WO2007045556A1 - Filterelement und trägerstruktur für einen katalysator mit verbesserter beständigkeit gegen alkali- und erdalkaliionen - Google Patents

Filterelement und trägerstruktur für einen katalysator mit verbesserter beständigkeit gegen alkali- und erdalkaliionen Download PDF

Info

Publication number
WO2007045556A1
WO2007045556A1 PCT/EP2006/067036 EP2006067036W WO2007045556A1 WO 2007045556 A1 WO2007045556 A1 WO 2007045556A1 EP 2006067036 W EP2006067036 W EP 2006067036W WO 2007045556 A1 WO2007045556 A1 WO 2007045556A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
metal ions
ions
magnesium
filter element
alkaline earth
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/067036
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Eisele
Andreas Mattern
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2007045556A1 publication Critical patent/WO2007045556A1/de

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0003—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof containing continuous channels, e.g. of the "dead-end" type or obtained by pushing bars in the green ceramic product
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/002—Mixed oxides other than spinels, e.g. perovskite
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/74—Iron group metals
    • B01J23/745—Iron
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/50—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
    • B01J35/56—Foraminous structures having flow-through passages or channels, e.g. grids or three-dimensional monoliths
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/16—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silicates other than clay
    • C04B35/18—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silicates other than clay rich in aluminium oxide
    • C04B35/195—Alkaline earth aluminosilicates, e.g. cordierite or anorthite
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2523/00—Constitutive chemical elements of heterogeneous catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00793—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as filters or diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/0081—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as catalysts or catalyst carriers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3206—Magnesium oxides or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3232—Titanium oxides or titanates, e.g. rutile or anatase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3232—Titanium oxides or titanates, e.g. rutile or anatase
    • C04B2235/3234—Titanates, not containing zirconia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3244—Zirconium oxides, zirconates, hafnium oxides, hafnates, or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3262—Manganese oxides, manganates, rhenium oxides or oxide-forming salts thereof, e.g. MnO
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/327—Iron group oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3272—Iron oxides or oxide forming salts thereof, e.g. hematite, magnetite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/327—Iron group oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3275—Cobalt oxides, cobaltates or cobaltites or oxide forming salts thereof, e.g. bismuth cobaltate, zinc cobaltite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3286—Gallium oxides, gallates, indium oxides, indates, thallium oxides, thallates or oxide forming salts thereof, e.g. zinc gallate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3287—Germanium oxides, germanates or oxide forming salts thereof, e.g. copper germanate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34—Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3427—Silicates other than clay, e.g. water glass
    • C04B2235/3463—Alumino-silicates other than clay, e.g. mullite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34—Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/349—Clays, e.g. bentonites, smectites such as montmorillonite, vermiculites or kaolines, e.g. illite, talc or sepiolite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/602—Making the green bodies or pre-forms by moulding
    • C04B2235/6021—Extrusion moulding

