JPH0440235A - 排ガス浄化材及び排ガス浄化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は排ガス浄化材及びこの排ガス浄化材を使用して
排ガスを浄化する方法に関し、更に詳しくは触媒を担持
したフィルタからなる排ガス浄化材、及びその排ガス浄
化材を使用してディーゼルエンジン等の排ガスを浄化す
る方法に関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕近年、
ディーゼルエンジンから排出される排ガス中の微粒子状
物質（主として固体状炭素微粒子と液体又は固体状の高
分子量炭化水素微粒子とからなり、パティキュレートと
称される）や、Ｎｏ、　。

ＣＯ等が環境衛生上有害なものとして問題化している。

特に、パティキュレートは、平均粒径が０．１〜１μｍ
で大気中に浮遊しやすいため、呼吸により人体内に取り
込まれやすく、また最近の臨床試験結果では、発ガン性
物質をも含んでいることが確認されている。

パティキュレートの除去方法としては、大別して以下の
２つの方法が検討されている。その一つは、耐熱性フィ
ルタを用いて排ガスを濾過することによりパティキュレ
ートを捕捉し、これによる圧力損失が上昇したらバーナ
、電気ヒータ等によって、捕捉したパティキュレートを
燃焼せしめてフィルタを再生する方法である。用いられ
る耐熱フィルタとしては、ハニカム型セラミックフィル
タ、三次元網目構造を持つフオーム型セラミックフィル
タ、スチールウール、ワイヤメツシュ等がある。

他の一つは、フィルタに担持した触媒の作用でパティキ
ュレートを自己燃焼させるとともに、他の有害物質を触
媒を用いて酸化あるいは還元する方法である。

前者の場合、パティキュレートの除去効果を高めれば高
めるほど圧力損失の上昇が速く、再生頻度も多くなり、
再生に高い信頼性が要求され、しかも経済的にも不利に
なると考えられる。

これに対して、後者の方法は、ディーゼルエンジンの排
気ガスの排出条件（ガス組成及び温度）において触媒活
性を保持しうる触媒があれば、はるかに優れた方法と考
えられる。しかし、ディーゼルエンジンの排気ガス温度
はガソリンエンジンの場合と比較して低く、しかも燃料
として軽油を用いるために排ガス中にＳＯ□量も多い。

このような排ガス条件下で蓄積したパティキュレートを
良好に着火燃焼し、しかも二次公害を起こさない再生方
法はまだ確立されていない。

例えば、貴金属を添加した触媒を用いた場合、より低温
でパティキュレートの燃焼反応が起こりやすく、圧力損
失の上昇はゆるやかになる。しかし、同時に排ガス中の
８０２の酸化も起こり、このため非常に有害なＳ０３や
硫酸ミストを生成し、二次公害を生むことになる。

さらに、酸素濃度が２〜２０％の広範囲に変化する排ガ
ス中の窒素酸化物の除去は大変困難であり、大きな課題
として残されている。

一方、上記各種のタイプの耐熱フィルタの中で、ハニカ
ムフィルタは、特開昭５８−１８５９１９号に開示され
ているように、多数の貫通孔（セル）の両端のうちの一
方が交互にプラグで閉塞された構造を有し、互いに隣り
合うセルの側壁には、排ガスが通過できる数十μｍ〜数
百μｍ（平均数十μｍ）の細孔が分散している。このよ
うな構造のハニカムフィルタは、パティキュレート補集
率が他の型のフィルタよりも高い。しかし、触媒を担持
し得るセル壁の表面積が小さく、そのため十分な触媒作
用が得られないという問題があった。

