JPWO2014104051A1 - 耐珪素被毒性に優れた排ガス浄化用触媒 - Google Patents

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Abstract

耐珪素性能の優れた触媒組成物及び該触媒組成物を含む触媒を提供すること。貴金属を担持したアルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、セリアおよびセリア・ジルコニアからなる群から選択される少なくとも1種の無機酸化物 (成分1)、Fe、Cu、CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも1種の金属を担持したβゼオライト (成分2)ならびにPt—Fe複合酸化物 (成分3)を含む、有機化合物を含有する排ガスを浄化するための触媒組成物。

Description

本発明は、有機化合物を含有する排ガスを浄化するための触媒組成物及び該触媒組成物を含む触媒に関する。さらに詳細には、本発明は、特に耐珪素性能の優れた触媒組成物及び該触媒組成物を含む触媒に関する。
印刷、塗料、塗装、コーティング、電子材料、プラスチック、ガラス、セラミックスなどの表面処理、シリコーン製造等の幅広い分野で、溶剤や洗浄剤としてベンゼン、トルエン、メチルエチルケトン、酢酸エチル等の有機化合物が使用されており、その一部は排ガスとして放出される。これらの有機化合物には有毒な化合物も含まれ、悪臭や大気汚染の原因となるものもある。従って、これらの有機化合物(VOC,揮発性有機化合物)を含む排ガスを浄化する必要がある。排ガス浄化用触媒としては、従来、有機化合物を酸化して除去する貴金属担持触媒が用いられてきた。
これら排ガス中には、シリコーン、シリコーン熱分解生成成分、シラン類、シロキサン類などの有機珪素化合物が含まれていることが多い。例えば、塗料あるいはPET樹脂等の添加剤等各種の用途に耐熱性や耐水性に優れているシリコーン化合物が使用されておりそれに起因するとされる珪素化合物や、硫黄化合物あるいはリン化合物も工場の排ガス中あるいはPETフィルム製造用延伸炉の炉内ガス中に含まれることがある。
有機化合物や有機珪素化合物を含む排ガスの処理やPET延伸炉内ガスの処理に貴金属担持触媒を使用する場合、珪素が貴金属を被毒し、触媒活性の低下をもたらす。さらに、有機珪素化合物自体が有害であるため、その除去も求められている。
有機珪素化合物は200℃前後で熱分解してヤニなどの粘着性物質を生成し、この粘着性物質が閉塞原因になると報告されている(例えば、特許文献1参照)。
珪素化合物を含む排ガスの処理のため、ゼオライトに貴金属を担持した触媒が報告されている(例えば、特許文献2)。また、ゼオライトよりも安価な担体を使用した貴金属を担持アルミナ、酸化チタン系、又はジルコニア系触媒の耐珪素性を改善するために、酸性度の高いHY型ゼオライトを添加した触媒組成物について出願人は特許出願した(特許文献3、4および5参照)。
ゼオライトよりも安価な担体を使用することが工業的に望ましく、細孔径が100Å以下の細孔が全細孔容積の15%以下にした酸化チタンに、白金を担持した触媒が、有機珪素化合物による触媒劣化を抑制できるとの報告もある(例えば、特許文献6参照)。
Pd/ZrO触媒やPd/TiO触媒をメタン含有排ガスの浄化に使用することは公知である(例えば、特許文献7参照)。しかしながら、Pd/ZrO触媒やPd/TiO触媒は、有機珪素化合物を含有する排ガス処理に使用すると、活性が急速に低下する問題がある。
珪素化合物を含む排ガスの処理のために、使用する触媒の活性がより長期間維持される触媒が望まれ求められている。
特開平10−267249号公報([0003]、[0004]等) 特開2003−290626号公報(請求項1、[0006]等) WO2005/094991([請求項1]、[0008]等) 特開2006−314867号公報([請求項1]、[0013]等) WO2009−125829([請求項1]、[0010−0013]等) 特開2003−71285号公報([請求項1]、[0004]等) 特開平11−319559号公報( [請求項1]、比較例5等)
本発明の目的は、有機化合物や有機珪素化合物を含有する排ガスやPET延伸炉内ガスを浄化する際に、高い活性を長期間保持し、性能の経時的な低下が抑制された触媒組成物及び該触媒組成物を含む触媒の提供にある。
さらに具体的には、貴金属担持のアルミナ、貴金属担持のジルコニア、貴金属担持のセリア・ジルコニア、貴金属担持のセリア及び/又は貴金属担持の酸化チタン系触媒の耐珪素被毒性を改良した耐久性の高い炭化水素含有ガス浄化触媒の提供にある。
さらに具体的には、有機化合物や珪素化合物を含有する排ガス及びPET延伸炉内ガスの浄化で、触媒に使用される貴金属量を減量しても高い活性を長期間保持して、性能の経時的な低下が抑制でき、触媒寿命の向上ができ、高い浄化性能を有する触媒の提供にある。
発明者等は、貴金属を担持したアルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、セリアおよびセリア・ジルコニアからなる群から選択される少なくとも1種の無機酸化物(成分1)、Fe、Cu、CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも1種の金属(金属M)を担持したβゼオライト(成分2)ならびにPtとFeとの複合酸化物(以下、「Pt−Fe複合酸化物」と称する)(成分3)を含む触媒組成物を用いることにより、触媒活性の経過劣化が抑制されることを見出し、本発明を完成した。本発明によれば、炭化水素分解に関し対して高い活性を発揮するとともに、高価な貴金属の使用量を削減することができる。
すなわち、本発明は下記に示すような態様を有する。
(1)貴金属を担持したアルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、セリアおよびセリア・ジルコニアからなる群から選択される少なくとも1種の無機酸化物 (成分1)、Fe、Cu、CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも1種の金属を担持したβゼオライト (成分2)ならびにPt−Fe複合酸化物(成分3)を含む、有機化合物を含有する排ガスを浄化するための触媒組成物。
(2)前記Pt−Fe複合酸化物のPtとFeの合計原子数に対するFeの原子数比([Fe]/([Pt]+[Fe]))が0.17〜0.3である、前記(1)に記載の触媒組成物。
(3)前記貴金属がPtであり、Pt−Fe複合酸化物を形成していないPtと前記Pt−Fe複合酸化物のPtの合計原子数に対する、Pt−Fe複合酸化物を形成していないPtの原子数比が0.50〜0.95である、前記(1)または(2)に記載の触媒組成物。
(4)前記Ptが0価若しくは2価の価数であり、前記Ptの平均粒子径が0.8〜25nmである、前記(3)に記載の触媒組成物。
(5)前記Ptの含有量が、前記成分1に対して、0.1重量%〜10重量%である、前記(3)または(4)に記載の触媒組成物。
(6)前記成分1と前記成分2との重量比が1:9〜9:1であり、前記成分2のβゼオライトのSiO/Alモル比が5以上、100以下である、前記(1)〜(5)のいずれかに記載の触媒組成物。
(7)バインダーを更に含む前記(1)〜(6)のいずれかに記載の触媒組成物。
