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JP3129373B2 - 排気ガス浄化用触媒 - Google Patents

排気ガス浄化用触媒

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Publication number
JP3129373B2
JP3129373B2 JP06007667A JP766794A JP3129373B2 JP 3129373 B2 JP3129373 B2 JP 3129373B2 JP 06007667 A JP06007667 A JP 06007667A JP 766794 A JP766794 A JP 766794A JP 3129373 B2 JP3129373 B2 JP 3129373B2
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JP
Japan
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crystalline silicate
exhaust gas
chloride
catalyst
group
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JP06007667A
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野島  繁
耕三 飯田
敬古 小林
暁 芹沢
淳 守井
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Priority to EP94906391A priority patent/EP0642827B1/en
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  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は窒素酸化物(以下、NO
xと略す)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(以下、H
Cと略す)を含有する排気ガスを浄化する触媒に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】自動車等の排ガス処理においては、排ガ
ス中のCO、HCを利用して、アルミナを担体とした貴
金属系の触媒をを用いて浄化するのが一般的であるが、
理論空燃比付近の極めて狭い範囲でしかNOxは浄化さ
れない。近年、地球環境問題の高まりの中で自動車の低
燃費化の要求は強く理論空燃比以上で燃焼させるリーン
バーンエンジンがキーテクノロジーとして注目されてい
る。ただし、自動車の走行性、加速性を考慮に入れると
リーン領域のみのエンジンは不具合点が多く、実際は理
論空燃比(ストイキオ)付近、リーン領域の双方で燃焼
を行わせる必要がある。最近、リーン領域のNOxの浄
化に関してはコバルト又は銅を含有した結晶性シリケー
ト触媒が高性能を有する触媒として脚光をあびている。
【0003】これらの触媒は反応初期においては十分な
性能を有するが、耐久性において問題点が生じており、
これまで耐久性を向上させるために種々の結晶性シリケ
ートの改良が検討されている。例えば、結晶性シリケー
トの主要な構成元素であるアルミニウムの脱離を防い
で、コバルト又は銅の安定性を図るために結晶格子中に
VIII族元素や希土類元素(特願平3−165816号公
報)、さらにアルカリ土類金属(特願平3−31919
5号)を添加させた新規なシリケートを用いる方法が提
案されている。加えて、アルミニウムの脱離を促進する
スチームの進入を防ぐため、結晶性シリケートの表層に
疎水性のシリカライトを結晶成長させ、耐スチーム性を
向上させた結晶性シリケートの適用も検討されている
(特願平3−192829号)。
【0004】しかし、これらの触媒を用いることにより
リーン雰囲気での耐久性は飛躍的に向上したが、加速す
る場合、ガス温度が瞬時に高温になり、かつ、この時の
ガス組成は水素等の還元剤が過剰に存在するリッチ雰囲
気になる。この条件においては、上記改良型結晶性シリ
ケートを適用しても触媒の劣化を防ぐことができないた
め、高温リッチ雰囲気の触媒の耐久性向上がこれらの触