Definitions

  • Filter element and support structure for a catalyst with improved resistance to alkali and alkaline earth ions are provided.
  • the invention relates to ceramic materials having improved chemical resistance and resistance, in particular to alkali and alkaline earth metal ions, as well as filter elements and support structures for a
  • Filter elements for particulate filters of diesel engines and the support structures of catalysts for internal combustion engines are often made of cordierite. Pure cordierite has a very small thermal expansion coefficient and thus has a good resistance to sudden temperature changes (thermal shocks).
  • temperatures of over 1,000 ° Celsius can occur because the regeneration of soot is exothermic. Since the soot distribution within the filter element is not homogeneous and, in addition, the possibilities of heat removal are locally different, local regeneration results Temperature differences in the filter element.
  • a ceramic material consisting of magnesium aluminum silicate, wherein the cations contained in the starting material, in particular magnesium ions, at least partially replaced by foreign ions / foreign elements and / or substituted.
  • substitution and / or substitution is by doping
  • Preferred doping elements are those which are at least partially magnesium by at least one or more ions / elements selected from zirconium (Zr), yttrium (Y),
  • the resulting doped material preferably consists in the case of the cordierite of the following composition, DE being doping element:
  • the proportion x of the doping element is ⁇ 0.5, more preferably 0.03 ⁇ x ⁇ 0.2.
  • the analog applies, ie the Mg content is at least partially replaced by a foreign ion / foreign element.
  • the addition of the dopants is preferably carried out via a natural mineral (aggregate) containing one or more of the above-mentioned ions / elements.
  • a elementary surcharge is also possible.
  • the doping is to be carried out such that the coordination of the magnesium-aluminum silicates, in particular ceramics of the Al 2 O 3 - SiO 2 - MgO system, substantially maintained. It is therefore preferred that such magnesium aluminum silicates according to the invention contain a proportion x of a doping element in a corresponding composition with a proportion x of ⁇ 0.5, preferably 0.03 ⁇ x ⁇ 0.2.
  • ground preparation and the sintering program can be adjusted in the usual way to the surcharge.
  • the magnesium ion becomes at least partially stronger charged and or larger ion in the crystal lattice substituted, but which fits because of its size still in the crystallographic gap, which is usually occupied by the magnesium ion.
  • the binding to adjacent oxygen ions is enhanced. Due to the stronger bond, the corrosion attack, for example by alkali-containing oleagens, in particular alkali metal, alkaline earth metal ions or sulfuric acid, is made more difficult from the diesel exhaust gas condensate and the magnesium-aluminum silicate doped according to the invention is more resistant to these aggressive exhaust gas constituents.
  • Magnesium-aluminum silicate, especially cordierite, can be further reduced.
  • Thermal expansion coefficient of the pure starting material is. Therefore, the thermal shock resistance of the material remains largely unchanged despite the reactions with the alkali and alkaline earth ions, so that life and temperature resistance of the ceramic material are not affected by the alkali and alkaline earth metal ions.
  • the invention relates to a method for producing a ceramic material, wherein an inventive Magnesium-aluminum silicate is mixed with additives of doping elements according to the invention and conventional excipients and sintered.
  • the object mentioned is achieved according to the invention in a ceramic body of a magnesium-aluminum silicate or other ceramic material, in particular for a filter element or a support structure of a catalyst of an exhaust aftertreatment device of an internal combustion engine, that it is produced by one of the preceding method.
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • Figure 2 shows a filter element according to the invention in longitudinal section.
  • an internal combustion engine carries the reference numeral 10.
  • the exhaust gases are discharged via an exhaust pipe 12, in which a filter device 14 is arranged. With this, soot particles are filtered out of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 12. This is particularly necessary in diesel engines to comply with legal requirements.
  • the filter device 14 comprises a cylindrical housing 16, in which a rotationally symmetrical in the present embodiment, a total also cylindrical filter element 18 is arranged.
  • FIG. 2 shows a cross-section of a filter element 18 according to the prior art.
  • the filter element 18 is manufactured as an extruded shaped body from a ceramic material, such as cordierite.
  • the filter element 18 is flowed through in the direction of the arrows 20 of not shown exhaust gas.
  • An entrance surface has the reference numeral 22 in FIG. 2, while an exit surface in FIG. 2 has the reference numeral 24.
  • the sealing plugs are shown in FIG. 2 without reference numerals.
  • the outlet channels 30 are open at the outlet surface 24 and closed in the region of the inlet surface 22.
  • the flow path of the unpurified exhaust gas thus leads into one of the inlet channels 28 and from there through a filter wall (without reference numeral) into one of the outlet channels 30. This is illustrated by the arrows 32 by way of example.
  • the basic cordierite is made from the raw materials kaolin, sintered mullite and magnesium oxide.
  • the raw materials are mixed with 35% water, 4% methyl cellulose and 0.4% stearate and 15% potato starch and kneaded for one hour (Ih). Thereafter, an extrusion in the desired geometry, drying and sintering at 1400 0 C for 5h.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Filtering Materials (AREA)

Abstract

Es werden keramische Werkstoffe auf der Basis von Cordierit vorgeschlagen, bei welchen die Reaktionen mit den im Abgas enthaltenen Alkaliionen und Erdalkaliionen nur in sehr geringem Umfang zu einer Änderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten führen .

