JP2018533471A - 多孔質セラミックフィルタ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含む、多孔質セラミック構造又は基材と、該多孔質セラミック構造又は基材の表面の少なくとも一部の上に配置されたナノ膜とを備えた濾過物品が開示され、ここで、ナノ膜は、少なくとも1つの無機酸化物のナノ粒子を含み、該ナノ粒子は、多孔質セラミック構造又は基材の全容積に基づいて、約0.001g/L〜約1g/Lの範囲の濃度で存在する。
ΔPs=A1 *exp(−d50/K1)+P0 (1)
によって推定することができ、式中、A1、K1、及びP0は、多孔率、セルの幾何学形状、ウェブ厚、フロー表面積、及びナノ膜の火炎堆積条件に関連した構造パラメータであり、d50は、フィルタのメジアン細孔径である。対照的に、フィルタの濾過効率は、図1のプロットが示すように、ボルツマン分布に従う。よって、最小必要要件の初期空気濾過効率(85%)及び圧力損失(120Pa)を実現することは、現在まで、不可能ではないにしても、困難であった。本明細書に開示されるナノ膜で処理された多孔質セラミック構造又は基材は、この問題に対する解決策を提供することができる。
濾過物品の製造方法が本明細書に開示され、該方法は、多孔質のセラミック構造又は基材の表面の少なくとも一部の上にナノ膜を堆積させる工程を含み、該多孔質セラミック構造又は基材は、複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含み、ナノ膜は、少なくとも1つの無機酸化物のナノ粒子を含み、該ナノ粒子は、多孔質セラミック構造又は基材の全容積に基づいて、約0.001g/L〜約1g/Lの範囲の濃度で存在する。流体から微粒子を濾過する方法が本明細書にさらに開示され、該方法は、多孔質セラミック構造又は基材と、該多孔質セラミック構造又は基材の表面の少なくとも一部の上に配置されたナノ膜とを備えた濾過物品内にガスを流す工程を含み、該多孔質セラミック構造又は基材は、複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含み、ナノ膜は、少なくとも1つの無機酸化物のナノ粒子を含み、該ナノ粒子は、多孔質セラミック構造又は基材の全容積に基づいて、約0.001g/L〜約1g/Lの範囲の濃度で存在する。
ΔPn=K2(d50)2 (2)
コーティングされた構造又は基材についてのシステム全体の圧力損失は、以下の関数(3)を使用してモデル化することができる:
ΔP=ΔPs+ΔPn=A1×exp(−d50/K1)+P0+K2(d50)2 (3)
式中、A1、K1、K2、及びP0は、多孔率、セルの幾何学形状、ウェブ厚、フロー表面積、及びナノ膜の火炎堆積条件に関連した構造パラメータであり、d50は、構造又は基材のメジアン細孔径である。
天然ガス中の無機酸化物前駆体を燃焼及び酸化させてナノ粒子を生成することによって、MRPセラミックハニカムフィルタ(300/8、d50=7.4μm、多孔率50%、直径2インチ(約5.08cm)、長さ6インチ(約15.24cm))上にSiO2を含むナノ膜の火炎堆積を行った。燃焼チャンバからハニカムフィルタ内に排気を流して、フィルタ表面にナノ粒子を堆積させることによって、ナノ膜を形成した。無機酸化物前駆体はオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)溶液(エタノール中、10質量%)であり、これを、144mg/分のSiO2ナノ粒子生成速度を与えるように、5mL/分の速度で燃焼させた。TEOS前駆体の燃焼及び酸化は、次式で表すことができる:
(CH3CH2O)4Si+CH4+8O2 → SiO2+2CO2+12H2O
