專利名稱：催化過濾器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種過濾器，特別涉及發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置的過濾器，更特別涉及包含催化劑即“催化過濾器”的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置過濾器。本發(fā)明也涉及一種制備催化過濾器和制備用于這樣的過濾器的催化劑體系的方法。盡管本公開以柴油機(jī)排氣過濾器為背景論述本發(fā)明，但本發(fā)明不是意欲如此限制。
背景技術(shù)：
包括催化劑組分的過濾器的商業(yè)和工業(yè)用途通常是眾所周知的。存在有許多這樣的應(yīng)用場合及這樣的過濾器的例子，其中一個(gè)例子是使用含催化劑過濾器去除或者反應(yīng)來自柴油排出氣流中的物料(例如顆粒狀物和氣態(tài)化合物)。
柴油機(jī)通常排放烏黑的或者有毒的廢氣，通過使用過濾器系統(tǒng)去除來自該廢氣不希望的物質(zhì)從而清潔所述的廢氣。這樣的過濾器收集由發(fā)動(dòng)機(jī)排出的灰粒，因此防止粒子進(jìn)入大氣。通過這樣的過濾器收集的煙塵隨著時(shí)間的推移而累積，將增加排氣背壓降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能。包括顆粒物質(zhì)積聚物的過濾器必須定期置換或者再生。在柴油機(jī)客車情況下，例如在駕駛只不過200千米之后許多這樣的過濾器迅速阻塞，對于一般使用替換阻塞過濾器是不實(shí)際的。過濾器的周期再生(即在不拆卸該過濾器的情況下去除收集的煙塵)是保持過濾器清潔的優(yōu)選的方法。
有幾種已知的再生催化過濾器的技術(shù)。一種技術(shù)包括升高排氣的溫度定期燒結(jié)收集在過濾器介質(zhì)中的煙塵。這可以通過引入補(bǔ)充燃料例如用緊靠過濾器上游的煤氣噴燈而實(shí)現(xiàn)。其他技術(shù)涉及使用涂敷在過濾器介質(zhì)上的催化物料。仍然是其他的技術(shù)涉及包含可降低煙塵氧化溫度的催化添加劑的燃料。最后，一些技術(shù)使用接觸過濾介質(zhì)的電熱元件。例如見US5,258,164(Bloom等人)、5,049,669(Smith等人)和5,224,973(Hoppenstedt)，歐洲專利申請No.0 543 075 A1。這些不同的技術(shù)還可以組合使用。
US4,966,873、5,320,998和5,610,117描述了不同類型的化學(xué)催化劑體系和不同的過濾器介質(zhì)。該過濾介質(zhì)可以包括例如陶瓷材料比如擠出陶瓷或者泡沫陶瓷；卷繞在芯上的天然的或者合成纖維；無紡原料；紙或者其他非織造材料比如折疊紙質(zhì)濾油器；或者其他材料。催化劑也可包含進(jìn)入過濾器。當(dāng)過濾器裝入顆粒物質(zhì)時(shí)，在催化劑存在下通過使顆粒物質(zhì)與氧化劑比如排出氣流中的氧反應(yīng)，分解顆粒物質(zhì)從而再生過濾器。加熱組件比如導(dǎo)電的或者其他類型的加熱器可用于加熱該過濾器、顆粒物質(zhì)和催化劑以促進(jìn)反應(yīng)。
在發(fā)現(xiàn)可提供有用的或者改進(jìn)的催化劑在過濾器介質(zhì)中的應(yīng)用中有機(jī)會(huì)進(jìn)行改進(jìn)。還有機(jī)會(huì)開發(fā)新的和有用的過濾器介質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及制造催化過濾介質(zhì)，得到的催化過濾介質(zhì)和催化劑體系用于制造這樣的介質(zhì)。本發(fā)明制造催化過濾介質(zhì)的方法包括在選擇的過濾器介質(zhì)表面上，例如用于內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)的過濾器介質(zhì)上施加或者沉積催化劑材料。如本發(fā)明使用，過濾器介質(zhì)定義為多孔介質(zhì)或者多孔體，設(shè)計(jì)為允給或者能夠允許氣態(tài)介質(zhì)通過一個(gè)或多個(gè)入口表面流入多孔體并通過一個(gè)或多個(gè)出口表面離開多孔體。另外，術(shù)語“多孔介質(zhì)”指具有足夠的孔隙以使氣體從其中流過的介質(zhì)。在至少其最后形狀中，該過濾介質(zhì)允許過濾原料與該氣態(tài)介質(zhì)通過一個(gè)或多個(gè)入口表面進(jìn)入多孔體，但是防止所有的或者至少一部分過濾原料通過一個(gè)或多個(gè)出口表面與該氣態(tài)介質(zhì)離開多孔體。如本發(fā)明使用，過濾物質(zhì)是要從氣態(tài)介質(zhì)通過過濾介質(zhì)(例如催化劑體系)過濾去的物質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施方式中，該過濾介質(zhì)具有適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造(即操作上進(jìn)行改造因此它可以經(jīng)受住發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置)。這樣的過濾介質(zhì)通常包括無機(jī)材料比如，包括耐火的陶瓷材料的陶瓷材料。
除了用于過濾器介質(zhì)，預(yù)期本發(fā)明可以涉及各種各樣的多孔介質(zhì)，和在選擇的多孔介質(zhì)表面比如用作內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化器的催化元件的多孔介質(zhì)上施加或者沉積催化劑材料的方法。也預(yù)期本發(fā)明可以應(yīng)用于多孔介質(zhì)，所述的多孔介質(zhì)能被使用作為過濾介質(zhì)但是實(shí)際僅用作催化元件。因此，預(yù)期本發(fā)明有關(guān)過濾器介質(zhì)的一些、大多數(shù)的或者所有的公開可能也適用于具有足夠多孔性的介質(zhì)。本發(fā)明也涉及至少包括催化劑材料和任選粘合劑組分的催化劑體系。本發(fā)明的催化劑體系優(yōu)選包括載液和催化劑材料，有或者沒有粘合劑組分。在這樣的催化劑體系中的催化劑材料可包括含催化劑材料的液滴或者潤濕的催化劑材料粒子。如本發(fā)明使用，術(shù)語“催化劑材料”指催化劑及可形成催化劑的催化劑前體和其組合物。該催化劑材料可能是固體或者溶解形成。粘合劑組分和催化劑前體的任一種或兩種可能溶解在載液中。對于在過濾介質(zhì)上施加催化劑材料的現(xiàn)有技術(shù)中存在的具體問題已經(jīng)清楚。
為了使催化過濾器與流動(dòng)進(jìn)入該過濾器的顆粒廢氣物質(zhì)(例如灰粒)或者其他排出物質(zhì)(例如NOx氣體)進(jìn)行反應(yīng)(例如氧化或者降解)，該廢氣物質(zhì)必須接觸過濾介質(zhì)中的催化劑，不僅僅是過濾介質(zhì)?；谕ㄟ^過濾介質(zhì)廢氣的流動(dòng)和該過濾器和過濾介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，該廢氣物質(zhì)通常被收集、沉積，或者僅在過濾介質(zhì)上或之內(nèi)的某些位置接觸。在相對大的結(jié)垢上，顆粒物質(zhì)在過濾器不同的部分或者區(qū)域比如在入口表面上或附近被收集和聚集。對于不同的過濾介質(zhì)和粒子系統(tǒng)，粒子積聚物的一般分布(或者濃度分布)是不同的。對于在過濾器介質(zhì)小的表面上較小的污垢沉積物，例如在流入該過濾介質(zhì)的顆粒物質(zhì)的尺寸范圍和過濾器介質(zhì)的結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，進(jìn)入并通過該過濾介質(zhì)的顆粒物質(zhì)的流動(dòng)性質(zhì)導(dǎo)致顆粒物質(zhì)進(jìn)入接觸過濾器介質(zhì)結(jié)構(gòu)的某些表面然而并非其它的。放置在位于不會(huì)接觸要催化物質(zhì)位置處的過濾介質(zhì)上的催化劑材料，例如顆粒物質(zhì)沒有在使用期間被收集或者沉積的地方，就浪費(fèi)了所述的催化劑材料，因?yàn)檫@樣的催化劑材料通常不會(huì)接觸顆粒物質(zhì)，因此不會(huì)完成預(yù)期的催化反應(yīng)功能。
因此，過濾器介質(zhì)的某些部分在使用期間將聚集和/或接觸顆粒廢氣物質(zhì)、接觸氣態(tài)廢氣物質(zhì)(例如，NO等)或者兩者。過濾介質(zhì)的某些表面在使用期間直接接觸廢氣物質(zhì)(例如，收集顆粒物質(zhì))。為有效地催化與廢氣物質(zhì)(例如顆粒物質(zhì)、NO等)的反應(yīng)，催化劑材料必須位于可聚集或者接觸要催化廢氣物質(zhì)(例如顆粒物質(zhì)、NOx等)的過濾器介質(zhì)的部分。在那些部分之內(nèi)，催化劑應(yīng)該位于接觸例如收集要催化物質(zhì)的特別的表面。位于過濾器介質(zhì)其他部分或者表面上的催化劑，不在廢氣物質(zhì)通路中，沒有放置作為催化劑而浪費(fèi)。
當(dāng)通過飽和潤濕(例如通過浸漬或者霧化)將催化劑施加到過濾器介質(zhì)時(shí)，外表面部分通常任意涂有催化劑，或者催化劑使過濾器介質(zhì)浸透，其同樣任意涂敷過濾介質(zhì)的不同的構(gòu)造面，在要施加涂層的過濾介質(zhì)的任何構(gòu)造面上沉積的催化劑濃度基本上是均一的。不管催化劑是僅噴霧在過濾器介質(zhì)的外面上，還是過濾器介質(zhì)浸入飽和過濾介質(zhì)的催化劑溶液中，這是真實(shí)的。對于其上涂敷催化劑的過濾介質(zhì)部分--意謂著基本上過濾介質(zhì)所有的部分(例如，如果浸漬和飽和)或者僅過濾介質(zhì)所有部分的部分(例如，外部的部分，如果噴霧或者浸漬而不是飽和)--該催化劑干燥在該過濾介質(zhì)構(gòu)造面位置處產(chǎn)生基本上均一的濃度。就這樣的非選擇性的催化劑應(yīng)用方法來說，在使用期間不會(huì)接觸流動(dòng)進(jìn)入過濾介質(zhì)的廢氣物質(zhì)的過濾器表面，具有類似于在使用期間要接觸廢氣物質(zhì)的過濾器位置處催化劑濃度的施加的催化劑濃度。這些非選擇性的催化劑布局技術(shù)因此是浪費(fèi)的。另外，就飽和潤濕來說，可能沒有有效利用非常細(xì)的催化劑，比如在柴油機(jī)煙塵氧化的情況，其中希望在柴油機(jī)煙塵聚集的表面上具有最高氧化活性。這是因?yàn)榉勰┐呋瘎┝Ｗ涌蛇w移進(jìn)入過濾介質(zhì)，堵塞在沒有聚集柴油機(jī)煙塵的過濾器孔和區(qū)域中。
存在個(gè)別但是相關(guān)的問題，具體關(guān)于特定過濾介質(zhì)比如纖維卷繞的過濾介質(zhì)、陶瓷纖維基紙濾器介質(zhì)等等。例如，纖維卷繞過濾介質(zhì)通常優(yōu)選通過卷曲連續(xù)纖維，例如形式為紗隨后將該纖維紗卷繞在支撐管上的工藝制備。當(dāng)變形工藝用于這樣的方法時(shí)，在該過濾介質(zhì)外面的或者外部的”部分產(chǎn)生大量的纖維“茸毛”。所述的“茸毛”可在過濾器介質(zhì)使用期間收集顆粒物質(zhì)。但是，當(dāng)該纖維卷繞過濾器浸漬進(jìn)入施加到催化劑材料的催化劑溶液或者用所述的催化劑溶液飽和時(shí)，較高濃度的催化劑溶液穿透纖維紗，僅相對較低濃度的催化劑材料沉積在外部的“茸毛”部分上，其中催化劑可最有效地接觸廢氣物質(zhì)(例如顆粒物質(zhì))。
本發(fā)明方法的實(shí)施方式可以是對已知的催化過濾器制造工藝的改進(jìn)，包括以將大多數(shù)催化劑放置在，或者僅放置在使用期間廢氣物質(zhì)(例如顆粒物質(zhì)、NOx等)聚集的過濾器介質(zhì)的有效表面上的方式施加催化劑材料，或?qū)⒋呋瘎┓胖迷趶U氣物質(zhì)接觸例如收集或者沉積的過濾介質(zhì)的位置上或附近的方式施加催化劑材料，或者兩者。在該上下文中，術(shù)語過濾器介質(zhì)“位置”和“表面”意思是構(gòu)造面，比如纖維、泡沫或者陶瓷結(jié)構(gòu)、紙纖維等等的表面。這意思是更少的催化劑總的說來需要位于該過濾介質(zhì)上，較少量的催化劑放置在廢氣物質(zhì)不會(huì)收集、沉積或者與其他接通的過濾介質(zhì)的位置處，即被浪費(fèi)。結(jié)果是過濾器在去除和催化廢氣物質(zhì)比如在再生期間具有相同或者類似的效力，同時(shí)減少了實(shí)現(xiàn)有效催化功能需要的催化劑的總量。
在本發(fā)明方法的典型的實(shí)施方式中，通過懸浮、分散或者其他方式將催化劑材料放置在氣體(例如空氣、惰性氣體、或者任何其他適當(dāng)?shù)臍鈶B(tài)介質(zhì))中以致形成氣態(tài)催化劑分散體從而將催化劑材料沉積在過濾器介質(zhì)上。氣態(tài)催化劑分散體包括通常或者均一分散在氣態(tài)介質(zhì)或者以其他方式包含于氣態(tài)介質(zhì)(例如懸浮在氣態(tài)介質(zhì)中的催化劑材料粒子)中的催化劑材料。該氣態(tài)催化劑分散體流動(dòng)進(jìn)入該過濾介質(zhì)以使氣態(tài)介質(zhì)流動(dòng)通過該過濾介質(zhì)，至少一些或者所有的催化劑材料和液體沉積在過濾介質(zhì)的表面上。沉積催化劑材料因此催化劑永久附著在過濾介質(zhì)入口表面、出口表面、內(nèi)表面或者所述表面的組合。該催化劑類型對于長期使用是保持活性的或者可以是再活化的。在氣體中的催化劑材料通過液體涂敷、通過液體攜帶或者兩者。例如，包括在流動(dòng)通過該過濾介質(zhì)氣體中的催化劑材料(a)可以溶解在液滴中，(b)可以是懸浮、分散或者其他方式位于液滴中的固體顆粒形式，(c)可以是部分或者完全涂有液體(即潤濕)的固體顆粒形式，(d)可以是部分或者完全涂有液體(即潤濕)的固體顆粒的附聚物，或者(e)可以是其組合。該液體可以是能夠被氣體流帶走并收集或者另外沉積在該過濾介質(zhì)中的任何形成(即，液滴)，催化劑材料位于液體中或者被液體攜帶。
該催化劑體系可以包括載液和催化劑材料，有或者沒有粘合劑組分。流動(dòng)通過該過濾介質(zhì)氣體中的催化劑體系接觸該過濾介質(zhì)的表面，附著到、被收集到或者另外沉積在，該過濾器至少一些、大多數(shù)的或者所有的那些接觸表面?？墒乖摎饬黝愃?、乃至等同于在使用期間與過濾器相關(guān)的廢氣流條件，在使用期間以使催化劑材料被收集或者沉積在廢氣物質(zhì)(例如顆粒物質(zhì)、NOx等)同樣聚集和/或接觸地方處的過濾介質(zhì)中。因此焙燒、燒結(jié)或者焙燒和燒結(jié)含沉積催化劑材料的過濾介質(zhì)以使催化劑永久地附著到該過濾介質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明方法的其他實(shí)施方式，為了制造催化過濾介質(zhì)，通過(例如溶解、懸浮、分散或者其他方式包含于)一個(gè)或多個(gè)液滴的攜帶將催化劑材料包入氣體流中。這些含催化劑材料的液滴然后包含于流動(dòng)通過該過濾介質(zhì)的氣體，或者被其攜帶。希望在氣態(tài)催化劑分散體流動(dòng)進(jìn)入該過濾介質(zhì)之前、期間或者之后加熱過濾介質(zhì)、氣態(tài)介質(zhì)、催化劑材料、液體或者其組合。該加熱足以引起反應(yīng)導(dǎo)致催化劑材料沉積在過濾介質(zhì)的表面，從而永久附著于至少一些、大多數(shù)的或者所有的過濾介質(zhì)希望的內(nèi)表面和/或外表面。在一個(gè)特定實(shí)施方式中，液體任選在沉積在過濾介質(zhì)表面上之前、期間或者不久以后至少部分干燥(例如通過加熱、減少環(huán)境氣體的濕度等)。干燥可減少液體量或者除去液體，在沉積以后通過防止或者至少減少催化劑材料的流動(dòng)性從而改進(jìn)催化劑在過濾介質(zhì)上的安置。在過濾器介質(zhì)之內(nèi)預(yù)定位置處沉積的載液的液滴可以快速干燥，因此在其中的催化劑在催化劑材料首先接觸或者沉積地點(diǎn)位置上或附近固定，在干燥之前沒有機(jī)會(huì)移動(dòng)或者遷移到過濾器上不同的位置，其中該催化劑基于在使用期間催化劑接觸廢氣物質(zhì)(例如顆粒物質(zhì)、NOx等)減少的可能性，而效率更差。任選，催化劑體系可以包括粘合劑組分以促進(jìn)催化劑材料固定在基本上催化劑材料首先接觸過濾介質(zhì)表面的位置處或附近。選擇粘合劑組分以包括催化特征。另外同樣可選擇該催化劑材料以包括粘結(jié)性能。
