JP6546731B2 - ハニカム触媒 - Google Patents
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Description
(1)複数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に並設されたハニカムユニットを備えたハニカム触媒であって、
前記ハニカムユニットが、ゼオライト及び無機バインダを含み、
前記ゼオライトが、以下の条件(A)〜(D)のすべてを満たすハニカム触媒。
(A)組成比SiO2/Al2O3が15未満でCHA構造を有する。
(B)ゼオライトに対して3.5〜6.0質量%のCuが担持されている。
(C)平均粒子径が0.05〜1μmである。
(D)ハニカムユニット全体に対して150〜350g/L含む。
本発明においては、CHA構造を有するゼオライトの組成比SiO2/Al2O3が小さく、すなわちAl2O3の比率が高いため、活性点が多く、多量のCuを担持することができる。また、組成比SiO2/Al2O3が15を超えると、NOxの浄化率が低下してしまう。その理由は、SiO2/Al2O3が高いと、担持できる触媒として機能するCu量が少なくなるためである。一方、ゼオライトの比率が高いと通常であればゼオライトの吸脱水による膨張収縮によるハニカムユニットの変位が起こりやすいが、本発明においてはゼオライトの比率が高くても、平均粒子径を0.05〜1μmに調整することでハニカムユニットの吸水変位を小さくすることができる。すなわち、本発明のハニカム触媒は、ゼオライトを上記のように規定することで、優れたNOxの浄化性能と、吸水変位量の低減を両立したものである。また、ゼオライトの平均粒子径が1μmを超えると、ハニカム触媒とした時の吸水変位量が大きくなり、ハニカム触媒にクラックが生じるおそれがある。
ゼオライトの平均粒子径を上記範囲とすることで、ハニカムユニットの吸水変位をより小さくすることができ、クラックが生じることを防ぐことができる。
上記含有量の無機粒子を含有することで、優れたNOx浄化性能を維持しつつ、ハニカムユニットの線膨張係数の絶対値を小さくすることができ、熱応力による破損を防止することができる。つまり、本発明のハニカムユニットに含まれるゼオライトは負の線膨張係数を有しているのに対して、正の線膨張係数をもつ無機粒子を加えることで、ハニカムユニットとした時の線膨張係数の絶対値を小さくできるのである。
無機粒子の平均粒子径が上記範囲とすることで、ハニカムユニットの強度を高めることができ、また気孔径をより効果的に調整することができる。5μmより大きいと、ゼオライト及び無機粒子の接点が少なくなり強度が低下することがある。また、0.01μmより小さいと、ハニカムユニットの気孔径が小さくなりすぎ、NOx浄化性能が低下することがある。
ゼオライトの平均粒子径(X)と無機粒子の平均粒子径(Y)との比が上記範囲であると、NOxの浄化性能に優れるともに、十分な強度が得られ、クラックの発生を防止することができる。
ハニカムユニットに無機繊維を含有することで、強度をさらに向上させることができる。
ハニカムユニットにおける貫通孔の密度と隔壁の厚さを上記範囲とすることで高いNOx浄化性能を得ることができる。
本発明のハニカム触媒は上記のようなサイズの円柱状とすることで、自動車に搭載するのに適している。
(A)組成比SiO2/Al2O3が15未満でCHA構造を有する。
(B)ゼオライトに対して3.5〜6.0質量%のCuが担持されている。
(C)平均粒子径が0.05〜1μmである。
(D)ハニカムユニット全体に対して150〜350g/L含む。
以下に、本発明のハニカム触媒を構成する各成分について詳述する。
本発明に係るゼオライトは、上記条件(A)〜(D)のすべてを満たす。すなわち、本発明に係るゼオライトは、組成比SiO2/Al2O3が15未満のCHA構造を有するゼオライト(以下、「CHA型ゼオライト」とも呼ぶ。)であって、3.5〜6.0質量%のCuが担持されており、平均粒子径が0.05〜1μmであり、かつハニカムユニット全体に対して150〜350g/L含む。
フッ化リチウムのX線回折スペクトルの(111)面及び(200)面の積分強度の和に対するゼオライトの(211)面、(104)面及び(220)面の積分強度の和(X線積分強度比)は、3.1以上であることが好ましい。
