Verfahren zur Herstellung einer für die Abgasreinigung geeigneten katalytischen Zusammensetzung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer für die Abgasreinigung geeigneten katalytischen Zusammensetzung von neuem, bisher nicht erhältlichem, physikalischem Aufbau.
Die durch das erfindungsgemässe Verfahren erhältliche katalytische Zusammensetzung eignet sich zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffgemischen und besonders zur Eliminierung von Produkten einer unvollständigen Verbrennung aus kohlenwasserstoffhaltigen Abgasen von Brennkraftmaschinen vor dem Ablassen dieser kohlenwasserstoffhaltigen Abgase in die Atmosphäre.
Die Wichtigkeit der Entfernung von schädlichen Komponenten aus Abgasen von Brennkraftmaschinen oder deren Umwandlung in unschädliche Komponenten wird mehr und mehr erkannt. Mit der steigenden Anzahl an Automobilen, insbesondere in den dichter besiedelten Stadtgebieten, hat der Gehalt an derartigen schädlichen Gasbestandteilen in der Atmosphäre beträchtliche Werte erreicht. Man nimmt an, dass diese unerwünschten Produkte der unvollständigen Verbrennung unter dem Einfluss von Sonnenlicht mit atmosphärischem Sauerstoff reagieren unter Bildung einer dichten, allgemein als Smog bezeichneten Atmosphäre. Diese Verbrennungsprodukte umfassen z.B. ungesättigte Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Ketone, Aldehyde, Säuren, Kohlenmonoxyd und verschiedene andere Stickstoff- und Schwefeloxyde.
Die Abgase von Brennkraftmaschinen stellen jedoch nur eine Ursache der Verunreinigung der Atmosphäre dar. Der durch das erfindungsgemässe Verfahren erhältliche Katalysator eignet sich auch zum Entfernen schädlicher Verunreinigungen aus Abgasen zahlreicher tech- nischer Verfahrem wie sie z.B. in der Druckerei, in der Gerberei und in der Schwerchemie vorkommen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitsstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer katalytischen Zusammensetzung, die schädliche, verbrennbare Abgase wirksam eliminiert und darüber hinaus eine neuartige physikalische Struktur sowie die Neigung aufweist, die Umwandlung kohlenwasserstoffhaltiger Gemische während längerer Zeit wirksam zu katalysieren.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung einer für die Abgasreinigung geeigneten katalytischen Zusammensetzung ist dadurch gekennzeichnet, dass man ein partikelförmiges, anorganisches Oxyd enthaltendes Trägermaterial entweder mit einem flüssigen Imprägniermittel aus einer Verbindung eines katalytisch aktiven Metalls und mit einem flüssigen Imprägniermittel aus einer organischen Säure der Formel I
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in der R Wasserstoff, eine Hydroxyl- oder Alkylgruppe.
R' Wasserstoff, eine Alkyl- oder Carboxylgruppe bedeutet und n eine Zahl von 0 bis 6 ist, oder aber mit einem flüssigen Imprägniermittel aus einer Verbindung eines katalytisch aktiven Metalls und einer organischen Säure der Formel I behandelt, wobei die verwendete Menge an organischer Säure der Formel I 0,1 bis 1,5 Gew.-%, bezogen auf das Trägermaterial, beträgt, und danach trocknet.
Das Trocknen wird vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 38 und 121 0C vorgenommen. Nach dem Trocknen wird das Gemisch vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 482 und 9820C in einer nicht oxydierenden Atmosphäre erhitzt. Das Imprägniermittel aus einer Verbindung eines katalytisch aktiven Metalls enthält vorzugsweise 0,13 bis 0,70 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Trägermaterials, anorganische Säure.
Das katalytisch aktive Metall, das mit dem hitzebeständigen anorganischen oxydischen Trägermaterial vergesellschaftet ist, kann eines oder mehrere Metalle der Gruppe V A, VIA oder VIII des periodischen Systems, Kupfer, Silber und Gold sein. Speziell zu erwähnen sind Platin, Palladium, Iridium, Ruthenium und Rhodium, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Vanadium, Chrom, Wolfram, Molybdän, Silber, Gold und verschiedene Gemische wie Platin-Eisen, Platin-Kobalt, Platin-Nickel, Palladium-Eisen, Palladium-Kobalt, Palladium-Nickel, Platin-Palladium, Palladium-Kupfer-Kobalt, Kupfer-Kobalt-Nickel-Platin und Platin-Palladium-Kobalt. Obgleich nicht genau bekannt ist, in welcher Weise das katalytisch aktive Metall wie z.B.
Platin in das Trägermaterial eingelagert ist, so wird doch angenommen, dass das Platin oder ein anderes Metall eine Komplexverbindung mit dem Trägermaterial und den anderen Komponenten des Katalysators eingeht. Es versteht sich daher, dass mit der Bezeichnung Katalytisch aktives Metall Platin oder ein anderes Metall in gebundener Form im Trägermaterial zu verstehen ist.
Das hitzebeständige anorganische oxydische Trägermaterial kann auf beliebige geeignete Weise hergestellt werden, bei Anwesenheit von zwei oder mehr anorganischen Oxyden z.B. durch gesonderte, aufeinanderfolgende oder gleichzeitige Fällung. Das Trägermaterial kann natürlich vorkommende Substanzen wie Tone oder Erden enthalten und vor der Verwendung durch eine oder mehrere Behandlungen wie Trocknen, Brennen, Behandlung mit Wasserdampf oder verschiedenen anderen Reagenzien aktiviert sein. Vorzugsweise wird zur Herstellung der vorliegenden katalytischen Zusammensetzung ein Tonerde enthaltender, hitzebeständiger anorganischer oxydischer Träger verwendet. Unter der Bezeichnung Tonerde wird in der vorliegenden Beschreibung poröses Aluminiumoxyd in verschiedenen Hydratationsstufen verstanden.
