КАТАЛИЗАТОР ГОРЕНИЯ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ, НОСИТЕЛЬ КАТАЛИЗАТОРА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
CARBON-BEARING MATERIAL COMBUSTION CATALYST, METHOD OF PREPARING SAID CATALYST, CATALYST SUPPORT AND PREPARATION METHOD THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к катализатору горения углеродсодержащего материала, который используют для сжигания и удаления углеродсодержащего материала, такого как углеродная мелочь (например, твердые частицы (ТЧ) (РМ)), содержащаяся в выхлопном газе, и к способу его получения. Кроме того, настоящее изобретение также относится к носителю катализатора для закрепления катализатора горения углеродсодержащего материала на керамической подложке и к способу его получения.
Предпосылки создания изобретения
Углеродная мелочь (например, твердые частицы (ТЧ) (РМ)), содержащаяся в выхлопном газе двигателя внутреннего сгорания, такого как дизельный двигатель, сжигается и удаляется дизельным фильтром твердых частиц ((ДФТЧ)(DPF)) или подобным. Для того чтобы удалять как можно больше ТЧ при низкой стоимости, желательно осуществлять сжигание и удаление ТЧ при относительно низкой температуре. Таким образом, для сжигания и удаления ТЧ из выхлопного газа используют ДФТЧ, несущий катализатор для промотирования горения углеродсодержащего материала, такого как ТЧ.
В качестве такого катализатора горения углеродсодержащего материала обычно используют, например, благородный металл, такой как Pt, Pd, Rh, или его оксид. Использование катализатора, выполненного из дорогостоящего благородного металла, однако, приводит к высокой стоимости и неблагоприятно ведет к проблеме истощения ресурсов. Кроме того, активность горения ТЧ является недостаточной, и, таким образом, в обычных рабочих условиях необработанные ТЧ могут постепенно накапливаться. Для того чтобы удалить накопленные ТЧ, необходимо увеличить температуру выхлопного газа с использованием топливного или электрического нагрева катализатора до 600°C или выше. В результате диоксид серы, содержащийся в выхлопном газе, превращается в триоксид серы или туман серной кислоты, и поэтому очистка выхлопного газа не может быть осуществлена полностью, даже когда ТЧ могут быть удалены.
По вышеуказанной причине были разработаны катализаторы, имеющие каталитические частицы, выполненные из оксидов щелочных металлов, таких как калий, и закрепленные на оксидных керамических частицах (смотри патентные документы 1-4). При обеспечении такого щелочного металла твердые частицы (ТЧ), суспендированные в выхлопном газе, могут быть сожжены и удалены при низкой температуре примерно 400°C.
В катализаторе, выполненном из щелочного металла, однако, щелочной металл, который является каталитическим компонентом, может быть вымыт в присутствии воды. Когда катализатор используется в условиях, включающих много водяного пара, например, в выхлопном газе двигателя, очистка выхлопного газа не может осуществляться стабильно в течение длительного времени. Когда используется избыточное количество щелочного металла, принимая в расчет вымывание щелочного металла, для того чтобы предотвратить снижение каталитической активности, может возникнуть опасность для основы, выполненной из керамики или подобного, для закрепления щелочного металла.
Патентный документ 1: JP-A-2001-170483
Патентный документ 2: JP-A-2005-230724
Патентный документ 3: JP-A-2005-296871
Патентный документ 4: JP-A-2005-342604
Раскрытие сущности изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
Настоящее изобретение выполнено ввиду вышеуказанных проблем, встречающихся в прототипе, и целью настоящего изобретения является создание катализатора горения углеродсодержащего материала, который может обеспечить стабильное сжигание и удаление углеродсодержащего материала при низкой температуре в течение длительного времени, создание способа получения катализатора горения, создание носителя катализатора и способа получения носителя катализатора.
Средство решения проблем
Согласно первому примеру настоящего изобретения предусматривается способ получения катализатора горения углеродсодержащего материала. Катализатор горения предназначен для сжигания углеродсодержащего материала, содержащегося в выхлопном газе двигателя внутреннего сгорания, при закреплении на керамической подложке. Способ получения включает стадию смешения алюмосиликата, имеющего атомное эквивалентное соотношение Si/Al≥1, и источника щелочного металла и/или источника щелочноземельного металла в воде, стадию сушки жидкой смеси при нагревании смеси после стадии смешения и выпаривания воды с получением в результате твердого вещества и стадию обжига твердого вещества при температуре 600°C или выше с получением в результате катализатора горения углеродсодержащего материала. Алюмосиликатом является содалит.
Согласно второму примеру настоящего изобретения катализатор горения углеродсодержащего материала получают способом получения первого примера.
В способе получения первого примера настоящего изобретения осуществляют стадию смешения, стадию сушки и стадию обжига с получением катализатора горения углеродсодержащего материала.
Таким образом, на стадии смешения алюмосиликат (т.е. содалит), имеющий атомное эквивалентное соотношение Si/Al≥1, и источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла смешивают в воде. Затем на стадии сушки жидкую смесь после стадии смешения нагревают для выпаривания воды с получением в результате твердого вещества. Твердое вещество состоит из смеси элемента щелочного металла и/или элемента щелочноземельного металла и алюмосиликата. Затем на стадии обжига твердое вещество обжигают при температуре 600°C или выше. Таким образом, может быть получен катализатор горения углеродсодержащего материала второго примера изобретения.
Катализатор горения углеродсодержащего материала содержит элемент щелочного металла и/или элемент щелочноземельного металла. Элемент щелочного металла и/или элемент щелочноземельного металла имеет и/или имеют эффект промотирования горения углеродсодержащего материала, такого как суспендированные твердые частицы (ТЧ), в выхлопном газе. Таким образом, катализатор горения углеродсодержащего материала может обеспечить сжигание углеродсодержащего материала при низкой температуре.
Кроме того, катализатор горения углеродсодержащего материала может удерживать элемент щелочного металла и/или элемент щелочноземельного металла. Таким образом, элемент щелочного металла и/или элемент щелочноземельного металла могут быть предотвращены от вымывания в присутствии воды.
Таким образом, катализатор горения углеродсодержащего материала трудно вымывается в присутствии воды. При использовании катализатора, закрепленного на подложке, выполненной, например, из керамики или подобного, необходимо закреплять катализатор на подложке в избыточном количестве, с тем, чтобы предотвратить разрушение подложки. Таким образом, катализатор горения углеродсодержащего материала может стабильно промотировать горение углеродсодержащего материала в течение длительного времени.
Катализатор горения углеродсодержащего материала согласно второму примеру настоящего изобретения, полученный способом получения первого примера настоящего изобретения, имеет характеристики промотирования горения углеродсодержащего материала, такого как суспендированные твердые частицы (ТЧ), содержащиеся в выхлопном газе двигателя внутреннего сгорания, как указано выше. Вышеуказанный катализатор горения углеродсодержащего материала может обеспечить сжигание углеродсодержащего материала при температуре, равной или ниже, чем температура традиционного катализатора благородного металла.
Вышеуказанный катализатор горения углеродсодержащего материала почти не снижает каталитическую активность в присутствии воды, как указано выше.
Катализатор горения углеродсодержащего материала, закрепленный на керамической подложке, при использовании почти не разлагает керамическую подложку в присутствии воды в отличие от традиционного катализатора щелочного металла и, таким образом, может предотвратить разложение керамической подложки.
Таким образом, катализатор горения углеродсодержащего материала может стабильно способствовать горению углеродсодержащего материала даже в присутствии воды в течение длительного времени.
Причина, по которой катализатор горения углеродсодержащего материала имеет превосходную каталитическую активность, как указано выше, не ясна, но считается, что Na алюмосиликата, такого как содалит, элемент щелочного металла источника щелочного металла и элемент щелочноземельного металла источника щелочноземельного металла, которые являются исходным материалом, вносят вклад в каталитическую активность.
Таким образом, в вышеуказанном катализаторе горения углеродсодержащего материала Na содалита и элемент щелочного металла источника щелочного металла, и элемент щелочноземельного металла источника щелочноземельного металла показывают характеристики промотирования горения углеродсодержащего материала.
Кроме того, структура катализатора горения углеродсодержащего материала удерживает в нем элемент щелочного металла и/или элемент щелочноземельного металла относительно высоким усилием соединения и делает трудным вымывание элемента щелочного металла и/или элемента щелочноземельного металла даже в присутствии воды. Таким образом, катализатор горения может предотвратить снижение каталитической активности, как указано выше, а также предотвратить коррозию керамической подложки.
В первом примере настоящего изобретения катализатор горения углеродсодержащего материала получается стадией обжига, которая включает обжиг твердой смеси, состоящей из алюмосиликата (например, содалита) и источника элемента щелочного металла и/или источника элемента щелочноземельного металла при температуре 600°C или выше. Катализатор горения углеродсодержащего материала, полученный на вышеуказанной стадии обжига, используется, будучи закрепленным на керамической подложке. Таким образом, стадия обжига осуществляется без закрепления смеси на керамической подложке, и закрепление катализатора на керамической подложке осуществляется после стадии обжига.
Когда смесь содалита и источника щелочного металла и/или источника щелочноземельного металла обжигается при температуре 600°C или выше после закрепления на керамической подложке, Na, содержащийся в содалите, щелочной металл в источнике щелочного металла и щелочноземельный металл в источнике щелочноземельного металла могут быть вымыты. Вымытый щелочной металл и/или щелочноземельный металл могут частично изменить структуру керамической подложки, состоящей, например, из кордиерита, что дает снижение коэффициента термического расширения и прочности, вызывая трещины или подобное в керамической подложке.
В настоящем изобретении, как указано выше, катализатор горения углеродсодержащего материала, подвергнутый стадии обжига, используется, будучи закрепленным на керамической подложке. Такой катализатор горения прочно удерживает элемент щелочного металла и/или элемент щелочноземельного металла. Таким образом, когда катализатор горения закрепляется на керамической подложке, нагревание во время или после закрепления может предотвратить вымывание щелочного металла и/или щелочноземельного металла из катализатора горения. В результате может быть предотвращено появление трещин в керамической подложке.
В первом примере изобретения катализатор горения углеродсодержащего материала может быть легко получен на стадии смешения, стадии сушки и стадии обжига, Таким образом, алюмосиликат (например, содалит) и источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла смешиваются в воде и сушатся с получением смеси (твердой), которая затем обжигается при температуре 600°C или выше. Таким образом, катализатор горения углеродсодержащего материала может быть легко получен.
В соответствии с первым и вторым примерами настоящего изобретения катализатор горения углеродсодержащего материала и способ его получения могут быть предусмотрены так, чтобы стабильно сжигать и удалять углеродсодержащий материал при низкой температуре в течение длительного времени.
В третьем примере настоящего изобретения предусматривается способ получения носителя катализатора, который предназначен нести катализатор горения углеродсодержащего материала на керамической подложке. Катализатор горения используется для сжигания углеродсодержащего материала, содержащегося в выхлопном газе двигателя внутреннего сгорания. Способ получения включает стадию закрепления катализатора горения углеродсодержащего материала, получаемого способом получения первого примера изобретения, на керамической подложке с получением в результате носителя катализатора.
В четвертом примере настоящего изобретения носитель катализатора получается способом получения согласно третьему примеру изобретения.
Носитель катализатора согласно четвертому примеру изобретения, полученный способом получения третьего примера изобретения, несет катализатор горения углеродсодержащего материала, полученный способом получения первого примера изобретения, на керамической подложке.
Таким образом, носитель катализатора может показывать превосходное действие и эффект катализатора горения углеродсодержащего материала, как указано выше. Таким образом, носитель катализатора может обеспечить стабильное сжигание и удаление углеродсодержащего материала при низкой температуре в течение длительного времени.
Вышеуказанный катализатор горения углеродсодержащего материала может предотвратить вымывание щелочного металла и/или щелочноземельного металла, которые могут разлагать керамическую подложку в присутствии воды. Таким образом, носитель катализатора может стабильно сжигать углеродсодержащий материал в течение длительного времени почти без разложения керамической подложки даже в присутствии воды.