この問題を解消するために、特開昭６１−１２９０１６
号において改良されたハニカム型フィルタが提示されて
いる。そのハニカム型フィルタは、セル側壁の入口側の
表面に多孔性で表面積の大きいアルミナのコーティング
層を形成することによって表面積を大きくしたものであ
る。ところが、アルミナのコーティング層はセル側壁の
表面に形成しているため、セル空間から側壁内の細孔を
経由して出口側のセルへガスが流入する際に、ガスの流
入を阻害するようになり、通気抵抗（圧力損失）が増大
して早期に使用不能となる。従って、捕集したパティキ
ュレートの燃焼、除去によるフィルタの再生を頻繁に行
わなければならない。また、排ガスの浄化のための触媒
を担持する表面積も十分には大きくならず、排ガス浄化
を目的とした触媒担持用フィルタとして、十分に満足で
きるには到っていない。

また、特開平２−６３５５１号において、フィルタ基材
ニアルミニウム、シリコンのアルコキシドから合成され
たＳｉ２０・＾１２０３とＣｅＬとアルミナから構成さ
れた被覆層を形成することが開示されている。

それによって耐熱性に優れ、かつち密な被覆層が得られ
るとされているが、セラミック粉末と水との混合物から
なるスラリーを基材上に被覆しているため、基材内部の
細孔に均一に塗布するのは困難である。従って、やはり
圧力損失が高くなると考えられる。

従って本発明の目的は、ディーゼルエンジン等の排出す
る比較的低温であって酸素濃度変化の大きい排ガス中に
含まれるパティキュレートを効率的に燃焼除去し、同時
に窒素酸化物をも効果的に除去できる排ガス浄化材及び
排ガス浄化方法を提供することである。

また本発明の他の目的は、触媒の担持面積が大きく、し
かもパティキュレートを捕集する機能が高く、かつ圧力
損失の低い排ガス浄化材を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、パティキ
ュレート、酸素及び窒素酸化物との触媒の反応を詳細に
検討した結果、周期表のアルカリ金属元素と、遷移金属
及びＳｎの中から選んだ特定の元素と、希土類金属の中
の特定の元素とを同時に含有する触媒を、微細なセラミ
ック粒子からなる層を介してハニカム型フィルタに担持
させることによって、排ガスの浄化を効率的に行うこと
ができることを発見し、本発明を完成させた。

すなわち本発明の排ガス浄化材は、排ガスの流通方向に
形成された多数のセルを有する耐熱多孔性ハニカム型フ
ィルタ上に、セラミック層を介して触媒を担持している
ものであって、前記セルの側壁面及び前記セルの側壁内
に形成された細孔の内面に、前記セラミック層がゾル−
ゲル法によって均一に形成されており、前記セラミック
層に触媒として、　（ａ）アルカリ金属元素と、　（ｂ
）周期表のＩＢ族、ＩＩＢ族、ＶＡ族、ＶＩＡ族、ＶＩ
ＩＡ族及び■族の遷移元素、及びＳｎからなる群から選
ばれた１種又は２種以上の元素と、　（ｃ）希土類元素
とが担持されていることを特徴とする。

また本発明の排ガス浄化方法は、前記排ガス浄化材を用
い、フィルタに担持させた前記触媒によって排ガス中の
パティキュレートを酸化すると同時に、前記パティキュ
レートを還元剤として窒素酸化物を還元することを特徴
とする。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明のハニカム型フィルタは、高温の排ガスを濾過す
るものであるため、そのフィルタ形成材料としては、多
孔性で耐熱性、特に耐熱衝撃特性の高いものを用いる。

しかも必要なパティキュレート捕集性能を保有しつつ、
圧力損失が許容範囲内であることが必要である。そのよ
うなフィルタ形成材料としては、アルミナ、シリカ、チ
タニア、ジルコニア、シリカ−アルミナ、アルミナ−ジ
ルコニア、アルミナ−チタニア、シリカ−チタニア、シ
リカ−ジルコニア、チタニア−ジルコニア、ムライト、
コージェライト等のセラミックスが挙げられる。

