ES2220144T3

ES2220144T3 - Convertidor catalitico para eliminar ozono que tiene capas anodizadas y de recubrimiento de baño.

Info

Publication number: ES2220144T3
Application number: ES99969351T
Authority: ES
Inventors: Di-Jia Liu; Daniel R. Winstead; Peter M. Michalakos
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2004-12-01
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: DE69916858D1; US6576199B1; EP1112117B1; US7604779B2; US20060062704A1; JP2003526554A; DE69916858T2; US20030202916A1; WO2000016882A1; US7037878B2; EP1112117A1

Abstract

Un convertidor catalítico eliminador del ozono (18) para un sistema de control ambiental (10) en una aeronave, comprendiendo el convertidor (18): un núcleo (22); una capa superficial anodizada (24) formada a partir de una porción del núcleo (22); una capa de recubrimiento de baño (26) sobre la capa anodizada (24); y un catalizador eliminador del ozono (28) impregnado en la capa de recubrimiento de baño (26).

Description

Convertidor catalítico para eliminar ozono que tiene capas anodizadas y de recubrimiento de baño.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a sistemas de control ambiental. Más específicamente, la presente invención se refiere a un sistema de control ambiental que incluye un convertidor catalítico eliminador del ozono.

Una aeronave comercial incluye usualmente un sistema de control ambiental que proporciona una corriente de aire enfriado y acondicionado a la cabina de la aeronave. Un sistema de control ambiental típico recibe aire comprimido tal como aire sangrado procedente de un escalón de compresor de un motor de turbina de gas de la aeronave, expande el aire comprimido en una turbina de refrigeración y elimina la humedad del aire comprimido mediante un extractor de agua.

El ozono tóxico en el aire comprimido llega a ser un problema cuando una aeronave está volando a altitudes de crucero que exceden de 6.100 m (20.000 pies). Para reducir el ozono a un nivel comprendido dentro de límites satisfactorios, el sistema ambiental está provisto de un convertidor catalítico eliminador del ozono.

Existen varias características deseables para un convertidor catalítico eliminador del ozono de una aeronave. Estas características incluyen a) alta eficiencia de conversión del ozono a la temperatura de operación del aire de sangrado; b) resistencia satisfactoria a los venenos de humedad, compuestos de azufre, aceite, polvo fino, y análogos, que pueden estar presentes en el aire comprimido (para vida larga y costes mínimos de revisión y mantenimiento del sistema); c) peso ligero para minimizar la carga parásita del sistema; d) integridad estructural alta del soporte del catalizador bajo calor y/o choques por vibración extremados, que pueden presentarse durante las condiciones normales de vuelo (asimismo para vida larga y costes mínimos de revisión y mantenimiento del sistema); y e) alta eficiencia de transporte de masa con baja caída de presión.

Un convertidor catalítico eliminador del ozono con un núcleo metálico puede dotarse de recubrimiento de baño con un lodo de un sol de sílice de base acuosa y un metal refractario para formar una capa de recubrimiento interior seguida por una capa de recubrimiento exterior de óxido de aluminio. Ambas capas pueden recubrirse luego directamente con el catalizador por inmersión del núcleo con el recubrimiento de baño en una solución de catalizador fuertemente ácida. Sin embargo, la fuerte acidez puede causar corrosión del núcleo metálico, especialmente si el núcleo está hecho de aluminio.

La capa de recubrimiento exterior puede estar pre-catalizada y puede aplicarse luego como recubrimiento de baño sobre el núcleo. La utilización de una capa pre-catalizada puede prevenir la corrosión durante el proceso de aplicación del catalizador.

La aplicación de la capa de recubrimiento exterior pre-catalizada puede ser problemática. Por ejemplo, es difícil controlar la uniformidad del espesor de la capa de recubrimiento de baño. La irregularidad del espesor de la capa puede causar una caída de presión a través del convertidor catalítico.

Otro problema con la capa de recubrimiento exterior pre-catalizada es una baja eficiencia de utilización del catalizador. La aplicación del recubrimiento de baño sobre el óxido metálico pre-catalizado puede hacer que ciertas fracciones del sitio catalítico resulten inaccesibles debido al apantallamiento del material aglomerante. Adicionalmente, la superficie específica proporcionada por la capa de sub-recubrimiento no se utiliza para prolongar la vida útil del catalizador. Dado que los venenos contenidos en el aire comprimido pueden reducir la eficiencia de la conversión, la vida útil y la eficiencia del convertidor catalítico se reducen adicionalmente debido a la baja eficiencia de utilización del catalizador.

Otro problema potencial con las capas de recubrimiento de baño de base acuosa es su limitada durabilidad mecánica. Un convertidor catalítico para una aeronave comercial se ve sometido a altas temperaturas y grandes fluctuaciones de temperatura (v.g., entre 150ºF y 500ºF) (65,6ºC y 260ºC) durante la operación normal de vuelo. El convertidor catalítico se ve sometido también a fuertes vibraciones durante la operación normal de vuelo. Estas condiciones severas pueden hacer que la capa de recubrimiento de baño se desconche. En consecuencia, la vida de operación del convertidor catalítico se reduce.

