JP3550709B2 - Method for producing exhaust gas purifying catalyst - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は排気ガス浄化用触媒の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
三元触媒、酸化触媒、酸素過剰雰囲気でのNOx浄化を図るNOx浄化用触媒等の排気ガス浄化用触媒は、無機多孔質の担体に活性種(触媒金属)を担持させて構成されている。
【0003】
上記担体への活性種の担持にあたっては、担体に活性種の溶液を含浸させて乾燥させる含浸法、活性種の溶液に粉末状の担体を分散させてなるスラリーを蒸発乾固する蒸発乾固法、活性種をゼオライト等の金属含有シリケート(多数の細孔を有する結晶質の多孔質体)の陽イオンと交換させるイオン交換法など種々の方法が採用されている。例えば、特開平4−243545号公報には、ゼオライト担体に活性種としてのPtやRhをイオン交換法によって担持させる方法が記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記含浸法、蒸発乾固法、イオン交換法のいずれにおいても、担持に比較的長い時間を要するという不具合がある。また、活性種とその溶媒との比重差や、活性種溶液と担体との比重差からスラリーの性状が不均一なものになり易いことから、担持に長時間を要する上記各種の方法では担体への均一担持が難しい。特に、複数種類の活性種を担体に担持させる場合、それらの活性種の溶媒の種類が互いに異なるものであれば、各活性種溶液が層状に分離し易く、それらを担体に均一に担持させることがより難しくなる。
【0005】
また、上記蒸発乾固法では、複数種類の活性種を担体に担持させる場合に、各活性種の溶媒の沸点が互いに異なるものであれば、沸点の低い溶媒に存する活性種から順に担持されていく傾向にあり、複数種類の活性種を担体に均一に分散担持させることが難しい。しかも、活性種の熱履歴(スラリーを加熱して蒸発乾固させていくときビーカー内の温度分布が異なることによって活性種同士の熱履歴が互いにが異なる)がその触媒としての活性に影響を与える問題があり、従って、工程管理が難しい。
【0006】
また、イオン交換法においても同様の問題があり、同時に複数種類の活性種を担体に担持させようとすると、イオン交換され易い活性種が優先的に担持され、所期の比率で複数種類の活性種を担持させることは難しい。また、複数の活性種を順にイオン交換担持させようとすると、先にイオン交換によって担持された活性種が次の活性種のイオン交換担持の際に離脱する場合がある。
【0007】
すなわち、本発明の課題は、活性種を担体に短時間で担持できるようにすること、さらに、複数種類の活性種を同時に且つ均一に分散させて担持できるようにすることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段及びその作用】
本発明は、このような課題に対して、スラリーを液滴状態にして熱風と接触させることにより、活性種を担体に担持させるものである。
【0009】
すなわち、上記課題を解決する第1の手段(請求項1に記載の発明)は、
複数種類の活性種を含み溶媒が水と有機溶媒との混合溶媒である溶液に粒径が1〜6μmである粉末状の担体を分散させるとともに硝酸量を調整してpH4〜8のスラリーを形成し、該スラリーを噴霧によって液滴状態にして熱風と接触させて急速乾燥させることにより上記複数種類の活性種を上記粉末状の担体に担持させることを特徴とする。
【0010】
活性種の種類については特に限定されるものでなく、Pt、Ir、Rh等の貴金属を初めとして、貴金属以外の遷移金属、あるいはアルカリ土類金属等の典型元素であっても適用が可能である。
【0011】
活性種の溶媒については水とアルコール等の有機溶媒との混合溶媒であればよい。
【0012】
上記粉末状担体の粒径(なお、ここでいう粒径は2次粒子径のことである)を1〜6μmとしたのは、6μmを越える大きなものであるときには熱風との接触によるスラリーの乾燥が難しくなり、あるいは噴霧が難しくなるため活性種の担持量が低下し、また、1μm未満であれば活性種の担持量が低下するとともに、この活性種が担持された粉末の回収が難しくなるからである。
【0013】
上記スラリーの噴霧(スプレードライ法)には、ディスクアトマイザー、加圧ノズル、二流体ノズルなどを用いることができる。そして、スラリーが噴霧によって微小液滴になるから、より急速な乾燥が図れるとともに、触媒粉の微細化が図れる。
【0014】
熱風と上記液滴状態との接触には、向流方式、並流方式、複合流方式などを適宜選ぶことができる。
【0015】
しかして、当手段においては、複数種類の活性種及び粉末状担体を含み、さらに水と有機溶媒とを含むスラリーが液滴状態で熱風と接触するから、溶媒が急速に揮発して複数種類の活性種が担体に均一に分散担持された状態になり、しかも、粒径の小さな触媒粉を短時間に得ることができる。この場合、活性種溶液と粉末担体とをスラリー状態で長時間置く必要はないから、上記比重の違いは問題にならず、また、スラリー自体を別途加熱することは特に必要ではないから、活性種の熱履歴の問題はない。
【0016】
また、当手段においては、スラリーを形成する際に硝酸量を調整してpH4〜8とするから、得られる排気ガス浄化用触媒の排気ガス浄化性能が向上する。
【0017】
上記課題を解決する第2の手段(請求項2に記載の発明)は、上記第1の手段において、
上記スラリーの粘度が20〜60cpsである点に特徴がある。
【0018】
すなわち、上記スラリーの粘度が20cps未満であれば、その噴霧時に上記粉末状担体と活性種溶液とが分離し易くなり、活性種担持量が少ないものができて得られた触媒粉末の活性種担持量のバラツキが大きくなる。また、スラリーの粘度が低いということは粉末状担体に対して活性種溶液の量が多いことをも意味するが、それによって一定時間当たりに処理できる粉体量が少なくなるとともに、液滴ないしは霧の浮游時間が長くなるから、回収が難しくなる。一方、上記スラリーの粘度が60cpsを越える場合には、熱風によるスラリーの乾燥が難しくなり、乾燥容器内面に付着する粉の量が多くなる(粉の回収量が少なくなる)不具合がある。
