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JPS5823138B2 - 担持触媒 - Google Patents
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JPS5823138B2 - 担持触媒 - Google Patents

担持触媒

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JPS5823138B2
JPS5823138B2 JP49123009A JP12300974A JPS5823138B2 JP S5823138 B2 JPS5823138 B2 JP S5823138B2 JP 49123009 A JP49123009 A JP 49123009A JP 12300974 A JP12300974 A JP 12300974A JP S5823138 B2 JPS5823138 B2 JP S5823138B2
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catalyst
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、基体、中間酸化物層及び広範囲な接触反応に
使用できる触媒層から成る触媒及びその構造に関する。
上記接触反応としては、例えば、硝酸製造におけるアン
モニアの接触酸化、加熱目的での有機化合物(例えばメ
タン、エタン、及びプロピレン)の接触酸化、一酸化炭
素のような炭素含有化合物の接触酸化並びに還元燃料に
よる窒素酸化物の接触還元や自動車排気制御ユニット用
□の接触還元などがあげられる。
本発明の触媒は硝酸製造プラントに付属させるに適した
NOX除去装置に用いることもできる。
多くの硝酸プラントではアンモニアの酸化ヲ金網ニ編ん
だ固形状のロジウム−白金線の存在下に行う高圧法が採
用されている。
本システムに動力を供給するのに利用できるエネルギー
を尾ガスプラントから回収することもまた非常な利益で
ある。
成るシステムにおいては自己プロセスの維持に十分なエ
ネルギーを回収でき、しかも余剰の動力を与えることも
できる。
これは通常窒素酸化物をガス状の還元燃料と反応させる
接触プロセスとして行なわれる。
使用触媒が高度に活性で、ガスの流れに対する最少抵抗
を示しかつ低初期反応温度又は点火温度で反応に接触作
用を与えることは重要なことである。
しかしながら、触媒自身はかなりの高温(例えば750
〜800℃)安定性をもたなければならない。
本発明の目的は現在使用されているものに代る、前記プ
ロセス用の改良触媒及び触媒構造を提供することにある
接触燃焼による空気汚染制御は使用触媒のタイプに多く
の規制を課している。
更に、触媒が低温で活性があり、酸化性及び還元性の両
条件下で安定なことも要求されている。
また触媒を反応器に充填した場合に、触媒床での圧力損
失は非常に小さくなければならず、耐摩滅性、耐熱性、
耐機械的衝撃性及び塵埃粒子による基土耐性を持たなけ
ればならない。
本発明に従えば、 (a) 不純物を除いてクロム3〜40重量係、アル
ミニウム1〜10重量係、コバルトO〜5.0重量係、
ニッケルO〜72重量係、炭素O〜0.5重量係及び実
質上残部の鉄から成りかつエキステンデッド形状の耐熱
及び耐酸化性合金から成る金属基体、 (b) 前記エキステンデッド金属基体表面上に金属
基体表面を酸化することにより形成された酸化アルミニ
ウム皮膜、 (c)前記酸化アルミニウム皮膜上に付着されかつ該皮
膜を通して前記基体上に定着された、アルミナ、チタニ
ア及びジルコニアの酸化物の少なくとも一つから成る高
表面積被覆、並びに(d) 前記被覆により保持され
たルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、白
