JP3435992B2 - 窒素酸化物含有排ガスの浄化方法 - Google Patents

窒素酸化物含有排ガスの浄化方法

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JP3435992B2 JP15371896A JP15371896A JP3435992B2 JP 3435992 B2 JP3435992 B2 JP 3435992B2 JP 15371896 A JP15371896 A JP 15371896A JP 15371896 A JP15371896 A JP 15371896A JP 3435992 B2 JP3435992 B2 JP 3435992B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車エンジン等
の内燃機関から排出される燃焼排ガス、あるいは工場や
火力発電所のボイラーなどから排出される燃焼排ガスな
どのように、窒素酸化物を含有する排ガスから窒素酸化
物を効率良く浄化する方法に関する。
【0002】本発明は、リーンバーン自動車エンジンか
ら排出される排ガスを浄化する方法として好適である。
【0003】
【従来の技術】自動車等の内燃機関から排出される排気
ガスには、窒素酸化物(NOx)が含まれている。窒素
酸化物は、人体に有害であり、また、酸性雨など地球環
境を破壊する原因になる。そこで、排ガス中の窒素酸化
物を浄化する触媒が種々検討されている。
【0004】現在、一般に自動車に装備されている自動
車用排ガス浄化触媒(三元触媒)は、燃料と空気の比率
すなわち空燃比(air/fuel 重量比)がストイキつまり
理論空燃比(air/fuel=14.7 重量比)付近に設定
されている自動車の排ガス処理を目的としている。これ
は、三元触媒では、ストイキ燃焼排ガスに限り、窒素酸
化物のほかに炭化水素と一酸化炭素を同時に処理できる
ことによる。尚、三元触媒は、排ガス中の窒素酸化物と
炭化水素と一酸化炭素を同時に処理できる触媒の総称で
ある。三元触媒のほとんどは、貴金属(ロジウム,白
金)と希土類金属(セリウム)を主成分としている。
【0005】ところが、近年、自動車エンジンは、燃料
消費量を低減する観点から、理論空燃比以上の空燃比で
燃焼させる希薄燃焼(リーンバーン)エンジンの開発が
進められている。リーンバーンでは、排ガス中の酸素の
量が多くなり、従来の三元触媒では酸素の存在下での触
媒活性が悪く、窒素酸化物を効率良く浄化することがで
きない。そこで、三元触媒に代わるリーンバーンエンジ
ン用の排ガス浄化触媒(リーンNOx触媒)の開発が必
要となった。
【0006】リーンバーンエンジン用の排ガス浄化触媒
としては、NOxをリーンバーン時に吸蔵しストイキ燃
焼時に吸蔵NOxを放出して還元するタイプのアルミナ
担体にバリウム酸化物とランタン酸化物及び白金を担持
した触媒(特開平5−261287号公報)等多数が報告されて
いる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】リーンNOx触媒の重
要な技術課題にSO2 による触媒被毒がある。一般に、
硫黄酸化物による触媒被毒はSO2 の酸化によるSO3
化により強められる傾向がある。従って、酸素が過剰に
存在するリーンバーン排ガスにおいてはSO2 のSO3
への酸化が進みやすいことから、リーンNOx触媒はS
Ox被毒を被り易い。そこで、リーンNOx触媒の耐S
Ox性向上に関しても重大な関心が払われ、例えば、硫
酸塩の低温分解を促す成分の添加(特開平6−142458号)
が報告されている。
【0008】本発明の目的は、リーンバーン燃焼におい
て排出される排ガスを硫黄酸化物による被毒を抑制しつ
つ効率よく浄化できる新規な排ガス浄化方法を提供する
ことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は硫黄含有ガス流
中の窒素酸化物を浄化する触媒を用いた排ガス浄化方法
であって、耐硫黄酸化物性を持たせるために、触媒とし
て多孔質担体に活性成分としてストロンチウムとバリウ
ムとカルシウムの少なくとも一つよりなるアルカリ土類
金属とケイ素と希土類金属と貴金属及びマグネシウムを
担持してなりストロンチウムとバリウムとカルシウム
の少なくとも一つよりなるアルカリ土類金属とケイ素が
シリカゾルと該アルカリ土類金属化合物を含む混合溶液
を用いて担持され、非晶質になっている触媒を用いたこ
とを特徴とする。そして、リーン バーン排ガス中の硫黄
酸化物によって被毒され活性が低下した触媒を、理論空
燃比以下の燃焼排ガスを用いかつ該排ガスの温度が50
0〜800℃となるように運転することで再活性化し、
再び排ガス処理に供することを特徴とする。
【0010】孔質担体100重量部に対し、ストロン
チウムとバリウムとカルシウムの少なくとも一つは7〜
30重量%,ケイ素シリカ換算で0.6 〜5重量%担
持されることが望ましい。
【0011】金属としては白金とロジウムが好まし
く、希土類金属としてはセリウムとランタンの少なくと
も一つが好ましい。触媒調製法としては、希土類金属を
まず担持し、次いでアルカリ土類金属としてマグネシウ
ム以外のものを担持し、さらにシリカを担持し、貴金属
として白金とロジウムを担持し、最後にマグネシウムを
担持することが望ましい。
【0012】孔質担体100重量部に対して、希土類
金属5〜20重量%,白0.5〜3重量%,ロジウ
0.05〜0.3重量%,マグネシウム0.5〜2.
0重量%担持されていることが望ましい。
【0013】孔質担体としては、シリカ,ジルコニア
などの多孔質酸化物を使用することができるが、アルミ
ナが最も好ましい。
【0014】本発明の触媒において、各活性成分は以下
の様に機能していると考えられる。アルカリ土類金属と
してストロンチウムを例に説明すると、ストロンチウム
はNOxの吸着場であるが、水蒸気とSO3 により硫酸
ストロンチウムが生成し、NOx吸着能力が低下する。
硫酸ストロンチウム生成を抑制するためには、ストロン
チウムへの水分子の吸着を抑制すると良い。ストロンチ
ウム粒子の周りにはっ水性を有するシリカ粒子を多数分
散させることで、硫酸ストロンチウムの生成が抑制され
る。さらに、ストロンチウム原子の周りにシリカ原子が
隣接することで、はっ水効果がより高まると考えられ
る。ストロンチウムとシリカが原子レベルで乱雑に混合
されると非晶質となり粉末X線では測定が不可能とな
る。このような状態が望ましい。
【0015】白金およびロジウムは窒素酸化物を窒素に
還元する反応の場となる。
【0016】マグネシウムは白金及びロジウム粒子上に
高分散されることで、熱による白金及びロジウムの粒子
の凝集を抑制する。
【0017】本発明の触媒は、ストイキ及びリーンバー
ンのいずれの条件下でも高い排ガス浄化性能を有する。
具体的には、これらの燃焼条件下において排出される排
ガス中の窒素酸化物を炭化水素と一酸化炭素を還元剤と
して窒素に効率良く還元することができる。また、炭化
水素と一酸化炭素を排ガス中の酸素で酸化することもで
きる。これにより炭化水素と一酸化炭素をも処理するこ
とができる。
【0018】貴金属にもSOxは吸着するが永久被毒で
はないので、還元雰囲気すなわち理論空燃比以下の燃焼
排ガスを用いて、500℃〜800℃の温度に触媒を加
熱することで貴金属の再活性化を図ることができる。触
媒活性が低下した場合には、このようにして再活性化し
て、再び排ガス処理に供する。
【0019】本発明の触媒を内燃機関エンジンの排気系
