説明

パティキュレート燃焼触媒及びそれを用いたパティキュレートの燃焼除去方法

【課題】内燃機関排ガス中のパティキュレートを低温で燃焼させることができる燃焼触媒及びそれを用いたパティキュレートの燃焼除去方法を提供する。
【解決手段】電解二酸化マンガン、又は、前記電解二酸化マンガンにアルカリ金属、アルカリ土類金属及び遷移金属の少なくとも一種以上の元素が担持されている燃焼触媒では、貴金属等の高価な助触媒等を使用しなくても、内燃機関排ガス中のパティキュレートを従来より低温で燃焼させることができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関排ガス中のパティキュレートの燃焼除去を促進する内燃機関排ガス用の燃焼触媒に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ディーゼルエンジンの排ガスに関し、特に窒素酸化物(NOx)とパティキュレート(PM)は、人体への悪影響、大気汚染のため排出量が規制されている。
【0003】
このうちPMはカーボンを主成分とする微粒子であり、PMの排出低減方法として排ガス流路にパティキュレートフィルター(DPF)を設置し、フィルター上でPMをトラップする方法が採用されている。更にそのDPFはトラップされたPMを定期的に燃焼除去し、再生される。
【0004】
この再生方法は、電気ヒーターやバーナー等を用い燃焼させる方法、排ガス中に燃料などの可燃性ガスを供給し、その可燃ガスの燃焼熱を利用して堆積したPMを除去させる方法がある。また、DPFにPMを低温で燃焼させる触媒上で処理する方法が提案されている。前者の補助加熱の場合、ヒーターの起動、燃料の供給など、燃費、経済性の点で十分でない。またPM燃焼の発熱を伴うため、DPF及び排気システムに配置された触媒に高い耐熱性が要求される。一方、後者の触媒燃焼法は、低温でPMの燃焼を可能にする触媒の開発が望まれている。
【0005】
白金族元素などの貴金属を触媒に担持するとPM燃焼が低温化することが知られており、例えばカーボン微粒子を酸化除去するための触媒であって、シリカに担持させた白金からなる触媒(特許文献1)、触媒成分が白金、パラジウム、イリジウム及びロジウムから選ばれた一種類以上の貴金属を含むディーゼル排ガス浄化用フィルター(特許文献2)、が開示されている。しかしながら、貴金属の使用は高コストが課題となっている。
【0006】
又、酸素放出の材料であるセリア系化合物(例えば、特許文献3)、ペロブスカイト系複合酸化物(例えば、特許文献4)及びMnO(非特許文献1)が触媒として用いることが開示されている。
【0007】
一方、マンガンを含む触媒として例えばCu、Mn、Co、V、Mo、W、遷移金属及びそれらの化合物から選ばれる少なくとも1種からなる触媒層(特許文献5)、Mn、Co、Sn、Fe、Ca、Ni、Ce、Zr、Mg、Cuの中から選ばれる少なくとも1種の金属の酸化物が含有されている触媒層(特許文献6)、金、銀、銅、鉄、亜鉛、マンガン、及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素が、担体成分としてアルカリ土類金属の水酸化物、酸化物、炭酸塩または硫酸塩に担持されてなる触媒(特許文献7)等、が開示されている。これらで用いられているマンガンは硝酸マンガン、酢酸マンガン、硫酸マンガンの水溶液を担体に担持し高温で焼成したものであり、Mn或いは化学法によるマンガン含有複合酸化物であった。
【0008】
【特許文献1】特開平11−253757号
【特許文献2】特開2005−296861
【特許文献3】特開2006−177346
【特許文献4】WO2006/067887
【特許文献5】特開2000−153158
【特許文献6】特開平5−57191号
【特許文献7】特開2003−170051
【非特許文献1】環境触媒ハンドブック 486頁、発行所:株式会社 エヌ・ティー・エス、発行日:2001年11月20日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、内燃機関排ガス中のパティキュレートを低温で燃焼し得る燃焼触媒を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明者は、内燃機関排ガス中のパティキュレートの燃焼触媒について鋭意検討を重ねた結果、マンガン化合物の中でも特に電解二酸化マンガンでは、他のマンガン化合物、例えば、化学法で合成された二酸化マンガン、MnOOH、Mn或いはマンガン含有複合酸化物よりも、内燃機関排ガス中のパティキュレートを低温から燃焼し得ることを見出し、本発明を完成したものである。
