DE102010055680A1 - Composition, useful in e.g. extrudate, comprises an aluminosilicate zeolite and a titano-(silico)-alumino-phosphate, where both aluminosilicate zeolite and titano-(silico)-alumino-phosphate comprise a transition metal e.g. iron or copper - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung enthaltend einen Alumo-Silikat-Zeolithen und ein Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat, wobei der Alumo-Silikat-Zeolith und das Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat jeweils mindestens ein Übergangsmetall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fe, Cu, Mn, Co, Cr, V und Mo enthalten. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Washcoat, ein Extrudat, ein Vollextrudat oder einen Trägerkörper enthaltend die erfindungsgemäße Zusammensetzung. Weiterhin wird die erfindungsgemäße Zusammensetzung in einem Verfahren zur selektiven katalytischen Umsetzung stickstoffhaltiger Verbindungen verwendet. Die Umsetzung betrifft dabei entweder die selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden, oder die selektive katalytische Oxidation (SCO) von Stickstoff-Wasserstoffverbindungen und stickstoffhaltigen organischen Verbindungen, vorzugsweise in Abgasströmen von motorischen und nichtmotorischen Verbrennungsprozessen sowie industriellen Anwendungen. In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der Zusammensetzung zur Herstellung eines Abgasreinigungskatalysators sowie einen Abgasreinigungskatalysator enthaltend die erfindungsgemäße Zusammensetzung.The present invention relates to a composition comprising an aluminosilicate zeolite and a titano (silico) -alumino-phosphate, wherein the alumino-silicate zeolite and the titano (silico) -alumino-phosphate are each at least one transition metal selected from Group consisting of Fe, Cu, Mn, Co, Cr, V and Mo included. Furthermore, the present invention relates to a washcoat, an extrudate, a bulk extrudate or a carrier body containing the composition according to the invention. Furthermore, the composition according to the invention is used in a process for the selective catalytic conversion of nitrogen-containing compounds. The reaction involves either the selective catalytic reduction (SCR) of nitrogen oxides, or the selective catalytic oxidation (SCO) of nitrogen-hydrogen compounds and nitrogen-containing organic compounds, preferably in exhaust gas streams of engine and non-engine combustion processes and industrial applications. In a further embodiment, the present invention relates to the use of the composition for producing an exhaust-gas purification catalyst and to an exhaust-gas purification catalyst comprising the composition according to the invention.
Unter selektiver katalytischer Reduktion von Stickoxiden wird im Sinne dieser Erfindung deren Umsetzung mit Reduktionsmitteln wie Kohlenwasserstoffen, CO, Ammoniak, anderen Stickstoff-Wasserstoffverbindungen und stickstoffhaltige organische Verbindungen zu Stickstoff, Wasser (und Kohlendioxid) verstanden.For the purposes of this invention, selective catalytic reduction of nitrogen oxides is understood as meaning their reaction with reducing agents such as hydrocarbons, CO, ammonia, other nitrogen-hydrogen compounds and nitrogen-containing organic compounds to nitrogen, water (and carbon dioxide).
Unter selektiver katalytischer Oxidation wird im Sinne dieser Erfindung die Umsetzung von Ammoniak, anderen Stickstoff-Wasserstoffverbindungen und stickstoffhaltigen organischen Verbindungen zu Stickstoff, Wasser (und Kohlendioxid) verstanden.For the purposes of this invention, selective catalytic oxidation means the reaction of ammonia, other nitrogen-hydrogen compounds and nitrogen-containing organic compounds into nitrogen, water (and carbon dioxide).
Bei motorischen Verbrennungsprozessen, wie in Dieselmotoren und Benzin-Einspritzer-Motoren sowie in nichtmotorischen Verbrennungsprozessen, aber auch bei bestimmten industriellen Anwendungen, z. B. der Herstellung von Salpetersäure werden sogenannte DeNOx-Katalysatoren benötigt, die durch selektive katalytische Reduktion Stickoxide im Abgasstrom zu Stickstoff reduzieren. Hierfür werden oft Molekularsiebe benötigt, die eine hohe Oberfläche bieten und in die die katalytisch aktiven Komponenten oberflächenaktiv eingebracht werden können. Als Molekularsiebe werden hierfür im Stand der Technik in der Regel Zeolithe oder Zeolith-ähnliche Materialien verwendet, die mit einem Aktivmetall dotiert sind, das die wesentliche katalytisch aktive Komponente darstellt.In engine combustion processes, such as in diesel engines and gasoline-injected engines and in non-engine combustion processes, but also in certain industrial applications, such. As the production of nitric acid so-called DeNOx catalysts are required, which reduce nitrogen oxides in the exhaust stream by selective catalytic reduction. For this purpose, molecular sieves are often required, which provide a high surface area and in which the catalytically active components can be incorporated surface active. Zeolites or zeolite-like materials which are doped with an active metal, which constitutes the essential catalytically active component, are generally used as molecular sieves in the prior art.
Im Stand der Technik sind beispielsweise Alumo-Silikate (Zeolithe), Alumo-Phosphate (ALPOs) und Silico-Alumo-Phosphate (SAPOs) seit Längerem als aktive Komponenten für Raffinerie-, Petrochemie- und Chemiekatalysatoren sowie für die Abgasreinigung sowohl in stationären als auch in mobilen Anwendungen bekannt. Diese Gruppen werden oft auch nur unter der Sammelbezeichnung Zeolithe geführt.Alumo-silicates (zeolites), alumino-phosphates (ALPOs) and silico-aluminophosphates (SAPOs) have long been used as active components for refinery, petrochemical and chemical catalysts as well as for the purification of exhaust gases both in stationary and in the state of the art known in mobile applications. These groups are often only listed under the collective name Zeolithe.
Zeolithe im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind kristalline Substanzen mit einer Raumnetzstruktur, die aus SiO4- und AlO4-Tetraedern bestehen, die durch gemeinsame Sauerstoffatome zu einem regelmäßigen dreidimensionalen Netzwerk verknüpft sind. Zeolithe enthalten Hohlräume, die für jeden Strukturtyp charakteristisch sind. Die Zeolithe werden gemäß ihrer Topologie in verschiedene Strukturen eingeteilt. Das Kristallgerüst enthält offene Hohlräume in Form von Kanälen und Käfigen, die normalerweise mit Wassermolekülen und zusätzlichen Gerüstkationen besetzt sind, die ausgetauscht werden können. Jedes Aluminiumatom erzeugt eine negative überschüssige Ladung, die durch Kationen kompensiert wird. Das Innere des Porensystems stellt die katalytisch aktive Oberfläche dar. Je mehr Aluminium ein Zeolith enthält, desto dichter ist die negative Ladung in seinem Gitter und desto polarer ist seine innere Oberfläche. Die Porengröße und Struktur wird neben den Parametern bei der Herstellung, d. h. Verwendung bzw. Art von Templaten, pH, Druck, Temperatur, Anwesenheit von Impfkristallen, durch das Si/Al-Verhältnis bestimmt, das den größten Teil des katalytischen Charakters eines Zeolithen ausmacht. Die durch die Aluminiumatome verursachte negative Ladung wird durch den Einbau von Kationen in die Poren des Zeolithmaterials kompensiert.Zeolites in the context of the present invention are crystalline substances with a spatial network structure which consist of SiO 4 and AlO 4 tetrahedra which are linked by common oxygen atoms to form a regular three-dimensional network. Zeolites contain cavities that are characteristic of each type of structure. The zeolites are classified into different structures according to their topology. The crystal framework contains open cavities in the form of channels and cages that are normally filled with water molecules and additional framework cations that can be exchanged. Each aluminum atom generates a negative excess charge which is compensated by cations. The interior of the pore system represents the catalytically active surface. The more aluminum a zeolite contains, the denser the negative charge in its lattice and the more polar its internal surface. The pore size and structure are determined by the Si / Al ratio, which accounts for most of the catalytic character of a zeolite, besides the parameters of manufacture, ie, use, or type of templates, pH, pressure, temperature, presence of seed crystals. The negative charge caused by the aluminum atoms is compensated by the incorporation of cations into the pores of the zeolite material.
Reine, nicht-ionenausgetauschte Zeolithe enthalten in der Regel H+-Ionen als Gegenionen im Inneren ihres Porensystems, die Brönsted-Säure-Eigenschaften induzieren, aber auch gegen andere Kationen, z. B. Metallkationen ausgetauscht werden können.Pure, non-ion exchanged zeolites typically contain H + ions as counterions within their pore system that induce Brönsted acid properties, but also against other cations, e.g. B. metal cations can be replaced.
