JP2737188B2 - 窒素酸化物接触分解触媒、その製造方法及びその使用方法 - Google Patents

窒素酸化物接触分解触媒、その製造方法及びその使用方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、窒素酸化物を含有するガスから窒素酸化物
を接触分解除去する触媒、その製造方法及びそれを使用
する方法に関するものである。
[従来の技術] 工業プラント,自動車,暖房装置等から排出される燃
焼排ガス中の窒素酸化物は、人体等に対する毒性が強
く、また光化学スモッグの発生源にもなる物質であり、
環境保全の立場からその除去方法の開発は重大且つ緊急
の社会的課題である。
現状では、アンモニア等の還元剤を触媒と併用する還
元脱硝プロセスが実用化されている。しかしながら、こ
のプロセスでは、還元剤の添加が必要となり、プロセス
が複雑となる。更に、未反応還元剤を回収、或いは分解
する為の装置が必要となり、小型のボイラー等では使用
することが難しく、実用化に至っていない。
一方、還元剤添加の必要のない窒素酸化物接触分解法
は最も単純で経済的なプロセスである。これまでに、窒
素酸化物接触分解反応において、広範な接触分解触媒の
探索が行われている。その中で、Pt,CuO,Co3O4等に窒素
酸化物接触分解活性が認められているが、何れも分解生
成物である酸素の被毒作用により十分な定常活性が得ら
れず、実用触媒とはなり得なかった。
最近、銅イオンを含有し、且つ特定の結晶構造を有す
るゼオライトが、処理ガス中に水分や酸素が共存しても
被毒されない窒素酸化物接触分解触媒(特開昭60−1252
50号公報)となる事が見出されている。しかしながら、
十分な活性を有していないために、実用化されなかっ
た。
また特開昭54−96500号公報には2価の銅イオン水溶
液を用いて2〜3回のイオン交換をする方法が開示され
ている。しかしながら窒素酸化物接触分解活性点の生成
機構が、本発明とは異なるものである。
[発明が解決しようとする課題] 本発明は、水分、酸素、イオウ酸化物等の共存による
被毒を受けず、更に低温においても、高活性且つ定常安
定性の高い窒素酸化物接触分解触媒及びその製造方法及
びそれを使用する方法を提案するものである。
[課題を解決する為の手段] 本発明者らは上記課題について鋭意検討した結果、本
発明を完成するに至った。
即ち本発明は、化学組成として1価及び、又は2価の
銅を含有する、モルデナイト,フェリエライト,Y型ゼオ
ライト,X型ゼオライト,A型ゼオライト,オフレタイト,
エリオナイト,L型ゼオライト,ゼオライトオメガ,クリ
ノプチロライト,ZSM−11,ZSM−12,ZSM−23,ゼオライト
ロー,シータ1,ZSM−48,ZSM−50,ZSM−57,ZSM−58から
選ばれたゼオライトであり、銅原子数1に対し0.2以上
のアンモニアを含有する窒素酸化物接触分解触媒及びそ
の製造方法及びそれを使用する窒素酸化物の接触分解方
法を提供するものである。
以下、本触媒の調製方法を詳細に説明する。
本発明で触媒の基剤として用い得るゼオライトは、天
然品、合成品どちらでも良い。また、ゼオライトとして
は、モルデナイト,フェリエライト,Y型ゼオライト,X型
ゼオライト,A型ゼオライト,オフレタイト,エリオナイ
ト,L型ゼオライト,ゼオライトオメガ,クリノプチロラ
イト,ZSM−11,ZSM−12,ZSM−23,ゼオライトロー,シー
タ1,ZSM−48,ZSM−50,ZSM−57,ZSM−58の使用が必須で
ある。また、その製造方法は特に限定されるものではな
い。触媒の基剤としてのゼオライトそのままではほとん
ど窒素酸化物の接触分解活性はない。
本発明の窒素酸化物接触分解触媒の製造は、水溶性銅
塩及びアンモニアを含む水溶液で銅イオン交換を行うこ
とが必須である。銅イオン交換は、例えば水溶性銅塩及
びアンモニアを含む水溶液にゼオライト基剤を浸漬する
又はゼオライト基剤を充填した接触塔に前記水溶液を流
下接触させる方法で行われる。銅イオン交換時のゼオラ
イトを含むスラリーのpHは特に限定されないが、好まし
くは4〜12である。pHが4未満であるとイオン交換速度
が遅くなりやすく、また、12を超えると不純物の析出が
起こりやすくなるからである。スラリー濃度としては、
高すぎると撹拌が困難となり銅が不均一になりやすく、
また、低すぎると非経済的となる。通常は、1〜40%の
スラリー濃度で行われる。イオン交換温度及び交換時間
