JP5119531B2 - セラミックス触媒材料とそれを用いた排気浄化方法 - Google Patents
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Description
本発明は高温焼成可能な触媒材料でさらに複雑な条件制御のない利用で高温に晒されてもに劣化せず空気や排気の浄化に役立つ材料を提供するものである。例えば、再生に適するとしてぺロスカイト型触媒およびその製造法が特許文献1に記載されている。これらの応用でも燃焼装置あるいは排ガス浄化装置としての制御を伴うシステムを使用するのが通常である。この解決には、制御しにくいさまざまな燃焼条件でも浄化性能を示し、また高い高温安定性や比表面積を維持するような安定な触媒材料が必要である。種々の排気や汚染空気への汎用性を考慮したとき、装置も低廉であることが望ましく、材料も安価で製造工程も複雑でないことが重要で、高性能触媒とは違う意味での制約が大きいのである。したがって、広く大気環境保全のための材料や装置には、触媒の高温安定性を高めた状態で、適切な成分を有する安価な触媒材料を提供し、安価でありながらさまざまな燃焼状態に応用可能な触媒材料を提供するという課題がある。
発明者らは、貴金属を使用しない耐熱性複合酸化物およびそれを利用する燃焼排ガス浄化触媒を特許文献2で提案している。さらにまた過剰な酸素を含む排ガスを処理して窒素酸化物等を浄化する触媒および酸素を過剰に含む排気を接触させる窒素酸化物の除去方法を特許文献3で提案している。後者の触媒は比較的高温安定で製造上も低廉でありかつ排ガス中安定性にすぐれるという特徴を有するが、材料の特殊状態を利用していることと窒素酸化物への応用を主体としており自動車排ガス処理以外の応用性には必ずしも適当でない。
本発明は単純な燃焼器や燃焼促進の用途さらに各種排気の低廉価でかつ簡略な浄化法を達成するため、高性能機器以外にも広く使用できる低廉で高温安定なセラミック製触媒材料の提供を目指し、大気環境保全に役立てようとするものである。さらに本発明の目的は、さまざまな浄化方法でしばしば高温状態にいたる燃焼排気中の有害ガス、炭化水素、一酸化炭素の除去を有効に行なうことができ、かつ製造、成形加工において高温焼成を伴う場合でもその製造工程への適用が容易であり、さらに高温での使用でも劣化しにくい触媒材料とその利用を提供することである。
本願発明の排気浄化用材料は、セラミックス触媒材料の全金属成分に占めるランタンのモル分率0.001以上0.045以下で、鉄あるいはマンガンの合計のモル分率が0.01以上0.2以下で、アルミナがその残部であり、アルミナとランタンを必ず含みかつ鉄あるいはマンガンの1種以上を含み、800〜1000℃で熱処理することにより得られる排気浄化用触媒材料である。
以上の結果から本発明の効果が明らかで高温焼成可能な触媒材料として本材料の広く応用できる。
本発明で用いる触媒は、アルミナとランタンとを必ず含みかつ鉄、銅のうちの1種以上で組成が最適に構成された材料である。
主成分であるアルミナとしては、純粋なアルミナや、結晶性アルミナ水和物やアルミニウム塩の熱分解法や、アルミン酸ナトリウムや硫酸アルミニウムを中和し焼成あるいは直接熱分解した材料、金属アルコキシドの加水分解工程を経る方法により合成された材料、あるいは市販されている材料を熱処理、加工して用いてもよい。また、例えば米国特許文献4に示されるように、あらかじめランタンを添加した耐熱性アルミナを用いてもよい。アルミナにはガンマ型の他にアルファ型などが知られており、アルファ型は高温で安定であり高温材料としてセラミックスに広く用いられるが、本触媒ではガンマ型やデルタ型などの準安定ないわゆる転移性アルミナを用いるほうがアルファ型より高い浄化率を示す。
アルミナ、ランタン(x、yは、アルミニウム、ランタンの金属成分中の原子分率)および鉄および銅の金属の割合(但、zは鉄および銅の金属の全金属成分中の原子割合)で、yが0.001以上0.2以下、zが0.01以上0.2以下、xがその残部となるような配合が重要である。ランタンがこれ以外の成分量であると高温で使用するとき、表面積が低下するので十分な活性が得られない。鉄または銅、マンガンの量がこれ以外で、少ないと十分な活性がえられず、多過ぎると意外にもアルミナとの反応によって活性成分が少なくなる。