В третьем примере настоящего изобретения способ получения носителя катализатора использует катализатор горения углеродсодержащего материала, получаемый стадией обжига первого примера изобретения. На стадии обжига смесь (твердая) алюмосиликата (например, содалита) и источника щелочного металла и/или источника щелочноземельного металла обжигается при температуре 600°C или выше. Способ получения носителя катализатора включает стадию закрепления катализатора горения углеродсодержащего материала на керамической подложке, с получением в результате носителя катализатора. Как указано выше, катализатор горения, полученный вышеуказанной стадией обжига, прочно удерживает элемент щелочного металла и/или элемент щелочноземельного металла. Таким образом, на стадии закрепления может быть предотвращено вымывание щелочного металла и/или щелочноземельного металла из катализатора горения углеродсодержащего материала. В качестве результата может быть предотвращено появление трещин или подобного в керамической подложке благодаря вымыванию щелочного металла и/или щелочноземельного металла. Даже нагревание носителя катализатора, полученного после закрепления катализатора, делает трудным вымывание щелочного металла и/или щелочноземельного металла из катализатора горения углеродсодержащего материала. Таким образом, носитель катализатора может использоваться стабильно в течение длительного времени.
Таким образом, согласно третьему и четвертому примерам настоящего изобретения носитель катализатора и способ его получения могут быть предусмотрены так, чтобы стабильно сжигать и удалять углеродсодержащий материал при низкой температуре в течение длительного времени.
В пятом примере настоящего изобретения способ получения катализатора горения углеродсодержащего материала, используемого для сжигания углеродсодержащего материала, содержащегося в выхлопном газе двигателя внутреннего сгорания, когда катализатор закрепляется на керамической подложке, включает стадию обжига для обжига содалита при температуре 600°C или выше для получения катализатора горения углеродсодержащего материала.
В шестом примере настоящего изобретения катализатор горения углеродсодержащего материала получают способом получения согласно пятому примеру изобретения.
Катализатор горения углеродсодержащего материала согласно шестому примеру настоящего изобретения, полученный способом получения пятого примера настоящего изобретения, имеет эффект промотирования горения углеродсодержащего материала, такого как суспендированные твердые частицы (ТЧ), содержащиеся в выхлопном газе двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, катализатор горения углеродсодержащего материала может обеспечить сжигание углеродсодержащего материала при температуре, которая равна или ниже, чем температура традиционного катализатора благородного металла.
Вышеуказанный катализатор горения углеродсодержащего материала почти не снижает каталитическую активность в присутствии воды, как указано выше.
Катализатор горения углеродсодержащего материала, закрепленный на керамической подложке, при использовании почти не разлагает керамическую подложку в присутствии воды в отличие от традиционного катализатора щелочного металла и, таким образом, может предотвратить разложение керамической подложки.
Таким образом, катализатор горения углеродсодержащего материала может стабильно способствовать горению углеродсодержащего материала даже в присутствии воды в течение длительного времени.
Причина, по которой катализатор горения углеродсодержащего материала имеет превосходную каталитическую активность, как указано выше, не ясна, но считается, что Na содалита, который является исходным материалом, вносит вклад в каталитическую активность.
Таким образом, считается, что в вышеуказанном катализаторе горения углеродсодержащего материала, полученном обжигом содалита при температуре 600°C или выше, Na-элемент, содержащийся в содалите, показывает характеристики промотирования горения углеродсодержащего материала.
Кроме того, считается, что структура катализатора горения углеродсодержащего материала удерживает в себе Na-элемент относительно высоким усилием соединения и, таким образом, делает трудным вымывание Na даже в присутствии воды. Таким образом, катализатор горения может предотвратить снижение каталитической активности, а также коррозию керамической подложки.
В пятом примере настоящего изобретения катализатор горения углеродсодержащего материала получают стадией обжига, которая включает обжиг содалита при температуре 600°C или выше. Катализатор горения углеродсодержащего материала, полученный вышеуказанной стадией обжига, используется, будучи закрепленным на керамической подложке. Таким образом, стадия обжига осуществляется без закрепления содалита на керамической подложке, и закрепление катализатора на керамической подложке осуществляется после стадии обжига.
Когда содалит обжигается при температуре 600°C или выше после закрепления на керамической подложке, Na-элемент, содержащийся в содалите, может быть вымыт, и вымытый Na может частично изменить структуру керамической подложки, состоящей, например, из кордиерита, что может дать снижение коэффициента термического расширения и прочности, вызывая трещины или подобное в керамической подложке.
В настоящем изобретении, как указано выше, катализатор горения углеродсодержащего материала, прошедший стадию обжига, используется, будучи закрепленным на керамической подложке. Так катализатор горения прочно удерживает элемент щелочного металла (Na), содержащийся в содалите. Таким образом, когда катализатор горения является закрепленным на керамической подложке в процессе нагревания или после закрепления, катализатор может предотвратить щелочной металл от вымывания из катализатора горения. В результате может быть предотвращено появление трещин или подобного в керамической подложке.
В пятом примере настоящего изобретения стадия обжига может легко давать катализатор горения углеродсодержащего материала. Таким образом, содалит обжигается при температуре 600°C или выше, что может легко дать катализатор горения углеродсодержащего материала.
Согласно пятому и шестому примерам настоящего изобретения катализатор горения углеродсодержащего материала и способ его получения могут быть предусмотрены так, чтобы стабильно сжигать и удалять углеродсодержащий материал при низкой температуре в течение длительного времени.
В седьмом примере настоящего изобретения предусматривается способ получения носителя катализатора, который предназначен нести катализатор горения углеродсодержащего материала на керамической подложке. Катализатор горения используется для сжигания углеродсодержащего материала, содержащегося в выхлопном газе двигателя внутреннего сгорания. Способ получения включает стадию закрепления катализатора горения углеродсодержащего материала, полученного способом получения пятого примера настоящего изобретения, на керамической подложке, с получением в результате носителя катализатора.
В восьмом примере настоящего изобретения носитель катализатора получается способом получения согласно седьмому примеру изобретения.
Носитель катализатора согласно восьмому примеру настоящего изобретения, получаемый способом получения седьмого примера изобретения, несет катализатор горения углеродсодержащего материала, получаемый способом получения пятого примера изобретения. Таким образом, носитель катализатора может показывать превосходное действие и эффект катализатора горения углеродсодержащего материала, как указано выше. Таким образом, носитель катализатора может обеспечить стабильное сжигание и удаление углеродсодержащего материала при низкой температуре в течение длительного времени.
Вышеуказанный катализатор горения углеродсодержащего материала может предотвратить вымывание щелочного металла и/или щелочноземельного металла, которые могут разлагать керамическую подложку в присутствии воды, как указано выше. Таким образом, носитель катализатора может обеспечить стабильное сжигание и удаление углеродсодержащего материала в течение длительного времени почти без разложения керамической подложки даже в присутствии воды.
В седьмом примере настоящего изобретения способ получения носителя катализатора использует катализатор горения углеродсодержащего материала, получаемый стадией обжига в пятом примере изобретения, которая включает обжиг содалита при температуре 600°C или выше. Способ получения носителя катализатора включает стадию закрепления катализатора горения углеродсодержащего материала на керамической подложке с получением в результате носителя катализатора. Как указано выше, катализатор горения, получаемый вышеуказанной стадией обжига, прочно удерживает элемент щелочного металла (Na), содержащийся в содалите. Таким образом, на стадии закрепления может быть предотвращено вымывание щелочного металла из катализатора горения углеродсодержащего материала. В результате может быть предотвращено появление трещин или подобного в керамической подложке благодаря вымываемому щелочному металлу.
Согласно седьмому и восьмому примерам настоящего изобретения катализатор горения углеродсодержащего материала и способ его получения могут быть предусмотрены так, чтобы стабильно сжигать и удалять углеродсодержащий материал при низкой температуре в течение длительного времени.
Наилучший способ осуществления изобретения
Теперь будут описаны предпочтительные варианты изобретения.
Сначала ниже будет описан первый вариант изобретения.
Вышеуказанный катализатор горения углеродсодержащего материала используется для сжигания и удаления углеродсодержащего материала или подобного. Описанный выше углеродсодержащий материал включает, например, углеродную мелочь (твердые частицы, ТЧ) или подобное, которые содержатся в выхлопном газе дизельного двигателя.
Вышеуказанный способ получения согласно первому варианту изобретения включает стадию смешения, стадию сушки и стадию обжига, как описано выше.
На стадии смешения согласно первому варианту изобретения алюмосиликат, имеющий атомное эквивалентное соотношение Si/Al≥1, и источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла смешиваются в воде. В данном случае алюмосиликат и источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла предпочтительно смешиваются так, чтобы быть однородно диспергированными.
В том случае, когда атомное эквивалентное соотношение Si/Al<1, получаемый катализатор горения углеродсодержащего материала может позволить элементу щелочного металла и/или элементу щелочноземельного металла быть легко вымытым в присутствии воды. В результате вышеуказанный катализатор горения углеродсодержащего материала может иметь трудность в стабильном поддержании каталитической активности в течение длительного времени.
2
2
3
2
В частности, в первом варианте настоящего изобретения в качестве вышеуказанного алюмосиликата используется содалит. Содалит представлен общей формулой 3(NaO·AlO·2SiO)·2NaX, в которой Х представляет собой атом или атомную группу одноатомного аниона, например, ОН или галоген, такой как F, Cl, Br, I, или подобное.
На стадии смешения алюмосиликат (содалит) и источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла смешиваются в воде с получением жидкой смеси.
Источник щелочного металла включает, например, соединение щелочного металла или подобное. Источник щелочноземельного металла включает, например, соединение щелочноземельного металла или подобное.
Источник элемента щелочного металла содержит один или более видов элементов, выбранных из группы, состоящей из Na, K, Rb и Cs. Элемент щелочноземельного металла предпочтительно содержит один или более видов элементов, выбранных из группы, состоящей из Ca, Sr и Ba. В результате, катализатор горения углеродсодержащего материала может обеспечить сжигание углеродсодержащего материала при низких температурах.
Таким образом, на стадии смешения предпочтительно смешиваются, по меньшей мере, алюмосиликат (содалит) и источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла, за исключением источника Mg. Источник Mg может использоваться вместе с источником другого щелочного металла и/или источником другого щелочноземельного металла без отдельного использования источника Mg с содалитом.
Источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла представляет собой предпочтительно например, карбонат, сульфат, фосфат, нитрат, соль органической кислоты, галогенид, оксид или гидроксид.
В данном случае источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла могут быть легко смешаны в полярном растворителе, таком как вода. Таким образом, источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла могут быть однородно смешаны на стадии смешения.
Более предпочтительно в качестве источника щелочного металла может использоваться соль щелочного металла, и в качестве источника щелочноземельного металла может использоваться соль щелочноземельного металла. В данном случае указанные источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла имеют высокую растворимость в полярном растворителе, таком как вода, и, таким образом, могут быть растворены в полярном растворителе. Когда стадия смешения осуществляется в полярном растворителе, таком как вода, алюмосиликат и источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла могут быть смешаны однородно и легко.
На стадии смешения вместо воды используется полярный растворитель, иной, чем вода. Алюмосиликат и источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла смешиваются в полярном растворителе, и на стадии сушки полярный растворитель может быть выпарен с получением твердого вещества. В частности, полярным растворителем для использования может быть спирт, такой как метанол, этанол или подобное.
В качестве полярного растворителя предпочтительно используется растворитель, который является более летучим, чем вода.
На стадии сушки полярный растворитель может быть более легко выпарен.
На стадии смешения источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла и алюмосиликат могут быть предпочтительно смешаны так, что общее количество элемента щелочного металла и элемента щелочноземельного металла, содержащегося в источнике щелочного металла и/или источнике щелочноземельного металла, является равным или меньше 2,25 моль на 1 моль элемента Si алюмосиликата.