Neben Tonerde können andere anorganische Oxyde allein oder auch in Verbindung mit Aluminiumoxyd venvendet werden. An sonstigen Oxyden eignen sich Kieselsäure. Borsäure, Thoroxyd, Titandioxyd, Strontiumoxyd, Zirkonoxyd, Hafniumoxyd und Gemische dieser Oxyde. Der Zusatz eines anderen anorganischen Oxyds zur Tonerde dient im allgemeinen dazu, dem Träger bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften zu verleihen, die die beabsichtigte Verwendung der Katalysatorzusammensetzung fordert. Kieselsäure ist z.B. irn allgemeinen in Mengen von 0,5 bis 25,0 Gew.-, bezogen auf das Endgewicht des Trägers, im Trägermaterial vorhanden. Bevorzugte Mengen liegen im Bereich zwischen 1,0 und 10,0 Gew.-%.
Das Trägermaterial kann in beliebiger Form, z.B. in Form von Kugeln, Pellets, extrudierten Teilchen, Granulat, Briketts, Ringen und dergleichen vorliegen. Bevorzugt ist die I Kugelform, die kontinuierlich durch die bekannte Öl-Tropfenmetho- de. wie sie zum Beispiel in der US-Patentschrift Nummer 2 620 314 beschrieben ist, hergestellt werden kann.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wird im folgenden eine Einschränkung auf Tonerde als anorganisches oxydisches Trägermaterial vorgenommen. Falls erwünscht, kann die Tonerde und die Verbindung des katalytisch aktiven Metalls mit Halogen vereinigt werden, das in geeigneter Weise vorzugsweise vor oder nach Behandlung mit dem Imprägniermittel aus einer Verbindung des katalytisch aktiven Metalls zugesetzt wird. Gegebenenfalls kann das Halogen jedoch auch dem hitzebeständigen Oxyd während der Imprägnierung mit der Verbindung des katalytisch aktiven Metalls zugeführt werden.
Das katalytisch aktive Metall kann dem anorganisches Oxyd enthaltenden Trägermaterial auf beliebige geeignete Weise zugesetzt werden. Die anorganischen Oxydteilchen können entweder vor oder während der Behandlung mit einer organischen Säure behandelt werden. Gelegentlich kann die organische Säure dem die Verbindung des katalytisch aktiven Metalls enthaltenden Imprägniermittel, zum Beispiel einer wasserlöslichen platinhaltigen Verbindung, zugesetzt werden, wonach das resultierende Gemisch den Tonerdeteilchen zugegeben wird.
Die organische Säure kann aber auch in Form einer gesonderten Lösung mit den Tonerdeteilchen gemischt werden kurz vor dem Zumischen der Verbindung des katalytisch aktiven Metalls. Zur leichteren Handhabung wird die organische Säure vorzugsweise in der erforderlichen Menge mit der wasserlöslichen Verbindung des katalytisch aktiven Metalls gemischt, wonach die resultierende Imprägnierlösung mit dem Trägermaterial vereinigt wird. Geeignete wasserlösliche Platinverbindungen sind z.B. Chlorplatin(IV)-Säure, Chlorplatin(II)-Säure, Platin(II)-Chlorid und Platin(IV)-Chlo- rid.
Soll die katalytische Zusammensetzung weitere metallische Komponenten enthalten, so eignen sich als wasserlösliche Verbindungen insbesondere die Nitrate, Sulfate, Chlorate, Chloride oder Carbonate, die dem Imprägniermittel zugesetzt werden, wonach die Teilchen des Trägermaterials in dieses Mittel eingetaucht anschliessend getrocknet und erhitzt werden.
Der durch die erfindungsgemässe katalytische Zusammensetzung angestrebte Effekt wird nur bei Verwendung der vorstehend beschriebenen organischen Säuren erzielt.
Essigsäure und Tetraessigsäuren sind z.B. nicht befriedigend. Unter die vorstehende Formel fallen organische Säuren wie Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure. Pimelinsäure, Brenztraubensäure, Äpfelsäure, Weinsäure, Citronensäure, 2-Methyl-bernsteinsäure, 2,3-Diäthyl-bernsteinsäure, 2,2-Dimethyl-bern- steinsäure und Gemische aus 2 oder mehreren der vorstehenden Säuren. Die zu verwendende Menge an mindestens zweibasischer Säure, z.B. Weinsäure, die im Gemisch mit der Verbindung der katalytisch aktiven metallischen Komponente und dem Trägermaterial zu verwenden ist, liegt zwischen 0,1 und 1,5 Gew.-OJ,, bezogen auf das Gewicht des Trägermaterials. Man bevorzugt eine mittlere Konzentration an organischer Säure und/oder deren Salz, die zwischen etwa 0,13 und etwa 0,70 Gew.-% liegt.
Bei der Entwicklung des erfindungsgemässen Verfahrens wurde gefunden, dass geringere Mengen an aktiver metallischer Komponente die gleichen oder bessere Ergebnisse wie die konventionellen grösseren Mengen ergeben.
Die Mengen an katalytisch aktivem Metall wird auf das Volumen des Trägermaterials bezogen und auf der Basis des elementaren Metalls berechnet, unabhängig davon, ob diese Komponente in gebundener oder komplexer Form vorliegt. Platin wird zum Beispiel vorzugsweise in Mengen von 0,05 bis 1,1 g pro Liter Trägermaterial verwendet. Der bevorzugte Konzentrationsbereich der Platinkomponente, der durch wirtschaftliche Gründe vorgegeben wird, liegt zwischen 0,165 und 0,66 g pro Liter Trägermaterial. Andere metallische Komponenten, die entweder zusammen mit oder anstelle vom Platin verwendet werden, können in Mengen von 0,011 bis 2,2 g pro Liter Trägermaterial verwendet werden.
