JPH0796193A - 排ガス浄化触媒および窒素酸化物の浄化方法 - Google Patents

排ガス浄化触媒および窒素酸化物の浄化方法

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JPH0796193A
JPH0796193A JP5331187A JP33118793A JPH0796193A JP H0796193 A JPH0796193 A JP H0796193A JP 5331187 A JP5331187 A JP 5331187A JP 33118793 A JP33118793 A JP 33118793A JP H0796193 A JPH0796193 A JP H0796193A
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zeolite
exhaust gas
catalyst
indium
nitrogen oxides
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Niro Nakatani
仁郎 中谷
Hiroshi Sonoyama
洋 園山
Hajime Kato
元 加藤
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 インジウム、希土類金属および水素イオンを
含有するSiO2 /Al2 3 比がモル比で10以上の
ゼオライトからなる排ガス浄化触媒およびかかる触媒の
存在下、炭化水素を用いて、酸素を含む燃焼排ガスから
窒素酸化物を浄化することを特徴とする窒素酸化物の浄
化方法。 【効果】 酸素を含む燃焼排ガスから窒素酸化物を効率
よく除去できる。また、硫黄酸化物存在下でも効率よく
除去できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は排ガス浄化触媒および窒
素酸化物の浄化方法、さらに詳しくは、酸素を含む燃焼
排ガスから大気汚染物質である窒素酸化物を効率的に浄
化する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】環境保全の観点から、大気汚染物質の浄
化は大きな社会的な課題である。とりわけ産業活動の拡
大に伴う燃焼排ガスの浄化は、現在の緊急課題である。
【0003】固定発生源である工場や移動発生源である
自動車から排出される燃焼排ガス中に含まれる窒素酸化
物は、光化学スモッグの原因と言われ人体に有害なガス
であり、特に一酸化窒素(NO)は浄化が難しく、最も
重要な検討課題となっている。 これまでにも燃焼排ガ
ス中の窒素酸化物を浄化する幾つかの方法が提案されて
いる。例えば接触還元法と呼ばれる方法は、アンモニア
や水素等の還元剤を用い、触媒上でNOをN2 とH2
にして浄化する方法である。しかしながら、この方法は
危険な還元剤を利用するため、その回収や漏れの対策が
必要で、規模が大きな固定発生源については有効である
が、自動車のような移動発生源には適さない。
【0004】一方、排気ガスが還元性ガスであるガソリ
ンエンジンの排ガス浄化には、これまでに多くの触媒が
開発されて、一般に使用されている。しかしながら、こ
れらの触媒は、酸素共存下では窒素酸化物を浄化できな
いので用いることができない。
【0005】ところで、NOの接触分解、すなわちNO
を直接N2 とO2 に分解する方法は、排気ガスを触媒層
に通じるだけで済み、極めて簡単なため利用範囲は広
い。これについても従来より種々の触媒がみいだされて
いる。Pt、Cu、Co系触媒がNOの分解活性に効果
があるが、いずれも生成する酸素によって被毒を受ける
という問題があった。通常ディーゼルエンジンの排ガス
や希薄燃焼方式のガソリンエンジン排ガスは酸素を含む
ため、これまでの触媒では対応できず、新規な方法の開