【0019】
以上の理由から、上記スラリーの粘度を20〜60cpsにすることが好適であるが、さらに好適なのは30〜50cpsにすることである。
【0020】
ここに、上記スラリーの粘度の調節は、例えばスラリー中の硝酸量を変えることによって行なうことができる。すなわち、当該粘度が高い場合には硝酸の量を多くし、粘度が低い場合には硝酸の量を減らせばよい。従って、スラリーのpHを監視することによって、所望の粘度にすることが可能であるが、上述の如く、このpH自体は得られる触媒粉の性能(排気ガス浄化率)に影響を及ぼすことから、pH4〜8の範囲で当該粘度を調節する方が好ましい。
【0021】
【発明の効果】
上記第1の手段(請求項1に記載の発明)によれば、複数種類の活性種を含み溶媒が水と有機溶媒との混合溶媒である溶液に粒径が1〜6μmである粉末状の担体を分散させるとともに硝酸量を調整してpH4〜8のスラリーを形成し、該スラリーを噴霧によって液滴状態にして熱風と接触させて急速乾燥させることにより上記複数種類の活性種を上記粉末状の担体に担持させるようにしたから、担体に複数種類の活性種が均一に分散担持された排気ガス浄化用の触媒粉を短時間に且つ簡単に得ることができ、特に噴霧によって液滴状態にするようにしたから、触媒粉の微細化に有利になり、また、上記粉末状担体の粒径を1〜6μmの範囲に設定したから、触媒粉の回収量の低下を招くことなく、粉末状担体における活性種の担持量を増やすことができ、しかも排気ガス浄化性能が向上する。
【0022】
上記第2の手段(請求項2に記載の発明)によれば、上記スラリーの粘度を20〜60cpsの範囲に設定するから、スラリーの乾燥及び触媒粉の回収を容易にしながら、粉末状担体における活性種担持量を増やすこと、触媒粉の活性種担持量のバラツキを少なくすることが可能になる。
【0023】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【0024】
−スプレードライ装置について−
本実施例は本発明を並流式のスプレードライ法によって実施した例であり、図1に装置の全体構成が示されている。同図において、1はスラリータンク、2はチューブポンプ、3は乾燥室、4は電気ヒータ、5は一次サイクロン、6はバグフィルタ、7は排気ファンである。
【0025】
スラリータンク1は、活性種溶液と粉末担体よりなるスラリーを蓄えるタンクであり、スラリーは乾燥室3の頂部のアトマイザー8へチューブポンプ2によって送られる。乾燥室3の天井部には熱風室9が形成されていて、該熱風室9に電気ヒータ4から加熱エアが供給される。アトマイザー8の周囲に熱風室9から乾燥室3に上記加熱エア、すなわち、熱風を供給する送風孔が開口している。電気ヒータ4はその下部からフィルター11を介して外気を取り入れ、上部から熱風を供給する。
【0026】
上記乾燥室3は、その内部の中央に排気装置12を備え、該排気装置12の下方に第1触媒粉受け13が設けられている。排気装置12は第1排気管14の上方に開口した排気孔を傘部材によって覆ってなるものである。第1排気管14は一次サイクロン5の上部の側面に接続され、また、該一次サイクロン5の頂部とバグフィルタ6の側面とが風量調節ダンパ15を有する第2排気管16によって接続されている。一次サイクロン5の下端部には第2触媒粉受け17が設けられ、バグフィルタ6の下端部には第3触媒粉受け18が設けられている。排気ファン7はバグフィルタ6の上部より延設した第3排気管19に設けられている。
【0027】
−スラリーの調製−
Pt、Ir及びRhが重量比で30:10:1となるように、2価白金アンミン結晶と三塩化イリジウムと硝酸ロジウムとを秤量した。2価白金アンミン結晶と硝酸ロジウムとについては水(イオン交換水)に溶解し、三塩化イリジウムについてはエタノールに分散させ、しかる後に両者を混合し、さらにその中にケイバン比70のH型ZSM−5粉末を加え、室温で2時間撹拌した。
【0028】
−噴霧乾燥−
電気ヒーター4からの加熱エアを乾燥室3に熱風として導いて乾燥室3の雰囲気温度を160℃に保ち、その状態で、上記スラリーをタンク1からチューブポンプ2によってアトマイザー8へ送り、乾燥室3に噴霧した。アトマイザー8のノズル回転数は8000rpm とした。
【0029】
−触媒粉の捕集について−
スラリーの微小液滴は熱風との接触によって急速に乾燥し(5秒程度)その一部は乾燥室3の壁面を伝って第1触媒粉受け13に集められる。乾燥室3の浮游触媒粉は熱風と共に第1排気管14を通って一次サイクロン5へ導かれ、その一部は第2触媒粉受け17に集められる。さらに、一次サイクロン5の浮游触媒粉は第2排気管16を通ってバグフィルタ6に導かれ、第3触媒粉受け18に集められる。
【0030】
−噴霧乾燥の条件について−
乾燥室3の雰囲気温度は先に説明した通り140〜190℃が好ましい。ノズル回転数については、これが低下すると、雰囲気温度が下がった場合と同じような状態になって、スラリーの微小液滴の乾燥状態が悪化するため、5000rpm 以上が好ましい。噴射圧に関係するスラリー供給速度は、これが高くなると噴霧状態が悪化するため、乾燥室容量が700リットル程度であれば、4〜9リットル/時間が好適である。排気ファン7による排風速度については、速度が高くなると触媒粉の収量が低下する点を考慮して適宜設定することになる。
【0031】
−浄化テスト−
図2はノズル回転数を8000rpm とし雰囲気温度を変えて触媒粉を得た場合のNOx浄化率と、雰囲気温度を160℃としノズル回転数を変えて触媒粉を得た場合のNOx浄化率とを示す。各触媒粉については、400セル/inch2 のコーディエライト製ハニカム担体にバインダ(水和アルミナ)と共に、Pt、Ir及びRhの総量が1リットル当たり6gとなるようにウォッシュコートした。排気ガスとしては、A/F=22相当のモデルガスを用い、このガスをSV55000hr-1となるように上記各触媒の上流側から下流側へ流した。
【0032】
