説明

排ガス浄化触媒

【課題】酸素過剰雰囲気において排ガス中のCOでNOxを還元浄化する場合における排ガス浄化触媒のNOx浄化性能を安価で簡便な組成で向上させる。
【解決手段】担体11とイリジウム粒子12とを含み、担体11は、シリカ又はリン酸アルミニウムであり、比表面積が140m/g以下、望ましくは40m/g以下である排ガス浄化触媒10を、CO及びNOxを含有し、酸素過剰の排ガスを排出する熱機関の排ガス流路に配置する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、排ガス浄化触媒に関する。
【背景技術】
【0002】
環境改善を目的として、ボイラや内燃機関などの熱機関の排ガス中の有害物質である一酸化炭素(以下、COという。)、窒素酸化物(以下、NOxという。)、炭化水素(以下、HCという。)の低減が求められている。さらに、地球温暖化防止を目的として、温室ガスである二酸化炭素(CO)の削減が求められている。
【0003】
熱機関(ボイラ、内燃機関など)の排ガス中のNOxを連続的に浄化するための方式としては、アンモニア(以下、NHという。)による選択還元触媒を使う方式、熱分解によりNHを生成する尿素を使う方式、HCによる選択還元触媒を使う方式などがある。また、内燃機関の場合、リーンNOx触媒を用いる方式もある。
【0004】
このような従来の方式を用いる場合、還元剤であるNH、尿素、HC、軽油(主成分はHCである。)等を供給する装置が必要となるため、装置導入費用が高くなるだけでなく、還元剤の費用が運転コストに上乗せされる。
【0005】
安価にNOxを還元浄化する方式としては、排ガス中に存在するCOを還元剤に用いる方式が考えられる。ところが、熱機関の排ガスには、酸素が数%存在するため、COが排ガス中の酸素と反応してCOになって消費され、NOxの還元が進行にしくいという問題が生じていた。
【0006】
特許文献1には、COを還元剤に用いてNOxを還元する触媒としてイリジウムまたはロジウム金属を周期律表第Ia、IIa、IIb族金属の少なくとも1種を含むシリカ担体に担持した触媒が開示されている。
【0007】
特許文献2には、チタン族から選ばれた少なくとも1種の元素の酸化物に、イリジウムと、アルカリ金属およびアルカリ土類金属よりなる群から選ばれた少なくとも1種の元素と、周期律表第IIIA族元素、周期律表第IVB族元素(炭素元素を除く)及び鉄族元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素とを担持させてなる排気ガス浄化用触媒が開示されている。特許文献2には、チタン族元素の酸化物のBET比表面積が35m/g以下であることが好ましく、さらに好ましくは0.1〜30m/gである旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特許第4082452号公報
【特許文献2】特開平10−94730号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明の目的は、酸素過剰雰囲気において排ガス中のCOでNOxを還元浄化する場合における排ガス浄化触媒のNOx浄化性能を安価で簡便な組成で向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の排ガス浄化触媒は、CO及びNOxを含有し、酸素過剰の排ガスを排出する熱機関の排ガス流路に配置される排ガス浄化触媒であって、担体とイリジウムとを含み、比表面積が所定値以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、酸素過剰雰囲気において排ガス中のCOでNOxを還元浄化する高性能な触媒を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】比較例の排ガス浄化触媒の微細構造を示す模式断面図である。
【図2】実施例の排ガス浄化触媒の微細構造を示す模式断面図である。
【図3】NOx浄化性能評価試験装置の概略構成図である。
【図4】Ir/SiOの比表面積と最大NOx浄化率との関係を示すグラフである。
【図5】Ir/AlPOの比表面積と最大NOx浄化率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本発明は、排ガスを浄化する排ガス浄化触媒に係り、特に、NOxを浄化する排ガス浄化触媒(以下、単に触媒とも呼ぶ。)に関する。
