JPH11221470A - 窒素酸化物還元用触媒及び窒素酸化物の還元方法 - Google Patents

窒素酸化物還元用触媒及び窒素酸化物の還元方法

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JPH11221470A
JPH11221470A JP7117874A JP11787495A JPH11221470A JP H11221470 A JPH11221470 A JP H11221470A JP 7117874 A JP7117874 A JP 7117874A JP 11787495 A JP11787495 A JP 11787495A JP H11221470 A JPH11221470 A JP H11221470A
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catalyst
ratio
bea
zeolite
nox
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Takeshi Tabata
健 田畑
Mikako Kouketsu
三佳子 纐纈
Osamu Okada
治 岡田
Hirofumi Otsuka
浩文 大塚
Giuseppe Bellussi
ジュセッペ ベッルッシィ
Luigina Maria Flora Sabatino
ルイジーナ マリア フローラ サバティノ
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Osaka Gas Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 排ガス中の窒素酸化物(NOx)を還元する
ための触媒及び当該触媒を用いたNOxの還元方法を提
供することを目的とする。 【構成】 本発明のNOx還元触媒は、Siの一部をT
iで置換し、及び/又は、Alの一部をBで置換したB
EA型ゼオライトに、Co/Al比が0.2乃至0.6
となるようにCoをイオン交換担持することからなり、
また本発明のNOxの還元方法は上記の触媒を用いるこ
とからなる。本発明による触媒では、水蒸気等の妨害物
質の共存する実排ガスで、低NOx濃度の条件下での非
常に高い低温活性が得られ、Bを置換したものでは、水
蒸気共存下でメタンによるNOxの還元が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、排ガス中の窒素酸化物
還元用触媒、及び、排ガス中の窒素酸化物の還元方法に
関する。より詳細には、酸素を過剰に含む排ガス中の窒
素酸化物を炭化水素を用いて還元する触媒、及び、酸素
を過剰に含み、炭化水素を含む排ガス中の窒素酸化物を
還元する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】酸素を過剰に含む排ガス中の窒素酸化物
(以下、NOxという)を浄化する方法としては、アン
モニア脱硝法が実用化されているが、アンモニア源を保
有しなければならないこと、過剰のアンモニアはスリッ
プして新たな公害の発生源になってしまうことなどの理
由から、小型の燃焼機器には事実上適用できないのが現
状である。これに対して、最近、例えば、特開昭63−
100919号公報等に開示されているように、銅など
の金属で置換したゼオライトを用い、炭化水素により、
選択的にNOxを還元できる事が見いだされている。し
かし、この触媒は、炭素数が4以下の炭化水素を還元剤
とした場合、一般の排ガスには必ず含まれている水蒸気
の共存下では選択性(消費された炭化水素のうち、NO
xの還元に使われた炭化水素のモル比)が低く、十分な
脱硝率が得られなかった。
【0003】一方、Armorらは、Coをイオン交換した
ZSM−5(MFI型ゼオライト)上で、メタンにより
NOxが選択的に還元されることを報告している(「Ap
plied Catalysis B:Environmental」1巻、L31
頁)。また、米国特許第5149512号公報には、C
oイオン交換モルデナイトも開示されているが、実施例
はいずれも水蒸気を含まない条件での効果を述べている
に過ぎない。この触媒上でも、水蒸気が共存すると活性