フィルタの形状と大きさは、目的に応じて種々変更する
ことができるが、一般に円筒形に形成され、その直径は
３０〜４００ｍｍ　、長さは５０〜３００ｍｍとするの
が好ましい。

排ガスの流通方向に形成された多数のセル壁には、排ガ
スが通過できる微小な細孔が多数形成されている。さら
に、セルの側壁面及び側壁内の細孔の内面には、セラミ
ック層が、後述するゾルゲル法によって高い分散度で均
一に形成されている。セラミック層としては、アルミナ
、シリカ、チタニア、チタニア−アルミナ、チタニア−
シリカ等の多孔質で表面積の大きいものを用いる。従っ
て、触媒の担持面積が大きくなっていて、効果的な触媒
作用が得られる。

触媒としては、　（ａ）アルカリ金属元素（Ｌｉ　、　
Ｎａ、Ｋ　、　Ｃｓ等）と、（ｂ）周期表のＩＢ族、Ｉ
ｌＢ族、ＶＡ族（Ｖ、　Ｎｂ、　Ｔａ）　、ＶＩＡ族（
Ｃｒ　、　Ｍｏ、　Ｗ）、ＶＩＩＡ族（Ｍｎ　、　Ｔｃ
、　Ｒｅ）及び■族の遷移元素、及びＳｎからなる群か
ら選ばれた１種又は２種以上の元素と、（ｃ）希土類元
素（［：ｅ　、　Ｌａ、　Ｎｄ５５ｍ等）とを用いる。

フィルタ内で排ガス中のパティキュレートが上記触媒元
素及び酸素と共存することによって着火温度が下がり、
３００℃以下で燃焼（酸化）される。

また、それと同時に、パティキュレートが還元剤として
作用して窒素酸化物を還元し、排ガスが効果的に浄化さ
れる。すなわち、上記元素を触媒として用いれば、排ガ
ス中の酸素によってパティキュレートがおおむね３００
℃以下で活性化されて窒素酸化物と反応するので、窒素
酸化物はＮ２に還元され、同時に、パティキュレートは
ＣＤ□に酸化される。従っておおむね３００℃以下での
排ガスの浄化が常時可能となる。

なお、ＩＢ族元素としてはＣｕが好ましいが、さらに八
ｇを添加すればパティキュレートがより低温で着火、燃
焼するようになる。

セラミック層を形成するためのゾル−ゲル法には、以下
に詳述するように２通りある。第一の方法は、セラミッ
ク層を形成する金属元素の有機塩（例えばアルコキシド
）を含む溶液をフィルタにコーティングし、水蒸気等と
の接触により加水分解してゾル化し、さらにゲル化を行
ってセラミックスの膜を生成させた後、乾燥、焼成し、
最後に触媒活性種の担持を行う方法である。例えば、前
記セラミック層としてアルミナ（Ａｌ２Ｏ２）を用い、
これに触媒活性種を担持させる場合、ます＾１のアルコ
キシド（例えば、ＡＩ（０−ｉｓｏ　Ｃ３Ｈ７）３　）
のアルコール溶液に、Ｃ）Ｉ３ＣＯＯＨ、）ＩＮＯ，、
■α等の酸を加えたコーテイング液を調製する。このコ
ーテイング液にフィルタを浸漬し、引き上げた後、水蒸
気あるいは水と反応させてゾル化、さらにゲル化を行う
。次いで、フィルタを乾燥、焼成すれば、フィルタのセ
ル側壁面と側壁内の細孔内面にアルミナの膜が満遍なく
均一に形成される。次に、触媒活性種の炭酸塩、硝酸塩
、酢酸塩、水酸化物、塩化物などの水溶液を含浸して、
再び乾燥、焼成し、触媒の担持を行う。

