JP3460797B2 - 脱臭浄化触媒体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は脱臭浄化触媒に関す
る。特に、微生物分解反応を利用した家庭用生ゴミ処理
機より発生するアンモニア成分と水分とを含有した排気
の脱臭処理に好適な脱臭浄化触媒の提供を可能とするも
のである 【０００２】 【従来の技術】従来より脱臭浄化触媒体は、種々の分野
で広く利用されてきた。代表的には自動車用排気ガスの
脱臭浄化用途、有機系排ガスの脱臭浄化用途、暖房機で
あるファンヒータの石油系臭気の脱臭浄化用途が挙げら
れる。このような脱臭浄化触媒を使用する主な目的は、
人体に有害な成分を除去すると共に、不快な臭気を取り
去り、快適な生活空間を作り出すことにある。 【０００３】これらの脱臭浄化触媒体に用いる触媒担体
を構成するには金属又はセラミックス等よりなるハニカ
ムに、ウオッシュコートと触媒金属粒子とを組み合わせ
使用されてきた。このとき、担持する触媒金属量は、一
般に２ｇ／ｌ以下の量として用いられることが多く、脱
臭効率を考慮して触媒金属とウオッシュコートとの相互
の量的関係について、考慮する必要性もなかった。ここ
で、本件において用いる「ｇ／ｌ」の単位は、以上及び
以下においてウオッシュコートに触媒金属を担持したも
のを触媒として捉へ、この触媒体積１リットルあたりの
グラム数として表示するものとする。 【０００４】従来の触媒体の開発の方向性は、ウオッシ
ュコートに担持する触媒活性物質の分散度を高める方向
でなされてきた。これは、触媒活性物質の分散度を高
め、触媒として機能する有効表面積を増加させるためで
あり、そのためには出来るだけ広い表面積の上に分散さ
せる必要がある。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
の目的とするところである生ゴミ処理機より生ずる排ガ
ス脱臭に用いる場合は、従来の処理排ガスとは根本から
異なることがある。即ち、従来の燃焼ガスに代表される
ように、単に水分量の高い排気ガスの脱臭処理に触媒が
用いられてきた。ところが、高い水分量を有していて
も、燃焼ガスを浄化する際には、その排気ガス温度が高
いため、何ら問題は生じなかった。 【０００６】ここで、触媒型の脱臭器を家庭用の生ゴミ
処理機に組み込むことを考えてみると、いくつかの制約
条件が課せられ、次のような使用環境下で触媒能力を発
揮できるものとしなければならない。生ゴミ処理機に
触媒型の脱臭器を用いることで電力コストを極めて高く
することはできない。生ゴミから確実に臭気の発生が
あるとしても、大量の臭気ガスの処理は必要ではない
が、特異的に含有水分量が高く、アンモニア含有臭気ガ
スであるという特徴を有する。発生ガス量が少なく、
脱臭温度が低く、しかも触媒体内の通過線速が遅いとい
う特徴を有する。 【０００７】発明者らは、上述の環境下で従来の触媒を
用いて脱臭処理を行ってみた。その結果、従来の触媒を
そのまま使用しても、予期した触媒活性を示さず、アン
モニア脱臭能力が低下し、脱臭反応を維持するために
は、より高い活性化温度が必要となることが分かった。
これらは排ガスが高い水分を含有することに起因してい
るようであり、このような脱臭触媒を生ゴミ処理機に用
いれば、消費電力の削減等の目的を達成できないことと
なる。従って、生ゴミ処理機の脱臭触媒に、従来より使
用してきた脱臭触媒及び触媒担持理論がそのまま応用で
きないこととなる。 【０００８】人間の嗅覚は犬等の動物ほどはないまで
も、臭いに対して鋭敏に反応する。例えば、臭いの元と
なるものが８０％減少しても、臭いの元となる物質量に
対して指数関数的に反応すると言われる人間の嗅覚で
は、さほど減少したとは捉えられないのである。従っ
て、生ゴミ処理機に用いる脱臭触媒には、ほぼ１００％
の脱臭を可能とすることが要求されるのである。 【０００９】 【課題を解決するための手段】そこで、本件発明者ら
は、従来より使用してきた脱臭触媒の種類及び触媒担持
理論について鋭意研究を行った。この結果、従来広く使