は、特に限定されないが、通常行なわれる室温〜80℃の
温度及び1分〜5日の交換時間であることが好ましい。
また、銅イオン交換操作は、繰返し行うこともできる。
銅源としては、水溶性の銅塩であれば良く、例えば硫
酸銅,塩化銅,酢酸銅,硝酸銅等が使用できる。又、ア
ンモニア源としては、例えばアンモニア水,アンモニア
含水化合物,アンモニアガスを溶解した水溶液等が使用
できる。アンモニアの添加量は特に限定されないが、ゼ
オライトを含むスラリーのpHが4〜12になるように添加
することが望ましい。水溶液中の銅イオンの濃度は、目
的とする銅イオン含有量によって任意に設定することが
できる。
イオン交換終了後、水洗、乾燥して窒素酸化物接触分
解触媒が得られる。
以上述べた方法により、1回のイオン交換操作で1価
及び、又は2価の銅イオンを含有し、かつ、銅原子数1
に対してアンモニアを0.2以上含有する、また必要に応
じてCu/Al原子比が0.5以上の銅含有ゼオライトを調製す
ることができる。
得られる銅含有ゼオライトのSiO2/Al2O3モル及びX線
回折図は、使用したゼオライト基剤のSiO2/Al2O3モル比
及びX線回折図と実質的に異なるものではない。
本発明の窒素酸化物接触分解触媒の銅イオン含有量
は、特に限定されない。銅イオン含有量が高くなる程、
窒素酸化物接触分解活性は高くなるが、Cu/Al原子比が
0.8を越えてもそれに見合うだけの効果が得られない。
また、アンモニア含有量は、銅原子数1に対して0.2以
上であることが必須である。アンモニアが0.2より低い
場合には、窒素酸化物接触分解活性が低くなる。
本発明の触媒は、粘土鉱物等のバインダーを用いて成
形して使用する事もできる。
また、本発明の触媒は、あらかじめゼオライトを成形
し、その成形体を水溶性銅塩及びアンモニアを含む水溶
液で銅イオン交換することにより製造しても良い。成形
体の大きさは特に限定されるものではない。
[作用] 本発明の窒素酸化物接触分解触媒は、非常に高い窒素
酸化物接触分解活性を示す。その理由は、本発明の窒素
酸化物接触分解触媒が、窒素酸化物接触分解活性点であ
るCu+を容易に生成させ、安定に維持するからであると
考えられる。ゼオライトにイオン交換された銅が窒素酸
化物接触分解活性点であることは、M.Iwamoto et.al.
(Proceeding of 7th International Zeolite Conferen
ce,Kodannsha(1986)p943)に記載されている。すなわ
ち、温度を上げることにより、イオン交換サイトにある
Cu2+がCu+へ一部還元され、このCu+が、 の反応機構で、窒素酸化物を窒素と酸素に分解する。
特開昭54−96500号公報には、2価の銅イオン水溶液
を用いて2〜3回のイオン交換をする方法が開示されて
いる。この方法によれば、Cu/Al原子比で0.5以上のもの
を得ることができる。銅イオンの一部はCuOH+の形態で
イオン交換され、そして温度を上げることにより、CuOH
+の一部がCu+となり窒素酸化物接触分解活性が得られる
ことが記載されている。
一方、本発明で得られる窒素酸化物接触分解触媒は大
部分の銅イオンが[Cu(NH32+(n=1〜4)の
形態でイオン交換されており、温度を上げることにより
アンモニアが容易に脱離し、その際に活性点であるCu+
が多く生成するものと考えられる。
Cu2+或いはCuOH+の形態でイオン交換された銅イオン
は、温度の上昇によってもCu+になり難く、一部がCu+
なっているに過ぎない。しかしながら、[Cu(N
H32+(n=1〜4)の形態でイオン交換された銅
イオンは、温度の上昇によりアンモニアが容易に脱離
し、窒素酸化物分解活性点であるCu+が生成し易くな
る。
すなわち、本発明の触媒は、窒素酸化物接触分解活性
点であるCu+を容易に生成させ、安定に維持できる触媒
であると考えられる。そして、低温においても高活性で
あり、しかも分解生成物である酸素、あるいは共存する
酸素、水分、イオウ酸化物等の被毒による活性の低下が
少なく、定常安定性の高い触媒となる。
ここで触媒中のアンモニアの定量については、「分析
化学便覧」(丸善株式会社1971)のアンモニアの分析法
に記載されている、中和滴定法、すなわち、触媒にNaOH
を加え、アンモニアを蒸留により遊離させ、酸の標準溶
液で逆滴定する方法により求めた。
本発明の窒素酸化物接触分解触媒を用いた接触分解反
応に於ける、触媒と処理ガスとの接触時間は特に限定さ
れるものではない。処理ガス中に含まれるガス成分の種
