JPH0952048A - 窒素酸化物接触還元用触媒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】炭化水素を還元剤として用いる窒素酸化物接触
還元用触媒において、酸素の共存下においても、そし
て、特に、酸素、硫黄酸化物及び水分の共存下において
も、窒素酸化物が炭化水素と選択的に反応するため、多
量の還元剤を用いることなく、排ガス中の窒素酸化物を
効率よく還元することができ、しかも、水分の存在下に
おいても、耐久性にすぐれる窒素酸化物接触還元用触媒
を提供するにある。 【解決手段】本発明による炭化水素を還元剤として用い
る窒素酸化物接触還元用触媒は、固体酸担体に(a) 塩化
銀と、(b) 銀イオン、銀及び酸化銀から選ばれる少なく
とも１種とを担持させてなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭化水素を還元剤とし
て使用する窒素酸化物接触還元用触媒に関し、詳しく
は、工場、自動車等から排出される排ガスの中に含まれ
る有害な窒素酸化物を還元除去するのに好適である窒素
酸化物接触還元用触媒に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、排ガス中に含まれる窒素酸化物
は、窒素酸化物を酸化した後、アルカリに吸収させる方
法や、アンモニア、水素、一酸化炭素、炭化水素等の還
元剤を用いて、窒素に変換する方法等によって除去され
ている。しかしながら、前者の方法によれば、生成する
アルカリ廃液を処理して、公害の発生を防止する方策が
必要である。他方、後者の方法によれば、還元剤として
アンモニアを用いるときは、これが排ガス中のイオウ酸
化物と反応して塩類を生成し、その結果、触媒の還元活
性が低下する問題がある。また、水素、一酸化炭素、炭
化水素等を還元剤として用いる場合でも、これらが低濃
度に存在する窒素酸化物よりも高濃度に存在する酸素と
反応するため、窒素酸化物を低減するためには多量の還
元剤を必要とするという問題がある。

【０００３】このため、最近では、還元剤の不存在下に
窒素酸化物を触媒にて直接分解する方法も提案されてい
るが、しかし、従来、知られているそのような触媒は、
窒素酸化物分解活性が低いために、実用に供し難いとい
う問題がある。また、炭化水素や含酸素化合物を還元剤
として用いる新たな窒素酸化物接触還元用触媒として、
Ｈ型ゼオライトやＣｕイオン交換ＺＳＭ−５等が提案さ
れている。特に、Ｈ型ＺＳＭ−５（ＳｉＯ₂ ／Ａｌ₂ Ｏ
₃ モル比＝３０〜４０）が最適であるとされている。し
かしながら、このようなＨ型ＺＳＭ−５でも、未だ十分
な還元活性を有するものとはいい難く、特に、ガス中に
水分が含まれるとき、ゼオライト構造体中のアルミニウ
ムが脱アルミニウムして、性能が急激に低下するので、
一層高い還元活性を有し、更に、ガスが水分を含有する
場合にも、すぐれた耐久性を有する窒素酸化物接触還元
用触媒が要望されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述したよ
うな事情に鑑みてなされたものであつて、その目的とす
るところは、炭化水素を還元剤として用いる場合に、酸
素の共存下においても、そして、特に、酸素、硫黄酸化
物及び水分の共存下においても、窒素酸化物が炭化水素
と選択的に反応するため、多量の還元剤を用いることな
く、排ガス中の窒素酸化物を効率よく還元することがで
き、しかも、水分の存在下においても、耐久性にすぐれ
る窒素酸化物接触還元用触媒を提供するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による炭化水素を
還元剤として用いる窒素酸化物接触還元用触媒は、固体
酸担体に(a) 塩化銀と、(b) 銀イオン、銀及び酸化銀か
ら選ばれる少なくとも１種とを担持させてなることを特
徴とする。

【０００６】本発明における固体酸担体とは、触媒が使
用される温度領域において固体酸性を示す担体をいう。
固体酸性の確認は、アンモニアを用いた昇温脱離法や、
アンモニア又はピリジンを用いる in situ ＦＴＩＲ
（フーリエ変換赤外線吸収スペクトル）法によりなされ
る。本発明において好適に用いることができるこのよう
な固体酸担体としては、次に示すゼオライト系固体酸担
体や酸化物系固体酸担体等を挙げることができる。

