KR20080046650A - Diesel exhaust article and catalyst compositions therefor - Google Patents
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Abstract
Description
관련 출원에 대한 교차 참조Cross Reference to Related Applications
본 출원은 2005년 8월 5일자로 출원된, 발명의 명칭이 "디젤 배기가스 처리 장치 및 이것을 위한 촉매 조성물(Diesel Exhaust Article and Catalyst Compositions Therefor)"인 미국가출원 제 60/705,823 호를 근거로 우선권을 주장한다.This application is priority based on US Provisional Application No. 60 / 705,823, filed August 5, 2005, entitled "Diesel Exhaust Article and Catalyst Compositions Therefor." Insist.
본 발명은 디젤 엔진으로부터의 유해한 배기가스 배출물을 저감시키기 위한 장치 및 촉매 조성물, 더욱 특히는 배기가스 배출물 내 입자상 성분의 산화 효율을 증대시키는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and catalyst composition for reducing harmful exhaust emissions from diesel engines, and more particularly to an apparatus for increasing the oxidation efficiency of particulate components in exhaust emissions.
디젤 엔진 배기가스는 일산화탄소("CO"), 미연소 탄화수소("HC") 및 산화질소("NOx")와 같은 기체상 배출물 뿐만 아니라, 소위 입자 또는 입자상 물질을 구성하는 응축상 물질(액체 및 고체)를 함유하는 불균질 혼합물이다. 총 입자상 물질("TPM") 배출물은 3가지의 주성분으로 이루어진다. 한 성분은 탄소질 분획 또는 그을음 분획이다. 이러한 무수 탄소질 물질은 통상적으로 디젤 배기가스와 관련된 가시적 그을음 배출물의 원인이 된다.Diesel engine exhaust gases are not only gaseous emissions such as carbon monoxide ("CO"), unburned hydrocarbons ("HC"), and nitrogen oxides ("NO x "), but also condensate materials (liquids) that make up so-called particles or particulate matter. And solids). Total particulate matter ("TPM") emissions consist of three main components. One component is the carbonaceous fraction or the soot fraction. Such anhydrous carbonaceous material is a source of visible soot emissions typically associated with diesel exhaust.
TPM의 제 2 성분은 가용성 유기 분획("SOF")이다. 가용성 유기 분획은 때로는 휘발성 유기 분획("VOF")으로서도 지칭되는데, 이러한 용어는 본원에서 사용될 것이다. VOF는 디젤 배기가스의 온도에 따라서는 디젤 배기가스 내에서 증기 또는 에어로졸(액체 응축물의 미세한 액적)로서 존재할 수 있고, 일반적으로는 미국 중량차 과도 연방 시험 절차(U.S. Heavy Duty Transient Federal Test Procedure)와 같은 표준 측정 시험에 의해 규정된 바와 같이, 희석된 배기가스 내에서 52 ℃의 표준 입자 수집 온도에서 응축된 액체로서 존재한다. 이러한 액체는 2가지 공급원인 (1) 피스톤이 올라가고 내려갈때마다 엔진의 실린더 벽으로부터 휩쓸려 나온 윤활유; 및 (2) 미연소 또는 부분 연소된 디젤 연료로부터 유래된다.The second component of the TPM is the soluble organic fraction ("SOF"). Soluble organic fraction is sometimes also referred to as volatile organic fraction (“VOF”), which term will be used herein. VOF can exist as a vapor or aerosol (fine droplets of liquid condensate) in diesel exhaust, depending on the temperature of the diesel exhaust, and is generally associated with the US Heavy Duty Transient Federal Test Procedure. As defined by the same standard measurement test, it is present as a condensed liquid at a standard particle collection temperature of 52 ° C. in diluted exhaust gas. These liquids include two sources: (1) lubricant swept from the cylinder wall of the engine each time the piston is raised and lowered; And (2) unburned or partially burned diesel fuel.
입자의 제 3 성분은 소위 황산염 분획이다. 황산염 분획은 디젤 연료 내에 존재하는 소량의 황 성분으로부터 형성된다. 소량의 SO3가 디젤 연소 동안에 형성되고, 이것은 배기가스 내의 물과 신속하게 결합하여 황산을 형성한다. 황산은 에어로졸로서의 입자와 함께 응축상으로서 수집되거나 기타 입자상 성분 상에 흡착됨으로써, TPM에 부가된다.The third component of the particles is the so-called sulfate fraction. The sulfate fraction is formed from the small amount of sulfur present in the diesel fuel. A small amount of SO 3 is formed during diesel combustion, which quickly combines with water in the exhaust gas to form sulfuric acid. Sulfuric acid is added to the TPM by being collected as a condensate with the particles as aerosol or adsorbed onto other particulate components.
입자를 높은 수준으로 저감시키기 위해 현재 사용되고 있는 중요한 후처리 기술은 디젤 입자 여과기이다. 벌집형 벽-유동식 여과기, 권선 또는 충전된 섬유 여과기, 개방셀 발포체, 소결된 금속 여과기 등을 포함하여, 디젤 배기가스로부터 입자를 제거하는데 사용될 수 있는 많은 공지된 여과기 구조물이 있다. 그러나, 후술되는 세라믹 벽-유동식 여과기가 가장 주목되었다. 이러한 여과기는 디젤 배기가스로부터 90 % 초과의 입자상 물질을 제거할 수 있다. 여과기는 배기가스로부터 입자를 제거하기 위한 물리적 구조물이다. 입자가 여과기 상에 축적됨에 따라, 엔진 상의 여과기로부터 초래되는 배압은 상승한다. 따라서 허용가능한 배압을 유지하기 위해서는 축적되는 입자를 연속적으로 또는 주기적으로 여과기로부터 연소시켜야 한다. 유감스럽게도, 탄소 그을음 입자는 산소가 풍부한(희박한) 배기가스 조건에서 연소되려면 500 내지 550 ℃ 이상의 온도를 필요로 한다. 이러한 온도는 전형적인 디젤 배기가스 온도보다 높은 온도이다. 여과기의 수동적 재생을 제공하기 위해서는 일반적으로 그을음 연소 온도를 저하시킬 것이 권유된다. 촉매가 존재하면, 실제 작동 주기에서 디젤 엔진의 배기가스 내에서 도달가능한 온도에서 그을음의 연소 및 그로 인한 여과기의 재생이 촉진되는 것으로 밝혀졌다. 따라서 촉매화 그을음 여과기(CSF) 또는 촉매화 디젤 입자 여과기(CDPF)는, 입자를 90 % 초과로 저감시킴과 동시에 축적된 그을음을 수동적 연소시킴으로써 여과기를 재생시키기에 효과적인 방법일 수 있다.An important aftertreatment technique currently being used to reduce particles to high levels is a diesel particle filter. There are many known filter structures that can be used to remove particles from diesel exhaust, including honeycomb wall-flow filters, winding or filled fiber filters, open cell foams, sintered metal filters, and the like. However, most attention was paid to the ceramic wall-flow filter described below. Such filters can remove more than 90% particulate matter from diesel exhaust. A filter is a physical structure for removing particles from exhaust gas. As the particles accumulate on the filter, the back pressure resulting from the filter on the engine rises. Therefore, in order to maintain an acceptable back pressure, the accumulated particles must be burned continuously or periodically from the filter. Unfortunately, carbon soot particles require temperatures of 500 to 550 ° C. or higher to burn in oxygen-rich (lean) exhaust gas conditions. This temperature is higher than the typical diesel exhaust temperature. It is generally advisable to lower the soot combustion temperature in order to provide passive regeneration of the filter. The presence of the catalyst has been found to promote the burning of soot and the regeneration of the filter at a temperature reachable in the exhaust of the diesel engine in the actual operating cycle. A catalyzed soot filter (CSF) or catalyzed diesel particle filter (CDPF) may thus be an effective way to regenerate the filter by passively burning accumulated soot while reducing the particles by more than 90%.
덜 다공질인 CSF를 사용할 때 일어나는 흔한 문제점은, 특히 보다 낮은 디젤 배기가스 온도에서, 여과기 상에 입자상 물질이 너무 빠르게 축적함으로 인해 초래된다. 예를 들면 낮은 하중 조건 및 작동 개시 시점에서는 보다 낮은 디젤 배기가스 온도가 관찰된다. 보다 낮은 디젤 배기가스 온도에서, 여과기 상의 촉매는 여과기 상에 수집된 입자상 물질의 연소를 촉진시키는데에 덜 효과적이며, 배가가스 처리 시스템 내의 배압은 상승한다. 과거에는, CSF 상의 입자의 축적 및 후속적인 배압의 상승을 해결하려는 다양한 전략이 실시되어 왔는데, 이는 후술된다.A common problem that occurs when using less porous CSF is caused by too fast accumulation of particulate matter on the filter, especially at lower diesel exhaust temperatures. For example, lower diesel exhaust temperatures are observed at low load conditions and at start of operation. At lower diesel exhaust temperatures, the catalyst on the filter is less effective at promoting combustion of particulate matter collected on the filter, and the back pressure in the flue gas treatment system rises. In the past, various strategies have been implemented to address the accumulation of particles on the CSF and subsequent rise in back pressure, which is described below.
예를 들면 미국특허 제 4,902,487 호에는, 배기가스를 여과기에 통과시켜 배기가스의 배출 전에 배기가스로부터 입자를 제거하고, 여과기 상에 침착된 입자를 배기가스류 내에서 촉매작용적으로 생성된 이산화질소(NO2)를 함유하는 기체로써 연소시키는, 디젤 배기가스의 처리 공정이 개시되어 있다. 이를 달성하기 위해 여과기의 상류에 촉매를 넣는 것도 개시되어 있다. 상류 촉매는, 일산화질소(NO)를 함유하는 디젤 배기가스류 내에 NO2를 생성한다고 개시되어 있다.For example, U. S. Patent No. 4,902, 487 discloses nitrogen dioxide produced by catalytically generated particles in the exhaust gas stream by removing the particles from the exhaust gas prior to discharge of the exhaust gas by passing the exhaust gas through the filter. Disclosed is a diesel exhaust gas treatment step of combusting with a gas containing NO 2 ). It is also disclosed to put the catalyst upstream of the filter to achieve this. The upstream catalyst is disclosed to produce NO 2 in a diesel exhaust stream containing nitrogen monoxide (NO).
GE 1,014,498에는 고체 입자를 함유하는 내부 연소 엔진 배기가스를 여과하고 정제하기 위한 방법 및 장치가 개시되어 있다. 기체를, 보다 큰 입자를 보유하도록 조절된 펠렛 유형의 산화 촉매의 제 1 여과기를 통해 바깥쪽으로 빠르게 통과시킨 후, 보다 작은 입자를 보유하도록 조절된, 제 1 여과기를 둘러싸는 제 2 여과기를 통해 바깥쪽으로 빠르게 통과시킴으로써, 배기가스의 속도를 점차 저하시킨다. 제 1 여과기는, 활성 촉매 물질(예를 들면 1.5 내지 5 ㎜의 직경을 갖는 산화코발트(Co2O4)에 의해 함침된 알루미나 입자)로써 함침된, 내화성 및 내마모성인 펠렛으로 이루어진다. 제 2 여과기는 합성 섬유로 이루어지만, 기타 물질도 제 2 여과기를 형성하는데 사용될 수 있다.GE 1,014,498 discloses a method and apparatus for filtering and purifying internal combustion engine exhaust gases containing solid particles. The gas is passed quickly through the first filter of a pellet type oxidation catalyst adjusted to retain larger particles, and then through a second filter surrounding the first filter, adjusted to retain smaller particles. By passing quickly toward the side, the velocity of the exhaust gas is gradually lowered. The first filter consists of pellets which are refractory and wear resistant, impregnated with an active catalyst material (eg alumina particles impregnated with cobalt oxide (Co 2 O 4 ) having a diameter of 1.5 to 5 mm). The second filter is made of synthetic fibers, but other materials can also be used to form the second filter.
미국특허 제 4,510,265 호에는, 입자상 물질의 점화 및 소각의 개시 온도를 저하시킨다고 개시된, 백금족 금속과 바나듐산은의 촉매 혼합물을 함유하는 자기-세정 디젤 배기가스 입자 여과기가 기술되어 있다. 여과기는 최소 압력 강하를 겪 으면서 배기가스를 통과시키는 박막 다공질 벌집(모노리쓰) 또는 발포된 구조물을 포함한다고 개시되어 있다. 개시된 유용한 여과기는 세라믹, 일반적으로는 결정, 유리 세라믹, 유리, 금속, 시멘트, 수지 또는 유기 중합체, 종이, 직물 및 이것들의 조합으로부터 제조된다.U.S. Patent No. 4,510,265 describes a self-cleaning diesel exhaust particle filter containing a catalyst mixture of platinum group metal and silver vanadium acid, which is disclosed to lower the onset temperature of ignition and incineration of particulate matter. The filter is disclosed to include a thin film porous honeycomb (monolith) or foamed structure that allows exhaust gas to pass through a minimum pressure drop. The useful filters disclosed are made from ceramics, generally crystals, glass ceramics, glass, metals, cements, resins or organic polymers, paper, textiles and combinations thereof.
미국특허 제 4,426,320 호("'320 특허")에는 기체를 성긴 여과기에 통과시킨 후 미세한 여과기에 통과시킴으로써 내부 연소 배기가스로부터 탄소 및 납 입자를 제거하는 방법이 개시되어 있다. 미세한 여과기 앞에서 상대적으로 성긴 여과기를 사용하면, 기체가 두번째 미세한 여과기에 도달하기 전에 성긴 여과기가 보다 큰 입자를 제거하는 것과 미세한 여과기의 수명이 연장하는 것이 허용된다고 한다. 여과기는 입자가 여과기 내에 축적됨에 따라 배압이 상승하는 속도를 저하시키는 구조를 갖는다고 기술되어 있다. 배기가스 내의 하나 이상의 오염물을 무해한 물질로 전환시키고 가스 내의 현탁된 입자를 제거하기에 효과적인 촉매 물질이 여과기 상에 침착된다. 바람직한 여과기는 개방셀 세라믹 발포체 여과기라고 개시되어 있다.U.S. Patent 4,426,320 ("'320 patent") discloses a process for removing carbon and lead particles from internal combustion exhaust gases by passing the gas through a coarse filter followed by a fine filter. Using a relatively coarse filter in front of a fine filter allows the coarse filter to remove larger particles before the gas reaches the second fine filter and to extend the life of the fine filter. The filter is described as having a structure that slows down the rate at which the back pressure rises as particles accumulate in the filter. Catalytic material that is effective to convert one or more contaminants in the exhaust gas into harmless materials and remove suspended particles in the gas is deposited on the filter. Preferred filters are described as open cell ceramic foam filters.