過濾器介質(zhì)中催化劑的安置受含催化劑材料液滴性能的影響。這樣的性能可以包括液滴的液體含量(即固體與液體比率)、液滴的尺寸、液滴的密度、當(dāng)它碰撞時(shí)液滴的粘貼傾向(即其粘著劑)。一般說來，例如已經(jīng)發(fā)現(xiàn)較大的液滴往往不像較小液滴那樣深度進(jìn)入給定的過濾介質(zhì)中，而微小的液滴尺寸往往能穿透更深處進(jìn)入該過濾介質(zhì)。因此，通過控制液滴尺寸特定催化劑材料可更深或者更淺地放置進(jìn)入過濾器介質(zhì)中。可使用的液滴尺寸包括直徑小于約15微米、小于約10微米、小于約5微米或小于約2微米的液滴。另外，當(dāng)首次與過濾介質(zhì)的表面接觸時(shí)，乃至在多次接觸以后，較干的液滴(即具有更高固體與液體比例的液滴)很少會(huì)粘住。因此，干燥該液滴(即減少其液體含量)使液滴能夠從表面到表面迅速移動(dòng)并在粘住之前移動(dòng)進(jìn)入更深處的過濾介質(zhì)。
同樣，預(yù)期在本發(fā)明范圍之內(nèi)通過在過濾介質(zhì)中機(jī)械捕集固體催化劑物質(zhì)粒子從而在過濾器介質(zhì)中安置催化劑。該安置機(jī)制(即機(jī)械捕集)更依賴于催化劑粒子尺寸和形狀對過濾器收集產(chǎn)生的影響，而不太依賴催化劑粒子尺寸和形狀對于催化劑材料顆粒與過濾介質(zhì)的粘著性產(chǎn)生的影響。該安置機(jī)制可單獨(dú)使用，或者與上面描述的催化劑安置機(jī)制結(jié)合使用(即粘合機(jī)理)。
本發(fā)明的催化劑體系可包括一種或多種在載液中的催化劑材料。選擇催化劑材料為能導(dǎo)致適于特定應(yīng)用催化劑的任何類型的物質(zhì)或者化學(xué)物質(zhì)。該催化劑對于長期使用可以是保持活性的或者可以是再活化的類型。在某些實(shí)施方式中，催化劑體系可以包括有效將催化劑材料粘著到過濾介質(zhì)上的粘合劑組分。該粘合劑組分可顯示或者可能不顯示催化特征。當(dāng)該粘合劑組分功能主要作為催化劑時(shí)，它可以被看作是粘合的催化劑材料。
該載液可以是適于懸浮或者以其他方式放置在氣體(例如空氣、惰性氣體或者其他適當(dāng)?shù)臍鈶B(tài)介質(zhì))中的液滴形式，當(dāng)氣體流動(dòng)通過該過濾介質(zhì)時(shí)被氣體載帶，因此該液滴被收集或者沉積在過濾介質(zhì)中。該催化劑材料、粘合劑組分或者兩者可以是(a)溶解在液滴中，(b)為懸浮或者分散在該液滴中的固體顆粒形式，(c)為涂有該液體的固體顆粒形式，(d)為涂有該液體的固體顆粒附聚物，或者(e)其組合。
該液體往往是導(dǎo)致含催化劑材料液滴在與一種或多種過濾介質(zhì)表面接觸以后，在過濾介質(zhì)表面上初始粘著或者安置(即浸濕)。該液滴是帶電荷的因此被靜電吸引到該過濾介質(zhì)。該粘合劑元件剛一接觸液滴與過濾介質(zhì)就被吸附在該過濾介質(zhì)上，因此增加了液滴與該過濾介質(zhì)的粘著。另外，或另一個(gè)辦法，可以選擇一種或多種粘合劑組分以使干燥、煅燒、燒結(jié)或者其組合處理之后，催化劑材料被結(jié)合在適當(dāng)?shù)奈恢茫荒芤苿?dòng)或者遷移通過該過濾介質(zhì)。選擇粘合劑組分的化學(xué)作用以使其具有與過濾介質(zhì)與催化劑化學(xué)作用強(qiáng)的親合性，因此可使催化劑更好地附著到過濾介質(zhì)上。
根據(jù)本發(fā)明，催化劑很可能施加或者置于過濾器介質(zhì)上，其中在使用期間，廢氣物質(zhì)(例如顆粒物質(zhì)、NOx等等)被收集或者沉積，或者相反與該催化劑接觸。同時(shí)，該催化劑很少會(huì)被施加或者放置在廢氣物質(zhì)不被收集或者沉積或者相反與該催化劑接觸處的過濾介質(zhì)位置上。因此，較高濃度的催化劑將施加或者置于過濾器介質(zhì)上的其中在使用期間，廢氣物質(zhì)(例如顆粒物質(zhì)、NOx等等)被收集或者沉積，或者相反與該催化劑接觸的位置處，相對較低濃度的催化劑，或沒有催化劑將施加或者置于過濾器介質(zhì)上的其中在使用期間，廢氣物質(zhì)(例如顆粒物質(zhì)、NOx等等)不會(huì)被收集或者沉積，或者相反與該催化劑接觸的位置處。以這種方法，該催化劑，通常是催化過濾器的昂貴組分沉積是更加有成本效率的，更少的催化劑浪費(fèi)。得到的過濾介質(zhì)可以使不同濃度的催化劑通過，對于位于過濾介質(zhì)處比較高濃度的催化劑，在使用期間，廢氣物質(zhì)很可能接通，對于位于過濾介質(zhì)處相對低濃度的催化劑或者沒有催化劑，在使用期間，廢氣物質(zhì)很少會(huì)接通。以這種方法，該催化劑將會(huì)按照希望的濃度梯度通過部分或者全部的過濾介質(zhì)進(jìn)行分配。例如，較高濃度的催化劑位于廢氣進(jìn)入該過濾介質(zhì)的表面處，而較低濃度的催化劑或者沒有催化劑位于廢氣離開該過濾介質(zhì)的表面處。
在標(biāo)準(zhǔn)催化劑飽和潤濕施加方法中，大量的催化劑被施加到纖維基過濾器(例如無機(jī)纖維卷繞的過濾器、陶瓷纖維基紙濾器等等)以保證催化劑保持在過濾器的活化部分上。除額外催化劑的成本之外，過度的涂敷使纖維脆變。然而，對于本發(fā)明，一定百分?jǐn)?shù)或者部分的纖維表面可以被催化劑覆蓋，因此留下足夠的沒有催化劑的纖維表面，那么纖維主體可以保持它的撓性。換句話說，本發(fā)明可以使催化劑沿著纖維長度分配作為離散的區(qū)域及非連續(xù)涂層。例如，纖維表面可以散布著催化劑材料。
通過允許使用催化劑材料與較少的粘合劑組分以實(shí)現(xiàn)有效的催化活性，本發(fā)明可提供具有較高過濾能力的過濾器，因?yàn)樵撌褂玫拇呋瘎┎牧吓c粘合劑組分占據(jù)過濾器的孔隙空間。通過引入這樣的物料減少過濾器中的開放區(qū)以減少過濾器的容量并不希望地增加了過濾器的背壓。通過利用本發(fā)明減少放置在過濾器上催化劑及其他催化劑體系組分(例如粘合劑組分)的量導(dǎo)致增加孔隙空間及過濾能力。
而且，過濾器的實(shí)施方式包括再生機(jī)制(例如整合到過濾器介質(zhì)的加熱元件)，為最佳化再生能力，利用本發(fā)明的方法可增強(qiáng)位于過濾器中的催化劑濃度(例如位于加熱元件或者在其附近)。以這種方法，本發(fā)明例如可在加熱元件和催化劑之間實(shí)現(xiàn)較好的傳熱，因此降低再生需要的能量。
本發(fā)明預(yù)期包括催化劑的過濾介質(zhì)和過濾器優(yōu)先安置在催化劑與流動(dòng)進(jìn)入過濾介質(zhì)的廢氣物質(zhì)接觸處的過濾器介質(zhì)上。例如，催化劑可位于在使用期間顆粒物質(zhì)將要聚集的過濾介質(zhì)的那些部分中，并進(jìn)行濃縮。較少的催化劑(即較低數(shù)量和濃度的催化劑)可位于較少粒子聚集或者濃縮的過濾介質(zhì)的部分。在較小的污垢沉積物上，優(yōu)選在顆粒物質(zhì)將要聚集的過濾介質(zhì)的部分內(nèi)，過濾器具有位于接觸顆粒物質(zhì)的過濾介質(zhì)表面的并濃縮的催化劑，在那些沒有接觸顆粒物質(zhì)表面處沒有催化劑或者有較低濃度的催化劑。根據(jù)本發(fā)明制備的過濾器的實(shí)施方式，相對于通過其它的技術(shù)比如包括飽和潤濕的那些技術(shù)制造的過濾器可顯示同等的或者優(yōu)選改進(jìn)的性能特性，正如本發(fā)明也允許總量減少的催化劑位于過濾器上。
過濾介質(zhì)可任選包括它們截面厚度不同的區(qū)域或者部分，其具有不同的催化劑或者不同濃度的相同或者不同的催化劑。選擇不同的催化劑以與不同的顆?；蛘邭鈶B(tài)物質(zhì)起反應(yīng)。不同的催化劑可位于在過濾介質(zhì)不同位置處的過濾介質(zhì)上，例如厚度范圍，其中發(fā)生不同的反應(yīng)。例如，兩種不同的催化劑可被包含到過濾介質(zhì)中，其中一種催化劑可有效催化第一種廢氣物質(zhì)反應(yīng)以生成反應(yīng)產(chǎn)物，第二催化劑有效催化反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)以再生成另外的反應(yīng)產(chǎn)物?；蛘?，基于催化劑有效催化的廢氣物質(zhì)的尺寸，不同的催化劑可位于過濾介質(zhì)不同的部分。例如，一種催化相對大量收集在過濾介質(zhì)表面處或者附近的反應(yīng)物的催化劑，可位于過濾介質(zhì)表面處或者附近。另外，一種催化相對較少的將要流進(jìn)入過濾介質(zhì)深處反應(yīng)物的催化劑，可位于在過濾介質(zhì)之內(nèi)的深處位置。本發(fā)明的方法不管催化劑粒子大小，甚至在催化劑粒子基本上相同大小以及微細(xì)的情況下，能夠選擇性的安置活性催化劑。本發(fā)明也預(yù)期過濾介質(zhì)特別是以一種反映在使用期間廢氣物質(zhì)(例如顆粒物質(zhì))聚集濃度分布的方式，顯示一種或多種催化劑越過過濾介質(zhì)厚度的一個(gè)或多個(gè)部分的濃度梯度。本發(fā)明的過濾介質(zhì)在一個(gè)表面可具有高濃度的催化劑，在越過過濾器厚度不同的位置具有較低濃度的催化劑，比如在內(nèi)部位置或者比如在另外的過濾介質(zhì)表面。在本發(fā)明上下文，過濾器“表面”指過濾介質(zhì)的外表面區(qū)域。例如，第一表面是進(jìn)口表面，其中氣體與/和粒子流進(jìn)入過濾介質(zhì)，另一個(gè)表面是出口表面，其中氣體與/和粒子流離開過濾介質(zhì)。更具體地說，過濾器可在過濾介質(zhì)進(jìn)口表面具有高濃度的催化劑，以及在流過過濾介質(zhì)厚度方向上(或者在使用期間與氣體流相反的方向)濃度逐漸地以及連續(xù)減少(例如線性的或者相反)。例如，較低濃度的催化劑可存在于過濾介質(zhì)內(nèi)表面，更低濃度的催化劑可存在于過濾介質(zhì)的出口表面?；蛘撸跏紳舛却嬖谟谶^濾介質(zhì)的進(jìn)口表面，而且在過濾介質(zhì)的內(nèi)部點(diǎn)濃度可減少到零；在出口表面處的濃度也將會(huì)是零。本發(fā)明能夠甚至在其中所有的催化劑粒子為微細(xì)大小的情況下實(shí)現(xiàn)這樣的梯度。這種例如非常細(xì)微粒的濃度梯度被認(rèn)為是不同于通過施加飽和法得到的相似尺寸催化劑的濃度分布圖，因?yàn)椋ǔｏ柡头ㄔ谶^濾介質(zhì)兩面上放置類似濃度的催化劑，以及較小粒子穿透過濾介質(zhì)，而僅較大的粒子保持在過濾介質(zhì)表面上。因此，飽和法通常不希望地導(dǎo)致最微細(xì)以及最大活性的高表面積催化劑粒子被嵌入過濾介質(zhì)中，較大的活性較差的催化劑粒子存在于過濾介質(zhì)表面上。
本發(fā)明的一方面涉及制造過濾介質(zhì)的方法。該方法包含通過將催化劑材料包括在經(jīng)過過濾介質(zhì)的氣流中從而將催化劑沉積在過濾介質(zhì)中，以使包含于流動(dòng)經(jīng)過過濾介質(zhì)氣體中的催化劑材料收集或者以另外方式沉積在過濾介質(zhì)上。
本發(fā)明另外的方面涉及一種將催化劑應(yīng)用到過濾介質(zhì)的方法。該方法包含使載帶催化劑材料的液滴流入過濾介質(zhì)，其中該液滴接觸過濾介質(zhì)的一個(gè)或多個(gè)表面，以及附著于鄰近接觸點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)過濾介質(zhì)表面。
本發(fā)明另外的方面涉及一種將催化劑應(yīng)用到過濾介質(zhì)的方法。該方法包括提供過濾介質(zhì)、在使用期間確定沉積在過濾介質(zhì)上粒子(例如煙塵)的濃度分布，以及將催化劑材料施加到過濾介質(zhì)中產(chǎn)生反映粒子濃度曲線的催化劑濃度曲線。催化劑材料是與在使用期間沉積在過濾介質(zhì)上粒子尺寸相同或者不同的粒子。
本發(fā)明又一個(gè)方面涉及一種過濾介質(zhì)，含有催化流動(dòng)進(jìn)入過濾器廢氣物質(zhì)反應(yīng)的催化劑。該過濾介質(zhì)具有厚度，其中沿著厚度在一個(gè)位置上有第一催化劑材料，沿著該厚度在第二位置有第二催化劑材料。選擇沿著該厚度第一以及第二催化劑的位置以相應(yīng)于其中在使用期間位于該過濾介質(zhì)中要被催化的廢氣物質(zhì)的位置。
本發(fā)明再一另外的方面涉及一種過濾介質(zhì)，含有催化流動(dòng)進(jìn)入該過濾介質(zhì)廢氣物質(zhì)反應(yīng)的催化劑，其中越過過濾介質(zhì)厚度的催化劑濃度分布反映，當(dāng)在過濾介質(zhì)使用期間粒子沉積在過濾介質(zhì)上或者被過濾介質(zhì)收集時(shí)，要催化廢氣物質(zhì)粒子的濃度分布。
本發(fā)明另外的方面涉及一種適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置的催化過濾介質(zhì)。該過濾介質(zhì)包含一種適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置的多孔體、位于多孔體中的濃縮催化劑材料，其中流動(dòng)進(jìn)入過濾介質(zhì)要催化的物質(zhì)接觸該催化劑材料。該過濾介質(zhì)包含一種位于過濾介質(zhì)中的低濃度催化劑材料，其中要催化的物質(zhì)流動(dòng)進(jìn)入該過濾介質(zhì)不接觸該多孔體。
本發(fā)明另外的方面涉及一種適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置的催化過濾介質(zhì)，其中該過濾介質(zhì)具有厚度，以及包含催化流動(dòng)進(jìn)入該過濾介質(zhì)廢氣粒子反應(yīng)的催化劑材料。該過濾介質(zhì)具有越過厚度的催化劑材料的濃度分布曲線，反映了在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置中使用過濾介質(zhì)期間當(dāng)廢氣粒子沉積在過濾介質(zhì)上時(shí)的廢氣粒子的濃度分布曲線。
