JP4560700B2 - 触媒金属担持方法及び触媒リサイクル方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の排ガス流路などに配置される排ガス浄化用触媒などを製造する場合において、担体に触媒金属を担持する方法と、使用済みの触媒をリサイクルする方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の排ガス規制により、自動車には酸化触媒、三元触媒あるいはNO_x 吸蔵還元型触媒などの種々の排ガス浄化用触媒が搭載されている。これらの触媒では、アルミナなどの担体に白金（Pt）あるいはロジウム（Rh）などの高価な貴金属からなる触媒金属が微粒子状態で担持されている。
【０００３】
この排ガス浄化用触媒においては、触媒金属の活性点が多いほど活性が向上するため、触媒金属は微細な粒子として高分散で担持されていることが望ましい。
また高分散であれば、高温耐久時に触媒金属どうしが凝集して粒成長するのを抑制でき、活性の耐久性も向上する。
【０００４】
そこでこのような触媒を製造するには触媒金属を溶解した溶液を用いて担持する方法が一般的であり、触媒金属の硝酸塩水溶液などの薬液が用いられている。
例えば、その薬液を担体に接触させて担持する吸着担持法、薬液の所定量を担体粉末に含浸させて蒸発乾固して担持する含浸法、あるいはアルミナコート層が形成されたモノリス担体に薬液の所定量を吸水させた後に乾燥・焼成して担持する吸水担持法などの方法で担持されている。
【０００５】
ところで地球資源には限りがあり、触媒金属には高価な貴金属が多いこともあって、使用後の触媒から触媒金属を取り出して再利用することが望ましい。そこで従来より、硝酸水溶液などを用いて使用後の触媒から触媒金属を硝酸塩として抽出し、その硝酸塩水溶液を再び触媒の製造に用いることが行われている。
【０００６】
また特表平8-509157号公報には、触媒金属を含む物質を水溶液中で電気化学的に酸化還元することによって、石油ハイドロプロセッシング反応廃棄物から触媒金属を回収する方法が開示されている。この方法によれば、危険な又は有害な化学物質を用いることなく、かつ容易に低コストで触媒金属を回収することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが硝酸塩水溶液などを用いた従来の触媒金属の担持方法では、触媒金属を高分散で担持するにも限界があった。この問題は、使用後の触媒から触媒金属を硝酸塩として抽出し、その硝酸塩水溶液を再び触媒の製造に用いた場合でも同様であり、さらに高分散で担持する方法の確立が切望されている。
【０００８】
また自動車から使用済みの触媒を取り出すことが困難な場合があり、この場合にはシュレッダーダストを回収原料として用いざるを得ない。しかし硝酸塩として抽出する従来の触媒金属の回収方法においては、触媒金属以外の金属まで溶出しているため、硝酸塩溶液から触媒金属のみをさらに分離する工程が必要となり、工数が多大となっている。さらに触媒金属の硝酸塩水溶液を用いて触媒金属を担持しているので、上記したと同様に高分散で担持するには限界がある。そして触媒金属抽出後の硝酸水溶液には、種々の金属の硝酸塩あるいは有機無機物質が溶解しているため、硝酸水溶液を再利用することも困難となっている。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、触媒金属をさらに高分散で担持できるようにすることを第１の目的とする。また本発明の第２の目的は、シュレッダーダストなどからも触媒金属を容易に抽出でき、かつその抽出液を用いて触媒金属が高分散に担持された触媒を製造すること、及び抽出液を再利用可能とすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の触媒金属担持方法の特徴は、触媒金属と錯体を形成可能な有機化合物を触媒金属のイオンが溶解した溶液と接触させ触媒金属を金属錯体として有機化合物中に抽出する抽出工程と、金属錯体を担体に接触させて担持しその後焼成することで担体に触媒金属を担持する担持工程と、よりなることにある。
【００１１】
有機化合物は超臨界流体に溶解した状態で触媒金属のイオンが溶解した溶液と接触されることが望ましく、金属錯体は超臨界流体に溶解した状態で担体と接触されることが望ましい。また有機化合物はアセチルアセトンであることが望ましい。
【００１２】
また上記課題を解決する本発明の触媒リサイクル方法の特徴は、触媒金属を含む廃材を触媒金属を溶解可能な薬液と接触させ薬液に触媒金属を溶解して金属溶解液とする溶解工程と、触媒金属と錯体を形成可能な有機化合物を金属溶解液と接触させ触媒金属を金属錯体として有機化合物中に抽出する抽出工程と、金属錯体を担体に接触させて担持しその後焼成することで担体に触媒金属を担持する担持工程と、よりなることにある。