発が望まれている。
【0006】このような課題に対しては幾つかの触媒が
提案されている。例えば、(A)米国特許第4297328 号
明細書や特開昭63ー 283727号公報では銅やコバルトなど
を含有するゼオライト触媒により酸素を含む燃焼ガス中
の窒素酸化物を炭化水素の存在下で浄化する方法が提案
されている。一方、最近(B)Chemistry Letters P.10
25 - 1026 (1992)ではガリウムやインジウムをイオン交
換したZSM−5型ゼオライトが酸素10%と高い条件
のもとで窒素酸化物の浄化率が高いことが示されてい
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記(A)な
どの公知の触媒では酸素濃度が高くなると、炭化水素の
酸素による燃焼反応が増加し、窒素酸化物の浄化能力が
著しく低下し、実用化のためには多くの問題がある。ま
た、上記(B)においては、自動車排ガス中の炭化水素
濃度は窒素酸化物に対して充分存在しているわけではな
いために微量の炭化水素で窒素酸化物を効率よく浄化す
る必要があるが、これら触媒は炭化水素濃度が減少する
と窒素酸化物の浄化能力が低下するという問題があっ
た。したがって、実用化するためには窒素酸化物の浄化
能力をさらに高めた触媒が要求される。また、実際の排
ガス中には硫黄酸化物が存在しており、これが触媒を被
毒し活性を大きく低下させることが知られている。した
がって、実用化には触媒が耐硫黄酸化物性を有すること
も重要な課題である。
【0008】本発明の目的は、酸素を含む燃焼排ガスか
ら炭化水素により窒素酸化物を実用化レベルで浄化する
ことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するためのものであり、本発明者らはインジウム、希土
類金属および水素イオンを含有するゼオライトからなる
触媒の存在下、酸素を含む燃焼排ガス中の窒素酸化物を
炭化水素により効率よく浄化できることをみいだした。
また、本発明の触媒によれば自動車排ガス浄化触媒に要
求される5万h-1以上さらには10万h-1以上の高いガ
ス空間速度(GHSV)でも、しかも硫黄酸化物存在下
でも充分に高い窒素酸化物浄化能力を示すことをみいだ
した。
【0010】すなわち、本発明は、インジウムおよび希
土類金属および水素イオンを含有するSiO2 /Al2
3 比がモル比で10以上のゼオライトからなる浄化触
媒およびかかる触媒の存在下、炭化水素を用いて酸素を
含む燃焼排ガスから窒素酸化物を浄化することを特徴と
する窒素酸化物の浄化方法である。
【0011】本発明でいうゼオライトとは結晶性アルミ
ノケイ酸塩であり、組成は一般に式(1)で示される。 xM2/n O・Al2 3 ・ySiO2 ・zH2 O……(1) (式中、nは陽イオンMの原子価、xは0.8〜2.0
の範囲の数、yは2.0以上の数、zは0以上の数であ
る) ゼオライトの基本構造はSi、Al、Oが規則正しく三
次元的に結合したもので、構造単位の違いにより、種々
の結晶構造をとる。ゼオライトには多くの種類が知られ
ているが、X線回折によって特徴づけられ、その結晶構
造により名称が異なる。例えば天然品として、モルデナ
イト、エリオナイト、フェリエライト、チャバサイト等
があり、合成品としてはこれら天然品の合成体、X型、
Y型、MFI、ベータ型等が知られている。
【0012】本発明で使用するゼオライトは耐熱性、耐
水蒸気性の観点からSiO2 /Al2 3 のモル比が1
0以上であることが必要である。ゼオライト構造として
は特に限定はされないが好ましくはMFI、モルデナイ
ト、フェリエライト、ベータである。天然品、合成品ど
ちらでも構わないが、前者では不純物を含み精製に手間
がかかることから、合成品が好ましく用いられる。
【0013】一般的にゼオライトの合成法を挙げれば、
