JP3965711B2 - 窒素酸化物の浄化触媒及び浄化方法 - Google Patents
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Description
【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係り、また窒素酸化物を浄化する触媒に関する。
【0002】
本発明の触媒は、理論空燃比で燃焼された排ガスのみならず空気過剰で燃焼された酸素を含む排ガスに対して高い窒素酸化物浄化性能を有しかつ、耐熱性,耐被毒性も具備しており、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ための触媒として好適である。
【0003】
【従来の技術】
近年省資源・環境保護の流れの中で、自動車用ガソリンエンジンをリーンバーンで動かす社会的要求がある。これに伴いリーンバーンエンジンから排出される酸素を含む排ガス中の窒素酸化物(NOx)を効果的に浄化する触媒(リーンNOx触媒)の開発が進められている。
【0004】
リーンバーンエンジン用の排ガス浄化触媒としては、リーンバーン時に排出されるNOx(リーンNOx)を吸蔵し、ストイキ燃焼時に前記吸蔵NOxを放出・還元するNOx吸蔵剤としてアルカリ金属酸化物を担持した触媒(特開平6− 31139 号公報)、また前記NOx吸収剤として粒径を制御したアルカリ土類金属,アルカリ金属等を担持した触媒(特開平8−24643号公報)等、多数が報告されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
自動車に対する環境規制が強化される中、リーンNOx触媒はさらに高いNOx浄化性能が求められると同時に、様々に変化する車速に伴う燃焼排ガスの温度変化や燃焼排ガスに含まれる微量被毒成分(SOx,P,Pb)に長期間耐えるための耐熱性および耐被毒性も求められている。
【0006】
本発明の目的は、上記技術的課題に鑑み、高いNOx浄化性能を有し、かつ耐熱性,耐被毒性に優れた触媒及び排ガス浄化方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多孔質担体に活性成分としてアルカリ金属とTiと、RhとPtとPdから選ばれた少なくとも1種とを担持してなる触媒を用いる排ガス浄化方法にある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多孔質担体に活性成分として、Rh,Pt,Pdの少なくとも1種と、La,Ceの少なくとも1種と、Na,Li,K,Rbの少なくとも1種とMg及びTiを担持してなる触媒を用いる排ガス浄化方法にある。本発明の触媒を用いることにより、優れたNOx浄化性能が得られる。
【0009】
さらに、多孔質担体にCeを担持した後、MgとNaとTiを担持し、さらにPtとRhを担持し、最後にMgを担持することで高いNOx浄化性能が得られる。
【0010】
多孔質担体としては、アルミナ,チタニア,シリカ,シリカ−アルミナ,マグネシア等の金属酸化物や複合酸化物等を用いることができる。また、アルミニウムと希土類金属やアルカリ土類金属との複合酸化物を用いることもできる。これらの中では、多孔質担体をアルミナまたは、ランタン(La)とアルミニウム(Al)の複合酸化物とし、ランタンのモル比がLaを1〜20モル%とし残部をAlとすることが望ましい。
【0011】
本発明の触媒における活性成分の担持量(金属元素換算)は、多孔質担体100重量%に対して金属元素換算で、アルカリ金属を2.5〜27 重量%,MgをMg担持量/(アルカリ金属担持量+Mg担持量)の重量比で1重量%〜40重量%,Tiを1重量%〜8重量%,LaとCeの少なくとも1種を5〜30重量%,PtとRhとPdの少なくとも1種をPtは0.5〜3 重量%,Rhは0.05〜0.3重量%,Pdは0.5〜15 重量%の範囲内とすることが好ましい。
【0012】
触媒の調製方法は、含浸法,混練法,共沈法,ゾルゲル法,イオン交換法,蒸着法等の物理的調製方法や化学反応を利用した調製方法などいずれも適用可能である。
【0013】
触媒調製の出発原料としては、アルカリ金属,Mg,希土類金属,貴金属の硝酸化合物,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や酸または塩基で邂逅させた金属酸化物のゾルや金属及び金属酸化物等を用いることができる。Tiについても同様に前記出発原料を適用でき、金属酸化物ゾルとしては、硝酸性チタニアゾル等の酸性チタニアゾルや塩基性チタニアゾルを用いることができる。酸性チタニアゾルと酸性アルカリ金属溶液の混合ゾルを用いた場合、硫黄酸化物(SOx)に対して耐被毒性を有するチタニアの表面にアルカリ金属酸化物の粒子が付着したものが多孔質担体に担持され、出発原料として好適である。
【0014】
本発明の触媒は、NOx及び炭化水素の浄化能力が高いが、さらに高い炭化水素浄化能力を得るために、炭化水素燃焼触媒と組み合せることが有効である。組合せ方法としては、排ガス流路において本発明になる排ガス浄化触媒の後段に炭化水素燃焼触媒を配置することが好ましい。また、炭化水素燃焼触媒としては、三元触媒,低温度域においても高い炭化水素浄化機能を有する貴金属成分としてPdを主成分とする触媒,リーンバーン対応触媒であるが特に炭化水素浄化率が本発明触媒より高い触媒等を組み合せることができる。