【００１３】
この触媒リサイクル方法の場合にも、有機化合物は超臨界流体に溶解した状態で金属溶解液と接触されることが望ましく、金属錯体は超臨界流体に溶解した状態で担体と接触されることが望ましい。また有機化合物はアセチルアセトンであることが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の触媒金属担持方法では、先ず抽出工程において、触媒金属と錯体を形成可能な有機化合物を触媒金属のイオンが溶解した溶液と接触させることで、触媒金属が金属錯体として有機化合物中に抽出される。そして担持工程において、金属錯体を担体に接触させて担持しその後焼成することで、担体に触媒金属が担持される。
【００１５】
金属錯体は金属硝酸塩などに比べて分子が嵩高であるので、金属錯体が担体に担持された状態では触媒金属原子どうしの間隔が大きい。したがって、それを焼成して有機成分を焼失すれば、触媒金属は互いに間隔を隔てた状態できわめて高分散に担持することができる。これにより従来に比べて活性がさらに高く、高温耐久時の粒成長もさらに抑制された触媒を製造することができる。
【００１６】
触媒金属としては、Pt，Rh，Pd，Ir，Au，Agなどの貴金属の他、Ni，Co，Fe，Mn，Cuなどの卑金属も例示される。またNO_x 吸蔵還元型触媒に用いられるアルカリ金属、アルカリ土類金属あるいは希土類元素も、触媒金属として例示することができる。そして触媒金属のイオンが溶解した溶液としては、触媒金属の硝酸塩の水溶液、触媒金属の塩酸塩の水溶液あるいは触媒金属の酢酸塩の水溶液など、各種溶液を用いることができる。また触媒金属と錯体を形成可能な有機化合物としては、アセチルアセトン、エチレンジアミン、エチレンジアミン四酢酸、などが例示されるが、特に選択的に貴金属と錯体を形成しやすいアセチルアセトンを用いるのが望ましい。
【００１７】
抽出工程では、上記有機化合物を触媒金属のイオンが溶解した溶液と接触させる。すると触媒金属イオンは有機化合物と錯体を形成し、水溶液相から有機化合物相に移行して抽出される。有機化合物と溶液とを接触させるには、物理的に混合すればよい。
【００１８】
この抽出工程は、有機化合物を超臨界流体に溶解した状態として、触媒金属のイオンが溶解した溶液と接触させることが望ましい。金属錯体は超臨界流体にきわめて溶解しやすいため、触媒金属を錯体として短時間で多く抽出することができる。また触媒金属のイオンが溶解した溶液と超臨界流体とは相が異なるので、金属錯体の抽出・分離がきわめて容易である。
【００１９】
超臨界流体としては種々の化合物を用いることができるが、貴金属の場合にはCO₂ の超臨界流体が特に好ましい。またNO_x 吸蔵材の場合には、アルコール類などの有機溶媒の超臨界流体を用いることが好ましい。
【００２０】
抽出工程で金属錯体として抽出された触媒金属は、担持工程において担体と接触され、担体に金属錯体として先ず担持される。金属錯体は金属硝酸塩などに比べて分子が嵩高であるので、金属錯体が担体に担持された状態では触媒金属原子どうしは互いに大きな間隔を隔てた状態で担持される。そして焼成により有機化合物が焼失すると、触媒金属が互いに間隔を隔てた状態で高分散に担持される。
【００２１】
担持工程において金属錯体と担体とを接触させるには、触媒金属のイオンが溶解した溶液と有機化合物との混合物と担体とを混合して行ってもよいし、金属錯体を含む有機化合物相を水溶液相から分離しそれを担体と混合してもよい。
【００２２】
この担持工程も、金属錯体が超臨界流体に溶解した状態で担体と接触するようにすることが望ましい。超臨界流体は拡散性がきわめて高いため金属錯体をさらに高分散状態で担持することができ、触媒金属をさらに高分散担持できるので、活性がさらに向上した触媒を製造することができる。なお、この場合の超臨界流体の種類は、抽出工程で用いたものと異なるものを用いることもできるが、抽出工程と同じ超臨界流体を用いれば抽出工程に連続して担持工程を行うことができるので、工数を低減することが可能であり一層低コストで行うことができる。
【００２３】
そして抽出工程及び担持工程の少なくとも一方に超臨界流体を用いて行った場合には、超臨界状態を解除することで用いたガス種を純度高く回収することができる。したがって回収ガスを再び超臨界状態として抽出及び担持に利用することができ、ロスがない。
【００２４】
また本発明の触媒リサイクル方法では、触媒金属を含む物質を触媒金属を溶解可能な薬液と接触させて薬液に触媒金属を溶解して金属溶解液とする溶解工程を行い、その後は、上記した本発明の触媒金属担持方法と同様に抽出工程と担持工程が行われる。上記と同様に、抽出工程及び担持工程には超臨界流体を用いることが望ましい。したがって本発明の触媒リサイクル方法によっても、触媒金属を高分散状態で担持することができ、高活性な触媒とすることができる。
