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JP2010051836A - Nitrogen oxide purifying catalyst and nitrogen oxide purifying method - Google Patents

Nitrogen oxide purifying catalyst and nitrogen oxide purifying method Download PDF

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JP2010051836A
JP2010051836A JP2008216096A JP2008216096A JP2010051836A JP 2010051836 A JP2010051836 A JP 2010051836A JP 2008216096 A JP2008216096 A JP 2008216096A JP 2008216096 A JP2008216096 A JP 2008216096A JP 2010051836 A JP2010051836 A JP 2010051836A
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JP
Japan
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exhaust gas
purification catalyst
catalyst
nitrogen
nitrogen oxide
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Pending
Application number
JP2008216096A
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Japanese (ja)
Inventor
Hidehiro Iizuka
秀宏 飯塚
Noriko Yoshida
紀子 吉田
Toshiaki Arato
利昭 荒戸
Kazuhisa Higashiyama
和寿 東山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Power Ltd
Original Assignee
Babcock Hitachi KK
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Publication date
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  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exhaust gas purifying catalyst which prevents a nitrogen oxide purifying catalyst, which removes nitrogen oxides from exhaust gas containing the nitrogen oxides, from being poisoned by phosphorus compounds contained in the exhaust gas, and is excellent in durability, and an exhaust gas purifying method. <P>SOLUTION: The exhaust gas purifying method is preferable which removes the phosphorus compounds in the exhaust gas upstream of the nitrogen oxide purifying catalyst by using the exhaust gas purifying catalyst made by combining the nitrogen oxide purifying catalyst and a trapping material for trapping the phosphorus compounds in the exhaust gas containing the nitrogen oxides and the phosphorus compounds. It is desirable for the trapping material used for the exhaust gas purifying catalyst that a metal oxide is supported inside a mesoporous body, the sum of pore volumes of 5-10 nm of the mesoporous bodies per total pore volume measured by a nitrogen adsorption isotherm measurement method is 50% or more, and the isoelectric point of the metal oxide is more than 3. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒素酸化物とリン化合物を含有する排ガスから、窒素酸化物を除去するための触媒と、その触媒を用いた窒素酸化物浄化方法に関する。   The present invention relates to a catalyst for removing nitrogen oxides from exhaust gas containing nitrogen oxides and phosphorus compounds, and a nitrogen oxide purification method using the catalyst.

排ガス中の窒素酸化物(NOx)をアンモニア(NH3)で還元して除去する方法はシステムが簡単で効率が良いため、ボイラ燃焼排ガスをはじめとする各種固定発生源排ガスの脱硝プロセスの主流となっている。このプロセスにはNOxとNH3との反応を促進するための脱硝触媒が必要である。 The method of reducing and removing nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas with ammonia (NH 3 ) is simple and efficient, so the mainstream of the denitration process of various fixed source exhaust gas including boiler combustion exhaust gas It has become. This process requires a denitration catalyst to promote the reaction between NOx and NH 3 .

一方、近年では、鉱物質を多く含有する低品位石炭や低品位原油が燃料に用いられる傾向にある。このような低品位石炭や低品位原油を燃焼した場合には、鉱物質から主に生成する揮発性の金属化合物、特にセレン,テルル,タリウム,ヒ素などの酸化物が排ガスに含まれるようになり、これら酸化物による触媒の被毒が問題となる。   On the other hand, in recent years, low grade coal and low grade crude oil containing a large amount of mineral substances tend to be used as fuel. When such low-grade coal or low-grade crude oil is burned, volatile metal compounds mainly generated from mineral substances, especially oxides such as selenium, tellurium, thallium, arsenic, etc. will be contained in the exhaust gas. The poisoning of the catalyst by these oxides becomes a problem.

また、低品位石炭は燃焼性が悪く灰中の未燃分が多いため、このような低品位石炭を用いる場合には、ボイラに灰を戻して再燃焼させる方式が採られることが多い。しかし、この方式では、ボイラで飛散した上記の触媒毒物質は、排ガス温度の低下にともないフライアッシュに析出し、灰がボイラに戻されてリサイクルされることにより排ガス中に再飛散することになる。そのため、排ガス中の触媒毒物質の濃度が、本来の燃料中の含有量から予測される値よりも高くなり、触媒の劣化が一段と進み易くなるという問題がある。   In addition, since low grade coal is poor in combustibility and has a large amount of unburned ash, when such low grade coal is used, a method is often employed in which the ash is returned to the boiler and reburned. However, in this method, the above-mentioned catalytic poison material scattered in the boiler is deposited in fly ash as the exhaust gas temperature decreases, and the ash is returned to the boiler and recycled to be re-scattered in the exhaust gas. . Therefore, there is a problem that the concentration of the catalyst poison substance in the exhaust gas becomes higher than the value predicted from the original content in the fuel, and the deterioration of the catalyst is more likely to proceed.

排ガスに含まれる揮発性の金属化合物、特にセレン,テルル,タリウム,ヒ素などの酸化物の被毒による触媒の劣化を防止するために、平均細孔径が8Å以下でシリカ/アルミナ比が10以上のゼオライトと、酸化チタンを混合し、さらに銅,モリブデン,タングステン,バナジウム,鉄から選ばれる1種以上の元素を酸化チタンの部分に比べ、ゼオライトの部分に高濃度で存在させた触媒を用いることが知られている(例えば、特許文献1参照)。また、排ガス中に含まれるヒ素化合物により脱硝触媒が被毒されるのを防止するために、細孔径が3.6〜5.8Åである担体に活性成分を担持した触媒とすることが知られている(例えば、特許文献2参照)。   In order to prevent deterioration of the catalyst due to poisoning of volatile metal compounds contained in the exhaust gas, particularly oxides such as selenium, tellurium, thallium and arsenic, the average pore diameter is 8 mm or less and the silica / alumina ratio is 10 or more. It is possible to use a catalyst in which zeolite and titanium oxide are mixed and at least one element selected from copper, molybdenum, tungsten, vanadium, and iron is present at a higher concentration in the zeolite portion than in the titanium oxide portion. It is known (see, for example, Patent Document 1). Further, in order to prevent the NOx removal catalyst from being poisoned by the arsenic compound contained in the exhaust gas, it is known to use a catalyst having an active component supported on a carrier having a pore diameter of 3.6 to 5.8 mm. (For example, refer to Patent Document 2).

特開昭63−12350号公報(特許請求の範囲)JP 63-12350 A (Claims) 特開昭63−51948号公報(特許請求の範囲)JP 63-51948 A (Claims)

最近では、燃料にPを含有する石炭も使用されるようになった。この場合、石炭燃焼排ガスにリン化合物が含まれるので、リン化合物による触媒の被毒防止が必要になる。特許文献1及び2は、リン化合物による触媒の被毒防止については考慮されていない。   Recently, coal containing P as a fuel has come to be used. In this case, since the phosphorus compound is contained in the coal combustion exhaust gas, it is necessary to prevent poisoning of the catalyst by the phosphorus compound. Patent Documents 1 and 2 do not consider the prevention of catalyst poisoning by phosphorus compounds.

また、ボイラの窒素酸化物排出規制の強化にともない、空燃比調整によってボイラでの窒素酸化物の生成を低減する試みが行われている。この場合、ボイラの燃焼温度が増加するので、排ガス中のリン化合物濃度は従来よりも増加することが予測される。   Further, with the tightening of nitrogen oxide emission regulations in boilers, attempts have been made to reduce the generation of nitrogen oxides in the boiler by adjusting the air-fuel ratio. In this case, since the combustion temperature of the boiler increases, it is predicted that the phosphorus compound concentration in the exhaust gas will increase more than before.

本発明の目的は、排ガス中に含まれるリン化合物による触媒の被毒を防止できる、耐久性の優れた窒素酸化物浄化触媒および窒素酸化物除去方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a nitrogen oxide purification catalyst and a nitrogen oxide removal method having excellent durability, which can prevent poisoning of the catalyst by a phosphorus compound contained in exhaust gas.

本発明者は上記課題を解決する排ガス浄化触媒及び排ガス浄化方法について鋭意検討した結果、排ガスが窒素酸化物浄化触媒に接触する前に排ガス中のリン化合物除去する排ガス浄化方法が好ましいことを見出した。そして、細孔径が制御されたナノ多孔体と、ナノ多孔体の細孔内部にリン化合物をトラップするための酸化物が担持された、トラップ材と窒素酸化物を除去するための活性成分を有する窒素酸化物浄化触媒を組み合わせた排ガス浄化触媒を見出した。   As a result of intensive studies on the exhaust gas purification catalyst and the exhaust gas purification method for solving the above problems, the present inventors have found that an exhaust gas purification method for removing phosphorus compounds in the exhaust gas before the exhaust gas contacts the nitrogen oxide purification catalyst has been found preferable. . And it has the active ingredient for removing the trap material and the nitrogen oxide in which the oxide for trapping the phosphorus compound was supported inside the nanoporous body with the pore diameter controlled and the pore of the nanoporous body An exhaust gas purification catalyst combined with a nitrogen oxide purification catalyst was found.

