본 발명은 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화 물과 입자상물질 동시 제거용 촉매에 관한 것이다.
본 발명의 제1발명은 질소산화물과 입자상물질 제거용 촉매에 있어서, 티타니움(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 세륨(Ce)의 군으로부터 선택된 어느 하나의 성분이 포함된 산화물을 지지체로 하고, 상기 지지체 위에 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 조촉매가 담지되고, 상기 조촉매 상부에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 은(Ag)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 활성금속이 담지되는 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매를 나타낸다.
상기 제1발명에서 티타니움(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 세륨(Ce)의 군으로부터 선택된 어느 하나의 성분이 포함된 산화물을 지지체로 하고, 상기 지지체 위에 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 조촉매가 지지체 중량 대비 0.1∼80중량%으로 담지되고, 상기 조촉매 상부에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 은(Ag)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 활성금속이 지지체 중량 대비 0.1∼10중량%으로 담지된 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매를 나타낸다.
본 발명의 제2발명은 질소산화물과 입자상물질 제거용 촉매에 있어서, 티타니움(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 세륨(Ce)의 군으로부터 선택된 어느 하나의 성분이 포함된 산화물을 지지체로 하고, 상기 지지체 위에 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 조촉매가 담지되고, 상기 조촉매 상부에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 은(Ag)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 활성금속이 담지되며, 상기 활성금속의 외표면에 상기 조촉매가 담지된 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 제거용 촉매를 나타낸다.
상기 제2발명에서 티타니움(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 세륨(Ce)의 군으로부터 선택된 어느 하나의 성분이 포함된 산화물을 지지체로 하고, 상기 지지체 위에 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 조촉매가 지지체 중량 대비 0.1∼80중량%으로 담지되고, 상기 조촉매 상부에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 은(Ag)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 활성금속이 지지체 중량 대비 0.1∼10중량%으로 담지되며, 상기 활성금속의 외표면에 상기 조촉매가 지지체 중량 대비 0.1∼10중량%으로 담지된 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 제거용 촉매를 나타낸다.
본 발명의 제3발명은 질소산화물과 입자상물질 제거용 촉매의 제조에 있어서,티타니움(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 세륨(Ce)의 군으로부터 선택된 어느 하나의 성분이 포함된 산화물의 지지체 위에 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 조촉매를 담지하는 단계; 상기 조촉매 상부에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 은(Ag)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 활성금속을 담지하는 단계; 상기의 조촉매와 활성금속의 담지를 단계별로 진행한 후, 소성 및 환원 공정을 순차적으로 실시하는 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매의 제조방법을 나타낸다.
본 발명의 제4발명은 질소산화물과 입자상물질 제거용 촉매의 제조에 있어서, 티타니움(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 세륨(Ce)의 군으로부터 선택된 어느 하나의 성분이 포함된 산화물의 지지체 위에 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 조촉매 성분과 상기 조촉매 상부에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 은(Ag)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 활성금속을 동시에 담지하는 단계; 상기의 조촉매와 활성금속의 담지를 동시에 진행하는 한 후, 소성 및 환원 공정을 순차적으로 실시하는 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매의 제조방법을 나타낸다.
본 발명의 제5발명은 질소산화물과 입자상물질 제거용 촉매의 제조에 있어서,티타니움(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 세륨(Ce)의 군으로부터 선택된 어느 하나의 성분이 포함된 산화물의 지지체 위에 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 조촉매를 담지하는 단계; 상기 조촉매 상부에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 은(Ag)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 활성금속을 담지하는 단계; 상기의 조촉매와 활성금속의 담지를 단계별로 진행하는 한 후, 소성하여 제조된 입자상 촉매 상에 상기 활성금속의 외표면에 상기 조촉매를 담지하는 단계; 상기 활성금속의 외표면에 조촉매를 담지한 후 건조, 소성 및 환원 공정을 순차적으로 실시하는 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매의 제조방법을 나타낸다.
