説明

脱硝触媒及びその製造方法

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は排ガス中の窒素酸化物を従来の触媒よりも低温で浄化できる脱硝触媒及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ボイラ、ゴミ焼却炉等の排ガス中の窒素酸化物(NOx )は環境汚染の原因物質であり、環境浄化のためのNOx 無害化方法としては、通常酸化チタン(TiO2 )−5酸化バナジウム(V2 5 )系触媒を用い、アンモニア(NH3 )を還元剤とする接触還元法が行われている。この方法では、排ガス温度が約200℃よりも低くなると脱硝率小さくなるという問題がある。最近ゴミ焼却炉や産業廃棄物焼却炉ではダイオキシンの生成が新たな環境問題となっている。ダイオキシンを除去するためには、その蒸気圧が低くなる約200℃以下の低温に排ガス温度を下げる必要がある。そこで、従来の技術では、約150℃程度の低温でダイオキシンを除去した後、排ガス温度を約200℃以上に加熱し、TiO2 −V2 5 系触媒で脱硝する方法を用いざるを得ない。このV2 5 系触媒の脱硝性能が低温で小さくなる原因としては、含浸法で製造されているため比表面積が約50〜90m2 /gと小さい触媒しか得られないことが考えられる。そこで、触媒の活性を低温でさらに高くするためには、これよりも比表面積が大きい触媒が必要となっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第一の課題は、上記技術レベルを考慮して、現用のTiO2 −V2 5 系触媒よりも低温度でも脱硝活性が高い高比表面積の触媒を提供し、環境浄化に役立てようとするものである。通常5価のバナジウムは従来メタバナジン酸アンモニウム(NH4 VO3 )が原料として用いられ、この原料を用いると含浸法しか触媒にする方法がないので、比表面積が約50〜90m2 /gと小さい触媒しか得られないという問題点があった。これに対し、3価のバナジウムとしては3塩化バナジウム等があり、これは共沈法により水酸化バナジウム(3価)としてTiO2 に担持することが可能であるので、調製条件を適正化することにより高比表面積の微粒子が得られ、これをさらに酸化することによりV2 5 に変える方法、すなわち共沈及び原子価制御法(共沈後、酸化によりバナジウムの価数を3価から5価に変える方法)により比表面積が100m2 /g以上の触媒を提供できる可能性がある。本発明はその比表面積が100m2 /g以上の脱硝触媒及びその製法を適用しようとするものである。本発明の第二の課題は、この共沈法により作製した高比表面積の触媒の組成や細孔分布を適正にして、低温脱硝活性に優れた触媒及びその製法を提供しようとするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は上記技術レベルを考慮して優れた低温脱硝触媒を提供するため、以下の構成(1)〜(5)よりなるものである。
(1)平均粒径10nm以下の酸化チタン超微粒子と平均粒径10〜50nmの酸化チタン微粒子の大小2種の粒径から構成されるアナターゼ型構造の酸化チタン混合物を担体とし、酸化バナジウム微粒子又は酸化バナジウムにモリブデン及び/又はタングステンを固溶させた酸化バナジウム固溶微粒子を活性体として共沈法により3〜30重量%担持させた比表面積が100m2 /g以上であることを特徴とする脱硝触媒。
