DE60201514T2

DE60201514T2 - Katalytischer abgasfilter für teilchen eines dieselmotors

Info

Publication number: DE60201514T2
Application number: DE60201514T
Authority: DE
Inventors: Dang Zhongyuan; Yinyan Huang; Amiran Bar-Ilan
Original assignee: Sued Chemie Prototech Inc
Current assignee: Sued Chemie Prototech Inc
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: US6613299B2; US20030091481A1; JP4165400B2; ES2225797T3; EP1368107A1; JP2005525215A; WO2003041846A1; KR100874790B1; ATE278455T1; KR20040062628A; DE60201514D1; EP1368107B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft katalytische Filter für Partikel aus dem Abgas eines Dieselmotors und insbesondere ein katalytisches Filter für Partikel aus dem Abgas eines Dieselmotors, umfassend ein poröses Filtersubstrat und ein katalytisches Material, wobei das katalytische Material ein Erdalkalimetallvanadat und ein Edelmetall enthält. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur die Herstellung des katalytischen Abgasfilters und ein Verfahren zur Verwendung dieses katalytischen Abgasfilters.
2. Stand der Technik
Dieselmotoren emittieren aufgrund ihrer Betriebseigenschaften sehr feine Partikel. Die teilchenförmigen Materialien werden als Partikel (particulate matter, PM) bezeichnet.
Zusätzlich zur Emission von Partikeln werden von Dieselmotoren auch andere Arten gasförmiger Verbindungen emittiert, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Schwefeloxide, Stickoxide und Kohlenmonoxid.
Es ist im Stand der Technik bekannt, Dieselmotoren mit Abgasfiltern auszurüsten, die während des Betriebs des Motors teilchenförmige Materialien aus den Abgasen herausfiltern. Diese Filter bestehen allgemein aus einem porösen, festen Material, das eine Vielzahl von durchgehenden Poren und im Querschnitt kleine Seiten aufweist, so dass der Filter für das Abgas, das durch ihn strömt, durchlässig ist, aber trotzdem in der Lage ist, die meisten oder alle teilchenförmigen Materialien, die mit dem Abgas durch den Filter strömen, zurückzuhalten. Nimmt die Masse der gesammelten teilchenförmigen Materialien im Filter zu, wird die Flussrate des Abgases durch den Filter allmählich beeinflusst und es baut sich ein erhöhter Druck im Filter auf, wodurch die Motorenleistung vermindert wird. Herkömmlich wird bei Erreichen eines bestimmten Drucks der Filter, falls es ein Austauschfilter ist, verworfen, oder er wird entfernt und durch Verbrennen der gesammelten teilchenförmigen Materialien bei einer Temperatur oberhalb etwa 600 bis 650°C regeneriert, so dass der Filter wiederverwendet werden kann. Die Regeneration des Filters in situ kann manchmal erzielt werden, indem das Luft-Brennstoff-Gemisch zeitweise angereichert wird. Diese Anreicherung bewirkt eine höhere Temperatur der Abgase. Durch die höhere Abgastemperatur werden die in dem Filter enthaltenen teilchenförmigen Materialien verbrannt. Ein bei Temperaturen unterhalb 600 bis 650°C regenerierbarer Filter ist in verschiedenen Patenten, beispielsweise den US-Patentschriften 5,100,632 und 4,477,417, offenbart.
Die Zusammensetzung von Partikelfiltern für Dieselabgase ist Gegenstand einer Anzahl von Patenten. Viele dieser Pa tente offenbaren die Verwendung von bestimmten Vanadiumverbindungen und einer Platinverbindung, die auf ein Trägermaterial aufgetragen werden. Das beschichtete Trägermaterial wird dann erhitzt, um das beschichtete Material auf dem Trägermaterial zu befestigen. Beispielsweise offenbart die US-Patentschrift 6,013,599 einen Partikelfilter für Dieselabgase, der in situ regeneriert werden kann und der aus einem porösen, feuerfesten Trägermaterial gebildet wird, auf dem eine Beschichtung befestigt wird, wobei die Beschichtung in einer Ausführungsform durch Mischen einer sauren eisenhaltigen Verbindung und einer kupferhaltigen Verbindung gebildet wird, der eine wässrige Alkalimetallsalzlösung und eine saure vanadiumhaltige Verbindung zugesetzt wird und schließlich zu diesem Gemisch eine Slurry einer Erdalkalimetallverbindung zugegeben wird.