用してきた白金系触媒は、アンモニア含有臭気に対して
も十分な脱臭効果を発揮するが、高い水分量の臭気ガス
を脱臭処理する際には、触媒担持量とウオッシュコート
量との構成量比を考慮しなければ安定した性能を維持で
きないことが判明した。この内容を以下に示すことで本
出願に係る発明を説明する。 【００１０】本件発明者らは、従来の白金担持触媒を用
いて、生ゴミ処理機より発生するアンモニア性臭気の脱
臭浄化に関する研究を行っていたところ、十分なアンモ
ニア臭気の脱臭浄化ができないという現象が発生した。 【００１１】この現象を解明すべく本件発明者らは、触
媒入口ガス温度と排気ガス中のアンモニア浄化率との関
係を調査してみた。触媒入口ガス温度との関係を調べた
のは、触媒は触媒活性化温度以上とならなければ正常に
機能せず、脱臭又は燃焼等の機能を発揮しないからであ
り、触媒活性化温度を維持できるか否かは触媒入口ガス
温度により左右されるからである。 【００１２】この結果を図１の触媒入口ガス温度（℃）
と排気ガス中のアンモニア浄化率（％）との関係として
示した。ここで用いた脱臭触媒体には、２ｇ／ｌの触媒
金属と４０ｇ／ｌのウオッシュコートとを組み合わせて
担持したものを用いている。この図１の（ａ）の曲線か
ら分かるように、生ゴミから発生する臭気ガスのように
７．４％の水蒸気濃度の排気ガスで１００％のアンモニ
ア浄化率を達成するためには、触媒入口ガス温度を２３
０℃以上の温度とすることが必要であることが分かる。 【００１３】これに対し、図１の（ｂ）の曲線から分か
るように、水蒸気濃度を図１の（ａ）の１／７である
１．６％にしたときは、脱臭反応が１３０℃から開始
し、１８０℃で４０％、１９０℃で６２％、２００℃で
８１％、２１０℃で９８％、２２０℃で１００％とな
り、１００％のアンモニア浄化率を達成するためには、
触媒入口ガス温度が２２０℃以下で足りることになる。
従って、処理すべき臭気ガス中に水分が含有されている
か否かにより、触媒を用いた脱臭効果に差が生じること
が分かる。 【００１４】これらのことを考慮して、生ゴミ処理機に
使用する脱臭触媒として使用する場合は、できる限り使
用電力を削減することを考えると、乾燥した状態のアン
モニア臭気を処理したときと同等の性能を確保すること
を目標として、触媒入口ガス温度が２００℃以下で、１
００％のアンモニア浄化率となることを目的とする必要
があるといえる。そこで、本件発明者らは、触媒担持量
とウオッシュコート量との構成量比を考慮して、水分を
含有したアンモニア性臭気の脱臭に及ぼす影響を検証し
た。その結果を、図２に示した。 【００１５】この図２から分かることは、最も低い触媒
入口ガス温度である１９０℃を示したのは触媒担持量２
ｇ／ｌでウオッシュコート量６ｇ／ｌとしたときであっ
た。図２の各曲線に付した１〜８の数字は、［ウオッシ
ュコート量（ｇ／ｌ）］／［触媒担持量（ｇ／ｌ）］の
構成比を表したものである。表１にウオッシュコート量
（ｇ／ｌ）と触媒担持量（ｇ／ｌ）との具体的数値を示
した。 【００１６】 【表１】 【００１７】この図２より、触媒入口ガス温度が２００
℃以下で、１００％のアンモニア浄化率を達成すること
ができるのは、触媒担持量とウオッシュコート量との構
成量比を［ウオッシュコート塗布量（ｇ／ｌ）］／［触
媒金属量（ｇ／ｌ）］＝１〜５の範囲となるように調整
した場合であることが分かる。中でも、［ウオッシュコ
ート塗布量（ｇ／ｌ）］／［触媒金属量（ｇ／ｌ）］＝
３の関係となるよう触媒担体であるハニカムに担持する
ウオッシュコート塗布量と担持する触媒金属量とを調整
した場合が、高湿度環境中で使用するものである脱臭浄
化処理触媒として最も効率の良いものとなることが分か
った。 【００１８】このような現象は、触媒金属とウオッシュ
コートとの量比によって、担持したときの触媒金属粒子
のウオッシュコート粒上での存在形態が異なるためと考
えられる。ここで、ウオッシュコートを担持した直後の
ウオッシュコート層の表面の形状を断面から捉えると、
図３に示す模式図のように、ウオッシュコート層はウオ
ッシュコート粒が積層した状態となっており、このウオ
