專利名稱：載體擔載有金屬催化劑的發(fā)動機尾氣微波處理器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種在微波場作用下能夠?qū)Σ裼秃推桶l(fā)動機尾氣進行凈化處理的微波處理器。
技術背景柴油機問世以來憑借其良好的動力性、經(jīng)濟性和耐久性廣泛的應用于各種動力裝置，如汽車、船舶和發(fā)電機等。特別是自20世紀90年代以來全球柴油車的數(shù)量迅速增加，我國柴油車在20世紀80年代中期以后發(fā)展的勢頭也非常迅猛。但是由于柴油機尾氣排放對空氣造成的污染越來越嚴重，柴油機的發(fā)展受到很大的限制。柴油機尾氣中受排放法規(guī)控制的污染物成分主要是CO、HC、NOx(這里主要包括NO、NO2、N2O4和N2O等)和炭煙微粒(PM)等，其中NOx是一種危害較大、又不易被除掉的有毒氣體。現(xiàn)有的柴油機排氣控制對策技術包含發(fā)動機技術、后處理技術和燃油技術等三個方面的內(nèi)容。所謂發(fā)動機技術是指改善燃燒，抑制NOx和PM生成的技術。后處理技術是指將發(fā)動機排放物質(zhì)在進入大氣前進行處理、進一步減少NOx和PM污染物排放的技術，后處理技術主要有四種氧化催化劑技術、微粒捕集器(或微粒物過濾器)技術、NOx催化劑技術、微粒物和NOx同時凈化技術。目前廣泛應用的貴重金屬“三效”催化劑技術，通常是使用鉑、鈀和銠金屬的組合，能同時將柴油機尾氣中的NOx、CO和HC催化使其在最終排入大氣時轉(zhuǎn)換為N2、CO和H2O，對于凈化柴油機尾氣中的CO、HC和NOx有著很好的效果，已經(jīng)成為當今柴油機特別是汽車排氣凈化催化劑的主流。所謂燃油技術是指改進車用柴油質(zhì)量規(guī)格，如十六烷值、蒸餾性態(tài)、密度、硫含量、芳烴量等，以減少NOx和PM的排放。
現(xiàn)有技術中“三效”催化劑雖然能解決目前柴油機特別是汽車尾氣凈化問題，但由于其低溫活性差，起燃溫度較高(一般大于200℃)，因而造成汽車冷啟動時尾氣凈化效果較差。并且所使用的貴金屬(如鉑、銠等)價格昂貴，面臨著資源枯竭的問題。而且催化劑使用一段時間后，由于催化劑表面會被炭煙微粒(PM)等污染物所覆蓋，會使催化效果下降，從而產(chǎn)生所謂催化劑老化的問題。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種在微波場作用下的以多孔陶瓷為載體，通過浸漬、干燥、煅燒，使多種金屬、金屬氧化物催化劑復合于載體上的凈化柴油和汽油發(fā)動機尾氣的微波處理器。
如圖1及圖2所示，為本實用新型所述的發(fā)動機尾氣微波處理器由具有出氣口2及進氣口3的諧振腔1、安裝在諧振腔1內(nèi)的陶瓷載體6、產(chǎn)生2450MHz微波的磁控管4、波導管5組成。
在進氣口3和出氣口2間設有諧振腔1，圖3所示的驅(qū)動電路產(chǎn)生的高壓脈動直流電供給磁控管4，磁控管4產(chǎn)生2450MHz的微波經(jīng)波導管5進入諧振腔，微波功率為500-1000瓦。諧振腔的進、出氣口尺寸無限制，諧振腔體材料為不銹鋼或其他金屬材料，壁厚2mm到4mm，長度應為微波波長2450Hz的1/4倍，波導管長度無限制。
如圖2所示，諧振腔1內(nèi)裝有陶瓷載體6，陶瓷載體由堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)、SiC和ZrO2等材料制成多孔結(jié)構(gòu)，可采用壁流式蜂窩結(jié)構(gòu)(如a圖所示)或泡沫結(jié)構(gòu)(如b圖所示)，在陶瓷載體6的表面載有本實用新型所述的催化劑7，在陶瓷載體與諧振腔內(nèi)壁間可設有固定填充物8，固定填充物8起到減振及固定陶瓷載體的作用，減振及固定裝置為不吸收微波的物質(zhì)，如泡沫等。