탄소 입자의 연소에 적합한, '320 특허에 개시된 촉매 물질은, 제 1 전이 계열 원소, 예를 들면 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리 및 아연을 포함한다. '320 특허에 개시된 조성물은 탄화수소, 일산화탄소 및 산화질소 오염물의 전환에서도 유용하다. 이러한 촉매 물질은 귀금속, 제 1 전이 계열 원소 및 이것들의 혼합물을 갖는다고 한다.Suitable catalytic materials for the combustion of carbon particles, the catalyst materials disclosed in the '320 patent include first transition series elements such as vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper and zinc. The compositions disclosed in the '320 patent are also useful in the conversion of hydrocarbon, carbon monoxide and nitric oxide contaminants. Such catalytic materials are said to have precious metals, first transition series elements and mixtures thereof.
'320 특허에는 (1) 금속의 수용성 열분해성 무기 염 또는 착물로써 여과기를 함침시키고; (2) 함침된 여과기를 건조시킨 후; (3) 건조된 여과기를 하소시킴으로써 세라믹 발포체 지지체 상에 촉매 물질을 직접 침착시키는 것이 기술되어 있다. 또다르게는, 촉매 물질은 다공질 내화성 무기 산화물 상에 지지될 수 있다.The '320 patent contains: (1) impregnating the filter with a water soluble pyrolytic inorganic salt or complex of metal; (2) after drying the impregnated filter; (3) Direct deposition of the catalyst material on the ceramic foam support by calcining the dried filter is described. Alternatively, the catalytic material may be supported on the porous refractory inorganic oxide.
미국특허 제 4,535,588 호("'588 특허")에는 서로 상이한 공기 투과도를 갖는 2가지 상이한 여과기가 직렬로 연결된 실시양태를 갖는 탄소 입자 세정 장치를 사용하는 것이 개시되어 있다. 보다 높은 공기 투과도를 갖는 여과기가 보다 낮은 공기 투과도를 갖는 제 2 여과기의 상류측에 위치한, 스테인레스강모 여과기가 기술되어 있다. 또다른 실시양태에서, 상이한 공기 투과도를 갖는 세라믹 또는 금속성 발포체 여과기가 스테인레스강모 여과기 대신 사용된다. 여과기는 백금, 팔라듐 및 로듐과 같은 산화 촉매로써 코팅될 수 있다.U.S. Patent No. 4,535,588 ("'588 Patent") discloses the use of a carbon particle cleaning apparatus having an embodiment in which two different filters having different air permeabilities are connected in series. A stainless steel strainer is described, wherein a filter with a higher air permeability is located upstream of a second filter with a lower air permeability. In another embodiment, ceramic or metallic foam filters having different air permeabilities are used instead of stainless steel wool filters. The filter can be coated with oxidation catalysts such as platinum, palladium and rhodium.
미국특허 제 4,828,807 호("'807 특허")에는, 배기가스가 통과하는 하우징의 횡단면 내에 설치된 직렬로 연결된 여과기 요소를 사용하는 것이 개시되어 있는데, 여기서 그을음의 점화 온도를 저하시키고 그을음의 연소를 돕는 촉매를 운반하는 하나 이상의 여과기 요소는, 기체상 오염물의 연소를 돕는 촉매를 운반하는 하나 이상의 여과기 요소와 여러번 교대된다. 사용될 수 있는 여과기 요소는 개방된 기공을 갖도록 소결된 여과 디스크, 압착된 세라믹 섬유로부터 형성된 디스크, 특히 Al2O3, SiO2, 규산알루미늄 또는 ZrO2의 섬유로부터 형성된 디스크; 소결된 금속으로부터 형성된 디스크; 압착된 강모로부터 형성된 디스크; 온도 내성 세라믹 또는 금속성 물질의 충전층을 포함한다. 입자의 점화 및 연소를 돕는 수많은 촉매가 '807 특허에 개시되어 있다. 이러한 촉매는 (a) 산화리튬; (b) 오산화바나듐; (c) 란타늄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴 및 지르코늄을 포함하는 37 개의 개시된 원소들 중 하나 이상의 산화물과 오산화바나듐의 혼합물; (d) (c)에 열거된 하나 이상의 금속의 바나듐산염; 및 (e) 과레늄산염, 바람직하게는 리튬, 칼륨, 은 또는 바나듐의 과레늄산염을 포함한다. 촉매는 MgO, Al2O3, CeO2, SnO2, TiO2, ZrO2, HfO2, ThO2, Nb2O5, WO3, 규산마그네슘, 규산알루미늄 및/또는 티탄산마그네슘 및 이것들의 조합일 수 있는 운반체 물질과 결합된다고 개시되어 있다.U.S. Patent No. 4,828,807 ("'807 Patent") discloses the use of serially connected filter elements installed in the cross section of the housing through which the exhaust gases pass, where the soot ignition temperature is reduced and the soot is burned. One or more filter elements carrying the catalyst are alternated several times with one or more filter elements carrying the catalyst to assist in the combustion of gaseous contaminants. Filter elements that can be used include sintered filter discs with open pores, discs formed from pressed ceramic fibers, in particular discs formed from fibers of Al 2 O 3 , SiO 2 , aluminum silicate or ZrO 2 ; Disks formed from sintered metal; Disks formed from the pressed bristles; And a packed layer of temperature resistant ceramic or metallic material. Numerous catalysts that assist in the ignition and combustion of particles are disclosed in the '807 patent. Such catalysts include (a) lithium oxide; (b) vanadium pentoxide; (c) a mixture of vanadium pentoxide with one or more oxides of the 37 disclosed elements, including lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, and zirconium; (d) vanadium salts of one or more metals listed in (c); And (e) a perenate, preferably a perenate of lithium, potassium, silver or vanadium. The catalyst is MgO, Al 2 O 3 , CeO 2 , SnO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , ThO 2 , Nb 2 O 5 , WO 3 , magnesium silicate, aluminum silicate and / or magnesium titanate and combinations thereof It is disclosed that it can be combined with a carrier material.
'807 특허에는, 임의적으로는 온도 내성 운반체 물질과의 조합으로 하나 이상의 기재 금속과 함께, 하나 이상의 백금족 원소를 포함하는 하나 이상의 여과기 요소 상에 코팅된, 기체상 오염물의 연소를 돕는 촉매가 기술되어 있다. 바람직한 운반체 물질은 MgO, Al2O3, 특히 γ-Al2O3, CeO2, SiO2, SnO2, TiO2, ZrO2, HfO2, ThO2, Nb2O5, WO3, 규산마그네슘, 규산알루미늄 및/또는 티탄산마그네슘 또는 이것들의 조합을 포함한다. 운반체 물질은 촉매와 혼합되거나 여과기 요소에 도포되며, 촉매를 위한 기재로서 작용한다.The '807 patent describes a catalyst that aids in the combustion of gaseous contaminants, coated on one or more filter elements comprising one or more platinum group elements, optionally in combination with one or more base metals in a temperature resistant carrier material. have. Preferred carrier materials are MgO, Al 2 O 3 , in particular γ-Al 2 O 3 , CeO 2 , SiO 2 , SnO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , ThO 2 , Nb 2 O 5 , WO 3 , magnesium silicate Aluminum silicate and / or magnesium titanate or combinations thereof. The carrier material is mixed with the catalyst or applied to the filter element and serves as a substrate for the catalyst.
발명의 요약Summary of the Invention
본 발명은 디젤 배기가스 배출물 내의 입자상 성분의 산화 효율을 증대시키는 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 입자상 물질의 수집 및 후속적 연소를 위해 하나 이상의 하류 여과기와 소통하는 하나 이상의 상류 여과기를 사용하여 달성된다. 하나 이상의 상류 여과기와 하나 이상의 하류 여과기는 둘 다 그 위에 분산된 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체를 포함하는 촉매 조성물을 갖는다.The present invention relates to an apparatus for increasing the oxidation efficiency of particulate components in diesel exhaust emissions. The present invention is accomplished using one or more upstream filters in communication with one or more downstream filters for the collection and subsequent combustion of particulate matter. At least one upstream filter and at least one downstream filter have a catalyst composition comprising a co-formed ceria-zirconia complex dispersed thereon.
도 1은 단일 캐니스터 내에 함유된 상류 그을음 여과기 및 하류 그을음 여과기를 갖는 본 발명의 장치의 한 실시양태를 도시한다.1 shows one embodiment of the device of the present invention having an upstream soot filter and a downstream soot filter contained within a single canister.
도 2는 직렬로 연결된 여러개의 개방셀 발포체 여과기를 함유하는 본 발명의 장치의 또다른 실시양태를 도시한다.FIG. 2 shows another embodiment of the device of the invention containing several open cell foam filters connected in series.
도 3은 촉매-코팅된 상류 개방셀 발포체 여과기 및 하류 촉매-코팅된 벌집형 벽-유동식 여과기를 수용하는 캐니스터를 갖는 본 발명의 장치의 또다른 실시양태를 도시한다.3 shows another embodiment of the apparatus of the present invention having a canister containing a catalyst-coated upstream open cell foam filter and a downstream catalyst-coated honeycomb wall-flow filter.
도 4는 벽-유동식 여과기의 종횡단면도 및 여과기를 통한 기체 유동을 도시한다.4 shows a longitudinal cross-sectional view of a wall-flow filter and gas flow through the filter.
도 5는 모델 SOF(윤활유) 및 모델 그을음(카본블랙)과 혼합된 촉매 시험 분말의, 공기 중 온도의 함수로서의 TGA(열중량분석)-DTA(시차열분석) 결과를 도시한다.FIG. 5 shows TGA (thermogravimetric) -DTA (differential thermal analysis) results as a function of temperature in air of catalyst test powder mixed with model SOF (lubricating oil) and model soot (carbon black).
도 6 내지 10은 모델 SOF 및 모델 그을음과 혼합된 특정 촉매 분말의, 공기 중 온도의 함수로서의 TGA-DTA 결과를 도시한다.6-10 show TGA-DTA results as a function of temperature in air of certain catalyst powders mixed with model SOF and model soot.
도 11 내지 15는 모델 SOF 및 디젤 엔진으로부터 나온 그을음과 혼합된 특정 촉매 분말의, 산화 기체로서의 헬륨/공기 중 온도의 함수로서의 TGA-DTA 결과를 도시한다.11-15 show TGA-DTA results as a function of temperature in helium / air as oxidizing gas of certain catalyst powders mixed with soot from model SOF and diesel engines.
도 16 내지 20은 모델 SOF 및 디젤 엔진으로부터 나온 그을음과 혼합된 특정 촉매 분말의, 산화 기체로서의 헬륨-NO2/공기 중 온도의 함수로서의 TGA-DTA 결과를 도시한다.16-20 show TGA-DTA results as a function of temperature in helium-NO 2 / air as oxidizing gas of certain catalyst powders mixed with soot from model SOF and diesel engines.
도 21은 기재의 표면 상에 상향 연장된 다수의 "탭"을 갖는 천공되고 주름진 금속 호일 기재와 천공 평판형 금속 호일 기재로 이루어진 벌집 본체의 평면도이다.21 is a plan view of a honeycomb body consisting of a perforated corrugated metal foil substrate and a perforated flat metal foil substrate having a plurality of " tabs " extending upwards on the surface of the substrate.
본 발명의 장치는 통상적인 벽-유동식 기재만을 사용할 때보다 디젤 입자 배출물을 더 많이 저감시킨다. 또한, 이러한 장치는, 보다 낮은 배기가스 온도(즉 500 ℃ 미만)에서 보다 낮은 하중에서의 작동 조건을 포함하는, 디젤 배기가스 처리 시스템에서 용이하게 달성되는 온도에서 여과기의 재생을 허용하는 여과기 시스템을 사용하여 입자를 저감시킨다. 따라서, 본 발명의 배기가스 처리 장치 내의 여과기는 입자상 물질의 축적으로 인해 폐색되는 경향이 훨씬 더 적다.The apparatus of the present invention further reduces diesel particle emissions than when using only conventional wall-flow substrates. In addition, the apparatus includes a filter system that allows regeneration of the filter at temperatures readily achieved in diesel exhaust treatment systems, including operating conditions at lower loads at lower exhaust gas temperatures (ie, below 500 ° C.). To reduce the particles. Therefore, the filter in the exhaust gas treating apparatus of the present invention is much less likely to be occluded due to the accumulation of particulate matter.
배기가스 처리 장치는 입자상 물질의 수집 및 후속적 연소를 위해 하나 이상의 하류 여과기와 소통하는 하나 이상의 상류 여과기를 갖는다. 각각의 상류 및 하류 여과기는 입자의 연소 온도를 저하시키는 촉매 조성물을 함유하는데, 이는 또한 배기가스 내 기체상 오염물의 산화를 용이하게 한다. 상류 여과기는, 배기가스 내 총 입자의 일부만이 상류 여과기 상에 수집되도록 낮은 효율을 가짐을 특징으로 하는 개방셀 발포체 여과기일 수 있다. 또다른 실시양태에서, 상류 여과기는 천공된 금속 호일일 수 있다. 수집되지 않은 그을음은 상류 구조물의 하류측에 있는 하나 이상의 여과기에서 수집된다. 이러한 구조물은, 전형적으로 배기가스류 내의 입자를 포획하고 연소시키는데 있어 촉매-코팅된 벌집형 벽-유동식 여과기와 같은 단일 고효율 그을음 여과기를 사용하는 것에 의존하는 통상적인 배기가스 처리 장치와 대조된다.The exhaust treatment apparatus has one or more upstream filters in communication with one or more downstream filters for the collection and subsequent combustion of particulate matter. Each upstream and downstream filter contains a catalyst composition that lowers the combustion temperature of the particles, which also facilitates oxidation of gaseous contaminants in the exhaust gas. The upstream filter can be an open cell foam filter characterized by low efficiency such that only a portion of the total particles in the exhaust gas are collected on the upstream filter. In another embodiment, the upstream filter can be a perforated metal foil. Soot not collected is collected in one or more filters downstream of the upstream structure. This structure is in contrast to conventional exhaust gas treatment devices which typically rely on using a single high efficiency soot filter, such as a catalyst-coated honeycomb wall-flow filter, to capture and burn particles in the exhaust stream.