【０００７】ゼオライト系固体酸担体は、Ｎａ−モルデ
ナイト、Ｎａ−ＺＳＭ−５、Ｎａ−ＵＳＹ（ＵＳＹ：ウ
ルトラステイブル又は超安定Ｙ型ゼオライト）、ゼオラ
イト中のアルミニウムの一部又は全部を他の金属元素、
特に、鉄、ガリウム、亜鉛、ランタン、銅、モリブデ
ン、クロム、ゲルマニウム、チタン、ホウ素等にて置換
したメタロシリケート等、耐熱性にすぐれるゼオライト
を硫酸アンモニウム等のアンモニウム塩の水溶液又は硫
酸等の酸で処理して、ゼオライト中のアルカリ金属の一
部又は全部をアンモニウムイオン又は水素イオンにてイ
オン交換することによって得ることができる。アンモニ
ウムイオンでイオン交換する方法による場合は、最後に
焼成処理を必要とする。

【０００８】ゼオライト系固体酸担体の一例として、例
えば、次式

【０００９】

【化１】

【００１０】で表わされるモルデナイト型ゼオライトを
酸処理して得られる酸型モルデナイトであつて、ＳｉＯ
₂ ／Ａｌ₂ Ｏ₃ モル比が１３〜２０であり、且つ、Ｓｉ
Ｏ₂ ／Ｈ₂ Ｏモル比が２５〜２００である酸型モルデナ
イトを挙げることができる。但し、上式中、Ｍはアルカ
リ金属イオンを示し、ｒはゼオライトの合成条件により
変動する値である。

【００１１】また、ゼオライト系固体酸担体の他の一例
として、例えば、次式

【００１２】

【化２】

【００１３】で表わされるゼオライト中のイオンＭ’の
一部又は全部をランタンイオン（Ｌａ ³⁺）、ガリウムイ
オン（Ｇａ³⁺）、セリウムイオン（Ｃｅ⁴⁺）、チタンイ
オン（Ｔｉ⁴⁺）、ジルコニウムイオン（Ｚｒ⁴⁺）、スズ
イオン（Ｓｎ⁴⁺）等にて交換して得られるゼオライトを
挙げることができる。但し、上式中、Ｍ’はアルカリ金
属イオン、アルカリ土類金属イオン又は水素イオンを示
し、ｎＡ＝ｐ（ｎはイオンＭの価数である。）、ｑ／ｐ
≧５である。

【００１４】酸化物系固体酸担体としては、Ａｌ
₂ Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ 、ＴｉＯ₂ ／ＳＯ₄ ^2- 、ＺｒＯ₂ 、Ｚ
ｒＯ₂ ／ＳＯ₄ ^2- 等の単一金属酸化物や、ＳｉＯ₂ ／Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ ／Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ ／ＺｒＯ₂
等の複合酸化物等を挙げることができる。これらのなか
では、耐熱性の点から、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ 、ＳｉＯ
₂ ／Ａｌ₂ Ｏ₃ が好ましい。

【００１５】固体酸担体の他の例としては、ゼオライト
類似の多孔構造又は層状構造を有する一種の結晶性リン
酸アルミニウム（ＡＬＰＯ）や、その近縁物質である結
晶性ケイ酸リン酸アルミニウム（ＳＡＰＯ）、ＡＬＰＯ
のリン又はリン−アルミニウムの一部をチタン、鉄、マ
グネシウム、亜鉛、マンガン、コバルト等の金属で置換
した結晶性リン酸金属アルミニウム（ＭＡＰＯ）等を挙
げることができる。

【００１６】ＡＬＰＯ型のリン酸塩は、上記のリン酸源
及び金属源と、シリカ、シリカゾル、ケイ酸ナトリウム
等のなかから選ばれた所望の組合せに、アミン、第四級
アンモニウム等の所謂テンプレートを混合した原料か
ら、ゼオライトを合成する場合と類似した条件下で、水
熱合成法によつて調製することができる。ゼオライトを
合成する場合との主な相違点は、一般に、より高温（概
ね１５０℃以上）で酸性領域で合成されることである。