金、銀及び金の金属並びにこれらの金属の少なくとも一
つを含む合金の群から選ばれた少なくとも一員から成る
触媒層 を含んで成る担持触媒が提供される。
好ましくは10重量係以下の、そして更に好ましくは3
又は5重量係以下の珪素、マンガン、ジルコニウム、銅
、タングステン、バナジウム、モリブデン、セリウム、
ニオブ、タンタル及びチタンの付加元素の−又はそれ以
上を含んで成る鉄合金が用いられる。
触媒層に含ませることができる卑金属は、アルミニウム
、マグネシウム、クロム、モリブデン、タングステン、
マンガン、鉄、レニウム、コバルト、チタン、バナジウ
ム、銅、亜鉛、カドミウム、イリジウム、トリウム、ビ
スマス、スズ、鉛、アンチモン、ランタニド又はアクチ
ニドとすることができる。
本発明の触媒を構成する金属基体は、不純物は別として
、3〜40重量係のクロム、1〜10重量係のアルミニ
ウム、トレースル5.0重量%のコバルト、トレースル
フ2重量%のニッケル及びトレースル0.5重量係の炭
素を含む耐熱及び耐酸化性鉄合金から成るエキステンデ
ッド形状のものが好ましい。
触媒層として合金を使用する場合には前記金属を少なく
とも10重量係含む合金の使用が好ましい。
更に本発明者等は成る種の反応環境下において、例えば
自動車排気ガス浄化において金属基体が触媒をより早く
運転温度に到達させることを見出し、従って、例えばセ
ラミックの基体を有する従来の触媒に比し著しく効率的
であることを見出した。
本明細書において、「エキステンデッド金属基体」なる
語は、平らな非変形金属にくらべて非常に増した表面積
を与えるように金属基体を機械的に変形させたものを意
味する。
この増加表面積は、典型的には、最初に波形形状にし、
又は折り重ね、そしてこの波状の箔を平らな箔と共にら
せん状断面をもつ管に巻き上げることによって得られる
本発明の好ましい態様では、本発明の触媒の構成に用い
られる金属基体を非常に拡大した表面積を与えるように
先ず折目を与え、波状にし、折りたたみ、刻み目をつけ
、及び/又は穿孔する。
このようにして得られる表面積は、普通、同一体積のセ
ラミックハニカム構造体又は特別な触媒担体で得られる
表面積より非常に大きい。
本発明に従って作られる、耐熱性合金の非波形板に耐熱
性合金の波形板を挿入したロールから成る金属担体の一
例は第1図に示す通りである。
この代りに、2枚の波形板を各板の液部が相互に平行に
なるように、又は成る角度をなすようにして用いること
もできる。
次に堅固に付着した酸化物被膜を付けた被覆基体が与え
られる。
この酸化物被膜は多孔性の吸収体で高表面積を有し、本
明細書に規定したー又はそれ以上の白金族金属を含む第
二の触媒活性層用の担体として作用する。
エキステンデッド金属基体から成る耐熱合金(複数)は
ニッケル及びクロム含量が合せて20wt%であること
が好ましい。
従って、エキステンデッド金属基体として用いることの
できる代表的な合金は、高ニッケル及びクロムステンレ
ススチールであり、「インコネル(登録商標)j600
及び「インコネル」601のような製品である。
本発明者等は、第一の堅固に付着した酸化物層を基本的
には二段プロセスで調製するのをすすめる。
第一段階では金属基体を熱酸化して、キーとして働く第
一の薄い酸化物層を与える。
この熱酸化は成形金属基体を空気中又は湿った分解アン
モニア蒸気中で1000〜1200℃で1時間保持して
行うことをすすめる。
カンタル(Kanthal )のような種類の非常に耐
酸化性の合金にはより高い温度が必要であり、ニッケル
含量の高い合金には湿った水素雰囲気が好ましい。
前記付着酸素含有又は酸化物被膜は、化学的処理を含む
い(つかの公知方法のいずれによっても製造できる。
この被膜は、白金族金属の−又はそれ以上から成る触媒
活性合金を保持するための適当な吸収能力を与えるに十
分な厚さでなければならない。
この被膜の厚さは05004〜0.001インチである
ことが好ましい。
