CH713958A1 - System bestehend aus einem Träger mit Strömungskanälen und mindestens einer katalystisch wirksamen Substanz. - Google Patents

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CH713958A1
CH713958A1 CH00882/17A CH8822017A CH713958A1 CH 713958 A1 CH713958 A1 CH 713958A1 CH 00882/17 A CH00882/17 A CH 00882/17A CH 8822017 A CH8822017 A CH 8822017A CH 713958 A1 CH713958 A1 CH 713958A1
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Abstract

Es wird ein neues System beschrieben, das aus einem Träger mit Strömungskanälen und mindestens einer katalytisch wirksamen Substanz besteht, wobei das trägerbildende Material eine kapillare interkonnektierende Porosität aufweist und die katalytisch wirksame Beschichtung mindestens innerhalb der Materialporosität auf den die Poren bildenden Kristallen aufgebracht ist, dass die Anbindung der katalytisch wirksamen Substanz auf thermischem Weg und die Beschichtung der Trägermaterialkristalle ohne Wash-coat-Hilfsbeschichtungen erfolgt ist.

Description

Beschreibung
TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die Erfindung betrifft ein System bestehend aus einem Träger mit Strömungskanälen und mindestens einer katalytisch wirksamen Substanz nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
[0002] Es existieren seit mehr als 30 Jahren Produktanwendungen und deren Weiterentwicklungen von Katalysatoren und Filtern in der Industrieanwendung und in der Anwendung von Autos. Hier haben sich durch die Herstellerkonzentration zuverlässige Lieferanten von Trägern entwickelt, welche innerhalb kürzester Zeit in Weltmarktstückzahlen Träger produzieren können.
[0003] Als dritte Partner der Produkt- und Anwendungskette sind die Beschichter genannt, welche in grossserientauglichen industriemässigen Beschichtungsanlagen die Träger mit oberflächenvergrössernden Trägerschichten versehen und die katalytischen Substanzen darin einbinden. Eine Vielzahl kleinerer und mittelständischer Unternehmen füllen die Lieferlücke von kleinen bis mittleren Serien und die Einzelstückfertigung aus, indem sie bekannte Träger mit bekannten Katalysatoren kombinieren indem bekannte Verfahren angewendet werden, wie beispielsweise das sogenannte Wash-coat, Sputtern und Plasmabeschichten und Tränken für kurze Anwendungswirkzeiten.
[0004] Den Bereichen gemeinsam ist bislang, dass zur Erzeugung der gewünschten Reaktionen meistens teure Materialien wie Platin und Rhodium eingesetzt werden, welche heutzutage nach der Produktlaufzeit aufwändig recycelt werden. Als Träger werden in den meisten Fällen industriell gefertigte extrudierte Monolithe, Durchströmung, und ebenfalls extrudierte Monolithe mit alternierend verschlossenen Kanälen, Wanddurchtritt, verwendet, welche auf der Kanaloberfläche mit einem Wash-coat zur Oberflächenvergrösserung und Aufnahme eines Katalysators beschichtet sind, welche in einem Kalzinierungsverfahren an die Kanaloberfläche angebunden wird, sowie einem Katalysator welcher an die innere und äussere Oberfläche des Wash-coats gebunden wird. Bindungspartner sind dabei Träger gebunden mit Wash-coat und Wash-coat gebunden mit Katalysator. Dieser Weg wird nach dem Stand der Technik auch beschritten, da oftmals, wie beispielsweise beim Kordierit als monolithischer Träger, beim Sintern des Trägers, dessen Oberfläche nicht nur durch den klassischen Extrusionsvorgang weitestgehend geschlossen ist, sondern zusätzlich durch die Erweichungs- und Flüssigphase der Sinterung zusätzlich abgedichtet wird, so dass dem Katalysator keine Haft- beziehungsweise Bindungsoberfläche mehr zur Verfügung steht und zusätzlich die nach der Beschichtung verfügbare Katalysatoroberfläche für eine ausreichende Reaktionsfläche nicht mehr ausreichend ist. Hier ist konventionell die durchschnittliche Kontaktzeit des zu reinigenden Abgases mit oberflächenwirksamer Katalysatoroberfläche zu gering. Zwar hat sich im Zuge der Entwicklungen die Haltbarkeit der Wash-coat-Schicht an das Trägermaterial verbessert, stellt aber durch die geringe Eigenfestigkeit des Wash-coats immer noch die essentielle Schwachstelle eines Katalysators oder katalytisch wirksamen Filters dar, neben der Einbindung des Trägers in das Katalysatorgehäuse mittels Filtermatte, welches ebenfalls eine essentielle Schwachstelle darstellt. Dabei besitzen klassische Katalysatoren keinen Volumenstromrückhalt, da die Abgase lediglich an und in der näheren Kanaloberfläche vorbeiströmen. Defizitär ist den bekannten Katalysatoren, dass der verfügbare Strömungsquerschnitt durch das Wash-coat beeinträchtigt wird und damit die lichte Weite der Trägerkanäle des Trägers unproportional gross sein müssen, um sowohl ein Abfliessen von überschüssigem viskosem Wash-coat zu gewährleisten als auch eine Reduktion an freier verfügbarer Kanaloberfläche zu ermöglichen.
[0005] Grundsätzlich ist vor allem bei Katalysatoren, aber auch bei reaktiven Filtern und Reaktoren, das grösste wirtschaftliche Einsparungspotenzial, neben der Automation und Grossserie, die Reduzierung des katalytisch wirksamen Bestandteils, meist jedoch Zulasten der Standzeiten und der Wirksamkeit und Haltbarkeit im Alterungsprozess.