Die organische Säure kann in Form eines Gemischs aus 2 oder mehreren Säuren verwendet werden; sie kann mit beliebigen, nicht alkalischen löslich machenden Substanzen wie Wasser, Alkohol oder Aceton verdünnt sein.
Für die vorliegenden Zwecke bevorzugte Säuren sind Citronensäure, Oxalsäure und Weinsäure; speziell bevorzugt wird die Citronensäure. Das Imprägniermittel mit der Verbindung des katalytisch aktiven Metalls sollte nicht vor Zugabe der organischen Säure mit der Tonerde in Berührung kommen. Es empfiehlt sich ferner, dass das Mischen des hitzebeständigen anorganischen Oxyds, des Imprägniermittels mit der Verbindung des katalytisch aktiven Metalls und der organischen Säure in Ge genwart von alkalisch reagierenden Substanzen, insbesondere Ammoniak und anderen stickstoffhaltigen Verbindungen, Alkalimetallverbindungen und dergleichen erfolgt. Einen schädlichen Einfluss auf die katalytische Zusammensetzung üben ferner stickstoffhaltige Gase während der letzten Verfahrensstufe bei hohen Temperaturen aus.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Katalysator hergestellt. indem man zuerst Tonerdekügelchen von 1,6 bis 3,2 mm aus einem Aluminiumchlon.d-hydrosol mit einem Gewichtsverhältnis von Aluminium zu Chlor von 1,25 herstellt. Die Tonerdekügelchen werden kontinuierlich erzeugt, indem man Tröpfchen des Hydrosols in ein auf erhöhter Temperatur gehaltenes Ölbad eintropft und die Tröpfchen solange in dem öl belässt, bis sie zu Kugeln aus Hydrogel erstarrt sind. Die Kugeln werden bei 93 bis 4270C getrocknet und dann bei Temperaturen zwischen 427 und 6500C gebrannt. Sodann stellt man eine Imprägnierlösung aus Chlorplatinsäure her, indem man 3.0 ml einer Vorratslösung mit einer Konzentration von 0.0628 g Platin pro ml auf 500 ml mit Wasser verdünnt.
Bei dieser Konzentration der Chloroplatinsäurelösung erhält man mit etwa 150g Tonerdekügelchen mit einem Schüttgewicht von 0,29 g pro cm3 eine Zusammensetzung mit 0,35 g Platin pro Liter sphärischem Tonerdeträgermaterial. Die Chlorplatinsäure wird mit 0.52 g Citronensäure oder 0,35 Gew.-O. bezogen auf das Gewicht der Tonerdekügelchen, gemischt. Das resultierende Gemisch aus Citronensäure, Chlorplatinsäure und Tonerdekügelchen wird in einer Trockentrommel bei 1000C zur Trockne eingedampft. Sobald die Tonerdekügelchen trocken aussehen, das heisst gewöhnlich in 2-8 Stunden, werden sie einer Reduktionsbehandlung unterworfen, vorzugsweise in Wasserstoff, wobei die Temperatur auf 482 bis 9820C erhöht und vorzugsweise etwa 2 Stunden auf diesem Niveau belassen wird.
Im Gegensatz zu den üblichen Katalysator-Herstellungsverfahren wird der erfindungsgemässe Katalysator keiner Oxydationsbehandlung bei erhöhten Temperaturen unterworfen noch bei hoher Temperatur in Luft gebrannt. da durch eine solche Behandlung sowohl die Aktivität wie auch die Stabilität der Katalysator-Zusammensetzung leidet. Ferner kommt der Katalysator bei einer Oxydation mit Luft auch mit Stickstoff in Berührung, was seiner Stabilität ebenfalls schaden würde.
Die vorliegende Erfindung bringt das überraschende Phänomen mit sich, dass die spezielle Konzentration an organischer Säure zu einer katalytischen Zusammensetzung mit einer bisher nicht bekannten physikalischen Struktur führt. Dieses Phänomen wird anhand der Figuren 1, 2, 3 und 4 näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen den Querschnitt von sphärischen Tonerdeteilchen, die eine Platinverbindung als Verbindung des katalytisch aktiven Metalls enthalten. Fig. 1 zeigt eine Tonerde-Platinzusammensetzung, die ohne organische Säure oder mit organischer Säure in Konzentrationen von weniger als 0,10 Gew.-%, bezogen auf das Tonerdegewicht, hergestellt wurde.
Mit 1 ist die äussere Oberfläche der Kugel, mit 2 eine kontinuierliche begrenzte Schicht der Platinkomponente und mit 3 der poröse Tonerdekern bezeichnet, der im wesentlichen von der Platinverbindung frei ist. Fig. 1 zeigt, dass in Abwesenheit der organischen Säure oder bei Verwendung einer zu geringen Konzentration ein Katalysatorteilchen entsteht, in welchem tatsächlich die gesamte Menge an katalytisch aktivem Metall an der Oberfläche verbleibt.
Fig. 2 zeigt den Querschnitt eines Tonerdeteilchens. das mit einer Platinverbindung gemäss vorliegender Erfindung imprägniert wurde. 1' bezeichnet die äussere Oberfläche des Teilchens, 2' gestrichen die vollständig eingebettete kontinuierliche Schicht der Platinkomponente, 3' den inneren Kern aus Tonerde (völlig frei von der Platinkomponente), während 4 einen äusseren Ring aus Tonerde bezeichnet, der ebenfalls im wesentlichen frei ist von der Platinkomponente. Es ist zu beachten, dass die Schicht des katalytisch aktiven Metalls in bestimmtem Abstand von der äusseren Oberfläche und bestimmtem Abstand vom Mittelpunkt des sphärischen Teilchens angeordnet ist.