媒の実用化上の大きな課題となっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記問題点は銅やコバ
ルトを活性金属として用いる限りは避けられない。すな
わち、700℃以上の高温では卑金属元素は全てシンタ
リングを起こし凝集してしまうからである。そのため、
開発した結晶性シリケートを用いてリーン雰囲気で脱硝
活性を有する卑金属以外の金属を用いることができれ
ば、耐久性は十分保証され、実用化へ大きく前進すると
考えられる。
【0006】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは従
来触媒の不具合点を克服するため鋭意検討を行った結果
白金族元素を担持した結晶性シリケート触媒がリーン雰
囲気において脱硝性能を有し、かつ、リッチ条件の高温
雰囲気でもほとんど劣化しない触媒であることを見い出
し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【0007】すなわち、本発明は(1)表Aで示される
X線回折パターンを有し、脱水された状態において酸化
物のモル比で表わして(1±0.8 )R2 O・〔aM2
3 ・bM′O・cAl2 3 〕・ySiO2(上記式
中、Rはアルカリ金属イオン及び/又は水素イオン、M
はVIII族元素、希土類元素、チタン、バナジウム、クロ
ム、ニオブ、アンチモン及びガリウムからなる群より選
ばれた少なくとも1種以上の元素イオン、M′はマグネ
シウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムのアル
カリ土類金属イオン、a>0、20>b>0、a+c=
1、3000>y>11)なる化学式を有する結晶性シ
リケートに、白金族元素(ルテニウム、ロジウム、パラ
ジウム、オスミウム、イリジウム、白金)を少なくとも
1種以上担持させてなることを特徴とする排気ガス浄化
用触媒(2)上記(1)記載の結晶性シリケートが、
予め合成した結晶性シリケートを母結晶とし、その母結
晶の外表面に母結晶と同一の結晶構造を有するSiとO
よりなる結晶性シリケートを成長させた層状複合結晶性
シリケートであることを特徴とする上記(1)記載の排
気ガス浄化用触媒(3)白金族元素がイリジウムであ
ることを特徴とする上記(1)又は(2)記載の排気ガ
ス浄化用触媒(4)上記(1)又は(2)記載の結晶
性シリケートに、イリジウムとさらに、チタン、ジルコ
ニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、亜鉛、アル
ミニウム、スズ、ニッケル、銅、カルシウム、マグネシ
ウム、ランタン、ストロンチウム及びバリウムよりなる
群より選ばれた少なくとも1種以上の金属を共存させて
なることを特徴とする上記(1)又は(2)記載の排気
ガス浄化用触媒である。
【0008】
【作用】通常、白金族元素を担持した本発明で使用する
結晶性シリケートを用いて、NOx、CO、HCを含有
する排気ガスを浄化する浄化反応式は下記のとおりであ
る。
【0009】
【化1】 *1)炭化水素(HC)の例としてC3 6 を代表とし
て示した。 *2)含酸素炭化水素の例としてCH2 Oを代表として
示した。 上記反応式において、(1)はHCの活性化、(2)は
HCの燃焼、(3)は脱硝反応、(4)はCOの燃焼を
意味している。
【0010】白金族元素(ルテニウム、ロジウム、パラ
ジウム、オスミウム、イリジウム、白金)を担持した結
晶性シリケート触媒はいずれも上記反応により脱硝反応
が進むが、とりわけイリジウム担持結晶性シリケート触
媒が250℃〜500℃において高い脱硝性能を有す
る。またイリジウムにチタン、ジルコニウム、クロム、
マンガン、鉄、コバルト、亜鉛、アルミニウム、スズ、
ニッケル、銅、カルシウム、マグネシウム、ストロンチ
ウム及びバリウムよりなる群から少なくとも1種以上の
金属を添加共存させても同様に高い脱硝活性を有する。
上記触媒は、700℃以上の高温リーン又はリッチ雰囲
気に長時間さらされても上記k1 ,k2 ,k3 及びk4
の反応速度定数はほとんど変化せず、耐久性を有する触
媒であることを見い出している。
【0011】本発明において使用される結晶性シリケー
トは下記表Aに示されるX線回折パターンを有し、脱水
された状態において酸化物のモル比で表わして(1±0.