【0015】
本発明の浄化方法においては、活性成分となるアルカリ金属とTiとの複合効果により、リーンNOxに対する高い親和力が創出されてNOxの良好な吸着場となり、NOx還元場となる貴金属へ吸着NOxを供給して高いNOx浄化性能が発現するものと推定される。
【0016】
自動車内燃機関からの燃焼排ガス中に含まれている微量の硫黄酸化物は触媒活性成分、特にアルカリ金属を被毒する。本発明に於て、アルカリ金属は耐硫黄酸化物被毒性を有するTiと隣接することで硫黄酸化物の吸着が抑制され、耐熱性,耐被毒性が発現するものと推定される。また、還元雰囲気ではアルカリ金属に隣接している貴金属を経由して吸着硫黄酸化物の還元と脱離が起こると推定される。従って、本発明の触媒が硫黄酸化物により一時的に性能が低下しても、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、400℃〜800℃に触媒を加熱することで硫黄酸化物の除去と触媒の再活性化が可能となる。触媒活性が低下する場合には、該再活性化にて、触媒の再活性化をする方法が好適である。
【0017】
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。
【0018】
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。ディーゼルエンジンは、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。
【0019】
本発明の触媒は、200℃以上、600℃以下の温度域において優れた活性を有し、特に250℃〜500℃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望ましい。
【0020】
【発明の実施の形態】
図1は燃料噴射方式の自動車ガソリンエンジンの概念図である。
【0021】
吸気管8内でガソリンと混合された空気は、シリンダ内で電気着火により燃焼する。燃焼により生じた排ガスは、排気管19,排ガス浄化触媒20を経てシステム系外へ排出される。コントロールユニット15において燃料噴射弁13および点火装置の制御をすることにより、シリンダ内の燃焼状態は理論空燃比(ストイキ),燃料過剰状態(リッチ)及び空気過剰状態(リーン)の任意の状態に制御される。
【0022】
ここで、エンジン7より排出される排ガス中には、HC,CO,NOx等の有害成分が含まれているため、これらの有害成分を無害化した後、系外に排出しなければならない。
【0023】
このため、排気管19内には触媒作用を用いて排ガスを浄化する排ガス浄化触媒20が設けてある。本発明では、従来のストイキ・リッチにおける燃焼排ガスの浄化に加えて新たにリーン排ガスの浄化が可能となり、図1による燃焼システムの燃焼状態を任意に設定できる。また、耐熱性と耐被毒性の向上により図1による燃焼システムを安定して作動させることができる。なお、図1における符号は、それぞれ1がエアークエイーナー、2が吸気口、5が絞り弁、9が燃料タンク、10が燃料ポンプ、11が燃料ダンパ、12が燃料フィルタ、16が配電器、18がスロットルセンサを示す。
【0024】
以下、具体的な例で本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。
【0025】
「実施例1」
アルミナ粉末及びその前駆体からなり硝酸酸性に調整し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後、乾燥焼成して、ハニカムの見掛けの容積1リットルあたり約160gのアルミナをコーティングしたアルミナコートハニカムを得た。該アルミナコートハニカムに、硝酸Ce溶液を含浸し、200℃で乾燥後、700℃で1時間焼成した。続いて、硝酸Naと硝酸Mgと硝酸性チタニアゾルの混合溶液を含浸し、同様に乾燥,焼成をした。さらに、ジニトロジアンミンPt硝酸溶液と硝酸Rh溶液の混合溶液を含浸し、200℃で乾燥後、450℃で1時間焼成をした。最後に、硝酸Mg溶液を含浸し、200℃で乾燥後、450℃で1時間焼成をした後、700℃で5h焼成した。以上により、アルミナ100重量%に対して、Ce18重量%,Na12重量%とMg1.2重量%とTi2.5重量%を同時に担持し、白金1.6重量%,Rh0.15重量%そしてMg1.5重量%を含有する実施例触媒1を得た。
【0026】
同様の方法で、希土類金属をCe,La、貴金属をRh,Pt,Pd、アルカリ金属をLi,Kとした実施例触媒2〜5、及び参考触媒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、本発明の方法によらない比較例触媒1を得た。
【0027】
調製した触媒の組成をまとめて表1に示す。尚、表1中の各触媒における活性成分の担持順序は、第1成分を担持した後、第2成分を担持、以下順次第3成分を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した。表中のwt%は、重量%を表す。