が低下し、実用的には十分な活性を有しないことがわか
ってきており、水蒸気の存在下でも有効な触媒が求めら
れている。これらの問題を解決できる触媒として、イタ
リア国特許出願MI93A2337号には、Coをイオ
ン交換担持したBEA型ゼオライト(Co−BEA)を
触媒として用いるNOx還元法が提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】Co−BEAにより、
水蒸気等を含む実排ガス条件での低温での活性、耐久性
は大幅に向上したが、さらに低温の排ガスや、メタン以
外の炭化水素が殆ど含まれていない天然ガスの燃焼排ガ
スの場合には高いNOx転化率が得られなかったため、
より低温活性の高い触媒が求められている。本発明は、
上記の課題を解消するためになされたもので、天然ガス
の燃焼排ガスのように比較的低級な炭化水素を僅かしか
含まない排ガス中のNOxを還元するため、水蒸気等を
含む排ガス中でも十分な低温活性があり、また、メタン
を還元剤として有効に利用できるNOx還元用触媒、及
びそれを用いたNOxの還元方法を提供することを目的
とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、このよう
な問題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、BEA
型ゼオライトの骨格中のSiの一部をTiに置換し、及
び/又は、Alの一部をBに置換し、Co/Al比(モ
ル比、以下同じ)が0.2乃至0.6となるようにCo
をイオン交換担持することにより、炭化水素の活性化が
促進され、低温でのNOx還元活性が向上することを見
いだした。さらに、B置換のBEA型ゼオライトにCo
を所定量イオン交換担持した触媒では、水の存在下でも
メタンにより効果的にNOxを選択的に還元できること
も見いだした。
【0006】本発明は、かかる知見に基づいてなされた
もので、本発明の触媒は、Siの一部をTiで置換し、
及び/又は、Alの一部をBで置換したBEA型ゼオラ
イトに、Co/Al比が0.2乃至0.6となるように
Coをイオン交換担持したことを特徴とする。また、本
発明のNOx還元方法は、上記の触媒を用いたNOxの
還元方法である。
【0007】本発明の触媒には、Siの一部をTiで置
換し、及び/又は、Alの一部をBで置換したBEA型
ゼオライトを用いる。Ti及び/又はB置換したBEA
型ゼオライトは、一般には、Ti源及び/又はB源を原
料混合物に加えることにより、テンプレートを用いた常
套的な水熱合成法で製造でき、例えば、B置換BEA型
ゼオライトは米国特許第5110570号公報に開示さ
れる方法で、Ti置換BEA型ゼオライトはスペイン国
特許第2037596号公報に開示される方法で合成す
ることができる。即ち、B置換BEA型ゼオライトは、
シリカゾル、水ガラスなどのSi源、硝酸アルミニウ
ム、硫酸アルミニウム、アルミン酸ナトリウム等のAl
源に、ほう酸、ほう酸塩、トリアルキルほう酸等のB源
を加え、さらに、N−テトラアルキルアンモニウム塩等
のテンプレート、及び水酸化ナトリウム、アンモニア水
等のアルカリと水とを混合し、オートクレーブで90℃
乃至180℃、2日乃至1週間反応させ、得られた固体
を濾別、水洗の後、80℃乃至200℃で乾燥の後、4
00℃乃至700℃で1時間乃至2日間空気中で焼成し
て得られる。
【0008】Ti置換BEA型ゼオライトは、B源の代
わりに、塩化チタン等のハロゲン化物、チタンイソプロ
ポキシド、チタンテトラエトキシド等のアルコキシド等
のTi源を原料に加え、同様にして得られる。オートク
レーブでの反応時間は、必要に応じて長くしてもよい。
得られたTi及び/又はB置換ゼオライトがBEA型結
晶構造を持っているかどうかは、X線回折により、容易
に判断できる。
【0009】ここでTi置換BEA型ゼオライト中のS
iO2/TiO2比(モル比、以下同じ)は20乃至20
0が好ましい。SiO2/TiO2比を20より小さくし
ようとするとゼオライトの結晶性が低下し、また、Si
2/Al23比を上げられず、また、200を超える
とTi置換の効果が殆どなくなる。また、B置換BEA
型ゼオライト中のSiO2/B23比(モル比、以下同
