JP5956496B2 - 排ガス浄化用触媒、それを用いた排ガス浄化フィルタ及び排ガス浄化方法 - Google Patents
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Description
本発明にかかる担体は、アルミナ(Al2O3)を主成分とする担体であることが必要である。このようなアルミナを主成分とする担体は、アルミナを主成分とすること以外は特に制限されない。ここで、「アルミナを主成分とする」とは、前記担体がアルミナのみから構成されるもの、或いは、主としてアルミナからなり他の成分を含み構成されるものであることを意味する。他の成分としては、この種の用途の排ガス浄化用触媒の担体として用いられる他の化合物を用いることができる。後者の場合、担体におけるアルミナの含有量は、担体の全質量100質量%に対して90質量%以上であることが好ましく、95質量%以上であることがより好ましく、98質量%以上であることが特に好ましい。このような担体におけるアルミナの含有量が前記下限未満では、硫酸銀が担体と反応し、活性が低下する傾向にある。
本発明にかかる活性種微粒子は、アルミナを主成分とする担体の表面に担持されている活性種微粒子であって、該活性種微粒子が硫酸銀(Ag2SO4)を主成分としかつ平均結晶子径が3nm以上100nm未満であることが必要である。このような活性種微粒子は、硫酸銀(Ag2SO4)を主成分としかつ平均結晶子径が3nm以上100nm未満であること以外は特に制限されない。ここで、「硫酸銀を主成分とする」とは、前記活性種微粒子が硫酸銀(Ag2SO4)のみから構成されるもの、或いは、主として硫酸銀(Ag2SO4)からなり他の成分を含み構成されるものであることを意味する。このような他の成分としては、この種の用途の排ガス浄化用触媒の担体担持物として用いられる他の物質が挙げられる。なお、後者の場合、活性種微粒子における硫酸銀(Ag2SO4)の含有量は、活性種微粒子の全質量100質量%に対して80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましく、95質量%%以上であることが特に好ましい。このような活性種微粒子における硫酸銀(Ag2SO4)の含有量が前記下限未満では、硫黄被毒に対する耐性が低下する傾向にある。
本発明における排ガス浄化用触媒は、前記アルミナを主成分とする担体と、該担体の表面に担持されている硫酸銀を主成分とする活性種微粒子とを備えていればよい。なお、このような排ガス浄化用触媒の形態としては、特に制限されないが、ペレット形状のペレット触媒の形態等としてもよく、フィルタに担持した形態としてもよい。
本発明の排ガス浄化用触媒の製造方法としては、特に制限されず、公知の方法を適宜利用することができ、例えば、前記アルミナを主成分とする担体の表面に硫酸銀を主成分とする活性種微粒子のイオン等を含む水溶液を含浸させる工程、加熱し焼成を行う工程により作製される。具体的には、硫酸銀(Ag2SO4)を所定の濃度で含有する溶液を、前記アルミナを主成分とする担体に接触させることにより、所定量の硫酸銀(Ag2SO4)を含む溶液を前記担体に含浸(担持)させた後、これを加熱し焼成する方法を採用することができる。
前記本発明の排ガス浄化用触媒は、内燃機関から排出されるガス(排ガス)に含まれる粒子状物質に対して高いPM酸化活性を発揮しPMを酸化して除去することができるため、前記排ガス浄化用触媒に前記排ガスが接触することが可能なように前記排ガス浄化用触媒を配置して排ガス浄化用装置を構成することができる。
次に、本発明の排ガス浄化フィルタについて説明する。本発明の排ガス浄化フィルタは、前記本発明の排ガス浄化用触媒を通気性基材(フィルタ)に担持せしめてなることを特徴とする。
次に、本発明の排ガス浄化方法について説明する。本発明の排ガス浄化方法は、前記本発明の排ガス浄化用触媒に内燃機関からの排ガスを接触せしめて粒子状物質(PM)を酸化除去することを特徴とする方法である。