본 발명의 제6발명은 질소산화물과 입자상물질 제거용 촉매의 제조에 있어서, 티타니움(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 세륨(Ce)의 군으로부터 선택된 어느 하나의 성분이 포함된 산화물의 지지체 위에 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 조촉매 성분과 상기 조촉매 상부에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 은(Ag)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 활성금속을 동시에 담지하는 단계; 상기의 조촉매와 활성금속의 담지를 동시에 진행하는 한 후, 소성하여 제조된 입자상 촉매 상에 상기 활 성금속의 외표면에 상기 조촉매를 담지하는 단계; 상기 활성금속의 외표면에 조촉매를 담지한 후 건소, 소성 및 환원 공정을 순차적으로 실시하는 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매의 제조방법을 나타낸다.
상기 제3발명은 티타니움(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 세륨(Ce)의 군으로부터 선택된 어느 하나의 성분이 포함된 산화물의 지지체 위에 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 조촉매를 지지체 중량 대비 0.1∼80중량%으로 담지하는 단계; 상기 조촉매 상부에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 은(Ag)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 활성금속을 지지체 중량 대비 0.1∼10중량%으로 담지하는 단계; 상기의 조촉매와 활성금속의 담지를 단계별로 진행하는 한 후, 소성 및 환원 공정을 순차적으로 실시하는 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매의 제조방법을 나타낸다.
상기 제4발명은 티타니움(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 세륨(Ce)의 군으로부터 선택된 어느 하나의 성분이 포함된 산화물의 지지체 위에 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 조촉매를 지지체 중량 대비 0.1∼80중량%와;상기 조촉매 상부에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 은(Ag)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 활성금속을 지지체 중량 대비 0.1∼10중량%을 동시에 담지하는 단계; 상기의 조촉매와 활성금속의 담지를 동시에 진행하는 한 후, 소성 및 환원 공정을 순차적으로 실시하는 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매의 제조방법을 나타낸다.
상기 제5발명은 티타니움(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 세륨(Ce)의 군으로부터 선택된 어느 하나의 성분이 포함된 산화물의 지지체 위에 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 조촉매를 지지체 중량 대비 0.1∼80중량%으로 담지하는 단계; 상기 조촉매 상부에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 은(Ag)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 활성금속을 지지체 중량 대비 0.1∼10중량%으로 담지하는 단계; 상기의 조촉매와 활성금속의 담지를 단계별로 진행하는 한 후, 소성하여 제조된 입자상 촉매 상에 상기 활성금속의 외표면에 상기 조촉매를 지지체 중량 대비 0.1∼10중량%으로 담지하는 단계; 상기 활성금속의 외표면에 조촉매를 담지한 후 건소, 소성 및 환원 공정을 순차적으로 실시하는 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매의 제조방법을 나타낸다.
상기 제6발명은 티타니움(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 세륨(Ce)의 군으로부터 선택된 어느 하나의 성분이 포함된 산화물의 지지체 위에 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 조촉매를 지지체 중량 대비 0.1∼ 80중량%과상기 조촉매 상부에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 은(Ag)의 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 금속 또는 금속산화물의 활성금속을 지지체 중량 대비 0.1∼10중량%을 동시에 담지하는 단계; 상기의 조촉매와 활성금속의 담지를 동시에 진행하는 한 후, 소성하여 제조된 입자상 촉매 상에 상기 활성금속의 외표면에 상기 조촉매를 지지체 중량 대비 0.1∼10중량%으로 담지하는 단계; 상기 활성금속의 외표면에 조촉매를 담지한 후 건소, 소성 및 환원 공정을 순차적으로 실시하는 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매의 제조방법을 나타낸다.
상기에서 건조는 100∼110℃에서 10∼15시간, 바람직하게는 105℃에서 12시간 동안 실시할 수 있다.
상기에서 소성은 공기분위기하에서 500∼600℃에서 3∼7시간, 바람직하게는 공기분위기에서 550℃에서 5시간 동안 실시할 수 있다.
상기에서 환원은 수소분위기하에서 200∼400℃에서 0.5∼5시간, 바람직하게는 수소분위기에서 300℃에서 1시간 동안 실시할 수 있다.
상기에서 언급한 방법에 의해 파우더(powder) 형태의 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매를 제조할 수 있다.