図2によれば、ノズル回転数8000rpm でNOx浄化率が50%を越え、同回転数が低くなるにつれてNOx浄化率が低くなる傾向にある。一方、雰囲気温度の方は、同温度の低くなるにつれてNOx浄化率が比較的大きく低下していっており、雰囲気温度は140℃以上にすることが好ましい。この雰囲気温度が高くなると排風ガスの爆発の懸念があるが、190℃までは問題がないと考えられる。
【0033】
−蒸発乾固法との比較−
上述のスラリーを室温で2時間撹拌した後、80℃で3時間程加熱して液体分を蒸発させ、さらに、150℃の恒温器で約6時間乾燥してPt、Ir及びRhがZSM−5に担持されてなる触媒材料を得た。そして、この蒸発乾固法による触媒材料及び上記実施例の触媒材料(雰囲気温度;160℃,ノズル回転数;8000rpm )の各々の、ZSM−5に対するPt、Ir及びRhのトータル担持量につき、その仕込み値からのずれ及びばらつき標準偏差を検討した。結果は表1に示す通りである。
【0034】
【表1】
【0035】
上記表1によれば、蒸発乾固法ではトータル担持量の仕込み値からのずれが実施例(スプレードライ法)の約2倍、トータル担持量のばらつきについても実施例の約4倍になっている。このことから、実施例によれば、触媒活性種の担持量のばらつきを大幅に改善できることがわかる。
【0036】
−粉末状担体の粒径の影響について−
粉末状担体として2次粒子径0.1μm以下の微小粉から6μm以上の粗大粉までが含まれるH型ZSM−5(SiO2/Al2O3=70〜80)を用い、貴金属活性種についてはPt:Ir:Rh=30:6:1(重量比)となり且つ該活性種の総量が触媒1リットル当たり4.5gになるように秤量して、先の例と同様の方法によってスラリーを調製した。なお、以下ではことわりがない限り、粒径はレーザ回折法によって測定した値である。
【0037】
そして、先の場合と同じ条件でスラリーの噴霧乾燥を行なったところ、第1乃至第3の各触媒粉受け13,17,18によって受けられた各触媒粉の粒度分布は図3乃至図5の各図の通りになった。そうして、各触媒粉受けの触媒の活性種担持量を調べたところ、表2に示す通りになった。
【0038】
【表2】
【0039】
上記図3乃至図5及び表2によれば、乾燥室3の下の第1触媒粉受け13で受けられた触媒粉は、活性種担持量がその予定量x(=4.5g/リットル)の±15重量%の範囲内の担持量となっているから、略狙い通りものになっているということができ、その粒径は1〜5μmの範囲にある。
【0040】
これに対して、サイクロン5の下の第2触媒粉17によって受けられた触媒粉は、粒径が3μm前後の値となっていてそのバラツキが小さいが、活性種担持量が予定の1.1〜5倍程度となっていて、バラツキが大きくなっているとともに高担持量のものになっている。また、バグフィルタ6の下の第3触媒粉受け18によって受けられた触媒粉は活性種担持量が予定の0.2〜0.9倍であって少なく、また、粒径は0.4〜2μmのものが全体の1/3程度を占め、比較的広い範囲に広がっている。
【0041】
この場合、上記触媒粉の粒径は粉末状担体としてのH型ZSM−5の粒径に対応する。従って、以上のことから、担体の粒径が1μm以上あれば活性種担持量が狙い通りに、あるいは高担持量になる可能性が高いが、それよりも小径になると活性種担持量が少なくなる、ということができる。また、担体の粒径が6μmを越える場合には、噴霧乾燥が難しくなるとともに活性種担持量も低くなる。
【0042】
また、以上の結果から、第1乃至第3の各触媒粉受け13,17,18に得られた各触媒粉を適当な割合で混合することにより、触媒性能をコントロールできることがわかる。すなわち、乾燥室下の第1触媒粉受け13に得られた触媒粉のみによって排気ガス浄化用触媒(例えばハニカム触媒)を形成した場合に、HC浄化率が所期の値よりも低いときには、上記第1触媒粉受け13で得られた触媒粉と、サイクロン下の第2触媒粉受け17で得られた触媒粉とを後者の割合が1〜10あるいは1〜5重量%となるように混合すると、当該触媒は熱処理後のHC浄化率が向上する。一方、HC浄化率が所期の値よりも高いときには、上記第1触媒粉受け13で得られた触媒粉と、バグフィルタ下の第3触媒粉受け18で得られた触媒粉とを後者の割合が1〜10重量%となるように混合すると、当該触媒は熱処理後のHC浄化率が向上する。
【0043】
−スラリーの粘度の影響について−
まず、貴金属活性種の濃度が異なる複数のスラリーを調製し、これらの粘度を測定した。すなわち、2価白金アンミン結晶と三塩化イリジウムと硝酸ロジウムとを用い、貴金属活性種の濃度が互いに異なる複数の活性種溶液(溶媒はいずれも水及びエタノール)を調製し、これらに同量のH型ZSM−5(SiO2/Al2O3=70〜80)を加え、撹拌して各スラリーを得た。いずれのスラリーの場合も、貴金属活性種の重量比はPt:Ir:Rh=30:6:1であり、また、上記ZSM−5粉末の量と溶媒量との割合は1:2である。また、この場合の貴金属活性種の濃度は、上記ZSM−5に担持させた場合の貴金属の総量が触媒1リットル当たり0〜7gとなる範囲で互いに異なるものにした。
【0044】
結果は図6に示されている。なお、貴金属活性種の濃度については、触媒1リットル当たりの活性種担持量に換算して示されている。同図によれば、貴金属活性種の濃度が高くなるにつれてスラリーの粘度が高くなっている。これは貴金属活性種の濃度が高くなるにほどスラリー中の硝酸イオンの濃度が高くなるからである。従って、貴金属活性種の濃度を変えずにスラリーを所望の粘度のものにするには、硝酸の添加によって粘度調節を行なえばよい。
【0045】
次に、上記ZSM−5と活性種溶液との量比を互いに異なるものとして各々の粘度を調節した数種類のスラリーを準備し、それぞれ上記スプレードライ装置によって噴霧乾燥させ、乾燥室3の下の第1触媒受け13によって受けられた触媒粉の量を調べた。結果は図7に示されている。同図において、触媒粉収量が最も多い粘度35〜40cpsのところのスラリーは、上記ZSM−5粉末の量と溶媒量との割合が1:2になっている。
【0046】
図7によれば、上記第1触媒粉受け13の触媒粉収量は、スラリーの粘度35〜40cpsのところをピークとして該粘度が低すぎる場合及び高すぎる場合のいずれにおいても少なくなっており、当該粘度としては20〜60cps程度が良いこと、さらには30〜50cpsが良いことがわかる。
