CN108697956A - 过滤器 - Google Patents

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Abstract

为了提供不损害与PM的捕集效率有关的性能，还能确保源于催化剂的处理效率的过滤器。本发明提供一种过滤器，其包含基材和设于基材内的催化剂物质，基材具备具有气体的流入侧端部和流出侧端部且形成气体流路的多个孔腔，和限定这些孔腔的多孔的多个分隔壁，至少一部分孔腔的端部封闭，分隔壁的孔内的催化剂物质的空孔占有率为10％以下。

Description

过滤器
技术领域
本发明涉及过滤器。
背景技术
现有技术中提出有构成为废气净化***的一部分的过滤器，其是形成气体流路的孔腔的端部交替封闭，气体穿过孔腔的分隔壁的过滤器类型(壁流式过滤器)。这种类型的过滤器具有强制使从发动机侧向过滤器流入的气体穿过分隔壁的空孔的构造。
另一方面，也存在孔腔的端部不完全交替封闭，不必全部气体从分隔壁穿过的过滤器。这类过滤器与前述壁流式过滤器相比，PM(含石墨等的颗粒物质)的捕集效率比较低，但由于难以完全堵塞的结构而具有不必强制再生控制的优点。
发明内容
本发明的发明人发现，在孔腔的端部交替封闭的壁流式过滤器中，在过滤器的孔腔的分隔壁的表面上装填有催化剂物质的壁上(on-wall)型催化剂涂布方法中，由于孔腔的内部能够捕集的PM量低，存在PM的捕集效率低的问题。
另一方面，发现在仅在多孔的分隔壁内部涂布催化剂物质时的壁内(in-wall)型中，存在涂布量过多则分隔壁的多孔性低，PM的捕集效率低，且源于催化剂的PM氧化效率也低的问题。
鉴于上述背景，本发明的目的在于，提供不损害与PM的捕集效率有关的性能，还能确保源于催化剂的处理效率的过滤器。
本发明提供了一种过滤器，其包含基材和设于基材内的催化剂物质，基材具备具有气体的流入侧端部和流出侧端部且形成气体流路的多个孔腔，和限定这些孔腔的多孔的多个分隔壁，至少一部分孔腔的端部封闭，分隔壁的孔内的催化剂物质的空孔占有率为10％以下。
根据本发明的一个方面，上述过滤器中，催化剂物质具有分隔壁的孔的平均孔径D50的1/10以下的平均粒径D50。
根据本方面的一个方面，上述过滤器中，气体的流入侧端部和流出侧端部的催化剂物质中含有的贵金属的浓度之比为10/90至90/10。
根据本发明的一个方面，上述过滤器中，催化剂物质包含在从气体的流入侧端部开始的分隔壁长度方向的全长的10％至50％的范围内。
根据本发明的一个方面，上述过滤器中，使用Pt和Pd作为催化剂物质时，包含比例为1:1至10:1。
根据本发明的一个方面，上述过滤器中，还包含选自储氧材料、碱性金属和钙钛矿型材料的至少一种材料。
根据本发明的一个方面，上述过滤器中，气体的流入侧端部和流出侧端部的仅任一者部分地封闭。
根据本发明的一个方面，上述过滤器中，基材的气孔率为40％至70％。
根据本发明的一个方面，上述过滤器中，催化剂的空孔占有率不足5％。
本发明能够提供不损害与PM的捕集效率有关的性能，还能确保源于催化剂的处理效率的过滤器。
附图说明
[图1]用于说明根据本发明实施方案的过滤器的略图。
[图2]借助电子显微镜的过滤器的观察图。
[图3]表示由SEM图求得的空孔占有率与由汞孔隙率检测计的测定结果求得的空孔占有率的相关性的图表。
[图4]表示催化剂粒径与压力损失的关系的图表。
[图5]表示催化剂负载的CSF的孔充填率与PM捕集效率的关系的图表。
[图6]表示催化剂负载的CSF的孔充填率与压力损失增加率的关系的图表。
[图7]表示Pt/Pd比与燃烧温度的关系的图表。
具体实施方式
以下，借助附图对本发明的实施方案进行说明，但不言自明的是本发明并不限于这些实施方案。
[过滤器]
根据本发明实施方案的过滤器包含基材1和设于基材1内的催化剂物质2，其特征在于，基材1具备具有气体的流入侧端部2和流出侧端部3且形成气体流路的多个孔腔4，和限定这些孔腔4的多孔的多个分隔壁5，至少一部分孔腔4的端部封闭，分隔壁的孔(图中未示出)内的催化剂物质(图中未示出)的空孔占有率为10％以下。
根据本发明实施方案的过滤器，不损害与PM的捕集效率有关的性能，还能确保源于催化剂的处理效率。