Die US-Patentschrift 4,510,265 offenbart einen beschichteten Partikelfilter für Dieselabgase, der durch Beschichtung eines keramischen, monolithischen Trägermaterials mit einer Lösung hergestellt wird, welche ein Metall der Platingruppe und ein Silbervanadat enthält. Ein Verfahren zur Herstellung einer katalytischen Beschichtung für einen Partikelfilter für Dieselabgase, welche ein Silbervanadat enthält, ist auch in der US-Patentschrift 4,477,417 offenbart.
Ein weiterer Partikelfilter für Dieselabgase ist in der US-Patentschrift 4,588,707 offenbart; hier wird eine katalytisch aktive Substanz aus Lithiumoxid, Kupferchlorid, einer Vanadiumoxid/Alkalimetalloxid-Kombination oder Edelmetallmaterialien auf ein Filtersubstrat beschichtet. Ein weiteres Material zur Beschichtung eines Filters für die Reinigung von Abgasen aus Dieselmotoren auf Vanadiumbasis ist in der US-Patentschrift 4,828,807 offenbart.
In der US-Patentschrift 5,514,354 ist ein offenzelliger, monolithischer Katalysator für die Reinigung von Dieselab gasen offenbart, wobei der Monolith mit vanadiumhaltigen Oxiden und Metallen der Platingruppe als aktive Komponenten beschichtet wird. Siehe auch die US-Patentschrift 5,157,007.
Ein weiterer Katalysator zur Reinigung von Dieselabgasen, der Platin und Vanadiumoxide enthält, ist in der US-Patentschrift 4,617,289 offenbart. Siehe auch die US-Patentschriften 5,911,961; 4,902,487; 4,515,758; 5,884,474; 5,746,989 und 4,900,517 für weitere Katalysatoren zur Reinigung von Abgasströmen.
Ein weiterer Katalysator zur Reinigung von Abgasen, enthaltend Kupfer, Vanadium, ein Edelmetall, wie Platin, Rhodium oder Palladium, und ein Übergangsmetall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Zirkon, Aluminium, Nickel, Eisen, Mangan, Chrom, Zink, Blei oder bestimmten anderen Metallen, die auf ein Filtersubstrat aufgetragen werden, ist in der US-Patentschrift 4,711,870 offenbart. Siehe auch die US-Patentschrift 4,759,918.
Die US-Patentschrift 5,100,632 offenbart einen weiteren katalytischen Partikelfilter für Dieselabgase, enthaltend ein Metall der Platingruppe und ein Erdalkalimetalloxid, vorzugsweise Magnesiumoxid, wobei die Materialien auf einem monolithischen Träger imprägniert werden. Die Verwendung von Vanadium ist nicht offenbart.
Ein Verfahren zur Reinigung von stickoxidhaltigen Abgasen ist in der US-Patentschrift 5,213,781 offenbart; hier wird ein Katalysator von einer keramischen Schicht getragen, wobei der Katalysator im Wesentlichen aus mindestens einem Alkalimetall, Kupfer oder Vanadium und mindestens einem Seltenerdenelement besteht. Siehe auch die US-Patentschrift 5,340,548.
Andere Katalysatoren zur Reinigung von Dieselabgasen sind in den US-Patentschriften 5,000,929; 5,330,945 und 5,294,411 offenbart.
Diese Patente beschreiben zwar eine Anzahl verschiedener Zusammensetzungen von Materialien zur Verwendung als Filter für Dieselpartikel; es bestehen jedoch weiterhin signifikante Probleme wegen des erhöhten Druckabfalls während des Gebrauchs dieser Filter. Weiterhin kann die Größe des Druckabfalls in Abhängigkeit von der Katalysatorbeladung des Substratmaterials dramatisch ansteigen. Zusätzlich sind einige Dieselverbrennungskatalysatoren gegenüber einer Schwefelvergiftung wenig widerstandsfähig und können deaktiviert werden, wenn die Temperatur des Abgases zu hoch ist.
Dementsprechend lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Filter für Dieselpartikel zur Verfügung zu stellen.
Weiter lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Partikelfilter für Dieselabgase bereitzustellen, das aus einem mit einem katalytischen Material imprägnierten porösen Filtersubstrat hergestellt wird.
Weiter lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Partikelfilter für Dieselabgase bereitzustellen, das aus einem mit einem katalytischen Material imprägnierten porösen Filtersubstrat hergestellt wird, wobei das katalytische Material ein Erdalkalimetallvanadat und ein Edelmetall umfasst.
Weiter lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Partikelfilter für Dieselabgase bereitzustellen, das aus einem mit Magnesium-, Calcium- und/oder Bariumvanadat und Platin imprägnierten porösen Filtersubstrat hergestellt wird.
