物質(zhì)和使用其的排氣裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有形成F-43m立方結(jié)構(gòu)的面心立方晶格、分子式為NaxMyAlaSibOδ的物質(zhì)，其中M是鋰、鉀、銣、銫、釩、鉻、鐵、鈷、鎳、釕、銠、鈀、銀、鋨、銥、鉑、金和鈰中的至少一種；0<x+y≤22/3；當(dāng)y=0，4<x≤22/3，當(dāng)0<y≤22/3，0≤x<22/3，并且當(dāng)M是鉀，x>0；1≤a≤3；1≤b≤3；0<δ≤32/3。本發(fā)明也涉及使用此物質(zhì)的排氣裝置及方法。
【專利說明】物質(zhì)和使用其的排氣裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種物質(zhì)和使用其的排氣裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]煤、油(如柴油)、木材或其他含碳物質(zhì)的不完全燃燒而產(chǎn)生的碳煙(soot)主要由碳組成。柴油機(jī)的尾氣因為含有大量的碳煙，所以會造成環(huán)境污染。在柴油機(jī)的排氣裝置中使用柴油顆粒捕集器是減少或者消除柴油機(jī)碳煙排放的一種方法。為了降低柴油顆粒捕集器的定期再生溫度以及保持在柴油顆粒捕集器內(nèi)進(jìn)行再生操作時的連續(xù)，可在柴油中加入催化劑，或?qū)⒋呋瘎┩吭诓裼皖w粒捕集器的壁上，以降低柴油顆粒捕集器中捕集的碳煙的氧化起始溫度，從而促進(jìn)碳煙的氧化。
[0003]美國專利第7797931號公開了為促進(jìn)碳煙氧化在柴油顆粒捕集器上使用的包含催化金屬的催化劑，該催化金屬由Pt、Pd、Pt-Pd及其組合中選出的鉬族金屬組成，而鉬族金屬的成本較高。
[0004]美國專利申請公開第2009/0203517號公開了一種碳基燃燒催化劑，該催化劑由燒方鈉石或者方鈉石與堿金屬源及/或堿土金屬源的混合物而得。
[0005]在一篇發(fā)表在《固體化學(xué)雜志》(JOURNAL OF SOLID STATECHEMISTRY)61,40-46(1986)上的題為《間質(zhì)性方石英型化合物(Na2O) < Q.33Na[AlSiO4]》(Interstitial Cristobalite-type Compounds (Na2O) ^ 0 33Na [AlSiO4])的文章中曾經(jīng)提到間質(zhì)性方石英型化合物(Na2O) (0.33Na [AlSiO4](或(Na2O) (0.66Na2 [Al2Si2O8]，或 Na <3.具Si2O <8.66)。Na 8Al4Si4O18 (或(Na2O) Na2 [Al2Si2O8]，或 Na4Al2Si2O9)也在Beitrage zurBeaktionsfahigkeit der silicate bei niedrigen temperaturen, I1.Mitteilung., DieStrukturen Na20_reicher carnegieite., Von Werner Borchert undJurgen Keidel, Heidelberg, Mit6Textabbildungen, (Eingegangen aml7, Marz 1947)中被提及。中國專利申請公開第102295284號涉及一種分子式為(Na2O)xNa2[Al2Si2O8]的類三斜霞石物質(zhì)，其中0〈x ( 1，其可用于蒸汽環(huán)境中將碳轉(zhuǎn)化為碳氧化物及將烴裂化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種物質(zhì)和使用其的排氣裝置及方法。