本発明は、窒素酸化物及びリン化合物を含有する排ガスのリン化合物をトラップするトラップ材と窒素酸化物浄化触媒を組み合わせた排ガス浄化触媒であって、トラップ材はメソ多孔体の内部に酸化物が担持されており、メソ多孔体は窒素吸着温線測定法により計測される総細孔容積に対して5〜10nmの細孔容積の合計が50%以上であり、かつ酸化物は等電点が3より大きい、ことを特徴とする。   The present invention relates to an exhaust gas purification catalyst that combines a nitrogen oxide purification catalyst and a trap material that traps a phosphorus compound in an exhaust gas containing nitrogen oxides and a phosphorus compound, and the trap material contains an oxide inside the mesoporous material. The mesoporous material has a total pore volume of 5 to 10 nm with respect to the total pore volume measured by the nitrogen adsorption thermometer method, and the oxide has an isoelectric point. It is characterized by being greater than 3.

金属酸化物の等電点が3より大きいことにより、リン化合物はメソ多孔体の細孔内部より入口付近にトラップされる。さらに、メソ多孔体の細孔径が5nmより大きいことにより、トラップされたリン化合物が原因による細孔閉塞を免れることができる。即ち、リン化合物によりインク壺型の細孔(図1)が形成される。   When the isoelectric point of the metal oxide is larger than 3, the phosphorus compound is trapped near the inlet from the inside of the pores of the mesoporous material. Furthermore, when the pore diameter of the mesoporous material is larger than 5 nm, pore clogging caused by the trapped phosphorus compound can be avoided. That is, ink-well pores (FIG. 1) are formed by the phosphorus compound.

従って、リン化合物のメソ多孔体内部への拡散が防止され、かつ排ガス中の窒素酸化物はメソ多孔体内部へ拡散できる。   Therefore, diffusion of the phosphorus compound into the mesoporous material is prevented, and nitrogen oxides in the exhaust gas can diffuse into the mesoporous material.

以上のことから、トラップ材の細孔内部に窒素酸化物浄化触媒成分が含まれている場合(図2)、リン化合物による窒素酸化物浄化触媒成分の被毒を回避しつつ、高い窒素酸化物浄化性能を維持することが可能である。   From the above, when a nitrogen oxide purification catalyst component is contained inside the pores of the trap material (FIG. 2), high nitrogen oxide while avoiding poisoning of the nitrogen oxide purification catalyst component by the phosphorus compound It is possible to maintain the purification performance.

また、排ガス浄化触媒の構造として、排ガスがトラップ材,窒素酸化物浄化触媒の順に接触することが好ましい。   Further, as the structure of the exhaust gas purification catalyst, it is preferable that the exhaust gas contacts the trap material and the nitrogen oxide purification catalyst in this order.

例えば、窒素酸化物浄化触媒の上層にトラップ材を配置させた2層構造とする。また、
トラップ材を窒素酸化物浄化触媒粒子の外部に配置させた2重構造(図3)とする。さらに、窒素酸化物の上流側にトラップ材を配置した2段配置構造とする。
For example, a two-layer structure in which a trap material is disposed on the upper layer of the nitrogen oxide purification catalyst. Also,
A double structure (FIG. 3) in which the trap material is disposed outside the nitrogen oxide purification catalyst particles. Further, a two-stage arrangement structure in which a trap material is arranged on the upstream side of the nitrogen oxide is adopted.

いずれの構造においても、排ガス中のリン化合物はトラップ材にてトラップされ、窒素酸化物はナノ多孔体の細孔を通過して窒素酸化物浄化触媒に到達する。なお、トラップ材のナノ多孔体の細孔がリン化合物をトラップして閉塞されると、2層構造及び2重構造内部の窒素酸化物浄化触媒と、2段配置構造後流の窒素酸化物浄化触媒への窒素酸化物の到達が著しく抑制されるため好ましくない。   In any structure, the phosphorus compound in the exhaust gas is trapped by the trap material, and the nitrogen oxide passes through the pores of the nanoporous body and reaches the nitrogen oxide purification catalyst. In addition, when the pores of the nanoporous body of the trap material are blocked by trapping the phosphorus compound, the nitrogen oxide purification catalyst in the two-layer structure and the double structure and the nitrogen oxide purification downstream of the two-stage arrangement structure Since the arrival of nitrogen oxides to the catalyst is remarkably suppressed, it is not preferable.

なお、一般的にゼオライトの場合、細孔径は1nm未満であり、比表面積は300〜600m2/gであるのに対し、メソ多孔体の場合には、2〜50nmの細孔径を有しており、また比表面積は数百〜1000m2/gであることから、ゼオライトに代る新材料として期待されていると、報告されている((社)日本セラミックス協会編集,環境調和型材料シリーズ 触媒材料,日刊工業新聞社発行、(2007)p188−200)。 In general, in the case of zeolite, the pore diameter is less than 1 nm and the specific surface area is 300 to 600 m 2 / g, whereas in the case of mesoporous material, the pore diameter is 2 to 50 nm. In addition, since the specific surface area is several hundred to 1000 m 2 / g, it is reported that it is expected as a new material to replace zeolite (edited by the Ceramic Society of Japan, environmentally friendly material series catalyst) Materials, published by Nikkan Kogyo Shimbun, (2007) p188-200).

窒素吸着等温線法による総細孔容積は以下の方法で得る。   The total pore volume by the nitrogen adsorption isotherm method is obtained by the following method.

液体窒素温度における窒素の吸着等温線を測定し、BJH(Barrett, Joyner, Halenda)法を適用して細孔分布を得る。この細孔分布は細孔径に対する細孔容積をプロットしたものである。次に、2〜50nmの細孔径範囲における細孔容積の総量と5〜10nmの細孔径範囲における細孔容積の総量を各々算出する。   The adsorption isotherm of nitrogen at liquid nitrogen temperature is measured, and the pore distribution is obtained by applying the BJH (Barrett, Joyner, Halenda) method. This pore distribution is a plot of pore volume against pore diameter. Next, the total amount of pore volume in the pore diameter range of 2 to 50 nm and the total amount of pore volume in the pore diameter range of 5 to 10 nm are respectively calculated.

本発明におけるナノ多孔体の場合、5〜10nmの細孔径範囲における細孔容積の総量の割合は2〜50nmの総細孔容積に対して50%以上であることが好ましい。一方、5〜10nmの細孔径範囲における細孔容積の総量の割合が2〜10nmの総細孔容積に対して50%未満となると、リン化合物をトラップした時に細孔閉塞が顕著となり好ましくない。   In the case of the nanoporous material in the present invention, the ratio of the total pore volume in the pore diameter range of 5 to 10 nm is preferably 50% or more with respect to the total pore volume of 2 to 50 nm. On the other hand, if the ratio of the total amount of pore volume in the pore diameter range of 5 to 10 nm is less than 50% with respect to the total pore volume of 2 to 10 nm, pore clogging becomes remarkable when the phosphorus compound is trapped, which is not preferable.

特に、7〜10nmの細孔径範囲における細孔容積の総量の割合は2〜10nmの総細孔容積に対して50%以上であることが好適である。   In particular, the ratio of the total pore volume in the pore diameter range of 7 to 10 nm is preferably 50% or more with respect to the total pore volume of 2 to 10 nm.

メソ多孔体の内部には等電点が3より大きい酸化物が含有されている。等電点には、触媒の辞典(小野嘉夫,御薗生誠,諸岡良彦編集、朝倉書店(2000)p411−412)において、下記のように定義されている。   An oxide having an isoelectric point larger than 3 is contained inside the mesoporous material. The isoelectric point is defined as follows in the dictionary of catalysts (Yoshio Ono, Makoto Mitake, Yoshihiko Morooka, Asakura Shoten (2000) p411-412).

金属酸化物と「水との接触に伴う水和反応によって、金属酸化物の表面は水酸化される。pHが低い領域では、プロトンにより金属酸化物表面は正に帯電する。一方、pHが高い領域では、金属酸化物表面の水酸基が脱プロトン化されることで、表面は負に帯電する。この固体表面の帯電が0となるpHを等電点という。(中略)等電点は金属酸化物の種類によって大きく異なる。」
また、等電点の測定法として電気泳動法がある。即ち、水溶液中の金属酸化物の移動速度を種々のpHにおいて測定し、移動速度が0となるときのpHを求めることで等電点が得られる。
The surface of the metal oxide is hydroxylated by the hydration reaction accompanying the contact between the metal oxide and water. In the region where the pH is low, the surface of the metal oxide is positively charged by protons. On the other hand, the pH is high In the region, the surface of the metal oxide surface is negatively charged by deprotonation, and the pH at which this solid surface charge becomes 0 is called the isoelectric point. It varies greatly depending on the type of object. "
Further, there is an electrophoresis method as a method for measuring the isoelectric point. That is, the isoelectric point can be obtained by measuring the moving speed of the metal oxide in the aqueous solution at various pH values and determining the pH when the moving speed becomes zero.

排ガス中のリン化合物は、等電点が1付近のリン酸として存在していると考えられている。   It is considered that the phosphorus compound in the exhaust gas exists as phosphoric acid having an isoelectric point near 1.