【0047】
ここに、上記粘度が低い場合に触媒粉収量が少なくなっているのは、溶媒量が多くなっているため、噴霧されるスラリー中のZSM−5粉の割合が相対的に少なくなり、それが送風エネルギーによって浮游しサイクロン5の方へ飛散し易くなるためであると考えられる。一方、上記粘度が高い場合に触媒粉収量が少なくなっているのは、スラリー液滴の量が多くなるため送風の熱エネルギーが不足気味になり、スラリー液滴が完全に乾燥しないまま落下して乾燥室の内壁面に付着するためであると考えられる。
【0048】
−スラリーのpHの影響について−
先にスラリー中の貴金属活性種の濃度、すなわち、硝酸イオンの濃度とスラリーの粘度との関係をみたように、pHが粘度に影響することが当然に認められるが、スラリーのpHはさらに触媒粉の性能にも影響を及ぼす。すなわち、スラリーのpHを2,6,8の3種類に変え、他は同一の条件(粉末状担体;H型ZSM−5(SiO2 /Al2 O3 =70),貴金属活性種の重量比;Pt:Ir:Rh=30:6:1,貴金属活性種の総量;4.5g/触媒1リットル)として得られた各触媒粉の最高NOx浄化率を調べたところ(使用ガス;A/F=22相当のモデルガス,SV=55000h-1)表3に示す通りのものになった。
【0049】
【表3】
【0050】
表3によれば、pH6において最も高いNOx浄化率になっており、当該浄化率として40%以上を得ようとすれば、pHを4〜8程度にすることが好適であることがわかる。
【0051】
−λ=1でのライトオフ特性について−
λ=1(A/F=14.7)でのライトオフ特性(触媒が活性を示すようになる温度特性)について検討した。すなわち、表4に示すA,B,Cの3種類の金属含有シリケートを用いてスプレードライ法により、Pt、Ir及びRhが重量比で30:6:1であり且つそれらの総量が触媒1リットル当たり4.5gである触媒粉をそれぞれ調製し、これらに200℃×16時間の活性化処理(大気中)を施した。図8,9,10は上記各金属含有シリケートA,B,CのSEM(走査型電子顕微鏡)による観察写真である。
【0052】
そうして、得られた各触媒粉にバインダーとして水和アルミナを20wt%加え、さらに、適量の水を加えてコーティング用スラリーを得た。これらのスラリーにコージェライト製ハニカム担体を浸漬し引上げ、余分なスラリーを吹き飛ばした後、500℃×2時間の焼成処理(大気中)を行なった。各ハニカム担体への触媒粉の担持量はハニカム重量の35〜40wt%となるようにした。
【0053】
【表4】
【0054】
そして、各ハニカム触媒について、A/F=14.7(λ=1)相当のモデルガス、A/F=22(リーン)相当のモデルガスを用い、それぞれSV=55000〜60000h-1として、浄化率50%が得られるときの触媒入口ガス温度を測定した。結果は表5に示されている。
【0055】
【表5】
【0056】
表5によれば、平均粒径が小さい金属含有シリケートを用いると、排気ガスがリーンのときのNOx浄化特性を損なうことなく、λ=1のときに低い温度から触媒活性が得られ、排気ガスの浄化に有利になることがわかる。すなわち、金属含有シリケートA,Bを用いた場合は、ライトオフ温度が金属含有シリケートCを用いた場合に比べて、HCでは25〜28℃、COでは14〜17℃、NOxでは18〜25℃それぞれ低温側にずれている。
【0057】
さらに、かかる観点からさらに実験を進めたところ、金属含有シリケートの平均粒径が0.5〜1.5μm、粒度分布が0.1〜5μmのとき、さらには平均粒径が0.5〜1.0μm、粒度分布が0.1〜2.5μmのときに好結果が得られることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【図1】スプレードライ装置の構成図
【図2】雰囲気温度及びノズル回転数がNOx浄化率に及ぼす影響を示すグラフ図
【図3】乾燥室下の触媒粉受けに得られた触媒粉の粒度分布を示す図
【図4】サイクロン下の触媒粉受けに得られた触媒粉の粒度分布を示す図
【図5】バグフィルタ下の触媒粉受けに得られた触媒粉の粒度分布を示す図
【図6】スラリーの活性種濃度(貴金属担持量)と粘度との関係を示すグラフ図
【図7】スラリーの粘度と乾燥室下の触媒粉受けの触媒粉収率との関係を示すグラフ図
【図8】平均粒径0.8μmの金属含有シリケート粒子構造を示す電子顕微鏡写真
【図9】平均粒径0.6μmの金属含有シリケート粒子構造を示す電子顕微鏡写真
【図10】平均粒径3.8μmの金属含有シリケート粒子構造を示す電子顕微鏡写真
【符号の説明】
1 スラリータンク
2 チューブポンプ
3 乾燥室
4 電気ヒータ
5 一次サイクロン
6 バグフィルタ
7 排気ファン
8 アトマイザー
9 熱風室
12 排気装置
13,17,18 触媒粉受け[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a method for producing an exhaust gas purifying catalyst.
[0002]
[Prior art]
Exhaust gas purifying catalysts such as three-way catalysts, oxidation catalysts, and NOx purifying catalysts for purifying NOx in an oxygen-excess atmosphere are constituted by carrying an active species (catalytic metal) on an inorganic porous carrier.
[0003]