In Fig. 3 bezeichnet 1" das gesamte sphärische Teilchen, 2" einen im wesentlichen festen Kern aus der Platinkomponente und 3" einen grossen äusseren Bereich aus im wesentlichen reiner Tonerde. Man erhält Katalysatorteilchen gemäss Fig. 3, wenn man die organische Säure in Konzentrationen von mehr als etwa 1,5 Gew.-%. bezogen auf das Gewicht der Tonerde, anwendet. In Fig. 4 ist mit 1"' das gesamte sphärische Teilchen und mit 2"' die Tonerde bezeichnet, in welcher das Platin sorgfältig und gleichmässig verteilt ist. Katalysatorteilchen der in Fig. 4 dargestellten Art erhält man, wenn die organische Säure in Gegenwart von Ammoniak oder anderen alkalisch reagierenden Materialien verwendet wird, wobei die Konzentration an organischer Säure im Bereich von 0,1 bis 1,5 Gew.-% belanglos bleibt.
Katalysatorteilchen der in Fig. 2 dargestellten Art besitzen eine grössere Stabilität als Teilchen der in Fig.
1, 3 und 4 dargestellten Struktur, die entweder eine hohe Anfangsaktivität und praktisch keine Stabilität oder im wesentlichen keine Umwandlungsaktivität. dafür aber eine hohe Stabilität aufweisen. Obgleich bisher nur von kugelförmigen Teilchen die Rede war, eignet sich das erfindungsgemässe Verfahren jedoch auch für Teilchen aus anorganischem Oxyd von beliebiger Erscheinungsform
Beispiel I
Es wurden 2 Katalysatoren hergestellt, indem man zuerst sphärische Tonerdeteilchen von 3,2 mm M und einem Schüttgewicht von etwa 0,29 g pro cm3 herstellte.
Die weitere Behandlung dieser Teilchen mit dem Imprägniermittel aus einer Verbindung des katalytisch aktiven Metalls war sodann identisch bis auf die Massnahme, dass in einem Fall die Imprägnierung in Gegenwart von Citronensäure vorgenommen wurde in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemässen Verfahren. Die Tonerdekügelchen wurden in 2 Portionen geteilt, von denen jede mit einer ausreichenden Menge an Chloroplatinsäure imprägniert wurde, so dass man einen Katalysator mit 0.52 g Platin, berechnet als elementares Metall, pro Liter Tonerde erhielt. Für je 150 g der Tonerdekügelchen wurde die benötigte Menge an Chloroplatinsäure-Vorratslösung (0,0628 g Platin pro ml) mit Wasser auf 500 ml verdünnt. Die Imprägnierlösung für eine Portion der Katalysatorteilchen wurde mit 0,22 Gew.-%, bezogen auf die Tonerde, an Citronensäure vermischt.
Beide Katalysatoranteile wurden in einer Trockentrommel bei 100 C Trockne gebracht. Unter Temperaturerhöhung auf 5380C wurden die Katalysatoren einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt; die Behandlung mit Wasserstoff wurde bei der genannten Temperatur 2 Stunden lang fortgesetzt. Dann wurden die Katalysatoren abgekühlt und danach erst der Atmosphäre ausgesetzt.
Die beiden Katalysatoren wurden sodann einem standardisierten Chassis-Dynamometer-Strassentest unterworfen nach dem 7-Gang-Cyclus, wie er in der Vehicular Exhaust Emission vom 19. Mai 1961 der Motor Vehicle Pollution Control Bord des Staates Californien beschrieben ist. Die Testvorschriften erlauben die maximal erträgliche Grenzkonzentration an Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxyd in den Abgasen der Brennkraftmaschine.
Die maximal zulässige Grenzkonzentration an Kohlenwasserstoffen ist 275 Teile pro Million; die höchst zulässige Kohlenmonoxyd-Konzentration liegt unterhalb 1,5%. In Fig. 5 bezeichnet die gestrichelte Linie 1 die Grenzkonzentration für Kohlenwasserstoffe von 275 Teilen pro Million; die durch die Zahl 2 gekennzeichnete Linie gibt die Ergebnisse wieder, die bei Verwendung eines in Abwesenheit von Citronensäure imprägnierten Katalysators erhalten wurden. Der Kohlenwasserstoffgehalt in den Abgasen liegt bei etwa 3200km oberhalb 275 Teilen pro Million. Die Kurve 3 gibt die unter Verwendung eines erfindungsgemäss hergestellten Katalysators erzielten Ergebnisse wieder.
Es ist zu beachten, dass die Kohlenwasserstoffkonzentration in den Abgasen den Wert von 275 Teilen pro Million nach 12800km noch nicht erreicht hatte und sogar einen schwach fallenden Wert zeigte. Die grössere Stabilität des erfindungsgemäss unter Verwendung von Citronensäure hergestellten Katalysators ist offensichtlich.
In Fig. 6 werden die beiden Katalysatoren im Hinblick auf die Kohlenmonoxydkonzentration in den Abgasen verglichen. Kurve 1 gibt die mit einem in Abwesenheit von Citronensäure hergestellten Katalysator erzielten Ergebnisse wieder, während durch Kurve 2 die mit einem erfindungsgemässen Katalysator erhaltenen Ergebnisse dargestellt sind. Obgleich die Kohlenmonoxydkonzentration bei beiden Katalysatoren unter dem Grenzwert von 1, 5 < 7C liegt, zeigen die Kurven, dass der erfindungs- gemässe Katalysator eine grössere Stabilität besitzt und im Hinblick auf die Ikohlenmonoxydeliminierung längere Zeit zufriedenstellend arbeitet als der ohne Citronensäure hergestellte Vergleichskatalysator.
