度が高く、水熱耐久処理後も高い結晶性を維持することが確認できた。これより本発明の触媒はβ型ゼオライトよりも耐久性が高く、より寿命が長い触媒として利用できることが分かる。
(窒素酸化物還元特性の評価)
水熱耐久処理後の本実施例の触媒及び銅含有β型ゼオライトについて、窒素酸化物還元率を測定した。結果を下表に示す。
Figure 2019018166
表11より、本実施例の触媒は、銅含有β型ゼオライトと比べ200℃の低温において高い窒素酸化物還元率を示すことが確認できた。
本発明により、排気ガス処理システムに組み込まれる触媒として使用できる。特に本発明の金属含有新規大細孔ゼオライトは、還元剤の存在下で自動車、特にディーゼル車の排ガス中の窒素酸化物を還元除去する、SCR触媒、更にはDPFと一体化されたSCR触媒として使用できる。

Claims (4)

  1. 遷移金属を含有し、なおかつ、以下の粉末X線回折パターンを有するゼオライト、を含む触媒。
    Figure 2019018166
  2. 前記遷移金属が周期表の8族、9族、10族及び11族からなる群の少なくとも1種である請求項1に記載の触媒。
  3. 前記遷移金属が銅又は鉄の少なくともいずれかである請求項1又は2に記載の触媒。
  4. 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の触媒を使用することを特徴とする窒素酸化物の還元方法。
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