従って、メソ多孔体の内部に含有する酸化物の等電点が3以下の場合には、リン化合物と金属酸化物との等電点の差が小さいため、リン化合物はメソ孔担体の内部に拡散すると考えられる。   Accordingly, when the isoelectric point of the oxide contained inside the mesoporous material is 3 or less, the difference in isoelectric point between the phosphorus compound and the metal oxide is small, so that the phosphorus compound is inside the mesopore carrier. It is thought to spread.

一方、メソ多孔体の内部に含有する酸化物の等電点が3より大きくなると、リン化合物は酸化物に吸着されやすくなり、リン化合物はメソ孔担体の入り口付近にトラップされやすくなると考えられる。   On the other hand, when the isoelectric point of the oxide contained in the mesoporous material is larger than 3, the phosphorus compound is likely to be adsorbed by the oxide, and the phosphorus compound is likely to be trapped near the entrance of the mesopore carrier.

等電点が3より大きい金属酸化物として、U,Mn,Sn,Ti,Fe,Zr,Ce,Al,Y,Zn,La,Mgから選ばれる少なくとも一つを有する金属酸化物がある。   As a metal oxide having an isoelectric point larger than 3, there is a metal oxide having at least one selected from U, Mn, Sn, Ti, Fe, Zr, Ce, Al, Y, Zn, La, and Mg.

例えば、触媒の辞典(小野嘉夫,御薗生誠,諸岡良彦編集、朝倉書店(2000)p411−412)では、UO2:4.7〜6.7(等電点),ZrO2:4〜11,α−Al23:9.1〜9.5,γ−Al23:7.4〜8.6,ZnO:8.2〜9.7,MgO:12.4、と記載されている。さらに、化学総説 No.34 触媒設計(学会出版センター、昭和57年、p33)において、MnO2:3.9〜4.5,SnO2:5.5,TiO2:4.7〜6.7,γ−Fe23:6.5〜6.9,CeO2:6.75,Cr23:6.5〜7.5,Y23:8.9,La23:10.4、と記載されている。 For example, in the dictionary of catalysts (Yoshio Ono, Makoto Mitake, Yoshihiko Morooka, Asakura Shoten (2000) p411-412), UO 2 : 4.7 to 6.7 (isoelectric point), ZrO 2 : 4 to 11 , Α-Al 2 O 3 : 9.1 to 9.5, γ-Al 2 O 3 : 7.4 to 8.6, ZnO: 8.2 to 9.7, MgO: 12.4 ing. Furthermore, in a chemical review No. 34 catalyst design (Academic Publishing Center, 1987, p33), MnO 2 : 3.9 to 4.5, SnO 2 : 5.5, TiO 2 : 4.7 to 6.7 , Γ-Fe 2 O 3 : 6.5 to 6.9, CeO 2 : 6.75, Cr 2 O 3 : 6.5 to 7.5, Y 2 O 3 : 8.9, La 2 O 3 : 10.4.

なお、等電点が3以下の金属酸化物として、WO3:0.5以下,SiO2:1.0,Sb25:0.4以下、などがある。 Examples of the metal oxide having an isoelectric point of 3 or less include WO 3 : 0.5 or less, SiO 2 : 1.0, Sb 2 O 5 : 0.4 or less.

本発明のメソ多孔体としては、メソポーラスシリカ,メソポーラスチタニア,メソポーラスアルミナ,リン酸アルミニウムなどがある。また、メソポーラスシリカやメソポーラスチタニアなどの一部をAl,チタン,Siなどで置換したメソ多孔体がある。これらのメソ多孔体は、界面活性剤などの鋳型を用いて合成することにより、規則的な細孔が形成され、細孔制御された材料となる。そこで、合成方法を調整することにより、細孔径を制御できる。   Examples of the mesoporous material of the present invention include mesoporous silica, mesoporous titania, mesoporous alumina, and aluminum phosphate. Further, there is a mesoporous material in which a part of mesoporous silica, mesoporous titania or the like is substituted with Al, titanium, Si or the like. By synthesizing these mesoporous materials using a template such as a surfactant, regular pores are formed and the pores are controlled. Therefore, the pore diameter can be controlled by adjusting the synthesis method.

さらに、鋳型を取り除いた後のメソ多孔体は、二次元形状を有する細孔,三次元形状を有する細孔を有している。   Furthermore, the mesoporous material after removing the template has pores having a two-dimensional shape and pores having a three-dimensional shape.

即ち、長い筒が並んだような二次元貫通孔を有するメソポーラスシリカ、X,Y,Z方向に開口した三次元の貫通孔を有するメソポーラスシリカがある。例えば、二次元六方構造のMCM−41,SBA−15,FMS−16,立方構造のMCM−48,SBA−1,ラメラ構造のMCM−50などがある。   That is, there are mesoporous silica having a two-dimensional through-hole in which long cylinders are arranged, and mesoporous silica having a three-dimensional through-hole opened in the X, Y, and Z directions. For example, there are two-dimensional hexagonal MCM-41, SBA-15, FMS-16, cubic MCM-48, SBA-1, and lamellar MCM-50.

活性成分は、窒素酸化物を還元する作用を奏するものであり、窒素酸化物浄化反応に応じて適宜選択することができる。   The active ingredient has an effect of reducing nitrogen oxides and can be appropriately selected according to the nitrogen oxide purification reaction.

本発明の窒素酸化物浄化触媒は、ボイラ等より排出される排ガスの窒素酸化物を除去する脱硝装置に用いることができる。窒素酸化物浄化触媒は、適宜基材等にコートし、触媒プレートとして使用することが可能である。脱硝装置には必要に応じて窒素酸化物浄化触媒に還元剤を供給する。   The nitrogen oxide purification catalyst of the present invention can be used in a denitration apparatus that removes nitrogen oxides in exhaust gas discharged from a boiler or the like. The nitrogen oxide purification catalyst can be appropriately coated on a substrate or the like and used as a catalyst plate. In the denitration apparatus, a reducing agent is supplied to the nitrogen oxide purification catalyst as necessary.

窒素酸化物浄化触媒成分として、チタンとバナジウムを用いると、アンモニア脱硝反応を生じさせることにより高い活性を有する。チタンの含有量は、酸化物(TiO2)で換算して、活性成分全体のうち18.0から60.0wt%であることが望ましい。TiO2はアンモニア脱硝反応活性を有するがバナジウムを分散させる担体の役目も有する。TiO2担時量が18wt%より少ないと、メソ多孔体の細孔内部や表面をTiO2で十分覆うことができず、バナジウムがTiO2上に分散できなくなり、窒素酸化物除去性能が悪くなる。TiO2担時量が60.0wt%より多くなると、TiO2がメソ多孔体の細孔を閉塞するなどして、制御された細孔径を有する担体材料が有効に作用しなくなる。また、バナジウムの含有量は、酸化物(V25)で換算して、1.0から17wt%であることが望ましい。バナジウムの含有量は、V25換算で1.0から12wt%が好適である。V25担時量が1%より少ないと、活性成分の量が少なく窒素酸化物除去性能が不十分である。V25担時量が17wt%より多くなると、バナジウム酸化物粒子が大きくなり、分散性が悪くなり、窒素酸化物浄化性能が悪くなる。また、V25担時量が17wt%より十分多くなると、V25によりメソ多孔体の細孔が閉塞されるなどして、制御された細孔径を有する担体材料として有効に作用しなくなる。 When titanium and vanadium are used as the nitrogen oxide purification catalyst component, it has high activity by causing ammonia denitration reaction. The content of titanium is preferably 18.0 to 60.0 wt% of the entire active ingredient in terms of oxide (TiO 2 ). TiO 2 has ammonia denitration reaction activity, but also serves as a carrier for dispersing vanadium. If the amount of TiO 2 is less than 18 wt%, the inside and surface of the mesoporous material cannot be sufficiently covered with TiO 2 , and vanadium cannot be dispersed on TiO 2, resulting in poor nitrogen oxide removal performance. . When the amount of TiO 2 loaded is more than 60.0 wt%, the support material having a controlled pore diameter does not work effectively because TiO 2 closes the pores of the mesoporous material. The vanadium content is preferably 1.0 to 17 wt% in terms of oxide (V 2 O 5 ). The vanadium content is preferably 1.0 to 12 wt% in terms of V 2 O 5 . When the amount of V 2 O 5 is less than 1%, the amount of the active ingredient is small and the nitrogen oxide removal performance is insufficient. When the amount of V 2 O 5 is more than 17 wt%, the vanadium oxide particles become large, the dispersibility is deteriorated, and the nitrogen oxide purification performance is deteriorated. Further, when the amount of V 2 O 5 loaded is sufficiently larger than 17 wt%, the pores of the mesoporous material are blocked by V 2 O 5, so that it effectively acts as a carrier material having a controlled pore diameter. Disappear.

