KR100962450B1 - 촉매 담지 허니컴 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 매연의 연속 재생 특성을 향상시켜, 셀 벽에 경시적으로 축적되는 매연량을 낮게 억제할 수 있는 촉매 담지 허니컴을 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, 본 발명의 촉매 담지 허니컴은, 셀 벽에 의해 구획된 복수의 셀이 길이 방향을 따라서 형성된 기둥 형상의 허니컴 구조체에 촉매 입자 (204) 가 담지된 촉매 담지 허니컴에 있어서, 셀의 일방의 단부에서 봉지되어 이루어지는 대용적 셀 군과, 타방의 단부에서 봉지되어 이루어지는 소용적 셀 군을 구비하고, 평균 입경이 0.05㎛ ∼ 1㎛ 인 산화물 촉매 입자 (204) 를 담지시키는 것을 특징으로 한다.
촉매 담지 허니컴, 산화물 촉매 입자

Description

촉매 담지 허니컴 및 그 제조 방법{CATALYST SUPPORTED HONEYCOMB AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은, 촉매 담지 허니컴 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 허니컴 구조체의 셀 벽에 촉매를 담지하고, 배기 가스와 촉매를 접촉시킴으로써 배기 가스를 정화시키는 촉매 담지 허니컴이 알려져 있다. 특허 문헌 1 에 개시된 촉매 담지 허니컴에서는, 허니컴 구조체를 슬러리 형상의 촉매 용액에 함침한 후, 허니컴 구조체를 가열함으로써, 촉매를 담지하고 있다.
특허 문헌 1 : 국제 공개 WO2007/10643호
그런데, 배기 가스 중 매연의 응집 입자의 평균 입경은 일반적으로 0.1㎛ 정도이다. 그러나, 특허 문헌 1 에 개시된 촉매 담지 허니컴에서는, 허니컴 구조체를 슬러리 형상의 촉매 용액에 함침시키고 있다. 그 때문에, 도 1(a) 에 나타내는 바와 같이, 담지된 촉매 입자 (202) 의 입경이 매연의 응집 입자 (201) 보다도 상당히 커지기 쉽다. 이것에 의하면, 촉매 입자와 매연의 응집 입자의 접촉점 (203) 이 적어, 산화물 촉매의 활성 산소에 의한 매연의 연소 작용을 충분히 발휘할 수 없다는 문제가 있었다.
이 때문에, 촉매 담지 허니컴에 포집된 매연은, 고온의 배기 가스에 의한 강제 재생시 이외에서는 잘 산화되지 않는다. 그 결과, 셀 벽에 매연이 축적되기 쉬워져서, 빈번하게 강제 재생을 가하지 않으면 안되어, 연비가 악화된다는 문제도 있다.
본 발명은, 상기 점을 감안하여, 촉매가 담지되는 촉매 담지 허니컴에 있어서 셀벽에 포집된 매연과 촉매를 접촉시키기 쉽게 함으로써, 산화물 촉매의 활성 산소에 의한 매연의 연소 작용을 높이고, 셀 벽에 경시적으로 축적되는 매연량을 적게 억제하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 청구항 1 에 기재된 촉매 담지 허니컴에서는, 셀 벽에 의해 구획된 복수의 셀이 길이 방향을 따라서 형성되고, 상기 복수의 셀 은, 상기 셀의 일방의 단부에서 봉지되어 이루어지는 대용적 셀 군과, 타방의 단부에서 봉지되어 이루어지는 소용적 셀 군으로 이루어지고, 상기 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 상기 대용적 셀 군의 면적의 총합이, 상기 소용적 셀 군의 면적의 총합보다 크게 되어 있는 기둥 형상의 허니컴 구조체에 산화물 촉매 입자가 담지되어 있고, 그 평균 입경을 0.05㎛ ∼ 1㎛ 로 하고 있다.
이것에 의해, 담지되는 산화물 촉매 입자의 평균 입경을 0.05㎛ ∼ 1㎛ 로 하여, 매연의 응집 입자의 평균 직경과 동일 정도로 하고 있다. 따라서, 도 1(b) 에 나타내는 바와 같이, 매연의 응집 입자와 촉매 입자의 접촉점을 많게 할 수 있다. 즉, 매연과 촉매를 접촉시키기가 쉬워져, 산화물 촉매의 활성 산소에 의한 매연의 연소 작용을 높일 수 있다.
이 작용에 의하면, 촉매 담지 허니컴에 유입된 매연을 강제 재생시 외에도, 특허 문헌 1 의 촉매 담지 허니컴에 비하여 연소시키기 쉬워진다.
또한, 배기 가스 유입측의 셀 군을 유출측의 셀 군보다 크게 함으로써, 촉매 담지 허니컴의 단위 체적당 매연이 축적되는 셀 벽의 면적이 커져, 보다 매연과 촉매를 접촉시키기 쉽게 할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 셀 벽에 경시적으로 축적되는 매연량을 적게 억제할 수 있다.
특히, 청구항 2 에 기재된 촉매 담지 허니컴과 같이, 길이 방향에 수직인 단면에 있어서, 대용적 셀 군의 셀을 팔각형으로 하고, 소용적 셀 군의 셀을 사각형으로 하면, 촉매 담지 허니컴의 단위 용적당 매연이 축적되는 셀 벽의 면적을 충분 히 크게 할 수 있다.
또한, 청구항 3 에 기재된 촉매 담지 허니컴과 같이, 허니컴 구조체를 세라믹 소결체에 의해 구성해도 된다. 그리고, 청구항 4 에 기재된 촉매 담지 허니컴과 같이, 탄화규소 소결체에 의해 구성하면, 내열성이 우수한 허니컴 구조체를 구성할 수 있다. 이것에 의해, 기계적 특성이 우수하고, 또한, 열전도율도 높게 할 수 있다. 그리고 또, 청구항 5 에 기재된 촉매 담지 허니컴과 같이, 허니컴 구조체는 허니컴 유닛이 복수 개 결속하여 구성되어 있어도 된다.