実施例1に概説したのと同じ火炎堆積法を使用して、MEEセラミックハニカムフィルタ(300/8、d50=10.7μm、多孔率50%、直径2インチ(約5.08cm)、長さ6インチ(約15.24cm))上にSiO2を含むナノ膜の火炎堆積を行い、濾過効率におけるセラミック微細構造の効果を評価した。堆積時間(tD)を7.5〜60秒で変化させて、さまざまなスート負荷を有するフィルタを生成した。208L/分の空気(煤煙)流速における、負荷されたフィルタとベアフィルタ(tD=0秒)についての濾過効率(EF、0.3μmの粒子)及び圧力損失(ΔP、Pa)を測定及び比較した。これらの試験結果を下記表IIIに示す。
その濾過効率の改善のためにGPFにナノ膜を施す一般的な実現可能性を示すために、ガソリン微粒子フィルタ(GPF)を使用してスケールアップ実験を行った。無機酸化物前駆体としてのTEOS溶液(エタノール中、2質量%)及び、57.6mg/分のSiO2ナノ粒子生成速度を与えるように10mL/分の燃焼速度を使用して、KHL(200/8、d50=14μm、多孔率55%、直径5.66インチ(約14.38cm)、長さ4.5インチ(約11.43cm))セラミックハニカムフィルタ上にSiO2を含むナノ膜の火炎堆積を行った。堆積時間(tD)を60〜240秒で変化させて、さまざまなスート負荷を有するフィルタを生成した。ハニカムフィルタの重量の増加を測定し、フィルタにおけるスート負荷(WN、mg/L)の推定に使用した。2つの異なる空気(煤煙)流速(1250L/分、800L/分)において、負荷されたフィルタとベアフィルタ(tD=0s)について、濾過効率(EF、0.3μmの粒子)及び圧力損失(ΔP、Pa)を測定及び比較した。これらの試験結果を下記表IVに示す。表IVは、最小限の材料(<200mg/L)及び比較的短い処理時間を使用してGPFの濾過効率を向上させるために無機酸化物ナノ膜を使用する、一般的な実現可能性を実証している。当然ながら、フィルタの濾過効率は、堆積時間、前駆体濃度等の1つ以上のプロセス変数を変化させることによって、さらに向上させることができる。
熱的、機械的、及び環境的ストレスに曝露する前後のフィルタの濾過効率及び圧力損失を測定することによって、堆積されたナノ膜の安定性を評価した。堆積時間を90〜180秒で変化させて、実施例1に概説したものと同じ火炎堆積法を使用して、MRPセラミックハニカムフィルタ(300/8、d50=10.7μm、多孔率50%、直径2インチ(約5.08cm)、長さ6インチ(約15.24cm))上にSiO2を含むナノ膜の火炎堆積を行った。加熱、水、及び気流への曝露の前後の負荷されたフィルタについて、濾過効率(EF、0.3μmの粒子)及び圧力損失(ΔP、Pa)を測定及び比較した。これらの試験結果を下記表Vに示す。
複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含む多孔質セラミック構造と、
前記多孔質セラミック構造の表面の少なくとも一部の上に配置されたナノ膜であって、前記多孔質セラミック構造の全容積に基づいて、約0.001g/L〜約1g/Lの範囲の濃度で存在する、少なくとも1つの無機酸化物のナノ粒子を含む、ナノ膜と
を備えた、濾過物品。
前記多孔質セラミック構造がセラミックハニカムであることを特徴とする、実施形態1に記載の濾過物品。
前記ナノ膜が、前記多孔質セラミック構造の多孔質内壁面の少なくとも一部の上に堆積されることを特徴とする、実施形態1に記載の濾過物品。
前記少なくとも1つの無機酸化物が、SiO2、Al2O3、SnO2、ZnO、TiO2、又はそれらの組合せから選択されることを特徴とする、実施形態1に記載の濾過物品。
前記ナノ膜が、約85%以上の多孔率を有することを特徴とする、実施形態1に記載の濾過物品。
前記多孔質セラミック構造が、約3μm〜約20μmの範囲のメジアン細孔径を有することを特徴とする、実施形態1に記載の濾過物品。
前記多孔質セラミック構造が、約6μm〜約10μmの範囲のメジアン細孔径を有することを特徴とする、実施形態1に記載の濾過物品。
前記ナノ膜の厚さが、約10nm〜約20μmの範囲にあることを特徴とする、実施形態1に記載の濾過物品。