Für katalytische Anwendungen werden diese Materialien oft noch mit weiteren Komponenten modifiziert. In der Abgaskatalyse wird gewöhnlich mit Übergangsmetallen wie Edelmetallen oder Eisen, Kupfer, Kobalt usw. modifiziert. Hierbei liegen die Übergangsmetalle als Kationen oder als kationische Metallkomplexe als Gegenionen im Inneren des Porensystems vor.For catalytic applications, these materials are often modified with other components. In off-gas catalysis, transition metals such as precious metals or iron, copper, cobalt, etc., are usually modified. In this case, the transition metals are present as cations or as cationic metal complexes as counterions in the interior of the pore system.
Diese dann als Pulver vorliegenden Materialien werden dann entweder zu Extrudaten verformt, unter Zuhilfenahme von oxidischen und organischen Bindemitteln zu Vollextrudaten/Wabenkatalysatoren verformt oder über die Zwischenstufe eines Washcoats auf keramische oder metallische Waben aufgebracht. These then present as a powder materials are then either deformed into extrudates, deformed with the aid of oxidic and organic binders to Vollextrudaten / honeycomb catalysts or applied via the intermediate stage of a washcoat on ceramic or metallic honeycomb.
Im Stand der Technik finden vorzugsweise Eisen-ausgetauschte Zeolithe Verwendung in der Reduktion von Stickoxiden oder Stickstoffwasserstoffverbindungen in Abgasen. Hierbei haben sich insbesondere Strukturen vom MFI- oder BEA-Typ, die vor allem bei hohen Temperaturen aktiv sind, als vorteilhaft erwiesen. Bei niedrigen Temperaturen ist allerdings die Aktivität reduziert.In the prior art, iron-exchanged zeolites are preferably used in the reduction of nitrogen oxides or nitrogen-hydrogen compounds in exhaust gases. In particular, structures of the MFI or BEA type, which are active especially at high temperatures, have proven to be advantageous. At low temperatures, however, the activity is reduced.
Übergangsmetall-ausgetauschte, insbesondere Kupfer-ausgetauschte, Zeolithe haben sich als geeignete Katalysatoren in der Reduktion von Stickoxiden bei niedrigen Temperaturen erwiesen. Bei hohen Temperaturen ist die Umsetzung jedoch nicht vollständig und es kann unter Umständen eine vermehrte Bildung von Lachgas und NOx beobachtet werden.Transition metal-exchanged, especially copper-exchanged, zeolites have been found to be suitable catalysts in the reduction of nitrogen oxides at low temperatures. At high temperatures, however, the reaction is not complete and it may be observed an increased formation of nitrous oxide and NO x under certain circumstances.
Unter Silico-Alumo-Phosphaten (SAPOs) werden allgemein Molekularsiebe verstanden, die ausgehend von Alumo-Phosphaten (allgemeine Formel (AlPO4-n)) durch isomorphen Austausch von Phosphor mit Silicium erhalten werden und der allgemeinen Formel (SixAlyPz)O2 (wasserfrei) entsprechen (
Strukturen dieser Gruppe werden gemäß der „Structure Commission of the International Zeolite Association” aufgrund ihrer Porengröße entsprechend den IUPAC-Regeln (International Union of Pure and Applied Chemistry) eingeteilt. Sie kristallisieren in mehr als 200 verschiedenen Verbindungen in zwei Dutzend verschiedenen Strukturen. Klassifiziert werden sie aufgrund ihrer Porengrößen.Structures of this group are classified according to the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) according to the Structure Commission of the International Zeolite Association because of their pore size. They crystallize in more than 200 different compounds in two dozen different structures. They are classified based on their pore sizes.
SAPOs sind typischerweise mittels Hydrothermal-Synthese erhältlich, ausgehend von reaktiven Alumo-Phosphat-Gelen, oder den einzelnen Al-, Si-, P-Komponenten Die Kristallisation der erhaltenen Silico-Alumo-Phosphate (SAPOs) wird mittels Zugabe von Struktur-dirigierenden Templaten, Kristallisationskeimen oder Elementen erreicht (
Die Gerüststruktur der SAPOs ist aus regelmäßigen, dreidimensionalen Raumnetzwerken mit charakteristischen Poren und Kanälen aufgebaut, die ein-, zwei- oder dreidimensional miteinander verknüpft sein können. Die vorstehend erwähnten Strukturen entstehen durch eckenverknüpfte Tetraeder-Bausteine (AlO4, SiO4, PO4), bestehend aus jeweils vierfach von Sauerstoff koordiniertem Aluminium, Silicium und Phosphor. Die Tetraeder werden als primäre Baueinheiten bezeichnet, deren Verknüpfung zur Bildung von sekundären Baueinheiten führt. Silico-Alumo-Phosphate (SAPOs) kristallisieren u. a. in der bekannten CHA-Struktur (Chabazit), eingeteilt nach IUPAC aufgrund ihrer spezifischen CHA-Einheit.The framework structure of the SAPOs is built up of regular, three-dimensional spatial networks with characteristic pores and channels, which can be linked together in one, two or three dimensions. The structures mentioned above are formed by corner-sharing tetrahedral building blocks (AlO 4 , SiO 4 , PO 4 ), each consisting of four times oxygen-coordinated aluminum, silicon and phosphorus. The tetrahedra are called primary building blocks, the linkage of which leads to the formation of secondary building units. Silico-aluminophosphates (SAPOs) crystallize, among others, in the known CHA structure (chabazite), classified according to IUPAC due to their specific CHA unit.
In den Alumo-Phosphaten herrscht aufgrund der ausgeglichenen Anzahl an Aluminium- und Phosphoratomen Ladungsneutralität. Diese Systeme weisen somit den Nachteil auf, dass sie in Hohlräumen keine Gegenionen zum Ladungsausgleich benötigen. Somit können in diese Hohlräume auch nicht effektiv katalytisch-aktive Metallionen durch Ionenbindung eingelagert werden. Deshalb eignen sich diese Alumo-Phosphate schlecht als Molekularsiebe in Katalysatoren für die Beseitigung von Stickoxiden aus dem Abgasstrom von Verbrennungsmotoren.In the aluminophosphates, charge neutrality prevails due to the balanced number of aluminum and phosphorus atoms. These systems thus have the disadvantage that they do not require any counterions in cavities for charge compensation. Thus, catalytically active metal ions can not be effectively incorporated into these cavities by ionic bonding. Therefore, these aluminophosphates are poorly suited as molecular sieves in catalysts for the removal of nitrogen oxides from the exhaust gas stream of internal combustion engines.
Durch isomorphen Austausch/Ersatz von Phosphor durch Silicium entstehen in Silico-Alumo-Phosphaten überzählige negative Ladungen, die durch Einlagerung von zusätzlichen Kationen in das Poren- und Kanalsystem ausgeglichen werden. Der Grad der Phosphor-Silicium-Substitution ausgehend von Alumo-Phosphaten bestimmt so die Anzahl der zum Ausgleich benötigten Kationen, und somit die maximal mögliche Beladung der Verbindungen mit positiv geladenen Kationen, z. B. Wasserstoff- oder Metallionen. Durch die Einlagerung der Kationen werden die sauren katalytischen Eigenschaften der Silico-Alumo-Phosphate bestimmt, und können durch gezielten Ionenaustausch hinsichtlich ihrer Aktivität und Selektivität als Katalysatorkomponenten verwendet werden. Besonders bevorzugt als Molekularsieb in Katalysatoren wird das sogenannte SAPO-34 mit CHA-Struktur und Porenöffnungen von etwa 3,5 Å verwendet. Silico-Alumo-Phosphate (SAPOs) eignen sich als Molekularsiebe insbesondere in sogenannten SCR-Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion von NOx mit Kohlenwasserstoffen wie z. B. Propen oder auch Ammoniak, da bei der selektiven Reduktion von NOx-Gasen oft eine große hydrothermale Stabilität nötig ist, da häufig Abgasströme mit hohem Wassergehalt bei hohen Temperaturen auf den Katalysator treffen. Im Stand der Technik wird vor allem Kupfer-ausgetauschtes SAPO-34 als geeigneter Katalysator für die Reduktion von Stickoxiden bei niedriger Temperatur eingesetzt. Auch bei SCO-Anwendungen sind oft Abgase mit hohem Wassergehalt abzureinigen, so dass die Silico-Alumo-Phosphate auch hier technische Vorteile besitzen und damit von großem wirtschaftlichem Interesse sind. Bei den genannten SAPOs nimmt hierbei unter Reaktionsbedingungen die Oberfläche nicht ab (im Vergleich zu Zeolithen) und die Azidität reduziert sich so gut wie nicht. Allerdings besitzen SAPOs jedoch den Nachteil, dass sie in wässriger Phase thermisch relativ instabil sind. So amorphisiert z. B. SAPO-34 schon bei niedrigen Temperaturen – u. a. schon bei der Herstellung des Katalysators in wässrigen Phasen.Through isomorphous exchange / replacement of phosphorus with silicon, silico-alumino-phosphates produce excess negative charges, which are compensated for by incorporation of additional cations into the pore and channel system. The degree of phosphorus-silicon substitution from alumino-phosphates thus determines the number of cations needed to balance, and thus the maximum possible loading of the compounds with positively charged cations, eg. For example, hydrogen or metal ions. By incorporating the cations, the acidic catalytic properties of the silico-aluminophosphates are determined, and can be used by targeted ion exchange in terms of their activity and selectivity as catalyst components. The so-called SAPO-34 with CHA structure and pore openings of about 3.5 Å is particularly preferred as the molecular sieve in catalysts. Silico-alumino-phosphates (SAPOs) are suitable as molecular sieves in particular in so-called SCR catalysts for the selective catalytic reduction of NO x with hydrocarbons such. As propene or ammonia, since in the selective reduction of NO x gases often a large hydrothermal stability is necessary because often meet exhaust gas streams with high water content at high temperatures on the catalyst. In the prior art, especially copper-exchanged SAPO-34 as a suitable catalyst for the reduction of nitrogen oxides at low temperature used. Even with SCO applications, exhaust gases with high water content are often to be cleaned off, so that the silico-aluminophosphates also have technical advantages here and are therefore of great economic interest. In the case of the abovementioned SAPOs, the surface does not decrease under reaction conditions (in comparison to zeolites) and the acidity hardly reduces. However, SAPOs have the disadvantage that they are thermally relatively unstable in the aqueous phase. So amorphizes z. B. SAPO-34 even at low temperatures - including in the preparation of the catalyst in aqueous phases.