(2)アナターゼ型構造の酸化チタンを担体とし、酸化バナジウム微粒子又は酸化バナジウムにモリブデン及び/又はタングステンを固溶させた酸化バナジウム固溶微粒子を活性体として共沈法により3〜30重量%担持させた比表面積が100m2 /g以上であり、細孔径1〜8nmの細孔、又は細孔径が1〜8nmと8〜50nmの大小2種の細孔からなる細孔を全部で0.1cc/g以上含有してなることを特徴とする脱硝触媒。(3)平均粒径10nm以下の酸化チタン超微粒子と平均粒径10〜50nmの酸化チタン微粒子の大小2種の粒径から構成されるアナターゼ型構造の酸化チタン混合物を担体とし、酸化バナジウム微粒子又は酸化バナジウムにモリブデン及び/又はタングステンを固溶させた酸化バナジウム固溶微粒子を活性体として共沈法により3〜30重量%担持させた比表面積が100m2 /g以上であり、細孔径1〜8nmの細孔、又は細孔径が1〜8nmと8〜50nmの大小2種の細孔からなる細孔を全部で0.1cc/g以上含有してなることを特徴とする脱硝触媒。
【0005】(4)4塩化チタン又は硫酸チタンを含有する水溶液に、3〜30重量%活性体を担持させるのに必要なバナジウム(3価)又はバナジウム(3価)とモリブデン及び/又はタングステンのイオンを含有する溶液を添加し、さらに水又は水と水溶性アルコールを加え、溶液中のチタン化合物の濃度が0.5〜0.05モル/リットルの水溶液になるように調整し、続いてこの溶液に濃度3〜0.5規定のアンモニア水を徐々に滴下して中和することにより、酸化チタンとバナジウム水酸化物又はバナジウム水酸化物固溶体の共同沈澱物を生成させ、この沈澱を洗浄、乾燥した後、280〜550℃の温度で酸化雰囲気中で熱処理して酸化することにより、酸化チタンに担持させた酸化バナジウムの価数を3価から5価に変えることを特徴とする上記(1)〜(3)いずれかに記載の脱硝触媒の製造方法。
(5)上記(4)記載の製造方法において、4塩化チタン又は硫酸チタンを含有する水溶液に平均粒径10〜50nmの酸化チタン微粒子を加え、攪拌しながら共沈させることにより、共沈により生成した平均粒径10nm以下の酸化チタン超微粒子と添加した平均粒径10〜50nmの酸化チタン微粒子からなる大小2種の酸化チタン混合物を担体として活性体を担持させることを特徴とする上記(1)〜(3)いずれかに記載の脱硝触媒の製造方法。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明の脱硝触媒及びその製造方法をまとめて、その数値限定の理由を説明する。なお、本発明の脱硝触媒はアンモニアを還元剤として用いることにより脱硝性能を有するものであり、本発明の脱硝触媒を用いてアンモニアを注入することにより窒素酸化物を高性能に無害化できる。
【0007】(1)沈澱を作る時の溶液中のチタン化合物の濃度を0.5〜0.05モル/リットルにする。溶液中のTiCl4 濃度が0.5モル/リットルより大きい場合、濃度が濃すぎて沈澱が糊状になり攪拌しにくくなる等、取扱いにくくなるので、濃度を0.5モル/リットル以下にする必要がある。しかし、濃度が0.05モル/リットルよりも小さい場合、溶液が薄いので触媒を作るのに多量の溶液が必要になり実用的でない。より好ましいTiCl4 濃度は0.05〜0.3モル/リットルの範囲である。TiCl4 濃度をこの範囲に保つためには、水で希釈するが、水とメタノール、エタノール、プロパノール、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールなどの水溶性アルコールの混合物を用いることもできる。アルコールは触媒を高温で調製する時に分解し、生成した触媒微粒子に細孔を形成させ、比表面積を大きくする作用を有するからである。アルコールの添加量は特に制限するものではないが、10重量%以下の範囲が好ましい。さらに、ポリビニールアルコール等の水溶性ポリマーを同じ目的で添加することもできるが、このような添加物を用いた場合も、本発明の例外とするものではない。