[0007]一方面，本發(fā)明涉及的物質(zhì)具有形成F-43m立方結(jié)構(gòu)的面心立方晶格、分子式為NaxMyAlaSibOs,其巾M是鋰、鉀、銣、銫、銀、鉻、鐵、鈷、鎳、釕、錯、鈕、銀、鋨、銥、鉬、金和鋪中的至少一種；0<x+y ( 22/3 ;當(dāng) y=0，4〈x ( 22/3，當(dāng) 0<y ( 22/3，O ( x〈22/3，并且當(dāng) M 是鉀，x>0 ;1 ≤ a ≤ 3 ;1 ≤ b ≤ 3 ;0〈 δ ( 32/3。
[0008]另一方面，本發(fā)明涉及包含前述物質(zhì)的排氣裝置。
[0009]再一方面，本發(fā)明涉及前述物質(zhì)的使用方法，其包括:將含碳物質(zhì)與有效劑量的所述物質(zhì)接觸，以使含碳物質(zhì)在第一氧化起始溫度開始氧化，所述第一氧化起始溫度低于所述含碳物質(zhì)在沒有催化劑的情況下的氧化起始溫度?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0010]通過結(jié)合附圖對于本發(fā)明的實施例進(jìn)行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中:
[0011]圖1A為具有二斜霞石相的2[Na2Al2Si2O8]的晶體結(jié)構(gòu)的不意圖。
[0012]圖1B為具有形成F-43m立方結(jié)構(gòu)的面心立方晶格的2 [N a22/3Al2Si2〇32/3]
[0013]晶體結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0014]圖2所示為例I中相應(yīng)樣本的2 θ X射線衍射(XRD)譜。
[0015]圖3所示為例2中相應(yīng)樣本處理前和處理后的2 Θ XRD譜。
[0016]圖4所示為例3中不同樣本在不同溫度產(chǎn)生的二氧化碳的質(zhì)譜信號圖。
[0017]圖5所示為例4中不同樣本在不同溫度產(chǎn)生的二氧化碳的質(zhì)譜信號圖。
[0018]圖6所示為例5中不同樣本在不同溫度產(chǎn)生的二氧化碳的質(zhì)譜信號圖。
[0019]圖7所示為例7中不同樣本在不同溫度產(chǎn)生的歸一化COx濃度。
[0020]圖8所示為例9中不同樣本在不同溫度時的COx產(chǎn)率。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明中所提及的數(shù)值包括從低到高一個單元一個單元增加的所有數(shù)值，此處假設(shè)任何較低值與較高值之間間隔至少兩個單元。舉例來說，如果說了一個組分的數(shù)量或一個工藝參數(shù)的值，比如，溫度，壓力，時間等等，是從I到90，或20到80，或30到70，是想表達(dá)15到85，22到68，43到51，30到32等數(shù)值都已經(jīng)明白的列舉在此說明書中。對于小于I的數(shù)值，0.0001，0.001，0.01或者0.1被認(rèn)為是比較適當(dāng)?shù)囊粋€單元。前述只是想要表達(dá)的特別示例，所有在列舉的最低到最高值之間的數(shù)值組合均被視為以類似方式清楚地列在本說明書中。
[0022]說明書和權(quán)利要求中的近似用語用來修飾數(shù)量，表示本發(fā)明并不限定于該具體數(shù)量,還包括與該數(shù)量接近的可接受的修正的部分,而不會導(dǎo)致相關(guān)基本功能的改變。相應(yīng)的，用“大約”、“約”等修飾一個數(shù)值，意為本發(fā)明不限于該精確數(shù)值。在某些示例中，近似用語可能對應(yīng)于測量數(shù)值的儀器的精度。
[0023]本申請所提及的“可”、“可以”、“可能”和“可為”表示在一定環(huán)境下發(fā)生的可能性；具有指定的性質(zhì)，特征或者功能的可能性；和/或通過顯示一個或者多個能力、性能而適合于另一種動作，或者與該適合的動作相關(guān)的可能性。因此，用于“可”、“可以”、“可能”和“可為”表示修飾的術(shù)語顯然適合、能夠或者適于所表示的能力，功能，或者用途，同時考慮在一些情況下，所修飾的術(shù)語可能有時不適合、不能或者不合適。例如，在一些情況下，事件或者能力可能是所期望的，而在其它情況下，該事件或者能力不能發(fā)生。這種區(qū)別通過術(shù)語“可”、“可以”、“可能”和“可為”涵蓋。
