JP2009183925A - Catalyst and method for performing catalytic reduction of nitrogen compound in tail gas - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒素酸化物(主として、NOとNO2 とからなる。以下、NOx ということがある。)の触媒的還元のための触媒と方法に関する。詳しくは、本発明は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンの燃焼室に燃料を供給して燃焼させ、生成した排ガスを接触させることによって、排ガス中の窒素酸化物を接触還元するための触媒と、上記排ガス中の窒素酸化物をそのような触媒を用いて接触還元するための方法に関する。そのような触媒と方法は、例えば、自動車等の移動発生源のエンジンからの排ガスに含まれる有害な窒素酸化物を低減し、除去するために用いるに適している。 The present invention relates to a catalyst and method for catalytic reduction of nitrogen oxides (mainly composed of NO and NO 2 , hereinafter sometimes referred to as NOx). Specifically, the present invention provides a catalyst for catalytically reducing nitrogen oxides in exhaust gas by supplying fuel to a combustion chamber of a diesel engine or a gasoline engine and burning it, and contacting the generated exhaust gas, and the exhaust gas. The present invention relates to a process for catalytic reduction of nitrogen oxides therein using such a catalyst. Such catalysts and methods are suitable for use, for example, to reduce and remove harmful nitrogen oxides contained in exhaust gas from mobile sources such as automobiles.
特に、本発明は、リーン条件下で燃料を燃焼させ、その燃焼によって生成した排ガス中の窒素酸化物を、一酸化炭素と水素の存在下に、又は一酸化炭素と水素と硫黄酸化物(主として、SO2 とSO3 からなる。以下、SOx ということがある。)の共在下で、接触させることによって、高選択率にて接触還元するための触媒に関する。更に、本発明は、リーン条件下で燃料を燃焼させ、その燃焼によって生成した排ガス中の窒素酸化物を、一酸化炭素と水素の存在下に、又は一酸化炭素と水素と硫黄酸化物の共在下で、触媒に接触させることによって、高選択率にて接触還元するための方法に関する。このような本発明の触媒又は方法によれば、広い範囲の温度において、触媒の劣化と燃費の悪化をもたらすことなく、上記排ガス中の窒素酸化物を高選択率にて接触還元することができる。 In particular, the present invention burns fuel under lean conditions and converts nitrogen oxides in exhaust gas produced by the combustion in the presence of carbon monoxide and hydrogen or carbon monoxide, hydrogen and sulfur oxides (mainly , SO 2 and SO 3, hereinafter referred to as SOx), and a catalyst for catalytic reduction at a high selectivity by contacting with each other. Further, the present invention is to burn fuel under lean conditions, and to convert nitrogen oxides in exhaust gas generated by the combustion in the presence of carbon monoxide and hydrogen or between carbon monoxide, hydrogen and sulfur oxide. The present invention relates to a method for catalytic reduction with high selectivity by contacting with a catalyst in the presence. According to such a catalyst or method of the present invention, nitrogen oxides in the exhaust gas can be catalytically reduced at a high selectivity without causing catalyst deterioration and fuel consumption deterioration in a wide range of temperatures. .
従来、排ガス中の窒素酸化物は、例えば、これを酸化した後、アルカリに吸収させる方法や、還元剤としてアンモニア若しくは尿素、水素、一酸化炭素又は炭化水素を用いて、窒素に還元する等の方法によって除去されている。しかし、これらの従来の方法には、それぞれ欠点がある。 Conventionally, nitrogen oxides in exhaust gas are reduced to nitrogen by, for example, a method in which the oxides are oxidized and then absorbed by alkali, or ammonia or urea, hydrogen, carbon monoxide or hydrocarbons are used as a reducing agent. Has been removed by the method. However, each of these conventional methods has drawbacks.
即ち、前者の方法によれば、環境問題を防止するために、生成するアルカリ性の廃水を処理する手段が必要である。後者の方法によれば、例えば、アンモニア又は尿素を還元剤として用いる場合であれば、アンモニア又は尿素が加水分解して生成するアンモニアが排ガス中の硫黄酸化物と反応して塩類を形成し、その結果、低温にて触媒活性が劣化する。また、特に自動車のような移動発生源からの窒素酸化物をアンモニアで処理する場合には、その安全性が問題となり、更に、尿素を用いる場合には、アンモニア源として尿素水を搭載する必要があり、また、尿素水を自動車に供給するためのインフラストラクチャーの整備も必要となる。更に、触媒についても、尿素加水分解触媒、アンモニアを還元剤とする窒素酸化物の選択的還元触媒及びリークアンモニア酸化触媒の3種類の触媒が必要となり、触媒容積量が大きくなるという問題がある。 That is, according to the former method, in order to prevent environmental problems, a means for treating the generated alkaline waste water is necessary. According to the latter method, for example, when ammonia or urea is used as a reducing agent, ammonia produced by hydrolysis of ammonia or urea reacts with sulfur oxides in exhaust gas to form salts, As a result, the catalytic activity deteriorates at low temperatures. In addition, when nitrogen oxides from mobile sources such as automobiles are treated with ammonia, the safety becomes a problem. Furthermore, when urea is used, it is necessary to mount urea water as an ammonia source. There is also a need for infrastructure to supply urea water to automobiles. Further, the catalyst requires three types of catalysts, ie, a urea hydrolysis catalyst, a selective reduction catalyst of nitrogen oxide using ammonia as a reducing agent, and a leaked ammonia oxidation catalyst, and there is a problem that the catalyst volume increases.
他方、還元剤として、水素、一酸化炭素又は炭化水素を用いる場合であれば、既に知られている三元触媒を用いるとき、上記還元剤は、排ガスが窒素酸化物よりも酸素を高濃度で含むので、その酸素と優先的に反応することとなり、かくして、窒素酸化物を実質的に低減しようとすれば、多量の還元剤を必要とすることとなり、燃費が大きく低下する。 On the other hand, when using hydrogen, carbon monoxide, or hydrocarbon as the reducing agent, when using a known three-way catalyst, the reducing agent has a higher concentration of oxygen than nitrogen oxide. Therefore, if the nitrogen oxide is to be substantially reduced, a large amount of reducing agent is required, and the fuel consumption is greatly reduced.
そこで、還元剤を用いることなしに、窒素酸化物を接触分解することが提案されている。しかし、窒素酸化物を直接に分解するための従来から知られている触媒は、その低い分解活性の故に、未だ実用化されていない。他方、還元剤として、炭化水素や酸素含有有機化合物を用いる窒素酸化物接触還元触媒として、種々のゼオライトが提案されている。特に、Cu−ZSM−5(銅イオン交換ZSM−5)やH−ZSM−5(水素型又は酸型ZSM−5、SiO2/Al2O3 モル比=30〜40)が最適であるとされている。しかし、これらの触媒上での窒素酸化物と炭化水素との反応選択性が低いうえに、排ガス中に水分が含まれるとき、水熱条件下でゼオライトの活性サイト(固体酸)がゼオライト構造の脱アルミニウムのために劣化して、触媒性能が速やかに低下することが知られている。 Therefore, it has been proposed to catalytically decompose nitrogen oxides without using a reducing agent. However, conventionally known catalysts for directly decomposing nitrogen oxides have not been put into practical use because of their low decomposition activity. On the other hand, various zeolites have been proposed as nitrogen oxide catalytic reduction catalysts using hydrocarbons or oxygen-containing organic compounds as reducing agents. In particular, Cu-ZSM-5 (copper ion exchange ZSM-5) and H-ZSM-5 (hydrogen type or acid type ZSM-5, SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio = 30 to 40) are optimal. Has been. However, the reaction selectivity between nitrogen oxides and hydrocarbons on these catalysts is low, and when water is contained in the exhaust gas, the active site (solid acid) of the zeolite has a zeolite structure under hydrothermal conditions. It is known that the catalyst performance deteriorates rapidly due to deterioration due to dealumination.
このような事情の下、窒素酸化物の接触還元のための一層高活性な触媒の開発が求められており、最近、無機酸化物担体材料に銀又は銀酸化物を担持させてなる触媒が提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。しかし、この触媒は、酸化活性が高く、窒素酸化物に対する選択還元活性が低いので、窒素酸化物の窒素への変換効率が低いことが知られている。しかも、この触媒は、硫黄酸化物の存在下に速やかに活性が低下する問題がある。これらの触媒は、完全なリーン条件下に炭化水素を用いて窒素酸化物をある程度、選択的に還元する触媒作用を有するが、しかし、三元触媒に比べて、窒素酸化物除去率が低く、作動する温度ウインドウ(温度域)が狭いために、このような触媒の実用化を困難にしている。かくして、窒素酸化物接触還元のための一層高活性で有用な触媒が緊急に求められている。 Under these circumstances, development of a catalyst having higher activity for catalytic reduction of nitrogen oxides has been demanded. Recently, a catalyst in which silver or silver oxide is supported on an inorganic oxide support material has been proposed. (For example, see Patent Documents 1 and 2). However, since this catalyst has high oxidation activity and low selective reduction activity with respect to nitrogen oxide, it is known that the conversion efficiency of nitrogen oxide to nitrogen is low. In addition, this catalyst has a problem that its activity is quickly reduced in the presence of sulfur oxides. These catalysts have a catalytic action to selectively reduce nitrogen oxides to some extent using hydrocarbons under perfectly lean conditions, but have a lower nitrogen oxide removal rate than three-way catalysts, Since the operating temperature window (temperature range) is narrow, it is difficult to put such a catalyst into practical use. Thus, there is an urgent need for more active and useful catalysts for the catalytic reduction of nitrogen oxides.
一方、ディーゼルエンジン等のリーン燃焼エンジンを備えている自動車は、非常に大きい空気/燃料比率で運転駆動することができるので、燃料を空気により化学量論的に燃焼するオットー型エンジンを備えた自動車よりも燃料消費率を低くすることができる。そのため、温室ガスである炭酸ガスの発生量を低減し、地球温暖化を抑制することが可能なディーゼルエンジン等のリーン燃焼エンジンを備えている自動車の重要性が益々増している。そこで、上述した問題を克服するために、最近、リーン燃焼エンジンにおいて、燃料を周期的に短時間、化学量論量を上回る量にて燃焼室に供給するようにしたNOx 貯蔵−還元システムが最も有望な方法として提案されている(例えば、特許文献3及び4参照)。このようなリーン燃焼エンジンのNOx 貯蔵−還元システムは、1〜2分間隔の周期的な2工程によって窒素酸化物を低減する。 On the other hand, an automobile equipped with a lean combustion engine such as a diesel engine can be driven at a very large air / fuel ratio, and therefore an automobile equipped with an Otto engine that burns fuel stoichiometrically with air. As a result, the fuel consumption rate can be lowered. Therefore, the importance of automobiles equipped with a lean combustion engine such as a diesel engine that can reduce the amount of carbon dioxide gas, which is a greenhouse gas, and suppress global warming is increasing. Therefore, in order to overcome the above-mentioned problems, the NOx storage-reduction system that has recently supplied the combustion chamber with a quantity exceeding the stoichiometric amount in a short period of time in the lean combustion engine is the most. It has been proposed as a promising method (see, for example, Patent Documents 3 and 4). Such a lean-burn engine NOx storage-reduction system reduces nitrogen oxides by two periodic steps spaced 1-2 minutes apart.