前記ナノ粒子が、約1nm〜約100nmの範囲の平均粒径を有することを特徴とする、実施形態1に記載の濾過物品。
前記濾過物品の濾過効率が、約100L/分〜約1500L/分の範囲の液体流速で、約0.3μmの粒径を有する微粒子について、約85%以上であることを特徴とする、実施形態1に記載の濾過物品。
前記濾過物品の圧力損失が、約100L/分〜約1500L/分の範囲の液体流速で、約100Pa〜約500Pa以下の範囲にあることを特徴とする、実施形態1に記載の濾過物品。
実施形態1に記載の濾過物品に前記流体を流す工程を含む、流体から微粒子を濾過する方法。
多孔質セラミック構造の表面の少なくとも一部の上にナノ膜を堆積させる工程を含む、濾過物品の製造方法であって、
前記多孔質セラミック構造が、複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含み、
前記ナノ膜が、少なくとも1つの無機酸化物のナノ粒子を含み、かつ
前記ナノ粒子が、前記多孔質セラミック構造の全容積に基づいて、約0.001g/L〜約1g/Lの範囲の濃度で存在する、
方法。
前記ナノ膜を堆積させる工程が、
少なくとも1つの酸化剤の存在下で少なくとも1つの無機酸化物前駆体を燃焼させて、無機酸化物ナノ粒子を生成する工程、及び
前記多孔質セラミック構造の表面の少なくとも一部の上にナノ膜を形成するのに十分な堆積時間の間、前記多孔質セラミック構造に前記無機酸化物ナノ粒子を含む流体流れを流す工程
を含むことを特徴とする、実施形態13に記載の方法。
前記少なくとも1つの無機酸化物前駆体が、Si、Al、Ti、Sn、Zn、又はそれらの組合せから選択される供給源を含むことを特徴とする、実施形態14に記載の方法。
前記少なくとも1つの無機酸化物前駆体が、少なくとも1つの溶媒を含む溶液であることを特徴とする、実施形態14に記載の方法。
前記多孔質セラミック構造の上の前記無機酸化物ナノ粒子の堆積速度が、約10mg/分〜約200mg/分の範囲にあることを特徴とする、実施形態14に記載の方法。
前記堆積時間が、約5秒〜約5分の範囲にあることを特徴とする、実施形態14に記載の方法。
堆積温度が、約50℃〜約1200℃の範囲にあることを特徴とする、実施形態13に記載の方法。
前記多孔質セラミック構造が、約40%以上の多孔率、及び約5μm〜約20μmの範囲のメジアン細孔径を有するセラミックハニカムであることを特徴とする、実施形態13に記載の方法。
105 チャネル
110 内壁
115 ナノ膜
Claims (5)
- 複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含む多孔質セラミック構造と、
前記多孔質セラミック構造の表面の少なくとも一部の上に配置されたナノ膜であって、前記多孔質セラミック構造の全容積に基づいて、約0.001g/L〜約1g/Lの範囲の濃度で存在する、少なくとも1つの無機酸化物のナノ粒子を含む、ナノ膜と
を備えた、濾過物品。 - 前記少なくとも1つの無機酸化物が、SiO2、Al2O3、SnO2、ZnO、TiO2、又はそれらの組合せから選択されることを特徴とする、請求項1に記載の濾過物品。
- 前記ナノ膜が、約85%以上の多孔率を有することを特徴とする、請求項1に記載の濾過物品。
- 前記ナノ膜の厚さが、約10nm〜約20μmの範囲にあることを特徴とする、請求項1に記載の濾過物品。
- 多孔質セラミック構造の表面の少なくとも一部の上にナノ膜を堆積させる工程を含む、濾過物品の製造方法であって、
前記多孔質セラミック構造が、複数の多孔質内壁によって分離された複数のチャネルを含み、
前記ナノ膜が、少なくとも1つの無機酸化物のナノ粒子を含み、かつ
前記ナノ粒子が、前記多孔質セラミック構造の全容積に基づいて、約0.001g/L〜約1g/Lの範囲の濃度で存在する、
方法。
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