KR100213862B1 - 에탄올 자동차용 배기가스 정화 촉매 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가솔린에 에탄올을 혼합한 가소홀을 연료로 사용하는 자동차에서 배출되는 알데히드를 정화할 수 있는 촉매에 관한 것이며, 0.1-10g/ℓ의 팔라듐(Pd)과 로듐(Rh), 10-100g/ℓ의 CeO2및 1-50g/ℓ의 ZrO2를 50-200g/ℓ의 6-Al2O3에 첨가하여 코디어라이트 담체에 함침시킨 에탄올 자동차용 배기가스 정화 촉매가 제공되고, 이로써 엔진 연소 중에 가솔린으로부터 발생하는 CO, HC, NOX와 함께 에탄올로부터 발생하는 HCHO와 CH3CHO를 정화할 수 있는 효과가 있다.

Description

에탄올 자동차용 배기가스 정화 촉매
(기술 분야)
본 발명은 에탄올 자동차용 배기가스 정화 촉매에 관한 것이며, 보다 상세하게는 가솔린에 에탄올을 혼합한 가소홀을 연료로 사용하는 자동차의 배출 가스에 포함된 알데히드를 정화할 수 있는 촉매에 관한 것이다.
(종래 기술)
일반적으로 차량의 연료로서는 원유를 정제하는 과정에서 얻게 되는 가솔린이나 디젤이 널리 사용되는 바, 원유 자원의 고갈과 가격 및 공해 문제에 대한 대안으로서 일부의 차량에는 가솔린과 에탄올이 혼합된 연료인 소위 가소홀(gasohol)이 사용되고 있다.
탄화수소가 주성분을 이루는 가솔린이나 디젤이 연소된 후에 배출되는 배기 가스의 성분은, 그 대부분이 인체에 해가 없는 수증기(H2O), 질소(N2), 탄산가스(CO2)로 이루어지지만, 각종 불완전한 요인에 의해 연료가 완전 연소되지 못하여 배기 가스에는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOX; NO, NO2,N2O) 등의 유해 성분을 포함하고 있다. 따라서, 차량의 배기 가스로 인한 대기 오염을 최소화하도록, 가능한 한 유해 가스의 배출을 억제하기 위한 여러 가지 대책이 마련되고 있다.
석유 연료의 배기 가스에서 유해 가스를 감소시키기 위한 대책의 하나로서, 배기 계통의 배기 파이프에 상기한 유해 가스를 산화 환원 반응에 의해 무해 가스로 변환시키는 예를 들어 3원 촉매를 포함하는 촉매 변환기를 장착하는 방식이 널리 사용되고 있다. 즉, 산화촉매를 사용하여 일산화탄소와 탄화수소를 이산화탄소와 물로 산화시키고, 환원촉매를 사용하여 질소산화물을 질소와 이산화탄소로 환원시키므로써, 유해 가스를 무해 가스로 변환하고 있다.
가소홀을 연료로 사용하는 경우에는, 배기 가스에 포함되는 유해 물질의 절대량은 감소하지만, 상기 CO, HC, NOX뿐만 아니라 에탄올의 연소 과정에서 발생하는 HCHO 또는 CH3CHO의 알데히드도 배기 되므로, CO, HC, NOX를 정화하기 위한 촉매와 더불어 상기 알데히드를 정화하는 촉매가 필요시 된다.
따라서 본 발명의 목적은, 가소홀을 연료로 사용하는 자동차의 배기 가스를 정화하기 위한 촉매, 즉, 가솔린의 연소로부터 발생하는 CO, HC, NOX와 함께 에탄올의 연소로부터 발생하는 알데히드를 정화할 수 있는 촉매를 제공하고자 하는 것이다.
도1은 A/F 비율에 따른 플레시 촉매의 유해 성분 정화율을 나타낸 그래프.
도2는 A/F 비율에 따른 에이지드 촉매의 유해 성분 정화율을 나타낸 그래프.
상기한 본 발명의 목적은, 촉매활성물질을 팔라듐(Pd)과 로듐(Rh)으로 하고 조촉매로서 CeO2와 ZrO2를 첨가한 6-Al2O3을 코디어라이트(cordierite) 세라믹 담체에 함침시킨 에탄올 자동차용 배기가스 정화 촉매에 의해 달성된다. 코디어라이트에 함침되는 원료 성분에는 다른 귀금속, 황산염, 질산염, 초산염, 산화은 등을 추가로 첨가할 수 있다.
