KR101509684B1 - 질소산화물 정화촉매 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 정화촉매는, 엔진에서 발생된 배기가스가 통과하는 배기라인에 설치된 담체, 질소산화물을 흡착하는 흡착물질, 환원제의 일부를 수소로 전환하는 전환촉매, 질소산화물과 수소로부터 암모니아를 합성하는 합성촉매로 구성되고 상기 담체측에 형성된 제1층, 및 상기 제1층에서 합성된 암모니아를 산화시켜 제거하는 암모니아산화촉매(AOC)로 구성되고 상기 제1층과 인접하여 배기가스측에 형성된 제2층을 포함한다.
따라서, 질소산화물을 흡착하는 흡착촉매에 흡착된 질소산화물이 제1층에서 암모니아로 합성되고, 그 합성된 암모니아를 제2층에서 산화시키는 암모니아산화촉매(AOC: ammonia oxidation catalyst)에 의해서 질소와 수분으로 용이하게 정화된다.
질소산화물, 정화촉매, AOC, 암모니아, 산화, 촉매

Description

질소산화물 정화촉매{NITROGEN OXIDE PURIFICATION CATALYST}
본 발명은 질소산화물 정화촉매에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화하기 위한 촉매성분을 포함하는 질소산화물 정화촉매에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스는 배기파이프에 배치된 정화촉매(purification ctalyst)에 의해서 정화되고, 머플러를 통해서 대기로 방출된다. 여기서, 상기 정화촉매는 배기가스에 포함된 유해한 물질을 무해한 것으로 전환한다.
아울러, 배기파이프 상에는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고, 제거하는 매연필터가 더 장착되기도 한다.
정화촉매는 질소산화물을 정화하는 질소산화물정화촉매를 포함하고, 상기 질소산화물정화촉매는 촉매성분과 흡착물질을 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 흡착하고, 설정된 주기로 공급된 환원제에 의해서 흡착된 질소산화물을 질소로 환원시켜 정화한다.
한편, 설정된 주기로 공급된 환원제에 의해서 흡착된 질소산화물이 탈착되면 서 일시적으로 암모니아가 방출되어 대기 중으로 방출된 배기가스에서 암모니아 냄새가 나는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 질소산화물정화촉매에 질소산화물이 흡착되고, 추가로 분사된 환원제에 의해서 흡착된 질소산화물이 탈착될 때 발생되는 암모니아를 효과적으로 제거하는 질소산화물정화촉매를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 정화촉매는, 엔진에서 발생된 배기가스가 통과하는 배기라인에 설치된 담체, 질소산화물을 흡착하는 흡착물질, 환원제의 일부를 수소로 전환하는 전환촉매, 질소산화물과 수소로부터 암모니아를 합성하는 합성촉매로 구성되고 상기 담체측에 형성된 제1층, 및 상기 제1층에서 합성된 암모니아를 산화시켜 제거하는 암모니아산화촉매(AOC)로 구성되고 상기 제1층과 인접하여 배기가스측에 형성된 제2층을 포함한다.
상기 암모니아산화촉매(AOC)는 상기 담체의 재질에 따라서 제올라이트계촉매 또는 알루미나계촉매를 포함하고, 상기 제올라이트계촉매는, 바륨(Ba), 철(Fe), 및 구리(Cu) 중 적어도 하나 이상의 원소가 이온 교환된 촉매이고, 백금(Pt), 팔라디움(Pd), 및 이리듐(Ir) 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함하고, 상기 알루미나계촉매는, 백금(Pt), 팔라디움(Pd), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 은(Ag), 주석(Sn), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 망간(Mn), 및 철(Fe) 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다.
상기 흡착물질은, 세슘(Cs), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 및 철(Fe) 중 선택된 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다.
상기 전환촉매 또는 상기 합성촉매는, 백금(Pt), 팔라디움(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 구리(Cu), 아연(Zn), 및 금(Au) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
환원제의 농도가 희박한 상태에서 상기 제1층의 상기 흡착물질은 배기가스내 질소산화물을 흡착하고, 환원제의 농도가 짙은 상태에서 상기 제1층의 상기 흡착물질에 흡착된 질소산화물은 이탈되어 암모니아로 합성된다.
상기 제1층에서 합성된 암모니아는 상기 제2층에서 산소와 반응하여 질소와 수분으로 전환된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 질소산화물을 흡착하는 흡착촉매에 흡착된 질소산화물이 제1층에서 암모니아로 합성되고, 그 합성된 암모니아를 제2층에서 산화시키는 암모니아산화촉매(AOC: ammonia oxidation catalyst)에 의해서 질소와 수분으로 용이하게 정화된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 정화촉매의 정화흐름을 보여주 는 테이블이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 정화촉매의 일부 개략적인 단면도이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 질소산화물 정화촉매는 담체(200), 제1층(210), 및 제2층(220)을 포함한다.
상기 제1층(210)은 상기 담체(200)의 표면을 따라서 형성되고, 상기 제2층(220)은 상기 제1층(210) 위에 형성되어 배기가스 측에 형성된다.
도 1을 참조하면, 배기가스 내에 산소의 농도가 높고 환원제의 농도가 희박한(lean) 상태에서 상기 제2층(220)에서 질소산화물이 백금(Pt)이나 팔라디움(Pd)과 같은 촉매성분에 의해서 산화되고, 상기 제1층(210)에서 이산화세륨(CeO2)에 흡착되어 저장된다.
아울러, 배기가스 내에 산소의 농도가 낮고 환원제의 농도가 짙은(rich) 상태에서 상기 제1층(210)에 흡착되어 있는 질소산화물은 로듐(Rh)과 같은 촉매성분에 의해서 수소와 반응하여 암모니아(NH3)로 합성된다.
상기 제1층(210)에서 합성된 상기 암모니아는 상기 제2층(220)에서 암모니아산화촉매(AOC: ammonia oxidation catalyst)와의 반응(reaction)에 의해서 산화되어 제거된다.
본 발명의 실시예에서, 배기가스 내에 환원제의 농도는 별도로 환원제분사기구를 이용하여 제어할 수 있다. 아울러, 엔진의 실린더로 연료를 분사하는 인젝터에서 후분사를 실시하여 환원제의 농도를 가변시킬 수도 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 정화촉매에 포함되는 원소들을 보여주는 테이블이다.
도 3을 참조하면, 상기 암모니아산화촉매(AOC)는 촉매성분이 부착되는 담체의 종류에 따라서 구분된다.
즉, 담체가 제올라이트계(zeolite base)인 경우, 상기 암모니아산화촉매는 이온교환된(exchanged ion) 성분으로써 바륨(Ba), 철(Fe), 및 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함하고, 활성금속(active metal)으로는 백금(Pt), 팔라디움(Pd), 및 이리듐(Ir) 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 제올라이트계 담체는 Zeolite X, Zeolite Y, β-Zeolite, 및 ZSM-5으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있다.
아울러, 담체가 다공성산화물계(porous oxides base)인 경우, 상기 암모니아산화촉매는 백금(Pt), 팔라디움(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 은(Ag), 주석(Sn), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 망간(Mn), 및 철(Fe)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 다공성산화물계 담체는 Alumina, Titania, Silica, Zirconia, 및 Ceria로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 정화촉매의 정화의 원리를 개략적으로 보여준다.
도 4의 (a)를 참조하면, 배기가스에 포함된 산소의 농도가 비교적 높고 환원제의 농도가 희박한(lean) 상태에서, 일산화질소(No)와 같은 질소산화물은 백 금(Pt)과 같은 촉매성분에 의해서 산소(O2)와 반응하여 이산화질소(NO2) 형태로 변환되고, 이 이산화질소는 흡착물질(absorbent)에 흡착된다. 여기서, 담체는 알루미나(Al2O3)이다.
도 4의 (b)를 참조하면, 배기가스에 포함된 산소의 농도가 비교적 낮고 환원제의 농도가 짙은(rich) 상태에서, 배기가스 내에 포함된 환원제인 일산화탄소(CO)와 수분(H2O)이 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)과 같은 수증기 개질촉매(SRC: steam reforming catalyst)와 반응하여 이산화탄소와 수소로 전환된다.
또는, 배기가스 내에 포함된 환원제인 일산화탄소(CO)와 수분이 구리(Cu)와 지르코늄(Zr)과 같은 촉매와 수성가스 전환반응(WGS: water gas shift reaction)에 의해서 이산화탄소와 수소로 전환된다.
상기와 같이, 수증기 개질반응(SRC) 또는 수성가스 전환반응(WGS)에 의해서 전환된 수소와 흡착물질(absorbent)에 흡착된 이산화질소와 같은 질소산화물이 반응하여 암모니아가 합성된다.
이와 같이 상기 제1층(210)에서 합성된 암모니아는 상기 제2층(220)의 암모니아산화촉매(AOC: ammonia oxidation catalyst)에 의해서 산소와 반응하여 질소와 수분으로 전환된다. 전술한 바와 같이, 상기 암모니아산화촉매(AOC)는 도 3의 표에 기재되었다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분 야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 정화촉매의 정화흐름을 보여주는 테이블이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 정화촉매의 일부 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 정화촉매에 포함되는 원소들을 보여주는 테이블이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 정화촉매의 정화의 원리를 개략적으로 보여준다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
200: 담체
210: 제1층
220: 제2층

Claims (6)

  1. 엔진에서 발생된 배기가스가 통과하는 배기라인에 설치된 담체;
    질소산화물을 흡착하는 흡착물질, 환원제의 일부를 수소로 전환하는 전환촉매, 질소산화물과 수소로부터 암모니아를 합성하는 합성촉매로 구성되고 상기 담체측에 형성된 제1층; 및
    상기 제1층에서 합성된 암모니아를 산화시켜 제거하는 암모니아산화촉매(AOC)로 구성되고 상기 제1층과 인접하여 배기가스측에 형성된 제2층; 을 포함하고,
    환원제의 농도가 설정수치보다 희박한 상태에서 상기 제1층의 상기 흡착물질은 배기가스내 질소산화물을 흡착하고,
    환원제의 농도가 상기 설정수치보다 짙은 상태에서 상기 제1층의 상기 흡착물질에 흡착된 질소산화물은 이탈되어 암모니아로 합성되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화촉매.
  2. 제1항에서,
    상기 암모니아산화촉매(AOC)는 제올라이트계촉매 또는 알루미나계촉매를 포함하고,
    상기 제올라이트계촉매는, 바륨(Ba), 철(Fe), 및 구리(Cu) 중 적어도 하나 이상의 원소가 이온 교환된 촉매이고, 백금(Pt), 팔라디움(Pd), 및 이리듐(Ir) 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함하고,
    상기 알루미나계촉매는, 백금(Pt), 팔라디움(Pd), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 은(Ag), 주석(Sn), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 망간(Mn), 및 철(Fe) 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화촉매.
  3. 제1항에서,
    상기 흡착물질은, 세슘(Cs), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 및 철(Fe) 중 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화촉매.
  4. 제1항에서,
    상기 전환촉매 또는 상기 합성촉매는, 백금(Pt), 팔라디움(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 구리(Cu), 아연(Zn), 및 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화촉매.
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 제1층에서 합성된 암모니아는 상기 제2층에서 산소와 반응하여 질소와 수분으로 전환되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 정화촉매.
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