도 1은 디젤 엔진과 연결되어 사용되는, 도면부호 10으로서 표기된 본 발명의 배기가스 처리 장치의 한 실시양태를 도시한다. 도시된 바와 같이, 엔진 배기가스 출구(14)를 갖는 디젤 엔진(12)은 본 발명의 배기가스 처리 장치(10)와 유체 소통한다. 배기가스 처리 장치(10)는 하류 그을음 여과기(18)와 유체 소통하는 (촉매화 개방셀 발포체 여과기일 수 있는) 상류 그을음 여과기(16)를 포함한다. 이러한 실시양태에서, 단일 캐니스터(20)는 상류 그을음 여과기(16)와 하류 그을음 여과기(18) 둘 다를 수용한다. 캐니스터(20)는 엔진 출구(14)로부터 디젤 배기가스를 받아들이기 위한 입구(22) 및 하류 여과기(18)와 유체 소통하는 출구(24)를 함유한다.1 shows an embodiment of the exhaust gas treatment apparatus of the present invention, indicated as 10, used in connection with a diesel engine. As shown, the
디젤 엔진(12)의 작동 동안에, 입자상 및 기체상 오염물을 함유하는 디젤 배기가스류는 배기가스 처리 장치(10)의 길이를 따라 엔진 출구(14)로부터 흘러나온다. 배기가스류는 우선 상류 그을음 여과기(16)를 통해 통과하는데, 여기서 배기가스류 내 입자의 적어도 일부가 상류 그을음 여과기(16) 상에 수집될 것이다. 이어서 배기가스류는 하류 그을음 여과기(18)를 통해 통과하는데, 여기서 추가로 입자상 물질이 여과기(18) 상에 수집되고 배기가스류로부터 제거된다. 촉매 조성물은, 그을음의 연소를 촉진시켜 각각의 여과기를 재생시키도록, 각각의 상류 여과기(16) 및 하류 여과기(18) 상에 코팅된다. 촉매 코팅 조성물은 입자, 특히 그을음 분획의 연소 온도를 저하시키는데 효과적이다. 따라서 촉매 조성물은 여과기의 재생에 유용하며, 여과기 상에 수집된 그을음으로 인한 배기가스 처리 장치 내의 배압을 저하시킨다. 그을음 여과기 상에 침착된 조성물은 또한 배기가스류 내의 기체상 오염물을 무해한 기체상 생성물(예를 들면 이산화탄소, 물)로 전환시킨다.During operation of the
상류 여과기로서 저효율 여과기(예를 들면 개방셀 발포체 또는 천공된 금속 호일 여과기)를 사용하면, 보다 고효율의 여과기 상에 수집되는 입자의 양에 비해, 촉매-코팅된 여과기 상에 수집되는 입자의 양이 적게 된다. "저효율"이란, 여과기가 배기가스류 내 입자의 50 중량% 미만을 제거하거나, 전형적으로 배기가스류 내의 입자의 20 중량% 미만을 제거한다는 것을 의미한다. 예를 들면, 0.08 인치의 기공 직경 및 0.01 인치의 웹 직경을 갖는 개방셀 발포체 여과기의 경우, 약 5 ppi의 기공률은 이러한 낮은 입자 수집 효율을 달성한다. 여과기 상에서의 입자의 수집이 저감되기 때문에, 여과기 상의 보다 두꺼운 입자 침착물의 경우에 필요한 온도보다 더 낮은 온도가, 축적된 입자의 연소에 사용될 수 있다. 상류-촉매화 여과기를 사용하면, 하나 이상의 하류 그을음 여과기에 의해 수집되고 연소되어야 하는 입자의 양이 저감된다. 따라서 단일의 고효율 촉매화 그을음 여과기에 의존하는 배기가스 처리 구조물의 경우보다 더 용이하게 여과기 재생이 달성된다.When using a low efficiency filter (eg open cell foam or perforated metal foil filter) as an upstream filter, the amount of particles collected on the catalyst-coated filter is increased compared to the amount of particles collected on the more efficient filter. Less. By "low efficiency" is meant that the filter removes less than 50% by weight of the particles in the exhaust stream, or typically less than 20% by weight of the particles in the exhaust stream. For example, for an open cell foam filter having a pore diameter of 0.08 inch and a web diameter of 0.01 inch, a porosity of about 5 ppi achieves this low particle collection efficiency. Since the collection of particles on the filter is reduced, a temperature lower than the temperature required in the case of thicker particle deposits on the filter can be used for combustion of accumulated particles. Using an upstream-catalyzed filter reduces the amount of particles that must be collected and burned by one or more downstream soot filters. Thus filter regeneration is achieved more easily than in the case of an exhaust treatment structure that relies on a single high efficiency catalyzed soot filter.
상류 여과기는 하나 이상의 하류 여과기와 함께 사용된다. 또다른 개방셀 발포체 또는 천공된 금속 호일 여과기가 하류 여과기에 사용될 수 있거나 또다른 유형의 여과기가 사용될 수 있다. 예를 들면 하류 여과기는 벌집형 벽-유동식 여과기; 권선 또는 충전된 섬유 여과기, 소결된 금속 분말 여과기; 소결된 금속 섬유 여과기; 천공된 금속 호일 여과기; 또는 세라믹 섬유 복합체 여과기일 수 있다. 바람직하게는, 하류 여과기의 기공률은 상류 개방셀 발포체 여과기의 기공률과 같거나 그보다 작다. 각각의 여과기의 효율은 각각의 여과기 내의 입자의 상대적 포획도를 최적화하고 포획된 입자를 여과기들 사이에 분배시켜 장치의 우수한 포획 효율을 유지하면서 압력 강하를 최소화시키는 것으로 선택된다.The upstream filter is used with one or more downstream filters. Another open cell foam or perforated metal foil filter may be used in the downstream filter or another type of filter may be used. For example, downstream filters include honeycomb wall-flow filters; Winding or filled fiber filter, sintered metal powder filter; Sintered metal fiber filter; Perforated metal foil filter; Or a ceramic fiber composite filter. Preferably, the porosity of the downstream filter is less than or equal to the porosity of the upstream open cell foam filter. The efficiency of each filter is chosen to optimize the relative trapping of the particles in each filter and to distribute the trapped particles between the filters to minimize pressure drop while maintaining good capture efficiency of the device.
몇몇 실시양태에서, 배기가스 처리 장치는 동일한 기공률 및 동일한 입자 여과 효율을 갖는 직렬로 연결된 여러개의 개방셀 발포체 여과기들을 함유한다. 예를 들면 도 2에 도시된 바와 같이, 장치(25)는 3 내지 5 개의 촉매-코팅된 발포체 여과기를 함유할 수 있다. 예를 들면, 도 2는 캐니스터(30) 내에 직렬로 배열된 3개의 촉매-코팅된 개방셀 발포체 여과기(32, 34 및 36)를 수용하는 캐니스터(30)를 도시한다. 실선 화살표는 입구(38) 및 출구(39)를 포함하는 캐니스터(30) 내에서의 배기가스의 유동 방향을 나타낸다. 장치(25)의 몇몇 구조물에서, 모든 3개의 발포체 여과기는 효율이 낮다(예를 들면 약 5 ppi). 다른 구조물에서, 상류 여과기(32)는 저효율 여과기이고, 제 1 하류 여과기(34)는 중간 효율이고(예를 들면 약 10 ppi), 제 2 하류 여과기(36)는 고효율이다(예를 들면 20 ppi). 해당 분야의 숙련자가 명백하게 알고 있듯이, 개별적인 캐니스터들이 사용되는 경우, 이것이 서로 유체 소통하는 한, 여과기는 동일한 캐니스터 내에 수용될 필요는 없다.In some embodiments, the exhaust treatment apparatus contains several open cell foam filters connected in series with the same porosity and the same particle filtration efficiency. For example, as shown in FIG. 2, the
다른 실시양태에서, 도 3에 도시되는 바와 같이, 장치(40)는 상류 저효율 개방셀 발포체 여과기(44) 및 보다 높은 입자 여과 효율을 갖는 하류 여과기(46)를 수용하는 캐니스터(42)를 함유한다. 바람직한 실시양태에서, 하류 여과기(46)는 촉매-코팅된 벌집형 벽-유동식 여과기이다. 캐니스터(42)는 캐니스터를 통한 배기가스의 유동을 위한 입구(48) 및 출구(49)를 함유한다. 실선 화살표는 캐니스터(42) 내에서의 배기가스의 유동 방향을 나타낸다.In another embodiment, as shown in FIG. 3, the
그을음 여과기Sooty filter
본 발명에서 유용한 그을음 여과기는 개방셀 발포체 여과기, 벌집형 벽-유동식 여과기; 권선 또는 충전된 섬유 여과기, 소결된 금속 분말 여과기; 소결된 금속 섬유 여과기; 천공된 금속 호일 여과기; 또는 세라믹 섬유 복합체 여과기를 포함한다. 이러한 그을음 여과기는 전형적으로 내화성 물질, 예를 들면 세라믹 또는 금속으로부터 형성된다. 본 발명의 실시에서, 촉매화 여과기는 전형적으로, 처리될 유체류를 캐니스터 입구를 통해 여과기의 입구측으로 보내는 (하우징이라고도 지칭되는) 캐니스터 내에 위치한다. 본 발명의 취지상 유용한 그을음 여과기는 장치 내의 배압을 크게 상승시키지 않거나 압력 강하를 일으키지 않고서 배기가스류를 통과시키는 구조물을 포함한다.The soot filters useful in the present invention include open cell foam filters, honeycomb wall-flow filters; Winding or filled fiber filter, sintered metal powder filter; Sintered metal fiber filter; Perforated metal foil filter; Or a ceramic fiber composite filter. Such soot filters are typically formed from refractory materials, for example ceramics or metals. In the practice of the present invention, the catalyzed filter is typically located in a canister (also referred to as a housing) that directs the fluid stream to be treated through the canister inlet to the inlet side of the filter. Soot filters useful for the purposes of the present invention include structures that allow the exhaust gas stream to pass through without significantly increasing back pressure in the apparatus or causing a pressure drop.
개방셀 발포체 여과기는 디젤 배기가스 처리 시스템 내에서 사용되기에 충분한 열적 및 기계적 안정성을 갖는 내화성 금속성 또는 세라믹 물질 상에 형성될 수 있다. 이러한 발포체 여과기는 해당 분야에 공지되어 있고, 발포체의 제조 방법 및 기공률에 따라, 여과기의 여과 효율은 다양할 수 있다. 발포체 여과기는 배기가스가 여과기의 입구로부터 출구로 유동하는 동안 배기가스류에 불규칙한 경로를 제공하는 다수의 상호연결된 공극을 함유한다. 벽-유동식 여과기 내의 배기가스류 내의 난류에 비해, 발포체 여과기 내의 이러한 불규칙성으로 인해 생성된 배기가스류 내의 보다 많은 양의 난류 때문에, 발포체 기재 내에서의 입자 수집의 효율이 증대될 수 있다.Open cell foam filters may be formed on refractory metallic or ceramic materials having sufficient thermal and mechanical stability for use in diesel exhaust treatment systems. Such foam filters are known in the art, and depending on the method of manufacturing the foam and the porosity, the filtration efficiency of the filter can vary. The foam filter contains a number of interconnected voids that provide an irregular path to the exhaust gas stream while the exhaust gas flows from the inlet to the outlet of the filter. Compared to the turbulence in the exhaust gas stream in the wall-flow filter, the efficiency of particle collection in the foam substrate can be increased because of the larger amount of turbulence in the exhaust gas stream generated due to this irregularity in the foam filter.
세라믹 발포체를 형성하는데 사용되는 세라믹 물질은 내화성 금속 산화물, 예를 들면 알루미나, 실리카, 마그네시아, 지르코니아, 티타니아, 크로미아 또는 이것들의 조합, 예를 들면 근청석 또는 내화성 금속 규산염 또는 탄화물일 수 있다. 세라믹 발포체의 예가, 본원에서 참고로 인용된 미국특허 제 4,264,347 호 및 제 6,077,060 호에 개시되어 있다.The ceramic material used to form the ceramic foam can be a refractory metal oxide, for example alumina, silica, magnesia, zirconia, titania, chromia or combinations thereof, for example cordierite or refractory metal silicates or carbides. Examples of ceramic foams are disclosed in US Pat. Nos. 4,264,347 and 6,077,060, which are incorporated herein by reference.
한 실시양태에서, 바람직한 상류 여과기는 금속성 개방셀 발포체 여과기이다. 금속성 발포체를 형성하는데 사용되는 물질은 강철, 스테인레스강, 알루미늄, 구리, 니켈, 지르코늄 및 이것들의 조합을 포함한다. 예를 들면, 수많은 니켈-기재의 발포체 여과기가 본원에서 참고로 인용된 미국특허 제 3,111,396 호에 개시되어 있다.In one embodiment, the preferred upstream filter is a metallic open cell foam filter. Materials used to form metallic foams include steel, stainless steel, aluminum, copper, nickel, zirconium and combinations thereof. For example, numerous nickel-based foam filters are disclosed in US Pat. No. 3,111,396, which is incorporated herein by reference.
바람직한 금속성 개방셀 발포체 여과기는 철-크롬-알루미늄-이트륨의 합금(FeCrAlY)으로부터 형성된 것, 예를 들면 미국 노쓰캐롤라이나주 헨더슨빌 소재의 포베어 퓨엘 셀 테크놀로지 인코포레이티드(Porvair Fuel Cell Technology, Inc.)에서 입수가능한 것이다. 전형적으로, FeCrAlY 여과기는, 기재에 대한 촉매 워시코트의 부착을 개선하도록, 니켈-알루미나이드와 같은 결합제 물질을 함유하는 열 분무제의 도포 또는 예비-하소 단계를 필요로 한다.Preferred metallic open cell foam filters are formed from an alloy of iron-chromium-aluminum-yttrium (FeCrAlY), for example Porvair Fuel Cell Technology, Inc. of Hendersonville, NC. Available from. Typically, FeCrAlY filters require the application or pre-calcination step of a thermal spray containing a binder material, such as nickel-aluminate, to improve the adhesion of the catalyst washcoat to the substrate.
본 발명의 배기가스 처리 장치 내의 상류 여과기로서 사용되기에 적합한 개방셀 발포체 여과기는 전형적으로 1 내지 20 개/인치(ppi), 더욱 바람직하게는 1 내지 10 ppi의 기공을 함유한다. 이러한 기공 밀도는 여과기에게 배기가스류 내 입자상 물질의 일부만을 포획하는 능력을 부여함으로써, 상류 여과기의 폐색을 방지한다. 10 내지 20 ppi의 기공 밀도를 갖는 발포체 여과기의 경우, 여과기는 80 내지 95 %의 기공률(즉 5 내지 15 %의 이론적 밀도)을 갖는다.Open cell foam filters suitable for use as upstream filters in the exhaust gas treatment apparatus of the present invention typically contain 1 to 20 pores per inch (ppi), more preferably 1 to 10 ppi. This pore density gives the filter the ability to trap only a portion of particulate matter in the exhaust stream, thereby preventing the blockage of the upstream filter. For foam filters having a pore density of 10 to 20 ppi, the filter has a porosity of 80 to 95% (ie a theoretical density of 5 to 15%).
