JP3054154B2 - 触媒集成体を封入した構造、その製造方法およびその使用方法 - Google Patents
触媒集成体を封入した構造、その製造方法およびその使用方法Info
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
-
- B01J35/30—
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/0009—Use of binding agents; Moulding; Pressing; Powdering; Granulating; Addition of materials ameliorating the mechanical properties of the product catalyst
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/04—Mixing
Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、一体化した活性触媒を含む触媒構造に関す
る。
る。
(従来技術) 大きい表面積を有する材料と結合され、バッチからの
化学的な独立性を保持するようにバッチに加えられる触
媒と、構造のバッチ材料が混合される。この混合物は次
に押し出され、焼成または焼結されて、一体化した触媒
を有する構造となる。
化学的な独立性を保持するようにバッチに加えられる触
媒と、構造のバッチ材料が混合される。この混合物は次
に押し出され、焼成または焼結されて、一体化した触媒
を有する構造となる。
通常、セラミックハニカムのような構造はバッチ調製
され、押し出され、焼成され、触媒/上ぬり塗膜スラリ
ーでコートされ、そして焼結されて触媒活性支持体とな
る。このような工程は、使用に際していくつかの問題点
を有している。触媒が上ぬり塗膜のみと一体であるた
め、触媒の滞留時間は、上ぬり塗膜支持体接合界面の一
体性に依存している。この製品を使用時の通常の応力に
さらすと、熱膨張応力,流出物の衝突による機械的応力
および振動ショックによってコーティングが薄離する。
され、押し出され、焼成され、触媒/上ぬり塗膜スラリ
ーでコートされ、そして焼結されて触媒活性支持体とな
る。このような工程は、使用に際していくつかの問題点
を有している。触媒が上ぬり塗膜のみと一体であるた
め、触媒の滞留時間は、上ぬり塗膜支持体接合界面の一
体性に依存している。この製品を使用時の通常の応力に
さらすと、熱膨張応力,流出物の衝突による機械的応力
および振動ショックによってコーティングが薄離する。
もう1つの問題点は、製造工程そのものに関する。コ
ーティング作業は、支持体を作り、それをコートし、そ
して焼結して最終製品にするという多段階工程である。
使用されるまでに、脆いコーティングは、最終目的地に
着くまでの運送中および取扱い中に発生する機械的応力
にさらされる。
ーティング作業は、支持体を作り、それをコートし、そ
して焼結して最終製品にするという多段階工程である。
使用されるまでに、脆いコーティングは、最終目的地に
着くまでの運送中および取扱い中に発生する機械的応力
にさらされる。
この触媒コート支持体に固有の問題を解決するための
従来からの試みは、米国特許第4,295,818号に記載され
るような、バッチ材料に粉末触媒を導入することに向け
られてきた。この特許では、構造全体に亘って触媒が均
一に散在するように触媒をバッチ材料に混合することを
記載している。
従来からの試みは、米国特許第4,295,818号に記載され
るような、バッチ材料に粉末触媒を導入することに向け
られてきた。この特許では、構造全体に亘って触媒が均
一に散在するように触媒をバッチ材料に混合することを
記載している。
このような触媒分布による問題点は、活性触媒のいく
らかが構造自体によって埋められ、その結果活性触媒の
ある部分が接触しにくくなることである。更に、触媒は
構造のマトリックス成分と結合されることもありうる。
触媒がなんらかの形で構造成分と適合できないならば、
構造をその後の分解へと弱めることもある。活性触媒へ
の要求と構造との適合が、特定の触媒支持体系へ使用可
能な触媒のクラスを限定する。
らかが構造自体によって埋められ、その結果活性触媒の
ある部分が接触しにくくなることである。更に、触媒は
構造のマトリックス成分と結合されることもありうる。
触媒がなんらかの形で構造成分と適合できないならば、
構造をその後の分解へと弱めることもある。活性触媒へ
の要求と構造との適合が、特定の触媒支持体系へ使用可
能な触媒のクラスを限定する。
触媒を触媒支持体の構造に一体化するための他の方法
には、米国特許第4,522,940号に開示されるような浸漬
および米国特許第4,536,482号に開示されるような共ス
パッター(cosputtering)などがある。これらの技術は
どちらも、支持体が焼成された後に行われる。従って、
高温反応が起き、触媒支持体系にとって、残留する可能
な結合力は、触媒が支持体と共に焼成される場合より小
さくなる。
には、米国特許第4,522,940号に開示されるような浸漬
および米国特許第4,536,482号に開示されるような共ス
パッター(cosputtering)などがある。これらの技術は
どちらも、支持体が焼成された後に行われる。従って、
高温反応が起き、触媒支持体系にとって、残留する可能
な結合力は、触媒が支持体と共に焼成される場合より小
さくなる。
米国特許第4,657,880号に記載されるように、上ぬり
塗膜材料を支持体に一体化させる試みがなされてきた。
この特許において、上ぬり塗膜が支持体と一体化され
て、触媒材料の後の取り込みのためのより大きな表面積
を与える。この技術は、触媒沈積のための追加的表面積
を与えるが、触媒はまだ支持体構造と一体化してはいな
い。
塗膜材料を支持体に一体化させる試みがなされてきた。
この特許において、上ぬり塗膜が支持体と一体化され