本發(fā)明再一個(gè)另外的方面涉及一種過濾介質(zhì)，在過濾介質(zhì)進(jìn)口表面具有一定濃度的催化劑，在過濾介質(zhì)內(nèi)表面位置具有較低濃度的催化劑，以及在過濾介質(zhì)出口或者出口表面具有甚至更低濃度的催化劑。甚至在催化劑材料是微細(xì)粒子情況下，沿著流過過濾介質(zhì)的方向濃度逐漸地以及連續(xù)減少。粒子的主要尺寸小于100納米，乃至50納米，可以這種方法分配。對于這樣的微粒催化劑體系，該曲線區(qū)別于通過飽和潤濕施加催化劑得到的曲線，因?yàn)轱柡蜐櫇窦夹g(shù)將催化劑材料以類似濃度置于表面進(jìn)口以及出口，以及因?yàn)閷τ陲柡图夹g(shù)，粒子穿透過濾介質(zhì)表面，在介質(zhì)中根據(jù)粒子尺寸分離，其中微粒通常穿透介質(zhì)，僅較大的粒子留存在介質(zhì)表面上。
本發(fā)明另外的方面涉及一種通過將催化劑沉積在過濾介質(zhì)上制造過濾器的裝置。該裝置包括用于發(fā)生氣體流的氣體流發(fā)生組件，用于在氣體流中安置過濾介質(zhì)的連接裝置組件，用于在氣體接觸過濾介質(zhì)以前將催化劑材料引入氣體流的催化劑材料引入組件。
本發(fā)明另外的方面涉及一種催化劑體系，含有載帶催化劑材料的載液液滴，該液體有效地使液滴首先附著于、或者浸濕在過濾介質(zhì)的表面上，同時(shí)該液滴分散在通過過濾介質(zhì)的氣流中。
“干燥”指除去大于90wt％的載液，包括溶劑(例如水)；“焙燒”指加熱到至少一種溫度，在所述的溫度下除去存在于干燥的底物中任何留存揮發(fā)物(包括所有的有機(jī)材料以及水)，伴隨任何可能存在的陶質(zhì)前體材料轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傺趸?；以及“燒結(jié)”指加熱到至少一種溫度，在所述的溫度下在焙燒底物的接觸陶質(zhì)粒子之間形成化學(xué)鍵，通常導(dǎo)致強(qiáng)度以及密度增強(qiáng)。
焙燒以及燒結(jié)連續(xù)進(jìn)行或者在大約同時(shí)進(jìn)行，取決于焙燒以及燒結(jié)的溫度以及在所述溫度下的時(shí)間。例如，在施加催化劑材料以后，或者在干燥包含催化劑材料的過濾介質(zhì)以后，通過直接燒結(jié)過濾介質(zhì)免去另外的焙燒。焙燒與/和燒結(jié)可在還原劑存在下進(jìn)行(例如氣體)以促進(jìn)形成還原相的催化劑(例如金屬催化劑)。
附圖簡述

圖1說明根據(jù)本發(fā)明制備典型的過濾介質(zhì)的方法的實(shí)施方式。
圖2說明根據(jù)本發(fā)明制備典型的過濾介質(zhì)的方法另外的實(shí)施方式。
圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式制備的典型的過濾介質(zhì)的截面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明另外的實(shí)施方式制備的典型的過濾介質(zhì)的截面圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明另外的實(shí)施方式制備的典型的過濾介質(zhì)的截面圖。
圖6說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式，在氣流方向越過典型的過濾介質(zhì)厚度的催化劑材料濃度分布曲線。
圖7說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式，在氣流方向越過另外的過濾介質(zhì)厚度的催化劑材料濃度分布曲線。
詳細(xì)說明本發(fā)明涉及一種制造過濾器、過濾介質(zhì)、過濾器芯子、其它的過濾器產(chǎn)品等等的方法，包括將催化劑沉積在過濾介質(zhì)上；催化劑組分具有一經(jīng)接觸粘著到過濾介質(zhì)的漸變的粘著劑，以及包括載液以及可包括粘合劑組份；以及涉及過濾介質(zhì)、過濾器芯子、過濾器及其他過濾器產(chǎn)品。
根據(jù)本發(fā)明的一種方法，催化劑材料包括在引導(dǎo)通過過濾介質(zhì)的氣態(tài)介質(zhì)流中。當(dāng)氣體流動(dòng)通過該過濾介質(zhì)時(shí)，包含于該流動(dòng)氣體以及被其攜帶的催化劑材料沉積在過濾介質(zhì)上或者在過濾介質(zhì)中，例如表面(意思是過濾介質(zhì)的構(gòu)造面比如纖維、細(xì)條等等)、裂隙、表面交叉(例如重疊纖維的部位)或者任何其它的過濾介質(zhì)的位置。“沉積”意思是粘到表面上、被過濾器收集或者以另外方式阻止氣體流通過該過濾介質(zhì)。有利地，催化劑材料可收集或者以另外方式沉積在過濾介質(zhì)上或者之內(nèi)的位置或者表面，其中催化劑可被有效使用，例如其中在使用期間，要催化的物質(zhì)接觸過濾介質(zhì)上的催化劑，進(jìn)行包括該物質(zhì)的催化反應(yīng)。
與通過飽和、浸漬或者噴霧在過濾介質(zhì)上安置催化劑材料的方法相對比，本發(fā)明描述的方法基于越過過濾介質(zhì)產(chǎn)生的壓差，引起包含催化劑材料氣體流通過該過濾介質(zhì)以使催化劑材料被有效過濾，從氣體中除去，而載帶該催化劑材料的氣體流動(dòng)通過該過濾器。含催化劑材料氣體流動(dòng)進(jìn)入該過濾器；通過過濾器從氣體中除去催化劑材料，有利地沉積在其中在過濾器使用期間催化劑接觸流動(dòng)通過過濾器同時(shí)被氣體攜帶的其它物質(zhì)位置的過濾介質(zhì)上；以及過濾的氣體流動(dòng)離開過濾器，從氣體中除去催化劑材料。
壓差可能是“正的”或者“負(fù)的”，因此載帶催化劑材料的氣體流基于優(yōu)選或者應(yīng)用可在任何一個(gè)方向通過該過濾器。例如，利用正向流催化劑材料可沉積在該過濾器的一個(gè)面(即部分或者區(qū)域)上，意思是在過濾器使用期間在氣流通過該過濾器的方向流動(dòng)。利用負(fù)壓力產(chǎn)生的逆流，不同濃度或者類型的催化劑材料可以沉積在過濾器的另一側(cè)。
所希望的選擇壓差的量級以提供有用的結(jié)果。通常，優(yōu)選的壓差是也可在使用期間其中顆粒物質(zhì)接觸或者被收集或者沉積的位置處的過濾介質(zhì)中或者上收集或者沉積催化劑材料的壓差。作為壓差一般量級的一個(gè)例子，壓差可能接近在過濾器使用期間通過過濾器得到的經(jīng)驗(yàn)壓差。對于柴油機(jī)微粒過濾器，在使用期間經(jīng)驗(yàn)典型的壓差通常大約為20kPa或更少，達(dá)到典型最大的40kPa。
用于將包含催化劑材料的載液載帶進(jìn)入該過濾介質(zhì)的氣體可以是任何能夠如此載帶載液以及催化劑材料的氣態(tài)介質(zhì)?？山邮艿臍怏w可以包括空氣、氮、二氧化碳、氬氣或者其一種或多種的混合物。如果希望使用還原步驟以從催化劑前體形成催化劑，氫與惰性載氣或者比如氬氣或者氮的氣體的混合物可以使用。
催化劑材料可能采取任何形式，比如溶解的液體，或者可以被分散、懸浮、或者以另外方式包含于液體或者氣體中的固體顆粒。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解顆粒以及可溶解的(可溶的)催化劑材料有不同的變化，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明描述的方法，能夠?qū)⒛切┎煌兓墓腆w以及液體催化劑材料應(yīng)用到過濾器產(chǎn)品。
通常，固體催化劑粒子可以是任何大小，可以沉積在過濾介質(zhì)上，而且此后有效作用催化流動(dòng)通過過濾介質(zhì)的物質(zhì)。通常人們要求的是催化劑粒子具有相對小的尺寸，同時(shí)保持高催化活性。這可提供每單位重量催化劑盡可能多的催化劑活性中心，以使催化劑響應(yīng)最大化，以及昂貴的催化劑材料需要的量最小化。具體的固體催化劑粒子的尺寸取決于許多的因素，比如反應(yīng)的物質(zhì)類型(例如氣態(tài)或者固體)、催化劑材料每一種的化學(xué)作用以及催化劑上要反應(yīng)的物質(zhì)，及其他與過濾介質(zhì)以及它的結(jié)構(gòu)以及預(yù)定的用途相關(guān)的變量。對于催化劑以及催化劑過濾器領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，固體催化劑粒子典型的尺寸理解為尺寸有時(shí)為約10納米～約20微米，更通常的范圍為約20納米～約3微米。在相對較大催化劑粒子情況下，比如在微米范圍的粒子，通過物理收集在過濾器的小孔或者空隙中，粒子可以放置在過濾介質(zhì)上。在相對小的催化劑粒子情況下，比如在次微米范圍以下到納米粒子范圍的粒子，在施加包含或者懸浮在流動(dòng)通過過濾介質(zhì)氣態(tài)介質(zhì)中的液滴(例如氣溶膠液滴)中微粒的分散體形式的催化劑材料期間，通過吸附過程或者通過蒸發(fā)沉積作用，粒子可以附著到過濾介質(zhì)，例如過濾介質(zhì)的表面。根據(jù)吸附技術(shù)，粒子可以被包含在液滴中，通過將液滴通過過濾器使液滴附著于過濾介質(zhì)表面。液滴一經(jīng)與過濾器接觸附著于那個(gè)位置。希望載帶催化劑材料(例如小的催化劑粒子)的液滴在過濾介質(zhì)表面上展開。液滴的漫流引起催化劑材料(例如小的催化劑粒子)沉積在過濾介質(zhì)表面較大的區(qū)域上。例如通過添加少量表面活性劑比如涂料領(lǐng)域已知的潤濕劑，可以促進(jìn)液滴在過濾介質(zhì)表面上的如此展開。
潤濕劑可以包括降低液滴表面張力以促進(jìn)展開的分子、聚合物以及表面活性劑。適當(dāng)?shù)姆肿拥睦涌梢园ù家约坝袡C(jī)胺。適當(dāng)?shù)拇嫉睦影ù急热绠惐?、乙醇、叔丁醇、丁醇、丙醇、仲丁醇及其他具有至少中等水溶解度的醇。適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)胺的例子包括具有至少一個(gè)連接其上的有機(jī)物部分的季有機(jī)胺的硝酸鉀以及鹵化物鹽，其中有機(jī)物部分包含大于兩個(gè)碳長度的碳鏈。水可溶性聚合物以及大分子比如那些具有羥基、羰酸酯基、環(huán)氧乙烷或者環(huán)氧丙烷鍵、氨基官能度、磺化基、磷酸基、氨基官能度、或者水溶性的環(huán)狀基團(tuán)比如吡咯的那些也可用作潤濕劑。典型的表面活性劑可能包括非離子型表面活性劑(例如山梨糖醇酐脂肪酸酯、聚氧化乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯、以及聚氧化乙烯硬脂酸鹽)以及陰離子表面活性劑(例如磺琥辛酯鈉、十二烷基硫酸鈉以及十二烷基苯磺酸鈉鹽)。商業(yè)可獲得表面活性劑包括非離子型表面活性劑例如Uniqema(Bridgewater，New Jersey)以商品名″SPAN″、″TWEEN″以及“MYRJ″市場銷售的那些；BASF Corporation(Mount Olive，New Jersey)以商品名″PLURONIC″以及″TETRONIC″市場銷售的那些；以及陰離子表面活性劑，例如Stepan Company(Winnetka，Illinois)以商品名″POLYSTEP″市場銷售的那些，及Rhodia，Inc.(Cranbury，New Jersey)以商品名“ALIPAL″市場銷售的那些。
潤濕劑的類型以及濃度通常取決于使用的催化劑材料(即催化劑粒子、催化劑前體粒子、溶解催化劑前體以及其混合物)的性質(zhì)以及希望的催化劑特性。例如，陽離子的潤濕劑往往吸附在陰離子催化劑物質(zhì)上，以及陰離子型濕潤劑往往吸附在陽離子催化劑物質(zhì)上。如果這樣的吸附可以發(fā)生，則可以發(fā)生催化劑材料的絮凝，導(dǎo)致催化劑的非均勻分散體，及較少的催化劑表面區(qū)域，這降低了催化活性。因此，通常對于主要含有陽離子催化劑材料的催化劑材料，陽離子的潤濕劑優(yōu)于陰離子型濕潤劑，以及同樣地，對于主要含有陰離子催化劑材料的催化劑材料，陰離子型濕潤劑是優(yōu)選的。另外，使用小的醇分子比如乙醇、丁醇或者甲醇作為潤濕劑對于許多催化劑體系可以產(chǎn)生良好的展開性能，但是在某些情況下，它們可以導(dǎo)致可溶的催化劑前體的沉淀(例如當(dāng)可溶的催化劑前體物質(zhì)具有低醇溶解度，以及使用太多的醇時(shí))，或者導(dǎo)致催化劑粒子和/或者催化劑前體粒子的絮凝(例如當(dāng)醇使靜電穩(wěn)定了的催化劑分散體不穩(wěn)定時(shí))。
催化劑以及催化劑前體材料取決于希望的催化特性可以是單相的或者多相的。該催化劑粒子以及催化劑前體粒子可以包括有或者沒有內(nèi)部孔隙的粒子。該催化劑粒子以及催化劑前體粒子可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的以及理解的方法處理并以希望尺寸提供，例如通過磨碎成細(xì)粉末并過濾到希望尺寸。
依照要求可以選擇溶解或者粒子形式的施加到過濾介質(zhì)的催化劑材料量，這取決于充分理解的因素比如催化劑材料的化學(xué)類型、其預(yù)定的應(yīng)用(例如清潔柴油機(jī)排出氣流的催化過濾器)、催化劑粒子的尺寸、選擇的過濾介質(zhì)及其它的因素。催化劑材料可以通常是任何類型的催化劑材料，所述的催化劑材料用于包括催化劑施加到過濾器介質(zhì)的應(yīng)用場合?；谂c預(yù)定的過濾器用途、過濾介質(zhì)類型等等有關(guān)的因素選擇催化劑化學(xué)。用于某些排氣過濾應(yīng)用場合的任何各種各樣不同的催化劑化學(xué)作用對于催化劑體系、過濾介質(zhì)和本發(fā)明方法是有用的。
根據(jù)本發(fā)明的催化劑體系的一個(gè)例子包括載液和包含可溶金屬的粘合劑組份，及分散金屬氧化物催化劑和/或分散金屬氧化物催化劑前體。液體組分通?？梢宰鳛楣腆w催化劑、催化劑前體粒子、溶解催化劑、溶解催化劑前體或者其它的溶解物種的載體，可以有效地使液滴或者催化劑粒子剛一接觸就首先附著于過濾介質(zhì)，并任選阻止、減少或者最小化在初次接觸以后該催化劑材料的遷移。選擇該包含可溶的金屬的粘合劑組份或者物種以使催化劑材料粘合到過濾介質(zhì)，一經(jīng)液體干燥、焙燒和/或燒結(jié)就起活性催化劑作用，或者起粘合劑組份以及催化劑的作用。作為附帶條件，包含可溶的金屬的粘合劑組份、分散金屬氧化物以及分散金屬氧化物前體的至少一個(gè)作為活性催化劑材料。
該載液可以是任何能夠載帶催化劑的液體，例如催化劑溶解、分散、懸浮、以另外的方式包含于該載液中。優(yōu)選，如本發(fā)明描述，在應(yīng)用期間該液體還可以起作用使催化劑粘合到過濾介質(zhì)的表面上，以及阻止或者最小化從那個(gè)位置的遷移。典型的液體可以包括水或者有機(jī)液體，比如甲苯；醇比如異丙醇、甲氧基乙醇等等；酮比如甲基乙基酮；酯類；以及羧酸。載液重要的例子包括水以及簡單的醇。載液可以任選進(jìn)一步包含促使催化劑沉積在過濾介質(zhì)上的添加劑。這些可包括像從前那樣描述的潤濕劑。
相對于其它的組分，液體溶劑或者載體或者粒子上的液體涂料的量是任何可使液體實(shí)施所述的有用的量。取決于液體以及催化劑的相對量，以及催化劑的形式(例如作為粒子)，催化劑可以溶解、懸浮、或者以另外的方式包含在液體之內(nèi)，或者液體可以是固體催化劑粒子表面上的涂層形式。取決于催化劑以及液體及其他任選的組分的類型和形式，可以理解在這些一般可能性之內(nèi)非常廣泛范圍的相對量是有用的。本發(fā)明預(yù)期在各種各樣不同形式范圍內(nèi)，用于催化劑(例如“體系”)材料的組合，包括略微潤濕的粒子、包含固體催化劑材料(任選具有溶解金屬粘合劑物種)的液滴、包含類似量的固體催化劑材料以及溶解催化劑材料的液滴(任選具有溶解金屬粘合劑物種)、包含基本上比固體催化劑材料更溶解的催化劑材料的液滴(任選具有溶解金屬粘合劑物種)、包含溶解催化劑材料的液滴(任選具有其它的溶解金屬粘合劑物種)，這些任一不同的漸變等等。