8 )R2 O・〔aM2 3 ・bM′O・cAl2 3
・ySiO2(上記式中、Rはアルカリ金属イオン及び
/又は水素イオン、MはVIII族元素、希土類元素、チタ
ン、バナジウム、クロム、ニオブ、アンチモン及びガリ
ウムからなる群より選ばれた少なくとも1種以上の元素
イオン、M′はマグネシウム、カルシウム、ストロンチ
ウム、バリウムのアルカリ土類金属イオン、a>0、
0>b>0、a+c=1、3000>y>11)なる化
学式を有するものである。
【0012】また上記結晶性シリケートが予め合成した
結晶性シリケートを母結晶とし、その母結晶の外表面に
母結晶と同一の結晶構造を有するSiとOよりなる結晶
性シリケートを成長させた層状複合結晶性シリケートを
使用してもよい。この層状複合結晶性シリケートは外表
面に成長したSiとOよりなる結晶性シリケート(シリ
カライトと呼ぶ)の疎水性作用により、H2 Oだけが該
結晶性シリケート内部まで浸透しにくくなり、触媒の反
応活性点の回りにはH2 Oの濃度が低くなる効果を有
し、脱メタル作用を抑制する作用を奏する。そのため、
高温スチーム雰囲気においても結晶性シリケートの構造
は維持されており、白金族元素に対する担体効果は保持
されているので、触媒劣化はほとんどない。
【0013】すなわち、従来のアルミナ担体等と異な
り、本発明で使用する結晶性シリケート上においてのみ
白金族元素の分散性がいかなる条件においても、均一に
保持されており、シンタリング等の現象は認められな
い。
【0014】
【表2】
【0015】本発明触媒は上記結晶性シリケートに白金
族元素の金属塩の水溶液に浸漬し、イオン交換法又は含
浸法にて担持する方法があげられる。また、イリジウム
を担持する方法もイオン交換法、含浸法があげられ、他
の化金属との共担持においても同様な方法が可能であ
る。
【0016】また、担持する白金族元素は0.002w
t%以上で十分に活性を発現し、好ましくは0.02w
t%以上で高い活性を有する。以後、本発明を実施例に
て詳述する。
【0017】
【実施例】
(実施例1) 〇(母結晶1の合成)水ガラス1号(SiO2 :30
%):5616gを水:5429gに溶解し、この溶液
を溶液Aとする。一方、水:4175gに硫酸アルミニ
ウム:718.9g、塩化第二鉄:110g、酢酸カル
シウム:47.2g、塩化ナトリウム:262g、濃塩
酸:2020gを溶解し、この溶液を溶液Bとする。溶
液Aと溶液Bを一定割合で供給し、沈殿を生成させ、十
分攪拌してpH=8.0のスラリを得る。このスラリを
20リットルのオートクレーブに仕込み、さらにテトラ
プロピルアンモニウムブロマイドを500g添加し、1
60℃にて72時間水熱合成を行い、合成後水洗して乾
燥させ、さらに500℃、3時間焼成させ結晶性シリケ
ート1を得る。この結晶性シリケート1は酸化物のモル
比で(結晶水を省く)下記の組成式で表され、結晶構造
はX線回折で前記表Aにて表示されるものである。 0.5Na2 O・0.5H2 O・〔0.8Al2 3
0.2Fe2 3 ・0.25CaO〕・25SiO2
【0018】〇(層状複合結晶性シリケート1の合成)
微粉砕した上記母結晶1(結晶性シリケート1):10
00gを水:2160gに添加し、さらにコロイダルシ
リカ(SiO2 :20%):4590gを添加し、十分
攪拌を行い、この溶液を溶液aとする。一方、水:20
08gに水酸化ナトリウム:105.8gを溶解させ溶
液bを得る。溶液aを攪拌しながら溶液bを徐々に滴下
し、沈殿を生成させてスラリを得る。このスラリをオー
トクレーブに入れ、テトラプロピルアンモニウムブロマ
イド:568gを水:2106gに溶解させた溶液を上
記オートクレーブに添加する。このオートクレーブで1
60℃、72時間水熱合成を行い(200rpmにて攪
拌)、攪拌後洗浄して乾燥後、500℃、3時間焼成を
行い層状複合結晶性シリケート1を得る。上記層状複合
結晶性シリケート1を4NのNH4 Cl水溶液40℃に
3時間攪拌してNH4 イオン交換を実施した。イオン交
換後洗浄して100℃、24時間乾燥させた後、400
℃、3時間焼成してH型の層状複合結晶性シリケート1
を得た。
【0019】〇(触媒化)次に、上記100部のH型の
層状複合結晶性シリケート1に対して、バインダとして
アルミナゾル:3部、シリカゾル:55部(SiO2
20%)及び水:200部加え、充分攪拌を行いウォッ