この酸化物被膜はアルカリ性炭酸塩溶液、通常クロム酸
炭酸ナトリウム溶液でアルミニウムを含む表面を処理す
ることによって調製できる。
被膜は金属表面の陽極酸化によって製造でき、この場合
金属は電解溶液において陽極となる。
アルミニウムを含む表面を陽極処理する場合には、普通
15係の硫酸溶液を電解液として用いるがクロム酸、シ
ュウ酸、リン酸及び場合によってはホウ酸などのような
他の酸電解液を用いることもできる。
本発明が関与する酸化物被膜は意図して配置させたもの
であり、空気中に曝された金属表面上に生ずる比較的薄
い自然酸化物を含まない。
エキステンデッド金属基体上に付着する好ましい付着酸
化物被膜はアルミナである。
水利アルミナを付着させるーづの方法は米国特特第24
06420号に提唱されている。
アルカリ金属のアルミン酸塩及びアルミニウム塩のよう
な一般のアルミニウム化合物を出発物質として使用する
ことができる。
出発物質の特性に従って酸性又は塩基性の沈殿剤のいず
れかを用いることができる。
適当な酸性沈殿剤としては、塩化アンモニウム、硫酸ア
ンモニウム、硝酸アンモニウム、塩酸、硝酸などがあげ
られ、適当な塩基性沈殿剤としては水酸化アンモニウム
、水酸化ナトリウム、ヘキサメチレンテトラミンなどが
ある。
一つの方法は、過剰のアルミニウム及びアルカリ金属水
酸化物を含むアルカリ金属のアルミン酸塩溶液から直接
本発明の一部を構成するエキステンデッド金属基体上に
水和アルミナを沈殿させることである。
アルミン酸溶液が60〜85℃の温度に保たれる場合に
は、三水和α−アルミナ(ギブサイト)のフィルム又は
被膜が付着する。
引き続いて150〜180℃に加熱して、この三水和物
を一本和物に変え、更に540℃で加熱して一本和物を
γ−アルミナに変える。
この間本発明に従って得られる非常に高い表面積を有す
る被膜の損失はない。
この高表面積はおよそ8X8X20ミクロンの大きさの
六角結晶凝集体の生成の結果であり、この凝集体には直
径40人の大きさの微小孔が存在するが、触媒構造にお
ける触媒活性に対しては何の役割も示さないように思わ
れる。
この高表面積は実施例12において触媒金属の堆積後の
リン及び鉛被前に対する抵抗性によって立証される。
本発明のエキステンデッド金属基体を含んで成る耐熱抗
酸化性合金は、鉄、クロム及びアルミニウムの合金を含
んで成り、その合金中には好ましくはコバルト、ニッケ
ル及び炭素元素も存在する。
微量元素及び不純物を除いて合金中に存在する各元素の
範囲は次の通りである。
上述の元素の好ましい範囲は次の通りである。
強度、抗酸化性及び耐熱性を改良するために合金中に存
在させることができる微量元素の典型的な量は次の通り
である。
本発明を実施するのに用いる適当な特定の耐熱性かつ抗
酸化性の合金は下記実施例に示される。
実施例 1− カンタルD(登録商標):スウェーデンのカンタル社に
よって供給される製品 実施例 2 メガピル(Megapyr ) (登録商標)チルコン
メタル社(Telcon Metals Ltd、 )
より市販。
実施例 3 ステンレススチール316(オーステナイト系標準組成
ステンレススチールの一つ) ・実施例 4 下記組成の合金はスウェーデンのカンタル社から市販さ
れている。
上記組成において、Taを一部Tiに置き換えることが
でき、Ceを一部Caで置き換えることができる。
合金の機械的強度及び抗酸化性を改良するために随時下
記の構成成分を存在させることができる。
(なおP及びSが不純物として存在してもよい。
)この範囲の例は次の通りである。
実施例 5 イマキュレート(Immacnlate ) 5 (登
録商標):ファースビツ力−社(Firth Vick
ersLid、)の市販品 実施例 6 インコネル600(登録商標)二ヘンリーウイギン社(
Henry Wiggin Ltd、)の市販品実施例
フ インコンリイ(Inconley)800 (登録商標