또한, 청구항 6 에 기재된 촉매 담지 허니컴과 같이, 산화물 촉매를 CeO2, ZrO2, FeO2, Fe2O3, CuO, CuO2, Mn2O3, MnO, K2O, 및 조성식 AnB1 - nCO3 (여기서, A 는 La, Nd, Sm, Eu, Gd 또는 Y, B 는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속, C 는 Mn, Co, Fe 또는 Ni 이다) 로 표시되는 복합 산화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나로 하면, 활성 산소를 주고 받는 성능이 우수한 촉매를 허니컴 구조체에 담지시킬 수 있다. 이것에 의해, 촉매 담지 허니컴의, 특히 매연의 연소 작용을 향상시킬 수 있다.
또한, 청구항 7 에 기재된 촉매 담지 허니컴과 같은, 셀 벽에 의해 구획된 복수의 셀이 길이 방향을 따라서 형성되고, 상기 복수의 셀은, 상기 셀의 일방의 단부에서 봉지되어 이루어지는 대용적 셀 군과, 타방의 단부에서 봉지되어 이루어지는 소용적 셀 군으로 이루어지고,
상기 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 상기 대용적 셀 군의 면적의 총합 이, 상기 소용적 셀 군의 면적의 총합보다 크게 되어 있는 기둥 형상의 허니컴 구조체에 산화물 촉매의 전구체 용액을 분산시킨 기체를 유입시킴으로써 셀 벽에 산화물 촉매 입자를 담지시킨 촉매 담지 허니컴이면, 구체적으로 청구항 1 ∼ 6 에 기재된 촉매 담지 허니컴에서 서술한 효과와 동일한 효과를 나타낼 수 있다.
또한, 청구항 8 에 기재된 촉매 담지 허니컴의 제조 방법은, 셀 벽에 의해 구획된 복수의 셀이 길이 방향을 따라서 형성되고, 상기 복수의 셀은, 상기 셀의 일방의 단부에서 봉지되어 이루어지는 대용적 셀 군과, 타방의 단부에서 봉지되어 이루어지는 소용적 셀 군으로 이루어지고,
상기 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 상기 대용적 셀 군의 면적의 총합이, 상기 소용적 셀 군의 면적의 총합보다 크게 되어 있는 허니컴 구조체를 제조하는 공정과, 촉매의 전구체 용액을 기체 중에 분산시키는 공정과, 분산시킨 촉매의 전구체 용액을 포함하는 기체를 허니컴 구조체에 유입시키는 공정과, 허니컴 구조체를 가열하여 촉매의 전구체를 촉매 입자화하는 공정을 구비한다. 상기한 촉매 담지 허니컴의 제조 방법에 의하면, 구체적으로 청구항 1 ∼ 6 에 기재된 촉매 담지 허니컴에서 서술한 효과를 갖는 촉매 담지 허니컴을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 복수의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.
(제 1 실시형태)
본 발명의 제 1 실시형태에 관한 세라믹 소결체로 이루어지는 허니컴 구조체에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 촉매 담지 허니컴의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이고, 도 3(a) 는 도 2 에 나타낸 촉매 담지 허니컴을 구성하는 허니컴 유닛의 사시도이고, (b) 는 (a) 에 나타낸 허니컴 유닛의 A-A 선 단면도이다.
또, 도 2 에 나타낸 촉매 담지 허니컴은 복수의 허니컴 유닛이 결속하여 이루어지는 것이지만, 본 실시형태의 허니컴 구조체는, 후술하는 바와 같이 하나의 허니컴 유닛으로 이루어지는 것이어도 된다.
허니컴 구조체 (45) 는, 탄화규소 소결체 등으로 이루어지는 허니컴 유닛 (50) 이 시일재층 (접착재층) (41) 을 개재하고 복수 개 조합되어 원기둥 형상의 세라믹 블록을 구성하고, 이 세라믹 블록의 주위에 시일재층 (코트층) (42) 이 형성되어 있다. 그리고, 이 허니컴 구조체 (45) 에 산화물 촉매 입자 (도시 생략) 를 담지시킨 것이 촉매 담지 허니컴 (40) 이다.
허니컴 유닛 (50) 에는, 도 3(a), (b) 에 나타낸 바와 같이, 길이 방향으로 다수의 셀 (51) 이 나란히 형성되어, 셀 (51) 끼리를 구획하는 셀 벽 (벽부) (53) 이 필터로서 기능하도록 되어 있다. 즉, 허니컴 유닛 (50) 에 형성된 셀 (51) 은, 도 3(b) 에 나타낸 바와 같이, 배기 가스의 입구측 또는 출구측 단부 중 어느 하나가 봉지재 (52) 에 의해 봉해져, 하나의 셀 (51) 에 유입된 배기 가스는 반드시 셀 (51) 사이를 구획하는 셀 벽 (53) 을 통과한 후, 다른 셀 (51) 로부터 유출되도록 되어 있다.
또, 셀의 형상은 대용적 셀 군의 셀의 길이 방향에 수직인 단면의 형상을 팔 각형, 소용적 셀 군의 셀의 길이 방향에 수직인 단면의 형상을 사각형으로 하고 있다.
그리고, 허니컴 유닛 (50) 에는, 평균 입경이 0.05㎛ ∼ 1㎛ 인 산화물 촉매가 담지되어 있다.