본 발명의 또다른 실시양태에서, 상류 여과기는 전형적으로 약 5 내지 약 100 ㎛의 두께를 갖는 하나 이상의 금속 호일 시트를 포함한다. 전형적으로, 호일은 종래기술의 금속 호일 기재를 제조하는데 사용되는 것과 동일한 금속 또는 금속 합금, 예를 들면 티타늄, 스테인레스강, 및 철, 니켈, 크롬 및/또는 알루미늄을 함유하는 합금으로 이루어진다. 금속 호일은 하나 이상의 형태로 사용될 수 있는데, 예를 들면 이것은 평판형 비구조화 호일; 구조화 호일, 예를 들면 주름, 굴곡, 사다리꼴 구조, 봉우리 등을 함유하는 호일, 예를 들면 꾸불꾸불하거나 "지그재그" 형상으로 배열된 주름을 갖는 주름진 호일; 다수의 개구, 예를 들면 천공부를 갖는 호일; 주름과 다수의 개구 둘 다를 갖는 호일; 호일의 표면으로부터 상향 연장되는 "탭"을 갖는 호일; 형상들의 조합, 예를 들면 주름, 다수의 개구 및 다수의 이러한 "탭" 등을 갖는 호일일 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 금속 호일은 천공된 금속 호일, 예를 들면 미국 미시간주 어번힐즈 소재의 에미텍 코포레이션(Emitec Corp.)의 PE-카트(PE-Kat) 호일 여과기이다. 금속 호일 여과기는, 본원에서 참고로 인용된, 2004년 8월 25일자로 출원된, 통상적으로 양도된 동시계류중인 미국특허출원 제 10/926,157 호에도 기술되어 있다.In another embodiment of the present invention, the upstream filter typically includes one or more metal foil sheets having a thickness of about 5 to about 100 μm. Typically, the foil consists of the same metal or metal alloy as used to make metal foil substrates of the prior art, for example titanium, stainless steel, and alloys containing iron, nickel, chromium and / or aluminum. Metallic foils may be used in one or more forms, for example it may be planar unstructured foils; Structured foils, such as foils containing wrinkles, bends, trapezoidal structures, peaks, and the like, eg, corrugated foils having creases arranged in a sinuous or "zigzag" shape; A foil having a plurality of openings, for example perforations; Foil with both pleats and multiple openings; Foils having “tabs” extending upward from the surface of the foil; It can be a foil having a combination of shapes, for example pleats, multiple openings and multiple such “tabs” and the like. In a preferred embodiment, the metal foil is a perforated metal foil, for example a PE-Kat foil filter from Emitec Corp., Urban Hills, Michigan. Metal foil filters are also described in commonly assigned co-pending US patent application Ser. No. 10 / 926,157, filed August 25, 2004, which is incorporated herein by reference.
다수의 개구를 갖는 금속 호일 기재의 경우, 본 발명의 취지상, 이러한 개구는 슬릿, 천공부, 전체적으로 다각형인 형태를 갖는 구멍, 전체적으로 타원형인 형태를 갖는 구멍 및/또는 전체적으로 원형인 형태를 갖는 구멍, 또는 둘 이상의 전술된 형태의 개구들의 조합일 수 있다는 것을 이해해야 한다. 바람직하게는, 개구는 약 2 내지 약 10 ㎜, 바람직하게는 4 내지 8 ㎜의 직경을 갖는 전체적으로 타원형 또는 원형인 형태를 갖는 구멍을 포함한다. 이러한 개구는 전형적으로 호일 면적의 약 10 내지 약 80 %, 바람직하게는 20 내지 60 %를 차지할 것이다. 이러한 실시양태는, 주름진 금속 호일 기재의 표면 상에 연장된 다수의 주름(74) 및 다수의 탭(76)을 갖는 주름진 금속 호일 기재(73)와 함께, 천공될 수 있는 평판형 금속 호일 기재(72)를 함유하는 벌집 본체(70)를 도시하는 도 21에 도시되어 있다. 다수의 천공부(78)는 평판형 금속 기재(72) 및 주름진 금속 호일 기재(73) 내에 함유될 수 있다.In the case of a metal foil substrate having a plurality of openings, for the purposes of the present invention, such openings are slits, perforations, holes with a generally polygonal shape, holes with a generally oval shape and / or holes with a generally circular shape. It should be understood that it may be, or a combination of two or more of the aforementioned types of openings. Preferably, the opening comprises a hole having a generally oval or circular shape with a diameter of about 2 to about 10 mm, preferably 4 to 8 mm. Such openings will typically comprise about 10 to about 80%, preferably 20 to 60% of the foil area. This embodiment includes a flat metal foil substrate that can be perforated, with a corrugated metal foil substrate 73 having a plurality of
한 실시양태에서, 하류 여과기는 벌집형 벽-유동식 여과기이다. 벽-유동식 여과기를 형성하는데 사용되는 물질은 그 위에 분산된 촉매 조성물에 대해 비교적 불활성이어야 한다. 벽-유동식 여과기 및 그 위에 침착된 촉매 조성물은 다공성일 필요가 있는데, 왜냐하면 배기가스가 운반체 구조물을 빠져나가기 위해서 운반체의 벽을 통해 통과해야 하기 때문이다.In one embodiment, the downstream filter is a honeycomb wall-flow filter. The material used to form the wall-flow filter should be relatively inert with respect to the catalyst composition dispersed thereon. The wall-flow filter and the catalyst composition deposited thereon need to be porous because the exhaust gas must pass through the walls of the carrier to exit the carrier structure.
벽-유동식 여과기는 여과기 본체의 종방향 축을 따라 연장되는 다수의 미세하고 실질적으로 평행한 기체 유동 통로를 갖는다. 전형적으로, 각각의 통로는 본체의 한 쪽 말단에서 막혀 있고 교대로 존재하는 통로는 반대쪽 말단면에서 막혀 있다. 이러한 모노리쓰형 운반체는 제곱인치의 횡단면 당 약 700 개 이상의 유동 통로(또는 "셀")를 함유할 수 있는데, 이보다 적은 유동 통로를 함유할 수도 있다. 예를 들면, 운반체는 약 7 내지 600, 더욱 통상적으로는 약 100 내지 400 개/제곱인치의 셀("cpsi")을 가질 수 있다. 셀은 직사각형, 정사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 육각형 또는 기타 다각형 형태인 횡단면을 가질 수 있다.The wall-flow filter has a number of fine, substantially parallel gas flow passages extending along the longitudinal axis of the filter body. Typically, each passageway is blocked at one end of the body and alternating passages are blocked at opposite end faces. Such monolithic carriers may contain more than about 700 flow passages (or “cells”) per square inch of cross section, but may contain fewer flow passages. For example, the carrier may have a cell ("cpsi") of about 7 to 600, more typically about 100 to 400 pieces / square inches. The cell may have a cross section that is rectangular, square, circular, oval, triangular, hexagonal, or other polygonal in shape.
도 4는 다수의 통로(52)를 갖는 벽-유동식 여과기(50)를 도시한다. 통로(52)는 여과기(50)의 내벽(54)에 의해 관상으로 에워싸여 있다. 여과기(50)는 입구 말단(55) 및 출구 말단(56)을 갖는다. 교대로 존재하는 통로들은 입구 말단(55)에서 입구 플러그(58)에 의해 막혀 있고, 출구 말단(56)에서 출구 플러그(60)에 의해 막혀 있어서, 입구(55) 및 출구(56)의 말단에서 서로 반대되는 서양장기판 패턴을 형성한다. 기체류(62)는 막히지 않은 채널 입구(64)를 통해 들어가서 통로(52)를 통해 유동한다. 기체 유동은 출구 플러그(60)에 의해 중단되고 (다공질인) 내벽(54)을 통해 출구측(66)으로 확산된다. 기체는 입구 플러그(58) 때문에 벽의 입구측으로 되돌아갈 수는 없다.4 shows a wall-
바람직한 벽-유동식 여과기는 세라믹-유사 물질, 예를 들면 근청석, α-알루미나, 탄화규소, 질화규소, 지르코니아, 멀라이트, 유휘석, 알루미나-실리카-마그네시아, 규산지르코늄, 또는 내화성 금속, 예를 들면 스테인레스강으로 이루어진다. 바람직한 벽-유동식 여과기는 근청석과 탄화규소로부터 형성된다. 이러한 물질은 배기가스류의 처리에서 직면되는 환경, 특히 고온을 견딜 수 있다.Preferred wall-flow filters are ceramic-like materials such as cordierite, α-alumina, silicon carbide, silicon nitride, zirconia, mullite, pyrite, alumina-silica-magnesia, zirconium silicate, or refractory metals such as stainless Made of steel. Preferred wall-flow filters are formed from cordierite and silicon carbide. Such materials can withstand the environment, particularly high temperatures, encountered in the treatment of exhaust gas streams.
세라믹 벽-유동식 여과기는 전형적으로 약 50 내지 60 %의 기공률을 갖는 물질로써 형성되며, 전형적으로 본 발명의 배기가스 처리 장치에서 하류 여과기로서 사용된다. 예를 들면, 몇몇 구조물에서, 53 %의 기공률 및 약 14 마이크론의 평균기공직경을 갖는 근청석 벽-유동식 여과기는 적당한 배기가스 유동을 제공한다. 보다 적은 압력 강하를 제공하는 또다른 구조물은 60 %의 기공률 및 26 마이크론의 평균기공크기를 갖는 벽-유동식 여과기이다.Ceramic wall-flow filters are typically formed from materials having a porosity of about 50-60% and are typically used as downstream filters in the exhaust treatment apparatus of the present invention. For example, in some structures, cordierite wall-flow filters having a porosity of 53% and an average pore diameter of about 14 microns provide adequate exhaust gas flow. Another structure that provides less pressure drop is a wall-flow filter having a porosity of 60% and an average pore size of 26 microns.
또한, 셀 밀도와 벽 두께 둘 다가 배기가스 처리 시스템에서 관찰되는 압력 강하 및 배기가스 유동 특성에 영향을 준다. 100 cpsi를 갖고 17 mil의 벽을 갖는 벽-유동식 여과기 및 200 cpsi를 갖고 12 mil의 벽을 갖는 벽-유동식 여과기를 사용하는 구조물은 본 발명의 장치에서 유용한 여과기를 가로질러 유동 및 압력 강하를 제공한다.In addition, both cell density and wall thickness affect the pressure drop and exhaust flow characteristics observed in the exhaust treatment system. Structures using a wall-flow filter having a wall of 100 cpsi and having a wall of 17 mils and a wall flow filter having a wall of 12 mils with a wall of 200 cpsi provide a flow and pressure drop across the filter useful in the device of the invention. do.
본 발명에서 사용되는 다공질 벽-유동식 여과기는, 요소의 벽 상에 또는 내에 하나 이상의 촉매 물질이 존재한다는 점에서, 촉매화된다. 촉매 물질은 이러한 요소 벽의 입구측과 출구측 중 하나에, 또는 입구측과 출구측 둘 다에 존재할 수 있거나, 아니면 벽 자체가 전적으로 또는 부분적으로 촉매 물질로 이루어질 수 있다. 본 발명은 요소의 입구 및/또는 출구 벽 상에 하나 이상의 촉매 물질층 및 하나 이상의 촉매 물질층들의 조합을 사용함을 포함한다.Porous wall-flow filters used in the present invention are catalyzed in that one or more catalytic materials are present on or in the walls of the elements. The catalytic material may be present at one of the inlet and outlet sides of this element wall, or at both the inlet and outlet sides, or the wall itself may be made entirely or partially of the catalytic material. The present invention includes the use of a combination of one or more catalyst material layers and one or more catalyst material layers on the inlet and / or outlet walls of the element.
촉매 조성물Catalyst composition
본 발명의 그을음 여과기는 입자 및 기체상 오염물(예를 들면 미연소 기체상 탄화수소, 일산화탄소)의 연소에 효과적인 촉매 조성물로써 코팅된다. 이러한 촉매 조성물은 일반적으로 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체, 기재 금속 산화물을 함유하고, 임의적으로 하나 이상의 백금족 금속 성분을 함유한다. 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체 및 기재 금속 산화물은 (서로 중첩되도록) 기재 상에 침착된 낱낱의 층이 되도록 형성될 수 있거나, 세리아 복합체 및 기재 금속 산화물은 혼합물의 형태로서 사용될 수 있다.The soot filter of the present invention is coated with a catalyst composition effective for the combustion of particles and gaseous contaminants (eg unburned gaseous hydrocarbons, carbon monoxide). Such catalyst compositions generally contain co-formed ceria-zirconia composites, base metal oxides, and optionally contain one or more platinum group metal components. The co-formed ceria-zirconia composite and the base metal oxide may be formed to be a single layer deposited on the substrate (to overlap each other), or the ceria composite and the base metal oxide may be used in the form of a mixture.
본원에서 사용된 "공-형성된 세리아-지르코니아 복합체"라는 용어는 란타늄, 프라세오디뮴 및 네오디뮴 중에서 선택된 기타 희토 성분을 임의적으로 함유할 수 있는, 세리아와 지르코니아의 공-형성된 복합체인 벌크 물질을 지칭한다. 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체는 공-겔화, 공침 등과 같은 기술에 의해 형성될 수 있다. 결과적으로 형성되는 생성물이 최종 생성물 내 입자 매트릭스 전체에 걸쳐 분산된 세리아와 지르코니아를 함유하는 한, 세리아 복합체를 제조하기에 적합한 임의의 기타 기술이 사용될 수 있다. 이러한 기술은, 지르코니아를 단지 세리아 입자의 표면 상에 또는 표면층 내부에만 분산시킴으로써 지르코니아가 분산되어 있지 않은 상당량의 세리아 입자의 코어를 남기는 기술과는 다르다. 공침된 세리아-지르코니아 복합체를 형성하기에 적합한 기술은 미국특허 제 5,057,483 호 및 제 5,898,014 호에 개시되어 있고, 이러한 특허에 개시된 제조 방법은 본원에서 참고로 인용된다.As used herein, the term "co-formed ceria-zirconia complex" refers to a bulk material that is a co-formed complex of ceria and zirconia, which may optionally contain other rare earth components selected from lanthanum, praseodymium, and neodymium. Co-formed ceria-zirconia complexes can be formed by techniques such as co-gelation, coprecipitation, and the like. As long as the resulting product contains ceria and zirconia dispersed throughout the particle matrix in the final product, any other technique suitable for preparing the ceria composite can be used. This technique differs from the technique of dispersing zirconia only on the surface of ceria particles or inside the surface layer only, leaving the core of a significant amount of ceria particles free of zirconia dispersion. Techniques suitable for forming co-precipitated ceria-zirconia complexes are disclosed in US Pat. Nos. 5,057,483 and 5,898,014, the manufacturing methods disclosed in these patents are incorporated herein by reference.
