JP4523203B2

JP4523203B2 - 有機化合物含有排ガスの浄化方法

Info

Publication number: JP4523203B2
Application number: JP2001210140A
Authority: JP
Inventors: 雅宏佐々木; 俊司菊原; 盛康屋宜
Original assignee: Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Current assignee: Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2021-07-11
Also published as: JP2003024747A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は有機化合物を含有する排ガスを白金触媒により燃焼させる有機化合物含有排ガスの浄化方法に関する。特に、エチレンオキサイド等の酸素分子、窒素分子を含有する有機化合物を燃焼処理する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種産業分野から排出される排ガスには有機化合物を含有するものが多いが、それらの処理方法としては、そのまま大気に放出させることもあるが、それが好ましくないことも多い。例えば、病院等の医療分野において放出される排ガス中にはエチレンオキサイドのような大気へそのまま放出するのが好ましくない物質が含有されている。そこで、適正な排ガス処理の必要性が生じるが、排ガス処理の一手法として燃焼触媒を用いて排ガス中の有機化合物を燃焼させることによりその濃度を減少させて放出する方法が採られることが多い。
【０００３】
そして、この燃焼触媒としては貴金属触媒、特に白金触媒が適用されている。これは、白金触媒は触媒活性に優れ排ガス中の有機物を効率的に燃焼することができることに加え、有機物の燃焼時により高温となった排ガスに対しても優れた耐久性を有するからである。即ち、有機物濃度の高い排ガスを高い燃焼率で処理しようとすると、触媒温度は４００℃以上の高温となるために他の燃焼触媒では活性の低下が生じ長期的な排ガス処理ができなくなるからである。
【０００４】
しかしながら、白金触媒は高温耐久性が高い反面、着火温度が高く処理対象となる排ガスを予め３００℃以上に加熱する必要がある。そのため、一般的な触媒燃焼方法では電気ヒーター等で予め排ガスを３００℃以上に予熱してから触媒に導入しているが、これには大きなエネルギーが必要であり排ガスの処理コスト向上の要因となる。
【０００５】
また、この白金触媒による排ガス処理は処理対象ガスの成分によっては安全性の点でも問題が生じる。即ち、上記した医療分野での排ガス中にはエチレンオキサイドが含有されていることが多いが、エチレンオキサイドは反応しやすく爆発性を有する物質であり、これを含有する排ガスをむやみに高温にすることは危険である。特に、高濃度のエチレンオキサイドを含有する排ガスの処理にはその温度管理に特段の注意が必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような背景の下になされたものであり、有機化合物を含有する排ガスの浄化法について、排ガスの予熱温度を低減し、そのためのエネルギーを低減することができると共に、酸素分子や窒素分子を含む有機化合物を含有する排ガスの処理についても安全性を確保することができる方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
排ガスの予熱温度を低くしても燃焼反応が生じるようにするためには、低温着火性を有する触媒の適用が考えられる。このような低温着火性を有する触媒としては、銀触媒が挙げられる。そこで、本発明者等は、銀触媒を用いた排ガス処理の検討をしたが、銀触媒は燃焼効率が白金触媒より低く排ガス中の有機化合物を完全に除去することはできない。また、銀触媒は高温耐久性に劣り、燃焼時の排ガス温度の下では触媒活性が低下することとなる。
【０００８】
そして、本発明者等は、如何に排ガスの予熱温度を低減させるためとはいっても銀触媒の単独使用は上記理由から適当ではないとの結論に達する一方で、銀触媒を排ガスの予熱手段及び予備的処理手段とし、排ガスを銀触媒により処理し、この処理後の排ガスを更に白金触媒により処理するという２段階の触媒燃焼処理を行なうことで銀触媒及び白金触媒の双方が有する問題を解消できるとして本発明に想到するに至った。