如圖3所示，是為微波處理器磁控管理提供脈動直流電的驅(qū)動電路，可由車載電瓶供電。Z1為穩(wěn)壓二極管，為主電路提供穩(wěn)定的15V電壓，使控制電路不受外加電源或汽車電瓶電壓變化的影響。U1為PWM(脈寬調(diào)制)發(fā)生器，產(chǎn)生頻率為17KHz到30KHz的高頻振蕩，調(diào)節(jié)RW2和C1可調(diào)節(jié)脈沖的頻率，以適應不同的開關變壓器和功率開關管。調(diào)節(jié)RW1可調(diào)節(jié)脈沖寬度，達到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。U2為555時基電路，產(chǎn)生一1KHz到10KHz的高頻振蕩，通過調(diào)節(jié)C2和C3可以適當調(diào)節(jié)震蕩器的輸出頻率，通過C7的耦合和D1進行反向整流，在C6上產(chǎn)生一約-15V的電壓，以滿足IGBT的驅(qū)動要求，用以驅(qū)動T4(IGBT)，T1，T2，T3，為驅(qū)動三極管給IGBT提供±15V的驅(qū)動電壓和足夠的電流。TR1為升壓變壓器，將電瓶的24V直流電變成交流高壓電，鐵芯必須滿足頻率和功率的要求，既能夠在17KHz到30KHz的頻率下在最大功率的情況下長時間的工作而不發(fā)熱。到經(jīng)D3將高壓交流電進行高頻整流變成高壓脈動直流電。D3為快恢復大功率的二極管，要能工作在17KHz到30KHz并且輸出電流能滿足輸出功率的要求。并經(jīng)C5濾波為平直的高壓直流電供給磁控管，C5必須要有足夠的耐壓(大于1000伏)和足夠的容量(2到5微法)。輸出脈沖的特性T4上的電壓為頻率17KHz到30KHz，幅度100V到400V的脈沖，經(jīng)TR1升壓和T3整流后，得到峰值3000V到4500V的脈動直流電。
陶瓷載體上擔載有對微波處理器內(nèi)尾氣化學反應起催化作用的催化劑，催化劑的成份為銅、鈰、錳、鈷和釩等金屬的氧化物(如CuO、CeO2、MnO2、Co3O4、V2O5等)和貴金屬(Pt、Rh和Pd等)，各金屬氧化物和貴金屬含量按占載體重量百分比計為氧化銅(CuO) 0.6-10％氧化鈰(CeO2) 0.3-3％氧化錳(MnO2) 0-5％氧化鈷(Co3O4)0-3％氧化釩(V2O5) 0-5％鉑(Pt) 0-2％銠(Rh) 0-3％鈀(Pd) 0-2％在陶瓷載體上制備催化劑的方法如下a)將金屬鈰的鹽的水溶液(濃度為3％-20％)浸漬上述載體1-25小時，取出浸漬的載體，在空氣中于室溫下利用吸附材料(如脫脂棉、濾紙等)使其陰干5-20小時，然后在烘箱里于空氣中在50-150℃溫度下干燥1-5個小時，然后在高溫爐中，于150-650℃溫度下煅燒1-5個小時，隨爐冷卻后取出；b)將各金屬的鹽及貴金屬的鹽(硝酸鹽、醋酸鹽、鹽酸鹽)的水溶液(溶液濃度為0.5-20％)浸漬上述載體1-25小時；c)取出浸漬的載體，在空氣中于室溫下利用吸附材料(如脫脂棉、濾紙等)使其陰干5-20小時，然后在烘箱里于空氣中在50-150℃溫度下干燥1-5個小時；d)在高溫爐中，于150-650℃溫度下煅燒1-5個小時，隨爐冷卻后取出；e)如催化劑中有貴重金屬，則需在100-500℃溫度下，用氫氣還原1小時。