(8)前記成分1に担持された該貴金属がPt、Pd、Rh、Ir、Ru、Os、これらの合金、またはこれらの混合物である、前記(1)に記載の触媒組成物。
(9)触媒支持体;と、当該触媒支持体上に形成された、前記(1)〜(8)のいずれかに記載の触媒組成物を含む触媒層;とを含む有機化合物を含有する排ガスを浄化するための触媒。
本発明の触媒によれば、以下のような顕著な効果が達成される。すなわち、
(1)珪素化合物を含む排ガスの処理に用いた場合に触媒性能の径時変化が小さく、従来のものと比較して寿命が改善された耐珪素性を有する。
(2)触媒に使用される高価な貴金属量を減量できる。
(3)さらには耐硫黄被毒(耐久性)の性能を向上させることができる。
Pt/Al+Feβ+Pt−Fe複合酸化物を含む本発明の触媒組成物の有機珪素化合物被毒試験の結果を示す。 Pt−Fe複合酸化物のFe/(Pt+Fe)の原子数比を変えたPt/Al+Feβ+Pt−Fe複合酸化物を含む本発明の触媒組成物の有機珪素化合物被毒試験の結果を示す。 複合酸化物を形成していないPtとPt−Fe複合酸化物の比を変えたPt/Al+Feβ+Pt−Fe複合酸化物を含む本発明の触媒組成物の有機珪素化合物被毒試験の結果を示す。 Pt−Fe複合酸化物のFe/(Pt+Fe)の原子数比を0.25に固定し、Pt平均粒子径を変えたPt/Al+Feβ+Pt−Fe複合酸化物を含む本発明の触媒組成物の有機珪素化合物被毒試験の結果を示す。 Pt/Al+Feβ+Pt−Fe複合酸化物を含む本発明の触媒組成物のHS被毒試験の結果を示す。
本発明の触媒組成物は、貴金属を担持したアルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、セリアおよびセリア・ジルコニアからなる群から選択される少なくとも1種の無機酸化物(成分1)と、Fe、Cu、CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも1種の金属(以下、金属Mと称することがある)を担持したβゼオライト (成分2)と、Pt−Fe複合酸化物(成分3)を必須成分として含む。
具体的には、本発明の触媒組成物は、上記成分1と、成分2と、成分3とを必須成分とする均一な混合物である。
以下、成分1〜成分3について詳細に説明する。
成分1について
本発明の触媒の成分1として使用し得るアルミナ(Al)は、一般に触媒担体として使用されているγ、δなどの活性アルミナ、とくにγ−アルミナである。該アルミナの比表面積は、10m/g以上、好ましくは、50〜300m/gの活性アルミナの使用が好適であり、また平均粒径は0.1μm〜100μm、より好ましくは0.1〜50μmの範囲の粒子状のものが好ましいが、アルミナの形状は、任意である。なお、この様なアルミナとしては、例えば、日揮ユニバーサル社が販売しているアルミナ(製品名;NST−5およびNSA20−3X6)、住友化学社製のアルミナ(製品名;例えばNK−124)などの市販品を使用することができる。
また、成分1として使用し得る酸化ジルコニウム(化学式;ZrO、ジルコニアと称することがある)は、単斜晶系、正方晶系、立方晶系を問わず、一般に市販されているZrO粉末で多孔質のものが好ましく利用できる。比表面積は、活性金属としての白金を高分散に担持するためと、処理するガスとの接触性を高めるために重要な要素であり、5m/g以上のものが好ましく、10〜150m/gの多孔質のものがより好ましい。平均粒径もガスとの接触性を高めるために、0.1μm〜100μm、より好ましくは0.1〜50μmの範囲の粒子状のものが好ましい。この様な酸化ジルコニウムとしては、例えば、第一稀元素製RCシリーズ、日本軽金属製XZOシリーズなどの市販品を使用することができる。また複合系のZrO、例えば、ZrO・nCeO、ZrO・nSiO、ZrO・nSO等、も利用できる。
また、成分1としてセリア(CeO)またはセリア・ジルコニア(セリアとジルコニアの複合酸化物であり、以下CeO・ZrOで表す)が利用できる。該CeOとZrOとLa,Y,PrもしくはNdの少なくとも1種の酸化物とを含む複合酸化物の群から選択される1種又は2種以上であってもよい。該CeOまたはCeO・ZrOを含む本発明の触媒は、PETオリゴマーの分解活性が高く、しかもカーボンの生成が少なく、耐久性に優れ、結果として炉の汚れを防止する効果に特に優れる。比表面積は、活性金属としての白金等の貴金属を高分散に担持するためと、処理するガスとの接触性を高めるために重要な要素であり、5m/g以上のものが好ましく、10〜150m/gである多孔質のものがより好ましい。平均粒径も、ガスとの接触性を高めるために、0.1μm〜100μm、より好ましくは0.1μm〜50μmの範囲のものが好ましい。この様なセリアまたはセリア・ジルコニアは、例えば、第一稀元素製などの市販品を使用することができる。
また、成分1として本発明で使用し得る酸化チタン(以下TiOで表し、チタニアと称することがある。)として、アナターゼ型又はルチル型酸化チタンが利用できる。とりわけ多孔質であることが好ましく、アナターゼ型が好ましい。アナターゼ型TiOは、湿式化学法(塩化物あるいは硫酸塩)で、又は四塩化チタンの炎内加水分解により製造でき、通常50m/gより大きい比表面積を有する。
前記Al、ZrO、CeO、CeO・ZrOおよびTiOは共存するゼオライト粒子との接触性向上、支持体上での均質かつ滑らかな触媒層の形成、触媒層のクラック発生防止という観点から、粒子状であって、その粒径は0.05μm〜100μmの範囲にあるものを使用することが好ましい。原料として100μmを超える大きい粒子は、ボールミルなどで粉砕して使用される。 また前記Al粒子、ZrO粒子、CeO粒子、CeO・ZrO粒子およびTiO粒子の形状は、併用するゼオライト粒子との混合性と、粒子間の接触性の向上面から、球状が好ましいが、特にこれに限定されるものではない。なお本発明において、特に断らない限り、粒径はレーザー法で測定された2次粒子の平均粒径を指し、形状は二次粒子の形状を指す。
本発明の触媒として成分1に使用される該Al、ZrO、CeO、CeO・ZrO及び/又はTiO粒子には、貴金属、すなわちPt、Pd、Rh、Ir、Ru、Os、これらの合金、またはこれらの混合物から選択されるいずれか1種又は2種以上が担持されている。低温活性の高いものを製造するにはPt、Pd、これらの合金、またはこれらの混合物であることは好ましい。Ptが特に好ましく、高温域での使用の場合には、RhあるいはRhと他の貴金属を併用するのが特に好ましい。
貴金属の担持には、含浸法及びウォッシュコート法を含む従来公知の各種の方法を用いることができる。
貴金属源は貴金属粒子であっても貴金属化合物であってもよく、貴金属の水溶性塩が好ましい。例えば、好ましい貴金属源として貴金属の硝酸塩、塩化物、アンモニウム塩、アンミン錯体が挙げられる。具体的には、塩化白金酸、硝酸パラジウム、塩化ロジウム、ジニトロジアミノ白金硝酸酸性水溶液が挙げられる。これらの貴金属源は単独で用いてもよく、組み合わせて用いてもよい。Ptの担持手段の例としては、上記貴金属化合物、例えばPt(NH(NO)の水溶液にZrO粒子を含浸し、その後100〜180℃にて乾燥し、400〜600℃にて焼成し、還元することにより、Ptが担持されたZrO粒子(成分1)が得られる。還元方法には水素含有雰囲気中での加熱やヒドラジン等の還元剤による液相での反応が挙げられる。
