ペロブスカイト触媒担時ZrO_2/SiC繊維を用いたDPFの特性

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ディーゼル車は燃費及び耐久性に優れ,大型バス,トラック等を中心に幅広く使用されている.しかし,ディーゼルエンジンからは多量のPM(particulate matter:粒子状物質,主は炭素粒子)やNOxが排出される.PMは発ガン性が疑われているほかに花粉症や喘息との関係が指摘されている.また,NOxは光化学スモッグや酸性雨の原因物質でもある.このような状況に鑑み,環境省は平成15年施行の新短期排ガス規制の中で,PMは平成6年規制に比べおよそ1/4以下に,NOxは同年比40%以上の削減を行う方針を打ち出している.PMを除去するために排ガス系に除去装置(DPF:dieselparticulate filter)を設置する研究は20年以上前から行われてきた.DPFのフィルター材料としてはセラミックスのハニカム式や多孔質フォーム式が検討されたが,いずれも目詰まりや耐熱性の問題を解決できず実用化にはいたっていない.近年これらの問題を解決するため,熱応力で破損することが少ない,炭化ケイ素系繊維のフェルトを用い,これを金網ヒーターでサンドイッチして蛇腹状に成形した装置が開発された.フェルトによりPMを捕集し,ヒーター加熱で酸化除去して再生する方法である.しかし,この方法は捕集と再生を交互に行うため2系列を要し,大型かつコスト高となる.また,NOxの除去能力がなく,排ガス浄化の効果が不十分である,一方,ディーゼルエンジン排ガスからNOxを分解あるいは還元により除去,無害化する触媒についても研究が行われてきた.ガソリンエンジンでは燃料を燃焼するのに等量の酸素が供給されるよう吸入空気が制御されており,Pt/RhやPd/Rh系に代表される三元触媒を用いてHC,CO,NOxの90%以上の同時低減が可能になっている.しかし,ディーゼルエンジンは理論空気量で燃焼させるガソリンエンジンとは異なり,排ガス中に大過剰の酸素が存在するうえに還元剤となるCO,HCの含有量が非常に少ないことから,三元触媒によるNOxの還元浄化は期待できない.一方,還元剤を用いないNOxの浄化方法としては,低温で高い直接分解活性を示すCu/ZSM-5が報告されたが,耐熱温度が600℃以下であるため実用化にはいたっていない.還元剤を別途導入するNOxの浄化方法としては,アンモニアや尿素を還元剤に用いる方法があり,自動車の排ガス中で実用上十分な除去率を示している.しかしながら,自動車での使用を考えたときアンモニア車載についての安全性や補給の問題等課題は多い.ディーゼル排ガス浄化において最も有効な反応として,PMの酸化とPMによるNOxの還元が同時に進行するPM-NOx同時除去反応が提唱されている,本研究ではPM除去における目詰まりや耐熱性の問題を解決し,更にコンパクトで高性能なPMとNOxを同時除去できるDPFシステムを開発するための基礎的検討を行った.本研究で検討した新システムの考え方は以下の通りである.PMの捕集効率向上と熱応力による破損回避を狙い,耐熱性セラミックス繊維材料を用いて目の粗い不織布を製造し,フェルト状に加工する.この繊維の表面に触媒を担持させることで,触媒表面積を大きくすることができ高性能が期待できる.触媒には,A,Bサイトの置換元素の種類と量を選択・制御することにより,PMとNOxの同時除去触媒として働くことが示されているペロブスカイト型複合金属酸化物を用いた.触媒を担持させるセラミックス繊維材料には耐熱性と耐アルカリ性が要求される.当初の候補として耐熱性に優れるSi-Zr-C-O繊維(宇部興産製チラノ繊維,ZMIグレード)を挙げたが,本研究で取り上げた複合金属酸化物触媒の候補の中にはアルカリ金属であるカリウムが含まれるため,耐アルカリ性の点で問題が出ることが予想された.Ishikawaらはセラミックス繊維の製造条件を検討することにより,繊維内部から表面に向かってナノメータースケールで酸化物濃度が増加する傾斜構造をもつZrO_2/SiC繊維を開発した.ZrO_2/SiC繊維はZrと酸素が繊維表面にリッチに分布する傾斜構造をもち,SiC系繊維よりも格段に優れた耐アルカリ性と耐酸化性もつことから本研究の触媒担持用繊維材料に採用した.DPFとしての効率を高めるためには,触媒の表面積を大きくしPMと触媒の接触効率を上げなければならない.そのためには触媒を繊維表面に薄くコーティングすることが必要である.本研究ではZrO_2/Sic繊維表面への各種触媒担持方法を検討し,耐酸化性や耐熱性に優れた高効率でPMとNOxの同時除去ができるDPFの特性について検討した.
2003-11-01

ペロブスカイト触媒担時ZrO_2/SiC繊維を用いたDPFの特性

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