[0006] Als weiteres wesentliches Defizit der klassischen Beschichtungstechnologie ist die Entwicklung von trägergebundenen Katalysatoren zu benennen, bei denen der Katalysator bereits bei der Formgebung in die Masse eingebracht wird und mit gebrannt wird. Dabei gehen für die katalytische Reaktion meistens mehr als 90% des Katalysatormaterials verloren, da diese Quote an katalytischer Substanz durch Einschluss und Verschmelzung in die Trägerstruktur vom Abgas für die katalytische Reaktion nicht erreichbar ist.
[0007] Nach dem Stand der Technik ist beispielsweise die Plasmabeschichtung als wash-coatfreie Beschichtung bekannt, allerdings ist diese eher für zweidimensionale Katalysatorträger wie Folien geeignet, da die Eindringtiefe des Plasmas in die Kanäle der Trägerstrukturen nur wenige Millimeter beträgt und kaum, beziehungsweise nicht in die zufällig noch vorhandene Materialporosität. Insofern ist die Plasmabeschichtung nur als zusätzliche Beschichtung im Ein- und Austrittsbereich eines Katalysators, Filters oder Reaktors, oder bei sehr kleinen Monolithen, wie beispielsweise beim Schüttgutkatalysator, möglich.
[0008] In Fig. 1 ist ein Katalysator nach dem Stand der Technik dargestellt. Ein Träger 1 ist beidseitig mit einer Wash-coat-Schicht 2 versehen, dessen Aussenschicht 3 von einem Katalysator mate rial durchdrungen ist.
AUFGABE DER ERFINDUNG
[0009] Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein System bestehend aus einem Träger mit Strömungskanälen und mindestens einer katalytisch wirksamen Substanz bereitzustellen, das eine wesentlich höhere Katalysatorleistung auf einem Träger mit geringerem Volumen ermöglicht.
[0010] Diese Aufgabe wird durch ein System bestehend aus einem Träger mit Strömungskanälen und mindestens einer katalytisch wirksamen Substanz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
[0011] Die vorliegende Erfindung besteht aus einer Kombination eines Systems aus katalytisch wirksamen Substanzen, basierend auf seltenen Erden und/oder klassischen Katalysatormaterialien als Katalysator, und keramischen oder metallischen und aus Kunststoff bestehenden porösen Trägern mit kapillarem interkonnektivem Porensystemen, basierend auf extrudierten, gegossenen, gespritzten oder additiv gefertigten Trägern. Bei diesem System liegt die katalytisch wirksame Substanz im Herstellungsprozess in Lösung oder feinstkörnig niedrigviskös in Suspension verteilt oder als Dampf- oder Nebelbestandteil verteilt, vor. Nach dem Tränken, Benebeln oder Bedampfen und Reduktion des Lösungsmittels haftet der Katalysator mittels thermischer, chemischer oder physikalischer Methode an die einzelnen Körner des Trägermaterials nicht nur im äusseren Wandbereich, sondern auch innerhalb der Materialwandungen der Trägerstege, wobei prozessbedingt eine hohe für die Abgase erreichbare Katalysatormaterialoberfläche sowohl an den Kanalwandungen als auch innerhalb des Materials der Kanalwandstege vorliegt.
[0012] Erfindungsgemäss ist die Trägerstruktur des Katalysators, des Filters oder des Reaktors aus Materialien aufgebaut welche aus der Gruppe der Metalle bestehen. Vorzugsweise aber nicht ausschliesslich sind dies niedrig oder hochlegierte Stähle, Aluminium, Kupfer, Titan. In der Gruppe der Keramiken als Trägermaterial, d.h. Silikatkeramiken und Oxidkeramiken, sind vor allem, aber nicht ausschliesslich Materialien wie Korund, Kordierit, Kordierit-Siliciumcarbid, Siliciumcarbid und Oxidkeramiken aus Titanoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid als Werkstoff bevorzugt.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[0013] Weitere Vorteile der Erfindung folgen aus den abhängigen Patentansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in welcher die Erfindung anhand eines in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert wird. Es zeigt:
Fig. 2 schematisch das Herstellungsverfahren eines katalytsichen Filtersystems,
Fig. 3 einen Ausschnitt eines beschichteten, kapillar interkonnektierenden porösen Materialsteges, und
Fig. 4 schematisch das Strömungsverhalten eines Abgases in benachbarten Materialkanälen und im Material selbst.
[0014] In der Fig. 2 ist ein kapillar interkonnektierenden porösen Träger 4 vorgesehen, welcher mit einem Katalysator 5 in gelöster oder suspendierter niedrigvisköser Form getränkt wird und zu einem katalytischen Filtersystem 6 führt.
[0015] Die Trägerstruktur des Katalysators, des Filters oder des Reaktors ist aus Materialien aufgebaut welche aus der Gruppe der Metalle bestehen. Vorzugsweise aber nicht ausschliesslich sind dies niedrig oder hochlegierte Stähle, Aluminium, Kupfer, Titan. In der Gruppe der Keramiken als Trägermaterial, d.h. Silikatkeramiken und Oxidkeramiken, sind vor allem, aber nicht ausschliesslich Materialien wie Korund, Kordierit, Kordierit-Siliciumcarbid, Siliciumcarbid und Oxidkeramiken aus Titanoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid als Werkstoff bevorzugt.
[0016] Fig. 3 stellt schematisch einen Ausschnitt eines beschichteten, kapillar interkonnektierenden porösen Materialsteges 7 dar, welcher Körner 8 mit kapillaren Poren 9 aufweist. Auf der Obefläche der Körner 8 liegt eine mit diesem verbundene katalytisch wirksame Substanz 10.