1000℃3時間熱処理後において15m2/g以上の比表面積を有することが望ましい。なお、比表面積の上限について特に制限はないが1000m2/g程度である。すなわち、この触媒材料では、高温条件に晒され、製造時に高温での工程を経ても、高い表面積を維持し活性な状態を維持するので浄化触媒としての応用の範囲を広くすることが可能になる。
混合組成をもつ該材料において、結晶構造の特徴として粉末X線回折法などで調べたときにガンマ型、デルタ型、シータ型を典型的とするいわゆる転移性アルミナなど、アルファ型アルミナ以外の結晶相もしくはそれに類似する相が20%以上含有するのが望ましい。上記のアルミナ以外の混合成分を保持ので複数の結晶等が混在するが、アルファ型以外のアルミナ類似相が存在していればよい。この場合、転移性アルミナやアルファ型以外の相の類似相とみられる未特定の結晶相は高温処理によって他の成分の微量がアルミナと反応もしくは相互作用により生成したものであると推定されるものである。
ランタンとアルミナの成分比率を変えることにより種々のものが調製でき材料にアルミナとランタンと上記遷移金属類が含まれていれば良いが、ランタン成分が多くなると表面積が低下しまた触媒活性も低下する。本発明の目的にさらに適する組成分として、ランタンの量が金属の分率yが0.001以上であればよい。成分に対する相対分率の上限として0.2以下とするのは、上記性能低下に見合う高価なランタンについて生産上の価格面での使用量を控えることが優位である理由にもよる。
なお、不純物として鉄から派生するFe2O3や銅から派生するCuOなどのアルミナ成分を含まない金属酸化物が含まれてよい。事実上これらは高温焼成時に予想に反して微粒化あるいは反応をおこすので、通常のX線回折で検出されなくなる状態の材料において使用されてもよい。さらに、これらがアルミナ、ランタンと形成し局所的な相の生成が望ましい物質相として考えられるが、通常の方法では検出できないため、組成およびアルミナの相において規定する。したがって、上記の成分の粉末を単に混合しただけでは、焼成温度を下記記述の所定温度としても、高い活性の特徴は発現しない。
原料アルミナや本触媒材料は粒子状態そのままで用いるかあるいはこれを粗大な粒子または成形物に成形してこれを用いる、あるいは成形を組み合わせてもよい。本発明ではこれらの加工性や種々の工程の適応に優れることも特長であり、これを任意の基材上に各種方法により被覆して用いたり、多孔質のセラミックスや各種形状の金属等への被覆、また種々の手順に従い被膜や複合体を形成した材料を焼成することによってもよい。また原料であるアルミナへの他の構成成分の混合において皮膜形成後にするか、組成混合後に形成されるか、その順序は限定されることはない。
本発明の材料は触媒としていわゆる耐熱性に優れるので、800℃以上望ましくは900℃あるいは1000℃、1100℃までの高温でいかなる上記態様であっても焼成されれぱよいので、その製造工程はさまざまな形態で可能であると同時に焼成後もさらに各種基材と一体され焼成されても問題がない。
本発明の触媒材料の製造方法は特に限定されないが、例えば作製する方法としては、金属塩類の水溶液とアルミナを混合し攪拌して行なう方法がある。この際の固体分は、粉末、粒状であっても、モノリス状であってもよい。この後、乾燥し、400〜700℃程度にて、30分から3時間時間程度焼成すればよいが、使用前あるいは使用時において、800℃以上望ましくは900℃以上で30分から5時間程度加熱されることで安定な触媒材料となる。
また2種類以上の重金属塩類の混含溶液とアルミナを混合し、擾伴して行なう方法で、一種を添加後他の成分を添加し、乾燥後、500〜700℃程度で、30分から3時間時間程度焼成、使用前あるいは使用時においていったん30分から5時間程度の間、800℃以上あるいは900℃以上に加熱されるようにする。
金属塩としては、硝酸塩、酢酸塩、塩化物、硫酸塩、その他の錯化合物いずれを用いてもよく水溶性であれば限定されない。有機溶媒と有機金属化合物を用いるいわゆるゾルゲル法の適用をさまたげない。
このような本発明の触媒は耐熱性が高く、酸化反応開始温度から高温の1000℃程度に至るまで熱的な劣化が無く、長期に有効に使用できる。例えば、各種熱処理装置の脱臭用や燃焼器の直下やエンジン直下の触媒リアクターを配置することができるほか、燃焼している物体近傍において本材料を接触させ高温排ガスを浄化しうるなど、その利用価値はきわめて高い。