Die den Fig. 5 und 6 zugrunde liegenden zahlenmässigen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst, in der mit A der in Abwesenheit von Citronensäure hergestellte Katalysator bezeichnet wird.
Lebensdaller Isohlenwasserstoffe Kohlenmonoxyd des Kataly- Teile pro Million (%) sators, km A B A B
0 165 166 0,26 0,27
800 174 185 0.34 0,23
1660 242 188 0,38 0,25
2450 289 - 0,43 -
3250 335 215 0,45 0,29
4950 323 215 0,43 0,38
6450 331 268 0,48 0,30
9600 387 250 0,63 0,40
12800 - 229 - 0,48
Der angewandte Strassentest gemäss zu (Vehicular Ex- haust Emission > )-Vorschrift ist ein Chassis-Dynamometertest.
Ein einziger Zyklus umfasst eine Gesamtzeit von 137 Sekunden, wobei die 7 Betriebsarten folgende sind: (1) Leerlauf; (2) Beschleunigung auf 48,2 km pro Stunde; (3) Betrieb bei 48,2 km pro Stunde; (4) Verlangsamung auf 24,1 km pro Stunde; (5) Betrieb bei 24,1 km pro Stunde; (6) Beschleunigung auf 80, 4 km pro Stunde; (7) Rückgang der Beschleunigung zum Leerlauf. Bei einem Kaltstart erfordern die Vorschriften eine siebenbis achtmalige Wiederholung der obigen Folge, wobei die 4 ersten Wiederholungen als Anwärmeperiode betrachtet werden und die 7. und 8. Wiederholung als heisser Betrieb anzusehen sind.
Die obere Grenze der Kohlenwasserstoffkonzentration (in Teilen pro Million) und der Kohlenmonoxydkonzentration (in %) wird als Summe von 45% des Mittelwerts der 4 Aufwärmumläufe und 55% eines einzigen heissen Umlaufs angegeben.
Die in den beiliegenden Fig. 7-11 dargestellten Ergebnisse wurden durch einen anderen Katalysatortest ermittelt, der zur Bestimmung der katalytischen Beständigkeit im Hinblick auf die Umwandlung der Abgase diente. Das Testverfahren, das die Bedingungen beim Fahren imitiert, arbeitet mit einem Standarddynamometer in Verbindung mit einem achtzylindrischen Motor. Man gibt etwa 440cm3 jeder Katalysatorprobe in ein zylindrisches Gefäss mit einem inneren Durchmesser von etwa 10,2cm, und baut diese Vorrichtung sodann in den Auspuff ein. Der Katalysator befindet sich in einer Schichtdicke von etwa 5,1 bis etwa 7,6 cm auf einem Trägernetz.
Ein zweites Netz ist oberhalb der Katalysatorschicht angeordnet, um den Katalysator von einer Schicht aus Keramikkugeln von 6,35 mm zu trennen, die zur gleichmässigen Verteilung der ausströmenden Abgase dient.
Dem Konverter wird Verbrennungsluft mit solcher Geschwindigkeit zugeführt, dass die mittlere Temperatur der Katalysatorschicht zwischen etwa 427 und etwa 9270C gehalten wird. Die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft wird vorzugsweise konstant bei etwa 2,72 kg pro Stunde gehalten, so dass die mittlere Temperatur der Katalysatorschicht bei etwa 5100 liegt. Der bei dem Versuch verwendete Brennstoff war ein Gemisch aus katalytisch reformiertem Gasolin (40,0%), katalytisch gecracktem Gasolin (40,0%) und Alkylat (20,0%); er enthält 0,8 ml Bleitetraäthyl pro Liter.
Da die Konzentration an nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen und anderen schädlichen Produkten in den Abgasen in Abhängigkeit vom physikalischen Zustand des Motors ver änderlich ist, d.h. bei Leerlauf, Beschleunigung, konstanter Geschwindigkeit oder Geschwindigkeitsverminderung, wird das Testverfahren den tatsächlichen Strassenbedingungen weiter angeglichen, indem man eine konstante Leistung nur während eines Teils der gesamten Testperiode vorsieht. Proben der in den Konverter eintretenden und daraus austretenden Gase werden in verschiedenen Intervallen während des Testverfahrens entnommen, wobei die Kohlenmonoxydkonzentration ständig bestimmt wird. Die Kohlenwasserstoffanalyse wird durch einen Flammen-Ionisations-Detektor ermittelt.
Unter der Bezeichnung Kohlenwasserstoffe sind in der Zusammenstellung der Versuchsergebnisse alle Kohlenwasserstoffe und zwar gesättigte, ungesättigte oder teilweise oxydierte zu verstehen. Die Kohlenmonoxydkonzentration in den Abgasen wird durch IR-Analyse bestimmt. Das gesamte Testverfahren läuft über etwa 40 Stunden und verbraucht ca. 1,137 m3 Brennstoff.
Die Testperiode wird in 8 Zyklen zu 5 Stunden aufgeteilt; jeder Sstündige Zyklus besteht aus einem 41/2stündigen Betrieb bei konstant 2500 Umdrehungen pro Minute und einer Leistung von 41 Brems-PS (438 Kilokalorien/Min.) und einem halbstündigen Zyklus, der aus 15 zweiminütigen Zyklen besteht, die Leerlauf bei 750 Umdrehungen/ Min., Beschleunigung und Betrieb bei 2000 Umdrehungen/Min. und Rückgang der Beschleunigung auf 750 Umdrehungen/Min. umfassen.