한편 본 발명의 파우더 형태의 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매는 촉매의 사용량 감소, 기 계적 안정성 확보 및 내구성 향상을 위하여 구조체에 코팅하여 사용할 수 있다. 여기서 구조체라 함은 기계적 안정성, 열적 내구성 및 넓은 비표면적을 제공하기 위해 사용되는 있는 것을 말하며, 예를 들어 금속 및 무기물로 구성된 모노리스 또는 폼(foam) 형 구조체를 의미하며 이는 어떠한 구조체를 사용하여도 본 발명의 촉매를 코팅 시, 촉매 효과에 의한 성능을 확보할 수 있음으로 구조체의 성상이나 구조가 본 발명의 범주를 제한하는 것은 아니다.
상기의 구조체에 촉매를 코팅하는 방법에는 다양한 방법이 있다.
일예로 상기에서 언급한 방법에 의해 제조된 2원기능 촉매를 습식 밀링에 의한 촉매 슬러리를 제조하고, 제조된 촉매슬러리를 모노리스(monolith), 하니컴(honeycom) 또는 DPF(Diesel Particulate Filter trap)에 코팅한 후 상기 파우더 형태의 촉매 제조시 사용한 조건과 같은 건조, 소성, 환원의 공정을 거쳐 상기 촉매가 모노리스, 하니컴 또는 DPF에 코팅된 코팅촉매를 얻고 이를 캐닝(canning)하여 차량 등에 이용하여 차량으로 발생하는 질소산화물과 입자상물질을 동시 제거할 수 있다 (도 5 참조). 상기의 촉매 코팅 방법은 본 발명의 2원기능 촉매를 구조체에 코팅하기 위한 방법의 일예로써, 코팅을 위한 방법이나 절차가 본 발명의 범주를 제한하는 것은 아니다.
본 발명은 배기가스 오염물질 저감장치를 포함한다.
본 발명의 제7발명은 배기가스 오염물질 저감장치에 있어서, 상기 제1발명, 제3발명, 제4발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질 소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매를 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치를 나타낸다.
상기 제7발명의 일예로 상기 제1발명, 제3발명, 제4발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 하니컴에 코팅된 촉매코팅 하니컴;과 필터가 연결되어 구비되는 배기가스 오염물질 저감장치를 나타낸다.
상기 제7발명의 다른 일예로 상기 제1발명, 제3발명, 제4발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 하니컴에 코팅된 촉매코팅 하니컴;과 입자상물질 포집용 필터; 및 상기 촉매코팅 하니컴이 연결되어 구비되는 배기가스 오염물질 저감장치를 나타낸다.
상기 제7발명의 또 다른 일예로 상기 제1발명, 제3발명, 제4발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 하니컴에 코팅된 촉매코팅 하니컴; 상기 제1발명, 제3발명, 제4발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 DPF(Diesel Particulate Filter trap) 내부에 함유된 촉매 함유 DPF; 및 상기 촉매코팅 하니컴이 연결되어 구비되는 배기가스 오염물질 저감장치를 나타낸다.
본 발명의 제8발명은 배기가스 오염물질 저감장치에 있어서, 상기 제2발명, 제5발명, 제6발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매를 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치 를 나타낸다.
상기 제8발명의 일예로 상기 제2발명, 제5발명, 제6발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 하니컴에 코팅된 촉매코팅 하니컴;과 필터가 연결되어 구비되는 배기가스 오염물질 저감장치를 나타낸다.
상기 제8발명의 다른 일예로 상기 제2발명, 제5발명, 제6발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 하니컴에 코팅된 촉매코팅 하니컴;과 입자상물질 포집용 필터; 및 상기 촉매코팅 하니컴이 연결되어 구비되는 배기가스 오염물질 저감장치를 나타낸다.
상기 제8발명의 또 다른 일예로 상기 제2발명, 제5발명, 제6발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 하니컴에 코팅된 촉매코팅 하니컴; 상기 제2발명, 제5발명, 제6발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 DPF(Diesel Particulate Filter trap) 내부에 함유된 촉매 함유 DPF; 및 상기 촉매코팅 하니컴이 연결되어 구비되는 배기가스 오염물질 저감장치를 나타낸다.
본 발명은 배기가스 정화시스템을 포함한다.
본 발명은 상기 제7발명 또는 제8발명의 배기가스 오염물질 저감장치를 구비하는 배기가스 정화시스템을 포함한다.