Когда общее количество элемента щелочного металла и элемента щелочноземельного металла превышает 2,25 моль на 1 моль элемента Si алюмосиликата (содалита), твердый материал может легко расплавиться на стадии обжига. Таким образом, катализатор горения углеродсодержащего материала, получаемый после стадии обжига, может сразу перейти в расплавленное состояние, что может дать повышенную твердость катализатора. В результате трудно регулировать размер катализатора горения углеродсодержащего материала до желаемого размера зерен при осуществлении стадии измельчения после стадии обжига, описанной далее. В данном случае, даже когда полученный катализатор горения углеродсодержащего материала имеет превосходную каталитическую активность, катализатор может быть легко ухудшен водой. Таким образом, степень снижения каталитической активности может стать большой из-за воды. Как результат, трудно поддерживать заданную каталитическую активность в течение длительного времени.
Более предпочтительно, на стадии смешения источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла и алюмосиликат могут быть предпочтительно смешаны так, что общее количество элемента щелочного металла и элемента щелочноземельного металла, содержащегося в источнике щелочного металла и/или источнике щелочноземельного металла, является равным или меньше 1 моль на 1 моль элемента Si алюмосиликата.
Еще более предпочтительно, на стадии смешения источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла и алюмосиликат могут быть предпочтительно смешаны так, что общее количество элемента щелочного металла и элемента щелочноземельного металла, содержащегося в источнике щелочного металла и/или источнике щелочноземельного металла, является равным или меньше 0,5 моль на 1 моль элемента Si алюмосиликата.
Вышеуказанное общее количество элемента щелочного металла и элемента щелочноземельного металла представляет собой общее количество элемента щелочного металла и элемента щелочноземельного металла, содержащееся в алюмосиликате (содалите). При использовании любого одного из источника щелочного металла и источника щелочноземельного металла количество другого источника может быть рассчитано быть равным 0 моль. При использовании множества источников щелочного металла и источников щелочноземельного металла общее количество указанных источников может быть рассчитано как вышеуказанное общее количество.
Затем на стадии сушки жидкая смесь, получаемая после стадии смешения, нагревается для выпаривания воды с получением в результате твердого вещества. В первом варианте настоящего изобретения твердое вещество состоит из смеси источника щелочного металла и/или источника щелочноземельного металла и алюмосиликата (содалита).
Затем на стадии обжига твердое вещество обжигается при температуре 600°C или выше. Так может быть получен вышеуказанный катализатор горения углеродсодержащего материала.
Когда температура обжига (т.е. максимальная температура при нагревании) является ниже 600°C на стадии обжига, элемент щелочного металла и/или элемент щелочноземельного металла каждый имеет тенденцию быть легко вымытым в присутствии воды. Таким образом, вышеуказанный катализатор горения углеродсодержащего материала может иметь трудность в стабильном показе каталитической активности в отношении углеродсодержащего материала в течение длительного времени. На стадии обжига обжиг предпочтительно осуществляется при температуре обжига 700°C или выше и более предпочтительно 800°C или выше.
Когда температура обжига превышает 1200°C, катализатор горения углеродсодержащего материала сразу переходит в расплавленное состояние на стадии обжига и, таким образом, может стать массивной формы, имея высокую твердость. В результате может быть трудно регулировать размер катализатора горения углеродсодержащего материала до желаемого размера зерен при осуществлении стадии измельчения после стадии обжига, описанной далее.
Соответственно, на стадии обжига твердое вещество может предпочтительно обжигаться при температуре от 700°C до 1200°C.
Термин «температура обжига на стадии обжига», как использовано здесь, означает температуру самого твердого вещества, а не температуру окружающей среды. Таким образом, на стадии обжига обжиг осуществляется так, что температура самого твердого вещества становится 600°C или выше. На стадии обжига обжиг при температуре обжига предпочтительно проводится в течение одного часа или более, предпочтительно в течение пяти часов или более, и более предпочтительно в течение десяти часов или более.
Затем после стадии обжига осуществляется стадия измельчения для измельчения катализатора горения углеродсодержащего материала. В данном случае может быть получен порошкообразный катализатор горения углеродсодержащего материала. Такой порошкообразный катализатор горения углеродсодержащего материала легко закрепляется, например, на керамической подложке, имеющей сотовую структуру. Поскольку площадь поверхности катализатора становится большой, катализатор горения может иметь более превосходную каталитическую активность.
На стадии измельчения при регулировании условий измельчения может быть получен катализатор горения углеродсодержащего материала, имеющий желаемый размер зерен.
Предпочтительно на стадии измельчения катализатор горения углеродсодержащего материала может иметь средний диаметр, отрегулированный так, чтобы быть равным или менее 50 мкм. В том случае, когда средний диаметр превышает 50 мкм, когда керамическая подложка покрывается катализатором горения углеродсодержащего материала, керамическая подложка может стать засоренной, или количество закрепленного катализатора может легко изменяться. Средний диаметр катализатора может быть более предпочтительно равным или менее 10 мкм.
Средний диаметр катализатора горения углеродсодержащего материала может быть измерен, например, дифракционным/диффузионным устройством измерения распределения зерен по размеру или сканирующим электронным микроскопом.
Вышеуказанный катализатор горения углеродсодержащего материала используется, будучи закрепленным на керамической подложке.
Вышеуказанный катализатор горения углеродсодержащего материала получается стадией обжига, которая включает обжиг смеси (твердой) алюмосиликата (содалита) и источника щелочного металла и/или источника щелочноземельного металла при температуре 600°C или выше. Полученная таким образом структура катализатора горения удерживает в себе элемент щелочного металла и/или элемент щелочноземельного металла относительно высоким усилием соединения. Таким образом, катализатор горения углеродсодержащего материала может сделать трудным вымывание щелочного металла и/или щелочноземельного металла, когда катализатор закрепляется на керамической подложке. Кроме того, катализатор горения может предотвратить разрушение керамической подложки вымытым щелочным металлом и щелочноземельным металлом.
Напротив, когда необожженная смесь закрепляется на керамической подложке, Na из содалита, элемент щелочного металла из источника щелочного металла и элемент щелочноземельного металла из источника щелочноземельного металла могут разрушать керамическую подложку.
Таким образом, в первом варианте настоящего изобретения стадия обжига осуществляется до закрепления катализатора на керамической подложке без закрепления смеси на керамической подложке.
Во втором варианте настоящего изобретения катализатор горения углеродсодержащего материала, получаемый способом получения первого варианта изобретения, используется для сжигания и удаления углеродсодержащего материала углеродной мелочи (ТЧ) или подобного, содержащегося в выхлопном газе двигателя внутреннего сгорания, такого как бензиновый двигатель или дизельный двигатель.
Далее, ниже, будет описан пятый вариант настоящего изобретения.
На стадии обжига пятого варианта изобретения содалит обжигается при температуре 600°C или выше.
2
2
3
2
Содалит представлен общей формулой 3(NaO·AlO·2SiO).2NaX, в которой Х представляет собой атом или атомную группу одноатомного аниона, например, ОН или галоген, такой как F, Cl, Br, I, или подобное.
Когда температура обжига на стадии обжига является ниже 600°C, трудно получить катализатор горения углеродсодержащего материала, имеющий желаемый эффект. Таким образом, в данном случае каталитическая активность катализатора горения углеродсодержащего материала, полученного для сжигания углеродсодержащего материала, может быть снижена. Предпочтительно температура обжига может быть равна или выше 700°C.
Когда температура обжига составляет 1200°C или выше, содалит может быть легко вымыт на стадии обжига. Таким образом, катализатор горения углеродсодержащего материала, получаемый после стадии обжига, сразу переходит в расплавленное состояние, и поэтому это может дать увеличение твердости катализатора. В результате, может быть трудно регулировать размер катализатора горения углеродсодержащего материала до желаемого размера зерен при осуществлении стадии измельчения после стадии обжига, описанной далее.
Таким образом, на стадии обжига содалит обжигается предпочтительно при температуре 700-1200°C.
Температура обжига на стадии обжига представляет собой температуру самого содалита, а не температуру окружающей среды. Таким образом, на стадии обжига обжиг осуществляется так, что температура собственно твердого материала составляет 600°C или выше. На стадии обжига обжиг при температуре обжига предпочтительно проводится в течение одного часа или более, предпочтительно в течение пяти часов или более, и более предпочтительно в течение десяти часов или более.
Способ получения катализатора горения предпочтительно включает стадию измельчения катализатора горения углеродсодержащего материала, полученного после стадии обжига.
Может быть получен порошкообразный катализатор горения углеродсодержащего материала. Такой порошкообразный катализатор горения углеродсодержащего материала может быть легко закреплен, например, на керамической подложке, имеющей сотовую структуру. Поскольку площадь поверхности катализатора становится большой, катализатор горения может иметь более превосходную каталитическую активность.
На стадии измельчения условия измельчения могут быть подходяще отрегулированы для получения катализатора горения углеродсодержащего материала, имеющего желаемый размер зерен. В частности, подобно первому варианту настоящего изобретения катализатор горения углеродсодержащего материала может иметь средний диаметр, отрегулированный, чтобы быть равным или менее 50 мкм и более предпочтительно 10 мкм или менее.
Вышеуказанный катализатор горения углеродсодержащего материала используется, будучи закрепленным на керамической подложке.
Катализатор горения, полученный стадией обжига, прочно удерживает элемент щелочного металла (Na) относительно большим усилием соединения и, таким образом, делает трудным вымывание элемента щелочного металла, когда катализатор закреплен на керамической подложке, поэтому предотвращая разрушение керамической подложки вымытым элементом щелочного металла.
Напротив, когда необожженный содалит закрепляется на керамической подложке, элемент щелочного металла (Na) содалита вымывается в процессе нагревания или после закрепления содалита на подложке, и поэтому вымытый содалит может разрушать керамическую подложку.
Другими словами, в пятом варианте настоящего изобретения стадия обжига осуществляется до закрепления содалита на керамической подложке, таким образом, без закрепления содалита на керамической подложке.
В шестом варианте настоящего изобретения катализатор горения углеродсодержащего материала, получаемый способом получения пятого варианта изобретения, используется для сжигания и удаления углеродсодержащего материала углеродной мелочи (ТЧ) или подобного, содержащегося в выхлопном газе двигателя внутреннего сгорания, такого как бензиновый двигатель или дизельный двигатель.
Далее со ссылкой на прилагаемые чертежи будут описаны способы получения носителя катализатора согласно третьему и седьмому предпочтительным вариантам настоящего изобретения и носителей катализатора согласно четвертому и восьмому предпочтительным вариантам настоящего изобретения.
Способ получения третьего варианта настоящего изобретения имеет такую же форму, как седьмой вариант изобретения, за исключением катализатора горения углеродсодержащего материала. Также носитель катализатора четвертого варианта изобретения имеет такую же форму, как восьмой вариант изобретения, за исключением катализатора горения.
Таким образом, способ получения третьего варианта настоящего изобретения использует катализатор горения углеродсодержащего материала, полученный способом получения первого варианта изобретения. Способ включает стадию закрепления катализатора горения углеродсодержащего материала на керамической подложке с получением в результате носителя катализатора согласно четвертому варианту изобретения. Способ получения седьмого варианта настоящего изобретения использует катализатор горения углеродсодержащего материала, полученный способом получения пятого варианта изобретения. Способ включает стадию закрепления катализатора горения углеродсодержащего материала на керамической подложке с получением в результате носителя катализатора согласно восьмому варианту изобретения.
На стадии закрепления предпочтительно, по меньшей мере, катализатор горения углеродсодержащего материала и золь или суспензия оксидных керамических частиц смешиваются с образованием композитного материала, и керамическая подложка предпочтительно покрывается композитным материалом для нагревания.
В частности, сначала катализатор горения углеродсодержащего материала и золь или суспензия оксидных керамических частиц смешиваются с образованием композитного материала. Растворитель, такой как вода, дополнительно вводят в композитный материал, если необходимо, с регулированием в результате вязкости композитного материала до надлежащего значения. Керамическая подложка покрывается полученной таким образом суспензией композитного материала для нагревания.