ッシュコート粒の量の増加に比例して反応界面面積を増
加させる役割を果たすものとなる。 【００１９】このウオッシュコート塗布処理の後に、触
媒金属粒子をウオッシュコート粒上に担持して、担体へ
の触媒担持処理が完了する。このときの触媒金属粒子の
量が変化した場合の触媒金属粒子のウオッシュコート粒
上での分布状態は次のように考えられる。ここでは、ウ
オッシュコート量は一定として考えることとする。 【００２０】最初に触媒金属粒子が少ない場合を考え
る。触媒金属粒子が少ない場合とは、前述の触媒担持量
とウオッシュコート量との構成量比が［ウオッシュコー
ト塗布量（ｇ／ｌ）］／［触媒金属量（ｇ／ｌ）］＝５
以上の状態を想定したものとする。このときの触媒金属
担持後のウオッシュコート粒の表面には、触媒金属粒子
が疎らに分布し、ウオッシュコートの露出した表面部位
が現れることとなる。この様子を担体断面として模式的
に示したのが図４である。 【００２１】ウオッシュコートはそもそも触媒表面より
水分子を吸着しやすい。この吸着した水分子は温度を上
昇させることで脱離可能であるが、脱離温度がウオッシ
ュコート上と触媒金属粒子上とでは異なる。本発明に係
る研究から考えるに、ウオッシュコート上では約２５０
℃、触媒金属粒子上では約１９０℃程度であると考えら
れる。 【００２２】従って、図４に示すような状態で、水蒸気
として水分を含んだ臭気ガスの脱臭を行おうとすると、
ウオッシュコート粒の露出した表面部位に水の気体分子
が吸着し、この吸着した水の気体分子の脱離がなされな
い状態では、反応の対象となるアンモニアの触媒金属粒
子との接触が阻害されることになる。そのため、１００
％のアンモニア浄化率を確保するためには、ウオッシュ
コート粒に吸着した水の気体分子の脱離が必要であり、
脱離に必要な温度まで触媒入口温度を高める必要があ
る。 【００２３】一方で、触媒金属粒子を多くした場合を考
える。触媒金属粒子を多くした場合とは、前述の触媒担
持量とウオッシュコート量との構成量比が［ウオッシュ
コート塗布量（ｇ／ｌ）］／［触媒金属量（ｇ／ｌ）］
＝１以下の状態を想定したものとする。このときの触媒
金属担持後のウオッシュコート粒の表面には、触媒金属
粒子が積み重なった積層状態となっていると考えられ
る。この状態の担体の模式的断面図を図５に示した。 【００２４】この場合は、ウオッシュコート粒上で金属
触媒粒子が重なり合った状態となり、脱臭反応の反応界
面面積を広くしていたウオッシュコート粒の持つ凹凸形
状を平坦な形状とし、臭気ガスが通過するウオッシュコ
ート粒間を狭め、トータル的にみると反応界面面積を減
ずるように作用していると考えられる。その結果、触媒
脱臭反応速度を阻害する状況が生じ、担持した触媒金属
量に応じた脱臭反応を実現することができず、触媒入口
ガス温度を高くすることで、反応速度を速くさせる必要
性が生じるものと考えられる。 【００２５】ところが触媒を担持する際の触媒担持量と
ウオッシュコート量との構成量比を［ウオッシュコート
塗布量（ｇ／ｌ）］／［触媒金属量（ｇ／ｌ）］＝１〜
５の範囲とすると、担持したウオッシュコートと触媒金
属粒子とが図６に示すような状態になっていると考えら
れる。即ち、触媒金属粒子がウオッシュコート粒の持つ
凹凸形状を損なうことなく、ウオッシュコート粒表面を
隙間無く覆った状態であると考えられる。 【００２６】このような触媒金属粒子の担持形態は、ウ
オッシュコート層が露出することなく、排ガスに含まれ
る水の気体分子を強固に吸着する箇所が減少し、触媒金
属粒子からの水分子の脱離のみを考慮すればよいため、
低い温度で水の気体分子の脱離ができるようになる。し
かも、触媒金属粒子の担持後の反応界面面積も大きく変
化しないと考えられる。従って、このような触媒金属の
担持状態であれば、結果として低い触媒入口ガス温度
で、水分を含む排気ガスの十分な触媒脱臭効果を得るこ
とが可能となるものと考えられる。 【００２７】本件において、触媒担持量とウオッシュコ
ート量との構成量比を［ウオッシュコート塗布量（ｇ／
ｌ）］／［触媒金属量（ｇ／ｌ）］を用いて発明を定義