그 밖에, 셀의 형상으로는 다음과 같은 것을 들 수 있다. 도 4(a) ∼ (d) 및 도 5(a) ∼ (f) 는, 본 실시형태에 관련된 촉매 담지 허니컴 (40) 을 구성하는 허니컴 유닛 (50) 의 단면의 일부를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 4(a) 에서는 개구 비율이 대략 1.55, 도 4(b) 에서는 대략 2.54, 도 4(c) 에서는 대략 4.45, 도 4(d) 에서는 대략 6.00 이다. 또한, 도 5(a), (c), (e) 에서는 상기 개구 비율이 모두 대략 4.45 이고, 도 5(b), (d), (f) 에서는 상기 개구 비율이 모두 대략 6.00 이고, 도 6 에서는 개구 비율이 대략 3.00 이다.
도 4(a) ∼ (d) 에서는 모두 대용적 셀 (54) 의 단면 형상은 팔각형이고, 소용적 셀 (55) 의 단면 형상은 사각형 (정사각형) 으로서 각각 번갈아 배열되어 있고, 소용적 셀 (55) 의 단면적을 변화시키고 대용적 셀 (54) 의 단면 형상을 조금 변화시킴으로써, 용이하게 개구 비율을 임의로 변동시킬 수 있다. 마찬가지로, 도 5(a) ∼ (f), 도 6 에 나타내는 허니컴 구조체에 관해서도 임의로 그 개구 비율을 변동시킬 수 있다.
또, 도 5(a) ∼ (b) 에 나타내는 허니컴 유닛에서는, 대용적 셀 (54) 의 단면 형상이 오각형으로, 그 중 3 개의 각이 거의 직각으로 되어 있고, 소용적 셀 (55) 의 단면 형상은 사각형으로, 각각 큰 사각형의 비스듬하게 대향하는 부분을 차지하도록 구성되어 있다. 도 5(c) ∼ (d) 에 나타내는 허니컴 유닛에서는, 도 4(a) ∼ (d) 에 나타내는 단면의 형상을 변형한 것으로서, 대용적 셀 (54) 과 소용적 셀 (55) 이 공유하는 격벽을 소용적 셀측에 있는 곡률을 가지고 확대시킨 형상이다. 이 곡률은 임의로 할 수 있다.
여기서는, 대용적 셀 (54) 과 소용적 셀 (55) 이 공유하는 격벽을 구성하는 곡선이 1/4 원에 상당하는 것을 예시한다.
도 5(e) ∼ (f) 에 나타내는 허니컴 유닛에서는, 대용적 셀 (54) 및 소용적 셀 (55) 은 사각형 (직사각형) 으로 이루어지고, 도면과 같이, 2 개의 대용적 셀 (54) 과 2 개의 소용적 셀 (55) 을 조합하면 대략 정사각형이 되도록 구성되어 있다.
본 실시형태에 있어서, 인접하는 대용적 셀 (54) 의 길이 방향에 수직인 단면의 중심(重心)간 거리와, 인접하는 소용적 셀 (55) 의 길이 방향에 수직인 단면의 중심간 거리는 동일한 것이 바람직하다.
또한, 상기 허니컴 구조체에 있어서, 셀 (대용적 셀 (54) 및 소용적 셀 (55)) 의 길이 방향에 수직인 단면의 형상은 다각형인 것이 바람직하고, 사각형 및 팔각형인 것이 보다 바람직하다.
다각형으로 함으로써, 대용적 셀 (54) 및 소용적 셀 (55) 을 배기 가스가 통과할 때에 셀의 형상에 의한 마찰이 큰 부분을 없애고, 셀을 통과할 때의 마찰에서 기인하는 압력 손실을 낮추는 것, 또는, 격벽 두께의 불균일한 부분, 즉, 배기 가스가 국소적으로 통과하기 어려워지는 부분을 없애, 격벽을 통과할 때의 저항에서 기인하는 압력 손실를 낮추는 것, 중 어느 쪽의 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
또한, 다각형 중에서도 사각형 이상의 다각형이 바람직하고, 그 각의 적어도 하나가 둔각인 것이 보다 바람직하다. 상기한 바와 같이 함으로써, 배기 가스 유입측을 통과할 때의 마찰 및 배기 가스 유출측을 통과할 때의 마찰에서 기인하는 압력 손실을 낮게 할 수 있기 때문이다.
또한, 본 실시형태에서는, 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 상기 하나의 대용적 셀 (54) 이 인접하는 대용적 셀 (54) 과 공유하는 벽부와, 상기 하나의 대용적 셀 (54) 이 인접하는 상기 소용적 셀 (55) 과 공유하는 벽부가 교차하는 각의 적어도 1 개는 둔각인 것이 바람직하다.
대용적 셀 (54) 및/또는 소용적 셀 (55) 의 단면의 각부 근방은, 예를 들어 도 5(c), (d) 에 나타내는 바와 같이 곡선에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다. 곡선으로 함으로써, 각부에서의 응력 집중에서 기인하는 크랙의 발생을 방지할 수 있기 때문이다.
본 실시형태에 있어서, 대용적 셀 군과 소용적 셀 군의 단면의 면적의 비 (대용적 셀 군/소용적 셀 군) 는, 1.01 ∼ 6.0 인 것이 바람직하다.
상기 면적의 비 (대용적 셀 군/소용적 셀 군) 가 6.0 을 초과하면, 소용적 셀 군의 용적이 지나치게 작아져서, 배기 가스 유출측을 통과할 때의 마찰 및 격벽을 통과할 때의 저항에서 기인하는 압력 손실이 증대되어, 초기 압력 손실이 커진다. 상기 면적의 비 (대용적 셀 군/소용적 셀 군) 는 1.2 ∼ 5.0 이 보다 바람직하다. 그리고, 상기 면적의 비 (대용적 셀 군/소용적 셀 군) 는 1.2 ∼ 3.0 이 한층 더 바람직하다.
또한, 대용적 셀 (54) 과 소용적 셀 (55) 의 단면의 면적의 비 (대용적 셀/소용적 셀) 는 1.01 ∼ 6.0 인 것이 바람직하다. 상기 면적의 비 (대용적 셀/소용적 셀) 를 개구 비율이라고도 하기로 한다.