Weiter lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Dieselabgasfilters bereitzustellen, wobei ein poröses Filtersubstrat mit einem katalytischen Material imprägniert wird, welches ein Erdalkalimetallvanadat und ein Edelmetall umfasst.
Weiter lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verwendung des katalytischen Partikelfilters für Dieselabgase bereitzustellen, wobei der Abgasfilter ein poröses Substrat umfasst, das mit einem ein Erdalkalimetallvanadat und ein Edelmetall umfassenden katalytischen Material imprägniert ist, wobei während der Verwendung ein verminderter Druckabfall auftritt und eine hohe thermische Stabilität erreicht wird.
Diese und andere Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße katalytische Partikelfilter für Dieselabgase und das Verfahren zur Herstellung sowie das Verfahren zur Verwendung dieses Abgasfilters gelöst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung umfasst einen katalytischen Partikelfilter für Dieselabgase, umfassend ein poröses Filtersubstrat, das mit einem katalytischen Material imprägniert ist, welches ein Erdalkalimetallvanadat, vorzugsweise ein Magnesium-, Calcium- oder Bariumvanadat, und ein Edelmetall, vorzugsweise Platin, umfasst.
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelfilters für Dieselabgase, umfassend die Herstellung eines porösen Filtersubstrats und Imprägnieren dieses Substrates mit einem katalytischen Material, wobei das katalytische Material ein Erdalkalimetallvanadat, vorzugsweise ein Magnesium-, Calcium- oder Bariumvanadat, und ein Edelmetallsalz, vorzugsweise ein Platinsalz, umfasst, wobei das katalytische Material anschließend reduziert wird.
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Filtration von Partikeln aus einem Dieselabgas unter Verwendung eines Partikelfilters für Dieselabgase, wobei das Dieselabgas über einen Dieselabgasfilter geleitet wird, der ein mit einem katalytischen Material imprägniertes poröses Filtersubstrat umfasst, wobei das katalytische Material ein Erdalkalimetallvanadat, vorzugsweise ein Magnesium-, Calcium- oder Bariumvanadat, und ein Edelmetall, vorzugsweise Platin, umfasst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt einen Vergleich der Regenerationstemperaturen des katalytischen Partikelfilters für Dieselabgase aus Beispiel 1 und dem vergleichsweisen Partikelfilter für Dieselabgase aus Beispiel 3.
2 zeigt einen Vergleich der Regenerationstemperaturen des katalytischen Partikelfilters für Dieselabgase aus Beispiel 2 und dem vergleichsweisen Partikelfilter für Dieselabgase aus Beispiel 3.
DETAILBESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die vorliegende Erfindung betrifft einen katalytischen Partikelfilter für Dieselabgase zur Verwendung bei Dieselabgasen. Erfindungsgemäß wird der katalytische Partikelfilter für Dieselabgase in einem Filtergehäuse untergebracht, das im Abgas-Leitungssystem eines Dieselmotors angebracht ist. Der Fil ter und das Filtergehäuse sind, zusammen mit eventuell vorhandenen anderen Gasleitungselementen, zwischen dem Abgasauslass des Motors und dem Ende des Abgasrohres angebracht, welches zur Atmosphäre offen ist. Vorzugsweise ist das Filter so nahe wie möglich am Abgasauslass des Motors angeordnet, so dass die Abgase, die am Abgasauslass auf hohe Temperaturen erhitzt sind, dazu verwendet werden können, die vom Filter aufgefangenen herausgefilterten Partikel abzubrennen, so dass der Filter kontinuierlich regeneriert wird. Im Filtergehäuse ist der erfindungsgemäße katalytische Partikelfilter für Dieselabgase angeordnet.
Der katalytische Partikelfilter für Dieselabgase umfasst ein poröses Filtersubstrat, mit welchem die Dieselpartikel aus dem Abgasstrom herausgefiltert werden, das mit einem katalytischen Material imprägniert ist. Das poröse Filtersubstrat ist aus einem herkömmlichen Filtermaterial hergestellt, wie einer dünnen, porösen, gewandeten Honigwaben-, Monolith- oder Schaumstruktur, durch welche die Abgase durchgeleitet und filtriert werden. Vorzugsweise weist das Filtersubstrat eine hohe Durchflusskapazität auf, damit der Abgasstrom durch das Filtersubstrat nicht verhindert oder wesentlich eingeschränkt wird. Es muss jedoch auch ausreichend gewundene Passagen aufweisen, damit die in dem Dieselabgas vorhandenen Partikel aus dem Abgasstrom abgetrennt und von dem Filtersubstrat zurückgehalten werden können.