)=9ヘンリーウイギン社の市販品 実施例 8 ブライトレイ(Brightray)S(登録商標)二
ヘンリーウイギン社の市販品 チw/w 実施例 9 ステンレススチール痛309 実施例 10 ステンレススチールA、310 (7’)テイシュスチ
ールコーポレーショシ市販) 実施例 11 ステンレススチール4321 実施例 12 アームコ(Armco ) 18 S R(アームココ
−ポレーション市販) 一般的にいえば、F e −Cr −A I系において
、12〜12.5wt%以下のCrを有する僅かのフェ
ライト鋼があれば十分であり、また合金に対するアルミ
ニウム含量が1〜6wt%の範囲外で満足に作用する場
合は看れである。
本発明に係る金属基体は、触媒作用を受ける反応の蒸気
相の反応体に大きい表面積を与えるように変形される。
これは例えば、先ず圧延によって薄板状の合金を製造し
、ひだ付き成形ロールを通過させて波形に成形し、この
波形薄板を丸い篩様体(その孔が前記波形板の溝の深さ
に相当するような)を構成するようにらせん状に巻くこ
とによって実施できる。
この波形に加工された一枚の板と、平らfJ板、前記波
形板と異なる構造の波形を有する板であって前記第一の
波形板と相互に角度をなして配置された波形板との、2
枚の板を同時に巻く。
細長い板状の、平らな板と波形板を用いる場合には、そ
れらの引出し縁を相互にスポット溶接し、適当な長さの
細長い板(ストリップ)を、ストリップを3つのスプリ
ング付のローラの間を通して巻く装置に供給して添付図
に示すようならせん状に巻いたカラーのような若しくは
環状形モジュールを成形する。
本発明のエキステンデッド金属基体は、セラミックハニ
カム基体で得られるのより、体積比で1.5〜3倍の表
面をもつ。
通常のセラミック基体は基体立方フート当り600〜7
00ft2である。
実例としては表面積576ft2/ft3のEX20(
コーニング)及び表面積780ft2/ft3のGra
ce 400がある。
これは従来得られた最大のものであり、0.003“厚
のカンタル(Kanthal ) Dシートの1100
ft2/ft3及び0.002“厚のカンタルDシー
トの2000f t2/f t3と対土ヒすべきである
本発明者等は0.0015〜0.0045インチ厚の箔
を使用することをすすめ、そして0.002インチ厚の
波形で断面を考慮した場合に一平方インチ当り約400
セルをもつ構造に成形されるよう組立てられたものが更
に好ましい。
セルの大きさの好ましい範囲は200〜800セル/平
方インチである。
適当な表面積一体積比は、400セル/平方インチに対
して1200ft2/ft3であり、800セル/平方
インチに対して2000ft”/ft3である。
前記モジュールを成形する他の方法は、2枚のストリッ
プ状基を例えば外径1インチのステンレススチール管に
スポット溶接して巻き操作とモジュール成形操作を助け
ることから成る。
更に他の方法では、同時に巻かれる2枚のストリップ箔
をそれらの引出しく leading)縁沿いに一緒に
スポット溶接し、次いで先ず中空な円錐形状の模型に巻
き、その後円錐に摩擦ローラとスライドを用いてストリ
ップを一回の操作で保持カラー又はシェル中に巻き上げ
て押し込む。
保持カラー又はシェルを用いない場合には、モジュール
の各端部上に放射状に伸びる−又はそれ以上の溶接連を
構成することによってモジュールの連結する各旋回を溶
接止めすることが好ましい。
らせん状に巻いたモジュールが解けるのを防止するため
に綴込(stitching)又は鋲止め(tackw
elding)によって連続する各旋回又は少なくとも
最外側の旋回を固定する他の方法を用いることもできる
モジュールは完成した形態に成形された後・、好ましく
は付着酸素含有フィルム又は被膜の形成前に洗浄され、
この洗浄はトリクロロエチレンのようなハロゲン含有溶
剤を用いる蒸気脱脂技術(vapour degrea
sing technique)によって行い、引き続