第二の方法は、セラミック層と触媒活性種をフィルタに
同時にコーティングする方法である。例えば、まずへ１
アルコキシドのアルコール溶液にＣ１ｌ、Ｃ０ＯＨ５）
ＩＳＯ，、ＨＣＡ等の酸と、さらに触媒活性金属種の塩
の水溶液とを加えて、コーテイング液を調製する。次い
で、そのコーテイング液にフィルタを浸漬した後、水蒸
気あるいは水と反応させて加水分解によるゾル化、さら
にゲル化を行う。その後、フィルタを乾燥、焼成し、触
媒を担持したアルミナからなるコーティング層を形成す
る。触媒活性金属種の塩としては、水に溶解するもので
あれば、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩、水酸化物、塩化物な
ど、どのような種類のものでも用いることができるが、
触媒特性に従って選択するのがよい。

また、アルコキシドのアルコール溶液中に触媒金属の塩
を均一に分散させることを目的に、エチレングリコール
等の分散剤を添加するのが好ましい。

第一、第二の方法ともに、酸はゲル化の際の加水分解反
応の触媒として添加するものである。しかし、酸の代わ
りにアルカリを添加しても、加水分解反応を促進するこ
とができる。

なお、以上においてセラミック層としてアルミナを例に
説明したが、それ以外のセラミックスの場合でも、同様
にゾル−ゲル法によりコーティングすることができる。

例えば、触媒活性種をチタニア　（Ｔｉ０２）に担持さ
せる場合は、Ｔｉのアルコキシド（例えば、Ｔ＋　（０
−＋ｓｏ　Ｃ３Ｈ７）　４）を用い、上述のアルミナの
場合と同様の方法で行う。その他の多孔質セラミック層
、例えば５１０２、ＭｇＯ、ＺｒＬ、複合セラミック層
Ａｌｚ０３−３ｉ０２．５Ｉ０２−　ＺｒＬ、Ａｌ−０
３ＴｌＯ□、５ｉ０２−ＴｉＯ，等を用いるときも同様
である。

フィルタ内にコーテイング液を満遍なく行き渡らせるた
めに、フィルタの一端から吸引しながら、他端からコー
テイング液を供給するのが好ましい。

そのための装置の一例を第１図に示す。

第１図に示す装置は減圧容器１４を有し、減圧容器１４
の天蓋を貫通して円筒状のフィルタホルダ１３が取付け
られ、その上端にはコーテイング液供給用のガイド１６
が接続されている。フィルタホルダ１３は、処理するフ
ィルタのサイズに応じたものを使用できるよう、交換可
能にしである。フィルタホルダ１３内にはシールリング
１５を介してフィルタ１１が固定される。

減圧容器１４内を、吸引口１４ａに接続した減圧ポンプ
（図示せず）で減圧しながらガイド１６からコーテイン
グ液１２をフィルタ１１に供給する。コーテイング液１
２は、セル側壁の表面から多数の細孔を有するセル側壁
内を通す。コーテイング液の通過後も充分吸引して、セ
ル側壁内での高分散を確認する。余剰のコーテイング液
はフィルタ内を通して減圧容器１４の底部に貯えられる
。この処理が終了したら、減圧容器１４の最下部に設け
られたドレンコック１４ｂを開いて、その上に貯えられ
ている余剰のコーテイング液１２を取り出し、次の使用
に供する。

最後に、フィルタ１１をフィルタホルダ１３から取り外
し、乾燥、焼成する。

乾燥前に、フィルタ内に残ったゾル、ゲルを含む余剰の
コーテイング液の排出とコーティング層の均−化及び高
分散化を促進させるために、フィルタ内を減圧あるいは
加圧するか、あるいは遠心分離法等を併用するのが好ま
しい。

ゾル−ゲル法によれば、フィルタ内のセル側壁面と側壁
内の細孔内面に、触媒を極めて均一に担持させることが
可能である。またゾル−ゲル法により形成したセラミッ
ク層は大きな表面積を有するので、フィルタ内の触媒濃
度を高くすることができるとともに、触媒担持による圧
力損失を小さくすることができる。従って、触媒活性が
高まり、排ガス浄化能が向上する。

