(57)【要約】      （修正有）【課題】高価な構造指向剤を使用することなく、β型ゼオライトからなるＳＣＲ触媒としての置換が可能な触媒及びこれを用いた窒素酸化物還元方法の提供。【解決手段】遷移金属を含有し、なおかつ、以下の粉末Ｘ線回折パターンを有するゼオライト、を含む触媒。前記遷移金属が周期表８，９，１０，１１族からの一種以上であり、Ｃｕ又はＦｅのいずれかで少なくともある、窒素酸化物の還元触媒。2019018166.tif 000014【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
遷移金属を含有し、なおかつ、以下の粉末Ｘ線回折パターンを有するゼオライト、を含む触媒。
【表１】
2019018166.tif 000013
【請求項２】
前記遷移金属が周期表の８族、９族、１０族及び１１族からなる群の少なくとも１種である請求項１に記載の触媒。
【請求項３】
前記遷移金属が銅又は鉄の少なくともいずれかである請求項１又は２に記載の触媒。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の触媒を使用することを特徴とする窒素酸化物の還元方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゼオライトを含む触媒及びこれを用いた窒素酸化物の処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
選択的接触還元（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｃａｔａｌｙｔｉｃ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；以下、「ＳＣＲ」とする）は窒素酸化物を還元して無害化する技術であり、工場排ガス、自動車排ガス、船舶排ガスなど、各種の内燃機関から排出される排ガスの浄化技術として実用化されている。ＳＣＲに用いられる触媒（以下、「ＳＣＲ触媒」とする。）は、主にゼオライトに遷移金属を含有させたものが使用されており、用途に応じて使い分けがされている。例えば、β型ゼオライトに鉄を含有させたものは高い窒素酸化物還元特性を有するため、ディーゼル車の排ガス中の窒素酸化物を還元するためのＳＣＲ触媒として検討されている（例えば、特許文献１）。一方、ＣＨＡ型ゼオライトをはじめとする、最大細孔環サイズが酸素８員環であるゼオライト（以下、「小細孔ゼオライト」ともいう。）もＳＣＲ触媒として検討されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＵＳ２００７／３４８５１７
【特許文献２】ＷＯ２００８／１３２４５２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
小細孔ゼオライトは一般的に高価な構造指向剤を使用して合成する必要があるためコストが高く、より安価なディーゼル車の排ガス浄化触媒が求められている。これに対し、β型ゼオライトは安価な原料から合成することができるが、熱負荷に対する耐性が十分ではなく、触媒寿命が短い。
【０００５】
本発明は、高価な構造指向剤を使用することなく、β型ゼオライトからなるＳＣＲ触媒としてのとの置換が可能な触媒及びこれを用いた窒素酸化物還元方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者等は、ＳＣＲ触媒として、原料に高価な構造指向剤を必要とすることなく、高い窒素酸化物還元特性を示す触媒及び触媒担体について検討した。その結果、β型ゼオライトからなる触媒と比べ、より熱負荷に対する耐性に優れた触媒を見出した。
【０００７】
すなわち、本発明の要旨は、以下のとおりである。
［１］  遷移金属を含有し、なおかつ、以下の粉末Ｘ線回折パターンを有するゼオライト、を含む触媒。
【０００８】
【表１】
2019018166.tif 000002
【０００９】
［２］  前記遷移金属が周期表の８族、９族、１０族及び１１族からなる群の少なくとも１種である上記［１］に記載の触媒。
［３］  前記遷移金属が銅又は鉄の少なくともいずれかである上記［１］又は［２］に記載の触媒。
［４］  上記［１］乃至［３］のいずれかに記載の触媒を使用することを特徴とする窒素酸化物の還元方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、高価な構造指向剤を使用することなく、β型ゼオライトからなるＳＣＲ触媒としてのとの置換が可能な触媒及びこれを用いた窒素酸化物還元方法を提供することができる。
【００１１】
以下、本発明の触媒について説明する。
【００１２】
本発明の触媒は、遷移金属を含有し、なおかつ、以下の粉末Ｘ線回折（以下、「ＸＲＤ」ともいう。）パターンを有するゼオライト、を含む。
【００１３】
【表２】
2019018166.tif 000003