상기 개구 비율이 6.0 을 초과하면, 소용적 셀 (55) 의 용적이 지나치게 작아져, 배기 가스 유출측을 통과할 때의 마찰 및 격벽을 통과할 때의 저항에서 기인하는 압력 손실이 증대되어, 초기 압력 손실이 커진다. 상기 개구 비율은 1.2 ∼ 5.0 이 보다 바람직하다. 그리고, 상기 개구 비율은 1.2 ∼ 3.0 이 한층 더 바람직하다.
허니컴 구조체 (45) 는, 다공질 세라믹으로 이루어지고, 그 재료로는 예를 들어, 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소 등의 질화물 세라믹, 탄화규소, 탄화지르코늄 등의 탄화물 세라믹, 코디어라이트, 알루미나, 실리카, 티탄산알루미늄 등의 산화물 세라믹 등을 들 수 있다. 또, 허니컴 구조체 (45) 는, 실리콘과 탄화 규소의 복합체라는 2 종류 이상의 재료로 형성되어 있는 것이어도 된다. 실리콘과 탄화규소의 복합체를 사용하는 경우에는, 실리콘을 전체의 5 ∼ 45 중량% 가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 다공질 세라믹의 재료로는, 탄화 규소질 세라믹이 바람직하다. 특히 내열성이 우수하기 때문에 재생 처리시에 용손 (溶損) 되는 일이 없고, 나아가, 기계적 특성이 우수하며, 또 열전도율도 높기 때문이다. 또, 탄화규소질 세라믹이란, 탄화규소가 60 중량% 이상인 것을 말하는 것으로 한다.
허니컴 구조체 (45) 에 있어서, 시일재층 (접착재층) (41) 은 허니컴 유닛 (50) 사이에 형성되고, 복수 개의 허니컴 유닛 (50) 끼리를 결속하는 접착재로서도 기능하는 것이며, 한편, 시일재층 (코트층) (42) 은 세라믹 블록의 외주면에 형성되고, 허니컴 구조체 (45) 를 내연 기관의 배기 통로에 설치하였을 때, 세라믹 블록의 외주면으로부터 셀을 통과하는 배기 가스가 새어나가는 것을 방지하기 위한 봉지재, 형상을 조정하는 보강재로서도 기능하는 것이다.
또, 허니컴 구조체 (45) 에 있어서, 접착재층 (41) 과 코트층 (42) 은 동일한 재료로 이루어지는 것이어도 되고, 상이한 재료로 이루어지는 것이어도 된다. 그리고, 접착재층 (41) 및 코트층 (42) 이 동일한 재료로 이루어지는 것인 경우, 그 재료의 배합비는 동일해도 되고, 상이해도 된다. 또한, 치밀질일 수도, 다공질일 수도 있다.
접착재층 (41) 및 코트층 (42) 을 구성하는 재료로는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 무기 바인더와 유기 바인더와 무기 섬유 및 /또는 무기 입자로 이루어지는 것 등을 들 수 있다.
상기 무기 바인더로는, 예를 들어, 실리카 졸, 알루미나 졸 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용해도 되고, 2 종 이상을 병용해도 된다. 상기 무기 바인더 중에서는 실리카 졸이 바람직하다.
상기 유기 바인더로는, 예를 들어, 폴리비닐알코올, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용해도 되고, 2 종 이상을 병용해도 된다. 상기 유기 바인더 중에서는, 카르복시메 틸셀룰로오스가 바람직하다.
상기 무기 섬유로는, 예를 들어, 실리카-알루미나, 멀라이트, 알루미나, 실리카 등의 세라믹 파이버 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용해도 되고, 2 종 이상을 병용해도 된다. 상기 무기 섬유 중에서는, 실리카-알루미나 파이버가 바람직하다.
상기 무기 입자로는 예를 들어, 탄화물, 질화물 등을 들 수 있고, 구체적으로는 탄화규소, 질화규소, 질화붕소 등으로 이루어지는 무기 분말 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용해도 되고, 2 종 이상을 병용해도 된다. 상기 무기 입자 중에서는, 열전도성이 우수한 탄화규소가 바람직하다.
다음으로, 상기 허니컴 구조체의 제조 방법에 관해서 설명한다.
우선, 전술한 바와 같은 세라믹을 주성분으로 하는 원료 페이스트를 사용해서 압출 성형을 실시하여, 사각기둥 형상의 세라믹 성형체를 제작한다.
상기 세라믹 분말의 입경은 특별히 한정되지 않지만, 이후의 소성 공정에서 제작된 허니컴 유닛의 크기가 세라믹 성형체의 크기보다 작아지기 힘든 것이 바람직하고, 예를 들어, 0.3 ∼ 70㎛ 의 평균 입경을 갖는 분말 100 중량부와 0.1 ∼ 1.0㎛ 의 평균 입경을 갖는 분말 5 ∼ 65 중량부를 조합한 것이 바람직하다.
상기 원료 페이스트에는, 바인더 및 분산매액이 배합되어 있어도 된다.
상기 바인더로는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 메틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜 등을 들 수 있다. 상기 바인더의 배합량은, 통상 세라믹 분말 100 중량부에 대하여 1 ∼ 15 중량부 가 바람직하다.
상기 분산매액으로는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 벤젠 등의 유기용매, 메탄올 등의 알코올, 물 등을 들 수 있다.
이들 세라믹 분말, 바인더 및 분산매액은 애트라이터 등으로 혼합하고, 니더 등으로 충분히 혼련하여, 원료 페이스트로 한 후, 압출 성형된다.