根据本发明实施方案的过滤器，如图1所例示，包含基材1和设于基材内的催化剂物质。基材1还负载催化剂物质，在不使所连接的发动机的燃烧效率降低的情况下，优选具有耐久性。
作为构成基材1的材料，只要至少分隔壁5中设有孔，则没有特别限定，用作例如废气净化过滤器的情况中，优选使用多孔的陶瓷材料。
作为基材1的材料，优选包含氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化镁(MgO)三种成分的堇青石陶瓷、碳化硅、钛酸铝等。通过使用这些材料和有机物成孔材料，能够将基材1的分隔壁5等的孔的气孔率设定在优选范围内。
作为基材1，优选包含这些材料的蜂窝体形状。蜂窝体形状的过滤器中包含形成气体流路的多个孔腔，但对于孔腔的截面形状没有特别限定，例如，可以是如图1所示的棋盘格，可以是六角形，也可以对其形状不做约束。或者，也可以是出入口的孔腔大小不同的所谓非对称孔腔构造。
根据本发明实施方案的过滤器中，对于基材1的构造没有限定，但至少基材1具有气体流入侧端部2和流出侧端部3。而且，基材1至少具备形成气体流路的多个孔腔4和限定这些孔腔4的多孔的多个分隔壁5。
根据本发明实施方案的过滤器中，对于多个孔腔4，至少一部分孔腔4的端部部分地封闭。由于这样的构造，由流入侧端部2流入的气体，气体的一部分不穿过分隔壁而在孔腔4的内部移动，气体的一部分穿过分隔壁5的孔，由流出侧端部3流出。
对于封闭的孔腔的比例没有限定，对于封闭的孔腔的配置也没有限定。根据本发明实施方案的过滤器，更优选采用上述构成的基材，不过负载催化剂物质的基材不限于这些构成。
催化剂物质负载、保持在基材1的表面，由活性金属、活性金属载体、催化剂助剂等构成。
活性金属作为氧化催化剂的催化活性成分起作用。作为活性金属，包括贵金属、贱金属，优选为贵金属。作为贵金属的具体例子，可以举出铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、钌(Ru)、铱(Ir)、锇(Os)、金(Au)、银(Ag)，更优选使用铂、钯或金。
而且，这些贵金属能够作为一种或两种以上的混合物来使用，根据本发明的优选方面，更优选铂和钯的混合物，铂、钯和金的混合物。
作为贱金属的具体例子，可以举出铜(Cu)、铁(Fe)、钴(Co)、锌(Zn)、钾(K)、铯(Cs)、银(Ag)、包括稀土金属的所谓储氧材料或包含Fe、Mn、Y、Ce、La等的钙钛矿化合物。其中，更优选碱性金属、储氧材料、铁。而且，这些贱金属能够作为一种或两种以上的混合物来使用。
根据本发明实施方案的过滤器中，优选占据多孔的多个分隔壁的孔内的催化剂物质的空孔占有率为10％以下。由于这样的构成，能够同时实现低压力损失和碳质物质的捕集效果。更优选地，5％以下的催化剂物质存在于分隔壁的孔内部。
由于空孔占有率10％以下的催化剂物质存在于分隔壁5的孔内部，能够抑制在孔腔4的内部流动的气体的穿过阻力，同时确保PM成分的捕集容量。
对于孔的形态和空孔占有率，能够使用SEM(扫描电镜)/EPMA(电子探针微区分析仪)来求得。例如，借助SEM/EPMA，在150倍至500倍的视野下，利用图像处理(如图2所例示)能够求得催化剂物质涂布前的基材的孔面积(A)。而且，利用同样的方法能够求得催化剂涂布后的孔面积(B)。而且，基材部分的面积也能够借助同样的二维方法，利用图像处理来求得，由此能够算出相对的基材1的孔的孔面积比例和面积占有率。
而且，作为一般的三维孔构造容积测定法，可以使用压汞法，对于该方法与利用上述图像的方法的相关性，如图3所示的结果，由SEM图像求得的二维的空孔占有率(占有面积的比例)与作为三维信息的由汞孔隙率检测计的测定结果求得的空孔占有体积率相关。
这里，借助SEM图像的方法，优选使用倍率150-200倍的EPM图像，例如，能够通过用RGB法按色别分离基材与催化剂的占有面积，来求得占有面积。根据本发明实施方案的过滤器中，借助图像处理来求占有面积时，将图像二进制化，为了防止人为的误差而利用自动模式等进行计算。
根据本发明实施方案的过滤器中，催化剂物质的平均粒径D50优选为分隔壁5的孔的平均孔径D50的1/10以下。