て、触媒材料の後の取り込みのためのより大きな表面積
を与える。この技術は、触媒沈積のための追加的表面積
を与えるが、触媒はまだ支持体構造と一体化してはいな
い。
(発明の目的) 本発明の目的は、前記の従来技術における問題点を解
消する、構造と一体化した活性触媒を提供することであ
り、また、触媒をその触媒支持体の構造に取り込むため
の方法を提供することである。
消する、構造と一体化した活性触媒を提供することであ
り、また、触媒をその触媒支持体の構造に取り込むため
の方法を提供することである。
また、本発明に係る構造は、燃料燃焼による有害な副
産物の触媒作用のために、有機燃料動力装置の排気路内
に都合良く配置される。この構造はまた、内燃機関の排
気路や、耐久性のある大きい表面積を有する触媒が必要
とされるあらゆる反応系において要求される触媒反応に
も使用できる。
産物の触媒作用のために、有機燃料動力装置の排気路内
に都合良く配置される。この構造はまた、内燃機関の排
気路や、耐久性のある大きい表面積を有する触媒が必要
とされるあらゆる反応系において要求される触媒反応に
も使用できる。
(発明の構成) 本発明は、構造と一体化した触媒−組合せ体を与える
ために、大きい表面積の組合せ体上および/またはその
組合せ体全体に分散された活性触媒を提供する。そのよ
うな一体関係を得るために、触媒−組合せ体を得られた
構造に一体化するが、必ずしもこの触媒−組合せ体は構
造の材料と化学的に相互作用しなくてもよいようにして
この触媒−組合せ体をバッチ材料に混合することも本発
明の範囲に入る。
ために、大きい表面積の組合せ体上および/またはその
組合せ体全体に分散された活性触媒を提供する。そのよ
うな一体関係を得るために、触媒−組合せ体を得られた
構造に一体化するが、必ずしもこの触媒−組合せ体は構
造の材料と化学的に相互作用しなくてもよいようにして
この触媒−組合せ体をバッチ材料に混合することも本発
明の範囲に入る。
更に、本発明の実施において、大きい表面積の粉末酸
化物および/または前駆体およびバインダー(好ましく
は有機バインダー)から成る触媒−組合せ体が与えられ
る。
化物および/または前駆体およびバインダー(好ましく
は有機バインダー)から成る触媒−組合せ体が与えられ
る。
有機処理された大きい表面積の触媒−組合せ体は、製
造された後、均一構造塊を得るために構造のバッチ材料
と混合される。次に、この構造塊は適当なダイ形状を通
って押し出され、構造となる。この構造は乾燥され、次
に混合された有機バインダーが焼き尽くされるように焼
結され、多孔性構造内の壁に触媒−組合せ体が残る。こ
れにより、構造と一体化しているが必ずしも構造マトリ
ックスと結合していない容易に触媒できる活性触媒を有
する構造が得られる。
造された後、均一構造塊を得るために構造のバッチ材料
と混合される。次に、この構造塊は適当なダイ形状を通
って押し出され、構造となる。この構造は乾燥され、次
に混合された有機バインダーが焼き尽くされるように焼
結され、多孔性構造内の壁に触媒−組合せ体が残る。こ
れにより、構造と一体化しているが必ずしも構造マトリ
ックスと結合していない容易に触媒できる活性触媒を有
する構造が得られる。
更に、本発明によれば、大きい表面積の触媒−組合せ
体を多孔性焼結金属粉末の構造内に包含させることがで
きる。
体を多孔性焼結金属粉末の構造内に包含させることがで
きる。
更に、本発明によれば、a)大きい表面積の組合せ体
をバッチ材料と混合して構造塊を作り、b)その構造塊
を焼成して固化構造とする工程から成る、大きい表面積
の組合せ体上および/またはその組合せ体全体に亘って
分散された単独のおよび/または複数の触媒から本質的
に成る構造を製造する方法が提供される。この方法をよ
り効果的にするため、触媒は、触媒−組合せ体として押
出前に、バッチ材料に加えられる。
をバッチ材料と混合して構造塊を作り、b)その構造塊
を焼成して固化構造とする工程から成る、大きい表面積
の組合せ体上および/またはその組合せ体全体に亘って
分散された単独のおよび/または複数の触媒から本質的
に成る構造を製造する方法が提供される。この方法をよ
り効果的にするため、触媒は、触媒−組合せ体として押
出前に、バッチ材料に加えられる。
本発明の触媒作用を発揮させる方法によれば、前記構
造を、有機燃料動力装置の排気路および内燃機関の排気
路に配置する。
造を、有機燃料動力装置の排気路および内燃機関の排気
路に配置する。
更に、本発明は、大きい表面積の材料と混合され、次
に有機バインダーでコートされた、構造の壁内にある活
性触媒を提供する。このバインダーは後の焼結中に焼き
尽くされ、構造と化学的に相互作用するかまたは相互作
用しない触媒−組合せ体が残る。触媒−組合せ体は、バ
インダーの完全燃焼の結果として、容器に入れられた触
媒−組合せ体よりもわずかに大きく、多孔性の壁内に物
理的に封入される。この触媒−組合せ体は構造の壁内に
埋め込まれてもよく、および/またはその壁から突出し
ていてもよい。
に有機バインダーでコートされた、構造の壁内にある活
性触媒を提供する。このバインダーは後の焼結中に焼き
尽くされ、構造と化学的に相互作用するかまたは相互作
用しない触媒−組合せ体が残る。触媒−組合せ体は、バ
インダーの完全燃焼の結果として、容器に入れられた触
媒−組合せ体よりもわずかに大きく、多孔性の壁内に物
理的に封入される。この触媒−組合せ体は構造の壁内に
埋め込まれてもよく、および/またはその壁から突出し
ていてもよい。
本発明による製品は、多孔性構造内に封入された複数
の活性触媒−組合せ体である。この触媒は、ロジウム,
レニウム,ルテニウム,イリジウム,パラジウム,白
金,金,銀および/またはそれらの組合せから成る群よ
り選択された貴金属の元素またはそれらの酸化物、ある
いはそれらの化学前駆体であることが好ましい。前記触
媒の組合せの例としてパラジウム−レニウム混合物があ
る。貴金属は単独種および/または複数種で加えてもよ