類とその濃度に応じて、用いる触媒のSiO2/Al2O3モル比
と銅イオン含有量が最適なものを選び、これらの組合せ
において触媒の分解活性とその性能が最高に発揮される
ように反応温度と接触時間を設定することができるから
である。
本発明の触媒を窒素酸化物接触分解触媒として使用す
る場合の使用温度は、特に限定されないが、通常使用さ
れる200〜1000℃の範囲であることが望ましい。
[発明の効果] 本発明で調製された触媒は、窒素酸化物を含有するガ
スから窒素酸化物を除去する窒素酸化物除去触媒とし
て、特に優れた窒素酸化物接触分解活性を示し、また、
酸素,水分,イオウ酸化物等による被毒作用を受けるこ
となく高い定常活性を示す。また、本発明の触媒を、ア
ンモニア等の還元剤を添加する窒素酸化物還元触媒とし
て用いることもできる。
[実施例] 以下、実施例において本発明を更に詳しく説明する。
しかし本発明はこれら実施例のみに限定されるものでは
ない。
実施例1 特開昭59−39715号公報の実施例3に従ってモルデナ
イトを合成した。モルデナイトのモル組成は、無水基準
で表して、 1.1Na2O・Al2O3・21SiO2 であった。このモルデナイト粉末100gを、モルデナイト
中のAl原子数に対して等しい銅原子数になるように調製
した0.1mol/lの酢酸銅水溶液に添加し、撹拌した。次い
で、25%アンモニア水を添加し、スラリーのpHが10.5に
なるように調製した。その後、室温にて12時間撹拌し、
銅イオン交換を行った。固液分離後十分水洗し、100℃
で16時間乾燥を行った。化学分析によって求めたCu/Al
原子比は0.61であった。また、中和滴定法によって求め
たアンモニアの量はCu原子数1に対して1.2であった。
実施例2 特開昭60−141617号公報の実施例1に従ってフェリエ
ライトを合成した。フェリエライトのモル組成は、無水
基準で表して、 0.7K2O・0.28Na2O・Al2O3・17SiO2 であった。このフェリエライト粉末50gを、フェリエラ
イト中のAl原子数に対して等しい銅原子数になるように
調製した0.1mol/lの酢酸銅水溶液に添加し、撹拌した。
次いで、25%アンモニア水を添加し、スラリーのpHが9.
0になるように調製した。その後、室温にて12時間撹拌
し、銅イオン交換を行った。固液分離後十分水洗し、10
0℃で16時間乾燥を行った。化学分析によって求めたCu/
Al原子比は0.61であった。また、中和滴定法によって求
めたアンモニアの量はCu原子数1に対して0.9であっ
た。
実施例3 特開昭61−21911号公報の実施例2に従ってY型ゼオ
ライトを合成した。Y型ゼオライトのモル組成は、無水
基準で表して、 1.0Na2O・Al2O3・5.6SiO2 であった。このY型ゼオライト粉末200gを、Y型ゼオラ
イト中のAl原子数に対して等しい銅原子数になるように
調製した0.1mol/lの酢酸銅水溶液に添加し、撹拌した。
次いで、25%アンモニア水を添加し、スラリーのpHが1
1.0になるように調製した。その後、室温にて12時間撹
拌し、銅イオン交換を行った。固液分離後十分水洗し、
100℃で16時間乾燥を行った。化学分析によって求めたC
u/Al原子比は0.50であった。また、中和滴定法によって
求めたアンモニアの量はCu原子数1に対して1.1であっ
た。
実施例4 特開昭57−181409号公報の実施例1に従ってオフレタ
イト/エリオナイトを合成した。オフレタイト/エリオ
ナイトのモル組成は、無水基準で表して、 0.78K2O・0.25Na2O・Al2O3・7.7SiO2 であった。このオフレタイト/エリオナイト粉末50g
を、オフレタイト/エリオナイト中のAl原子数に対して
等しい銅原子数になるように調製した0.1mol/lの酢酸銅
水溶液に添加し、撹拌した。次いで、25%アンモニア水
を添加し、スラリーのpHが10.0になるように調製した。
その後、室温にて12時間撹拌し、銅イオン交換を行っ
た。固液分離後十分水洗し、100℃で16時間乾燥を行っ
た。化学分析によって求めたCu/Al原子比は0.61であっ
た。また、中和滴定法によって求めたアンモニアの量は
Cu原子数1に対して1.0であった。
実施例5 実施例1〜4で得られた銅含有ゼオライトをプレス成
形した後粉砕して42〜80メッシュに整粒し、その1gを常
圧固定床流通式反応管に充填した。ヘリウム流通下で5
℃/minの昇温速度で500℃まで昇温し、昇温後2時間そ
の温度を維持し前処理とした。NOを5000ppm含有するヘ