催化剂物质的平均粒径D50，具体地能够借助激光衍射法等来测定。分隔壁5的孔的平均孔径D50，具体地能够借助汞孔隙率检测法来测定。例如，分隔壁5的孔的平均孔径D50为10μm的情况中，催化剂物质的平均粒径D50优选为0.5μm以下。
这里，“平均粒径D50”意味着对应于颗粒的粒度分布的中值(50％)的粒径。
分隔壁5的孔的平均孔径D50优选为8μm至20μm，从碳质物质的捕集效率初期高的观点来看，优选为10μm以上。催化剂物质的平均粒径D50优选为分隔壁的平均孔径的1/10以下，但出于催化剂浆料中固体组分的分散状态的稳定性的理由，优选保持20nm以上的平均粒径。
而且，使用比这更大的颗粒的情况中，存在难以使催化剂物质到达壁内的孔的倾向，特别是堆积在催化剂浆料供给侧的壁上的情况(on-wall)中，容易成为PM的捕集效率、捕集容量低下的原因。
根据本发明实施方案的过滤器中，催化剂物质的量可以在基材的长度方向上具有梯度，优选催化剂的空孔占有率为10％以下。由于这样的构成，能够使该催化剂的废气净化效果增大。
换言之，催化物质的量意味着起到催化剂作用的Pt和Pd等活性金属的浓度。也就是说，活性金属的浓度在基材的长度方向上具有梯度，气体的流入侧端部与流出侧端部的活性金属的浓度之比可以为10/90至90/10的构成。
流入侧为高浓度的情况中，能够使过滤器上的贱金属有助于废气净化，而流出侧为高浓度的情况中，对于例如要将NO2等供给至其下游的情况有效。
根据本发明实施方案的过滤器中，上述基材的构成，能够抑制由于催化剂在流入侧端部2和流出侧端部3局部化的状态而造成PM的捕集效率和源于催化剂的处理效率的低下。
根据本发明实施方案的过滤器中，催化剂物质优选包含在从气体的流入侧端部开始的分隔壁长度方向的全长的10％至50％的范围内。通过催化剂物质的涂布范围相对于分隔壁长度方向的全长在10％至50％的范围内，可以获得能得到特别高的NOx净化性能的效果。这种情况中，优选涂布范围从气体的流入侧端部开始，气体的流出侧不设有催化剂物质。
根据本发明实施方案的过滤器中，作为催化剂物质，优选以1:1至10:1的比例包含Pt和Pd。通过这样的构成，可以获得能抑制贵金属的热烧结(聚集)的效果。更优选以2:1至5:1的比例包含Pt和Pd。
而且，即使贵金属仅与包含过渡金属的PM燃烧催化剂合并使用，可以仅涂布包含过渡金属的PM燃烧催化剂，也可以二者混合使用。
根据本发明实施方案的过滤器中，作为催化剂助剂，优选还包含选自储氧材料、碱性金属和钙钛矿型材料的至少一种材料。通过还包含这样的包含过渡金属的PM燃烧催化剂，可以获得促进碳质物质燃烧的效果。
作为储氧材料的例子，可以举出含有Ce、Pr、Zr、Nd的材料。其中，由于促进燃烧的理由而特别优选使用Ce。
作为碱性金属的例子，可以举出K、Cs、Mg。其中，由于促进燃烧的理由而特别优选使用K、Cs。
作为钙钛矿型材料的例子，可以举出Bi4Ti3O4(特开2010-69471)和Ce0.5Bi0.1Pr0.4(特开2009-112907)等。
储氧材料、碱性金属和钙钛矿型材料中，最优选储氧材料。
根据本发明实施方案的过滤器中，优选气体的流入侧端部和流出侧端部的仅任一者部分地封闭。通过这样的构造，可以获得不易发生实际市场上的过滤器堵塞的效果。
根据本发明实施方案的过滤器中，基材1的气孔率优选为40％至70％。通过这样的构成，可以同时获得压力损失低和碳质物质捕集容量的效果。就压力损失和PM捕集性能的平衡而言，更优选基材1的气孔率为45％至65％。
根据本发明实施方案的过滤器中，借助图像处理得到的催化剂物质对分隔壁5的孔的空孔占有率优选不足10％。通过这样的构成，可以获得能抑制PM捕集效果低下和压力损失上升的效果。更优选催化剂物质对分隔壁5的孔的空孔占有率不足5％。
根据本发明实施方案的过滤器用于废气的净化，使用根据本发明实施方案的过滤器的装置，优选用于内燃机的排气***，特别是火花点火发动机(例如汽油机)或压缩点火发动机(例如柴油机)的排气***。
而且，这些发动机可以是调节空燃比而燃烧燃料的发动机，作为其优选的具体例子，可以举出贫燃发动机、直喷型发动机，优选这些组合而成的发动机(即直喷型贫燃发动机。直喷型发动机是采用能够实现高压缩比、提高燃烧效率并且减少废气的燃料供给***的发动机。因此，通过与贫燃发动机组合，可以进一步实现提高燃烧效率和减少废气。