效果試驗選取兩個成分相同的空白載體1號和2號。1號載體上擔載有金屬氧化物制成催化劑，其成份為CuO 0.8％、CeO20.4％、MnO20.3％。然后把1號載體放入微波場中10秒鐘，取出測量其溫度，達到80℃；放入微波場中20秒鐘，取出測量其溫度，達到135℃；放入微波場中30秒鐘，取出測量其溫度，達到150℃，再延長時間，其溫度大致不發(fā)生變化。把2號空白載體放入相同的微波場中，載體的溫度基本不隨放入微波場的時間變化。由此可見金屬催化劑對微波能量有很強的吸收作用。
在微波諧振處理器中，在微波場和催化劑的共同作用下，尾氣中各種氣體的反應機理是
如附圖4所示，是在微波作用下處理器中NO和CO的含量隨時間變化的實驗曲線圖。反應條件載體上催化劑的組成為CuO 0.8％、CeO20.4％、MnO20.3％，處理器中NO為329ppm、CO為228ppm、O2為4.4％、N2為載氣，微波功率800W。C代表NO的濃度曲線，B代表CO的濃度曲線，從圖可以看出隨著時間的推移，CO和NO的含量都有所下降，且下降的比例是1∶1。這說明應用本實用新型所述催化劑的微波處理器能同時有效地去除汽車尾氣中CO和NO，具有多元催化功效。同時，由于CO和NO等也為汽油發(fā)動機所排尾氣中的主要污染成份，故而本實用新型所述微波處理器對汽油機尾氣也有很好的凈化作用。在微波和催化劑的共同作用下汽車尾氣中有害成份的反應機理是。
如附圖5所示，是在微波作用下載體表面吸附有炭煙微粒(PM)時載體的溫度隨時間的變化曲線圖，從這幅圖可以看出，在微波開始作用210秒時，載體溫度達到最高(＞800℃)，然后趨于平穩(wěn)。
如附圖6所示，是在微波作用下諧振腔內(nèi)炭煙微粒(PM)燃燒時尾氣中氧氣含量隨時間的變化曲線圖，從這幅圖可以看出，在微波開始作用大約210秒時，氧含量達到最低，然后回升。
由上兩幅圖可以看出，在微波作用下，在諧振腔內(nèi)，載體表面吸附的炭煙微?？梢栽谳^短的時間內(nèi)吸收微波能，從而使炭煙微粒本身達到很高的溫度，進而燃燒。在210秒鐘時，諧振腔內(nèi)溫度和氧含量同時達到極值，這說明在210秒時炭煙微粒的燃燒達到頂點。隨后溫度和氧含量都趨于平穩(wěn)，這說明燃燒過程基本結(jié)束，通過這個過程可以有效的除去過濾體即陶瓷載體上吸附的炭煙微粒。另一方面可使催化劑能夠與尾氣充分接觸，更加有效地催化諧振腔內(nèi)的各項化學反應，這種現(xiàn)象我們稱之為催化劑的再生，通過對反應前后載體上炭煙微粒質(zhì)量的計算，有超過80％的炭粒被燃燒掉，故而可認為催化劑的再生效率可以達到80％左右。
通過對比試驗，表明金屬催化劑可以有效地降低炭粒燃燒時的起燃點。在諧振腔內(nèi)，當不使用任何金屬及貴重金屬催化劑時，炭粒起燃溫度需要600度左右，當僅使鉑、銠、鈀等貴重金屬催化劑時，炭粒的起燃溫度是370度左右，當使用其它金屬如氧化銅、氧化鈰、氧化錳等多種金屬復合催化劑時，炭粒的起燃溫度是260度左右。
如附圖7所示，是在微波作用下諧振腔中炭粒(PM)和NO在微波作用下轉(zhuǎn)化率隨時間的變化曲線，在微波和催化劑的共同作用下，隨著作用時間的增加，NO和炭粒的轉(zhuǎn)化率都有所增加，可見炭粒對NO有很好的還原作用，并且轉(zhuǎn)化率可以達到70％。曲線B是NO的轉(zhuǎn)化率曲線，曲線C是炭粒的轉(zhuǎn)化率曲線。其還原機理是綜上所述，可見使用本實用新型所述的處理器與已有的技術相比具有如下優(yōu)點及效果1、催化劑能有效地催化汽車尾氣中CO、HC和NOx等的還原反應，將對人體有害的氣體還原成無害氣體后排放出去，對汽車尾氣起到凈化的作用，故而不但適用于柴油機，而且也適用于汽油機；2、載體上的金屬催化劑制備方法簡單，價格便宜，使用方便，效果明顯；3、微波處理器諧振腔在微波的作用下，使吸附在載體表面的柴油機排放的炭煙微粒能夠被燃燒掉，不但能夠解決尾氣排放污染環(huán)境的問題，而且使催化劑再生，有效地提高催化反應效率，從而節(jié)省大量的能源。