如所述的討論，本發(fā)明預(yù)期利用一種液體施加催化劑材料以將催化劑材料粘合到過濾介質(zhì)的表面，不必要依賴于大的顆粒尺寸或者另外的需要過濾器收集催化劑粒子的特征。如描述的潤濕催化劑粒子或者液滴附著于過濾介質(zhì)表面的程度取決于各種各樣的因素。這些可以包括過濾介質(zhì)相對大小、形狀、化學(xué)性質(zhì)以及表面能、液體的化學(xué)性質(zhì)以及表面張力、有時(shí)催化劑粒子尺寸以及形狀以及其它的。有時(shí)，粒子附著于表面的能力可以稱為“粘著系數(shù)”，其中“粘著系數(shù)”是等于或者小于1的值，表明粒子或者液滴與過濾介質(zhì)接觸產(chǎn)生粒子或者液滴粘著到該過濾介質(zhì)上的百分比。通常，液體具有比干固體更高的粘著系數(shù)。因此，當(dāng)催化劑材料被加入液體或者包括液體時(shí)，或者當(dāng)液體涂層施加到催化劑粒子時(shí)，催化劑的粘著系數(shù)通常增加。因此優(yōu)選的是在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，當(dāng)該催化劑材料以及液體包含于通過該過濾器的氣體中時(shí)，在使用在液滴中的催化劑材料以使催化劑材料附著于過濾介質(zhì)上的希望位置。盡管干催化劑物質(zhì)粒子也可能用于本發(fā)明，但它們在本發(fā)明某些實(shí)施方式中是不太優(yōu)選的。
液體以及催化劑材料有用的組合的一個(gè)例子是包含催化劑粒子的液滴(任選以及也優(yōu)選包含溶解金屬的粘合劑組份)，其中液體與催化劑粒子的相對量是如此以至液滴可以接觸并粘合(即潤濕)到過濾介質(zhì)的構(gòu)造面，并形成大約半球形的滴、液滴或者撞擊在過濾介質(zhì)表面，同時(shí)粒子包含于該潤濕該表面的液體滴中。相信液滴中的粒子及液體的組合將提供一種液滴，當(dāng)通過本發(fā)明描述方法流動(dòng)進(jìn)入過濾器時(shí)，所述的液滴可以附著于過濾介質(zhì)表面靜止因而不再遷移。其次，優(yōu)選液體可以干燥，包含于液體中的另外的組份例如包含溶解金屬的粘合劑組份可以進(jìn)一步粘合并將催化劑材料粒子固定到那個(gè)相同位置的過濾介質(zhì)。特別地，液滴的大小，而不必要是催化劑材料粒子的大小，對催化劑材料穿透進(jìn)入過濾介質(zhì)多遠(yuǎn)產(chǎn)生巨大的影響，而且它保持在其中。該液滴可能附著于任何接觸它的表面，無論敞開表面、裂縫、孔隙壁、兩個(gè)表面的交叉等等，無須通過過濾介質(zhì)以在使用期間粒子通過過濾介質(zhì)被過濾(即較大粒子被收集在較小的孔中的方式“收集”。優(yōu)選使液滴，在其中例如柴油機(jī)灰粒在柴油機(jī)排出氣流過濾期間被收集的位置處，接觸并附著于過濾介質(zhì)表面。
優(yōu)選，根據(jù)本發(fā)明選擇催化劑材料或者液滴的粘著系數(shù)以實(shí)現(xiàn)對于具體類型過濾介質(zhì)的預(yù)期效果。例如，選擇液體(包含或者涂敷在催化劑材料)的化學(xué)性質(zhì)以主動(dòng)侵入粘合并結(jié)合到具體的過濾介質(zhì)；例如在大多數(shù)場合下，當(dāng)液滴表面的表面能比過濾介質(zhì)的表面能更低時(shí)，液滴將充分地粘合。通常，催化劑材料粒子的濕潤也將影響粘著系數(shù)，因?yàn)闈竦牧Ｗ泳哂懈叩恼持禂?shù)。因此，通過例如加熱該載氣干燥該液滴可以生成液滴，所述的液滴較小并且更少可能當(dāng)初次與過濾介質(zhì)接觸時(shí)粘貼，因此穿透進(jìn)入過濾介質(zhì)深處。用這樣的方式，該液滴以希望濃度被安置在預(yù)定位置的過濾介質(zhì)中。
可溶的金屬物種可以任何各種各樣的原因被包含在催化劑體系中，包括當(dāng)沉積在過濾介質(zhì)上起活性催化劑材料作用，或者作為粘合劑將不同的活性催化劑材料粘合到過濾介質(zhì)，作為NOx吸收器或者用于任何其它的希望或者有用的功能。該可溶的金屬物種在其載液接觸過濾介質(zhì)表面以后，并且任選當(dāng)隨后處理比如干燥、焙燒或者燒結(jié)催化劑體系時(shí)，將從液體中析出，其中它溶解形成沉積在過濾介質(zhì)表面的固體。因此，可溶的金屬物種可以用作粘合劑，當(dāng)通過干燥并且焙燒使其沉積在該過濾介質(zhì)上時(shí)，將另外的物質(zhì)(例如活性催化劑粒子)附著到該過濾介質(zhì)。通過將包含可溶金屬的粘合劑物種粘合到催化劑粒子和過濾介質(zhì)的表面(見下頁)從而粘著活性催化劑粒子。該包含可溶金屬的粘合劑組份當(dāng)沉積時(shí)可以將活性催化劑粒子固定到過濾介質(zhì)，例如纖維或者其它的載體的表面，如此催化劑被暴露，有效與顆?；蛘咂渌倪^濾介質(zhì)捕獲的廢氣物質(zhì)，或者以另外的方式進(jìn)入接觸該催化劑的廢氣物質(zhì)反應(yīng)?；蛘?，該可溶金屬物種可以沉積成為活性催化劑本身的形式。又一個(gè)可能的功能，該可溶金屬物種可以沉積形成載體，不同的活性催化劑負(fù)載于該載體上，該載體和催化劑材料可以布置在該過濾介質(zhì)上。
該包含可溶金屬的物種可以是一種或多種任何可溶金屬物質(zhì)，所述的物質(zhì)可在催化劑體系和過濾介質(zhì)中提供有效的功能。這樣的可溶金屬材料包括至少用作粘合劑組份、活性催化劑或者兩個(gè)的那些。它們可能也起作用增加其它可能的催化材料的催化活性(即，到載體)，或者相反。該可溶金屬物種(例如包含可溶金屬的粘合劑組份)可以包括例如金屬絡(luò)合物、包含金屬的納米微粒(例如金屬或者金屬氧化物納米微粒)，可能也包括純金屬鹽和前述所有的組合。
根據(jù)本發(fā)明可以用作粘合劑組分的具體類型的金屬絡(luò)合物的例子包括，例如堿金屬鹽、可溶金屬羧化物、可溶金屬醇鹽(例如部分水解醇鹽)和其組合物。根據(jù)本發(fā)明可以用作粘合劑組份的具體的金屬絡(luò)合物的例子包括具有制劑的堿金屬鹽，其中至少一部分反離子由氫氧離子代替。這樣的堿金屬鹽的通式可以表示為通式Mx+(OH)x-y(Z)y(H2O)n，其中M是金屬離子，X是金屬中心上的陽離子電荷，Z是陰離子，n是直接與絡(luò)合物配位的水分子數(shù)量。重要的例子包括氧鋯基鹽比如硝酸氧鋯和醋酸氧鋯與稀土鹽比如硝酸鈰、硝酸鑭和硝酸釔及其他金屬絡(luò)合物的混合物。根據(jù)本發(fā)明還可以用作良好粘合劑的具體的堿金屬鹽的例子包括堿金屬鹽比如堿式的鋁鹽、堿式鐵鹽、堿式的鋯鹽和堿式的鈦鹽。
我們知道納米微粒技術(shù)上的不是“可溶的”，并且沒有實(shí)際溶解。雖然如此，為了方便起見，包含金屬的納米微粒已經(jīng)包含在定義為包含“可溶”金屬的粘合劑物種組中，因?yàn)榧{米微粒極其小(例如平均直徑約為小于約50納米、或者小于約20毫微米)，雖然納米微粒沒有技術(shù)上溶解，但具有溶解金屬物種的性質(zhì)。也就是說，分散在液體中的微小的納米微粒(即膠體)，用與溶解可溶金屬粘合劑物種的同一方式可以具有將較大粒子(例如活性催化劑粒子)粘著到底物的效果。包含金屬粘合劑納米微粒的例子可以包括由金屬氧化物比如二氧化鈦、鈦酸鹽(例如鈦酸鋇)、二氧化鈰、氧化鐵、氧化礬、二氧化鋯、蒙脫土(及其他納米粘土)、無水硅酸、氧化鋁等等組成的納米微粒，及金屬比如銀、鉑、銠、金、鈀等等的納米微粒以及前述任一的組合物。
根據(jù)本發(fā)明可以用作粘合劑組份的具體的純金屬鹽的例子包括過渡金屬鹽、稀土金屬鹽以及其組合物(例如過渡以及稀土金屬硝酸鹽以及氯化物)。簡單的主族金屬鹽比如簡單的鋁鹽比如硝酸鋁以及氯化鋁可以使用，但是與堿金屬鹽或者其他金屬絡(luò)合物相比較是不太希望的。
一些可溶金屬粘合劑物種在沉積在過濾介質(zhì)表面上，以及干燥、焙燒或者燒結(jié)以后還可以作為催化活性物質(zhì)。用這樣的方式形成活性催化材料的可溶金屬粘合劑物種的例子可以包括一種或多種焙燒以形成氧化物氧化催化劑的貴金屬鹽、膠態(tài)貴金屬、納米微粒金屬羥基氧化物以及氫氧化物，以及焙燒以形成氧化催化劑的金屬鹽以及絡(luò)合物。
貴金屬鹽的例子可以包括一種或多種銀、鉑、銠、金、鈀等等的硝酸鹽以及氯化物及其他可溶性復(fù)合物。用于這方面的膠態(tài)貴金屬可以包括一種或多種膠態(tài)銀、鉑、銠、金、鈀等等。
在焙燒以后形成有效的氧化催化劑的納米微粒金屬羥基氧化物以及氫氧化物可以包括一種或多種含有Al，F(xiàn)e，Ce，Cu，Mn，Ce Ni，Mg，Ba，Ca，Li，Na，K，La，Y，Zr，Nd，Yb，Zn，Si，W，Mo，V，Ti，Ga的納米微粒羥基氧化物和/或氫氧化物，以及這樣的金屬羥基氧化物以及氫氧化物的組合物以及混合物。
焙燒形成氧化催化劑的金屬鹽以及絡(luò)合物可以包括一種或多種含有Al，F(xiàn)e，Ce，Cu，Mn，Ce Ni，Mg，Ba，Ca，Li，Na，K，La，T，Zr，Nd，Yb，Zn，Si，W，Mo，V，Ti，Ga的可溶鹽以及絡(luò)合物，以及這些金屬的組合物。
根據(jù)本發(fā)明，某些簡單的或者堿金屬鹽，比如過渡金屬鹽例如堿式鐵鹽，以及簡單的銅鹽及堿式的以及簡單的鈰鹽、鈰鹽-堿式的鋯鹽混合物、稀土鹽-鈰鹽混合物、以及堿式的鋁鹽，在熱處理以后可以作為活性氧化催化劑，以及作為粘合劑組份。
相信根據(jù)本發(fā)明的包含可溶金屬的粘合劑組份，當(dāng)干燥時(shí)沉積于催化劑材料粒子以及過濾介質(zhì)表面之間的點(diǎn)上(例如，構(gòu)成至少部分該過濾介質(zhì)的纖維或者其他結(jié)構(gòu)的表面)。在該過濾介質(zhì)優(yōu)選實(shí)施方式中，該過濾介質(zhì)表面具有不加保護(hù)的羥基官能度。包含可溶金屬的粘合劑組分可以本來是具有羥基官能的，因?yàn)樽鳛榍绑w材料它們包括金屬氫氧化物鍵或者金屬氫氧化物部分，否則它們在熱形成催化劑(即干燥、焙燒和/或燒結(jié))中在有些點(diǎn)上具有羥基官能以便進(jìn)行本發(fā)明描述的結(jié)合。同樣，在優(yōu)選實(shí)施方式中，粘合劑組份可以是羥基官能的多核陽離子，比如存在于堿金屬鹽溶液或者多羥基官能納米粒子中。在干燥、焙燒或者燒結(jié)期間，這樣一種粘合劑經(jīng)歷脫水。盡管與催化劑材料粒子(例如羥基官能的催化劑材料粒子)以及過濾介質(zhì)接觸，這樣的脫水導(dǎo)致形成與催化劑材料粒子以及過濾介質(zhì)的氧化結(jié)合的形成。以這種方式，粘合劑使該催化劑材料化學(xué)結(jié)合到該過濾介質(zhì)，以及這種催化劑-過濾介質(zhì)結(jié)合是持久的以及堅(jiān)固的。用這樣的方式將催化劑粘著到過濾介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合可以在低于有些催化劑開始去活化的溫度下進(jìn)行。
固體活性催化劑可以任選并優(yōu)選與載液和包含可溶金屬的粘合劑組份組合使用。例如，金屬氧化物或者貴金屬組份例如作為固體顆粒可以被包括在催化劑體系中以提供有用的催化行為比如氧化活性、氧的儲(chǔ)存或者NOx催化作用。這樣的組分的例子包括貴金屬、貴金屬氧化物、金屬氧化物、金屬和貴金屬絡(luò)合物和貴金屬前體。這樣的原料對于催化劑和化學(xué)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員一般是熟知的，包括原料比如鉑、鈀、銠、釕、銀等等，貴金屬混合物和金屬氧化物比如CeO2、CeO2-ZrO2、V2O5、FeO、Fe2O3、PdO、CuO，鈣鈦礦比如BaTiO3，鋁酸鹽比如鋁酸鋇、鋁酸鈣和稀土鋁酸鹽，氧化鋇、氧化鎂以及其他。通常，固體活性催化劑材料可以由負(fù)載于金屬氧化物比如氧化鋁或者二氧化鈰上的貴金屬比如鉑、銠或者鈀組成。
載液和一種或多種可溶金屬物種(例如，用作粘合劑、活性催化劑、用于另外催化劑材料的載體或者其組合)和任選固體活性催化劑(例如，金屬氧化物或者貴金屬)，可以在催化劑體系中以有效沉積在過濾介質(zhì)上的任何量或者量的組合一起使用。一般而言，載液的量足以使活性催化劑有效沉積在過濾介質(zhì)上，優(yōu)選有利地位于過濾介質(zhì)表面的催化劑上，其中活性催化劑很可能接觸適當(dāng)?shù)暮嘉镔|(zhì)，或者以另外的方式被更加有效使用?？扇芙饘傥锓N的量要足以滿足其預(yù)期功能，例如作為載體物料、粘合劑和/或活性催化劑。該催化劑(例如貴金屬、金屬氧化物等等)以必要的量以實(shí)現(xiàn)希望的結(jié)果，例如高密度活性催化劑的選擇性位。
優(yōu)選結(jié)合成分的量足以使催化過濾器介質(zhì)起催化作用，其中在一定量的作為可溶金屬物種或者貴金屬或者金屬氧化物的活性催化劑存在下，例如氧化，特定的包括顆粒排氣物質(zhì)的物料。
根據(jù)本發(fā)明在催化劑體系中成分相對量的例子可以例如是在約40-99wt％范圍的液體組分、約0.5-25wt％可溶金屬物種、約0.5～59.5wt％貴金屬或者金屬氧化物催化劑材料，特別作為固體顆粒。通常，包含可溶金屬的粘合劑組份，當(dāng)與具有貴金屬或者金屬氧化物活性催化劑粒子組份的卷繞陶瓷纖維過濾介質(zhì)或者陶瓷纖維基紙質(zhì)過濾器介質(zhì)使用時(shí)，優(yōu)選在施加混合物中含有相對低例如約0.5～約10wt％的固體，因?yàn)榧尤胂鄬^大量的可溶金屬物種比如可溶金屬鹽，由于涂敷太多的纖維可導(dǎo)致陶瓷纖維脆變(即降低撓性)，及由于截?cái)嗤ㄏ蜻^濾介質(zhì)中顆粒的通路(即涂敷太多的〔顆?！?減少活性催化劑顆粒的催化活性。
根據(jù)本發(fā)明可以使用這些及其他組分類似的或者不同的催化劑體系。根據(jù)描述的技術(shù)，催化劑的化學(xué)或者物理性質(zhì)或者化學(xué)身份不影響催化劑沉積的總的原理(無論其是什么物理狀態(tài)或者化學(xué)身份)，優(yōu)選將催化劑放置在過濾介質(zhì)上，其中催化劑可有效地用來接觸及催化要催化的流動(dòng)通過該過濾器的物料，而且，優(yōu)選避免將催化劑安置在其中催化劑不會(huì)接觸這樣的要催化物料的位置處的過濾介質(zhì)上。
根據(jù)本發(fā)明，該過濾介質(zhì)可以包含任何用作過濾介質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，通常能夠使氣體流過該介質(zhì)，同時(shí)排氣物質(zhì)比如固體顆?；蛘邭鈶B(tài)污染物接觸沉積在過濾介質(zhì)表面上或者被其收集(例如纖維表面，包括陶瓷纖維、羊毛、紗或者紙、或者任何其它的無機(jī)纖維；胞腔、孔、或者其它的開孔或閉孔的孔泡體、蜂窩、泡沫、網(wǎng)狀物、或者基質(zhì)狀表面；不同的纖維或者表面之間形成的交叉或者裂隙；或者本發(fā)明描述的其它的過濾介質(zhì)結(jié)構(gòu))，因此從該流動(dòng)氣體中除去那些物料。不受限制，至少三種通用類別的過濾介質(zhì)可以一般確認(rèn)用于本發(fā)明的方法，包括卷繞纖維過濾器，其中纖維性的無機(jī)材料比如天然的或者合成線或者紗圍繞載體或圖樣卷繞，或者使氣體流過該圖樣及卷繞纖維的型式；折疊的卷繞陶瓷纖維基紙質(zhì)過濾器；及整體過濾器，通常形式為擠出形式為柱體或者磚形物的多孔類型的陶瓷過濾器，氣體流動(dòng)通過該整體過濾器，顆粒物質(zhì)收集或者沉積在該過濾器內(nèi)表面上。