또한, 상기 원료 페이스트에는, 필요에 따라서 성형 보조제를 첨가해도 된다. 상기 성형 보조제로는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 에틸렌글리콜, 덱스트린, 지방산, 지방산비누, 폴리비닐알코올 등을 들 수 있다.
그리고, 상기 원료 페이스트에는, 원하는 기공률을 고려하여, 산화물계 세라믹을 성분으로 하는 미소 중공 구체인 벌룬이나, 구상 아크릴 입자, 그라파이트 등의 조공제 (造孔劑) 를 첨가해도 된다.
상기 벌룬으로는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 알루미나 벌룬, 유리 마이크로 벌룬, 시라스 벌룬, 플라이 애시 벌룬 (FA 벌룬), 멀라이트 벌룬 등을 들 수 있다. 이들 중에서는, 알루미나 벌룬이 바람직하다.
다음으로, 상기 세라믹 성형체를, 마이크로파 건조기, 열풍 건조기, 유전 (誘電) 건조기, 감압 건조기, 진공 건조기, 동결 건조기 등을 사용하여 건조시켜, 세라믹 건조체로 한다. 이어서, 하나의 셀 군의 일방측 단부 및 다른 셀 군의 타방측 단부에, 봉지재가 되는 봉지재 페이스트를 소정량 충전하여 셀을 막는다.
상기 봉지재 페이스트로는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 허니컴 성형체를 제작하는 원료 페이스트와 동일한 페이스트를 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 봉지재 페이스트가 충전된 세라믹 건조체에 대하여, 소정 조건으로 탈지 (예를 들어, 200 ∼ 500℃), 소성 (예를 들어, 1400 ∼ 2300℃) 을 실시함으로써, 다공질 세라믹으로 이루어지고, 그 전체가 하나의 소결체로 구성된 허니컴 유닛 (50) 을 제조할 수 있다. 상기 세라믹 건조체의 탈지 및 소성의 조건 등은, 종래부터 다공질 세라믹로 이루어지는 허니컴 유닛을 제조할 때에 사용되고 있는 조건을 적용할 수 있다.
다음으로, 허니컴 유닛 (50) 의 측면에 접착재층 (41) 이 되는 접착제 페이스트를 균일한 두께로 도포하여 접착제 페이스트층을 형성하고, 이 접착제 페이스트층 위에 순차적으로 다른 허니컴 유닛 (50) 을 적층하는 공정을 반복하여, 소정 크기의 허니컴 유닛 집합체를 제작한다.
또, 상기 접착제 페이스트를 구성하는 재료로는, 이미 설명하였기 때문에 여기서는 그 설명을 생략한다.
다음으로, 이 허니컴 유닛 집합체를 가열하여 접착제 페이스트층을 건조, 고화시켜 접착재층 (41) 으로 한다.
다음으로, 다이아몬드 커터 등을 사용하여, 허니컴 유닛 (50) 이 접착재층 (41) 을 개재하여 복수 개 접착된 허니컴 유닛 집합체에 절삭 가공을 실시해서, 원기둥 형상의 세라믹 블록을 제작한다.
그리고, 세라믹 블록의 외주에 상기 시일재 페이스트를 사용하여 시일재층 (42) 을 형성함으로써, 허니컴 유닛 (50) 이 접착재층 (41) 을 개재하여 복수 개 접착된 원기둥 형상의 세라믹 블록 외주부에 시일재층 (42) 이 형성된 허니컴 구조 체 (45) 를 제조할 수 있다.
그 후, 허니컴 구조체 (45) 에 산화물 촉매 입자를 담지시켜, 촉매 담지 허니컴 (40) 을 제조한다.
먼저, 촉매의 전구체 용액을 준비한다. 촉매의 전구체로는, 나중에 축합, 열분해, 결정화함으로써, CeO2, ZrO2, FeO2, Fe2O3, CuO, CuO2, Mn2O3, MnO, K2O, 및 조성식 AnB1 - nCO3 (여기서, A 는 La, Nd, Sm, Eu, Gd 또는 Y, B 는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속, C 는 Mn, Co, Fe 또는 Ni 이다) 으로 표시되는 복합 산화물이 되는 것이 바람직하다. 이들은, 1 종만을 사용해도 되고 2 종 이상을 동시에 사용해도 된다. 구체적으로는 예를 들어, 상기 산화물의 금속 원소를 함유하는 질산염, 탄산염, 아세트산염 등이어도 되고, 일반식 M(OR1)p(R2COCHCOR3)q (식 중, M 은, Ce, Zr, Fe, Cu, Mn 및 K 로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종이고, p 및 q 는, 금속 착물이 2 ∼ 8 위치 배위가 되도록 결정되는 정수를 나타내고, p, q 중 어느 하나는 0 이어도 된다. R1, R2 및 R3 이 2 이상인 경우, 각각의 R1, R2, R3 은, 동일하거나 상이해도 된다. R1 및 R2 는, 탄소수 1 ∼ 6 의 알킬기를 나타내고, R3 은, 탄소수 1 ∼ 6 의 알킬기 및/또는 탄소수 1 ∼ 16 의 알콕시기를 나타낸다) 로 표시되는 금속 착물 등을 들 수도 있다. 또한, 용매로는, 물, 유기용매, 예를 들어 톨루엔, 알코올 등을 들 수 있다.
이 용액을, 종래 공지된 스프레이법 등에 의해 기체 중에 분산시킨다. 이 때, 분산시킨 액적을 임의의 일정한 크기로 함으로써, 나중에 허니컴 구조체 (45) 에 담지되는 산화물 촉매 입자의 입경을 일정한 사이즈로 할 수 있다.