い。
の活性触媒−組合せ体である。この触媒は、ロジウム,
レニウム,ルテニウム,イリジウム,パラジウム,白
金,金,銀および/またはそれらの組合せから成る群よ
り選択された貴金属の元素またはそれらの酸化物、ある
いはそれらの化学前駆体であることが好ましい。前記触
媒の組合せの例としてパラジウム−レニウム混合物があ
る。貴金属は単独種および/または複数種で加えてもよ
い。
更に、バナジウム,銅,コバルト,マンガン,亜鉛,
ニッケル,クロム,モリブデン,ニオブ,タンタル,タ
ングステン,鉄,チタニウム,ジルコニウムおよび/ま
たはそれらの組合せから成る群より選ばれた卑金属,そ
れらの酸化物および/またはそれらの化学的前駆体も本
発明に追加的に使用できる。また、これらを単独種およ
び/または複数種で追加的に使用できる。複数種の例と
して、鉄−バナジウムの組合せをあげることができる
が、これは単に1つの例示にすぎないものである。
ニッケル,クロム,モリブデン,ニオブ,タンタル,タ
ングステン,鉄,チタニウム,ジルコニウムおよび/ま
たはそれらの組合せから成る群より選ばれた卑金属,そ
れらの酸化物および/またはそれらの化学的前駆体も本
発明に追加的に使用できる。また、これらを単独種およ
び/または複数種で追加的に使用できる。複数種の例と
して、鉄−バナジウムの組合せをあげることができる
が、これは単に1つの例示にすぎないものである。
本発明の有益な使用において、ゼオライトとアルミナ
が触媒の役割としてキャストできる。このゼオライトと
アルミナは、単独で触媒−組合せ体として使用しても良
いし、ここに述べられている他の組合せ体と一緒に使用
されても良い。
が触媒の役割としてキャストできる。このゼオライトと
アルミナは、単独で触媒−組合せ体として使用しても良
いし、ここに述べられている他の組合せ体と一緒に使用
されても良い。
選択された触媒は大きい表面積の酸化物と混合され、
触媒は、得られた触媒−組合せ体上および/またはその
触媒−組合せ体全体に亘って分散されている。大きい表
面積を有する酸化物の例としては、アルミナ,ジルコニ
ア,チタニア,シリカ,スピネル,稀土類酸化物,アル
カリ土類酸化物およびゼオライトがある。この大きい表
面積の酸化物は、同一バッチ材料中、単独あるいは複数
で使用することができる。組合せ体の粒度分布は5−20
0ミクロン,好ましくは5−100ミクロンである。固化さ
れた大きい表面積の触媒−組合せ体は、メチルセルロー
ス,ヘキサデカノール,溶融ワックス,オクタデカノー
ル,シリコーン,エポキシ樹脂および米国特許第4,657,
880号に記載されるような重合化フルフリルあるいはこ
れらの組合せなどの有機バインダーでコートされるかこ
れらの有機バインダーと混合される。次に、得られた触
媒−組合せ体は、バッチ材料に加えられる。
触媒は、得られた触媒−組合せ体上および/またはその
触媒−組合せ体全体に亘って分散されている。大きい表
面積を有する酸化物の例としては、アルミナ,ジルコニ
ア,チタニア,シリカ,スピネル,稀土類酸化物,アル
カリ土類酸化物およびゼオライトがある。この大きい表
面積の酸化物は、同一バッチ材料中、単独あるいは複数
で使用することができる。組合せ体の粒度分布は5−20
0ミクロン,好ましくは5−100ミクロンである。固化さ
れた大きい表面積の触媒−組合せ体は、メチルセルロー
ス,ヘキサデカノール,溶融ワックス,オクタデカノー
ル,シリコーン,エポキシ樹脂および米国特許第4,657,
880号に記載されるような重合化フルフリルあるいはこ
れらの組合せなどの有機バインダーでコートされるかこ
れらの有機バインダーと混合される。次に、得られた触
媒−組合せ体は、バッチ材料に加えられる。
混合触媒を大きい表面積の酸化物上に別々に導入して
混合触媒−組合せ体を作ることもできる。バッチ材料へ
のこのような別々の導入により、大きい表面積を有する
異った特定の酸化物に結合するかもしれないそれぞれの
触媒にビヒクルを与える。触媒構造を意図する反対物に
適合させるため、そのビヒクルによって、前記それぞれ
の触媒が構造に導入される。バッチ材料は、セラミッ
ク,ガラスセラミック,ガラス,サーメット,金属粉
末,前駆体および/またはそれらの組合せのどれでもよ
い。金属粉末は、ステンレススチール300および400シリ
ーズ、または鉄,アルミニウム,銅,ニッケル,チタニ
ウム,カルシウム,錫,クロム,マグネシウム金属粉末
またはこれら金属の合金あるいはそれらの組合せから成
る群より選択される。
混合触媒−組合せ体を作ることもできる。バッチ材料へ
のこのような別々の導入により、大きい表面積を有する
異った特定の酸化物に結合するかもしれないそれぞれの
触媒にビヒクルを与える。触媒構造を意図する反対物に
適合させるため、そのビヒクルによって、前記それぞれ
の触媒が構造に導入される。バッチ材料は、セラミッ
ク,ガラスセラミック,ガラス,サーメット,金属粉
末,前駆体および/またはそれらの組合せのどれでもよ
い。金属粉末は、ステンレススチール300および400シリ
ーズ、または鉄,アルミニウム,銅,ニッケル,チタニ
ウム,カルシウム,錫,クロム,マグネシウム金属粉末
またはこれら金属の合金あるいはそれらの組合せから成
る群より選択される。
適する有機バインダーをバッチに加えて、製品製造中
に多孔性および成形特性を与える。開いた細孔が最も好
ましく、これはバッチ配合および焼成サイクルによって
制御される。細孔は開いていても閉じていても良く、そ
れぞれ60%までの細孔および/または0−20%の細孔を
含む構造となる。バッチ材料として使用されるセラミッ
ク粉末は0.5−200ミクロン、好ましくは0.5−100ミクロ
ンの粉末サイズを有する。金属粉末は、1−200ミクロ
ン、好ましくは0.5−100ミクロンのサイズを有する。自
然発火しやすいので、小さ過ぎる金属粉末を使用しない
ように注意する必要がある。
に多孔性および成形特性を与える。開いた細孔が最も好