チタンとバナジウムの含有量の比率は、酸化物に換算した場合の重量比V25/TiO2で、0.07から0.60であることが望ましい。特に0.18から0.45が最適である。V25/TiO2が0.1より少ない場合は、即ちV25の含有量が非常に少なく、活性成分の量が少ないため窒素酸化物浄化性能が不十分である。V25/TiO2が0.6より大きい場合は、即ちTiO2に対しV25の含有量が非常に多いため、バナジウム酸化物粒子が大きくなり、分散性が悪くなり、窒素酸化物浄化性能が悪くなる。活性成分に含まれるバナジウムは、電荷が4価と5価のものの混合物であり、4価と5価のモル比V4+/V5+が0.5から0.7であることが望ましい。バナジウムの価数は4価と5価の両者が並存することが好ましく、さらに多少5価のバナジウムが多い方が触媒活性が高いためである。NH3を還元剤として用いた窒素酸化物浄化反応においては、NH3が4価のバナジウム上のOH基に吸着することが知られており、V4+/V5+が0.5から0.7の範囲にあるとき窒素酸化物浄化触媒として、有効に作用する。 The content ratio of titanium and vanadium is preferably 0.07 to 0.60 in terms of a weight ratio V 2 O 5 / TiO 2 in terms of oxide. In particular, 0.18 to 0.45 is optimal. When V 2 O 5 / TiO 2 is less than 0.1, that is, the content of V 2 O 5 is very small, and the amount of active ingredient is small, so that the nitrogen oxide purification performance is insufficient. When V 2 O 5 / TiO 2 is larger than 0.6, that is, since the content of V 2 O 5 is very large relative to TiO 2 , the vanadium oxide particles become large, dispersibility becomes poor, and nitrogen oxidation occurs. The product purification performance will deteriorate. Vanadium contained in the active ingredient is a mixture of tetravalent and pentavalent charges, and the molar ratio V 4+ / V 5+ of the tetravalent and pentavalent is preferably 0.5 to 0.7. The valence of vanadium is preferably such that both tetravalent and pentavalent coexist, and the more the pentavalent vanadium, the higher the catalytic activity. In the nitrogen oxide purification reaction using NH 3 as a reducing agent, it is known that NH 3 is adsorbed to OH groups on tetravalent vanadium, and V 4+ / V 5+ ranges from 0.5 to 0. When it is in the range of 0.7, it effectively acts as a nitrogen oxide purification catalyst.

バナジウムと同様に窒素酸化物浄化活性のある活性成分としては、モリブデン,タングステン,鉄,マンガン等の金属が挙げられる。また、これらをチタンとバナジウムの触媒活性成分にさらに追加の活性成分として加えてもよい。   As in the case of vanadium, examples of active ingredients having nitrogen oxide purification activity include metals such as molybdenum, tungsten, iron, and manganese. Further, these may be added as additional active components to the catalytic active components of titanium and vanadium.

本発明を機関からの排ガス浄化装置に適用した実施の形態例として以下がある。   Examples of embodiments in which the present invention is applied to an exhaust gas purification apparatus from an engine include the following.

石炭を燃料とする発電所の場合、ボイラからの排ガスには、窒素酸化物,硫黄酸化物,粉塵などが含まれている。ボイラからの排ガス中に共存する窒素酸化物を浄化した後、硫黄酸化物と粉塵除去を実施して、排ガス中の窒素酸化物,硫黄酸化物及び粉塵などを極力除外した後、大気に排出される。石炭燃焼排ガスにリン化合物や砒素化合物が含まれるので、リン化合物及び砒素化合物による触媒の被毒防止が必要になる。   In the case of a power plant that uses coal as fuel, exhaust gas from the boiler contains nitrogen oxides, sulfur oxides, dust, and the like. After purifying nitrogen oxides coexisting in the exhaust gas from the boiler, sulfur oxides and dust are removed, and nitrogen oxides, sulfur oxides and dusts in the exhaust gas are excluded as much as possible and then discharged to the atmosphere. The Since phosphorus combustion compounds and arsenic compounds are contained in coal combustion exhaust gas, it is necessary to prevent poisoning of the catalyst by phosphorus compounds and arsenic compounds.

以上のことから、本発明の排ガス浄化触媒を窒素酸化物浄化として用いた機関からの排ガス浄化装置が有効である。   From the above, an exhaust gas purification apparatus from an engine using the exhaust gas purification catalyst of the present invention as nitrogen oxide purification is effective.

上記構成によれば、リン化合物による窒素酸化物浄化触媒成分の被毒を防止し、耐久性に優れた排ガス浄化触媒を提供できる。   According to the said structure, the poisoning of the nitrogen oxide purification catalyst component by a phosphorus compound can be prevented, and the exhaust gas purification catalyst excellent in durability can be provided.

上記本願発明について、さらに詳細を説明する。ボイラ等より排出される排ガス中の窒素酸化物を除去するため、ボイラの後段の排気流路には脱硝装置が設けられる。なお、通常、ボイラと脱硝装置の間の流路には、熱交換器等の他の機器が設けられている。脱硝装置には、窒素酸化物を除去するための排ガス浄化触媒が配置されている。   The details of the present invention will be described. In order to remove nitrogen oxides in the exhaust gas discharged from the boiler or the like, a denitration device is provided in the exhaust passage at the rear stage of the boiler. Normally, other equipment such as a heat exchanger is provided in the flow path between the boiler and the denitration apparatus. An exhaust gas purification catalyst for removing nitrogen oxides is disposed in the denitration apparatus.

排ガス浄化触媒は、そのまま、あるいはTiO2,SiO2,Al23などの結合剤や水を添加した後、成型する。成型物の形状は、粒状,ペレット状,ハニカム,板状など、適用する反応器やガス流通条件により任意に選定することができる。成型物は、100℃以上で乾燥後、更に不活性ガスあるいは空気雰囲気下、800℃未満好ましくは300℃〜700℃の範囲で、1時間ないし10時間焼成すると、強度を向上することができる。 The exhaust gas purification catalyst is molded as it is or after a binder such as TiO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 or water is added. The shape of the molded product can be arbitrarily selected depending on the applied reactor and gas flow conditions, such as granular, pellet, honeycomb, and plate. When the molded product is dried at 100 ° C. or higher and then fired in an inert gas or air atmosphere at less than 800 ° C., preferably in the range of 300 ° C. to 700 ° C. for 1 hour to 10 hours, the strength can be improved.

例えば、板状の場合には、排ガス浄化触媒を付着させた板状の触媒プレートを枠部材に多数枚固定した触媒ユニットを複数個設け、メンテナンスが容易となるよう工夫されている。   For example, in the case of a plate shape, a plurality of catalyst units each having a plate-like catalyst plate to which an exhaust gas purification catalyst is attached fixed to a frame member are provided, so that maintenance is facilitated.

以下、本発明について実施例により説明する。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples.

本発明の排ガス浄化触媒は、単独で使用することもできるが、他の窒素酸化物浄化触媒と組み合わせて使用することもできる。ハニカム触媒や板状触媒において、従来の窒素酸化物浄化触媒の上層に本発明の排ガス浄化触媒からなる触媒層を形成し、反応ガスが従来触媒よりも先に本発明の排ガス浄化触媒層と接触する構成とする。それによって、従来の触媒成分単独から構成される触媒よりも、劣化を軽減し、長寿命化が可能である。   The exhaust gas purification catalyst of the present invention can be used alone or in combination with other nitrogen oxide purification catalysts. In a honeycomb catalyst or a plate catalyst, a catalyst layer made of the exhaust gas purification catalyst of the present invention is formed on an upper layer of a conventional nitrogen oxide purification catalyst, and the reaction gas contacts the exhaust gas purification catalyst layer of the present invention prior to the conventional catalyst. The configuration is as follows. Thereby, the deterioration can be reduced and the life can be extended as compared with the conventional catalyst composed of the catalyst component alone.

排ガス浄化触媒を使用して排ガス中の窒素酸化物(NOx)を除去するには、窒素酸化物を含有する排ガスと還元剤であるアンモニアガスの混合ガスを300℃以上の温度で流通して排ガス浄化触媒に接触させればよい。還元剤としてアンモニア以外の化合物、例えば分解してアンモニアを発生する尿素などの物質あるいは炭化水素,一酸化炭素(CO)などを流通しても良い。   In order to remove nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas using the exhaust gas purification catalyst, a mixed gas of exhaust gas containing nitrogen oxides and ammonia gas as a reducing agent is circulated at a temperature of 300 ° C. or more to exhaust gas. What is necessary is just to contact with a purification catalyst. As the reducing agent, a compound other than ammonia, for example, a substance such as urea that decomposes to generate ammonia, a hydrocarbon, carbon monoxide (CO), or the like may be circulated.

本発明の排ガス浄化触媒は、排ガス中の触媒毒であるリン化合物によって劣化しにくく、長時間高い活性を維持する。本発明の排ガス浄化触媒がリン化合物に対して劣化しにくい理由は、細孔が制御されたメソ多孔体の細孔入口付近にリン化合物をインク壺型にトラップすることにより、細孔内部の窒素酸化物浄化成分のリン被毒が防止されるためである。   The exhaust gas purification catalyst of the present invention is hardly deteriorated by a phosphorus compound which is a catalyst poison in exhaust gas, and maintains high activity for a long time. The reason why the exhaust gas purifying catalyst of the present invention is not easily deteriorated with respect to the phosphorus compound is that the phosphorus compound is trapped in the vicinity of the pores of the mesoporous material whose pores are controlled, and the nitrogen inside the pores is trapped. This is because phosphorus poisoning of the oxide purification component is prevented.