구체적으로 본 발명의 목적은, 50-200g/ℓ의 6-Al2O3에 팔라듐(Pd)과 로듐(Rh)의 귀금속 0.1-10g/ℓ, CeO210-100g/ℓ 및 ZrO21-50g/ℓ를 첨가하여 코디어라이트 담체에 함침시킨 에탄올 자동차용 배기가스 정화 촉매에 의해 달성된다.
이하, 본 발명에 따른 에탄올 자동차용 배기가스 정화 촉매를 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명에 따른 에탄올 자동차용 배기가스 정화 촉매를 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다.
본 발명에 따른 에탄올 자동차용 배기가스 정화 촉매는, 분체인 6-Al2O3, CeO2및 ZrO2를 습식으로 분쇄하여 슬러리 제조하고, 이 슬러리를 코디어라이트 세라믹 담체에 도포한 후 건조 및 소성시킨 다음에, 상기 담체를 팔라듐(Pd)과 로듐(Rh)을 혼합한 귀금속 용액에 함침하여 다시 건조 및 소성하므로써 제조된다. 상기 귀금속 Pd와 Rh은 위시코드(washcoat) 내에 혼합하여 상기 담체에 도포할 수도 있다.
6-Al2O3은 코디어라이트 세라믹 담체 리터 당 50-200g의 량으로 사용하며, 촉매활성물질인 팔라듐(Pd)과 로듐(Rh)의 귀금속은 그 총량이 담체에 대해 0.1-10g을 사용하고, Pd대 Rh의 사용 비율은 5:1 내지 9:1의 범위 내외로 한다. 그리고, 조촉매인 CeO2와 ZrO2는리터 당 각각 10-100g/ℓ 및1-50g/ℓ의 양으로 사용한다.
슬러리가 도포된 세라믹 담체와 귀금속이 함침된 세라믹 담체를 건조 및 소성하는 조건은 서로 동일하며, 담체를 충분히 건조시킬 수 있고 소성시킬 수 있는 범위 내에서 공기의 기술에 따라 적당한 온도와 시간으로 한다. 예를 들어 150℃에서 3시간 건조, 500℃에서 1시간 동안 소성시킬 수 있다.
상기한 방법으로 제조된 본 발명에 따른 촉매는, 코디어라이트 세라믹 담체의 다공질 구조에 담지된 촉매인 팔라듐(Pd)과 로듐(Rh) 및 조촉매인 CeO2와 ZrO2의 상호작용으로 배기 가스중의 유해성분인 탄화수소(THC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOX) 및 알데히드(HCHO + CH3CHO)를 무해성분인 수증기(H2O), 질소(N2), 탄산가스(CO2) 등으로 산화환원시킨다.
(실시예1)
란타나(La2O3)가 도핑된 6-Al2O3분체와 CeO2및 ZrO2의 분체를 습식 분쇄하여 슬러리 제조한 후, 코디어라이트 세라믹 담체에 도포한 다음 150℃에서 3시간 건조하고 500℃에서 1시간 소성시켰다. 이어서 상기 담체를 Pd 영화영과 Rh 영화영을 혼합한 귀금속 용액에 함침하여 다시 150℃에서 3시간 건조하고 500℃에서 1시간 소성시켰다. 본 실시예에서 6-Al2O3, CeO2, ZrO2, 및 귀금속은 코디어라이트 세라믹 담체 리터당 100g, 60g, 3g, 및 1.76g의 비율로 사용하였으며, 귀금속은 Pd와 Rh를 5대1로 사용하였다.
상기한 방법으로 제조된 촉매를, 사용 엔진은 2.0ℓ 엔진; 연료는 78%의 가솔린과 22%의 에탄올이 혼합된 가소홀; 엔진 회전수는 2000rpm; 총엔진 부하는 3.2ms; 공기/연료 비율(A/F)은 12-15; 에이징 시간은 50시간의 조건으로 에이징(aging)시켰다.