【００１７】ＡＬＰＯタイプのリン酸塩の組成は、一般
に、Ａｌ₂ Ｏ₃ ・（0.８〜1.２）・Ｐ₂ Ｏ₅ ・ｎＨ₂ Ｏ
で表わされる。また、ＳＡＰＯ又はＭＡＰＯの場合にお
いては、置換するシリカ及び金属の最大量は、アルミニ
ウム及びリンの総量の約１／１０程度であるが、本発明
においては、必ずしもこの組成範囲に入つていないも
の、即ち、非晶質を含んでいるものを使用してもよい。
水熱合成法により得られるＡＬＰＯ型のリン酸塩を担体
として使用する場合は、一般に、水洗、乾燥した後、空
気中で焼成して、残存しているテンプレートを焼却除去
したものが用いられる。

【００１８】本発明においては、上述した種々の固体酸
担体のなかでは、得られる触媒が水の共存下においても
高い耐久性を有すると共に、塩化銀と共に、銀イオン、
銀及び酸化銀の担持効果にすぐれるアルミナが特に好ま
しく用いられる。特に、アルミナのなかでも、特開平７
−１７１３４７号公報に記載されているように、アルカ
リ金属及びアルカリ土類金属の含有量が0.５重量％以下
であり、径６０オングストローム以下の細孔から形成さ
れる細孔容積が0.０６cm³ ／ｇ以上、径８０オングスト
ローム以下の細孔から形成される細孔容積が0.１cm³ ／
ｇ以上であるアルミナが特に好ましく用いられる。この
ような細孔容積を有する多孔質のアルミナは、還元剤の
適度な酸化を促進し、これに担持されている塩化銀や、
銀イオン、銀又は酸化銀と協同して、窒素酸化物を効果
的に接触還元することができる。

【００１９】本発明による触媒は、例えば、次に示す
（１）又は（２）の方法に従って調製することができ
る。 （１）固体酸を分散させたスリラー中に硝酸銀等の水溶
性銀塩を投入し、スラリーのｐＨを銀水酸化物の生成し
ない8.０近傍に維持して、固体酸のイオン交換サイトに
銀イオンを固定する。これは銀イオンを固定した固体酸
触媒である。

【００２０】ここに、固体酸としてアルミナを用いた場
合は、このようにして、銀イオンを固定した固体酸を、
その銀イオンを固定するのに十分な塩素イオンを含有す
る水溶液、例えば、塩酸水溶液中に浸漬することによっ
て、塩化銀を生成させた後、過剰の塩素イオンを水洗等
によって除去することによって、塩化銀を担持させた固
体酸触媒を得ることができる。次に、上述したようにし
て調製した銀イオンを担持させた固体酸触媒と塩化銀を
担持させた固体酸触媒とを遊星ミル等を用いて均一に混
合することによって、塩化銀と共に銀イオンを担持させ
た固体酸触媒を得ることができる。

【００２１】（２）例えば、硝酸アルミニウム等のよう
な固体酸の前駆体である水溶性塩と硝酸銀等のような水
溶性銀塩を均質に混合した水溶液を調製し、この水溶液
を所定量の塩化銀が得られるように量設定した塩素イオ
ンの存在下で中和する等の方法によって、沈殿物を生成
させ、次いで、この沈殿物を濾過、水洗、リパルプを繰
り返して行なった後、乾燥した後、加熱焼成することに
よって、固体酸を生成させると同時に、塩化銀と共に、
銀（及び／又は酸化銀）をその固体酸に担持させること
ができる。上記加熱焼成温度は、通常、３００〜７００
℃程度である。

【００２２】上記（１）の方法によって得られる銀イオ
ン担持固体酸触媒と塩化銀担持固体酸触媒とを混合すれ
ば、塩化銀と共に銀イオンを担持した固体酸触媒を得る
ことができる。この触媒と上記（２）の方法によって得
られた触媒とを混合すれば、塩化銀と銀イオンと共に、
銀（及び／又は酸化銀）を担持した固体酸触媒を得るこ
とができる。