【0011】
以下、本発明を詳細に説明する。
【0012】
本発明の燃焼触媒はマンガンイオンを含む電解液の電気分解により陽極上で得られる二酸化マンガンであれば特に限定はないが、化学法で得られるMnOと異なる組成式MnOx・nHO(xは2までの値であり、nは構造水に関する0以上の任意の値であり、電解二酸化マンガンでは0〜0.5である)で表されるものが好ましい。
【0013】
本発明で用いられる電解二酸化マンガンは、例えばTOSOH Hellas A.I.C、東ソー日向株式会社社等の電解二酸化マンガンを使用することが出来る。電解二酸化マンガンは、主にマンガン電池、アルカリ電池の正極材料として広く利用されているものである。
【0014】
電解二酸化マンガンでは、他の二酸化マンガン、MnOOH、他のMn酸化物であるMn、Mn及びMnOよりもPMを低温で燃焼が可能となる理由は明確ではないが、Mnの酸化度(xの値)が大きいことが寄与すると考えられる。
【0015】
電解二酸化マンガンのMnOx・nHOのxの値は高い方が好ましく、1.95〜1.98のものが好ましい。さらに電解二酸化マンガン中に含まれる三価のマンガン成分を抑える(場合によっては除去する)ことによって、xが2のものを用いることもできる。いずれにしても電解二酸化マンガンの酸化度は、他の二酸化マンガン、MnOOH、他のマンガン酸化物であるMn、Mn及びMnOよりも大きく、内燃機関排ガス中のパティキュレートの高い燃焼除去性能が発揮される。
【0016】
本発明においては、本発明の電解二酸化マンガンにさらに金属を含有させることが出来る。含有させる成分は特に限定されるものではないが、アルカリ金属はLi、Na、K、アルカリ土類金属はCa、Sr、Ba、遷移金属はV、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、W、Pbが好ましい。
【0017】
電解二酸化マンガンへの含有方法としては特に限定はなく、含浸法、共沈法、イオン交換法、ゾルーゲル法等の公知の技術を用いることが出来る。例えば上記アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩及び遷移金属塩の水溶液と本発明のMn酸化物を混合スラリー化し、蒸発乾固させ、必要に応じて焼成することにより得ることが出来る。これらのアルカリ金属、アルカリ土類金属及び遷移金属の添加量は特に限定するものではないが、金属/Mnの原子比で0.01〜2であることが好ましい。
【0018】
本発明の電解二酸化マンガンの燃焼触媒としての使用方法は特に限定はされないが、例えば燃焼触媒をセラミックスのハニカム基材等にコーティングして用いる方法等が例示できる。
【発明の効果】
【0019】
本発明の電解二酸化マンガンを含んでなる内燃機関排ガス中のパティキュレートの燃焼触媒では、内燃機関排ガス中のパティキュレートを低温で燃焼させ、除去することができる。
【実施例】
【0020】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0021】
尚、燃焼温度の測定は下記の方法によるものである。
【0022】
触媒試料とモデルPMとしてカーボンブラック(CB)を物理混合し、乾燥空気中でTG−DTA測定により燃焼温度を測定した。モデルパティキュレートとしてのCBは、旭カーボン株式会社の旭♯70(平均粒子径28nm)を使用した。混合方法としては、乳鉢による物理混合、CB混合量は2重量%とした。燃焼温度は、TG曲線の重量減少開始温度手前の接線(A)と急激な重量減少開始後の接線(B)AとBの交差温度を燃焼開始温度とし、DTA曲線の発熱ピークのトップ温度を燃焼ピーク温度とした。又、測定条件はTG−DTA装置にULVAC社製TGD7000を用い、Air流量100ml/min、昇温速度10℃/minで700℃まで測定した。
【0023】
尚、旭カーボン株式会社の旭♯70(平均粒子径28nm)そのものを上記測定条件で燃焼温度を測定したところ、燃焼開始温度は567℃で燃焼ピーク温度は617℃であった。
【0024】
実施例1
電解法二酸化マンガンのEMD(トウソーヘラス製、商品名GH−T、BET値32m/g)0.392gと旭♯70のCB0.008gをメノウ乳鉢で触媒試料とCBが目視で色が均一になるように2分間物理混合した。得られた混合物を上記測定条件で燃焼温度を測定したところ、燃焼開始温度は335℃で燃焼ピーク温度は413℃であった。