對于任何這些類型的過濾介質(zhì)，通常然而并非必要的，過濾介質(zhì)可以包括一些類型支承結(jié)構(gòu)比如管、網(wǎng)目、金屬絲、蜂窩狀結(jié)構(gòu)、疏松結(jié)構(gòu)、非紡織品、紙等等，以及負(fù)載于支承結(jié)構(gòu)的催化物質(zhì)。通過將過濾介質(zhì)引入較大的結(jié)構(gòu)比如過濾器盒而使用一些過濾介質(zhì)，所述的過濾器盒用來引導(dǎo)氣體流動(dòng)通過該過濾介質(zhì)。
可被用于過濾介質(zhì)的材料例子包括陶瓷材料比如擠出陶瓷、陶瓷泡沫以及卷繞陶瓷纖維；其他類型的卷繞在芯上成為三維結(jié)構(gòu)的天然或者合成纖維；紙；金屬絲網(wǎng)材料；金屬泡沫；閉孔陶瓷蜂窩；開口流動(dòng)型陶瓷蜂窩；金屬蜂窩；或者其他材料。
有用的纖維卷繞過濾介質(zhì)的例子包括從旋繞芯的纖維制備的三維過濾介質(zhì)的類型，例如描述在US5,248,481、5,248,482、5,258,164、5,453,116、5,409,669、5,656,048以及5,830,250。這些專利通常描述在入口以及出口之間延伸的包含穿孔支承管的過濾盒。布置過濾器“組件”圍繞該支承管，氣體被導(dǎo)入流過該入口，通過過濾介質(zhì)以及離開出口。該過濾元件可能包括任何幾種類型的無機(jī)材料。例如無機(jī)的紗可以基本上螺旋形卷繞或者交叉卷繞在支承管上以提供該過濾元件。
其他有效的過濾介質(zhì)的例子包括陶瓷纖維基紙濾器介質(zhì)，像通常被理解為折疊的卷繞紙濾器類型，包括在2002年7月3日申請，要求2001年7月6日US臨時(shí)專利申請60/303,563優(yōu)先權(quán)的PCT/US02/21333中公開的那些。
根據(jù)本發(fā)明可以制備以及使用的過濾介質(zhì)的其他的例子包括有時(shí)通常稱為“整體過濾器”的過濾器，以及通常包括通道或者蜂窩陶瓷結(jié)構(gòu)的過濾器類型，任何哪一個(gè)都可以有利地具有根據(jù)本發(fā)明方法施加到那里的催化劑，優(yōu)選將催化劑沉積在過濾介質(zhì)上適當(dāng)位置，用于在使用期間實(shí)現(xiàn)有效的催化作用。見例如US4,652,286以及5,194,078。
任選，多于一個(gè)類型的過濾材料可以結(jié)合以形成過濾器元件或者過濾介質(zhì)。例如，在纖維卷繞類型的過濾介質(zhì)中，無紡墊可以插入在支承管之間，纖維旋繞該無紡墊以及支承管。該纖維例如可以是玻璃纖維、耐高溫的陶瓷纖維或者任何其他適當(dāng)?shù)臒o機(jī)纖維。
預(yù)期多個(gè)過濾器元件或者過濾介質(zhì)可以用于一些應(yīng)用場合。對于這樣的應(yīng)用場合，根據(jù)本發(fā)明，每一個(gè)過濾器元件或者介質(zhì)可以是催化相同的或者不同的物質(zhì)。例如，兩個(gè)或多個(gè)過濾介質(zhì)可以列成一行串聯(lián)(即，如此該排氣不得不流過每一個(gè)過濾介質(zhì))，每一個(gè)過濾介質(zhì)是相同或者不同的，根據(jù)本發(fā)明每一個(gè)過濾介質(zhì)進(jìn)行處理以包含不同的催化劑、不同的催化劑濃度或者兩者。
同樣，根據(jù)本發(fā)明任何過濾介質(zhì)可以任選包含其他組件比如加熱器(例如電熱元件、微波吸收的加熱元件等等)以促進(jìn)廢氣顆粒物質(zhì)的燒結(jié)以及過濾介質(zhì)的再生。實(shí)現(xiàn)通常，本發(fā)明的方法包括提供在氣態(tài)介質(zhì)中的催化劑，例如通過從過濾介質(zhì)的一邊到另一邊形成壓力梯度使那個(gè)氣態(tài)介質(zhì)流入過濾介質(zhì)。流動(dòng)通過該過濾介質(zhì)以及催化劑的氣態(tài)介質(zhì)被過濾介質(zhì)收集或者以另外的方式沉積在該過濾介質(zhì)上。
根據(jù)本發(fā)明各種各樣的過濾介質(zhì)、催化劑體系以及氣態(tài)介質(zhì)是有用的，包括本發(fā)明描述的那些。將一定量的催化劑引入流動(dòng)通過過濾介質(zhì)的氣體中，在計(jì)算量時(shí)間內(nèi)使包含計(jì)算量(體積)催化劑材料的氣體流過該過濾介質(zhì)，從而使希望量的催化劑被過濾介質(zhì)收集或者沉積在過濾介質(zhì)上。
對于方法的某一實(shí)施方式，含有含催化劑材料液滴的催化劑體系，或者含有潤濕催化劑材料粒子的催化劑體系，可以被引入流動(dòng)通過過濾介質(zhì)的氣態(tài)介質(zhì)中，因此該催化劑體系沉積在過濾介質(zhì)上。催化劑材料粒子通過將干燥或者干燥的催化劑材料粒子引入具有相對高濕度的氣態(tài)介質(zhì)中而“潤濕”，這樣氣態(tài)介質(zhì)中的潮濕沉積在粒子上或者潤濕該粒子。催化劑材料粒子可能同樣在被引入氣態(tài)介質(zhì)之前被“潤濕”。該催化劑體系在接觸過濾介質(zhì)表面之后附著于過濾介質(zhì)表面上并干燥，如此催化劑材料被固定到過濾介質(zhì)鄰近液滴或者潤濕粒子首先接觸到該過濾介質(zhì)的地點(diǎn)的位置，例如準(zhǔn)確地在接觸點(diǎn)或者非常接近在那附近。任選的粘合劑組份可以溶解或者以另外的方式包含于該液體中以有助于將該鄰近的催化劑材料粘著到液滴或者潤濕粒子在其上接觸的過濾介質(zhì)的希望表面。
如本發(fā)明使用，“鄰近”到接觸點(diǎn)的意思是初次接觸催化劑體系之后，催化劑材料不能遷移到本發(fā)明基本原理無效的那個(gè)位置，是將催化劑位于其中與施加催化劑的其他方法相比較催化劑更有效地被利用的過濾介質(zhì)上，尤其是在催化劑接觸要催化物質(zhì)的過濾介質(zhì)上的位置處集中催化劑的量，并將更少或者沒有催化劑位于不會(huì)使催化劑接觸要催化物質(zhì)的位置處。例如，催化劑材料可能粘住首先接觸的過濾介質(zhì)表面，并不能從過濾介質(zhì)表面彈回，或者不能從首先接觸的表面除去。雖然希望該催化劑材料剛一接觸該催化劑體系就粘合到過濾介質(zhì)表面，但是只要當(dāng)過濾介質(zhì)使用時(shí)催化劑材料保持在過濾介質(zhì)的接觸要催化物質(zhì)的區(qū)域，如果催化劑材料在含有或者沒有其締合液體的情況下直到多次接觸過濾介質(zhì)之后才能粘合，未必破壞本發(fā)明。
通常，該液滴可以包括固體或者溶解的催化劑材料，并還可以包含一種或多種有效的添加劑比如潤濕劑、粘合劑組份等等。通過任何干燥法包括加熱該過濾介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)液滴或者潤濕粒子的干燥。干燥可能在催化劑體系沉積在過濾介質(zhì)之前、之中或者之后進(jìn)行。在催化劑體系沉積在過濾介質(zhì)上之前，干燥同樣或者另外可能通過干燥(例如加熱)該催化劑材料、載液或者氣態(tài)介質(zhì)進(jìn)行。依照要求通過各種各樣的有效的或者已知的方法可以實(shí)現(xiàn)直接加熱該過濾器。除此之外或者另外地，在接觸該過濾介質(zhì)以前可以加熱液滴和/或氣態(tài)介質(zhì)流，因此干燥甚至在液滴接觸過濾介質(zhì)以前就開始，當(dāng)接觸發(fā)生時(shí)液體的干燥進(jìn)行得非常快速。加熱過濾介質(zhì)上游氣體流還可以具有有利的有效結(jié)果，當(dāng)加熱的氣體接觸該過濾介質(zhì)時(shí)，使加熱的氣體同樣加熱過濾介質(zhì)。
以多種方法焙燒如有必要燒結(jié)根據(jù)本發(fā)明用催化劑材料處理的過濾介質(zhì)。例如，使熱的氣態(tài)介質(zhì)通過過濾介質(zhì)從而加熱該過濾介質(zhì)到使催化劑粒子附著于過濾介質(zhì)、活化催化劑材料或者其組合的溫度。在該方法中，氣態(tài)介質(zhì)的溫度可根據(jù)指定的程序升高以除去所有的揮發(fā)性組分，而不破壞結(jié)合過濾介質(zhì)的催化劑。在大多數(shù)場合下，氣態(tài)介質(zhì)的溫度可以更緩慢地升高通過其中揮發(fā)物釋放的溫度范圍。該導(dǎo)致?lián)]發(fā)物釋放的溫度范圍可以通過本領(lǐng)域眾所周知的催化劑體系的熱重分析研究確定。
根據(jù)本發(fā)明的用催化劑材料處理的過濾介質(zhì)還可以在具有靜電或者強(qiáng)制氣體環(huán)境的更常規(guī)的爐子中焙燒，如有必要，燒結(jié)。這可以在箱式烘箱和爐子中實(shí)現(xiàn)，或者可以連續(xù)方式在直通爐、推板窯或者隧道窯中進(jìn)行。
焙燒和燒結(jié)可以在各種各樣的氣氛包括空氣、富氧空氣、氮、二氧化碳、氬氣等等中進(jìn)行。如果希望還原活化催化劑，使用含氫氣氛比如氬氣/氫混合物和氫/氮混合物。同樣可以通過在還原氣氛比如包含氫、肼或者其他揮發(fā)性的還原劑的氣氛中處理，還原催化劑材料，之后徹底地干燥介質(zhì)過濾器上的該催化劑體系。
快速或者迅速干燥載液導(dǎo)致防止催化劑材料在干燥之前遍及過濾介質(zhì)移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，因此提供甚至更好的催化劑材料在過濾介質(zhì)表面上的安置，以改進(jìn)并有效利用催化劑，即在使用過濾介質(zhì)期間催化劑和廢氣物質(zhì)(例如收集的顆粒物質(zhì))之間的有效接觸。另外，通過控制載帶該催化劑材料或者潤濕催化劑材料粒子的液滴(例如氣溶膠液滴)的烘干速度，過濾介質(zhì)上負(fù)載的催化劑材料的性質(zhì)可以從本質(zhì)上的顆粒變化為像薄膜的涂層。例如，如果液滴包含許多小的形式為分散體的催化劑材料粒子，該液滴允許徹底地展開，之后經(jīng)由干燥固定化，得到更連續(xù)的像薄膜的沉積物或者涂層的小的催化劑材料粒子。另一方面，在液滴沉積期間進(jìn)行干燥以開始將催化劑材料濃縮在該液滴中(即增加液滴的粘度或者變濃)，之后該液滴粘著到過濾介質(zhì)并在該過濾介質(zhì)上展開，因此不允許液滴完全的展開。在后者的情形，微?？梢孕纬韶?fù)載于過濾介質(zhì)上的附聚物結(jié)構(gòu)。如此聚結(jié)的結(jié)構(gòu)大致是球狀或者類似臺(tái)地形狀。
本發(fā)明預(yù)期過濾器具有位于過濾介質(zhì)不同部分的催化劑或者在過濾介質(zhì)不同部分之內(nèi)的催化劑。如圖3-5所示，這意思是例如催化劑可以位于過濾介質(zhì)橫截面厚度范圍不同的兩維的或者三維的部分(厚度是相對于在使用期間通過過濾器氣流的方向)，基本上類似或者均勻濃度的催化劑存在于沿著所述的厚度范圍垂直方向的過濾介質(zhì)的整個(gè)部分中?？梢愿鶕?jù)本發(fā)明通過在過濾介質(zhì)上同時(shí)、分別地或者連續(xù)沉積不同類型或者不同濃度的相同或者不同的催化劑材料，并通過利用催化劑材料、任選的液體及可使催化劑安置在過濾介質(zhì)不同的希望位置或者區(qū)域的沉積方法，制備這樣的過濾介質(zhì)。
基于在過濾介質(zhì)之內(nèi)的位置，其中在過濾介質(zhì)使用期間，要催化物質(zhì)(例如廢氣介質(zhì))可位于或者聚集在過濾介質(zhì)中，和/或其中在過濾介質(zhì)中發(fā)生特定的反應(yīng)，選擇催化劑的位置。例如，要催化的物質(zhì)可能幾乎唯一地聚集在過濾介質(zhì)的外表面及內(nèi)部接近那個(gè)表面，尤其是入口表面(即其中要催化的物質(zhì)可以進(jìn)入過濾介質(zhì))?；蛘撸谶^濾介質(zhì)兩個(gè)或多個(gè)不同的位置或者區(qū)域可能發(fā)生要催化不同的材料(例如排氣流)的反應(yīng)。例如，不同尺寸的粒子將穿透不同的距離進(jìn)入過濾介質(zhì)?；蛘撸诮到馀懦鰵饬鹘M份中有時(shí)連續(xù)發(fā)生不同的反應(yīng)，或者在包含多于一種不同的要催化化學(xué)物種的排出氣流中，其中的每一個(gè)可以通過不同的催化劑進(jìn)行催化。在過濾介質(zhì)不同的部分(即在流動(dòng)方向的深度或者厚度)安置不同的催化劑，可使不同的催化劑與要催化的不同的材料(例如不同尺寸的粒子，取決于粒子將貫穿過濾介質(zhì)多遠(yuǎn))起反應(yīng)，以及可通過第一催化劑使第一種這樣的物質(zhì)連續(xù)催化，隨后通過位于過濾介質(zhì)中下游的第二催化劑催化反應(yīng)產(chǎn)物。
作為一個(gè)例子，用來促進(jìn)揮發(fā)性烴氧化的催化劑可以沉積在過濾介質(zhì)的一部分，及不同的催化劑比如一種更活潑的氧化含碳煙塵的催化劑可以沉積在過濾介質(zhì)另外的部分。用于分解氣態(tài)組份例如揮發(fā)性烴的催化劑可以施加到過濾介質(zhì)內(nèi)部(例如下游的)的部分，例如通過在施加第二催化劑之前，及通過選擇使揮發(fā)性烴催化劑在那個(gè)內(nèi)部部分沉積并干燥的施加體系和方法。在使用期間，氣態(tài)揮發(fā)性烴將貫穿包含第一催化劑的過濾介質(zhì)內(nèi)表面部分，那里將發(fā)生分解。在第一催化劑以后可以沉積一種第二催化劑，例如一種有效分解不同的化學(xué)物種或者類型的要催化物質(zhì)的催化劑，比如與氣體相對的固體。選擇第二催化劑體系使其不象第一催化劑穿透過濾介質(zhì)那樣深，如此設(shè)置第二催化劑以在使用期間催化同樣沒有深入地穿透過濾介質(zhì)的材料，例如固體顆粒。例如，第二催化劑可以位于第一催化劑的上游。對于該結(jié)構(gòu)，在使用期間，氣態(tài)的排出氣流的揮發(fā)性有機(jī)組分可以貫穿第一催化劑被氧化，而固體顆粒比如含碳的煙塵被收集在接近要在那里氧化的第二催化劑(例如碳氧化催化劑)的過濾介質(zhì)的上游表面處。在該方式中，一種催化劑不能阻礙另一個(gè)催化劑的活性，使過濾介質(zhì)內(nèi)表面區(qū)域的利用最大化。另外，由于催化劑處于緊鄰的締合，來自氧化一種化學(xué)物種(例如排出氣流的揮發(fā)性的有機(jī)部份)的熱能完全或者部分可驅(qū)使與第二催化劑相關(guān)的氧化。
使用放置在過濾介質(zhì)不同部分的多種催化劑也用于氧化NOx化合物以增強(qiáng)含碳的煙塵的氧化(例如當(dāng)在單一排出氣流中發(fā)現(xiàn)NOx化合物和含碳的煙塵)。一種這樣的過濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)例如可以包括在過濾介質(zhì)內(nèi)部部分處初始沉積非常細(xì)粒形式的催化含碳煙塵的催化劑，隨后在過濾介質(zhì)上游部分處以更粗糙的高表面面積粒子形式沉積NOx氧化催化劑。與隨后沉積的相對較大更粗糙的催化劑粒子相比，首先沉積的更微細(xì)的催化劑粒子將相對更深入地穿透進(jìn)入過濾介質(zhì)。希望這些相對較大的催化劑粒子不是足夠的大從而塞住過濾介質(zhì)的孔。在使用期間，氣態(tài)形式的NOx在包含更粗糙NOx氧化催化劑過濾介質(zhì)的第一(上游)部分被氧化為NO2。第一反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物NO2流動(dòng)進(jìn)入過濾介質(zhì)深處，可以催化在過濾介質(zhì)那樣深處部分的反應(yīng)，例如在氧化碳的反應(yīng)中。任選，在那個(gè)反應(yīng)中產(chǎn)生的NOx可以經(jīng)過通過沉積在過濾介質(zhì)遠(yuǎn)下游部分，即朝向或者在過濾介質(zhì)出口的第二NOx還原催化劑進(jìn)行補(bǔ)救。利用本發(fā)明描述的催化劑沉積技術(shù)，NOx還原催化劑可以沉積在過濾介質(zhì)下游的部分。例如，使用負(fù)壓使包含催化劑體系的氣態(tài)介質(zhì)流動(dòng)以從過濾介質(zhì)下游的出口側(cè)面沉積。當(dāng)然以相同的方式或者根據(jù)本發(fā)明的其他教導(dǎo)可以制備具有不同類型催化劑的用于催化不同的化合物和反應(yīng)產(chǎn)物體系的其他結(jié)構(gòu)。