硫酸銀(和光純薬工業製)1.44gを80℃のイオン交換水(250g)に溶解させて硫酸銀水溶液を調製した。次に、得られた硫酸銀水溶液を、担体としてのγ−Al2O3粉末(日揮ユニバーサル株式会社製、TN4、比表面積150m2/g)8.56gに含浸させて蒸発乾固し、110℃で一晩乾燥させた後、500℃で3時間焼成して、前記γ−Al2O3担体に硫酸銀を担持して触媒粉末を得た。次いで、この粉末を乳鉢にて混合し、定法(冷間等方圧プレス法(CIP))によって粒子径0.3〜0.5mmのペレット形状に成形して、ペレット形状の触媒(Ag2SO4/γ−Al2O3)とした。なお、硫酸銀の担持量は、γ−Al2O3担体と硫酸銀からなる活性種微粒子との総量に対してAg換算で10.0質量%であった。
担体としてγ−Al2O3の代わりにα−Al2O3粉末(8.56g、和光純薬工業株式会社製、α−Al2O3、比表面積8m2/g)を用いた以外は、実施例1と同様にしてペレット形状の触媒(Ag2SO4/α−Al2O3)を得た。なお、硫酸銀の担持量は、α−Al2O3担体と硫酸銀からなる活性種微粒子との総量に対して、Ag換算で10質量%であった。
硝酸銀(和光純薬工業製)1.57gを20℃(室温)のイオン交換水(250g)に溶解させて硝酸銀水溶液を調製した。次に、得られた硝酸銀水溶液を、γ−Al2O3粉末(日揮ユニバーサル製、TN4、比表面積150m2/g)9.00gに含浸させて蒸発乾固し、110℃で一晩乾燥させた後、500℃で3時間焼成して、前記γ−Al2O3担体に銀(Ag)を担持して比較用触媒粉末を得た。次いで、この粉末を乳鉢にて混合し、定法(冷間等方圧プレス法(CIP))によって粒子径0.3〜0.5mmのペレット形状に成形して、ペレット形状の比較用触媒(Ag/γ−Al2O3)とした。なお、銀の担持量は、γ−Al2O3担体と銀との総量に対してAg換算で10質量%であった。
担体としてγ−Al2O3粉末の代わりにCeO2粉末(9.00g、阿南化成株式会社製、低温焼成酸化セリウム、比表面積150m2/g)を用いた以外は、比較例1と同様にしてペレット形状の比較用触媒(Ag/γ−CeO2)を得た。なお、銀の担持量は、γ−Al2O3担体と銀との総量に対してAg換算で10質量%であった。
担体としてγ−Al2O3の代わりにCeO2粉末(8.56g、阿南化成株式会社製、低温焼成酸化セリウム、比表面積150m2/g)を用いた以外は、実施例1と同様にしてペレット形状の比較用触媒(Ag2SO4/CeO2)を得た。なお、硫酸銀の担持量は、CeO2担体と硫酸銀との総量に対してAg換算で10質量%であった。
担体としてγ−Al2O3の代わりにTiO2粉末(8.56g、ST−01、石原産業株式会社製、比表面積300m2/g)を用いた以外は、実施例1と同様にしてペレット形状の比較用触媒(Ag2SO4/TiO2)を得た。なお、硫酸銀の担持量は、TiO2担体と硫酸銀との総量に対してAg換算で10質量%であった。
担体としてγ−Al2O3の代わりに市販のSiO2粉末(8.56g、90G、日本アエロジル株式会社、比表面積90m2/g)を用いた以外は、実施例1と同様にしてペレット形状の比較用触媒(Ag2SO4/SiO2)を得た。なお、硫酸銀の担持量は、SiO2担体と硫酸銀との総量に対してAg換算で10質量%であった。
担体としてγ−Al2O3粉末(日揮ユニバーサル製、TN4、比表面積150m2/g)10.00gに所定量のジニトロアンミン白金水溶液(Ptとして4.5質量%含む)を含浸させて蒸発乾固し、110℃で一晩乾燥させた後、500℃で3時間焼成して、前記γ−Al2O3担体に白金(Pt)を担持して比較用触媒粉末を得た。次いで、この粉末を乳鉢にて混合し、定法(冷間等方圧プレス法(CIP))によって粒子径0.3〜0.5mmのペレット形状に成形して、ペレット形状の比較用触媒(Pt/γ−Al2O3)とした。なお、白金(Pt)の担持量は、γ−Al2O3担体とPtとの総量に対してPt換算で1.0質量%であった。