排ガス中に含まれるリン化合物による触媒の劣化の詳細なメカニズムは不明であるが、リン化合物が触媒反応の活性点である窒素酸化物浄化成分に吸着する、または吸着後に化合物を形成するなどにより、反応物質である窒素酸化物,アンモニア,酸素などとの反応が阻害されて、活性が低下するものと考えられる。従って、劣化を抑制するには、窒素酸化物浄化触媒成分は反応物質と接触できるが、触媒毒物質であるリン化合物と接触できない構造にすればよい。   The detailed mechanism of catalyst deterioration due to the phosphorus compound contained in the exhaust gas is unknown, but the phosphorus compound adsorbs to the nitrogen oxide purification component that is the active point of the catalytic reaction, or forms a compound after adsorption, etc. It is thought that the reaction with nitrogen oxides, ammonia, oxygen, etc., which are reactants, is hindered and the activity decreases. Therefore, in order to suppress the deterioration, the nitrogen oxide purification catalyst component can be brought into contact with the reactant, but may be structured so as not to come into contact with the phosphorus compound which is a catalyst poison.

燃焼排ガス中のリン化合物の具体的な形態と触媒上で付着したときの化合物形態は、酸化物,有機化合物,リン酸,リン酸塩,金属との化合物など様々な形態が考えられる。もっとも代表的なのは酸化物(P25)で、P25は2分子のP410の形態で存在する。 Various forms such as oxides, organic compounds, phosphoric acid, phosphates, and compounds with metals can be considered as specific forms of the phosphorus compounds in the combustion exhaust gas and when they are deposited on the catalyst. Most representative is an oxide (P 2 O 5 ), and P 2 O 5 exists in the form of two molecules of P 4 O 10 .

金属酸化物を含有させたメソ多孔体において、金属酸化物の等電点が3以下の場合、リン酸化物は金属酸化物へトラップされ難くなり、メソ多孔体の内部まで拡散する。一方、金属酸化物の等電点が3より大きくなると、リン酸化物は金属酸化物へトラップされやすくなり、メソ多孔体の内部への拡散が防止される。   In a mesoporous material containing a metal oxide, when the isoelectric point of the metal oxide is 3 or less, the phosphorus oxide is less likely to be trapped in the metal oxide and diffuses to the inside of the mesoporous material. On the other hand, when the isoelectric point of the metal oxide is larger than 3, the phosphorus oxide is easily trapped in the metal oxide, and diffusion into the mesoporous material is prevented.

ただし、メソ多孔体の細孔径が5nm以下の場合には、トラップされたリン化合物により細孔閉塞を招く。一方、細孔径が5nmより大きくなると、リン化合物による細孔閉塞が免れることが判った。   However, when the pore size of the mesoporous material is 5 nm or less, pore trapping is caused by the trapped phosphorus compound. On the other hand, it was found that when the pore diameter was larger than 5 nm, pore clogging by the phosphorus compound was avoided.

以上のことから、金属酸化物を含有するメソ多孔体において、メソ多孔体は窒素吸着等温線法により計測される総細孔容積において5〜10nmの細孔容積の合計が50%以上であり、かつ金属酸化物の等電点は3より大きくすることで、窒素酸化物浄化触媒成分の被毒劣化が防止可能となる。   From the above, in the mesoporous material containing a metal oxide, the mesoporous material has a total pore volume of 5 to 10 nm in a total pore volume measured by a nitrogen adsorption isotherm method of 50% or more, In addition, by making the isoelectric point of the metal oxide greater than 3, it is possible to prevent poisoning deterioration of the nitrogen oxide purification catalyst component.

なお、本発明は、リン化合物による触媒劣化抑制に効果があるが、リン化合物と共に揮発性の金属化合物、例えばセレン,テルル,タリウム,ヒ素などの酸化物を含有している排ガスの処理にも適用可能である。   The present invention is effective in suppressing catalyst deterioration by a phosphorus compound, but is also applicable to treatment of exhaust gas containing a volatile metal compound such as selenium, tellurium, thallium, and arsenic together with a phosphorus compound. Is possible.

上記の触媒の実施例触媒1〜4と、比較例触媒1〜6を調製した。   Example catalysts 1 to 4 of the above catalyst and Comparative catalysts 1 to 6 were prepared.

(実施例触媒1)
メソ多孔体として、シリカで構成されるメソポーラスシリカを用いた。このメソポーラスシリカに金属酸化物と窒素酸化物浄化成分を担持する方法として、細孔内部に活性成分を導入できる担持法であるTMP(Thermolytic Molecular Precursor)法を用いた。TMP法は、担持する金属元素を含む金属アルコキシドとメソポーラスシリカの表面水酸基を反応させて前駆体を形成するため、細孔内に確実に活性成分が担持される有効な方法である。
(Example catalyst 1)
As the mesoporous material, mesoporous silica composed of silica was used. As a method for supporting the metal oxide and nitrogen oxide purification component on the mesoporous silica, a TMP (Thermolytic Molecular Precursor) method, which is a support method capable of introducing an active component into the pores, was used. The TMP method is an effective method in which an active component is reliably supported in pores because a precursor is formed by reacting a metal alkoxide containing a supported metal element with a surface hydroxyl group of mesoporous silica.

メソポーラスシリカの細孔分布は、(株)島津製作所製ASAP2010を用いて測定した。液体窒素温度における窒素ガス吸着の吸着等温線を測定し、そのデータからBJH法で触媒の有する細孔の各平均細孔径に対する微分細孔容積をもとめた。図4に測定結果を示す。   The pore distribution of mesoporous silica was measured using ASAP2010 manufactured by Shimadzu Corporation. The adsorption isotherm of nitrogen gas adsorption at liquid nitrogen temperature was measured, and the differential pore volume for each average pore diameter of the pores of the catalyst was determined by the BJH method from the data. FIG. 4 shows the measurement results.

微分細孔容積には、細孔径7nmにおいて極大値となった。また、メソポーラスシリカの細孔径5〜10nmにおける細孔容積は、総細孔容積(細孔径:2〜50nm)に対して65%であった。   The differential pore volume reached a maximum at a pore diameter of 7 nm. The pore volume of mesoporous silica at a pore diameter of 5 to 10 nm was 65% with respect to the total pore volume (pore diameter: 2 to 50 nm).

金属酸化物として等電点が3より大きなチタニアをTMP法でメソポーラスシリカに担持した。シュレンクナス型フラスコにメソポーラスシリカ(15g)を入れ、これをシュレンクラインに接続してオイルバスで180℃に加熱して5時間真空乾燥した。次に、このナス型フラスコに窒素ガスを導入し、窒素ガス流通下でテトラヒドロフラン脱水110ccとチタンテトライソプロポキシド2.98gを添加した。この混合液を、窒素ガス流通下室温で15時間攪拌した。攪拌終了後、静置して固形物を沈降させた後、上澄み液を注射器で除去した。ナス型フラスコ内に残った固形物をシュレンクラインにて室温で5時間真空乾燥した。この乾燥粉末を大気中150℃で2時間乾燥した。最後に大気中500℃で2時間焼成した。このTMP法の操作を3回繰り返した。最終的にメソポーラスシリカに対しTiO2は18wt%担持された実施例触媒1を得た。 As a metal oxide, titania having an isoelectric point greater than 3 was supported on mesoporous silica by the TMP method. Mesoporous silica (15 g) was placed in a Schlenkners flask, connected to a Schlenk line, heated to 180 ° C. in an oil bath, and vacuum dried for 5 hours. Next, nitrogen gas was introduced into the eggplant-shaped flask, and 110 cc of tetrahydrofuran dehydrated and 2.98 g of titanium tetraisopropoxide were added under a nitrogen gas flow. The mixture was stirred at room temperature for 15 hours under a nitrogen gas flow. After the stirring was completed, the solid was allowed to settle and the supernatant was removed with a syringe. The solid matter remaining in the eggplant-shaped flask was vacuum-dried at room temperature for 5 hours using a Schlenk line. This dry powder was dried in air at 150 ° C. for 2 hours. Finally, it was calcined at 500 ° C. for 2 hours in the atmosphere. This operation of the TMP method was repeated three times. Finally, Example Catalyst 1 in which 18 wt% of TiO 2 was supported on mesoporous silica was obtained.

(実施例触媒2)
実施例触媒1のTMP法の操作を4回繰り返して、メソポーラスシリカに対してTiO2を25wt%担持した実施例触媒2を得た。実施例触媒2で用いたメソポーラスシリカの細孔径5〜10nmにおける細孔容積は、実施例触媒1と同様に、総細孔容積(細孔径:2〜10nm)に対して65%であった。
(Example catalyst 2)
The operation of Example Catalyst 1 in the TMP method was repeated four times to obtain Example Catalyst 2 carrying 25 wt% of TiO 2 on mesoporous silica. The pore volume of the mesoporous silica used in Example Catalyst 2 at a pore diameter of 5 to 10 nm was 65% with respect to the total pore volume (pore diameter: 2 to 10 nm), as in Example Catalyst 1.