공-형성된 세리아-지르코니아 복합체의 형성에 유용한 세륨 및 지르코늄 염은 염화물, 황산염, 질산염, 아세트산염 등이다. 복합체를 공침 기술을 사용하여 형성하는 경우, 중간 공침물을, 세척 후, 분무 건조 또는 동결 건조시킴으로써 물을 제거하고 약 500 ℃에서 공기 중에서 하소시켜 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체를 형성할 수 있다. 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체는 10 ㎡/g 이상, 바람직하게는 20 ㎡/g 이상의 표면적을 갖는다. 세리아 및 지르코니아만을 함유하는 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체에서, 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체 내의 세리아의 구성비율은 일반적으로 20 내지 95 중량%, 더욱 바람직하게는 40 내지 80 중량%이다. 지르코니아의 구성비율은 전형적으로 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체의 10 내지 60 중량%, 바람직하게는 10 내지 40 중량%이다.Cerium and zirconium salts useful for the formation of co-formed ceria-zirconia complexes are chlorides, sulfates, nitrates, acetates and the like. When the complex is formed using the coprecipitation technique, the intermediate coprecipitate can be removed after washing, spray dried or freeze dried to remove water and calcined in air at about 500 ° C. to form a co-formed ceria-zirconia complex. The co-formed ceria-zirconia composite has a surface area of at least 10
촉매 조성물은 디젤 배기가스 처리 시스템에서 사용되는 그을음 여과기를 재생시키는데 유용하다. 촉매 조성물은, 배기가스가 차가울 때, 예를 들면 300 ℃ 미만 또는 전형적으로 200 ℃ 미만일 때, 예를 들면 디젤 엔진이 낮은 하중에서 작동될 때 또는 작동 개시 시점에서, 디젤 배기가스 처리 시스템 내에서 그을음 여과기를 재생시키는데 유용하다.The catalyst composition is useful for regenerating soot filters used in diesel exhaust treatment systems. The catalyst composition is soot in a diesel exhaust treatment system when the exhaust is cold, for example below 300 ° C. or typically below 200 ° C., for example when the diesel engine is operated at low loads or at the start of operation. It is useful for regenerating the filter.
공-형성된 세리아-지르코니아 복합체는 하나 이상의 란타늄, 프라세오디뮴 및 네오디뮴 성분 중에서 선택된 추가의 희토 금속 원소를 임의적으로 함유할 수 있다. 세리아 이외의 희토 금속 산화물은 일반적으로 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체 조성물의 10 내지 60 중량%를 형성한다. 바람직한 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체는 세리아 및 지르코니아 외에도 프라세오디미아를 함유한다. 이러한 복합체는 입자, 특히 그을음 분획의 연소 온도를 저하시키는데 특히 효과적이다. (프라세오디미아를 함유하는) 이러한 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체를 혼입시키는 것은, 침착된 입자를 함유하는 그을음 여과기를 재생시키는데 유리하다(하기 실시예를 참고). 이론적으로 뒷받침된 것은 아니지만, 본 발명의 발명자들은, 프라세오디미아는 기타 희토 금속 산화물에 비해 그을음 분획을 포함하는 포획된 탄소질 성분에 활성화된 산소를 전달하기가 비교적 쉽기 때문에, 프라세오디미아가 공-형성된 복합체의 향상된 촉매 효과에 기여한다고 믿는다. 프라세오디뮴을 함유하는 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체의 경우, 일반적으로 30 내지 95 중량%의 세리아, 5 내지 40 중량%의 지르코니아 및 10 내지 60 중량%의 프라세오디미아가 복합체 내에 존재한다. 바람직하게는, 이러한 공-형성된 복합체는 40 내지 80 중량%의 세리아, 5 내지 25 중량%의 지르코니아 및 20 내지 40 중량%의 프라세오디미아를 함유한다.The co-formed ceria-zirconia complex may optionally contain additional rare earth metal elements selected from one or more lanthanum, praseodymium and neodymium components. Rare earth metal oxides other than ceria generally form 10 to 60% by weight of the co-formed ceria-zirconia composite composition. Preferred co-formed ceria-zirconia complexes contain praseodymia in addition to ceria and zirconia. Such composites are particularly effective in lowering the combustion temperature of particles, especially soot fractions. Incorporation of such co-formed ceria-zirconia complex (containing praseodymia) is advantageous for regenerating soot filters containing deposited particles (see Examples below). Although not theoretically supported, the inventors of the present invention, praseodymia, because praseodymia is relatively easy to transfer activated oxygen to the trapped carbonaceous component comprising soot fractions, compared to other rare earth metal oxides. It is believed that it contributes to the enhanced catalytic effect of the co-formed complex. In the case of co-formed ceria-zirconia complexes containing praseodymium, generally 30 to 95 wt% ceria, 5 to 40 wt% zirconia and 10 to 60 wt% praseodymia are present in the complex. Preferably, such co-formed complexes contain 40 to 80 weight percent ceria, 5 to 25 weight percent zirconia and 20 to 40 weight percent praseodymia.
전술된 바와 같이, 프라세오디미아를 함유하는 바람직한 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체를 바람직하게는, 세륨과 프라세오디뮴과 지르코늄의 혼합물의 가용성 염의 공-겔화 및 공침과 같은 기술을 사용하여 형성한다. 3가지 성분 모두가 복합체 매트릭스 전체에 걸쳐 균일하게 분산되도록 3가지 성분 모두를 전술된 기술을 사용하여 혼합하는 것이 바람직한데, 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체를 프라세오디뮴의 가용성 염의 용액, 예를 들면 프라세오디뮴 질산염의 용액으로써 함침시켜 프라세오디뮴 성분을 적재하는 것도 가능하지만 덜 바람직하다. 예비형성된 세리아-지르코니아 복합체의 함침은 본원에서 참고로 인용된 미국특허 제 6,423,293 호에 개시되어 있다.As mentioned above, preferred co-formed ceria-zirconia complexes containing praseodymia are preferably formed using techniques such as co-gelling and coprecipitation of soluble salts of a mixture of cerium with praseodymium and zirconium. It is desirable to mix all three components using the techniques described above so that all three components are evenly distributed throughout the composite matrix, wherein the co-formed ceria-zirconia complex is a solution of a soluble salt of praseodymium, for example praseodymium nitrate It is also possible, but less preferred, to load the praseodymium component by impregnation with a solution of. Impregnation of the preformed ceria-zirconia complex is disclosed in US Pat. No. 6,423,293, which is incorporated herein by reference.
본 발명의 장치 내 그을음 여과기를 코팅하는데 사용되는 촉매 조성물은 기재 금속 산화물을 함유할 수도 있다. 이론적으로 뒷받침된 것은 아니지만, 기재 금속 산화물은 여과기 기재에 대한 촉매 워시코트의 부착을 개선하고 워시코트에 결합 작용을 제공함으로써 이것을 내부 응집성으로 만든다고 믿어진다. 기재 금속 산화물은 기체상 확산을 개선하는 개방 워시코트 형태를 제공한다. 몇몇 실시양태에서, 기재 금속 산화물은 백금족 금속 성분을 위한 촉매 지지체로서도 작용한다.The catalyst composition used to coat the soot filter in the apparatus of the present invention may contain a base metal oxide. Although not theoretically supported, it is believed that the base metal oxide makes it internally cohesive by improving the adhesion of the catalyst washcoat to the filter substrate and providing a binding action to the washcoat. The base metal oxide provides an open washcoat form that improves gas phase diffusion. In some embodiments, the base metal oxide also serves as a catalyst support for the platinum group metal component.
바람직한 기재 금속 산화물은 하나 이상의 알루미나, 지르코니아, 실리카, 티타니아, 실리카-알루미나, 산화마그네슘, 산화하프늄, 산화란타늄 및 산화이트륨이다. 기재 금속 산화물은 전형적으로 벌크 형태로서 사용되고 일반적으로 10 ㎡/g 이상, 바람직하게는 20 ㎡/g 이상의 표면적을 갖는다. 바람직한 기재 금속 산화물은 알루미나, 바람직하게는 감마 알루미나이다. 예를 들면, 감마 알루미나는 기재 금속 산화물 성분으로서 사용될 때 120 내지 180 ㎡/g의 표면적을 가질 수 있다.Preferred base metal oxides are one or more of alumina, zirconia, silica, titania, silica-alumina, magnesium oxide, hafnium oxide, lanthanum oxide and yttrium oxide. Base metal oxides are typically used in bulk form and generally have a surface area of at least 10
기재 금속 산화물은 일반적으로 촉매 조성물의 10 내지 90 중량%의 양으로 사용된다. 바람직하게는, 기재 금속 산화물은 20 내지 80 중량%의 농도로 촉매 조성물 내에 혼입된다. 더욱 바람직하게는, 촉매 조성물은 기재 금속 산화물을 40 내지 60 중량%의 농도로 함유한다. 예를 들면, 그을음 여과기 상에 침착된 촉매 조성물은 50 중량%의 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체와 함께 50 중량%의 기재 금속 산화물을 함유할 수 있다.Base metal oxides are generally used in amounts of 10 to 90% by weight of the catalyst composition. Preferably, the base metal oxide is incorporated into the catalyst composition at a concentration of 20 to 80 weight percent. More preferably, the catalyst composition contains a base metal oxide at a concentration of 40 to 60% by weight. For example, the catalyst composition deposited on the soot filter may contain 50% by weight of the base metal oxide with 50% by weight of the co-formed ceria-zirconia composite.
몇몇 실시양태에서, 워시코트 결합제, 예를 들면 알루미나의 수화된 형태, 예를 들면 슈도보에마이트를 혼입시켜, 여과기 기재에 대한 촉매 조성물의 부착을 개선시키는 것이 바람직할 수 있다. 본 발명에서 유용한 기타 결합제는 실리카, 실리카-알루미나 및 지르코니아로부터 형성된 결합제를 포함한다. 본 출원의 취지상, 이러한 결합제는 촉매 워시코트의 기재 금속 산화물 성분의 일부로서 간주된다.In some embodiments, it may be desirable to incorporate a washcoat binder, such as a hydrated form of alumina, such as pseudoboehmite, to improve adhesion of the catalyst composition to the filter substrate. Other binders useful in the present invention include binders formed from silica, silica-alumina and zirconia. For the purposes of the present application, such binders are considered part of the base metal oxide component of the catalyst washcoat.
몇몇 실시양태에서, 백금족 금속 성분을 촉매 조성물에 혼입시키는 것이 바람직할 수 있다. 유용한 백금족 금속 성분은 백금, 팔라듐 및 로듐 성분 중에서 선택된다. 백금족 금속을 혼입시키는 것은, 미연소 탄화수소 및 일산화탄소와 같은 기체상 성분을 무해한 배출물로 연소시키는 것을 촉진하는데 유용하다. 또한, 백금족 금속을 혼입시키는 것은, 입자의 연소를 돕도록, 일산화질소(NO)로부터 이산화질소(NO2)를 발생시키는데 유용하다. NO2는, 분자 산소와 같은 기타 산화제를 사용하여 가능한 것 보다 더 낮은 배기가스 온도에서 그을음 여과기 상에 침착된 입자를 촉진시키는데 특히 유용한 강력한 산화제로서 알려져 있다.In some embodiments, it may be desirable to incorporate the platinum group metal component into the catalyst composition. Useful platinum group metal components are selected from platinum, palladium and rhodium components. Incorporation of platinum group metals is useful to facilitate the combustion of gaseous components such as unburned hydrocarbons and carbon monoxide with harmless emissions. Incorporating the platinum group metal is also useful for generating nitrogen dioxide (NO 2 ) from nitrogen monoxide (NO) to aid in the combustion of the particles. NO 2 is known as a powerful oxidant which is particularly useful for promoting particles deposited on soot filters at lower exhaust gas temperatures than is possible using other oxidants such as molecular oxygen.
백금족 금속의 수용성 염 또는 착물("백금족 금속 전구체"로서도 지칭됨)의 용액을 사용하여, 백금족 금속 성분을 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체의 입자 상에, 또는 기재 금속 산화물의 입자 상에, 또는 둘 다에 침착시킴으로써, 백금족 금속 성분을 촉매 조성물 내에 분산시킬 수 있다. 전형적으로, 백금족 금속 성분을 세리아 복합체의 입자 및/또는 기재 금속 산화물 성분 상에 분산시키는데 함침 절차를 사용한다. 예를 들면, 염화칼륨백금, 티오시안산암모늄백금, 아민-가용화 수산화백금, 염화백금산, 질산팔라듐 및 염화팔라듐은 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체 및/또는 기재 금속 산화물 성분의 입자의 함침을 달성하는데 사용될 수 있는 백금족 금속 전구체이다. 촉매 조성물을 하소시키면, 백금족 금속 전구체는 촉매활성적 금속 또는 이것의 산화물로 전환된다. 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체 및/또는 기재 금속 산화물 상에의 백금족 금속 성분의 함침을, 촉매 조성물을 기재 상에 코팅한 후에 수행할 수 있지만, 함침을 바람직하게는 촉매 조성물을 코팅하기 전에 수행한다.Using a solution of a water soluble salt or complex of platinum group metal (also referred to as a "platinum group metal precursor"), the platinum group metal component is onto particles of the co-formed ceria-zirconia composite, or on particles of the base metal oxide, or both By depositing on the poly, the platinum group metal component can be dispersed in the catalyst composition. Typically, an impregnation procedure is used to disperse the platinum group metal component onto the particles of the ceria composite and / or the base metal oxide component. For example, potassium chloride, ammonium thiocyanate platinum, amine-solubilized platinum hydroxide, platinum chloride, palladium nitrate and palladium chloride may be used to achieve impregnation of the co-formed ceria-zirconia complex and / or particles of the base metal oxide component. Platinum group metal precursor. When the catalyst composition is calcined, the platinum group metal precursors are converted to catalytically active metals or oxides thereof. Impregnation of the platinum group metal component on the co-formed ceria-zirconia composite and / or base metal oxide can be carried out after coating the catalyst composition onto the substrate, but impregnation is preferably carried out before coating the catalyst composition. .
백금족 금속이 촉매 조성물 내에 혼입되는 실시양태에서, 일반적으로는 0.1 내지 200 g/ft3의 백금족 금속이 최종 하소된 여과기 기재 내에 존재한다. 본 발명의 배기가스 처리 장치를, 관통형 기재 상에 상류 디젤 산화 촉매를 혼입시킬 필요 없이, 사용할 수 있기 때문에, 배기가스의 기체상 성분(미연소 기체상 탄화수소 및 일산화탄소)을 무해한 생성물로 전환시키기에 충분한 농도의 백금족 금속 성분이 바람직하게는 여과기 기재 상에 침착된다. 또한, 전술된 바와 같이, 입자, 특히 그을음 분획의 연소 온도를 저하시키기에 충분한 NO2를 배기가스 내 NO로부터 생성하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 10 내지 100 g/ft3, 더욱 바람직하게는 20 내지 80 g/ft3의 백금족 금속이 촉매 조성물 내에 존재한다. 바람직하게는, 백금족 금속은 백금이다.In embodiments in which the platinum group metal is incorporated into the catalyst composition, generally 0.1 to 200 g / ft 3 of platinum group metal is present in the final calcined filter substrate. Since the exhaust gas treating apparatus of the present invention can be used without incorporating an upstream diesel oxidation catalyst on the flow-through substrate, the gaseous components of the exhaust gas (unburned gaseous hydrocarbons and carbon monoxide) are converted into harmless products. A platinum group metal component at a concentration sufficient for is preferably deposited on the filter substrate. In addition, as mentioned above, it is preferable to produce NO 2 from the NO in the exhaust gas sufficient to lower the combustion temperature of the particles, especially the soot fraction. Preferably from 10 to 100 g / ft 3 , more preferably from 20 to 80 g / ft 3 of platinum group metal are present in the catalyst composition. Preferably, the platinum group metal is platinum.