シュコート用スラリとした。次にコージェライト用モノ
リス基材(400セルの格子目)を上記スラリに浸漬
し、取り出した後余分なスラリを吹きはらい200℃で
乾燥させた。コート量は基材1リットルあたり200g
担持し、このコート物をハニカムコート物1とする。次
に、塩化イリジウム(IrCl4 ・H2 O:2.88g
/H2 O:200cc)に上記ハニカムコート物1を浸
漬し1時間含浸した後、基材の壁の付着した液をふきと
り200℃で乾燥させた。次で500℃で窒素雰囲気で
12時間パージ処理を行い、ハニカム触媒1を得た。
【0020】(実施例2)実施例1の母結晶1の合成法
において塩化第二鉄の代わりに塩化コバルト、塩化ルテ
ニウム、塩化ロジウム、塩化ランタン、塩化セリウム、
塩化チタン、塩化バナジウム、塩化クロム、塩化アンチ
モン、塩化ガリウム及び塩化ニオブを各々酸化物換算で
Fe2 3 と同じモル数だけ添加した以外は母結晶1と
同様の操作を繰り返して母結晶2〜12を調製した。こ
れらの母結晶の結晶構造はX線回折で前記表Aに表示さ
れるものであり、その組成は酸化物のモル比(脱水され
た形態)で表わして、(1±0.8)R2 O・(0.2
2 3 ・0.8Al2 3・0.25CaO)・25
SiO2 である。ここでRはNa及びHMはCo,R
u,Rh,La,Ce,Ti,V,Cr,Sb,Ga,
Nbである。これら母結晶の構成は後記の表Bに示す。
【0021】これらの母結晶2〜12を微粉砕し、実施
例1の層状複合結晶性シリケート1の合成と同様の方法
にて、母結晶1の代わりに母結晶2〜12を用い、オー
トクレーブを用いて水熱合成させた結果、層状複合結晶
性シリケート2〜12を得た。
【0022】実施例1の母結晶1の合成法において酢酸
カルシウムの代わりに酢酸マグネシウム、酢酸ストロン
チウム、酢酸バリウムを各々酸化物換算でCaOと同じ
モル数だけ添加した以外は母結晶1と同様の操作を繰り
返して母結晶13〜15を調製した。これらの母結晶の
結晶構造はX線回折で前記表Aに表示されるものであ
り、その組成は酸化物のモル比(脱水された形態)で表
わして、0.5Na2 O・0.5H2 O・(0.2Fe
2 3 ・0.8Al2 3 ・0.25MeO)・25S
iO2 である。ここでMeはMg,Sr,Baである。
これらの母結晶13〜15を微粉砕して、実施例1の層
状複合結晶性シリケート1の合成と同様の方法にてオー
トクレーブを用いて水熱合成を行い層状複合結晶性シリ
ケート13〜15を得た。
【0023】上記層状複合結晶性シリケート2〜15を
用いて実施例1と同様の方法でH型の層状複合結晶性シ
リケート2〜15を得、このシリケートをさらに実施例
1の触媒の調製と同様の工程にてコージェライトモノリ
ス基材にコートしてハニカムコート物2〜15を得た。
次に塩化イリジウム水溶液に浸漬し実施例1と同様の処
理にてハニカム触媒2〜15を得た。
【0024】(実施例3)実施例1と2で得た母結晶1
〜15を用いて実施例1と同様の方法でH型の結晶性シ
リケート16〜30を得、このシリケートをさらに実施
例1の触媒の調製と同様の工程にてハニカムコート物及
びハニカム触媒16〜30を得た。
【0025】(実施例4)実施例1及び実施例2に示し
た母結晶1〜15(層状複合化及びイオン交換をしてい
ないもの)をコージェライトモノリス基材にコートして
ハニカムコート物31〜45を得、これを実施例1と同
様にイリジウム水溶液に浸漬してハニカム触媒31〜4
5を得た。
【0026】(実施例5)実施例1で得た層状複合結晶
性シリケート1をコートしたハニカムコート物1を用い
て、塩化イリジウム水溶液の代わりに、塩化ルテニウム
(RuCl3 :2g/H2 O:200cc)、塩化ロジ
ウム(RhCl3 :2g/H2 O:200cc)、硝酸
パラジウム{(Pd(NO3 2 :2g/H2 O:20
0cc}、硝酸オスミウム{Os(NO3 2 :2g/
2 O:200cc}、塩化白金酸(H2 PtCl6
2g/H2 O:200cc)の各水溶液に浸漬し、実施
例1と同様の方法により触媒化を行い、ハニカム触媒4
6〜50を得た。
【0027】(実施例6)実施例1で得たH型の層状複
合結晶性シリケート1をコートしたハニカムコート物1
を用いて、塩化イリジウムと塩化アルミニウム(IrC
4 ・H2 O:2.88g、Al2 O・6H2 O:6.