触媒中の貴金属量に特に制限はなく、触媒支持体に形成される触媒層の厚さ等の触媒の形態、並びに、排ガス中の有機化合物の種類、反応温度、及びSV等の反応条件に依存して決定される。典型的には、支持体の種類、例えばハニカムのセル数にもよるが、触媒層1mあたりの貴金属量は0.05〜2.0gの範囲にある。上記範囲未満では排ガス中の有機化合物の除去が充分でなく、上記範囲を超えると経済的でない。成分1中の貴金属量は、当該成分1の重量を基準に0.1〜10重量%の範囲にあることが好ましい。さらに好ましい成分1中の貴金属量は、0.5〜8重量%の範囲であり、最も好ましくは、1〜5重量%の範囲である。
本発明の触媒の成分1として、排ガスの酸化・分解作用を有し、かつPtを高分散させるために、アルミナ、ジルコニアまたはセリア・ジルコニアを使用することはより好ましい。
また、前記の成分1に担持された貴金属がPtの場合、担持されているPtは0価若しくは2価の価数であり、Ptの平均粒子径は0.5〜25nmの範囲であることが好ましく、2〜20nmの範囲であることがより好ましい。後述する本発明の触媒の成分2の遷移金属を担持したゼオライトとの成分1の本発明の触媒の構成による相互作用によるものと思われるがPtの粒子径と耐珪素性に相関関係がある。Ptの平均粒子径を0.5〜25nm、さらに好ましくは2〜20nmとすることで耐珪素性が向上できる。この範囲より低くても、この範囲を超えても耐珪素性が低下してしまう。Ptの平均粒子径および価数は、XAFS(X線吸収微細構造解析法、X−ray Absorption Fine Structure)やCO吸着法で測定することにより求めることができる。
触媒組成物中に配合できる成分1の配合割合は、触媒組成物の重量を基準に10〜90重量%、好ましくは、20〜80重量%、より好ましくは、30〜70重量%である。
成分2について
本発明の触媒組成物に使用される成分2として、Fe、Cu、CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも1種の金属(以下、金属Mと表記する)を担持したβゼオライトであるのが好ましい。本発明で使用されるゼオライトのSiO/Alモル比が5以上、100以下であることが好ましい。耐珪素性の改善のため、本発明で使用されるゼオライトのSiO/Alモル比が1以上、好ましくは2以上、さらに好ましくは5以上であり、100以下、好ましくは50以下、より好ましくは30以下である。理論に拘束されるわけではないが、Fe、Co、NiおよびCuからなる群から選択される少なくとも1種の金属を担持したβゼオライトは、排ガスの酸化・分解および有機珪素化合物の酸化・分解に作用するものと考えられる。
本発明で使用されるゼオライトは併用するAl、ZrO、CeO、CeO・ZrOあるいはTiO粒子との接触性向上、支持体上での均質かつ滑らかな触媒層の形成、触媒層のクラック発生防止という観点から、粒子状であって、その平均粒径は0.5〜300μmの範囲にあるものを使用することが好ましい。また該ゼオライト粒子の形状は、併用するAl、ZrO、CeO、CeO・ZrOあるいはTiO粒子との混合性と、粒子間の接触性の向上面から、球状が好ましいが、特にこれに限定されるものではない。この様な金属Mを担持したβゼオライトとしては、例えばクラリアント触媒社製Fe−BEA−25などの市販品を使用することができる。
βゼオライトの他に、人工ゼオライト、天然ゼオライト、Y型、X型、A型、MFI、モルデナイトまたはフェリエライトとの混合物を使用してもよい。触媒の耐珪素性を改善するために、酸性度の高いゼオライトを使用することができる。酸性度の高いゼオライトとしては、HY型、X型、及びA型ゼオライトが挙げられる。本明細書において、ゼオライトの酸量は、アンモニア吸着法における160〜550℃でのNH脱離量で表示され、ゼオライト1gあたりの脱離NHのミリモルで表す。本発明で使用されるゼオライトの酸量は、0.4ミリモル/g以上、好ましくは0.5ミリモル/g以上、より好ましくは0.6ミリモル/g以上である。酸量の上限に制限はないが、1.5ミリモル/g以下、好ましくは1.2ミリモル/g以下のゼオライトは容易に入手できる。ゼオライトとして複数の種類の混合物を使用する場合、酸量は各ゼオライトの酸量の重量平均により求められる。
触媒組成物中に配合できる成分2の配合割合は、触媒組成物の重量を基準に10〜90重量%、好ましくは、20〜80重量%、より好ましくは、30〜70重量%である。
成分3について
本発明の触媒組成物に使用される成分3として、Pt−Fe複合酸化物を含むことを特徴とする。成分3として使用されるPt−Fe複合酸化物は、PtとFeの合計原子数に対するFeの原子数比、すなわち[Fe]/([Pt]+[Fe])の値が0.2〜0.3を満たすものが好ましい。例えば、3価のFeを含む、FePt11、Fe10Pt3045、FePt1423等があるが、これらに限定されない。
原子数の比が前記の範囲より低くても、前記の範囲を超えても耐珪素性が低下してしまう。前記の成分3のPt−Fe複合酸化物のPtとFeの原子数の比([Fe]/([Pt]+[Fe]))が0.2〜0.3のものが好ましく、そうすることにより触媒の触媒被毒に対する耐久性、耐珪素性が向上できる。元素比は、XAFS(X線吸収微細構造解析法X−ray Absorption Fine Structure)で測定することにより求めることができる。Pt―Fe複合酸化物の原子数比[Fe]/([Pt]+[Fe])は、原料を目的の割合に設定することにより任意に調整できる。例えば、白金化合物の水溶液と鉄化合物の水溶液を所定の原子数比になるよう混合し、乾燥後、焼成することにより調製できる(後述実施例の「Pt−Fe複合酸化物の調製」の項で詳細に説明する)。
白金源は白金粒子であっても白金化合物であってもよく、白金の水溶性塩が好ましい。例えば、好ましい白金源として白金の硝酸塩、塩化物、アンミン錯体が挙げられる。具体的には、塩化白金酸、ジニトロジアミン白金、ジニトロジアミノ白金硝酸酸性水溶液が挙げられる。鉄源は酸化鉄粒子であっても、鉄化合物であってもよく、鉄の水溶性塩が好ましい。例えば、好ましい鉄源として、鉄の硝酸塩、塩化物、硫酸塩、酢酸塩等が挙げられる。具体的には、硝酸鉄、塩化鉄、硫酸鉄、酢酸鉄等が挙げられる。
Pt−Fe複合酸化物の調製の例としては、上記の白金化合物、例えばジニトロジアミン白金の水溶液と、上記の鉄化合物、例えば硝酸鉄の水溶液を混合し、110℃にて乾燥後、500℃にて焼成してPt−Fe複合酸化物が得られる。得られたPt−Fe複合酸化物目的物は粉砕とふるい分け手段により平均粒径0.05μm〜10μmに調整し本触媒組成物の成分として使用され得る。
触媒組成物中に配合できる成分3の配合割合は、触媒組成物の重量を基準に0.01〜4.5重量%、好ましくは、0.05〜3.6重量%、より好ましくは、0.1〜2.3重量%である。
当然のことであるが、触媒組成物中の上記触媒成分1、2および3の配合割合は、その合計が100重量%となるように適宜選択する。