即ち、第1の工程においては、(通常の)リーン条件下、白金触媒上でNOはNO2 に酸化され、このNO2 は炭酸カリウムや炭酸バリウムのようなアルカリ化合物からなる吸収剤に硝酸カリウムのような硝酸塩として吸収される。次いで、第2工程のためのリッチ条件が形成され、このリッチ条件が数秒間、持続される。このリッチ条件下、上記吸収(貯蔵)されたNO2 は上記吸収剤から放出されて、白金触媒上で炭化水素、一酸化炭素又は水素によって効率よく窒素に還元されるとされている。 That is, in the first step, NO is oxidized to NO 2 on a platinum catalyst under (normal) lean conditions, and this NO 2 is added to an absorbent composed of an alkaline compound such as potassium carbonate or barium carbonate. Absorbed as nitrate. Then, a rich condition for the second step is formed and this rich condition is maintained for a few seconds. Under this rich condition, the absorbed (stored) NO 2 is released from the absorbent and is efficiently reduced to nitrogen by hydrocarbons, carbon monoxide or hydrogen on the platinum catalyst.
このNOx 貯蔵−還元システムは、硫黄酸化物の不存在下であれば、長期間にわたってよく作動するが、硫黄酸化物が存在すれば、リーン及びリッチいずれの条件下においても、アルカリ化合物上のNO2吸収サイトが硫黄酸化物を不可逆的に吸収して、システムは
急激に劣化し、劣化触媒の再生を高温の還元雰囲気で行わなければならないという問題を有している。更に、この方法は、窒素酸化物が硝酸塩として吸収されるので、リッチ時に硝酸塩を分解し、還元するために、リッチ条件を強くする必要があり、燃費悪化の点においても、問題がある。また、NOx 貯蔵−還元システムは、触媒中に強アルカリ性材料を含有するため、低温での還元性が損なわれる。それ故に、高燃費であるためにエンジン排ガス温度が低下するディーゼルエンジン等のリーン燃焼エンジンの後処理技術にNOx 貯蔵−還元システムを適用することには問題があると考えられている。
This NOx storage-reduction system works well for a long time in the absence of sulfur oxides, but in the presence of sulfur oxides, NOx on alkaline compounds under both lean and rich conditions. 2 The absorption site irreversibly absorbs sulfur oxide, the system deteriorates rapidly, and the deterioration catalyst has to be regenerated in a high temperature reducing atmosphere. Furthermore, since nitrogen oxides are absorbed as nitrates in this method, it is necessary to strengthen the rich conditions in order to decompose and reduce nitrates when rich, and there is a problem in terms of deterioration of fuel consumption. Further, since the NOx storage-reduction system contains a strong alkaline material in the catalyst, the reducibility at a low temperature is impaired. Therefore, it is considered that there is a problem in applying the NOx storage-reduction system to the aftertreatment technology of a lean combustion engine such as a diesel engine in which the engine exhaust gas temperature decreases due to high fuel efficiency.
そこで、硫黄酸化物の共存下において、性能が劣化し、燃費損失が大きいというNOx 貯蔵−還元システムの不利益を軽減し、又は問題を解決するために、最近、
(A)(a)セリア又は
(b)酸化プラセオジム又は
(c)セリウム、ジルコニウム、プラセオジム、ネオジム、ガドリニウム及びランタンから選ばれる少なくとも2つの元素の酸化物の混合物と少なくともそれら2つの元素の複合酸化物とから選ばれる少なくとも1種を表面触媒成分として有する表面触媒層と、(B)(d)白金、ロジウム、パラジウム及びこれらの酸化物から選ばれる少なくとも1種と、
(e)担体と
を内部触媒成分として有する内部触媒層とからなる触媒が低温で高い性能を示すと共に、中温域でNOx 貯蔵−還元システムに近い窒素酸化物浄化能と高いSOx 耐久性を示すものとして提案されている(特許文献5参照)。
Therefore, in order to reduce the disadvantage of the NOx storage-reduction system that the performance deteriorates and the fuel consumption loss is large in the presence of sulfur oxide, or to solve the problem,
(A) (a) ceria or (b) praseodymium oxide or (c) a mixture of oxides of at least two elements selected from cerium, zirconium, praseodymium, neodymium, gadolinium and lanthanum and a composite oxide of at least these two elements And (B) (d) at least one selected from platinum, rhodium, palladium and oxides thereof, and a surface catalyst layer having at least one selected from
(E) A catalyst composed of an internal catalyst layer having a carrier as an internal catalyst component exhibits high performance at low temperatures, and also exhibits nitrogen oxide purification ability close to NOx storage-reduction system and high SOx durability at intermediate temperatures. (See Patent Document 5).
また、ロジウム、パラジウム及びこれらの酸化物から選ばれる第1の触媒成分と、ジルコニア、酸化セリウム、酸化プラセオジム、酸化ネオジム及びこれらの混合物から選ばれる第2の触媒成分とを含む表面触媒層と、ロジウム、パラジウム、白金及びこれらの混合物から選ばれる第3の触媒成分を含む内部触媒層とからなる触媒が高いSOx 耐久性を示すものとして提案されている(特許文献6参照)。 Further, a surface catalyst layer comprising a first catalyst component selected from rhodium, palladium and oxides thereof, and a second catalyst component selected from zirconia, cerium oxide, praseodymium oxide, neodymium oxide and a mixture thereof, A catalyst comprising an internal catalyst layer containing a third catalyst component selected from rhodium, palladium, platinum and a mixture thereof has been proposed as exhibiting high SOx durability (see Patent Document 6).
しかしながら、これらの触媒を用いる方法においては、窒素酸化物を除去するためには、NOx 貯蔵−還元システムにおけると同様に、リッチ/リーン行程が必要であるので、依然として燃費の悪化を避けることができないという問題がある。 However, in the method using these catalysts, in order to remove nitrogen oxides, as in the NOx storage-reduction system, a rich / lean stroke is required, so that deterioration of fuel consumption cannot be avoided. There is a problem.
一方、リーン条件下で燃料を燃焼させて生成した窒素酸化物を含有する排ガスを、一酸化炭素を還元剤として用いて還元除去するための触媒として、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属、酸化コバルト等の金属酸化物及びロジウム等の貴金属からなるものが知られている(特許文献7参照)。同様に、リーン条件下で燃料を燃焼させて生成した窒素酸化物を含有する排ガスを、一酸化炭素を還元剤として用いて還元除去するための方法において、窒素酸化物と一酸化炭素との反応の選択性を向上させるために、二酸化硫黄を共存させることも提案されている(特許文献8参照)。 On the other hand, as a catalyst for reducing and removing exhaust gas containing nitrogen oxides generated by burning fuel under lean conditions using carbon monoxide as a reducing agent, alkali metal and / or alkaline earth metal, oxidation There are known metal oxides such as cobalt and noble metals such as rhodium (see Patent Document 7). Similarly, in a method for reducing and removing exhaust gas containing nitrogen oxides generated by burning fuel under lean conditions using carbon monoxide as a reducing agent, the reaction between nitrogen oxides and carbon monoxide In order to improve the selectivity, it is also proposed to coexist with sulfur dioxide (see Patent Document 8).
更に、還元剤として、水素、一酸化炭素、炭化水素及び酸素含有化合物から選ばれる少なくとも1種を用いて、二酸化硫黄の共存下に選択性を向上させた触媒として、イリジウム又はロジウムと共に周期律表第Ia、IIa又はIIb族金属をシリカに担持させた触媒が提案されている(特許文献9参照)。同様の触媒として、ロジウムをシリカに担持させた触媒も提案されている(特許文献10参照)。 Furthermore, as a reducing agent, at least one selected from hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbons, and oxygen-containing compounds is used as a catalyst having improved selectivity in the presence of sulfur dioxide, together with iridium or rhodium. A catalyst in which a Group Ia, IIa or IIb metal is supported on silica has been proposed (see Patent Document 9). As a similar catalyst, a catalyst in which rhodium is supported on silica has also been proposed (see Patent Document 10).
また、従来から知られているロジウム触媒を用いる場合、排ガス中に硫黄酸化物と還元剤成分である一酸化炭素のみが存在するときには、リーン条件下に窒素酸化物が殆ど還元されないにもかかわらず、担体、好ましくは、ゼオライト上にロジウムを担持させた触媒を用いる場合には、硫黄酸化物と共に、還元剤成分として、一酸化炭素に加えて、更に水素が存在するときには、広い範囲の温度において、触媒の劣化なしに、燃費の悪化をきたすことなく、高い選択率にて窒素酸化物を接触還元することができることが提案されている(特許文献11参照)。 In addition, when a conventionally known rhodium catalyst is used, when only sulfur oxide and carbon monoxide as a reducing agent component are present in exhaust gas, nitrogen oxide is hardly reduced under lean conditions. In the case of using a catalyst having rhodium supported on a support, preferably zeolite, in addition to carbon monoxide as a reducing agent component together with sulfur oxide, in the presence of hydrogen, in a wide range of temperatures. It has been proposed that nitrogen oxides can be catalytically reduced at a high selectivity without deteriorating the catalyst and without causing deterioration of fuel consumption (see Patent Document 11).
しかし、これらの触媒を用いても、排ガスの性状や触媒構造体の態様によっては、実用的な条件下では、窒素酸化物を十分に浄化、除去することができない。
本発明は、排ガス中のNOx を接触還元して浄化するための触媒と方法に関する上述した問題を解決するためになされたものであって、リーン条件下で燃料を燃焼させて生成した窒素酸化物を含有する排ガスを一酸化炭素と水素の存在下、又は一酸化炭素と水素と硫黄酸化物の存在下に接触させて、広い範囲の温度において、触媒の劣化なしに、燃費の悪化をきたすことなく、高い選択率にてその窒素酸化物を接触還元するための触媒を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems relating to a catalyst and method for catalytically reducing and purifying NOx in exhaust gas, and is produced by burning fuel under lean conditions. The exhaust gas containing NO is brought into contact in the presence of carbon monoxide and hydrogen, or in the presence of carbon monoxide, hydrogen and sulfur oxide, and the fuel consumption is deteriorated without deterioration of the catalyst in a wide range of temperatures. An object of the present invention is to provide a catalyst for catalytic reduction of the nitrogen oxide with high selectivity.
更に、本発明は、リーン条件下で燃料を燃焼させて生成した窒素酸化物を含有する排ガスを一酸化炭素と水素の存在下、又は一酸化炭素と水素と硫黄酸化物の存在下に触媒に接触させて、広い範囲の温度において、触媒の劣化なしに、燃費の悪化をきたすことなく、高い選択率にてその窒素酸化物を接触還元するための方法を提供することを目的とする。 Furthermore, the present invention provides an exhaust gas containing nitrogen oxides produced by burning fuel under lean conditions as a catalyst in the presence of carbon monoxide and hydrogen, or in the presence of carbon monoxide, hydrogen and sulfur oxides. An object of the present invention is to provide a method for catalytically reducing the nitrogen oxide at a high selectivity at a high temperature without causing deterioration of the fuel consumption at a wide range of temperatures without causing deterioration of the catalyst.
