KR19990034738A - 자동차 배기가스 정화용 촉매 - Google Patents

자동차 배기가스 정화용 촉매 Download PDF

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Abstract

전이금속, 알칼리 토금속 및 그들의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 조촉매와 귀금속이 담체에 담지된 자동차 배기가스 정화용 촉매에 있어서, 상기 담체가 다공체에 지르코늄 산화물, 크롬 산화물, 알루미늄 산화물, 아연 산화물, 마그네슘 산화물 및 실리콘 산화물로부터 선택된 적어도 하나의 금속 산화물이 함침된 산화성 담체인 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화용 촉매가 개시된다. 본 발명에 따른 촉매는 이산화황에 대한 산화억제 활성이 우수하다. 따라서, 이산화황의 산화에 따른 여러 가지 폐해, 예를 들면 산성비 유발, 입자상 오염 물질의 증가, 촉매의 열화 초래 등을 방지할 수 있다는 잇점이 있다.

Description

자동차 배기가스 정화용 촉매
본 발명은 자동차 배기가스 정화용 촉매에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 황산화물에 대한 산화억제 활성을 나타낼 수 있는 자동차 배기가스 정화용 촉매에 관한 것이다.
최근들어 전세계적으로 환경파괴에 대한 우려와 함께 환경보호에 대한 관심이 높아지고 있는데, 환경오염은 대기오염, 수질오염, 토양오염 등으로 대별될 수 있다.
이중, 특히 대기오염에 의한 현상으로는 염화불화수소(CFC)의 사용으로 인한 오존층의 파괴, 화석 연료를 사용할 때 발생하는 이산화탄소에 의한 지구 온실화 등을 들 수 있다. 또한, 각종 오염물질 배출시설로부터 배출되는 황산화물, 질소산화물, 탄화수소 등은 동식물에 각종 질병을 유발한다.
대기오염은 주로 연소체로부터 발생되며 연소체의 배출시설 구조와 작동방법, 그리고 외부 기상조건 등에 의해 피해의 경중이 결정된다. 대표적인 연소체로는 자동차를 들 수 있다.
자동차는 다른 대기오염 배출시설과는 달리 움직이면서 오염물질을 배출한다는 특징을 가지고 있는데, 생활수준이 향상되면서 자동차 사용이 급속하게 증가됨에 따라 자동차로 인한 대기오염 문제가 심각해지고 있다.
자동차 배기가스의 성분과 배출량은 엔진의 온도, 압력 및 공기의 비율에 관계가 있다. 즉, 엔진의 공연비(air/fuel ratio)를 적절히 조절함으로써 배기가스 정화효율을 높일 수 있다. 또한 배기가스 성분과 배출량은 사용되는 연료원과 정화장치의 종류에 의해서도 크게 좌우된다.
가솔린을 연료원으로 사용하는 스파크 점화식 엔진에 의해 구동되는 자동차에 대해서는 삼원 촉매와 같은 배기가스 제거 기술이 많이 개발되고 있어서, 가솔린 차량에 의한 오염물질의 배출은 현저하게 감소되고 있다.
이에 반해, 경유를 연료원으로 사용하는 디젤식 엔진은 열효율은 좋은 반면 악성 오염물질을 다량 배출하기 때문에 선진국에서는 그 사용을 규제하고 있다. 그러나, 아직도 많은 나라에서 트럭과 같은 대형차에 이러한 디젤식 엔진이 많이 장착되어 있다. 그럼에도 불구하고, 가솔린 자동차에 비해 경유를 사용하는 디젤 자동차의 배기가스를 정화시키는 기술은 매우 낙후된 상태여서 이에 대한 지속적인 연구가 요구되고 있다.
경유를 사용하는 디젤 자동차는 사용되는 연료원의 성분 특성과 엔진 기관의 구조적 특성이 가솔린 자동차와는 다르기 때문에 배출되는 오염물질의 성분도 다소 차이가 있는데, 일산화탄소 및 탄화수소의 배출량은 가솔린 자동차보다 적으나, 가솔린 자동차와는 달리 다량의 황산화물(SOx)과 입자상 물질을 배출한다.
특히, 경유 중에 다량 함유되어 있는 유황 성분이 문제가 되고 있는데, 유황 성분은 산소와 반응하여 이산화황을 배출한다.
그런데 현재 널리 사용되고 있는 촉매들은 각종 유해성분-미연소 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물, 가용성 유기물(SOF: soluble organic fraction) 등-에 대한 정화효율은 우수하지만 저온에서 이산화황을 다량 흡착한다는 단점이 있다. 이렇게 흡착된 이산화황은 350℃ 이상의 고온 분위기에서는 탈착되어 촉매 성분에 의해 산화되거나 또는 스스로 산화되어 삼산화황으로서 배출된다.