Sumario de la invención

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, un convertidor catalítico eliminador del ozono comprende un núcleo; una capa superficial anodizada formada a partir de una porción del núcleo; una capa de recubrimiento de baño sobre la capa anodizada; y un catalizador eliminador del ozono impregnado en la capa de recubrimiento de baño. La combinación de las capas anodizada y de recubrimiento de baño ofrece muchas ventajas. La capa anodizada proporciona un soporte para el catalizador y una barrera frente a la corrosión que previene que un reactivo del catalizador ataque el núcleo durante la impregnación del catalizador. Por esta razón, el catalizador puede impregnarse después de la formación de la capa de recubrimiento de baño para proporcionar una utilización y vida útil máximas del catalizador. La capa anodizada mejora significativamente la fuerza de unión entre el núcleo y la capa de recubrimiento de baño, lo cual permite que la capa de recubrimiento de baño soporte temperaturas elevadas, grandes fluctuaciones de temperatura y altas vibraciones tales como las que se presentan durante las condiciones normales de vuelo de la aeronave. La capa anodizada proporciona además una superficie específica adicional y, por esta razón, aumenta la eficiencia de conversión del ozono y el transporte de masa.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, la capa de recubrimiento de baño puede formarse por creación de un lodo que incluye un óxido metálico refractario y una resina de organosiloxano en forma monómera o polímera. El óxido metálico refractario puede estar parcialmente hidratado. El núcleo se sumerge en el lodo y la capa de recubrimiento de baño resultante se seca. Un lodo de este tipo se saca más rápidamente que los lodos que incluyen aglomerantes de base acuosa. El secado más rápido permite que la capa de recubrimiento de baño se aplique más uniformemente que una capa de recubrimiento de baño formada a partir de un lodo que incluye un aglomerante de base acuosa. De este modo, el espesor y la rugosidad de la superficie pueden controlarse mejor.

La capa de recubrimiento de baño secada se cura luego y se calcina. Si la capa de recubrimiento de baño se aplica a una capa anodizada del núcleo, se produce reticulación de los enlaces químicos entre las partículas de óxido metálico, la superficie anodizada y la resina de organosiloxano durante el curado y la calcinación. Esta reticulación da como resultado una capa de recubrimiento de baño que tiene resistencia mecánica y térmica importantes. Como consecuencia, la capa de recubrimiento de baño está exenta de desconchamiento.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una ilustración de un sistema de control ambiental que incluye un convertidor catalítico eliminador del ozono de acuerdo con la presente invención;

la Figura 2 es una ilustración de una sección transversal de una superficie de un núcleo del convertidor catalítico eliminador del ozono, una capa superficial anodizada formada a partir del núcleo, una capa de recubrimiento de baño sobre la capa anodizada, y un catalizador eliminador del ozono impregnado en las capas anodizadas y de recubrimiento de baño;

la Figura 3 es una vista en perspectiva de una porción de un elemento de placas y aletas para un convertidor catalítico eliminador del ozono; y

la Figura 4 es una ilustración de un método de preparación de un núcleo del convertidor catalítico.

Descripción detallada de la invención

Se hace referencia a la Figura 1, que muestra un sistema de control ambiental ("ECS") de una aeronave 10 para una aeronave. El ECS 10 recibe aire comprimido tal como aire de sangrado de una sección de compresor del motor principal de la aeronave. El ECS 10 incluye al menos un cambiador de calor ("HX") aire-aire 12 para enfriar el aire comprimido hasta cerca de la temperatura ambiente; y un sistema de acondicionamiento de aire ("ACS") 14 para acondicionar el aire que se enfrió en el cambiador de calor aire-aire 12. El sistema de acondicionamiento de aire 14 puede incluir una máquina de ciclo de aire y un extractor de agua para expandir el aire y reducir la humedad en el aire. El ECS 10 suministra aire enfriado y acondicionado a una cabina 16 u otro compartimiento de la aeronave.

El ECS 10 incluye también un convertidor catalítico 18, que puede estar localizado en la panza de la aeronave, entre la fuente de aire comprimido y el cambiador de calor aire-aire 12. El convertidor catalítico 18 está montado dentro de una envoltura 20 a través de la cual fluye el aire comprimido. El aire comprimido pasa a través del convertidor catalítico 18, que elimina el ozono en el aire comprimido.

Un pre-refrigerador, no representado, puede estar localizado aguas arriba del convertidor catalítico 18. El pre-refrigerador reduce la temperatura del aire comprimido antes de la eliminación del ozono.

La Figura 2 ilustra una sección transversal de una superficie de una porción del convertidor catalítico 18. El convertidor catalítico incluye un núcleo 22, una capa superficial anodizada 24 formada a partir de una porción del núcleo 22, una capa de recubrimiento de baño 26 formada sobre la capa anodizada 24, y un catalizador eliminador del ozono 28 impregnado tanto en la capa de recubrimiento de baño 26 como en la capa anodizada 24 (las capas 24 y 26 y el catalizador 28 no están representadas a escala).

La capa anodizada 24 tiene un espesor comprendido entre aproximadamente 5 y 10 micrómetros. La capa anodizada 24 es densa en la interfase con el núcleo 22. Sin embargo, la capa anodizada 24 tiene una superficie rugosa en la interfase con la capa de recubrimiento de baño 26. Para un núcleo 22 que incluya aletas de aluminio de aproximadamente 178 \mum (aproximadamente 7 milésimas de pulgada) de espesor, la capa anodizada 24 puede tener una superficie específica comprendida entre 5 y 15 m^{2}/gramo, con inclusión del peso de las aletas. Dado que la capa anodizada 24 es integral con el núcleo 22, es difícil determinar exactamente la superficie específica de la capa anodizada 24 con exclusión del núcleo 22.