本発明によれば、リーン条件下で燃料を燃焼させて生成した窒素酸化物を含有する排ガスを一酸化炭素と水素の存在下、又は一酸化炭素と水素と硫黄酸化物の存在下に接触させて、その窒素酸化物を接触還元するための触媒であって、水、珪素源、アルミニウム源、ロジウム源、水酸化アルカリ金属及び水酸化アルカリ土類金属から選ばれる少なくとも1種の鉱化剤、アルカリ金属塩からなる塩析効果剤、酸からなる水素イオン濃度調節剤及びテトラエチルアンモニウム源及びテトラプロピルアンモニウム源から選ばれる少なくとも1種の型剤を含有する水性混合物を水熱処理した後、洗浄し、乾燥し、焼成することによって得られる、0.5〜5.0重量%のロジウムを担持したアルカリ金属(及びアルカリ土類金属)−ZSM−5を含む触媒が提供される。 According to the present invention, exhaust gas containing nitrogen oxides produced by burning fuel under lean conditions is contacted in the presence of carbon monoxide and hydrogen, or in the presence of carbon monoxide, hydrogen and sulfur oxides. A catalyst for catalytic reduction of the nitrogen oxide, at least one mineralizer selected from water, a silicon source, an aluminum source, a rhodium source, an alkali metal hydroxide and an alkaline earth metal hydroxide, Hydrothermal treatment of an aqueous mixture containing a salting-out effect agent comprising an alkali metal salt, a hydrogen ion concentration regulator comprising an acid, and at least one type selected from a tetraethylammonium source and a tetrapropylammonium source, followed by washing, Contains alkali metal (and alkaline earth metal) -ZSM-5 loaded with 0.5-5.0 wt% rhodium obtained by drying and firing Medium is provided.
また、本発明によれば、上記ロジウムを担持したアルカリ金属(及びアルカリ土類金属)−ZSM−5のアルカリ金属(及びアルカリ土類金属をアンモニウムイオンとイオン交換した後、洗浄し、乾燥し、焼成することによって得られる、0.5〜5.0重量%のロジウムを担持したH−ZSM−5を含む触媒が提供される。 Further, according to the present invention, the alkali metal (and alkaline earth metal) -ZSM-5 supporting rhodium is ion-exchanged with ammonium ions, and then washed and dried. A catalyst comprising H-ZSM-5 loaded with 0.5-5.0 wt% rhodium obtained by calcination is provided.
本発明によれば、上記ロジウムを担持したZSM−5の調製において、特に、アルカリ金属塩からなる塩析効果剤及び水を含有する水溶液に水素イオン濃度調節剤、型剤及びアルミニウム源を含有する水溶液と珪素源及び鉱化剤を含有する水溶液を加えて、混合物を得た後、この混合物にロジウム源を加えて水性混合物を調製することが好ましい。 According to the present invention, in the preparation of ZSM-5 carrying rhodium, a salting-out effect agent comprising an alkali metal salt and an aqueous solution containing water contain a hydrogen ion concentration regulator, a mold agent and an aluminum source. It is preferable to prepare an aqueous mixture by adding an aqueous solution and an aqueous solution containing a silicon source and a mineralizer to obtain a mixture, and then adding a rhodium source to the mixture.
更に、本発明によれば、リーン条件下で燃料を燃焼させて生成した窒素酸化物を含有する排ガスを一酸化炭素と水素の存在下、又は一酸化炭素と水素と硫黄酸化物の存在下に触媒に接触させて、その窒素酸化物を接触還元するための方法において、上記触媒が水、珪素源、アルミニウム源、ロジウム源、水酸化アルカリ金属及び水酸化アルカリ土類金属から選ばれる少なくとも1種の鉱化剤、アルカリ金属塩からなる塩析効果剤、酸からなる水素イオン濃度調節剤及びテトラエチルアンモニウム源及びテトラプロピルアンモニウム源から選ばれる少なくとも1種の型剤を含有する水性混合物を水熱処理した後、洗浄し、乾燥し、焼成することによって得られる、0.5〜5.0重量%のロジウムを担持したアルカリ金属(及びアルカリ土類金属)−ZSM−5を含むものである方法が提供される。 Furthermore, according to the present invention, an exhaust gas containing nitrogen oxides produced by burning fuel under lean conditions is placed in the presence of carbon monoxide and hydrogen, or in the presence of carbon monoxide, hydrogen and sulfur oxides. In the method for catalytically reducing a nitrogen oxide by contacting with a catalyst, the catalyst is at least one selected from water, a silicon source, an aluminum source, a rhodium source, an alkali metal hydroxide and an alkaline earth metal hydroxide. Hydrothermal treatment of an aqueous mixture containing at least one type of agent selected from a mineralizing agent, a salting out effect agent comprising an alkali metal salt, a hydrogen ion concentration regulator comprising an acid, and a tetraethylammonium source and a tetrapropylammonium source Thereafter, it is obtained by washing, drying and firing, and an alkali metal (and alkaline earth metal) carrying 0.5 to 5.0% by weight of rhodium. ) -ZSM-5 is intended to include a method is provided.
また、本発明によれば、リーン条件下で燃料を燃焼させて生成した窒素酸化物を含有する排ガスを一酸化炭素と水素の存在下、又は一酸化炭素と水素と硫黄酸化物の存在下に触媒に接触させて、その窒素酸化物を接触還元するための方法において、上記触媒が前記ロジウムを担持したアルカリ金属(及びアルカリ土類金属)−ZSM−5のアルカリ金属(及びアルカリ土類金属)をアンモニウムイオンとイオン交換した後、洗浄し、乾燥し、焼成することによって得られる、0.5〜5.0重量%のロジウムを担持したH−ZSM−5を含むものである方法が提供される。 Further, according to the present invention, the exhaust gas containing nitrogen oxides produced by burning fuel under lean conditions is placed in the presence of carbon monoxide and hydrogen, or in the presence of carbon monoxide, hydrogen and sulfur oxides. In a method for catalytically reducing a nitrogen oxide by contacting with a catalyst, the catalyst is an alkali metal (and alkaline earth metal) -ZSM-5 with the rhodium supported thereon (and alkaline earth metal). A method is provided comprising H-ZSM-5 loaded with 0.5 to 5.0 wt% rhodium obtained by ion exchange with ammonium ions followed by washing, drying and calcination.
このような本発明による触媒を用いて、排ガス中の窒素酸化物を接触還元する方法において、上記排ガスは0.1〜1.5%の一酸化炭素と0.1〜0.5%の水素を含有するものであるか、又は0.1〜1.5%の一酸化炭素と0.1〜0.5%の水素と1ppm以下の硫黄酸化物を含有するものであることが好ましい。 In the method of catalytic reduction of nitrogen oxides in exhaust gas using such a catalyst according to the present invention, the exhaust gas is 0.1 to 1.5% carbon monoxide and 0.1 to 0.5% hydrogen. Or 0.1 to 1.5% carbon monoxide, 0.1 to 0.5% hydrogen and 1 ppm or less of sulfur oxide.
更に、このような本発明による触媒を用いて、排ガス中の窒素酸化物を接触還元する方法において、上記排ガスを温度200〜500℃、空間速度5000〜150000h-1にて触媒に接触させることが好ましい。 Furthermore, in the method for catalytically reducing nitrogen oxides in the exhaust gas using such a catalyst according to the present invention, the exhaust gas is contacted with the catalyst at a temperature of 200 to 500 ° C. and a space velocity of 5000 to 150,000 h −1 . preferable.
本発明によれば、一酸化炭素と水素の存在下、又は一酸化炭素と水素と硫黄酸化物の存在下に、リーン条件下で燃料を燃焼させて生成した窒素酸化物を含有する排ガスを上述した触媒に接触させることによって、広い範囲の温度において、排ガス中の窒素酸化物をその触媒の劣化なしに、低燃費損失にて、且つ高い選択率にて接触還元し、かくして、排ガスを浄化することができる。 According to the present invention, an exhaust gas containing nitrogen oxides produced by burning a fuel under lean conditions in the presence of carbon monoxide and hydrogen or in the presence of carbon monoxide, hydrogen and sulfur oxide is described above. By contacting with the catalyst, the nitrogen oxides in the exhaust gas are contact-reduced with low fuel consumption loss and high selectivity without deterioration of the catalyst in a wide range of temperatures, thus purifying the exhaust gas. be able to.
本発明による触媒は、リーン条件下で燃料を燃焼させて生成した窒素酸化物を含有する排ガスを一酸化炭素と水素の存在下、又は一酸化炭素と水素と硫黄酸化物の存在下に接触させて、その窒素酸化物を接触還元するための触媒であって、水、珪素源、アルミニウム源、ロジウム源、水酸化アルカリ金属及び水酸化アルカリ土類金属から選ばれる少なくとも1種の鉱化剤、アルカリ金属塩からなる塩析効果剤、酸からなる水素イオン濃度調節剤及びテトラエチルアンモニウム源及びテトラプロピルアンモニウム源から選ばれる少なくとも1種の型剤を含有する水性混合物を水熱処理することによって得られる、0.5〜5.0重量%のロジウムを担持したZSM−5を含むものである。 The catalyst according to the present invention contacts an exhaust gas containing nitrogen oxides produced by burning fuel under lean conditions in the presence of carbon monoxide and hydrogen or in the presence of carbon monoxide, hydrogen and sulfur oxides. A catalyst for catalytic reduction of the nitrogen oxide, at least one mineralizer selected from water, a silicon source, an aluminum source, a rhodium source, an alkali metal hydroxide and an alkaline earth metal hydroxide, It is obtained by hydrothermally treating an aqueous mixture containing a salting-out effect agent comprising an alkali metal salt, a hydrogen ion concentration regulator comprising an acid, and at least one type selected from a tetraethylammonium source and a tetrapropylammonium source. It contains ZSM-5 carrying 0.5 to 5.0 wt% rhodium.
本発明において、リーン条件とは、問題とする燃料の空気/燃料比率(空燃比)が化学量論的な空気/燃料比率よりも大きい状態をいい、反対に、リッチ条件とは、問題とする燃料の空気/燃料比率が化学量論的な空気/燃料比率よりも小さい状態をいう。通常のガソリンエンジン自動車では、化学量論的な空気/燃料比率は約14.5である。 In the present invention, the lean condition means a state in which the air / fuel ratio (air-fuel ratio) of the fuel in question is larger than the stoichiometric air / fuel ratio, and conversely, the rich condition is a problem. A state in which the air / fuel ratio of the fuel is smaller than the stoichiometric air / fuel ratio. In a normal gasoline engine vehicle, the stoichiometric air / fuel ratio is about 14.5.
排ガス中の窒素酸化物を従来から知られているロジウム触媒の存在下に還元剤を用いて接触還元するに際して、排ガス中に還元剤成分として一酸化炭素のみが存在するときは、リーン条件下において窒素酸化物は殆ど還元浄化されない。 When catalytically reducing nitrogen oxides in exhaust gas using a reducing agent in the presence of a conventionally known rhodium catalyst, when only carbon monoxide is present as a reducing agent component in the exhaust gas, Nitrogen oxides are hardly reduced and purified.