In carrying the active species on the carrier, an impregnation method in which the carrier is impregnated with a solution of the active species and dried, and an evaporative drying method in which a slurry obtained by dispersing the powdery carrier in the active species solution is evaporated to dryness Various methods such as an ion exchange method for exchanging active species with cations of a metal-containing silicate such as zeolite (a crystalline porous body having a large number of pores) have been adopted. For example, JP-A-4-243545 describes a method in which Pt or Rh as an active species is supported on a zeolite carrier by an ion exchange method.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, any of the impregnation method, the evaporation to dryness method, and the ion exchange method has a disadvantage that a relatively long time is required for carrying. In addition, since the properties of the slurry tend to be non-uniform due to the difference in specific gravity between the active species and its solvent, and the difference in specific gravity between the active species solution and the carrier, the carrier is not used in the above-described various methods that require a long time to support. Is difficult to carry uniformly. In particular, when a plurality of types of active species are supported on a carrier, if the types of solvents of the active species are different from each other, each active species solution can be easily separated into layers, and these can be uniformly supported on the carrier. Becomes more difficult.
[0005]
Further, in the evaporative drying method, when a plurality of types of active species are supported on a carrier, if the solvents of the respective active species have different boiling points from each other, the active species are sequentially loaded from the active species present in the solvent having a lower boiling point. It is difficult to uniformly disperse and carry a plurality of types of active species on a carrier. In addition, the thermal history of the active species (the thermal histories of the active species are different due to the different temperature distribution in the beaker when the slurry is heated and evaporated to dryness) affects the activity as a catalyst. There is a problem and therefore process management is difficult.
[0006]
In addition, there is a similar problem in the ion exchange method. When a plurality of types of active species are to be supported on a carrier at the same time, active species which are easily ion-exchanged are preferentially supported, and a plurality of types of active species can be supported at a desired ratio. It is difficult to carry the seed. In addition, when a plurality of active species are to be carried on ion exchange in order, the active species carried by ion exchange may be detached at the time of carrying out the next active species.