圖1本實用新型所述的應用微波技術的發(fā)動機尾氣處理器；圖2(a)圖1所示處理器的剖視圖--應用壁流式結(jié)構(gòu)陶瓷載體；圖2(b)圖1所示處理器的剖視圖--應用泡沫結(jié)構(gòu)陶瓷載體；圖3為圖1處理器磁控管提供高頻直流電源的驅(qū)動電路；圖4諧振腔內(nèi)CO和NO在微波作用下含量隨著時間變化的曲線圖；圖5諧振腔內(nèi)在微波場作用下溫度隨時間的變化曲線圖；圖6諧振腔內(nèi)在微波場作用下氧氣含量隨時間的變化曲線圖；圖7炭粒和NO在微波作用下隨時間的轉(zhuǎn)化率曲線。
最佳實施方式實施例1取一定量的硝酸鈰配成4％的溶液，把多孔陶瓷載體放入其中，浸泡5個小時，然后取出，利用脫脂棉使其在空氣中于室溫下陰干12小時，接著于空氣中，在60℃溫度下在烘箱中烘干3小時，然后在250℃的溫度下在高溫爐中煅燒2小時。隨爐冷卻后取出，然后放入硝酸銅和硝酸錳的混合溶液(硝酸銅的濃度是3％、硝酸錳的濃度是1.5％)浸泡5個小時，然后取出，利用脫脂棉，使其在空氣中在室溫下陰干12小時，在60℃溫度下在烘箱中烘干3小時，然后在250℃的溫度下在高溫爐中煅燒2小時。隨爐冷卻后取出，這樣就在載體上制備得到了本實用新型的催化劑。經(jīng)檢測(稱重)，載體上催化劑的含量分別為氧化銅0.8％，氧化鈰0.9％，氧化錳0.4％。
實施例2取一定量的硝酸鈰配成4％的溶液，把多孔陶瓷載體放入其中，浸泡5個小時，然后取出，利用脫脂棉使其在空氣中于室溫下陰干12小時，接著于空氣中，在60℃溫度下在烘箱中烘干3小時，然后在250℃的溫度下在高溫爐中煅燒2小時。隨爐冷卻后取出，然后取一定量的硝酸銅、硝酸鉑、硝酸銠和硝酸鈀分別配成8％、1％、1.5％和2％的溶液，并將其混合。然后把載體放入其中，浸泡15個小時，然后取出，利用脫脂棉，使其在空氣中于室溫下陰干20小時，接著在空氣中，在150℃溫度下烘干2小時，然后在300℃的溫度下煅燒1小時，隨爐冷卻后取出。最后在400℃的溫度下用氫氣還原1小時，經(jīng)檢測(稱重)，各金屬氧化物及貴金屬的含量分別是氧化鈰0.9％、氧化銅1.8％、Pt 0.3％、Rh0.32％和Pd 0.35％。
實施例3取一定量的硝酸鈰配成12％的溶液，然后把載體放入其中，浸泡7個小時，然后取出，利用脫脂棉使其在空氣中于室溫下陰干18小時，接著于空氣中，在70℃溫度下在烘箱中烘干2小時，然后在300℃的溫度下在高溫爐中煅燒2.5小時，隨爐冷卻后取出。然后，放入硝酸銅和氯化鈀的混合溶液中(硝酸銅的濃度是15％、氯化鈀的濃度是2.5％)浸泡7個小時，然后取出，利用脫脂棉使其在空氣中于室溫下陰干18小時，在70℃溫度下在烘箱中烘干2小時，然后在300℃的溫度下在高溫爐中煅燒2.5小時。隨爐冷卻后取出，最后在350℃的溫度下用氫氣還原1.5小時。這樣就在陶瓷載體上得到了本實用新型的催化劑，經(jīng)檢測(稱重)含量分別為氧化銅3.9％，氧化鈰2.5％，鈀0.32％。