しかし、本発明に従って、ロジウム源としてのロジウム塩と共にZSM−5のための合成原料を用いて得られる、ロジウムを担持したZSM−5を含む触媒を用いることによって、排ガス中に、還元剤成分として、一酸化炭素に加えて、水素が存在するときには、広い温度範囲において、触媒の劣化なしに、燃費の悪化をきたすことなく、高い選択率にて窒素酸化物を還元することができる。還元剤成分として、一酸化炭素に加えて、更に水素が存在するときに、本発明による上記触媒上での一酸化窒素の還元反応が大きく向上する理由は、ロジウムに吸着されたCOが水素によってクリーニングされ、金属ロジウム上への一酸化窒素の解離吸着が促進されることによるとみられる。 However, according to the present invention, by using a catalyst containing rhodium-supported ZSM-5 obtained using a synthetic raw material for ZSM-5 together with a rhodium salt as a rhodium source, as a reducing agent component in the exhaust gas. In addition to carbon monoxide, when hydrogen is present, nitrogen oxides can be reduced with high selectivity in a wide temperature range without deterioration of the catalyst and without deterioration of fuel consumption. The reason why the reduction reaction of nitric oxide on the catalyst according to the present invention is greatly improved when hydrogen is present in addition to carbon monoxide as a reducing agent component is that CO adsorbed on rhodium is absorbed by hydrogen. This is probably due to the accelerated dissociative adsorption of nitric oxide on the metal rhodium.
本発明者らによれば、ロジウム塩とZSM−5の合成原料を水熱反応させて、ZSM−5を合成すると共に、これにロジウムを含有させ、これを空気中において500℃で5時間焼成して、ロジウムを担持したZSM−5(以下、簡単のために、ロジウム担持ZSM−5という。)を調製して、これについて、X線光電子分光法(XPS)によって、そのロジウムの化学状態解析を行った結果、空気中にて焼成して得られたロジウム担持ZSM−5においては、ロジウムの化学状態はRh3+ であるが、窒素酸化物を含有する排ガスの接触還元に用いた後はRh0であることが確認された。即ち、ZSM−5上に担持されたロジウムは、リーン条件下において金属状態であり、この金属ロジウム上に吸着した一酸化窒素は解離吸着して、窒素と酸素を生成し、このようにして、ロジウム担持ZSM−5中に蓄積された酸素はCO、水素等の還元剤と反応して、炭酸ガスと水を生成し、かくして、触媒サイクルが形成されることを見出した。 According to the present inventors, a rhodium salt and a raw material for synthesizing ZSM-5 are subjected to hydrothermal reaction to synthesize ZSM-5, and this is mixed with rhodium, which is calcined in air at 500 ° C. for 5 hours. Then, rhodium-supported ZSM-5 (hereinafter referred to as rhodium-supported ZSM-5) was prepared, and the chemical state analysis of the rhodium was performed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). As a result, in the rhodium-supported ZSM-5 obtained by firing in air, the chemical state of rhodium is Rh 3+ , but after being used for catalytic reduction of exhaust gas containing nitrogen oxides, Rh 0 was confirmed. That is, rhodium supported on ZSM-5 is in a metal state under lean conditions, and nitric oxide adsorbed on the metal rhodium is dissociatively adsorbed to generate nitrogen and oxygen, thus It has been found that oxygen accumulated in the rhodium-supported ZSM-5 reacts with a reducing agent such as CO and hydrogen to produce carbon dioxide and water, thus forming a catalytic cycle.
排ガス中に多量の酸素が含まれる場合においても、ZSM−5に担持されたロジウムの化学的状態は、主としてRh0であるので、排ガス中に酸素が過剰に存在していても、ロジウムが一酸化窒素を吸着することができる場合には、一酸化窒素が解離吸着し、一酸化窒素が窒素と酸素に転換される。そして、生成した酸素は還元剤成分と反応し、二酸化炭素と水を生成する。しかし、還元剤がCOのみの場合には、ロジウムがCOにより覆われるために、この一酸化窒素還元反応の進行が抑制される。しかし、水素が共存するときには、水素のクリーニング作用によって清浄なロジウム表面が形成され、そこに一酸化窒素が吸着するため、一酸化窒素還元反応がより円滑に進行する。 Even in the case where a large amount of oxygen is contained in the exhaust gas, the chemical state of rhodium supported on ZSM-5 is mainly Rh 0. When nitric oxide can be adsorbed, nitric oxide is dissociated and adsorbed, and nitric oxide is converted into nitrogen and oxygen. And the produced | generated oxygen reacts with a reducing agent component, and produces | generates a carbon dioxide and water. However, when the reducing agent is only CO, since rhodium is covered with CO, the progress of this nitric oxide reduction reaction is suppressed. However, when hydrogen coexists, a clean rhodium surface is formed by the cleaning action of hydrogen, and nitrogen monoxide is adsorbed thereto, so that the nitric oxide reduction reaction proceeds more smoothly.
本発明によれば、硫黄酸化物は、上述したようなロジウム担持ZSM−5の表面を優先的に被覆し、還元剤であるCO及び水素の気相酸素による酸化を抑制するので、反応温度が高い場合にも、高いNOx浄化率を得ることができる、即ち、CO及び水素による窒素酸化物の還元反応の温度が高温側にシフトする。その代わり、低温域におけるNOx浄化率は低下する。特に、本発明によるロジウム担持ZSM−5を触媒として用いて排ガス中の窒素酸化物を接触還元する反応において、排ガスが硫黄酸化物を含有する場合には、排ガス中の硫黄酸化物の量は、1ppm以下の範囲であることが好ましい。 According to the present invention, the sulfur oxide preferentially coats the surface of the rhodium-supported ZSM-5 as described above, and suppresses oxidation of the reducing agents CO and hydrogen by gas phase oxygen, so that the reaction temperature is low. Even when the temperature is high, a high NOx purification rate can be obtained, that is, the temperature of the reduction reaction of nitrogen oxides by CO and hydrogen shifts to the high temperature side. Instead, the NOx purification rate in the low temperature range decreases. In particular, in the reaction in which nitrogen oxides in exhaust gas are catalytically reduced using rhodium-supported ZSM-5 according to the present invention as a catalyst, when the exhaust gas contains sulfur oxide, the amount of sulfur oxide in the exhaust gas is: A range of 1 ppm or less is preferable.
即ち、本発明において、排ガス中の硫黄酸化物の量が1ppm以下の範囲であるときは、NOx浄化率の低下がみられず、むしろ、還元剤であるCO及び水素の酸化が抑制されるので、NOxとこれら還元剤との選択反応性が向上する利点がある。この観点からは、排ガス中の硫黄酸化物の量は0.01〜1ppmの範囲であることが好ましい。排ガス中の硫黄酸化物の量が1ppmを越えるときは、NOx浄化率が低下する。 That is, in the present invention, when the amount of sulfur oxide in the exhaust gas is in the range of 1 ppm or less, the NOx purification rate is not lowered, but rather the oxidation of CO and hydrogen as reducing agents is suppressed. There is an advantage that the selective reactivity between NOx and these reducing agents is improved. From this viewpoint, the amount of sulfur oxide in the exhaust gas is preferably in the range of 0.01 to 1 ppm. When the amount of sulfur oxide in the exhaust gas exceeds 1 ppm, the NOx purification rate decreases.
上述したようなロジウム担持ZSM−5は、ロジウム源としてのロジウム塩とZSM−5のための合成原料を用いて、ZSM−5を水熱合成することによって得られ、ロジウムは、形成されたZSM−5上にクラスター状に担持されている。このように、ロジウムがZSM−5上にクラスター状に担持されているとき、ロジウムは粒径5〜10nm程度の微粒子状で担持されている。このような担体上のロジウムの微粒子の粒径は、例えば、透過型電子顕微鏡による観察によって測定することができる。 The rhodium-supported ZSM-5 as described above is obtained by hydrothermal synthesis of ZSM-5 using a rhodium salt as a rhodium source and a synthesis raw material for ZSM-5, and rhodium is formed in the formed ZSM. Supported on clusters on -5. Thus, when rhodium is supported on ZSM-5 in a cluster shape, rhodium is supported in the form of fine particles having a particle size of about 5 to 10 nm. The particle size of the rhodium fine particles on such a carrier can be measured, for example, by observation with a transmission electron microscope.
本発明において、ロジウム担持ZSM−5のロジウムの担持量は、通常、0.1〜5.0重量%の範囲にわたるが、好ましくは、0.1〜2.5重量%の範囲である。ロジウム担持ZSM−5において、ロジウムの担持量が0.1重量%よりも少ないときは、得られるロジウム担持ZSM−5を触媒として用いるとき、窒素酸化物の接触還元能において十分でなく、他方、ロジウム担持量が5.0重量%よりも多いときは、得られるロジウム担持ZSM−5の酸化能が強くなって、触媒として用いるとき、窒素酸化物の選択的還元能が低下するので好ましくない。 In the present invention, the amount of rhodium supported in the rhodium-supported ZSM-5 is usually in the range of 0.1 to 5.0% by weight, but preferably in the range of 0.1 to 2.5% by weight. In the rhodium-supported ZSM-5, when the supported amount of rhodium is less than 0.1% by weight, when the obtained rhodium-supported ZSM-5 is used as a catalyst, the catalytic reduction ability of nitrogen oxides is not sufficient, When the amount of rhodium supported is more than 5.0% by weight, the resulting rhodium-supported ZSM-5 has a strong oxidizing ability, and when used as a catalyst, the selective reducing ability of nitrogen oxides is lowered, which is not preferable.
上述したように、ロジウム担持ZSM−5は、ロジウム源としてのロジウム塩と共にZSM−5のための合成原料を用いて得られる。その製造方法については、後に詳細に説明するが、その製造方法から明らかなように、ロジウム塩とZSM−5のための合成原料を水熱反応に供することによって、最初は、ロジウムを担持していると共に、アルカリ金属イオンと、場合によっては、アルカリ土類金属イオンとを含有するアルカリ金属(及びアルカリ土類金属)−型ZSM−5が得られる。即ち、ロジウム源としてのロジウム塩とZSM−5のための合成原料を用いて得られる本発明による触媒は、ロジウム担持アルカリ金属(及びアルカリ土類金属)−ZSM−5である。本発明において、アルカリ金属(及びアルカリ土類金属)−ZSM−5は、アルカリ金属−ZSM−5か、又はアルカリ金属及びアルカリ土類金属−ZSM−5を意味する。同様に、アルカリ金属(及びアルカリ土類金属)は、アルカリ金属か、又はアルカリ金属及びアルカリ土類金属を意味する。 As described above, rhodium-supported ZSM-5 is obtained using a synthetic raw material for ZSM-5 together with a rhodium salt as a rhodium source. The production method will be described in detail later. As is apparent from the production method, rhodium is first supported on the rhodium salt by subjecting the synthetic raw material for the ZSM-5 and ZSM-5 to a hydrothermal reaction. In addition, an alkali metal (and alkaline earth metal) -type ZSM-5 containing an alkali metal ion and optionally an alkaline earth metal ion is obtained. That is, the catalyst according to the present invention obtained using a rhodium salt as a rhodium source and a synthetic raw material for ZSM-5 is rhodium-supported alkali metal (and alkaline earth metal) -ZSM-5. In the present invention, alkali metal (and alkaline earth metal) -ZSM-5 means alkali metal-ZSM-5 or alkali metal and alkaline earth metal-ZSM-5. Similarly, alkali metal (and alkaline earth metal) means alkali metal or alkali metal and alkaline earth metal.
このように、ロジウムと共にアルカリ金属イオンと、場合によっては、アルカリ土類金属イオンとを有するアルカリ金属(及びアルカリ土類金属)−ZSM−5における上記アルカリ金属イオン(及びアルカリ土類金属イオン)の量は、通常、0.1〜7.5重量%の範囲であり、殆どの場合、1〜5重量%の範囲である。 Thus, the alkali metal ion (and alkaline earth metal ion) in the alkali metal (and alkaline earth metal) -ZSM-5 having an alkali metal ion and optionally an alkaline earth metal ion together with rhodium. The amount is usually in the range of 0.1 to 7.5% by weight, most often in the range of 1 to 5% by weight.
