JP2000501985A - 排気ガス中のＮＯ▲下ｘ▼の還元方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 排気ガス中におけるＮＯ_x（ｘは１または２を意味する）を、不均一系触媒上において、酸素の存在下、１００から６５０゜Ｃ、０．５から５０バール絶対圧で、炭化水素、一酸化炭素、水素またはこれらの混合物により還元させる方法であって、使用される不均一系触媒が、一般式（Ｉ）

Description

【発明の詳細な説明】 排気ガス中のＮＯ_x の還元方法 本発明は、排気ガス、ことに燃焼排気ガス、なかんずく空気、ことに過剰量の 空気で稼働する、例えばディーゼルエンジン、過薄混合気エンジンのような内燃 機関からの燃焼排気ガス中のＮＯ、ＮＯ₂ またはこれらの混合物を、炭化水素、 一酸化炭素、水素またはこれらの混合物を還元剤として使用し、触媒的に還元さ せる方法に関する。 公知刊行物ではない欧州特願公開４４２０９３２号公報には、特定の銅／亜鉛 スピネルが、自動車排気ガス中のＮＯ_x を還元するために使用される旨が記載さ れている。しかしながら、この銅／亜鉛スピネルは、再現可能の態様で製造する ことが極めて困難であり、またディーゼルエンジンの排気ガスに含有されるＳＯ₂ に対する耐性が不充分である。存在する少なくとも６０％の銅が、酸化銅／酸 化アルミニウムスピネルとして、酸化アルミニウムに結合されている。また、１ から２０重量％の酸化亜鉛が、多孔性スピネルの孔隙内に充填されている。この 触媒は、ＣＯの低温転化のため、アンモニア製造のために使用される。 また西独特願公開４３０１４７０号公報は、酸化物もしくは塩、または元素形 態の錫、鉛、元素周期表第ＩＩ主族元素と結合され、次いでスピネルをもたらす ためにか焼されたＣｕＡｌ₂ Ｏ₄ スピネルを開示している。この種の公知のスピ ネルは、ＮＯ₂ の分解のために使用される。 最近の工業環境において、窒素酸化物の排出は、いわゆる石化燃料を燃焼させ る自動車交通、火力発電所、工業プラントを含む排出者により規制される。発電 所および工場からの排出は、適当な廃ガス浄化設備の構築により減少しつつある が、交通関係の排出量はさらに増加の一途をたどっている。 ガソリンエンジンの場合、窒素酸化物は、化学量論的処理における三方触媒に より周知の態様で還元されることができ、排気ガスの未燃焼もしくは部分的酸化 部分が、生起する窒素酸化物のための還元剤として、化学量論的量で理想的に得 られる。 しかしながら、化学量論的量を超えた過剰量の空気で稼働するディーゼルエン ジン、過薄混合気エンジンでは、その超化学量論的処理の故に、この窒素酸化物 の還元方法は、原則的に実施不能である。他方において、ディーゼルエンジン、 ことに有利な燃焼をもたらし、商業的自動車の分野で一般的な直接噴射式の場合 、窒素酸化物の量割合は全排気ガス中において高い割合を占めることになる。 また過薄混合気エンジンの、ラムダ制御、三方触媒のエンジンにくらべて有利 な燃焼は、このエンジンの使用を増大させている。 酸素の存在下に窒素酸化物を還元させて酸化二窒素（Ｎ₂ Ｏ）をもたらす貴金 属含有触媒も公知である。 本発明の目的は、上述の欠点を克服することである。 しかるに、この目的は、排気ガス中におけるＮＯ_x（ｘは１または２を意味す る）を、不均一系触媒上において、酸素の存在下、１００から６５０℃、０．５ から５０バール絶対圧で、炭化水素、一酸化炭素、水素またはこれらの混合物に より還元させる方法であって、使用される不均一系触媒が、一般式（Ｉ） A_l-xM₂O₄ （Ｉ） で表わされ、かつ Ａがマグネシウム、カルシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄 、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、錫またはこれらの混合物を、 Ｍがアルミニウム、ガリウム、インジウム、錫、クロム、マンガン、鉄、コバ ルト、ニッケル、銅、亜鉛またはこれらの混合物を、 ｘが０から０．