じ)も、同様な理由から20乃至500が好ましい。
【0010】一方、Coのイオン交換容量を確保するた
め、Alの存在は必須であり、結晶の安定性などから、
ゼオライトのSiO2/Al23比(モル比、以下同
じ)は10乃至100が好ましい。これよりSiO2
Al23比が高いと最終的な触媒に含まれるCo量が不
足し、十分なNOx選択還元活性が得られず、低いと純
度の高い結晶を得にくく、また、イオン交換担持したC
oが凝集して耐久性が低下する。十分な量のCoをイオ
ン交換担持でき、さらにその分散を長時間維持できると
いう意味で、より好ましいSiO2/Al23比の範囲
は、15乃至50である。
【0011】本発明による触媒では、上記Ti及び/又
はB置換BEA型ゼオライトに、Co/Al比が0.2
乃至0.6となるようにCoをイオン交換担持する。C
oのイオン交換は常套的な方法でよく、例えば、プロト
ン型、Na型又はアンモニウム型BEAゼオライトを、
酢酸コバルト又は硝酸コバルト等のCoの水溶性塩をイ
オン交換当量かもしくは若干過剰量溶解する水溶液に懸
濁し、常温から80℃程度に保ち、1時間乃至3日間程
度イオン交換を行い、水洗、乾燥の後、400℃乃至7
50℃で焼成すればよい。BEA型ゼオライトでは、イ
オン交換は比較的容易に行えるので、なるべく低い温度
で、なるべく低濃度の水溶液を用いた方が、金属が凝集
したりせずに確実にイオン交換サイトに担持されるので
好ましい。Co担持量が少ない場合などは、必要に応じ
てイオン交換操作を繰り返し、Coのイオン交換量は、
最終的にCo/Al比が0.2乃至0.6となるように
する必要がある。これよりCoの量が少ないと、十分な
低温活性が期待できず、多いとCoが細孔を埋めて活性
が低下し、またCoが凝集しやすいので耐久性が低下す
る。
【0012】本発明の触媒は、アルカリ土類金属などの
助触媒やバインダーを加えてもよく、ペレット状、ハニ
カム状に成型されていてもよく、また、耐火性ハニカム
担体にウォシュコートされた形態であってもよい。本発
明の触媒を用いれば、Co−BEAの持つ、水蒸気など
が存在する実際の排ガス雰囲気下での高い低温活性や耐
久性に加えて、置換されたTiやBの効果により炭化水
素の活性化が促進され、低温でのNOx還元活性が向
し、さらに、B置換の場合には、水の存在下でもメタン
により効果的にNOxを選択的に還元することができ
る。
【0013】本発明のNOxの還元方法は、過剰な酸素
と炭化水素を含む排ガス中のNOxを、触媒を用いて炭
化水素により選択的に還元する方法であって、上記で得
られる、Siの一部をTiで置換し、及び/又は、Al
の一部をBで置換したBEA型ゼオライトに、Co/A
l比が0.2乃至0.6となるようにCoをイオン交換
担持してえた触媒を用いることを特徴とするNOxの還
元方法である。
【0014】かかる還元方法は、NOx並びに過剰酸
素、炭化水素を含む排ガスを上記の触媒に接触させるこ
とにより行われる。その反応条件は、Siの一部をTi
で置換し、及び/又は、Alの一部をBで置換したBE
A型ゼオライトに、Co/Al比が0.2乃至0.6と
なるようにCoをイオン交換担持してえた触媒を用いる
限り特に制約はないが、使用される温度としては、30
0℃乃至600℃、好ましくは、350℃乃至500
℃、GHSV(gaseous hourly space velocity)20
00乃至100000、好ましくは5000乃至300
00で使用される。温度が300℃より低いと触媒の活
性が十分ではなく、600℃より高いと劣化を早める原
因になる。また、GHSVが2000未満であると圧損
が大きくなり、100000を越えると脱硝率が低下す
る。
【0015】本発明でいう炭化水素としては、エチレン
などのオレフィンやプロパンなどのパラフィンなど、幅
広い炭化水素をさすが、好ましくは、炭素数2乃至5の
脂肪族炭化水素である。芳香族炭化水素は、本発明の触
媒の炭化水素の酸化活性が高くないためあまり有効では
なく、炭素数が6程度以上の脂肪族炭化水素は、ゼオラ
イトの細孔の奥に存在している活性点に到達しにくいの
で、やはり、余り有効ではない。B置換したBEA型ゼ
オライトを用いた触媒では、メタンもNOx還元に有効
に利用できる。
【0016】排ガス中のNOx濃度は、特に制限はない