이어서, 상기 전구체 용액을 분산시킨 기체를 캐리어 가스에 싣고, 허니컴 구조체 (45) 의 일방의 단면으로부터 유입시킨다. 이 때의 캐리어 가스의 유입 속도는, 실제 엔진 배기 가스와 동등한 것이 바람직하고, 예를 들어, 공간 속도로 72000 (1/h) 정도이면 된다. 캐리어 가스는, 허니컴 구조체의 일방의 단면으로부터 유입되어, 셀 벽을 통과하고, 인접하는 셀로부터 유출된다 (도 3(b) 중의 화살표 참조). 이 때, 캐리어 가스에 분산 혼입되어 있는 촉매의 전구체 용액은, 허니컴 구조체 (45) 의 셀 벽 (53) 에 부착된다.
또한, 상기 허니컴 구조체를 300℃ 내지 800℃ 로 가열함으로써, 셀 벽 (53) 에 부착된 촉매의 전구체가 축합, 열분해, 결정화되어 산화물 촉매로서 허니컴 구조체에 담지된다.
또, 허니컴 구조체 (45) 를 가열한 상태에서 상기 캐리어 가스를 유입시킴으로써, 전구체 용액의 부착과, 전구체의 축합, 열분해, 결정화를 동시에 실시하여, 허니컴 구조체에 산화물 촉매를 담지시키는 것이 보다 바람직하다. 허니컴 구조체 (45) 에 촉매 입자로서 부착되어, 보다 균일하게 담지되기 쉽기 때문이다.
또, 허니컴 구조체 (45) 는, 하나의 허니컴 유닛으로 이루어지는 일체형 허니컴 구조체이어도 된다. 이러한 일체형 허니컴 구조체의 제조는, 압출 성형에 의해 성형되는 허니컴 성형체의 크기가 크거나, 및 형상이 상이한 것 이외에는, 상 기 서술한 허니컴 유닛의 제조 방법과 동일하게 제조할 수 있다.
일체형 허니컴 구조체의 주된 구성 재료로는, 내열충격성이 우수한 코디어라이트나 티탄산알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다.
또, 예를 들어 도 6 은, 본 실시형태에 관련된 일체형의 촉매 담지 허니컴의 단면을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 6 에 나타내는 허니컴 구조체 (60) 에서는, 바둑판 눈에 해당하는 부분에 사각형의 소용적 셀 (55) 이 형성된 구성으로 되어 있고, 대용적 셀 (54) 은, 사각의 네 모서리가 작은 사각 형상으로 이지러진 형상으로 되어 있고, 이들을 구획하는 셀 벽 (격벽) (53) 이 형성되어 있다.
(실시예 1)
평균 입자경 22㎛ 의 탄화규소의 조(粗)분말 54.6 중량% 와, 평균 입자경 0.5㎛ 의 탄화규소의 미(微)분말 23.4 중량% 와, 유기 바인더로서의 메틸셀룰로오스 4.3 중량% 와, 윤활제 (닛폰 유지사 제조 유니루브) 2.6 중량% 와, 글리세린 1.2 중량% 와, 물 13.9 중량% 를 혼합, 혼련하여 혼합 조성물을 얻은 후, 압출 성형하여, 생(生)성형체를 제작하였다. 또, 이 때, 생성형체의 셀 형상이 도 3 과 같이 대용적 셀 군의 셀의 길이 방향에 수직인 단면의 형상이 팔각형이 되고, 소용적 셀 군의 셀의 길이 방향에 수직인 단면의 형상이 사각형이 되는 다이스를 사용하였다. 또한, 대용적 셀 군과 소용적 셀 군의 길이 방향에 수직인 단면의 단면적 비, 대용적 셀과 소용적 셀의 길이 방향에 수직인 단면의 단면적 비는, 모두 2.54 가 되도록 하였다.
다음으로, 마이크로파 건조기 등을 사용하여, 상기 생성형체를 건조시키고 세라믹 건조체로 한 후, 상기 생성형체와 동일한 조성의 봉지재 페이스트를 소정의 셀에 충전하였다.
이어서, 다시 건조기를 사용하여 건조시킨 후, 400℃ 에서 탈지시켜, 상압의 아르곤 분위기하 2200℃, 3 시간 동안 소성을 실시함으로써, 기공률이 42%, 평균 기공 직경이 11㎛, 그 크기가 가로세로 34㎜ × 길이 150㎜, 셀의 수 45.6 개/㎠ (300cpsi), 셀 벽의 두께가 0.25㎜ 인 탄화규소 소결체로 이루어지는 허니컴 구조체를 제조하였다.
다음으로, 얻어진 허니컴 구조체에 산화물 촉매를 담지한다.
먼저, 질산세륨을 물에 용해시켜, CeO2 의 전구체 용액을 준비하였다. 그 전구체 용액을 분산시킨 기체를 캐리어 가스에 싣고, 700℃ 로 가열된 상기 허니컴 구조체의 단면으로부터 대용적 셀 군에 유입시켰다. 또 이 때, 캐리어 가스를 공간 속도 72000 (1/h) 로 하였다. 이렇게 해서, 탄화규소 소결체로 이루어지는 허니컴 구조체에 평균 입경이 0.1㎛ 의 CeO2 를 담지한 촉매 담지 허니컴을 얻었다. 또, CeO2 는 촉매 담지 허니컴 1L 당 20g 의 비율로 담지하였다. 또한, 산화물 촉매의 평균 입경은 SEM 사진을 사용하여 측정하였다.
(비교예 1)
실시예 1 과 동일하게 하여 얻은 탄화규소 소결체로 이루어지는 허니컴 구조체를, CeO2 10g, 물 40㎖ 및 pH 조정제를 적량 함유한 비율로 혼합한 용액에 5 분간 침지하고, 그 후, 500℃ 에서 소성 처리하여, CeO2 가 담지된 촉매 담지 허니컴을 얻었다. 또, 이 때의 CeO2 의 평균 입경은 2㎛ 이고, 담지량은 20g/L 이었다.