본 발명의 제9발명은 배기가스 정화시스템에 있어서, 상기 제1발명, 제3발명, 제4발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매를 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치를 구비하는 배기가스 정화시스템을 나타낸다.
상기 제9발명의 일예로 배기가스 정화시스템에 있어서, 상기 제1발명, 제3발명, 제4발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 하니컴에 코팅된 촉매코팅 하니컴;과 필터가 연결되어 구비되는 배기가스 오염물질 저감장치를 구비하는 배기가스 정화시스템을 나타낸다.
상기 제9발명의 다른 일예로 배기가스 정화시스템에 있어서, 상기 제1발명, 제3발명, 제4발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 하니컴에 코팅된 촉매코팅 하니컴;과 입자상물질 포집용 필터; 및 상기 촉매코팅 하니컴이 연결되어 구비되는 배기가스 오염물질 저감장치를 구비하는 배기가스 정화시스템을 나타낸다.
상기 제9발명의 또 다른 일예로 배기가스 정화시스템에 있어서, 상기 제1발명, 제3발명, 제4발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 하니컴에 코팅된 촉매코팅 하니컴; 상기 제1발명, 제3발명, 제4발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 DPF(Diesel Particulate Filter trap) 내부에 함유된 촉매 함유 DPF; 및 상기 촉매코팅 하니컴 이 연결되어 구비되는 배기가스 오염물질 저감장치를 구비하는 배기가스 정화시스템을 나타낸다.
상기 제9발명의 배기가스 정화시스템은 배기가스 정화시스템에 있어서, 상기 제1발명, 제3발명, 제4발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매를 포함하는 질소산화물 저감장치 이외에 환원제 공급장치가 추가로 더 구비하는 배기가스 정화시스템을 나타낸다.
본 발명의 제10발명은 배기가스 정화시스템에 있어서, 상기 제2발명, 제5발명, 제6발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매를 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치를 구비하는 배기가스 정화시스템을 나타낸다.
상기 제10발명의 일예로 배기가스 정화시스템에 있어서, 상기 제2발명, 제5발명, 제6발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 하니컴에 코팅된 촉매코팅 하니컴;과 필터가 연결되어 구비되는 배기가스 오염물질 저감장치를 구비하는 배기가스 정화시스템을 나타낸다.
상기 제10발명의 다른 일예로 배기가스 정화시스템에 있어서, 상기 제2발명, 제5발명, 제6발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 하니컴에 코팅된 촉매코팅 하니컴;과 입자상물질 포집용 필터; 및 상기 촉매코팅 하니컴이 연결되어 구비되는 배기가스 오염물질 저감장치를 구비하는 배기가스 정화시스템을 나타낸다.
상기 제10발명의 또 다른 일예로 배기가스 정화시스템에 있어서, 상기 제2발명, 제5발명, 제6발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 하니컴에 코팅된 촉매코팅 하니컴; 상기 제2발명, 제5발명, 제6발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매가 DPF(Diesel Particulate Filter trap) 내부에 함유된 촉매 함유 DPF; 및 상기 촉매코팅 하니컴이 연결되어 구비되는 배기가스 오염물질 저감장치를 구비하는 배기가스 정화시스템을 나타낸다.
상기 제10발명의 배기가스 정화시스템은 배기가스 정화시스템에 있어서, 상기 제2발명, 제5발명, 제6발명의 군으로부터 선택된 어느 하나의 발명으로부터 얻을 수 있는 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매를 포함하는 질소산화물 저감장치 이외에 환원제 공급장치가 추가로 더 구비하는 배기가스 정화시스템을 나타낸다.