が、通常、10ppm乃至5000ppmに対し、NO
xの還元に必要な炭化水素濃度は、メタン換算(TH
C)にして、NOx濃度の1/2乃至10倍の濃度、即
ち、5ppm乃至5%であり、排ガス中に存在する炭化
水素では足りない場合、所望の還元率に応じて、炭化水
素を排ガスに注入してもよい。本発明によるNOx還元
方法では、拡散性のよいBEA型ゼオライトをベースに
した触媒を用い、置換されたTiやBの効果により炭化
水素の活性化が促進され、低温でのNOx還元活性が向
上し、さらに、B置換の場合には、水の存在下でもメタ
ンにより効果的にNOxを選択的に還元することができ
る。
【0017】排ガス中の酸素濃度は、極端に少ないと反
応の第一段階であるNOの酸化反応が起こらないので、
0.5%以上含まれていることが好ましく、3%以上含
まれていることがより好ましい。酸素濃度の上限は特に
ないが、空気より濃い濃度では、予期せぬ爆発的な燃焼
が起こる可能性があるので好ましくない。また、排ガス
中には、その他の成分、即ち、H2O、CO2、CO、H
2、SOx等を含んでいてもよいが、本発明によるNO
xの還元方法では、特に、水等、炭化水素による選択還
元反応で一般に反応阻害の原因になっていると言われて
いる物質を含む排ガスに適している。また、本発明によ
る還元方法では、炭化水素として、炭素数4以下の炭化
水素が、メタン換算で全体の炭化水素の90%以上を占
めるような燃焼排ガス中のNOxの還元にも適してい
る。また、B置換したBEA型ゼオライトを用いた触媒
では、メタンも還元剤として有効に利用されるので、メ
タン換算で全体の炭化水素の50%以上がメタンである
ような天然ガスの燃焼排ガスの中のNOx還元に特に適
している。
【0018】本発明による還元方法では、NOxの還元
に炭化水素が用いられるために、炭化水素も浄化される
が、必要に応じて、本発明による触媒後流側に酸化触媒
を設置して残存するCOや炭化水素などを酸化してもよ
い。
【0019】
【実施例】以下、実施例及び比較例に基づき、本発明を
より詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定
されるものではない。 実施例1 Ti置換BEA型ゼオライトは、オルトチタン酸テトラ
エチルをTi源として、SiO2/TiO2比100、S
iO2/Al23比50となるような原料比で、スペイ
ン国特許第2037596号公報に開示される方法と同
様にして、130℃で20日間反応混合物を撹拌し、濾
別、洗浄、150℃で乾燥の後、空気中550℃で焼成
して調製した。得られたゼオライトは、X線回折から、
結晶性の高いBEA型ゼオライトであることが確認され
た。得られたTi/BEAゼオライト(Na型)20g
を2gの酢酸コバルト(Co(CH3COO)2・4H2
O)を溶解する水溶液300mlに懸濁し、50℃で5
時間イオン交換を行い、濾別、水洗の後、再度イオン交
換操作を繰り返した。得られたイオン交換ゼオライト
は、水洗、乾燥の後、空気中、550℃で5時間焼成
し、Co−Ti/BEA触媒を得た。得られた触媒のS
iO2/Al23比は43.6、SiO2/TiO2比は
98.27、Co含有量は1.76重量%であり、Co
/Al比は0.50であった。
【0020】実施例2 B置換BEA型ゼオライトは、ほう酸をB源として、S
iO2/B23比25、SiO2/Al23比30となる
ような原料比で、米国特許第5110570号公報に開
示される方法と同様にして、170℃で4日間反応混合
物を撹拌し、濾別、洗浄、150℃で乾燥の後、空気中
550℃で焼成して調製した。得られたゼオライトは、
X線回折からBEA型ゼオライトであることが確認され
た。得られたゼオライトのSiO2/B23比は43
7.6であった。得られたB/BEAゼオライト(プロ
トン型)20gを0.2M酢酸コバルト水溶液130m
lに懸濁し、イオン交換を3回行う以外は、実施例1と
同様にしてイオン交換以降の操作を行い、Co−B/B
EA(1)触媒を得た。得られた触媒のSiO2/Al2
3比は28.96、Co含有量は2.73重量%であ
り、Co/Al比は0.49であった。
【0021】実施例3 ほう酸をB源として、SiO2/B23比50、SiO2
