Brevet FR2904939A1 — publié le 20080222

La présente invention se rapporte à un procédé d'imprégnation d'un corps poreux avec une suspension, en particulier d'un corps monolithique à structure en nid d'abeille et à une installation pour utiliser un tel procédé. Elle concerne plus particulièrement un monolithe d'un matériau céramique poreux utilisé pour la filtration d'un courant gazeux ou d'un courant liquide. L'invention vise spécialement mais non exclusivement un procédé d'enduction d'un corps poreux utilisé en tant que Filtre à Particules (FAP) pour les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel. Généralement les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de type Diesel comprennent des particules ou suies qui sont rejetées dans l'atmosphère et de tels rejets sont nuisibles à la santé de l'homme. Ces gaz comprennent également d'autres polluants, tels que des oxydes de carbone CO, des oxydes d'azote NOx (monoxyde d'azote NO et dioxyde d'azote NO2) et des hydrocarbures imbrûlés HC, qui sont rejetés dans l'atmosphère sans être traités et qui, de ce fait, portent atteinte également à la santé de l'homme. Pour tenter de remédier à ces nuisances, des systèmes de traitement de ces polluants sont mis en place sur certains moteurs et sont plus connus sous la dénomination de FAP catalysés qui peuvent traiter tout ou partie des polluants contenus dans les gaz d'échappement. Ainsi, le traitement des particules est réalisé par piégeage puis oxydation des particules piégées, le traitement des HC et CO peut être réalisé par réaction catalytique d'oxydation et le traitement des NOx par adsorption puis une désorption/réduction catalytique ou bien par réduction catalytique sélective. Pour réaliser de tels traitements, il est déjà connu d'utiliser un filtre catalysé constitué d'un corps monolithique composé d'un matériau poreux réfractaire et comportant une multiplicité de canaux disposés entre les deux 2904939 2 faces d'extrémité de ce corps. Les canaux sont placés dans le sens du courant gazeux à traiter et sont séparés les uns des autres par des cloisons poreuses. Ces canaux sont alternativement bouchés, au niveau des faces du corps, à l'une ou à l'autre de leurs extrémités de façon à former des canaux d'entrée 5 avec des extrémités ouvertes en regard du courant gazeux et des canaux de sortie avec des extrémités bouchées en regard de ce même courant de gaz. Ainsi, ce courant de gaz d'échappement pénètre dans les canaux d'entrée puis traverse les cloisons poreuses qui séparent les canaux d'entrée des canaux de sortie pour ensuite ressortir par ces canaux de sortie. Lors de cette traversée, 10 les particules contenues dans le courant de gaz sont retenues sur les cloisons et le gaz qui circule dans les canaux de sortie est débarrassé, en grande partie, de ces particules. Ces particules capturées sont ensuite brûlées in situ, notamment lors d'une augmentation de la température des gaz d'échappement qui circulent dans le filtre, de manière à assurer la régénération du filtre. 15 L'élimination des particules peut être encore plus facilitée par adjonction d'au moins une formulation catalytique ou catalyseur, notamment un catalyseur d'oxydation des particules. 20 Dans des modes de réalisations connues, ce catalyseur est incorporé au filtre à particules en réalisant ainsi un filtre à particules catalysé qui permet d'abaisser la température d'oxydation des particules. Ainsi, dans la demande de brevet EP 0 160 482 ou dans la demande de 25 brevet JP N 2002-066338, la couche de matière d'imprégnation, qui est un film solide résultant des opérations de séchage et de calcination du corps imprégné par une suspension contenant une formulation catalytique, est déposée sur la surface des parois des canaux constituant le FAP. Ceci a pour inconvénient d'augmenter significativement les pertes de 30 charge lorsque la quantité de matière d'imprégnation déposée est importante. 2904939 3 Les demandes de brevet EP 1 338 322, EP 1 403 231 et US 2005/0056004 décrivent un mode d'incorporation d'une solution de type sol-gel au sein de la porosité du FAP par imprégnation de solutions contenant des précurseurs solubles des oxydes considérés, qui sont ensuite précipités ou 5 hydrolysés/condensés, puis séchés et calcinés. La quantité de matière d'imprégnation déposée au sein de la porosité à l'aide de ces méthodes est cependant faible, voire insuffisante, ou nécessite de nombreuses opérations successives de dépôt. 