[0007]
That is, an object of the present invention is to enable active species to be supported on a carrier in a short time, and to allow a plurality of types of active species to be simultaneously and uniformly dispersed and supported.
[0008]
Means for Solving the Problems and Their Functions
In order to solve such a problem, the present invention is to support the active species on a carrier by bringing a slurry into a droplet state and contacting it with hot air.
[0009]
That is, the first means for solving the above problem (the invention according to claim 1) is:
A plurality of types of powdery pH4~8 slurry to adjust the Rutotomoni nitrate amount carrier allowed to disperse a 1~6μm is particle size mixed a solvent solution of the solvent containing the active species with water and an organic solvent The plurality of types of active species are supported on the powdery carrier by forming the slurry, making the slurry into a droplet state by spraying, and contacting with hot air to rapidly dry the slurry.
[0010]
The type of the active species is not particularly limited, and a precious metal such as Pt, Ir, and Rh, a transition metal other than a noble metal, or a typical element such as an alkaline earth metal can be applied. .
[0011]
The solvent of the active species may be a mixed solvent of water and an organic solvent such as alcohol.
[0012]
The particle size of the powdery carrier (here, the particle size is a secondary particle size) of 1 to 6 μm is used when the slurry has a large size exceeding 6 μm and is dried by contact with hot air. Or the spraying becomes difficult, so that the amount of the active species carried is reduced, and if it is less than 1 μm, the amount of the active species carried is reduced, and the recovery of the powder carrying the active species becomes difficult. It is.
[0013]
A disk atomizer, a pressure nozzle, a two-fluid nozzle, or the like can be used for spraying the slurry (spray drying method). Then, since the slurry is formed into fine droplets by spraying, more rapid drying can be achieved and the catalyst powder can be made finer.
[0014]
The contact between the hot air and the droplet state may be appropriately selected from a counter-current method, a co-current method, and a composite flow method.
[0015]
Thus, in this means, since the slurry containing multiple types of active species and the powdered carrier, and furthermore, the slurry containing water and the organic solvent comes into contact with hot air in the form of droplets, the solvent rapidly evaporates and the multiple types of The active species are uniformly dispersed and supported on the carrier, and a catalyst powder having a small particle size can be obtained in a short time. In this case, there is no need to place the active species solution and the powder carrier in a slurry state for a long time, so the difference in specific gravity does not matter, and it is not particularly necessary to separately heat the slurry itself. There is no problem of heat history.
[0016]
In addition, in this means, when forming the slurry, the amount of nitric acid is adjusted to
[0017]
The second means for solving the above-mentioned problem (the invention according to claim 2) is the above-mentioned first means ,
It is characterized in that the viscosity of the slurry is 20~60Cps.
[0018]
That is, when the viscosity of the slurry is less than 20 cps, the powdery carrier and the active species solution are easily separated at the time of spraying, and the active species loading of the catalyst powder obtained by producing a small amount of the active species loading is made. The variation in the amount increases. The low viscosity of the slurry also means that the amount of the active species solution is large with respect to the powdery carrier, but this reduces the amount of powder that can be processed per unit time and reduces the amount of droplets or mist. Since the floating time of the boat becomes longer, it becomes difficult to recover the boat. On the other hand, when the viscosity of the slurry exceeds 60 cps, drying of the slurry by hot air becomes difficult, and there is a problem that the amount of powder adhering to the inner surface of the drying container increases (the amount of recovered powder decreases).
[0019]
For the above reasons, it is preferable to set the viscosity of the slurry to 20 to 60 cps, but it is more preferable to set the viscosity to 30 to 50 cps.
[0020]
Here, the viscosity of the slurry can be adjusted, for example, by changing the amount of nitric acid in the slurry. That is, if the viscosity is high, the amount of nitric acid may be increased, and if the viscosity is low, the amount of nitric acid may be reduced. Therefore, it is possible to obtain a desired viscosity by monitoring the pH of the slurry. However, as described above, this pH itself affects the performance (exhaust gas purification rate) of the obtained catalyst powder. It is preferable to adjust the viscosity in the range of
[0021]
【The invention's effect】
According to the first means (the invention according to claim 1), a solution containing a plurality of types of active species and having a solvent of a mixed solvent of water and an organic solvent having a particle size of 1 to 6 μm is used. adjust the Rutotomoni nitrate amount to disperse the carrier to form a slurry of pH 4-8, the powder of the above plural kinds of active species by rapid drying in contact with hot air in the droplet state by spraying the slurry Since the carrier is supported on a carrier, it is possible to easily and easily obtain a catalyst powder for purifying exhaust gas in which a plurality of types of active species are uniformly dispersed and supported on the carrier. This is advantageous for miniaturization of the catalyst powder, and the particle size of the powdery carrier is set in the range of 1 to 6 μm. The amount of active species supported on the solid support It can be, yet you improve exhaust gas purification performance.
[0022]
According to the second means (invention of the second aspect), the viscosity of the slurry is set in the range of 20 to 60 cps. Increasing the amount of active species supported and reducing the variation in the amount of active species supported on the catalyst powder can be reduced.
[0023]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
-Spray dry equipment-
The present embodiment is an example in which the present invention is implemented by a co-current spray drying method, and FIG. 1 shows the entire configuration of the apparatus. In the figure, 1 is a slurry tank, 2 is a tube pump, 3 is a drying chamber, 4 is an electric heater, 5 is a primary cyclone, 6 is a bag filter, and 7 is an exhaust fan.