根据本发明实施方案的过滤器，优选用于搭载于交通工具、机械等的内燃机的排气***。作为交通工具、机械的具体例子，可以举出：汽车、大客车、卡车、自卸车、有轨车、摩托车、带有原动机的自行车、船舶、坦克、汽艇和飞行器等交通工具；耕耘机、拖拉机、联合收割机、链锯、木材运输机等农林产业机械；渔船等水产渔业机械；油罐车、起重机、压缩机、挖掘机等土木作业机械；发电机等。
根据本发明实施方案的过滤器，例如在车辆的排气***的情况中，可以设置为起始催化剂、地板下***、歧管转化器。
实施例
以下描述根据本发明的实施例。本发明的内容不解释为由这些实施例来限定。
<实施例1>
对DPF(柴油微粒过滤器)基材(直径143.8mm，长度152.4mm)涂覆11g/L的包含平均粒径(D50)为0.02μm、0.5μm、2.1μm或4.5μm的氧化铝颗粒的浆料，干燥后在500℃烧制，制成负载催化剂的DPF。对该负载催化剂的DPF，在300kg/h的空气流通下测定压力损失(BP)。
图4是表示对于基材的平均孔径为10μm的DPF，催化剂粒径(D50)与压力损失(BP)的关系的图表。从该图表看出，平均孔径为10μm的DPF中，期望平均粒径为约0.5μm以下的颗粒。
<实施例2>
使用平均粒径0.02μm的氧化铝颗粒，调制催化剂量为11g/L、25g/L、45g/L的3种负载催化剂的CSF(催化烟灰过滤器)。
借助图像处理的方法求出各负载催化剂的CSF的孔的充填率，用PM发生器测定PM捕集效率。其结果如图5所示。从图5的结果可知，随着孔充填率的增加，PM捕集效率降低。
<实施例3>
使用实施例2中调制的负载催化剂的CSF，测定压力损失。其结果如图6所示。从图6的结果可知，随着孔充填率的增加，压力损失增加。虽然从PM燃烧的观点来看期望催化剂存在，但是从实施例2和3的结果可知，优选过滤器基材的孔充填率较低。
<实施例4>
图7是表示Pt/Pd比与燃烧温度的关系的图表。图7的图表中的点表示Pt/Pd分别＝1/0、3/1、2/1、1/1。从图7的结果可知，为了使PFF有助于减少排放，优选Pd的比例更高，为了有助于PM燃烧，优选Pt的比例更高。

Claims (9)

1.过滤器，其包含基材和设于基材内的催化剂物质，基材具备具有气体的流入侧端部和流出侧端部且形成气体流路的多个孔腔，和限定这些孔腔的多孔的多个分隔壁，至少一部分孔腔的端部封闭，分隔壁的孔内的催化剂物质的空孔占有率为10％以下。
2.根据权利要求1所述的过滤器，催化剂物质具有分隔壁的孔的平均孔径D50的1/10以下的平均粒径D50。
3.根据权利要求1或2所述的过滤器，气体的流入侧端部和流出侧端部的催化剂物质中含有的贵金属的浓度之比为10/90至90/10。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的过滤器，催化剂物质包含在从气体的流入侧端部开始的分隔壁长度方向的全长的10％至50％的范围内。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的过滤器，以1:1至10:1的比例包含Pt和Pd作为催化剂物质。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的过滤器，还包含选自储氧材料、碱性金属和钙钛矿型材料的至少一种材料。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的过滤器，气体的流入侧端部和流出侧端部的仅任一者部分地封闭。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的过滤器，基材的气孔率为40％至70％。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的过滤器，催化剂物质的空孔占有率不足5％。
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