【0014】
本発明は、COを還元剤とするNOx還元触媒であって、シリカ等の無機酸化物を用いて高いNOx浄化性能を得られる触媒を提供するものである。
【0015】
本発明の特徴は、比表面積が小さい担体を用いることである。
【0016】
以下、比表面積を規定した理由について述べる。
【0017】
一般に、比表面積が大きい担体に活性成分を高濃度に分散することにより高性能な触媒が得られる。
【0018】
活性成分であるイリジウム(以下、Irという。)が触媒性能に及ぼす影響を評価する実験の結果、Irの担持量を多くしてもNOx浄化率には限界があること、すなわち、Irの密度をある程度高くすれば、十分なNOx浄化率が得られることがわかってきた。これはコストの面からも望ましい。担体の比表面積が小さいほど有効に作用するIrが増加すると考えられる。
【0019】
そこで、本発明においては、担体を焼成することにより、比表面積を小さくすることとした。
【0020】
また、本発明においては、担体にIrを担持させた後、焼成処理を施す。この焼成処理によってIr粒子が凝集し、Ir粒子の粒径が増大することも考えられる。比表面積を小さくした担体の場合、Ir粒子が凝集しやすくなることも考えられる。
【0021】
当初、担体の比表面積を小さくするほどIrの粒径が大きくなり、触媒性能が低下すると予想していた。しかし、触媒性能評価の結果、予想に反して、焼成して比表面積を小さくした担体にIrを担持した触媒の性能が高かった。
【0022】
触媒の性能が高かった原因については、Irの粒径が増加し、NO−CO反応に適したサイトが生成したことなどが考えられる。すなわち、反応活性点は、Irと担体との界面付近に存在すると考えられる。
【0023】
比表面積の範囲は、140m/g以下が望ましく、40m/g以下が更に望ましい。
【0024】
比表面積の下限値は、焼成によって比表面積を小さくする場合、実質0.1m/g程度である。
【0025】
担体としては、SiO、CaSO及びAlPOが望ましい。いずれの担体も、触媒探索の過程において担体の比表面積を小さくしてからIrを担持すると性能が向上することが見出された化合物である。
【0026】
Irを活性成分とする触媒においては、大気中で調製・焼成を行うとIrが酸化Irの状態になる。これを還元処理することにより、NOx浄化活性は大幅に高まる。
【0027】
還元処理を施したIrの状態は、カチオンの状態(極わずかにプラスチャージした状態Irδ+)と推測している。CaSO及びAlPOは、電気陰性度の高いS又はPを含む化合物である。SやPがIrの電子を引き寄せることによりカチオン化が促進されていると考えられる。
【0028】
担体の比表面積を小さくする処理は、焼成によって行っている。触媒性能向上効果があった熱処理温度(焼成温度)は、800〜1200℃である。焼成の際の雰囲気は、酸化、還元、及び不活性雰囲気のいずれでもよく、いずれの雰囲気であっても比表面積を小さくすることができる。最も簡便なのは、酸化雰囲気である大気中における焼成である。
【0029】
本発明の排ガス浄化触媒の製造方法の概略をまとめると次のようになる。
【0030】
シリカ、リン酸アルミニウム又は硫酸カルシウムを担体とし、この担体を800〜1200℃で焼成し、担体にイリジウムを担持して焼成する。
【0031】
担体にイリジウムを担持する方法としては、担体にイリジウムを含む溶液を含浸して乾燥する方法がある。
【0032】
本発明について更に詳細に説明する。
【0033】
図1は、比較例の排ガス浄化触媒の微細構造を示す模式断面図である。
【0034】
図2は、実施例の排ガス浄化触媒の微細構造を示す模式断面図である。
【0035】
これらの図において、触媒10は、担体11と、担体11の表面に付着したイリジウム粒子12とで構成されている。
【0036】
図1においては、担体11の表面に形成された凹凸が発達し、比表面積が大きくなっている。そして、深い凹部13(細孔)が数多く形成されている。凹部13の底部付近に付着したイリジウム粒子12にガス中の反応成分が到達するためには、細孔内における拡散過程を経なければならない。このため、凹部13の底部付近に付着したイリジウム粒子12は、反応に寄与しにくくなる。
【0037】
これに対して、図2においては、図1に比べて、凹凸が発達していない。すなわち、比表面積が小さい。このため、付着したイリジウム粒子12とガス中の反応成分とが接触しやすくなっている。
【0038】