La capa de recubrimiento de baño 26 es muy porosa, teniendo un volumen de poros preferido comprendido entre 0,2 y 0,9 cm^{3}/gramo, y un tamaño medio de poro comprendido entre 3 y 25 nm. La capa de recubrimiento de baño 26 tiene una superficie específica elevada. Para un núcleo de aluminio 22 que tenga aletas de 178 \mum (7 milésimas de pulgada) de espesor que están anodizadas y provistas de recubrimiento de baño, la capa de recubrimiento de baño 26 tiene una superficie específica preferida comprendida entre 50 y 70 m^{2}/gramo con inclusión del peso de las aletas, y una superficie específica comprendida entre 200 y 350 m^{2}/gramo con exclusión del peso de las aletas. La capa de recubrimiento de baño tiene un espesor ajustable entre aproximadamente 5 y 60 micrómetros.

El catalizador 28 está impregnado tanto en la capa de recubrimiento de baño 26 como en la capa anodizada 24. La concentración del catalizador 28 en la capa de recubrimiento de baño 26 puede ser mayor que la concentración del catalizador 28 en la capa anodizada 24. Por ejemplo, la concentración de catalizador en la capa de recubrimiento de baño 26 puede ser de 2 a 4 veces mayor que la concentración de catalizador en la capa anodizada 24.

El catalizador 28 puede ser monometálico, o puede ser bimetálico en forma de óxido con diferentes estados de valencia o en estado de valencia metálica cero. Para un catalizador monometálico, puede utilizarse un metal precioso tal como paladio (Pd). Para un catalizador bimetálico, uno de los metales puede ser un metal precioso tal como paladio y el otro metal puede ser un metal de transición tal como níquel (Ni). En lugar de Pd, puede seleccionarse un metal del grupo de metales preciosos que incluye platino (Pt), rodio (Rh), oro (Au), iridio (Ir) o plata (Ag). Análogamente, en lugar de Ni, se puede utilizar un metal del grupo de metales de transición que incluyen manganeso (Mn), cobalto (Co), hierro (Fe) o cobre (Cu).

El núcleo 22 proporciona un soporte para las capas 24 y 26. Cuando se dirige una corriente de aire que contiene ozono a través del convertidor catalítico 18, el aire interacciona con el catalizador 28, dando como resultado la descomposición catalítica de una mayor parte del ozono por la reacción, 2O_{3} \rightarrow 3O_{2}. Una corriente de aire, depurada de ozono, fluye más allá del convertidor 18 al cambiador de calor 12.

La capa anodizada 24 desempeña varias funciones. La misma proporciona un soporte para el catalizador. La capa anodizada proporciona superficie específica adicional para una mejor distribución del catalizador, lo cual mejora la actividad global eliminador del ozono.

La capa anodizada 24 proporciona también una barrera contra la corrosión, que impide que un reactivo del catalizador ataque el núcleo 22 y cause corrosión del núcleo metálico durante la impregnación del catalizador. Durante la fabricación del convertidor catalítico 18, la capa anodizada 24 permite que la capa de recubrimiento de baño 26 se forme completamente sobre la capa anodizada 24 y se impregna luego el catalizador 28, por ejemplo, por inmersión del núcleo provisto del recubrimiento de baño 22 en un baño que contiene el reactivo catalizador.

La capa anodizada 24 se forma por transformación electroquímica de la superficie del núcleo 22. Dado que la capa anodizada 24 es una parte integral del núcleo 22, la capa anodizada 24 mejora significativamente la fuerza de unión entre el núcleo 22 y la capa de recubrimiento de baño 26. La fuerza de unión se aumenta adicionalmente por reticulación química entre el óxido metálico de la superficie anodizada y una resina (por ejemplo, una resina de organosiloxano) y el óxido metálico en la capa de recubrimiento de baño durante la formación del recubrimiento de baño. Por esta razón, la capa de recubrimiento de baño 26 tiene una adhesión fuerte a la capa anodizada 24 y es semi-flexible cuando se deforma el núcleo 22. Como resultado, la capa anodizada 24 reduce la probabilidad de que la capa de recubrimiento de baño 26 se desconche cuando el convertidor catalítico 18 se ve sometido a temperaturas elevadas, grandes fluctuaciones de temperatura y vibraciones altas durante las condiciones normales de vuelo.

La capa de recubrimiento de baño 26 proporciona también un soporte de alta superficie específica para el catalizador. Adicionalmente, la capa de recubrimiento de baño 26 puede aplicarse a una diversidad de materiales. Por esta razón, la capa de recubrimiento de baño 26 permite que el núcleo 22 esté hecho de un metal ligero tal como aluminio o aleación de aluminio.

Como alternativa, el núcleo puede estar formado de titanio, acero inoxidable, inconel, aleación de níquel, cordierita, nitruro de silicio, óxido de aluminio alfa, u otros materiales cerámicos o compuestos. Si el núcleo 22 está hecho de titanio o acero inoxidable, debería formarse una capa de óxido delgada sobre la superficie del núcleo antes de aplicar el recubrimiento de baño.