[0017] Für die Verwendung als kapillarer interkonnektiv poröser Katalysatorträger ist es wesentlich, dass die Materialporosität derart gestaltet ist, dass die Poren untereinander in Verbindung stehen und in ihrer Anordnung eine Querströmung innerhalb des Materialsteges zulassen. Dabei hat es sich gezeigt, dass die Zugabe von temporären Porosierungsmitteln hilfreich ist. Der Anteil an Porosierungsmittel, deren Korngrösse mindesten derjenigen des Feststoffes entspricht, beträgt maximal das Dreifache des Feststoffes. Es hat sich gezeigt, dass die Porosierungsmittelkorngrösse zwischen 0,5 pm und 35 pm am geeignetsten ist. Korngrössen von bis zu 50 pm können jedoch auch noch verwendet werden. Der Anteil an Porosierungsmittel in der Masse beträgt zwischen 0 und 25 Volumenprozent des Trägermaterials. Demgegenüber steht als weiterer Platzhalter für die Porosierung des Trägermaterials das verwendete Gemisch an Lösungsmittel, Plastifizierer und Binder zur Verfügung, welches bis zu 80 Volumenprozent des Trägermaterials ausmachen kann. Bei der Herstellung wird neben den Additiven und Lösungsmitteln auch das Porosierungmittel thermisch entfernt. Dabei entsteht eine Materialmatrix, welche in sich eine kapillare Wirkung innerhalb des Porensystems beinhaltet. Diese Porosität und Kapillarität bezieht sich auf die Materialmatrix und nicht auf die durch die Trägerstruktur hervorgerufene räumliche Porosität und Kapillarität der Kanäle des Trägers. Es hat sich gezeigt, dass das eingesetzte Material der Matrix Korngrössen mit einem Durchschnittswert, welcher als D50 Wert bezeichnet wird, von bis zu 150 pm aufweisen kann, vorzugsweise aber nicht ausschliesslich ist eine Korngrösse mit einem D50 Wert von 5 bis 25 pm, am allerbesten von 8 pm, am geeignetsten. Die daraus resultierende mittlere Porengrösse, bei 5 Volumenprozent Porosierungsmittel mit einem Grösstkorn von 25 pm, beträgt 7,5 pm mittlere Porenweite und kann bis zu 150 pm betragen. Bei der Verwendung konventioneller Kanalgeometrien ist das Porensystem für Kanalweiten von 0,1 mm bis 10 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 3 mm, geeignet. Abweichende Kanalweiten bedürfen einer vom Fachmann leicht zu ermittelnden Änderung der Materialanteile, insbesondere wegen der mit zunehmender Gesamtporosität, Materialporosität plus Strukturporosität, abnehmenden Körperfestigkeit.
[0018] Für den katalytischen Wirkstoff kommen durchaus auch die bekannten Katalysatoren wie Platin, Rhodium in Frage. Vorzugsweise werden diese zur Materialersparnis in gelöster und verdünnter Form eingesetzt. Da die körnige Katalysatorzusammensetzung zwar einen hohen Masseanteil aufweist, durch die Korngrösse des Katalysators aber nur eine eingeschränkte Reaktionsoberfläche besitzt, ist es vorteilhaft im Falle der körnigen Katalysatorzusammensetzung eine Korngrösse unterhalb des um Bereiches bis hin zu einstelligen nm Bereichen und kleiner anzustreben. Vorteilhaft ist hier die Verwendung von nanopartikulärem Katalysator, vorzugsweise unterhalb von 25 nm. Hier ist jedoch darauf zu achten, dass bei konventionellen Wash-coat-Beschichtungen diese leicht durch die Abgase aus dem Wash-coat herausgelöst werden und in die Umwelt gelangen können. Der Verlust an Katalysatormaterial durch abrasive Abgase ist derart gross, dass dort der Einsatz von Nano-Katalysatoren im Wash-coat gebunden, technologisch fragwürdig ist, da die hervorgerufenen Umweltbelastungen durch den Katalysator-austrag noch nicht ausreichend erforscht und nachgewiesen sind. Der Einsatz gelöster Katalysatoren zur katalytischen Beschichtung, gebunden an das Wash-coat, ist ebenfalls in Frage zu stellen, da dort durch die im Wash-coat vorliegende Strukturinstabilität der Katalysatorabtrag noch wesentlich erhöht auftreten kann. Es hat sich gezeigt, dass der Porenverschluss des Matrixmaterials durch Wash-coat und Katalysator eine effektive Nutzung der Materialporosität die katalytisch wirksame Oberfläche des für die Abgase frei zugänglichen Katalysators einschränkt. Auch neigen Oberflächenverschlüsse der Kanalwandung durch Wash-coat und Katalysator zu einer Wirksamkeitsdegradation während des Betriebes durch die Reduktion der Wandrauigkeit. Durch die Glättung der Kanalwandung können die Abgase ungehindert durchströmen, ohne dass es zu Mikroverwirbelungen kommt und damit die Anzahl und Zeit von Abgaswandkontakten signifikant reduziert wird, wodurch die katalytische Leistung des Katalysators, Filters oder Reaktors beeinträchtigt wird.
[0019] Demgegenüber hat sich gezeigt, dass die Zuführung von gelöstem Katalysator, maximal als nanopartikuläre nied-rigvisköse Suspension, bei kapillarer interkonnektierender poröser inneren Materialbeschichtung hervorragende katalytische Wirksamkeiten aufweist und bei geeigneter Bindung langzeitstabil erhalten werden kann, ohne dass abrasive Abtragungen erfolgen, bzw. gegenüber Wash-coat die Abtragungen signifikant minimierte sind.