Das Filtersubstrat kann beispielsweise aus herkömmlichen Filtermaterialien hergestellt werden, wie Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Boroxid, Korund, Siliciumdioxid, Magnesiumoxid, Kaliumtitanat, Siliciumdioxid-Aluminiumoxid, Siliciumdioxid-Zirkonoxid, Titanoxid-Zirkonoxid, Titanoxid-Siliciumdioxid, Siliciumkarbid, mit Titanoxid beschichtetes Aluminiumoxid, mit Wolframoxid beschichtetes Aluminiumoxid, mit Zirkonoxid beschichtetes Aluminiumoxid, keramischem Cordierit, Mullit, sowie Mischungen und Kombinationen davon. Bevorzugte Substrate sind aus keramischen Materialien und Siliciumkarbid-Materialien hergestellt.
Das poröse Filtersubstrat wird mit dem katalytischen Material imprägniert. Das katalytische Material ist vorzugsweise aus einer Kombination eines Erdalkalimetallvanadats und einem Edelmetall hergestellt. Alkalimetallvanadate können zwar ebenfalls verwendet werden, Erdalkalimetallvanadate sind aufgrund ihrer höheren thermischen Stabilität jedoch bevorzugt. Zusätzlich weisen die Oxide dieser bevorzugten Erdalkalimetalle, die bei der Herstellung des Erdalkalimetallvanadats gebildet werden, eine hohe thermische Stabilität auf. Es kann jedes Erdalkalimetall mit Vanadium kombiniert werden, um das Erdalkalimetallvanadat zu bilden, aber bevorzugt sind Magnesium-, Barium- und Calciumvanadate, wobei Magnesiumvanadat am meisten bevorzugt ist. Wird Magnesiumoxid zusammen mit Vanadiumoxid verwendet, beträgt das bevorzugte Verhältnis von Vanadiumoxid zu Magnesiumoxid etwa 1 : 1 bis etwa 1 : 10, vorzugsweise etwa 1 : 1 bis etwa 1 : 5.
Der zweite Bestandteil des katalytischen Materials ist das Edelmetall. Das Edelmetall ist ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Rhenium und Osmium. Bevorzugte Edelmetalle sind Platin, Palladium und Rhodium, wobei Platin am meisten bevorzugte ist.
Das bevorzugte Verhältnis von Platin zu dem auf dem Filtersubstrat imprägnierten Erdalkalimetallvanadat beträgt etwa 1 : 1 bis etwa 1 : 50, vorzugsweise etwa 1 : 5 bis etwa 1 : 20, und am meisten bevorzugt etwa 1 : 10, wobei das Verhältnis als Gewicht gemessen wird. Bei der Berechnung dieses Verhältnisses werden, soweit vorhanden, die Gewichte der Erdalkalimetall- und Vanadiumoxide zusammen mit den Erdalkalimetallvanadaten gemessen. Alle Messungen beziehen sich auf das Gewicht nach der Beschichtung des Filtersubstrats.
Die Abscheidung des katalytischen Materials auf den Wänden des Filtersubstrats, wie beispielsweise einem monolithischen keramischen Material, einem geschäumten keramischen Material oder einen Siliciumkarbidmaterial, wird nach herkömmlichen Verfahren durchgeführt. Beispielsweise kann das Filtersubstrat mit dem katalytischen Material imprägniert werden oder das katalytische Material kann auf das Filtersubstrat aufgetragen werden. Das bevorzugte Verfahren zur Abscheidung des katalytischen Materials auf dem Filtersubstrat ist die Imprägnierung des Filtersubstrats mit dem katalytischen Material. In einer bevorzugten Ausführungsform zur Imprägnierung des Filtersubstrats mit dem katalytischen Material wird zuerst eine wässrige Lösung der Salze des Erdalkalimetalls und des Vanadiums hergestellt. Das Filtersubstrat wird dann etwa 3 Stunden bei einer Temperatur von etwa 550°C mit der wässrigen Lösung des Erdalkalimetallsalzes, wie einem Magnesiumnitrat oder -acetat, und dem Vanadiumsalz, wie einem Vandadiumoxalat, Ammoniumvanadat oder Vanadiumcitrat in Kontakt gebracht. Um Magnesiumvanadat herzustellen, beträgt das atomare Verhältnis von Magnesium und Vanadium in den Lösungen vorzugsweise etwa 2 : 3. Zur Herstellung des Erdalkalimetallvanadats können auch gut bekannte Salze anderer Erdalkalimetalle, wie Calcium und Barium, verwendet werden.