입자 내 황산염 성분의 형성을 최소화하는 것이 바람직한 경우에, 보다 낮은 농도(예를 들면 0.1 내지 10 g/ft3)의 백금족 금속이 사용될 수 있다. 예를 들면, (초저황 디젤 연료가 아닌) 보다 높은 수준의 황을 함유하는 디젤 연료의 경우, 황산의 형성을 저감시키도록 황의 SO3로의 산화를 최소화시키는 것이 바람직하다.If it is desired to minimize the formation of the sulfate component in the particles, lower concentrations of platinum group metal (eg 0.1 to 10 g / ft 3 ) may be used. For example, for diesel fuel containing higher levels of sulfur (not ultra low sulfur diesel fuel), it is desirable to minimize the oxidation of sulfur to SO 3 to reduce the formation of sulfuric acid.
개방셀 발포체 기재 상에 침착된 상류 촉매 조성물은 일반적으로 약 0.10 내지 약 5.14 g/in3의 농도로 침착된다. 사용된 그을음 여과기의 유형에 따라서, 하류 촉매 조성물은 0.1 내지 2.64 g/in3의 농도로 침착될 수 있다. 예를 들면, 하류 여과기가 벽-유동식 여과기 기재인 경우, 촉매 조성물은 바람직하게는 0.25 내지 0.60 g/in3, 또는 0.45 g/in3 내지 0.60 g/in3의 농도로 침착된다.The upstream catalyst composition deposited on the open cell foam substrate is generally deposited at a concentration of about 0.10 to about 5.14 g / in 3 . Depending on the type of soot filter used, the downstream catalyst composition may be deposited at a concentration of 0.1 to 2.64 g / in 3 . For example, if the downstream filter is a wall-flow filter substrate, the catalyst composition is preferably deposited at a concentration of 0.25 to 0.60 g / in 3 , or 0.45 g / in 3 to 0.60 g / in 3 .
발포체 여과기의 코팅Coating of foam filter
하기 내용은 상류 및 하류 촉매 여과기의 실시양태에 적용될 수 있는 촉매 조성물의 일반적 제조 방법이다. 본 발명의 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체 물질 및 기재 금속 산화물(예를 들면 감마 알루미나)을, 임의적으로 백금족 금속 성분으로써 함침된 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체 입자와 기재 금속 산화물 입자의 수성 슬러리의 형태로 제조할 수 있다. 전형적으로, 공-형성된 세리아-지르코니아 및 기재 금속 산화물 입자를 물 및 산성화제, 예를 들면 아세트산, 질산 또는 황산과 혼합하고, 요망되는 입경이 되게 볼 밀링한다. 이어서 이 슬러리를 여과기 기재에 도포하고, 건조시키고, 하소시켜, 그 위에 촉매 물질 코팅("워시코트")을 형성한다.The following is a general method of preparing a catalyst composition that can be applied to embodiments of upstream and downstream catalyst filters. In the form of an aqueous slurry of co-formed ceria-zirconia composite particles and base metal oxide particles impregnated with the co-formed ceria-zirconia composite material of the invention and the base metal oxide (eg gamma alumina), optionally with a platinum group metal component. It can be prepared as. Typically, the co-formed ceria-zirconia and base metal oxide particles are mixed with water and an acidifying agent such as acetic acid, nitric acid or sulfuric acid and ball milled to the desired particle size. This slurry is then applied to the filter substrate, dried and calcined to form a catalyst material coating (" washcoat ") thereon.
임의적 촉매 금속 성분, 예를 들면 백금을 사용하는 경우, 이것을 바람직하게는 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체 입자 상에, 또는 기재 금속 산화물 입자 상에, 또는 복합체 입자와 기재 금속 산화물 입자 둘 다에 분산시킨다. 이러한 혼입을, 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체 입자 및 기재 금속 산화물 입자를 함유하는 슬러리를 적합한 여과기 기재 상에 워시코트로서 코팅한 후에, 수행할 수 있다. 코팅된 기재를 백금족 금속 전구체 화합물의 용액으로써 함침시킨 후에 건조시키고 하소시킴으로써 이를 수행할 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 슬러리를 운반체에 코팅하기 전에, 세리아-지르코니아 복합체 입자, 기재 금속 산화물 입자 또는 둘 다를 백금족 금속 전구체로써 함침시킨다. 어떠한 경우에서도, 임의적 백금족 금속을, 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체 및 기재 금속 산화물 입자를 함침시키는 역할을 하는 용액과 함께, 백금족 금속 전구체의 용액으로서, 공-형성된 세리아-지르코니아 기재 금속 산화물 촉매 물질에 첨가할 수 있다. 이어서 백금족 금속 전구체를 화학적으로 또는 하소를 통해 처리하여 입자 상에 백금족 금속을 고착시킨다. 예를 들면 아민-가용화 수산화백금을 백금 전구체로서 사용하는 경우, 전형적으로는 아민-백금 착물을 분해시키고 난용성 수산화백금으로서 백금 성분을 공-형성된 세리아-지르코니아 및/또는 기재 금속 산화물 입자에 고착시키는 산(예를 들면 아세트산)을 첨가함으로써, 슬러리의 pH를 저하시킨다. 이어서 입자를 건조시키고 하소시킨다.If an optional catalytic metal component is used, for example platinum, it is preferably dispersed on co-formed ceria-zirconia composite particles, or on base metal oxide particles, or on both composite particles and base metal oxide particles. . This incorporation can be carried out after the slurry containing the co-formed ceria-zirconia composite particles and the base metal oxide particles is coated as a washcoat on a suitable filter substrate. This can be done by impregnating the coated substrate with a solution of the platinum group metal precursor compound followed by drying and calcining. Preferably, however, prior to coating the slurry on the carrier, the ceria-zirconia composite particles, the base metal oxide particles, or both are impregnated with a platinum group metal precursor. In any case, the optional platinum group metal, together with a solution serving to impregnate the co-formed ceria-zirconia composite and the base metal oxide particles, is a solution of the platinum group metal precursor to the co-formed ceria-zirconia based metal oxide catalyst material. Can be added. The platinum group metal precursor is then treated chemically or via calcination to fix the platinum group metal on the particles. For example, when amine-solubilized platinum hydroxide is used as the platinum precursor, typically the amine-platinum complex is decomposed and the platinum component is adhered to co-formed ceria-zirconia and / or base metal oxide particles as poorly soluble platinum hydroxide. By adding an acid (for example acetic acid), the pH of the slurry is lowered. The particles are then dried and calcined.
일반적으로, 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체와 기재 금속 산화물 입자의 슬러리를, 백금족 금속 전구체 용액으로써 함침시키거나 그렇지 않고서, 여과기 기재 상에 침착시키며, 이어서 이것을 건조시키고 하소시켜, 촉매 물질을 기재에 부착시키고, 백금족 금속 성분이 존재할 때에는, 백금족 금속 성분을 금속 원소 또는 이것의 산화물로 다시 전환시킨다. 전술된 공정에 사용되기에 적합한 백금족 금속 전구체는, 해당 분야에 잘 공지된 바와 같은, 염화칼륨백금, 티오시안산암모늄백금, 아민-가용화 수산화백금, 염화백금산, 질산팔라듐 및 염화팔라듐을 포함한다.Generally, a slurry of the co-formed ceria-zirconia composite and the base metal oxide particles is deposited on a filter substrate, with or without impregnation with a platinum group metal precursor solution, and then dried and calcined to adhere the catalyst material to the substrate. When the platinum group metal component is present, the platinum group metal component is converted back to the metal element or an oxide thereof. Platinum group metal precursors suitable for use in the processes described above include potassium chloride platinum, ammonium thiocyanate platinum, amine-solubilized platinum hydroxide, platinum chloride, palladium nitrate and palladium chloride, as is well known in the art.
또다른 촉매 조성물 디자인에서, 벌크 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체, 벌크 기재 금속 산화물 및 임의적으로 벌크 활성화 알루미나의 개별적인 낱낱의 층이 사용된다. 이러한 낱낱의 층들은 운반체 상에 서로의 위에 중첩된 개별적인 코트로서 도포된다. 이러한 낱낱의 층들을 도포하는 순서는 중요하지 않고, (공-형성된 세리아-지르코니아 복합체 및 기재 금속 산화물의) 각각의 층은 최초-도포된 또는 내부 코트 또는 층, 또는 최종-도포된 또는 외부 코트 또는 층을 포함하거나, 제 3 층이 존재하는 경우, 중간 코트 또는 층을 포함할 수 있다. 주어진 물질층은 2번 이상 반복될 수 있다. 백금족 금속이 존재할 때, 이것은 임의의 하나 이상의 낱낱의 코트 또는 층 내에 분산될 수 있다.In another catalyst composition design, separate individual layers of bulk co-formed ceria-zirconia composites, bulk based metal oxides and optionally bulk activated alumina are used. These individual layers are applied as separate coats superimposed on top of each other on the carrier. The order of applying these individual layers is not critical, and each layer (of the co-formed ceria-zirconia composite and the base metal oxide) may be first-coated or inner coat or layer, or finally-coated or outer coat or It may comprise a layer or, if present, a third coat or layer. A given layer of material can be repeated two or more times. When platinum group metal is present, it may be dispersed in any one or more individual coats or layers.
본 발명의 개방셀 발포체 여과기를 촉매 조성물로써 코팅할 때, 몇몇 실시양태에서는, 기재에 대한 조성물의 부착을 개선하기 위해서, 발포체 기재를 전처리하는 것이 바람직하다. 예를 들면, FeCrAlY 개방셀 발포체 기재를 사용할 때, 촉매 슬러리를 침착시키기 전에, 기재를 바람직하게는 하소 단계에 적용시킨다. 보다 두꺼운 촉매 조성물 워시코트를 침착시켜야 하는 경우에는, 발포체 기재를 화학 조성물로써 열 분무시킴으로써, 금속 앵커(anchor)층을 기재 상에 침착시킬 수 있다. 니켈, Ni/Al, Ni/Cr, Ni/Cr/Al/Y, Co/Cr, Co/Cr/Al/Y, Co/Ni/Cr/Al/Y, Fe/Al, Fe/Cr, Fe/Cr/Al, Fe/Cr/Al/Y, Fe/Ni/Al, Fe/Ni/Cr, 300계 스테인레스강, 400계 스테인레스강, 및 이것들 중 둘 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 금속 피드스톡을 전기아크분무시킴으로써, 침착을 수행할 수 있다. 본 발명의 취지상, 금속 앵커층은 촉매 조성물의 일부로서 간주되지 않는다. 금속 앵커층을 침착시키는 방법은 본원에서 참고로 인용된 WO 99/56853에 개시되어 있다.When coating the open cell foam filter of the present invention with the catalyst composition, in some embodiments, it is desirable to pretreat the foam substrate to improve the adhesion of the composition to the substrate. For example, when using FeCrAlY open cell foam substrates, the substrates are preferably subjected to the calcination step before depositing the catalyst slurry. If thicker catalyst composition washcoats are to be deposited, a metal anchor layer can be deposited on the substrate by thermal spraying the foam substrate with the chemical composition. Nickel, Ni / Al, Ni / Cr, Ni / Cr / Al / Y, Co / Cr, Co / Cr / Al / Y, Co / Ni / Cr / Al / Y, Fe / Al, Fe / Cr, Fe / Metal feedstocks selected from the group consisting of Cr / Al, Fe / Cr / Al / Y, Fe / Ni / Al, Fe / Ni / Cr, 300 stainless steel, 400 stainless steel, and mixtures of two or more thereof By arc spraying, deposition can be carried out. For the purposes of the present invention, the metal anchor layer is not considered as part of the catalyst composition. Methods for depositing metal anchor layers are disclosed in WO 99/56853, which is incorporated herein by reference.
앵커층을 침착시키지 않고서, 워시코트 조성물을 바람직하게는 금속성 개방셀 발포체 기재 상에 약 6.0 g/in3 이하의 농도로 침착시킨다. 앵커층을 금속성 개방셀 발포체 여과기 상에 침착시키는 경우, 보다 높은 농도, 예를 들면 약 10 g/in3 이하의 워시코트를 침착시킬 수 있다. 세라믹 개방셀 발포체 여과기는 일반적으로 15 g/in3 이하를 수용할 수 있다.Without depositing the anchor layer, the washcoat composition is preferably deposited on a metallic open cell foam substrate at a concentration of about 6.0 g / in 3 or less. When the anchor layer is deposited on a metallic open cell foam filter, higher concentrations, for example up to about 10 g / in 3 washcoat, may be deposited. Ceramic open cell foam filters can generally accommodate up to 15 g / in 3 .
금속 호일 여과기의 코팅Coating of metal foil filter
바람직한 실시양태에서, 코팅 공정은 (a) 여과기 기재를, 이것의 길이의 약 30 % 이상, 바람직하게는 50 % 이상이 함침되도록, 요망되는 촉매 조성물의 슬러리를 함유하는 용기에 함침시키는 단계; (b) 단계(a)에서 수득된 여과기 기재를 원심분리시켜, 코팅 촉매 조성물을 실질적으로 균일한 층으로서 여과기 기재 상에 분배시키고 이것이 여과기 기재 상에 존재하도록 하는데 요망되는 양보다 많은 양의 임의의 코팅 촉매 조성물을 제거하는 단계; (c) 단계(c)에서 수득된 코팅된 여과기 기재를 건조시키는 단계; 및 (d) 단계(c)에서 수득된 건조된 코팅된 여과기 기재를 하소시키는 단계를 포함한다.In a preferred embodiment, the coating process comprises the steps of: (a) impregnating a filter substrate in a container containing a slurry of the desired catalyst composition such that at least about 30%, preferably at least 50% of its length is impregnated; (b) centrifuging the filter substrate obtained in step (a) to distribute the coating catalyst composition on the filter substrate as a substantially uniform layer and any amount greater than the amount desired to be present on the filter substrate. Removing the coating catalyst composition; (c) drying the coated filter substrate obtained in step (c); And (d) calcining the dried coated filter substrate obtained in step (c).
전형적으로, 단계(c)를 약 70 내지 약 180 ℃, 바람직하게는 80 내지 120 ℃의 온도에서 약 1 내지 약 60 분, 바람직하게는 15 내지 30 분 동안 수행할 것이다. 단계(d)를 전형적으로는 약 400 내지 약 700 ℃, 바람직하게는 450 내지 550 ℃의 온도에서 약 20 분 내지 약 5 시간, 바람직하게는 30 분 내지 3 시간 동안 수행할 것이다.Typically, step (c) will be carried out at a temperature of about 70 to about 180 ° C., preferably 80 to 120 ° C. for about 1 to about 60 minutes, preferably 15 to 30 minutes. Step (d) will typically be carried out at a temperature of about 400 to about 700 ° C., preferably 450 to 550 ° C. for about 20 minutes to about 5 hours, preferably 30 minutes to 3 hours.