В данном случае, как показано на фиг.18, вышеуказанный катализатор горения углеродсодержащего материала 1 и оксидные керамические частицы 15 обжигаются на керамической подложке 22, так что можно легко получить носитель катализатора 2, несущий катализатор горения 1 на керамической подложке 22. На керамической подложке 22 образуется соединительный слой 155, включающий оксидные керамические частицы 15, соединенные вместе. Таким образом, может быть получен носитель катализатора 2, содержащий катализатор горения 1, или каталитические частицы, диспергированные в соединительном слое 155.
Носитель катализатора 2 с такой структурой прочно удерживает катализатор горения углеродсодержащего материала 1 соединительным слоем 155. Таким образом, катализатору горения 1 или каталитическим частицам трудно выпадать при использовании, с поддержанием в результате каталитической активности.
Предпочтительно вышеуказанные оксидные керамические частицы включают один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из оксида алюминия, диоксида кремния, оксида титана и оксида циркония.
В данном случае, поскольку легко образуется соединительный слой, имеющий большую удельную поверхность, площадь поверхности носителя катализатора может быть увеличена. Как результат, катализатор горения углеродсодержащего материала имеет тенденцию контактировать с углеродсодержащим материалом, так что носитель катализатора может обеспечить более эффективное сжигание углеродсодержащего материала.
Керамическая подложка для использования может представлять собой подложку, состоящую, например, из кордиерита, глинозема, титаната алюминия, SiC или оксида титана.
Керамическая подложка для использования может представлять собой подложку, имеющую, например, гранулоподобную форму, фильтроподобную форму, пеноподобную форму, монолитную форму раздутого типа или подобное.
Предпочтительно керамическая подложка может состоять из кордиерита, SiC или титаната алюминия. Более предпочтительно керамическая подложка может иметь сотовую структуру. В таком случае носитель катализатора может быть более подходящим для очистки выхлопного газа.
Сотовая структура включает наружную периферийную стенку, перегородки, предусмотренные в форме соты внутри наружной периферийной стенки, и множество ячеек, разделенных перегородками и с проникновением обоих концов структуры. Сотовая структура для использования может быть структурой, в которой все ячейки являются открытыми с обоих концов. Альтернативно сотовая структура для использования может быть другой структурой, в которой некоторая часть ячеек является открытыми с обоих концов сотовой структуры, а остальные ячейки являются закрытыми пробками, образовавшимися на обоих концах.
Носитель катализатора может нести не только вышеуказанный катализатор горения углеродсодержащего материала, но также один или более видов редкоземельных элементов на керамической подложке. Редкоземельными элементами для использования могут быть, например, Ce, La, Nd и подобное. В качестве вышеуказанного редкоземельного элемента могут использоваться оксидные частицы редкоземельных элементов.
В данном случае изменение состояния редкоземельного элемента вызывает абсорбцию и десорбцию кислорода, поэтому дополнительно промотируя горение углеродсодержащего материала.
На фиг.19 показан пример носителя катализатора 2 для несения редкоземельного элемента 16 вместе с катализатором горения углеродсодержащего материала 1 на подложке 22. Такой носитель катализатора 2 может быть получен смешением катализатора горения углеродсодержащего материала 1, редкоземельного элемента 16 и, например, золя оксидных керамических частиц 15 или подобного, при дополнительном введении воды в смесь, если необходимо, для корректирования смеси до надлежащей вязкости и обжигом полученной таким образом суспензии композитного материала на керамической подложке 22. В данном случае получается носитель катализатора 2, который включает соединительный слой 155, содержащий оксидные керамические частицы 15, соединенные вместе, и образованный на керамической подложке 22. Катализатор горения углеродсодержащего материала 1 и редкоземельный элемент 16, диспергированные в соединительном слое 155, являются закрепленными на носителе катализатора 2.
Носитель катализатора может нести благородный металл, если необходимо, в дополнение к катализатору горения углеродсодержащего материала. В данном случае может быть дополнительно улучшена каталитическая активность катализатора горения для сжигания углеродсодержащего материала. Также, поскольку катализатор горения углеродсодержащего материала имеет превосходную каталитическую активность, количество нанесенного благородного металла, который является относительно дорогостоящим, может быть значительно снижено по сравнению с традиционным случаем. Благородный металл включает, например, Pt, Pd, Rh и т.п.
На фиг.20 показан пример носителя катализатора 2, в котором катализатор горения углеродсодержащего материала 1, редкоземельный элемент 16 и благородный металл 17 диспергированы в соединительном слое 155, содержащем оксидные керамические частицы 15, соединенные вместе. Такой носитель катализатора 2 может быть получен смешением катализатора горения углеродсодержащего материала 1, редкоземельного элемента 16, например, золя оксидных керамических частиц 15 или подобного, и комплекса благородного металла дополнительным введением воды в смесь, если необходимо, для корректирования смеси до надлежащей вязкости и обжигом полученной таким образом суспензии композитного материала на керамической подложке 22.
Как показано на фиг.21, благородный металл 17 предпочтительно закрепляется на оксидных керамических частицах 15. Когда редкоземельный элемент содержит оксидные частицы редкоземельного элемента, как показано на фиг.22, благородный металл 17 предпочтительно закрепляется на оксидных частицах 16 редкоземельного элемента.
Вышеуказанный носитель катализатора может образовать слой благородного металла 17, выполненный из благородного металла, как показано на фиг.23 и 24.
Как показано на фиг.23, слой благородного металла 17 может образоваться на соединительном слое 155, содержащем катализатор горения углеродсодержащего материала 1, закрепленный на керамической подложке 22. Таким образом, соединительный слой 155, содержащий катализатор горения углеродсодержащего материала 1, образуется на керамической подложке 22, а слой благородного металла 17 может образоваться на соединительном слое 155.
В данном случае в носителе катализатора может быть предотвращено отравление щелочного металла и/или щелочноземельного металла катализатора горения углеродсодержащего материала 1.
Как показано на фиг.24, слой благородного металла 17 может быть образован между керамической подложкой 22 и соединительным слоем 155, содержащим катализатор горения углеродсодержащего материала 1. Таким образом, слой благородного металла 17 может быть образован на керамической подложке 22, а соединительный слой 155, содержащий катализатор горения углеродсодержащего материала 1, может быть образован на слое благородного металла 17.
В данном случае щелочной металл и/или щелочноземельный металл катализатора горения углеродсодержащего материала 1 может быть предотвращен от перемещения к керамической подложке 22, выполненной из керамики, с тем, чтобы далее предотвратить коррозию керамической подложки 22.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
Далее настоящее изобретение будет описано с помощью следующих примеров.
В настоящем примере катализатор горения углеродсодержащего материала, используемый для сжигания и удаления углеродсодержащего материала, содержащегося в выхлопном газе от двигателя внутреннего сгорания, получают для исследования характеристик промотирования горения углеродсодержащего материала (например, углерода).
В настоящем примере катализатор горения углеродсодержащего материала получают при осуществлении стадии обжига, которая включает обжиг содалита при температуре 600°C или выше.
2
2
3
2
В частности, сначала получают порошок содалита (3(NaO·AlO·2SiO)·2NaX).
Затем содалит обжигают при температуре 1000°C или выше. В частности, содалит нагревают при скорости повышения температуры 100°C/ч. После того, как температура содалита достигает температуры обжига 1000°C, содалит выдерживают при ней в течение 10 ч с осуществлением в результате стадии обжига. Затем полученный таким образом обожженный материал измельчают так, чтобы иметь средний диаметр 10 мкм или менее и максимальный размер зерен 100 мкм или менее с получением в результате порошкообразного катализатора горения углеродсодержащего материала. Порошкообразный катализатор горения углеродсодержащего материала называется как «образец Е1».
Затем исследуют характеристики промотирования горения углеродсодержащего материала катализатора горения углеродсодержащего материала (образец Е1), полученного в настоящем примере. В качестве сравнительного примера исследуют характеристики промотирования горения (благородный металл)содержащего катализатора (Pt порошок) и порошка карбоната калия.
В частности, сначала 200 мг каталитических частиц (например, образца Е1 (благородный металл)содержащего катализатора или порошка карбоната калия) и 20 мг углеродной сажи ((УС)(СВ)), соответственно, отмеряют точно электронными весами. Указанные каталитические частицы смешивают в течение некоторого времени с использованием агатовой ступки, так что отношение каталитических частиц (масса) к УС (масса) составляет 10:1, и в результате получают три вида образцов для испытаний, содержащих каталитические частицы и углеродную сажу. В качестве сравнительного образца получают образец для испытаний из одной УС без использования каталитических частиц. Образец для испытаний из одной УС затем перемешивают в течение некоторого времени с использованием агатовой ступки подобно другим образцам. Другими словами, полученные образцы для испытаний представляют собой четыре вида образцов, а именно образец одной УС, смесь (благородный металл)содержащего катализатора и УС, смесь образца Е1 и УС и смесь карбоната калия и УС.
Затем 6 мг каждого образца для испытаний нагревают до максимальной температуры 900°C при скорости увеличения температуры 10°C/мин с выжиганием в результате УС. В данном случае определяют ДТА экзотермическую пиковую температуру каждого образца для испытаний с использованием устройства одновременного проведения термического анализа-дифференциального термогравиметрического анализа ((ТГ-ДТА) (TG-DTA)) (прибор “TG8120”, изготовленный фирмой Rigaku Industrial Co., Ltd.). Определяют ДТА экзотермическую пиковую температуру 0,5 мг образца для испытаний из одной УС. Нагревание проводят, позволяя воздуху проходить через образец для испытаний со скоростью течения 50 мл/мин. На фиг.1 показаны результаты измерений ДТА экзотермических пиковых температур при использовании соответствующих каталитических частиц.
3
3
Далее 1 г каждого образца для испытаний (образец Е1 (благородный металл)содержащий катализатор или порошок карбоната калия) вводят в 500 см воды и перемешивают ночь и день, чтобы в результате промыть. Затем после промывки водой каталитические частицы фильтруют. Отфильтрованные каталитические частицы достаточно промывают пропусканием через них 1500 см воды и затем сушат. Затем после промывки водой 200 мг каждого вида каталитических частиц (образец Е1 и (благородный металл)содержащий катализатор) и 20 мг углеродной сажи (УС) точно отмеряют электронными весами. Каждый вид каталитических частиц и углеродную сажу смешивают в течение некоторого времени с использованием агатовой ступки, так что отношение каталитических частиц (масса) к УС (масса) составляет 10:1, и в результате получают два вида образцов для испытаний, содержащих каталитические частицы и углеродную сажу. Образец для испытаний, выполненный из одной УС, промывают, сушат и затем перемешивают с использованием агатовой ступки подобно другим образцам. Образец для испытаний, использующий карбонат калия в качестве каталитических частиц, растворяется в воде операцией промывки водой, и, таким образом, последующий процесс не может осуществляться. Другими словами, образцы для испытаний после промывки водой включают три вида образцов, а именно образец одной УС, смесь (благородный металл)содержащего катализатора и УС и смесь образца Е1 и УС. Снова определяют ДТА экзотермическую пиковую температуру каждого образца для испытаний с использованием устройства одновременного проведения термического анализа-дифференциального термогравиметрического анализа (ТГ-ДТА). На фиг.1 показаны результаты измерений ДТА экзотермических пиковых температур соответствующих образцов для испытаний после промывки водой.
Как можно видеть на фиг.1, образец, использующий образец Е1, и образец, использующий карбонат калия, каждый имеет низкую ДТА экзотермическую пиковую температуру до промывки водой и могут вызвать сжигание углеродсодержащего материала (УС) при относительно низкой температуре. Как можно видеть на фиг.1, образец Е1 имеет экзотермический пик около 450°C, но фактически начинает сжигание углеродной сажи при более низкой температуре (например, около 400°C).
Также, как можно видеть на фиг.1, образец одной УС (благородный металл)содержащий катализатор и образец Е1 почти не изменяют характеристики промотирования горения для УС до и после промывки водой. С другой стороны, в образце, использующем карбонат калия, поскольку карбонат калия растворяется в воде после промывки водой, невозможно определить характеристики промотирования горения образца.