Sobald das Filtersubstrat mit den Erdalkalimetall- und Vanadiumsalzen beschichtet ist, wird jegliche überschüssige Lösung abgezogen und das imprägnierte Filtersubstrat wird etwa 2 Stunden bei einer Temperatur von etwa 100 bis 150°C getrocknet; abschließend wird der beschichtete Filter etwa 3 Stunden bei etwa 500 bis 600°C calciniert, um das Magnesiumvanadat auf dem Filtersubstrat zu fixieren.
Nach der Imprägnierung des Filtersubstrats mit dem Erdalkalimetallvanadat wird das beschichtete Filtersubstrat anschließend mit einem Edelmetallsalz imprägniert. In einer bevor zugten Ausführungsform wird hierfür das mit dem Erdalkalimetallvanadat beschichtete Filtersubstrat mit einer wässrigen Lösung des Edelmetallsalzes kontaktiert. Falls als Edelmetall beispielsweise Platin ausgewählt wurde, ist eine bevorzugte Salzlösung Platinsulfitsäure. Das beschichtete Filterelement wird mit der Edelmetallsalzlösung beschichtet. Es wird anschließend bei einer Temperatur von etwa 100 bis 150°C getrocknet und etwa 3 Stunden bei etwa 500 bis 600°C calciniert.
Die Imprägnierung des Filtersubstrats mit dem Erdalkalimetall, dem Vanadiummaterial und dem Edelmetall-Bestandteil kann auch in einem Ein-Schritt-Verfahren durchgeführt werden. Wird das Filtersubstrat in einem Ein-Schritt-Verfahren mit den geeigneten Materialien imprägniert, wird in einem bevorzugten Verfahren zuerst eine wässrige Lösung hergestellt, die ein Erdalkalimetallsalz, ein Vanadiumsalz und ein Edelmetallsalz enthält. Wird beispielsweise Magnesium als Erdalkalimetall verwendet, ist Magnesiumacetat ein bevorzugtes Salz. Ein bevorzugtes Vanadiumsalz für das Ein-Schritt-Verfahren ist Vanadiumcitrat. Diese beiden Salze werden mit der Platinverbindung, wie beispielsweise der Platinsulfitsäure, gemischt. Das Filtersubstrat wird dann in die Lösung dieser Verbindungen eingetaucht und überschüssige Flüssigkeit wird mit einem herkömmlichen Verfahren, beispielsweise durch Verwendung eines Vakuumabsaugers, entfernt. Der beschichtete Filter wird dann etwa 2 Stunden bei einer Temperatur von etwa 100 bis 150°C getrocknet und anschließend etwa 3 Stunden bei einer Temperatur von etwa 500 bis etwa 600°C calciniert, um das beschichtete Filtermaterial zu erzeugen.
Bei der Herstellung des katalytischen Partikelfilters für Dieselabgase ist das katalytische Material vorzugsweise auf dem Filtersubstrat mit einer Beladung von Erdalkalimetallvanadat von etwa 7,1 bis 35,5 g/l (200 bis 1.000 g/ft³), vorzugsweise von 10,7 g/l bis etwa 24,9 g/l (300 bis etwa 700 g/ft³), und besonders bevorzugt von etwa 17,8 g/l (500 g/ft³) sowie einer Beladung mit Edelmetall von etwa 0,7 bis etwa 10,7 g/l (20 bis etwa 300 g/ft³), vorzugsweise von etwa 0,7 bis etwa 3,6 g/l (20 bis etwa 100 g/ft³), und besonders bevorzugt etwa 1,8 g/l (50 g/ft³) aufgetragen. Die Gesamtbeladung mit katalytischem Material auf dem Filtersubstrat beträgt etwa 7,1 bis etwa 35,5 g/l (200 bis etwa 1.000 g/ft³). Das Gewichtsverhältnis von Platin zu Magnesiumvanadat beträgt etwa 1 : 1 bis etwa 1 : 50, bevorzugt etwa 1 : 5 bis etwa 1 : 20, und besonders bevorzugt etwa 1 : 10.