【００２３】本発明による触媒において、前記(a) 成分
と(b) 成分とは、銀換算のモル比にて、(b) 成分に対し
て、(a) 成分が0.０１〜１００の範囲にて担持されてい
ると共に、(a) 成分と(b) 成分とは、その合計量にて、
固体酸担体と(a) 成分と(b)成分の合計重量において、
0.０１〜１０重量％の範囲で担持されていることが好ま
しい。

【００２４】本発明によれば、(a) 成分と(b) 成分の合
計量の担持量が１０重量％を越えるときは、得られる触
媒の酸化力が高すぎて、選択性に劣り、担持量が0.０１
重量％よりも少ないときは、触媒活性が十分でない。特
に、本発明においては、塩化銀の担持量は、0.１〜５重
量％の範囲であることが好ましい。担持量がこの範囲に
あるときは、窒素酸化物の接触還元反応のＳＶ依存性が
極めて小さいというすぐれた特性を得ることができる。

【００２５】更に、本発明に従って、(b) 成分（銀イオ
ン、銀及び／又は酸化銀）に対して、(a) 成分（塩化
銀）が上述したような割合にて担持されている触媒は、
(b) 成分のみが担持された固体酸触媒に比べて、適度な
酸化力を有し、塩素が炭化水素の部分酸化或いはクラッ
キングを促進するので、炭化水素を還元剤として用いる
窒素酸化物の接触還元反応において、高い活性と選択性
とを有するものとみられる。特に、本発明によれば、銀
換算のモル比にて、(b) 成分に対して、(a) 成分が0.１
〜２０の範囲にて担持されていることが好ましい。更
に、その理由は未だ完全には明らかではないが、本発明
によれば、塩化銀の比率が増加すると共に、最高活性を
示す温度が低温側に移動するので、(b) 成分に対する
(a) 成分の担持割合を調節することによって、排ガス温
度に対応して最高の活性を有するように触媒設計を行な
うことができる。

【００２６】本発明による触媒は、従来、知られている
成形方法によって、それ自体にて、ハニカム状、球状等
の種々の形状に成形することができる。この成形の際
に、成形助剤、成形体補強体、無機繊維、有機バインダ
ー等を適宜配合してもよい。また、本発明による触媒
は、予め成形された不活性な基材上にウオッシュコート
法等によって被覆担持させることもできる。上記基材と
しては、例えば、コージエライトのような粘土からなる
ハニカム構造体に担持させることができる。更に、必要
に応じて、従来、知られているその他の触媒の任意の調
製法によることもできる。

【００２７】本発明による触媒を用いる窒素酸化物の接
触還元において、炭化水素からなる還元剤としては、例
えば、気体状のものとして、メタン、エタン、プロパ
ン、プロピレン、ブチレン等の炭化水素ガス、液体状の
ものとして、ペンタン、ヘキサン、オクタン、ヘプタ
ン、ベンゼン、トルエン、キシレン等の単一成分系の炭
化水素、ガソリン、灯油、軽油、重油等の鉱油系炭化水
素等を用いることができる。特に、本発明によれば、上
記したなかでも、エチレン、プロピレン、イソブチレ
ン、１−ブテン、２−ブテン等の低級アルケン、プロパ
ン、ブタン等の低級アルカン、軽油等が還元剤として好
ましく用いられる。これら炭化水素は、単独で用いても
よく、又は必要に応じて二種以上併用してもよい。

【００２８】上記還元剤としての炭化水素は、用いる具
体的な炭化水素によって異なるが、通常、窒素酸化物に
対するモル比にて、0.１〜２程度の範囲にて用いられ
る。炭化水素の使用量が窒素酸化物に対するモル比に
て、0.１未満であるときは、窒素酸化物に対して十分な
還元活性を得ることができず、他方、モル比が２を越え
るときは、未反応の炭化水素の排出量が多くなるため
に、窒素酸化物の接触還元処理の後に、これを回収する
ための後処理が必要となる。

【００２９】尚、排ガス中に存在する燃料等の未燃焼物
乃至不完全燃焼生成物、即ち、炭化水素類やパティキュ
レート類等も還元剤として有効であり、これらも本発明
における炭化水素に含まれる。このことから、見方を変
えれば、本発明による触媒は、排ガス中の炭化水素類や
パティキュレート類等の減少或いは除去触媒としても有
用であるということができる。