(비교예 2)
셀의 단면 형상을 도 7 과 같이 모두 정사각형으로 한 것 외에는 실시예 1 과 동일하게 하여 촉매 담지 허니컴을 제조하였다.
(비교예 3)
셀의 단면 형상을 도 7 과 같이 모두 정사각형으로 한 것 외에는 비교예 1 과 동일하게 하여 촉매 담지 허니컴을 제조하였다.
(비교예 4)
실시예 1 에서 얻어진 허니컴 구조체를 비교예 4 의 샘플로 하였다. (촉매를 담지하고 있지 않음.)
(비교예 5)
비교예 2 에서 얻어진 허니컴 구조체를 비교예 5 의 샘플로 하였다. (촉매를 담지하고 있지 않음.)
(평가 방법)
실시예 1 및 비교예 1 ∼ 5 에서 얻어진 촉매 담지 허니컴 및 샘플에, 각각 Matter Engineering A. G. 사 제조의 매연 발생 장치 CAST2 를 사용하여, 평균 입경 82㎛ 의 매연을 유속 30L/min 으로 2.0g/L 포집하였다. 다음으로 매연이 퇴적된 상태의 촉매 담지 허니컴을 도 8 의 매연 산화 속도 평가 장치에 세팅하고, 질소 가스만을 도입하면서 샘플의 입구로부터 15㎜ 의 위치가 560℃ 가 되도록 유입 가스 온도를 조정하여, 10 분간 안정된 상태를 유지한 다음, 벌브를 전환함으로써, 10% 의 산소를 공간 속도 72000 (1/h) 로 도입하여 매연을 연소시켰다. 이 때의 매연 연소에 의해 생성된 일산화탄소 및 이산화탄소의 농도를 SHIMADZU 제조의 CO/CO2 분석계로 측정하여, 이상적인 기체로 가정하에 산화된 매연 중량으로 환산함으로써, 매연 산화 속도를 구하였다. 그 결과를, 단위 시간당 산화 매연량의 적산량의 경시 변화로서 도 9 에 나타낸다.
(실시예 2)
이어서, 실시예 1 에서 얻어진 허니컴 구조체 (허니컴 유닛) 를 평균 섬유 길이 20㎛ 의 알루미나 파이버 30 중량%, 평균 입경 0.6㎛ 의 탄화규소 입자 21 중량%, 실리카졸 15 중량%, 카르복시메틸셀룰로오스 5.6 중량% 및 물 28.4 중량% 를 함유하는 내열성의 접착재 페이스트를 사용하여, 다수 접착시켰다. 그리고, 120℃ 에서 건조 후, 다이아몬드 커터를 사용하여 절단함으로써, 접착재층의 두께가 1㎜ 인 원기둥 형상의 세라믹 블록을 제작하였다. 다음으로, 평균 섬유 길이 100㎛, 평균 섬유 직경 10㎛ 의 실리카-알루미나 파이버 23.3 중량%, 평균 입경 0.3㎛ 의 탄화규소 분말 30.2 중량%, 실리카졸 7 중량%, 카르복시메틸셀룰로오스 0.5 중량% 및 물 39 중량% 를 함유하는 시일재 페이스트 (코트층 페이스트) 를 사용하여, 세라믹 블록의 외주부에 두께 0.2㎜ 의 시일재층을 형성하였다. 그리고, 120℃ 에서 건조시켜, φ143.8㎜ × 길이 150㎜ 의 원기둥 형상 허니컴 구조체 를 얻었다.
이 후, 실시예 1 과 동일하게 하여 산화물 촉매를 담지시켰다. 또, 이 때의 CeO2 의 평균 입경은 0.1㎛ 이고, 담지량은 20g/L 이었다.
(비교예 6)
실시예 2 에서 얻어진 허니컴 구조체를 비교예 6 의 샘플로 하였다. (촉매를 담지하고 있지 않음.)
(비교예 7)
비교예 2 에서 얻어진 허니컴 구조체 (허니컴 유닛) 를 실시예 2 에서 사용한 접착재 페이스트 및 시일재 페이스트 (코트층 페이스트) 를 사용하여, 동일하게 φ143.8㎜ × 길이 150㎜ 의 원기둥 형상 허니컴 구조체를 얻었다.
이 후, 실시예 1 과 동일하게 하여 산화물 촉매를 담지시켰다. 또, 이 때의 CeO2 의 평균 입경은 0.1㎛ 이고, 담지량은 20g/L 이었다.
(비교예 8)
비교예 7 에서 얻어진 허니컴 구조체를 비교예 8 의 샘플로 하였다. (촉매를 담지하고 있지 않음.)
(평가 방법)
2L 커먼 레일 엔진으로부터 배출되는 배기 가스의 경로 중, 엔진의 터보 차지어로부터 0.6m 떨어진 위치에 실시예 2 및 비교예 6 ∼ 8 에서 얻어진 촉매 담지 허니컴 및 샘플을, 미리 초기 중량을 측정한 후에 탑재하였다. 엔진 난기 후, NEDC 모드를 30 사이클 연속으로 운전하여, 30 사이클 후의 필터 (촉매 담지 허니컴 및 샘플) 의 중량을 재차 측정하고, 그 사이에 퇴적된 매연량을 구하였다. 얻어진 결과를 연속 재생성의 지표로 도 10 에 나타낸다. 이 연속 재생성의 지표란, 1.0g/L 의 매연이 촉매 담지 허니컴에 퇴적되기까지의 사이클 수를 정의한 것이다.