しかし、本発明による触媒は、好ましくは、ロジウム担持H−ZSM−5である。このようなロジウム担持H−ZSM−5は、上記ロジウム担持アルカリ金属(及びアルカリ土類金属)−ZSM−5のそれら金属イオンをアンモニウムイオン交換した後、空気中で焼成して得ることができる。このようなロジウム担持H−ZSM−5は、ウィンドウ(反応温度領域)がより広いと共に、反応の選択性、即ち、NOxの浄化性能によりすぐれている。 However, the catalyst according to the invention is preferably rhodium-supported H-ZSM-5. Such rhodium-supported H-ZSM-5 can be obtained by exchanging ammonium ions of those metal ions of the rhodium-supported alkali metal (and alkaline earth metal) -ZSM-5 and then firing in air. Such a rhodium-supported H-ZSM-5 has a wider window (reaction temperature range) and is excellent in reaction selectivity, that is, NOx purification performance.
以下に、本発明による触媒であるロジウム担持ZSM−5の製造について説明する。本発明によれば、ロジウム担持ZSM−5は、水、珪素源、アルミニウム源、ロジウム源、水酸化アルカリ金属及び水酸化アルカリ土類金属から選ばれる少なくとも1種の鉱化剤、アルカリ金属塩からなる塩析効果剤、酸からなる水素イオン濃度調節剤及びテトラエチルアンモニウム源及びテトラプロピルアンモニウム源から選ばれる少なくとも1種の型剤を含有する水性混合物を水熱処理することによって得られる。 The production of rhodium-supported ZSM-5, which is a catalyst according to the present invention, will be described below. According to the present invention, rhodium-supported ZSM-5 is composed of at least one mineralizer selected from water, a silicon source, an aluminum source, a rhodium source, an alkali metal hydroxide and an alkaline earth metal hydroxide, an alkali metal salt. It is obtained by hydrothermally treating an aqueous mixture containing a salting-out effect agent, a hydrogen ion concentration regulator comprising an acid, and at least one type selected from a tetraethylammonium source and a tetrapropylammonium source.
本発明において、珪素源としては、シリカ成分を含有する水溶液である水ガラスが好ましく用いられる。このような水ガラスの具体例として、水ガラス3号(SiO2量29.1%、Na2O量9.3%)等を挙げることができる。アルミニウム源としては、水溶性である硫酸アルミニウムやアルミン酸ナトリウムが好ましく用いられる。ロジウム源としては、水溶性ロジウム塩が用いられるが、なかでも、硝酸ロジウムが好ましく用いられる。 In the present invention, as the silicon source, water glass which is an aqueous solution containing a silica component is preferably used. Specific examples of such water glass include water glass No. 3 (SiO 2 content 29.1%, Na 2 O content 9.3%). As the aluminum source, water-soluble aluminum sulfate or sodium aluminate is preferably used. As the rhodium source, a water-soluble rhodium salt is used, and among them, rhodium nitrate is preferably used.
鉱化剤は、前記シリカを溶解し、得られるZSM−5におけるカチオンサイトを形成するためのアルカリであって、本発明においては、水酸化アルカリ金属が好ましく用いられ、必要に応じて、水酸化アルカリ金属と共に水酸化アルカリ土類金属が併用される。しかし、シリカ源として水ガラスを用いる場合には、水ガラス中に水酸化アルカリ金属を含有しているので、新たに鉱化剤を加える必要はない。また。上記水酸化アルカリ金属としては、水酸化カリウムと水酸化ナトリウムから選ばれる少なくとも1種が好ましく用いられる。アルカリ土類金属をZSM−5の結晶中に存在させる場合には、水酸化バリウムや硝酸バリウム等の水酸化アルカリ土類金属が好ましく用いられる。 The mineralizer is an alkali for dissolving the silica and forming cation sites in the obtained ZSM-5, and in the present invention, an alkali metal hydroxide is preferably used. An alkaline earth metal hydroxide is used in combination with an alkali metal. However, when water glass is used as the silica source, it is not necessary to newly add a mineralizer because the water glass contains an alkali metal hydroxide. Also. As the alkali metal hydroxide, at least one selected from potassium hydroxide and sodium hydroxide is preferably used. When the alkaline earth metal is present in the ZSM-5 crystal, an alkaline earth metal hydroxide such as barium hydroxide or barium nitrate is preferably used.
このように、本発明によれば、得られるロジウム担持ZSM−5の要求特性に応じて、例えば、水酸化カリウムと水酸化ナトリウムを組み合わせて用いることによって、ZSM−5のカチオンサイトの割合を適宜に調整してなるロジウム担持Na及びK−ZSM−5を得ることができる。また、得られるロジウム担持ZSM−5の要求特性に応じて、必要に応じて、例えば、水酸化バリウムを水酸化カリウム及び/又は水酸化ナトリウムと組み合わせて用いることにより、ZSM−5のカチオンサイトの一部をバリウムイオンによって占有させることが可能である。即ち、ロジウム担持アルカリ金属及びバリウム−ZSM−5を得ることができる。 Thus, according to the present invention, according to the required characteristics of the obtained rhodium-supported ZSM-5, for example, by using a combination of potassium hydroxide and sodium hydroxide, the proportion of the cation sites of ZSM-5 is appropriately set. Rhodium-supported Na and K-ZSM-5 prepared by adjusting to the above can be obtained. Further, according to the required characteristics of the obtained rhodium-supported ZSM-5, for example, by using barium hydroxide in combination with potassium hydroxide and / or sodium hydroxide, the cation site of ZSM-5 can be used. A part can be occupied by barium ions. That is, rhodium-supported alkali metal and barium-ZSM-5 can be obtained.
また、型剤は、前記水性混合物の水熱処理の間に、得られるZSM−5の構造を規制する作用を有し、これより、テンプレーティング剤や構造化規定剤等とも呼ばれており、本発明においては、型剤としては、テトラエチルアンモニウム源及びテトラプロピルアンモニウム源から選ばれる少なくとも1種のテトラアルキルアンモニウム源が用いられる。テトラアルキルアンモニウム源は、水酸化テトラアルキルアンモニウムでもよく、ハロゲン化テトラアルキルアンモニウムでもよい。また、ハロゲンとしては、好ましくは、塩素又は臭素である。本発明においては、通常、臭化テトラプロピルアンモニウムや水酸化テトラエチルアンモニウムが型剤として好ましく用いられる。 In addition, the mold has an effect of regulating the structure of the obtained ZSM-5 during the hydrothermal treatment of the aqueous mixture, and is also called a templating agent or a structured regulating agent. In the invention, as the mold agent, at least one tetraalkylammonium source selected from a tetraethylammonium source and a tetrapropylammonium source is used. The tetraalkylammonium source may be a tetraalkylammonium hydroxide or a tetraalkylammonium halide. The halogen is preferably chlorine or bromine. In the present invention, usually, tetrapropylammonium bromide or tetraethylammonium hydroxide is preferably used as the mold agent.
更に、本発明の方法においては、水熱反応時の結晶化を促進するために、塩化ナトリウム、塩化カリウム、硫酸リチウム、硝酸ルビジウム、酢酸セシウム等のアルカリ金属塩からなる塩析効果剤と,得られる水性混合物のpHを9乃至11とするために、硫酸、塩酸、硝酸、酢酸、クエン酸等の酸からなる水素イオン濃度調節剤が用いられる。但し、塩析効果剤や水素イオン濃度調節剤は上記例示に限定されるものではない。 Furthermore, in the method of the present invention, a salting-out effect agent comprising an alkali metal salt such as sodium chloride, potassium chloride, lithium sulfate, rubidium nitrate or cesium acetate is obtained in order to promote crystallization during the hydrothermal reaction. In order to adjust the pH of the resulting aqueous mixture to 9 to 11, a hydrogen ion concentration regulator comprising an acid such as sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, acetic acid, citric acid or the like is used. However, the salting-out effect agent and the hydrogen ion concentration regulator are not limited to the above examples.
本発明によれば、水と共に上述した珪素源、アルミニウム源、ロジウム源、塩析効果剤、水素イオン濃度調節剤、鉱化剤及び型剤を含有する水性混合物を水熱処理することによって、目的とするロジウム担持ZSM−5を得ることができる。ここに、上記水性混合物の調製の方法は、特に限定されるものではないが、アルカリ金属塩からなる塩析効果剤及び水を含有する水溶液に水素イオン濃度調節剤、型剤及びアルミニウム源を含有する水溶液と珪素源及び鉱化剤を含有する水溶液を加えて、混合物を得た後、この混合物にロジウム源を加えて水性混合物を調製することが好ましい。 According to the present invention, by hydrothermally treating an aqueous mixture containing the above-described silicon source, aluminum source, rhodium source, salting-out effect agent, hydrogen ion concentration regulator, mineralizer and mold, Thus, rhodium-supported ZSM-5 can be obtained. Here, the method for preparing the aqueous mixture is not particularly limited, but contains a salting-out effect agent composed of an alkali metal salt and an aqueous solution containing water containing a hydrogen ion concentration regulator, a mold agent and an aluminum source. It is preferable to prepare an aqueous mixture by adding an aqueous solution containing a silicon source and a mineralizing agent to obtain a mixture, and then adding a rhodium source to the mixture.
更に、本発明によれば、水性混合物を形成する水、珪素源、アルミニウム源、ロジウム源、鉱化剤、型剤、塩析効果剤及び水素イオン濃度調節剤がシリカに対して下記のモル比 Furthermore, according to the present invention, the water, silicon source, aluminum source, rhodium source, mineralizer, mold agent, salting-out effect agent, and hydrogen ion concentration modifier that form the aqueous mixture have the following molar ratio to silica:
SiO2 =1
Al2O3 =0.01〜0.2
ロジウム=0.001〜0.03
水=1〜50
型剤=0.01〜1
鉱化剤=0.005〜0.05
塩析効果剤=0.1〜3
水素イオン濃度調節剤:0.05〜0・15
SiO 2 = 1
Al 2 O 3 = 0.01 to 0.2
Rhodium = 0.001 to 0.03
Water = 1-50
Mold = 0.01-1
Mineralizer = 0.005-0.05
Salting out effect agent = 0.1-3
Hydrogen ion concentration regulator: 0.05 to 0.15
を有するものであるとき、ロジウムを担持した結晶度の高いZSM−5を高収率にて得ることができる。 ZSM-5 having high crystallinity carrying rhodium can be obtained in a high yield.
水溶性混合物におけるAl2O3のモル比が0.01よりも小さいときは、得られるZSM−5のカチオンサイトの数が少ないので、ZSM−5に担持させるロジウムの分散性が悪い。しかし、Al2O3のモル比が0.2よりも大きいときは、水熱処理において、ZSM−5の骨格形成が進まず、結晶度の高いロジウム担持ZSM−5を得ることができない。 When the molar ratio of Al 2 O 3 in the water-soluble mixture is smaller than 0.01, since the number of cation sites of ZSM-5 obtained is small, the dispersibility of rhodium supported on ZSM-5 is poor. However, when the molar ratio of Al 2 O 3 is larger than 0.2, ZSM-5 skeleton formation does not proceed in hydrothermal treatment, and rhodium-supported ZSM-5 with high crystallinity cannot be obtained.