【0025】
実施例2
EMD(トウソーヘラス製、商品名GH−U、BET値35m/g)を用いた以外は実施例1と同様。得られた混合物を上記測定条件で燃焼温度を測定したところ、燃焼開始温度は342℃で燃焼ピーク温度は416℃であった。
【0026】
実施例3
EMD(トウソーヘラス製、商品名GMR−T、BET値32m/g)を用いた以外は実施例1と同様。得られた混合物を上記測定条件で燃焼温度を測定したところ、燃焼開始温度は326℃で燃焼ピーク温度は413℃であった。
【0027】
実施例4
1%KCO水溶液100gと電解法二酸化マンガンのEMD(トウソーヘラス製、商品名GH−T)9.0gを混合したスラリーをエバポレーターで蒸発乾固し、10%KCO担持のEMDを得た。得られた10%K2CO3担持のEMDを0.392gと旭♯70のCB0.008gをメノウ乳鉢で触媒試料とCBが目視で色が均一になるように2分間混合した。得られた混合物を上記測定条件で燃焼温度を測定したところ、燃焼開始温度は327℃で燃焼ピーク温度は410℃であった。
【0028】
比較例1
MnOOH(東ソー日向製、BET値7.2m/g)0.392gと旭♯70のCB0.008gをメノウ乳鉢で触媒試料とCBが目視で色が均一になるように2分間混合した。得られた混合物を上記測定条件で燃焼温度を測定したところ、燃焼開始温度は415℃で燃焼ピーク温度は472℃であった。
【0029】
比較例2
硝酸マンガンを大気中170℃で24時間焼成しMnO(BET値55m/g)を得た。得られたMnOを0.392gと旭♯70のCB0.008gをメノウ乳鉢で触媒試料とCBが目視で色が均一になるように2分間混合した。得られた混合物を上記測定条件で燃焼温度を測定したところ、燃焼開始温度は422℃で燃焼ピーク温度は455℃であった。
【0030】
比較例3
硝酸マンガンを大気中600℃で4時間焼成しMn(BET値2.4m/g)を得た。得られたMnを0.392gと旭♯70のCB0.008gをメノウ乳鉢で触媒試料とCBが目視で色が均一になるように2分間混合した。得られた混合物を上記測定条件で燃焼温度を測定したところ、燃焼開始温度は470℃で燃焼ピーク温度は506℃であった。
【0031】
比較例4
硝酸マンガンを大気中800℃で4時間焼成しMn(BET値2.9m/g)を得た。得られたMnを0.392gと旭♯70のCB0.008gをメノウ乳鉢で触媒試料とCBが目視で色が均一になるように2分間混合した。得られた混合物を上記測定条件で燃焼温度を測定したところ、燃焼開始温度は530℃で燃焼ピーク温度は580℃であった。
【0032】
比較例5
硝酸マンガンをN雰囲気中1000℃で4時間焼成しMnO(BET値0.5m/g)を得た。得られたMnOを0.392gと旭♯70のCB0.008gをメノウ乳鉢で触媒試料とCBが目視で色が均一になるように2分間混合した。得られた混合物を上記測定条件で燃焼温度を測定したところ、700℃までTGにおいて重量増加が見られ燃焼は見られなかった。又、燃焼ピークも見られなかった。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】実施例1の熱分解挙動を示すTG―DTA曲線である。
【図2】比較例2の熱分解挙動を示すTG―DTA曲線である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解二酸化マンガンを含んでなる内燃機関排ガス中のパティキュレートの燃焼除去を促進する内燃機関排ガス用の燃焼触媒。
【請求項2】
前記電解二酸化マンガンにアルカリ金属、アルカリ土類金属及び遷移金属の少なくとも一種以上の元素が担持されていることを特徴とする、請求項1記載の燃焼触媒。
【請求項3】
請求項1又は2のいずれかに記載の燃焼触媒を用いた内燃機関排ガス中のパティキュレートの燃焼除去方法。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2009−90224(P2009−90224A)
【公開日】平成21年4月30日(2009.4.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−264162(P2007−264162)
【出願日】平成19年10月10日(2007.10.10)
【出願人】(000003300)東ソー株式会社 (1,901)
【Fターム(参考)】