本発明の触媒組成物は成分1と成分2と成分3とを必須成分として含んでなるものである。本発明の触媒組成物として、貴金属を担持したアルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、セリアおよびセリア・ジルコニアからなる群から選択される少なくとも1種の成分1と、Fe、Cu、CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも1種の金属を担持したβゼオライトの成分2と、Pt−Fe複合酸化物の成分3とを必須成分として含むことにより、成分1と成分2と成分3との相乗効果によると考えられる触媒被毒に対する耐久性、耐珪素性が向上する。特にPtを担持した成分1、例えばPt−アルミナ、Pt−セリアジルコニア、Pt−ジルコニア、Pt−セリアおよび又はPt−チタニアと、FeまたはCuを担持した成分2、例えばFe−βゼオライトまたはCu−βゼオライトと、成分3としてPt−Fe複合酸化物とを含んだ本発明の触媒組成物は、PtとFeとの相乗効果によると考えられる触媒被毒に対する耐久性、耐珪素性が飛躍的に向上する。
本発明の触媒組成物に、Ptを担持した成分1と、成分2としてFe、Cu、CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも1種の金属を担持したβゼオライトと、成分3としてPt−Fe複合酸化物を使用する場合に、以下の特徴を有することが好ましい。
Pt−Fe複合酸化物を形成していないPtとPt−Fe複合酸化物のPtの合計原子数に対するPt−Fe複合酸化物を形成していないPtの原子数の比、いわゆる[Pt−Fe複合酸化物を形成していないPt]/([Pt−Fe複合酸化物を形成していないPt]+[Pt−Fe複合酸化物のPt])の値が0.50〜0.95を満たすものが好ましい。0.6〜0.9を満たすものがより好ましい。Pt−Fe複合酸化物を形成していないPtとPt−Fe複合酸化物のPtの合計原子数に対する複合酸化物を形成していないPtの原子数の比を0.50〜0.95の範囲、より好ましくは0.6〜0.9とすることで触媒の触媒被毒に対する耐久性、耐珪素性が向上できる。この範囲より低くても、この範囲を超えても耐珪素性が低下してしまう。元素比は、XAFSで測定することにより求めることができる。
原子数の比は、例えば、Pt−Fe複合酸化物を目的の割合に設定することで調整できる。
本発明の触媒組成物中の貴金属の総和に特に制限はないが、好ましくは、0.1〜10.0重量%の範囲、より好ましくは、0.5〜5.0重量%の範囲、最も好ましくは、1.0〜3.0重量%である。
触媒層と触媒の支持体
本発明の触媒組成物は、バインダーをさらに加えることができる。バインダーを加える場合、後述の触媒製造方法において、ハニカムなどの支持体へ触媒層を形成するのに好ましい。バインダーには特に制限はなく、従来公知のバインダーを使用できる。バインダーの例には、コロイダルシリカ、アルミナゾル、ケイ酸ゾル、ベーマイト、ジルコニアゾルが挙げられる。
触媒組成物に配合できるバインダーの配合量はバインダーとして目的を達成し得る量で適宜決めることができるが、通常、触媒組成物の100重量部に対して1〜50重量部、好ましくは、10〜30重量部、より好ましくは、15〜25重量部である。
本発明は、前述の触媒組成物を含む触媒層を触媒支持体の表面に形成した触媒にも関する。上記の触媒組成物を含む触媒層をコージーライト、コルゲートハニカム、等の触媒支持体の表面に、一般的な製法、すなわち、スラリーコート法または含浸法等により、触媒層を形成し、触媒とすることができる。使用する支持体の形状に特に制限はなく、ガス流通時に発生する差圧が小さく、ガスとの接触面積が大きい形状が好ましい。例えば、ハニカム、シート、メッシュ、繊維、粒状、ペレット、ビーズ、リング、パイプ、網、フィルター等の形状が含まれる。これら支持体の材質に特に制限はなく、コージェライト、アルミナ、シリカアルミナ、ジルコニア、チタニア、チタン酸アルミニウム、SiC,SiN,炭素繊維、金属繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、ステンレス、Fe−Cr−Al合金等の金属が挙げられる。支持体の材質としては、耐腐食性及び耐熱性に優れたものが好ましい。ハニカム担体の貫通孔形状(セル形状)は、円形、多角形、コルゲート型等任意の形状でよい。ハニカム担体のセル密度も特に限定されないが、0.9〜233セル/cm(6〜1500セル/平方インチ)の範囲のセル密度であることが、好ましい。
触媒層の平均厚さは、10μm以上、好ましくは20μm以上であり、500μm以下、好ましくは300μm以下である。触媒層の厚さが10μm未満の場合、有機化合物の除去率が充分でない場合があり、500μmを超えると、排ガスが触媒層内部に充分拡散しないため、触媒層中に排ガス浄化に寄与しない部分が生じやすい。所定の厚さの触媒層を得るため、塗布及び乾燥を繰り返してもよい。本明細書で触媒層の厚さは、以下の式で表される。
式1: 触媒の厚さ[μm]=W[g/L]/(TD[g/cm3] X S[cm2/L])X 104
(式中、Wは支持体1Lあたりの触媒コート量(g/L)であり、TDは触媒層の嵩密度(g/cm)であり、Sは支持体1Lあたりの表面積(cm/L)である。)
触媒層の形成は、例えば以下の方法によって行われる。
(方法1) まず、貴金属を担持した成分1の粒子、成分2の粒子、成分3の粒子、及びバインダーを含む水スラリーを作成する。このスラリーを前記支持体に塗布し、乾燥する。塗布方法には特に制限はなく、ウォッシュコート法やディッピング法を含む公知の方法を用いることができる。塗布後15〜800℃の温度範囲で加熱処理する。また加熱処理を水素ガスなどの還元雰囲気のもとで行っても良い。また成分2の金属Mを担持したβゼオライトは、成分1と同種又は異種の貴金属成分を更に担持したものを使用してもよい。
(方法2) 貴金属を担持していない成分1の粒子と、成分2の粒子と、成分3の粒子と、バインダーを含む水スラリーを、前記方法1と同様にして支持体に塗布し、乾燥し、これに貴金属成分を含む溶液を含浸し、乾燥し、還元処理する。あるいは前記方法1を行った後、方法2により貴金属を更に付加してもよい。
本発明では、有機化合物及び有機珪素化合物をSi濃度として0.1ppm〜1000ppmの範囲で含有する排ガスを、前記本発明の触媒と、150〜500℃の温度で接触し、反応させることにより、該排ガスを浄化することができる。本発明の触媒組成物や触媒に流通させる排ガス中のSi濃度の上限に特に制限はないが、1000ppm以下、好ましくは100ppm以下、より好ましくは20ppm以下である。上記範囲を超えると、触媒活性が低下しやすい。Si濃度の下限に特に制限はないが、0.01ppm以上、好ましくは0.1ppm以上、より好ましくは1ppm以上の場合、本発明の効果が検出しやすい。
本発明の触媒を使用して排ガスを浄化する方法で、例えば、印刷、塗料、塗装、コーティング、電子材料、プラスチック、ガラス、セラミックスなどの表面処理、シリコーン製造等の工場排ガスやPET延伸装置の炉内ガス等で、有機化合物(VOC,揮発性有機化合物)や有機珪素化合物を含有する排ガスや炉内ガスの浄化が好ましい。さらに、本発明の触媒は、有機リン、有機金属、または硫黄化合物を含有する排ガスの浄化にも適する。
有機珪素化合物およびシリコーンについて