【００１４】
より好ましいゼオライトのＸＲＤパターンとして、以下のＸＲＤパターンを挙げることができる。
【００１５】
【表３】
2019018166.tif 000004
【００１６】
本発明において、相対ピーク強度は、ｄ値＝３．４３±０．０７Åのピーク強度を１００とした場合の各ピークの相対強度である。
【００１７】
この様なＸＲＤパターンを有するゼオライトは、酸素１２員環及び酸素８員環を含むゼオライトであり、ＹＮＵ−５であることが好ましい。
【００１８】
ゼオライトのアルミナに対するシリカのモル比（以下、「ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３」ともいう。）は、５以上１００以下、更には１０以上５０以下、また更には１５以上３０以下を挙げることができる。
【００１９】
本発明の触媒に含まれるゼオライトは遷移金属を含有する。上記のＸＲＤパターンを有するゼオライトと遷移金属との間に相互作用が生じることにより、熱負荷に対する耐性が高くなり、なおかつ、窒素酸化物還元特性が発現される。
【００２０】
ゼオライトが含有する遷移金属として、周期表の８族、９族、１０族及び１１族の群から選ばれる少なくとも１種が挙げられ、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）及びインジウム（Ｉｎ）の群から選ばれる少なくとも１種であることが好ましく、鉄又は銅の少なくともいずれかであることがより好ましい。
【００２１】
本発明の触媒におけるアルミニウムに対する遷移金属のモル比（以下、「Ｍｅｔａｌ／Ａｌ比」ともいう。）は０．１以上０．５以下、更には０．１５以上０．４５以下であることが挙げられる。このようなＭｅｔａｌ／Ａｌ比を有することで、低温下における窒素酸化物還元率が高くなりやすい。
【００２２】
本発明の触媒の遷移金属含有量は１．０重量％以上であることが好ましく、１．５重量％以上であることがより好ましく、２．０重量％以上であることが更に好ましい。遷移金属の含有量が１．０重量％以上であることで、本発明の金属含有ゼオライト触媒の窒素酸化物還元率がより高くなりやすい。一方、遷移金属の含有量が５．０重量％以下、更には４．５重量％以下、また更には４．０重量％以下であればよい。
【００２３】
本発明における触媒の遷移金属含有量は、本発明の触媒に含まれる遷移金属を含有するゼオライトの重量に対する遷移金属の重量である。
【００２４】
本発明の触媒に含まれるゼオライトは、アルミナに対するシリカのモル比（以下、「ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３」ともいう。）は、５以上１００以下、更には１０以上５０以下、また更には１５以上３０以下であることが好ましい。
【００２５】
次に、本発明の触媒の製造方法について説明する。
【００２６】
本発明の触媒は、遷移金属を含有し、なおかつ、上記のＸＲＤピークを有するゼオライトを含んでいれば任意の方法で製造することができる。本発明の触媒の製造方法として、以下のＸＲＤパターンを有するゼオライトと遷移金属源を混合して、遷移金属含有ゼオライトを得る金属含有工程、を含む製造方法を挙げることができる。
【００２７】
【表４】
2019018166.tif 000005
【００２８】
金属含有工程に供するゼオライトは、以下のＸＲＤパターンを有していることが好ましい。
【００２９】
【表５】
2019018166.tif 000006
【００３０】
金属含有工程に供するゼオライトのアルミナに対するシリカのモル比（ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３）は、５以上１００以下、更には１０以上５０以下、また更には１５以上３０以下を挙げることができる。
【００３１】
このようなゼオライトは触媒担体として供することもできる。このようなゼオライトの製造方法として、第３２回ゼオライト研究発表会講演予稿集（２０１６）ｐ．２７（以下、「参考文献」ともいう。）で開示された方法で製造する製造方法を挙げることができる。このようなゼオライトは、シリカ源、アルミナ源、アルカリ源、水、及び、構造指向剤（以下、「ＳＤＡ」ともいう。）としてジメチルジプロピルアンモニウムヒドロキシド（以下、「Ｍｅ２Ｐｒ２ＮＯＨ」ともいう。）を含む原料組成物をオートクレーブで水熱処理することで結晶化することができる。
【００３２】
原料組成物の組成として以下のものを挙げることができる。
ＳｉＯ２：０．０２５Ａｌ２Ｏ３：０．１７Ｍｅ２Ｐｒ２ＮＯＨ
：０．１５ＮａＯＨ：０．１５ＫＯＨ：７Ｈ２Ｏ
【００３３】
水熱処理の条件は、１６０℃で７日間加熱することが挙げられる。得られたゼオライトを脱アルミニウム処理し、ゼオライトのＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３を調整してもよい。
【００３４】