El lodo para la capa de recubrimiento de baño 26, que incluye un óxido metálico refractario y una resina de organosiloxano, puede aplicarse más uniformemente que una capa de recubrimiento de baño convencional que incluye un ligante de base acuosa. La aplicación de la capa de recubrimiento de baño 26 reduce uniformemente las acumulaciones locales de la capa de recubrimiento de baño 26 en los caminos de paso del aire dentro del convertidor catalítico 18. Las acumulaciones locales pueden causar caídas de presión dentro del convertidor catalítico 18 y redistribución del catalizador.

Dado que la capa de recubrimiento de baño 26 reduce la caída de presión dentro del convertidor catalítico 18, el convertidor catalítico 18 puede diseñarse de modo que tenga una menor caída de presión que un convertidor catalítico de tamaño y configuración similares. Alternativamente, el convertidor catalítico 18 puede estar diseñado de modo que sea más largo y proporcione sin embargo la misma caída de presión que un convertidor convencional. Por ejemplo, puede aumentarse la longitud de un núcleo 22 que tenga un camino de flujo de aire de canales rectos. El aumento del camino de flujo de aire aumenta la exposición del aire del catalizador y aumenta por consiguiente la cantidad de ozono que se elimina. En consecuencia, la longitud del convertidor catalítico 18 que tiene un camino de flujo de aire recto puede ser mayor que un convertidor convencional que tenga un camino de flujo de aire recto y la misma caída de presión.

Alternativamente, una capa de recubrimiento de baño uniforme 26 puede permitir un diseño de un convertidor catalítico 18 con un núcleo 22 que tenga un camino de flujo de aire tortuoso. El camino tortuoso aumenta la turbulencia del aire comprimido, lo cual aumenta a su vez la transferencia de masa entre el aire comprimido y el catalizador 28 y por consiguiente aumenta la eficiencia de conversión del ozono. Como consecuencia, la longitud del convertidor catalítico 18 que tiene un camino de flujo de aire tortuoso puede ser más corta que un convertidor convencional que tenga un camino de flujo de aire recto y la misma o menor caída de presión.

Adicionalmente, el mejor control de la uniformidad de revestimiento y la propiedad de mayor transferencia de masa permite que el convertidor catalítico 18 tenga un mayor diámetro y una menor longitud. Así, el convertidor catalítico 18 puede tener la forma de un disco corto en contraposición a un tubo alargado convencional. La construcción más corta y más ancha impone una caída de presión mínima al flujo de aire en el ECS 10 cuando el caudal de aire es alto y aumenta las tasas de transferencia de masa que son beneficiosas para la eliminación del ozono.

La Figura 3 muestra una porción de un convertidor catalítico eliminador del ozono 18 que proporciona un camino de flujo de aire tortuoso. El convertidor catalítico 18 incluye un núcleo monolítico 22 que tiene una pluralidad de elementos de placas y aletas 23. Los elementos de aletas 23 definen una multitud de pequeños caminos de flujo tortuoso de dirección cambiante. Los elementos de aletas 23 pueden estar dispuestos en una configuración cilíndrica fuertemente compactada, como una pluralidad de anillos dispuestos en general concéntricamente. Los elementos de aletas 23 pueden estar dispuestos en una sucesión axial de filas adyacentes, con una configuración ondulada de perfil generalmente rectangular. La superficie específica de los elementos de aletas 23 lleva las capas de recubrimiento de baño y anodizadas 24 y 26 impregnadas con catalizador.

Un convertidor catalítico 18 de este tipo puede construirse como sigue. Las aletas desalineadas se estampan en una pluralidad de hojas de aluminio. Una primera hoja se enrolla alrededor de un tubo para formar una capa interior del núcleo. Se añaden capas adicionales por enrollamiento de hojas adicionales, capa-a-capa, alrededor del núcleo 22. Después que se ha añadido al núcleo la última capa, se envuelve una cubierta de aluminio no ondulada alrededor de la capa exterior. A continuación, se anodiza el núcleo 22, se aplica el recubrimiento de baño, se impregna con el catalizador y se introduce en la envoltura 20. El tubo interior se bloquea para impedir el flujo continuo de aire comprimido a su través. Así, el aire comprimido fluirá longitudinalmente a lo largo del convertidor catalítico 18, entre el tubo interior y el tubo exterior y a través del camino tortuoso creado por las aletas desalineadas 23.

La Figura 4 muestra un método de formación de las capas anodizadas y de recubrimiento de baño 24 y 26 impregnadas con el catalizador del convertidor catalítico 18. En primer lugar, el núcleo 22 se somete a electroanodización en una solución de ácido oxálico para formar la capa anodizada 24, como se indica en el paso 100. En lugar de una solución de ácido oxálico, puede utilizarse ácidos tales como ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido crómico o ácido malónico. Dado que la capa anodizada 24 se forma por electro-oxidación del metal del núcleo 22, la capa anodizada 24 está unida intrínsecamente al núcleo 22. Dado que la capa anodizada 24 se encuentra en forma de un óxido metálico, la misma proporciona también superficie específica adicional para la distribución de los metales catalíticos. Dado que la capa anodizada 24 tiene una morfología diferente que la de los óxidos metálicos refractarios aplicados por el recubrimiento de baño tales como óxido de aluminio gamma, la misma proporciona una distribución diferente del catalizador 28. El catalizador 28 distribuido sobre la capa anodizada 24 está protegido parcialmente por la capa de recubrimiento de baño subsiguiente 26 contra los contaminantes en fase gaseosa (v.g., venenos del catalizador) que desactivan el catalizador 28. Esta característica contribuye a aumentar la vida operativa del convertidor catalítico 18.