Es war deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine katalytische Zusammensetzung für ein Abgasreinigungskatalysatorbauteil sowie ein Verfahren zur Umsetzung stickstoffhaltiger Verbindungen in Abgasströmen bereitzustellen, mit der/dem bei niedrigen und hohen Temperaturen hohe Umsätze erzielt werden können, und zwar möglichst ohne dabei Lachgas zu produzieren.It was therefore the object of the present invention to provide a catalytic composition for an exhaust gas purifying catalyst component and a method for reacting nitrogen-containing compounds in exhaust gas streams with which high conversions can be achieved at low and high temperatures, if possible without producing nitrous oxide.
Die vorliegende Erfindung stellt hierfür eine (katalytische) Zusammensetzung enthaltend einen Alumo-Silikat-Zeolithen und ein Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat bereit, wobei der Alumo-Silikat-Zeolith und das Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat jeweils mindestens ein Übergangsmetall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fe, Cu, Mn, Co, Cr, V und Mo enthalten. Es ist dabei besonders bevorzugt, dass der Alumo-Silikat-Zeolith als Übergangsmetall Eisen und das Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat als Übergangsmetall Kupfer enthält. Besonders bevorzugt ist es, dass der Alumo-Silikat-Zeolith als alleiniges Metall Eisen enthält. Ebenso ist es besonders bevorzugt, dass das Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat als alleiniges Metall Kupfer enthält. In einer besonders bevorzugten Form enthält der Alumo-Silikat-Zeolith nur Eisen und der Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat nur Kupfer als Übergangsmetall. In anderen Worten ist es eine besonders bevorzugte Variante der vorliegenden Erfindung, dass der Alumo-Silikat-Zeolith neben Eisen und das Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat neben Kupfer keine weiteren Übergangsmetalle enthält.The present invention provides for this purpose a (catalytic) composition comprising an aluminosilicate zeolite and a titano (silico) -alumino-phosphate, wherein the alumino-silicate zeolite and the titano (silico) -alumino-phosphate are each at least a transition metal selected from the group consisting of Fe, Cu, Mn, Co, Cr, V and Mo. It is particularly preferred that the alumino-silicate zeolite contains iron as the transition metal and the titano (silico) -alumino-phosphate as transition metal copper. It is particularly preferred that the alumino-silicate zeolite contains iron as the sole metal. Likewise, it is particularly preferred that the titano (silico) -alumino-phosphate contains copper as the sole metal. In a particularly preferred form of the alumino-silicate zeolite contains only iron and the titano (silico) -alumino-phosphate only copper as the transition metal. In other words, it is a particularly preferred variant of the present invention that the alumino-silicate zeolite in addition to iron and the titano (silico) -alumino-phosphate in addition to copper contains no further transition metals.
Ebenso wie die genannten SAPOs sind die Titano-(Silico)-Alumo-Phosphate im Rahmen der vorliegenden Erfindung kristalline Substanzen mit einer Raumnetzstruktur, die aus TiO4/(SiO4)/AlO4/PO4-Tetraedern besteht und durch gemeinsame Sauerstoffatome zu einem regelmäßigen dreidimensionalen Netzwerk verknüpft ist. Alle diese genannten Tetraedereinheiten ergeben zusammen das sogenannte „Framework”. Weitere Einheiten, die nicht aus den Tetraedereinheiten des Grundgerüsts bestehen, bezeichnet man als sogenanntes „Extraframework”.Like the abovementioned SAPOs, the titano- (silico) -alumino-phosphates in the context of the present invention are crystalline substances with a spatial network structure consisting of TiO 4 / (SiO 4 ) / AlO 4 / PO 4 tetrahedra and owing to common oxygen atoms linked to a regular three-dimensional network. All these tetrahedral units together form the so-called "framework". Further units that do not consist of the tetrahedral units of the backbone are called "extra frameworks".
Die Strukturen der Titano-(Silico)-Alumo-Phosphate enthalten Hohlräume, die für jeden Strukturtyp charakteristisch sind. Ebenso wie die Zeolithe stellt auch diese Strukturklasse Molekularsiebe dar. Sie werden gemäß ihrer Topologie in verschiedene Strukturen eingeteilt (IUPAC). Das Kristallgerüst enthält offene Hohlräume in Form von Kanälen und Käfigen, die normalerweise mit Wassermolekülen und zusätzlichen Gerüstkationen benetzt sind, die ausgetauscht werden können. Bei den sogenannten Alumo-Phosphaten kommt, zumindest im „Framework” des Titano-(Silico)-Alumo-Phosphats, auf ein Aluminiumatom jeweils ein Phosphoratom, sodass sich die Ladungen gegenseitig ausgleichen. Substituieren Titanatome die Phosphoratome, bilden die Titanatome eine überschüssige negative Ladung, die durch Kationen kompensiert wird. Das Innere des Porensystems stellt die katalytisch-aktive Oberfläche dar. Je weniger Phosphor im Verhältnis zu Aluminium ein Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat im Framework enthält, desto dichter ist die negative Ladung in seinem Gitter und desto polarer ist seine innere Oberfläche. Die Porengröße und Struktur wird neben den Parametern bei der Herstellung, d. h. Verwendung bzw. Art von Templaten, pH, Druck, Temperatur, Anwesenheit von Impfkristallen durch das P/Al/Ti/(Si)-Verhältnis bestimmt, das den größten Anteil des katalytischen Charakters eines Titano-Alumo-Phosphats bzw. Titano-(Silico)-Alumo-Phosphats ausmacht. Durch die Substitution von Phosphoratomen durch Titanatome im Bezug auf das Framework entsteht ein Unterschuss an positiven Ladungen, sodass das Molekularsieb insgesamt negativ geladen ist. Die negativen Ladungen werden durch den Einbau von Kationen in die Poren des Zeolithmaterials kompensiert. Zusätzlich zu Titanatomen können auch, wie aus der oben genannten in Klammern gesetzten optionalen Anwesenheit von Silicium hervorgeht, Siliciumatome die Phosphoratome ersetzen. Diese rufen dann ebenfalls negative Ladungen hervor, die durch Kationen kompensiert werden müssen.The structures of titano- (silico) -alumino-phosphates contain cavities that are characteristic of each type of structure. Like the zeolites, this structural class represents molecular sieves. They are classified into different structures according to their topology (IUPAC). The crystal framework contains open cavities in the form of channels and cages that are normally wetted with water molecules and additional framework cations that can be exchanged. In the case of the so-called aluminophosphates, at least in the "framework" of the titano (silico) -alumino-phosphate, an aluminum atom is replaced by one phosphorus atom, so that the charges balance each other. If titanium atoms substitute the phosphorus atoms, the titanium atoms form an excess negative charge that is compensated by cations. The interior of the pore system represents the catalytically active surface. The less phosphorus in relation to aluminum contains a titano- (silico) -alumino-phosphate in the framework, the denser the negative charge in its lattice and the more polar is its inner surface. The pore size and structure is in addition to the parameters in the production, d. H. Use or type of template, pH, pressure, temperature, presence of seed crystals determined by the P / Al / Ti / (Si) ratio, which accounts for the largest part of the catalytic character of a titano-alumino-phosphate or titano (Silico ) Alumino-phosphate. The substitution of phosphorus atoms by titanium atoms with respect to the framework results in a deficit of positive charges, so that the molecular sieve is negatively charged overall. The negative charges are compensated by the incorporation of cations into the pores of the zeolite material. In addition to titanium atoms, as apparent from the above parenthetical optional presence of silicon, silicon atoms can also replace the phosphorus atoms. These then also cause negative charges, which must be compensated by cations.