/Al23比28となるような原料比で、米国特許第5
110570号公報に開示される方法と同様にして、1
75℃で4日間反応混合物を撹拌し、濾別、洗浄、12
0℃で乾燥の後、空気中550℃で焼成して調製してB
置換BEA型ゼオライトを得た。得られたゼオライト
は、X線回折からBEA型ゼオライトであることが確認
された。得られたゼオライトのSiO2/B23比は1
36.7であった。得られたB/BEAゼオライト(N
a型)24.4gを、4.36gの酢酸コバルトを溶解
する水溶液200mlに懸濁し、60℃で5時間イオン
交換を行い、濾別、水洗の後、再度イオン交換操作を繰
り返した。得られたイオン交換ゼオライトは、水洗、乾
燥の後、空気中、550℃で5時間焼成し、Co−B/
BEA(2)触媒を得た。得られた触媒のSiO2/A
23比は27.6、Co含有量は2.64重量%、C
o/Al比は0.50であった。
【0022】比較例1 SiO2/Al23比44のBEA型ゼオライトは、米
国特許第3308069号公報に開示される方法で調製
した。得られたBEAゼオライト(プロトン型)20gを
0.2M酢酸コバルト水溶液80mlに懸濁する以外は
実施例3と同様にしてイオン交換以降の操作を行い、C
o−BEA(1)触媒を得た。得られた触媒のCo含有量
は2.22重量%であり、Co/Al比は0.55であ
った。
【0023】比較例2 SiO2/Al23=22.3のBEAゼオライト(N
a型)250.14gを2lの酢酸コバルト水溶液に懸
濁する以外は比較例1と同様にして、Co−BEA
(2)触媒を得た。得られた触媒のCo含有量は3.0
重量%であり、Co/Al比は0.40であった。
【0024】比較例3 BEA型ボロシリケートは、ほう酸をB源としてSiO
2/B23=5となるように原料を加え、米国特許第5
110570号公報に開示される方法と同様にして、1
50℃で2日間反応混合物を撹拌し、濾別、洗浄、12
0℃で乾燥の後、空気中550℃で焼成して調製した。
得られたボロシリケートは、X線回折からBEA型シリ
ケートであることが確認された。得られたボロシリケー
トのSiO2/B23比は23.9であった。得られた
BEA型ボロシリケート(Na型)12gを0.2M酢
酸コバルト水溶液100mlに懸濁する以外は実施例3
と同様にしてイオン交換以降の操作を行い、Co−ボロ
シリケート触媒を得た。得られた触媒中のSiO2/B2
3比は40、Co含有量は2.31重量%、Co/B
比は0.52であった。
【0025】比較例4 ノートン(Norton)社製のSiO2/Al23比11.2
のMOR型ゼオライト15gを0.2M酢酸コバルト水
溶液110mlに懸濁する以外は比較例1とほぼ同様に
して、Co−MOR触媒を得た。得られた触媒のCo含
有量は4.41重量%であり、Co/Al比は0.36
であった。
【0026】比較例5 SiO2/Al23比50のMFI(ZSM−5)型ゼ
オライトは、英国特許第1402981号公報に開示さ
れる方法で調製した。得られたMFI型ゼオライト(N
a型)10gを0.0073M硝酸コバルト水溶液1l
に懸濁し、40℃で24時間、さらに80℃でイオン交
換を行い、濾別、水洗、乾燥の後、500℃で5時間焼
成し、Co−MFI触媒を得た。得られた触媒のCo含
有量は1.9重量%であり、Co/Al比は0.53で
あった。
【0027】実施例4 上記実施例1から2及び比較例1から3で得られた触媒
を錠剤に成型した後、破砕してふるいで1−2mmに整
粒し、さらに空気中、500℃で9時間焼成した試料4
mlをSUS製反応管(内径14mm)に充填し、表1
に示す組成の試験ガスを、毎分1リットル(GHSV=
15000)流通させ、反応管出口のガス組成を化学発
光式NOx計及びガスクロマトグラフで測定した。
【0028】
【表1】
【0029】このときの触媒活性(NOx転化率及びプ
ロパン転化率)を表2に示す。なお、ここで、NOx転
化率およびプロパン転化率は、反応管入口及び出口の濃
度から、以下の式によって計算されたものである。
【0030】
【0031】
【表2】
【0032】表2から明らかなように、本発明に基づく
Co−Ti/BEA、Co−B/BEA(1)は、対応
するCo−BEA(1)、Co−BEA(2)よりも3