Description

Filterelement und Trägerstruktur für einen Katalysator mit verbesserter Beständigkeit gegen Alkali- und Erdalkaliionen .
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft keramische Werkstoffe mit verbesserter chemischer Beständigkeit und Resistenz, insbesondere gegen Alkali- und Erdalkaliionen, sowie Filterelemente und Trägerstrukturen für eine
Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine.
Filterelemente für Partikelfilter von Dieselbrennkraftmaschinen und die Trägerstrukturen von Katalysatoren für Brennkraftmaschinen werden häufig aus Cordierit hergestellt. Reines Cordierit hat einen sehr kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und weist somit eine gute Beständigkeit gegen plötzliche Temperaturänderungen (Thermoschocks) auf.
Bei der zyklischen Regeneration der Filterelemente können Temperaturen von über 1.000° Celsius auftreten, da die Regeneration von Ruß exotherm ist. Da die Rußverteilung innerhalb des Filterelements nicht homogen ist und außerdem die Möglichkeiten der Wärmeabfuhr lokal unterschiedlich sind, entstehen bei der Regeneration lokale Temperaturunterschiede im Filterelement.
Bislang wird die Lebensdauer von Partikelfiltern aus Cordierit unter anderem dadurch begrenzt, dass das Cordierit mit den im Abgas enthaltenen Alkalien, insbesondere Natrium und Kalium, oder Erdalkalien, reagiert. Bei dieser Reaktion entstehen zusätzliche Phasen, wie zum Beispiel Nephelin, die einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizient als Cordierit haben. Bestehende Thermospannungen, die auf lokale Temperaturunterschiede zurückgehen, werden durch erhöhte
Wärmeausdehnungskoeffizienten noch erhöht, was zu Rissen im Filterelement und damit zu dessen Zerstörung führen kann.
Cordieritwerkstoffe und darauf basierende Varianten sind Magnesium-Aluminium-Silikate, welche direkt beim Sintern von Speckstein oder Talkum mit Zusätzen von Ton, Kaolin, Schamotte, Korund und Mullit entstehen. Die vereinfachte Näherung der Zusammensetzung von reinem keramischen Cordierit ist ca. 14% MgO, 35% Al2O3 und 51% SiO2 oder Mg2Al4SiOi8. Solche Magnesium-Aluminium-Silikate liegen hochkoordiniert vor und umfassen insbesondere Keramiken mit dem System Al2O3 - SiO2 - MgO und können ggfs. weitere Zuschläge enthalten.
Im Folgenden wird im Sinne dieser Erfindung häufig von einem Körper oder einem keramischen Körper gesprochen, da die Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf Filterelemente für Brennkraftmaschinen beschränkt ist, sondern beispielsweise auch bei der Herstellung von
Trägerstrukturen für Katalysatoren von Brennkraftmaschinen und anderen temperaturbelasteten keramischen Bauteilen, die einem Angriff durch Alkali- oder Erdalkaliionen ausgesetzt sind, anwendbar ist. Des Weiteren wird im Folgenden stets von Magnesium- Aluminium-Silikat gesprochen. Gemeint sind damit auch andere keramische Werkstoffe, die ein ähnliches Verhalten gegenüber Alkali- und Erdalkaliionen aufweisen. Erfindungsgemäß bevorzugt ist jedoch Cordierit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, keramische Werkstoffe mit verbesserten Eigenschaften und keramische Körper bereitzustellen, deren Eigenschaften sich durch die von den im Abgas und in Aschen enthaltenen Alkalien oder Erdalkalien ausgelösten Reaktionen nicht oder nur in sehr geringem Umfang ändern.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein keramischer Werkstoff bereitgestellt wird, bestehend aus Magnesium- Aluminium-Silikat, wobei die im Ausgangsmaterial enthaltenen Kationen, insbesondere Magensium-Ionen, mindestens teilweise durch Fremdionen/Fremdelemente ersetzt und/oder substituiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das „Ersetzen und/oder Substituieren" mittels Dotierung. Bevorzugte Dotierungselemente sind solche, die mindestens teilweise Magnesium durch mindestens ein oder mehrere Ionen/Elemente ausgewählt aus der Gruppe Zirkonium (Zr) , Yttrium (Y) ,
Titan (Ti), Hafnium (Hf), Eisen (Fe), Cobalt (Co), Mangan (Mn) , Gallium (Ga) , Germanium (Ge) , Ytterbium (Yb) , Scandium (Sc) , Gadolinium (Gd) , Gallium (Ga) und/oder Cobalt (Co) substituieren.
Besonders bevorzugt aus dieser Auswahl sind wiederum solche, die mindestens teilweise Magnesium durch mindestens ein oder mehrere Ionen/Elemente ausgewählt aus der Gruppe Zirkonium (Zr) , Yttrium (Y) , Titan (Ti) , Hafnium (Hf) substituieren. Der erhaltene dotierte Werkstoff besteht vorzugsweise im Falle des Cordierits aus folgender Zusammensetzung, wobei DE für Dotierungselement steht:
(Mg(1_x) DEx) 2 Al4 Si5 Oi8
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Anteil x des Dotierungselements < 0,5, besonders bevorzugt 0,03 < x < 0,2.
Für andere Magnesium-Aluminium-Silikate, insbesondere Keramiken des Al2O3 - SiO2 - MgO -Systems, gilt das Analoge, d.h. der Mg-Anteil wird zumindest partiell durch ein Fremdion/Fremdelement ersetzt.
Die Zugabe der Dotierungen erfolgt vorzugsweise über ein natürliches Mineral (Zuschlag), das eines oder mehrere der obig genannten Ionen/Elemente enthält. Ein elementater Zuschlag ist ebenfalls möglich. Ferner ist die Dotierung derart vorzunehmen, dass die Koordination der Magnesium- Aluminium-Silikate, insbesondere Keramiken des Al2O3 - SiO2 - MgO -Systems, im Wesentlichen gewahrt bleibt. Daher ist bevorzugt, dass solche erfindungsgemäßen Magnesium- Aluminium-Silikate einen Anteil x eines Dotierungselements in einer entsprechenden Zusammensetzung mit einem Anteil x von < 0,5 vorzugsweise 0,03 < x < 0,2, enthält.