본 발명의 배기가스 정화시스템의 일예를 간략히 도 6에 나타내었다. 질소산화물의 환원력과 동시에 NO2를 다량 생성하는 촉매제는 도 5의 순서로 제조된 하니컴 또는 모노리스 형태의 지지체에 코팅된다. 여기서, 하니컴 또는 모노리스는 세라믹 또는 금속으로 구성될 수 있다. 이러한 시스템 구성은, 엔진(100)에서 배출된 배기가스가 하니컴 코팅 촉매(200) 표면에서 반응식(4)와 같이 NO의 분해반응과 동 시에 NO2를 생성하고, 생성된 NO2는 필터(300)에 포집된 PM을 산화하면서 N2 또는 NO로 환원된다. 이러한 과정에 의해 배기가스에 함유된 질소산화물은 촉매에 의해 NO의 분해반응과 동시에 NO2를 생성함과 동시에 질소산화물을 저감시키고, 생선된 NO2가 PM 제거를 위한 산화제로 사용되어 필터에 포집된 PM을 연속적으로 제거할 수 있다. 이때 필터(300)는 세라믹 또는 금속제로 구성된 어떠한 형태도 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 배기가스 정화시스템의 구성은 도 7과 같은 구성 또한 가능하다. 도 5의 구성은 NOx/PM의 비가 20 이상으로 매우 높은 엔진 배기가스에 적용이 가능하나, NOx/PM의 비율이 낮을 경우, 하니컴 코팅 촉매(200)에 의해서 질소산화물의 분해가 진행되고 NO2 선택도는 통상 40% 이하로서, PM 산화에 필요한 충분한 산화제(NO2)의 공급이 불가능하기 때문에, DPF(310)의 내부에 본 발명의 촉매를 함유, 일예로 본 발명의 촉매를 하니컴의 표면에 코팅시킨 하니컴 코팅 촉매를 함유하여 NO의 활용(상기 반응식(1), 반응식(2)의 참조)을 향상함과 동시에 DPF가 고온에 노출될 때 촉매와 접촉된 PM을 직접 산화할 수 있다(반응식(4) 참조).
C(입자상물질) + O2 → CO2 (또는 CO)......반응식(4)
본 발명에 따른 배기가스 정화시스템은 또 다른 구성으로 도 8의 구성도 가 능하다. 도 8의 구성을 따를 경우 도 7의 구성에 비해서 질소산화물의 분해율을 향상시킬 수 있다. 엔진(100)에서 배출된 배기가스에 함유된 전체 NOx의 부피 중 10∼30%의 NO가 하니컴 코팅 촉매(200)에서 N2로 분해되고, 10∼40%의 NO는 NO2로 산화된다. NO2는 DPF(310)에서 PM을 산화하면서 대부분 NO로 환원되기 때문에 DPF로부터 배출되는 배기가스 중에는 초기 NOx농도 대비 65∼85%가 잔류한다. 이를 후단 하니컴 코팅 촉매(210)를 통과으로써 질소산화물의 10∼30%를 추가적으로 저감하게 된다. 따라서 전체적인 NOx 분해율을 20∼50%로 얻을 수 있고, 이는 NOx/PM비가 높은 차량에 적용 시, 효과적이다.
본 발명의 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매 및 이의 제조방법, 상기의 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매 또는 상기에서 언급한 방법에 의해 제조한 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매를 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치, 상기 배기가스 오염물질 저감장치를 구비하는 배기가스 정화장치에 대해 다양한 성분, 함량 등의 조건에 의해 실시한 바, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 상기에서 언급한 조건에 의해 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매, 이의 제조방법, 상기 촉매를 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치, 상기 배기가스 오염물질 저감 장치를 구비한 배기가스 정화장치를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매 및 이의 제조방법, 상기의 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매 또는 상기에서 언급한 방법에 의해 제조한 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매를 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치, 상기 배기가스 오염물질 저감장치를 구비하는 배기가스 정화장치에 대해 다양한 성분, 함량 등의 조건에 의해 실시한 바, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 상기에서 언급한 조건에 의해 일산화질소 분해 및 이산화질소 생성의 2원 기능을 지닌 질소산화물과 입자상물질 동시 제거용 촉매, 이의 제조방법, 상기 촉매를 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치, 상기 배기가스 오염물질 저감장치를 구비한 배기가스 정화장치를 제공하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 내용을 실시예 및 시험예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
본 발명에 따른 파우더 촉매는 다음과 같은 방법을 통해 제조하였다. 10g의 이산화티탄(P-25; degussa Co.) 입자를 촉매 물질을 담지하기 전에, 105℃에서 하루(24hr) 동안 건조함으로써 이산화티탄에 흡착되어 있는 수분 및 휘발성 유기물질을 제거하였으며, 상온으로 냉각하여 활성금속과 조촉매 성분이 용해되어 있는 수용액을 incipient-wetness방법으로 담지하였다. 이때 사용된 활성금속과 조촉매 성분으로 각각 백금(H2PtCl6·xH2O, Aldrich Co.)과 텅스텐을 사용하였으며, 담지된 백금과 텅스텐(Ammonium Tungstate, Aldrich Co.)의 함량은 각각 지지체 중량대비 2.0중량%와 5.0중량%가 되도록 각 성분의 전구체 물질을 증류수에 용해하여 사용하였다.