[0020] Fig. 4 zeigt schematisch das Strömungsverhalten des zu reinigenden Fluids in benachbarten Materialkanälen und im Material. Das kapillar interkonnektierende poröse Material 11 ist mit Strömungskanälen. 12 durchsetzt. Die mit Pfeil 13 angedeutete Längsströmung des Fluids im Kanal 12 hat eine Geschwindigkeit V1 und Temperatur T1, die mit Pfeil 14 angedeutete Längsströmung des Fluids im benachbarten Kanal 12 weist eine Geschwindigkeit V2 und Temperatur T2 auf. In den benachbarten Kanalwandungen des Materials 10 gibt es ferner Querströmungen 15 des Fluids. An den Kanalwandungen können optional Turbulenzelemente 16 vorgesehen sein.
[0021] Die hohe Wirksamkeit wird durch die auftretende duale Strömung des zu reinigenden Fluids im Katalysator, Filter oder Reaktor hervorgerufen. Dabei strömt das Fluid in Längsrichtung der Trägerstruktur den Trägerkanälen entlang. Durch Oberflächenrauigkeiten auf der Kanalwand, durch Fliessgeschwindigkeiten und durch Thermik hervorgerufene Turbulenzen in Wandnähe erfolgt ein intensiver Wandkontakt und damit auch Kontakt zwischen Fluid und Katalysator. Das ist jedoch nicht ausreichend, da die effektive Verweildauer des Fluides im Katalysator, Filter oder Reaktor immer noch zu kurz für eine sichere vollständige Fluidumsetzung ist, insbesondere wegen der kleinen verfügbaren Katalysatoroberfläche. Das Fluid wird einer zweiten Strömung unterzogen, welche innerhalb der Materialmatrix quer zur Längsachse der Kanäle erfolgt. Die Strömung des Fluides in der kapillaren interkonnektierenden Porosität des Trägermaterials wird durch auftretende Temperaturunterschiede und unterschiedliche lokale Strömungsunterschiede in den Kanälen unterstützt, so dass der Effekt einer Art Strahlpumpe zu einer erhöhten Querströmung des Fluides im kapillarem porösem Material einen erhöhten Kontakt katalytisch wirksamer Substanz mit Fluid bewirkt. Die erzeugten Querströmungen wiederum erhöhen die Turbulenzen des Fluidstromes in Kanallängsrichtung durch deren Ein- und Austritt aus der Materialwandung was innerhalb des Kanals wiederum zu einer Kontakterhöhung zwischen Fluid und Katalysatoroberfläche an der Kanalwand führt. Optional kann der Kanal des Trägers mit turbulenzerzeugenden Strukturelementen wie Vorsprüngen, Erhöhung der Oberflächenrauigkeit der Kanäle, Einengungen, vorzugsweise als Strömungsblende ausgeführt, oder strukturelle Querverbindungen zwischen den in Längsrichtung orientierten Kanälen unterstützt werden.
[0022] In einer besonderen Ausführungsform wird die, insbesondere bei der Konstellation der Wanddurchtrittsfiltration mit katalytischer Aufbereitung des Fluides durch einen alternierenden Kanalverschluss an der Ein- und Austrittseite, Wanddurchtrittströmung zur Hauptströmungsrichtung und der Fluid-Katalysatorkontakt im Stegmaterial maximal erzwungen. Ist die Materialporosität hoch genug, kann durch den resultierenden geringen erzeugten Gegendruck, das Filtrationssystem durchaus auch als reiner Katalysator mit niedrigem Gegendruck im Fluidstrom verwendet werden ohne dass eine Filtration des Fluides erfolgen muss.
[0023] Fluidabhängig ist die Bildung von Strömungsblockaden in der Anwendung zu vermeiden was bei der Kanaldimensionierung heute anhand computergestützter Simulationsverfahren leicht vom Fachmann berechnet und umgesetzt werden kann.
[0024] Die vorliegende Erfindung differenziert die Porosität des Katalysatorträgers in zwei Bereiche. Der erste Porositätsbereich ist für die Verwendung der Porosität zur Beschichtung bei der Herstellung, der zweite Porositätsbereich ist die Wirkung der Porosität im Strömungsverhalten bei der Anwendung.
[0025] Neben den bekannten klassischen Katalysatorenmaterialien Platin und Rhodium bei Katalysatoren und Filtern der Automotive Industrie, rücken in den letzten Jahren vor allem seltene Erden als Katalysatormaterial in den Vordergrund. Trotz der geringen Konzentrationen bei der Rohstoffgewinnung liegen die Produktkosten weit unterhalb der des Platins oder Rhodiums. Hier sind für die vorliegende Erfindung insbesondere beispielhaft das Lanthan für die Erdöl-Krackung mit Desoxidation und Entschwefelung, Cerium als Oxid, Nitrat, Sulfat, Karbonat, Chlorid oder Fluorid als Katalysator, Scandium vor allem bei der Chlorwasserstoffkatalyse und Samarium bei der katalytischen Hydrierung und Dehydrierung von Ethanol derzeit die zu bevorzugenden seltenen Erden. Nicht ausgeschlossen werden dabei die weiteren seltenen Erden und Seltenerdeoxide beziehungsweise Kombinationen und Mischungen derselben. Dabei handelt es sich um Scandium, Yttrium, Lanthan, Cerium, Praseodymium, Neodynium, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium, bei den Oxiden um Y2O3, Sc2O3, La2O3, Ce2O3, Pr2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho203, Er2O3) Tu2O3, Yb2O3 und Lu2O3. Werden die Seltenerdmetallchloride in die Beschichtung der kapillaren porösen Materialien eingebracht, so handelt es sich um Metall-Cl3, als Seltenerdmetallfluorid um Metall-F3.