(実施例触媒3)
実施例触媒1に、窒素酸化物浄化触媒成分としてVを、TMP法を用いて担持した。シュレンクナス型フラスコに得られた粉末を15g入れ、これをシュレンクラインに接続してオイルバスで180℃に加熱して5時間真空乾燥した。次に、このナス型フラスコに窒素ガスを導入し、窒素ガス流通下でテトラヒドロフラン脱水110ccとバナジウムトリ−n−ブトキシドオキシド3.3gを添加した。この混合液を、窒素ガス流通下室温で15時間攪拌した。攪拌終了後、静置して固形物を沈降させた後、上澄み液を注射器で除去した。ナス型フラスコ内に残った固形物をシュレンクラインにて室温で5時間真空乾燥した。この乾燥粉末を大気中150℃で2時間乾燥した。最後に大気中500℃で2時間焼成し、実施例触媒3を得た。最終的に実施例触媒1対V25の重量比で94対6となるようにバナジウムを担持した。
(Example catalyst 3)
Example catalyst 1 was loaded with V as a nitrogen oxide purification catalyst component using the TMP method. 15 g of the obtained powder was put in a Schlenk-nas flask, connected to a Schlenk line, heated to 180 ° C. in an oil bath and vacuum dried for 5 hours. Next, nitrogen gas was introduced into the eggplant-shaped flask, and 110 cc of tetrahydrofuran dehydrated and 3.3 g of vanadium tri-n-butoxide oxide were added under a nitrogen gas flow. The mixture was stirred at room temperature for 15 hours under a nitrogen gas flow. After completion of stirring, the mixture was allowed to stand to settle the solid matter, and then the supernatant was removed with a syringe. The solid matter remaining in the eggplant-shaped flask was vacuum-dried at room temperature for 5 hours using a Schlenk line. This dry powder was dried in air at 150 ° C. for 2 hours. Finally, the catalyst was calcined in the atmosphere at 500 ° C. for 2 hours to obtain Example Catalyst 3. Finally, vanadium was supported so that the weight ratio of Example Catalyst 1 to V 2 O 5 was 94: 6.

(実施例触媒4)
実施例触媒3と同様の方法で、実施例触媒2に1対V25の重量比で94対6となるようにバナジウムを担持した。
(Example catalyst 4)
In the same manner as Example Catalyst 3, vanadium was supported on Example Catalyst 2 so that the weight ratio of 1 to V 2 O 5 was 94 to 6.

(比較例触媒1)
実施例触媒1のメソポーラスシリカを下記に変更した。メソポーラスシリカの微分細孔容積は、細孔径4nmにおいて極大値となった。また、細孔径5〜10nmにおける細孔容積は、総細孔容積(細孔径:2〜10nm)に対して28%であった。
(Comparative Example Catalyst 1)
The mesoporous silica of Example Catalyst 1 was changed to the following. The differential pore volume of mesoporous silica reached a maximum at a pore diameter of 4 nm. The pore volume at a pore diameter of 5 to 10 nm was 28% with respect to the total pore volume (pore diameter: 2 to 10 nm).

(比較例触媒2)
実施例触媒1のメソポーラスシリカを下記に変更した。メソポーラスシリカの微分細孔容積は、細孔径5nmにおいて極大値となった。また、細孔径5〜10nmにおける細孔容積は、総細孔容積(細孔径:2〜10nm)に対して48%であった。
(Comparative Example Catalyst 2)
The mesoporous silica of Example Catalyst 1 was changed to the following. The differential pore volume of mesoporous silica reached a maximum at a pore diameter of 5 nm. The pore volume at a pore diameter of 5 to 10 nm was 48% with respect to the total pore volume (pore diameter: 2 to 10 nm).

(比較例触媒3)
実施例触媒3と同様の方法で、比較例触媒1対V25の重量比で94対6となるようにバナジウムを担持した。
(Comparative Example Catalyst 3)
In the same manner as in Example Catalyst 3, vanadium was supported so that the weight ratio of Comparative Catalyst 1 to V 2 O 5 was 94: 6.

(比較例触媒4)
実施例触媒3と同様の方法で、比較例触媒2対V25の重量比で94対6となるようにバナジウムを担持した。
(Comparative catalyst 4)
In the same manner as Example Catalyst 3, vanadium was supported so that the weight ratio of Comparative Example Catalyst 2 to V 2 O 5 was 94: 6.

(比較例触媒5)
実施例触媒1で用いたメソポーラスシリカのみとした。微分細孔容積は、細孔径7nmにおいて極大値となった。また、メソポーラスシリカの細孔径5〜10nmにおける細孔容積は、総細孔容積(細孔径:2〜50nm)に対して65%であった。ただし、シリカの等電点は3より小さく、1.0〜2.5と報告されている(小野嘉夫,御薗生誠,諸岡良彦編集、朝倉書店(2000)p411−412)。
(Comparative catalyst 5)
Only mesoporous silica used in Example Catalyst 1 was used. The differential pore volume reached a maximum value at a pore diameter of 7 nm. The pore volume of mesoporous silica at a pore diameter of 5 to 10 nm was 65% with respect to the total pore volume (pore diameter: 2 to 50 nm). However, the isoelectric point of silica is reported to be smaller than 3 and 1.0 to 2.5 (Yoshio Ono, Ikusei Mitake, Yoshihiko Morooka, Asakura Shoten (2000) p411-412).

(比較例触媒6)
過酸化水素水水溶液30gにNH4VO31.54gを溶解した溶液を、TiO2粉末(ローヌ・プーラン社,G5,比表面積330m3/g)20gに含浸し、30分放置した。これを120℃で乾燥後、空気中500℃で2時間焼成し、TiO2にバナジウムを担持した比較例触媒5を得た。TiO2対V25の重量比は、95対5とした。
(Comparative Example Catalyst 6)
A solution obtained by dissolving 1.54 g of NH 4 VO 3 in 30 g of an aqueous hydrogen peroxide solution was impregnated into 20 g of TiO 2 powder (Rhône-Poulenc, G5, specific surface area 330 m 3 / g) and left for 30 minutes. This was dried at 120 ° C. and then calcined in air at 500 ° C. for 2 hours to obtain a comparative catalyst 5 in which vanadium was supported on TiO 2 . The weight ratio of TiO 2 to V 2 O 5 was 95 to 5.

TiO2粉末の微分細孔容積は、細孔径3.5nmにおいて極大値となった。また、メソポーラスシリカの細孔径5〜10nmにおける細孔容積は、総細孔容積(細孔径:2〜50nm)に対して29%であった。 The differential pore volume of the TiO 2 powder reached a maximum value at a pore diameter of 3.5 nm. The pore volume of mesoporous silica at a pore diameter of 5 to 10 nm was 29% with respect to the total pore volume (pore diameter: 2 to 50 nm).

〔実験例1〕
実施例触媒1〜4と比較例触媒1〜5の触媒について、リン化合物を含有する燃焼排ガスによるリン被毒を模擬したリン被毒処理を行い、液体窒素温度における窒素の吸着等温線測定を実施した。測定には、粉末試料を用いた。吸着等温線の測定には、(株)島津製作所製ASAP2010を用いた。
[Experimental Example 1]
About the catalyst of Example catalyst 1-4 and the catalyst of comparative example 1-5, the phosphorus poisoning process which simulated the phosphorus poisoning by the combustion exhaust gas containing a phosphorus compound was performed, and the adsorption isotherm measurement of nitrogen in liquid nitrogen temperature was implemented. did. A powder sample was used for the measurement. For the measurement of the adsorption isotherm, ASAP2010 manufactured by Shimadzu Corporation was used.

吸着等温線は窒素導入圧力(P0)に対する平衡圧力(P)の比である相対分圧(P/P0)に対する窒素吸着量をプロットしたものである。   The adsorption isotherm is a plot of the amount of nitrogen adsorbed against the relative partial pressure (P / P0), which is the ratio of the equilibrium pressure (P) to the nitrogen introduction pressure (P0).

実施例触媒1のリン被毒処理前後の吸着等温線を図5に示す。   FIG. 5 shows adsorption isotherms before and after the phosphorus poisoning treatment of Example catalyst 1.

まず、リン被毒処理前の場合、吸着操作では相対分圧が0.4までは触媒表面への窒素分子の吸着が起こり、0.4以上では多分子層吸着が起こる。相対分圧が0.7以上となると、メソ孔への毛管凝縮が起こる。シリンダー形の細孔(図6)の場合には相対分圧を下げて脱着操作を行っても、吸着操作と同等の等温線パターンとなる。   First, before phosphorus poisoning treatment, in the adsorption operation, adsorption of nitrogen molecules to the catalyst surface occurs until the relative partial pressure is 0.4, and adsorption of multimolecular layers occurs when the relative partial pressure is 0.4 or more. When the relative partial pressure is 0.7 or more, capillary condensation occurs in the mesopores. In the case of a cylindrical pore (FIG. 6), an isotherm pattern equivalent to that of the adsorption operation is obtained even when the desorption operation is performed with the relative partial pressure lowered.

一方、リン被毒処理後の場合、吸着操作時に比べて脱着操作時の吸着等温線は、相対分圧が1.0から0.5になるまで緩やかに吸着量が低下し、0.5において急激に吸着量が低下する。この吸着等温線のヒシテリシスはインク壺形の細孔(図7)に分類される。   On the other hand, in the case of phosphorus poisoning treatment, the adsorption isotherm during the desorption operation gradually decreases until the relative partial pressure decreases from 1.0 to 0.5, compared with the adsorption operation. The amount of adsorption decreases rapidly. Hysteresis of this adsorption isotherm is classified into ink cup-shaped pores (FIG. 7).