[0024]本發(fā)明所涉及的分子式為NaxMyAlaSibOs的物質(zhì)具有三斜霞石晶相，其具有形成F-43m立方結(jié)構(gòu)的面心立方晶格。在一些實施例中，y=0，該物質(zhì)可為在Na4Al4Si4O16三斜霞石相中嵌入氧化鈉的晶體結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，y>0，該物質(zhì)可為在Na4Al4Si4O16H斜霞石相中嵌入氧化鈉及M的晶體結(jié)構(gòu)。
[0025]圖1A為具有三斜霞石相的Na4Al4Si4O16(即2[Na2Al2Si208])晶體結(jié)構(gòu)的示意圖，其為由2個面心立方晶格組成的金剛石立方結(jié)構(gòu)(如果考慮硅離子在角落并面向中心位置)，一個晶格沿著體對角線偏離另一個晶格其長度的1/4。
[0026]圖1B為具有形成F-43m立方結(jié)構(gòu)的面心立方晶格的2 [Na2273Al2Si2O3273]晶體結(jié)構(gòu)的示意圖，其中假設(shè)4 (Na2O)+4/3 (Na2O)嵌入了 Na4Al4Si4O16面心立方晶格的可用八面體和四面體間隙空間。
[0027]在一些實施例中，M是鉀、鋰、鈰、鈷、鐵、釩中的至少一種。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的示例，X和y根據(jù)物質(zhì)中M的不同而不同。在一些實施例中，M是鉀，3.2≤X≤3.8，0.2≤y≤0.8。在一些實施例中，M是鋰，x=3.8，y=0.2。在一些實施例中，M是鈷，x=3.8，y=0.2。在一些實施例中，M是鈰，3.8≤x≤3.9996，0.0004≤y≤0.2。
[0029]a、b和δ的數(shù)值根據(jù)晶格的可用空隙不同而不同。在一些實施例中，物質(zhì)的分子式為 Na3.8K。.2Al2Si209、Na3.6K0.4Al2Si209、Na3.2K0.8Al2Si209、Na3.8Li。.2Al2Si209, Na3.8Ce0.2Al2Si2Og.3、Na3.998〇θο.0ceAl^SisOg.003、Na5Al2Si2O9.5、Na3.ggggCeg^_4Al2Si209.0002>Na3^ J2K0^24Al2SiL9208.82 或Na3.8Co0.2Al2Si209.2.[0030]根據(jù)本發(fā)明的示例，x、y、a、b和δ的數(shù)值可用制備具有形成F-43m立方結(jié)構(gòu)的面心立方晶格、分子式為NaxMyAlaSibOs的物質(zhì)的原材料的數(shù)量計算。在一些實施例中，在具有形成F-43m立方結(jié)構(gòu)的面心立方晶格、分子式為NaxMyAlaSibOs的物質(zhì)中鈉、M、鋁和硅的含量可用如波長色散X射線熒光分析儀檢測分析，以得到X、1、a、b的數(shù)值，然后根據(jù)該物質(zhì)中所有元素電荷的平衡計算出S的數(shù)值。
[0031]在一些實施例中，本發(fā)明所涉及的具有形成F-43m立方結(jié)構(gòu)的面心立方晶格、分子式為NaxMyAlaSibOs的物質(zhì)用于排氣裝置中從柴油機(jī)接收柴油廢氣的柴油顆粒捕集器上。在一些實施例中，該物質(zhì)以如下方式涂在柴油顆粒捕集器上:將柴油顆粒捕集器浸于含有該物質(zhì)的漿體后從漿體中取出干燥。
[0032]在一些實施例中，具有形成F-43m立方結(jié)構(gòu)的面心立方晶格、分子式為NaxMyAlaSibO5的物質(zhì)的使用方法包括:將含碳物質(zhì)與有效劑量的所述物質(zhì)接觸，以使含碳物質(zhì)在第一氧化起始溫度開始氧化，所述第一氧化起始溫度低于所述含碳物質(zhì)在沒有催化劑的情況下的氧化起始溫度。