【００２５】
また、特に超臨界流体を用いた場合には、上述の理由により無駄のないプロセスとなる。
【００２６】
触媒金属を含む物質としては、自動車のシュレッダーダストなどが代表的に例示される。また触媒金属を溶解可能な薬液としては、硝酸、塩酸、酢酸などの酸が例示される。そして溶解工程は、シュレッダーダストなどの廃材を薬液と混合し、必要であれば加温することで容易に行うことができる。未溶解分を濾過した後に抽出工程及び担持工程を行うことが好ましいが、未溶解分が薬液に混合されたまま抽出工程及び担持工程を行うことも可能である。
【００２７】
【実施例】
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。
【００２８】
（実施例１）
硝酸白金水溶液（Pt濃度５重量％）40ｇを用意し、アセチルアセトン20ｇを加えて室温で24時間撹拌混合した。その後静置し、上澄み液（アセチルアセトン相）を分離した。この上澄み液であるアセチルアセトン溶液には、アセチルアセトナート白金が溶解していると考えられる。
【００２９】
得られたアセチルアセトン溶液に、γ-Al₂O₃担体 200ｇあたりに予めBaが BaCO₃として 0.2モル担持された粉末を混合し、溶媒を蒸発させた後、大気中にて 300℃で２時間焼成した。これによりγ-Al₂O₃担体 200ｇあたりにPtが２ｇ担持されたNO_x 吸蔵還元型触媒を得た。
【００３０】
（実施例２）
図１に示すように、硝酸白金水溶液（Pt濃度１重量％） 100ｇをオートクレーブ１に入れ、γ-Al₂O₃担体 200ｇあたりに予めBaが BaCO₃として 0.2モル担持された粉末20ｇをオートクレーブ２に入れた。そしてアセチルアセトンが５体積％となるように混合した CO₂ガスをポンプ３からオートクレーブ１に供給し、ガスが硝酸白金水溶液中を通過後にオートクレーブ２に導入されるように配置した。さらにオートクレーブ２の下流側にバックプレッシャーレギュレータ４を配置し、オートクレーブ１，２が共に70℃、 30MPaとなる条件に設定した。これによりオートクレーブ１，２内のガス相は超臨界状態となる。
【００３１】
その超臨界状態でアセチルアセトンが５体積％となるように混合した CO₂ガスを硝酸白金水溶液中にバブリングした後、オートクレーブ２に導入して BaCO₃が担持されたγ-Al₂O₃粉末に接触させた。バックプレッシャーレギュレータ４から出たガスは、再びポンプ３からオートクレーブ１に供給した。そして24時間経過後にオートクレーブ１，２を常温常圧に戻し、オートクレーブ２からγ-Al₂O₃粉末を取り出した。
【００３２】
上記処理により BaCO₃が担持されたγ-Al₂O₃粉末にはアセチルアセトナート白金が担持され、それを大気中にて 300℃で２時間焼成することで、γ-Al₂O₃担体 200ｇあたりにPtが２ｇ担持されたNO_x 吸蔵還元型触媒を得た。
【００３３】
（比較例）
予めBaが BaCO₃として 0.2モル担持されたγ-Al₂O₃粉末 200ｇに、硝酸白金水溶液（Pt濃度５重量％）40ｇを含浸させ、蒸発乾固後、大気中にて 300℃で２時間焼成して、γ-Al₂O₃担体 200ｇあたりにPtを２ｇ担持したNO_x 吸蔵還元型触媒を得た。
【００３４】
＜試験・評価＞
実施例及び比較例の各触媒を、それぞれ加圧成形器により圧粉したのち粉砕し、それぞれ粒径 300〜 700μｍのペレット触媒とした。各ペレット触媒を評価装置にそれぞれ配置し、表１に示すモデルガスを用いてＳ／Baのモル比が約２となる流量を 600℃で流通させる硫黄被毒処理を行った。さらに表２に示すモデルガスを 700℃で５分間流通させる再生処理を行った。
【００３５】
【表１】

【００３６】
【表２】

【００３７】
再生処理後の各ペレット触媒をそれぞれ 0.5ｇ評価装置に配置し、表３に示すモデルガスを用いてNO_x 吸蔵量評価を行い、測定温度 300℃、 400℃及び 500℃におけるリッチスパイクNO_x 吸蔵量（リッチスパイク時のNO_x 吸蔵量）をそれぞれ測定した。結果を図２に示す。
【００３８】
【表３】

【００３９】
図２より、各触媒は触媒金属の担持量が同一であるにも関わらず、実施例１の触媒の方が比較例の触媒よりNO_x 吸蔵量が多く、実施例２の触媒の方が実施例１の触媒よりNO_x 吸蔵量が多い。Baの担持状態は各触媒とも同一としているから、この差はPtの分散程度にあると考えられ、実施例１の触媒は比較例の触媒よりPtが高分散に担持され、実施例２の触媒は実施例１の触媒よりさらにPtが高分散に担持されていると考えられる。