金属含有工程において、ゼオライトに遷移金属が含有されれば、ゼオライトと遷移金属源の混合方法は任意である。混合方法として、例えば、含浸担持法、蒸発乾固法、沈殿担持法、及び物理混合法の群から選ばれる少なくとも１種を挙げることができる。ゼオライトへの遷移金属含有量が制御しやすいため、混合方法は含浸担持法であることが好ましい。
【００３５】
金属含有工程に供する遷移金属源は、遷移金属又は遷移金属を含む化合物であればよく、遷移金属の化合物であることが好ましい。遷移金属の化合物として、遷移金属を含む硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物、錯塩、酸化物及び複合酸化物からなる群の少なくとも１種を挙げることができ、硝酸塩、硫酸塩及び塩化物からなる群の少なくとも１種であることが好ましい
遷移金属源に含まれる遷移金属は、周期表の８族、９族、１０族及び１１族の群から選ばれる少なくとも１種が挙げられ、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）及びインジウム（Ｉｎ）の群から選ばれる少なくとも１種であることが好ましく、鉄又は銅の少なくともいずれかであることがより好ましい。
【００３６】
本発明の触媒の製造方法は、遷移金属含有ゼオライトを焼成する焼成工程を含むことが好ましい。金属含有工程後の遷移金属含有ゼオライトの不純物等が除去できれば焼成条件は任意である。焼成条件として、酸化雰囲気又は還元雰囲気の少なくともいずれかで、１００℃以上６００℃以下、１時間以上１０時間以下処理することが挙げられる。
【００３７】
本発明の触媒は、熱負荷に対する耐性が高い。そのため、水熱耐久処理など、高温高湿下に晒された後であっても結晶性の低下が少ない。更には高い窒素酸化物還元率を有し、特に水熱耐久処理後であっても高い窒素酸化物還元特性を有する。そのため、本発明の触媒は、触媒として、更には窒素酸化物還元触媒として、また更には尿素ＳＣＲ触媒として使用することができる。さらには、より高い排気ガス温度におけるディーゼル車用のＳＣＲ触媒として使用することができる。
【００３８】
本発明において、水熱耐久処理とは、水分濃度４．５体積％以上の空気中、７００℃以上で処理することである。水熱耐久処理の温度及び時間は任意であるが、水熱耐久処理の温度が高くなること、時間が長くなること、又は水分濃度が高くなることで、ゼオライトへの熱負荷が大きくなる。そのため、一般的には水熱耐久処理が高温、長時間、又は高水分濃度となるほど、ゼオライト骨格からのアルミニウムの脱離をはじめとする、ゼオライトの崩壊が起こりやすくなる。
【００３９】
具体的な水熱処理条件として、水分濃度５〜１５体積％の空気中、７２０〜８００℃で１時間以上処理すること、更には水分濃度７．５〜１２．５体積％の空気中、７３０〜７８０℃で１２時間以上処理することが挙げられる。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。しかしながら、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４１】
（構造の同定）
一般的なＸ線回折装置（装置名：ＲＩＮＴ  Ｕｌｔｉｍａ  ＩＶ、リガク社製）を使用し、試料のＸＲＤ測定をした。測定条件を以下に示す。
線源            ：ＣｕＫα線（λ＝１．５４０５Å）
測定モード      ：ステップスキャン
スキャン条件    ：毎秒０．０２°
計測時間        ：６．７分
測定範囲        ：２θとして３°から４３°
【００４２】
（組成分析）
組成分析は誘導結合プラズマ発光分析法（ＩＣＰ法）により行った。すなわち、試料をフッ酸と硝酸の混合溶液に溶解させ、測定溶液を調製した。一般的な誘導結合プラズマ発光分析装置（装置名：ＯＰＴＩＭＡ５３００ＤＶ、ＰＥＲＫＩＮ  ＥＬＭＥＲ製）を用いて、得られた測定溶液を測定して試料の組成を分析した。
【００４３】
アルミニウム（Ａｌ）のモル濃度に対する、銅（Ｃｕ）のモル濃度を求め、これをアルミニウムに対する銅の原子割合とした。
【００４４】
（水熱耐久処理）
試料をプレス成形し、凝集径１２メッシュ〜２０メッシュの凝集粒子とした。凝集粒子状の試料２ｍＬを常圧固定床流通式反応管に充填し、これに水分濃度１０体積％の空気を３００ｍＬ／分（空間速度として９，０００ｈ−１）で流通させながら、７５０℃で２４時間処理することで、水熱耐久処理とした。
【００４５】
（耐久性評価）
水熱耐久処理前後の試料について、（構造の同定）と同様な方法でＸＲＤパターンを測定した。水熱耐久処理前において相対強度が７５％以上であった各ＸＲＤピークについて、当該ＸＲＤピークに対する水熱耐久処理前後のピーク強度の割合（％）を求め、その平均値をもって残存強度とした。
【００４６】
（窒素酸化物還元率の測定方法）
試料の窒素酸化物還元率は、以下に示すアンモニアＳＣＲ方法により測定した。
【００４７】