適当なシリカ源、アルミナ源、アルカリ源、または場合
によってはアルミナ源に代えて金属化合物(例えばF
e、Ga等)を混合し、100〜250℃程度の水熱条
件下で結晶化させることで容易に得られる。また前記の
混合物にテンプレートと呼ばれる有機物を添加する方法
も提案されている。ゼオライトは一般に市販されてお
り、それらを用いてもよい。
【0014】本発明に用いる希土類金属として例えばラ
ンタン、セリウム、プラセオジウム、ネオジウムなどの
ランタノイド系やイットリウムなどを挙げることができ
る。
【0015】本発明において、インジウムおよび希土類
金属の導入方法は特に限定されない。導入方法としては
ゼオライト中のカチオンとインジウムカチオンおよび希
土類金属カチオンを交換するイオン交換法や、ゼオライ
トを目的とする金属を含む溶液に浸す含浸法等が挙げら
れる。イオン交換法の場合、ゼオライトをインジウムあ
るいは希土類金属塩の溶液に分散し、その中にアルカリ
性の溶液例えばアンモニア水を添加してpHを調整する
方法もまた好ましく用いられる。また、水素イオンのゼ
オライトへの導入方法としては直接酸水溶液でイオン交
換するか、またはアンモニウムイオンで交換して、次い
で焼成する方法が挙げられる。また、カチオンサイトの
イオンが有機窒素含有カチオンである場合には焼成によ
りこれを分解して、水素イオンに転化する。
【0016】本発明で用いるインジウム、希土類金属お
よびアンモニウム塩の原料化合物は水溶性塩であればど
の様な形でも使用できる。例えば、硫酸塩、塩酸塩、硝
酸塩等を挙げることができる。また、酸水溶液として
は、塩酸、硫酸、硝酸、燐酸等の水溶液が挙げられる。
【0017】また導入の順序として、特定のイオンを先
に導入する方法および同時に導入する方法が考えられる
が特に限定されない。本発明において用いられるゼオラ
イトのインジウム含有量は0.4〜12重量%であり、
好ましくは1〜8重量%であり、希土類金属含有量は
0.1〜14重量%であり、好ましくは0.3〜10重
量%である。また水素イオンはゼオライト構造を構成し
ているアルミニウム1当量に対し、0.05〜0.9当
量であり、好ましくは0.05〜0.8当量である。
【0018】本発明の触媒はゼオライトにインジウム、
希土類金属および水素イオンを導入した後、例えば、シ
リカ、アルミナ等の無機酸化物や粘土をバインダーとし
て、球状、柱状、ハニカム状等の適当な形に成型しても
よく、あるいはアルミナ、コージェライトなどからなる
例えばハニカムのような成型体にコーテングしてもよ
い。またゼオライトにインジウムおよび/または希土類
金属および/または水素イオンを導入する前にバインダ
ーを添加して成型し、その後インジウムおよび/または
希土類金属および/または水素イオンを導入しても良
い。いずれにしても特に限定されるものではない。
【0019】本発明で用いる炭化水素とは、炭素と水素
から構成される化合物であり、通常いわゆるオレフィン
類、パラフィン類、環状化合物あるいはこれらの化合物
を含有する炭化水素類である。好ましくは、揮発性で本
発明の処理温度において気体状のものであればよい。さ
らに好ましくは炭素数が1〜6程度のオレフィン類、パ
ラフィン類およびナフテン類から選ばれる少なくとも1
種の炭化水素である。好ましい炭化水素の具体例として
は、例えば、エチレン、プロピレン、ブチレン、ペンテ
ン、ヘキセン、メタン、エタン、プロピレン、ブチレ
ン、ペンテン、ヘキセン、メタン、エタン、プロパン、
ブタン、ペンタン、ヘキサン、シクロプロパン、シクロ
ブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘキ
センなどが挙げられる。また、燃焼排ガス中に含まれる
未燃の炭化水素も好ましく用いられることはもちろんの
ことである。触媒上で存在させる炭化水素は燃焼排ガス
中に含まれている窒素酸化物に対してメタン換算で0.