９９の数値をそれぞれ意味し、 酸素原子が立方密パッキング配列（立方最密配置）内に在り、Ａが四面体部分 内、Ｍが八面体部分内に在り、Ｍの均等量が四面体部分を占める場合には、Ａが 八面体部分を占めることもできる二モードもしくは多モード化合物、または希土 類金属、貴金属、チタン、バナジウム、モリブデン、タングステンまたはこれら の混合物でドーピング処理された上記化合物であることを特徴とする方法により 達成され得ることが本発明者らにより見出された。 上記不均一系触媒は、以下の条件、すなわち、 Ｃｕ_A Ｚｎ_B Ａｌ_C Ｏ₄ で表わされ、Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝３、Ａ＞０、Ｂ＞０、Ｃ＞０である条件を充足するス ピネルでないことが好ましい。 本発明方法は以下のようにして実施され得る。 ガスタービン、ディーゼルエンジンまたは過薄混合気エンジンの排気ガスは、 例えばガスタービン、エンジン、ターボチャージャーから排出された後、１００ から６５０℃、好ましくは１５０から５５０℃、ことに２００から５００℃、な かんずく３００から４５０℃の温度、０．５から５０、好ましくは１から２０、 ことに１から６、なかんずく１から３の絶対圧力、１０００から２０００００、 好ましくは２０００から１５００００、ことに５０００から１０００００（ガス （Ｓ．Ｔ．Ｐ）１）／（触媒１．ｈ）のガス毎時空間速度（ＧＨＳＶ）で、好ま しくはガスタービン、エンジン排出口、ターボチャージャー排出口における卓越 圧力、において、炭化水素、一酸化炭素、水素、メタノール、エタノールのよう なアルコール、またはこれらの混合物と共に、本発明触媒に給送される。 触媒はペレットの形態であってもよいが、ハニカム構造のものが好ましい。触 媒のハニカム構造体は、触媒材料を押出成形して断面三角形、四角形、多角形ま たは円形のチャネルを有するハニカムをもたらすことにより、あるいはこのよう にして形成された担体に触媒材料をコーティングして施こすことにより形成され 得る。さらに他の方法として、波形金属板またはファイバーマットを丸めまたは 重ねてハニカム構造とし、これに触媒材料をコーティングしまたは含浸させる。 ハニカム構造体の形状は、すすが堆積してハニカムチャネルが閉塞されないよう に選定されねばならない。 ガスが触媒中を通過する間に、窒素酸化物は還元され、同時にガスに含有され ている炭化水素、一酸化炭素は酸化される。窒素酸化物還元のため、炭化水素、 ことに自動車燃料は、排気ガスに計量給送されるが、排気ガス中に含有される炭 化水素およびＣＯは、還元に充分な量であってもよい。 適当な触媒は以下のようにして製造され得る。 二モードまたは多モードの、好ましくは二モード、三モード、四モードの、こ とに二および三モードの、なかんずく二モードの不均一系触媒の製造は、原則的 に以下の原理に従って行なわれる。 １から１０００μｍ、好ましくは５から６００、ことに１０から５００、なか んずく２０から２００μｍの粒径を有する、一般的組成、Ｍ₂ Ｏ、ＭＯ、Ｍ₂Ｏ₃ またはこれら混合物の酸化物粒子を、一般的組成、Ｍ（ＯＨ）、Ｍ（ＯＨ）₂、 Ｍ（ＯＨ）₃、ＭＯ（ＯＨ）の水酸化物含有粒子と、例えば機械的混合、エッジ ミル中の摩砕または噴霧乾燥により混合する。この混合物を、例えばエッジミル 中における混練、摩砕によりプラスチック発泡体中にもたらし、押出により成形 体（例えば中実成形体、発泡成形体、ハニカム成形体）とし、原則的にか焼する ことができる。一般的組成、Ｍ₂ Ｏ、ＭＯ、Ｍ₂ Ｏ₃ またはこれら混合体の生成 酸化物は、このか焼により、二モードすなわち双峰性、もしくは多モードすなわ ち多峰性の孔隙分布を示す。 組成分Ａは、含浸により、または上述混合物への添加、この混合物の混練、押 出により合体され得る。か焼によりＡＭ₂ Ｏ₄（Ａは＋２、＋４または＋６、Ｍ は＋１）＋２または＋３の原子価を有するものとして）で表わされる酸化物がも たらされる。実質的にスピネル、逆スピネルまたは欠陥スピネル構造を有するこ れら酸化物は、二峰性もしくは多峰性の孔隙分布を示す。 