Para crear una textura rugosa en la superficie de la capa anodizada 24, la anodización se realiza a una temperatura superior a la del ambiente. Por ejemplo, la anodización puede realizarse a una temperatura de aproximadamente 40ºC.

A continuación, el núcleo anodizado 22 se recubre con el recubrimiento de baño como se indica en los pasos 102 a 108. Se prepara un lodo como se indica en el paso 102. El lodo se hace preferiblemente a partir de una mezcla molida por sacudidas de un óxido metálico refractario y una resina sintética de silicona. Se puede utilizar un óxido metálico refractario tal como alúmina, sílice, silicato de aluminio, magnesia, óxido de manganeso, óxido de titanio, óxido de zirconio u óxido de cesio. En lugar de ello se puede utilizar un óxido metálico refractario parcialmente hidratado tal como boehmita. La resina sintética de silicona puede ser un metilfenilsiloxano, un metilsiloxano u otra resina de organosiloxano en forma monómera o polímera. La resina puede encontrarse en una forma concentrada o puede estar diluida ya con un disolvente orgánico. El lodo puede diluirse (o diluirse adicionalmente) por adición de un disolvente orgánico tal como un alcohol (v.g., metanol, etanol, isopropanol) o un disolvente aromático (v.g., xileno, tolueno). La viscosidad del lodo puede ajustarse por añadiendo disolvente adicional. La mezcla de lodo preferida contiene boehmita, metilfenilpolisiloxano y tolueno.

En el lodo preferido, el contenido de boehmita en el lodo está comprendido entre 1 y 30% p, y el contenido de metilfenilpolisiloxano está comprendido entre 1 y 30% p. El resto del lodo está constituido por el disolvente. Para facilitar el proceso de reticulación, se puede añadir al lodo una pequeña cantidad (v.g., < 1% p) de un compuesto de cinc tal como octoato de cinc. La viscosidad del lodo puede estar comprendida entre 5 y 250 centipoise. La viscosidad preferida del lodo puede estar comprendida entre 20 y 60 centipoise.

Se aplica luego el lodo al núcleo 22, como se indica por el paso 104. Por ejemplo, el núcleo 22 puede sumergirse en el lodo. A continuación de la inmersión, se realiza un proceso de corte con cuchilla neumática para eliminar el exceso de lodo. La viscosidad fácilmente ajustable del lodo de recubrimiento de baño conduce a un espesor de recubrimiento fácilmente controlable, desde 5 a más de 60 micrómetros.

El núcleo 22, recubierto con el lodo, se seca luego y se cura en un período de tiempo breve de 2 a 10 minutos, como se indica en el paso 106. Para secar la capa de recubrimiento de baño 26 en un período de tiempo tan corto, el núcleo 22 se hace girar mientras la capa de recubrimiento de baño 26 se conforma, se seca y se cura por medio de una cuchilla neumática de flujo elevado. La cuchilla neumática está alineada en una dirección radial, fluyendo el aire longitudinalmente a través del núcleo 22 (es decir, en la misma dirección que la del aire comprimido durante la operación del convertidor catalítico 18). El núcleo 22 se hace girar a una velocidad comprendida entre 1 y 5 rpm. Durante este paso 106, el núcleo 22 puede calentarse a aproximadamente 80ºC a 250ºC durante un período de tiempo comprendido entre ½ y 3 horas. Este tratamiento térmico seca y cura al mismo tiempo la capa de recubrimiento de baño 26 y elimina el disolvente orgánico contenido en la capa de recubrimiento de baño 26. Durante este proceso, la resina de organosiloxano reacciona y retícula las partículas de óxido metálico entre sí y con el óxido en la superficie de la capa anodizada 24. Como resultado, se produce un soporte de superficie específica elevada, fuertemente unido, que está formado por reticulación química entre el óxido metálico de la capa superficial anodizada 24 y la resina de organosiloxano y el óxido metálico refractario en la capa de recubrimiento de baño 26.

Para el núcleo monolítico 22 que tiene elementos de aleta 23, la capa de recubrimiento de baño 26 generada por este proceso tiene una uniformidad de espesor muy satisfactoria dentro de cada elemento de aleta 23, y a lo largo del núcleo 22. El lodo que acaba de describirse se seca más rápidamente que un lodo que incluya un ligante de base acuosa. El secado más rápido permite que la capa de recubrimiento de baño 26 se aplique más uniformemente que una capa de recubrimiento de baño formada a partir de un lodo que incluya un ligante de base acuosa.

Una vez que la capa de recubrimiento de baño 26 se ha secado y curado, el núcleo 22 se somete a calcinación. La calcinación, que se indica en el paso 108, puede realizarse entre 2 y 10 horas a temperatura superior a 300ºC. La temperatura de calcinación preferida puede estar comprendida entre 450ºC y 550ºC. Durante la calcinación, el material orgánico contenido en la capa de recubrimiento de baño 26 se pierde por combustión. Asimismo, los enlaces químicos reticulados durante el paso de curado se transforman en un retículo tridimensional de enlaces químicos M1- -[O- -Si- -
O]_{n}- -M2- -O, donde n es \geq 1 y M1 y M2 podrían ser metales iguales o diferentes en los óxidos metálicos de las capas anodizada y de recubrimiento de baño 24 y 26. El óxido metálico en la capa anodizada 24 está puenteado con el óxido metálico contenido en la capa de recubrimiento de baño 26 por este retículo de enlaces. Cuando se utiliza la mezcla preferida de boehmita y organosiloxano y tolueno sobre una capa anodizada de óxido de aluminio 24, la calcinación convierte también la boehmita en alúmina de fase gamma, y el organosiloxano en la capa de recubrimiento de baño 26 se transforma en sílice o reacciona con la alúmina para formar silicato de aluminio. Por consiguiente, el recubrimiento de baño resultante sobre los elementos de aletas anodizados 23 está constituido principalmente por gamma-alúmina, sílice y silicato de alúmina.