Таким образом, образец Е1 имеет превосходные характеристики промотирования горения для углеродсодержащего материала и может обеспечить стабильное сжигание и удаление углеродсодержащего материала при низкой температуре. Кроме того, образец Е1 может поддерживать превосходные характеристики даже в присутствии воды и, таким образом, может обеспечить стабильное сжигание углеродсодержащего материала в течение длительного времени.
В настоящем примере содалит обжигают при температуре обжига, отличающейся от образца Е1, поэтому с получением трех видов катализаторов.
Таким образом, в образце Е1 содалит обжигают при температуре обжига 1000°C в течение времени выдержки 10 ч, но три вида катализаторов получают способом обжига при температуре обжига 700°C в течение времени выдержки 10 ч, при температуре обжига 600°C в течение времени выдержки 10 ч и при температуре обжига 500°C в течение времени выдержки 10 ч соответственно. Характеристики промотирования горения указанных трех катализаторов горения углеродсодержащего материала исследуют таким же образом, как характеристики образца Е1. В данном случае исследуют характеристики промотирования горения порошка содалита углеродсодержащего материала, который (порошок) используют для получения катализатора горения углеродсодержащего материала в качестве сравнительного примера. Используют порошок содалита, остававшийся в течение примерно 10 ч при комнатной температуре примерно 25°C вместо обжига. Определение характеристик промотирования горения осуществляют при определении ДТА экзотермической пиковой температуры каждого катализатора таким же образом, как для образца Е1. На фиг.2 также показан результат для образца Е1, и катализатор горения углеродсодержащего материала обжигался при температуре обжига 1000°C.
Как можно видеть на фиг.2, ДТА экзотермические пиковые температуры катализаторов горения углеродсодержащего материала, полученных при обжиге содалита при температуре 600°C или выше, имеют очень низкие значения 500°C или ниже. ДТА экзотермическая пиковая температура катализатора благородного металла (Pt), обычно используемого в качестве катализатора горения углеродсодержащего материала, составляет примерно 520°C (смотри фиг.1). Ясно, что указанные катализаторы горения углеродсодержащего материала каждый имеет достаточно превосходную каталитическую активность по отношению к углеродсодержащему материалу.
Катализатор горения углеродсодержащего материала, полученный обжигом при температуре 600°C или выше, также имеет ДТА экзотермическую пиковую температуру, которая является равной или ниже ДТА экзотермической пиковой температуры катализатора благородного металла (Pt) после промывки водой, и может сохранять превосходную каталитическую активность после промывки водой.
Напротив, катализатор, полученный обжигом при температуре 500°C, показывает ДТА экзотермическую пиковую температуру примерно 520°C того же уровня, как температура катализатора благородного металла (Pt) до промывки водой. Однако после промывки водой ДТА экзотермическая пиковая температура катализатора увеличивается до примерно 540°C, и каталитическая активность его снижается по сравнению катализатора благородного металла. Необожженный содалит имеет недостаточную каталитическую активность для горения углеродсодержащего материала независимо до или после промывки водой.
В настоящем примере различные типы цеолитов, иных чем содалит (SOD), обжигают для сравнения с образцом Е1 и затем, используя указанные катализаторы, исследуют характеристики промотирования горения.
2
2
3
В частности, сначала в качестве цеолита, иного, чем содалит, получают двенадцать видов цеолитов с различными цеолитными структурами (например, BEA-типа, FAU-типа, FER-типа, LTA-типа, LTL-типа, MFI-типа и MOR-типа) и/или различными соотношениями SiO/AlO цеолитной композиции (смотри фиг.25).
2
2
3
Указанные цеолиты изготавливаются фирмой Tosoh Corporation. На фиг.25 показано наименование продукта каждого цеолита, тип цеолитной структуры и соотношение SiO/AlO. Наименования цеолитов, показанных на фиг.25 и 3, описанных далее, соответствуют наименованиям цеолитов, изготавливаемых фирмой Tosoh Corporation. На фиг.25 также показан содалит (SOD), используемый для получения образца Е1.
Затем различные цеолиты, показанные на фиг.25, обжигают таким же образом, как образец Е1. В частности, каждый вид цеолита нагревают при скорости увеличения температуры 100°C/ч. После того, как температура твердого вещества достигает температуры обжига 1000°C, твердое вещество выдерживают при ней в течение 10 ч, подвергая стадии обжига. После этого полученный таким образом обожженный материал измельчают так, чтобы иметь средний диаметр 10 мкм или менее и максимальный размер зерен 100 мкм или менее, с получением в результате порошкообразного катализатора. Характеристики промотирования горения углеродсодержащего материала указанных катализаторов исследуют таким же образом, как для образца Е1. Необходимо отметить, что характеристики промотирования горения катализаторов после промывки водой не осуществляются. На фиг.3 показаны результаты. На фиг.3 также показан результат для образца Е1, полученного обжигом содалита как “SOD”.
Как можно видеть на фиг.3, когда в качестве катализатора используют материал, полученный обжигом цеолита, иного чем содалит, ДТА экзотермическая пиковая температура катализатора является очень высокой, и характеристики промотирования горения катализатора для углеродсодержащего материала являются недостаточными. Напротив, катализатор, полученный обжигом SOD (образец 1), показывает очень низкую ДТА экзотермическую пиковую температуру примерно 450°C. Таким образом, катализатор может обеспечить сжигание углеродсодержащего материала при низкой температуре. Таким образом, необходимо выбирать содалит среди цеолитов на стадии обжига.
Как указано выше, в настоящем примере обжиг содалита при температуре 600°C или выше может дать катализатор горения углеродсодержащего материала, который может обеспечить стабильное сжигание и удаление углеродсодержащего материала при низкой температуре в течение длительного времени.
Пример 2
В настоящем примере катализатор горения углеродсодержащего материала получают стадией смешения, стадией сушки и стадией обжига.
Таким образом, на стадии смешения алюмосиликат, имеющий атомное эквивалентное соотношение Si/Al≥1, и источник щелочного металла и/или источник щелочноземельного металла смешивают в воде. Затем на стадии сушки жидкую смесь после стадии смешения нагревают для выпаривания воды с получением в результате твердого вещества. После этого на стадии обжига твердое вещество обжигают при температуре 600°C или выше с получением в результате катализатора горения углеродсодержащего материала.
2
2
3
2
В частности, вначале получают порошок содалита 3(NaO·AlO·2SiO)·2NaОН), как алюмосиликат, имеющий атомное эквивалентное соотношение Si/Al≥1. Затем 100 мас.ч. содалита и 5 мас.ч. карбоната кальция вводят в воду и смешивают в воде.
Затем на стадии сушки жидкую смесь нагревают при температуре 120°C для выпаривания воды. Таким образом, получают твердое вещество, который представляет собой смесь содалита и карбоната калия.
Затем твердое вещество обжигают при температуре 800°C. В частности, содалит нагревают при скорости повышения температуры 100°C/ч. После того, как температура содалита достигает температуры обжига 800°C, содалит выдерживают при ней в течение 10 ч с осуществлением в результате стадии обжига.
Затем полученный таким образом обожженный материал измельчают так, чтобы иметь средний диаметр 10 мкм или менее и максимальный размер зерен 100 мкм или менее с получением в результате порошкообразного катализатора горения углеродсодержащего материала. Порошкообразный катализатор горения углеродсодержащего материала называется как «образец Е2».
Затем исследуют характеристики промотирования горения углеродсодержащего материала катализатора горения углеродсодержащего материала (образец Е2), полученного в настоящем примере. В качестве сравнительного примера исследуют характеристики промотирования горения (благородный металл)содержащего катализатора (Pt порошок) и порошка карбоната калия.
Сначала таким же образом, как в примере 1, получают четыре вида образцов для испытаний, а именно образец одной УС, смесь (благородный металл)содержащего катализатора и УС, смесь образца Е2 и УС и смесь карбоната калия и УС.
2
3
Затем 6 мг каждого образца для испытаний нагревают до максимальной температуры 900°C при скорости увеличения температуры 10°C/мин с выжиганием в результате УС. В данном случае определяют ДТА экзотермическую пиковую температуру каждого образца для испытаний с использованием устройства одновременного проведения термического анализа-дифференциального термогравиметрического анализа ((ТГ-ДТА) (TG-DTA)) (прибор “TG8120”, изготовленный фирмой Rigaku Industrial Co., Ltd.). Определяют ДТА экзотермическую пиковую температуру 0,5 мг образца для испытаний из одной УС. Нагревание проводят, позволяя воздуху проходить через образец для испытаний со скоростью течения 50 мл/мин. На фиг.4 показаны результаты измерений ДТА экзотермических пиковых температур при использовании соответствующих каталитических частиц. На фиг.5 показаны результаты определения отношения между температурой и ТГ с использованием одной УС. На фиг.6 показаны результаты при использовании (благородный металл)содержащего катализатора в качестве каталитических частиц. На фиг.7 показаны результаты при использовании КСО. На фиг.8 показаны результаты при использовании образца Е2. На каждой из фиг.5-8 продольная ось показывает ДТА экзотермическую пиковую температуру, показывающую максимальную скорость сжигания углеродной сажи.
3
3
Далее 1 г каждого вида каталитических частиц (образец Е2 (благородный металл)содержащий катализатор или порошок карбоната калия) вводят в 500 см воды и перемешивают ночь и день, чтобы в результате промыть. Затем после промывки водой каталитические частицы фильтруют. Отфильтрованные каталитические частицы достаточно промывают пропусканием через них 1500 см воды и затем сушат при температуре 120°C. Затем после промывки водой 200 мг каждого вида каталитических частиц (образец Е2 и (благородный металл)содержащий катализатор) и 20 мг углеродной сажи (УС) точно отмеряют электронными весами. Каждый вид каталитических частиц и углеродную сажу смешивают в течение некоторого времени с использованием агатовой ступки, так что отношение каталитических частиц (масса) к УС (масса) составляет 10:1, и в результате получают два вида образцов для испытаний, содержащих каталитические частицы и углеродную сажу. Образец для испытаний, выполненный из одной УС, промывают, сушат и затем перемешивают с использованием агатовой ступки подобно другим образцам. Образец для испытаний, использующий карбонат калия в качестве каталитических частиц, растворяется в воде операцией промывки водой, и, таким образом, последующий процесс не мог осуществляться. Другими словами, образцы для испытаний после промывки водой включают три вида образцов, а именно образец одной УС, смесь (благородный металл)содержащего катализатора и УС и смесь образца Е2 и УС. Снова определяют ДТА экзотермическую пиковую температуру каждого образца для испытаний с использованием устройства одновременного проведения термического анализа-дифференциального термогравиметрического анализа (ТГ-ДТА). На фиг.4 показаны результаты измерений ДТА экзотермических пиковых температур соответствующих образцов для испытаний после промывки водой.
Как можно видеть на фиг.4-8, образец, использующий образец Е2, и образец, использующий карбонат калия, каждый имеет низкую ДТА экзотермическую пиковую температуру до промывки водой и, таким образом, могут вызвать сжигание углеродсодержащего материала (УС) при относительно низкой температуре. Как можно видеть на фиг.4 и 8, образец Е2 имеет экзотермический пик около 400°C, но сжигание углеродной сажи фактически начинается даже при более низкой температуре (например, около 350°C), чем ДТА экзотермическая пиковая температура.
Как можно видеть на фиг.4, образец одной УС (благородный металл)содержащий катализатор и образец Е2 почти не изменяют характеристики промотирования горения для УС до и после промывки водой. Напротив, в образце, использующем карбонат калия, карбонат калия растворяется в воде после промывки водой, и поэтому невозможно определить характеристики промотирования горения.
Соответственно, образец Е2 имеет превосходные характеристики промотирования горения для углеродсодержащего материала и, таким образом, может обеспечить стабильное сжигание и удаление углеродсодержащего материала при низкой температуре. Поскольку образец Е2 может поддерживать превосходные характеристики даже в присутствии воды, образец Е2 может обеспечить стабильное сжигание углеродсодержащего материала в течение длительного времени.