10 Le document WO 00/01463 décrit une introduction d'une suspension au sein de la porosité du FAP qui possède une très grande porosité. Compte tenu de cette porosité élevée, les performances relatives à la filtration des particules sont minimes. Ainsi dans le but d'obtenir une efficacité de filtration suffisante, une membrane de filtration possédant une distribution en taille des pores plus 15 faible est ajoutée sur le côté sortie des gaz du FAP pour arrêter les particules. Ceci a pour inconvénient de compliquer le processus opératoire d'imprégnation et de nécessiter la mise en place d'une membrane. Afin de remédier aux inconvénients ci-dessus énumérés, la présente 20 invention propose un procédé d'imprégnation simple, peu coûteux et dont la qualité du dépôt des phases catalytiques au sein des cloisons peut être maîtrisée. A cet effet, la présente invention concerne un procédé d'imprégnation d'un 25 corps poreux par une suspension contenant au moins une partie de particules, ledit corps comprenant une multiplicité de canaux délimités par des cloisons poreuses s'étendant de l'une des faces à l'autre des faces dudit corps, une partie desdits canaux étant obstruée à l'une des faces et l'autre partie des canaux étant obstruée à l'autre des faces, caractérisé en ce que le procédé 30 consiste à : - réaliser une suspension dont la viscosité et la distribution en taille des particules (ou granulométrie) sont telles que ladite suspension peut être 2904939 4 emmenée à l'intérieur des cloisons en déposant une partie des particules à la surface des pores des cloisons ; - placer l'une des faces du corps en communication avec une enceinte contenant la suspension ; 5 - introduire la suspension dans le corps ; - exercer une force sur la suspension introduite de façon à ce que ladite suspension traverse les cloisons -faire passer un fluide au travers des cloisons. 10 Le procédé peut consister à exercer une pression sur la suspension introduite. Le procédé peut également consister à exercer une dépression sur la suspension introduite. Le procédé peut consister à introduire une suspension dont la distribution en taille des particules est telle que le rapport DV90/Dpores est inférieur à 0,25. Avantageusement, le procédé peut consister à utiliser un gaz en tant que 20 fluide. De manière préférentielle, ce procédé peut consister à utiliser un gaz inerte en tant que fluide. 25 Il peut consister à réaliser au moins une autre imprégnation de suspension dans le corps. II peut aussi consister à retourner le corps pour réaliser au moins une autre imprégnation. Le procédé peut consister à mettre en communication l'autre des faces du corps avec un socle collecteur. 15 30 2904939 5 Il peut consister à relier le socle collecteur à un dispositif de récupération de suspension et/ou de fluide. Préférentiellement, le procédé peut consister à placer le corps dans un 5 fourreau étanche. Ce procédé peut consister à sécher et à calciner le corps après imprégnation. 10 Un corps poreux imprégné selon le procédé de l'invention peut être utilisé pour traiter au moins un polluant contenu dans des gaz échappement. Egalement, un corps poreux imprégné selon le procédé de l'invention peut être utilisé pour la filtration de courant liquide. 15 L'invention concerne aussi une installation d'imprégnation d'un corps poreux comprenant une enceinte contenant une suspension d'imprégnation avec au moins une partie de particules, ladite enceinte étant en communication avec l'une des faces du corps, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif 20 de mise sous pression de l'enceinte. L'installation peut comprendre un fourreau étanche de réception du corps poreux. 25 L'installation peut comprendre une membrane d'étanchéité entre le fourreau et le corps. Cette membrane peut être une membrane expansible, notamment par gonflage. L'installation peut comprendre un socle collecteur qui peut comprendre des moyens d'évacuation de la suspension. 30 2904939 6 Le rapport Dvso/Dpores défini dans la présente invention est strictement positif. Il pourra être préférentiellement supérieur à 0,001 et de manière encore plus préférée supérieur à 0,01. 5 Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées : - la figure 1 qui est un schéma montrant, en coupe axiale, une installation d'imprégnation utilisant le procédé selon l'invention ; 10 - la figure 2 qui illustre une coupe transversale selon la ligne AA de la figure 1 et - la figure 3 qui est un graphique montrant l'évolution des pertes de charge en fonction de la quantité de matière d'imprégnation obtenue par le procédé selon l'invention et par le procédé selon l'art antérieur. 