担体としてγ−Al2O3の代わりに硫酸カルシウム粉末(8.56g、和光純薬工業製の焼きセッコウを大気雰囲気500℃で3時間焼成したもの、比表面積5m2/g)を用いた以外は、実施例1と同様にしてペレット形状の比較用触媒(Ag2SO4/CaSO4)を得た。なお、硫酸銀の担持量は、CaSO4担体と硫酸銀との総量に対してAg換算で10質量%であった。
<PM酸化活性評価試験>
上記初期状態の実施例1〜2及び比較例1〜7で得られた触媒をそれぞれ用いて、以下のようにしてPM酸化活性を測定した。
すなわち、PM酸化活性の測定試験においては、先ず、試験研究用回転架台を用い、内径20mmの円筒形のサンプル管に初期状態のペレット状の触媒及び模擬パティキュレート(模擬PM)としてカーボン粉末(東海カーボン(株)製、品名「シースト9(SAF)」、平均粒径19nm)を充填し、試験研究用回転架台で1時間回転することにより混合し、評価用試料を作成した。なお、このようなPM混合処理による前記触媒への模擬PMの混合量は、触媒と模擬PMの重量比で49:1となる量であった。なお、ここにいう「初期状態」とは触媒の製造後において耐熱試験や後述する硫黄被毒再生試験のいずれも施していない状態をいう。
次に、固定床流通式反応装置を用い、内径15mmの石英反応管に得られた評価用試料を1.0gを充填し、前記評価用試料に対してO2(10%)+H2O(10%)/N2(残部)からなる混合ガス(入りガス)を、触媒への入りガス温度を20℃/分の昇温速度で120℃から720℃まで昇温しながら、ガス流量10L/分の条件で供給した。そして、前記混合ガスの供給開始から供給終了までの間に、前記装置から排出される出ガス中に含まれるCO2の濃度を測定した。そして、このような出ガス中のCO2の濃度と、入りガスの温度とに基づいて、各評価用試料に付着したカーボンの50%が酸化されるのに必要な混合ガスの温度(PM50%酸化温度)を算出し、PM酸化活性の指標とした。なお、PM50%酸化温度が低いほど、PM酸化活性が高いと言える。初期の触媒のPM酸化活性として、実施例1〜2及び比較例1〜7で得られた初期状態における排ガス浄化用触媒の50%PM酸化温度を示すグラフを図2に示す。
次に、固定床流通式反応装置を用い、内径15mmの石英反応管に得られた初期状態のペレット状の触媒試料を1.1gを配置し、更に供給するSO2を十分に酸化するために前記触媒試料の前段に十分にS被毒されたPt/Al2O3(0.5g)を配置した。次いで、前記装置内にO2(10%)+CO2(10%)+H2O(10%)/N2(残部)からなる混合ガスを流通させ、400℃まで昇温した。次に、前記装置内に、SO2(66ppm)、O2(10%)、CO2(10%)、H2O(10%)及びN2(残部)からなる混合ガス(入りガス)を、400℃(入りガス温度)、55.5分、ガス流量7L/分の条件で供給した(硫黄被毒処理)。なお、このような硫黄被毒処理において供給された硫黄成分の全供給量は1.0g/30g−catである。
次いで、硫黄被毒処理後の触媒試料とカーボン粉末(模擬PM)とを、前記PM混合処理Iと同様にして混合し、評価用試料を作成した。なお、このようなPM混合処理による前記触媒への模擬PMの混合量は、触媒と模擬PMの重量比で49:1となる量であった。
次に、硫黄被毒処理−PM混合処理II後の前記触媒試料に対して、O2(10%)+H2O(10%)/N2(残部)からなる混合ガス(入りガス)を、触媒への入りガス温度を20℃/分の昇温速度で120℃から720℃まで昇温しながら、ガス流量10L/分の条件で供給し、硫黄被毒再生処理を行った。
次いで、硫黄被毒再生処理後の触媒試料とカーボン粉末(模擬PM)とを、前記PM混合処理Iと同様にして混合し、評価用試料を作成した。なお、このようなPM混合処理による前記触媒への模擬PMの混合量は、触媒と模擬PMの重量比で49:1となる量であった。