上記CHA型ゼオライトの組成比SiO2/Al2O3とは、ゼオライト中のAl2O3に対するSiO2のモル比(SAR)を意味している。そして、本発明に係るCHA型ゼオライトの組成比SiO2/Al2O3は、15未満であるが、5〜14.9であることが好ましく、10〜14.9であることがより好ましい。
本発明に係るCHA型ゼオライトは、組成比SiO2/Al2O3が15未満であるので、ゼオライトの酸点を充分な数とすることができ、その酸点を利用して金属イオンとイオン交換することができ、Cuを多く担持することができるので、NOxの浄化性能に優れている。CHA型ゼオライトの組成比SiO2/Al2O3が15を超えると、Cuの担持量が少なく、NOxの浄化率が低下してしまう。
なお、ゼオライトのモル比(SiO2/Al2O3)は、蛍光X線分析(XRF)を用いて測定することができる。
本発明に係るゼオライトにおいては、ゼオライトに対してCuが3.5〜6.0質量%担持されている。Cuが3.5〜6.0質量%担持されていることで、少量のゼオライトで、高いNOx浄化性能が得られる。Cuが3.5質量%未満の場合は、NOx浄化性能が低くなり、Cuが6.0質量%を超えると、高温でアンモニア酸化が促進され、NOxの浄化性能が低下する。当該Cuは4.0〜5.5質量%担持されることが好ましい。
本発明に係るCHA型ゼオライトの平均粒子径は、0.05〜1μmであり、0.05〜0.5μmであることが好ましい。このような小さな平均粒子径を有するゼオライトを用いてハニカム触媒を製造した場合、吸水変位量が小さくなる。
本発明のハニカム触媒において、CHA型ゼオライトをハニカムユニット全体に対して150〜350g/L含む。CHA型ゼオライトの含有量が150g/L未満であるとNOxの浄化性能が低下し、350g/Lを超えるとハニカムユニットの吸水変位が大きくなりクラックが発生する。当該含有量は150〜250g/Lであることが好ましい。
Si源としては、例えば、コロイダルシリカ、無定型シリカ、珪酸ナトリウム、テトラエチルオルトシリケート、アルミノシリケートゲル等を用いることができ、これらを二種以上併用してもよい。これらの中では、粒子径が0.1〜0.5μmのゼオライトを得ることができる点で、コロイダルシリカが好ましい。
構造規定剤としては、N,N,N−トリアルキルアダマンタンアンモニウムをカチオンとする水酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩、メチルカーボネート塩、硫酸塩及び硝酸塩;及びN,N,N−トリメチルベンジルアンモニウムイオン、N−アルキル−3−キヌクリジノールイオン、またはN,N,N−トリアルキルエキソアミノノルボルナンをカチオンとする水酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩、メチルカーボネート塩、硫酸塩及び硝酸塩からなる群から選ばれる少なくとも一種を用いることができる。これらの中では、N,N,N−トリメチルアダマンタンアンモニウム水酸化物(以下、TMAAOHとも記載する)、N,N,N−トリメチルアダマンタンアンモニウムハロゲン化物、N,N,N−トリメチルアダマンタンアンモニウム炭酸塩、N,N,N−トリメチルアダマンタンアンモニウムメチルカーボネート塩及びN,N,N−トリメチルアダマンタンアンモニウム硫酸塩からなる群から選ばれる少なくとも一種を用いることが好ましく、TMAAOHを用いることがより好ましい。
本発明のハニカム触媒において、ハニカムユニットに含まれる無機バインダとしては、特に限定されないが、ハニカム触媒としての強度を保つという観点から、アルミナゾル、シリカゾル、チタニアゾル、水ガラス、セピオライト、アタパルジャイト、ベーマイト等に含まれる固形分が好適なものとして挙げられ、二種以上併用してもよい。
本発明のハニカム触媒において、ハニカムユニットは、ハニカムユニットの強度を向上させ、気孔径を調整するために、無機粒子をさらに含むことが好ましい。
なお、無機粒子の平均粒子径は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布(体積基準)における積算値50%での粒径(Dv50)である。
本発明のハニカム触媒において、ハニカムユニットは、強度を向上させるために、無機繊維をさらに含むことが好ましい。