Die erfindungsgemäß verwendeten Titano-(Silico)-Alumo-Phosphate unterscheidet man – wie auch im Stand der Technik – hauptsächlich nach der Geometrie der Hohlräume, die durch das starre Netzwerk der TiO4/AlO4/(SiO4)/PO4-Tetraeder gebildet werden. Die Eingänge zu den Hohlräumen werden von 8, 10 oder 12 Ringatomen bezüglich der Metallatome, die die Eingangsöffnung bilden, gebildet, wobei der Fachmann hier von eng-, mittel- und weitporigen Strukturen spricht. Erfindungsgemäß bevorzugt sind hier engporige Strukturen. Diese Titano-(Silico)-Alumo-Phosphate können einen gleichförmigen Strukturaufbau, z. B. eine VFI- oder AET-Topologie mit linearen Kanälen zeigen, wobei aber auch andere Topologien denkbar sind, bei denen sich hinter den Porenöffnungen größere Hohlräume anschließen. Erfindungsgemäß bevorzugt sind Titano-(Silico)-Alumo-Phosphate mit Öffnungen aus acht Tetraeder-Atomen, d. h. engporige Materialien. Diese weisen vorzugsweise einen Öffnungsdurchmesser von ca. 3,1 bis 5 Å, insbesondere bevorzugt 3,4 bis 3,6 Å auf.The titano- (silico) -alumino-phosphates used according to the invention are distinguished, as in the prior art, mainly according to the geometry of the cavities formed by the rigid network of the TiO 4 / AlO 4 / (SiO 4 ) / PO 4 tetrahedra be formed. The entrances to the cavities are formed by 8, 10 or 12 ring atoms with respect to the metal atoms which form the entrance opening, the skilled person speaking here of narrow, medium and wide-pore structures. According to the invention, narrow-pore structures are preferred here. These titano- (silico) -alumino-phosphates may have a uniform structure structure, e.g. As a VFI or AET topology with linear channels show, but other topologies are conceivable in which join behind the pore openings larger cavities. According to the invention, preference is given to titano (silico) -aluminum Phosphates with openings of eight tetrahedral atoms, ie narrow-pored materials. These preferably have an opening diameter of about 3.1 to 5 Å, particularly preferably 3.4 to 3.6 Å.
Unter dem Begriff „Molekularsieb” versteht man natürliche und synthetisch hergestellte Gerüststrukturen mit Hohlräumen und Kanälen, wie beispielweise Zeolithe und verwandte Materialien, die ein starkes Absorptionsvermögen für Gase, Dämpfe und gelöste Stoffe mit bestimmten Molekülgrößen haben.By the term "molecular sieve" is meant natural and synthetic skeletal structures with cavities and channels, such as zeolites and related materials, which have high absorbance for gases, vapors, and solutes having particular molecular sizes.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass titanhaltige (Silico)-Alumo-Phosphate besonders geeignet sind als Molekularsiebe in Abgasreinigungskatalysatorbauteilen, insbesondere SCR- und SCO-Katalysatoren. Die Titano-(Silico)-Alumo-Phosphate eignen sich aufgrund ihrer hohen Phasenreinheit, ihrer Temperaturstabilität, ihres hohen möglichen Beladungsanteils mit Übergangsmetallionen und ihrer hohen Ammoniakspeicherkapazität hervorragend als Molekularsiebe in SCR- und SCO-Katalysatoren.It has surprisingly been found that titanium-containing (silico) -alumino-phosphates are particularly suitable as molecular sieves in exhaust gas purifying catalyst components, in particular SCR and SCO catalysts. The titano- (silico) -alumino-phosphates are excellently suitable as molecular sieves in SCR and SCO catalysts due to their high phase purity, their temperature stability, their high possible loading fraction with transition metal ions and their high ammonia storage capacity.
Das in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eingesetzte Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat weist vorzugsweise eine Azidität von 1000–1500 μmol/g und besonders bevorzugt eine Azidität von 1100–1400 μmol/g auf, die mittels temperaturprogrammierter Desorption von Ammoniak ermittelt wird. Eine Azidität in diesem Bereich ist insbesondere wichtig, um bei SCR-Anwendungen die überwiegend aziden Reduktionsmittel, bzw. bei SCO-Anwendungen die Stickstoff-Wasserstoffverbindungen wie Ammoniak und stickstoffhaltigen organischen Verbindungen zu speichern.The titano- (silico) -alumino-phosphate used in the composition according to the invention preferably has an acidity of 1000-1500 μmol / g and particularly preferably an acidity of 1100-1400 μmol / g, which is determined by means of temperature-programmed desorption of ammonia. An acidity in this area is particularly important to store the predominantly acidic reducing agents in SCR applications, or the nitrogen-hydrogen compounds such as ammonia and nitrogen-containing organic compounds in SCO applications.
Weiterhin bevorzugt ist es, dass das Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eine BET-Oberfläche im Bereich von 200 bis 1200 m2/g aufweist, insbesondere bevorzugt 400 bis 850 m2/g, noch stärker bevorzugt 500 bis 750 m2/g. Die BET-Oberfläche des Molekularsiebs sollte nicht zu gering sein, da dann kein ausreichender Kontakt der Stickoxide mit den katalytisch-aktiven Komponenten vorhanden ist und somit die Reduktion der Stickoxide nicht in ausreichendem Maße stattfindet. Eine zu hohe BET-Oberfläche bringt den Nachteil mit sich, dass aufgrund der geringen Dichte des Materials dieses nicht mehr genügend temperaturstabil ist. Die BET-Oberfläche wird mittels Adsorption von Stickstoff nach
Im Stand der Technik werden überwiegend nicht Zeolithe mit CHA-Struktur, sondern Zeolithe mit MFI- und BEA-Strukturen verwendet. Allerdings ist deren thermische Stabilität sehr begrenzt. So wurde bspw. festgestellt, dass in einem hydrothermalen Alterungstest (Bedingungen: 10 Volumenprozent H2O; 700°C; Dauer 24 Stunden) die Oberfläche bei einem Zeolith mit BEA-Struktur um 11% und bei einem Zeolith mit MFI-Struktur um 8% abnimmt. Zudem zeigen beide Materialien nach dem Alterungstest signifikant niedrigere Werte hinsichtlich der Azidität, die mit temperaturprogrammierter Desorption von Ammoniak ermittelt wurde. Der Zeolith mit der BEA-Struktur verliert 54% seiner Azidität und der Zeolith mit der MFI-Struktur verliert 77% seiner Azidität. Demgegenüber verliert das erfindungsgemäße titanhaltige(Silico)-Alumo-Phosphat TAPSO-34 im Alterungstest nur 19% seiner Azidität. Aufgrund seiner hohen hydrothermalen Stabilität ist somit das erfindungsgemäß eingesetzte Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat besonders geeignet für den Einsatz in feuchter Atmosphäre bei hohen Temperaturen, wie sie in bestimmten motorischen und nichtmotorischen SCR- und SCO-Anwendungen herrschen.In the prior art, zeolites with MFI and BEA structures are predominantly not used with CHA structure zeolites. However, their thermal stability is very limited. For example, in a hydrothermal aging test (conditions: 10% by volume H 2 O, 700 ° C., duration 24 hours) the surface area of a zeolite with BEA structure was 11% and that of a zeolite with MFI structure was 8 % decreases. In addition, both materials show significantly lower levels of acidity after the aging test, as determined by temperature programmed desorption of ammonia. The zeolite with the BEA structure loses 54% of its acidity and the zeolite with the MFI structure loses 77% of its acidity. In contrast, the inventive titanium-containing (silico) -alumino-phosphate TAPSO-34 loses only 19% of its acidity in the aging test. Because of its high hydrothermal stability, the titano- (silico) -alumino-phosphate used according to the invention is thus particularly suitable for use in the humid atmosphere at high temperatures, as prevail in certain engine and non-engine SCR and SCO applications.