[0026] Da bis auf wenige Ausnahmen die Seltenerdmetalle niedrige Schmelztemperaturen haben, eignen sich diese entgegen den Katalysatoren Platin und Rhodium nicht zur Direktbeschichtung vor dem Sintern des Trägers und müssen nach dessen Herstellung eingebracht werden und einem neuerlichen Temperungsprozess unterworfen werden um mit den Trägerkristallen eine Haftverbindung einzugehen, beziehungsweise aus der gelösten Konstellation in die Oxidform transformiert zu werden. In der Regel sind dabei die Temperungstemperaturen unterhalb von 800 °C. Insbesondere bei der Chloridform liegen die maximalen Herstellungstemperaturen auch deutlich niedriger - bei Y- 700 °C, bei Sc- 960 °C, bei La- 852 °C, bei Ce- 802 °C, bei Pr- 776 °C, bei Nd- 760 °C, bei Sm- 728 °C, bei Eu- 731 °C, bei Gd- 609 °C, bei Tb- 588 °C, bei Dy- 654 °C, bei Tb- 588 °C, bei Dy- 654 °C, bei Ho- 718 °C, bei Er- 774 °C, bei Tu- 821 °C, bei Yb- 854 °C und bei Lu- 892 °C. In der Fluoridkonsteltation liegen die maximalen Herstellungstemperaturen dagegen zwischen 977 °C und 1552 °C. Es ist auch möglich die Seltenerdmetalle aus den Abbauprodukten selbst in den Herstellungsprozess einzuführen und als Massebestandteil der Strukturmatrix zu verwenden. So kann beispielsweise Cerium in Form des Bastnä-sits, des Cer-Europium-Karbonats (Ce,Eu[CO3]), als Xenotim, das Yttriumphosphat (Y[PO4]), das Gadolinit, ein Cer- beziehungsweise Yttriumsilikat und ein Kalzium-Aluminium-Silikat, das Axinit, mit Substitutionen an Seltenerden. Besonders das Mineral Monazit (Ce(PO4]), meist in Verbindung mit dem Zirkon-Mineral (Zr[PO4]) kommt als Rohstoffbestandteil bei der Trägerherstellung mit kapillaren Porositäten in Frage.
[0027] Entgegen dem Stand der Technik bei der Beschichtung von den Strukturen der Trägermaterialien, deren Zielrichtung der Auftrag einer Trägerschicht auf dem Strukturträger zur Oberflächenvergrösserung und Aufnahme des Katalysators ist, bei dem durchaus auch durch die Kanalform bedingte kapillare Kräfte in Längsrichtung des Monolithen wirken können, ist bei der vorliegenden Erfindung die Zielrichtung neben der strukturellen Kapillarität in Längsrichtung der monolithischen Trägerstruktur, also in Hauptströmungsrichtung, eine innere Beschichtung der Trägerstrukturmaterialien zu bewirken. Hierbei ist die eingesetzte Porosität, gegebenenfalls in Verbindung mit temporär eingesetzten Porosierungsmitteln, dazu vorgesehen bei der Tauchung, Begasung oder Benebelung mit Katalysatorenthaltenden Lösungen oder niedrigvis-kösen Suspensionen, diese in die Wandung des Trägers durch die kapillare interkonnektierende Porosität hineinzuziehen, beziehungsweise hindurchzusaugen, beziehungsweise hindurchzupumpen, vorzugsweise aber nicht ausschliesslich in eine Richtung, sondern erfindungsgemäss auch in der Strömungsrichtung wechselnd beziehungsweise oszillierend um einen möglichst innigen Kontakt zwischen Katalysatorträgermaterialkristallen und katalysatorenthaltender Lösung, Suspension, Nebel oder Gas zu erhalten. Dabei dient in diesem Verarbeitungsschritt die kapillare Porosität auch dazu die katalysatorenthaltende Lösung, Suspension, Nebel oder Gas nicht beim Herausnehmen des beladenen Trägers aus dem Beschichtungsmedium wieder aus der Trägerstruktur herauszuziehen beziehungsweise herauslaufen zu lassen, sondern diese, bis auf die in den Kanälen vorliegende überschüssige Suspension, Lösung, Nebel oder Dampf, in der Materialporosität zu halten und dem folgenden haftungsverbesserndem Prozessschritt zuzuführen.
[0028] Im folgenden Herstellungsschritt wird der Katalysator durch Reduktion des Lösungs- beziehungsweise Suspensionsmittels eingetrocknet, nicht nur durch thermische Behandlung, auch vakuumunterstützt, sondern auch durch alternative Verfahren wie der Gefriertrocknung. Vorteilhaft ist auch nach der Tränkung, Benebelung oder Begasung die Kanäle temporär zu verschliessen, beispielsweise aber nicht ausschliesslich durch eine Wachsschicht auf der Kanaloberfläche oder am Ein- beziehungsweise Ausgang der Strömungskanäle, vor allem zur Verhinderung der Abdampfung von wirksamer Katalysatorsubstanz bei der Trocknung vor dessen Anbindung an die Kristalloberflächen.
[0029] Die Menge an verbleibender Katalysatorsubstanz bestimmt sich anwendungsspezifisch durch die Konzentration des Katalysators in der Lösung, Suspension, Dampf oder Nebel, der die kapillaren interkonnektierende Poren bildenden Kristalle und deren zugänglicher Oberflächen. Da eine Kapillarität vorliegt ist der Füllgrad der Poren und Kontakt mit den Kristalloberflächen mit Katalysator enthaltender Lösung, Suspension, Dampf oder Nebel nahezu vollständig innerhalb kürzester Zeit und gleichmässig über die gesamte innere und äussere Oberfläche des strukturbildenden Trägermaterials. Zur absoluten Sicherstellung der Vollständigkeit der Beschichtung kann optional die Beschichtung unter Vakuum erfolgen.