Вышеуказанный образец Е2 представляет собой катализатор, полученный обжигом смеси 100 мас.ч. содалита и 5 мас.ч. карбоната калия при температуре 800°C в течение 10 ч. В настоящем примере затем, для того чтобы исследовать влияние температуры обжига на каталитическую активность, смесь (твердую) содалита и карбоната калия обжигают при различных температурах с получением множества катализаторов.
В частности, сначала 100 мас.ч. содалита и 10 мас.ч. карбоната калия смешивают в воде с получением жидкой смеси. Затем жидкую смесь нагревают при температуре 120°C для выпаривания воды с получением в результате твердого вещества (смеси). Затем смесь обжигают при различных температурах обжига, например, 500°C, 600°C, 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C, 1100°C, 1200°C и 1300°C, с получением в результате девяти видов катализаторов. Указанные катализаторы получают одинаковым образом, кроме изменения температуры обжига, и таким же образом, как образец Е2, кроме изменения соотношения смешения карбоната калия и содалита и температуры обжига. Кроме того, для того чтобы исследовать влияние времени обжига при обжиге при температуре 600°C, получают не только катализатор, получаемый обжигом в течение 10 ч подобно образцу Е2, но также катализатор, получаемый обжигом в течение времени обжига 5 ч. Обжиг других катализаторов, получаемых обжигом при других температурах обжига, осуществляют в течение 10 ч подобно образцу Е2.
Характеристики промотирования горения углеродсодержащего материала указанных катализаторов исследуют таким же образом, как характеристики образца Е2. В данном случае также исследуют характеристики промотирования горения смеси содалита и карбоната калия для углеродсодержащего материала в качестве сравнительного примера. Вместо обожженной используют смесь содалита и карбоната калия, остававшуюся в течение 10 ч при комнатной температуре около 25°C.
Определение характеристик промотирования горения осуществляют при определении ДТА экзотермической пиковой температуры таким же образом, как для образца Е2. Результаты показаны на фиг.9.
Как можно видеть на фиг.9, ДТА экзотермическая пиковая температура катализатора горения углеродсодержащего материала, полученного обжигом при температуре 600°C или выше, является равной или ниже 460°C до и после промывки водой, которая является очень низкой. ДТА экзотермическая пиковая температура катализатора благородного металла (Pt), обычно используемого в качестве катализатора горения углеродсодержащего материала, составляет примерно 520°C (смотри фиг.4). Таким образом, можно видеть, что такой катализатор горения углеродсодержащего материала имеет достаточно превосходную каталитическую активность по отношению к углеродсодержащему материалу.
Напротив, катализатор, обожженный при температуре ниже 600°C, показывает достаточно низкую ДТА экзотермическую пиковую температуру по сравнению с катализатором благородного металла (Pt) до промывки водой и показывает превосходную каталитическую активность. Однако после промывки водой ДТА экзотермическая пиковая температура катализатора значительно увеличивается, а его каталитическая активность снижается по сравнению с катализатором благородного металла. Смесь необожженного содалита и карбоната калия имеет достаточную каталитическую активность до промывки водой, но имеет каталитическую активность, значительно сниженную после промывки.
Причина, по которой катализатор, полученный стадией обжига при температуре ниже 600°C, и катализатор, полученный без стадии обжига, имеют каталитическую активность, значительно сниженную после промывки водой, как описано выше, состоит в вымывании калия после промывки водой.
Таким образом, необходимо осуществлять стадию обжига при температуре обжига 600°C или выше. Как можно видеть на фиг.9, обжиг при температуре 700-1200°C может дать катализатор горения углеродсодержащего материала, имеющий более низкую ДТА экзотермическую пиковую температуру, таким образом, превосходную каталитическую активность. Кроме того, как можно также видеть на той же фигуре, снижение каталитической активности после промывки водой катализатора, обожженного в течение 10 ч, подавляется по сравнению со случаем катализатора, обожженного в течение 5 ч.
В примерах, как описано выше, на стадии смешения карбонат калия смешивают как источник К с содалитом с получением катализатора горения углеродсодержащего материала. В настоящем примере с содалитом смешивают различные виды солей калия с получением множества катализаторов горения углеродсодержащего материала и затем определяют ДТА экзотермические пиковые температуры катализаторов.
В частности, каждую из солей калия (например, карбонат калия, нитрат калия, хлорид калия, сульфат калия, ацетат калия, фосфат калия и гидрат калия) смешивают с содалитом с получением смеси. Каждую соль калия смешивают с содалитом так, что количество элемента калия соли калия составляет 0,225 моль или 0,00225 моль по отношению к 1 моль элемента Si содалита. Смешение осуществляют в воде подобно образцу Е2, и жидкую смесь сушат от воды с получением в результате смеси, как описано выше.
Затем смесь нагревают при скорости увеличения температуры 100°C/ч. После того, как температура твердого материала достигает температуры обжига 1000°C, смесь выдерживают при ней в течение 10 ч, таким образом, подвергая стадии обжига. После этого полученный таким образом обожженный материал измельчают так, чтобы иметь средний диаметр 10 мкм или менее и максимальный размер зерен 100 мкм или менее, с получением в результате порошкообразного катализатора.
ДТА экзотермическую пиковую температуру каждого из полученных таким образом катализаторов горения до и после промывки водой определяют таким же образом, как для образца Е2. Результаты показаны на фиг.10. На фиг.10 ссылочная цифра X1 показывает состояние до промывки водой, в котором количество элемента щелочного металла (количество К) каждой соли щелочного металла или количество элемента щелочноземельного металла (количество К) соли щелочноземельного металла составляет 0,225 моль по отношению к 1 моль элемента Si содалита. Ссылочная цифра X2 показывает состояние после промывки водой, в котором количество элемента щелочного металла (количество К) каждой соли щелочного металла или количество элемента щелочноземельного металла (количество К) соли щелочноземельного металла составляет 0,225 моль по отношению к 1 моль элемента Si содалита. Ссылочная цифра X3 показывает состояние до промывки водой, в котором количество элемента щелочного металла (количество К) каждой соли щелочного металла или количество элемента щелочноземельного металла (количество К) соли щелочноземельного металла составляет 0,00225 моль по отношению к 1 моль элемента Si содалита. Ссылочная цифра X4 показывает состояние после промывки водой, в котором количество элемента щелочного металла (количество К) каждой соли щелочного металла или количество элемента щелочноземельного металла (количество К) соли щелочноземельного металла составляет 0,00225 моль по отношению к 1 моль элемента Si содалита.
Как можно видеть на фиг.10, любой катализатор горения углеродсодержащего материала, полученный с использованием любой из солей калия, показывает превосходную каталитическую активность до и после промывки водой. Снижение количества соли калия слегка снижает каталитическую активность. Даже в данном случае катализатор поддерживает ДТА экзотермическую пиковую температуру ниже 450°C до и после промывки водой, показывая превосходную каталитическую активность.
В вышеуказанном примере на стадии смешения соль калия смешивают как источник щелочного металла (например, соль щелочного металла) с содалитом с получением катализатора горения углеродсодержащего материала. Затем в настоящем примере на стадии смешения помимо соли калия с содалитом смешивают различные источники щелочного металла или источники щелочноземельного металла с получением множества катализаторов горения углеродсодержащего материала. Определяют ДТА экзотермические пиковые температуры указанных катализаторов.
В частности, сначала каждую из различных солей щелочного металла (например, карбонат натрия, карбонат калия, карбонат рубидия и карбонат цезия) или каждую из различных солей щелочноземельного металла (например, гидрат магния, карбонат кальция, карбонат стронция и карбонат бария) смешивают с содалитом с получением смеси. Каждую соль щелочного металла или соль щелочноземельного металла смешивают с содалитом так, что количество элемента щелочного металла каждой соли щелочного металла или количество элемента щелочноземельного металла соли щелочноземельного металла составляет 0,225 моль или 0,00225 моль по отношению к 1 моль элемента Si содалита. Кроме того, смешение осуществляют в воде таким же образом, как для образца Е2, и жидкую смесь сушат с выпариванием воды, как указано выше, с получением в результате смеси.
Затем смесь нагревают при скорости увеличения температуры 100°C/ч. После того, как температура твердого материала достигает температуры обжига 1000°C, смесь выдерживают при ней в течение 10 ч с осуществлением в результате стадии обжига. После этого полученный таким образом обожженный материал измельчают так, чтобы иметь средний диаметр 10 мкм или менее и максимальный размер зерен 100 мкм или менее, с получением в результате порошкообразного катализатора.
ДТА экзотермические пиковые температуры полученных таким образом катализаторов горения определяют таким же образом, как для образца Е2. Результаты показаны на фиг.11. На фиг.11 поперечная ось показывает частицы щелочного металла источника щелочного металла и частицы щелочноземельного металла источника щелочноземельного металла, введенные на стадии смешения, а продольная ось показывает ДТА экзотермические пиковые температуры. На фиг.11 ссылочная цифра Y1 показывает состояние до промывки водой, в котором количество элемента щелочного металла источника щелочного металла или количество элемента щелочноземельного металла источника щелочноземельного металла составляет 0,225 моль по отношению к 1 моль элемента Si содалита. На фиг.11 ссылочная цифра Y2 показывает состояние после промывки водой, в котором количество элемента щелочного металла источника щелочного металла или количество элемента щелочноземельного металла источника щелочноземельного металла составляет 0,225 моль по отношению к 1 моль элемента Si содалита. На фиг.11 ссылочная цифра Y3 показывает состояние до промывки водой, в котором количество элемента щелочного металла источника щелочного металла или количество элемента щелочноземельного металла источника щелочноземельного металла составляет 0,00225 моль по отношению к 1 моль элемента Si содалита. На фиг.11 ссылочная цифра Y4 показывает состояние после промывки водой, в котором количество элемента щелочного металла источника щелочного металла или количество элемента щелочноземельного металла источника щелочноземельного металла составляет 0,00225 моль по отношению к 1 моль элемента Si содалита.
Как можно видеть на фиг.11, катализатор горения углеродсодержащего материала, полученный смешением каждого из различных элементов щелочного металла (например, Na, K, Rb, Cs) c содалитом на стадии смешения, показывает превосходную каталитическую активность до и после промывки водой даже при использовании любого из элементов щелочного металла.
Напротив, катализаторы горения получают смешением различных элементов щелочноземельных металлов (например, Mg, Ca, Sr, Ba) с содалитом на стадии смешения. Хотя только катализатор, полученный при выборе Mg в качестве элемента щелочноземельного металла, показывает слегка недостаточную каталитическую активность, любой из полученных катализаторов показывает каталитическую активность приемлемого уровня при практическом использовании в любом случае.
Таким образом, смешение других элементов щелочного металла или элементов щелочноземельного металла, иных, чем К, с содалитом может также дать катализатор горения углеродсодержащего материала, имеющий превосходную каталитическую активность.
Случай использования источника Mg в качестве источника щелочноземельного металла будет описан ниже подробно. Как видно на фиг.11, катализатор, полученный при добавлении 0,00225 моль Mg к содалиту по отношению к 1 моль элемента Si содалита, показывает превосходную каталитическую активность. Напротив, катализатор, полученный при добавлении 0,225 моль Mg, может фактически использоваться, но дает снижение каталитической активности. С другой стороны, катализаторы, полученные с использованием других элементов щелочноземельного металла (например, Ca, Sr, Ba), показывают превосходную каталитическую активность в любом случае.
Соответственно, при выборе источника щелочноземельного металла предпочтительно используют источник щелочноземельного металла, иной, чем Mg. При использовании источника Mg содалит и источник Mg смешивают так, что количество Mg из источника Mg составляет предпочтительно менее 0,225 моль и более предпочтительно 0,00225 моль или менее по отношению к 1 моль элемента Si содалита.
В вышеуказанном примере на стадии смешения один вид щелочного металла или щелочноземельного металла смешивают с содалитом для получения катализатора горения углеродсодержащего материала. Затем в настоящем примере на стадии смешения множество элементов щелочного металла и/или элементов щелочноземельного металла смешивают с содалитом для получения катализаторов горения углеродсодержащего материала. Определяют ДТА экзотермические пиковые температуры катализаторов.