リウムガスを15cc/minの流量で触媒に流通させ反応を行
った。各反応温度での反応開始1時間後におけるNO転化
率を求めた。その結果を第1表に示す。
比較例1 実施例1で合成したモルデナイト粉末100gをモルデナ
イト中のAl原子数に対して等しい銅原子数になるように
調製した0.1mol/lの酢酸銅水溶液に添加し、室温にて12
時間撹拌した。固液分離後十分水洗した。この操作を3
回操り返した後、100℃で16時間乾燥を行った。化学分
析によって求めたCu/Al原子比は0.40であった。
比較例2 実施例2で合成したフェリエライト粉末100gをフェリ
エライト中のAl原子数に対して等しい銅原子数になるよ
うに調製した0.1mol/lの酢酸銅水溶液に添加し、室温に
て12時間撹拌した。固液分離後十分水洗した。この操作
を3回繰り返した後、100℃で16時間乾燥を行った。化
学分析によって求めたCu/Al原子比は0.42であった。
比較例3 実施例3で合成したY型ゼオライト粉末50gをY型ゼ
オライト中のAl原子数に対して等しい銅原子数になるよ
うに調製した0.1mol/lの酢酸銅水溶液に添加し、室温に
て12時間撹拌した。固液分離後十分水洗した。この操作
を3回繰り返した後、100℃で16時間乾燥を行った。化
学分析によって求めたCu/Al原子比は0.37であった。
比較例4 実施例4で合成したオフレタイト/エリオナイト粉末
50gをオフレタイト/エリオナイト中のAl原子数に対し
て等しい銅原子数になるように調製した0.1mol/lの酢酸
銅水溶液に添加し、室温にて12時間撹拌した。固液分離
後十分水洗した。この操作を3回繰り返した後、100℃
で16時間乾燥を行った。化学分析によって求めたCu/Al
原子比は0.45であった。
比較例5 比較例1〜4で得られた銅含有ゼオライトを用いて、
実施例5と同様の反応を行った。結果を第2表に示す。
実施例6 実施例2で得られた銅含有フェリエライトを用いて、
NO接触分解活性の持続性を試験した。実施例5と同じ装
置を用いて同様の方法で行い、反応温度を500℃とし
た。NO転化率の経時変化を第3表に示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI B01J 29/68 B01J 29/76 A 29/76 B01D 53/36 102C

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】化学組成として1価及び、又は2価の銅を
    含有する、モルデナイト,フェリエライト,Y型ゼオライ
    ト,X型ゼオライト,A型ゼオライト,オフレタイト,エリ
    オナイト,L型ゼオライト,ゼオライトオメガ,クリノプ
    チロライト,ZSM−11,ZSM−12,ZSM−23,ゼオライトロ
    ー,シータ1,ZSM−48,ZSM−50,ZSM−57,ZSM−58から選
    ばれたゼオライトであり、且つ、ZSM−5ではないゼオ
    ライトであり、銅原子数1に対し0.2以上のアンモニア
    を含有する窒素酸化物接触分解触媒。
  2. 【請求項2】水溶性銅塩及び、アンモニアを含む水溶液
    で銅イオン交換を行い、特許請求の範囲第1項記載の触
    媒を製造することを特徴とする窒素酸化物接触の製造方
    法。
  3. 【請求項3】銅イオンを交換する際のゼオライトを含む
    スラリーのpHが4〜12である特許請求の範囲第2項記載
    の方法。
  4. 【請求項4】窒素酸化物を含有するガスから窒素酸化物
    を除去する方法において、化学組成として1価及び、又
    は2価の銅を含有する、モルデナイト,フェリエライ
    ト,Y型ゼオライト,X型ゼオライト,A型ゼオライト,オフ
    レタイト,エリオナイト,L型ゼオライト,ゼオライトオ
    メガ,クリノプチロライト,ZSM−11,ZSM−12,ZSM−23,
    ゼオライトロー,シータ1,ZSM−48,ZSM−50,ZSM−57,ZS
    M−58から選ばれたゼオライトであり、且つ、ZSM−5で
    はないゼオライトであり、銅原子数1に対し0.2以上の
    アンモニアを含有する窒素酸化物接触分解触媒と窒素酸
    化物含有ガスを接触させることを特徴とする窒素酸化物
    の接触分解方法。
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