Die Masseaufbereitung sowie das Sinterprogramm kann in üblicher Weise an den Zuschlag angepasst werden.
Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Substitution, vorzugsweise mittels Dotierung:
Das Magnesium-Ion wird zumindest partiell durch ein stärker geladenes und oder größeres Ion im Kristallgitter substituiert, welches aber aufgrund seiner Große noch in die kristallographische Lücke passt, die normalerweise durch das Magnesium-Ion eingenommen wird. Somit wird die Bindung zu benachbarten Sauerstoff-Ionen verstärkt. Durch die stärkere Bindung wird vorteilhaft der Korrosionsangriff z.B. durch alkalihaltige Olaschen, insbesondere Alkali-, Erdalkaliionen oder Schwefelsaure, aus dem Dieselabgaskondensat erschwert und das erfindungsgemaß dotierte Magnesium-Aluminium-Silikat ist resistenter gegen diese aggressiven Abgasbestandteile.
Ein vorteilhafter Effekt der stärkeren erzielten Bindung ist, dass je nach verwendetem Ion/Dotierungselement der ohnehin geringe thermische Ausdehnungskoeffizient des
Magnesium-Aluminium-Silikats, insbesondere Cordierits, noch weiter erniedrigt werden kann.
Durch die erfindungsgemaße partielle Substitution des Magnesiumanteils des Ausgangswerkstoffs der Magnesium- Aluminium-Silikate, fuhren die Reaktionen des keramischen Werkstoffs mit den unvermeidbaren Alkali- und Erdalkaliionen im Abgas und in Aschen insbesondere nicht zur Bildung weiterer Phasen deren Wärmeausdehnungskoeffizient wesentlich großer als der
Wärmeausdehnungskoeffizient des reinen Ausgangswerkstoffs ist. Daher bleibt die Thermoschockbestandigkeit des Werkstoffs trotz der Reaktionen mit den Alkali- und Erdalkaliionen weitestgehend unverändert, so dass Lebensdauer und Temperaturbeständigkeit des keramischen Werkstoffs durch die Alkali- und Erdalkaliionen nicht beeinträchtigt werden.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Werkstoffes, wobei ein erfindungsgemaßes Magnesium-Aluminium-Silikat mit Zuschlägen von erfindungsgemäßen Dotierungselementen und üblichen Hilfsstoffen vermengt und gesintert wird.
Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem keramischen Körper aus einem Magnesium-Aluminium- Silikat oder einem anderen keramischen Werkstoff, insbesondere für ein Filterelement oder eine Trägerstruktur eines Katalysators einer Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine dadurch gelöst, dass er nach einem der vorhergehenden Verfahren hergestellt ist.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein .
Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer
Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung und
Figur 2 ein erfindungsgemäßes Filterelement im Längsschnitt.
Beschreibung der Figuren und Ausführungsbeispiel: In Figur 1 trägt eine Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10. Die Abgase werden über ein Abgasrohr 12 abgeleitet, in dem eine Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Mit dieser werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert. Dies ist insbesondere bei Diesel- Brennkraftmaschinen erforderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
Die Filtereinrichtung 14 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist.
In Figur 2 ist ein Querschnitt ein Filterelement 18 nach dem Stand der Technik dargestellt. Das Filterelement 18 ist als extrudierter Formkörper aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Cordierit, hergestellt. Das Filterelement 18 wird in Richtung der Pfeile 20 von nicht dargestelltem Abgas durchströmt. Eine Eintrittsfläche hat in Figur 2 das Bezugszeichen 22, während eine Austrittsfläche in Figur 2 das Bezugszeichen 24 hat.
Parallel zu einer Längsachse 26 des Filterelements 18 verlaufen mehrere Eintrittskanäle 28 im Wechsel mit Austrittskanälen 30. Die Eintrittskanäle 28 sind an der
Austrittsfläche 24 verschlossen. Die Verschlussstopfen sind in Figur 2 ohne Bezugszeichen dargestellt. Im Gegensatz dazu sind die Austrittskanäle 30 an der Austrittsfläche 24 offen und im Bereich der Eintrittsfläche 22 verschlossen.
Der Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt also in einen der Eintrittskanäle 28 und von dort durch eine Filterwand (ohne Bezugszeichen) in einen der Austrittskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt. Ausführungsbeispiel :
Als Dotierung wird der natürliche Rohstoff Ilmenit FeTiO3 verwendet.
Das Basis-Cordierit wird aus den Rohstoffen Kaolin, Sintermullit und Magnesiumoxid hergestellt.
Nach Anpassung gibt es folgende Materialmischung, um einen Dotierungsanteil von x=0,l zu erzielen und somit 10% der Mg-Ionen im Gitter durch Fe und Ti zu ersetzen:
2730 g Kaolin 209,1 g Sintermullit 375 g MgO 11, 1 g FeTiO3
Die Rohstoffe werden mit 35% Wasser, 4% Methylcellulose und 0,4% Stearate sowie 15% Kartoffelstärke versetzt und eine Stunde (Ih) geknetet. Danach erfolgt eine Extrusion in der gewünschten Geometrie, Trocknung und Sinterbrand bei 14000C für 5h.