Bei vielen Partikelfiltern für Dieselabgase des Standes der Technik wird ein washcoating-Abscheidungsverfahren verwendet, um das Filtersubstrat mit dem aktiven katalytischen Material zu beschichten. Es wurde überraschend gefunden, dass bei dem Verfahren der Imprägnierung des Filtersubstrats ein reduzierter Druckabfall auftritt, der auf eine reduzierte Porenblockierung zurückzuführen ist. Es wurde auch überraschend gefunden, dass bei Verwendung des Verfahrens der Imprägnierung des Filtersubstrats fast keine Steigerung des Druckabfalls bei einer Beladung mit katalytischem Material bis zu 17,8 g/l (500 g/ft³) auftritt. Bei Verwendung des washcoating-Abscheidungsverfahrens gemäß der US-Patentschrift 6,013,599 tritt im Vergleich dazu eine Steigerung des Druckabfalls von 100 Prozent bei einer Katalysatorbeladung von bis zu etwa 17,0 g/l (480 g/ft³) und eine Steigerung des Druckabfalls von etwa 260 Prozent bei einer Katalysatorbeladung von etwa 36 g/l (1.030 g/ft³) auf. Ohne durch diese Theorie beschränkt sein zu wollen, wird angenommen, dass das gebildete Erdalkalimetallvanadat, wie beispielsweise das Magnesiumvanadat, üblicherweise aus einer Kombination von Magnesiumorthovanadat (Mg₃(VO₄)₂), Magnesiumpyrovanadat (Mg₃V₂O₇) und Magnesiummetavanadat (MgV₂O₆) besteht. Diese drei Phasen existieren üblicherweise nebeneinander und werden in Abhängigkeit von den Verfahrensbedingungen in unterschiedlicher Weise gebil det. Es wurde gefunden, dass Magnesiumvanadat eine hohe thermische Stabilität aufweist. Es wurde auch gefunden, dass die verschiedenen Formen des Magnesiumvanadats "in situ" auf Filteroberflächen gebildet werden. Der erfindungsgemäße Katalysator weist daher eine höhere Dispersion auf als herkömmliche Zusammensetzungen, was zu einer reduzierten Steigerung des Rückdruckes führt.
Es wurde ebenfalls überraschend gefunden, dass bei Verwendung des erfindungsgemäßen Katalysatormaterials die Temperatur für eine effiziente Regenerierung des Katalysators wesentlich vermindert ist. Bei der Regenerierung nichtkatalytischer Filtersubstrate liegt die Abbrenntemperatur des Partikelmaterials auf dem Filtersubstrat im Bereich von 500 bis 550°C. Im Gegensatz dazu findet die Regenerierung des erfindungsgemäßen Abgasfilters bei Temperaturen von etwa 400°C statt, manchmal sogar bei nur 380°C. Da die Temperatur eines typischen Abgases eines Dieselmotors diese Temperatur während des allgemeinen Betriebs erreicht, kann eine teilweise oder sogar vollständige Regenerierung eines mit dem erfindungsgemäßen katalytischen Material beladenen Filters während des allgemeinen Betriebs stattfinden. Eine Erniedrigung der Regenerierungstemperatur in diesem Ausmaß bedeutet eine signifikante Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik.
BEISPIELE
BEISPIEL 1 (erfindungsgemäß)
Zur beispielgemäßen Herstellung wurde ein keramisches Corning Monolith Kordierit Filterelement für Dieselpartikel (EX-80, 14,4 cm (5,66 inch) Durchmesser und 15,2 cm (6 inch) Länge mit 31 Zellen pro cm² (200 Zellen pro inch²)) verwendet. Das keramische Monolith-Element wurde in 500 ml einer wässrigen Lösung getaucht, die 15 g/l Magnesium als Magnesiumnitrat und 20 g/l Vanadium als Vanadyloxalat enthielt. Nach der Imprägnierung wurde jegliche überschüssige Flüssigkeit von dem Filterelement durch Vakuumabsaugung entfernt. Nach der Imprägnierung wurde das beschichtete Filterelement 2 Stunden bei 125°C getrocknet und anschließend 3 Stunden bei 550°C calciniert. Die Magnesiumvanadatbeladung betrug 10,6 g/l (300 g/ft³). Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde das Filterelement in 500 ml einer wässrigen Lösung von Platinsulfitsäure (H₄Pt(SO₄)₄), enthaltend 10 g/l Platin, getaucht. Überschüssige Flüssigkeit wurde durch Vakuumabsaugung entfernt. Nach der Imprägnierung wurde das beschichtete Filterelement 2 Stunden bei 125°C getrocknet und 3 Stunden bei 550°C calciniert. Die Platinbeladung auf Gewichtsbasis betrug 1,8 g/l (50 g/ft³).
Ein Kern des Filterelements mit einer Abmessung von 4,4 cm (1,75 inch) Durchmesser und 15,2 cm (6 inch) Länge und einer Magnesiumvanadatbeladung von 10,6 g/l (300 g/ft³) und einer Platinbeladung von 1,8 g/l (50 g/ft³) wurde von dem Gesamtelement entfernt und seine Regeneration getestet.