単一または複数の、さらに他の元素Ａ、すなわちＡ′、Ａ′′、Ａ′′′・・・・ を、例えば含浸、機械的混合または噴霧により上記のＡＭ₂ Ｏ₄ に添加し、１回 または複数回のさらに他のか焼工程、好ましくは１回のか焼工程で、組成、（Ａ Ａ′）Ｍ₂ Ｏ₄、Ｍ（ＡＡ′）Ｍ）Ｏ₄、（ＡＡ′）_0.99-0.01 Ｍ₂ Ｏ₄、（ＡＡ ′Ａ′′Ａ′′′）Ｍ₂ Ｏ₄、Ｍ（ＡＡ′Ａ′′Ａ′′′）_0.99-0.01Ｍ₂ Ｏ₄ の 酸化物をもたらすこともできる。これらの新らたに調製され、触媒として使用さ れる酸化物も二峰性ないし多峰性の孔隙分布を有する。 か焼は、原則として、３００から１３００℃、好ましくは５００から１２００ ℃、ことに６００から１１００℃、０．１から２００、好ましくは０．５から１ ０バール、ことに大気圧下において行なわれる。 これにより得られる酸化物は、部分的もしくは完全に、すなわち１から１００ 重量％、好ましくは１０から９０、ことに２０から７０重量％の範囲までが、ス ピネルＡＭ₂ Ｏ₄、逆スピネルＭ（ＡＭ）Ｏ₄、または選択的にＭ₂ Ｏ₃ マトリッ クス中のＡ_1-x Ｍ₂ Ｏ₄ 構造の欠陥スピネルもしくはＭ₂ Ｏ₃ マトリックス中の Ｍ（Ａ_1-x Ｍ）Ｏ₄ 構造の欠陥逆スピネルである。これらは、酸素原子が、立方 密パッキング配列内に在り、Ａが四面体部分内、Ｍが八面体部分内に在り、Ｍの 均等量が四面体部分内を占める場合には、Ａが八面体部分を占めることができる 点において秀れている。 組成、Ａ_1-x Ｏ・Ｍ₂ Ｏ₃ の酸化物中における適当な元素Ｍは、アルミニウム 、ガリウム、インジウム、錫、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッ ケル、銅、亜鉛またはこれらの混合物、好ましくはアルミニウム、ガリウム、マ ンガン、鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの混合物、ことにアルミニウム、 ガリウム、なかんずくアルミニウムである。 ｘは０から０．９９、好ましくは０または０．６から０．０１、ことに０また は０．５から０．０５である。 組成、Ａ_1-x Ｏ・Ｍ₂ Ｏ₃ の酸化物中における適当な元素Ａは、マグネシウム 、カルシウム、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コ バルト、ニッケル、銅、亜鉛、錫またはこれらの混合物、好ましくは酸化状態＋ ２の、Ｍｇ²⁺、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ²⁺、Ｃｒ²⁺、Ｍｎ²⁺、Ｆｅ²⁺、Ｃｏ²⁺、Ｎｉ²⁺、 Ｚｎ²⁺、Ｓｎ²⁺、Ｃｕ²⁺またはこれらの混合物、ことにＭｇ²⁺、Ｃａ²⁺、Ｍｎ²⁺ 、Ｆｅ²⁺、Ｃｏ²⁺、Ｎｉ²⁺、Ｚｎ²⁺、Ｓｎ²⁺、Ｃｕ²⁺またはこれらの混合物、な かんずくＺｎ²⁺、Ｍｇ²⁺、Ｃｏ²⁺、Ｎｉ²⁺、Ｃｕ²⁺またはこれらの混合物である 。これらは元素（金属）または酸性化合物もしくは塩様化合物の形態で使用され る。塩様化合物の例としては、カルボナート、ヒドロキシド、カルボキシラート 、ハロゲニド、ハロゲナート、亜硝酸塩、ニトラート、亜硫酸塩、スルファート 、亜燐酸塩、ホスファート、ピロホスファート、岩塩、塩基性カルボナート、こ とにカルボナート、ヒドロキシド、塩基性カルボナート、ニトラートが挙げられ る。 本発明による新規の触媒は、二モード性のものが好ましい。本明細書において 二モード性ないし二峰性と称するのは、触媒がメソポア（孔隙径＜５０ｎｍ）と マクロポア（孔隙径０．０５〜５０μｍ）を有することを意味する。メソポアな いし小孔隙の割合は、本発明触媒の全孔隙容積に対して、４０から９９容量％、 好ましくは５０から９８、ことに５５から９５容量％を占める。またマクロポア ないし大孔隙の割合は、本発明触媒の全孔隙容積に対して、１から６０、好まし くは２から５０、ことに５から４５容量％である。 本発明触媒は、また多モード性であってもよく、三モードの場合、触媒はさら に５０μｍより小さい孔隙を有する。この場合、５０μｍより小さい径の微小孔 隙の割合は、０．１から２０、好ましくは１から１５、ことに２から１０容量％ である。