本発明のハニカム触媒は、以上の成分から構成され、複数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に並設されたハニカムユニットを備えたハニカム触媒である。
ハニカムユニットを7セル×7セル×10mmの大きさに切断して測定試料とし、この試料をイオン交換水およびアセトンを用いて超音波洗浄した後、オーブンにて100℃で乾燥する。次いで、測定顕微鏡(Nikon製Measuring Microscope MM-40倍率100倍)を用いて、試料の断面形状の寸法を計測し、幾何学的な計算から体積を求める。なお、幾何学的な計算から体積を求めることができない場合は、断面写真の画像処理により体積を計算する。
その後、計算上求められた体積およびピクノメーターで測定した試料の真密度から、試料が完全な緻密体であったと仮定した場合の重量を計算する。
なお、ピクノメーターでの測定手順は、以下の通りとする。ハニカムユニットを粉砕し、23.6ccの粉末を調整し、得られた粉末を200℃で8時間乾燥させる。その後、Auto Pycnometer 1320(Micromeritics社製)を用いて、JIS−R−1620(1995)に準拠し真密度を測定する。なお、この時の排気時間は40minとする。
次に、試料の実際の重量を電子天秤(島津製作所製 HR202i)にて測定し、気孔率を以下の計算式にて計算する。
100−(実際の重量/緻密体としての重量)×100(%)
なお、本発明のハニカム触媒が円柱状の場合、直径が140〜350mm、長さが75〜310mmであることが好ましい。
まず、ゼオライトと無機バインダとを含み、必要に応じて、無機繊維や無機粒子をさらに含む原料ペーストを用いて押出成形し、複数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に並設されている円柱状のハニカム成形体を作製する。
造孔材としては、特に限定されないが、ポリスチレン粒子、アクリル粒子、澱粉等が挙げられ、二種以上併用してもよい。これらの中では、ポリスチレン粒子が好ましい。
外周コート層用ペーストとしては、特に限定されないが、無機バインダ及び無機粒子の混合物、無機バインダ及び無機繊維の混合物、無機バインダ、無機粒子及び無機繊維の混合物等が挙げられる。
まず、ハニカム触媒10を構成するハニカムユニット11と同様にして、扇柱状のハニカムユニット11´を作製する。次に、ハニカムユニット11´の円弧側を除く外周面に接着層用ペーストを塗布して、ハニカムユニット11´を接着させ、乾燥固化することにより、ハニカムユニット11´の集合体を作製する。
(ハニカム触媒の作製)
表1に示すCHA型ゼオライトを22.7質量%、平均粒子径0.2μmの酸化チタンを20.2質量%、無機バインダとして擬ベーマイトを6.8質量%、平均繊維長が100μmのガラス繊維を6.8質量%、メチルセルロースを6.2質量%、界面活性剤を3.4質量%、造孔材として平均粒子径が0.8μmのポリスチレン粒子を4.8質量%及びイオン交換水を29.2質量%混合混練して、原料ペーストを調製した。なお、ゼオライトは銅イオン交換後のものを用いた。
CHA型ゼオライトを表1に示すものに変更したこと以外は実施例1と同様にして実施例2のハニカム触媒を作製した。
表1に示すCHA型ゼオライトを22.2質量%、平均粒子径0.04μmのジルコニアを24.8質量%、無機バインダとして擬ベーマイトを5.8質量%、平均繊維長が100μmのガラス繊維を5.8質量%、メチルセルロースを6.2質量%、界面活性剤を3.4質量%及びイオン交換水を31.7質量%混合混練して、原料ペーストを調製した。なお、ゼオライトは銅イオン交換後のものを用いた。
次いで、調製した原料ペーストを用い、実施例1と同様にして実施例3のハニカム触媒を作製した。
CHA型ゼオライトを表1に示すものに変更したこと以外は実施例3と同様にして実施例4のハニカム触媒を作製した。
表1に示すCHA型ゼオライトを23.8質量%、平均粒子径0.2μmの酸化チタンを21.2質量%、無機バインダとして擬ベーマイトを7.1質量%、平均繊維長が100μmのガラス繊維を7.1質量%、メチルセルロースを6.5質量%、界面活性剤を3.6質量%及びイオン交換水を30.7質量%混合混練して、原料ペーストを調製した。なお、ゼオライトは銅イオン交換後のものを用いた。