いてアセトン中で洗浄し乾燥するのが好ましい。
実施例 13 本例においては、過剰のアルミニウムと苛性ソーダを含
むアルミン酸ナトリウム溶液と80℃で接触させること
によって、第1図(写真)に示す熱酸化したカンタルD
モジュール上にギブサイトを付着させた。
燃焼後このウォッシュコートは殆んど純粋なγ−アルミ
ナであることを見出した。
このウォッシュコートを公知技術を用いて7.5係Rh
/Pt合金で金属化し全触媒構造容積当り30g/f
t ”の金属ローディング(metal loadin
g)を与えた。
このような構造はウォッシュコートしたセラミックスや
非ウォッシュコートの金属基体より優れた耐被毒性をも
つことを見出した。
以下は金属及びセラミック基体をもつ触媒構造に模擬鉛
及びリン酸被毒試験を行って得られた結果を示す。
(a) 鉛被前模擬試験 被試験排気ガス組成 炭化水素 1000 ppm Co 2.5係 NOX 1001000 pp 0.5 gm/hrN2
残量 ウォッシュコート:γ−アルミナ 金属化処理 7.5%Rh/Pt pbの代りに、本テストの排気ガスは、空間速度100
000 hr−”の空気中に1係トリブチルホスフエー
ト/トルエンの形で11000ppのpを含ませた。
本発明者等は金属モノリス(mono l i th
)基体重量当り5〜30wt%の範囲内のウォッシュコ
ートローディングを好む。
400セル/平方インチのカンタルD上のA1□03の
適当なローディングは10wt%である。
アルミナの表面積はアルミナgr当り50〜500m”
である。
上述のアルミン酸塩法のアルミナ付着はアルミナgr当
り120〜160ゴの表面積を与える。
金属基体上の付着アルミナウォッシュコートの堆積に対
する他の適当な方法は前もって活性化したギブサイト(
三水和アルミナ)と−水和アルミナとの、固−液比25
〜50%でpH7未満のスラリーを調製し、これを用い
て完全浸漬によって成形基体に含浸させる方法である。
使用スラIJ−の正確な強度(それは試行錯誤で決定で
きる)は所望厚さのアルミナウォッシュコートを製造す
るに足るものでなければならない。
次に基体を温空気中で乾燥し、最後に450℃で2時間
燃焼して付着被膜として金属基体上に0.002’イン
チ厚までX−及びγ−アルミナを生成させる。
はぼ同サイズ、即ち径40λの微小孔をもつ結晶凝集体
が生成する。
金属基体上に付着アルミナウォッシュコートを堆積させ
る更に他の方法は一水和α−アルミナスラリーを用いる
ことである。
450℃での燃焼後180〜300 rrl/gの表面
積をもつγ−アルミナが得られる。
γ−アルミナはチキントロピー混合物を生成させるため
に燃焼前のスラリー化段階で一水和α−アルミナに添加
される。
径2〇−100λの微結晶又は結晶凝集体が生成する。
微小孔の径は40人のままである。
適当な三水和アルミナ(ギブサイト)の市販品としては
、ブリテイシュアルミニウムケミカルズリミテイドの[
FRF8’OJ及びアルミニウムカンパニー オブ ア
メリカの1−C333Jがある。
適当な一水和アルミナ(ベーマイト)としてはユナイテ
ッド キングトム アトミック エネルギー オーソリ
イテイの[ゾル−ゲルアルミナ(Sol−Gel Al
umina)jがある。
また[ディスバール(Di 5pal ) MJがコノ
コから、[コンデア(Condea ) F Jがコン
デアゲループから市販されている。
チキントロピック混合物を生成するために、スラリー化
段階でゾル−ゲルアルミナ(微結晶ベーマイト)を添加
する。
チタニア、ジルコニア、ハフニア及びトリアから成る酸
化物の−又はそれ以上を、本出願人による英国特許出願
第28283/71号及び同第28314771号(共
に1971年6月16日出願)に記載したように中間酸
化物(ウォッシュコート)層に更に安定性を与えるため
に、アルミナ中に必要に応じ存在させることができる。
所望なら、赤土金属酸化物、アルカリ士金属酸化物及び