[0033]本發(fā)明所稱“氧化起始溫度”，又稱“起始氧化溫度”，是指含碳物質(zhì)開始氧化的溫度，又可指含碳物質(zhì)在特定環(huán)境中能夠氧化的最低溫度。在一些實施例中，含碳物質(zhì)的氧化起始溫度或起始氧化溫度可為含碳物質(zhì)開始產(chǎn)生一氧化碳及/或二氧化碳等氧化產(chǎn)物的溫度，也可為含碳物質(zhì)產(chǎn)生的一氧化碳及/或二氧化碳等氧化產(chǎn)物可被測到時的溫度。
[0034]含碳物質(zhì)和分子式為NaxMyAlaSibOs、具有形成F_43m立方結(jié)構(gòu)的面心立方晶格的物質(zhì)可以任何方式接觸。在一些實施例中，兩種物質(zhì)相互混合。在一些實例例中，分子式為NaxMyAlaSibO5,具有形成F_43m立方結(jié)構(gòu)的面心立方晶格的該物質(zhì)涂在柴油顆粒捕集器接觸具有含碳物質(zhì)的廢氣流的壁上，從而這兩種材料在廢氣流通過柴油顆粒捕集器時得以相互接觸。
[0035]接觸發(fā)生在含有氧化劑的環(huán)境中，比如含有氧氣的空氣、水蒸氣和氮氧化物中。
[0036]本發(fā)明所稱“含碳物質(zhì)”包括但不限于來自煤、石油、木材、烴及其他含碳物質(zhì)的含碳固體或液體、或形成含碳固體或液體的微粒或高分子。根據(jù)本發(fā)明的示例，含碳物質(zhì)可含碳?xì)浠衔?如柴油)、炭黑或碳煙中的至少一種。[0037]分子式為NaxMyAlaSibOs、具有形成F_43m立方結(jié)構(gòu)的面心立方晶格的物質(zhì)降低含碳物質(zhì)的氧化起始溫度，它可為氧化含碳物質(zhì)的催化劑和氧化去除碳煙的催化劑。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的示例，分子式為NaxMyAlaSibOs、具有形成F-43m立方結(jié)構(gòu)的面心立方晶格的物質(zhì)在含高溫蒸汽的環(huán)境中是穩(wěn)定的。
[0039]實驗示例
[0040]以下實驗示例可以為本領(lǐng)域中具有一般技能的人實施本發(fā)明提供參考。但是，這些示例并不用于限制權(quán)利要求的范圍。
[0041]高嶺土從美國密蘇里州圣路易斯西格瑪-奧德里奇公司獲得。硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鋰、硝酸鈰(Ce (NO3) 3.6H20)、硝酸鈷(Co (NO3) 2.6H20)、檸檬酸、二縮三乙二醇和異丙醇從中國上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司獲得。炭黑(含碳量99.99%，ACE Black, AB50)從美國德克薩斯州休斯頓synthetic oiland lubricant of Texas, Inc.獲得。除非另有說明，所有化學(xué)物質(zhì)使用前沒有進(jìn)一步處理。
[0042]除非另有說明，計算分子式為NaxMyAlaSibOs的物質(zhì)中δ的數(shù)值時，假設(shè)鈉、鉀、鋰、鈷、鈰、鋁和硅在該物質(zhì)中各自以Na+、K+、Li+、Co3+、Ce4+、Al3+和Si4+形態(tài)存在。
[0043]例I
[0044]將硝酸鈉、硝酸鉀(硝酸鋰、硝酸鈰(Ce (NO3) 3.6Η20)或硝酸鈷(Co (NO3) 2.6Η20))、和檸檬酸完全溶解在水中以得到溶液。攪拌中加入二縮三乙二醇。最后加入高嶺土，并在室溫攪拌I小時以形成漿體。逐漸加熱至400°C，直到粉末形成。將獲取的粉末放入馬弗爐，在991°C煅燒以得到分子式為NaxMyAlaSibOs的不同物質(zhì)。
[0045]上述實驗中用到的硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鋰、硝酸鈰(Ce (NO3) 3.6H20 )、硝酸鈷(Co (NO3)2.6H20)、檸檬酸、二縮三乙二醇和高嶺土的重量列于下表I。鉀、鋰、鈰或鈷的濃度，X、y、a和b的數(shù)值根據(jù)硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鋰、硝酸鈰(Ce(NO3)3.6H20)、硝酸鈷(Co(NO3)2.6Η20)、檸檬酸、二縮三乙二醇和高嶺土的用量分別計算。鉀、鋰、鈰或鈷的濃度，X、y、a和b的數(shù)值，以及每一物質(zhì)的分子式列于下表I。