【0028】
【表1】
【0029】
(試験例1)
実施例触媒1〜5,参考触媒6、及び比較例触媒1について、以下の試験方法で窒素酸化物の浄化性能を評価した。
【0030】
試験方法:
(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。
【0031】
(2)温度300℃と400℃で浄化性能を評価する。反応管を環状電気炉に入れて、300℃または400℃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℃または400℃に達し安定した時点で、後述の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、後述の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。
【0032】
ストイキモデル排ガスとしては、NOを0.1vol%(体積%),C3H6を0.06vol%,COを0.6vol%,O2を0.6vol%,H2 を0.3vol%,水蒸気を10vol% 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%,C3H6を0.05vol%,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%,C3H6を0.05 vol%,COを0.6vol%,O2 を0.6vol%,SO2を0.005vol%,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30,000/hとした。
【0033】
(3)(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】
(4)(2)で使用したハニカム触媒を焼成炉に入れて、空気雰囲気下、800℃で5時間焼成する。冷却後、(2)と同様のNOx浄化性能を測定する。
【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モデル排ガスからリーンモデル排ガスに切り替えて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】
実施例触媒1〜5は比較例触媒に対し、初期性能が高く、耐熱性と耐SOxを具備していた。
【0038】
【表2】
【0039】
「実施例2」
実施例触媒1の担体を、LaとAlの構成比が金属元素換算でLaは5モル%、Alは95モル%としたLaとAlの複合酸化物(La−β−Al2O3)からなる実施例触媒7を得た。触媒調製方法は実施例触媒1と同じにし、試験方法は試験例1と同じにした。以下、特に断らない限り触媒の評価方法は試験例1の方法とする。
【0040】
結果を前掲の実施例触媒1の結果と共に表3に示した。
【0041】
担体を耐熱担体である、La−β−Al2O3とすることで、耐熱性及び耐SOx性が向上した。
【0042】
【表3】
【0043】
「実施例3」
実施例触媒1において、第2成分のNaの担持量を変化させたときの400℃でのNOx浄化率の初期性能を測定した。結果を図2に示した。高いNOx浄化率を得るためには、Na担持量を担体100重量%に対して2.5〜27 重量%とすることで高いNOx浄化率が得られる。
【0044】
「実施例4」
実施例触媒1において、第2成分中のMg担持量,Mg担持量/(Na担持量+Mg担持量)の重量比を変化させたときの400℃での初期のNOx浄化率を測定した。結果を図3に示した。高いNOx浄化率を得るためには、Mg担持量/(Na担持量+Mg担持量)の重量比を1〜40重量%とすることが好適である。
【0045】
「実施例5」
実施例触媒1において、第1成分Ceの担持量を変化させたときの400℃での初期のNOx浄化率を測定した。結果を図4に示した。Ce担持量を5〜30重量%とすることで高いNOx浄化率が得られる。
【0046】
「実施例6」
実施例触媒1において、PtとRhの担持量を変化させたときの400℃での初期のNOx浄化率を測定した。結果を図5に示した。Ptの担持量を0.5〜3重量%,Rhの担持量を0.05〜0.3重量%とすることで高いNOx浄化率が得られる。
【0047】
「実施例7」
実施例触媒1において、PtとPdの担持量を変化させたときの400℃での初期のNOx浄化率を測定した。結果を図6に示した。Ptの担持量を0.5〜3重量%,Pdの担持量を0.5〜15 重量%とすることで、高いNOx浄化率が得られる。
【0048】
「実施例8」
実施例触媒2において、第2成分のTiの担持量をアルミナ100重量%に対して変化させた場合の初期及びSO2 被毒後の400℃におけるNOx浄化率を測定した。結果を図7に示した。Tiの担持量を1〜8重量%とすることで、高いNOx浄化率と耐SOx性が得られる。
【0049】
「実施例9」
実施例触媒1を試験例1の(3)と同じ方法でSO2 処理をした。そしてリーン1分後のNOx浄化率を測定した。次に、試験例1に記載のストイキモデル排ガスを400℃で15分間流通するストイキ処理をした。温度を300℃に冷却後、試験例1に記載の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4に示した。ストイキ処理で触媒性能が回復した。