0g/H2 O:200cc)、塩化イリジウムと塩化チ
タン(IrCl4 ・H2 O:2.88g、TiCl4
7.5g/H2 O:200cc)、塩化イリジウムと塩
化スズ(IrCl4 ・H2 O:2.88g、SnC
4 :7g/H2 O:200cc)、塩化イリジウムと
硝酸クロム(IrCl4 ・H2 O:2.88g、Cr
(NO3 2 :6.0g/H2 O:200cc)、塩化
イリジウムと四塩化ジルコニウム(IrCl4 ・H
2 O:2.88g、ZrCl4 :6g/H2 O:200
cc)、塩化イリジウムと塩化コバルト(IrCl4
2 O:2.88g、CoCl2 ・6H2 O:7g/H
2O:200cc)、塩化イリジウムと塩化マンガン
(IrCl4 ・H2 O:2.88g、MnCl2 :20
g/H2 O:200cc)、塩化イリジウムと塩化鉄
(IrCl4 ・H2 O:2.88g、FeCl3 ・6H
2 O:7g/H2 O:200cc)、塩化イリジウムと
塩化ニッケル(IrCl4 ・H2 O:2.88g、Ni
Cl2 ・6H2 O:8g/H2 O:200cc)、塩化
イリジウムと塩化カルシウム(IrCl4 ・H2 O:
2.88g、CaCl2 ・2H2 O:6g/H2 O:2
00cc)、塩化イリジウムと塩化マグネシウム(Ir
Cl4 ・H2O:2.88g、MgCl2 ・6H2 O:
11g/H2 O:200cc)、塩化イリジウムと塩化
バリウム(IrCl4 ・H2 O:2.88g、BaCl
2 ・2H2 O:14g/H2 O:200cc)、塩化イ
リジウムと塩化ストロンチウム(IrCl4 ・H2 O:
2.88g、SrCl2 ・6H2 O:13g/H2 O:
200cc)、塩化イリジウムと塩化第二銅(IrCl
4 ・H2 O:2.88g、CuCl2 ・2H2 O:10
g/H2 O:200cc)、塩化イリジウムと塩化亜鉛
(IrCl4 ・H2 O:2.88g、ZnCl2 :6g
/H2 O:200cc)の各水溶液に浸漬し、実施例1
と同様の触媒化方法によりハニカム触媒51〜65を得
た。
【0028】(比較例1)α−Al2 3 を実施例1と
同様にハニカムコートし、さらに実施例1,4と同様イ
リジウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミ
ウム、白金をα−Al2 3 に担持しハニカム触媒66
〜71を得た。以上、本発明の実施例触媒及び比較触媒
の構成を表B示す。
【0029】
【表3】
【0030】
【表4】
【0031】
【表5】
【0032】
【表6】
【0033】
【表7】
【0034】
【表8】
【0035】(実験例1)実施例1、2、3、4、5、
6及び比較例1にて調製したハニカム触媒1〜71の活
性評価試験を実施した。活性評価条件は下記の通り。 〇(ガス組成) NO:400ppm、CO:1000ppm、C
2 4 :1000ppm、C 3 6 :340ppm、O
2 :8%、CO2 :10%、H2 O:10%、残:
2 、GHSV 30000h-1、触媒形状:15mm
×15mm×60mm(144セル数) 反応温度350、450℃における初期状態の触媒の脱
硝率を表Cに示す。
【0036】(実験例2)ハニカム触媒1〜71をリッ
チ雰囲気(還元雰囲気)で強制劣化試験を実施した。強
制劣化試験は下記の通り。 〇(ガス組成) H2 :3%、H2 O:10%、残:N2 GHSV:5000h-1、温度:700℃、ガス供給時
間:6時間 触媒形状:15mm×15mm×60mm(144セ
ル) 上記強制劣化条件にて処理した触媒1〜71を実験例1