Die bei dem 40stündigen Test erzielten Ergebnisse liefern auf halblogarithmisches Papier aufgetragen eine Kurve, aus der folgende Gleichung abgeleitet werden kann: -t/k
C = Ae
In dieser Gleichung bezeichnet k den reciproken Wert der Neigung der Kurve, A die durch Extrapolation erhaltene prozentuale anfängliche Umwandlung, C die prozentuale Umwandlung in der Zeit t und t die Zeit in Stunden. Die obige Gleichung wird verwendet, um den Stabilitätsfaktor k für die einzelnen katalytischen Zusammensetzungen zu bestimmen. Eine Verminderung der Kurvenneigung oder umgekehrt eine Erhöhung des Werts k zeigt an, dass der Katalysator eine grössere Stabilität bei der Umwandlung von kohlenwasserstoffhaltigen Verbrennungsprodukten einer Brennkraftmaschine besitzt.
Ist der Faktor k positiv, was eine positive Steigung anzeigt, so kann von der Stabilität des Katalysators angenommen werden, dass sie sich mit der Zeit erhöht.
Das vorstehende Testverfahren wird als vorläufige Bewertung der Katalysatoren durchgeführt, die dem 7stufigen Test, welcher in Verbindung mit Beispiel 1 beschrieben wurde, unterworfen werden sollen. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang die Ermittlung des Stabilitätsfaktors k. Obgleich zahlreiche bekannte Katalysatoren eine relativ hohe Anfangsaktivität besitzen, ist ihre Stabilität jedoch so gering, dass die maximal zulässige Grenze an Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxyd in relativ kurzer Zeit in den Abgasen erreicht werden.
Beispiel 2
Dieses Beispiel illustriert die schädliche Wirkung einer Hochtemperaturbehandlung der erfindungsgemäss hergestellten katalytischen Zusammensetzung in Stickstoffatmosphäre. Die untersuchten Katalysatoren wurden aus Tonerdekügelchen und Chlorplatinsäurelösung wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt; die Imprägnierung der Kügelchen mit Chlorplatinsäure wurde jedoch nicht in Gegenwart einer organischen Säure vorgenommen. Die katalytische Zusammensetzung enthielt 0,209 g Platin pro Liter Tonerde. Nach dem Trocknen der imprägnierten Kügelchen bei etwa 1000C wurde die Temperatur der ersten Katalysatorprobe in Gegenwart von Stickstoff auf 2380C erhöht und auf diesem Wert etwa 2 Stunden lang gehalten. Die zweite Probe wurde in Gegenwart von Stickstoff auf 8160C erhitzt und wiederum 2 Stunden bei dieser Temperatur gehalten.
In Fig. 7 bezeichnen die Kurven 1 und 2 die Stabilitätskurven des bei 5380C behandelten Katalysators bei der Umwandlung von Kohlenmonoxyd bzw. Kohlenwasserstoffen. Die aus den Kurven 1 und 2 mit Hilfe der obigen Gleichung ermittelten Faktoren k sind 79.5 in bezug auf Kohlenmonoxyd und 68,2 in bezug auf die Kohlenwasserstoffkonzentration. Die Kurven 3 und 4 geben die Ergebnisse wieder, die mit dem in Gegenwart von Stickstoff bei 8150C behandelten Katalysator erzielt wurden. Die Stabilitätsfaktoren waren hier 61,4 für Koh- lenmonoxyd und 49,3 für die Kohlenwasserstoffkonzentration.
Ein Vergleichskatalysator, der 20,9 g Platin pro Liter Tonerde enthielt, und in Abwesenheit einer organischen Säure, jedoch unter nachträglicher Hochtemperaturbehandlung in Gegenwart von Wasserstoff anstelle von Stickstoff erhalten wurde, ergab einen Stabilitätsfaktor k von etwa 90 bis 120 bezogen auf die Kohlenwasserstoffkonzentration und von 110 bis 150 bezogen auf die Kohlenmonoxydkonzentration. Es ist somit klar ersichtlich, dass die Hochtemperaturbehandlung in Stickstoffatmosphäre den platinhaltigen Katalysator nachteilig beeinflusste.
In Fig. 7 sind ferner die Ergebnisse von Versuchen wiedergegeben, die mit einer katalytischen Zusammensetzung aus Tonerde und Platin erhalten werden, welche durch die allgemein als gleichzeitige Ausfällung bekannte Methode hergestellt wurde, bei der das Platin sorgfältig und gleichmässig im Trägermaterial verteilt wird. Ein Querschnitt dieses Katalysators ähnelt dem in Fig. 4 gezeigten Katalysatorteilchen. Die Versuche mit dem durch gleichzeitige Ausfällung erhaltenen Katalysator ergaben einen Stabilitätsfaktor von 59,4 (Kurve 5) bezogen auf Kohlenmonoxyd und 36,1 (Kurve 6) bezogen auf die Kohlenwasserstoffkonzentration.
Der Vergleich dieser Daten mit den Stabilitätsfaktoren k des Standardkatalysators zeigt, dass der durch gleichzeitige Fällung erhaltene Katalysator sich nicht zur Eliminierung der schädlichen Komponenten aus Abgasen von Brennkraftmaschinen eignet, ungeachtet dessen, dass solche Katalysatoren für andere Verwendungszwecke. z.B. bei der katalytischen Reformierung verschiedener Kohlenwasserstoffgemische unter Bildung hochwertiger Motorenbrennstoffe sehr vorteilhaft sind.