実施例の排ガス浄化触媒は、IrとSiOとから調製される触媒であって、Irが0.1〜0.001wt%、残量がSiOという組成が最も簡便な組成になる。
【0039】
Irの量(Ir量)は、コストと性能とのバランスから選定される。SiO以外にも触媒特性を改良するため、第二成分、第三成分などの他の成分を添加することができる。その際も、本発明範囲の比表面積を有するSiOを用いることにより、本発明範囲外の比表面積を有するSiOを用いた場合よりNOx浄化性能を高めることができる。
【0040】
活性成分は、Irに加えて、ロジウム、金などを追加しても構わない。触媒の比表面積を規定したことによるNOx浄化性能向上効果は、少なくともIrを使用していれば得られる。
【0041】
担体がCaSO又はAlPOの場合も同様であり、触媒の特性を向上するために第二成分、第三成分などを添加することができる。比表面積が小さい担体を用いれば、NOx浄化性能が向上する効果は、少なくともIrを担持していれば得られる。
【0042】
排ガスの組成は、CO及びNOxのほかに、炭化水素、SOxなどが含まれても本発明の触媒は機能する。特に、SOxが含まれることでNOx浄化性能は向上する。
【0043】
触媒の使用形態に制限はない。排ガスと効率的に接触できることが望ましいため、接触面積が高くなるように基材に触媒粉末をコートして使用する方法、粒状に成形して反応塔に充填する方法などが考えられる。
【0044】
触媒の配置については、排ガス流路内で他の装置や触媒でCOが消費されないことが望ましい。ボイラにおいては、複数の装置や触媒が排ガス流路に設置される場合、触媒の上流でCOが消費されることは好ましくない。そのため、ボイラに適用する場合は、ボイラ排ガスのダストを落下させた後、もしくは電気集塵機の下流など、酸化反応を伴わない機器の下流に設置することが望ましい。ディーゼルエンジンにおいては、排ガス流路内に酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタ、及びNOx選択還元触媒が設置してある。ディーゼルエンジンに適用する場合は、COを消費する酸化触媒に変えて本発明の触媒を配置することが望ましい。
【0045】
以下、実施例を用いて説明する。
【実施例1】
【0046】
実施例1は、800℃で焼成したSiOにIrを担持した触媒の例である。
【0047】
Ir担持量は、0.05wt%とした。
【0048】
SiO粉末としては、破砕粒(富士シリシア化学(株)製、CARiACT G−3)を使用した。この原料粉末(SiO粉末)の比表面積は579m/gであった。
【0049】
原料のSiO粉末を800℃で1時間焼成した。
【0050】
Irの原料としては、硝酸Ir溶液((株)フルヤ金属製、濃度5wt%)を使用した。
【0051】
液量をSiO粉末の吸水量に合わせたIr水溶液をSiO粉末に含浸し、150℃に加熱したホットプレート上でテフロン(登録商標)製の薬さじで撹拌しながら蒸発乾固した。その後、大気中で600℃、1時間焼成し、Ir/SiO粉末を得た。Ir/SiO触媒の比表面積は、原料粉末の約1/4の136m/gであった。
【0052】
作製したIr/SiO粉末は、性能評価のため、粒状に成形した。
【0053】
作製したIr/SiO粉末約5gを金型に入れ、圧力500kg/cmで1分間保持して成形した。その後、目開きが0.85mm及び1.7mmのふるいを用い、ふるい上で成形体を粉砕して粒径0.85〜1.7mmに分級して粒状触媒を得た。
【実施例2】
【0054】
実施例2は、900℃で焼成したSiOにIrを担持した触媒の例である。
【0055】
原料のSiO粉末を900℃で1時間焼成した。このSiO粉末に実施例1と同一の方法でIrを担持した。この触媒粉末の比表面積は18m/gであった。触媒粉末を実施例1と同じ方法で成形・分級して粒状触媒を得た。
【実施例3】
【0056】
実施例3は、1000℃で焼成したSiOにIrを担持した触媒の例である。
【0057】
原料のSiO粉末を1000℃で1時間焼成した。このSiO粉末に実施例1と同一の方法でIrを担持した。この触媒粉末の比表面積は6m/gであった。触媒粉末を実施例1と同じ方法で成形・分級して粒状触媒を得た。
【実施例4】
【0058】
実施例4は、1000℃で焼成したAlPOにIrを担持した触媒の例である。
【0059】
AlPOの合成は、Al(NO及びHPOを原料とし、NH水でpH調整して行った。合成工程を以下に示す。
【0060】