上述のメソポアおよびマクロポアの容量％の数値をこの場合にもあては め得るが、この場合基礎となるのは全孔隙容積ではなく、これから５０μｍより 小さい微小孔隙容積を引いた数値である。 本発明による触媒のＢＥＴ表面積は、１から３５０、好ましくは１０から２０ ０、ことに３０から１４０ｍ²／ｇ、孔隙容積は０．０１から０．８、好ましく は０．０５から０．７、ことに０．１から０．６ｍｌ／ｇである。 （実施例） 触媒の製造 （実施例Ａ） ₂ ^*３Ｈ₂ Ｏ（メルク社）および１１６ｇのＣｏ（ＮＯ₃）₂ ^*６Ｈ₂ Ｏから成る混 合物を、１４ｍｌの蟻酸（１３０ｍｌのＨ₂ Ｏに溶解）と共に１時間撹拌し、３ ｍｍ径の押出成形体を製造し、乾燥し、８００℃、大気圧下で４時間か焼した。 か焼により得られた材料は、１０６ｍ²／ｇの表面積（ＢＥＴ）で測定を示し た。その組成はＣｕ_0.15Ｃｏ_0.17Ａｌ₂ Ｏ₄ であって、Ｘ線回析パターンにおい て典型的なスピネル屈折線を示した。 上述した、組成Ｃｕ_0.16Ｃｏ_0.17Ａｌ₂ Ｏ₄（水吸収０．５ｍｌ／ｇ）の材料 １４６ｇを、それぞれ、３４ｇのＺｎ（Ｎ０₃）２・６Ｈ₂ Ｏを含有する硝酸水 溶液（ｐＨ３）３６．５ｍｌで２回含浸させ、次いで室温で１時間放置した。こ の含浸担体を１２０℃で乾燥して定常重量とし、次いで６００℃で４時間か焼し た。 最終的に、スピネルのＸ線回折パターンを示す、組成Ｚｎ_0.39Ｃｕ_0.16Ｃｏ_{0. 17} Ａｌ₂ Ｏ₄ の触媒が得られた。その表面積は６６ｍ²／ｇ（ＢＥＴ）であった 。孔隙半径分布は、水銀多孔度測定法（ＤＩＮ６６１３３）で測定した。孔隙容 積の約６０容量％が、０．０５μｍより小さい径の孔隙、約３０容量％が０．６ から５μｍ範囲の径を有する孔隙であった（図１）。図１において、ｍｌ／ｇで 表わされる累積孔隙容積がμｍの粒径に対してプロットされている。 （実施例１） 上述の組成、Ｚｎ_0.39Ｃｕ_0.16Ｃｏ_0.17Ａｌ₂ Ｏ₄ スピネルを使用した。１． ６から２．０ｍｍの範囲のチップ形態のスピネル１０ｇを、立型石英反応器（直 径２０ｍｍ、高さ約５００に装填し、ガス透過性のフリットを、試料が反応器中 Ｎ部分に保持されるように配列し、石英反応器の周囲に、反応器中央部分を約１ ００ｍｍ高さで５５０℃まで加熱し得るオーブンを設置した。 １０００ｐｐｍのＮＯ、１０００ｐｐｍのプロペン、担体ガスとしての１０％ 量の酸素およびアルゴン（残余量）から成る混合ガスを、約１００００ＧＨＳＶ （ガス（Ｓ．Ｔ．Ｐ）１）／（触媒１・ｈ）で、反応器内の触媒中を貫流させた 。ＮＯ濃度は反応器下流のガス検知装置で測定した。形成されるＮＯ₂ は、すべ て検知前に転化装置中でＮＯに還元させた。同時に炭化水素のＣＯ₂ への酸化を 、ガス検知装置によるＣＯ₂ 分の測定で監視した。この測定結果を図２に示す。 ｐｐｍで表わされるＮＯ_x とＣＯ₂ の含有分曲線は、温度の関数としてプロット された。ＮＯ_x の濃度は太い方の曲線で示されている。グラフは、ＮＯ_x 濃度が 、３００〜４５０℃の広い範囲にわたって、温度の上昇と共に減少し、次いで再 び増大することを示している。同時に、ＣＯ₂ 濃度の増大で表わされるように、 炭化水素のＣＯ₂ への転化は増大している。 上記温度は、都合よく、内燃機関の排気ガス導管中の温度にほぼ対応する。ま た、本発明による触媒は、実験の結果、ＮＯ_x、水分および二酸化炭素に対して 高い耐性を示した。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＵ，ＢＧ ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＺ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＪＰ， ＫＲ，ＬＶ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＲ，ＵＡ，ＵＳ (72)発明者 モルスバッハ，ベルント ドイツ国、Ｄ―67069、ルートヴィッヒス ハーフェン、ウテシュトラーセ、22 (72)発明者 ハルトヴェーク，マルティン ドイツ国、Ｄ―89155、エルバッハ、アム、 ヴァル、５ (72)発明者 ロイツハイム，ラルフ―ディルク ドイツ国、Ｄ―89160、ドルンシュタット、 ブルックナーシュトラーセ、４ (72)発明者 ゼイボルト，アンドレア ドイツ国、Ｄ―89134、ブラウシュタイン、 ヒュレンヴェーク、16 (72)発明者 ヴァルツ，レオンハルト ドイツ国、Ｄ―76437、ラシュタット、ラ ペンシュトラーセ、４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．排気ガス中におけるＮＯ_x（ｘは１または２を意味する）を、不均一系触 媒上において、酸素の存在下、１００から６５０℃、０．５から５０バール絶対 圧で、炭化水素、一酸化炭素、水素またはこれらの混合物により還元させる方法 であって、使用される不均一系触媒が、一般式（Ｉ） A_1-xM₂O₄ （Ｉ） で表わされ、かつ Ａがマグネシウム、カルシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄 、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、錫またはこれらの混合物を、 Ｍがアルミニウム、ガリウム、インジウム、錫、クロム、マンガン、鉄、コバ ルト、ニッケル、銅、亜鉛またはこれらの混合物を、 ｘが０から０．９９の数値をそれぞれ意味し、 酸素原子が立方密パッキング配列内に在り、Ａが四面体部分内、Ｍが八面体部 分内に在り、Ｍの当量が四面体部分を占める場合には、Ａが八面体部分を占める こともできる二モードもしくは多モード化合物、または希土類金属、貴金属、チ タン、バナジウム、モリブデン、タングステンまたはこれらの混合物でドーピン グ処理された上記化合物であることを特徴とする方法。 ２．使用される不均一系触媒が、二モードもしくは多モード化合物（Ｉ）であ るが、以下の条件、すなわち Ｃｕ_A Ｚｎ_B Ａｌ_C Ｏ₄ で表わされ、かつＡ＋Ｂ＋Ｃ＝３、Ａ＞０、Ｂ＞０、Ｃ＞０である条件を充足す るスピネルでないことを特徴とする、請求項（１）による排気ガス中のＮＯ_x 還 元方法。 ３．二モードもしくは多モードの不均一系触媒が、必要に応じてあらかじめ金 属Ａの塩で含浸された金属Ｍの酸化物を、金属Ｍの水酸化物、ポリイソオキソア ニオン、または酸化水酸化物と完全に混合し、次いで３００から１３００℃、 ０．１から２００バールでか焼し、必要に応じてさらに金属Ａの塩で含浸させ、 か焼することにより製造されることを特徴とする、請求項（１）または（２）に よる排気ガス中のＮＯ_x 還元方法。 ４．対象排気ガスが、燃焼排気ガスであることを特徴とする、請求項（１）か ら（３）のいずれかによる排気ガス中のＮＯ_x 還元方法。 ５．対象排気ガスが、内燃機関、燃焼エンジンの排気ガスであることを特徴と する、請求項（１）から（４）のいずれかによる排気ガス中のＮＯ_x 還元方法。 ６．１から３５０ｍ²／ｇのＢＥＴ表面積を有する不均一系触媒を使用するこ とを特徴とする、請求項（１）から（５）のいずれかによる排気ガス中のＮＯ_x 還元方法。 ７．０．０１から１ｍｌ／ｇの多孔性を有する不均一系触媒を使用することを 特徴とする、請求項（１）から（６）のいずれかによる排気ガス中のＮＯ_x 還元 方法。 ８．０．１から５０重量％のＣｕＯ分を含有する不均一系触媒を使用すること を特徴とする、請求項（１）から（７）のいずれかによる排気ガス中のＮＯ_x還 元方法。 ９．か焼後に、貴金属としてパラジウム、プラチナ、ロジウム、ルテニウム、 オスミウム、イリジウム、レニウムまたはこれらの混合物が施こされた不均一系 触媒を使用することを特徴とする、請求項（１）から（８）のいずれかによる排 気ガス中のＮＯ_x 還元方法。 １０．０．０５から１０重量％の、周期表ＩＩＩｂ、ＩＶｂ、Ｖｂ、ＶＩｂ、 ＶＩＩｂ族元素の酸化物またはこれらの混合物でドーピング処理された不均一系 触媒を使用することを特徴とする、請求項（１）から（９）のいずれかによる排 気ガス中のＮＯ_x 還元方法。