統に搭載することにより、窒素酸化物が車外へ排出され
るのを著しく抑制することができる。
【0020】本発明の触媒は、ディーゼル自動車のディ
ーゼルエンジンから排出される排ガスの処理にも効果を
発揮する。ディーセルエンジンは、酸素過剰の高空燃比
で運転されており、本発明の触媒は酸素含有下において
も優れた活性を示すので、ディーゼルエンジンから排出
される排ガスであっても窒素酸化物を効率良く浄化する
ことができる。
【0021】触媒の調製方法は、含浸法,混練法,共沈
法,ゾルゲル法などのいずれも適用可能である。
【0022】含浸法によってセリウム,シリカ,ストロ
ンチウム,マグネシウム,白金及びロジウムを含む触媒
を調製する場合には、多孔質担体にセリウム化合物を含
む溶液を含浸し乾燥および焼成したのち、シリカ及びそ
の前駆体とストロンチウム化合物を含む溶液を含浸し乾
燥および焼成したのち、白金あるいは白金とロジウム化
合物を含む溶液を含浸し乾燥および焼成し、最後にマグ
ネシウム化合物を含む溶液を含浸し乾燥および焼成する
ことが望ましい。
【0023】前記金属の化合物としては、硝酸化合物,
酢酸化合物,塩化物,硫化物,炭酸化合物,有機化合物
などの種々の化合物を用いることができる。
【0024】本発明の触媒は、200℃以上,500℃
以下の温度域において優れた活性を有し、特に200℃
〜400℃の温度域において高い活性を有する。従っ
て、触媒とガス流とを接触させる温度いわゆる反応ガス
温度は、前記温度範囲に設定することが有効である。ま
た、理論空燃比以上の酸素及び硫黄酸化物が排ガス中に
共存していても高いNOx浄化能力を維持することが可
能である。
【0025】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の排ガス浄化装置
を自動車に設置した例を示している。図1において、エ
ンジン1の後流の排ガス流路2に触媒3が設置されてい
る。
【0026】「実験1」 アルミナに、硝酸Ce溶液を含浸し、200℃で乾燥
後、600℃で1時間焼成した。続いて、硝酸Srとシ
リカゾルを混合した水溶液を含浸し、同様に乾燥,焼成
した。以上により、アルミナ100重量%に対して、C
e18重量%,Sr15重量%,SiO2 4重量%,白
金1.6重量%,Rh0.15重量%,マグネシウム1.
5 重量%を含有する触媒粉末を得た。該触媒粉末にア
ルミナゾルおよび硝酸アルミニウムを加えて撹拌混合し
て得たスラリーをコージェライト製ハニカム(400セ
ル/inc2)にコーティングした。焼成温度は約450℃
で最終コーティング量を200g/lとした実施例触媒
1を得た。
【0027】同様の方法で、希土類金属をCe,貴金属
をRh,Pt,アルカリ土類金属をSr,Ba,Ca,
Mgとし、SiO2 を担持した実施例触媒2〜6を得
た。また、実施例触媒1と同様の触媒調製方法である
が、SiO2 を担持していない比較例触媒1〜6を得
た。
【0028】調製した触媒の組成をまとめて表1に示
す。尚、表1中の担持順序は、第1成分を担持した後、
第2成分を担持し、次いで、第3成分,第4成を順次
に担持することを示す。また、担持量は担持金属種の前
に表示する。
【0029】
【表1】
【0030】実施例触媒1〜6及び比較例触媒1〜6に
ついて、以下の実験方法で窒素酸化物の浄化性能実験を
した。
【0031】実験方法: (1)ハニカム状触媒6cc(17mm角×21mm長さ)を
パイレックス製反応管に充填する。
【0032】(2)反応管を環状電気炉に入れて、30
0℃まで昇温する。温度はハニカム入口ガス温度を測定
する。温度が300℃に達し安定した時点で、ストイキ
燃焼モデル排ガス(ストイキモデル排ガスという)の流
通を開始する。流通3分後にストイキモデル排ガスを停