[0030] Werden unterschiedliche Katalysatoren mit unterschiedlichen maximalen, beziehungsweise erforderlichen Anbindungstemperaturen eingesetzt, so ist es mit dieser Technologie möglich auch eine Mehrfachbeschichtung durchzuführen, wobei die einzuhaltende Reihenfolge die der absteigenden Temperaturempfindlichkeit des Katalysators ist. Möglich ist dies, da vor allem gelöste Katalysatoren lediglich eine minimale Auftragsstärke auf den Kristalloberflächen bilden und so der Porendurchmesser lediglich vernachlässigbar verringert wird. Die Schichtdicke des Katalysators auf den porenbildenden Kristalloberflächen kann dabei bis an die einlagige atomare Schicht Katalysatormaterial reichen. Exemplarisch wird eine Beschichtung mit einem Katalysator aufgebracht, der eine notwendige Anbindungstemperatur, auch als Ansinterung oder Kalzinierung bezeichnet, von beispielsweise 1050 °C benötigt und nach dessen Anbindung eine weitere Katalysatormaterialbeschichtung mit einem weiteren Katalysator mit einer beispielhaften Anbindungstemperatur von 930 °C, gefolgt von einer oder noch mehreren Beschichtungen mit Anbindungstemperaturen von beispielsweise 803 °C, 750 °C und anderen Temperaturen. Da sich die Katalysatoren durchaus unterschiedlich in der Sinterung oder Kalzination verhalten ist der Einsatz von Vakuumsinterung, Kalzination, Schutzgassinterung oder Schutzgaskalzination, Vakuum- oder Drucksinterung beziehungsweise Kalzination sowohl bei einer einlagigen Beschichtung mit einem Katalysator oder Katalysatormischung, als auch bei einer Mehrfachbeschichtung erfindungsgemäss vorzusehen.
[0031] Es hat sich auch gezeigt, dass es möglich ist eine Beschichtung der inneren und äusseren Oberfläche des Trägers innerhalb des Herstellungsprozesses des Trägers zu integrieren. Einzige Voraussetzung ist, dass die Fertigstellungstemperatur des Trägers nicht höher ist als die maximale Herstellungstemperatur des Katalysators, was auf die maximal anwendbare Temperatur des Katalysators vor dessen Zerstörung oder nachteiligen Veränderung zu beziehen ist. So ist beispielsweise eine niedrig schmelzende Keramik-Glas Trägermasse mit Herstelltemperaturen um 600 °C geeignet Katalysatoren mit maximalen Anwendungstemperaturen über 600 °C aufzunehmen, wobei die Anbindungstemperaturen unterhalb oder gleich 600 °C betragen können. Exemplarisch kann dies beispielsweise auch Kordierit- ein klassisches Trägermaterial für Katalysatoren sein, dessen Herstellungstemperatur meist zwischen 1230 °C und 1425 °C liegen, oder Siliziumcarbid mit Herstellungstemperaturen oberhalb von 1800 °C. Geeignet sind auch Trägermaterialien wie Kordierit-Siliziumcarbid und weitere. Auch bei den metallischen Trägern kann diese Systematik angewendet werden. Hier kann die Beschichtung nach der Trägerherstellung erfolgen, beispielsweise mit Stahl, Kupfer, Aluminium, Molybdän, Titan und anderen Trägermetallen oder Legierungen, aber auch während der Herstellung des Trägers. Eine Möglichkeit der Inprozessbeschichtung ist, dass der Katalysator in die Trägermasse vor dessen Formgebung eingebracht wird. Nachteilig dabei ist der relativ hohe Anteil an Katalysatormaterial durch Formgebungsverluste und die Umhüllung des Katalysators bei Schmelzenbestandteilen des Trägermaterials. Als zweite Möglichkeit kommt erfindungsgemäss die Beschichtung des Trägers nach dessen Entbinderung in Frage. Hier ist der Träger bereits von den Formgebungsadditiven befreit ohne dass die verfestigende Sinterung - bei der sintermetallurgischen oder keramischen Herstellung- des Materials stattgefunden hat. Als dritte Variante ist die Version möglich, bei der Träger bereits seine verfestigende und abschliessende Kristallstrukturbildung stattgefunden hat. Diese Variante ist für eine Beschichtung auch die mechanisch stabilste Form und gegenüber den beiden vorherigen Varianten am leichtesten zu automatisieren.
[0032] Bei der Verwendung seltener Erden ist es vorteilhaft die kapillaren interkonnektierenden Poren mittels oxidhaltiger Träger zu realisieren. So hat es sich beispielsweise aber nicht ausschliesslich gezeigt, dass das eigentlich nicht zur Direktbeschichtung geeignete Siliziumcarbid, dessen Kristalle keinen Sauerstoff enthalten, dahingehend voll beschichtungstauglich zu transformieren, indem das Siliziumcarbid einem oxidativen Temperungsprozess unterworfen wird, bei dem die Oberflächen der Kristalle lediglich dünnschichtig in ein Siliziumdioxid transformiert werden, ohne dass die hervorragenden thermischen Eigenschaften des Siliziumcarbids verloren gehen. Die Erzeugung der Kompatibilität von Siliziumcarbid mit Seltenerdekatalysatoren stellt sich vereinfacht dar in:
[0033] Damit ist die Anbindung, Bildung, Kristallisation und Umkristallisation der Seltenerdekatalysatoren oder deren Mischungen bestmöglich unterstützt.