ロジウムのモル比が0.001よりも小さいときは、得られるZSM−5にロジウムが高分散されるものの、ロジウムの担持量が少なく、クラスター状ロジウムの形成が不十分で、高い触媒機能を有するロジウム担持ZSM−5を得ることができない。一方、ロジウムのモル比が0.03よりも大きいときは、得られるロジウム担持ZSM−5におけるクラスター状ロジウムの分散性が低下し、その結果、得られるロジウム担持ZSM−5は高い触媒機能をもたない。更に、高濃度のロジウムの存在によって、ZSM−5の水熱処理下での結晶構造体の形成が阻害され、結果として、結晶度の高いロジウム担持ZSM−5を得ることができない。 When the rhodium molar ratio is less than 0.001, rhodium is highly dispersed in the obtained ZSM-5, but the supported amount of rhodium is small, the formation of cluster rhodium is insufficient, and the catalyst function is high. Rhodium-supported ZSM-5 cannot be obtained. On the other hand, when the molar ratio of rhodium is larger than 0.03, the dispersibility of clustered rhodium in the obtained rhodium-supported ZSM-5 decreases, and as a result, the obtained rhodium-supported ZSM-5 has a high catalytic function. No. Furthermore, the presence of a high concentration of rhodium inhibits the formation of a crystal structure under hydrothermal treatment of ZSM-5, and as a result, rhodium-supported ZSM-5 with high crystallinity cannot be obtained.
水のモル比が1よりも小さいときは、シリカの溶解速度が低く、水熱処理下でのZSM−5の結晶形成が十分になされない。その結果、結晶性にすぐれるロジウム担持ZSM−5を得ることができない。しかし、水のモル比が50よりも大きいときは、水熱処理において、シリカの溶解速度が速く、シリカの溶解・析出の平衡反応下で形成されるZSM−5の結晶形成が良好に進行しない。その結果、結晶度の高いロジウム担持ZSM−5を得ることができない。 When the molar ratio of water is less than 1, the dissolution rate of silica is low and ZSM-5 crystals are not sufficiently formed under hydrothermal treatment. As a result, rhodium-supported ZSM-5 having excellent crystallinity cannot be obtained. However, when the molar ratio of water is greater than 50, the hydrolytic heat treatment has a high silica dissolution rate, and the ZSM-5 crystal formation formed under the equilibrium reaction of silica dissolution / precipitation does not proceed well. As a result, rhodium-supported ZSM-5 with high crystallinity cannot be obtained.
型剤のモル比が0.1よりも小さいときは、水熱処理時の型剤による構造規制効果が不十分であって、ZSM−5の骨格形成が良好に進行せず、その結果、結晶度の高いロジウム担持ZSM−5を得ることができない。しかし、型剤のモル比を1よりも大きくしても、水熱処理時のロジウム担持ZSM−5の骨格形成に大きな変化はなく、製造費用を徒に高めるので好ましくない。 When the molar ratio of the mold is less than 0.1, the structure regulating effect by the mold during hydrothermal treatment is insufficient, and the skeletal formation of ZSM-5 does not proceed well. High rhodium-supported ZSM-5 cannot be obtained. However, even if the molar ratio of the mold is larger than 1, the formation of the skeleton of the rhodium-supported ZSM-5 at the time of hydrothermal treatment does not change greatly, which is not preferable because it increases the manufacturing cost.
鉱化剤のモル比が0.005よりも小さいときは、鉱化剤としての機能、即ち、水熱処理時のシリカの溶解・析出の平衡の制御機能が十分に働かず、その結果、水熱処理時にロジウム担持ZSM−5の骨格形成が良好に進行しない。一方、水性混合物中のモル比が0.05よりも大きいときは、水熱処理下でシリカの溶解・析出の平衡が溶解側に偏るので、結晶度の高いロジウム担持ZSM−5を得ることができない。 When the molar ratio of the mineralizer is smaller than 0.005, the function as a mineralizer, that is, the function of controlling the equilibrium of dissolution / precipitation of silica during hydrothermal treatment does not work sufficiently. Sometimes rhodium-supported ZSM-5 does not progress well. On the other hand, when the molar ratio in the aqueous mixture is larger than 0.05, the dissolution / precipitation equilibrium of silica is biased toward the dissolution side under hydrothermal treatment, so that rhodium-supported ZSM-5 with high crystallinity cannot be obtained. .
塩析効果剤のモル比が0.1よりも小さいときは、シリカ及びアルミナの析出・溶解のバランスが溶解側に偏り、モル比が3以上のときには、バランスが生成側に偏り、その結果、いずれの場合も溶解・析出の平衡の制御機能が十分に働かず、その結果、水熱処理時にロジウム担持ZSM−5の骨格形成が良好に進行しない。 When the molar ratio of the salting-out effect agent is smaller than 0.1, the balance between precipitation and dissolution of silica and alumina is biased toward the dissolution side, and when the molar ratio is 3 or more, the balance is biased toward the production side. In any case, the function of controlling the equilibrium of dissolution / precipitation does not work sufficiently, and as a result, the skeleton formation of rhodium-supported ZSM-5 does not proceed well during hydrothermal treatment.
水素イオン濃度調節剤のモル比が0.05以下の場合は、シリカ及びアルミナの析出・溶解のバランスが溶解側に偏り、モル比が0.15以上のときは、バランスが生成に偏り、その結果、いずれの場合も溶解・析出の平衡の制御機能が十分に働かず、その結果、水熱処理時にロジウム担持ZSM−5の骨格形成が良好に進行しない。 When the molar ratio of the hydrogen ion concentration regulator is 0.05 or less, the balance between precipitation and dissolution of silica and alumina is biased toward the dissolution side, and when the molar ratio is 0.15 or more, the balance is biased toward generation, As a result, in any case, the function of controlling the equilibrium of dissolution / precipitation does not work sufficiently, and as a result, the skeleton formation of rhodium-supported ZSM-5 does not proceed well during hydrothermal treatment.
本発明の方法によれば、上述したような水性混合物を水熱処理することによって、目的とするロジウムを高分散高担持させたZSM−5を得ることができる。水熱処理の温度は140〜180℃の範囲である。水熱処理の温度が140℃よりも低いときは、結晶度の高いロジウム担持ZSM−5を得ることができない。しかし、水熱処理の温度が180℃よりも高いときは、型剤が熱分解し、水性混合物中の型剤の量が低下するので、水熱処理中にZSM−5構造の骨格形成が良好に行われず、その結果、結晶度の高いロジウム担持ZSM−5を得ることができない。 According to the method of the present invention, ZSM-5 in which the target rhodium is highly dispersed and supported can be obtained by hydrothermally treating the aqueous mixture as described above. The temperature of the hydrothermal treatment is in the range of 140 to 180 ° C. When the hydrothermal treatment temperature is lower than 140 ° C., rhodium-supported ZSM-5 with high crystallinity cannot be obtained. However, when the temperature of the hydrothermal treatment is higher than 180 ° C., the mold is thermally decomposed, and the amount of the mold in the aqueous mixture is reduced. Therefore, the ZSM-5 structure is well formed during the hydrothermal treatment. As a result, rhodium-supported ZSM-5 with high crystallinity cannot be obtained.
本発明において、水熱処理の時間は、上記水熱処理の温度や、水熱処理する水性混合物の組成等にもよるが、通常、40〜70時間程度である。水熱処理時間が余りに短いときは、水熱処理中に型剤の分子構造に従って形成されるZSM−5骨格の形成が不十分であって、結晶度の高いロジウム担持ZSM−5を得ることができない。しかし、水熱処理の時間が余りに長すぎるときは、一旦、形成されたZSM−5結晶構造体が再溶解して、ロジウム担持ZSM−5の収率が低下する。 In the present invention, the hydrothermal treatment time is usually about 40 to 70 hours, although it depends on the temperature of the hydrothermal treatment and the composition of the aqueous mixture to be hydrothermally treated. When the hydrothermal treatment time is too short, formation of the ZSM-5 skeleton formed according to the molecular structure of the mold during the hydrothermal treatment is insufficient, and rhodium-supported ZSM-5 having a high degree of crystallinity cannot be obtained. However, when the hydrothermal treatment time is too long, the formed ZSM-5 crystal structure is once dissolved again, and the yield of rhodium-supported ZSM-5 is lowered.
このようにして、水熱処理による結晶化工程が終了したときは、得られたロジウム担持ZSM−5の再溶解を防止するために、好ましくは、得られた反応混合物を急冷した後、ロジウム担持ZSM−5結晶を母液から分離し、十分に洗浄して、結晶中に存在する遊離のアルカリ金属イオンやアルカリ土類金属イオンを除去する。次いで、ロジウム担持ZSM−5結晶を乾燥した後、空気中、500〜700℃で適宜の時間、例えば、5〜10時間程度焼成して、型剤を燃焼除去することによって、用いた鉱化剤に対応するカチオンサイトを有するロジウム担持アルカリ金属(及びアルカリ土類金属)−ZSM−5を得ることができる。例えば、鉱化剤として水酸化ナトリウムと水酸化カリウムを併用したときは、ロジウム担持Na及びK−ZSM−5を得ることができる。 In this way, when the crystallization process by hydrothermal treatment is completed, in order to prevent re-dissolution of the obtained rhodium-supported ZSM-5, preferably, the obtained reaction mixture is quenched and then rhodium-supported ZSM-5 is used. -5 The crystals are separated from the mother liquor and washed thoroughly to remove free alkali metal ions and alkaline earth metal ions present in the crystals. Next, after drying the rhodium-supported ZSM-5 crystal, it is fired in air at 500 to 700 ° C. for an appropriate time, for example, about 5 to 10 hours, and the mold is burned and removed, whereby the used mineralizer is used. Rhodium-supported alkali metal (and alkaline earth metal) -ZSM-5 having a cation site corresponding to the above can be obtained. For example, when sodium hydroxide and potassium hydroxide are used in combination as mineralizers, rhodium-supported Na and K-ZSM-5 can be obtained.
本発明によれば、このようにして得られるロジウム担持アルカリ金属(及びアルカリ土類金属)−ZSM−5を、例えば、硝酸アンモニウム水溶液に浸漬して、上記アルカリ金属イオン(及びアルカリ土類金属イオン)をアンモニウムイオンとイオン交換した後、空気中、500〜700℃の温度にて5〜10時間焼成することによって、ロジウム担持H−ZSM−5を得ることができる。 According to the present invention, the rhodium-supported alkali metal (and alkaline earth metal) -ZSM-5 thus obtained is immersed in, for example, an aqueous ammonium nitrate solution, and the above alkali metal ions (and alkaline earth metal ions) are obtained. After ion exchange with ammonium ions, rhodium-supported H-ZSM-5 can be obtained by baking in air at a temperature of 500 to 700 ° C. for 5 to 10 hours.