Al(NO及びHPOの水溶液を室温で撹拌した後、25%NH水を滴下し、pHを4.5に調整した。この時、水溶液は白濁したゲルになった。ゲルをホットプレート上で蒸発乾固して乾燥粉末を得た。その後、600℃で1時間焼成してAlPO粉末を得た。
【0061】
合成したAlPO粉末を1000℃で1時間焼成した。焼成したAlPO粉末に実施例1と同一の方法でIrを担持し、大気中で600℃、1時間焼成し、Ir/AlPO粉末を得た。このIr/AlPO触媒の比表面積は121m/gであった。作製したIr/AlPO触媒粉末は、性能評価のために実施例1に記載した方法で粒状に成形した。
【実施例5】
【0062】
実施例5は、1200℃で焼成したAlPOにIrを担持した触媒の例である。
合成したAlPO粉末を1200℃で1時間焼成した。焼成したAlPO粉末に実施例1と同一の方法でIrを担持し、触媒粉末を作製した。この触媒粉末の比表面積は30m/gであった。触媒粉末を、実施例1と同じ方法で成形・分級し、粒状触媒を得た。
【実施例6】
【0063】
実施例6は、1000℃で焼成したCaSOにIrを担持した例である。
【0064】
和光純薬工業(株)製のCaSO試薬を1000℃で1時間焼成した。焼成後の物質は、CaSOであることをXRDで確認した。比表面積は1m/gであった。この焼成CaSO粉末に実施例1と同一の方法でIrを担持し、触媒粉末を作製した後、成形・分級して粒状触媒を得た。
(比較例1)
比較例1は、SiO粉末にIrを担持した例である。
【0065】
SiO粉末は、破砕粒(富士シリシア化学(株)製、CARiACT G−3、3μm) を使用した。実施例1と同一の方法でIrを担持して触媒粉末を作製した。この触媒粉末の比表面積は498m/gであった。触媒粉末を、実施例1と同じ方法で成形・分級して粒状触媒を得た。
(比較例2)
比較例2は、600℃で焼成したAlPO粉末にIrを担持した例である。
【0066】
AlPO粉末の合成方法は、実施例4の方法と同じである。実施例1と同一の方法でIrを担持して触媒粉末を作製した。この触媒粉末の比表面積は182m/gであった。
(比較例3)
比較例3は、和光純薬工業(株)製のCaSO試薬にIrを担持した例である。
【0067】
実施例1と同一の方法でIrを担持し、触媒粉末を作製した。この触媒粉末の比表面積は2.7m/gであった。
【0068】
(NOx浄化性能試験例)
作製した触媒のNOx、CO浄化性能を評価した。
【0069】
図3は、評価装置の概略構成を示したものである。
【0070】
表1は、性能評価に用いたガスの組成を示したものである。
【0071】
【表1】

【0072】
図3において、電気炉1bの内部に設けた反応管1a(固定床流通式反応管)に粒状触媒1cを設置し、ガス供給配管1eを介して表1に示すガスを流通した。また、水ポンプ1dを用いて水を滴下し、ガスと合流させて粒状触媒1cに供給した。触媒入口温度を所定温度に調整し、触媒出口ガスをNOx分析計で測定した。
【0073】
ガス量は3.0L/minとし、SV200000/hに合わせた。性能評価の前に表1のガスAを流通し、600℃で30分保持し、還元処理を行った。
【0074】
NOx浄化性能評価の際は、表1のガスBを用いた。
【0075】
NOx浄化率は下記(式1)で定義した。使用したNOx分析計は、NOを測定できないため、下記(式1)により求めたNOx浄化率は、NOxからNO又はNへの転化率を意味する。
【0076】
【数1】

【0077】
表2は、触媒の比表面積及び最大NOx浄化率を示したものである。
【0078】
【表2】

【0079】
図4は、Ir/SiO触媒の比表面積と最大NOx浄化率との関係を示すグラフである。
【0080】
本図に示す触媒は、原料粉末もしくは事前に800〜1000℃で焼成したSiOにIrを担持したものである。最大NOx浄化率は、触媒の種類によって温度特性が異なるため、触媒の使用温度を変化させた場合に最大となるNOx浄化率の値を示したものである。
【0081】
最大NOx浄化率は、表2に示す通り、原料SiO粉末にIrを担持した触媒(比較例1)の場合、35%であり、800℃で1時間焼成したSiO粉末にIrを担持した比表面積が136m/gの触媒(実施例1)の場合、45%であり、900℃で1時間焼成したSiO粉末にIrを担持した比表面積が18m/gの触媒(実施例2)の場合、59%であり、1000℃で1時間焼成したSiO粉末にIrを担持した比表面積が6m/gの触媒(実施例3)の場合、63%であった。
【0082】