【0008】(2)アンモニア水の濃度を3〜0.5規定とする。中和に使用するアンモニア水が3規定よりも濃い場合、滴下したアンモニア水のまわりに沈澱が固まって生成するため不均一となり、粗大化して沈澱の比表面積が小さくなるので、アンモニア水の濃度を3規定以下とする必要がある。しかし、濃度が0.5規定未満の場合、多量のアンモニア水を中和のため加える必要があり、溶液の体積が増えすぎて実用的でない。アンモニア水のより好ましい濃度は0.5〜2規定の範囲である。なお、アンモニア水で中和する時、一度に混ぜると沈澱が不均質に生成し比表面積が小さくなるので、アンモニア水を徐々に滴下することが高比表面積の触媒を調製するためには必要である。
【0009】(3)担体に対し、酸化バナジウム又はその固溶体微粒子を活性体として3〜30重量%担持させる。触媒としてバナジウム系酸化物又はその固溶体を用いる理由は、低温でも脱硝性能の劣化が小さいこと及びバナジウム酸化物にMo及び/又はWを固溶させることにより、バナジウムの価数が変化して5価と4価の混合状態となり、脱硝反応にともなう酸化還元が起こりやすくなるためである。なお、溶液中のV等の遷移金属イオンの濃度は、TiO2 に対し何重量%バナジウム系酸化物を担持させるかという担持量でおのずから決まるものである。TiO2 担体に対し担持させる触媒の担持量は、3重量%未満の場合、脱硝性能が低く、また30重量%より多くしても脱硝性能が増えることはなく、逆に触媒粒子の成形性が悪く、触媒の形状を保てないこと、V2 5 粒子が互いに接触する確率が高くなり、熱処理により粒成長して比表面積が小さくなる等の不具合が生じるからである。担体粒子を活性体粒子で覆うためには、10重量%程度添加すれば十分であり、本発明の触媒では担持量が15重量%になれば150℃での脱硝率は100%になりほぼ目的を達成しているので、担持量としては、5〜15重量%の範囲がより好ましい実施態様である。活性体の原料としては、VCl3 、MoCl5 、WCl6 等の塩化物を用いることができる。TiO2 に担持することにより高比表面積の触媒が得られるが、その作用としては、V2 5 粒子がTiO2 粒子により均一に分散されているためV2 5 粒子の粒成長が防止され、超微粒子からなる高比表面積の触媒が得られることが考えられる。
【0010】(4)沈澱を洗浄し、乾燥した後、酸化雰囲気中280〜550℃の温度で熱処理する。アンモニア水で中和すると多量のNH4 Clが生成するため、これを洗浄し除去する必要がある。さらに、吸着している水分を乾燥器中で乾燥して除去する必要がある。得られた沈澱は、アナターゼ型のTiO2 微粒子とV(3価)と他の遷移金属の水酸化物であるので、これを酸化雰囲気中で280〜550℃に加熱し、脱水させるとともに酸化雰囲気中で熱処理し、バナジウムの原子価を3価から5価に変えて、V(5価)酸化物又はその固溶体にする必要がある。280℃よりも低温では非晶質の酸化物が含まれており、さらに触媒が長期間使用により劣化した場合、300℃以上に加熱して触媒を再生する等の必要が生ずるので、280℃よりも低温で触媒を調製しても低温で調製した効果がなくなるので意味がない。また、550℃よりも高温では触媒中の酸化物系超微粒子が粒成長して、比表面積が小さくなるので脱硝性能が低くなるためである。より好ましい熱処理温度は300〜500℃である。熱処理時間は特に制限する必要はないが1〜2時間で十分である。300℃で2時間熱処理して調製した触媒(表3の試料番号1)中のバナジウムの価数をX線光電子スペクトルで解析したところ、バナジウムの価数は主として5価であるが、他に4価と3価のバナジウムが約10%混在していることが明らかになった。すなわち、酸化バナジウムとしては、V2 5 以外に4価と3価のバナジウム酸化物が含まれていても本発明の例外とするものではない。5価のバナジウムに4価と3価のバナジウムが混在した状態の方が酸化還元にともなう電子の移動が速く、活性が高いという作用を有するからである。