従って、実施例触媒1はリン被毒処理によりシリンダー形からインク壺形の細孔へ変化したことは明らかである。即ち、図1のように、チタニア2が担持されたメソポーラスシリカ1の入口付近にリン化合物3が担持されて細孔を狭めているモデルとなる。   Therefore, it is clear that the catalyst of Example 1 was changed from the cylinder shape to the ink tub-shaped pores by the phosphorous poisoning treatment. That is, as shown in FIG. 1, a model is obtained in which the phosphorus compound 3 is supported near the inlet of the mesoporous silica 1 on which the titania 2 is supported and the pores are narrowed.

比較例触媒2のリン被毒処理前後の吸着等温線を図8に示す。   FIG. 8 shows adsorption isotherms before and after phosphorous poisoning treatment of Comparative Example Catalyst 2.

リン被毒処理前及び処理後の吸着等温線のヒステリシスはシリンダー形となった。従って、細孔径5〜10nmにおける細孔容積が総細孔容積(細孔径:2〜10nm)に対して48%となると、リン被毒処理後の細孔はインク壺形とはならないことは明らかである。さらに、比較例触媒2のリン被毒処理前に対する処理後の細孔容積の減少量は、細孔閉塞が無い場合の理論値の8倍程度であった。   The hysteresis of the adsorption isotherm before and after the phosphorus poisoning treatment became a cylinder shape. Therefore, when the pore volume at a pore diameter of 5 to 10 nm is 48% with respect to the total pore volume (pore diameter: 2 to 10 nm), it is clear that the pores after the phosphorous poisoning treatment do not have an ink bottle shape. It is. Furthermore, the amount of decrease in the pore volume after the treatment of the comparative example catalyst 2 before the phosphorous poisoning treatment was about 8 times the theoretical value when there was no pore blockage.

以上のことから、比較例触媒2の場合には、リン化合物3によってメソ多孔体1の細孔の一部が閉塞しているモデル(図9)と判断される。   From the above, in the case of the comparative example catalyst 2, it is determined that the phosphorus compound 3 is a model (FIG. 9) in which some of the pores of the mesoporous body 1 are closed.

上記の解析法に基づいて実施例触媒1〜4と比較例触媒1〜5の触媒の解析を行った。表1に解析結果をまとめた。   Based on the above analysis method, the catalysts of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 5 were analyzed. Table 1 summarizes the analysis results.

実施例触媒1〜4はリン被毒処理によりメソ多孔体にインク壺形の細孔が形成されることが判った。   It was found that Example Catalysts 1 to 4 formed ink fountain-shaped pores in the mesoporous material by phosphorus poisoning treatment.

一方、比較例触媒1〜5ではメソ多孔体の細孔閉塞が起こることが判った。   On the other hand, it was found that the pores of the mesoporous material were clogged with Comparative Catalysts 1-5.

Figure 2010051836
Figure 2010051836

〔実験例2〕
実施例触媒3及び4と比較例触媒3,4及び6の触媒について、リン化合物を含有する燃焼排ガスによるリン被毒を模擬したリン被毒処理を行い、リン被毒処理前後の触媒の窒素酸化物除去性能を比較した。
[Experimental example 2]
The catalysts of Examples 3 and 4 and Comparative Catalysts 3, 4 and 6 were subjected to phosphorous poisoning treatment simulating phosphorous poisoning by combustion exhaust gas containing phosphorous compounds, and nitrogen oxidation of the catalyst before and after phosphorous poisoning treatment The object removal performance was compared.

触媒粉末をプレス成型後粉砕し、これを10〜20mesh(1.7mm〜870μm)に分級し、粒状触媒とした。触媒重量に対しP25換算で4wt%相当と同量のリンを含むリン酸水溶液を、粒状触媒に含浸した。室温で30分放置した後、120℃で乾燥後、350℃で2時間焼成して、リン被毒処理後の触媒を得た。 The catalyst powder was pulverized after press molding and classified into 10 to 20 mesh (1.7 mm to 870 μm) to obtain a granular catalyst. The phosphoric acid solution including phosphorus in 4 wt% corresponds the same amount in terms of P 2 O 5 with respect to catalyst weight, was impregnated with particulate catalyst. After leaving it at room temperature for 30 minutes, it was dried at 120 ° C. and then calcined at 350 ° C. for 2 hours to obtain a catalyst after phosphorus poisoning treatment.

上記のリン被毒処理前後の触媒の窒素酸化物除去性能を、常圧流通式反応装置にて、以下の条件で測定した。   The nitrogen oxide removal performance of the catalyst before and after the above phosphorus poisoning treatment was measured using a normal pressure flow type reaction apparatus under the following conditions.

1.ガス組成
NO :200ppm
NH3:240ppm
CO2:12%
2 :3%
2O:12%
2 :バランス
2.空間速度(SV):120,000h-1
3.反応温度:350℃
上記条件によるリン被毒処理前後の窒素酸化物の浄化性能を調べて、リン被毒処理による劣化率(α)を求めた。劣化率(α)は、リン被毒処理前の反応速度定数(k0)とリン被毒処理後の反応速度定数(k)との比(式(1))で定義される。
1. Gas composition
NO: 200ppm
NH 3 : 240 ppm
CO 2 : 12%
O 2 : 3%
H 2 O: 12%
N 2 : Balance 2. Space velocity (SV): 120,000 h −1
3. Reaction temperature: 350 ° C
The purification performance of nitrogen oxides before and after the phosphorus poisoning treatment under the above conditions was examined, and the deterioration rate (α) by the phosphorus poisoning treatment was obtained. The deterioration rate (α) is defined by the ratio (formula (1)) between the reaction rate constant (k 0 ) before the phosphorus poisoning treatment and the reaction rate constant (k) after the phosphorus poisoning treatment.

α=k/k0 …(1)
さらに、k/k0は、リン被毒処理前の窒素酸化物除去率(η0)とリン被毒処理後の窒素酸化物除去率(η)との比から求めることができる。式(2)に示す。
α = k / k 0 (1)
Furthermore, k / k 0 can be obtained from the ratio between the nitrogen oxide removal rate (η0) before the phosphorus poisoning treatment and the nitrogen oxide removal rate (η) after the phosphorus poisoning treatment. It shows in Formula (2).

α=k/k0=ln(1/(1−η))/ln(1/(1−η0)) …(2)
η=(入口NOx濃度−出口NOx濃度)÷入口NOx濃度
k/k0=1の場合は触媒の劣化が無いことを、k/k0の値が大きいほど劣化が少ないことを示している。
α = k / k 0 = ln (1 / (1-η)) / ln (1 / (1-η0)) (2)
When η = (inlet NOx concentration−outlet NOx concentration) ÷ inlet NOx concentration k / k 0 = 1, it indicates that there is no deterioration of the catalyst, and a larger value of k / k 0 indicates that there is less deterioration.

表2に測定結果を示す。リン処理後にインク壺形細孔となる実施例触媒3及び4の場合、k/k0=1となり、劣化が無いことが明らかである。一方、細孔閉塞が起こる比較例触媒3,4及び6の場合、劣化が起こることは明らかである。 Table 2 shows the measurement results. In the case of Example Catalysts 3 and 4 that become ink fountain-shaped pores after phosphorus treatment, k / k 0 = 1 and it is clear that there is no deterioration. On the other hand, it is clear that deterioration occurs in the case of Comparative Catalysts 3, 4 and 6 in which pore clogging occurs.

Figure 2010051836
Figure 2010051836

実施例触媒3のVに換えて、Co,CuまたはFeを担持した。担持量は実施例触媒1対Co,CuまたはFe酸化物の重量比で94対6となるようにした。Coを担持した触媒を実施例触媒5,Cuを担持した触媒を実施例触媒6,Feを担持した触媒を実施例触媒7とした。   Co, Cu or Fe was supported instead of V in Example catalyst 3. The supported amount was 94: 6 by weight ratio of 1 catalyst of Example to Co, Cu or Fe oxide. The catalyst supporting Co was designated as Example catalyst 5, the catalyst supporting Cu as Example catalyst 6, and the catalyst supporting Fe as Example catalyst 7.

実験例1に順じてリン被毒処理前後の吸着等温線の測定を行った結果、実施例触媒5,6及び7に於いても、細孔の形はリン被毒処理によりシリンダー形からインク壺形へ変化した。即ち、図1のようにメソポーラスシリカ1の入口付近にリン化合物3が担持されて細孔を狭めているモデルとなった。   As a result of measuring the adsorption isotherm before and after phosphorus poisoning treatment in the same manner as in Experimental Example 1, the pore shapes in Example Catalysts 5, 6 and 7 were changed from cylinder to ink by phosphorus poisoning treatment. Changed to a saddle shape. That is, as shown in FIG. 1, the model is such that the phosphorus compound 3 is supported near the inlet of the mesoporous silica 1 to narrow the pores.