[0025]
The
[0026]
The drying
[0027]
-Preparation of slurry-
The divalent platinum ammine crystal, iridium trichloride and rhodium nitrate were weighed so that the weight ratio of Pt, Ir and Rh was 30: 10: 1. The divalent platinum ammine crystals and rhodium nitrate are dissolved in water (ion-exchanged water), and iridium trichloride is dispersed in ethanol. Thereafter, the two are mixed and further mixed therein. 5 powder was added and stirred at room temperature for 2 hours.
[0028]
-Spray drying-
The heating air from the
[0029]
-Collection of catalyst powder-
The minute droplets of the slurry are dried rapidly by contact with hot air (about 5 seconds), and a part thereof is collected in the first
[0030]
-Conditions for spray drying-
The atmosphere temperature in the drying
[0031]
-Purification test-
FIG. 2 shows the NOx purification rate when the catalyst powder was obtained by changing the ambient temperature at a nozzle rotation speed of 8000 rpm, and the NOx purification rate when the catalyst powder was obtained by changing the nozzle rotation speed at an ambient temperature of 160 ° C. Show. Each catalyst powder was wash-coated on a 400 cell /
[0032]
According to FIG. 2, the NOx purification rate exceeds 50% at a nozzle rotation speed of 8000 rpm, and the NOx purification ratio tends to decrease as the rotation speed decreases. On the other hand, in the case of the ambient temperature, the NOx purification rate decreases relatively significantly as the temperature decreases, and the ambient temperature is preferably set to 140 ° C. or higher. When the ambient temperature is increased, there is a fear of explosion of exhaust gas, but it is considered that there is no problem up to 190 ° C.
[0033]
−Comparison with evaporation to dryness−
After stirring the above slurry at room temperature for 2 hours, it is heated at 80 ° C. for about 3 hours to evaporate the liquid, and further dried in a thermostat at 150 ° C. for about 6 hours to make Pt, Ir, and Rh ZSM-5. A catalyst material supported on was obtained. The total amount of Pt, Ir, and Rh supported on ZSM-5 for each of the catalyst material obtained by the evaporation and drying method and the catalyst material of the above embodiment (atmospheric temperature: 160 ° C., nozzle rotation speed: 8000 rpm) The deviation from the charge value and the standard deviation of the variation were examined. The results are as shown in Table 1.
[0034]
[Table 1]
[0035]
According to Table 1 above, in the evaporative drying method, the deviation of the total supported amount from the charged value is about twice that of the embodiment (spray dry method), and the variation of the total supported amount is about four times that of the embodiment. I have. From this, it is understood that according to the example, the variation in the amount of the catalytically active species carried can be significantly improved.
[0036]
-Effect of particle size of powdered carrier-
H-type ZSM-5 (SiO 2 / Al 2 O 3 = 70 to 80) containing fine powder having a secondary particle size of 0.1 μm or less to coarse powder having a secondary particle size of 6 μm or more is used as a powdery carrier. Is weighed such that Pt: Ir: Rh = 30: 6: 1 (weight ratio) and the total amount of the active species is 4.5 g per liter of the catalyst, and a slurry is prepared in the same manner as in the previous example. did. In the following, unless otherwise specified, the particle size is a value measured by a laser diffraction method.
[0037]
When the slurry was spray-dried under the same conditions as in the previous case, the particle size distribution of each catalyst powder received by each of the first to third
[0038]
[Table 2]
[0039]
According to FIGS. 3 to 5 and Table 2, the catalyst powder received in the first
[0040]
On the other hand, the catalyst powder received by the
[0041]
In this case, the particle size of the catalyst powder corresponds to the particle size of H-type ZSM-5 as a powdery carrier. Therefore, from the above, if the particle size of the carrier is 1 μm or more, the active species loading amount is likely to be targeted or high, but if the particle size is smaller than that, the active species loading amount will decrease. Can be said. On the other hand, when the particle size of the carrier exceeds 6 μm, spray drying becomes difficult and the amount of the active species carried becomes low.
[0042]
From the above results, it can be seen that the catalyst performance can be controlled by mixing the respective catalyst powders obtained in the first to third
[0043]
-Influence of slurry viscosity-
First, a plurality of slurries having different concentrations of the noble metal active species were prepared, and their viscosities were measured. That is, using a divalent platinum ammine crystal, iridium trichloride, and rhodium nitrate, a plurality of active species solutions having different concentrations of noble metal active species (solvents are water and ethanol) are prepared, and an equal amount of H is added thereto. type ZSM-5 to (SiO 2 / Al 2 O 3 = 70~80) was added, to obtain each slurry was stirred. In any of the slurries, the weight ratio of the noble metal active species is Pt: Ir: Rh = 30: 6: 1, and the ratio between the amount of the ZSM-5 powder and the amount of the solvent is 1: 2. In this case, the concentrations of the noble metal active species were different from each other in a range where the total amount of the noble metal when supported on the ZSM-5 was 0 to 7 g per liter of the catalyst.