實施例4取一定量的硝酸鈰配成15％的溶液，然后把載體放入其中，浸泡4個小時，然后取出，利用脫脂棉使其在空氣中在室溫下陰干15小時，接著于空氣中，在120℃溫度下在烘箱中烘干1.5小時，然后在400℃的溫度下在高溫爐中煅燒4小時。隨爐冷卻后取出。然后，放入硝酸銅、硝酸釩、醋酸鈷、硝酸銠和硝酸鉑的混合溶液中(濃度分別為20％、10％、8％、4％和5％)浸泡16個小時，然后取出，利用脫脂棉使其在空氣中在室溫下陰干16小時，在120℃溫度下在烘箱中烘干1.5小時，然后在400℃的溫度下在高溫爐中煅燒4小時。隨爐冷卻后取出，最后在400℃溫度下用氫氣還原1小時，這樣就在陶瓷載體上得到了本實用新型的催化劑。經(jīng)檢測(稱重)，含量分別為氧化銅5.6％，氧化鈰2.8％，氧化釩3.4％，氧化鈷3.0％，銠0.7％，鉑1％。
實施例5取一定量的硝酸鈰配成9％的溶液，然后把載體放入其中，浸泡4個小時，然后取出，利用脫脂棉使其在空氣中在室溫下陰干15小時，接著于空氣中，在110℃溫度下在烘箱中烘干1.1小時，然后在350℃的溫度下在高溫爐中煅燒4.小時。隨爐冷卻后取出。然后，放入硝酸銅、醋酸鈷、硝酸錳混合溶液中(濃度分別為19％、7.5％和10％)浸泡4.5個小時，然后取出，利用脫脂棉使其在空氣中在室溫下陰干16小時，在120℃溫度下在烘箱中烘干1.2小時，然后在300℃的溫度下在高溫爐中煅燒4.5小時，隨爐冷卻后取出。這樣就在陶瓷載體上得到了本實用新型的催化劑。經(jīng)檢測(稱重)，含量分別為氧化銅5.4％，氧化鈰1.5％，氧化錳3.0％，氧化鈷2.7％。
實施例6取一定量的硝酸鈰配成10％的溶液，然后把載體放入其中，浸泡4.5個小時，然后取出，利用脫脂棉使其在空氣中在室溫下陰干16小時，接著于空氣中，在120℃溫度下在烘箱中烘干1.2小時，然后在300℃的溫度下在高溫爐中煅燒4.5小時。隨爐冷卻后取出。然后，放入硝酸銅、醋酸鈷、和氯化鈀的混合溶液中(濃度分別為20％、8％和5％)浸泡12個小時，然后取出，利用脫脂棉使其在空氣中在室溫下陰干16小時，在120℃溫度下在烘箱中烘干1.2小時，然后在300℃的溫度下在高溫爐中煅燒4.5小時。隨爐冷卻后取出，最后在400℃溫度下用氫氣還原1小時，這樣就在陶瓷載體上得到了本實用新型的催化劑。經(jīng)檢測(稱重)，含量分別為氧化銅5.6％，氧化鈰1.6％，氧化鈷2.8％，鈀0.7％。
權利要求1.一種載體擔載有金屬催化劑的發(fā)動機尾氣微波處理器，由具有出氣口(2)及進氣口(3)的諧振腔(1)、安裝在諧振腔(1)內(nèi)的陶瓷載體(6)、通過波導管(5)與諧振腔(1)相連的磁控管(4)及為磁控管提供高頻直流電源的驅(qū)動電路組成，其特征在于諧振腔體材料為不銹鋼或其他金屬材料，壁厚2mm到4mm，長度應為微波波長2450Hz的1/4倍；陶瓷載體(6)的表面載有金屬氧化物和貴重金屬催化劑，各金屬氧化物和貴金屬含量按載體重量百分比計為氧化銅(CuO)0.6-10％氧化鈰(CeO2) 0.3-3％氧化錳(MnO2) 0-5％氧化鈷(Co3O4) 0-3％氧化釩(V2O5) 0-5％鉑(Pt) 0-2％銠(Rh) 0-3％鈀(Pd) 0-2％
2.如權利要求1所述載體擔載有金屬催化劑的發(fā)動機尾氣微波處理器，其特征在于陶瓷載體(6)是由堇青石、SiC或ZrO2材料制成的多孔陶瓷，采用壁流式蜂窩結(jié)構(gòu)或泡沫結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實用新型涉及一種在微波場作用下能夠?qū)Σ裼秃推桶l(fā)動機尾氣進行凈化處理的微波處理器。陶瓷載體由堇青石(2MgO·2Al
文檔編號F01N3/28GK2615342SQ0321229
公開日2004年5月12日 申請日期2003年3月30日 優(yōu)先權日2003年3月30日
發(fā)明者韓煒, 陳岳, 吳通好, 龔依民, 黃光寰 申請人:吉林大學