Beispiel 3
Die bei diesem Beispiel erzielten Ergebnisse sind in Fig. 8 wiedergegeben. Der erste Katalysator wurde in Übereinstimmung mit dem Verfahren gemäss Beispiel 1 hergestellt unter Verwendung von ausreichenden Mengen Chlorplatinsäure, so dass eine Endzusammensetzung mit 0.209g Platin pro Liter erhalten wurde. Während der Imprägnierung der Tonerdekügelchen mit der Chloroplatinsäure wurden pro 150g Tonerdekügelchen 1,05 g Essigsäure bzw. Essigsäure in einer Menge von etwa 0,70 Gew.-gO zugegeben. Die mit dem mit Essigsäure behandelten Katalysator erzielten Ergebnisse sind in den Stabilitätskurven 1 und 2 der Fig. 8 wiedergegeben, aus denen ein Stabilitätsfaktor von 90,7 für Kohlenmonoxyd und von 73.4 für die Kohlenwasserstoffkonzentration zu entnehmen ist.
Der Bezugskatalysator ergab im gleichen Testverfahren Stabilitätsfaktoren von 118,7 bzw. 163,9.
Mit Essigsäure werden Katalysatorteilchen der in Fig. 4 wiedergegebenen physikalischen Struktur erhalten, d.h. unter ihrem Einfluss wird die Stabilität der katalytischen Zusammensetzung vermindert, trotz ihrer Ähnlichkeit mit Oxalsäure, Citronensäure und/oder Weinsäuren. so dass sie zur Herstellung eines Katalysators zur Umwandlung und/oder Entfernung von schädlichen Komponenten aus Abgasen von Brennkraftmaschinen nicht verwendbar ist.
Ein zweiter Katalysator wurde nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt, wobei genügende Mengen Chlorplatinsäure verwendet wurden, um einen Katalysator mit 0,35 g Platin pro Liter zu erhalten; die Imprägnierung erfolgte in Gegenwart von 1,08 Gew. % Citronensäure, bezogen auf 170 g der sphärischen Tonerdeteilchen. Die mit diesem Katalysator erzielten Ergebnisse sind in den Kurven 3 und 4 der Fig. 8 darg stellt, die die Stabilitätskurven für Kohlenmonoxyd bzw.
Kohlenwasserstoffe darstellen. Die Kurve 3 besitzt eine positive Neigung und der Stabilitätsfaktor wurde mit 2731,5 + berechnet, verglichen mit 116,3 für den Vergleichskatalysator. Der Faktor k in bezug auf die Kohlenwasserstoffkonzentration war 115.5 (siehe Fig. 8, Kurve 4), während der entsprechende Wert beim Vergleichskatalysator bei 68,5 lag. Die Kurven 3 und 4, die mit dem mit Citronensäure behandelten Katalysator erhalten wurden sind völlig waagrecht, was einen ungewöhnlich hohen Stabilitätsgrad in bezug auf die Umwandlung von kohlenmonoxyd- und kohlenwasserstoffhaltigen Materialien kennzeichnet.
Beispiel 4
In diesem Beispiel wird ein Standardkatalysator mit einem unter Verwendung von 0.35 Gew.- O Citronen- säure, bezogen auf die Tonerdemenge, hergestellten Katalysator verglichen ; die Citronensäure wurde während der Imprägnierung der Tonerde mit Chlorplatinsäure angewendet. wobei die Menge an Chloroplatinsäure so gewählt war, dass ein Katalysator mit 0,35 g Platin pro Liter resultierte. Die Ergebnisse des Vergleichs sind in Fig. 9 niedergelegt, in der die Kurven 1 und 2 die Stabilitätskurven für den Standardkatalysator und die Kurven 3 und 4 die Stabilitätskurven für den mit Citronensäure behandelten Katalysator darstellen.
Die erzielten Ergebnisse sind nachstehend wie folgt zusammengefasst: Katalysator k Stabilitätsfaktor
Kohlenwasserstoff CO Standard 90.8 (Kurve 2) 125,5 (Kurve 1) mit Citronensäure 208,5 (Kurve 4) 12120,1 1+ (Kurve3) +(Kurve 3) behandelt
Um den nachteiligen Effekt zu illustrieren, den die Imprägnierung des Katalysators in Gegenwart alkalischer Materialien ergibt, wurde ein Katalysator gemäss dem obigen Verfahren hergestellt, jedoch unter Imprägnierung in Gegenwart von Ammoniak.
Der Stabilitätsfaktor betrug in bezug auf Kohlenwasserstoffe 126,5, was einen beträchtlichen Rückgang gegenüber dem obigen Wert von 208,5 bedeutet; der Stabilitätsfaktor k für Kohlenmonoxyd war 214,7, d.h. ebenfalls wesentlich niedriger verglichen mit der positiven Neigung der Kurve, die mit dem oben beschriebenen, in Abwesenheit von alkalischem Material erhaltenen Katalysator erzielt worden war. Der mit Ammoniak behandelte Katalysator wurde durch Zugabe von 181 mg Ammoniak zur Citronensäure und Chlorplatinsäure enthaltenden Imprägnierlösung, die einen pH-Wert von etwa 7,0 erhielt, hergestellt.
Beispiel 5
In diesem Beispiel wurden 3 verschiedene katalytische Zusammensetzungen hergestellt. Fig. 10 gibt die Ergebnisse eines 50stündigen Testversuchs wieder. Sämtliche 3 Katalysatoren enthielten 0,35 g Platin pro Liter.
Der erste Katalysator wurde erhalten durch Imprägnierung in Abwesenheit einer organischen Säure, jedoch anschliessende Hochtemperaturbehandlung in Gegenwart von Wasserstoff, Abkühlen der Zusammensetzung und Behandeln mit 1. 46g Citronensäure pro 100g Tonerde bzw. 0,97 Gew.-%. Die Ergebnisse des 40stündigen Testversuchs sind in Kurve 1 (CO) und 2 (Kohlenwasserstoffe) festgelegt. Der zweite Katalysator wurde in Gegenwart von 0,35 Gew.-% Citronensäure, bezogen auf die Tonerdemenge, hergestellt. Die damit erzielten Ergebnisse sind in Kurve 3 (CO) und 4 (Kohlenwasserstoffe) von Fig. 10 wiedergegeben.