【０００９】
即ち、本発明は、処理対象となる有機化合物を含有する排ガスと白金触媒とを接触させることにより排ガス中の有機化合物を燃焼させる有機化合物含有排ガスの浄化方法において、前記排ガスと白金触媒とを接触させる前に、排ガスと銀触媒とを接触させることを特徴とする有機化合物含有排ガスの浄化方法である。
【００１０】
銀触媒は燃焼効率が低いといっても排ガス中の有機化合物をある程度は燃焼させることができ、これにより排ガス中の有機化合物濃度を減少させると共に排ガス温度を上昇させることができる。本発明はこの点に着目してなされたものであり、銀触媒の予備的燃焼により排ガスを白金触媒の着火温度（３００℃）にまで昇温させることとしている。ここで、銀触媒の着火温度は比較的低く銀触媒の着火のために排ガスに供給するエネルギー量は白金触媒を着火させる場合よりも低くすることができる。そして、銀触媒により燃焼された排ガスは燃焼反応により白金触媒を着火させるのに必要な温度にまで昇温されることとなる。従って、本発明によれば、排ガスの予熱のためのエネルギーを低減し、通電コストを低くすることができる。
【００１１】
また、本発明では触媒（銀触媒）に導入するための加熱温度を低くすることができることから、有機化合物、特に、エチレンオキサイドのような爆発性のある有機化合物を高濃度で含有する排ガスを処理する際の安全性を確保することができる。尚、銀触媒通過後の排ガスは高温とはなるが、この際の排ガス中の有機化合物濃度は銀触媒による燃焼により低下しているので危険性は減少していると考えられることから本発明における安全性は排ガス処理中においても問題ないものと考えられる。
【００１２】
そして、本発明に係る処理方法では、まず銀触媒で排ガス中の有機化合物の一部（５０％程度）を除去した後、この排ガスを白金触媒という優れた燃焼効率を持つ触媒により更に燃焼させるものである。従って、本発明に係る燃焼処理方法は、排ガス中の有機化合物の除去率が極めて高く、排ガス中の有機化合物を完全に除去することができる。
【００１３】
以下、本発明についてより詳細に説明する。本発明は、排ガス処理において銀触媒による燃焼処理と白金触媒による燃焼処理との２段階の処理を行なうことを特徴とするが、これらの触媒は、アルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、マグネシアの１種又はこれらの混合物からなる担体に担持して用いるのが好ましい。これら無機酸化物は多孔質でありその形状（ペレット状、皮膜状）によらず、触媒金属を高い分散状態で保持することができるため無機酸化物を担体とすることにより触媒の有効表面積を高くすることができるからである。
【００１４】
また、これらの担体に触媒金属を担持させた触媒の形態としては、担体としてペレット状の無機酸化物を用い、これに銀、白金を担持させたものを適用し、この触媒を筒体に充填して使用しても良いが、より好ましいのは断面ハニカム形状の筒体を支持体として用い、このハニカム支持体で無機酸化物担体及び触媒金属を支持させるのが好ましい。具体的には、ハニカム支持体を無機酸化物担体及び触媒金属でコーティングするのが好ましい。ハニカム支持体を用いることで排ガスの触媒通過の際の圧力損失を低減することができるからである。このハニカム支持体へ無機酸化物担体、触媒金属をコーティングする方法としては、銀又は白金の金属塩溶液に、担体となる無機酸化物担体の粉末を浸漬してスラリーとし、このスラリーをハニカム支持体に吹付け等で塗布することや、スラリーにハニカム支持体を浸漬することで可能である。
【００１５】
ここで、本発明で使用する触媒の銀及び白金の担持量は、銀触媒については、筒体体積を基準として、無機酸化物担体を１０〜１２０ｇ／Ｌ、銀を０．５〜３５ｇ／Ｌ担持させるのが好ましい。担体量を前記範囲とするのは、銀触媒の分散性と触媒（筒体）の圧力損失とのバランスを考慮するものである。また、銀担持量を前記範囲とするのは、０．５ｇ／Ｌ未満とすると燃焼が生じない一方、３５ｇ／Ｌを超えて担持しても有機化合物の燃焼効率に変化は見られずむやみに銀の担持量を増加させることは触媒のコストを増加させることとなるからである。そして、銀触媒の着火温度をより低くすることを考慮すれば銀担持量は５〜３５ｇ／Ｌとするのがより好ましい。
【００１６】