【００３０】上記還元剤が窒素酸化物に対して選択的還
元反応を示す温度は、アルキン＜アルケン＜芳香族系炭
化水素＜アルカンの順に高くなる。また、同系の炭化水
素においては、炭素数が大きくなるに従って、その温度
は低くなる。本発明による触媒が窒素酸化物に対して還
元活性を示す最適な温度は、使用する還元剤や触媒種に
より異なるが、通常、１００〜８００℃である。この温
度領域においては、空間速度（ＳＶ）５００〜１０００
００程度で排ガスを流通させることが好ましい。本発明
において特に好適な温度領域は２００〜５００℃であ
る。

【００３１】

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、
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。

【００３２】（１）触媒の調製 実施例１ 硝酸銀（ＡｇＮＯ₃ ）4.７５ｇをイオン交換水１００ｍ
ｌに溶解させた。これに予め１２０℃にて２４時間乾燥
させたγ−アルミナ（住友化学工業（株）製ＫＣ−５０
１）粉末６０ｇを投入し、攪拌下、ｐＨ８に設定したｐ
ＨコントローラにてｐＨを調節しながら、１／１０規定
のアンモニア水を滴下した。滴下終了後、１時間熟成し
て、銀イオンを上記γ−アルミナ上にイオン交換によっ
て担持させた。このようにして得られたスラリーを濾過
して、銀イオンを担持させたγ−アルミナ粉末を集め、
これをイオン交換水にて十分に洗浄した。

【００３３】このようにして得られた銀イオンを担持さ
せたγ−アルミナ粉末の１／３を１００℃で１８時間加
熱乾燥して、銀イオンを担持量５重量％で担持させてγ
−アルミナ粉末２１ｇを得た。銀イオンを担持させたγ
−アルミナ粉末の残りの２／３を塩酸水溶液１５０ｍｌ
中に投入し、１０分間攪拌した後、スラリーを濾過し、
イオン交換水にて十分に洗浄して、銀重量換算にて塩化
銀を担持量５重量％にて担持させたγ−アルミナ粉末４
３ｇを得た。

【００３４】このようにして得た銀イオン担持アルミナ
と塩化銀担持アルミナとの全量を蒸留水１００ｍｌに加
え、更に、ジルコニアボール１００ｍｌを加え、遊星ミ
ルにて１０分間混合粉砕して、スラリーを得た。次い
で、このスラリーを小型噴霧乾燥機で乾燥し、塩化銀／
銀イオンモル比２／１で塩化銀と銀イオンとを合計で担
持量５重量％で担持させてなるγ−アルミナ粉末を得
た。この触媒をＡ−１という。

【００３５】実施例２ 実施例１において、塩化銀担持アルミナを９０重量部用
い、銀イオン担持アルミナを１０重量部用いた以外は、
実施例１と同様にして、塩化銀／銀イオンモル比９／１
で塩化銀と銀イオンとを合計で担持量５重量％で担持さ
せてなるγ−アルミナ粉末を得た。この触媒をＡ−２と
いう。

【００３６】実施例３ 実施例１において、塩化銀担持アルミナを５０重量部用
い、銀イオン担持アルミナを５０重量部用いた以外は、
実施例１と同様にして、塩化銀／銀イオンモル比１／１
で塩化銀と銀イオンとを合計で担持量５重量％で担持さ
せてなるγ−アルミナ粉末を得た。この触媒をＡ−３と
いう。

【００３７】実施例４ 実施例１において、塩化銀担持アルミナを１０重量部用
い、銀イオン担持アルミナを２０重量部用いた以外は、
実施例１と同様にして、塩化銀／銀イオンモル比１／２
で塩化銀と銀イオンとを合計で担持量５重量％で担持さ
せてなるγ−アルミナ粉末を得た。この触媒をＡ−４と
いう。