Der dritte durch die Kurven 5 und 6 dargestellte Katalysator, wurde durch Imprägnieren in Gegenwart von 3.47 Gew.-% Citronensäure, d.h. einer über der oberen Grenze von 1,5% liegenden Menge, erhalten. Mit einem solchen Überschuss an organischer Säure erhält man Katalysatorteilchen der in Fig. 3 wiedergegebenen physikalischen Struktur, bei der praktisch die gesamte metallische Komponente in das Innere des sphärischen Teilchens gedrängt ist.
Die Stabilitätsfaktoren der 3 Katalysatoren sowie eines bekannten Vergleichskatalysators waren die folgenden: Katalysator k Stabilitätsfaktor
Kohlenwasserstoff CO I. (0.97cm, Citronensäure nach Reduktion) 104,6 142,9 II. (0,35% Citronensäure) 208.5 12120,1 + III. (3,47% Citronensäure) 36.8 48,7 Vergleichskatalysator 90,8 125,5
Es ist klar zu erkennen, dass die Verwendung von überschüssiger organischer Säure oder die Verwendung von organischer Säure nach der Vereinigung der metallischen Komponente mit dem anorganischen Oxyd nicht zur Erzielung der erfindungsgemäss gewünschten Ergebnisse führt.
Beispiel 6
In diesem Beispiel wurde ein direkter Vergleich einem Bezugskatalysator und einem 0, 56 g Platin pro Liter aufweisenden Katalysator, der in Gegenwart von 0,53 Gew.-% Citronensäure, bezogen auf das Gewicht der Tonerdeteilchen, imprägniert worden war, vorgenommen. In Fig. 11 zeigt die Kurve 1 die Stabilität des Bezugskatalysators hinsichtlich Kohlenmonoxyd, Kurve 2 die Stabilität hinsichtlich Kohlenwasserstoffen; die Kurven 3 und 4 geben die Stabilität des mit Citronensäure behandelten Katalysators bezüglich Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffen wieder. Wie ersichtlich besitzen die Kurven 3 und 4 eine positive Neigung, die eine Zunahme der Stabilität mit der Zeit anzeigt.
Der mit Citronensäure behandelte Katalysator hatte einen Stabilitäsfaktor bezüglich Kohlenwasserstoffen von 475,6+, verglichen mit 125,5 des Bezugskatalysators; der Kohlenmonoxydfaktor betrug 289,3+, verglichen mit 160,9 beim Bezugskatalysator.
Nach der ersten 40stündigen Versuchsdauer wurden die Katalysatorzusammensetzungen aus den einzelnen Konvertern entnommen und untersucht und anschliessend zu einem weiteren 40stündigen Versuch in den Konverter zurückgebracht. Die Kurve 1A und 2A zeigen die Stabilität beim zweiten 40stündigen Versuch für den Vergleichskatalysator, während aus 3A und 4A die Werte für den mit Citronensäure behandelten Katalysator zu entnehmen sind. Der Sprung im jeweiligen Kurvenbild zeigt, dass der Katalysator nach 40 Stunden aus dem Konverter entnommen worden und visuell untersucht worden war. Bei den 40- 80stündigen Versuchen zeigen sich deutlich die verbesserten Eigenschaften des erfindungsgemässen Katalysators gegenüber einem Standardkatalysator. Ferner ist die Verbesserung nach 80 Stunden grösser als nach 40stündiger Versuchszeit.
Beispiel 7
Es wurde ein Katalysator mit 0,35 g Platin pro Liter hergestellt, der in Gegenwart von 1.4 g Weinsäure pro 150 g Tonerde bzw. 0,93 Gew.-% Weinsäure imprägniert worden war. Wie aus Fig. 12 zu ersehen, wurde mit dieser katalytischen Zusammensetzung eine verlängerte Stabilitätsprüfung vorgenommen. Kurve 1 bezeichnet die Stabilität hinsichtlich Kohlenmonoxyd, Kurve 2 die Stabilität hinsichtlich der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen, Kurve 1A die weitere Stabilität bezüglich Kohlenmonoxyd und I Kurve 2A bezüglich der Kohlenwasserstoffumwand- lung. Gemäss Kurven 1 und 2 waren die Stabilitätsfaktoren 860,7 + bzw. 242,1; die Stabilitätsfaktoren für einen üblichen Bezugskatalysator betrugen 189,5 bzw.
110,7. Die Stabilitätsverbesserung war ebenfalls während der verlängerten Versuchsperiode von 40-80 Stunden beträchtlich.
Aus den vorstehenden Beispielen sind die Vorteile klar zu ersehen, die durch die Verwendung einer katalytischen Zusammensetzung mit den erfindungsgemäss erzielten physikalischen Eigenschaften erhalten werden. Die Verwendung einer speziellen Konzentration einer organischen Säure bei der Imprägnierung des hitzebeständigen anorganischen oxydischen Trägermaterials mit der Verbindung des katalytisch aktiven Metalls führt zu einer katalytischen Zusammensetzung von aussergewöhnlich hoher und völlig unerwarteter Stabilität bezüglich der Umwandlung oder Eliminierung schädlicher Bestandteile aus Abgasen von Brennkraftmaschinen, so dass diese Abgase in die Atmosphäre abgeführt werden können unter wesentlich weniger schädlicher Wirkung.