次に、実験例2に順じてリン被毒処理前後の触媒の窒素酸化物除去性能を調べた。実施例触媒5,6及び7に於いても、k/k0=1となり、劣化が無いことが判った。 Next, in accordance with Experimental Example 2, the nitrogen oxide removal performance of the catalyst before and after the phosphorus poisoning treatment was examined. Also in the example catalysts 5, 6 and 7, k / k 0 = 1 and it was found that there was no deterioration.

(実施例触媒5)
酸化チタン(石原産業製,比表面積250m2/g)1200g,メタタングステン酸アンモニウム425g,シリカゾル(日産化学製,OXSゾル)810gと水をニーダに入れて20分混練後、メタバナジン酸アンモニウム39.9gを添加して20分混練し、シリカアルミナ系セラミックス繊維(東芝ファインスレックス社製)320gを徐々に添加しながら30分間混練して水分29%の触媒ペーストを得た。得られたペーストを厚さ0.2mmのSUS430製鋼板をメラルラス加工した基材の上に置き、これを二枚のポリエチレンシートに挟んで一対の加圧ローラを通して、メタルラス基材の網目間及び表面にコーティング。これを風乾後、500℃で2時間乾燥してTi/W/V系触媒プレートを調製した。触媒プレートへの触媒のコート量は、800g/m2である。さらに、実施例触媒1の粉末425g、シリカゾル(日産化学製,OXSゾル)810gと水をニーダに入れて20分混練後、Ti/W/V系触媒プレート上にコーティングした。コート量は800g/m2とした。
(Example catalyst 5)
1200 g titanium oxide (Ishihara Sangyo, specific surface area 250 m 2 / g), 425 g ammonium metatungstate, 810 g silica sol (manufactured by Nissan Chemical Co., OXS sol) and water are mixed in a kneader for 20 minutes, and then 39.9 g ammonium metavanadate. Was added and kneaded for 20 minutes. While gradually adding 320 g of silica-alumina ceramic fibers (manufactured by Toshiba Fine Slex), the mixture was kneaded for 30 minutes to obtain a catalyst paste having a moisture content of 29%. The obtained paste was placed on a mullet-laminated base material made of SUS430 steel plate having a thickness of 0.2 mm, sandwiched between two polyethylene sheets, and passed through a pair of pressure rollers, and between the mesh of the metal lath base material and the surface. With coating. This was air-dried and then dried at 500 ° C. for 2 hours to prepare a Ti / W / V-based catalyst plate. The coating amount of the catalyst on the catalyst plate is 800 g / m 2 . Further, 425 g of Example Catalyst 1 powder, 810 g of silica sol (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd., OXS sol) and water were placed in a kneader and kneaded for 20 minutes, and then coated on a Ti / W / V catalyst plate. The coating amount was 800 g / m 2 .

Ti/W/V系触媒の上層に実施例触媒1をコーティンした触媒を実施例触媒5とした。   The catalyst obtained by coating Example Catalyst 1 on the upper layer of the Ti / W / V catalyst was referred to as Example Catalyst 5.

実験例2に順じてリン被毒処理前後の触媒の窒素酸化物除去性能を調べた。k/k0=1となり、劣化が無いことが判った。なお、リン被毒処理前の窒素酸化物浄化率(η0)は0.75であった。 In accordance with Experimental Example 2, the nitrogen oxide removal performance of the catalyst before and after the phosphorus poisoning treatment was examined. k / k 0 = 1 and it was found that there was no deterioration. The nitrogen oxide purification rate (η0) before phosphorus poisoning was 0.75.

リン化合物により形成されたインク壺型の細孔の例である。It is an example of the ink well type | mold pore formed with the phosphorus compound. トラップ材の細孔内部に窒素酸化物浄化触媒成分が含まれている排ガス浄化触媒の例である。It is an example of the exhaust gas purification catalyst in which the nitrogen oxide purification catalyst component is contained inside the pores of the trap material. トラップ材を窒素酸化物浄化触媒の外部に配置させた2重構造の排ガス浄化触媒の例である。It is an example of the exhaust gas purification catalyst having a double structure in which the trap material is disposed outside the nitrogen oxide purification catalyst. 実施例触媒の微分細孔容積の図である。It is a figure of the differential pore volume of an Example catalyst. 実施例触媒のリン被毒処理前後の吸着等温線である。It is an adsorption isotherm before and behind the phosphorus poisoning process of an Example catalyst. 実施例触媒のシリンダー形の細孔モデルである。It is a cylindrical pore model of an example catalyst. 実施例触媒のインク壺形の細孔モデルである。It is a pore model of an ink bottle shape of an example catalyst. 比較例触媒のリン被毒処理前後の吸着等温線である。It is an adsorption isotherm before and after phosphorus poisoning treatment of a comparative example catalyst. リン化合物によってメソ多孔体の細孔の一部が閉塞しているモデルである。This is a model in which part of the pores of the mesoporous material is closed by a phosphorus compound.

符号の説明Explanation of symbols

1 メソ多孔体
2 金属酸化物
3 リン化合物
4 窒素酸化物浄化成分
5 窒素酸化物浄化触媒
6 トラップ材
1 Mesoporous material 2 Metal oxide 3 Phosphorus compound 4 Nitrogen oxide purification component 5 Nitrogen oxide purification catalyst 6 Trap material

Claims (9)

窒素酸化物及びリン化合物を含有する排ガスのリン化合物をトラップするトラップ材と窒素酸化物浄化触媒を組み合わせた排ガス浄化触媒であって、トラップ材はメソ多孔体の内部に金属酸化物が担持されており、メソ多孔体は窒素吸着温線測定法により計測される総細孔容積に対して5〜10nmの細孔容積の合計が50%以上であり、かつ金属酸化物の等電点は3より大きい、ことを特徴とする排ガス浄化触媒。   An exhaust gas purification catalyst that combines a trap material that traps phosphorus compounds in exhaust gas containing nitrogen oxides and phosphorus compounds and a nitrogen oxide purification catalyst, the trap material having a metal oxide supported inside the mesoporous material In the mesoporous material, the total pore volume of 5 to 10 nm is 50% or more with respect to the total pore volume measured by the nitrogen adsorption temperature line measurement method, and the isoelectric point of the metal oxide is 3 An exhaust gas purification catalyst characterized by being large. 請求項1記載の金属酸化物はU,Mn,Sn,Ti,Fe,Zr,Ce,Al,Y,Zn,La,Mgから選ばれる少なくとも一つを有する金属酸化物であることを特徴とする排ガス浄化触媒。   The metal oxide according to claim 1 is a metal oxide having at least one selected from U, Mn, Sn, Ti, Fe, Zr, Ce, Al, Y, Zn, La, and Mg. Exhaust gas purification catalyst. 請求項1または2記載のトラップ材の細孔内部に窒素酸化物浄化触媒成分を含有させることを特徴とする排ガス浄化触媒。   An exhaust gas purification catalyst comprising a nitrogen oxide purification catalyst component in the pores of the trap material according to claim 1 or 2. 請求項1または2記載のトラップ材を窒素酸化物浄化触媒粒子の外部に配置ささせた2重構造の排ガス浄化触媒。   An exhaust gas purification catalyst having a double structure in which the trap material according to claim 1 or 2 is disposed outside the nitrogen oxide purification catalyst particles. 請求項1または2記載のトラップ材の下層に窒素酸化物浄化触媒層を設けた多層型の排ガス浄化触媒。   A multi-layer exhaust gas purification catalyst comprising a nitrogen oxide purification catalyst layer under the trap material according to claim 1 or 2. 請求項1ないし5のいずれか1項に記載のトラップ材のメソ多孔体は二次元形状を有する細孔,三次元形状を有する細孔を有することを特徴とする排ガス浄化触媒。   The exhaust gas purification catalyst according to any one of claims 1 to 5, wherein the trapping mesoporous material has pores having a two-dimensional shape and pores having a three-dimensional shape. 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の排ガス浄化触媒であって、窒素酸化物浄化触媒の担体はメソポーラスシリカであることを特徴とする排ガス浄化触媒。   The exhaust gas purification catalyst according to any one of claims 1 to 6, wherein the support of the nitrogen oxide purification catalyst is mesoporous silica. 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の排ガス浄化触媒であって、窒素酸化物浄化触媒成分は、Cu,Fe,Co,バナジウム,モリブデン,タングステンから選ばれる少なくとも1種を含有することを特徴とする排ガス浄化触媒。   The exhaust gas purification catalyst according to any one of claims 1 to 7, wherein the nitrogen oxide purification catalyst component contains at least one selected from Cu, Fe, Co, vanadium, molybdenum, and tungsten. A featured exhaust gas purification catalyst. 窒素酸化物とリン化合物とを含む排ガスと還元剤とを窒素酸化物浄化触媒に接触させ、排ガス中の窒素酸化物を還元除去する窒素酸化物除去方法であって、トラップ材により排ガス中のリン化合物を除去した後、窒素酸化物浄化触媒において窒素酸化物を還元除去することを特徴とする排ガス浄化方法。   A method for removing nitrogen oxides, wherein an exhaust gas containing nitrogen oxides and a phosphorus compound and a reducing agent are brought into contact with a nitrogen oxide purification catalyst to reduce and remove nitrogen oxides in the exhaust gas. An exhaust gas purification method comprising reducing nitrogen oxides in a nitrogen oxide purification catalyst after removing the compounds.
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