[0044]
The results are shown in FIG. In addition, the concentration of the noble metal active species is shown in terms of the amount of active species carried per liter of the catalyst. According to the figure, the viscosity of the slurry increases as the concentration of the noble metal active species increases. This is because the higher the concentration of the noble metal active species, the higher the concentration of nitrate ions in the slurry. Therefore, in order to obtain a slurry having a desired viscosity without changing the concentration of the noble metal active species, the viscosity may be adjusted by adding nitric acid.
[0045]
Next, several kinds of slurries having different viscosities of the above-mentioned ZSM-5 and the active species solution were prepared by adjusting the respective viscosities, and each was spray-dried by the above-mentioned spray-drying device. The amount of catalyst powder received by one
[0046]
According to FIG. 7, the catalyst powder yield of the first
[0047]
Here, the reason why the yield of the catalyst powder is low when the viscosity is low is that the proportion of ZSM-5 powder in the slurry to be sprayed is relatively small because the amount of the solvent is large. This is considered to be due to the fact that the air is easily floated by the blast energy and scattered toward the
[0048]
-Influence of slurry pH-
It is naturally recognized that the pH influences the viscosity, as previously seen from the relationship between the concentration of the noble metal active species in the slurry, that is, the concentration of nitrate ions, and the viscosity of the slurry. Also affects the performance of That is, the pH of the slurry was changed to three types of 2, 6, and 8, and the other conditions were the same (powder carrier: H-type ZSM-5 (SiO2 / Al2 O3 = 70), the weight ratio of the noble metal active species; Pt: When the maximum NOx purification rate of each catalyst powder obtained as Ir: Rh = 30: 6: 1, total amount of noble metal active species; 4.5 g / liter of catalyst) was examined (used gas; A / F = 22 equivalent) Model gas, SV = 55000 h -1 ) was as shown in Table 3.
[0049]
[Table 3]
[0050]
According to Table 3, the highest NOx purification rate is obtained at
[0051]
-Light-off characteristics at λ = 1-
The light-off characteristics (temperature characteristics at which the catalyst becomes active) at λ = 1 (A / F = 14.7) were studied. That is, Pt, Ir and Rh were 30: 6: 1 in weight ratio and the total amount was 1 liter of the catalyst by the spray-drying method using three kinds of metal-containing silicates A, B and C shown in Table 4. Each of the catalyst powders was weighed 4.5 g, and was subjected to an activation treatment (in air) at 200 ° C. for 16 hours. FIGS. 8, 9 and 10 are photographs of the above metal-containing silicates A, B and C observed by SEM (scanning electron microscope).
[0052]
Then, 20 wt% of hydrated alumina was added as a binder to each of the obtained catalyst powders, and an appropriate amount of water was added to obtain a slurry for coating. A honeycomb carrier made of cordierite was immersed in these slurries, pulled up, and the excess slurries were blown off. Then, a baking treatment (atmosphere) at 500 ° C. × 2 hours was performed. The amount of catalyst powder carried on each honeycomb carrier was adjusted to 35 to 40 wt% of the honeycomb weight.
[0053]
[Table 4]
[0054]
Then, for each of the honeycomb catalysts, a model gas equivalent to A / F = 14.7 (λ = 1) and a model gas equivalent to A / F = 22 (lean) were used, and purification was performed by setting SV = 55000 to 60,000 h −1 . The catalyst inlet gas temperature when a rate of 50% was obtained was measured. The results are shown in Table 5.
[0055]
[Table 5]
[0056]
According to Table 5, when a metal-containing silicate having a small average particle size is used, catalytic activity can be obtained from a low temperature when λ = 1 without deteriorating the NOx purification characteristics when the exhaust gas is lean. It can be seen that it is advantageous for purification of wastewater. That is, when the metal-containing silicates A and B are used, the light-off temperature is 25 to 28 ° C. for HC, 14 to 17 ° C. for CO, and 18 to 25 ° C. for NOx as compared with the case where the metal-containing silicate C is used. Each is shifted to the low temperature side.
[0057]
Further experiments from this point of view show that when the average particle diameter of the metal-containing silicate is 0.5 to 1.5 μm and the particle size distribution is 0.1 to 5 μm, the average particle diameter is further 0.5 to 1 μm. It was found that good results were obtained when the particle size distribution was 0.1 μm and the particle size distribution was 0.1 to 2.5 μm.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a spray drying apparatus. FIG. 2 is a graph showing the effect of an ambient temperature and a nozzle rotation speed on a NOx purification rate. FIG. 3 is a particle size of a catalyst powder obtained in a catalyst powder receiver below a drying chamber. FIG. 4 is a diagram showing a distribution. FIG. 4 is a diagram showing a particle size distribution of catalyst powder obtained in a catalyst powder receiver under a cyclone. FIG. 5 is a diagram showing a particle size distribution of catalyst powder obtained in a catalyst powder receiver under a bag filter. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the concentration of active species of the slurry (the amount of the noble metal carried) and the viscosity. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the viscosity of the slurry and the yield of the catalyst powder in a catalyst powder receiver under a drying chamber. FIG. 8 is an electron micrograph showing the structure of metal-containing silicate particles having an average particle size of 0.8 μm. FIG. 9 is an electron micrograph showing the structure of metal-containing silicate particles having an average particle size of 0.6 μm. Electrons exhibiting a metal-containing silicate particle structure of 8 μm Micrograph DESCRIPTION OF SYMBOLS
12 Exhaust system
13,17,18 Catalyst powder receiver
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