一般に、比表面積が大きい担体に活性成分を分散させた触媒は、性能が高くなる。しかし、性能評価結果は、逆に比表面積の小さい触媒の性能が高く、予想外の結果であった。Irを担持した後の焼成温度は、いずれも600℃であり、Irにかかる熱負荷は同じであった。
【0083】
よって、この活性の違いは、担体の比表面積の大小が影響していると考える。
【0084】
SiOの比表面積を小さくすることにより、Ir担持後の焼成の際にIrが凝集しやすくなり、Irの粒径が増加したことが考えられる。通常は、粒径の増加は、活性点の減少につながるため、NOx浄化性能を低下させる。実施例の場合は、Irの粒径の増加によってNO−CO反応に適した活性サイトが生成されたことなどが考えられる。
【0085】
次に、AlPOを担体とした触媒について性能と比表面積の関係を調べた。
【0086】
図5は、600℃で焼成したAlPOもしくは事前に1000〜1200℃で焼成したAlPOにIrを担持した触媒の比表面積と最大NOx浄化率の関係を示したものである。
【0087】
最大NOx浄化率は、600℃で合成したAlPO粉末にIrを担持した触媒(比較例2)の場合、16%であり、合成したAlPO粉末を更に1000℃で焼成したAlPOにIrを担持して比表面積が121m/gとした触媒(実施例4)の場合、27%であり、合成したAlPO粉末を更に1200℃で焼成したAlPOにIrを担持して比表面積を30m/gとした触媒(実施例5)の場合、33%であった。Ir/AlPO触媒においても、Ir/SiO触媒の場合と同様に、比表面積が小さい触媒の場合に最大NOx浄化率が高くなった。
【0088】
CaSO担体の場合の最大NOx浄化率は、試薬CaSOにIrを担持して600℃で焼成した比表面積が2.7m/gの触媒(比較例3)の場合、18%であり、試薬CaSOを1000℃で焼成後にIrを担持して600℃で焼成した触媒(実施例6)の場合、40%であった(表2)。
【0089】
これらの結果から、担体を800℃〜1200℃で焼成した後にIrを担持することによってNOx浄化性能を高められることが明らかになった。
【0090】
この効果は、触媒の比表面積が140m/g以下で生じ、40m/g以下で更に高められた。
【0091】
以上のように、本発明の触媒は、比表面積が小さいことが特徴となっている。この結果は、通常の比表面積が大きい担体に活性分子を高濃度で分散させて高活性の触媒を得る手法と明らかに異なっている。
【産業上の利用可能性】
【0092】
本発明は、特に、熱機関の排ガス浄化に利用することができる。
【符号の説明】
【0093】
1a:反応管、1b:電気炉、1c:粒状触媒、1d:水ポンプ、1e:ガス供給配管、10:触媒、11:担体、12:イリジウム粒子、13:凹部。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
CO及びNOxを含有し、酸素過剰の排ガスを排出する熱機関の排ガス流路に配置される排ガス浄化触媒であって、担体とイリジウムとを含み、前記担体は、シリカ又はリン酸アルミニウムであり、比表面積が140m/g以下であることを特徴とする排ガス浄化触媒。
【請求項2】
前記比表面積が40m/g以下であることを特徴とする請求項1記載の排ガス浄化触媒。
【請求項3】
CO及びNOxを含有し、酸素過剰の排ガスを排出する熱機関の排ガス流路に配置される排ガス浄化触媒であって、担体とイリジウムとを含み、前記担体は、硫酸カルシウムであり、比表面積が2m/g以下であることを特徴とする排ガス浄化触媒。
【請求項4】
シリカ、リン酸アルミニウム又は硫酸カルシウムを担体とし、前記担体を800〜1200℃で焼成し、前記担体にイリジウムを担持して焼成することを特徴とする排ガス浄化触媒の製造方法。
【請求項5】
前記担体にイリジウムを含む溶液を含浸して乾燥することにより、前記担体にイリジウムを担持することを特徴とする請求項4記載の排ガス浄化触媒の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2012−61397(P2012−61397A)
【公開日】平成24年3月29日(2012.3.29)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−206192(P2010−206192)
【出願日】平成22年9月15日(2010.9.15)
【出願人】(000005441)バブコック日立株式会社 (683)
【Fターム(参考)】