Besonders geeignet im Sinne dieser Erfindung hat sich ein titanhaltiges(Silico)-Alumo-Phosphat mit einer CHA-Struktur erwiesen, das vorzugsweise eine Struktur mit kleinen Porenöffnungen von ca. 3,5 Å aufweist. Diese Strukturen sind insbesondere für motorische Anwendungen geeignet, da sie in der Startphase von Motoren als sogenannte Kaltstartfalle eine hohe Adsorption von unverbranntem Kraftstoff aufweisen, der nach dem Aufwärmen des Systems als Reduktionsmittel für die Stickoxide zum Einsatz kommen kann.Particularly suitable for the purposes of this invention, a titanium-containing (silico) -alumino-phosphate has proven with a CHA structure, which preferably has a structure with small pore openings of about 3.5 Å. These structures are particularly suitable for engine applications, since they have a high adsorption of unburned fuel in the starting phase of engines as a so-called cold start trap, which can be used after warming up the system as a reducing agent for the nitrogen oxides.
Die in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eingesetzten Titano-Silico-Alumo-Phosphate sind vorzugsweise ausgewählt aus TAPSO-5, TAPSO-8, TAPSO-11, TAPSO-16, TAPSO-17, TAPSO-18, TAPSO-20, TAPSO-31, TAPSO-34, TAPSO-35, TAPSO-36, TAPSO-37, TAPSO-40, TAPSO-41, TAPSO-42, TAPSO-44, TAPSO-47, TAPSO-56. Besonders bevorzugt sind TAPSO-5, TAPSO-11 oder TAPSO-34, da diese eine besonders hohe hydrothermale Stabilität gegenüber Wasser aufweisen. Besonders geeignet sind TAPSO-5, TAPSO-11 und TAPSO-34 auch aufgrund ihrer guten Eigenschaften als Katalysator in verschiedenen Prozessen aufgrund ihrer mikroporösen Struktur und da sie sich aufgrund ihrer hohen Adsorptionskapazität sehr gut als Adsorptionsmittel eignen. Außerdem zeigen sie auch eine geringe Regenerationstemperatur, da sie bereits adsorbiertes Wasser oder adsorbierte andere kleine Moleküle bei Temperaturen zwischen 30°C und 90°C reversibel abgeben. Erfindungsgemäß eignet sich besonders der Einsatz von mikroporösen Titano-Silico-Alumo-Phosphaten mit CHA-Struktur. Ganz besonders bevorzugt ist das in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eingesetzte Molekularsieb ein sogenanntes TAPSO-34, wie es im Stand der Technik beispielsweise aus der
Aufgrund der geringen Porenöffnung von TAPSO-34 (3,8 Å × 3,8 Å) wird vermutet, dass die Wanderung der Übergangsmetallionen, insbesondere Kupferionen, aus dem Porensystem während der Herstellung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung, insbesondere der Herstellung eines unten erwähnten erfindungsgemäßen Washcoats, stark behindert ist. Die stark gebundene Hydrathülle von Übergangsmetallionen, insbesondere die von Kupferionen, ist größer als die Porenöffnung des TAPSO-34 Molekularsiebs und schränkt daher die Mobilität der Ionen stark ein. So haben beispielsweise Kupfer-haltige zeolithische Molekularsiebe wie Cu-MFI bzw. Cu-BEA ein Porensystem, deren Porenöffnungen bzw. Kanäle größer als die Kupferionen mit ihrer Hydrathülle sind. Somit kommt es schon bei der Herstellung des Washcoats zu einer Wanderung und Agglomeration der Kupferionen, die deren Dispersion und damit die Zahl der katalytisch aktiven Zentren verringert. Ferner können bei der Verwendung konventioneller Zeolithe als Molekularsiebe die Kupferionen mit den weiterhin verwendeten Übergangsmetallionen, insbesondere Eisenionen, agglomerieren, was durch die Bildung größerer Mischkristalle sowohl die Hochtemperaturselektivität als auch die Tieftemperaturaktivität des Katalysators negativ beeinflussen kann.Due to the low pore opening of TAPSO-34 (3.8 Å x 3.8 Å), it is believed that the migration of the transition metal ions, especially copper ions, from the pore system during the preparation of the composition of the invention, especially the production of a washcoat according to the invention mentioned below, is severely handicapped. The strongly bound hydration shell of transition metal ions, in particular that of copper ions, is larger than the pore opening of the TAPSO-34 molecular sieve and therefore severely limits the mobility of the ions. For example, copper-containing zeolitic molecular sieves such as Cu-MFI or Cu-BEA have a pore system whose pore openings or channels are larger than the copper ions with their hydration shell. Thus, during the production of the washcoat, a migration and agglomeration of the copper ions occurs, which reduces their dispersion and thus the number of catalytically active centers. Further, when using conventional zeolites as molecular sieves, the copper ions may agglomerate with the further used transition metal ions, in particular iron ions, which may adversely affect both the high temperature selectivity and the low temperature activity of the catalyst by forming larger mixed crystals.
Bei der erfindungsgemäßen (katalytischen) Zusammensetzung verhindern offensichtlich die kleinen Porenöffnungen des Titano-(Silico)-Alumo-Phosphats, vorzugsweise TAPSO-34, das Eindringen von Eisenionen mit ihrer stark-gebundenen Hydrathülle in das Porensystem und somit eine Vermischung der Kupfer- und Eisenionen. Aufgrund der Separation der beiden aktiven Katalysezentren findet daher keine negative gegenseitige Beeinflussung der Komponenten statt.In the case of the (catalytic) composition according to the invention, obviously the small pore openings of the titano (silico) -alumino-phosphate, preferably TAPSO-34, prevent the penetration of iron ions with their strongly bound hydrated shell into the pore system and thus a mixing of the copper and iron ions , Due to the separation of the two active catalytic centers therefore no negative mutual influence of the components takes place.
Das in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eingesetzte Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat weist aufgrund des Austauschs von Phosphoratomen durch Titan- bzw. Siliciumatome negative Ladungen auf, die durch Kationen kompensiert werden. Bei der Synthese von Titano-(Silico)-Alumo-Phosphaten, die seit vielen Jahren aus der
Das mit dem Kation modifizierte Molekularsieb weist vorzugsweise die folgende Formel auf:
Die Anzahl der negativen Ladungen a des Molekularsiebes ergibt sich aus der überschüssigen Anzahl von Aluminium-Atomen zu der Anzahl der Phosphor-Atome. Geht man davon aus, dass auf jedes Ti-, Al-, Si- und P-Atom zwei Sauerstoffatome kommen, dann hätten diese Einheiten die folgenden Ladungen: Die Einheit TiO2 und die Einheit SiO2 sind ladungsneutral, die Einheit AlO2 weist aufgrund der Dreiwertigkeit von Aluminium eine negative Ladung auf und die Einheit PO2 weist aufgrund der Fünfwertigkeit von Phosphor eine positive Ladung auf. Es ist erfindungsgemäß besonders bevorzugt, dass die Anzahl der Aluminium-Atome größer ist als die Anzahl der Phosphor-Atome, sodass das Molekularsieb insgesamt negativ geladen ist. Dies wird in der oben genannten Formel ausgedrückt durch den Index a, der die Differenz der vorhandenen Aluminium-Atome abzüglich der Phosphor-Atome darstellt. Dies ist insbesondere deshalb der Fall, da positiv geladene PO2 +-Einheiten durch ladungsneutrale TiO2- bzw. SiO2-Einheiten substituiert werden.The number of negative charges a of the molecular sieve results from the excess number of aluminum atoms to the number of phosphorus atoms. Assuming that each of the Ti, Al, Si and P atoms has two oxygen atoms, these units would have the following charges: The unit TiO 2 and the unit SiO 2 are charge neutral, the unit AlO 2 is due to the triviality of aluminum has a negative charge and the unit PO 2 has a positive charge due to the pentavalence of phosphorus. It is particularly preferred according to the invention that the number of aluminum atoms is greater than the number of phosphorus atoms, so that the molecular sieve is negatively charged overall. This is expressed in the above formula by the subscript a, which represents the difference of the aluminum atoms present minus the phosphorus atoms. This is especially the case because positively charged PO 2 + units are substituted by charge-neutral TiO 2 or SiO 2 units.
Zusätzlich zu den genannten SiO2-, TiO2-, AlO2 –- und PO2 +-Einheiten, die das Framework des Molekularsiebs bilden und dessen Verhältnis die Wertigkeit des Molekularsiebs bestimmt, kann das Molekularsieb auch Al- und P-Einheiten enthalten, die als solche formal als ladungsneutral anzusehen sind, beispielsweise, weil nicht O2–-Einheiten die Koordinationsstellen besetzen, sondern weil andere Einheiten, wie beispielsweise OH– oder H2O an dieser Stelle sitzen, vorzugsweise wenn diese endständig bzw. randständig in der Struktur vorhanden sind. Diesen Anteil an Einheiten des Molekularsiebs nennt man dann das sogenannte „Extraframework” des Molekularsiebs.In addition to the aforementioned SiO 2 , TiO 2 , AlO 2 - and PO 2 + units, which form the framework of the molecular sieve and whose ratio determines the valence of the molecular sieve, the molecular sieve may also contain Al and P units, are to be regarded as such formally charge neutral, for example, because not O 2- units occupying the coordination sites, but because other units, such as OH - or H 2 O sit at this point, preferably, if this terminal or marginal in the structure available. This proportion of units of the molecular sieve is then called the so-called "extraframework" of the molecular sieve.