在這些及其他實(shí)施方式中，不同催化劑體系可以從不同方向沉積在過濾介質(zhì)上。具體地說，氣態(tài)介質(zhì)可以強(qiáng)制以一個(gè)方向(例如上游)流動(dòng)通過過濾介質(zhì)的一個(gè)側(cè)面以將催化劑沉積在過濾介質(zhì)的一個(gè)側(cè)面上。在該步驟之前或者之后，包含相同或者不同催化劑材料的氣態(tài)介質(zhì)可以被強(qiáng)制以另外的方向流動(dòng)(例如下游)通過過濾介質(zhì)的另一個(gè)側(cè)面以將相同或者不同的催化劑材料沉積在過濾介質(zhì)的另一個(gè)側(cè)面上。
圖3、4和5大概顯示根據(jù)本發(fā)明制備的在過濾介質(zhì)不同部分沉積有相同或者不同催化劑的一般過濾介質(zhì)的典型的實(shí)施方式。在圖3、4和5中示意的包含沉積催化劑的過濾介質(zhì)部分示意為在那些部分上具有基本上均勻濃度的催化劑；如圖6和7所示這不是必要的，可以沉積本發(fā)明的催化劑以在橫過過濾介質(zhì)厚度方向顯示出濃度梯度。
圖3顯示出圓柱的或者環(huán)形的過濾介質(zhì)30，其可由任一類型過濾材料或者結(jié)構(gòu)制造。根據(jù)本發(fā)明的原則同樣可以使用其他形狀，包括蛋形截面、橢圓截面、三角形橫截面或者任何其他閉合幾何結(jié)構(gòu)橫截面的形狀。同樣，過濾介質(zhì)30示意為基本上均勻的具有圓形表面33和35的柱體，但是應(yīng)理解過濾介質(zhì)可以是非均勻的橫截面和不規(guī)則表面結(jié)構(gòu)。
仍參考圖3，在過濾介質(zhì)30使用期間排氣正常流動(dòng)的方向由箭頭31表明。第一催化劑材料34沉積在過濾器的內(nèi)部或者進(jìn)口。如本發(fā)明使用的術(shù)語“部分”和“區(qū)域”指過濾介質(zhì)，可以可互換地使用，指兩或者三維的過濾介質(zhì)元件，總的指相對于過濾介質(zhì)外表面的位置形成的過濾介質(zhì)元件。一個(gè)例子是包含催化劑材料34的過濾介質(zhì)30的部分，被定義為一種柱體，所述的柱體基本上由從過濾介質(zhì)30內(nèi)部(入口)表面33的距離形成，或者從過濾介質(zhì)30外面的(出口)表面35的距離形成。
沉積催化劑材料34以使催化劑材料穿透一定的距離進(jìn)入過濾介質(zhì)30以沉積在如圖3所示過濾介質(zhì)的內(nèi)部部分。這應(yīng)歸于催化劑材料本身(例如其物理狀態(tài)比如溶解的或者固體，如果是固體，其顆粒尺寸)或者由于使催化劑安置在過濾介質(zhì)上的載體(例如形式為液滴)。第二催化劑材料32沉積在過濾介質(zhì)上游部分。第二催化劑材料32可以相同或者不同于催化劑材料34，具有一種性質(zhì)，或者以一定形式施加、或者在導(dǎo)致催化劑材料32不象催化劑材料34貫穿過濾介質(zhì)30那樣深的條件下施加。因此，催化劑材料32和34沉積在過濾介質(zhì)30不同的部分上，可以獨(dú)立地起作用以催化不同的反應(yīng)，例如催化包含于單一氣流中不同的要催化的物質(zhì)，或者連續(xù)催化在氣流之內(nèi)的單一要催化的物質(zhì)的反應(yīng)。
圖4說明在上游部分具有催化劑材料44，及在下游的部分具有催化劑材料42的過濾介質(zhì)40。根據(jù)本發(fā)明利用在方向41，表明在過濾介質(zhì)使用期間氣流的方向，流動(dòng)的氣態(tài)介質(zhì)可以沉積催化劑材料44。根據(jù)本發(fā)明利用以與流動(dòng)41相反方向的流動(dòng)沉積催化劑材料42。催化劑材料42或者44可以任何次序沉積。
圖5說明具有沉積在過濾介質(zhì)50不同部分的催化劑材料52、54及56的過濾介質(zhì)50。催化劑材料52、54及56可以通過本發(fā)明方法沉積在過濾介質(zhì)上。例如，催化劑材料54基于方向51的氣流可以沉積在過濾介質(zhì)內(nèi)部部分。催化劑材料52可以隨后以一定的方式沉積，如圖示意，以使催化劑材料52穿透進(jìn)入過濾介質(zhì)50深處，沉積在如圖示意的催化劑材料54上游的過濾介質(zhì)50的一部分上。催化劑材料56可以利用與流動(dòng)51相反方向的氣流進(jìn)行沉積，以將催化劑材料56沉積在相對于催化劑材料52及54過濾介質(zhì)50的下游的部分。
在使用期間，催化過濾器置于包含要催化的物質(zhì)的氣體流中，例如在催化柴油機(jī)微粒過濾器情況下，廢氣顆粒物質(zhì)比如含碳的煙塵。一般的，基于與過濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)相比廢氣粒子的相對大小，通過接觸過濾介質(zhì)、收集或者持留在過濾介質(zhì)的凹處、孔、纖維、空隙等等中，從排氣中除去廢氣粒子。廢氣粒子聚集，其中被過濾介質(zhì)收集或者持留，當(dāng)廢氣粒子接觸適當(dāng)放置的催化劑時(shí)，廢氣粒子可以反應(yīng)形成降解產(chǎn)物。
要催化的粒子(例如廢氣粒子)在使用期間被收集或者聚集在過濾介質(zhì)中或者上的方式限定了橫過過濾介質(zhì)厚度的濃度分布曲線。那個(gè)曲線指在橫過過濾介質(zhì)厚度的不同位置處的廢氣粒子的相對濃度，例如在使用期間以與通過過濾介質(zhì)氣體流動(dòng)的相同或者在相反方向上橫越。(見例如圖6及7)對于任何過濾介質(zhì)及廢氣粒子體系的廢氣粒子濃度曲線的準(zhǔn)確的特性取決于各種各樣的因素，包括然而并非限于過濾介質(zhì)類型(例如薄紙、厚的多孔的或者網(wǎng)狀的泡沫體、陶瓷、纖維或者卷繞纖維、非織造物質(zhì)等等)；廢氣粒子將在緊靠過濾介質(zhì)表面上停留，還是將貫穿內(nèi)表面；通過過濾介質(zhì)的通道或者通路的類型及尺寸；廢氣粒子的平均尺寸及尺寸分布及形狀；及廢氣粒子如何與過濾介質(zhì)構(gòu)造面相互作用，即它們是否是潮濕的還是潤濕，因此剛一接觸就附著于過濾介質(zhì)，它們在粘著以后是否遷移，及它們是否干燥，因此僅僅一點(diǎn)兒或者一點(diǎn)也不粘合。
圖6及7說明橫過過濾介質(zhì)厚度的粒子濃度梯度。這些可以代表根據(jù)本發(fā)明方法布置在過濾介質(zhì)中催化劑顆粒材料的濃度梯度。這些圖還可以代表在使用期間被收集的要催化的物質(zhì)(例如廢氣粒子)粒子濃度梯度。圖6顯示出在氣流(f)方向具有厚度(t)、及具有如圖示意濃度梯度的被過濾介質(zhì)60收集的粒子的過濾介質(zhì)60的片段。過濾介質(zhì)60表面62的粒子濃度(在這種情況下的入口表面，基于流向f)處于其最大值，如在左邊的圖表代表所示。當(dāng)負(fù)載粒子的氣態(tài)介質(zhì)進(jìn)入入口表面62之時(shí)，通過過濾介質(zhì)收集，粒子從氣態(tài)介質(zhì)中被除去。在過濾介質(zhì)內(nèi)表面部分處很少的要沉積粒子，及捕集的顆粒的濃度在橫過過濾介質(zhì)厚度(t)方向穩(wěn)定減少。在出口表面64出現(xiàn)最低的濃度。(在圖6中，出口表面64處的濃度顯示為大于零，但是它可能同樣是零-見圖7)圖7說明另一種可能的粒子濃度曲線。圖7的曲線是非線性的，在過濾介質(zhì)60表面62處開始處于最高濃度，在過濾介質(zhì)60內(nèi)表面處的點(diǎn)66基本上減少零。取決于因素比如粒子類型、大小、粒度分布、粘著性、流動(dòng)性質(zhì)、過濾介質(zhì)特性等等可以存在另外其他可能的曲線。例如，一些過濾介質(zhì)將在過濾介質(zhì)的入口表面處聚集大多數(shù)的捕集的顆粒，極少的、幾乎根本沒有顆粒物質(zhì)進(jìn)入過濾介質(zhì)的內(nèi)表面。同樣，多種濃度分布圖，例如不同粒子的多種濃度分布圖可以存在于單一過濾介質(zhì)中。
當(dāng)過濾介質(zhì)用于從氣體流中過濾這樣的顆粒物質(zhì)時(shí)，本發(fā)明預(yù)期包括在過濾介質(zhì)上其中要催化顆粒物質(zhì)的位置處濃縮的催化劑的催化過濾介質(zhì)將接觸、或者被設(shè)置、收集或者沉積及聚集。位于過濾介質(zhì)上的催化劑反映出在相同過濾介質(zhì)上要催化粒子的粒子濃度曲線。以這種方法，催化劑可以被放置并濃縮在過濾介質(zhì)上其中催化劑接觸聚集顆粒物質(zhì)的位置處。在使用期間，所述的催化劑可以較低的濃度存在，或者在過濾介質(zhì)上沒有聚集同樣多的或者任何顆粒物質(zhì)的位置處，催化劑不存在。因此昂貴催化劑的利用非常有效。
根據(jù)本發(fā)明的方法，通過首先確定在特定過濾介質(zhì)上要催化粒子的粒子濃度曲線，可以實(shí)現(xiàn)希望的催化劑濃度曲線。如所理解的，在使用期間，任何特定類型的粒子聚集在某一類型過濾組件或者過濾介質(zhì)中的方式及位置，可以通過將過濾介質(zhì)用于其預(yù)定的用途(例如在柴油機(jī)排氣系統(tǒng)或者其他其中使用催化過濾器的設(shè)備中)，或者通過裝配復(fù)制物、復(fù)制品、或者其他模型的過濾系統(tǒng)進(jìn)行確認(rèn)。然后通過估量和/或測量在過濾介質(zhì)的一個(gè)或者多個(gè)位置及厚度處聚集粒子的粒子濃度曲線分析使用的或者模型化的過濾器。利用其上沒有沉積催化劑的過濾介質(zhì)，或者如果希望，利用其上沉積有催化劑的過濾介質(zhì)，例如以估計(jì)將使用的希望的催化劑濃度曲線的濃度，得到曲線。
根據(jù)本發(fā)明，催化劑可以放置在過濾介質(zhì)上以反映或者摹擬過濾器催化的粒子的濃度及濃度分布圖。例如如上所述，一旦確認(rèn)濃度或者濃度分布曲線，則體系可以用來將催化劑放置在過濾介質(zhì)上類似粒子濃度曲線的位置處。當(dāng)指定一種施加催化劑的體系時(shí)，這可以例如通過觀測及選擇如上述確定的因素實(shí)現(xiàn)，對于一種特定類型的過濾介質(zhì)，包括控制催化劑材料經(jīng)首先接觸過濾介質(zhì)的表面是否就立即駐留，或者首先穿透希望距離進(jìn)入過濾介質(zhì)的內(nèi)表面之后才駐留。控制催化劑如何與過濾介質(zhì)的構(gòu)造面相互作用可以通過許多因素影響，包括例如催化劑材料是否是潮濕的形式或者潤濕粒子的形式，或者形式為粒子或者包含于液滴中的溶解物(這些形式的任何一個(gè)一經(jīng)接觸就附著于過濾介質(zhì)，但是液滴形式經(jīng)首次接觸更可能粘合)；催化劑材料在粘著以后是否會(huì)或者不會(huì)遷移；或者催化劑材料是否相對干燥，因此僅僅一點(diǎn)兒粘合或者一點(diǎn)也不粘合。催化劑材料在粘著以后是否會(huì)或者不會(huì)遷移受例如通過烘干速度、過濾介質(zhì)的潤濕及氣體進(jìn)入過濾介質(zhì)的流速的影響。還可以控制及選擇催化劑材料粒子的大小、形狀及平均尺寸，其影響過濾介質(zhì)中這樣的粒子的分布。與相對較大的粒子相比，相對小的粒子可以進(jìn)一步移動(dòng)進(jìn)入過濾介質(zhì)。另一方面，本發(fā)明預(yù)期利用包含于液滴中的催化劑材料從而將催化劑施加到過濾介質(zhì)。液體可以導(dǎo)致液滴附著于過濾介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，即使液滴足夠的小而不被收集。因此，催化劑材料粒子的尺寸是一個(gè)因素。其他因素還可以包括含有催化劑材料液滴的尺寸及特性、那些液滴與過濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的相互作用、及潤濕催化劑材料粒子或者液滴是否具有足夠的液體含量或者以另外的方式具有足夠的粘性附著于過濾介質(zhì)，即使它們不是足夠的大而被過濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)收集。選擇潤濕或者干燥催化劑材料粒子或者液滴的粘著系數(shù)以實(shí)現(xiàn)特定類型過濾介質(zhì)的預(yù)期效果，例如希望催化劑材料穿透進(jìn)入過濾介質(zhì)。相對于其在過濾介質(zhì)上的潤濕狀態(tài)(試驗(yàn)性確定)及其烘干速度，選擇潤濕或者干燥催化劑材料粒子或者液滴的粘著系數(shù)。
一旦確定了要催化粒子(例如廢氣粒子)的濃度分布曲線，則根據(jù)催化劑濃度，催化劑被置于過濾介質(zhì)上，例如準(zhǔn)確地復(fù)制廢氣粒子濃度曲線匹配廢氣粒子濃度曲線，但是以均一的更高的濃度(例如1.5、2或者5倍遍及所有位置處的濃度)，或者以另外的方式利用結(jié)果，并理解廢氣粒子濃度曲線，形成包括與廢氣粒子濃度曲線具有特定相似性的催化劑材料濃度分布曲線。例如，根據(jù)本發(fā)明制備的催化劑材料濃度分布曲線看起來像圖6或者7的曲線，或者至少具有一些相似性。
本發(fā)明的方法可以利用商業(yè)可獲得，而且是氣流、粒子流、化學(xué)或者過濾領(lǐng)域的普通技術(shù)人員公認(rèn)的設(shè)備進(jìn)行實(shí)施。有用的設(shè)備可包括組件比如用于發(fā)生氣體流的氣體流發(fā)生組件，用于在氣體流中安置過濾介質(zhì)的連接裝置組件，用于在氣體接觸過濾介質(zhì)以前將催化劑材料引入氣體流的催化劑材料引入組件。其他任選的組件包括流動(dòng)導(dǎo)向裝置比如煙道、室、通道、或者其他類型的導(dǎo)向裝置以使氣體流入、通過并從過濾介質(zhì)中出來。
氣體流產(chǎn)生組件可以是任何類型的能夠生成并優(yōu)選引導(dǎo)氣體比如空氣、惰性氣體等等流動(dòng)的設(shè)備。用于液體的流動(dòng)產(chǎn)生組件例子包括噴霧干燥器。任選，產(chǎn)生氣體流動(dòng)組件能夠引導(dǎo)氣體在任何一個(gè)方向流動(dòng)通過過濾介質(zhì)。實(shí)現(xiàn)以相反的方向流動(dòng)通過過濾介質(zhì)一個(gè)不同的方法是使過濾介質(zhì)在連接裝置組件上逆轉(zhuǎn)。
催化劑材料引入組件可以是任何類型的可以將催化劑材料和/或包含催化劑材料的液滴放置在用于引入，例如當(dāng)安置在連接裝置組件上的過濾介質(zhì)的流動(dòng)氣體流中的設(shè)備。催化劑材料引入組件的類型取決于催化劑類型，比如催化劑材料是否是潤濕或者是干固體，還是懸浮、分散或者溶解在液滴中的固體。例如用于將含催化劑材料的液體安置進(jìn)入氣體流中的典型的設(shè)備或者裝置包括文丘里管吸引裝置、靜電噴涂裝置、霧化導(dǎo)流管、噴霧嘴等等。