50℃〜450℃の低温で高いNOx転化率を示してお
り、TiやBによる骨格置換により、NOxが低い濃度
でのNOx還元の低温活性が向上していることがわか
る。一方、Alを含まないCo−ボロシリケート触媒で
は、BEA型の結晶構造を持っていてもCoを高分散担
持できず、殆ど活性を示さないことから、Alを含むこ
とが必須であることがわかる。
【0033】実施例5 実施例2から3及び比較例2、4並びに5で得られた触
媒について、表3のガス組成の試験ガスを用いる以外は
実施例4と同様にして、触媒のNOx選択還元活性を測
定した。
【0034】
【表3】 この時の触媒活性を表4に示す。CH4の転化率は、C3
8の転化率と同様にして算出されたものである。
【0035】
【表4】
【0036】表4から明らかなように、米国特許第51
49512号公報に開示されるCo−MORやCo−M
FIは、水が共存しない条件では高いNOx転化率を示
すが、水が共存すると活性が大幅に低下してしまうこと
がわかる。一方、本発明によるCo−B/BEA(2)
では、水の共存下でも高い活性を示し、Bを置換してい
ないCo−BEA(2)よりも明らかに高い活性を示し
ている。
【0037】
【発明の効果】本発明による触媒では、水蒸気等の妨害
物質の共存する実排ガスで、低NOx濃度の条件下でも
高い低温活性と耐久性があるCo−BEAをベースと
し、さらに、骨格中に含まれたTiやBの作用により低
温活性がより向上し、またBを置換したものでは、水蒸
気共存下でメタンによるNOxの選択還元が可能とな
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大塚 浩文 大阪市中央区平野町四丁目1番2号 大阪 瓦斯株式会社内 (72)発明者 ベッルッシィ ジュセッペ イタリア国 29100 ピャチェンツァ,ヴ ィア・ア・スコット44 (72)発明者 サバティノ ルイジーナ マリア フロー ラ イタリア国 20097 ミラネーセ,サン ドナート,ヴィア モランディ 2/B

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Siの一部をTiで置換し、及び/
    又は、Alの一部をBで置換したBEA型ゼオライト
    に、Co/Al比が0.2乃至0.6となるようにCo
    をイオン交換担持したことを特徴とする酸素過剰下で炭
    化水素により窒素酸化物を還元するための触媒。
  2. 【請求項2】 BEA型ゼオライトのSiO2/A
    23比が10乃至100である請求項1記載の触媒。
  3. 【請求項3】 BEA型ゼオライトのSiO2/T
    iO2比が20乃至200である請求項2記載の触媒。
  4. 【請求項4】 イオン交換する前のBEA型ゼオラ
    イトのSiO2/B23比が20乃至500である請求
    項2記載の触媒。
  5. 【請求項5】 酸素を過剰に含み、炭化水素を含む
    排ガス中の窒素酸化物を還元する方法であって、Siの
    一部をTiで置換し、及び/又は、Alの一部をBで置
    換したBEA型ゼオライトに、Co/Al比が0.2乃
    至0.6となるようにCoをイオン交換担持した触媒を
    用いることを特徴とする排ガス中の窒素酸化物の還元方
    法。
  6. 【請求項6】 BEA型のゼオライトのSiO2
    Al23比が10乃至100であって、かつSiO2
    TiO2比が20乃至200である触媒を用いる請求項
    5記載の排ガス中の窒素酸化物の還元方法。
  7. 【請求項7】 炭化水素が、メタン換算にして90
    %以上が炭素数4個以下で構成される炭化水素である請
    求項6記載の排ガス中の窒素酸化物の還元方法。
  8. 【請求項8】 BEA型のゼオライトのSiO2
    Al23比が10乃至100であって、かつイオン交換
    前のSiO2/B23比が20乃至500である触媒を
    用い、炭化水素が、メタン換算にして50%以上がメタ
    ンで構成される炭化水素である請求項5記載の排ガス中
    の窒素酸化物の還元方法。
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