次いで、調製した原料ペーストを用い、実施例1と同様にして実施例5のハニカム触媒を作製した。
CHA型ゼオライトを表1に示すものに変更したこと以外は実施例5と同様にして実施例6のハニカム触媒を作製した。
CHA型ゼオライトを表1に示すものに変更したこと以外は実施例3と同様にして比較例1のハニカム触媒を作製した。
CHA型ゼオライトを表1に示すものに変更したこと以外は実施例1と同様にして比較例2のハニカム触媒を作製した。
ハニカムユニットからダイヤモンドカッターを用いて、直径25.4mm、長さ38.1mmの円柱状試験片を切り出した。この試験片を、温度:650℃、時間:75hr、ガス組成(水:10% 酸素:21% 窒素(balance))、ガス流量:1L/minの条件で、熱処理を施した。この試験片に、200℃の模擬ガスを空間速度(SV)を100000/hrで流しながら、触媒評価装置(堀場製作所製、SIGU−2000/MEXA−6000FT)を用いて、試験片から流出するNOx流出量を測定し、下記の式(1)
(NOxの流入量−NOxの流出量)/(NOxの流入量)×100・・・(1)
で表されるNOxの浄化率[%]を算出した。なお、模擬ガスの構成成分は、一酸化窒素262.5ppm、二酸化窒素87.5ppm、アンモニア350ppm、酸素10%、二酸化炭素5%、水5%、窒素(balance)とした。
同様に、525℃の模擬ガスをSV:150000/hrで流しながら、NOxの浄化率[%]を算出した。この時の模擬ガスの構成成分は、一酸化窒素315ppm、二酸化窒素35ppm、アンモニア385ppm、酸素10%、二酸化炭素5%、水5%、窒素(balance)とした。実施例1〜6及び比較例1〜2で得られたゼオライトを使用したハニカム触媒のNOxの浄化率を表1に示す。
ハニカムユニットからダイヤモンドカッターを用いて、一辺が35mm、長さが10mmの正四角柱状の試験片を切り出した。この試験片を乾燥機にて200℃、2hr乾燥した。その後、測定顕微鏡(Nikon製Measuring Microscope MM-40 倍率100倍)を用いて、絶乾時の最外壁間の距離(試験片のハニカム最外壁から反対側の最外壁間の距離)を測定した。測定位置は、試験片の外周辺の中心部で、片側のみとした。次いで、試験片を水中に1hr浸漬し、エアブローでサンプル表面の水を除去した後、同様の測定方法で、吸水時の最外壁間の距離を測定した。吸水変位は、式(2)
(絶乾時の最外壁間の距離−吸水時の最外壁間の距離)/(絶乾時の最外壁間の距離)×100・・・(1)
で算出した。実施例1〜6及び比較例1〜2で得られたゼオライトを使用したハニカム触媒の吸水変位を表1に示す。
11、11´ ハニカムユニット
11a 貫通孔
11b 隔壁
12 外周コート層
13 接着層
Claims (7)
- 複数の貫通孔が隔壁を隔てて長手方向に並設されたハニカムユニットを備えたハニカム触媒であって、
前記ハニカムユニットが、ゼオライト及び無機バインダを含み、
前記ゼオライトが、以下の条件(A)〜(D)のすべてを満たすハニカム触媒。
(A)組成比SiO2/Al2O3が5〜14.9でCHA構造を有する。
(B)ゼオライトに対して3.5〜6.0質量%のCuが担持されている。
(C)平均粒子径が0.05〜0.5μmである。
(D)ハニカムユニット全体に対して150〜350g/L含む。 - 前記ハニカムユニットがさらに無機粒子を含み、該無機粒子の含有量がハニカムユニットあたり10〜50体積%である請求項1に記載のハニカム触媒。
- 前記無機粒子の平均粒子径が、0.01〜5μmである請求項2に記載のハニカム触媒。
- 前記ゼオライトの平均粒子径(X)と前記無機粒子の平均粒子径(Y)の比(Y/X)が1/10〜5である請求項2又は3に記載のハニカム触媒。
- 前記ハニカムユニットがさらに無機繊維を含む請求項1〜4のいずれか1項に記載のハニカム触媒。
- 前記ハニカムユニットの長手方向に垂直な断面の貫通孔の密度が62〜186個/cm2であり、前記ハニカムユニットの隔壁の厚さが0.1〜0.3mmである請求項1〜5のいずれか1項に記載のハニカム触媒。
- 直径が140〜350mm、長さが75〜310mmの円柱状である請求項1〜6のいずれか1項に記載のハニカム触媒。
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