止し、リーンバーンのモデル排ガス(リーンモデル排ガ
スという)の流通を開始する。反応管から排出されるガ
ス中のNOxを化学発光法により測定する。このときの
NOx浄化性能を初期性能とする。
【0033】(3)前記(2)で使用したハニカム触媒
を充填した反応管を環状電気炉に入れて、300℃まで
昇温する。温度はハニカム入口ガス温度を測定する。温
度が300℃に達し安定した時点で、SO2 含有ストイ
キ燃焼モデル排ガス(被毒ガスという)の流通を開始す
る。SO2 被毒は被毒ガスを5時間流通させて終了とす
る。前記SO2 被毒後のハニカム触媒を用いて(2)と
同様の試験をして、SO2 被毒後のNOx浄化性能を得
る。
【0034】ストイキモデル排ガスとしては、NOを
0.1vol%,C36を0.05vol%,COを0.6vol
%,O2を0.6vol%,H2 を0.2vol%,水蒸気を1
0vol%含み、残部が窒素からなるガスを使用した。ま
た、リーンモデル排ガスとしては、NOを0.06vol
%,C36を0.04vol%,COを0.1vol%,CO2
を10vol%,O2を5vol%,水蒸気を10vol%含み、
残部が窒素からなるガスを使用した。さらに、被毒ガス
としては、NOを0.1vol%,C36を0.05vol%,
COを0.6vol%,O2 を0.6vol%,SO2 を0.0
05vol%,水蒸気を10vol% 含み、残部が窒素から
なるガスを使用した。前記3種類のガスの空間速度は、
乾燥ガス(水蒸気を含まない)で60,000/hとし
た。
【0035】表2に、初期およびSO2 被毒後のハニカ
ム触媒のストイキおよびリーンモデル排ガス流通開始1
分後のNOx浄化率を示した。NOx浄化率は、下記の
式に従って算出した。
【0036】
【数1】
【0037】また、SO2 被毒によるリーンNOx浄化
率の低下は、下記の式に従って算出した。
【0038】
【数2】
【0039】SiO2 担持によりSO2 被毒によるリー
ンNOx浄化率の低下率は−5〜−15%と改善され
た。
【0040】
【表2】
【0041】「実験2」 実施例触媒1の変形として、シリカゾルとアルカリ土類
金属との混合溶液を用いない以外は実施例触媒1と同様
の触媒調製法により比較例触媒7〜9を得た。表3に比
較例触媒の組成を示す。
【0042】
【表3】
【0043】実験1の実験方法と同様の方法でNOx浄
化率を得た。表4に結果を示す。実施例触媒1の方が
Ox浄化率と低下率の双方において優れていた。
【0044】
【表4】
【0045】「実験3」 実施例触媒1とは希土類金属の種類を変えた実施例触媒
7,8を、実施例触媒1と同様の触媒調製法により得
た。表5に実施例触媒7,8の組成を示す。
【0046】
【表5】
【0047】実験1の実験方法と同様の方法でNOx浄
化率を得た。表6に結果を示す。
【0048】
【表6】
【0049】「実験4」 実施例触媒1と比較例触媒1について、実験1の実験方
と同じ方法でSO2被毒処理をした後の硫酸濃度をF
T−IRより求めた。実施例触媒1の硫酸濃度は比較例
触媒1の1/3程度であった。
【0050】「実験5」 実施例触媒1と比較例触媒1について、実験1の実験方
と同じ方法でSO2被毒処理をする前後のNO吸着量
を比較した。測定は還元処理後の触媒を50℃に保持
し、NOをパルス導入することで触媒に吸着するNO量
を求めた。表7に触媒単位重量当りのSO2 被毒前のN
O吸着量を100とした場合の、被毒後のNO吸着量の
相対比を示す。実施例触媒1は比較例触媒1に対してN
Ox浄化に必要なNO吸着点の減少が抑制されている。
【0051】
【表7】
【0052】「実験6」 実施例触媒1において、SiO2 の担持量を変化させた
ときのNOx浄化率を測定した。触媒調製方法は実施例