一方、白金触媒については同様に筒体体積を基準として、無機酸化物担体を１０〜１２０ｇ／Ｌ、白金を０．５〜１０ｇ／Ｌ担持させるのが好ましい。無機酸化物担体の担持量をかかる範囲とする理由は銀触媒の場合と同様である。また、白金担持量については、如何に銀触媒により有機化合物濃度を低下させても０．５ｇ／Ｌ未満の担持量では残る有機化合物を完全に除去できないからである。また、銀触媒により処理後の排ガスは１０ｇ／Ｌ以下の白金で十分燃焼可能であり、それを超えて担持させるのは白金の無駄となるからである。そして、白金触媒のコストと有機化合物の燃焼効率を考慮すれば白金の担持量は０．５〜２ｇ／Ｌとするのが好ましい。
【００１７】
そして、本発明に係る排ガス処理においては、銀触媒に導入する排ガスの予熱温度は１７０〜２２０℃とするのが好ましい。１７０℃以下では銀触媒の着火温度より低いため排ガス中の有機化合物の燃焼効率が低くなりすぎるからである。また、２２０℃以上に予熱すると銀触媒の燃焼により排ガス温度が３５０℃以上となり銀触媒の耐久性が低下することとなるからである。
【００１８】
更に、排ガスを触媒に通過させる際の空間速度（以下、ＳＶ（ＳｐａｃｅＶｅｌｏｓｉｔｙ）とする）は、銀触媒においては、６００００〜１５００００ｈ^−１とするのが好ましい。銀触媒通過時のＳＶを低くすると（即ち排ガスをゆっくりと通過させると）燃焼反応が活発に生じ有機化合物濃度は低下するが、その分排ガス温度が上昇する。しかし、銀触媒は高温耐久性が低いため、排ガス温度を高くすると銀触媒の劣化が生じる。従って、銀触媒については排ガスの通過速度を高くする必要があることから、かかる範囲とするものである。一方、白金触媒については、６００００ｈ^−１以下とするのが好ましい。排ガス中の有機化合物を完全に除去するためには排ガスをゆっくりと通過させた方が好ましく、また、銀触媒と異なり白金触媒は高温耐久性に優れているため燃焼反応の進行による排ガス温度の上昇による劣化のおそれがないことからである。
【００１９】
尚、本発明において処理対象となる排ガスは、医療分野、工業分野、食品分野等の各分野において排出される通常レベルの有機化合物濃度の排ガスを浄化することが可能であり、１００００ｐｐｍ以下の有機化合物濃度の排ガスが可能である。一方、この濃度を超える排ガスの処理は可能ではあるが、排ガスをそのままの状態で銀触媒を通過させると燃焼反応の過大な進行により銀触媒の劣化のおそれがある。そこで、かかる高濃度の有機化合物を含有する排ガス処理については、予め排ガスを希釈して濃度１０００００ｐｐｍ以下としてから銀触媒に通過させるのが好ましいといえる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面と共に説明する。本実施形態では、図１に示すように銀触媒、白金触媒の２つの触媒を用いてエチレンオキサイドを含有する排ガス３の浄化を行なった。
【００２１】
銀触媒の作製：銀触媒１は以下の方法により製造した。硝酸銀溶液（濃度２０％）２Ｌにγ−アルミナ粉末１００ｇを浸漬してアルミナに銀を担持させた。そして、この銀担持アルミナを含むスラリーにメタルハニカム構造体（寸法：外径５０ｍｍ×長さ５０ｍｍ、セル密度３００ｃｐｓｉ）を浸漬することにより、メタルハニカムをアルミナ及び銀で被覆して銀触媒とした。この際のアルミナ及び銀の担持量は、ハニカム構造体の体積を基準としてそれぞれ、１００ｇ／Ｌ、３５ｇ／Ｌであった。
【００２２】
白金触媒の作製：白金触媒２は以下の方法により製造した。ジニトロアンミン白金溶液（濃度８％）２Ｌにγ−アルミナ粉末１００ｇを浸漬してアルミナに白金を担持させた。そして、この白金担持アルミナを含むスラリーにメタルハニカム構造体（寸法：外径５０ｍｍ×長さ５０ｍｍ、セル密度３００ｃｐｓｉ）を浸漬して銀触媒とした。この際のアルミナ及び白金の担持量は、ハニカム構造体の体積を基準としてそれぞれ、１００ｇ／Ｌ、２ｇ／Ｌであった。
【００２３】
燃焼試験：以上の工程にて製造した銀触媒、白金触媒を図１のように直列に配置して、排ガス３の燃焼浄化試験を行なった。この際の試験条件は以下の通りとした。
【００２４】
排ガス組成：エチレンオキサイド８０００ｐｐｍ
排ガス流量：３９０ｍＬ／ｍｉｎ
排ガス予熱温度：２００℃
触媒部分のＳＶ：銀触媒７００００ｈ^−１
白金触媒５００００ｈ^−１
【００２５】
この燃焼試験において、図１のａ〜ｃ点におけるガス温度、浄化率を測定したところ表１のような結果が得られた。
【００２６】
【表１】