【００３８】実施例５ 実施例１において、塩化銀担持アルミナを１０重量部用
い、銀イオン担持アルミナを９０重量部用いた以外は、
実施例１と同様にして、塩化銀／銀イオンモル比１／９
で塩化銀と銀イオンとを合計で担持量５重量％で担持さ
せてなるγ−アルミナ粉末を得た。この触媒をＡ−５と
いう。

【００３９】実施例６ 硝酸銀を0.９５ｇ用いた以外は、実施例１と同様にし
て、塩化銀／銀イオンモル比２／１で塩化銀と銀イオン
とを合計で担持量１重量％で担持させてなるγ−アルミ
ナ粉末を得た。この触媒をＡ−６という。

【００４０】実施例７ 実施例１と同じγ−アルミナ１kg、硝酸銀７9.２ｇ、ポ
リエチレンオキシド（住友精化（株）製ＰＥＯ−１０）
１kg及び適量の水を十分に混練した後、オーガスクリュ
ー式押出成形機にてセル数２００のハニカム成形物に押
出成形した。このハニカム成形物を常温にて通風乾燥し
た後、１００℃で一夜加熱乾燥し、更に、５００℃で３
時間焼成して、銀（及び／又は酸化銀）を担持させたア
ルミナからなるハニカム成形物を得た。

【００４１】次いで、この銀（及び／又は酸化銀）を担
持させたアルミナからなるハニカム成形物５０ｇを塩素
イオン0.８２ｇを含む塩酸水溶液中に投入し、銀（及び
／又は酸化銀）の一部を塩素化して、銀重量換算にて担
持量５重量％にて塩化銀と共に（銀及び／又は酸化銀）
を担持させてなるγ−アルミナからなるハニカム触媒を
得た。この触媒において、塩化銀／銀（及び／又は酸化
銀）モル比は８／２であった。この触媒をＡ−７とい
う。

【００４２】比較例１ 実施例１において調製した銀イオンの担持量５重量％の
γ−アルミナ粉末を触媒Ｂ−１とする。 比較例２ 実施例５において調製した銀（及び／又は酸化銀）担持
量５重量％のγ−アルミナからなるハニカム触媒をＢ−
２とする。

【００４３】（２）評価試験 以上の本発明による触媒（Ａ−１〜７）と比較例の触媒
（Ｂ−１〜２）を用いて、下記の試験条件にて、窒素酸
化物含有ガスの窒素酸化物接触還元を行ない、窒素酸化
物の除去率をケミカルルミネッセンス法にて求めた。

【００４４】（試験条件） （但し、還元剤として軽油を用いた場合、軽油はＣ換算
でＣ１２とした。） （２）空間速度 ２５０００（Ｈｒ^-1） （３）反応温度 ２５０℃、３００℃、３５０℃、
４００℃、４５０℃又は５００℃ 結果を表１に示す。

【００４５】

【表１】

【００４６】表１に示す結果から明らかなように、本発
明による触媒は、いずれも窒素酸化物の窒素の除去率が
高いのに対して、比較例による触媒は、総じて、除去率
が低い。

【００４７】

【発明の効果】以上のように、本発明による窒素酸化物
接触還元用触媒は、炭化水素を還元剤として用いて、酸
素及び水分の共存下においても、排ガス中の窒素酸化物
を効率よく接触還元することができ、更に、耐久性にす
ぐれる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田畑 啓一 大阪府堺市戎島町５丁１番地 堺化学工業 株式会社中央研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体酸担体に(a) 塩化銀と、 (b) 銀イオン、銀及び酸化銀から選ばれる少なくとも１
   種 とを担持させてなることを特徴とする炭化水素を還元剤
   として用いる窒素酸化物接触還元用触媒。
2. 【請求項２】銀換算のモル比にて、(b) 成分に対して、
   (a) 成分が0.０１〜１００の範囲にて担持されている請
   求項１に記載の窒素酸化物接触還元用触媒。
3. 【請求項３】(a) 成分と(b) 成分との合計の担持量が0.
   ０１〜１０重量％の範囲である請求項１又は２に記載の
   窒素酸化物接触還元用触媒。
4. 【請求項４】固体酸担体がアルミナである請求項１乃至
   ３いずれかに記載の窒素酸化物接触還元用触媒。