[0046]表I
[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種物質(zhì)，其具有形成F-43m立方結(jié)構(gòu)的面心立方晶格，分子式為NaxMyAlaSibOs，其中 M是鋰、鉀、銣、銫、銀、鉻、鐵、鈷、鎳、釕、錯、鈕、銀、鋨、銥、鉬、金和鋪中的至少一種； 0<x+y ( 22/3 ;當(dāng) y=0，4〈x ( 22/3，當(dāng) 0〈y ( 22/3，O ( x〈22/3，并且當(dāng) M 是鉀，x>0 ； I ≤ a≤ 3;1 ≤ b ≤ 3;0〈δ ( 32/3。
2.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)，其特征在于:y>0且M是鉀、鋰、鐵、釩、鈰和鈷中的至少一種。
3.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)，其特征在于:3.2 ≤ X ≤3.9996，0.0004 ≤ y ≤ 0.8。
4.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)，其特征在于:M為鉀，3.2≤X≤3.8，0.2≤y≤0.8。
5.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)，其特征在于:M為鋰或鈷，x=3.8，y=0.2。
6.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)，其特征在于:M為鈰，3.8≤X≤3.9996，0.0004 ≤ y ≤ 0.2。
7.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)，其特征在于:其分子式為=Na5Al2Si2O9.5、Na3.sK。.2Al2Si209、Na3.6KQ.4Al2Si209、Na3.2KQ.8Al2Si209、Na3.8Li0.2Al2Si209、Na3.8CeQ.2Al2Si209.3、Na3.998Ce0.Q02A12S i 209.003、Na3.9996Ce 0.0004A12S i 209.0002、Na3.72K0.24AI2S i 9208.82 或Na3.8Co0.2Al2Si209.2。
8.一種包含權(quán)利要求1至7中任何一項所述物質(zhì)的排氣裝置。
9.如權(quán)利要求8所述的排氣裝置，其特征在于:其包括帶有所述物質(zhì)的涂層并且接收柴油機(jī)的柴油廢氣的柴油顆粒捕集器。
10.一種權(quán)利要求1至7中任何一項所述物質(zhì)的使用方法，其包括: 將含碳物質(zhì)與有效劑量的所述物質(zhì)接觸，以使含碳物質(zhì)在第一氧化起始溫度開始氧化，所述第一氧化起始溫度低于所述含碳物質(zhì)在沒有催化劑的情況下的氧化起始溫度。
11.如權(quán)利要求10所述的所述物質(zhì)的使用方法，其特征在于:所述接觸發(fā)生在存在氧化劑的環(huán)境。
12.如權(quán)利要求10所述的所述物質(zhì)的使用方法，其特征在于:所述含碳物質(zhì)包括炭黑、碳?xì)浠衔?、和碳煙中的至少一種。
【文檔編號】B01D53/94GK103566920SQ201210272152
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月1日
【發(fā)明者】傅琪佳, 張曉 , 林川, 楊佑浩, 丹尼爾.G.諾頓, 拉里.N.劉易斯, 鮑筱穎, 蘇珊.科拉, 董昱, 汪德家, 王世忠 申請人:通用電氣公司