Claims

Ansprüche
1. Keramischer Werkstoff bestehend aus Magnesium- Aluminium-Silikat, dadurch gekennzeichnet, dass die Kationen, insbesondere die Magnesium-Ionen, mindestens teilweise durch Fremdionen/Fremdelemente substituiert werden .
2. Keramischer Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnesium-Aluminium-Silikat Cordierit, insbesondere mit einer Zusammensetzung bestehend aus Mg2Al4S i5Oi8 , oder Kerami ken des Al2O3 - S iO2 - MgO - Systems , i st .
3. Keramischer Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Kationen mindestens teilweise durch mindestens ein oder mehrere Ionen/Elemente ausgewählt aus der Gruppe Zirkonium (Zr) , Yttrium (Y) , Titan (Ti) , Hafnium (Hf) , Eisen (Fe) , Cobalt (Co) , Mangan (Mn) , Gallium (Ga) , Germanium (Ge) Ytterbium (Yb) , Scandium (Sc) , Gadolinium (Gd) , Gallium (Ga) und/oder Cobalt (Co) substituiert wird.
4. Keramischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Kationen mindestens teilweise durch mindestens ein oder mehrere Ionen/Elemente ausgewählt aus der Gruppe durch Zirkonium (Zr) , Yttrium (Y) , Titan (Ti) , Hafnium (Hf) substituiert wird.
5. Keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil x eines Dotierungselements (DE) in einer Zusammensetzung < 0,5 beträgt, insbesondere 0,03 < x < 0,2 beträgt, insbesondere in einer Zusammensetzung mit (Mg(i_x) DEx) 2 Al4 Si5 Oi8.
6. Keramischer Körper, insbesondere Filterelement (18) oder Trägerstruktur eines Katalysators für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
7. Keramischer Körper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er katalytisch beschichtet ist.
PCT/EP2006/067036 2005-10-19 2006-10-04 Filterelement und trägerstruktur für einen katalysator mit verbesserter beständigkeit gegen alkali- und erdalkaliionen WO2007045556A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005049985.6 2005-10-19
DE102005049985A DE102005049985A1 (de) 2005-10-19 2005-10-19 Filterelement und Trägerstruktur für einen Katalysator mit verbesserter Beständigkeit gegen Alkali- und Erdalkaliionen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007045556A1 true WO2007045556A1 (de) 2007-04-26