排ガスの浄化とは、排ガス中に含有される有機化合物及び/又は珪素含有有機化合物(有機珪素化合物とも称する)の少なくとも1種の濃度を低減させることを指す。本発明で有機珪素化合物とは、その分子中に少なくとも1つのSi−C結合を有する有機珪素化合物をいう。有機珪素化合物の例には、式:RSiX4−n(式中、Rは水素、炭素数1〜10のアルキル基、アルコキシ基、フェニル基などの有機基であり、XはF、Cl、Br、I、OH、H、アミンから独立に選択され、nは1〜3の整数である)で表されるシラン類をはじめとして、その他シロキサン類、シリル基含有化合物、シラノール基含有化合物シリコーンが挙げられる。ここでシリコーンとは、有機基と結合した珪素(Si)と酸素(O)とが結合して形成された主鎖を有するオリゴマー及びポリマーおよびこれらの熱分解生成物をいい、ジメチルシリコーン、メチルフェニルシリコーン、環状シリコーン、脂肪酸変性シリコーン、ポリエーテル変性シリコーン化合物等が含まれる。これら有機珪素化合物の少なくとも1種が、気体状、煙状あるいはミスト状として、有機化合物とともに排ガス中に含有され、本発明の触媒組成物により処理される。以下排ガス中に含有される有機珪素化合物の濃度を表すのに、Si濃度を用いることがある。排ガス中には有機化合物及び/又は有機珪素化合物の他にハロゲン化珪素(一般式XSi;mは1〜2、nは1〜12の整数)等の有機基を含まない珪素化合物等が含まれる。
本発明の触媒は、延伸炉でPETフィルムを製造する際に発生する揮発性PETオリゴマーを含む熱風を、延伸炉内または延伸炉外に設けた上記本発明の触媒に、200〜350℃の温度範囲で接触させ、前記揮発性PETオリゴマーを酸化分解するか(工程1)、または上記工程1と生成した分解ガスの全部または一部分を前記延伸炉に還流する(工程2)方法により、PET延伸炉の汚れ防止方法に使用することができる。
以下、実施例により本発明を例証する。
実施例では下記の無機酸化物、ゼオライト、バインダーおよび支持体を使用した。
無機酸化物
ジルコニア[第一稀元素社製、平均粒径5μm、BET比表面積100m/g)]
セリア[(第一稀元素社製 平均粒径0.5μm、BET比表面積120m/g)]
セリアジルコニア[(第一稀元素社製 平均粒径5μm、BET比表面積120m/g)]
チタニア[TiO粉末(ミレニアム社製、平均粒径1μm、BET比表面積300m/g)]
アルミナ[γ−アルミナ粉末(日揮ユニバーサル社製、平均粒径5μm)]
ゼオライト
Fe−βゼオライト[(クラリアント触媒社製 平均粒径91μm SiO/Alモル比25 5重量%−Fe)]
Cu−βゼオライト[(クラリアント触媒社製 平均粒径85μm SiO/Alモル比35 5重量%−CuO)]
HY [Y型ゼオライト粉末(UOP社製、商品名LZY84、平均粒径2μm、SiO/Alモル比5.9のH型置換体)50g]
バインダー
ベーマイト( UOP製Versal−250)
アルミナゾル(日産化学製、アルミナゾル−520、Al固形分として20重量%)
シリカゾル(日産化学製、スノーテックスC、SiO固形分として20重量%)
支持体
コージライトハニカム(日本碍子社製、200セル/平方インチ)。
Pt−Fe複合酸化物の調製
Pt−Fe複合酸化物1:ジニトロジアミン白金水溶液(田中貴金属社製)と硝酸鉄九水和物(和光純薬製)をFe/(Pt+Fe)の原子数比が0.25になるようにイオン交換水に溶解させて得たFe、Pt混合溶液を110℃にて乾燥後500℃にて焼成することにより、Fe/(Pt+Fe)の原子数比が0.25のPt−Fe複合酸化物を得た。仕込んだ白金と鉄の95%以上がPt−Fe複合酸化物に変化したことが確認された。
Pt−Fe複合酸化物2:Fe/(Pt+Fe)の原子数比が0.3になるようにした以外はPt−Fe複合酸化物1と同様にして調製し、Fe/(Pt+Fe)の原子数比が0.29のPt−Fe複合酸化物を得た。仕込んだ白金と鉄の95%以上がPt−Fe複合酸化物に変化したことが確認された。
Pt−Fe複合酸化物3:Fe/(Pt+Fe)の原子数比が0.35になるようにした以外はPt−Fe複合酸化物1と同様にして調製し、Fe/(Pt+Fe)の原子数比が0.35のPt−Fe複合酸化物を得た。仕込んだ白金と鉄の95%以上がPt−Fe複合酸化物に変化したことが確認された。
Pt−Fe複合酸化物4:Fe/(Fe+Pt)の原子数比が0.17になるようにした以外はPt−Fe複合酸化物1と同様にして調製し、Fe/(Pt+Fe)の原子数比が0.17のPt−Fe複合酸化物を得た。仕込んだ白金と鉄の95%以上がPt−Fe複合酸化物に変化したことが確認された。
Pt−Fe複合酸化物5:Fe/(Pt+Fe)の原子数比が0.20になるようにした以外はPt−Fe複合酸化物1と同様にして調製し、Fe/(Pt+Fe)の原子数比が0.20のPt−Fe複合酸化物を得た。仕込んだ白金と鉄の95%以上がPt−Fe複合酸化物に変化したことが確認された。
Pt−Fe複合酸化物6:Fe/(Pt+Fe)の原子数比が0.19になるようにした以外はPt−Fe複合酸化物1と同様にして調製し、Fe/(Pt+Fe)の原子数比が0.19のPt−Fe複合酸化物を得た。仕込んだ白金と鉄の95%以上がPt−Fe複合酸化物に変化したことが確認された。
Pt−Fe複合酸化物7:Fe/(Pt+Fe)の原子数比が0.15になるようにした以外はPt−Fe複合酸化物1と同様にして調製し、Fe/(Pt+Fe)の原子数比が0.15のPt−Fe複合酸化物を得た。仕込んだ白金と鉄の95%以上がPt−Fe複合酸化物に変化したことが確認された。
触媒の調製
Pt−Fe複合酸化物のFe/(Pt+Fe)の原子数比を変えたPt/Al +Feβ+Pt−Fe複合酸化物含有触媒の調製
触媒1:
Pt−Fe複合酸化物1(Fe/(Pt+Fe)の原子数比=0.25)をPtとして1.08gとγ−アルミナ粉末(日揮ユニバーサル社製、平均粒径5μm)を固形分として120gとFe−βゼオライト(クラリアント触媒社製 SiO/Alモル比25 5重量%−Fe、平均粒径91μm)を固形分として120gと、バインダーとしてアルミナゾルを固形分として60gをイオン交換水451gに混合してスラリーを調製した。このスラリーを、コージライトハニカム(日本碍子社製、200セル/平方インチ)に、ハニカム1L(リットル)あたりの触媒層の重量が80g(バインダーを除く)になるように、ウオッシュコート法により塗布し、過剰のスラリーを圧縮空気で吹き払った後、乾燥器中で150℃において3時間乾燥した。その後、空気中で500℃において1時間焼成した後、ジニトロジアミン白金水溶液(田中貴金属社製)に合計のPt含有量が1.8g/L(触媒支持体1L当り)になるように含浸し、150℃において3時間乾燥後500℃において水素雰囲気下1時間還元し、触媒中のPt−Fe複合酸化物のFe/(Pt+Fe)の原子数比が0.25のPt/Al+Feβの触媒1を得た。
以下、Pt含有量の単位として表示のg/Lは特に説明の記載のない場合は、触媒支持体1Lあたりの触媒のPt含有量(g)を示す。
触媒2:
Pt−Fe複合酸化物2(Fe/(Pt+Fe)の原子数比=0.29)を用いた以外は触媒1と同様に調製し、触媒中のPt−Fe複合酸化物のFe/(Pt+Fe)の原子数比が0.29のPt/Al+Feβの触媒2を得た。
触媒3:
Pt−Fe複合酸化物3(Fe/(Pt+Fe)の原子数比=0.35)を用いた以外は触媒1と同様に調製し、触媒中のPt−Fe複合酸化物のFe/(Pt+Fe)の原子数比が0.35のPt/Al+Feβの触媒3を得た。
触媒4:
Pt−Fe複合酸化物4(Fe/(Pt+Fe)の原子数比=0.17)を用いた以外は触媒1と同様に調製し、触媒中のPt−Fe複合酸化物のFe/(Pt+Fe)の原子数比が0.17のPt/Al+Feβの触媒4を得た。
触媒5:
Pt−Fe複合酸化物5(Fe/(Pt+Fe)の原子数比=0.20)を用いた以外は触媒1と同様に調製し、触媒中のPt−Fe複合酸化物のFe/(Pt+Fe)の原子数比が0.20のPt/Al+Feβの触媒5を得た。
触媒6:
Pt−Fe複合酸化物6(Fe/(Pt+Fe)の原子数比=0.19)を用いた以外は触媒1と同様に調製し、触媒中のPt−Fe複合酸化物のFe/(Pt+Fe)の原子数比が0.19のPt/Al+Feβの触媒6を得た。
触媒7:
Pt−Fe複合酸化物7(Fe/(Pt+Fe)の原子数比=0.15)を用いた以外は触媒1と同様に調製し、触媒中のPt−Fe複合酸化物のFe/(Pt+Fe)の原子数比が0.17のPt/Al+Feβの触媒7を得た。
調製した各触媒のPt−Fe複合酸化物のPt/(Pt+Fe)比をXAFSで分析した結果と、Pt−Fe複合酸化物を形成していないPtとPt−Fe複合酸化物のPtの合計原子数に対するPt−Fe複合酸化物を形成していないPtの原子数の比をXAFSで分析した結果と、Pt平均粒子径をCO吸着法で分析した結果を下記の表1に示す。
Figure 2014104051
Pt−Fe複合酸化物を形成していないPtとPt−Fe複合酸化物のPtの原子数比を変えた触媒の調製
触媒8:
Pt−Fe複合酸化物1(Fe/(Pt+Fe)の原子数比=0.25をPtとして2.7gとγ-アルミナ粉末(日揮ユニバーサル社製、平均粒径5μm)を固形分として120gとFe−βゼオライト(クラリアント触媒社製 SiO/Alモル比25 5重量%−Fe、平均粒径91μm)を固形分として120gとバインダーとしてアルミナゾルを固形分として60gをイオン交換水451gに混合してスラリーを調製した。このスラリーを、コージライトハニカム(日本碍子社製、200セル/平方インチ)に、ハニカム1L(リットル)あたりの触媒層の重量が80g(バインダーを除く)になるように、ウオッシュコート法により塗布し、過剰のスラリーを圧縮空気で吹き払った後、乾燥器中で150℃において3時間乾燥した。その後、空気中で500℃において1時間焼成した後、ジニトロジアミン白金水溶液(田中貴金属社製)に合計のPt含有量が1.8g/Lになるように含浸し、150℃において3時間乾燥後500℃において水素雰囲気下1時間還元し、Pt−Fe複合酸化物を形成していないPtとPt−Fe複合酸化物のPtの合計原子数に対するPt−Fe複合酸化物を形成していないPtの原子数の比、Pt−Fe複合酸化物を形成していないPt/(複合酸化物を形成していないPt+Pt−Fe複合酸化物のPt)=0.5のPt/Al+Feβの触媒8を得た。
触媒9:
Pt−Fe複合酸化物1(Fe/(Pt+Fe)の原子数比=0.25)をPtとして2.16gに変えた以外は触媒8と同様に調製し、Pt−Fe複合酸化物を形成していないPtとPt−Fe複合酸化物のPtの合計原子数に対するPt−Fe複合酸化物を形成していないPtの原子数の比Pt−Fe複合酸化物を形成していないPt/(複合酸化物を形成していないPt+Pt−Fe複合酸化物のPt)=0.6のPt/Al+Feβの触媒9を得た。
触媒10:
Pt−Fe複合酸化物1(Fe/(Fe+PtPt+Fe)の原子数比=0.25)をPtとして0.27gに変えた以外は触媒8と同様に調製し、Pt−Fe複合酸化物を形成していないPtとPt−Fe複合酸化物のPtの合計原子数に対するPt−Fe複合酸化物を形成していないPtの原子数の比、Pt−Fe複合酸化物を形成していないPt/(複合酸化物を形成していないPt+Pt−Fe複合酸化物のPt)=0.95のPt/Al+Feβの触媒10を得た。
触媒11:
Pt−Fe複合酸化物1(Fe/(Fe+Pt)の原子数比=0.25)をPtとして2.16gに変えた以外は触媒8と同様に調製し、Pt−Fe複合酸化物を形成していないPtとPt−Fe複合酸化物のPtの合計原子数に対するPt−Fe複合酸化物を形成していないPtの原子数の比Pt−Fe複合酸化物を形成していないPt/(複合酸化物を形成していないPt+Pt−Fe複合酸化物のPt)=0.45のPt/Al+Feβの触媒11を得た。
触媒12:
Pt−Fe複合酸化物1(Fe/(Fe+Pt)の原子数比=0.25)をPtとして0.27gに変えた以外は触媒8と同様に調製し、Pt−Fe複合酸化物を形成していないPtとPt−Fe複合酸化物のPtの合計原子数に対するPt−Fe複合酸化物を形成していないPtの原子数の比、Pt−Fe複合酸化物を形成していないpt/(複合酸化物を形成していないPt+Pt−Fe複合酸化物のPt)=0.35のPt/Al+Feβの触媒12を得た。
参考触媒1:
γ−アルミナ粉末(日揮ユニバーサル社製、平均粒径5μm)を固形分として120gとFe−βゼオライト(クラリアント触媒社製 SiO/Alモル比25 5重量%−Fe、平均粒径91μm)を固形分として120gと、バインダーとしてアルミナゾルを固形分として60gをイオン交換水451gに混合してスラリーを調製した。このスラリーを、コージライトハニカム(日本碍子社製、200セル/平方インチ)に、ハニカム1L(リットル)あたりの触媒層の重量が80g(バインダーを除く)になるように、ウオッシュコート法により塗布し、過剰のスラリーを圧縮空気で吹き払った後、乾燥器中で150℃において3時間乾燥した。その後、空気中で500℃において1時間焼成した後、ジニトロジアミン白金水溶液(田中貴金属社製)に合計のPt含有量が1.8g/L(触媒支持体1L当り)になるように含浸し、150℃において3時間乾燥後500℃において水素雰囲気下1時間還元し、Pt−Fe複合酸化物を含まない参考触媒1を得た。
上記のようにして調製した各触媒のPt−Fe複合酸化物のPt/(Pt+Fe)原子数比をXAFSで分析した結果と、Pt−Fe複合酸化物を形成していないPtとPt−Fe複合酸化物のPtの合計原子数に対するPt−Fe複合酸化物を形成していないPtの原子数の比をXAFSで分析した結果と、Pt平均粒子径をCO吸着法で分析した結果を表2に示す。
Figure 2014104051
Pt平均粒子径を変えた触媒の調製
Pt平均粒子径による耐珪素被毒への影響を調べる目的で、Pt平均粒子径を変えた触媒を調製した。Pt平均粒子径は、Pt担持Alや、Pt担持ZrO等のPt担持触媒の焼成温度を変えることによって変更することができる。
触媒13:
γ-アルミナ粉末(日揮ユニバーサル社製、平均粒径5μm)に、ジニトロジアミン白金水溶液(田中貴金属社製)をPt含有量が3.6重量%になるように含浸し、150℃において3時間乾燥後500℃において水素雰囲気下1時間還元した後に500℃にて4時間空気中で焼成した(上述のように焼成温度を変化させることによってPt平均粒子径を変えることができるが、焼成によってその他の触媒成分が影響されないように、Pt/Alの状態で焼成した)粒子Pt/Al 120gと、Pt−Fe複合酸化物1(Fe/(Pt+Fe)の原子数比=0.25)1.08gと、Fe−βゼオライト(クラリアント触媒社製 SiO/Alモル比25 5重量%−Fe、平均粒径91μm) 120gとバインダーとしてアルミナゾルを固形分として60gをイオン交換水451gに混合してスラリーを調製した。このスラリーを、コージライトハニカム(日本碍子社製、200セル/平方インチ)に、ハニカム1L(リットル)あたりの触媒層の重量が80g(バインダーを除く)になるように、ウオッシュコート法により塗布し、過剰のスラリーを圧縮空気で吹き払った後、乾燥器中で150℃において3時間乾燥した。その後、水素雰囲気下で500℃において1時間還元してPt/Al+Feβの触媒層を担持したハニカム型の触媒13を得た。