2から5モル比、より好ましくは0.4から4モル比存
在させるのが好ましい。0.2モル比以下では窒素酸化
物の浄化率が低くなり、一方5モル比以上では過剰な炭
化水素が存在し新たな炭化水素浄化装置が必要になり好
ましくない。
【0020】また、本発明でいう燃焼排ガスとは酸素を
含有するものであり、好ましくは0.1容量%以上の酸
素を含有するものである。この燃焼排ガスは通常の内燃
機関やボイラー等から排出されるものである。本発明は
とりわけ、ディーゼルエンジン、希薄燃焼方式のガソリ
ンエンジンからの燃焼排ガスのように、酸素を多量に含
有する排ガスに対し特に有効である。ディーゼルエンジ
ンの燃焼排ガス中の酸素濃度は運転条件により変化する
が、代表的にいえば5〜16%であり、希薄燃焼方式の
ガソリンエンジンでは3〜8%である。
【0021】本発明による窒素酸化物浄化温度は触媒層
温度で好ましくは200から800℃、より好ましくは
250から600℃の範囲である。この浄化温度が低い
と窒素酸化物の浄化が不十分であり、また、浄化温度が
高すぎると共存させた炭化水素が燃焼を起こし、窒素酸
化物の浄化が低下し好ましくない。
【0022】従来の方法では、触媒容積当たりの燃焼排
ガス処理速度即ちガス空間速度を高くすると、例えば5
万h-1以上、さらには10万h-1以上にすると窒素酸化
物の浄化能が低下し自動車のような移動発生源に対して
は実用化レベルにほど遠いものがあった。また、排ガス
中に含まれる硫黄酸化物により、触媒の窒素酸化物浄化
能は著しく低下した。然るに、本発明の方法に従うと、
自動車排ガスのような高いガス空間速度において、しか
も硫黄酸化物共存下でも充分な窒素酸化物浄化能を示
す。
【0023】本発明の除去方法を実施するには燃焼排ガ
ス中に含まれる炭化水素を利用できるのはもちろんのこ
とであるが、燃焼排ガス中の炭化水素濃度を増大させる
ため炭化水素として既設の燃料タンクに入った軽油やガ
ソリン等の燃料油の一部を用い、これをエンジンへ送ら
ずにバイパスラインを通して、排ガス出口側に設けられ
た触媒層に直接添加してもよく、また、バイパスライン
に改質部を設け、軽油やガソリン等の燃料油の一部を改
質処理等を施してから触媒層に添加してもよい。
【0024】さらに、ディーゼル・エンジンの場合エン
ジン内での燃料噴射時期を遅らせることにより爆発燃焼
条件を変化させ排ガス中の炭化水素濃度を増大させるこ
とが出来る。また、触媒層の温度を適当な範囲に維持す
るためにクーラー等で所定の温度にした燃焼排ガスを導
入してもよく、燃焼排ガスが所定の温度に達しない場合
は触媒層を加熱してもよい。
【0025】
【実施例】以下、本発明を実施例をもって説明する。
【0026】実施例1 (触媒調製)SiO2 /Al2 3 が約25のNa型の
MFI型ゼオライト20gを10%塩化アンモニウム水
溶液40mlに分散し、80℃で2時間撹拌した。その
後ろ過し、ついで水250mlで2回洗浄した。さらに
このイオン交換操作および水洗操作を4回繰りかえし
た。これを32.0gの硝酸セリウム・6水和物を含む
1. 0 リットルの水溶液に分散し、室温で一晩撹拌
し、その後ろ過した。ついで、水250mlで2回洗浄
した。次にこれを17.5gの硝酸インジウム・3水和
物を含む1. 0 リットルの水溶液に分散し、室温で一
晩撹拌し、その後ろ過した。水250mlで2回洗浄し
た後110℃で一晩乾燥させた。ゼオライトにイオン交
換されたインジウムの担持量は金属として5.3重量%
であり、セリウムの担持量は金属として3.0重量%で
あった。アンモニウムイオンはゼオライトを構成するア
ルミニウム1当量に対して0.38当量であった。これ
を30ml/minヘリウム気流中、550℃で4時間
処理してアンモニウムイオンを分解し、水素イオンとし
た後、反応に供した。
【0027】実施例2 SiO2 /Al2 3 が約35のNa型のMFI型ゼオ
ライト20gを10%塩化アンモニウム水溶液40ml
に分散し、80℃で2時間撹拌した。その後ろ過し、つ
いで水250mlで2回洗浄した。さらにこのイオン交
換操作および水洗操作を4回繰りかえした。これを3
2.0gの硝酸セリウム・6水和物を含む1. 0 リッ
トルの水溶液に分散し、室温で一晩撹拌し、その後ろ過
した。ついで、水250mlで2回洗浄した。次にこれ
を17.5gの硝酸インジウム・3水和物を含む1. 0
リットルの水溶液に分散し、室温で一晩撹拌し、その
後ろ過した。水250mlで2回洗浄した後110℃で
一晩乾燥させた。ゼオライトにイオン交換されたインジ
ウムの担持量は金属として3.9重量%であり、セリウ
ムの担持量は金属として2.2重量%であった。アンモ
ニウムイオンはゼオライトを構成するアルミニウム1当
量に対して0.35当量であった。これを30ml/m
inヘリウム気流中、550℃で4時間処理してアンモ
ニウムイオンを分解し、水素イオンとした後、反応に供
した。
【0028】実施例3 SiO2 /Al2 3 が約25のNa型のMFI型ゼオ
ライト20gを10%塩化アンモニウム水溶液40ml
に分散し、80℃で2時間撹拌した。その後ろ過し、つ
いで水250mlで2回洗浄した。さらにこのイオン交
換操作および水洗操作を4回繰りかえした。これを1
2.5gの硝酸ランタン・6水和物を含む1. 0 リッ
トルの水溶液に分散し、室温で一晩撹拌し、その後ろ過
した。ついで、水250mlで2回洗浄した。さらにこ
のイオン交換操作および水洗を再度繰り返した。次にこ
れを17.5gの硝酸インジウム・3水和物を含む1.