Family

ID=37441283

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2006/067036 WO2007045556A1 (de) 2005-10-19 2006-10-04 Filterelement und trägerstruktur für einen katalysator mit verbesserter beständigkeit gegen alkali- und erdalkaliionen

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102005049985A1 (de)
WO (1) WO2007045556A1 (de)

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2834103A1 (de) * 1977-08-15 1979-03-01 Ford Werke Ag Anisotropische, polykristalline sinterkeramik auf der basis cordierit und verfahren zu deren herstellung
JPS55144468A (en) * 1979-04-23 1980-11-11 Ngk Insulators Ltd Low expansion ceramics
US4300953A (en) * 1980-07-03 1981-11-17 Corning Glass Works Dense cordierite containing manganese
US5021373A (en) * 1990-03-02 1991-06-04 Applied Ceramics, Inc. Porous cordierite compositions with improved thermal expansion characteristics
US5997984A (en) * 1996-12-19 1999-12-07 Denso Corporation Cordierite honeycomb structural body and method for its production
EP1043067A2 (de) * 1999-04-09 2000-10-11 Denso Corporation Keramischer Katalysatorträger, keramischer Katalysatorkörper und Verfahren zu deren Herstellung
US20020004445A1 (en) * 2000-06-01 2002-01-10 Beall Douglas M. Cordierite body
US20020004455A1 (en) * 2000-06-05 2002-01-10 Tomohiko Nakanishi Ceramic carrier and ceramic catalyst body
US20020039964A1 (en) * 2000-09-29 2002-04-04 Masakazu Tanaka Ceramic catalyst body, ceramic support and their production methods
US20020077248A1 (en) * 2000-09-29 2002-06-20 Tomohiko Nakanishi Ceramic carrier and ceramic catalyst body
EP1243329A1 (de) * 2001-03-22 2002-09-25 Denso Corporation Keramischer Körper und katalytischer keramischer Körper

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2834103A1 (de) * 1977-08-15 1979-03-01 Ford Werke Ag Anisotropische, polykristalline sinterkeramik auf der basis cordierit und verfahren zu deren herstellung
JPS55144468A (en) * 1979-04-23 1980-11-11 Ngk Insulators Ltd Low expansion ceramics
US4300953A (en) * 1980-07-03 1981-11-17 Corning Glass Works Dense cordierite containing manganese
US5021373A (en) * 1990-03-02 1991-06-04 Applied Ceramics, Inc. Porous cordierite compositions with improved thermal expansion characteristics
US5997984A (en) * 1996-12-19 1999-12-07 Denso Corporation Cordierite honeycomb structural body and method for its production
EP1043067A2 (de) * 1999-04-09 2000-10-11 Denso Corporation Keramischer Katalysatorträger, keramischer Katalysatorkörper und Verfahren zu deren Herstellung
US20020004445A1 (en) * 2000-06-01 2002-01-10 Beall Douglas M. Cordierite body
US20020004455A1 (en) * 2000-06-05 2002-01-10 Tomohiko Nakanishi Ceramic carrier and ceramic catalyst body
US20020039964A1 (en) * 2000-09-29 2002-04-04 Masakazu Tanaka Ceramic catalyst body, ceramic support and their production methods
US20020077248A1 (en) * 2000-09-29 2002-06-20 Tomohiko Nakanishi Ceramic carrier and ceramic catalyst body
EP1243329A1 (de) * 2001-03-22 2002-09-25 Denso Corporation Keramischer Körper und katalytischer keramischer Körper

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DATABASE WPI Week 198103, Derwent World Patents Index; AN 1981-02875D, XP002411443 *
LAURA MONTANARO AND JEAN-MARC TULLIANI: "Diesel Particulate and PFBC Candle Filters: Two Examples of Porous Components Working in Harsh Conditions", CERAMIC ENGINEERING AND SCIENCE PROCEEDINGS:25TH ANNUAL CONFERENCE ON COMPOSITES, ADVANCED CERAMICS, MATERIALS AND STRUCTURES, vol. 22, no. 4, 2001, pages 259 - 270, XP009075683 *
MONTANARO L: "Durability of ceramic filters in the presence of some diesel soot oxidation additives", CERAMICS INTERNATIONAL, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 25, no. 5, July 1999 (1999-07-01), pages 437 - 445, XP004169735, ISSN: 0272-8842 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102005049985A1 (de) 2007-04-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2329195B1 (de) Materialmischung zur herstellung eines feuerfestwerkstoffes, feuerfestformkörper und verfahren zu seiner herstellung
DE69111115T2 (de) Verfahren zur Herstellung poröser Keramikfilter unter Verwendung von Talk- und SiO2-Pulver enthaltendem Cordierit.
DE102015003218B4 (de) Wabenstruktur
DE102017003970B4 (de) Verschlossene Wabenstruktur und Verfahren zum Formen einer verschlossenen Wabenstruktur
DE3816893A1 (de) Poroeser keramikartikel zur verwendung als filter zum abscheiden von teilchen aus diesel-abgasen
US7842372B2 (en) Honeycomb structure
DE112007002036B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Waben-Struktur
DE19756517A1 (de) Kordierit-Honigwabenstrukturkörper und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102006040739A1 (de) Filter zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom sowie Verfahren zu seiner Herstellung
WO2007014562A1 (de) Thermoschock- und korrosionsbeständiger keramikwerkstoff, verfahren zu seiner herstellung sowie verwendung
DE102012003483B3 (de) Thermoschock- und korrosionsbeständiger Keramikwerkstoff auf der Basis von Calciumzirkonat und Verfahren zu seiner Herstellung
EP1759762A2 (de) Verfahren zur Herstellung eines Filterelements und einer Trägerstruktur für einen Katalysator mit verbesserter Beständigkeit gegen Alkali- und Erdalkaliionen
DE102019001997A1 (de) Poröser Keramikkörper und Verfahren zu dessen Herstellung und Staubsammelfilter
DE102007047871B4 (de) Cordierit-keramik , deren verwendung und verfahren für das herstellen derselben
DE102017009884A1 (de) Poröses Material, Wabenstruktur und Verfahren zur Herstellung eines porösen Materials
WO2007051449A1 (de) Hochtemperaturfester aluminat-wärmedämmstoff
WO2007045556A1 (de) Filterelement und trägerstruktur für einen katalysator mit verbesserter beständigkeit gegen alkali- und erdalkaliionen
DE112013005815T5 (de) Poröse Mullitkörper mit verbesserter thermischer Beständigkeit
DE102019204516A1 (de) Poröser Keramikkörper und Staubsammelfilter
DE102007039249A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines keramischen Trägers sowie Filter
DE112013005817T5 (de) Poröse Mullitkörper mit verbesserter thermischer Beständigkeit
DE102006028636A1 (de) Filter zur Reinigung eines Partikel enthaltenden Gasstromes sowie Verfahren zu seiner Herstellung
EP2291339A1 (de) Filtereinrichtung zur entfernung von partikeln aus einem gasstrom
WO2007141072A1 (de) Filter zur entfernung von partikeln aus einem gasstrom sowie verfahren zu seiner herstellung
DE102007023120A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Filters sowie Filter

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 06806971

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1