В частности, сначала источник щелочного металла (например, карбонат натрия, карбонат рубидия или карбонат цезия) или источник щелочноземельного металла (например, гидрат магния, карбонат кальция, карбонат стронция или карбонат бария) в дополнение к карбонату калия смешивают с содалитом с получением смесей. Каждая из полученных таким образом смесей содержит содалит, карбонат калия и источник щелочного металла, иной, чем карбонат калия, или источник щелочноземельного металла.
Каждую смесь получают следующим образом. Таким образом, карбонат калия в качестве источника калия добавляют к содалиту так, что количество калия из источника калия составляет 0,1125 моль по отношению к 1 моль элемента Si содалита. Затем каждый из различных источников щелочного металла или источников щелочноземельного металла добавляют к содалиту так, что количество элемента щелочного металла из источника щелочноземельного металла или количество элемента щелочноземельного металла из источника щелочноземельного металла составляет 0,1125 моль по отношению к 1 моль элемента Si содалита.
Таким образом, сумма количества калия из карбоната калия и количества другого элемента щелочного металла или элемента щелочноземельного металла составляет 0,225 моль по отношению к 1 моль элемента Si содалита в каждой смеси.
Смешение осуществляют в воде таким же образом, как для образца Е2, и смесь сушат с выпариванием воды, как указано выше, с получением в результате смеси.
Затем смесь нагревают при скорости увеличения температуры 100°C/ч. После того, как температура твердого материала достигает температуры обжига 1000°C, смесь выдерживают при ней в течение 10 ч с осуществлением в результате стадии обжига смеси. После этого полученный таким образом обожженный материал измельчают так, чтобы иметь средний диаметр 10 мкм или менее и максимальный размер зерен 100 мкм или менее, с получением в результате катализатора горения углеродсодержащего материала.
ДТА экзотермические пиковые температуры полученных таким образом катализаторов горения до и после промывки водой определяют таким же образом, как для образца Е2. Результаты показаны на фиг.12. На фиг.12 продольная ось показывает ДТА экзотермическую пиковую температуру, а поперечная ось показывает частицы щелочного металла из источника щелочного металла или частицы щелочноземельного металла из источника щелочноземельного металла, иных, чем карбонат калия, введенные на стадии смешения. Фиг.12 также показывает ДТА экзотермическую пиковую температуру катализатора горения углеродсодержащего материала (т.е. образец, указанный ссылочной цифрой К на поперечной оси на фиг.12) до и после промывки водой, который (катализатор) был получен смешением только карбоната калия с содалитом и обжигом смеси.
Как можно видеть на фиг.12, на стадии смешения, когда каждый из элементов щелочного металла (например, Na, Rb, Cs) или элементов щелочноземельного металла (например, Mg, Ca, Sr, Ba) в дополнение к калию (К) смешивается с содалитом, катализатор горения углеродсодержащего материала, имеющий превосходную каталитическую активность, также получается подобно случаю смешения одного К с содалитом.
Таким образом, при использовании множества источников щелочного металла и/или источников щелочноземельного металла на стадии смешения могут быть получены катализаторы горения углеродсодержащего материала, имеющие превосходную каталитическую активность.
Далее в настоящем примере, для того чтобы исследовать влияние введенного количества источника щелочного металла или источника щелочноземельного металла на каталитическую активность катализатора горения, содалит смешивают с источником щелочного металла или источником щелочноземельного металла при различных соотношениях введения с получением множества катализаторов горения углеродсодержащего материала. Затем определяют ДТА экзотермические пиковые температуры указанных катализаторов.
Сначала карбонат калия или карбонат бария смешивают в количестве от 0 до 100 мас.ч. со 100 мас.ч. содалита с получением смесей.
В частности, как показано на фиг.13 и 26, описанных далее, 100 мас.ч. содалита (SOD) смешивают с карбонатом калия в соответствующих количествах 0 мас.ч., 0,1 мас.ч., 0,5 мас.ч., 1 мас.ч., 3 мас.ч., 5 мас.ч., 10 мас.ч., 15 мас.ч., 20 мас.ч., 40 мас.ч. и 100 мас.ч. с получением в результате смесей.
Как показано на фиг.14 и 27, описанных далее, 100 мас.ч. содалита (SOD) смешивают с карбонатом бария в соответствующих количествах 0 мас.ч., 5 мас.ч., 10 мас.ч., 15 мас.ч., 20 мас.ч., 40 мас.ч., 70 мас.ч., 100 мас.ч., 150 мас.ч., 200 мас.ч. и 300 мас.ч. с получением в результате смесей.
Такое смешение осуществляют в воде таким же образом, как для образца Е2, и жидкие смеси сушат с выпариванием воды, как описано выше, с получением в результате множества смесей.
Затем указанные смеси нагревают при скорости увеличения температуры 100°C/ч. После того, как температура смеси достигает температуры обжига 1000°C, смесь выдерживают при ней в течение 10 ч с осуществлением в результате стадии обжига. После этого полученный таким образом обожженный материал измельчают так, чтобы иметь средний диаметр 10 мкм или менее и максимальный размер зерен 100 мкм или менее, с получением в результате катализатора горения углеродсодержащего материала.
ДТА экзотермические пиковые температуры полученных таким образом катализаторов горения до и после промывки водой определяют таким же образом, как для образца Е2.
На фиг.13 и 26 показаны результаты определения ДТА экзотермических пиковых температур до и после промывки водой катализаторов горения углеродсодержащего материала, полученных с использованием карбоната калия. На фиг.14 и 27 показаны результаты определения ДТА экзотермических пиковых температур до и после промывки водой катализаторов горения углеродсодержащего материала, полученных с использованием карбоната бария.
На фиг.26 показаны значения, полученные преобразованием количества (мас.ч.) смешения элемента К на 100 мас.ч. содалита в количество смешения элемента К (моль) по отношению к количеству Si (моль) содалита (смотри фиг.26). Аналогично на фиг.27 показаны значения, полученные преобразованием количества (мас.ч.) смешения элемента Ва на 100 мас.ч. содалита в количество смешения элемента Ва (моль) по отношению к количеству Si (моль) содалита (смотри фиг.27).
Как можно видеть на фиг.26, 27, 13 и 14, даже когда количество элемента щелочного металла и/или количество щелочноземельного металла изменяется на стадии смешения, полученные катализаторы горения углеродсодержащего материала показывают превосходную каталитическую активность.
2
3
3
Напротив, увеличение количества элемента щелочного металла или элемента щелочноземельного металла увеличивает различие в ДТА экзотермической пиковой температуре до и после промывки водой. Как можно видеть на фиг.26 и 27, содалит смешивается с источником щелочного металла или источником щелочноземельного металла на стадии смешения так, что количество элемента щелочного металла (К), содержащегося в источнике щелочного металла (КСО), или количество элемента щелочноземельного металла (Ва), содержащегося в источнике щелочноземельного металла (ВаСО), является равным или меньше 2,25 моль по отношению 1 моль элемента Si содалита. Таким образом, можно получить катализатор горения углеродсодержащего материала, имеющий относительно небольшое различие в ДТА экзотермической пиковой температуре до и после промывки водой, т.е. катализатор горения углеродсодержащего материала, имеющий превосходную стойкость к воде. Когда вышеуказанное количество элемента щелочного металла или количество элемента щелочноземельного металла превышает 2,25 моль, смесь сразу легко расплавляется при обжиге, и поэтому трудно измельчить катализатор горения углеродсодержащего материала, полученный после обжига.
С этой же точки зрения количество элемента щелочного металла (моль) или количество элемента щелочноземельного металла (моль) является более предпочтительно равным или меньше 1 моль, и еще более предпочтительно равно или меньше 0,5 моль, по отношению 1 моль элемента Si содалита на стадии смешения.
Как указано выше, согласно настоящему примеру стадия смешения и стадия обжига осуществляются с получением катализатора горения углеродсодержащего материала, так что углеродсодержащий материал может стабильно сжигаться и удаляться при низкой температуре в течение длительного времени.
Пример 3
В настоящем примере получают носитель катализатора 2, несущий катализатор горения углеродсодержащего материала (образец Е2), полученный в примере 2, на керамической подложке, имеющей керамическую сотовую структуру 22.
Как показано на фиг.15-17, керамическая подложка 22 настоящего примера включает наружную периферийную стенку 21, перегородки 25, образованные в форме сота внутри наружной периферийной стенки 21, и множество ячеек 3, разделенных перегородками 25. Ячейка 3 является частично открытой с двух концов 23 и 24 керамической подложки 22. Таким образом, часть ячеек 3 являются открытыми с двух концов 23 и 24 керамической подложки 22, тогда как остальные ячейки 3 являются закрытыми пробками 32, образованными на двух концах 23 и 24. Как показано на фиг.15 и 16 в настоящем примере, отверстия 31 для открытия концов ячеек 3 и пробки 32 для закрытия концов ячеек 3 расположены, чередуясь, с образованием так называемой шахматной модели. Катализатор горения углеродсодержащего материала 1 (образец Е2), полученный в примере 2, закрепляется на перегородках 25 керамической подложки 22. Как показано на фиг.18, соединительный слой 155, полученный обжигом золя оксида алюминия, образуется на перегородках 25, так что катализатор горения углеродсодержащего материала 1 закрепляется в соединительном слое 155. Соединительный слой 155 содержит оксидные керамические частицы 15, выполненные из оксида алюминия и соединенные вместе, и катализатор горения 1 или каталитические частицы диспергируются в соединительном слое 155.
Как показано на фиг.17, части, где расположены пробки 32, и другие части, где пробки 32 не расположены, в носителе катализатора 2 настоящего примера, расположены, чередуясь, на обоих концах ячеек, расположенных на конце 23 на верхней стороне, которая является впуском выхлопного газа 10, и на конце 24 на нижней стороне, которая является выпуском выхлопного газа 10. В перегородке 25 образуется ряд отверстий, позволяя проходить выхлопному газу 10.
Носитель катализатора 2 настоящего примера имеет полный размер 160 мм в диаметре и 100 мм в длину. Ячейка имеет размер 3 мм в толщину и шаг 1,47 мм.
Керамическая подложка 22 выполнена из кордиерита. Ячейка 3 для использования имеет прямоугольное сечение. Ячейка 3 для использования может иметь другие формы поперечного сечения, включая треугольную форму, гексагональную форму и т.п.
В настоящем примере отверстия 31 для открытия концов ячеек 3 и пробки 32 для закрытия концов ячеек 3 расположены, чередуясь, с образованием так называемой шахматной модели.
Далее ниже описан способ получения керамической сотовой структуры настоящего примера.
Сначала тальк, расплавленный диоксид кремния и гидроксид алюминия отмеряют так, чтобы образовать желаемую композицию кордиерита, и к указанным отмеренным материалам добавляют порообразователь, связующее, воду и т.п., что смешивают и перемешивают смесительной машиной. Полученный таким образом глинистый керамический материал прессуют и формуют формовочной машиной с получением формованного элемента, имеющего сотовую форму. После сушки формованный элемент режут на желаемые отрезки, с тем, чтобы получить формованный элемент, включающий наружную периферийную стенку, перегородки, предусмотренные внутри стенки в сотовой форме, и множество ячеек, разделенных перегородками и с проникающими обоими концами. Затем формованный элемент нагревают при температуре 1400-1450°C в течение 2-10 ч для обжига во времени, с тем, чтобы получить обожженный во времени элемент с сотовой структурой.
Затем на сотовую структуру наносят липкую ленту так, чтобы покрыть полностью оба конца сотовой структуры. Лазерный луч подводят поочередно к частям липкой ленты в соответствии с положениями, перекрытыми пробками на двух концах керамической сотовой структуры, и липкая лента расплавляется или выжигается и удаляется с образованием сквозных отверстий. Таким образом, сквозные отверстии образуются на частях концов ячеек, перекрытых пробками. Части, иные, чем концы ячеек, покрываются липкой лентой. В настоящем примере сквозные отверстия образуются в липкой ленте так, что сквозные отверстия и части, покрытые липкой лентой, расположены, чередуясь, на обоих концах ячеек. В настоящем примере используемая липкая лента представляет собой полимерную пленку, имеющую толщину 0,1 мм.