0リットルの水溶液に分散し、室温で一晩撹拌し、その
後ろ過した。水250mlで2回洗浄した後110℃で
一晩乾燥させた。ゼオライトにイオン交換されたインジ
ウムの担持量は金属として4.1重量%であり、ランタ
ンの担持量は金属として0.5重量%であった。アンモ
ニウムイオンはゼオライトを構成するアルミニウム1当
量に対して0.67当量であった。これを30ml/m
inヘリウム気流中、550℃で4時間処理してアンモ
ニウムイオンを分解し、水素イオンとした後、反応に供
した。
【0029】比較例1 SiO2 /Al2 3 が約25のNa型のMFI型ゼオ
ライト20gを32.0gの硝酸セリウム・6水和物を
含む1. 0 リットルの水溶液に分散し、室温で一晩撹
拌し、その後ろ過した。ついで、水250mlで2回洗
浄した。次にこれを17.5gの硝酸インジウム・3水
和物を含む1. 0 リットルの水溶液に分散し、室温で
一晩撹拌し、その後ろ過した。水250mlで2回洗浄
した後110℃で一晩乾燥させた。ゼオライトにイオン
交換されたインジウムの担持量は金属として5.2重量
%であり、セリウムの担持量は金属として3.4重量%
であった。
【0030】比較例2 SiO2 /Al2 3 が約35のNa型のMFI型ゼオ
ライト20gを32.0gの硝酸セリウム・6水和物を
含む1. 0 リットルの水溶液に分散し、室温で一晩撹
拌し、その後ろ過した。ついで、水250mlで2回洗
浄した。次にこれを17.5gの硝酸インジウム・3水
和物を含む1. 0 リットルの水溶液に分散し、室温で
一晩撹拌し、その後ろ過した。水250mlで2回洗浄
した後110℃で一晩乾燥させた。ゼオライトにイオン
交換されたインジウムの担持量は金属として3.7重量
%であり、セリウムの担持量は金属として2.0重量%
であった。
【0031】比較例3 SiO2 /Al2 3 が約25のNa型のMFI型ゼオ
ライト20gを10%塩化アンモニウム水溶液40ml
に分散し、80℃で2時間撹拌した。その後ろ過し、つ
いで水250mlで2回洗浄した。さらにこのイオン交
換操作および水洗操作を4回繰りかえした。次にこれを
32.0gの硝酸セリウム・6水和物を含む1. 0 リ
ットルの水溶液に分散し、室温で一晩撹拌し、その後ろ
過した。水250mlで2回洗浄した後110℃で一晩
乾燥させた。ゼオライトにイオン交換されたセリウムの
担持量は金属として6.4重量%であった。アンモニウ
ムイオンはゼオライトを構成するアルミニウム1当量に
対して0.68当量であった。これを30ml/min
ヘリウム気流中、550℃で4時間処理してアンモニウ
ムイオンを分解し、水素イオンとした後、反応に供し
た。
【0032】比較例4 SiO2 /Al2 3 が約25のNa型のMFI型ゼオ
ライト20gを10%塩化アンモニウム水溶液40ml
に分散し、80℃で2時間撹拌した。その後ろ過し、つ
いで水250mlで2回洗浄した。さらにこのイオン交
換操作および水洗操作を4回繰りかえした。次にこれを
17.5gの硝酸インジウム・3水和物を含む1. 0
リットルの水溶液に分散し、室温で一晩撹拌し、その後
ろ過した。水250mlで2回洗浄した後110℃で一
晩乾燥させた。ゼオライトにイオン交換されたインジウ
ムの担持量は金属として3.8重量%であった。アンモ
ニウムイオンはゼオライトを構成するアルミニウム1当