15 La figure 1 montre une installation 10 pour imprégner par une suspension 12 un corps poreux 14. Dans l'exemple montré, le corps 14 est, de préférence, un corps 20 céramique monolithique à structure en nid d'abeille. Le matériau céramique peut être du carbure de silicium, du nitrure de silicium, de la cordiérite, de la mullite, du sialon, du nitrure de bore, de la silice, de l'alumine, des aluminosilicates, du titanate d'aluminium ou du phosphate de zirconium et il peut concerner un matériau céramique pur (une seule composition céramique) ou 25 composite (plusieurs compositions céramiques différentes). Ce corps comprend une multiplicité de canaux 16 sensiblement parallèles entre eux qui s'étendent d'une face d'extrémité 18 de ce corps à une autre face d'extrémité 20. Ces canaux sont séparés les uns des autres par des cloisons 30 poreuses 22 et peuvent avoir toutes formes souhaitées en section (circulaires, carrés, rectangulaires, triangulaires...). Ces canaux comportent des bouchons 24 à l'une ou à l'autre de leurs extrémités de façon à former des 2904939 7 canaux d'entrée 26 et de sortie 28. Les canaux d'entrée comprennent des extrémités ouvertes au niveau de la face 18 et des extrémités obstruées au niveau de la face 20 alors que les canaux de sortie 28 comprennent des extrémités bouchées en regard de la face 18 et des extrémités ouvertes en 5 regard de la face 20. Après imprégnation, ce corps peut être aussi bien utilisé en tant que FAP catalysé pour traiter les polluants (particules, CO, NOx et HC) contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne qu'en tant que 10 membrane pour la filtration/séparation, comme la séparation et/ou la filtration de liquide ou de corps gazeux, telle que la séparation de l'hydrogène. Ce corps pourra notamment posséder un nombre de canaux allant de 50 à 1100 canaux par pouce carré. De manière avantageuse, ce nombre de 15 canaux par pouce carré pourra être compris entre 50 et 600. Enfin, et préférentiellement, le nombre de canaux pourra aller de 150 à 350 canaux par pouce carré. La porosité des cloisons est de 30 à 80% en volume et préférentiellement de 40 à 60% alors que la distribution en taille des pores est de 10 à 200pm et préférentiellement de 20 à 50pm. 20 L'installation d'imprégnation comprend une enceinte verticale 30 avec un carter 32 comprenant une ouverture horizontale supérieure 34 et une ouverture horizontale inférieure 36 en considérant la figure 1. L'ouverture supérieure 34 est fermée par un couvercle 38 qui est fixé de manière étanche à ce carter par 25 tous moyens, comme par vissage, avec l'interposition d'un joint d'étanchéité 40 entre ce couvercle et le rebord de l'ouverture du carter. Le couvercle porte un orifice 42 fermé à étanchéité par un bouchon 44 et qui permet l'accès à l'intérieur de l'enceinte pour y verser la suspension 12 contenant au moins une phase catalytique. 30 Le couvercle comprend également une tubulure d'admission 46 d'un fluide sous pression 48 à l'intérieur de l'enceinte et qui est connectée à une installation de mise en pression 50 du fluide. Cette installation comporte, de 2904939 8 manière connue en soi, une pompe de mise en pression et un réservoir de fluide (non représentés). Préférentiellement, ce fluide est un gaz, en particulier de l'air, et avantageusement un gaz inerte, comme de l'azote, notamment dans le cas où la suspension peut évoluer en atmosphère oxydante ou réductrice. 5 Additionnellement, le couvercle porte un clapet de surpression 52 permettant d'évacuer une partie du fluide sous pression contenu dans l'enceinte dans le cas où la pression dans cette enceinte dépasse une pression limite. Au voisinage de l'ouverture inférieure 36 et à distance du rebord de celle- 10 ci, une collerette de butée 54 s'étend radialement vers l'intérieur du carter. Sur la face horizontale inférieure de cette collerette s'appuie, à étanchéité, une extrémité supérieure d'un fourreau de réception vertical 56 dans lequel est placé le corps 14. Le fourreau est placé verticalement dans l'ouverture 36 et est immobilisé contre la collerette par tous moyens, comme le vissage de ce 15 fourreau dans l'ouverture, avec l'interposition d'un joint d'étanchéité 58 entre la collerette et le rebord supérieur du fourreau. Le fourreau est un fourreau tubulaire dont les dimensions intérieures correspondent sensiblement aux dimensions extérieures du corps 14 de façon à recevoir à étanchéité ce corps. Ainsi, dans le cas où le corps 14 est un corps cylindrique, le diamètre interne du 20 fourreau correspond au diamètre externe du corps et la longueur de ce fourreau correspond à au