【0011】(5)触媒中に細孔径1〜8nmの細孔又は細孔径1〜8nmと8〜50nmの大小2種の細孔径からなる細孔を0.1cc/g以上含有させる。共沈及び原子価制御法により得られた触媒の細孔は、その細孔径が1〜8nmの小さい細孔又は細孔径1〜8nmと8〜50nmの大小2種の分布をもった細孔からなり、そこに含まれる全細孔は0.1cc/g以上であることが吸着試験により判明し、これが低温で脱硝性能が高いという作用をもつことがわかった。細孔径1〜8nmの小さい細孔は、NO、NH3 等の反応ガス分子の吸着を起こしやすくし低温での反応活性を高めるとともに、細孔径8〜50nmの大きい細孔は、SO2 とNH3 との反応でできた酸性硫安の付着による細孔の閉塞を遅くするとともに反応ガス分子の触媒内部への拡散を速くするので、低温での反応活性が高くなる作用を有する。これに対し、従来の含浸法による触媒では、細孔径は約20nm前後と大きく、細孔径1〜8nmの微細な細孔が少ないことが判明した。すなわち、従来法では、担体となる酸化チタンの粒径は10nmより大きいので、小さい細孔があまり存在しないのに対し、本発明の共沈法では、触媒粒子の粒径が10nm以下と小さく、このため微細な細孔が増えて、活性が向上したと考えられる。本発明の酸化物触媒では、細孔は主として触媒粒子の間隙に存在していると考えられる。このため、2種の細孔分布を持たせるためにはは、大小2種の粒径を持つ酸化物粒子の混合物を担体として用いる方法が有効である。すなわち、塩化チタン又は硫酸チタンの水溶液に平均粒径10〜50nmの酸化チタン微粒子を加え、攪拌しながらアンモニア水を滴下し共沈させるか、粒径の大きい粒子を加えずに、共沈させた触媒沈澱物を400〜550℃の高温で熱処理させて触媒粒子を部分的に粒成長させる方法も用いることができる。
【0012】
【実施例】以下、具体的な実施例及び参考例をあげ、本発明の効果を一層明らかにする。
【0013】(例1)初めに、VCl3 の0.1モル/リットル濃度の水溶液を調製し、アンモニア水で中和し沈澱を作製し、適正なアンモニア水の濃度を把握する試験を行った。アンモニア水の濃度が3規定よりも大きい場合、中和により沈澱が局所的に生成し、不均質に反応が起こっているのが認められた。アンモニア水の濃度が0.5〜2規定であれば、中和により溶液の色が次第に変化し、均一に沈澱が生成することが観察された。アンモニア水の濃度が0.1規定よりも薄いと、原料溶液の数倍の体積のアンモニア水を加える必要があり、実用性がないことがわかった。
【0014】(例2)VCl3 の0.1モル/リットル濃度の水溶液を調製し、1規定のアンモニア水で中和し沈澱を作製した。得られた沈澱は水酸化物であり、熱分析により加熱すると200℃でほぼ脱水が終了し、水酸化物から酸化物に変わった。この酸化物は結晶化度は低く主として非晶質であり、さらに加熱すると約300℃で発熱し、結晶化して結晶質酸化物に変わった。すなわち、結晶質バナジアを得るためには約300℃以上に加熱する必要があることが明らかになった。また得られた酸化物を空気中300〜350℃で1時間熱処理した試料の結晶構造をX線回折により調べた結果、V2 5 であることが確認され、3価のV化合物を原料としても5価の酸化物が得られることが判明した。
【0015】(例3)触媒を担持させるためのTiO2 微粒子を得るための条件を把握するため、TiCl4 溶液を1規定のアンモニア水で中和してTiO2 の沈澱を作製した。得られた沈澱を300℃で1時間熱処理したTiO2 担体微粒子の特性を表1に示す。TiCl4 濃度は0.05〜0.3モル/リットルの範囲では高比表面積の触媒が得られ、かつ溶液の取扱いやすさも良好であった。表1中のS1は硫酸チタンを原料として作製したTiO2 微粒子である。結晶構造はいずれも主としてアナターゼ型であることがX線回折により判明した。
【0016】
【表1】