그리고, 플레시(fresh) 상태의 촉매와 에이지드 상태의 촉매에 대해 배기가스 정화율을 측정하였다. 정화율 측정 조건은 상기 에이징 조건과 같이, 사용 엔진은 2.0ℓ 엔진; 연료는 78%의 가솔린과 22%의 에탄올이 혼합된 가소홀; 엔진 회전수는 2000rpm; 총엔진 부하는 3.2ms; 공기/연료 비율(A/F)은 12-15로 하였다.
측정 결과는 도1과 도2에 그래프에 도시되어 있다. 도1은 플레시 촉매의 유해 성분 정화율을, 도2는 에이지드 촉매의 유해 성분 정화율을 각각 12-15의 A/F비율에 대해 나타낸 것이다. 그리고, 도1A와 도2A는 탄화수소(THC), 도1B와 도2B는 일산화탄소(CO), 도1C와 도2C는 질소산화물(NOX), 도1D와 도2D는 알데히드(HCHO + CH3CHO)에 대한 정화율이다.
(실시예2)
Pd와 Rh의 귀금속을 워시코트(washcoat)내에 혼합하여 코디어라이트 세라믹 담체에 도포한 다음 건조 및 소성하는 방법을 사용하고, 코디어라이트 세라믹 담체 리터당 귀금속의 양을 1.85g로 하고, Pd와 Rh를 9대1로 한 것만을 실시예1과 달리하여, 실시예1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하였으며, 제조된 플레시 촉매와 에이징된 촉매에 대해 실시예1과 같은 방법으로 정화율을 측정하였다. 그 결과는 도1과 도2에 나타내었다.
(비교예)
종래의 삼원 촉매로 많이 사용되고 있는 Pt와 Rh를 5:1로 사용하여 실시예1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하여, 실시예1과 동일한 방법으로 정화율을 측정하였다.
도1과 도2의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 에탄올 자동차용 배기가스 정화 촉매는, 플레시 상태에서(도1 참조) 실시예1의 촉매(□)는 낮은 A/F비율에서 탄화수소(THC), 일산화탄소(CO) 및 알데히드(HCHO + CH3CHO)에 대해 비교예의 촉매(▽)보다 정화율이 다소 낮지만, 높은 A/F비율에서는 탄화수소(THC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOX)의 정화율이 비교예의 촉매(▽)와 실질적으로 동일하거나 약간 높고 알데히드(HCHO + CH3CHO)에 대한 정화율은 비교예의 촉매(▽)에 비해 10% 이상 높음을 알 수 있다.
또한, 에이지드 상태에서(도2 참조) 실시예1의 촉매(□)는, 질소산화물(NOX)에 대해 낮은 A/F비율에서 비교예의 촉매(▽)보다 다소 정화율이 낮지만, 다른 유해 물질(THC, CO, HCHO + CH3CHO)에 대해서는 모든 A/F비율에서 비교예(▽)에 비해 높은 정화율을 보이고 있다.
실시예2의 촉매(■)는 플레시 상태(도1 참조)와 에이지드 상태(도2 참조) 모두에서 탄화수소(THC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOX) 및 알데히드(HCHO + CH3CHO)에 대해 모든 A/F비율에서 비교예의 촉매(▽)에 비해 탁월한 정화율을 나타내며, 특히 알데히드에 대해서는 모든 A/F비율에서 비교예의 촉매(▽)보다 10%이상 높은 정화율을 보이고 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 에탄올 자동차용 배기가스 정화 촉매에 의하면, 팔라듐(Pd)과 로듐(Rh), CeO2및 ZrO2를 6-Al2O3에 첨가하여 코디어라이트 담체에 함침시킨 촉매에 의해, 가솔린에 에탄올을 혼합한 가소홀을 연료로 사용하는 자동차의 배출 가스에서, 가솔린으로부터 발생하는 CO, HC, NOX를 효율적으로 정화함과 동시에 에탄올로부터 발생하는 HCHO와 CH3CHO를 고정화율로 정화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 0.1-10g/ℓ의 팔라듐(Pd)과 로듐(Rh), 10-100g/ℓ의 CeO2및 1-50g/ℓ의 ZrO2를 50-200g/ℓ의 6-Al2O3에 첨가하여 코디어라이트 담체에 함침시킨 에탄올 자동차용 배기가스 정화 촉매.
  2. 제1항에 있어서, 상기 팔라듐(Pd)과 로듐(Rh)은 9대1의 비율로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 에탄올 자동차용 배기가스 정화 촉매.
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