している。これは、例えば、ウオッシュコート塗布量
が６ｇ／ｌで触媒金属量を２ｇ／ｌとした場合、ウオ
ッシュコート塗布量が１２ｇ／ｌで触媒金属量を４ｇ／
ｌとした場合、ウオッシュコート塗布量が２４ｇ／ｌ
で触媒金属量を８ｇ／ｌとした場合、以上の、、
のいずれも構成量比が［ウオッシュコート塗布量（ｇ／
ｌ）］／［触媒金属量（ｇ／ｌ）］＝３の関係となり、
図７に示すような脱臭性能を示す。 【００２８】図７より、［ウオッシュコート塗布量（ｇ
／ｌ）］／［触媒金属量（ｇ／ｌ）］＝３の関係を満た
せば脱臭反応温度が低くなり、ウオッシュコート塗布量
が多く、触媒金属量が多いほど脱臭反応温度が低くな
り、目標である２００℃以下での完全脱臭を達成してい
ることが分かる。更に、［ウオッシュコート塗布量（ｇ
／ｌ）］／［触媒金属量（ｇ／ｌ）］＝３の関係を維持
しつつ、触媒金属量を増やせば、より反応が速くなって
いることも分かる。このことから、各ウオッシュコート
量により形成される凹凸面の面積と触媒金属粒子の担持
量とが図６に示すような状態で担持できれば、接触反応
界面面積の変化も、触媒金属粒子担持後のウオッシュコ
ート粒間の臭気ガス通過状況を阻害されることも無きこ
とを意味している。 【００２９】即ち、［ウオッシュコート塗布量（ｇ／
ｌ）］／［触媒金属量（ｇ／ｌ）］＝１〜５の関係を維
持したままで、担体であるハニカムの耐久性、耐腐食性
等目的とする性能を考慮して、ウオッシュコート量を決
定することも可能となり、使用環境に応じた触媒体の設
計が可能となる。 【００３０】以上に述べたことと併せ、生ゴミ処理機に
使用する脱臭触媒であり、生ゴミ処理機より発生する含
有水分量の高いアンモニア性臭気の脱臭浄化に用いるこ
とを前提に考える。生ゴミ処理機が家庭用に普及可能な
家電製品として妥当な消費電力とするためには触媒入口
ガス温度が２００℃以下で、１００％のアンモニア浄化
率を達成することができると言う条件を満足するものと
して、請求項１に記載の、ウオッシュコートであるγ−
アルミナ又はジルコニアと組み合わせて白金又は白金合
金からなる触媒金属粒子を担持した触媒の担体であるハ
ニカムを備えた脱臭浄化触媒体において、塗布したウオ
ッシュコート量と触媒金属量との量比を［ウオッシュコ
ート塗布量（ｇ／ｌ）］／［触媒金属量（ｇ／１）］＝
１〜５の範囲としたことを特徴とする家庭用生ゴミ処理
機用の脱臭浄化触媒体としているのである。 【００３１】ここで言うハニカムには、金属フォイルに
て構成したもの、セラミック成形品、多孔質材料等触媒
担持の可能な担体となりうるもの全てを含む概念として
記載している。触媒金属粒子とは、貴金属含有コロイド
から得られる白金粒子、白金化合物溶液を含浸した後に
乾燥−焼成して得られる白金粒子の様に一般的に知られ
たものを用いることが可能である。更に、ここで用いる
ウオッシュコートにはγ−アルミナ、ジルコニアまたは
それらを主成分とするものを用いることが望ましい。 【００３２】そして、触媒金属粒子を構成する触媒金属
には、白金及び白金合金を用いるのである。このように
白金及び白金合金が、水分を含むアンモニア性臭気の脱
臭に最も効果的に作用するからである。 【００３３】 【発明の実施の形態】以下、本発明の最良と思われる実
施の形態について説明する。 【００３４】第１実施形態： 最初に、センターポール
１に波形フォイル２とスペーサフォイル３とを接続し、
センターポール１を中心として波形フォイル２とスペー
サフォイル３とを巻き上げて、図８に示すような一般的
巻き上げ触媒体４を製造した。このとき波形フォイル２
及びスペーサフォイル３には、耐熱合金であるＦｅ−２
０％Ｃｒ−５％Ａｌ−０．０８％Ｌａの組成のステンレ
ス材を用い、センターポール１にはＳＵＳ３１６製４ｍ
ｍ径のステンレス材を用いた。 【００３５】そして、この巻き上げ触媒体に、ウオッシ
ュコートの塗布を行った。ここで用いたウオッシュコー
トの組成は、γ−アルミナを用いた。このときのウオッ
シュコートの塗布条件は、ステンレス製の触媒担体をγ
−アルミナのゾル中に浸漬した後に、１２０℃×３０分