[0034] So hat es sich auch gezeigt, dass nicht das ganze strukturbildende Trägermaterial sauerstoffhaltig sein muss, sondern dass lediglich ein hoher oberflächenbildender Anteil an sauerstoffhaltigem Trägermaterial vorliegen sollte um eine Seltenerdekatalysatorbeschichtung zu bewirken. Ein exemplarisches Beispiel dafür ist die Kombination von bei der oxidativen Sinterung festigkeitsbildendem Cordierit mit Siliciumcarbid, dessen Körner bei der Cordieritsinterung bereits einen Siliziumüberzug bekommen, der nicht nur für die Anbindung des Katalysators vorteilhaft ist, sondern auch für die Bindung des Cordierits an das Siliciumcarbid.
[0035] Mit dem Feinheitsgrad des Siliciumcarbids und dessen Anteil in der Masse bei der Trägerstrukturherstellung bestimmt sich auch die reaktive zugängliche Kristalloberfläche zur Anbindung der Seltenerdekatalysatoren. Andere Sauerstoff enthaltende Keramiken sind dem Fachmann als solche bekannt.
[0036] Wird dagegen Metall als poröser Träger mit kapillaren interkonnektierenden Porositäten eingesetzt, so ist für die Beschichtung eine dünne Oxidschicht auf den äusseren und inneren Metalloberflächen, wie beispielsweise beim Aluminium mit Aluminiumoxid, Kupfer mit Kupferoxid, Titan mit Titanoxid, Magnesium mit Magnesiumoxid und anderen dem Fachmann bekannten Metallen und Metalloxiden vorteilhaft.
[0037] Als exemplarisches Beispiel für die dargestellte Erfindung, substituierbar durch alle in der Schrift dargestellten Variationen, Kombinationen und Möglichkeiten ist nachstehendes Ausführungsbeispiel: [0038] Ein kapillar interkonnektierend poröser Katalysatorträger aus einer Mischung mit 50 Volumenprozent Cordierit und 50 Volumenprozent Siliciumcarbid mit einem geometrischen Aussendurchmesser von 21/2 Zoll mit viereckigen Strömungskanälen der lichten Weite von 1,5 mm mit Wandstärken von 350 pm mit einer Materialporosität von 57% und mittlerer interkonnektierenden Porengrösse von 7,5 pm, im Herstellungssinterverfahren unterhalb von 1400 °C oxidativ gebrannt, wird mit einer Lösung beaufschlagt die einen Gehalt an 2,5% Cer enthält. Nach der vollständigen Tränkung des Körpers wird der Träger mit konstanter Geschwindigkeit aus der Katalysatorlösung herausgezogen, so dass die in den Kanälen der Katalysatorstruktur enthaltene überschüssige, in ihrem Katalysatorgehalt nicht, beziehungsweise für weitere Tränkungen unwesentlich veränderte Mischung, ungehindert ohne Sogwirkung auf die in der Materialporosität enthaltene Katalysatorlösung, herausgezogen. Durch den Auszug des getränkten Trägers aus der Katalysatorlösung eventuell noch abtropfende Lösung wegen möglicher Konzentrationsunterschieden separat der Aufarbeitung - Konzentrationsanpassung - zugeführt wird um eine möglichst hohe Ausbeute durch die Wiederzuführung zum Beschichtungsprozess zu gewährleisten. Das getränkte und ausgelaufene den jetzt enthaltenden gelösten Katalysator aus Seltenerde, wird einem schonendem Trockenprozess unterzogen um das Lösungsmittel des Katalysators zu entfernen wobei die Schlussphase der Trocknung, welche ausschliesslich der Schonung des nachfolgenden Brennofens dient, vakuumunterstützt stattfinden kann. Nach dessen Trocknung erfolgt eine Temperaturbehandlung mit Aufheiz-, Halte- und Abkühlphase, bei der eine Temperatur von 800 °C nicht überschritten wird. In der Kalzinationsphase erfolgt die bekannte Umsetzung von Ce2O3 bei 180 °C bis 200 °C zu CeO2 und bei 250 °C bis 300 °C in die stabile Ceroxid Konfiguration mit anschliessender Anbindung an die Kristalloberfläche des Trägermaterials. Ausser Cer Oxid sind hier speziell auch die Nitrat, Sulfat, Karbonat, Chlorid und Fluorid Form herstellbar.
[0039] Die Besonderheit dieser Beschichtung ist dabei auch, dass durch das Fehlen einer Zwischenschicht mit geringer Festigkeit und durch die gleichmässige auf der Kristalloberfläche wie ein Überzug liegende dünne Schicht Katalysator, dieser nicht durch Strukturbrüche ausgetragen wird und in die Umwelt gelangen kann, wie dies bei konventionellen Katalysatoren auf monolithischen Trägern der Fall ist. Die angeführten Ausführungsparameter sind dabei exemplarisch und stehen für vom Fachmann definierbare weitere Parameter.
[0040] Um den Anwendungsbereich der Erfindung zu benennen, bei denen diese Technologie der Trägers mit kapillarer interkonnektierenden Porosität und katalytisch wirksamer Beschichtung innerhalb des trägerbildenden Materials eingesetzt werden kann sind vor allem die Automotivindustrie in der mobilen Anwendung als Katalysator oder als Partikelfilter mit katalytisch wirksamem Bestandteil in der In- und Outdooranwendung zu nennen. Weiter Anwendungsgebiete sind die Katalyse und Filtrierung industrieller stationärer Abgas- und Abluftaufbereitung, die Verwendung als Reaktor in chemischen Verfahrensprozessen sowie weitergehende Anwendungen in der Umweltindustrie in der Wasser- und Abwasseraufbereitung sowie Luft- und Abluftaufbereitung.