Durante la calcinación, la capa de recubrimiento de baño 26 retiene su elevada superficie específica. Como consecuencia, la elevada superficie específica proporciona exposición e interacción altas entre el aire y el catalizador.

Después que se ha completado la calcinación del recubrimiento de baño, el catalizador 28 se impregna con las capas anodizada y de recubrimiento de baño 24 y 26, como se indica en el paso 110. Si el catalizador es bimetálico, las capas 24 y 26 pueden catalizarse por un proceso de co-impregnación, en el cual el núcleo provisto del recubrimiento de baño 22 se sumerge en una solución metálica precursora. Preferiblemente, las capas 24 y 26 se co-impregnan con una solución metálica precursora de sales nitrato de paladio y níquel. En lugar de paladio, puede seleccionarse una solución salina de un metal correspondiente al grupo de metales preciosos con inclusión de platino, rodio, oro, iridio o plata como el precursor metálico para la impregnación. Análogamente, en lugar de Ni, puede seleccionarse un metal del grupo de transición que incluye manganeso, cobalto, hierro, o cobre. Los metales preciosos y de transición expuestos anteriormente son típicos de los metales que se ha encontrado proporcionan resultados satisfactorios. Sin embargo, pueden utilizarse otros metales. Los metales seleccionados están combinados preferiblemente en una solución que contiene un ácido orgánico que mantiene una acidez adecuada y actúa como un reactivo de dispersión. Ácidos orgánicos de este tipo pueden incluir ácido cítrico, ácido acético o ácido tartárico.

Después que se ha impregnado el catalizador, se realiza una calcinación del catalizador, como se indica en el paso 112, para convertir los precursores del catalizador en los ingredientes catalíticamente activos. La temperatura de calcinación puede estar comprendida entre 200ºC y 500ºC durante 1 a 4 horas.

Durante la impregnación del catalizador, la porción tensa de la capa anodizada 24 impide que el reactivo catalítico ataque el metal del núcleo 22. Esto permite que el catalizador 28 se impregne después de la capa de recubrimiento de baño 26 se ha formado por completo. El resultado es una utilización máxima del catalizador, que conduce a una vida útil más larga.

Esta invención se describe más detalladamente, aunque sin carácter limitante, por los ejemplos siguientes.

Ejemplo I

Un conjunto de aletas de aluminio con un volumen de 0,385 ml y un espesor de 178 \mum (aprox. 7 milésimas de pulgada) se anodizó en ácido oxálico para formar una capa de óxido de aluminio con un espesor aproximado de 10 micrómetros. El conjunto de aletas se proveyó ulteriormente de un recubrimiento de baño con una mezcla molida por sacudidas de resina sintética de silicona diluida y boehmita. Las aletas se secaron, curaron y calcinaron. El peso final de las aletas aumentó en un 20% debido a la formación de una capa de gamma-alúmina/sílice sobre la superficie de las aletas. La superficie específica de las aletas provistas del recubrimiento de baño era aproximadamente 40 a 70 m^{2}/g con inclusión del peso de las aletas. Estas aletas se recubrieron subsiguientemente con catalizador en una solución de nitrato de Pd y Ni que contenía ácido cítrico por un proceso de co-impregnación. Esto dio como resultado una carga de catalizador final sobre las aletas de 1,8 gPd/l (50 gPd/ft^{3}) y 10,6 gNi/l (300 gNi/ft^{3}). Las aletas se ensayaron en un reactor desde 24ºC a 204ºC (75ºF a 400ºF) con una velocidad espacial horaria del gas (GHSV) de 1.000.000. Se observó una actividad excelente eliminador del ozono.

Ejemplo II

Un monolito de aleación de aluminio que tenía una estructura de aletas desalineadas se anodizó en ácido oxálico para formar una capa de óxido de aluminio de aproximadamente 10 micrómetros de espesor. El monolito se dotó de recubrimiento de baño con una mezcla molida por sacudidas de resina sintética de silicona diluida (con metilfenilpolisiloxano como el ingrediente principal), y boehmita. Después de secado, curado y calcinación a aproximadamente 538ºC, el peso de las aletas se incrementó en un 20% debido a la formación de un recubrimiento de gamma-alúmina/sílice sobre las aletas. El monolito se recubrió subsiguientemente con catalizador en una solución de nitrato de Pd y Ni que contenía ácido cítrico por un proceso de co-impregnación. Esto dio como resultado una carga de catalizador final sobre las aletas igual a 1,8 a 10,6 gPd/l (50 a 300 gPd/ft^{3}) y 3,5 a 17,7 gNi/l (100 a 500 gNi/ft^{3}). El monolito se ensayó luego en aire seco que contenía 1,0 ppm de ozono a GHSV 2.000.0000. La presión de entrada del flujo de ensayo era 27 bares (25 psig) y la temperatura era 185ºC (365ºF). Se encontró que la eficiencia eliminador catalítica del ozono era 80% y superior. El núcleo catalizado demostró también una resistencia excelente a los venenos conocidos del catalizador, tales como compuestos de azufre y lubricantes de aviación.