の乾燥処理を行い、５００℃×５時間の焼成処理を行っ
たのである。 【００３６】その後、白金を含んだ化合物溶液にウオッ
シュコート塗布後の触媒体を浸漬し、触媒担持を行っ
た。ここで用いた貴金属溶液は、白金ニトロアンミン錯
塩（Ｐｔ（ＮＨ₃）₂（ＮＯ₂）₂）である。 【００３７】最終的に、１２０℃の温度で予備乾燥し、
オーブン中で５００℃で６０分間焼成し、３５０℃で水
素還元を３０分間し、触媒体を製造した。 【００３８】この触媒体を用いて、水分を含んだアンモ
ニア含有排気の脱臭浄化試験を行ってみたところ、触媒
入口ガス温度が１９０℃で１００％のアンモニア臭気の
脱臭が可能となった。 【００３９】第２実施形態： 基本的に、第１実施形態
で説明した触媒体の製造方法とどうようである。異なる
のは触媒体の形状が異なるのみである。従って、重複す
る記載は省略し、触媒体の形状のみについて説明する。 【００４０】ここでは、生ゴミ処理機に組み込む空間形
状を考慮し、箱形の触媒体５として製造した。箱形の触
媒体５は、図９に示すように両端部を開放の状態とした
箱形ケーシング６に、ヘリンボーン形状をもつ波形フォ
イル７を複数回折り曲げて、箱形ケーシング６に装填す
ることで製造したものである。 【００４１】図９に示すヘリンボーン形状をもつ波形フ
ォイル７には、予めウオッシュコート塗布及び貴金属触
媒の担持が行われており、ウオッシュコート処理から最
終焼成までの諸条件は第１実施形態のものと同様であ
る。 【００４２】この図９に示す構造の箱形の触媒体５を用
いて、水分を含んだアンモニア含有排気の脱臭浄化試験
を行ってみたところ、触媒入口ガス温度が１９０℃で１
００％のアンモニア臭気の脱臭が可能となった。 【００４３】 【発明の効果】本発明に係る脱臭浄化触媒を用いること
で、特に、微生物分解反応を利用した家庭用生ゴミ処理
機より発生するアンモニア成分と水分とを含有した排気
の脱臭処理に好適な脱臭浄化触媒の提供が可能となっ
た。これにより、生ゴミ処理機の一般家庭への普及に弾
みをつけ、新たな分野の家電製品の拡販体制が整うこと
となる。現代社会においては、水分を含有する生ゴミが
ゴミ焼却場の焼却温度を下げる要因となっており、焼却
温度が下がることでダイオキシン等の有害物質の発生原
因の一つになっているといわれている。家庭用生ゴミ処
理機が普及すれば、各家庭毎にほとんどの生ゴミの分解
処理が可能となり、社会全体に与える利益も非常に大き
なものとなる。

【図面の簡単な説明】 【図１】触媒入口ガス温度とアンモニア浄化率との関係
を表した図である。 【図２】触媒金属担持量とウオッシュコート塗布量との
量比を変化させた場合の触媒入口ガス温度とアンモニア
浄化率との関係を表した図である。 【図３】担体にウオッシュコートを塗布したときの断面
模式図である。 【図４】担体にウオッシュコートを塗布して触媒金属を
担持したときの断面模式図。 【図５】担体にウオッシュコートを塗布して触媒金属を
担持したときの断面模式図。 【図６】担体にウオッシュコートを塗布して触媒金属を
担持したときの断面模式図。 【図７】触媒金属担持量とウオッシュコート塗布量との
量比を一定に保ち、触媒金属担持量とウオッシュコート
塗布量を変化させた場合の触媒入口ガス温度とアンモニ
ア浄化率との関係を表した図。 【図８】巻き上げ触媒を示す模式図。 【図９】箱形触媒の構成を示す模式図。 【符号の説明】 １ センターポール ２ 波形フォイル ３ スペーサフォイル ４ 巻き上げ触媒 ５ 箱形触媒 ６ 箱形ケーシング ７ ヘリンボーン形状をもつ波形フォイル

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 ウオッシュコートであるγ−アルミナ又
   はジルコニアと組み合わせて白金又は白金合金からなる
   触媒金属粒子を担持した触媒の担体であるハニカムを備
   えた脱臭浄化触媒体において、 塗布したウオッシュコート量と触媒金属量との量比を
   ［ウオッシュコート塗布量（ｇ／ｌ）］／［触媒金属量
   （ｇ／１）］＝１〜５の範囲としたことを特徴とする家
   庭用生ゴミ処理機用の脱臭浄化触媒体。