触媒1と同じ、実験方法は実験1の実験方法と同じにし
た。結果を表8に示した。SiO2 を担持することで、
初期のNOx浄化率は向上する。また、SiO2 の担持
量を0.6wt%〜5wt%とすることで、SO2被毒後
のNOx浄化率を60%にできる。
【0053】
【表8】
【0054】「実験7」 実施例触媒1において、セリウムの担持量をアルミナ1
00重量部に対して、0〜40重量部の範囲で変化させ
た触媒を調製した。実験1の実験方法と同じ方法でSO
2 処理前のNOx浄化率を測定した。結果を図2に示
す。希土類金属の担持量を5〜20重量%とすることで
高いNOx浄化率が得られる。
【0055】「実験8」 実施例触媒1において、ストロンチウムの担持量をアル
ミナ100重量部に対して、0〜40重量部の範囲で変
化させた触媒を調製した。実験1の実験方法と同じ方法
でSO2 処理前のNOx浄化率を測定した。結果を図3
に示す。ストロンチウムの担持量を7〜30重量%とす
ることで高いNOx浄化率が得られる。
【0056】「実験9」 実施例触媒1において、貴金属の担持量をアルミナ10
0重量部に対して、0〜4重量%の範囲で変化させた触
媒を調製した。実験1の実験方法と同じ方法でSO2
理前のNOx浄化率を測定した。結果を図4に示す。白
金の担持量を0.1〜2.8重量%,ロジウムの担持量を
0.1〜0.3重量%とすることで高いNOx浄化率が得
られる。
【0057】「実験10」 実施例触媒1において、マグネシウムの担持量をアルミ
ナ100重量部に対して、0〜2.5 重量%の範囲で変
化させた触媒を調製した。実験1の実験方法と同じ方法
でSO2 処理前のNOx浄化率を測定した。結果を図5
に示す。マグネシウムの担持量を0.5〜2.0重量%と
することで高いNOx浄化率が得られる。
【0058】「実験11」 実施例触媒1と比較例触媒1を800℃または900℃
で5時間焼成した後、実験1の実験方法と同様の試験を
した。表9に結果を示す。焼成温度を高くしても実施例
触媒1のSO2 劣化は低い。
【0059】
【表9】
【0060】「実験12」 実施例触媒1についてMg,Rh,Ptを担持しないS
r,SiO2 ,Ce担持触媒の粉末X線回折測定をし
た。結果を図6に示した。Al23以外のピークは存在
せず、Sr及びケイ素は非晶質として担持されていた。
ケイ素とSrの複合酸化物が形成されていると考えられ
る。一方、Sr,Ce担持触媒の粉末X線回折測定の結
果、SrCO3 に帰属されるピークが確認された。
【0061】「実験13」 実施例触媒1を実験1の実験方法と同じ方法であるが、
SO2 処理時間を10時間とした。ここで、SO2 処理
10時間後のリーン1分後のNOx浄化率を測定した。
次に、実験1の実験方法に記載のストイキモデル排ガス
を30分間流通するストイキ処理をした。その時の温度
は500℃とした。温度を300℃に冷却後、リーンモ
デル排ガスを流通し、1分後のNOx浄化率を測定し
た。結果を表10に示した。ストイキ処理で触媒性能が
回復した。
【0062】
【表10】
【0063】「実験14」 実施例触媒1のハニカム体積を1.7 リットルとし、1
0−15モード実車走行試験による、NOx総排出量,
炭化水素総排出量、およびCO総排出量のバック測定を
した。試験装置は、シャシダイナモメータ上に設置され
た排気量1800ccのエンジンを有するガソリン自動車であ
り、ハニカムは自動車の床下,排気管流路に1個設置し
た。試験条件は15モード走行をした後、10−15モ
ード試験をするホットスタートとした。
【0064】試験の結果、NOx総排出量は国内規制値
0.25g/kmに対して0.068g/km,炭化水素総排
出量は0.025g/km(国内規制値0.25g/km)、
およびCO総排出量は0.016g/km(国内規制値2.
1g/km)と国内規制値を十分に満足するものであっ
た。
【0065】また、実験1の(3)の方法に従ってハニ
カム体積1.7 リットルの実施例触媒をSO2 被毒処
理した後、前述の10−15モード試験をした。
【0066】試験の結果、NOx総排出量は0.010
g/km、炭化水素総排出量は0.049g/km(国内規制値
0.25g/km)、およびCO総排出量は0.030g/
km(国内規制値2.1g/km)とSO2被毒後も国内規制
値を十分に満足するものであった。
【0067】「実験15」 実施例触媒1のハニカム体積を1.7 リットルとし、排
気量1800ccのエンジンを有するガソリン自動車の床
下,排気管流路に1個設置した。20ppm のSO2 が含
まれる排ガスで10,000km 走行した後、NOx浄化
率を測定したところ、NOx浄化率の定常値は50%で
あった。
【0068】
【発明の効果】本発明によれば、酸素を含む排ガスか
ら、窒素酸化物を効率良く浄化することができ、かつ触
媒は排ガス中に微量含まれる触媒被毒物質である硫黄に
対して耐性を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による触媒を搭載した自動車の
概念図。
【図2】希土類金属担持量とNOx浄化率との関係を示
すグラフ。
【図3】ストロンチウム担持量とNOx浄化率との関係
を示すグラフ。
【図4】貴金属担持量とNOx浄化率との関係を示す等
高線図。
【図5】マグネシウム担持量とNOx浄化率との関係を
示す等高線図。
【図6】触媒のXRD測定結果を示す図。
【符号の説明】
1…エンジン、2…排ガス流路、3…触媒。
フロントページの続き (72)発明者 花岡 博史 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 小川 敏雄 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 山下 寿生 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 小豆畑 茂 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 北原 雄一 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所 自動車機器事業 部内 (72)発明者 平塚 俊史 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所 自動車機器事業 部内 (56)参考文献 特開 平8−57314(JP,A) 特開 平5−200287(JP,A) 特開 平5−200288(JP,A) 特開 平6−15182(JP,A) 特開 平8−99034(JP,A) 特開 平9−122486(JP,A) 特開 平8−224469(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01J 21/00 - 38/74 B01D 53/94

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸素が過剰に存在するリーンバーン排ガス
    に含まれる窒素酸化物を触媒によって浄化する方法にお
    いて、 前記触媒が、多孔質担体上に、活性成分としてストロン
    チウムとバリウムとカルシウムの少なくとも一つよりな
    るアルカリ土類金属とケイ素と希土類金属と貴金属及び
    マグネシウムを担持してなり、 ストロンチウムとバリウムとカルシウムの少なくとも一
    つよりなる前記アルカリ土類金属とケイ素が、シリカゾ
    ルと該アルカリ土類金属化合物を含む混合溶液を用いて
    担持され、非晶質になっており、 前記リーンバーン排ガス中の硫黄酸化物によって被毒さ
    れ活性が低下した前記触媒を、理論空燃比以下の燃焼排
    ガスを用いかつ該排ガスの温度が500〜800℃となる
    ように運転することで再活性化し、再び排ガス浄化処理
    に供することを特徴とする窒素酸化物含有排ガスの浄化
    方法。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記貴金属は白金とロ
    ジウムであることを特徴とする窒素酸化物含有排ガスの
    浄化方法。
  3. 【請求項3】請求項2において、前記多孔質担体100
    重量部に対して、 希土類金属を5〜20重量%、 ストロンチウムとバリウムとカルシウムの少なくとも一
    つを7〜30重量%、 ケイ素をシリカ換算で0.6〜5重量%、 白金を0.5〜3重量%、 ロジウムを0.05〜0.3重量%、 マグネシウムを0.5〜2.0重量%含むことを特徴とす
    る窒素酸化物含有排ガスの浄化方法。
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