Claims (18)

  1. Patentansprüche
    1. System bestehend aus einem Träger mit Strömungskanälen und mindestens einer katalytisch wirksamen Substanz, dadurch gekennzeichnet, dass das trägerbildende Material eine kapillare interkonnektierende Porosität aufweist und die katalytisch wirksame Beschichtung mindestens innerhalb der Materialporosität auf den die Poren bildenden Kristallen aufgebracht ist, dass die Anbindung der katalytisch wirksamen Substanz auf thermischen Weg und die Beschichtung der Trägermaterialkristalle ohne Wash-coat-Hilfsbeschichtungen erfolgt ist.
  2. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch wirksame Substanz Bestandteile aus der Materialgruppe der Seltenerde aufweist.
  3. 3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch wirksame Substanz mindestens eines der Elemente Platin oder Rhodium enthält.
  4. 4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial ein Metall, eine Keramik, ein Glas oder ein Kunststoff ist.
  5. 5. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seltenerde aus mindestens einem Element als Oxid oder/und Nitrat oder/und Sulfat oder/und Karbonat oder/und Chlorid oder/und Fluorid besteht und mindestens ein Element mit der Elementbezeichnung Scandium, Yttrium, Lanthan, Cerium, Praseodymium, Neodynium, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium oder Lutetium besteht.
  6. 6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch wirksame Substanz aus den Abbau roh Stoffen Bastnäsit oder/und als Xenotim oder/und als Gadolinit oder/und als Axinit oder/und als Monazit besteht.
  7. 7. System nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial, welches die kapillar interkonnektierende Porosität aufweist, aus Metallen und/oder deren Metalloxiden oder aus Keramiken der Gruppe der Oxidkeramiken und/oder der Gruppe der Silikatkeramiken besteht.
  8. 8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial aus Korund und/oder Kordierit und/oder einer Mischung aus Kordierit und Siliziumcarbid und/oder aus Siliziumcarbid und/oder aus Titanoxidkeramik und/oder Aluminiumoxidkeramik und/oder Magnesiumoxidkeramik besteht.
  9. 9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kapillare interkonnektierende Porosität des trägerbildenden Materials eine Materialporosität von bis zu 80 Volumenprozent aufweist und dass die Poren aus der Anordnung der materialbildenden Kristalle geformt werden und dass zum Erreichen hoher Porenanteile neben den Kornabständen der Kristalle selbst und dem Volumen der Herstellungsadditive zusätzlich Porosierungshilfsmittel mit Korngrössen bis zu 50 pm mit Anteilen von bis zu 25 Volumenprozent eingesetzt werden können.
  10. 10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenweiten der Materialmatrix des Trägers bis zu 150 pm aufweist, am geeignetsten in einem Bereich zwischen 2 um und 15 pm liegt und am allerbesten in einem Bereich zwischen 5 pm und 10 pm liegt.
  11. 11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere durchschnittliche Korngrösse der porenbildenden Körner des Trägermaterials bis zu 150 pm betragen kann, vorzugsweise bis 25 pm und am allerbesten bis 8 pm.
  12. 12. Verfahren zur Herstellung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Trägers durch Tränkung, oder durch Benebelung oder durch Bedampfung mit katalytisch wirksamer Substanz in Form gelöster oder suspendierter katalytischer wirksamer Substanzen erfolgt, wobei nach dem Auftrag der Beschichtung ein Trocknungsschritt und ein nachfolgender thermischer Anbindungsvorgang durch Kalzination durchgeführt wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei siliziumcarbidhaltigen Trägermaterialien die Kristalle des Siliziumcarbids durch einen oxidativen thermischen Proxzess in ihrer Kristalloberfläche Siliziumoxidbestandteile aufweisen, indem durch Sauerstoff zufuhr unter Hitze das Siliciumcarbid unter Abspaltung von Kohlenstoff in Siliziumdioxid transformiert wird.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Katalysators, Filters oder Reaktors oder einer Kombination derselben in der Reihenfolge Trägerherstellung, mindestens einmaliger Tränkung oder Benebelung oder Begasung mit katalytisch wirksamer Substanz, Trocknung und mindestens einmaliger thermischer Anbindung der katalytisch wirksamen Substanz an die Kristalloberflächen des Trägers auch im inneren der materialbildenden Trägerstruktur erfolgt.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung des porenbildenden Materials ohne Wash-coat-Bestandteile erfolgt, die sonst die katalytisch wirksame Substanz aufnehmen und die selbst eine schichtbildende Auftragsstärke aufweisen die in sich keine katalytische Wirksamkeit hat.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Trägers durch die Verfahren Strangpressen, Giessen, Spritzen oder durch additive Fertigungsverfahren erfolgt ist.
  17. 17. Verfahren zur Herstellung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die kapillare interkonnektierende Porosität eine mindestens duale Funktion aufweist, indem sie einmal dazu dient die Beschichtungslösung, oder die Beschichtungssuspension, oder den Beschichtungsdampf, oder den Beschichtungsnebel aufzunehmen und in der Materialporosität bis zu deren Trocknung und thermischen Behandlung zu halten und einmal, um im Anwendungsbetrieb eine Querströmung zwischen den Kanälen der Trägerstruktur zu ermöglichen welche durch thermische Unterschiede in den Strömungskanälen, durch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb und zwischen den Strömungskanälen unterstützt wird und durch die Querströmung an deren Ein- und Austritt aus der Wandung der Materialmatrix durch in die in Längsrichtung der Strömungskanäle wirkende Produktströmung quer eintreffende und in die Produktströmung hineinreichende turbulenzhervorrufende Strömungen hervorruft.
  18. 18. Verwendung des Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 11, aus Träger mit kapillarer interkonnektierender Porosität und katalytisch wirksamer Beschichtung als Katalysator, oder als Filter, oder als Reaktor im Bereich der Automobil-Industrie, der chemischen Industrie, der Umweltindustrie und der Anlagen- und Verfahrenstechnik
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