Für den Test wurde ein Lister-Petter LPA2 0,726-Liter Dieselmotor mit 2 Zylindern verwendet. Der Filterkern wurde im Abgasrohr des Motors eingebaut. Die Temperatur des Abgases aus dem Abgasrohr lag bei laufendem Motor im Bereich von 160 bis 230°C. Nach 5 Stunden wurde der Motor ausgeschaltet und der Filter untersucht. Er wurde abgekühlt und gewogen. Es wurde eine Gesamt-Partikelbeladung von 1,4 Gramm erhalten.
Der mit Partikeln beladene Filter wurde dann einer Offline-Regeneration unterzogen. Als externe Hitzequelle zur Regeneration wurde warme Luft verwendet, wobei die Raumgeschwindigkeit 25.000 h^–1 betrug. Der durch den Filter hervorgerufene Druckabfall wurde mit einem Dywer 475 Digitalmanometer über wacht. Die Temperatur der warmen Luft wurde alle fünf Minuten um 10°C gesteigert. Sobald das Partikelmaterial abgebrannt war, wurde die Temperatur der warmen Luft 2 Stunden gehalten, bis das Partikelmaterial vollständig verbrannt war. Die beigefügte 1 zeigt das Druckabfallsprofil gegen die Filtertemperatur des Filters von Beispiel 1 im Vergleich zu einem nichtkatalytischen Abgasfilter von Beispiel 3.
Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass der durch den teilchenbeladenen Filter hervorgerufene Druckabfall mit der Temperatur ansteigt und ein Plateau bei einer Temperatur von etwa 380°C erreicht. Dies zeigt, dass die Verbrennung des Dieselpartikelmaterials bei dieser Temperatur stattfindet. Erreicht die Temperatur etwa 410°C, nimmt der Druckabfall abrupt ab, was anzeigt, dass im Wesentlichen das gesamte Partikelmaterial abgebrannt war.
BEISPIEL 2 (erfindungsgemäß)
Zur beispielgemäßen Herstellung wurde ein keramisches Corning Monolith Kordierit Filterelement für Dieselpartikel (EX-80, 14,4 cm (5,66 inch) Durchmesser und 15,2 cm (6 inch) Länge mit 31 Zellen pro cm² (200 Zellen pro inch²)) verwendet. Es wurde eine wässrige Lösung hergestellt, welche 15 g/l Magnesium als Magnesiumacetat, 20 g/l Vanadium als Vanadiumcitrat und 10 g/l Platin als Platinsulfitsäure enthielt. Das Filterelement für Dieselpartikel wurde in 500 ml dieser Lösung getaucht. Jegliche überschüssige Flüssigkeit wurde durch Vakuumabsaugung entfernt. Das Element wurde anschließend 2 Stunden bei 125°C getrocknet und 3 Stunden bei 550°C calciniert. Der fertige Katalysator wies eine nominale Platinbeladung von 1,8 g/l (50 g/ft³) und eine Magnesiumvanadatbeladung von 10,6 g/l (300 g/ft³) auf. Ein Kern des Filterelements mit einer Abmessung von 4,4 cm (1,75 inch) Durchmesser und 15,2 cm (6 inch) Länge wurde von dem Gesamtele ment entfernt und seine Regeneration getestet. Für den Test dieses Filterelements wurde der gleiche Motor wie in Beispiel 1 verwendet. Anschließend wurde der mit Partikeln beladene Filter einer Offline-Regeneration unterzogen. Als externe Hitzequelle für die Regeneration wurde warme Luft mit einer Raumgeschwindigkeit von 2500 h^–1 verwendet. Der durch den Filter hervorgerufene Druckabfall wurde mit einem Dywer 475 Digitalmanometer überwacht. Die Temperatur der warmen Luft wurde alle fünf Minuten um 10°C gesteigert. Sobald das Partikelmaterial abgebrannt war, wurde die Temperatur der warmen Luft 2 Stunden gehalten, bis das Partikelmaterial vollständig verbrannt war. Die beigefügte 2 zeigt das Profil des Druckabfalls gegen die Filtertemperatur des Filters aus Beispiel 2 im Vergleich zu einem nichtkatalytischen Abgasfilter aus Beispiel 3. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass der durch den partikelbeladenen Filter hervorgerufene Druckabfall mit der Temperatur ansteigt und ein Plateau bei einer Temperatur von etwa 380 bis 410°C erreicht. Dies zeigt an, dass die Verbrennung des Dieselpartikel-Materials bei dieser Temperatur erfolgt. Erreicht die Temperatur etwa 410°C, nimmt der Druckabfall abrupt ab, was anzeigt, dass im Wesentlichen das gesamte Partikelmaterial abgebrannt war.
BEISPIEL 3 (Vergleichsbeispiel)
Es wurde ein nichtkatalytisches Filterelement in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Wurden mit diesem nichtkatalytischen Filterelement die gleichen Tests durchgeführt, betrug die Abbrenntemperatur des Dieselpartikel-Materials etwa 510°C, wie in den 1 und 2 gezeigt.
Die Ergebnisse zeigen deutlich die verbesserte Leistung des mit dem erfindungsgemäßen katalytischen Material beschichteten Filters im Vergleich zu einem Filterelement, welches nicht mit dem katalytischen Material beschichtet ist.

Claims

Katalytischer Abgasfilter für Dieselteilchen, enthaltend ein poröses Filtersubstrat für die Filtration von Dieselabgasteilchen, das mit einem katalytischen Material getränkt ist, wobei das katalytische Material ein Erdalkalimetallvanadat und ein Edelmetall, vorzugsweise Platin, Rhodium, Palladium, Ruthenium, Rhenium und Osmium, am meisten bevorzugt Platin, umfasst.
Abgasfilter gemäß Anspruch 1, worin das Erdalkalimetall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Calcium, Magnesium und Barium, vorzugsweise Magnesium.
Abgasfilter gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, worin das Gewichtsverhältnis des Edelmetalls zu Erdalkalimetallvanadat 1 : 1 bis 1 : 50 beträgt, vorzugsweise 1 : 5 bis 1 : 20.
Abgasfilter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Zusammensetzung des porösen Filtersubstrats ausgewählt ist aus der Gruppe der Materialien, bestehend aus Keramik, Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Boroxid, Korund, Kieselsäure, Magnesiumoxid, Kaliumtitanat, Kieselsäure-Zirkonoxid, Titanoxid-Zirkonoxid, Titanoxid-Kieselsäure, Kieselsäure-Aluminiumoxid, Siliciumcarbiden, mit Titanoxid beschichtetem Aluminiumoxid, mit Wolframoxid beschichtetem Aluminiumoxid, mit Zirkonoxidcordierit beschichtetem Aluminiumoxid, Mullit, und Gemischen und Kombinationen davon, vorzugsweise einem keramischen Material oder Siliciumcarbid.
Abgasfilter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Menge des auf das Filtersubstrat aufgebrachten katalytischen Materials mindestens 7,1 g/l (200 g/ft³), vorzugsweise 7,1 g/l (200 g/ft³) bis 35,3 g/l (1000 g/ft³) beträgt.
Verfahren zum Filtern von Teilchen aus einem Dieselabgas unter Verwendung eines Abgasfilters, wobei [das Verfahren] das Durchleiten des Dieselabgases durch den Abgasfilter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 umfasst.
Verfahren zur Erzeugung eines Dieselteilchen-Abgasfilters, umfassend Herstellung eines porösen Filtersubstrats, Imprägnieren des Substrats mit einem katalytischen Material, umfassend ein Erdalkalimetallvanadat und ein Edelmetall, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Platin, Rhodium, Palladium, Ruthenium, Rhenium und Osmium, am meisten bevorzugt Platin, und Calcinieren des imprägnierten Filtersubstrats, um den Abgasfilter zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 7, worin das Erdalkalimetall ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Magnesium, Barium und Calcium, vorzugsweise Magnesium.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, worin das Gewichtsverhältnis des Edelmetalls zu Erdalkalimetallvanadat 1 : 1 bis 1 : 50 beträgt, vorzugsweise 1 : 5 bis 1 : 20.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, worin die Zusammensetzung des porösen Filtermaterials ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Boroxid, Korund, Kieselsäure, Magnesiumoxid, Kaliumtitanat, Kieselsäure-Aluminiumoxid, Kieselsäure-Zirkonoxid, Siliciumcarbiden, Titanoxid-Zirkonoxid, Titanoxid-Kieselsäure, mit Titanoxid beschichtetem Aluminiumoxid, mit Wolframoxid beschichtetem Aluminiumoxid, mit Zirkonoxid beschichtetem Aluminiumoxid, Cordierit, Mullit, und Gemischen und Kombinationen davon, vorzugsweise einem keramischen Material oder Siliciumcarbid.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, worin die Menge des auf dem Filtersubstrat imprägnierten katalytischen Materials mindestens 7,1 g/l (200 g/ft³), vorzugsweise 7,1 g/l (200 g/ft³) bis 35,3 g/l (1000 g/ft³) beträgt.