【0017】(例4)TiCl4 の溶液を作製する時、水と同時にエタノールを加えて、溶液中のエタノール濃度が10重量%になるように調整した後、例3と同じ処理をし、触媒を作製した結果を上記表1の試料A1及びA2に示す。エタノールを加えて沈澱を作製した後、熱処理することにより、超微粒子の比表面積が若干増えることが認められた。
【0018】(例5)TiCl4 の溶液にVCl3 及びMo、Wの塩化物を添加し、水を加えて溶液中のTiCl4 濃度を0.2モル/リットルに調整し、1規定のアンモニア水で中和し、得られた沈澱を120℃で24時間乾燥し、さらに300〜550℃で2時間熱処理してTiO2 担持V2 5 系触媒を得た。得られた触媒の比表面積は後記表3に示すように100〜380m2 /gで、従来のもの(比較材)よりも大きかった。これは、共沈法ではV2 5 粒子がTiO2 粒子の間に均一に分散しているため、V2 5 粒子が接触する確率が減少し粒成長が抑えられたためと考えられる。これが本発明により高比表面積の触媒が得られた原因と考えられる。沈澱を550℃で2時間熱処理した場合、微粒子が粒成長するので、触媒の比表面積が減少した。また、600℃よりも高温に加熱するとV2 5 固溶体は溶融する危険性があるので、これ以上高温での熱処理はできない。S1、S2は硫酸チタンを原料として同じ方法で調製した触媒である。K1、K2、K3は塩化チタンの半分を市販の平均粒径20nmの酸化チタン粒子で置換し、共沈及び原子価制御法により作製した触媒である。SK1は硫酸チタンの半分を市販の平均粒径20nmの酸化チタン微粒子で置換した触媒である。共沈及び原子価制御法により作製した触媒を300℃で熱処理すると、細孔径1〜8nmの微細な細孔が多く存在するが、これを500〜550℃で熱処理した場合、大小2種の細孔が存在していた。表2中の細孔径の表示で2種の数字がある場合、細孔径分布のピークが2つあることを示す。比較材は、NH4 VO3 を原料として含浸法により調製した従来法による触媒である。結晶粒径は主として担体である酸化チタンの粒径により決まるX線回折ピークの半値幅から求めた触媒粒子の平均粒径である。
【0019】
【表2】


【0020】(例6)脱硝率の評価は、上記に示した触媒をガラス管中に充填し、NH3 とNOを含む反応ガスを空間速度5000h-1で流し、150℃及び130℃で行った。得られた結果を表3に示す。脱硝試験は150℃及び130℃で100時間行ったが、脱硝率の劣化は2%以内であり、安定であることが確認された。得られた触媒の結晶構造は、X線回折によりアナターゼ型であることが確認された。なお、V2 5 にMoO3 やWO3 を微量添加した場合、他の結晶構造の混在物は特には観察されなかったので、MoやWは5〜10重量%程度の添加量であれば固溶している可能性が考えられる。固溶により脱硝性能が向上する傾向があるが、この原因としては、固溶により欠陥が導入されるので酸素が拡散しやすくなること、Vイオンが4価と5価の価数をもつようになり、酸化還元が起こりやすくなること等が考えられる。脱硝率の評価に用いたガスの組成は、NOx :100ppm、NH3 :100ppm、SO2 :10ppm、CO2 :10%、H2 O:20%、残部空気である。
【0021】
【表3】


【0022】以上の結果、本発明のTiO2 にV2 5 又はV2 5 固溶体を3〜30重量%担持させた触媒は、比表面積が従来材の値よりも大きく、従来の触媒では性能が低かった150℃及びさらに低温の130℃でも高い脱硝率をもつので、低温度領域でも安定して使用できる脱硝触媒が提供できた。活性体の担持量としては10〜15重量%のものが、150℃で脱硝率95%以上、130℃で90%以上であり特に高性能であった。
【0023】
【発明の効果】本発明により、従来の触媒よりも低温度で使用できる高比表面積の脱硝触媒を提供することができ、環境浄化に有用な新しい脱硝触媒が提供でき、産業上の利用価値が高い。

【特許請求の範囲】
【請求項1】 平均粒径10nm以下の酸化チタン超微粒子と平均粒径10〜50nmの酸化チタン微粒子の大小2種の粒径から構成されるアナターゼ型構造の酸化チタン混合物を担体とし、酸化バナジウム微粒子又は酸化バナジウムにモリブデン及び/又はタングステンを固溶させた酸化バナジウム固溶微粒子を活性体として共沈法により3〜30重量%担持させた比表面積が100m2 /g以上であることを特徴とする脱硝触媒。
【請求項2】 アナターゼ型構造の酸化チタンを担体とし、酸化バナジウム微粒子又は酸化バナジウムにモリブデン及び/又はタングステンを固溶させた酸化バナジウム固溶微粒子を活性体として共沈法により3〜30重量%担持させた比表面積が100m2 /g以上であり、細孔径1〜8nmの細孔、又は細孔径が1〜8nmと8〜50nmの大小2種の細孔からなる細孔を全部で0.1cc/g以上含有してなることを特徴とする脱硝触媒。
【請求項3】 平均粒径10nm以下の酸化チタン超微粒子と平均粒径10〜50nmの酸化チタン微粒子の大小2種の粒径から構成されるアナターゼ型構造の酸化チタン混合物を担体とし、酸化バナジウム微粒子又は酸化バナジウムにモリブデン及び/又はタングステンを固溶させた酸化バナジウム固溶微粒子を活性体として共沈法により3〜30重量%担持させた比表面積が100m2 /g以上であり、細孔径1〜8nmの細孔、又は細孔径が1〜8nmと8〜50nmの大小2種の細孔からなる細孔を全部で0.1cc/g以上含有してなることを特徴とする脱硝触媒。
【請求項4】 4塩化チタン又は硫酸チタンを含有する水溶液に、3〜30重量%活性体を担持させるのに必要なバナジウム(3価)又はバナジウム(3価)とモリブデン及び/又はタングステンのイオンを含有する溶液を添加し、さらに水又は水と水溶性アルコールを加え、溶液中のチタン化合物の濃度が0.5〜0.05モル/リットルの水溶液になるように調整し、続いてこの溶液に濃度3〜0.5規定のアンモニア水を徐々に滴下して中和することにより、酸化チタンとバナジウム水酸化物又はバナジウム水酸化物固溶体の共同沈殿物を生成させ、この沈殿を洗浄、乾燥した後、280〜550℃の温度で酸化雰囲気中で熱処理して酸化することにより、酸化チタンに担持させた酸化バナジウムの価数を3価から5価に変えることを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載の脱硝触媒の製造方法。
【請求項5】 請求項4記載の製造方法において、4塩化チタン又は硫酸チタンを含有する水溶液に平均粒径10〜50nmの酸化チタン微粒子を加え、攪拌しながら共沈させることにより、共沈により生成した平均粒径10nm以下の酸化チタン超微粒子と添加した平均粒径10〜50nmの酸化チタン微粒子からなる大小2種の酸化チタン混合物を担体として活性体を担持させることを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載の脱硝触媒の製造方法。

【特許番号】特許第3310926号(P3310926)
【登録日】平成14年5月24日(2002.5.24)
【発行日】平成14年8月5日(2002.8.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願平10−128711
【出願日】平成10年5月12日(1998.5.12)
【公開番号】特開平11−165068
【公開日】平成11年6月22日(1999.6.22)
【審査請求日】平成12年3月24日(2000.3.24)
【出願人】(000006208)三菱重工業株式会社 (10,378)
【参考文献】
【文献】特開 平4−59054(JP,A)
【文献】特開 平4−271836(JP,A)
【文献】特開 平1−111442(JP,A)
【文献】特開 昭58−210849(JP,A)
【文献】特開 平9−187652(JP,A)
【文献】特開 昭54−66390(JP,A)