【0050】
【表4】
【0051】
「実施例10」
実施例触媒1について試験例1の方法によりストイキ排ガス切替後1分後の
NOx浄化率を測定した。結果を表5に示した。
【0052】
【表5】
【0053】
「実施例11」
(試験例2)
実施例触媒1について、試験例1の試験方法(1)から(3)と同じ方法であるが、反応管から排出されるガス中のHCをFID法により測定した。
【0054】
ストイキモデル排ガスまた、リーンモデル排ガスも試験例1と同じにした。
【0055】
表6に、ハニカム触媒のストイキモデル排ガスからリーンモデル排ガスに切り替えて1分後のHC浄化率を示した。HC浄化率は、下記の式に従って算出した。
【0056】
【数2】
【0057】
本発明はエンジンより排出される排ガス中のNOxの浄化に加えてHCの浄化にも適する。
【0058】
【表6】
【0059】
「実施例12」
実施例触媒1のハニカム状触媒4cc(17mm角×14mm長さ)と、実施例触媒1の第2成分と第3成分を除いたハニカム状三元触媒2cc(17mm角×7mm長さ)とを配置して試験例2の方法により、リーン切替え1分後のHC浄化率を測定した。HC浄化率は300℃,400℃共に100%となった。従って、本実施例はエンジンより排出される排ガス中のNOxの浄化に加えてHCの浄化にも適する。
【0060】
【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、かつ該触媒は耐熱性と排ガス中に微量含まれる触媒被毒物質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】燃料噴射方式の自動車ガソリンエンジンの概念図。
【図2】Na担持量とNOx浄化率との関係を示すグラフ。
【図3】Mg,Na担持量とNOx浄化率との関係を示すグラフ。
【図4】Ce担持量とNOx浄化率との関係を示すグラフ。
【図5】Rh,Pt担持量とNOx浄化率との相関図。
【図6】Pd,Pt担持量とNOx浄化率との相関図。
【図7】Ti担持量とNOx浄化率との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
7…エンジン、8…吸気管、13…燃料噴射弁、15…コントロールユニット、19…排気管、20…排ガス浄化触媒。
Claims (8)
- 内燃機関からの酸素を含む燃焼排ガス中の窒素酸化物を、触媒の存在下で該排ガス中の一酸化炭素と炭化水素等の還元性ガスにより浄化する方法において、前記触媒として多孔質担体に活性成分として、Rh,Pt,Pdの少なくとも1種と、La,Ceの少なくとも1種と、Na,Li,K,Rbの少なくとも1種とMg及びTiを担持してなる触媒を用いることを特徴とする排ガス中の窒素酸化物の浄化方法。
- 内燃機関からの酸素を含む燃焼排ガス中の窒素酸化物を、触媒の存在下で該排ガス中の一酸化炭素と炭化水素等の還元性ガスにより浄化する方法において、前記触媒として多孔質担体に活性成分として、RhとPtの少なくとも1種と、Ceと、NaとKの少なくとも1種とMg及びTiを担持してなる触媒を用いることを特徴とする排ガス浄化方法。
- 請求項1または2に記載の方法において、前記多孔質担体がアルミナまたは、ランタンとアルミニウムの複合酸化物からなり、該複合酸化物におけるLaとAlの構成比をLaを1〜20モル%、残部はAl、としたことを特徴とする排ガス中の窒素酸化物の浄化方法。
- 内燃機関からの酸素を含む燃焼排ガス中の窒素酸化物を該排ガス中の一酸化炭素と炭化水素等の還元性ガスにより浄化するための触媒であって、多孔質担体100重量%に対して金属元素換算で、アルカリ金属を2.5〜27 重量%,MgをMg担持量/(アルカリ金属担持量+Mg担持量)の重量比で1%〜40%,Tiを1重量%〜8重量%,LaとCeの少なくとも1種を5〜30重量%,PtとRhとPdの少なくとも1種をPtは0.5〜3重量%、Rhは0.05〜0.3重量%、Pdは0.5〜15重量%の範囲内で担持したことを特徴とする排ガス中の窒素酸化物の浄化触媒。
- 請求項1または2のいずれかに記載の方法において、更に炭化水素燃焼触媒を組み合せて内燃機関からの燃焼排ガスを浄化することを特徴とする排ガス浄化方法。
- 請求項1または2のいずれかに記載の方法において、前記内燃機関はガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンであることを特徴とする排ガス浄化方法。
- 請求項1または2のいずれかに記載の方法において、前記触媒はPtとPdのうち少なくとも一種と、Rhとを含むことを特徴とする排ガス浄化方法。
- 内燃機関からの酸素を含む燃焼排ガス中の窒素酸化物を、該排ガス中の一酸化炭素と炭化水素等の還元性ガスにより浄化する浄化触媒の製造方法であって、多孔質担体にCeを担持し、前記Ce担持後にMg,Na,Tiを担持し、さらにPt,Rhを担持し、最終層にMgを担持することを特徴とする浄化触媒の製造方法。
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