이렇게 배출되는 삼산화황은 수증기 등과 결합하여 황산을 만들어냄으로서 산성비의 폐해를 입히기고 하고, 그 자체가 결정 성장의 핵을 제공하여 입자상 물질의 생성을 증가시키기도 한다. 또한, 촉매에 피독인자로 작용하여 촉매 후처리 장치의 성능 저하를 촉진시키는 것은 물론 후처리 장치에 침착되어 배압증가 등의 폐해를 일으킨다.
따라서 촉매의 담체 및 활성 성분은 이산화황 분위기에서 안정해야 하고 이산화황을 산화시키지 않는 것이어야 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이산화황에 대한 산화억제 활성이 우수한 자동차 배기가스 정화용 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 전이금속, 알칼리 토금속 및 그들의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 조촉매와 귀금속이 담체에 담지된 자동차 배기가스 정화용 촉매에 있어서, 상기 담체가 다공체에 지르코늄 산화물, 크롬 산화물, 알루미늄 산화물, 아연 산화물, 마그네슘 산화물 및 실리콘 산화물로부터 선택된 적어도 하나의 금속 산화물이 함침된 산화성 담체인 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화용 촉매에 의하여 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 자동차 배기가스 정화용 촉매에 있어서, 상기 다공체로는 이산화티탄 또는 이산화지르코늄을 들 수 있으며, 상기 산화물의 함량은 다공체의 총량을 기준으로 하여 3-20중량%인 것이 바람직하다.
도 1은 종래의 담체 및 본 발명에 따라 산화성 담체에 대한 SO2TPD(temperature Programmed Desorption) 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
이산화황 가스는 매우 강한 산성을 나타내는 가스로서 저온에서 담체 표면에 흡착되어 있다가 고온이 되면 탈착되면서 산화한다. 그런데 담체의 표면이 강산성을 띄게 되면 저온에서의 이산화황의 흡착량이 감소하며, 결과적으로 고온에서의 탈착 및 삼산화황으로의 산화반응도 억제될 수 있다. 따라서, 이러한 원리를 이용하여 본 발명에서는 담체의 표면을 강산성화시킬 수 있는 물질을 함침시킨 산화성 담체를 제조함으로써 이산화황의 산화활성을 억제하였다.
본 발명에서는 지르코늄 산화물, 크롬 산화물, 알루미늄 산화물, 아연 산화물, 마그네슘 산화물, 실리콘 산화물 등으로 다공체인 이산화티탄 또는 이산화지르코늄의 표면을 강산화성화시킨 산화성 담체를 채용함으로써 이산화탄소에 대한 산화억제 활성을 개선할 수 있다. 이렇게 얻어진 본 발명의 촉매는 입자상 물질의 증가, 촉매의 성능 열화, 산성비 유발 등을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 촉매는 통상의 담체를 채용하는 기존의 촉매에 비해 개선된 내열성을 나타내므로 고온에서도 안정적으로 촉매 활성을 발휘할 수 있다.
이러한 본 발명의 자동차 배기가스 정화용 촉매는 하기와 같은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있다.
먼저, 지르코늄, 크롬, 알루미늄, 아연, 마그네슘 및 실리콘중 적어도 하나의 질산염 수화물을 소정량의 증류수에 용해시킨다. 이 용액에 다공체를 넣고 교반하에 60-80℃의 온도로 가열하여 다공체의 세공 내에 지르코늄 산화물, 크롬 산화물, 알루미늄 산화물, 아연 산화물, 마그네슘 산화물 및 실리콘 산화물중 적어도 하나의 금속 산화물이 함침된 다공체 분말을 제조한다. 이 분말을 오븐에서 건조시킨후, 500-600℃에서 2-5시간 동안 소성하여 산화성 담체를 수득한다.
다음으로, 이 산화성 담체에 전이금속, 알칼리 토금속 및 그의 산화물과 적어도 하나의 귀금속을 담지하여 최종 생성물인 촉매를 수득한다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
실시예 1
담체의 제조
비이커에 36.7937g의 질산알루미늄 수화물(Al(NO3)3·9H2O)을 넣고, 여기에 30g의 탈이온수를 넣어 질산알루미늄 수용액을 제조하였다. 이 용액에 100g의 TiO2을 넣고 교반하에 70℃로 가열하였다. 이어서, 120℃에서 12시간 동안 건조시킨 다음, 600℃에서 5시간 동안 소성하여 산화성 담체인 Al-TiO2를 제조하였다.
제조된 담체에 대한 SO 2 TPD (Temperature Programmed Desorption) 테스트
전술한 바와 같이 제조된 담체 1g을 반응관에 넣은후, 반응관 내에 He 가스를 1시간 동안 주입하였다. 이어서, 이 반응관에 SO2가스를 100㎖/분의 속도로 30분 동안 주입한 다음, 다시 He 가스를 1시간 동안 공급하면서 온도를 5℃/분의 속도로 550℃까지 승온시켰다. 이때, SO2분석기를 이용하여 SO2가스의 흡, 탈착을 측정하였다. 그 결과를 도 1에 곡선 (a)로서 나타내었다.
실시예 2
질산알루미늄 수화물 대신에 63.5947g의 질산마그네슘 수화물 (Mg(NO3)2·6H2O)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법을 사용하여 산화성 담체인 Mg-TiO2를 제조하였다. 이 담체에 대하여 실시예 1에서와 동일한 방법으로 SO2TPD 테스트를 실시하고 그 결과를 도 1에 곡선 (b)로서 나타내었다.
실시예 3
질산알루미늄 수화물 대신에 36.5535g의 질산아연 수화물(Zn(NO3)·6H2O)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법을 사용하여 산화성 담체인 Zn-TiO2를 제조하였다. 이 담체에 대하여 실시예 1에서와 동일한 방법으로 SO2TPD 테스트를 실시하고 그 결과를 도 1에 곡선 (c)로서 나타내었다.
실시예 4
질산알루미늄 수화물 대신에 26.3218g의 질산마그네슘 수화물(Cr(NO3)3·9H2O)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법을 사용하여 산화성 담체인 Cr-TiO2를 제조하였다. 이 담체에 대하여 실시예 1에서와 동일한 방법으로 SO2TPD 테스트를 실시하고 그 결과를 도 1에 곡선 (d)로서 나타내었다.
비교예
TiO2에 대하여 실시예 1에서와 동일한 방법으로 SO2TPD 테스트를 실시하여 그 결과를 도 1에 곡선 (e)로서 나타내었다.
도 1의 결과로부터 알 수 있듯이, TiO2의 경우(비교예)에는 350℃ 근처에서 피크를 나타낸다. 이에 반하여, TiO2에 각각 Al, Mg, Zn, Cr을 첨가한 경우(실시예 1-4)에는 온도가 상승하여도 SO2가스의 탈착량에 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 즉, 종래의 TiO2담체에 비해 본 발명에 따른 산화성 담체는 이산화황에 대한 산화억제 활성이 우수한 것으로 나타났다.
본 발명에 따른 촉매는 이산화황에 대한 산화억제 활성이 우수하다. 따라서, 이산화황이 산화됨에 따라 수반되는 여러 가지 폐해, 예를 들면 산성비 유발, 입자상 오염 물질의 증가 등을 방지할 수 있다는 잇점이 있다.

Claims (3)

  1. 전이금속, 알칼리 토금속 및 그들의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 조촉매와 귀금속이 담체에 담지된 자동차 배기가스 정화용 촉매에 있어서,
    상기 담체가 다공체에 지르코늄 산화물, 크롬 산화물, 알루미늄 산화물, 아연 산화물, 마그네슘 산화물 및 실리콘 산화물로부터 선택된 적어도 하나의 금속 산화물이 함침된 산화성 담체인 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화용 촉매.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공체가 이산화티탄 또는 이산화지르코늄인 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화용 촉매.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산화물의 함량이 다공체의 총량을 기준으로 하여 3-20중량%인 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화용 촉매.
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