アルカリ金属酸化物を用いることもできる。
本発明のアルミニウム含有金属基体の多くは内部酸化性
をもつΦ即ち、本発明の成功因子は、本発明の触媒構造
の一部を構成するエキステンデッド金属基体自身が非常
に強い酸化性条件下で付着酸化物被膜の第一層が白金族
金属、銀又は金を含む合金の最外層に伸びたり又はこれ
を覆ったりする傾向がないというような仕方において酸
化する傾向をもつという事実によるものと信する。
アルミナ、チタニア及びジルコニアの高表面積酸化物被
覆上へ白金族金属、銀及び金、そして場合によっては卑
金属、の合金を含浸又は付着させることはウォッシュコ
ート又はその他の基体上に触媒活性金属を堆積させる公
知の方法によって行うことができる。
このような方法としては例えば、高表面積の耐火金属酸
化物が付着酸素含有被膜の場合には、この担体を白金族
金属、例えば、白金、ロジウム及びニッケルの水溶性無
機塩又は塩類の溶液中に浸漬させることができる。
この場合に、塩化白金酸、三塩化ロジウム及び塩化ニッ
ケルを用いることができる。
本発明者等は触媒金属の最外層の組成物を白金族金属類
又は白金族金属類相互若しくは白金族金属と卑金属との
合金で構成するのを好む。
特に好ましい組み合せは、自動車排気酸化触媒用として
は7.5%Rh、/Pt、アンモニアの酸化用としては
、10係Rh/Pt、NOX除去、即ち硝酸尾ガス浄化
における窒素配化物のガス伏還元燃料による還元用とし
ては20〜50 % Rh/P tである。
本発明において触媒構造の最外触媒金属合金層として適
当な白金、ロジウム及び卑金属の特に好ましい合金は次
の組成のものである。
ここで卑金属とは、At 、Mg 、Cr 、Mo 、
W。
Mn、Fe、Co、Ni 、Ti 、V、Th、U、C
uAg、Zn、Cd、Hg、In、TI 、Bi 、S
n。
Pb、ランタニド及びアクチニドの群から選ばれたもの
をいう、この組み合わせは酸化反応及び還元反応用とし
て有用であり、またナフサ及びナフサ留分のスケームリ
ホーミングにおいても有用である。
しかしながら、上述の卑金属は他の組合せの白金族金属
合金にも有用であり、しかも最外触媒金属層が銀又は金
を含む本発明の触媒構造を用いる場合にも有用である。
ルテニウムは自動車排気浄化のNOX分解用として有用
である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る改良触媒を構成する金属担体の一
例を示す4真図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1(a)不純物を除いてクロム3〜40重量%、アルミ
    ニウム1〜10重t%、コバルトO〜5.0重量%、ニ
    ッケル0〜72重量%、炭素0〜0.5重量%及び実質
    上残部の鉄から成りかつエキステンデッド形状の耐熱及
    び耐酸化性鉄合金から成る金属基体、 (b) 前記エキステンデッド金属基体表面上に金属
    基体表面を酸化することにより形成された酸化・ アル
    ミニウム皮膜、 (c) 前記酸化アルミニウム皮膜上に付着されかつ
    該皮膜を通して前記基体上に定着された、アルミナ、チ
    タニア及びジルコニアの酸化物の少なくとも一つから成
    る高表面積被覆、並びに(d) 前記被覆により保持
    されたルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム
    、白金、銀及び金の金属並びにこれらの金属の少なくと
    も一つを含む合金の群から選ばれた少なく吉も一員から
    成る触媒層 □を含んで成ることを特徴とする担持触媒。
JP49123009A 1973-10-24 1974-10-24 担持触媒 Expired JPS5823138B2 (ja)

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