Затем тальк, расплавленный диоксид кремния и гидроксид алюминия, служащие главным исходным материалом для материала пробки, отмеряют так, чтобы образовать желаемую композицию, и к указанным отмеренным материалам добавляют связующее, воду и т.п., что смешивают и перемешивают смесительной машиной для получения суспензии материала пробки. В данный момент вводят порообразователь, если необходимо. После получения корпуса, включающего суспензию материала пробки, концевую поверхность сотовой структуры, частично имеющую образованные в ней сквозные отверстия, погружают в суспензионный материал. Таким образом, материал пробки вводится в надлежащем количестве из сквозных отверстий липкой ленты в концы ячеек. Другой конец сотовой структуры подвергают такой же операции. Вышеуказанным образом получают сотовую структуру, в которой материал пробки расположен в перекрываемых отверстиях ячеек.
Затем сотовую структуру и материал пробки, расположенный в перекрываемых местах, одновременно обжигают при температуре примерно 1400-1450°C. Таким образом, липкая лента выжигается и удаляется с получением в результате керамической сотовой структуры (керамической подложки) 22, имеющей множество отверстий 31 для открытия концов ячеек 3 и множество пробок 32 для закрытия концов ячеек 3, образованных на обоих концах ячеек 3, как показано на фиг.15.
Затем катализатор горения углеродсодержащего материала (образец Е2), полученный в примере 2, смешивают с суспензией оксида алюминия, содержащей 3% мас. золя оксида алюминия. Далее к смеси добавляют воду для корректирования смеси до желаемой вязкости с получением в результате суспензии композитного материала. Затем перегородки 25 керамической подложки 22 покрывают композитным материалом. Затем керамическую подложку обжигают при нагревании при температуре 500°C. Количество покрытия суспензии композитного материала составляет 60 г/л подложки, имеющей сотовую структуру. Таким образом, как показано на фиг.15, 16 и 18, получают носитель катализатора 2, несущий катализатор горения углеродсодержащего материала 1 на керамической подложке 22.
Носитель катализатора 2 настоящего примера несет катализатор горения углеродсодержащего материала 1 «образец Е2» примера 2 на стенке ячейки 22. Таким образом, сотовая структура 2 может обеспечить сжигание углеродсодержащего материала при низкой температуре без разложения подложки с использованием превосходной характеристики катализатора горения углеродсодержащего материала 1. Кроме того, вода почти не снижает каталитическую активность для углеродсодержащего материала.
Катализатор горения углеродсодержащего материала (образец Е2) получается при обжиге смеси содалита и источника щелочного металла (карбоната калия). Такой катализатор горения углеродсодержащего материала относительно прочно удерживает в себе элемент щелочного металла (К), что почти не вызывает вымывание щелочного металла. Таким образом, когда катализатор горения углеродсодержащего материала закрепляется на сотовой структуре, предотвращается вымывание щелочного металла и дальнейшая коррозия керамической подложки.
Несмотря на то, что в настоящем примере носитель катализатора получают при использовании керамической подложки (например, керамической сотовой структуры), выполненной из кордиерита, пористые керамики с высокой термостойкостью, выполненные, например, из SiC, титаната алюминия или подобного, также могут использоваться в качестве керамической подложки для получения такого же носителя катализатора. Несмотря на то, что в настоящем примере в качестве вышеуказанной керамической подложки используется керамическая сотовая структура с концом ячейки, закрытым пробкой, например, керамическая сотовая структура без пробок может использоваться для того, чтобы снизить потерю давления.
2
2
2
2
При получении носителя катализатора, предназначенного для закрепления катализатора горения углеродсодержащего материала и содержащего не только композитные оксидные частицы, но также редкоземельный элемент, когда катализатор горения углеродсодержащего материала (образец Е2) смешивается с суспензией оксида алюминия, содержащей 3% золя оксида алюминия, для получения носителя катализатора могут быть дополнительно введены оксидные частицы, состоящие, например, из CeO, ZrO, твердого раствора CeO-ZrO или подобного.
При получении носителя катализатора, предназначенного для закрепления благородного металла помимо катализатора горения углеродсодержащего материала, когда катализатор горения углеродсодержащего материала (образец Е2) смешивается с суспензией оксида алюминия, содержащей 3% золя оксида алюминия, для получения носителя катализатора, например, раствор нитрата платины может быть дополнительно диспергирован в определенном количестве.
В настоящем примере носитель катализатора получают закреплением катализатора горения углеродсодержащего материала (образец Е2), полученного в примере 2, на керамической подложке. Альтернативно такой же способ, как способ в настоящем примере, может быть осуществлен с использованием катализатора горения углеродсодержащего материала (например, образца Е1), полученного в примере 1 вместо примера Е2, с получением в результате носителя катализатора для несения катализатора горения, полученного в примере 1, на керамической подложке.
Сравнительный пример
В сравнительном примере получают носитель катализатора для закрепления необожженной смеси содалита и источника щелочного металла (карбоната калия) на керамической подложке в качестве сравнительного примера по отношению к носителю катализатора примера 3.
Носитель катализатора, полученный в сравнительном примере, является таким же, как носитель катализатора в примере 3, за исключением типа закрепленного катализатора.
При получении носителя катализатора сравнительного примера сначала получают керамическую подложку с керамической сотовой структурой, выполненную из такого же типа кордиерита, как в примере 3.
Затем 100 мас.ч. содалита и 5 мас.ч. карбоната калия смешивают с водой. Жидкую смесь нагревают с выпариванием воды с получением в результате твердой смеси. Таким образом, получают смесь содалита и карбоната калия.
Затем смесь смешивают с суспензией оксида алюминия, содержащей 3% мас. золя оксида алюминия, и добавляют воду с корректированием смеси до желаемой вязкости с получением в результате суспензии композитного материала. Затем аналогично примеру 3 перегородки керамической подложки покрывают суспензией композитного материала и нагревают при температуре 500°C, так что смесь обжигается на керамической подложке. Таким образом, получают носитель катализатора, служащий в качестве сравнительного примера.
При визуальном осмотре носителя катализатора, полученного в сравнительном примере, наблюдаются трещины в части керамической подложки. Таким образом, когда необожженная смесь содалита и источника щелочного металла (например, карбоната калия) закрепляется на керамической подложке, щелочной металл (калий) легко вымывается из смеси при нагревании, например, при обжиге и т.п. Вымытый щелочной металл воздействует на кордиеритный компонент керамической подложки с разрушением кристаллической системы. Таким образом, коэффициент термического расширения и прочность керамической подложки частично изменяются, легко вызывая трещины или подобное на керамической подложке, как указано выше.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена пояснительная диаграмма, показывающая ДТА экзотермические пиковые температуры, когда углеродсодержащий материал сжигается с использованием соответствующих каталитических частиц или без использования какого-либо катализатора в примере 1.
На фиг.2 представлена пояснительная диаграмма, показывающая соотношение между температурой обжига и ДТА экзотермической пиковой температурой катализатора горения углеродсодержащего материала до и после промывки водой в примере 1.
На фиг.3 представлена пояснительная диаграмма, показывающая соотношение между цеолитными частицами и ДТА экзотермическими пиковыми температурами катализаторов в примере 1.
На фиг.4 представлена пояснительная диаграмма, показывающая ДТА экзотермические пиковые температуры, когда углеродсодержащий материал сжигается с использованием соответствующих каталитических частиц или без использования какого-либо катализатора в примере 2.
На фиг.5 представлена диаграмма, показывающая соотношение между температурой, ТГ и ДТА, когда углеродная сажа сжигается в отдельности без использования катализатора в примере 2.
На фиг.6 представлена диаграмма, показывающая соотношение между температурой, ТГ и ДТА, когда углеродная сажа сжигается с использованием (благородный металл)содержащего катализатора в качестве каталитических частиц в примере 2.
На фиг.7 представлена диаграмма, показывающая соотношение между температурой, ТГ и ДТА, когда углеродная сажа сжигается с использованием карбоната калия в качестве каталитических частиц в примере 2.
На фиг.8 представлена диаграмма, показывающая соотношение между температурой, ТГ и ДТА, когда углеродная сажа сжигается с использованием катализатора горения углеродсодержащего материала (образец Е1) в качестве каталитических частиц в примере 2.
На фиг.9 представлена пояснительная диаграмма, показывающая соотношение между температурой обжига и ДТА экзотермической пиковой температурой катализатора горения углеродсодержащего материала до и после промывки водой в примере 2.
На фиг.10 представлена пояснительная диаграмма, показывающая соотношение между частицами соли калия и ДТА экзотермической пиковой температурой катализатора горения углеродсодержащего материала до и после промывки водой в примере 2.
На фиг.11 представлена пояснительная диаграмма, показывающая соотношение между частицами щелочного металла, частицами щелочноземельного металла и ДТА экзотермической пиковой температурой катализатора горения углеродсодержащего материала до и после промывки водой в примере 2.
На фиг.12 представлена пояснительная диаграмма, показывающая соотношение между частицами щелочного металла, иного, чем калий, частицами щелочноземельного металла и ДТА экзотермической пиковой температурой катализатора горения углеродсодержащего материала до и после промывки водой в примере 2.
На фиг.13 представлена пояснительная диаграмма, показывающая соотношение между количеством калия, смешанного на стадии смешения, и ДТА экзотермической пиковой температурой катализатора горения углеродсодержащего материала до и после промывки водой в примере 2.
На фиг.14 представлена пояснительная диаграмма, показывающая соотношение между количеством бария, смешанного на стадии смешения, и ДТА экзотермической пиковой температурой катализатора горения углеродсодержащего материала до и после промывки водой в примере 2.
На фиг.15 представлен вид в перспективе носителя катализатора с керамической сотовой структурой в примере 3.
На фиг.16 представлено поперечное сечение носителя катализатора с керамической сотовой структурой в продольном направлении в примере 3.
На фиг.17 представлено поперечное сечение, показывающее носитель катализатора с керамической сотовой структурой в состоянии, когда выхлопной газ проходит через носитель катализатора в примере 3.
На фиг.18 представлено поперечное сечение, показывающее структуру носителя катализатора, включающего катализатор горения углеродсодержащего материала, диспергированный в соединительном слое, включающем оксидные керамические частицы, соединенные вместе.
На фиг.19 представлено поперечное сечение, показывающее структуру носителя катализатора, включающего катализатор горения углеродсодержащего материала и редкоземельный элемент, диспергированные в соединительном слое, включающем оксидные керамические частицы, соединенные вместе.
На фиг.20 представлено поперечное сечение, показывающее структуру носителя катализатора для закрепления катализатора горения углеродсодержащего материала, редкоземельного элемента и благородного металла, диспергированных в соединительном слое, включающем оксидные керамические частицы, соединенные вместе.
На фиг.21 представлена пояснительная диаграмма, показывающая состояние благородного металла, закрепленного на оксидной частице.
На фиг.22 представлена пояснительная диаграмма, показывающая состояние благородного металла, закрепленного на редкоземельном элементе, таком как оксидная частица редкоземельного элемента.
На фиг.23 представлено поперечное сечение, показывающее структуру носителя катализатора, имеющего слой благородного металла, образованный на соединительном слое, содержащем катализатор горения углеродсодержащего материала, образованном поверх подложки.
На фиг.24 представлено поперечное сечение, показывающее структуру носителя катализатора, имеющего слой благородного металла, образованный между подложкой и соединительным слоем, содержащим катализатор горения углеродсодержащего материала.
2
2
3
На фиг.25 представлена диаграмма, показывающая виды цеолитов и соотношение SiO/AlO каждой цеолитной композиции.
На фиг.26 представлена диаграмма, показывающая результаты ДТА экзотермических пиковых температур до и после промывки водой катализаторов горения углеродсодержащего материала, полученных с использованием карбоната калия.
На фиг.27 представлена диаграмма, показывающая результаты ДТА экзотермических пиковых температур до и после промывки водой катализаторов горения углеродсодержащего материала, полученных с использованием карбоната бария.