Das im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Molekularsieb weist vorzugsweise ein (Si + Ti)/(Al + P)-Molverhältnis von 0,01 bis 0,5 zu 1, stärker bevorzugt von 0,02 bis 0,4 zu 1, noch stärker bevorzugt 0,05 bis 0,3 zu 1 und am stärksten bevorzugt 0,07 bis 0,2 zu 1 auf.The molecular sieve used in the process of the present invention preferably has a (Si + Ti) / (Al + P) molar ratio of 0.01 to 0.5 to 1, more preferably 0.02 to 0.4 to 1, even more preferably 0 0.05 to 0.3 to 1, and most preferably 0.07 to 0.2 to 1.
Besonders bevorzugt ist zudem, dass das im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Molekularsieb – neben Ti – als wesentliches Element Si enthält. Insbesondere das Siliciumhaltige Titano-Alumo-Phosphat zeichnet sich durch seine große hydrothermale Stabilität aus.It is also particularly preferred that the molecular sieve used in the process according to the invention contains Si as an essential element in addition to Ti. In particular, the silicon-containing titano-alumino-phosphate is characterized by its high hydrothermal stability.
Das Si/Ti-Verhältnis liegt vorzugsweise im Bereich von 0 bis 20, stärker bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 10, noch stärker bevorzugt im Bereich von 1 bis 8. Das Al/P-Verhältnis im Bezug auf alle Einheiten des Molekularsiebs, d. h. die des Frameworks und des Extraframeworks des Titano-(Silico)-Alumo-Phosphats liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 1,5, stärker bevorzugt im Bereich von 0,70 bis 1,25. Das Al/P-Verhältnis nur im Bezug auf das Framework des Titano-(Silico)-Alumo-Phosphats liegt vorzugsweise im Bereich von größer 1 bis 1,5, stärker bevorzugt im Bereich von 1,05 bis 1,25.The Si / Ti ratio is preferably in the range of 0 to 20, more preferably in the range of 0.5 to 10, even more preferably in the range of 1 to 8. The Al / P ratio with respect to all units of the molecular sieve, d. H. that of the framework and extra framework of the titano (silico) alumino-phosphate is preferably in the range of 0.5 to 1.5, more preferably in the range of 0.70 to 1.25. The Al / P ratio only with respect to the framework of the titano (silico) alumino-phosphate is preferably in the range of greater than 1 to 1.5, more preferably in the range of 1.05 to 1.25.
Das Übergangsmetall, insbesondere Kupfer, liegt in dem Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat der erfindungsgemäßen Zusammensetzung vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 10,0 Gew.-% vor, stärker bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 9 Gew.-%, noch stärker bevorzugt ein einem Bereich von 2 bis 8 Gew.-%, noch stärker bevorzugt in einem Bereich von 3 bis 7 Gew.-%, noch stärker bevorzugt in einem Bereich von 4 bis 6 Gew.-% und am stärksten bevorzugt im Bereich von 5 und 5,5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse des Titano-(Silico)-Alumo-Phosphats und des Übergangsmetalls.The transition metal, in particular copper, is present in the titano- (silico) -alumino-phosphate of the composition according to the invention preferably in a range from 1 to 10.0% by weight, more preferably in a range from 1 to 9% by weight. even more preferably in a range of from 2 to 8 weight percent, more preferably in a range of from 3 to 7 weight percent, even more preferably in a range of from 4 to 6 weight percent, and most preferably in Range of 5 and 5.5 wt .-%, based on the total mass of the titano (silico) -alumino-phosphate and the transition metal.
Der Alumo-Silikat-Zeolith in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung weist vorzugsweise eine Struktur vom MFI- oder BEA-Typ auf. Das Si/Al-Verhältnis der Zeolithe liegt dabei bevorzugt im Bereich von 10 bis 50 und besonders bevorzugt im Bereich von 12 bis 30.The alumino-silicate zeolite in the composition of the present invention preferably has an MFI or BEA type structure. The Si / Al ratio of the zeolites is preferably in the range from 10 to 50 and particularly preferably in the range from 12 to 30.
Das Übergangsmetall, vorzugsweise Eisen, liegt in dem Alumo-Silikat-Zeolith der erfindungsgemäßen Zusammensetzung vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 10,0 Gew.-% vor, stärker bevorzugt 0,5 bis 7 Gew.-%, noch stärker bevorzugt 1 bis 5 Gew.-% und am stärksten bevorzugt 1,5 bis 3 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse des Alumo-Silikat-Zeoliths und des Übergangsmetalls.The transition metal, preferably iron, in the alumino-silicate zeolite of the composition of the invention is preferably present in a range of 0.1 to 10.0 weight percent, more preferably 0.5 to 7 weight percent, even more preferably From 1 to 5% by weight, and most preferably from 1.5 to 3% by weight, based on the total mass of the aluminosilicate zeolite and the transition metal.
In der erfindungsgemäßen Zusammensetzung liegt das Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat vorzugsweise im Bereich von 10 bis 90 Gew.-%, stärker bevorzugt 30 bis 60 Gew.-% und der Alumo-Silikat-Zeolith vorzugsweise im Bereich von 10 bis 90 Gew.-%, stärker bvorzugt 30 bis 60 Gew.-% vor, bezogen auf die gesamte Zusammensetzung.In the composition of the present invention, the titano (silico) -alumino-phosphate is preferably in the range of 10 to 90% by weight, more preferably 30 to 60% by weight, and the alumino-silicate zeolite is preferably in the range of 10 to 90 Wt .-%, more preferably 30 to 60 wt .-% before, based on the total composition.
Die oben genannte Aufgabe wird zudem durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur selektiven katalytischen Umsetzung stickstoffhaltiger Verbindungen in Abgasströmen gelöst, wobei als Katalysator die erfindungsgemäße Zusammensetzung verwendet wird.The abovementioned object is additionally achieved by a process according to the invention for the selective catalytic conversion of nitrogen-containing compounds into exhaust gas streams, the catalyst used being the composition according to the invention.
Wie bereits weiter oben erwähnt, handelt es sich in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens um die Reduzierung von Stickoxiden aus Abgasströmen und in der anderen Ausführungsform um die Oxidation von Stickstoff-Wasserstoffverbindungen und/oder stickstoffhaltigen organischen Verbindungen.As already mentioned above, in one embodiment of the method according to the invention is the reduction of nitrogen oxides from exhaust gas streams and in the other embodiment to the oxidation of nitrogen-hydrogen compounds and / or nitrogen-containing organic compounds.
Unter dem Begriff „Stickoxid” versteht man grundsätzlich alle denkbaren Stickstoffoxide der allgemeinen Formel NxOy, die beispielsweise bei motorischen und nichtmotorischen Verbrennungsprozessen, aber auch bei industriellen Prozessen entstehen können. Refers basically all possible nitrogen oxides of the general formula N x O y that may arise, for example in motor and non-motor combustion processes, but also in industrial processes, the term "nitric oxide".
Unter dem Begriff „Katalysator” im erfindungsgemäßen Verfahren versteht man vorzugsweise einen Trägerkörper, der eine erfindungsgemäße Zusammensetzung umfasst. Der Trägerkörper kann als Vollextrudat aus dem Molekularsieb gebildet werden, oder in Form eines Trägerkörpers vorliegen, der mit einer Zusammensetzung enthaltend das Molekularsieb beschichtet ist.The term "catalyst" in the process according to the invention is preferably understood to mean a support which comprises a composition according to the invention. The carrier body can be formed as a bulk extrudate from the molecular sieve, or in the form of a carrier body which is coated with a composition containing the molecular sieve.