요망된다면, 기재를 이것의 길이의 약 30 내지 약 70 %가 함침되도록 코팅 촉매 조성물의 제 1 슬러리에 함침시킨 후, 여과기 기재를 나머지 길이가 함침되도록 다시 기타 코팅 촉매 조성물의 하나 이상의 기타 슬러리에 함침시키는, 변형된 단계(a)를 통해, 둘 이상의 상이한 코팅 촉매 조성물을 실질적으로 균일하게 여과기 기재 상에 코팅할 수 있다.If desired, the substrate is impregnated with a first slurry of coating catalyst composition such that about 30 to about 70% of its length is impregnated, and then the filter substrate is again impregnated with one or more other slurries of the other coating catalyst composition to impregnate the remaining length. Through a modified step (a), two or more different coating catalyst compositions can be coated on the filter substrate substantially uniformly.
본 발명의 코팅 공정을 사용하여 약 2 내지 약 6 인치의 직경 및 약 1.7 내지 약 4 인치의 길이를 갖는 여과기 기재를 실질적으로 균일하게 코팅할 수 있다.The coating process of the present invention can be used to coat a substantially uniform filter substrate having a diameter of about 2 to about 6 inches and a length of about 1.7 to about 4 inches.
본 발명의 코팅 공정은 요망되는 만큼 많은 실질적으로 균일한 코팅층들을 여과기 기재 상에 제공할 수 있게 해 준다. 단계(a) 및 (b)를 요망되는 동일하거나 상이한 코팅 물질 슬러리를 사용하여 요망되는 만큼 여러번 반복할 수 있다. 바람직하게는, 각각의 이러한 코팅 작업 후에 코팅된 여과기 기재를 건조시키고, 가장 바람직하게는, 각각의 코팅 작업 후에 코팅된 여과기 기재를 건조시키고 하소시킨다.The coating process of the present invention makes it possible to provide as many substantially uniform coating layers on the filter substrate as desired. Steps (a) and (b) may be repeated as many times as desired using the same or different coating material slurry desired. Preferably, the coated filter substrate is dried after each such coating operation, and most preferably, the coated filter substrate is dried and calcined after each coating operation.
벽-유동식 여과기의 코팅Coating of wall-flow filter
촉매 조성물을, 기재의 균일한 코팅을 달성하는 임의의 수단을 사용하여, 벽-유동식 기재에 도포할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 촉매 조성물을 함유하는 수성 슬러리를, 분무 코팅하거나 솔질하거나 표면을 슬러리에 침지시킴으로써, 도포할 수 있다. 전형적으로, 촉매 슬러리를 도포한 후, 공기를 벽-유동식 기재를 통해 불어 넣어, 슬러리가 다공질 벽을 막는 것을 방지한다. 촉매 슬러리를 낱낱의 층들 내의 벽-유동식 기재 상에 분산시킬 수 있지만, 촉매 조성물을 기재의 통로를 둘러싸는 다공질 벽 전체에 걸쳐 균일하게 분산시키는 것이 바람직하다.The catalyst composition may be applied to the wall-flow substrate using any means to achieve a uniform coating of the substrate. For example, an aqueous slurry containing the catalyst composition of the present invention can be applied by spray coating or brushing or dipping the surface in the slurry. Typically, after applying the catalyst slurry, air is blown through the wall-flow substrate to prevent the slurry from blocking the porous walls. Although the catalyst slurry can be dispersed on the wall-flowable substrate in the individual layers, it is desirable to disperse the catalyst composition uniformly throughout the porous wall surrounding the passageway of the substrate.
하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 본 발명을 본원에서 개시된 범주에만 한정시키려는 것은 아니다.The following examples are intended to illustrate the invention and are not intended to limit the invention to the scope disclosed herein.
모델 입자상 물질 연소 시험 및 시험 결과Model particulate matter combustion test and test results
다양한 촉매 분말에 대해, 모델 입자상 물질을 산화(연소)시키는 그것의 능력을 평가하였다. 이러한 평가를 산화 조건(즉 대기)에서 열중량분석(TGA) 및 시차열분석(DTA)을 사용하여 수행하였다. TGA는 온도의 함수로서의 물질의 중량 손실을 측정할 수 있고, DTA는 온도의 함수로서의 물질의 열 방출(발열) 또는 열 흡수를 측정할 수 있다. 이렇게 하여, 디젤 입자상 물질의 산화를 측정할 수 있고, 상이한 촉매 조성물들의 산화 성능을 비교할 수 있다.For various catalyst powders, their ability to oxidize (burn) model particulate matter was evaluated. This evaluation was performed using thermogravimetric analysis (TGA) and differential thermal analysis (DTA) under oxidizing conditions (ie atmosphere). TGA can measure the weight loss of a material as a function of temperature and DTA can measure the heat release (heating) or heat absorption of a material as a function of temperature. In this way, the oxidation of diesel particulate matter can be measured and the oxidation performance of different catalyst compositions can be compared.
모델 입자상 물질을 디젤 입자의 그을음 분획 및 VOF를 모방하는데 사용하였는데, 이것은 2가지 유형을 갖는다. 하나의 유형의 모델 디젤 입자상 물질은, 탄소질 그을음 분획을 모방하는 상업적으로 입수가능한 70 중량%의 카본블랙 분말(캐나다 알버타 소재의 칸카브 오브 메디신 해트(Cancarb of Medicine Hat)의 써맥스 파우더 N-991(Thermax Powder N-991))과, 디젤 엔진 배기가스 내의 VOF를 모방하는 30 %의 윤활유(큐민스 SAE-15W 프리미엄 블루 디젤 엔진 루브 오일(Cummins SAE- 15W Premium Blue Diesel Engine Lube Oil)의 혼합물을 포함하였다. 이러한 물질은 모델 입자상 물질 P1으로서 표기되었다. 많은 디젤 엔진에서 디젤 배기가스 내 VOF가 주로, 실린더 벽으로부터 휩쓸려 나와서 밸브 가이드 및 터보과급기 씰을 통해 나오는 디젤 윤활유로 이루어진다는 사실 때문에, 윤활유는 모델 입자상 물질 내로 혼입된다.Model particulate matter was used to mimic the soot fraction and VOF of diesel particles, which have two types. One type of model diesel particulate material is a commercially available 70% by weight carbon black powder that mimics the carbonaceous soot fraction (Thermmax Powder N- of Cancarb of Medicine Hat, Alberta, Canada). A mixture of 991 (Thermax Powder N-991) and 30% lubricant (Cummins SAE-15W Premium Blue Diesel Engine Lube Oil) to mimic VOF in diesel engine exhaust. This material has been designated as the model particulate matter P1 In many diesel engines, the lubricating oil is due to the fact that VOF in diesel exhaust consists mainly of diesel lubricating oil swept from the cylinder wall and exiting through the valve guide and turbocharger seal. Is incorporated into the model particulate matter.
(모델 입자상 물질 P2로서 표기되는) 제 2 모델 입자상 물질은 중량차 디젤 엔진으로부터 수집된 70 중량%의 진짜 그을음과, 모델 입자상 물질 P1에서 사용된 것과 동일한 30 중량%의 윤활유로 이루어진다. 모델 입자상 물질 P2에서 사용되는 그을음 분획은 1800 RPM 및 10 % 하중에서 가동되는 98'년 모델 7.2 L, 300 HP 엔진으로부터 수집되었다. 이러한 조건에서 배기가스의 온도는 195 ℃였다. 이러한 그을음 수집을 위해, 엔진을 필립스(Phillips) μLS 연료(3 ppm 중량 S) 상에서 가동시켰다.The second model particulate material (denoted as model particulate material P2) consists of 70% by weight of genuine soot collected from a gravimetric diesel engine and the same 30% by weight of lubricant as used in model particulate material P1. The soot fraction used in model particulate matter P2 was collected from a 98 'model 7.2 L, 300 HP engine running at 1800 RPM and 10% load. Under these conditions, the exhaust gas had a temperature of 195 ° C. For this soot collection, the engine was run on Phillips μLS fuel (3 ppm weight S).
샘플에 노출되는 산화 기체를 혼입시키는 장치가 장착된 레오메트릭스(Rheometrics)(폴리머 랩스(Polymer Labs)) STA 1500 시뮬태뉴어스(Simultaneous) TGA/DTA 장치를 사용하여 실험실 시험을 수행하였다. 디젤 배기가스 내에서 직면되는 희박 조건 및 기체상 조성물을 모방하도록 3가지 산화 기체를 후술되는 평가에서 사용하였다. 산화 기체는 1. 유동 공기(20 % O2), 2. 헬륨과 공기(10 % O2)의 혼합물, 3. 공기와 헬륨과 NO2의 혼합물(5000 ppm NO2 및 10 % O2)이었다.Laboratory tests were performed using a Rheometrics (Polymer Labs) STA 1500 Simultaneous TGA / DTA device equipped with a device to incorporate oxidizing gas exposed to the sample. Three oxidizing gases were used in the evaluations described below to mimic the lean conditions and gaseous compositions encountered in diesel exhaust. The oxidizing gas was 1. flowing air (20% O 2 ), 2. a mixture of helium and air (10% O 2 ), 3. a mixture of air and helium and NO 2 (5000 ppm NO 2 and 10% O 2 ). .
평가된 촉매 시험 분말은 1. 시험 촉매 분말 A로서 표기되는 산화세륨 분말(CeO2, 100 중량%); 2. 시험 촉매 분말 B로서 표기되는 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체 분말(70 중량% CeO2 - 30 중량% ZrO2); 3. 촉매 분말 C로서 표기되는, 산화란타늄을 함유하는 공-형성된 세리아-지르코니아-복합체(55 중량% CeO2 - 15 중량% ZrO2 - 35 중량%의 La2O3); 4. 촉매 분말 D로서 표기되는, 프라세오디미아를 함유하는 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체 분말(55 중량% CeO2 - 15 중량% ZrO2 - 35 중량%의 Pr6O11); 5. 촉매 분말 E로서 표기되는, (150 ㎡/g의 표면적을 갖는) 6 중량%의 감마 알루미나 상의 백금 4 부 및 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체 분말(70 중량% CeO2 - 30 중량%의 ZrO2) 1부를 함유하는 촉매 조성물; 6. 대조 분말 A로서 표기되는, 대조물로서의, 미분쇄된 근청석 벽-유동식 여과기 기재 물질(코닝 엑스-80(Corning Ex-80))이었다.The catalyst test powders evaluated were 1. cerium oxide powder (CeO 2 , 100% by weight), designated as test catalyst powder A; Formed ceria-zirconia
각각의 후보 촉매 분말 또는 대조 분말을 모델 디젤 입자상 물질과 잘 혼합하여, 20 중량%의 모델 입자 혼합물 및 80 중량%의 촉매 분말(또는 대조 분말)을 함유하는 균일한 시험 샘플 혼합물을 수득하였다. 이어서 소량(30 ㎎)의 시험 샘플 혼합물을 TGA/DTA 장치의 샘플 팬에 넣고, 샘플을 산화 기체의 유동 하에서 10 ℃/min의 속도로 가열하였다. 온도의 함수로서의 TGA 및 DTA 응답을 측정하였다.Each candidate catalyst powder or control powder was mixed well with the model diesel particulate material to obtain a uniform test sample mixture containing 20% by weight model particle mixture and 80% by weight catalyst powder (or control powder). A small amount (30 mg) of test sample mixture was then placed in a sample pan of a TGA / DTA apparatus and the sample was heated at a rate of 10 ° C./min under the flow of oxidizing gas. TGA and DTA responses as a function of temperature were measured.
이러한 TGA-DTA 측정으로부터 수득된 결과를 예시하기 위해, 산화 기체로서 공기를 사용하여, 모델 입자상 물질 P1과 혼합된 촉매 시험 분말의 결과를 보여주 는 도 5를 참고한다. TGA 중량 손실에 상응하는 곡선은 실선 곡선으로서 도시되어 있다. 도 5에 예시된 촉매의 경우, 윤활유의 연소와 관련하여 보다 낮은 온도 범위(150 내지 400 ℃)에서 중량 손실 및 발열이 관찰되었으며, 카본블랙(하기 표 2의 CB)의 연소와 관련하여 보다 높은 온도 범위(500 내지 800 ℃)에서 제 2 중량 손실 및 발열이 관찰되었다. TGA 곡선 내의 각각의 두 개별적인 중량 손실은 "개시점", "변곡점" 및 "종결점"을 갖는다. "변곡점"은 가장 높은 열 손실 속도와 관련한 온도에 위치한다. 마찬가지로, (점선으로 나타내어진) DTA 곡선 내의 발열은 각각 "개시점", "정점" 및 "종결점"을 갖는다. DTA 정점은 관련 연소 공정에서 초래된 최대 열 방출 온도에 상응한다. TGA 및 DTA 곡선 내의 이러한 특징적인 점들은 상이한 촉매 분말들에 대한 상대적 성능을 평가하는 성능지수로서 사용될 수 있다. 하기 표 2에 명시된 결과들의 경우, TGA 개시점 및 변곡점 온도는 상대적 성능에 대해 명백하게 결정될 수 있을 때에 동정될 것이다. 또한, DTA 응답의 경우, 개시점 및 정점 온도는 곡선으로부터 명백하게 구분될 수 있을 때 사용될 것이다.To illustrate the results obtained from these TGA-DTA measurements, reference is made to FIG. 5 which shows the results of the catalyst test powder mixed with the model particulate matter P1 using air as the oxidizing gas. The curve corresponding to TGA weight loss is shown as a solid curve. In the case of the catalyst illustrated in FIG. 5, weight loss and exotherm were observed in the lower temperature range (150-400 ° C.) with respect to the combustion of lubricating oil, and higher with respect to the combustion of carbon black (CB in Table 2 below). A second weight loss and exotherm was observed in the temperature range (500-800 ° C.). Each of the two individual weight losses in the TGA curve have a "start point", "inflection point" and "end point". The "inflection point" is located at the temperature associated with the highest rate of heat loss. Likewise, the exotherms in the DTA curve (indicated by dashed lines) have "start points", "peaks" and "end points", respectively. The DTA peaks correspond to the maximum heat release temperature resulting from the associated combustion process. These characteristic points in the TGA and DTA curves can be used as a figure of merit to evaluate the relative performance for different catalyst powders. For the results specified in Table 2 below, the TGA starting point and inflection temperature will be identified when it can be clearly determined for relative performance. Also, for the DTA response, the starting point and peak temperature will be used when it can be clearly distinguished from the curve.