〔実施例〕

本発明を以下の具体的実施例により、さらに詳細に説明
する。

実施例１ フィルタとして、市販のディーゼル排ガス用コージェラ
イト製ハニカムフィルタを用いた。フィルタは容積２．
Ｏｌの円筒形で、セル壁の厚さ２ｍｍ。

個々のセルの断面の大きさは２　ｍｍＸ　２　ｍｍ、気
孔率８６％、かさ密度０．３７ｇ／ｃｍ’であった。

第１図に示す触媒担持装置を用い、フィルタの一端を吸
引ポンプで減圧しながら、他端から、Ｔｉ（０−ｉｓｏ
　Ｃ３Ｌ）４のアルコール溶液にＨＣＩを添加したコー
テイング液をフィルタ内に供給した。所定の量を供給し
た後、コーテイング液を水蒸気と反応させて、加水分解
によってゾル化、さらにゲル化を行った。

次いで、フィルタを１２０℃で５時間乾燥した後、７０
０℃で２時間焼成した。それによって、フィルタのセル
側壁とセル側壁の細孔内面に、均一にかつ高分散化した
チタニア膜を、フィルタ重量に対して１０％（重量％、
以下同様）コートした。

このフィルタにに２ＣＯｉ水溶液を含浸して、チタニア
に対してにを２．５％担持させた。さらにＣｕ１ｌＪ！
２水溶液とＣｅ　（ＮＯ３）　３水溶液を含浸して、Ｃ
ｕを１０％、Ｃｅを２．５％担持させた。

最後に、フィルタを１５０を以下で乾燥し、７００℃で
３時間焼成して、排ガス浄化材を完成した（実施例１）
。（以後このような排ガス浄化材をに／Ｃｕ／Ｃｅ／Ｔ
＋０２のように表記する。）実施例２〜４ 実施例１と同じフィルタに、同様にしてチタニア膜を１
０％コートした後、Ｃ８ＮＯ３水溶液を含浸してＣｓを
２．５％、ＣＬＩＣＩ２水溶液を含浸してＣｕを１０％
、ＬａＣＩａ水溶液を含浸してＬａを２．５％担持させ
た。

（Ｃｓ／Ｃｕ／Ｌａ／ＴｉＯ２：実施例２）同様にして
、チタニア膜を１０％コートしたフィルタに、ＮａａＣ
Ｏ３水溶液を含浸してＮａを２．５％、ＮＨ。

ＶＯ，水溶液を含浸してｖを１０％、Ｃｅ（ＮＯ−）３
水溶液を含浸してＣｅを２．５％担持させた。

（Ｎａ／Ｖ／Ｃｅ／ＴｉＯ，：実施例３）同様にして、
チタニア膜を１０％コートしたフィルタに、Ｋ２ＣＯ３
水溶液を含浸してＫを２．５％、ＭｎＣ＋２　水溶液’
；ｒ含浸Ｌ　テＭｎを１０％、Ｃｅ　（ＮＯ３）　３水
溶液を含浸してＣｅを２．５％担持させた。

（Ｋ／Ｍｎ／Ｃｅ／ＴｉＯ２：実施例４）実施例５ 実施例１と同じフィルタに、ＡＩ　（０−ｉｓｏ　Ｃ３
１１７）　ｓのアルコール溶液を用いて、同様のゾル−
ゲル法によって、アルミナ膜をフィルタ重量に対して１
０％コートした。

このフィルタに実施例１と同様の各種水溶液を含浸して
、Ｋ　、　Ｃｕ及びＣｅを担持させた排ガス浄化材を製
造した。

（Ｋ／Ｃｕ／Ｃｅ／＾１２０３（Ｋ：２．５％、Ｃｕ　
：　１０％、Ｃｅ：２．５％）：実施例５） 実施例６〜８ 実施例５と同様にして、フィルタにアルミナ膜を１０％
コートした後、実施例２〜４の各々と同様の各種水溶液
の含浸を行って、以下に示す排ガス浄化材を製造した。