Der Trägerkörper ist vorzugsweise eingebettet in einer Einheit, die in der Abgasleitung eingebaut ist. Die Einheit weist vorzugsweise ein Katalysatorbett auf, in dem sich die Trägerkörper befinden. Durch Leiten des Abgasstroms über bzw. durch die im Katalysatorbett befindlichen Trägerkörper werden bei SCR-Anwendungen die Stickoxide und bei SCO-Anwendungen Stickstoff-Wasserstoffverbindungen wie Ammoniak und stickstoffhaltige organische Verbindungen vorzugsweise zu Stickstoff, Wasser (und Kohlendioxid) umgesetzt. In den erfindungsgemäßen SCR-Anwendungen werden die Stickoxide unter Verbrauch eines Reduktionsmittels vorzugsweise zu N2 reduziert. In den erfindungsgemäßen SCO-Anwendungen werden Stickstoff-Wasserstoffverbindungen wie Ammoniak und stickstoffhaltige organische Verbindungen unter Verbrauch eines Oxidationsmittels vorzugsweise zu N2 und Wasser (und CO2) oxidiert.The carrier body is preferably embedded in a unit which is installed in the exhaust pipe. The unit preferably has a catalyst bed in which the carrier bodies are located. By directing the exhaust gas flow over or through the carrier body located in the catalyst bed, nitrogen oxides and, in SCO applications, nitrogen-hydrogen compounds such as ammonia and nitrogen-containing organic compounds are preferably converted into nitrogen, water (and carbon dioxide). In the SCR applications according to the invention, the nitrogen oxides are preferably reduced to N 2 while consuming a reducing agent. In the SCO applications according to the invention, nitrogen-hydrogen compounds such as ammonia and nitrogen-containing organic compounds are preferably oxidized to N 2 and water (and CO 2 ) while consuming an oxidizing agent.
Als Reduktionsmittel bei SCR-Anwendungen kann im Sinne dieser Erfindung jegliches Reduktionsmittel, das zur katalytischen Reduktion von Stickoxiden geeignet ist, eingesetzt werden. Erfindungsgemäß bevorzugt sind die folgenden Reduktionsmittel: NH3, Harnstoff, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, bei motorischen Verbrennungsprozessen nicht im Motorraum umgesetzter Kraftstoff, wobei NH3 bzw. Harnstoff besonders bevorzugt sind.For the purposes of this invention, any reducing agent which is suitable for the catalytic reduction of nitrogen oxides can be used as the reducing agent in SCR applications. According to the invention, the following reducing agents are preferred: NH 3 , urea, hydrocarbons, carbon monoxide, fuel not converted in the engine compartment during engine combustion processes, NH 3 or urea being particularly preferred.
Als Oxidationsmittel bei SCO-Anwendungen kann im Sinne dieser Erfindung jegliches Oxidationsmittel, das zur katalytischen Oxidation von Stickstoff-Wasserstoffverbindungen wie Ammoniak und stickstoffhaltigen organischen Verbindungen geeignet ist, eingesetzt werden. Erfindungsgemäß bevorzugt sind die folgenden Oxidationsmittel: Sauerstoff, Luft, Lachgas.For the purposes of this invention, any oxidizing agent which is suitable for the catalytic oxidation of nitrogen-hydrogen compounds, such as ammonia and nitrogen-containing organic compounds, can be used as the oxidizing agent in SCO applications. According to the invention, the following oxidizing agents are preferred: oxygen, air, nitrous oxide.
Nach der Herstellung der Übergangsmetall-modifizierten Molekularsiebe liegen diese meist in der Form von Pulvern vor. Diese dann als Pulver vorliegenden Molekularsiebe werden dann entweder zu Extrudaten verformt, unter Zuhilfenahme von oxidischen und/oder organischen Bindemitteln zu Vollextrudaten/Wabenkatalysatoren verformt oder über die Zwischenstufe eines Washcoats auf keramische oder metallische Trägerkörper, insbesondere wabenförmige Trägerkörper aufgebracht. Das im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Molekularsieb liegt vorzugsweise als Vollextrudat oder auf einem Trägerkörper in Form einer Beschichtung vor.After the preparation of the transition metal-modified molecular sieves, these are usually in the form of powders. These then present as a powder molecular sieves are then either formed into extrudates, deformed with the aid of oxidic and / or organic binders to Vollextrudaten / honeycomb catalysts or applied via the intermediate stage of a washcoat on ceramic or metallic carrier body, in particular honeycomb-shaped carrier body. The molecular sieve used in the process according to the invention is preferably present as a bulk extrudate or on a carrier body in the form of a coating.
In anderen Worten betrifft die vorliegende Erfindung also auch einen Washcoat, ein Vollextrudat, ein Extrudat und einen Trägerkörper, der die erfindungsgemäße Zusammensetzung umfasst.In other words, the present invention thus also relates to a washcoat, a solid extrudate, an extrudate and a carrier body which comprises the composition according to the invention.
Insbesondere werden die Vollextrudate in Form von Waben hergestellt oder die mit dem Vollextrudat beschichteten Trägerkörper sind vorzugsweise wabenförmige Trägerkörper.In particular, the bulk extrudates are produced in the form of honeycombs, or the carrier bodies coated with the bulk extrudate are preferably honeycomb-shaped carrier bodies.
Liegen die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Molekularsiebe in der Form eines Vollextrudats vor, so umfasst das Vollextrudat vorzugsweise die erfindungsgemäße Zusammensetzung und mindestens ein oxidisches und/oder organisches Bindemittel.If the molecular sieves used in the process according to the invention are in the form of a bulk extrudate, the bulk extrudate preferably comprises the composition according to the invention and at least one oxidic and / or organic binder.
Das Vollextrudat wird vorzugsweise durch Strangpressen einer Mischung aus der erfindungsgemäßen Zusammensetzung und mindestens einem oxidischen und/oder organischen Bindemittel hergestellt. Das Vollextrudat ist vorzugsweise ein Extrudat in Wabenform. Neben den Bindemitteln kann die genannte Mischung auch weitere Metalloxide, Promotoren, Stabilisatoren und/oder Füllstoffe enthalten. In dieser Mischung liegt das Titano-(Silico)-Alumo-Phosphat vorzugsweise im Bereich von 10 bis 90 Gew.-%, stärker bevorzugt 30 bis 60 Gew.-% und der Alumo-Silikat-Zeolith vorzugsweise im Bereich von 10 bis 90 Gew.-%, stärker bevorzugt 30 bis 60 Gew.-% vor, bezogen auf die gesamte Mischung vor.The bulk extrudate is preferably prepared by extruding a mixture of the composition according to the invention and at least one oxidic and / or organic binder. The bulk extrudate is preferably a honeycomb extrudate. In addition to the binders, said mixture may also contain further metal oxides, promoters, stabilizers and / or fillers. In this mixture, the titano (silico) -alumino-phosphate is preferably in the range of 10 to 90% by weight, more preferably 30 to 60% by weight, and the alumino-silicate zeolite is preferably in the range of 10 to 90% by weight .-%, more preferably 30 to 60 wt .-% before, based on the total mixture before.
Liegt die erfindungsgemäße Zusammensetzung auf einem Trägerkörper in Form einer Beschichtung vor, so wird zur Herstellung des beschichteten Trägerkörpers die genannte Mischung vorzugsweise zu einem Washcoat verarbeitet, der zur Beschichtung von Trägerkörpern geeignet ist. Vorzugsweise umfasst so ein Washcoat 5 bis 50 Gew.-%, mehr bevorzugt 10 bis 40 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 bis 35 Gew.-% des Titano-(Silico)-Alumo-Phosphats und 5 bis 50 Gew.-%, mehr bevorzugt 10 bis 40 Gew.-% besonders bevorzugt 15 bis 35 Gew.-% des Alumo-Silikat-Zeolithen, bezogen auf die Gesamtmasse des Washcoats. Der erfindungsgemäße Washcoat enthält, zusätzlich zu den oben genannten Komponenten, Wasser oder ein Lösungsmittel sowie Bindemittel. Das Bindemittel der Mischung dient dazu, bei Auftragen auf einen Trägerkörper die Molekularsiebe zu binden. Das Lösungsmittel dient dazu, dass sowohl die Molekularsiebe als auch das Bindemittel in auftragbarer Form auf den Katalysatorträger aufgebracht werden kann.If the composition according to the invention is present on a carrier body in the form of a coating, the said mixture is preferably processed to form a washcoat which is suitable for coating carrier bodies for producing the coated carrier body. Preferably, such a washcoat comprises 5 to 50 wt .-%, more preferably 10 to 40 wt .-%, particularly preferably 15 to 35 wt .-% of Titano (silico) -alumino-phosphate and 5 to 50 wt .-%, more preferably 10 to 40 wt .-%, particularly preferably 15 to 35 wt .-% of alumino-silicate zeolite, based on the total mass of the washcoat. The washcoat of the invention contains, in addition to the above components, water or a solvent and binder. The binder of the mixture serves to bind the molecular sieves when applied to a carrier body. The solvent serves to enable both the molecular sieves and the binder to be applied in a formable form to the catalyst support.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung zur Herstellung von Abgasreinigungskatalysatorbauteilen. Unter Abgasreinigungskatalysatorbauteilen versteht man Einheiten in Abgasströmen, in denen die oben definierten Katalysatoren vorliegen, und in denen bei SCR-Anwendungen die Stickoxide zu Stickstoff reduziert bzw. bei SCO-Anwendungen die Stickstoff-Wasserstoffverbindungen wie Ammoniak und die stickstoffhaltigen organischen Verbindungen zu Stickstoff oxidiert werden.The present invention also relates to the use of a composition according to the invention for the production of exhaust gas purifying catalyst components. Exhaust gas purifying catalyst components are units in exhaust gas streams in which the above-defined catalysts are present, and in which the nitrogen oxides are reduced to nitrogen in SCR applications or, in SCO applications, the nitrogen-hydrogen compounds such as ammonia and the nitrogen-containing organic compounds are oxidized to nitrogen.
Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung auch Abgasreinigungskatalysatorbauteile umfassend eine erfindungsgemäße Zusammensetzung.Accordingly, the present invention also relates to exhaust gas purifying catalyst components comprising a composition of the invention.
Figuren: Characters:
Die
Die vorliegende Erfindung soll nun anhand der folgenden Beispiele nicht einschränkend veranschaulicht werden:The present invention will now be illustrated by the following nonlimiting examples:
Beispiele:Examples:
Ausführungsbeispiel:Embodiment:
Aus 100 g entionisiertem Wasser, 50 g kupferhaltiges TAPSO-34 (Kupfer: 5,3 Gew.-%, Süd-Chemie AG), 50 g eisenhaltigen Zeolith Beta (Eisen: 2,2 Gew.-%, Süd-Chemie Zeolites GmbH), 22,6 g Bindzil 2034DI (EKA Chemicals) und 7,2 g 65%ige Salpetersäure (Merck) wurde durch Mischen ein Washcoat hergestellt. Eine Cordierit-Wabe (⌀ 20 mm, 75 mm, 200 cpsi von Rauschert) wurde in den Washcoat getaucht. Nach dem Trocknen wurde die Wabe von 40°C auf 550°C innerhalb von 4 h in Luft hochgeheizt und für 3 h bei dieser Temperatur gehalten.From 100 g of deionized water, 50 g of copper-containing TAPSO-34 (copper: 5.3 wt .-%, Süd-Chemie AG), 50 g of ferrous zeolite beta (iron: 2.2 wt .-%, Süd-Chemie Zeolites GmbH ), 22.6 g of Bindzil 2034DI (EKA Chemicals) and 7.2 g of 65% nitric acid (Merck) was prepared by mixing a washcoat. A cordierite honeycomb (⌀ 20 mm, 75 mm, 200 cpsi from Rauschert) was dipped in the washcoat. After drying, the honeycomb was heated from 40 ° C to 550 ° C within 4 h in air and held for 3 h at this temperature.
Vergleichsbeispiel 1:Comparative Example 1
Aus 800 g entionisiertem Wasser, 613 g eisenhaltigen Zeolith Beta (Eisen: 2,2 Gew.-%, Süd-Chemie AG), 160 g Bindzil 2034DI (EKA Chemicals) und 21,2 g 65%ige Salpetersäure (Merck) wurde ein Washcoat hergestellt. Eine Cordierit-Wabe (⌀ 20 mm, 75 mm, 200 cpsi von Rauschert) wurde in den Washcoat getaucht. Nach dem Trocknen wurde die Wabe von 40°C auf 550°C innerhalb von 4 h in Luft hochgeheizt und für 3 h bei dieser Temperatur gehalten.From 800 g of deionized water, 613 g of ferrous zeolite beta (iron: 2.2% by weight, Süd-Chemie AG), 160 g of Bindzil 2034DI (EKA Chemicals) and 21.2 g of 65% nitric acid (Merck) became Washcoat made. A cordierite honeycomb (⌀ 20 mm, 75 mm, 200 cpsi from Rauschert) was dipped in the washcoat. After drying, the honeycomb was heated from 40 ° C to 550 ° C within 4 h in air and held for 3 h at this temperature.
Vergleichsbeispiel 2:Comparative Example 2:
Aus 800 g entionisiertem Wasser, 666,5 g kupferhaltigen Zeolith Beta (Kupfer: 3,8 Gew.-% Süd-Chemie AG), 160 g Bindzil 2034DI (EKA Chemicals) und 26,5 g 65%ige Salpetersäure (Merck) wurde ein Washcoat hergestellt. Eine Cordierit-Wabe (⌀ 20 mm, 75 mm, 200 cpsi von Rauschert) wurde in den Washcoat getaucht. Nach dem Trocknen wurde die Wabe von 40°C auf 550°C innerhalb von 4 h in Luft hochgeheizt und für 3 h bei dieser Temperatur gehalten. Sowohl der erfindungsgemäße Katalysator als auch das Vergleichsbeispiel wurden in der selektiven katalytischen Reduktion von NOx mit NH3 getestet. Die Testbedingungen sind in nachfolgender Tabelle angegeben.From 800 g of deionized water, 666.5 g of copper-containing zeolite beta (copper: 3.8% by weight Süd-Chemie AG), 160 g of Bindzil 2034DI (EKA Chemicals) and 26.5 g of 65% nitric acid (Merck) a washcoat made. A cordierite honeycomb (⌀ 20 mm, 75 mm, 200 cpsi from Rauschert) was dipped in the washcoat. After drying, the honeycomb was heated from 40 ° C to 550 ° C within 4 h in air and held for 3 h at this temperature. Both the catalyst according to the invention and the comparative example were tested in the selective catalytic reduction of NO x with NH 3 . The test conditions are given in the following table.
Vergleichsbeispiel 3: Comparative Example 3
Aus 100 g entionisiertem Wasser, 100 g kupferhaltigen TAPSO-34 (Kupfer: 5,3 Gew.-% Süd-Chemie AG), 22, g Bindzil 2034DI (EKA Chemicals) und 4,4 g 65%ige Salpetersäure (Merck) wurde ein Washcoat hergestellt. Ein Keramik Substrat (75 mm·150 mm·100 mm·,200 cpsi von Rauschert) wurde in den Washcoat getaucht. Nach dem Trocknen wurde die Wabe von 40°C auf 550°C innerhalb von 4 h in Luft hochgeheizt und für 3 h bei dieser Temperatur gehalten.
Für die Testgaszusammensetzung gilt NH3/NOx = 0,91, sodass der maximale NO3-Umsatz 91 nicht überschreiten kann. Die gemessenen Umsätze für NOx und NH3 sind in den untenstehenden Abbildungen dargestellt.For the test gas composition NH 3 / NO x = 0.91, so that the maximum NO 3 conversion 91 can not exceed. The measured conversions for NO x and NH 3 are shown in the figures below.
Anschließend wurden alle Waben bei 700°C im Wasserdampf gealtert. Dazu wurden die Waben innerhalb von 3 h auf 700°C im Stickstoffstrom aufgeheizt, dann wurde 10 Wasserdampf für 24 h zugeschaltet und anschließend wurden im Stickstoffstrom wieder auf Raumtemperatur abgekühlt.Subsequently, all honeycombs were aged at 700 ° C in steam. For this purpose, the honeycombs were heated within 3 h at 700 ° C in a stream of nitrogen, then 10 steam was switched on for 24 h and then cooled in a stream of nitrogen back to room temperature.
Die Waben wurden unter gleichen Bedingungen erneut getestet.The honeycombs were tested again under the same conditions.
Bei dem erfindungsgemäßen Katalysator bestehend aus kupferhaltigen TAPSO-34 und eisenhaltigen Zeolith Beta wurde weder vor noch nach der Alterung Lachgas detektiert.In the catalyst according to the invention consisting of copper-containing TAPSO-34 and iron-containing zeolite beta, nitrous oxide was not detected either before or after aging.
Die Beispiele zeigen eindrucksvoll die hohe hydrothermale Stabilität der erfindungsgemäßen katalytischen Zusammensetzung. Während die Eisen- bzw. Kupfer-haltigen Vergleichskatalysatoren nach der hydrothermalen Alterung deutlich an Aktivität verlieren ist die Performance des erfindungsgemäßen Katalysators nahezu unverändert.The examples impressively show the high hydrothermal stability of the catalytic composition according to the invention. While the iron- or copper-containing comparative catalysts clearly lose their activity after the hydrothermal aging, the performance of the catalyst according to the invention is virtually unchanged.
Die Ergebnisse für die frisch hergestellten Katalysatoren und die hydrothermal gealterten Katalysatoren sind in den Tabellen 1 bis 4 und den
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R016 | Response to examination communication | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: STOLMAR & PARTNER, DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: CLARIANT PRODUKTE (DEUTSCHLAND) GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: SUED-CHEMIE AG, 80333 MUENCHEN, DE Effective date: 20130625 |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTANWAELTE STOLMAR & PARTNER, DE Effective date: 20130625 Representative=s name: STOLMAR & PARTNER, DE Effective date: 20130625 |
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R082 | Change of representative | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |