KR101382686B1 - 탄소 미립자 연소용 무-귀금속 촉매, 이를 적용한 포집필터 및 배기가스 후처리 장치 - Google Patents

탄소 미립자 연소용 무-귀금속 촉매, 이를 적용한 포집필터 및 배기가스 후처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 은(Ag)이 각각 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물 또는 은(Ag)이 각각 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물과 철산화물로 구성되고, 귀금속을 사용하지 않으면서 저온에서도 산화력이 우수하여 연소온도를 낮춤으로써 연비를 향상시킬 수 있는 미립자 연소용 무-귀금속 촉매, 이를 적용한 포집필터 및 배기가스 후처리 장치에 관한 것이다.
상기 세륨 프라세오디뮴 복합산화물은 세륨산화물 60~95 중량% 및 프라세오디늄 산화물 5~40 중량%로 이루어지며, 복합산화물에 담지되는 은(Ag)은 복합산화물 총 중량에 대하여 1.5 ~ 10 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하고,
상기 철산화물은 은이 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물과는 별개의 입자형태로 존재하며, 상기 세륨 프라세오디뮴 복합산화물의 총 중량에 대하여 0.5 내지 10 중량부로 포함되는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소 미립자 연소용 무-귀금속 촉매, 이를 적용한 포집필터 및 배기가스 후처리 장치{Non-PGM catalyst for combustion soot, filtration filter and exhaust gas after-treatment apparatus having the same}
본 발명은 저온에서 산화력이 우수한 탄소 미립자 연소용 무-귀금속 촉매, 이를 적용한 포집필터 및 배기가스 후처리 장치에 관한 것이다.
자동차 대수의 급격한 증가로 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 양도 급격히 증가하고 있다.
특히 디젤엔진 배기가스 중에 함유된 각종 물질은 환경에 매우 심각한 영향을 미치며, 특별히 배기가스 중의 미립자들은 알레르기 장해나 정자수의 감소를 일으키는 원인이 될 수 있다는 연구보고도 있다.
따라서 배기가스 중의 미립자를 제거하는 것이 급한 연구과제로 대두 되고 있으며, 상용화된 미립자 제거장치는 엔진의 배기 매니폴드에 연결된 배기관의 중간에 설치된 케이싱과, 케이싱 내부에 장착된 미세한 셀을 가지는 필터(이하, '포집필터'라 함)를 구비하고 있다.
이때, 차량 주행 중 배기관을 통해 배출되는 배기가스의 탄소 미립자가 포집필터의 셀 벽에 증착되며, 이 탄소 미립자를 정기적으로 제거하여야 할 필요가 있다.
공지된 바와 같이, 촉매를 사용하여 포획 미립자를 제거하는 방식에는 NO2의 산화력에서 기인하는 자연재생(passive) 방식과, 엔진에서 비연소 탄화수소를 생성시켜 산화촉매 및 산화촉매가 포함된 포집필터에서 산화열을 발생시켜 제거하는 강제재생(active) 방식이 가장 우수한 기술로 인식되고 있다.
상기 포획 미립자를 제거하는 방식에서 연소온도를 낮추어 연비를 향상시키기 위해, 고가의 백금산화촉매를 포집필터에 코팅하여 사용하고 있다.
도 1은 종래의 귀금속 촉매를 사용한 DPF(Diesel Particulate Filter) 촉매의 탄소 미립자(Soot) 연소방법을 설명하기 위한 개략도로서, 도시한 바와 같이 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함된 NO2, 또는 알루미나/혼합 산화물에 백금이 코팅된 촉매에서 산화된 NO2가 백금(Pt)과 반응하여 DPF에 포집되어 있는 수트를 연소시키는 방식으로 제거하고 있다.
그러나, 고가의 백금과 같은 귀금속을 사용하는 경우 연소온도를 낮추어 연비를 향상시킬 수 있지만, 촉매 가격이 고가이므로 차량 원가를 증가시키는 문제점이 있다.
한편, 일본특허 제4144898호에는 세륨산화물 5~50 중량%인 세륨 지르코늄 복합산화물로부터 이루어지는 담체와, 그 담체에 담지된 Ag 및 Ru의 최소한 한 종류의 금속 또는 이의 산화물로부터 이루어지며 담체 중량에 대하여 0.5~30 중량%의 함량을 가지는 제1촉매로 구성되는 입자 연소촉매가 개시되어 있다.
상기 일본특허에 의하면, 고가의 귀금속을 사용하지 않고 저온에서 입자들 (soot)을 산화반응에 의해 제거할 수 있다.
그러나, 상기 선행특허는 귀금속을 사용하지 않는다는 측면에서 진일보된 기술이지만, 미립자의 연소효율 측면에서 여전히 개선할 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 저온에서도 산화력이 우수하여 연소온도를 낮춤으로써 연비를 향상시킬 수 있는 무-귀금속 촉매를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 자연재생효율이 우수한 무-귀금속 촉매가 코팅되는 포집필터 및 이 포집필터를 장착하는 배기가스 후처리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 미립자 연소용 무-귀금속 촉매는 은(Ag)이 각각 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물 또는 은(Ag)이 각각 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물과 철산화물로 구성되고, 귀금속을 사용하지 않으면서 저온에서도 산화력이 우수하여 연소온도를 낮춤으로써 연비를 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 세륨 프라세오디뮴 복합산화물은 세륨산화물 60~95 중량% 및 프라세오디늄 산화물 5~40 중량%로 이루어지며, 복합산화물에 담지되는 은(Ag)은 복합산화물 총 중량에 대하여 0.5 ~ 10.0 중량부로 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 철산화물은 은이 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물과는 별개의 입자형태로 존재하며, 상기 세륨 프라세오디뮴 복합산화물의 총 중량에 대하여 0.5 내지 10 중량부로 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 포집필터는 축선방향을 따라 규칙적으로 형성되고, 셀 벽에 의해 구획되는 복수의 관통셀을 가지고; 상기 각 관통셀은 양쪽 단부면에 각각 어느 한쪽 단부 방향으로 개구되게 형성되는 유입구 및 배출구를 포함하되, 은(Ag)이 각각 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물 및 철산화물로 구성된 탄소 미립자 연소용 무-귀금속 촉매가 상기 셀 벽 상면 또는 하면에 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 각 관통셀은 탄소 미립자 연소용 무-귀금속 촉매가 코팅되어 있는 셀 벽의 상면 또는 하면과 반대쪽으로 셀 벽의 하면 또는 상면 전체에 걸쳐 더 코팅되는 CO 산화촉매를 더 포함하여 CO 발생 및 슬립을 방지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 배기가스 후처리 장치는 은(Ag)이 각각 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물 및 철산화물로 구성된 탄소 미립자 연소용 무-귀금속 촉매가 코팅되는 포집필터의 유입구 측에 DOC(디젤산화촉매) 모듈 또는 LNT(Lean Nox Trap) 모듈 또는 TWC(삼원촉매) 모듈을 장착하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 탄소 미립자 연소용 무-귀금속 촉매, 이를 적용한 포집필터 및 배기가스 후처리 장치의 장점을 설명하면 다음과 같다.
고가의 귀금속 대신에 은(Ag)이 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물 및 철산화물로 구성된 무-귀금속을 적용함으로써 미립자를 저온에서도 산화반응에 의해 제거할 수 있고, 연소효율을 종래기술 대비 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 다양한 복합산화물들에 대한 TGA/DSC에 의한 탄소 미립자 연소 측정 결과를 도시한 것이며, 측정은 시료들을 Printex-U (토너 탄소)와 5:1로 혼합하여 공기 유량 50ml (수분 포함) 조건에서 진행되었다.
도 2는 세륨 프라세오디뮴 (80:20) 복합산화물에 담지되는 은 성분의 연소 조력 결과를 보이는 것이며, 측정 조건은 도 1에서의 측정 조건과 동일하나, 토너 탄소대신 디젤엔진 미립자를 사용하였다.
도 3은 세륨 프라세오디뮴 (80:20) 복합산화물과 함께 포함되는 제2입자형태의 철산화물이 연소에 주는 영향을 보이는 TGA/DSC 측정도이며, 측정 조건은 도 4에서의 측정 조건과 동일하다.
도 4는 세륨 프라세오디뮴 (80:20, A, 90:10, B) 복합산화물에 적용된 다양한 구성의 은 및 철산화물 함량 비율에 대한 TGA/DSC에 의한 미립자 연소 측정 결과를 도시한 것이며, 측정은 시료들을 디젤엔진 미립자와 5:1로 혼합하여 공기 유량 50ml (수분 포함) 조건에서 진행되었다.
도 5는 본 발명에 따른 포집필터에 무-귀금속 미립자 연소용 무-귀금속 촉매가 코팅된 모습을 보여주는 개략도
도 6은 통상의 원기둥 형상의 세라믹 필터촉매 구조체가 케이싱에 장착된 하니콤 필터의 확대단면도
도 7 및 도 8은 귀금속이 포함되어 있지 않은 (0g/ft3) 포집필터 전단에 DOC 또는 LNT 모듈이 부착된 후처리 정화시스템을 보여주는 개략도
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 저온에서도 산화력이 우수하여 연소온도를 낮춤으로써 연비를 향상시킬 수 있는 무-귀금속 촉매에 관한 것이다.
또한, 상기 무-귀금속 촉매가 코팅되는 미립자 포집필터와, 이러한 포집필터를 적용한 배기가스 후처리 장치에 관한 것이다.
우선, 본원에서 사용되는 용어들을 정의하며, 본원에서 별도로 규정되지 않은 용어들은 당해 기술분야의 기술자들이 통상적으로 사용하고 이해되는 용어로 설명될 수 있다.
본원에서 미립자라 함은 탄소함유 미립자, 황화물과 같은 황-함유 미립자, 및 고분자량 탄화수소 미립자와 같은 미립자 물질을 총칭한다.
본원에서 포집필터는 트랩형 (또는 월플로우) 및 개방형(또는 스트레이트 플로우)을 포함하며, 대표적으로 트랩형 배기가스 필터 중 하나인 허니콤 구조(디젤 PM 필터, DPF)가 예시된다.
포집필터의 작동원리를 간단하게 살펴보면, 허니콤 필터는 자신의 축선 방향을 따라서 뻗어있는 다수의 셀을 가지고, 배기가스가 필터를 통과할 때, 그 셀 벽(10)에 의해 미립자가 포집되며, 그 결과 배기가스에서 미립자가 제거된다.
허니콤 필터에서는 그 셀 벽(10)에 미립자가 포집, 증착되기 때문에 압력손실이 증가한다.
본원에서 '압력손실'이란, 필터의 배기가스 유입측과 배출측들 사이에 배기가스의 압력 차이를 의미하며, 배기가스가 필터를 통과할 때 포집필터는 셀 벽(10)에 포집된 미립자에 의해 저항을 받아 압력손실을 초래한다.
필터구조와 관련하여, 허니콤 구조의 셀을 가지는 필터 벽을 기준으로 그 상면 또는 하면에 필요한 조성물들이 코팅될 수 있으며, 본원에서 상면 또는 하면의 '후단'이라 하면, 배출측 방향에 위치하는 일부 셀 구역을 의미한다.
본원에서 '모듈'이라 함은 배기가스 처리를 위하여 소정의 촉매 등이 코팅되어 사용되는 허니콤 구조체를 의미하며, 예를 들면 CO 산화모듈이라 함은 CO 산화반응을 촉진시키기 위한 산화촉매가 코팅되는 허니콤 구조체이다.
본원에서, '디젤산화촉매' 모듈은 DOC(Diesel Oxidation Catalyst) 모듈로도 칭하며, 디젤엔진 배기가스 중 HC 및 CO를 80% 이상 감소시키는 백금(Pt) 및/또는 팔라듐(Pd)이 촉매활성성분으로서 코팅된 모듈을 의미한다.
본원에서, 'LNT' 모듈이라 함은 lean NOx Trap (LNT)으로, 희박영역에서 NOx를 포집하였다가 농후영역에서 배출함으로서 배기가스를 질소 및 이산화탄소로 변환시키는 Ba, Sr, K 등의 성분이 코팅된 모듈을 의미한다.
또한, 본원에서, 'TWC(Three-Way Catalyst)' 모듈이라 함은 배기가스 CO 및 HC를 산화반응으로 NOx는 환원반응으로 삼원촉매가 코팅된 삼원촉매 모듈을 의미한다.
1. 미립자 연소 촉매
본 발명에 따른 미립자 연소용 촉매(11), 특히 귀금속을 사용하지 않는 비귀금속 촉매는, 은(Ag)이 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물로 구성된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 미립자 연소용 촉매(11)는 은(Ag)이 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물 및 철산화물로 구성될 수 있으며, 은 성분이 담지된 복합산화물 입자들 및 철산화물 입자들이 혼합되어 촉매를 형성한다.
세륨 프라세오디뮴 복합산화물은 세륨산화물 60~95 중량% 및 프라세오디늄 산화물 5~40 중량%로 이루어지며, 복합산화물에 담지되는 은 성분은 복합산화물 총 중량에 대하여 0.5 내지 10.0 중량부로 포함된다.
또한, 보다 바람직하게는 상기 복합산화물에 담지되는 은 성분은 복합산화물 총 중량에 대하여 1.5 내지 3.0 중량부로 포함될 수 있다.
상기 철산화물은 복합산화물에 대하여 별개 입자형태의 산화물로 존재하며, 복합산화물 총 중량에 대하여 0.5 내지 10 중량부로 포함된다.
또한, 보다 바람직하게는 상기 철산화물은 복합산화물 총 중량에 대하여 0.5 내지 2 중량부로 포함될 수 있다.
상기 촉매를 이루는 각 금속 및/또는 산화물 구성 비율은 전적으로 실험에 근거한다. 도 1은 효율적인 연소결과를 보이는 복합산화물 구성 성분을 확인하기 위한 예비실험 결과이다.
도 1의 그래프에서 DSC(시차주사열량계)는 Differential Scanning Calorimeter의 약자이다.
즉, A : Ce 80중량%, Pr 20 중량%의 복합산화물과, B : Ce 90중량%, Pr 10중량%의 복합산화물을 다양한 비교 조성물과 대비하여 미립자 연소능력을 측정한 결과, 상기와 같은 최적 조건의 복합산화물 구성 성분 및 비율을 얻을 수 있다.
예를 들면, 일본특허 제4144898호에 해당하는 조성물, 즉 세슘-지르코늄 기반의 복합산화물은 약 550℃이상의 연소온도를 가지나, 본 발명에 의한 세륨 프라세오디뮴 복합산화물은 놀랍게도 약 530℃이하에서 미립자들을 연소할 수 있다.
상기 세륨 프라세오디뮴 복합산화물에 은 성분은 복합산화물 총 중량에 대하여 0.5 내지 10.0 중량부로 담지된다.
또한, 보다 바람직하게는 상기 세륨 프라세오디뮴 복합산화물에 은 성분은 복합산화물 총 중량에 대하여 1.5 내지 3.0 중량부로 포함될 수 있다.
도 2는 은 성분 담지 효과를 보이는 TGA/DSC 측정도이다.
이때, TGA는 ThermoGravimetric Analysis(열중량 분석기)의 약자이다.
즉, 은 성분이 세륨 프라세오디뮴 (80:20) 복합산화물에 1.0 내지 10.0 중량부, 바람직하게는 1.0 내지 4.0 중량부, 보다 바람직하게는 2.5 중량%로 담지되면, 연소 온도가 가장 낮아짐으로써 연소 효과를 더욱 증진시킬 수 있다.
이론에 국한되지 않고, 복합산화물에 담지된 은(Ag) 성분은 탄소 미립자 산화에 유리한 활성 산소 종(species)을 극대화하는 성분으로 파악된다.
활성 산소 종은 탄소 입자들과 부분 또는 완전 산화반응을 거쳐 탄소 미립자(SOOT)를 CO 또는 CO2로 산화시키는 것으로 보인다.
그러나 놀랍게도 은(Ag) 성분은 복합산화물에 첨가되는 함량에 비례하여 연소효과를 높이지 않고, 연소효과에 있어서 일정한 변곡점을 형성하며, 본 발명에 의하면 세륨 프라세오디뮴 (80:20) 복합산화물에 은이 2.5 중량%로 담지된 경우 연소 효율 변곡이 형성된다(도 2 참조).
더 나아가, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미립자 연소용 촉매(11)에는 Ag 담지-세륨 프라세오디뮴 복합산화물과 함께 철산화물이 더 포함된다.
본 발명에 있어서, 철산화물은 세륨 프라세오디뮴 복합산화물과 일체를 이루는 복합산화물 형태가 아닌, 별개의 입자형태로 제공된다.
즉 본 발명에 의한 연소촉매는 은 성분이 담지된 복합산화물 입자들 및 철산화물 입자들이 물리적으로 혼합된 형태로 구성된다.
상기 철산화물은 복합산화물 총 중량에 대하여 0.5 내지 10 중량부, 바람직하게는 0.5 내지 2 중량부로 포함된다.
도 3은 철산화물 추가에 따른 연소 효과를 보이는 TGA/DSC 측정도이다. 즉, 세륨 프라세오디뮴 (80:20) 복합산화물에 1.0 중량%로 담지되면, 연소 효과는 더욱 증진되는 것을 확인할 수 있으나, 10 중량%로 담지되면 연소 효과 개선은 없는 것으로 보인다.(오히려 연소효과는 저감되는 것으로 보인다. )
은(Ag) 성분 함량에 있어서, 연소 효과 변곡점이 존재하듯이, 본 발명에 의하면 세륨 프라세오디뮴 (80:20) 복합산화물에는 약 2 중량% 이상으로 철산화물이 포함되는 경우 연소 효율 변곡이 형성됨을 도 4에서 확인할 수 있다.
도 4는 은(Ag) 담지-세륨 프라세오디뮴 복합산화물 및 철산화물로 구성되는 촉매 활성을 측정한 것이다.
즉, 세륨 프라세오디뮴 복합산화물에 은(Ag)이 담지되고 동시에 철산화물이 복합산화물과 혼합될 때, Ag 및 철산화물에 의한 시너지 효과를 보이는 측정도이다.
도 4에 의하면, 세륨 프라세오디뮴 복합산화물 자체, 또는 은이 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물, 또는 철산화물을 포함하는 세륨 프라세오디뮴 복합산화물의 경우보다, 은-담지 세륨 프라세오디뮴 복합산화물 및 철산화물을 포함하는 촉매는 은 성분 및 철산화물에 의한 예기치 못한 시너지 효과로 연소 효율을 높이고 있음을 확인할 수 있다.
2. 미립자 포집필터
본 발명에 의한 포집필터는 도 5에 도시한 바와 같이 필터 벽을 기준으로 그 상면과 하면에 코팅된 미립자 연소용 무-귀금속 촉매(11)를 가질 수 있다.
이를 위하여 미립자 연소용 촉매(11)는 바인더 성분으로 실리카(SiO2) 또는 알루미나(Al2O3) 또는 지르코니아(ZrO2)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 적용될 수 있는 필터에는 제한이 없으나, 간단한 설명을 위하여 디젤엔진용 미립자 포집 허니콤필터를 예시한다.
도 6은 통상의 원기둥 형상의 세라믹 필터 구조체(21)가 케이싱(20)에 장착된 허니콤 필터의 확대단면도이다.
상기 세라믹 필터촉매 구조체는 단면이 대략 정방형상을 이루는 복수의 관통셀(22)이 축선방향을 따라서 규칙적으로 형성되어 있으며, 각 관통셀(22)은 얇은 셀 벽(10)에 의해 서로 칸막이되어 있다.
이때, 필터구조체의 단면 전체는 바둑판모양을 나타낸다.
통상 셀의 밀도는 200~300개/in2 전후로 설계되고, 셀 벽(10)의 두께는 0.3mm 전후로 제조된다.
다수개의 관통셀(22)의 일측 단면에 다수의 유입구(23)가 형성되고, 반대쪽 단면에 다수의 배출구(25)가 형성되고, 상기 유입구(23)와 배출구(25)는 서로 반대방향으로 개구되며, 유입구(23) 및 배출구(25)의 각 반대쪽 단면은 밀봉재(14)에 의해 밀봉된다.
본 발명에 의한 필터는 셀 벽(10)의 상면 또는 하면에는 본 발명에 의한 미립자 연소용 무-귀금속 촉매(11)가 코팅된다.
촉매 코팅 방식을 예시하지만 이에 국한되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 촉매 코팅 방법을 설명하면, 먼저 본 발명에 의한 촉매 분말을 알루미나 졸과 같은 바인더성분 및 물과 함께 슬러리로 만든다.
통상의 침지법(디핑)을 사용하여 슬러리를 필터 셀 벽(10)에 코팅시킨 후에 소성한다.
본 발명에 의한 무-귀금속 연소촉매의 불완전한 산화반응으로 인하여 잠재적으로 발생될 수 있는 CO 발생 및 슬립을 방지하기 위해, 본 발명에 따른 미립자 포집필터에는, 무-귀금속 미립자 연소용 무-귀금속 촉매(11)와 반대쪽으로 셀 벽(10)의 하면 또는 상면 전체 구역 또는 배출측 일부 구역에 백금족 원소로 구성된 CO 산화촉매(12)가 더 코팅된다(도 5참조).
대안으로, 본 발명에 의한 미립자 포집필터는 필터 후단과 간격을 두거나 또는 후단과 접촉되는 CO 산화촉매(12)모듈을 가질 수 있다.
3. 배기가스 후처리시스템
본 발명에 의하면, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이 무-귀금속 촉매가 코팅되는 포집필터 유입측 입구에 DOC(30)모듈 또는 LNT(31) 모듈 또는 TWC 모듈이 장착되는 배기가스 후처리정화시스템이 제공된다.
상기 DOC, LNT(31), 및 TWC 모듈은 본 분야의 기술자에 의해 통상 이해되는 배기가스 후처리정화시스템에서의 각 모듈에 해당된다.
이하, 본 발명을 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
먼저, Ag 전구체로서 질산은을 과량의 증류수에 희석한 후, 희석된 질산은을 입수된 CePrO2 (80:20) 분말(A)에 함침시킨 다음, 120℃에서 4시간 동안 건조하고 450℃에서 2시간 소성하여 Ag/CePrO2 (2.5중량% Ag/A) 복합산화물을 제조하였다.
Fe2O3 분말(1.0 중량%) 및 바인더로서 Al2O3를 복합산화물과 혼합하여 평균 입자크기가 7㎛ 이하로 습식 밀링하여 슬러리를 제조하였다.
제조된 슬러리를 디핑 방식으로 DPF에 담지한 후 120℃에서 건조, 450℃에서 1시간 소성하여 본 발명에 의한 포집필터를 완성하였다.
비교예
귀금속이 촉매로서 적용되는 상업적인 포집필터가 사용되었다.
비교예에 사용된 귀금속은 26.7g/ft3의 함량으로 2Pt/1Pd의 비율이 적용되었다.
비교예 1은 DPF 셀 벽 전단 구역에 고농도의 귀금속이 코팅되고, 후단 구역에 저농도의 귀금속이 코팅된 포집필터, 비교예 2는 DPF 셀 벽 전체 구역에 중간 농도의 귀금속이 코팅된 포집필터, 비교예 3은 DPF 셀 벽 전체 구역에 중간 농도의 귀금속이 코팅된 포집필터가 사용되었다.
엔진 실험예
포집필터를 800℃에서 10시간 에이징한 후, DOC 후단에 포집필터를 걸었다. 탄소 미립자(soot) 로딩은 실제 도로 주행을 모사한 엔진조건(rpm과 torque)이 변화되는 모드(transient mode)에서 8g/L(포집필터 단위 부피당 탄소 미립자 포집량)로 이루어지고, 재생평가를 위한 엔진조건은 2000rpm/40Nm에서 엔진 후분사(post injection) 양 제어를 통하여 포집필터 입구온도를 제어하도록 (목표온도: 620℃ 및 560℃)로 설정되었다.
탄소 미립자 재생 효율은 실험 전 DPF 무게 및 재생 후 DPF 무게로 결정되었으며, 620℃에서의 재생효율은 표 1, 560℃에서의 재생효율은 표 2에 정리된다.
Figure 112012079078390-pat00001
Figure 112012079078390-pat00002
상기 표 1 및 표 2에서 나타낸 바와 같이, 실제 엔진실험에서 본 발명에 의한 무-귀금속 연소용 촉매는 귀금속이 적용된 상업적 포집필터들과 대응되는 결과를 보인다.
즉, 종래 포집필터들이 귀금속을 포함하고 있어 제조 단가가 고가였던 점을 감안하면, 본 발명에 의해 저가로 제조 가능한 무-귀금속 연소용 촉매는 매우 놀라운 연소효율을 보인다.
따라서, 본 발명에 의하면 고가의 귀금속 대신에 은(Ag)이 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물 또는 상기 복합산화물에 철산화물이 혼합된 형태로 구성된 비귀금속을 적용함으로써 미립자를 저온에서도 산화반응에 의해 제거할 수 있고, 연소효율을 종래기술 대비 더욱 향상시킬 수 있다.