Ejemplo III

Se preparó un monolito de aleación de alúmina que tenía una estructura de aletas desalineadas conforme al Ejemplo II. El monolito se ensayó en una corriente de 1 ppm de ozono en aire a GHSV 250.000 y 48,7 bares (45 psig). Se observó la eficiencia excelente indicada a continuación:

1

Ejemplo IV

Este ejemplo demuestra la excelente eficiencia de conversión del ozono a baja temperatura. Se eliminó una serie de aletas del monolito después del ensayo en el Ejemplo III y se ensayó en una corriente de 2,5 ppm de ozono en aire a GHSV 1.000.000 y 0,21 bares (3 psig). Se observó la eficiencia siguiente:

2

Ejemplo V

Se emplearon varias técnicas analíticas para caracterizar las propiedades de la capa de recubrimiento de baño y el catalizador preparado conforme al Ejemplo I. Se empleó el método de Brunauer-Emmett-Teller (BET) para determinar la superficie específica del recubrimiento de baño y la distribución de los tamaños de poro. Se determinó que la capa de recubrimiento de baño tenía la superficie específica preferida comprendida entre 200 y 350 m^{2}/gramo (con exclusión del peso de las aletas). El volumen de poros preferido del recubrimiento de baño estaba comprendido entre 0,2 y 0,9 cm^{3}/gramo con exclusión del sustrato metálico. El tamaño medio de poro estaba comprendido entre 3 y 25 nm. Se utilizó un método de obtención de imágenes con el microscopio electrónico de barrido (SEM) para estudiar las morfologías de la capa anodizada y la capa de recubrimiento de baño. El SEM reveló que la capa de recubrimiento de baño era sumamente porosa, mientras que la capa anodizada tenía una textura superficial rugosa en la interfase con la capa de recubrimiento de baño y era densa en la interfase con el núcleo de aluminio. Éstas son morfologías preferidas para promover la descomposición catalítica del ozono durante la operación y para promover una unión fuerte entre las capas de recubrimiento de baño y anodizada con el sustrato metálico durante la operación del catalizador, así como durante la preparación del catalizador. Se comprobó un alto grado de dispersión de metal y óxido metálico en las capas de recubrimiento de baño y anodizada por métodos de difracción de rayos X (XRD) y de la isoterma de adsorción de CO. Por ejemplo, la medida de la isoterma de adsorción de CO indicaba que el Pd en el catalizador tenía el índice de dispersión mayor que 50%. Sin ligarse a ninguna teoría de catálisis, se cree comúnmente que el estado de oxidación del metal del catalizador es importante para la actividad eliminador del ozono. Para identificar el estado de oxidación del metal en el catalizador se emplearon un método de absorción de rayos X en la estructura próxima a los bordes (XANES) y un método de espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS). Se determinó que ambos metales tenían el estado de oxidación preferido para una actividad catalítica alta. Por ejemplo, XANES y XPS revelaron tanto Pd como Ni se encontraban en los estados de oxidación Pd^{+2} y Ni^{+2} en la superficie así como en toda la profundidad de las capas de recubrimiento de baño y anodizada. Sin ligarse, una vez más, a ninguna teoría de la catálisis, se cree comúnmente que la interacción estrecha y el efecto sinérgico entre los dos ingredientes metálicos del catalizador son importantes en la actividad eliminador del ozono y la prolongación de la vida útil. El método espectroscópico extendido de estructura fina por absorción de rayos X (EXAFS) y el método de microscopía electrónica de barrido por transmisión (STEM) se utilizaron para investigar la estructura de corto alcance y la interacción entre los componentes metálicos. Se determinó que los metales catalíticos tenían una estructura de corto alcance y una interacción estrecha preferidas. Por ejemplo, el estudio por EXAFS indicó que Pd estaba coordinado con aproximadamente cuatro átomos de oxígeno, y el método STEM demostró que Pd y Ni se encontraban en proximidad estrecha, distribuidos uniformemente dentro de los micro-cristalitos de óxidos metálicos en todo el recubrimiento de baño catalizado.

Ejemplo VI

Para demostrar que la capa de aluminio anodizado proporciona una fuerza de unión mejorada para la capa de recubrimiento de baño y mejor resistencia a la corrosión durante la aplicación del catalizador, se preparó un par de planchas de aluminio A y B que tenían dimensiones de 2,54 cm x 5,1 cm x 0,16 cm (1'' x 2'' x 1/16''). La primera placa A se limpió con un detergente industrial seguido por enjuagado con agua desionizada. La segunda placa B se sometió a la anodización en el ácido oxálico para formar una capa anodizada, como se describe en el Ejemplo I. Ambas placas se proveyeron de recubrimiento de baño y se catalizaron subsiguientemente siguiendo el procedimiento descrito en el Ejemplo I. Se utilizó un método de ensayo de la American Society for Testing Materials (ASTM) para medir la adhesión (designación D 3359) a fin de evaluar la fuerza de adhesión entre la capa de recubrimiento de baño y el sustrato de aluminio tanto para la placa A como para la placa B después del proceso de aplicación del catalizador. Se encontró que la capa de recubrimiento de baño sobre la segunda placa B tenía una fuerza de adhesión mucho mayor (la clasificación estaba comprendida entre 3B y 4B) que la capa de recubrimiento de baño en la primera placa A (clasificación menor que 1B).