【００２７】
比較例１：本実施形態で製造した白金触媒と同様の白金触媒を２基製造し、図２と同様に直列に配置して燃焼試験を行なった。燃焼試験の条件（排ガスの組成、流量）は第１実施形態と同様であるが、１段目の白金触媒への排ガス温度を２００℃とした。また、排ガスのＳＶは第一段目７０００ｈ^−１、第２段目で５０００ｈ^−１とした。そして、図２のａ〜ｃ点におけるガス温度、浄化率を測定したところ表２のような結果が得られた。
【００２８】
【表２】

【００２９】
比較例２：この比較例では、比較例１と同様、白金触媒を２基製造し、図２と同様に直列に配置して燃焼試験を行なったが、１段目の白金触媒への排ガス温度を３００℃とした。このほかの燃焼試験の条件は比較例１と同様である。比較例２における、図２のａ〜ｃ点におけるガス温度、浄化率を表３に示す。
【００３０】
【表３】

【００３１】
以上の結果から、本実施形態に係る処理方法においては、排ガスの予熱温度を２００℃としても浄化率９９．９％以上の高い効率で有機化合物の燃焼除去が可能である。また、銀触媒による燃焼後の排ガス温度は３４０℃と銀触媒の活性低下温度以下であり安定的な処理が可能であることが確認された。これに対し、比較例１では予熱温度を本実施形態と同様２００℃としたが、この場合の浄化率は１．０％と低かった。これは、２００℃という予熱温度は白金触媒の燃焼温度よりも低いことに起因する。一方、比較例２では白金触媒の燃焼温度を考慮して予熱温度を３００℃としたが、この場合の浄化率は９９％と十分な値を示した。しかし、この３００℃という予熱温度は、エチレンオキサイドという爆発性のある物質を含むガスに対してはその危険性が高くなる。また、ｂ点の６０１℃という温度を見ればわかるように燃焼中の排ガス温度は更に上昇しその危険性はより高まるものと考えられる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、有機化合物を含有する排ガスを処理する際の排ガスの予熱温度を低減し、加熱のためのエネルギーを低減することができる。これにより排ガス処理のための操業コストの低減が可能となる。また、このように排ガスの予熱温度を低くすることにより、爆発性を有する酸素分子や窒素分子を含む有機化合物を含有する排ガスの処理について、その安全性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態で行った燃焼試験の工程を示す概略図。
【図２】比較例１及び比較例２で行った燃焼試験の工程を示す概略図。
【符号の説明】
１銀触媒
２白金触媒
３排ガス

Claims

処理対象となるエチレンオキサイドを含有する排ガスを銀触媒と接触させ、その後白金触媒と接触させることにより、排ガス中のエチレンオキサイドを燃焼させるエチレンオキサイド含有排ガスの浄化方法において、
銀触媒に導入する排ガスの予熱温度が１７０〜２２０℃であり、
排ガスを銀触媒に通過させる際の空間速度は、６００００〜１５００００ｈ ^−１であり、
排ガスを白金触媒に通過させる際の空間速度は、６００００ｈ ^−１以下であり、
銀触媒は、銀を担持させた担体を、断面ハニカム形状の筒体に支持させ、筒体体積を基準として、担体を１０〜１２０ｇ／Ｌ、銀を０．５〜３５ｇ／Ｌ担持させたものであり、
白金触媒は、白金を担持させた担体を、断面ハニカム形状の筒体に支持させ、筒体体積を基準として、担体を１０〜１２０ｇ／Ｌ、白金を０．５〜１０ｇ担持させたものであることを特徴とするエチレンオキサイド含有排ガスの浄化方法。
担体として、アルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、マグネシアの１種又はこれらの混合物を用いる請求項１記載のエチレンオキサイド含有排ガスの浄化方法。