プレス成形後、１２メッシュ〜２０メッシュに整粒した試料１．５ｍＬを反応管に充填した。その後、反応温度２００℃で、以下の条件で処理ガスを当該反応管に流通させた。
処理ガス組成      ：ＮＯ    ２００ｐｐｍ
ＮＨ３  ２００ｐｐｍ
Ｏ２      １０容量％
Ｈ２Ｏ      ３容量％
残部            Ｎ２
処理ガスの流量    ：１．５Ｌ／ｍｉｎ
空間速度（ＳＶ）  ：６０，０００ｈｒ−１
【００４８】
反応管に流通させた処理ガス中の窒素酸化物濃度（２００ｐｐｍ）に対する、触媒流通後の処理ガス中の窒素酸化物濃度（ｐｐｍ）を求め、以下の式に従って、窒素酸化物還元率を求めた。
窒素酸化物還元率（％）＝｛１−（接触後の処理ガス中の窒素酸化物濃度
／接触前の処理ガス中の窒素酸化物濃度）｝×１００  
【００４９】
実施例１
（触媒の調製）
参考文献の方法に準じてゼオライトを合成した。すなわち、コロイダルシリカＡＳ−４０、Ｙ型ゼオライトＨＳＺ−３５０ＨＵＡ、Ｍｅ２Ｐｒ２ＮＯＨ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ及びＨ２Ｏを混合し、以下のモル組成を有する原料組成物を得た。
ＳｉＯ２：０．０２５Ａｌ２Ｏ３：０．１７Ｍｅ２Ｐｒ２ＮＯＨ
：０．１５ＮａＯＨ：０．１５ＫＯＨ：７Ｈ２Ｏ  
【００５０】
得られた原料組成物をオートクレーブに充填し、１６０℃、７日間静置下で結晶化することでゼオライトを得た。得られたゼオライトを空気中、５５０℃で６時間焼成した。焼成後のゼオライトを２０％塩化アンモニウム水溶液で処理した後、大気中１１０℃で一晩乾燥した。これにより、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３が１９である、ＮＨ４型のゼオライトを得た。
【００５１】
得られたゼオライトのＸＲＤパターンを下表に示す。
【００５２】
【表６】
2019018166.tif 000007
【００５３】
次いで、硝酸銅三水和物０．０７８ｇを純水０．５３ｇに溶解して硝酸銅溶液を調製した。当該硝酸銅溶液を、得られたＮＨ４型のゼオライト２．８ｇに滴下し、乳鉢で１０分間含浸混合した。混合後のゼオライトを１１０℃で一晩乾燥させた後、空気中、５５０℃で１時間焼成することで銅含有ゼオライトを得、これを本実施例の触媒とした。
【００５４】
本実施例の触媒は、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３が２０であり、銅含有量が３．１重量％であり、Ｃｕ／Ａｌ比が０．３４であった。本発明の触媒のＸＲＤパターンを下表に示す。
【００５５】
【表７】
2019018166.tif 000008
【００５６】
（水熱耐久処理）
比較対象としてディーゼル車用のＳＣＲ触媒として良好な性能を示す銅含有β型ゼオライト（ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３＝１８、Ｃｕ／Ａｌ＝０．３２及び銅含有量３．３重量％）を使用した。銅含有β型ゼオライトのＸＲＤパターンを下表に示す。
【００５７】
【表８】
2019018166.tif 000009
【００５８】
本実施例の触媒及び銅含有β型ゼオライトをそれぞれプレス成形し、凝集径１２メッシュ〜２０メッシュの凝集粒子とした。凝集粒子状の試料２ｍＬを常圧固定床流通式反応管にそれぞれ充填し、これに水分濃度１０体積％の空気を３００ｍＬ／分（空間速度として９，０００ｈ−１）で流通させながら、７５０℃で２４時間処理することで、水熱耐久処理とした。水熱耐久処理後の本実施例の触媒のピーク強度割合を表８に、銅含有β型ゼオライトのピーク強度割合を表９に示した。
【００５９】
【表９】
2019018166.tif 000010
【００６０】
【表１０】
2019018166.tif 000011
【００６１】
本実施例の触媒は、銅含有β型ゼオライトに比べて残存強度が高く、水熱耐久処理後も高い結晶性を維持することが確認できた。これより本発明の触媒はβ型ゼオライトよりも耐久性が高く、より寿命が長い触媒として利用できることが分かる。
【００６２】
（窒素酸化物還元特性の評価）
水熱耐久処理後の本実施例の触媒及び銅含有β型ゼオライトについて、窒素酸化物還元率を測定した。結果を下表に示す。
【００６３】
【表１１】
2019018166.tif 000012
【００６４】
表１１より、本実施例の触媒は、銅含有β型ゼオライトと比べ２００℃の低温において高い窒素酸化物還元率を示すことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明により、排気ガス処理システムに組み込まれる触媒として使用できる。特に本発明の金属含有新規大細孔ゼオライトは、還元剤の存在下で自動車、特にディーゼル車の排ガス中の窒素酸化物を還元除去する、ＳＣＲ触媒、更にはＤＰＦと一体化されたＳＣＲ触媒として使用できる。