산화 기체로서의 유동 공기(20 % OFlowing air as oxidizing gas (20% O
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) 및 모델 입자상 물질 P1을 사용하여 수행된 제) And model
제 1 평가에서 검사되는 촉매 분말은 촉매 분말 A, 촉매 분말 B, 촉매 분말 C, 촉매 분말 D 및 대조 분말 A를 포함하였다. 하기 표 1에, 촉매 분말을 위한 조성이 요약되어 있고, 하기 표 2에, TGA-DTA 결과가 요약되어 있다. 각각의 시험에서 수득된 TGA-DTA 곡선은 도 6 내지 10에 도시되어 있다.The catalyst powders examined in the first evaluation included Catalyst Powder A, Catalyst Powder B, Catalyst Powder C, Catalyst Powder D and Control Powder A. In Table 1 below, the compositions for the catalyst powders are summarized, and in Table 2 below the TGA-DTA results are summarized. The TGA-DTA curves obtained in each test are shown in FIGS. 6-10.
표 2로부터, 모든 시험 촉매 분말은, (근청석 분말을 함유하는) 대조 분말 A보다 더 낮은 카본블랙(CB) 산화에 대한 특징적 TGA-DTA 온도를 나타낸다는 것을 알 수 있다. 따라서 촉매 분말은 모두 뚜렷한 촉매 효과를 나타내었다. 더우기, 시험 촉매 분말을 함유하는 시험 샘플 혼합물은 윤활유 연소에 대한 활성을 나타내는 반면에(DTA 곡선), 비-촉매작용적 대조 분말을 함유하는 시험 샘플 혼합물은 윤활유 발열을 나타내지 않아서, 산화가 일어나지 않았음을 보여주었다. 대조물(근청석)을 함유하는 시험 샘플 혼합물을 사용하여 수행된 시험에서, 윤활유 중량 손실은 본질적으로 휘발로 인한 것이었다.From Table 2, it can be seen that all test catalyst powders exhibit a characteristic TGA-DTA temperature for lower carbon black (CB) oxidation than Control Powder A (containing cordierite powder). Thus, the catalyst powders all showed a distinct catalytic effect. Moreover, test sample mixtures containing test catalyst powders exhibit activity against lubricating oil combustion (DTA curve), while test sample mixtures containing non-catalytic control powders do not show lubricating oil exotherm, so no oxidation has occurred. Showed In the tests performed with test sample mixtures containing the control (cordierite), the weight loss of the lubricant was essentially due to volatilization.
촉매 시험 분말을 함유하는 시험 샘플 혼합물을 사용하여 수행된 시험의 경우, (CeO2-ZrO2-Pr6O11를 함유하는) 시험 촉매 분말 D는 임의의 시험 촉매 분말들 중에서 카본블랙 연소에 대한 최저 TGA 온도 응답을 나타내었다(CB 개시점 = 476 ℃, CB 변곡점 = 541 ℃). 이러한 값은 근청석 대조물을 사용하여 수득된 것에 비해 각각 108 ℃ 및 126 ℃ 더 낮았다. 이러한 비교 결과, 시험 촉매 분말 D에 대한 명백한 촉매 효과를 알 수 있었다.For tests carried out using test sample mixtures containing catalyst test powders, test catalyst powder D (containing CeO 2 -ZrO 2 -Pr 6 O 11 ) can be used for carbon black combustion in any of the test catalyst powders. The lowest TGA temperature response was shown (CB initiation point = 476 ° C, CB inflection point = 541 ° C). These values were 108 ° C. and 126 ° C. lower, respectively, than those obtained using cordierite controls. As a result of this comparison, the apparent catalytic effect on the test catalyst powder D was found.
주요 DTA 응답은, 촉매 분말 D 및 촉매 분말 B(CeO2 - ZrO2)가 각각 419 ℃ 및 420 ℃의 최저 CB 개시점 온도를 나타낸다는 것을 보여주었다. 이러한 값은 근청석 대조 분말을 함유하는 시험 샘플 혼합물에 대해 수득된 결과보다 약 110 ℃ 낮았다. 촉매 시험 분말 A는 평가된 임의의 시험 샘플의 카본블랙 연소에 대한 최저 CB 정점 온도를 나타내었지만(541 ℃), 순수한 세리아를 함유하는 시험 샘플 혼합물(촉매 분말 A)은 526 ℃에서 카본블랙 연소에 대한 어깨를 나타내었다. 촉매 분말 B을 함유하는 시험 샘플 혼합물은 윤활유 산화에 대한 최저 DTA 정점을 나타내었다(227 ℃).The main DTA response showed that catalyst powder D and catalyst powder B (CeO 2 -ZrO 2 ) exhibited the lowest CB starting point temperatures of 419 ° C. and 420 ° C., respectively. This value was about 110 ° C. lower than the results obtained for the test sample mixture containing cordierite control powder. Catalyst test powder A exhibited the lowest CB peak temperature for carbon black combustion of any of the test samples evaluated (541 ° C.), while test sample mixtures containing pure ceria (catalyst powder A) were subjected to carbon black combustion at 526 ° C. Showed shoulders. The test sample mixture containing catalyst powder B exhibited the lowest DTA peak for lubricating oil oxidation (227 ° C.).
촉매 분말 C는 La2O3가 Pr6O11 대신 사용된다는 것만 제외하고는 촉매 분말 D와 유사한 조성을 가졌다. 촉매 분말 C에 대한 TGA-DTA 카본블랙 산화에 대한 결과는 촉매 분말 D를 사용하여 수득된 결과만큼 좋지는 않았다. 이러한 데이터는, Pr6O11가 촉매 분말 D와 관련된 그을음 분획의 향상된 연소에 중요한 역할을 한다는 것을 강하게 입증한다.Catalyst powder C had a composition similar to catalyst powder D, except that La 2 O 3 was used instead of Pr 6 O 11 . The results for TGA-DTA carbon black oxidation on catalyst powder C were not as good as the results obtained using catalyst powder D. These data strongly demonstrate that Pr 6 O 11 plays an important role in the improved combustion of the soot fractions associated with catalyst powder D.
시험된 촉매 분말들 중에서, 촉매 분말 D는 공기 중 윤활유 및 카본블랙 연소에 대해 최상의 전반적 성능을 나타낸 것으로 판단되었다. 이론적으로 뒷받침된 것은 아니지만, 시험된 촉매 분말에 비해 향상된 촉매 분말 D의 성능은 매우 높은 격자 산소 이동성을 갖는 Pr6O11의 존재로 인한 것이라고 믿어진다. 이러한 금속 산화물 촉매의 산화 기능의 중요한 성분은 산소를 입자에 전달하여 입자의 산화에 기여하는 촉매의 능력과 연관되어 있다고 믿어진다.Of the catalyst powders tested, catalyst powder D was judged to have the best overall performance for lubricating oil and carbon black combustion in air. Although not theoretically supported, it is believed that the performance of the improved catalyst powder D over the catalyst powder tested is due to the presence of Pr 6 O 11 with very high lattice oxygen mobility. It is believed that an important component of the oxidation function of these metal oxide catalysts is associated with the ability of the catalyst to transfer oxygen to the particles and contribute to the oxidation of the particles.
(1) 헬륨/공기(50:50, 10% O(1) Helium / air (50:50, 10% O 22 ), 또는 (2) 헬륨-NO), Or (2) helium-NO 22 /공기(5000 ppm NO/ Air (5000 ppm NO 22 , 10 % O, 10% O 22 )의 산화 기체 및 모델 입자상 물질 P2를 사용하여 수행된 제 2 평가Second assessment performed using oxidizing gas of) and model particulate matter P2
이러한 시험에서, 모델 입자상 물질 P2는 실제 엔진 입자를 더욱 많이 구현하는 물질을 제공하였다. 또한, 제 2 평가에서 사용된 산화 기체의 조성은 전형적인 디젤 엔진 배기가스 조성에서 발견되는 보다 낮은 O2 농도와 더욱 많이 유사하다. 입자 산화에 대한 특정 산화제의 효과를 평가하기 위해서, NO2를 O2와 함께 첨가하였다. TGA-DTA 시험을 촉매 분말 A, 촉매 분말 B, 촉매 분말 D, 촉매 분말 E 및 대조 분말 A 상에서 수행하였다. 각각의 분말을 헬륨/공기와 헬륨-NO2/공기 둘 다에서 평가하였다.In this test, the model particulate material P2 provided a material that embodied more of the actual engine particles. In addition, the composition of the oxidizing gas used in the second evaluation is much more similar to the lower O 2 concentration found in the typical diesel engine exhaust composition. In order to evaluate the effect of certain oxidants on particle oxidation, NO 2 was added together with O 2 . TGA-DTA tests were performed on Catalyst Powder A, Catalyst Powder B, Catalyst Powder D, Catalyst Powder E and Control Powder A. Each powder was evaluated in both helium / air and helium-NO 2 / air.
촉매 분말을 사용하여 수득된, 시험 샘플 혼합물에 대한 TGA-DTA 결과를 하기 표 3에서 찾을 수 있다. 산화 기체로서 헬륨/공기를 사용하는 개별적인 시험에 대한 TGA-DTA 곡선을 도 11 내지 15에서 찾을 수 있는 반면, 헬륨-NO2/공기를 사용하여 수행되는 시험에 대한 곡선을 도 16 내지 20에서 찾을 수 있다.TGA-DTA results for test sample mixtures obtained using catalyst powders can be found in Table 3 below. TGA-DTA curves for individual tests using helium / air as oxidizing gas can be found in FIGS. 11-15, while curves for tests performed using helium-NO 2 / air are found in FIGS. 16-20. Can be.
헬륨-공기 산화제를 사용하여 수득된 결과는 촉매 분말이 모두 대조 분말 A(근청석)보다 낮은 온도에서 그을음을 산화시켰음을 보여준다. 따라서 촉매 분말에 대한 촉매 효과가 입증된다. 시험된 촉매 분말들 중에서, (산화프라세오디뮴을 함유하는 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체를 함유하는) 촉매 분말 D가 DTA 그을음 정점에 대해 최저 온도(501 ℃) 및 평가된 그을음 변곡점에 대해 최저 온도(590 ℃)를 나타내었다. 감마 알루미나 상의 백금과 공-형성된 세리아-지르코니아 복합체의 혼합물을 함유하는 촉매 분말 E는 최저 윤활유 DTA 정점 온도를 나타내었다.The results obtained using a helium-air oxidant show that the catalyst powders all oxidized soot at a lower temperature than Control Powder A (cordierite). Thus the catalytic effect on the catalyst powder is demonstrated. Of the catalyst powders tested, catalyst powder D (containing the co-formed ceria-zirconia complex containing praseodymium oxide) had the lowest temperature (501 ° C.) for the DTA soot peak and the lowest temperature (590 for the soot inflection point evaluated. ° C). Catalyst powder E containing a mixture of platinum and co-formed ceria-zirconia complex on gamma alumina exhibited the lowest lubricating oil DTA peak temperature.
헬륨-NO2/공기 산화제를 사용하여 수득된 결과는, 대부분의 촉매 분말의 경우, DTA 그을음 정점 온도 및 TGA 그을음 변곡점 온도가 강력한 산화제로서 알려진 NO2의 존재에 의해 저하되었다는 것을 보여주었다. 어떤 경우에는, 그 차이가 헬륨-공기 산화제 보다 140 ℃ 더 높았다. 유일한 예외는, 촉매 분말 D를 함유하는 시험 혼합물로부터 수득된 결과였지만, 이 경우 NO2의 존재는 DTA 그을음 정점 온도를 약간 상승시켰을 뿐이었다. 그럼에도 불구하고, 촉매 분말 D를 사용하여 수행된 시험은 이러한 조건에서 시험된 임의의 후보 물질의 최저 DTA 그을음 정점 온도(524 ℃)를 나타내었다. 산화 기체 내에 NO2가 존재하는 경우, 촉매 시험 분말에 대한 DTA 그을음 정점 온도는 모두 524 내지 578 ℃의 범위 내였다. 촉매 분말 E는 최저 평가된 TGA 그을음 변곡점 온도(500 ℃)를 나타내었다. TGA 그을음 변곡점 온도는 모두 500 내지 535 ℃의 범위 내였다. 산화 기체 혼합물 내의 NO2의 존재는, (근청석 분말을 함유하는) 대조 분말 A의 경우, DTA 또는 TGA 그을음 산화 온도에 어떤 큰 영향도 주지 못한 것 같았다. 이러한 관찰 결과는 촉매 분말의 그을음 산화 성능을 개선하는(특징적 DTA-TGA 온도를 저하시키는) NO2의 일반적 효과와 일치한다.The results obtained using helium-NO 2 / air oxidant showed that for most catalyst powders, the DTA soot peak temperature and TGA soot inflection temperature were lowered by the presence of NO 2 , known as a strong oxidant. In some cases, the difference was 140 ° C. higher than helium-air oxidant. The only exception was the result obtained from the test mixture containing catalyst powder D, in which case the presence of NO 2 only slightly raised the DTA soot peak temperature. Nevertheless, tests performed using catalyst powder D showed the lowest DTA soot peak temperature (524 ° C.) of any candidate material tested under these conditions. When NO 2 was present in the oxidizing gas, the DTA soot peak temperatures for the catalyst test powder were all in the range of 524 to 578 ° C. Catalyst powder E exhibited the lowest evaluated TGA soot inflection temperature (500 ° C.). The TGA soot inflection temperature was all in the range of 500 to 535 ° C. The presence of NO 2 in the oxidizing gas mixture did not seem to have any significant effect on the DTA or TGA soot oxidation temperature for Control Powder A (containing cordierite powder). This observation is consistent with the general effect of NO 2 on improving the soot oxidation performance of the catalyst powder (lowering the characteristic DTA-TGA temperature).
TGA-DTA 결과를 근거로, (CeO2-ZrO2-Pr6O11를 함유하는) 촉매 분말 D는 촉매화 디젤 그을음 여과기의 재생을 위한 촉매 조성물의 일부로서 사용되기 위한 우수한 후보인 것으로 결론지어졌다.Based on the TGA-DTA results, (containing CeO 2 -ZrO 2 -Pr 6 O 11 ) catalyst powder D is concluded to be a good candidate for use as part of a catalyst composition for regeneration of catalyzed diesel soot filter lost.
본 발명은 바람직한 실시양태에 중점을 두고 기술되었지만, 해당 분야의 숙련자라면, 바람직한 장치 및 방법에 대한 변형양태가 사용될 수 있고, 본 발명은 본원에서 구체적으로 기술된 바와는 달리 실시될 수 있다는 것을 명백히 알 것이다. 따라서, 본 발명은 후술되는 청구의 범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 개념 및 범주 내에 포함되는 모든 변경양태를 포함한다.While the present invention has been described with a focus on preferred embodiments, it will be apparent to one skilled in the art that modifications to the preferred apparatus and methods may be used and that the present invention may be practiced otherwise than as specifically described herein. Will know. Accordingly, the invention includes all modifications that fall within the spirit and scope of the invention as defined by the following claims.
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