量に対して0.72当量であった。これを30ml/m
inヘリウム気流中、550℃で4時間処理してアンモ
ニウムイオンを分解し、水素イオンとした後、反応に供
した。
【0033】比較例5 SiO2 /Al2 3 が約25のNa型のMFI型ゼオ
ライト20gを10%塩化アンモニウム水溶液40ml
に分散し、80℃で2時間撹拌した。その後ろ過し、つ
いで水250mlで2回洗浄した。さらにこのイオン交
換操作および水洗操作を4回繰りかえした。次にこれを
12.5gの硝酸ランタン・6水和物を含む1. 0 リ
ットルの水溶液に分散し、室温で一晩撹拌し、その後ろ
過した。ついで水250mlで2回洗浄した。さらにこ
のイオン交換操作および水洗を再度繰り返した後、11
0℃で一晩乾燥させた。ゼオライトにイオン交換された
ランタンの担持量は金属として0.8重量%であった。
アンモニウムイオンはゼオライトを構成するアルミニウ
ム1当量に対して0.82当量であった。これを30m
l/minヘリウム気流中、550℃で4時間処理して
アンモニウムイオンを分解し、水素イオンとした後、反
応に供した。
【0034】実施例4〜6 (触媒評価)実施例1〜3で得られた触媒を用い、表1
に示す反応条件で酸素12容量%、一酸化窒素1000
ppm、炭化水素としてエチレン250ppm、二酸化
硫黄50ppmを含むガスで反応を行い、一酸化窒素の
除去性能を調べた。NOの転化率はNOのN2 への転化
率から求めた。その結果を表2に示す。
【0035】比較例6〜10 比較例1〜5で得られた触媒を用い、表1に示す反応条
件で酸素12容量%、一酸化窒素1000ppm、炭化
水素としてエチレン250ppm、二酸化硫黄50pp
mを含むガスで反応を行い、一酸化窒素の除去性能を調
べた。NOの転化率はNOのN2 への転化率から求め
た。その結果を表2に示す。
【0036】
【表1】
【0037】
【表2】
【0038】表2の結果から明らかなように、インジウ
ムおよび希土類金属および水素イオンを含有するSiO
2 /Al2 3 比が10以上のゼオライトからなる触媒
を用いれば、微量の炭化水素を用いて、酸素を含む燃焼
排ガスから効率的に窒素酸化物を浄化できることがわか
った。また、触媒被毒成分である硫黄酸化物が反応ガス
に含まれていても有効に働くことがわかった。
【0039】
【発明の効果】本発明によれば、酸素を含む燃焼排ガス
から窒素酸化物を効率よく除去できる。また、硫黄酸化
物存在下でも効率よく除去できる。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 インジウム、希土類金属および水素イオ
    ンを含有するSiO2 /Al2 3 比がモル比で10以
    上のゼオライトからなる排ガス浄化触媒。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の触媒の存在下、炭化水素
    を用いて、酸素を含む燃焼排ガスから窒素酸化物を浄化
    することを特徴とする窒素酸化物の浄化方法。
JP5331187A 1993-04-30 1993-12-27 排ガス浄化触媒および窒素酸化物の浄化方法 Pending JPH0796193A (ja)

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