本発明で浄化される有機化含物とは、通常これらを燃料あるいは燃料としての未燃分として使用するものと同一であり、炭化水素類、アルコール、ケトン、エーテル、軽油、ガソリン、重油、固体燃料蒸発物や燃焼中間体などをさし、これらを別途添加することも可能である。また、未燃焼の一酸化炭素や含窒素化合物や含硫黄化合物についても酸化反応による浄化ができる。廃棄物燃焼排ガスの処理にも廉価で安定な材料として使用できる。
上記記載の材料は通常単独で用いられるが、不活性な材料と混合もしくは構造体を成して用いられてもなんら問題はない。設置する場所あるいはガスの温度は望ましくは200℃以上の望ましくは300℃以上でさらに高温においては材料面から可能な温度範囲で使用すればよい。浄化する気体自身の保温あるいは触媒体の外部加熱かはいずれでもよい。流速はとくに規定しないが体積速度で時間当たり20万より低いことが望ましい。
本材料はリアクター状としなくとも燃焼状態にある部分から発生するガス等に本材料が接触するように置かれてもよいのでとくに利用形態は問わない。触媒性能浄化率は形態に依存する場合もあるが、その形状として限定されない。粉末、粒状や、ハニカム等のモノリス状あるいは網状や布状などどのような形状であってもよい。転移性アルミナに上記材料を混合あるいは担持することは使用態様として適用な形態でありまたハニカム等との組み合わせやモノリスの焼成体でもよい。
以下、本発明を実施例および比較例によって詳細に説明する。ただし、本発明はこれにより限定されるものではない。
鉄およびマンガンを含む触媒を作製する工程においては、金属硝酸塩水溶液を用い上記のランタンを含むアルミナ粉末に加えた。アルミナに対して表1に示す組成になるような金属塩濃度の溶液を加えた。坩堝内で粘性スラリー状態になうようにし、1時間撹拌したのち、110℃で一夜乾燥した。
この混合物を600℃の空気中で3時間焼成して作製した触媒材料を、さらに800℃で3時間熱処理した試料および1000℃で3時間熱処理した触媒試料を得た。
混合組成の各種触媒の800℃および1000℃で熱処理した試料1〜5を加圧成型したのち粉砕整粒し約2ミリメータの粒状にした試料0.1gを内径5mmの反応管にガラスウールで固定して充填し触媒試験した。なお、試料1〜5のランタン‐鉄系あるいはランタン‐鉄‐マンガン系とは別にランタン‐銅系の参考試料1を試料1〜5と同様に熱処理をして触媒試験を行った。
試験ではベンゼン0.2vol%を混合した汚染空気をポンプで送流し毎分50mlの流速で460℃に保持した上記材料上へ通気した。触媒層出口ガス中の二酸化炭素濃度を非分散式赤外分光計で測定し評価した。ベンゼンの浄化率は完全に二酸化炭素になった割合を示す。得られた結果を表1に示す。
ランタンを添加しないアルミナを用いて実施例1と同様の手順で鉄あるいはマンガンを含む触媒材料を作製した。実施例1と同様な試験を行い比較試料1と2の結果を得た。実施例と比較例においてわかるように、本発明の触媒材料は触媒性能において高温にも耐える高温焼成可能な材料であり汚染ガス浄化に良好な活性を示す。材料製造時に高温焼成されても熱的に安定であると同時にガス成分の浄化率の低下がない。
なお、参考試料1は実施例の試料1〜5の鉄あるいはマンガンを銅に置き換えたものであり、ランタンを含むので比較試料に比べて浄化率は高いが、実施例の試料1〜5より浄化率が低くまた比表面積が小さい。
Claims (1)
- セラミックス触媒材料の全金属成分に占めるランタンのモル分率0.001以上0.045以下で、鉄あるいはマンガンの合計のモル分率が0.01以上0.2以下で、アルミナがその残部であり、アルミナとランタンを必ず含みかつ鉄あるいはマンガンの1種以上を含み、アルミナにランタンを添加して焼成した後に鉄あるいはマンガンを添加して、800〜1000℃で熱処理することにより得られ、当該セラミックス触媒材料の結晶相がアルファ型アルミナ以外に、ガンマ型アルミナ、デルタ型アルミナ、あるいはシータ型アルミナのいずれからなる排気浄化用触媒材料。
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