（Ｃｓ／Ｃｕ／Ｌａ／Ｔｉ２０３　（Ｃｓ：２．５％、
　Ｃｕ：１０％、　Ｌａ：２．５％）：実施例６） （Ｎａ／Ｖ／Ｃｅ／Ａｌ２Ｏ，（Ｎａ：２．５％、ｖ：
１０％、Ｃｅ：２．５％）：実施例７） （Ｋ／Ｍｎ／（：ｅ／ＡｌｚＯ−（Ｋ：２．５％　、Ｍ
ｎ：１０％、Ｃｅ：２，５％）：実施例８） 実施例９．１０ 実施例１及び実施例２で得られた排ガス浄化材の各々に
、さらに八ｇＮ［１３水溶液を含浸してＡｇを０．５％
担持させた。

（に／Ｃｕ／Ｃｅ／＾ｇ／Ｔｉ０ｚ　：実施例９）（Ｃ
ｓ／Ｃｕ／Ｌａ／Ａｇ／Ｔｉ０ｚ　：実施例１０）実施
例１〜ｌＯの排ガス浄化材の各々を、排気量５１０　ｃ
ｃ、単気筒エンジンの排気通路に装着し、パティキュレ
ートの着火温度とそのときのＮＯｘ除去率（ＮＯｘのＮ
、への転化率）を測定した。エンジンは回転数１５０Ｏ
ｒｐｍ、負荷９０％で運転し、このとき排ガス中の酸素
濃度は５％、ＮＯｘ濃度は約４８Ｏｒｐｍであった。

測定結果を第１表に示す。本発明の浄化材を用いると、
微粒子の着火温度は３３０℃以下となり、また２０％以
上のＮＯｘの除去率が得られた。

比較例１ 比較のために、触媒担持なしのコージェライト製ハニカ
ムフィルタについて、実施例と同じ条件でパティキュレ
ートの着火温度とＮＯｘ除去率を測定した。その結果を
同じく第１表に示す。ＮＯｘの除去は全く認められなか
った。

第　　　　　１　　　　　表 であっても効果的に浄化される。

また、ゾル−ゲル法によって形成したセラミック層は大
きな表面積を有するので、フィルタ内の触媒濃度を高く
することができるとともに、触媒担持による圧力損失を
小さくすることができる。

従って、触媒活性が高まり、排ガス浄化能が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図はフィルタ内にコーテイング液を供給するための
装置を示す断面図である。 〔発明の効果〕

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）排ガスの流通方向に形成された多数のセルを有す
   る耐熱多孔性ハニカム型フィルタ上に、セラミック層を
   介して触媒を担持してなる排ガス浄化材において、前記
   セルの側壁面及び前記セルの側壁内に形成された細孔の
   内面に、前記セラミック層がゾル−ゲル法によって均一
   に形成されており、前記セラミック層に触媒として、（
   ａ）アルカリ金属元素と、（ｂ）周期表の I Ｂ族、II
   Ｂ族、ＶＡ族、VIＡ族、VIIＡ族及びVIII族の遷移元素
   、及びＳｎからなる群から選ばれた１種又は２種以上の
   元素と、（ｃ）希土類元素とが担持されていることを特
   徴とする排ガス浄化材。
2. （２）請求項１に記載の排ガス浄化材において、前記フ
   ィルタには、さらにＡｇが担持されていることを特徴と
   する排ガス浄化材。
3. （３）請求項１又は２に記載の排ガス浄化材を用いて排
   気ガスを浄化する方法において、前記フィルタに担持さ
   せた触媒によって排ガス中のパティキュレートを酸化す
   ると同時に、前記パティキュレートを還元剤として窒素
   酸化物を還元することを特徴とする排ガス浄化方法。