本発明に従って、上述したようなロジウム担持ZSM−5を触媒として用いて、排ガス中の窒素酸化物を接触還元するに際して、排ガス中の窒素酸化物が上述したようなロジウム触媒と、還元剤成分である一酸化炭素と水素か、又は一酸化炭素と水素と硫黄酸化物の共存下において、高選択性にて還元されるように、排ガス中の還元剤成分である一酸化炭素の濃度は、0.1〜1.5%の範囲、好ましくは、0.5〜1.0%の範囲にあり、水素の濃度は、0.1〜0.5%の範囲、好ましくは、0.25〜0.5%の範囲にあるように、エンジンの燃焼室に燃料を供給し、燃焼させることが望ましい。更に、本発明によれば、前述したように、排ガスが硫黄酸化物を含有する場合には、その濃度は1ppm以下の範囲であり、好ましくは、0.01〜1ppmの範囲である。 According to the present invention, when the above-mentioned rhodium-supported ZSM-5 is used as a catalyst to reduce the nitrogen oxides in the exhaust gas by contact, the nitrogen oxides in the exhaust gas are composed of the rhodium catalyst as described above and a reducing agent component. The concentration of carbon monoxide as a reducing agent component in the exhaust gas is 0 so that it is reduced with high selectivity in the presence of certain carbon monoxide and hydrogen or in the presence of carbon monoxide, hydrogen and sulfur oxide. In the range of 0.1 to 1.5%, preferably in the range of 0.5 to 1.0%, and the hydrogen concentration is in the range of 0.1 to 0.5%, preferably 0.25 to 0. It is desirable to supply the fuel to the combustion chamber of the engine and burn it so that it is in the range of 5%. Furthermore, according to this invention, as above-mentioned, when exhaust gas contains a sulfur oxide, the density | concentration is the range of 1 ppm or less, Preferably, it is the range of 0.01-1 ppm.
本発明による触媒に排ガスを接触させる温度、即ち、反応温度は、排ガスの組成にもよるが、触媒が長期間にわたって、窒素酸化物に対して有効な触媒反応活性を有するように、通常、200〜500℃の範囲であり、好ましくは、250〜400℃の範囲である。このような反応温度において、排ガスは、好ましくは、5000〜150000h-1の範囲の空間速度で処理される。 The temperature at which the exhaust gas is brought into contact with the catalyst according to the present invention, i.e., the reaction temperature, depends on the composition of the exhaust gas. It is the range of -500 degreeC, Preferably, it is the range of 250-400 degreeC. At such a reaction temperature, the exhaust gas is preferably treated at a space velocity in the range of 5000 to 150,000 h −1 .
本発明において触媒として用いるロジウム担持ZSM−5は、粉末や粒状物のような種々の形態にて得ることができる。従って、従来からよく知られている任意の方法によって、このような触媒を用いて、例えば、ハニカム、環状物、球状物等のような種々の形状の触媒構造体に成形することができる。また、このような触媒構造体の製造に際して、必要に応じて、適当の添加物、例えば、成形助剤、補強材、無機繊維、有機バインダー等を用いることができる。 The rhodium-supported ZSM-5 used as a catalyst in the present invention can be obtained in various forms such as powders and granules. Therefore, it is possible to form catalyst structures having various shapes such as honeycombs, annular materials, spherical materials, and the like, using such a catalyst by any method that has been well known. Further, in the production of such a catalyst structure, appropriate additives such as molding aids, reinforcing materials, inorganic fibers, organic binders and the like can be used as necessary.
特に、本発明によれば、前述した触媒をバインダー成分と共にスラリーとし、これを任意の形状の支持用の不活性な基材の表面に、例えば、ウォッシュ・コート法によって塗布して、触媒層を有する触媒構造体として、用いるのが有利である。上記不活性な基材は、例えば、コージーライトのような粘土鉱物や、また、ステンレス鋼のような金属、好ましくは、Fe−Cr−Alのような耐熱性の金属からなるものであってよく、また、その形状は、ハニカム、環状、球状構造等であってよい。 In particular, according to the present invention, the catalyst described above is made into a slurry together with a binder component, and this is applied to the surface of an inert base material for support having an arbitrary shape by, for example, a wash coat method. It is advantageous to use it as a catalyst structure. The inert base material may be made of, for example, a clay mineral such as cordierite or a metal such as stainless steel, preferably a heat-resistant metal such as Fe-Cr-Al. The shape may be a honeycomb, an annular shape, a spherical structure, or the like.
このような触媒構造体はいずれも、熱に対する抵抗にすぐれるのみならず、硫黄酸化物に対する抵抗性にもすぐれており、従って、このような触媒構造体を用いる本発明の方法は、ディーゼルエンジンやリーンガソリンエンジン自動車排ガス中のNOxの還元浄化の
ために好適である。
All of such catalyst structures are not only excellent in resistance to heat but also excellent in resistance to sulfur oxides. Therefore, the method of the present invention using such a catalyst structure is applied to a diesel engine. It is suitable for reducing and purifying NOx in the exhaust gas of automobiles and lean gasoline engines.
以下に触媒構造体の製造例とそれを用いる窒素酸化物の還元を実施例として挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。
(1)触媒構造体の製造
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples of production of catalyst structures and reduction of nitrogen oxides using the same, but the present invention is not limited to these examples.
(1) Production of catalyst structure
実施例1
硫酸アルミニウム16水塩(Al2(SO4)3・16H2O)11.3g、硫酸(95%以上)11g、臭化テトラプロピルアンモニウム((n−C3H7)4NBr)21g及びイオン交換水153gを混合して、A液を調製した。水ガラス3号(日本化学工業(株)製、SiO2量29.1%、Na2O量9.3%)185gと水118gを混合して、B液を調製した。更に、塩化ナトリウム70gを水270gに溶解して、C液を調製した。これらA液、B液及びC液を用いて、下記の工程によって、1重量%ロジウム担持Na−ZSM−5(SiO2/Al2O3 モル比=50、ナトリウム含有量4.80重量%、表面積413m2/g)47.4gを調製した。
Example 1
Aluminum sulfate 16 hydrate (Al 2 (SO 4 ) 3 .16H 2 O) 11.3 g, sulfuric acid (95% or more) 11 g, tetrapropylammonium bromide ((n-C 3 H 7 ) 4 NBr) 21 g and ions A solution A was prepared by mixing 153 g of exchange water. A liquid B was prepared by mixing 185 g of water glass No. 3 (manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd., SiO 2 amount 29.1%, Na 2 O amount 9.3%) and 118 g of water. Further, 70 g of sodium chloride was dissolved in 270 g of water to prepare solution C. Using these A liquid, B liquid and C liquid, 1 wt% rhodium-supported Na-ZSM-5 (SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio = 50, sodium content 4.80 wt%, 47.4 g) (surface area 413 m 2 / g) was prepared.
(a)A液とB液をC液中に徐々に滴下し、この間、混合した溶液が固化しないように、A液とB液の滴下速度をA:B=1:2程度とした。得られた混合溶液のpHは10.2であった。
(b)得られた混合溶液に硝酸ロジウム水溶液(ロジウムとして4.138重量%)13.45gを攪拌下に加えた後、30分間攪拌して、スラリーを得た。
(c)得られたスラリーをオートクレーブに仕込み、温度160℃、攪拌速度60rpmで50時間水熱合成を行った。
(d)得られた反応生成物をスラリーとしてオートクレーブから取り出し、これを100℃の熱水5Lで洗浄した後、濾過して、固形物を得た。
(e)濾液に塩素イオンが検出されなくなるまで、この固形物を洗浄し、濾過する操作を繰り返した。最終的に得られた固形物を110℃で一夜乾燥した。
(f)このようにして得られた乾燥物を空気中、500℃で5時間焼成して、1重量%ロジウム担持Na−ZSM−5粉体を得た。
(A) The A liquid and the B liquid were gradually dropped into the C liquid, and during this time, the dropping speed of the A liquid and the B liquid was set to about A: B = 1: 2 so that the mixed solution did not solidify. The pH of the obtained mixed solution was 10.2.
(B) To the obtained mixed solution, 13.45 g of an aqueous rhodium nitrate solution (4.138 wt% as rhodium) was added with stirring, followed by stirring for 30 minutes to obtain a slurry.
(C) The obtained slurry was charged into an autoclave, and hydrothermal synthesis was performed at a temperature of 160 ° C. and a stirring speed of 60 rpm for 50 hours.
(D) The obtained reaction product was taken out from the autoclave as a slurry, washed with 5 L of hot water at 100 ° C., and then filtered to obtain a solid.
(E) This solid was washed and filtered until no chlorine ions were detected in the filtrate. The finally obtained solid was dried at 110 ° C. overnight.
(F) The dried material thus obtained was calcined in air at 500 ° C. for 5 hours to obtain a 1 wt% rhodium-supported Na-ZSM-5 powder.
このようにして、ロジウム塩とZSM−5の合成原料とを水熱反応に供して、ロジウムがZSM−5上にクラスター状に担持されてなるロジウム担持Na−ZSM−5の透過型電子顕微鏡写真を図1に示す。 Thus, a rhodium salt and a raw material for synthesis of ZSM-5 are subjected to a hydrothermal reaction, and a rhodium-supported Na-ZSM-5 transmission electron micrograph of rhodium supported in a cluster form on ZSM-5. Is shown in FIG.
上記ロジウム1重量%担持Na−ZSM−5粉体3gとシリカゾル(日産化学工業(株))製スノーテックスN、シリカとして20重量%、以下、同じ)0.8gと適量の水を混合した。ジルコニアボール数gを粉砕媒体として用いて、手で振盪し、凝集している粉体をほぐして、ウォッシュ・コート用スラリーを得た。1平方インチ当りのセル数400のコージーライト製ハニカム基体に上記ウォッシュ・コート用スラリーを塗布し、乾燥させた後、空気中、500℃で1時間焼成して、ハニカム基体1L当たりに触媒95g(バインダーとしてのシリカ5gを含む。以下、同じ。)を担持したハニカム触媒構造体を得た。 The rhodium 1 wt% supported Na-ZSM-5 powder 3 g, silica sol (Nissan Chemical Industry Co., Ltd. Snowtex N, 20 wt% as silica, hereinafter the same) 0.8 g and an appropriate amount of water were mixed. Using a few grams of zirconia balls as a grinding medium, the mixture was shaken by hand to loosen the agglomerated powder to obtain a slurry for wash coating. The wash coat slurry was applied to a honeycomb substrate made of cordierite having 400 cells per square inch, dried, and then fired in air at 500 ° C. for 1 hour to obtain 95 g of catalyst per liter of honeycomb substrate ( A honeycomb catalyst structure including 5 g of silica as a binder (hereinafter the same applies) was obtained.
実施例2
実施例1の工程(b)において、硝酸ロジウム水溶液(ロジウムとして4.138重量%)26.90gを用いた以外は、製造例1と同様にして、2重量%ロジウム担持Na−ZSM−5粉末(SiO2/Al2O3 モル比=50、ナトリウム含有量4.94重量%、表面積407m2/g)47.9gを得た。
Example 2
2 wt% rhodium-supported Na-ZSM-5 powder in the same manner as in Production Example 1, except that 26.90 g of an aqueous rhodium nitrate solution (4.138 wt% as rhodium) was used in step (b) of Example 1 (SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio = 50, sodium content 4.94% by weight, surface area 407 m 2 / g) 47.9 g was obtained.