触媒14:
触媒13のPt/Al粒子の焼成温度を550℃に変更した以外は触媒13と同様にして調製した。
触媒15:
触媒13のPt/Al粒子の焼成温度を600℃に変更した以外は触媒13と同様にして調製した。
触媒16:
触媒13のPt/Al粒子の焼成温度を700℃に変更した以外は触媒13と同様にして調製した。
触媒17:
触媒13のPt/Al粒子の焼成温度を750℃に変更した以外は触媒13と同様にして調製した。
触媒18:
触媒13のPt/Al粒子を還元した後焼成せずに加えた以外は触媒13と同様にして調製した。
触媒19:
触媒13のPt/Al粒子の焼成温度を725℃に変更した以外は触媒13と同様にして調製した。
上記のようにして調製した各触媒のPt−Fe複合酸化物のPt/(Pt+Fe)比をXAFSで分析した結果と、複合酸化物を形成していないPtとPt−Fe複合酸化物の比をXAFSで分析した結果と、Pt平均粒子径をCO吸着法で分析した結果を表3に示す。
Figure 2014104051
成分を変えた触媒の実施例:
貴金属を担持する無機酸化物の種類を変えても耐珪素性が得られるか調べる目的で、成分1の無機酸化物成分を変えた触媒を調製した。また、成分2のβゼオライトに担持された金属の種類を変えても耐珪素性が得られるか調べる目的で、成分2の金属成分を変えた触媒を調製した。
触媒20:Pt/ZrO+Feβ+Pt−Fe複合酸化物の調製
触媒1のγ-Al粉末に代えて、ZrO(第一稀元素社製、平均粒径5μm、BET比表面積100m/g)を固形分として120g使用した以外は触媒1と同様にして触媒20を調製した。
触媒21:Pt含有量を変えたPt/ZrO+Feβ+Pt−Fe複合酸化の調製
触媒20のPt−Fe複合酸化物を0.48g使用に変え、合計のPt含有量(触媒支持体1L当たりの触媒のPt含有量)が0.8g/Lになるようにジニトロジアミン白金溶液で含浸した以外は触媒20と同様にして触媒21を調製した。
触媒22:Pt/ZrO+Cuβ+Pt−Fe複合酸化物の調製
触媒21のFeβの代わりにCuβ(クラリアント触媒社製 平均粒径260μm SiO/Alモル比35 5重量%−CuO)を使用した以外は触媒20と同様にして触媒22を調製した。
触媒23:Pt/CeO・ZrO+Feβ+Pt−Fe複合酸化物の調製
触媒1のγ-Al粉末に代えて、CeO・ZrO(第一稀元素社製 平均粒径5μm、BET比表面積120m/g)を固形分として120g使用した以外は触媒1と同様にして触媒23を調製した。
触媒24:Pt/CeO・ZrO+Cuβ+Pt−Fe複合酸化物の調製
触媒23のFeβに代えて、Cuβ(クラリアント触媒社製 平均粒径85μm SiO/Alモル比35 5重量%−CuO)を固形分として120g使用した以外は触媒23と同様にして触媒24を調製した。
触媒25:Pt/TiO2+Feβ+Pt−Fe複合酸化物の調製
Pt−Fe複合酸化物1(Fe/(Pt+Fe)の原子数比=0.25)をPtとして1.08gとTiO(ミレニアム社製、平均粒径1μm、BET比表面積300m/g)を固形分として120gとFe−βゼオライト(クラリアント触媒社製 SiO/Alモル比25 5重量%−Fe、平均粒径91μm)を固形分として120gとバインダーとしてアルミナゾルを固形分として60gをイオン交換水451gに混合してスラリーを調製した。このスラリーを、コージライトハニカム(日本碍子社製、200セル/平方インチ)に、ハニカム1L(リットル)あたりの触媒層の重量が80g(バインダーを除く)になるように、ウオッシュコート法により塗布し、過剰のスラリーを圧縮空気で吹き払った後、乾燥器中で150℃において3時間乾燥した後、ジニトロジアミン白金水溶液(田中貴金属社製)に合計のPt含有量が1.8g/Lになるように含浸し、150℃において3時間乾燥後500℃において水素雰囲気下1時間還元し、触媒25を得た。
比較触媒の調製
比較例1: Pt/Al+HYの調製
γ-アルミナ粉末(日揮ユニバーサル社製、平均粒径5μm)を固形分として25gとHYゼオライト(UOP社製、商品名LZY84、SiO/Alモル比5.9、平均粒径2μm)を固形分として25gと、バインダーとしてアルミナゾルを固形分として13gをイオン交換水219gに混合してスラリーを調製した。このスラリーを、コージライトハニカム(日本碍子社製、200セル/平方インチ)に、ハニカム1L(リットル)あたりの触媒層の重量が56g(バインダーを除く)になるように、ウオッシュコート法により塗布し、過剰のスラリーを圧縮空気で吹き払った後、乾燥器中で150℃において3時間乾燥した。その後の焼成、Pt含有量、還元は触媒1と同様の方法で行い、比較例1の触媒を調製した。
比較例2: Pt含有量の違うPt/Al+HYの調製
Pt含有量を0.8g/Lとした以外は比較例1の触媒と同様にして比較例2の触媒を調製した。
比較例3: Pt/ZrOの調製
ZrO粉末(第一稀元素社製、平均粒径5μm、BET比表面積100m/g)を固形分として72gとバインダーとしてシリカゾルを固形分として18gをイオン交換水135gに混合してスラリーを調製した。ウオッシュコート法にて塗布し、乾燥以降の方法は比較例1の触媒と同様にして比較例3の触媒を調製した。
比較例4: Pt/Alの調製
γ-アルミナ粉末(日揮ユニバーサル社製、平均粒径5μm)を固形分として42gとバインダーとしてベーマイト(UOP製Versal−250)を固形分として21gと硝酸6gをイオン交換水223gに混合してスラリーを調製した。ウオッシュコート法にて塗布し、乾燥以降の方法は比較例1の触媒と同様にして比較例4の触媒を調製した。
比較例5: Pt/CeO・ZrOの調製
比較例3のZrO粉末の代わりにセリアジルコニア[(第一稀元素社製 平均粒径5μm、BET比表面積120m/g)]を用いた以外は比較例3の触媒と同様にして比較例5の触媒を調製した。
比較例6: Pt/TiOの調製
チタニア粉末(ミレニアム社製、平均粒径1μm、BET比表面積300m/g)]を固形分として72gとバインダーとしてシリカゾルを固形分として18gと硝酸6gをイオン交換水135gに混合してスラリーを調製した。ウオッシュコート法により塗布し、過剰のスラリーを圧縮空気で吹き払った後乾燥器中で150℃において3時間乾燥後、500℃において水素雰囲気下1時間還元し、比較例6の触媒を調製した。
比較例7: Feβ触媒の調製
Feβ[(クラリアント触媒社製 平均粒径91μm SiO/Alモル比25 5重量%−Fe)]を固形分として72gとバインダーとしてシリカゾルを固形分として18gとをイオン交換水135gに混合してスラリーを調製した。ウオッシュコート法により塗布し、過剰のスラリーを圧縮空気で吹き払った後、乾燥器中で150℃において3時間乾燥した。その後500℃において1時間焼成し、比較例7の触媒を調製した。
比較例8: Cuβ触媒の調製
比較例7のFeβ粉末の代わりにCu-βゼオライト[(クラリアント触媒社製 平均粒径85μm SiO/Alモル比35 5重量%−CuO)]を用いた以外は比較例7の触媒と同様にして比較例8の触媒を調製した。
排ガス処理試験1 (有機珪素化合物被毒試験 @230℃)