10 : 셀 벽 11 : 미립자 연소용 무-귀금속 촉매
12 : CO 산화촉매 14 : 밀봉재
20 : 케이싱 21 : 세라믹 필터 구조체
22 : 관통셀 23 : 유입구
25 : 배출구 30 : 디젤산화촉매(DOC)
31 : LNT(Lean Nox Trap)

Claims (12)

  1. 탄소 미립자 연소용 촉매에 있어서,
    은(Ag)이 각각 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물로 구성되고,
    철산화물을 더 포함하며, 상기 철산화물은 상기 은(Ag)이 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물과 혼합되며,
    상기 세륨 프라세오디뮴 복합산화물은 세륨산화물 60~95 중량% 및 프라세오디늄 산화물 5~40 중량%로 이루어지며, 복합산화물에 담지되는 은(Ag)은 복합산화물 총 중량에 대하여 0.5~10.0 중량부로 포함됨과 더불어 상기 철산화물은 은이 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물과는 별개의 입자형태로 존재하며, 상기 세륨 프라세오디뮴 복합산화물의 총 중량에 대하여 0.5 내지 10 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 탄소 미립자 연소용 촉매.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 바인더 성분으로 실리카 또는 알루미나 또는 지르코니아가 더 포함되는 탄소 미립자 연소용 촉매.
  6. 축선방향을 따라 규칙적으로 형성되고, 셀 벽(10)에 의해 구획되는 복수의 관통셀(22)을 가지고;
    상기 각 관통셀(22)은 양쪽 단부면에 각각 어느 한쪽 단부 방향으로 개구되게 형성되는 유입구(23) 및 배출구(25)를 포함하되,
    은(Ag)이 각각 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물로 구성되고,
    철산화물을 더 포함하며, 상기 철산화물은 상기 은(Ag)이 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물과 혼합되며,
    상기 세륨 프라세오디뮴 복합산화물은 세륨산화물 60~95 중량% 및 프라세오디늄 산화물 5~40 중량%로 이루어지며, 복합산화물에 담지되는 은(Ag)은 복합산화물 총 중량에 대하여 0.5~10.0 중량부로 포함됨과 더불어 상기 철산화물은 은이 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물과는 별개의 입자형태로 존재하며, 상기 세륨 프라세오디뮴 복합산화물의 총 중량에 대하여 0.5 내지 10 중량부로 포함되는 탄소 미립자 연소용 촉매가 상기 셀 벽(10) 상면 또는 하면에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 포집필터.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 관통셀(22)의 셀 벽(10) 상면 또는 하면에는 상기 은(Ag)이 각각 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물과 혼합된 철산화물이 함께 코팅되는 것을 특징으로 하는 포집필터.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 각 관통셀(22)은 탄소 미립자 연소용 촉매(11)가 코팅되어 있는 셀 벽(10)의 상면 또는 하면과 반대쪽으로 셀 벽(10)의 하면 또는 상면 전체에 걸쳐 더 코팅되어 CO 발생 및 슬립을 방지하는 CO 산화촉매(12)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포집필터.
  9. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 각 관통셀(22)은 배출구(25) 측으로 셀 벽(10)의 일부에 더 코팅되는 CO 산화촉매(12)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포집필터.
  10. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 포집필터 배출구(25) 측에 CO 산화촉매(12)가 코팅되는 허니콤 구조의 CO 산화촉매 모듈이 더 장착된 것을 특징으로 하는 포집필터.
  11. 은(Ag)이 각각 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물로 구성되고,
    철산화물을 더 포함하며, 상기 철산화물은 상기 은(Ag)이 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물과 혼합되며,
    상기 세륨 프라세오디뮴 복합산화물은 세륨산화물 60~95 중량% 및 프라세오디늄 산화물 5~40 중량%로 이루어지며, 복합산화물에 담지되는 은(Ag)은 복합산화물 총 중량에 대하여 0.5~10.0 중량부로 포함됨과 더불어 상기 철산화물은 은이 담지된 세륨 프라세오디뮴 복합산화물과는 별개의 입자형태로 존재하며, 상기 세륨 프라세오디뮴 복합산화물의 총 중량에 대하여 0.5 내지 10 중량부로 포함되는 탄소 미립자 연소용 촉매가 코팅되는 포집필터 유입구(23) 측에 디젤산화촉매(30)모듈 또는 LNT(31)(Lean Nox Trap) 모듈 또는 TWC(삼원촉매) 모듈이 장착되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 장치.









  12. 삭제
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