【００４０】
（実施例３）
図３に本発明の一実施例の触媒リサイクル方法の流れをブロック図で示す。
【００４１】
触媒金属を含むシュレッダーダストは、先ず硝酸水溶液と混合され、触媒金属が硝酸塩として硝酸水溶液中に溶出する。次いで固形分が除去され、その溶液はオートクレーブ１に配置される。オートクレーブ１にはアセチルアセトンを含むCO₂ 超臨界流体が導入され、配置されている溶液とバブリングにより接触される。これにより触媒金属はアセチルアセトナート錯体となって超臨界流体に溶解して抽出される。
【００４２】
オートクレーブ１から出た超臨界流体は、触媒製造装置５にてアルミナなどの担体と接触され、これにより担体にはアセチルアセトナート錯体が担持される。また触媒金属が抽出された硝酸水溶液は、シュレッダーダストからの触媒金属の抽出に再利用される。その後超臨界流体は再びオートクレーブ１に導入される。またアセチルアセトナート錯体が担持された担体は焼成装置６にて焼成され、有機成分が焼失することで担体には触媒金属が高分散状態で担持される。
【００４３】
したがって本実施例の触媒リサイクル方法によれば、超臨界流体による一度の処理で触媒金属を担持させることができ、しかも高分散で担持させることができるので、活性に優れた触媒を容易に再生することができる。そして溶出媒である硝酸水溶液及び抽出媒であるアセチルアセトンとCO₂ は繰り返し再利用することができるので、ロスとなるのは触媒金属と錯体を形成したアセチルアセトンのみであり、低コストでリサイクルすることが可能である。
【００４４】
なお上記実施例において、例えば抽出される金属種が２種以上ある場合には、オートクレーブ１と触媒製造装置５の間に分離装置７を配置することにより、各金属種を分離してもよい。
【００４５】
【発明の効果】
すなわち本発明の触媒金属担持方法及び触媒リサイクル方法によれば、担体に触媒金属をきわめて高分散に担持することができ、活性の高い触媒を容易にかつ安定して製造することができる。また超臨界流体、溶出媒及び抽出媒を再利用することができるので、無駄がなく低コストの触媒を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の触媒担持方法を示す説明図である。
【図２】実施例及び比較例で得られた触媒のリッチスパイクNO_x 吸蔵量を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施例の触媒リサイクル方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１，２：オートクレーブ ３：ポンプ
４：バックプレッシャーレギュレータ

Claims (8)

1. 触媒金属と錯体を形成可能な有機化合物を該触媒金属のイオンが溶解した溶液と接触させ該触媒金属を金属錯体として該有機化合物中に抽出する抽出工程と、
   該金属錯体を担体に接触させて担持しその後焼成することで該担体に該触媒金属を担持する担持工程と、よりなることを特徴とする触媒金属担持方法。
2. 前記有機化合物は超臨界流体に溶解した状態で前記触媒金属のイオンが溶解した溶液と接触されることを特徴とする請求項１に記載の触媒金属担持方法。
3. 前記金属錯体は超臨界流体に溶解した状態で前記担体と接触されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の触媒金属担持方法。
4. 前記有機化合物はアセチルアセトンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の触媒金属担持方法。
5. 触媒金属を含む廃材を該触媒金属を溶解可能な薬液と接触させ該薬液に該触媒金属を溶解して金属溶解液とする溶解工程と、
   該触媒金属と錯体を形成可能な有機化合物を該金属溶解液と接触させ該触媒金属を金属錯体として該有機化合物中に抽出する抽出工程と、
   該金属錯体を担体に接触させて担持しその後焼成することで該担体に該触媒金属を担持する担持工程と、よりなることを特徴とする触媒リサイクル方法。
6. 前記有機化合物は超臨界流体に溶解した状態で前記金属溶解液と接触されることを特徴とする請求項５に記載の触媒リサイクル方法。
7. 前記金属錯体は超臨界流体に溶解した状態で前記担体と接触されることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の触媒リサイクル方法。
8. 前記有機化合物はアセチルアセトンであることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の触媒リサイクル方法。

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