催化劑材料引入組件可以與單一源的催化劑材料或者兩個(gè)或多個(gè)相同或者不同源的催化劑材料連通。以這種方法，不同催化劑材料可以利用裝置在相同過濾介質(zhì)或者不同過濾介質(zhì)上沉積。另外，兩種或多種不同催化劑材料可以連續(xù)沉積在過濾介質(zhì)上。進(jìn)一步，一種或多種催化劑材料可以沉積在過濾介質(zhì)的一個(gè)側(cè)面，一種或多種其他催化劑材料利用反方向氣流可以沉積在過濾介質(zhì)的另一個(gè)側(cè)面。給裝置提供兩種不同源的催化劑材料可以方便地而且有效率地將不同催化劑材料沉積在單一過濾介質(zhì)上，而不移動(dòng)所述過濾介質(zhì)。
所述連接裝置組件可以是任何使所述過濾介質(zhì)安置并保持在載氣流中的機(jī)械裝置或者機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此在所述過濾介質(zhì)一個(gè)側(cè)面(即“入口”)的所述載氣流通過所述過濾介質(zhì)并從另一個(gè)側(cè)面出來(即“出口”)。所述連接裝置組件可以整合到包括引導(dǎo)所述氣體流進(jìn)入、通過并從所述過濾介質(zhì)出來的流動(dòng)導(dǎo)向裝置的組件中。所述連接裝置組件的形狀、大小和形式取決于用于連接裝置組件的過濾介質(zhì)類型，即，所述連接裝置組件應(yīng)該提供基本上對于過濾介質(zhì)一個(gè)側(cè)面氣密的裝配，因此氣流通過過濾介質(zhì)并不環(huán)繞所述過濾介質(zhì)。任選，所述連接裝置組件具有即刻適合多種過濾介質(zhì)的形式。同樣任選，所述裝置可能包括適合不同尺寸或者類型過濾介質(zhì)的連接裝置組件，或者可能適合單一過濾介質(zhì)的兩邊，因此致使氣體在任何一個(gè)方向流動(dòng)通過單一過濾介質(zhì)。
圖1說明根據(jù)本發(fā)明將催化劑材料沉積在過濾介質(zhì)上的一般典型的方法。參看所述圖，過濾介質(zhì)4位于室5內(nèi)，裝配以使氣流流過過濾介質(zhì)4，然后離開室5的出口12。氣流2流動(dòng)通過入口噴嘴3，然后朝向過濾介質(zhì)4的入口6。在到達(dá)入口或者噴管3之前(未示意在圖中)，將適量的催化劑體系和氣態(tài)介質(zhì)制備為混合物形成氣流2。氣流2流動(dòng)進(jìn)入過濾介質(zhì)4的入口6，通過過濾介質(zhì)4，離開過濾介質(zhì)4，聚集為引出流10，該流10最后離開室5的引出端12。在處理期間，包含于氣流2中的催化劑材料沉積在、收集在、或者以另外的方式收集在過濾介質(zhì)4中，優(yōu)選在使用期間流過所述過濾介質(zhì)要催化的廢氣顆粒物質(zhì)亦如此。以這種方法，在使用期間催化劑沉積在廢氣顆粒物質(zhì)沉積或者收集位置處的過濾介質(zhì)中，因此催化劑位于被最有效利用的過濾介質(zhì)中(即，接觸并與利用過濾介質(zhì)從氣體中除去的顆粒物質(zhì)反應(yīng))。
顯示于圖1中的典型的過濾器組件包括由穿孔載體柱體或者管14、其上卷繞的無機(jī)纖維或者紗8，和引導(dǎo)氣體流過多孔管14和通過卷繞紗8的封閉端18，制成的旋轉(zhuǎn)卷繞過濾介質(zhì)4。如在別處聲稱，通過將過濾器、過濾介質(zhì)、盒或者過濾器類型產(chǎn)品安置到氣體流，比如包含催化劑材料的氣流2中，本發(fā)明的方法可用于任何其他類型的過濾器、過濾盒、過濾介質(zhì)或者其他過濾器類型產(chǎn)品。
同樣，圖1沒有說明包括促進(jìn)過濾介質(zhì)再生的加熱元件，比如電熱元件的過濾介質(zhì)4。這樣的加熱元件可以包含在根據(jù)本發(fā)明制備的過濾介質(zhì)中，或者用于所述的過濾介質(zhì)中。特別，本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是沉積在過濾介質(zhì)上的催化劑沉積在非?？拷谒鲞^濾介質(zhì)之內(nèi)加熱元件的位置處，或者鄰近所述過濾介質(zhì)處使用。所述加熱元件和所述催化劑之間緊鄰，在再生期間可以使它們兩者之間實(shí)現(xiàn)有效率的傳熱。
圖1的氣體流2可以是不論何種形式的包含催化劑材料的氣體。例如，所述催化劑材料可以是分散在氣態(tài)介質(zhì)中微細(xì)干燥粒子催化劑的形式；或者載液的液滴比如細(xì)霧或者氣溶膠噴霧，或者以另外的方式懸浮、或者分散在氣態(tài)介質(zhì)中，其中所述液體包含溶解或者固體的催化劑物質(zhì)。通過任何有用的方法可產(chǎn)生液體的液滴，比如通過氣溶膠或者非氣溶膠噴霧、吸入、用超聲波產(chǎn)生的霧和細(xì)霧、噴霧、霧化，或者任何其他產(chǎn)生可被引入氣態(tài)介質(zhì)流中的液滴的方法。
圖2說明本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施方式，包括通過噴霧、注入、混氣、霧化將含催化劑材料液體引入氣體流中，或者以另外的方式將所述含催化劑材料液體引入過濾介質(zhì)的上游氣流中。根據(jù)圖2，氣流20是包括催化劑材料或者不包括催化劑材料的氣體，被引入入口3。文丘里管吸引裝置22安置在入口3內(nèi)的氣流20中，其中裝置22將催化劑材料以催化劑材料粒子的形式，或者包含于載液中溶解催化劑材料的形式，引入氣流20中。再一次，作為氣體流20一部分的催化劑材料流動(dòng)進(jìn)入過濾介質(zhì)4，被過濾介質(zhì)4收集或者沉積在過濾介質(zhì)4中，優(yōu)選在過濾器使用期間流動(dòng)進(jìn)入所述過濾介質(zhì)的廢氣顆粒物質(zhì)亦如此。
如果催化劑材料被包含在液體中以施加到過濾介質(zhì)，所述催化劑材料優(yōu)選用一種或多種粘合劑組分施加以將所述催化劑材料固定到所述過濾介質(zhì)。
未示意在圖1或者2中的是本發(fā)明方法和裝置的一個(gè)優(yōu)選的組件，其是一種加熱機(jī)制，加熱分別為圖1或者2中的氣流2或者20，和過濾介質(zhì)4的任何一種或多種。這樣的加熱機(jī)制基于電阻式加熱、紅外輻射、微波、或者任何其他有用的或者方便類型的能量傳遞機(jī)械結(jié)構(gòu)。例如，所述加熱機(jī)制可以是位于或者接近入口3，乃至入口3上游的電阻線卷。另外地，紅外輻射或者另外的加熱機(jī)制可直接加熱過濾介質(zhì)4?；蛘?，作為另外的可能性，加熱機(jī)制可以位于或者接近文丘里管吸引裝置22，或者從所述裝置一直到催化劑材料源(未示意)上游的任何地方。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解，象其他包含催化劑材料的過濾介質(zhì)能被使用或者處理一樣，可以利用或者處理根據(jù)本發(fā)明描述方法制備的過濾介質(zhì)。通常，在催化劑體系施加到過濾介質(zhì)之后，尤其是如果液體用于施加中，催化劑材料可以被加熱處理(即干燥、焙燒或者燒結(jié))以將所述催化劑材料固定到過濾介質(zhì)。在將所述催化劑體系施加到過濾介質(zhì)期間，如上所述，可以通過加熱過濾介質(zhì)上游的氣體流或者通過過濾介質(zhì)的氣體流，或者在施加催化劑體系期間通過加熱過濾介質(zhì)而得以迅速干燥含催化劑材料的液體。
本發(fā)明將催化劑引入過濾介質(zhì)的方法可能用來將催化劑施加到從未使用的過濾介質(zhì)，或者將催化劑再施加到以前使用和/或清除掉例如含碳物質(zhì)(例如通過再生)和/或灰分(例如通過洗滌或者吹掃過濾介質(zhì))催化的過濾介質(zhì)，其中使用和/或清潔需要另外的催化劑被用于所述過濾介質(zhì)。同樣預(yù)期，利用標(biāo)準(zhǔn)催化劑施加方法，可以使用本發(fā)明將催化劑引入過濾介質(zhì)的方法。例如，標(biāo)準(zhǔn)方法可用于在所有的或者大多數(shù)的過濾介質(zhì)(例如NOx吸收劑)上，施加不太昂貴的催化劑或者通常希望的催化劑，而本發(fā)明方法可用于有選擇地施加更昂貴的催化劑。本發(fā)明方法可以在所述標(biāo)準(zhǔn)方法使用之前或者之后使用。
通過本發(fā)明方法制備的含催化劑材料的過濾介質(zhì)隨后可包含進(jìn)入較大的過濾器產(chǎn)品、過濾盒產(chǎn)品或者任何其他適當(dāng)?shù)倪^濾器組件中。這樣的過濾器組件可以根據(jù)已知的過濾法使用，比如通過將所述過濾器組件插入包含污染物顆粒的氣流中濾出所述粒子，任選包括再生所述過濾介質(zhì)的步驟。僅作為一個(gè)典型的應(yīng)用，這樣的過濾器組件可用于從柴油機(jī)排出氣流中過濾廢氣顆粒物質(zhì)。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員其他的應(yīng)用是顯而易見的，可能包括比如污染補(bǔ)救及其他熱氣處理的應(yīng)用場合。
實(shí)施例根據(jù)以下步驟合成兩個(gè)相同的催化劑材料混合物1)通過在氫氧化銨溶液中水解需要的金屬鹽混合物(見下頁)，隨后焙燒得到的金屬羥基氧化物制備二氧化鈰-二氧化鋯-氧化釔載體；2)通過熟知的初始濕潤技術(shù)將氯化鈀負(fù)載于焙燒的二氧化鈰-二氧化鋯-氧化釔粒子上，隨后焙燒；3)在粘著促進(jìn)絡(luò)合物醋酸氧鋯和硝酸鈰存在下，磨細(xì)二氧化鈰-二氧化鋯-氧化釔粒子上負(fù)載的氧化鈀得到催化劑材料混合物。
通過將所述過濾介質(zhì)浸漬在催化劑材料混合物中，隨后干燥和焙燒將所述催化劑固定在所述過濾介質(zhì)上，所述催化劑材料混合物的一個(gè)樣品然后負(fù)載于卷繞纖維過濾器介質(zhì)上。所述催化劑材料混合物的第二樣品被分成兩個(gè)部分，其中一個(gè)部分為60％的初始量，一個(gè)部分是40％的初始量。利用本發(fā)明的方法，其中利用熱空氣作為氣態(tài)介質(zhì)及利用噴霧干燥設(shè)備使催化劑材料混合物霧化，催化劑材料混合物噴霧進(jìn)入并通過卷繞纖維過濾器介質(zhì)，因此所述60％部分負(fù)載于卷繞纖維過濾器介質(zhì)上。盡管所述催化劑量已經(jīng)減少40％，但發(fā)現(xiàn)與已經(jīng)用全額催化劑以常規(guī)的方式處理的過濾介質(zhì)相比較，過濾介質(zhì)可以較低的能量再生。因此，本發(fā)明對于過濾器再生，在減少催化劑用量及減少能量消耗上能夠?qū)崿F(xiàn)大量的節(jié)約。
對比實(shí)施例1比較例1涉及利用非催化加熱器一體化的纖維卷繞過濾器(3MCompany產(chǎn)品名稱XW 3H-078)。作為非催化對照，它用于比較的目的。比較例2涉及與比較例1相同的過濾方式，但是利用傳統(tǒng)方法催化。
制備用于比較例2及實(shí)施例1的催化劑材料混合物制備二氧化鈰-二氧化鋯-氧化釔將500.0g堿式碳酸鋯漿糊(40％ZrO2相等物；Magnesium Electron，，Inc.，F(xiàn)lemington，NJ)以小份額加入到204.0ml濃硝酸在1800g去離子水中的攪拌混合物中，制備硝酸氧鋯溶液。在堿式碳酸鋯徹底地溶解及停止放出氣體以后，通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)(浴溫度＝35℃，水流抽氣管減壓)將混合物濃縮到20.0wt％的二氧化鋯。在使用之前過濾所述硝酸氧鋯溶液。通過使162.33g的硝酸氧鋯溶液(20wt％的ZrO2)與162.33g的鈰(III)硝酸鹽溶液(20wt％的二氧化鈰溶液)及1000g水結(jié)合制備金屬鹽水溶液混合物。通過將16.23g硝酸釔水合物(29.5％的Y2O3)晶體溶解在硝酸氧鋯-硝酸鈰溶液中制備最終的金屬鹽混合物。ZrO2∶CeO2∶Y2O3最終的摩爾比＝1.00∶0.716∶0.08。
通過混合60.0mls的濃氫氧化銨與1000.0g的水制備氫氧化銨溶液。當(dāng)利用Ross ME100混合器(Charles Ross and Son Company，Hauppauge，New York)以高速攪拌溶液時(shí)，逐滴地加入一半的金屬鹽混合物。在加入以后，另外的50.4mls濃氫氧化銨加入到該氫氧化銨溶液中。其余金屬鹽溶液然后在迅速攪拌下逐滴地加入到攪拌的氫氧化銨溶液中。在加入以后，使固體沉降，通過用約4升的去離子水傾析洗滌物質(zhì)。在1000mls的去離子水中攪拌所述固體，通過離心作用(4000rpm，15分鐘)分離最終洗滌的固體。在100℃干燥所述固體，用研缽及研杵壓碎，按時(shí)間表進(jìn)行焙燒100℃到500℃3小時(shí)，在500℃保持0.5小時(shí)，在1小時(shí)內(nèi)加熱到800℃，在800℃保持1小時(shí)，然后冷卻加熱爐。用研缽及研杵研磨物質(zhì)以得到細(xì)微的黃色粉末。用600mls去離子水淤漿化所述粉末，放置在32盎司廣口的包含1900g二氧化鋯磨細(xì)介質(zhì)的聚合物瓶子中(Union Processes，Incorporated，Alcron，Ohio)。所述碾磨介質(zhì)由50wt％約6.6毫米柱體及50wt％約12.3毫米柱體組成。將蓋固定在所述聚合物瓶子上，利用SwecoMol 8-5磨(Sweco Incorporated，F(xiàn)lorence，Kentucky)振搗碾磨所述混合物48小時(shí)。在碾磨以后，將所述內(nèi)容物從碾磨介質(zhì)中分離，通過在80℃干燥混合物回收所述固體。利用研缽及研杵磨碎固態(tài)產(chǎn)物得到自由流動(dòng)的黃色固體。
用以下方式將氯化鈀負(fù)載于所述二氧化鈰-二氧化鋯-氧化釔粉末上。通過將2.67g的氯化鈀、3mls濃硝酸及2mls濃鹽酸溶解在80.0g的去離子水中制備氯化鈀溶液。利用備有高能聲音號的Branson CellDisruptor 350(Smith-Kline Company，Danbury Ct.)聲處理所述混合物一分鐘。所述氯化鈀溶液與磁攪拌子加入燒杯中32.0g的二氧化鈰-二氧化鋯-氧化釔粉末中。攪拌所述溶液，并加熱到約80℃，同時(shí)在所述混合物表面上緩緩吹氮?dú)庖源龠M(jìn)蒸發(fā)。在混合物濃縮成漿糊以后，加熱混合物，利用抹刀手工翻轉(zhuǎn)以得到干燥的混合物。按時(shí)間表焙燒所述干燥混合物用一小時(shí)從室溫到450℃，在450℃保持30分鐘，然后冷卻所述加熱爐。
通過用1900g的二氧化鋯碾磨介質(zhì)(如以前的描述)、焙燒的鈀處理的二氧化鈰-二氧化鋯-氧化釔、400.0g去離子水、7.37g硝酸鈰溶液及5.94g醋酸氧鋯溶液(22wt％二氧化鋯，MEIIncorporated，F(xiàn)lemington，New Jersey)加入32盎司廣口聚合物瓶子，利用Sweco M 18-5磨碾磨混合物3小時(shí)10分鐘。將分散體從碾磨介質(zhì)中通過過濾分離，并立即施加到所述卷繞纖維過濾器。
對于比較例2，通過將所述混合物從里到外徹底倒進(jìn)入過濾器，把催化劑材料分散體施加到過濾介質(zhì)。所有的分散體倒入過濾器中直到所有的分散體包含于所述過濾介質(zhì)中。然后在強(qiáng)制通風(fēng)加熱爐中100℃干燥飽和的過濾器，按時(shí)間表焙燒室溫到110℃用10分鐘，110℃到500℃用1.5小時(shí)，在500℃保持30分鐘，然后加熱爐冷卻到室溫。