이후 백금과 텅스텐이 담지된 촉매성분은 105℃에서 12시간(hr) 동안 공기분위기에서 건조한 후에, 550℃의 공기분위기에서 소성하였으며, 이를 분쇄하여 NOx 분해에 대한 성능을 실험하였다. 여기서 이산화티탄(TiO2)을 지지체로 이용하여 제조된 촉매를 KOC-1로 표기하였다.
상기에서 제조한 KOC-1 촉매는 NOx 분해 실험을 진행하기 전에 환원가스(10vol% H2/N2)를 이용하여 환원한 후 실험을 진행하였으며, NOx 분해반응은 린번 차량의 배기가스 조건과 유사한 산소 12.5%, 질소산화물(NOx) 300ppm, 수분 5%, 이산화탄소 5%, GHSV=50,000/hr 조건에서 NOx 분해효율 및 NO2 생성효율의 실험을 진행하고 이를 각각 도 9a 및 도 9b에 나타내었다. 도 9a는 NOx 분해효율을 나타낸 것이고, 도 9b는 NO2 생성효율을 나타낸 것이다.
실험결과 기존 디젤자동차 배기가스 정화용 산화촉매(DOC)로 널리 사용되는 Pt[5]/γ-Al2O3(비교예 1)의 결과에 비해서 NOx 분해력 및 NO2 생성에 대한 선택도가 매우 향상(200∼450℃범위)된 결과를 얻었다.
이 때 NOx 제거율은 하기의 수학식(1), NO2의 선택도는 하기의 수학식(2)로 정의하였다.
NOx 제거율=[촉매층 배출 NOx 농도/촉매층 공급 NOx 농도]×100...수학식(1)
NO2 선택도=[촉매층내 생성 NO2 농도/촉매층 공급 NO 농도]×100...수학식(2)
<실시예 2>
촉매의 지지체로 ZrO2(Junsei Co.)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다(KOC-2로 표기),
상기에서 제조한 KOC-2 촉매에 대해 NOx 분해실험을 진행하기 전에 환원가스(10vol% H2/N2)를 이용하여 환원한 후 NOx 분해효율 및 NO2 생성효율의 실험을 진행하고 이를 각각 도 9a 및 도 9b에 나타내었다. 도 9a는 NOx 분해효율을 나타낸 것이고, 도 9b는 NO2 생성효율을 나타낸 것이다.
촉매 활성 측정결과 Pt[5]/γ-Al2O3 대비 NOx의 분해력에서 상용촉매 대비 NOx 분해력 및 NO2 생성에 대한 선택도가 매우 향상된 결과를 얻었다.
<실시예 3>
상기 실시예 1에서 보인 방법으로 활성금속 및 조촉매 성분을 담지, 건조, 소성하여 제조된 Pt[2]-W[5]/TiO2에 NOx 분해력 및 내구성 향상을 목적으로 제2군 조촉매 성분 중, 텡스텐을 지지체 중량 대비 1.0중량%를 추가로 담지하여 건조, 소성, 환원하는 과정으로 촉매를 제조하였으며, 이러한 방법을 통해 제조된 촉매를 KOC-3으로 표기하였다.
상기에서 제조한 KOC-3 촉매에 대해 NOx 분해실험을 진행하기 전에 환원가스(10vol% H2/N2)를 이용하여 환원한 후 Nox 분해효율 및 NO2 생성효율의 실험을 진행하고 이를 각각 도 9a 및 도 9b에 나타내었다. 도 9a는 NOx 분해효율을 나타낸 것이고, 도 9b는 NO2 생성효율을 나타낸 것이다.