触媒を各々反応器(縦型流通装置)に充填し、24時間の排ガス処理試験を行った。試験は、触媒層を230℃に保ち、ガス空間速度(SV)を50,000hr−1で排ガスを反応器に流通させ、反応器から出るガスの組成を分析することによって行った。本明細書中では、排ガス流量/支持体体積をSVとした。未処理の排ガス中のMEK濃度(C1)は反応器入口でガスをサンプリングして測定し、処理後の排ガス中のMEK濃度(C2)は反応器出口でサンプリングして測定した。
反応器に流通させた排ガスの組成は、以下の通りである。
メチルエチルケトン(MEK);500ppm
トリメチルシロキサン ;Siとして1.25ppm
水 ;2vol%
空気 ;残部
MEK分解率
以下の式によってMEK分解率を算出した;
MEK分解率(%)=100×(C1−C2)/C1
(C1は反応器入口のMEK濃度、C2は反応器出口のMEK濃度を示す。)
(試験結果)
(実施例1)
Pt/Al +Feβ+Pt−Fe複合酸化物含有触媒の有機珪素化合物被毒試験の実施例
本発明の触媒である触媒1、14〜19また比較例として比較触媒1〜4、7、8について、有機ケイ素化合物化合物(トリメチルシロキサン)を含んだ排ガスを連続的に24時間流した試験(排ガス処理試験1)での、開始時と24時間後のMEK分解率を表4および図1に示す。
Figure 2014104051
(実施例2)
Pt−Fe複合酸化物のFe/(Pt+Fe)の原子数比を変えたPt/Al +Feβ+Pt−Fe複合酸化物含有触媒の有機珪素化合物被毒試験の実施例
実施例1と同様の試験内容で、Pt−Feが複合酸化物を形成し、PtとFeの原子数比(Fe/(Pt+Fe))が異なる触媒1、2、3、4の試験結果を表5および図2に示す。中でもPt−Fe複合酸化物形成の原子数比は(Fe/(Pt+Fe))0.17〜0.3が好ましく、0.20〜0.30がより好ましく、24時間後のMEK分解率40%以上を達成している。
Figure 2014104051
(実施例3)
調製した各触媒の複合酸化物を形成していないPtとPt−Fe複合酸化物の比を変えた有機珪素化合物被毒試験の実施例
Pt−Fe複合酸化物を形成していないPtと、Pt−Fe複合酸化物の元素比([Pt]/([Pt]+[Pt−Fe複合酸化物]))の原子数比は0.50〜0.95が好ましく、0.50〜0.90がより好ましく、24時間後のMEK分解率45%以上を達成している。下記の表6および図3を参照されたい。
Figure 2014104051
(実施例4)
Pt−Fe複合酸化物のFe/(Pt+Fe)の原子数比を0.25に固定し、Pt/Al +Feβ+Pt−Fe複合酸化物含有触媒のPt平均粒子径を変えた有機珪素化合物被毒試験の実施例
Ptの平均粒子径を0.8〜25nmの範囲とすることで、24時間後のMEK分解率40%以上を達成し有機珪素化合物被毒に対する耐久性が向上される。下記の表7および図4を参照。
Figure 2014104051
排ガス処理試験2(H S被毒試験)
触媒を各々反応器(縦型流通装置)に充填し、HSを含むガスを14時間反応器に流通させ排ガス処理試験を行った。試験は、触媒層を230℃に保ち、ガス空間速度(SV)を50,000hr−1で排ガスを反応器に流通させ、反応器から出るガスの組成を分析することによって行った。本明細書中では、排ガス流量/支持体体積をSVとした。未処理の排ガス中のMEK濃度(C1)とHS濃度は反応器入口でガスをサンプリングして測定し、処理後の排ガス中のMEK濃度(C2)は反応器出口でサンプリングして測定した。
反応器に流通させた排ガスの組成は、以下の通りである。
メチルエチルケトン(MEK) ;500ppm
S ;[Sとして]10ppm
水 ;2vol%
空気 ;残部
MEK分解率は、排ガス処理試験1(有機珪素化合物被毒試験 @230℃)と同様に
以下の式によってMEK分解率を算出した;
MEK分解率(%)=100×(C1−C2)/C1
(C1は反応器入口のMEK濃度、C2は反応器出口のMEK濃度を示す。)
(試験結果)
本発明の触媒である触媒1、17、また比較例として比較触媒1、4、5について、HSを含んだ排ガスを14時間流した試験試験(排ガス処理試験2)の14時間後のMEK分解率を示す。
触媒1、23の14時間後のMEK性能がそれぞれ50%、58%であったのに対し、比較触媒1、4、5の14時間後のMEK性能は、それぞれ、25%、<10%、<10%であり、本発明触媒はHS被毒に対する耐久性が著しく向上され優れた効果を示す。下記の表8および図5を参照。
Figure 2014104051
(試験結果)
(実施例1)
Pt/Al +Feβ+Pt−Fe複合酸化物含有触媒の有機珪素化合物被毒試験の実施例
本発明の触媒である触媒1、20〜25また比較例として比較触媒1〜4、7、8について、有機ケイ素化合物(トリメチルシロキサン)を含んだ排ガスを連続的に24時間流した試験(排ガス処理試験1)での、開始時と24時間後のMEK分解率を表4および図1に示す。
(実施例3)
調製した各触媒の複合酸化物を形成していないPtとPt−Fe複合酸化物の比を変えた有機珪素化合物被毒試験の実施例
Pt−Fe複合酸化物を形成していないPtと、Pt−Fe複合酸化物の原子数比([Pt]/([Pt]+[Pt−Fe複合酸化物]))は0.50〜0.95が好ましく、0.50〜0.90がより好ましく、24時間後のMEK分解率45%以上を達成している。下記の表6および図3を参照されたい。

Claims (9)

  1. 貴金属を担持したアルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、セリアおよびセリア・ジルコニアからなる群から選択される少なくとも1種の無機酸化物 (成分1)、Fe、Cu、CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも1種の金属を担持したβゼオライト (成分2)ならびにPt−Fe複合酸化物 (成分3)を含む、有機化合物を含有する排ガスを浄化するための触媒組成物。
  2. 該Pt−Fe複合酸化物のPtとFeの合計原子数に対するFeの原子数比([Fe]/([Pt]+[Fe]))が0.17〜0.3である、請求項1に記載の触媒組成物。
  3. 該貴金属がPtであり、Pt−Fe複合酸化物を形成していないPtと該Pt−Fe複合酸化物のPtの合計原子数に対する、Pt―Fe複合酸化物を形成していないPtの原子数比が0.50〜0.95である、請求項1または2に記載の触媒組成物。
  4. 該Ptが0価若しくは2価の価数であり、該Ptの平均粒子径が0.8〜25nmである、請求項3に記載の触媒組成物。
  5. 該Ptの含有量が、該成分1に対して、0.1重量%〜10重量%である、請求項3または4に記載の触媒組成物。
  6. 該成分1と該成分2との重量比が1:9〜9:1であり、該成分2のβゼオライトのSiO/Alモル比が5以上、100以下である、請求項1〜5のいずれかに記載の触媒組成物。
  7. バインダーを更に含む請求項1〜6のいずれかに記載の触媒組成物。
  8. 該成分1に担持された該貴金属がPt、Pd、Rh、Ir、Ru、Os、これらの合金、またはこれらの混合物である、請求項1に記載の触媒組成物。
  9. 触媒支持体;と、該触媒支持体上に形成された、請求項1〜8のいずれかに記載の触媒組成物を含む触媒層;とを含む有機化合物を含有する排ガスを浄化するための触媒。
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