上記ロジウム2重量%担持Na−ZSM−5粉体3gとシリカゾル0.8gと適量の水を混合した。ジルコニアボール数gを粉砕媒体として用いて、手で振盪し、凝集粉体をほぐして、ウォッシュ・コート用スラリーを得た。1平方インチ当りのセル数400のコージーライト製ハニカム基体に上記ウォッシュ・コート用スラリーを塗布し、乾燥させた後、空気中、500℃で1時間焼成して、ハニカム基体1L当たりに触媒95gを担持したハニカム触媒構造体を得た。 The rhodium 2 wt% supported Na-ZSM-5 powder 3 g, silica sol 0.8 g and an appropriate amount of water were mixed. Using a few grams of zirconia balls as a grinding medium, the mixture was shaken by hand to loosen the agglomerated powder to obtain a wash coat slurry. The above-mentioned slurry for wash coat was applied to a honeycomb substrate made of cordierite having 400 cells per square inch, dried, and then fired in air at 500 ° C. for 1 hour to obtain 95 g of catalyst per 1 L of honeycomb substrate. A supported honeycomb catalyst structure was obtained.
実施例3
実施例2において得られた2重量%ロジウム担持Na−ZSM−5粉末を0.1規定の硝酸アンモニウム水溶液1000mLに投入し、80℃で3時間、アンモニウムイオン交換した後、ZSM−5の濾過と洗浄を5回繰り返して、硝酸アンモニウム水溶液に溶出したナトリウムイオンを除去した。このようにして得られたZSM−5を乾燥した後、空気中、温度500℃にて3時間焼成して、2重量%ロジウム担持H−ZSM−5粉末47.0gを得た。
Example 3
The 2 wt% rhodium-supported Na-ZSM-5 powder obtained in Example 2 was put into 1000 mL of 0.1 N aqueous ammonium nitrate solution, and ammonium ion exchange was performed at 80 ° C. for 3 hours, followed by filtration and washing of ZSM-5. Was repeated 5 times to remove sodium ions eluted in the aqueous ammonium nitrate solution. The ZSM-5 thus obtained was dried and then calcined in air at a temperature of 500 ° C. for 3 hours to obtain 47.0 g of 2 wt% rhodium-supported H-ZSM-5 powder.
このロジウム2重量%担持H−ZSM−5粉体3gとシリカゾル0.8gと適量の水を混合した。ジルコニアボール数gを粉砕媒体として用いて、手で振盪し、凝集粉体をほぐして、ウォッシュ・コート用スラリーを得た。1平方インチ当りのセル数400のコージーライト製ハニカム基体に上記ウォッシュ・コート用スラリーを塗布し、乾燥させた後、空気中、500℃で1時間焼成して、ハニカム基体1L当たりに触媒95gを担持したハニカム触媒構造体を得た。 The rhodium 2 wt% supported H-ZSM-5 powder 3 g, silica sol 0.8 g and an appropriate amount of water were mixed. Using a few grams of zirconia balls as a grinding medium, the mixture was shaken by hand to loosen the agglomerated powder to obtain a wash coat slurry. The above-mentioned slurry for wash coat was applied to a honeycomb substrate made of cordierite having 400 cells per square inch, dried, and then fired in air at 500 ° C. for 1 hour to obtain 95 g of catalyst per 1 L of honeycomb substrate. A supported honeycomb catalyst structure was obtained.
比較例1
イオン交換水20mLにNH4−ZSM−5(ゼオリスト触媒製CBV552407、SiO2/Al2O3 モル比=50)5gを加えてスラリーとし、磁気攪拌子で攪拌しながら、これに硝酸ロジウム水溶液(ロジウムとして1重量%)5gを加えた。60℃で1時間保持して、NH4−ZSM−5のアンモニウムイオンをロジウムイオンとイオン交換させた後、空気中、100℃で乾燥させ、更に、空気中、500℃で1時間焼成して、ロジウム1重量%をH−ZSM−5に担持させた粉体5gを得た。
Comparative Example 1
To 20 mL of ion-exchanged water, 5 g of NH 4 —ZSM-5 (Zeolist Catalysts CBV552407, SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio = 50) was added to form a slurry, and this was stirred with a magnetic stirrer. 5 g of 1% by weight as rhodium) was added. After holding at 60 ° C. for 1 hour, NH 4 —ZSM-5 ammonium ions are ion-exchanged with rhodium ions, dried in air at 100 ° C., and further calcined in air at 500 ° C. for 1 hour. Then, 5 g of powder in which 1% by weight of rhodium was supported on H-ZSM-5 was obtained.
上記ロジウム1重量%担持NH4−ZSM−5粉体3gとシリカゾル0.8gと適量の水を混合した。ジルコニアボール数gを粉砕媒体として用いて、手で振盪し、凝集粉体をほぐして、ウォッシュ・コート用スラリーを得た。1平方インチ当りのセル数400のコージーライト製ハニカム基体に上記ウォッシュ・コート用スラリーを塗布し、乾燥させた後、空気中、500℃で1時間焼成して、ハニカム基体1L当たりに触媒95gを担持したハニカム触媒構造体を得た。 The rhodium 1 wt% supported NH 4 -ZSM-5 powder 3 g, silica sol 0.8 g and an appropriate amount of water were mixed. Using a few grams of zirconia balls as a grinding medium, the mixture was shaken by hand to loosen the agglomerated powder to obtain a wash coat slurry. The above-mentioned slurry for wash coat was applied to a honeycomb substrate made of cordierite having 400 cells per square inch, dried, and then fired in air at 500 ° C. for 1 hour to obtain 95 g of catalyst per 1 L of honeycomb substrate. A supported honeycomb catalyst structure was obtained.
比較例2
イオン交換水20mLにNa−βゼオライト(ズードケミー触媒製SiO2/Al2O3モル比=25、比表面積680m2/g)5gを加えてスラリーとし、磁気攪拌子で攪拌しながら、これに硝酸ロジウム水溶液(ロジウムとして1重量%)5.0gを加えた。60℃で1時間保持して、Na−βゼオライトのナトリウムイオンをロジウムイオンとイオン交換させた。この後、空気中、100℃で乾燥させ、更に、500℃で1時間焼成して、ロジウムをNa−βゼオライトに1重量%担持させた粉体を得た。
Comparative Example 2
To 20 mL of ion-exchanged water, 5 g of Na-β zeolite (SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio = 25, specific surface area of 680 m 2 / g made by Sued Chemie Catalyst) was added to form a slurry, and this was mixed with nitric acid while stirring with a magnetic stir bar. An aqueous rhodium solution (1% by weight as rhodium) (5.0 g) was added. By holding at 60 ° C. for 1 hour, sodium ions of Na-β zeolite were ion exchanged with rhodium ions. Then, it was dried in air at 100 ° C. and further calcined at 500 ° C. for 1 hour to obtain a powder in which rhodium was supported by 1% by weight on Na-β zeolite.
上記粉体3gとシリカゾル0.8gと適量の水を混合した。ジルコニアボール数gを粉砕媒体として用いて、手で振盪し、凝集している粉体をほぐして、ウォッシュ・コート用スラリーを得た。1平方インチ当りのセル数400のコージーライト製ハニカム基体に上記ウォッシュ・コート用スラリーを塗布し、乾燥させた後、空気中、500℃で1時間焼成して、ハニカム基体1L当たりに触媒100gを担持するハニカム触媒構造体を得た。 3 g of the powder, 0.8 g of silica sol, and an appropriate amount of water were mixed. Using a few grams of zirconia balls as a grinding medium, the mixture was shaken by hand to loosen the agglomerated powder to obtain a slurry for wash coating. The above-mentioned slurry for wash coating is applied to a honeycomb substrate made of cordierite having 400 cells per square inch, dried, and then fired in air at 500 ° C. for 1 hour to give 100 g of catalyst per liter of honeycomb substrate. A supported honeycomb catalyst structure was obtained.
比較例3
イオン交換水20mLにメソポーラスシリカ(日本化学工業(株)製SILFAM)5gを加えてスラリーとなし、磁気攪拌子で攪拌しながら、これに硝酸ロジウム水溶液(ロジウムとして1重量%)5gを加え、約80℃の温度で加熱して、蒸発乾固させた。得られた乾固物を空気中、500℃で1時間焼成して、メソポーラスシリカにロジウム1重量%を担持させた触媒粉体を得た。この触媒粉体を用いて、実施例1と同様にして、ハニカム基体1L当たりに触媒100gを担持するハニカム触媒構造体を得た。
Comparative Example 3
Add 5 g of mesoporous silica (SILFAM manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) to 20 mL of ion-exchanged water to form a slurry, and add 5 g of an aqueous rhodium nitrate solution (1 wt% as rhodium) while stirring with a magnetic stirrer. Heated at a temperature of 80 ° C. to evaporate to dryness. The obtained dried product was calcined in air at 500 ° C. for 1 hour to obtain a catalyst powder in which 1% by weight of rhodium was supported on mesoporous silica. Using this catalyst powder, a honeycomb catalyst structure carrying 100 g of catalyst per 1 L of honeycomb substrate was obtained in the same manner as in Example 1.
(2)窒素酸化物の接触還元試験
上記実施例1〜3及び比較例1〜3において製造した触媒構造体をそれぞれ、500ppmのNO、1ppmのSO2、9%のO2、1.5%のCO、0.5%のH2、6%のH2O及び残部窒素からなる混合ガスに5時間接触させてエージングし、性能が安定した後、それぞれの触媒を用いて、下記の組成からなる窒素酸化物を含む試験用ガスを温度250℃、300℃、350℃又は400℃、空間速度50000h-1の条件下に処理した。各実施例において用いた試験用ガス中の還元剤及び硫黄酸化物の濃度を下記及び第1表に示す。残部は窒素である。また、各実施例における窒素酸化物から窒素への変換率(除去率)は、ガスメット社製FTTRガス分析計にてNO、NO2及びN2Oの濃度分析を行って、これに基づいて算出した。
(2) Nitrogen oxide catalytic reduction test The catalyst structures produced in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were 500 ppm NO, 1 ppm SO 2 , 9% O 2 and 1.5%, respectively. After aging by contacting with a mixed gas consisting of CO, 0.5% H 2 , 6% H 2 O and the balance nitrogen for 5 hours and stabilizing the performance, the following compositions were used with each catalyst. The test gas containing nitrogen oxide was treated under conditions of a temperature of 250 ° C., 300 ° C., 350 ° C. or 400 ° C., and a space velocity of 50000 h −1 . The concentrations of the reducing agent and sulfur oxide in the test gas used in each example are shown below and in Table 1. The balance is nitrogen. Further, the conversion rate (removal rate) from nitrogen oxides to nitrogen in each example is calculated based on the concentration analysis of NO, NO 2 and N 2 O by a FTTR gas analyzer manufactured by Gasmet. did.
(試験用ガス組成)
NO:500ppm
SO2:第1表
O2:9%
CO:第1表
H2:第1表
H2O:6%
(Test gas composition)
NO: 500ppm
SO 2 : Table 1 O 2 : 9%
CO: Table 1 H 2 : Table 1 H 2 O: 6%
第1表から明らかなように、本発明の触媒によれば、高い除去率にて窒素酸化物が除去されるが、比較例1から3の触媒によれば、概して、窒素酸化物の除去率が低い。 As is apparent from Table 1, according to the catalyst of the present invention, nitrogen oxides are removed at a high removal rate. However, according to the catalysts of Comparative Examples 1 to 3, the removal rate of nitrogen oxides is generally high. Is low.
Claims (13)
The method according to any one of claims 6, 7, 11 and 12, wherein the exhaust gas is brought into contact with the catalyst at a temperature of 200 to 500 ° C and a space velocity of 5000 to 150,000 h- 1 .
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