moins la longueur de ce corps 14. De manière avantageuse, une membrane (non représentée) expansible, par exemple par gonflage, peut être disposée entre le fourreau et le corps. De ce fait, après la mise en place du corps dans le fourreau et le gonflage de la membrane, l'assemblage entre ces 25 deux éléments se réalise avec une étanchéité périphérique tout au long du fourreau. L'autre extrémité du fourreau est fixée, par exemple par vissage, sur un socle collecteur 60 en y prenant appui également à étanchéité. Ce socle, 30 avantageusement en forme de cuvette, présente un rebord périphérique 62 s'érigeant vers l'enceinte 30 et un fond 64. En se rapportant plus précisément à la figure 2, le fond 64 présente un passage d'évacuation vertical 66 disposé 2904939 9 dans la région centrale du fond et raccordé par une canalisation 68 à un dispositif de récupération 70 de la suspension et/ou du gaz sous pression. Dans le fond 64, sont réalisées des rainures collectrices radiales 72, en forme de portion de cylindre ou portion de camembert qui communiquent avec le 5 passage 66 par leurs extrémités les plus proches de ce passage. Avantageusement, ces rainures sont disposées à égale distance angulaire les unes des autres, ici à un angle de 30 , et présentent la même section en laissant subsister entre elles des barrettes radiales d'appui 74 pour le corps 14. De manière préférentielle, le diamètre du cercle circonscrit à ces rainures est au 10 moins égal au diamètre extérieur du corps 14. Une surface d'appui 76, ici annulaire, pour l'autre extrémité du fourreau est ménagée, dans la continuité du plan passant par les sommets des barrettes 74, entre la face interne du rebord périphérique 62 du socle et la limite du cercle circonscrit à ces rainures. Cette surface d'appui a des dimensions correspondant à la section transversale du 15 fourreau avec un diamètre intérieur correspondant à celui du fourreau et un diamètre extérieur au moins égale à celui du diamètre extérieur du fourreau. C'est donc entre la surface d'appui 76 et le rebord de l'extrémité inférieure du fourreau qu'est disposé un joint 78 de manière à assurer l'étanchéité entre ces deux éléments. 20 Bien entendu, il peut également être envisagé de substituer aux joints d'étanchéité 58 et 78 des prolongations de la membrane d'étanchéité expansible décrite ci-dessus en ne formant qu'un seul élément qui, lors du gonflage, assurera l'étanchéité entre le fourreau 56, le corps 14, le carter 30 et 25 le socle 60. Pour réaliser l'imprégnation du corps 14, le socle 60 muni de son joint d'étanchéité 78 est placé sur un plan de travail et est raccordé au dispositif de récupération 70. L'extrémité inférieure du fourreau 56 est ensuite placée sur ce 30 socle, puis est vissée dans le rebord 62 jusqu'à ce que cette extrémité s'appuie à étanchéité sur la surface d'appui 74 en comprimant le joint 78. Le corps 14 est glissé à l'intérieur du fourreau 56 de manière à ce que la face 20 de ce 2904939 10 corps prenne appui sur les barrettes 74. Dans cette position, la face 18 du corps 14 est préférentiellement au même niveau que l'extrémité supérieure du fourreau 56. L'enceinte 30 est ensuite placée sur l'extrémité supérieure de ce fourreau puis est vissée jusqu'à ce que cette extrémité supérieure prenne appui 5 à étanchéité sur la collerette radiale 54 munie de son joint d'étanchéité 58. La suspension 12, contenant au moins une phase catalytique, est introduite dans l'enceinte au travers de l'ouverture 42 et remplit les canaux d'entrée. Ce remplissage est poursuivi jusqu'à un niveau laissant subsister un espace libre entre le couvercle et cette suspension. 10 La réalisation de la suspension est telle que la distribution en taille des particules dans la suspension, mesurée par diffraction laser, doit être adaptée à la distribution en taille des pores du corps pour permettre l'imprégnation de la cloison sans en boucher les pores. Ainsi, il est apparu que le rapport Dv90 15 /Dpores doit être inférieur à 0,25 pour permettre l'imprégnation de ce corps. Le terme DV90 se rapporte à la dimension pour laquelle 90% des particules dans la suspension ont un diamètre (mesuré en volume par diffraction laser) inférieur à cette dimension alors que Dpores concerne la taille moyenne des pores du corps. 