の活性評価条件において活性評価試験を実施した。反応
温度350、450℃における強制劣化試験後の触媒の
脱硝率を表Cに併せて示す。表Cに示すように本発明触
媒1〜65は高温還元雰囲気においても触媒の活性を高
く維持することを確認した。
【0037】
【表9】
【0038】
【表10】
【0039】
【表11】
【0040】
【表12】
【0041】
【表13】
【0042】
【表14】
【0043】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明による排
気ガス浄化用触媒は耐久性に富む安定な触媒であること
を可能にし、ガソリン車のリーンバーンエンジン排ガス
用やディーゼルエンジン排ガス浄化用触媒として利用が
可能である。
フロントページの続き (72)発明者 芹沢 暁 長崎県長崎市飽の浦町1番1号 三菱重 工業株式会社 長崎造船所内 (72)発明者 守井 淳 長崎県長崎市飽の浦町1番1号 三菱重 工業株式会社 長崎造船所内 (56)参考文献 特開 昭50−121189(JP,A) 特開 昭51−35667(JP,A) 特開 平4−334527(JP,A) 特開 平4−40238(JP,A) 特開 平4−16239(JP,A) 特開 平4−4045(JP,A) 特開 平3−165816(JP,A) 特開 平5−31369(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01J 21/00 - 38/74

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Aに示されるX線回折パターンを有
    し、脱水された状態において酸化物のモル比で表わして
    (1±0.8 )R2 O・〔aM2 3 ・bM′O・cAl
    2 3 〕・ySiO2(上記式中、Rはアルカリ金属イ
    オン及び/又は水素イオン、MはVIII族元素、希土類元
    素、チタン、バナジウム、クロム、ニオブ、アンチモン
    及びガリウムからなる群より選ばれた少なくとも1種以
    上の元素イオン、M′はマグネシウム、カルシウム、ス
    トロンチウム、バリウムのアルカリ土類金属イオン、a
    >0、20>b>0、a+c=1、3000>y>1
    1)なる化学式を有する結晶性シリケートに白金族元素
    からなる群より選ばれた少なくとも1種以上の金属を担
    持させてなることを特徴とする排気ガス浄化用触媒。 【表1】
  2. 【請求項2】 結晶性シリケートが、予め合成した結晶
    性シリケートを母結晶とし、その母結晶の外表面に母結
    晶と同一の結晶構造を有するSiとOよりなる結晶性シ
    リケートを成長させた層状複合結晶性シリケートである
    ことを特徴とする請求項1記載の排気ガス浄化用触媒。
  3. 【請求項3】 白金族元素がイリジウムであることを特
    徴とする請求項1又は請求項2記載の排気ガス浄化用触
    媒。
  4. 【請求項4】 結晶性シリケートに、イリジウムとさら
    に、チタン、ジルコニウム、クロム、マンガン、鉄、コ
    バルト、亜鉛、アルミニウム、スズ、ニッケル、銅、カ
    ルシウム、マグネシウム、ストロンチウム及びバリウム
    よりなる群より選ばれた少なくとも1種以上の金属を共
    存させてなることを特徴とする請求項1又は請求項2記
    載の排気ガス浄化用触媒。
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