次に、PM混合処理III後の前記評価用試料に対してO2(10%)+H2O(10%)/N2(残部)からなる混合ガス(入りガス)を、触媒への入りガス温度を20℃/分の昇温速度で120℃から720℃まで昇温しながら、ガス流量10L/分の条件で供給した。そして、前記混合ガスの供給開始から供給終了までの間に、前記装置から排出される出ガス中に含まれるCO2の濃度を測定した。そして、このような出ガス中のCO2の濃度と、入りガスの温度とに基づいて、各評価用試料に付着したカーボンの50%が酸化されるのに必要な混合ガスの温度(PM50%酸化温度)を算出し、硫黄被毒再生処理後の触媒のPM酸化活性の指標とした。なお、PM50%酸化温度が低いほど、硫黄被毒再生処理後の触媒のPM酸化活性が高いと言える。硫黄被毒再生処理後の触媒のPM酸化活性として、実施例1〜2、比較例1〜3、6及び7で得られた硫黄被毒再生処理後における排ガス浄化用触媒の50%PM酸化温度を示すグラフを図3に示す。
実施例1、実施例2及び比較例1で得られた各触媒について、各触媒の担持物の平均結晶子径(平均一次粒子径)を以下のようにして測定した。先ず、実施例1、実施例2及び比較例1で得られた各触媒を測定試料として、粉末X線回折装置(リガク社製、商品名「試料水平型強力X線回折装置RINT−TTR」)を用いて、複合金属酸化物のX線回折(XRD)パターンを、スキャンステップ0.02°、発散及び散乱スリット1/2deg、受光スリット0.15mm、CuKα線(λ=0.15418nm)、50kV、300mA、スキャン0.5sec/点の条件で測定した。このようにして得られたXRDパターンの触媒担持物について、Ag2SO4の結晶は(311)面に由来するピーク(2θ=31.1°)の回折線幅に基づいて、Agの結晶は(111)面に由来するピーク(2θ=38.1°)に由来するピークの回折線幅に基づいて、それぞれシェラーの式:
D=0.9λ/βcosθ
(式中、Dは結晶子径を示し、λは使用X線波長を示し、βはXRDの測定試料の回折線幅を示し、θは回折角を示す)
を計算して、平均結晶子径(平均一次粒子径)を算出した。得られた結果を表2に示す。
図2及び3に記載した結果からも明らかなように、実施例1〜2の排ガス浄化用触媒は、比較例4〜5の比較用触媒に比較して、初期状態の触媒のPM酸化活性が優れていることが確認された。また、実施例1〜2の排ガス浄化用触媒は、比較例6及び7の比較用触媒に比較して、初期状態のみならず硫黄被毒後においても触媒のPM酸化活性が優れていることが確認された。更に、本発明の実施例1〜2の排ガス浄化用触媒は、比較例1〜3の比較用触媒に比べて、硫黄被毒後における触媒のPM酸化活性が優れており、硫黄を含むガスに曝されても十分に高いPM酸化活性を発揮することが可能な排ガス浄化用触媒であることが確認された。
したがって、本発明の排ガス浄化用触媒、それを用いた排ガス浄化フィルタ及び排ガス浄化方法は、ディーゼルエンジン等の内燃機関からの排ガス中に含まれる粒子状物質を浄化するためのPM酸化触媒、それを用いた排ガス浄化フィルタ又は排ガス浄化方法等として特に有用である。
Claims (5)
- アルミナを主成分とする担体と、該担体の表面に担持されている硫酸銀を主成分としかつ平均結晶子径が3nm以上100nm未満である活性種微粒子と、を備えることを特徴とする粒子状物質(PM)を酸化除去するための排ガス浄化用触媒。
- 前記硫酸銀の担持量が、前記担体と前記活性種微粒子との総量に対して金属銀換算で2〜50質量%であることを特徴とする請求項1に記載の排ガス浄化用触媒。
- 前記担体の比表面積が5〜300m2/gであることを特徴とする請求項1又は2に記載の排ガス浄化用触媒。
- 請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒を通気性基材に担持せしめてなることを特徴とする粒子状物質(PM)を酸化除去するための排ガス浄化フィルタ。
- 請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒に内燃機関からの排ガスを接触せしめて粒子状物質(PM)を酸化除去することを特徴とする排ガス浄化方法。
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