촉매 활성 측정결과 Pt[5]/γ-Al2O3 대비 NOx의 분해력에서 상용촉매 대비 저온에서의 NOx 분해력 및 NO2 생성에 대한 선택도가 매우 향상된 결과를 얻었다.
<실시예 4>
실시예 1에서 제조한 촉매 파우더를 슬러리화한 후 모노리스(400cpi)에 코팅(60g/L)한 다음 건조, 소성 및 환원시킨 후에 이를 세라믹 필터에 연결한 후 카 니발 차량(기아자동차 제품, 대한민국)에 장착하고 시간에 따른 PM 포집량을 측정하였다. 코팅된 모노리스 촉매(직경 14cm, 길이 7.5cm)와 세라믹 필터(직경 14cm, 길이 23cm, 200cpi)(DPF)는 캔(can)을 제작하여 도 10과 같이 차량에 장착하였다.
KOC-1 촉매를 슬러리화 하여 이를 코팅한 모노리스 촉매와 DPF를 장착한 차량을 평균속도 60km/hr 이하로 운행(도 11 참조)하면서 일정 시간 간격으로 필터의 중량을 측정하여 PM 포집량을 측정하고 그 결과를 도 12에 나타내었다.
일반적으로 강제재생시스템을 장착한 디젤 차량의 경우에는 DPF내 PM의 축적량을 5g/L(20g/4LDPF)로 제안하는데, 이는 그 이상의 PM량이 포집될 경우 강제재생시스템으로부터 제공되는 열에너지와 PM의 산화에 의해 생성되는 열에너지에 의해 DPF 망실 우려가 있기 때문이다. 이를 기반으로 본 발명에 의해 개발된 촉매를 장착한 디젤 차량을 대상으로 PM 축적량을 실험한 결과, DOC(후술하는 비교예 1의 촉매)을 장착하여 운행실험을 진행하였을 경우보다, KOC-1 촉매를 슬러리화 하여 이를 코팅한 모노리스 촉매를 사용하였을 경우, 단위 시간당 PM 축적량이 50%로 감소하였다. 이는 DPF내 20g의 PM이 축적시 강제재생 시스템을 가동할 경우, 상용 DOC 성분(Pt[5]/γ-Al2O3)를 장착한 시스템의 경우에는 4시간마다 주기적으로 재생하여야 하나, 본 KOC-1 촉매를 사용할 경우 재생주기를 8시간으로 확대할 수 있음을 의미하는 것이다.
따라서 도 2와 같이 강제재생장치를 구비한 배기가스 정화장치의 사용 시 연료 사용량을 50% 이하로 절감할 수 있는 결과로 평가할 수 있다. 특히, 이와 같이 재생 주기가 길어짐에 따라서 강제재생장치용 주변기기인 공기압축기, 연료펌프, 밧데리, 연료공급용 밸브 등의 수명 확대에도 도움이 된다.
<비교예 1>
상용적으로 널리 사용되고 있는 산화촉매 Pt[5]/γ-Al2O3를 실시예 1에서 보인 방법으로 제조하고, 실시예 1과 동일한 조건에서 촉매의 활성을 측정하였다.
이때 촉매의 지지체는 γ-Al2O3를 사용하고 촉매의 활성성분은 백금(Pt)를 지지체 중량대비 5중량%를 사용하였다.
<비교예 2>
비교예 1에 따른 촉매를 세라믹 하니컴와 DPF에 코팅하여 차량에 장착하고, 실시예 4와 동일한 방법으로 차량의 운행시간에 따른 PM 축적량을 측정하였다.
실험결과 도 12에 나타낸바와 같이, 20g의 PM 축적에 4시간이 소요되는 것으로 나타났다. DPF에 촉매를 코팅하였음에도 불구하고, 실시예 4 대비 PM 축적량이 2배로 나타났다. 이러한 점으로 볼 때 기존 상용 산화촉매를 코팅한 DOC + cDFP(산화촉매코팅 필터)는 배기가스 온도가 상대적으로 낮은 차량에 적용은 불가능한 것을 알 수 있다. 또한, 강제재생 장치와 연계 시 연료 소모가 많은 문제점이 예상된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.