20 Le rapport Dv9o/Dpores défini dans la présente invention est strictement positif lorsque le terme DV90 est évalué par des mesures de volume par diffraction laser. De préférence, le rapport Dv9o/Dpores sera supérieur à 0,001 et de manière encore plus préférée supérieur à 0,01. Ainsi, selon des variantes de la présente invention, on aura 0 REVENDICATIONS 1) Procédé d'imprégnation d'un corps poreux (14) par une suspension (12) contenant au moins une partie de particules, ledit corps comprenant une multiplicité de canaux (16) délimités par des cloisons poreuses (22) s'étendant de l'une (18) des faces à l'autre (20) des faces dudit corps, une partie desdits canaux étant obstruée à l'une des faces et l'autre partie des canaux étant obstruée à l'autre des faces, caractérisé en ce que le procédé consiste à : - réaliser une suspension dont la viscosité et la distribution en taille des particules sont telles que ladite suspension soit emmenée à l'intérieur des cloisons en déposant une partie des particules à la surface des pores des cloisons ; - placer l'une (18, 20) des faces du corps (14) en communication avec une enceinte (30) contenant la suspension ; - introduire la suspension dans le corps ; - exercer une force sur la suspension introduite de façon à ce que ladite suspension traverse les cloisons - faire passer un fluide au travers des cloisons. 2) Procédé d'imprégnation d'un corps poreux selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à exercer une pression sur la suspension introduite. 3) Procédé d'imprégnation d'un corps poreux selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à exercer une dépression sur la suspension introduite. 4) Procédé d'imprégnation d'un corps poreux selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire une suspension dont la distribution en taille des particules est telle que le rapport Dv9o/Dpores est inférieur à 0,25. 2904939 17 5) Procédé d'imprégnation d'un corps poreux selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un gaz en tant que fluide. 6) Procédé d'imprégnation d'un corps poreux selon la revendication 1, 5 caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un gaz inerte en tant que fluide. 7) Procédé d'imprégnation d'un corps poreux selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser au moins une autre imprégnation de suspension dans le corps. 8) Procédé d'imprégnation d'un corps poreux selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à retourner le corps (14) pour réaliser au moins une autre imprégnation. 15 9) Procédé d'imprégnation d'un corps poreux selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à mettre en communication l'autre (20, 18) des faces du corps avec un socle collecteur (60). 10) Procédé d'imprégnation d'un corps poreux selon la revendication 9, 20 caractérisé en ce qu'il consiste à relier le socle collecteur (60) à un dispositif de récupération de suspension et/ou de fluide (70). 11) Procédé d'imprégnation d'un corps poreux selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à placer le corps 25 (14) dans un fourreau étanche (56). 12) Procédé d'imprégnation d'un corps poreux selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à sécher et à calciner le corps après imprégnation. 10 30 2904939 18 13) Utilisation d'un corps poreux imprégné selon le procédé de l'une des revendications 1 à 12 pour traiter au moins un polluant contenu dans des gaz d'échappement. 5 14) Utilisation d'un corps poreux imprégné selon le procédé de l'une des revendications 1 à 12 pour la filtration de courant liquide. 15) Installation d'imprégnation d'un corps poreux (14) comprenant une enceinte (30) contenant une suspension d'imprégnation (12) avec au moins une 10 partie de particules, ladite enceinte étant en communication avec l'une (18) des faces du corps, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de mise sous pression (46, 50) de l'enceinte. 16) Installation d'imprégnation d'un corps poreux selon la revendication 15 15, caractérisée en ce qu'elle comprend un fourreau étanche de réception (56) du corps (14). 17) Installation d'imprégnation d'un corps poreux selon la revendication 16, caractérisée en ce qu'elle comprend une membrane d'étanchéité entre le 20 fourreau et le corps. 18) Installation d'imprégnation d'un corps poreux selon la revendication 17, caractérisée en ce que la membrane est une membrane expansible. 25 19) Installation d'imprégnation d'un corps poreux selon la revendication 18, caractérisée en ce que la membrane est expansible par gonflage. 20) Installation d'imprégnation d'un corps poreux selon l'une des revendications 15 à 19, caractérisée en ce qu'elle comprend un socle collecteur 30 (60). 2904939 19 21) Installation d'imprégnation d'un corps poreux selon la revendication 20, caractérisée en ce que le socle collecteur (60) comprend des moyens d'évacuation de la suspension.