ましく、これはバッチ配合および焼成サイクルによって
制御される。細孔は開いていても閉じていても良く、そ
れぞれ60%までの細孔および/または0−20%の細孔を
含む構造となる。バッチ材料として使用されるセラミッ
ク粉末は0.5−200ミクロン、好ましくは0.5−100ミクロ
ンの粉末サイズを有する。金属粉末は、1−200ミクロ
ン、好ましくは0.5−100ミクロンのサイズを有する。自
然発火しやすいので、小さ過ぎる金属粉末を使用しない
ように注意する必要がある。
有用なセラミックバッチ材料の例としては、きん青
石,ムライト,アルミナ,アルミノ珪酸リチウム,ジル
コン,長石,石英,溶融シリカ,カオリンクレー,チタ
ン酸アルミニウム,珪酸塩,スピネルおよびそれらの混
合物がある。最も好ましいセラミックはきん青石であ
る。
石,ムライト,アルミナ,アルミノ珪酸リチウム,ジル
コン,長石,石英,溶融シリカ,カオリンクレー,チタ
ン酸アルミニウム,珪酸塩,スピネルおよびそれらの混
合物がある。最も好ましいセラミックはきん青石であ
る。
特に有用な金属粉末組成は、分析値として少くとも80
重量%のアルミニウムと鉄およびマグネシウムとカルシ
ウムから成る群より選択されたアルカリ土類金属の約1
%以下から本質的に構成される。好ましい金属粉末組成
は、約50−90重量%の鉄,5−30重量%のアルミニウムお
よび随意に焼結助剤として約1%以下のマグネシウムお
よび/またはカルシウム,それに有用な随意付加物とし
て10%までの錫,10%までの銅および10%までのクロム
(ここで錫,銅およびクロムの合計は約20%未満)から
本質的に構成される。これら金属粉末構造の製造方法お
よび特許は、米国特許第4,758,272号に更に詳細に開示
されている。なお、この特許の開示内容は参考のため本
明細書に取り込まれている。
重量%のアルミニウムと鉄およびマグネシウムとカルシ
ウムから成る群より選択されたアルカリ土類金属の約1
%以下から本質的に構成される。好ましい金属粉末組成
は、約50−90重量%の鉄,5−30重量%のアルミニウムお
よび随意に焼結助剤として約1%以下のマグネシウムお
よび/またはカルシウム,それに有用な随意付加物とし
て10%までの錫,10%までの銅および10%までのクロム
(ここで錫,銅およびクロムの合計は約20%未満)から
本質的に構成される。これら金属粉末構造の製造方法お
よび特許は、米国特許第4,758,272号に更に詳細に開示
されている。なお、この特許の開示内容は参考のため本
明細書に取り込まれている。
触媒−組合せ体とバッチ材料が混合されると、これら
の混合物は均質化されて触媒−組合せ体がバッチ材料全
体に均一に分散される。しかし、種々の組成の触媒−組
合せ体が、触媒が排出物の変化する流れに適合するよう
調節されるように、不均一なやり方で、構造内に選択的
に配置される。混合触媒−組合せ体を有する構造は、種
々の成形技術によって適当なモノリシック構造に成形さ
れ、押し出しダイを通って押し出されて、構造、特に当
業者の間でハニカムとして知られる構造となる。成形さ
れた構造は、次に800℃−1500℃、好ましくは800℃−13
00℃の範囲の温度による焼結へと焼成される。焼結は、
不活性の酸化および/または還元雰囲気中で行なわれ
る。
の混合物は均質化されて触媒−組合せ体がバッチ材料全
体に均一に分散される。しかし、種々の組成の触媒−組
合せ体が、触媒が排出物の変化する流れに適合するよう
調節されるように、不均一なやり方で、構造内に選択的
に配置される。混合触媒−組合せ体を有する構造は、種
々の成形技術によって適当なモノリシック構造に成形さ
れ、押し出しダイを通って押し出されて、構造、特に当
業者の間でハニカムとして知られる構造となる。成形さ
れた構造は、次に800℃−1500℃、好ましくは800℃−13
00℃の範囲の温度による焼結へと焼成される。焼結は、
不活性の酸化および/または還元雰囲気中で行なわれ
る。
ハニカムまたは他の構造を焼成した結果、有機バイン
ダーは酸化し、バッチ材料は焼結して強固な構造体を形
成する。焼結はまた、触媒−組合せ体の有効な周囲サイ
ズ収縮を与える。前記の触媒−組合せ体形成工程および
焼結は、開いたおよび/または閉じた細孔を有する構造
に収容された、封入長球状触媒−組合せ体を与える。ハ
ニカム壁およびより小さい封入長球状触媒−組合せ体の
細孔は、可能な反応体への触媒の有効性をもたらす。有
機バインダーの完全燃焼は、活性触媒へ向う流体および
活性触媒からの流体の通路となる微小チャンネルおよび
通路を構造内に残す。
ダーは酸化し、バッチ材料は焼結して強固な構造体を形
成する。焼結はまた、触媒−組合せ体の有効な周囲サイ
ズ収縮を与える。前記の触媒−組合せ体形成工程および
焼結は、開いたおよび/または閉じた細孔を有する構造
に収容された、封入長球状触媒−組合せ体を与える。ハ
ニカム壁およびより小さい封入長球状触媒−組合せ体の
細孔は、可能な反応体への触媒の有効性をもたらす。有
機バインダーの完全燃焼は、活性触媒へ向う流体および
活性触媒からの流体の通路となる微小チャンネルおよび
通路を構造内に残す。
通常、大きい表面積のスピネルがPt塩およびRh塩また
は他の触媒と併用され、分散剤およびアクリルバインダ
ーと混合されてスプレー乾燥される。このスプレー乾燥
された組合せ物は、大きい表面積のスピネルと触媒の固
くて強靭な触媒−組合せ体を与える。これらの触媒−組
合せ体は次に、メチルセルロースをバインダーとして使
用しながらマンガンきん青石ガラス粉末かステンレスス
チール粉末のどちらかと混合され、ハニカムに押し出さ
れる。この工程により、触媒を有する大きい表面積の材
料はハニカムの壁に取り込まれる。前記組合せ体の十分
な一体性を得るために、アクリルなどのバインダーを加
える。それによって、前記組合せ体は押出中に分離しな
い。
は他の触媒と併用され、分散剤およびアクリルバインダ
ーと混合されてスプレー乾燥される。このスプレー乾燥
された組合せ物は、大きい表面積のスピネルと触媒の固
くて強靭な触媒−組合せ体を与える。これらの触媒−組
合せ体は次に、メチルセルロースをバインダーとして使
用しながらマンガンきん青石ガラス粉末かステンレスス
チール粉末のどちらかと混合され、ハニカムに押し出さ
れる。この工程により、触媒を有する大きい表面積の材
料はハニカムの壁に取り込まれる。前記組合せ体の十分
な一体性を得るために、アクリルなどのバインダーを加
える。それによって、前記組合せ体は押出中に分離しな
い。
マンガンきん青石ガラスセラミックは、酸化物をガラ
スに溶け込ませることによって作られる。このガラスは
次のような組成を有している。18.7重量%のMnO2,3.8重
量%のMgO,31.4重量%のAl2O3および46.1重量%のSiO2
である。このガラスを1650℃で溶融し、スラブにキャス
トする。得られたスラブは粉砕され、−325メッシュ
(<44μ)の粉末に磨砕される。この粉末は900℃を越
える温度で結晶化して良好な耐熱衝撃性を有する小さい
熱膨張相となる。この結晶相はβ石英およびきん青石で
ある。
スに溶け込ませることによって作られる。このガラスは
次のような組成を有している。18.7重量%のMnO2,3.8重
量%のMgO,31.4重量%のAl2O3および46.1重量%のSiO2
である。このガラスを1650℃で溶融し、スラブにキャス
トする。得られたスラブは粉砕され、−325メッシュ
(<44μ)の粉末に磨砕される。この粉末は900℃を越
える温度で結晶化して良好な耐熱衝撃性を有する小さい
熱膨張相となる。この結晶相はβ石英およびきん青石で
ある。
(実 施 例) 本発明を以下の実施例に基づいて更に詳細に説明す
る。
る。
実施例1 実施例1において、124.6gの硝酸マグネシウムヘキサ
ハイドレート,364.8gの硝酸アルミニウムノナハイドレ
ートおよび62.8gの硝酸セリウムを蒸溜水に溶解させ
た。478.6gのスピネル粉末(未焼成Reheisスピネル粉
末)を追加の蒸溜水と共に硝酸塩溶液に加え、かくはん
可能な懸濁液を得た。725gの濃縮水酸化アンモニウムを
上記懸濁液と追加水に加えてかくはん可能な懸濁液を維
持した。この懸濁液は、80%のスピネルの形態の懸濁固
体と残り20%のゲルから構成された。スプレー乾燥中の
組合せ体に十分な強度を与えるため、沈降ゲルを加える
必要があった。この懸濁液をナルゲン(nalgene)ボト
ルに移し、遠心分離した。上清液をデカントし、固体沈
澱物を確保した。4.2gのクロロプラチニック酸,10%溶
液の形での1.7gの硝酸ロジウム,および十分な蒸溜水を
固体沈澱物に加えてスラリーとした。81.0gのポリサー
(Polysar)AL603アクリルバインダーおよび50%溶液の
37.0gのディスペックス(Dispex)GA−40アクリルコポ
リマー分散剤(アライドコロイド社製)を加えて1時間
ロールし、スプレー乾燥されるスラリーを作った。
ハイドレート,364.8gの硝酸アルミニウムノナハイドレ
ートおよび62.8gの硝酸セリウムを蒸溜水に溶解させ
た。478.6gのスピネル粉末(未焼成Reheisスピネル粉
末)を追加の蒸溜水と共に硝酸塩溶液に加え、かくはん
可能な懸濁液を得た。725gの濃縮水酸化アンモニウムを
上記懸濁液と追加水に加えてかくはん可能な懸濁液を維
持した。この懸濁液は、80%のスピネルの形態の懸濁固
体と残り20%のゲルから構成された。スプレー乾燥中の
組合せ体に十分な強度を与えるため、沈降ゲルを加える
必要があった。この懸濁液をナルゲン(nalgene)ボト
ルに移し、遠心分離した。上清液をデカントし、固体沈
澱物を確保した。4.2gのクロロプラチニック酸,10%溶
液の形での1.7gの硝酸ロジウム,および十分な蒸溜水を
固体沈澱物に加えてスラリーとした。81.0gのポリサー
(Polysar)AL603アクリルバインダーおよび50%溶液の
37.0gのディスペックス(Dispex)GA−40アクリルコポ
リマー分散剤(アライドコロイド社製)を加えて1時間
ロールし、スプレー乾燥されるスラリーを作った。
スプレー乾燥体の稠度は、マグネシウム・アルミニウ
ム水酸化物ゲルとしてマグネシウムおよびアルミニウム
塩を沈殿させることによって形成されたゲルおよびアク
リルバインダーに依存していた。この稠度により、後に
バッチ材料と混合した際に形状および一体性を維持した
塊が得られた。ボーエンエンジニアリング(Bowen Engi
neering)BE−1074型スプレードライヤーを使用して、1
0psi(703g/cm2)で塊をスプレー乾燥し、ポンプ供給流
量を1分間当り140gとした。出口温度は130℃であっ
た。このスプレー乾燥体を、粗粉および細粉の両方で集
めた。粗粉を集め、バッチ材料と混合した。
ム水酸化物ゲルとしてマグネシウムおよびアルミニウム
塩を沈殿させることによって形成されたゲルおよびアク
リルバインダーに依存していた。この稠度により、後に
バッチ材料と混合した際に形状および一体性を維持した
塊が得られた。ボーエンエンジニアリング(Bowen Engi
neering)BE−1074型スプレードライヤーを使用して、1
0psi(703g/cm2)で塊をスプレー乾燥し、ポンプ供給流
量を1分間当り140gとした。出口温度は130℃であっ
た。このスプレー乾燥体を、粗粉および細粉の両方で集
めた。粗粉を集め、バッチ材料と混合した。
白金およびロジウムを含むスプレー乾燥スピネル触媒
−組合せ体の40重量%をマンガンきん青石ガラス粉末の
60重量%と混合した。この混合物を十分な量の蒸溜水と
均一に混合して生の粘稠物を作った。次にバッチを、15
0μの壁厚を有する400セル/平方インチ(62セル/平方
センチ)のハニカムモノリスに押し出した。このハニカ
ムモノリスを100℃で4時間乾燥した。
−組合せ体の40重量%をマンガンきん青石ガラス粉末の
60重量%と混合した。この混合物を十分な量の蒸溜水と
均一に混合して生の粘稠物を作った。次にバッチを、15
0μの壁厚を有する400セル/平方インチ(62セル/平方
センチ)のハニカムモノリスに押し出した。このハニカ
ムモノリスを100℃で4時間乾燥した。
乾燥したハニカムを、92%の窒素と8%の水素中、90
0℃で焼結した。この焼結ハニカムを、表1と同様の組
成を有するガスを用いて、50,000チェンジ(changes)
/時間の空間速度で触媒活性を試験した。焼結試料は、
質量/容積特性で計算して20g/ft3(706g/m3)の貴金属
濃度を有していた。これらの試料の50%変換温度は一酸
化炭素に関して249℃,炭化水素に関して310℃,そして
NOxに関して266℃であった。
0℃で焼結した。この焼結ハニカムを、表1と同様の組
成を有するガスを用いて、50,000チェンジ(changes)
/時間の空間速度で触媒活性を試験した。焼結試料は、
質量/容積特性で計算して20g/ft3(706g/m3)の貴金属
濃度を有していた。これらの試料の50%変換温度は一酸
化炭素に関して249℃,炭化水素に関して310℃,そして
NOxに関して266℃であった。
実施例2 実施例2において、ゲルが必要ない点以外は実施例1
と同様にして触媒−組合せ体を調製した。300gの大きい
表面積のスピネル,3gの硝酸ロジウムを50%溶液で、そ
して8gのクロロプラチニック酸をスラリー混合物に加え
た。60gのディスペックGA−40と120gのポリサー609を前
記触媒スラリーに加えた。この混合物を実施例1のよう
にスプレー乾燥し、触媒−組合せ体を作った。
と同様にして触媒−組合せ体を調製した。300gの大きい
表面積のスピネル,3gの硝酸ロジウムを50%溶液で、そ
して8gのクロロプラチニック酸をスラリー混合物に加え
た。60gのディスペックGA−40と120gのポリサー609を前
記触媒スラリーに加えた。この混合物を実施例1のよう
にスプレー乾燥し、触媒−組合せ体を作った。
50gの触媒−組合せ体を950gの316Lステンレススチー
ル−325メッシュ(44μ直径未満)粉末と混合し、生の
粘稠物として400セル/平方インチ(62セル/平方セン
チ)のハニカムモノリスに押し出した。壁厚は150μで
あった。このハニカムを100℃で4時間乾燥した。乾燥
したハニカムを、30分間の水素燃焼ガス中、1300℃で30
分間焼結した。この焼結試料は20g/ft3(706g/m3)の触
媒金属濃度を有していた。この触媒モノリスの有効性試
験を実施例1と同じようにして行った。50%変換データ
の結果は、一酸化炭素に関して363℃,炭化水素に関し
て406℃,およびNOxに関して425℃であった。
ル−325メッシュ(44μ直径未満)粉末と混合し、生の
粘稠物として400セル/平方インチ(62セル/平方セン
チ)のハニカムモノリスに押し出した。壁厚は150μで
あった。このハニカムを100℃で4時間乾燥した。乾燥
したハニカムを、30分間の水素燃焼ガス中、1300℃で30
分間焼結した。この焼結試料は20g/ft3(706g/m3)の触
媒金属濃度を有していた。この触媒モノリスの有効性試
験を実施例1と同じようにして行った。50%変換データ
の結果は、一酸化炭素に関して363℃,炭化水素に関し
て406℃,およびNOxに関して425℃であった。
実施例3 実施例3において、9.6重量%のクロロプラチニック
酸と0.891重量%の硝酸ロジウム溶液を十分な水で希釈
し、70重量%のキャタパル(Catapal)Bと16重量%の
キャパタルDと共にペーストを作った。キャタパルBお
よびDはビスタケミカル社(Vista Chemical Co.)から
市販されているものであった。100℃で乾燥後、得られ
た粉末を、3重量%のK75メチルセルロースと14重量%
のシリコーン樹脂粉末に、リトルフォードラボラトリー
ミキサー(Littleford Laboratory Mixer)を用いて3
分間混合し、次にランカスターラボラトリーミックスム
ラー(Lancaster Laboratory Mix−Muller)に入れた。
水−イソプロピルアルコール混合物を加え、塊を20分間
可塑化した。次にこの可塑化塊を1/8″(0.3cm)直径の
押出物の形で押し出し、100℃で乾燥し、−100メッシュ
の触媒−組合せ体にした。Pt/Rh比は10/1であった。
酸と0.891重量%の硝酸ロジウム溶液を十分な水で希釈
し、70重量%のキャタパル(Catapal)Bと16重量%の
キャパタルDと共にペーストを作った。キャタパルBお
よびDはビスタケミカル社(Vista Chemical Co.)から
市販されているものであった。100℃で乾燥後、得られ
た粉末を、3重量%のK75メチルセルロースと14重量%
のシリコーン樹脂粉末に、リトルフォードラボラトリー
ミキサー(Littleford Laboratory Mixer)を用いて3
分間混合し、次にランカスターラボラトリーミックスム
ラー(Lancaster Laboratory Mix−Muller)に入れた。
水−イソプロピルアルコール混合物を加え、塊を20分間
可塑化した。次にこの可塑化塊を1/8″(0.3cm)直径の
押出物の形で押し出し、100℃で乾燥し、−100メッシュ
の触媒−組合せ体にした。Pt/Rh比は10/1であった。
構造のバッチ材料は金属粉末から構成された。この構
造は、72.0重量%の鉄および50%のFeと50%のAlの合金
(どちらの粉末もNo.325米国篩を通過)28重量%を混合
することによって形成された。次にバッチを約3−8重
量%のメチルセルロース,0.5重量%のステアリン酸亜鉛
潤滑剤,0.5−1重量%のオレイン酸湿潤剤に混合し、11
重量%の上記触媒−組合せ体と水に混合した。この混合
物を次に直径1″(2.5cm),長さ5′(152cm)および
400セル/平方インチ(62セル/平方センチ)の断面
と,約150ミクロンのセル壁厚を有する円筒形ハニカム
構造に押し出した。このハニカムを、12″(30cm)の長
さで約300℃未満の温度において12時間乾燥した。金属M
gまたはMgF2をモリブデンボートに装填し、このボート
をハニカム試料を入れたボートの隣りに置いた。並置さ
れたこれらのボートを、ゆっくり流れるアルゴン雰囲気
中、1150℃−1300℃の温度で約15−30分間焼成した。そ
れによって得られた焼結構造は、約1−20ミクロンの空
隙サイズを有する40−50%の空隙率を示した。
造は、72.0重量%の鉄および50%のFeと50%のAlの合金
(どちらの粉末もNo.325米国篩を通過)28重量%を混合
することによって形成された。次にバッチを約3−8重
量%のメチルセルロース,0.5重量%のステアリン酸亜鉛
潤滑剤,0.5−1重量%のオレイン酸湿潤剤に混合し、11
重量%の上記触媒−組合せ体と水に混合した。この混合
物を次に直径1″(2.5cm),長さ5′(152cm)および
400セル/平方インチ(62セル/平方センチ)の断面
と,約150ミクロンのセル壁厚を有する円筒形ハニカム
構造に押し出した。このハニカムを、12″(30cm)の長
さで約300℃未満の温度において12時間乾燥した。金属M
gまたはMgF2をモリブデンボートに装填し、このボート
をハニカム試料を入れたボートの隣りに置いた。並置さ
れたこれらのボートを、ゆっくり流れるアルゴン雰囲気
中、1150℃−1300℃の温度で約15−30分間焼成した。そ
れによって得られた焼結構造は、約1−20ミクロンの空
隙サイズを有する40−50%の空隙率を示した。
多孔性構造に封入された触媒−組合せ体としての性能
試験を行って、従来の触媒コート試料から得られた結果
と比較した。これらのテーブル試験において、表1のガ
ス組成を、50,000チェンジ(changes)/時間の空間速
度で用いた。
試験を行って、従来の触媒コート試料から得られた結果
と比較した。これらのテーブル試験において、表1のガ
ス組成を、50,000チェンジ(changes)/時間の空間速
度で用いた。
表 1 CO 0.65% CO2 7.7% C3H6 300ppm NO 500ppm O2 0.48% H2 0.20% H2O 10% N2 残り 表2は、200ます目および400ます目の試料について、
CO,HCおよびNOxに関して50%変換の起る温度を示してい
る。比較のため、市販製品の試料も表2に入れてある。
CO,HCおよびNOxに関して50%変換の起る温度を示してい
る。比較のため、市販製品の試料も表2に入れてある。
試料6Aおよび6Bは、金属ハニカム構造内の封入された
触媒−組合せ体を有する試料である。試料X,YおよびZ
は、市販製品の試料である。本発明の試料は、許容され
ている市販製品試料と競合できる結果を示した。試料Y
およびZはより多くのロジウムを含んでおり、触媒有効
性が向上されている。
触媒−組合せ体を有する試料である。試料X,YおよびZ
は、市販製品の試料である。本発明の試料は、許容され
ている市販製品試料と競合できる結果を示した。試料Y
およびZはより多くのロジウムを含んでおり、触媒有効
性が向上されている。
ハニカム構造内の封入された触媒−組合せ体は、全て
焼結後に触媒活性を示した。触媒活性は有効表面積に比
例する。通常、従来の触媒コーティングを有する支持体
は、最初に20−40m2/gの表面積を有している。ならし運
転期間後、活性は10−20m2/gに落ちる。多孔性構造内の
封入された触媒−組合せ体は、変動のない表面積を示し
た。まず、表面積は10−20m2/gから出発し、ならし運転
期間後もこのレベルの表面積を維持した。
焼結後に触媒活性を示した。触媒活性は有効表面積に比
例する。通常、従来の触媒コーティングを有する支持体
は、最初に20−40m2/gの表面積を有している。ならし運
転期間後、活性は10−20m2/gに落ちる。多孔性構造内の
封入された触媒−組合せ体は、変動のない表面積を示し
た。まず、表面積は10−20m2/gから出発し、ならし運転
期間後もこのレベルの表面積を維持した。
上記の比較は、構造内の触媒−組合せ体は、上ぬり塗
膜コート支持体より、機械的応力および分解応力に対し
て安定であることを示している。封入触媒の活性が低下
するには、その触媒が解離する前に構造自体がかなりの
劣化を示すはずである。触媒コート支持体は、ならし運
転中、触媒活性の相当な低下を示し、この間に触媒の50
%を犠牲にしている。本明細書に開示するように触媒を
封入することによって、使用する触媒および構造の寿命
をほとんどそこなうことなく、50%の触媒節約を達成で
きる。
膜コート支持体より、機械的応力および分解応力に対し
て安定であることを示している。封入触媒の活性が低下
するには、その触媒が解離する前に構造自体がかなりの
劣化を示すはずである。触媒コート支持体は、ならし運
転中、触媒活性の相当な低下を示し、この間に触媒の50
%を犠牲にしている。本明細書に開示するように触媒を
封入することによって、使用する触媒および構造の寿命
をほとんどそこなうことなく、50%の触媒節約を達成で
きる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラジャ ラオ ウシリカ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 ペイ ンテッド ポスト ウエスト ヒル テ ラス 101 (56)参考文献 特開 昭54−61213(JP,A) 特開 昭55−61938(JP,A) 特開 昭61−212330(JP,A) 特開 平2−6852(JP,A) 特公 昭50−8996(JP,B1) 国際公開87/5231(WO,A1) 欧州特許出願公開27380(EP,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01J 21/00 - 38/74 B01D 53/86 B01D 53/94
Claims (19)
- 【請求項1】燃焼による排気ガスの処理に使用する、開
いた細孔および/または閉じた細孔を有する壁を備えた
ハニカム構造物において、 前記壁は、酸化物と触媒を含んでなる組合せ体が複数封
入されて取り込んでおり、 前記組合せ体が、前記酸化物上および/または前記組合
せ体全体に亘って分散した単独および/または複数の触
媒を有し、かつ前記組合せ体が、約5ミクロンから200
ミクロンの直径を有していることを特徴とするハニカム
構造物。 - 【請求項2】前記触媒が、イリジウム,ロジウム,レニ
ウム,ルテニウム,白金,パラジウム,銀,金および/
またはそれらの組合せから選ばれる元素、および/また
はそれらの酸化物、および/またはそれらの化学前駆体
から成る群より選択されることを特徴とする請求項1記
載のハニカム構造物。 - 【請求項3】前記触媒が、鉄,バナジウム,銅,コバル
ト,ニッケル,クロム,マンガン,チタニウム,ジルコ
ニウム,亜鉛,モリブデン,タングステン,ニオブ,タ
ンタルおよび/またはそれらの組合せから選ばれる元
素、および/またはそれらの酸化物、および/またはそ
れらの化学前駆体から成る群より選択されることを特徴
とする請求項1記載のハニカム構造物。 - 【請求項4】前記触媒が、ゼオライトおよび/またはア
ルミナであることを特徴とする請求項1記載のハニカム
構造物。 - 【請求項5】前記構造物が、珪酸塩,サーメット,ガラ
スセラミック,ガラス,きん青石,アルミノ珪酸リチウ
ム,ムライト,アルミナ,スピネル,ジルコン,長石,
石英,溶融シリカ,カオリンクレー,チタン酸アルミニ
ウムおよび/またはそれらの組合せから成る群より選択
された粉末を含むことを特徴とする請求項1記載のハニ
カム構造物。 - 【請求項6】前記組合せ体が、アルミナ,ジルコニア,
スピネル,シリカ,チタニア,稀土類酸化物,アルカリ
土類酸化物,ゼオライトおよび/またはそれらの組合せ
から成る群より選択される酸化物を含んでいることを特
徴とする請求項1記載のハニカム構造物。 - 【請求項7】前記構造物が、焼結性金属粉末を含むこと
を特徴とする請求項1記載のハニカム構造物。 - 【請求項8】前記構造物が、ステンレススチール300お
よび/または400シリーズ,鉄,アルミニウム,銅,
錫,クロム,マグネシウム,カルシウムおよび/または
それらの組合せから成る群より選択された金属粉末を含
むことを特徴とする請求項7記載のハニカム構造物。 - 【請求項9】前記構造物が、5−50重量%のアルミニウ
ム,30−90重量%の鉄(ここでアルミニウムと鉄の合計
は全組成の少くとも80重量%を構成する)、0−10重量
%の錫,0−10重量%の銅,0−10重量%のクロム(ここで
錫,銅,クロムの合計は20重量%未満である)および随
意に、マグネシウムおよびカルシウムより成る群から選
択された焼結助剤として1重量%以下のアルカリ土類金
属から成る群より選択された金属粉末を含むことを特徴
とする請求項7記載のハニカム構造物。 - 【請求項10】前記組合せ体が、酸化物上および/また
は前記組合せ体全体に分散された触媒の混合物および/
またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項1
記載のハニカム構造物。 - 【請求項11】前記組合せ体が、約5ミクロンから100
ミクロンの直径を有していることを特徴とする請求項1
記載のハニカム構造物。 - 【請求項12】前記構造物が押し出し可能であることを
特徴とする請求項1記載の構造物。 - 【請求項13】前記組合せ体が前記構造物全体に均一に
分散されていることを特徴とする請求項1記載のハニカ
ム構造物。 - 【請求項14】酸化物と触媒を含んでなる組合せ体を取
り込んだ壁を備えた、燃焼による排気ガスの処理に使用
するハニカム構造物を製造する方法であって、 選択された触媒を酸化物およびバインダーと混合して、
酸化物と触媒の混合物を調製し、 この酸化物と触媒の混合物から、酸化物と触媒を含んで
なる組合せ体を形成し、 前記組合せ体を、セラミックまたは金属粉末から成るバ
ッチ材料と混合して、押出バッチを形成し、 前記押出バッチを押し出してハニカム構造物とし、 前記ハニカム構造物を焼成して硬化させる各工程を含ん
でなり、前記組合せ体が、約5ミクロンから200ミクロ
ンの直径を有していることを特徴とする方法。 - 【請求項15】前記組合せ体がスプレー乾燥されること
を特徴とする請求項14記載の方法。 - 【請求項16】前記組合せ体が有機バインダーでコート
されることを特徴とする請求項14記載の方法。 - 【請求項17】前記組合せ体が前記バッチ材料と均一に
混合されることを特徴とする請求項14記載の方法。 - 【請求項18】請求項1−13いずれか1項記載のハニカ
ム構造物を有機燃料動力装置の排気路に配置することか
らなる触媒作用を発揮させる方法。 - 【請求項19】前記ハニカム構造物を内燃機関の排気路
に配置することを特徴とする請求項18記載の触媒作用を
発揮させる方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US219984 | 1988-07-15 | ||
US07/219,984 US4888317A (en) | 1988-07-15 | 1988-07-15 | Catalyst-agglomerate bodies encapsulated in a structure and method for their production |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0271846A JPH0271846A (ja) | 1990-03-12 |
JP3054154B2 true JP3054154B2 (ja) | 2000-06-19 |
Family
ID=22821554
Family Applications (1)
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