實(shí)施例1在實(shí)施例1中，使用在對比例1和2中使用的相同的過濾方式，但是它利用本發(fā)明方法催化。實(shí)施例1的催化劑材料分散體制備與比較例1催化劑材料分散體的制備相同。以下述方式，60％末給質(zhì)量的催化劑材料分散體負(fù)載于卷繞纖維過濾器。裝配Buchi B191微型噴霧干燥器以使載帶所述催化劑材料分散體氣溶膠的熱氣噴霧通過實(shí)施例1的過濾器。為實(shí)現(xiàn)這些，制備進(jìn)口ID為104.4毫米、出口ID為63.7毫米及總高度為16.5厘米的錐體形狀的硬質(zhì)玻璃連接器。將錐形物連接到噴霧干燥器，其中進(jìn)口開口連接在霧化器產(chǎn)生噴霧液滴的點(diǎn)處。過濾器然后連接到所述連接器，使所述過濾器的進(jìn)口開口貼身地連接到連接器的出口開口，以使熱的載氣通過過濾器，因此產(chǎn)生的液滴被攜帶進(jìn)入過濾介質(zhì)中。調(diào)節(jié)進(jìn)口溫度到210℃，催化劑材料分散體以約6-7ml/分鐘的速度噴霧進(jìn)入過濾器。噴霧進(jìn)入所述過濾器的基本上所有的催化劑材料分散體收集在過濾介質(zhì)中。在所述催化劑材料分散體利用噴霧干燥設(shè)備噴霧進(jìn)入過濾器以后，從噴霧干燥器中除去過濾器，在100℃干燥過夜。所述過濾器然后準(zhǔn)確地如在比較例1中進(jìn)行焙燒。
評價(jià)利用在2400rpm-1800psi下(7.1-7.6m3/min，360-400℃)下運(yùn)轉(zhuǎn)的3.4L IDI柴油機(jī)(Cummins 6A)測定比較例1、比較例2及實(shí)施例1。顆粒廢氣物質(zhì)(含碳的煙塵)裝入所述過濾器，直到過濾器壓降達(dá)到40kPa。在那個(gè)點(diǎn)，給整合到過濾器中的加熱器提供電力以引發(fā)再生。立刻發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)向空載(800rpm-無載荷1.1Nm3/min)，提供動(dòng)力10分鐘。當(dāng)所述動(dòng)力關(guān)閉時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速再一次增加到2400rpm-1800psi，在再生以后測定壓降。以這種方法，確定再生90％(再生開始及終止之間的壓降差為90％再生開始的壓降)需要的動(dòng)力。
結(jié)果表1顯示出兩個(gè)種類的催化過濾器及非催化過濾器90％再生需要的動(dòng)力。
表190％再生需要的動(dòng)力

所述結(jié)果顯示出根據(jù)本發(fā)明方法催化的實(shí)施例1過濾器，與用傳統(tǒng)方法催化的比較例2過濾器相比較，在較低的動(dòng)力水平再生(即在大約59％比較例2過濾器需要的動(dòng)力)，盡管實(shí)施例1過濾介質(zhì)僅包含比較例2過濾介質(zhì)中催化劑量60％的催化劑，及在兩個(gè)例子中使用相同的催化劑材料。這些數(shù)據(jù)支持看法與常規(guī)的催化劑施加方法相比，本發(fā)明可更有效利用催化劑。對于本發(fā)明，由于較少的或者沒有催化劑提供于沒有參與廢氣物質(zhì)(例如煙塵)催化(例如氧化)過濾介質(zhì)的部分中，因此較少的催化劑浪費(fèi)或者沒有催化劑浪費(fèi)。因此，如這些實(shí)施例表明，本發(fā)明方法可實(shí)現(xiàn)更加有效的再生，同時(shí)使用較低含量的催化劑(例如貴金屬)。相信可實(shí)現(xiàn)再生效率，因?yàn)楸景l(fā)明可使更大密度的活性催化劑放置在過濾介質(zhì)的需要催化廢氣物質(zhì)(例如氧化煙塵)用于再生及除去廢氣物質(zhì)(例如煙塵)的位置。
權(quán)利要求
1.一種制造適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置的催化過濾介質(zhì)的方法，所述方法包括提供適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置的過濾介質(zhì)；提供包括催化劑材料和液體的催化劑體系，及將所述催化劑體系分散在氣態(tài)介質(zhì)中以形成氣態(tài)催化劑分散體；及該氣態(tài)催化劑分散體流動(dòng)進(jìn)入過濾介質(zhì)，因此氣態(tài)介質(zhì)流動(dòng)通過該過濾介質(zhì)，及至少一些催化劑材料和液體沉積在過濾介質(zhì)表面上。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氣態(tài)催化劑分散體包含形式為涂有液體的固體顆粒的催化劑材料。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述氣態(tài)催化劑分散體包括液體液滴，其中催化劑材料位于該液滴中。
4.權(quán)利要求1的方法，其中在所述的流動(dòng)期間，所述催化劑體系包括液體液滴，其中催化劑材料包含于液滴中。
5.權(quán)利要求4的方法，其中所述催化劑體系包括含可溶金屬的粘合劑組份，用于將所述催化劑材料結(jié)合到過濾介質(zhì)的至少一個(gè)表面上。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述含可溶金屬的粘合劑組份包括金屬絡(luò)合物、純金屬鹽、含金屬的納米粒子或者其組合。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述金屬絡(luò)合物包括堿金屬鹽、金屬羧酸鹽、金屬醇鹽或者其組合。
8.權(quán)利要求7的方法，其中所述堿金屬鹽具有一種制劑，其中至少一部分反離子由氫氧離子取代。
9.權(quán)利要求7所述的方法，其中所述堿金屬鹽由通式Mx+(OH)x-y(Z)y(H2O)n表示，其中M是金屬離子，x是金屬中心上的陽離子電荷，Z是陰離子，及n是直接結(jié)合到所述絡(luò)合物的水分子數(shù)量。
10.權(quán)利要求6所述的方法，其中所述純金屬鹽包括過渡金屬鹽、稀土金屬鹽、主族金屬鹽或者其組合。
11.權(quán)利要求6所述的方法，其中含金屬的納米微粒包括金屬氧化物、金屬或者其組合。
12.權(quán)利要求5所述的方法，其中所述含可溶金屬的粘合劑組份作為粘著到所述過濾介質(zhì)的催化劑材料。
13.權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在所述的流動(dòng)之前、期間或者之后，加熱所述過濾介質(zhì)、所述氣態(tài)介質(zhì)、所述催化劑材料、所述液體或者其組合。
14.權(quán)利要求13所述的方法，其中所述的加熱足以引起一種反應(yīng)，其導(dǎo)致催化劑材料由于所述的流動(dòng)而沉積、永久粘著到所述過濾介質(zhì)的至少一些表面上。
15.權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在沉積在所述過濾介質(zhì)表面上之前、期間或者之后干燥液體，因此在沉積在所述過濾介質(zhì)表面上以后，催化劑材料的流動(dòng)性降低。
16.權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述的流動(dòng)以后，所述過濾介質(zhì)在過濾介質(zhì)的流動(dòng)進(jìn)入所述過濾介質(zhì)的要催化的物質(zhì)接觸所述過濾介質(zhì)位置處，具有濃縮沉積的催化劑材料，所述過濾介質(zhì)在過濾介質(zhì)的流動(dòng)進(jìn)入所述過濾介質(zhì)的要催化的物質(zhì)不會(huì)接觸所述過濾介質(zhì)的位置處，具有至少較低濃度的沉積的催化劑材料。
17.權(quán)利要求1所述的方法，其中根據(jù)粒子濃度曲線，在所述的流動(dòng)以后，提供的過濾介質(zhì)過濾要催化的固體顆粒，所述催化劑材料根據(jù)反映粒子濃度曲線的催化劑濃度曲線沉積在過濾介質(zhì)的表面上。
18.權(quán)利要求1所述的方法，其中提供的所述過濾介質(zhì)包括進(jìn)入所述過濾介質(zhì)的入口，從所述過濾介質(zhì)中出來的出口，所述的方法進(jìn)一步包括提供另外的包括另外催化劑材料及另外液體的催化劑體系；將另一個(gè)催化劑體系分散在另外的氣態(tài)介質(zhì)中以形成另外的氣態(tài)催化劑分散體；及所述的流動(dòng)進(jìn)一步包括使所述氣態(tài)催化劑分散體流動(dòng)進(jìn)入所述過濾介質(zhì)的入口，因此流動(dòng)通過過濾介質(zhì)及所述催化劑材料的氣態(tài)介質(zhì)，根據(jù)第一濃度分布曲線沉積在過濾介質(zhì)的表面上，其中所述催化劑材料以較高濃度在入口沉積及以較低濃度在出口沉積，使另一個(gè)氣態(tài)催化劑分散體流動(dòng)進(jìn)入所述過濾介質(zhì)的出口，因此流動(dòng)通過過濾介質(zhì)及另一個(gè)催化劑材料的另一個(gè)氣態(tài)介質(zhì)，根據(jù)第二濃度分布曲線沉積在過濾介質(zhì)的表面上，其中另一個(gè)催化劑材料以較高濃度在出口沉積及以較低濃度在入口沉積。
19.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法制造的過濾介質(zhì)。
20.權(quán)利要求19所述的過濾介質(zhì)，與另外的結(jié)構(gòu)結(jié)合形成過濾器。
21.權(quán)利要求19所述的過濾介質(zhì)，與另外的結(jié)構(gòu)結(jié)合形成發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置過濾器。
22.權(quán)利要求19所述的過濾介質(zhì)，與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置系統(tǒng)結(jié)合，包括所述的過濾介質(zhì)。
23.權(quán)利要求19所述的過濾介質(zhì)，與具有發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合，包括所述的過濾介質(zhì)。
24.一種適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置的催化過濾介質(zhì)，所述的過濾介質(zhì)包括一種適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置的多孔體；催化劑材料，在所述多孔體的流動(dòng)進(jìn)入所述過濾介質(zhì)要催化的物質(zhì)接觸所述催化劑材料的位置處濃縮，其中該過濾介質(zhì)包括，位于過濾介質(zhì)中流動(dòng)進(jìn)入該過濾介質(zhì)要催化的物質(zhì)不會(huì)接觸該多孔體的位置處，較低濃度的所述催化劑材料。
25.權(quán)利要求24所述的過濾介質(zhì)，其中根據(jù)粒子濃度曲線，所述的過濾介質(zhì)過濾要催化的固體顆粒，所述催化劑材料根據(jù)反映粒子濃度曲線的催化劑濃度曲線位于過濾介質(zhì)的表面上。
26.權(quán)利要求24所述的過濾介質(zhì)，其中所述的多孔體具有入口及出口，所述的催化劑材料包括不同的第一催化劑材料及第二催化劑材料，根據(jù)第一催化劑濃度曲線，所述的第一催化劑材料位于所述的多孔體中，其中所述的第一催化劑材料以較高濃度位于所述的入口，及以較低濃度位于所述的出口，及根據(jù)第二催化劑濃度曲線，所述的第二催化劑材料位于所述的多孔體中，其中第二催化劑材料以較高濃度位于所述的出口，及以較低濃度位于所述的入口。
27.權(quán)利要求24所述的過濾介質(zhì)，其中所述的催化劑材料包括不同的第一催化劑材料及第二催化劑材料，所述的第一催化劑材料在所述多孔體的第一要催化的物質(zhì)流動(dòng)進(jìn)入所述過濾介質(zhì)，接觸所述第一催化劑材料的位置處濃縮，所述的第二催化劑材料在所述多孔體的第二要催化的物質(zhì)流動(dòng)進(jìn)入所述過濾介質(zhì)，接觸所述第二催化劑材料的位置處濃縮，所述過濾介質(zhì)在所述過濾介質(zhì)的第一要催化的物質(zhì)流動(dòng)進(jìn)入所述過濾介質(zhì)，不會(huì)接觸所述多孔體的位置處，包括較低濃度的所述第一催化劑材料，及所述過濾介質(zhì)在所述過濾介質(zhì)的第二要催化的物質(zhì)流動(dòng)進(jìn)入所述過濾介質(zhì)，不會(huì)接觸所述多孔體的位置處，包括較低濃度的所述的第二催化劑材料。
28.權(quán)利要求27所述的過濾介質(zhì)，其中所述的第一催化劑材料有效催化第一廢氣物質(zhì)的反應(yīng)以生成一種反應(yīng)產(chǎn)物，及所述的第二催化劑材料有效催化所述反應(yīng)產(chǎn)物的反應(yīng)以進(jìn)一步生成另外的反應(yīng)產(chǎn)物。
29.權(quán)利要求28所述的過濾介質(zhì)，其中所述的第一催化劑材料催化顆粒物質(zhì)，所述的第二催化劑材料催化氣態(tài)物質(zhì)。
30.一種適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置的催化過濾介質(zhì)，所述過濾介質(zhì)具有厚度，及包括用于催化流動(dòng)進(jìn)入所述過濾介質(zhì)的廢氣粒子反應(yīng)的催化劑材料，在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置中使用所述過濾介質(zhì)期間，當(dāng)所述廢氣粒子沉積在所述過濾介質(zhì)中時(shí)，所述的過濾介質(zhì)在橫過所述厚度方向具有反映廢氣粒子濃度分布曲線的所述催化劑材料的濃度分布曲線。
31.一種適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置的催化過濾介質(zhì)，所述的過濾介質(zhì)包括入口表面、內(nèi)表面及出口表面，所述過濾介質(zhì)在所述的入口表面具有一定濃度的催化劑材料，在所述的內(nèi)表面具有相對較低濃度的所述催化劑材料，及在所述出口表面具有最低濃度的所述催化劑材料。
32.權(quán)利要求31所述的過濾介質(zhì)，其中所述催化劑材料的初始濃度存在于所述的入口表面，從所述入口表面的所述初始濃度到所述內(nèi)表面的零濃度，所述過濾介質(zhì)中所述的催化劑材料的濃度連續(xù)降低，在所述出口表面處所述的催化劑材料的濃度是零。
全文摘要
一種用于將催化劑安置在過濾介質(zhì)上的催化過濾器及方法，包括將催化劑在過濾處理期間安置在過濾介質(zhì)上要催化的物質(zhì)接觸的位置處。通過將包括催化劑材料及液體的催化劑體系分散在氣態(tài)介質(zhì)中形成氣態(tài)催化劑分散體，制造催化過濾器，使所述氣態(tài)催化劑分散體流動(dòng)進(jìn)入所述過濾介質(zhì)，因此所述氣態(tài)介質(zhì)流動(dòng)通過所述過濾介質(zhì)，及至少一些催化劑材料及液體沉積在所述過濾介質(zhì)的表面上。
文檔編號B01J35/00GK1771088SQ200380110295
公開日2006年5月10日 申請日期2003年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月5日
發(fā)明者瑞安·C·舍克, 托馬斯·E·伍德, 石神裕司 申請人:3M創(chuàng)新有限公司