도 9 (실시예 1 및 비교예 1 ∼ 5) 의 결과로부터, 대용적 셀 군과 소용적 셀 군을 구비하고, 셀 벽에 0.05 ∼ 1㎛ 의 산화물 촉매를 담지함으로써, 촉매와 매연의 접촉점이 증가하여, 매연의 산화 속도를 비약적으로 향상시킬 수 있음을 이해할 수 있다. 또한, 도 10 (실시예 2 및 비교예 6 ∼ 8) 의 결과로부터, 대용적 셀 군과 소용적 셀 군을 구비하고, 셀 벽에 0.05 ∼ 1㎛ 의 산화물 촉매를 담지함으로써, 매연의 연속 재생성이 향상되어, 셀 벽에 경시적으로 축적되는 매연량을 적게 억제할 수 있음을 이해할 수 있다.
도 11 은, SEM 에 의해 실시예 1 의 촉매 담지 허니컴의 셀 벽의 단면을 관찰한 것이다. 산화물 촉매가 셀 벽에 표면에 케이크 형상으로 담지되어 있는 상태를 관찰할 수 있다.
도 1(a) 는 종래 방법에 의해 담지된 촉매와 매연을 나타내고, (b) 는 본원의 촉매와 매연을 나타낸다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태의 촉매 담지 허니컴의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 3(a) 는 도 2 에 나타내는 촉매 담지 허니컴을 구성하는 허니컴 유닛의 사시도이고, (b) 는 허니컴 유닛의 A-A 선 단면도이다.
도 4(a) ∼ (d) 는 본 발명의 촉매 담지 허니컴을 구성하는 허니컴 유닛의 셀의 길이 방향에 수직인 방향의 단면도이다.
도 5(a) ∼ (f) 는 본 발명의 촉매 담지 허니컴을 구성하는 허니컴 유닛의 셀의 길이 방향에 수직인 방향의 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 일체형 촉매 담지 허니컴의 예를 나타내는 도면이다.
도 7 은 종래의 촉매 담지 허니컴을 구성하는 허니컴 유닛의 셀의 길이 방향에 수직인 방향의 단면도이다.
도 8 은 매연 산화 속도 평가 장치의 도면이다.
도 9 는 촉매 담지 허니컴의 산화된 매연량의 적산량의 경시 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10 은 촉매 담지 허니컴의 연속 재생 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11 은 실시예 1 의 촉매 담지 허니컴의 셀 벽의 단면 SEM 이미지를 나타내는 도면이다.
(부호의 설명)
40 : 촉매 담지 허니컴
45, 60 : 허니컴 구조체
50 : 허니컴 유닛
51 : 셀
53 : 셀 벽
54 : 대용적 셀
55 : 소용적 셀

Claims (8)

  1. 셀 벽에 의해 구획된 복수의 셀이 길이 방향을 따라서 형성된 기둥 형상의 허니컴 구조체에 촉매 입자가 담지된 촉매 담지 허니컴으로서,
    상기 복수의 셀은, 상기 셀의 일방의 단부에서 봉지되어 이루어지는 대용적 셀 군과, 타방의 단부에서 봉지되어 이루어지는 소용적 셀 군으로 이루어지고,
    상기 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 상기 대용적 셀 군의 면적의 총합이, 상기 소용적 셀 군의 면적의 총합보다 크게 되어 있고,
    상기 촉매 입자는 산화물 촉매로 이루어지는 입자이고, 그 평균 입경이 0.05㎛ ∼ 1㎛ 인 것을 특징으로 하는 촉매 담지 허니컴.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 길이 방향에 수직인 단면에 있어서, 상기 대용적 셀 군의 셀은 팔각형이고, 상기 소용적 셀 군의 셀은 사각형인 촉매 담지 허니컴.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 허니컴 구조체가, 세라믹 소결체로 이루어지는 촉매 담지 허니컴.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 허니컴 구조체가, 탄화규소 소결체로 이루어지는 촉매 담지 허니컴.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 허니컴 구조체는, 허니컴 유닛이 복수 개 결속되어 이루어지는 촉매 담지 허니컴.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산화물 촉매가, CeO2, ZrO2, FeO2, Fe2O3, CuO, CuO2, Mn2O3, MnO, K2O, 및 조성식 AnB1-nCO3 (여기서, A 는 La, Nd, Sm, Eu, Gd 또는 Y, B 는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속, C 는 Mn, Co, Fe 또는 Ni 를 각각 나타내고, 0 ≤ n ≤ 1 이다) 로 표시되는 복합 산화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나인 촉매 담지 허니컴.
  7. 셀 벽에 의해 구획된 복수의 셀이 길이 방향을 따라서 형성되고, 상기 복수의 셀은, 상기 셀의 일방의 단부에서 봉지되어 이루어지는 대용적 셀 군과, 타방의 단부에서 봉지되어 이루어지는 소용적 셀 군으로 이루어지고,
    상기 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 상기 대용적 셀 군의 면적의 총합이, 상기 소용적 셀 군의 면적의 총합보다 크게 되어 있는 기둥 형상의 허니컴 구조체에, 산화물 촉매의 전구체 용액을 분산시킨 기체를 유입시킴으로써, 셀 벽에 산화물 촉매 입자를 담지시킨 것을 특징으로 하는 촉매 담지 허니컴.
  8. 셀 벽에 의해 구획된 복수의 셀이 길이 방향을 따라서 형성되고, 상기 복수의 셀은, 상기 셀의 일방의 단부에서 봉지되어 이루어지는 대용적 셀 군과, 타방의 단부에서 봉지되어 이루어지는 소용적 셀 군으로 이루어지고,
    상기 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 상기 대용적 셀 군의 면적의 총합이, 상기 소용적 셀 군의 면적의 총합보다 크게 되어 있는 허니컴 구조체를 제조하는 공정과,
    촉매의 전구체 용액을 기체 중에 분산시키는 공정과,
    분산시킨 촉매의 전구체 용액을 포함하는 기체를 상기 허니컴 구조체에 유입시키는 공정과,
    상기 허니컴 구조체를 가열하여, 촉매의 전구체를 촉매 입자화하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 촉매 담지 허니컴의 제조 방법.
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