Ejemplo VII

Se llevó a cabo un ensayo de sometimiento a ciclos térmicos para un monolito catalítico eliminador del ozono preparado de acuerdo con el procedimiento del Ejemplo II a fin de evaluar la durabilidad mecánica de la capa de recubrimiento de baño y el catalizador en condición de estrés térmico repetido. El monolito se sometió a un flujo de aire continuo con una presión de entrada del aire de aproximadamente 6,89 bares (100 psig) y un caudal de 45 kg/minuto (100 lb/minuto). La temperatura del aire se hizo variar entre 66 y 260ºC (150ºF y 500ºF) con una tasa de incremento de temperatura de 41,67ºC/minuto (75ºF/minuto). Se realizaron un total de 2000 ciclos térmicos durante el ensayo. Se midieron la pérdida de peso de la capa de recubrimiento de baño y del catalizador al final del ciclo de ensayo. Se encontró que la capa de recubrimiento de baño y el catalizador tenían una resistencia mecánica excelente al estrés térmico, y que la pérdida de peso total era menor que 2% después del ensayo.

Ejemplo VIII

Se llevó a cabo un ensayo de vibración para un monolito catalítico eliminador del ozono preparado conforme al Ejemplo II a fin de evaluar la durabilidad mecánica de la capa de recubrimiento de baño y el catalizador bajo vibraciones intensas. El monolito se montó sobre un soporte de ensayos de vibración y se sometió a 15 horas de vibraciones aleatorias en ambas direcciones, longitudinal y transversal. La frecuencia era 10 Hz a 2000 Hz para 4,0 g rms en la dirección longitudinal y 10 Hz a 2000 Hz para 9,54 g rms en la dirección transversal. Se inspeccionó la integridad mecánica del monolito, y se midieron la pérdida de peso de la capa de recubrimiento de baño y del catalizador al final del ensayo de vibración. Se encontró que el monolito no presentaba deterioro o variación estructural alguno. Adicionalmente, se encontró que la capa de recubrimiento de baño y el catalizador tenían una resistencia mecánica excelente al estrés por vibración, y que la pérdida de peso total era menor que 1% después del ensayo.

La invención no está limitada a las realizaciones específicas anteriores.

La invención no está limitada a la capa de recubrimiento de baño 26 descrita anteriormente. Puede aplicarse una capa de recubrimiento de baño que incluya un óxido metálico mezclado con un ligante de base acuosa (v.g., sol de aluminio, sol de sílice) a la capa superficial anodizada 24. Sin embargo, tales capas de recubrimiento de baño pueden no presentar las excelentes características de la capa de recubrimiento de baño 26 descrita anteriormente.

El catalizador 28 no está limitado a ningún tipo y composición particular. Por ejemplo, el catalizador 28 puede ser monometálico o bimetálico, o puede incluir más de dos metales. Por consiguiente, el catalizador puede incluir al menos dos metales preciosos. El mismo puede incluir también al menos un metal de transición.

El núcleo 22 no está limitado a un solo recubrimiento de baño. Pueden aplicarse varios recubrimientos de baño a fin de controlar la uniformidad de la capa de recubrimiento de baño 26.

Así pues, la invención no está limitada a las realizaciones específicas expuestas anteriormente. En lugar de ello, la invención debe interpretarse de acuerdo con las reivindicaciones que siguen.

Claims

1. Un convertidor catalítico eliminador del ozono (18) para un sistema de control ambiental (10) en una aeronave, comprendiendo el convertidor (18):

un núcleo (22);

una capa superficial anodizada (24) formada a partir de una porción del núcleo (22);

una capa de recubrimiento de baño (26) sobre la capa anodizada (24); y

un catalizador eliminador del ozono (28) impregnado en la capa de recubrimiento de baño (26).

2. El convertidor catalítico de la reivindicación 1, en el cual el catalizador (28) está impregnado también en la capa anodizada (24), siendo la carga del catalizador en la capa de recubrimiento de baño (26) mayor que la carga del catalizador en la capa anodizada (24).

3. El convertidor catalítico de la reivindicación 1, en el cual la capa anodizada (24) tiene una textura superficial rugosa en una interfase con la capa de recubrimiento de baño (26).

4. El convertidor catalítico de la reivindicación 1, en el cual el catalizador (28) incluye al menos un metal precioso y al menos un metal de transición.

5. El convertidor catalítico de la reivindicación 1, en el cual la capa anodizada (24) es un óxido de aluminio, y en el cual la capa de recubrimiento de baño (26) incluye fundamentalmente gamma-alúmina, sílice y silicato de aluminio.

6. El convertidor catalítico de la reivindicación 1, en el cual la capa anodizada (24) tiene un espesor de aproximadamente 5 a 10 micrómetros, y en el cual la capa de recubrimiento de baño (26) tiene un espesor de aproximadamente 5 a 60 micrómetros.

7. El convertidor catalítico de la reivindicación 1, en el cual la capa de recubrimiento de baño (26) aisladamente considerada tiene una superficie específica comprendida entre aproximadamente 200 y 350 m^{2}/gramo.

8. El convertidor catalítico de la reivindicación 1, en el cual el volumen de poros de la capa de recubrimiento de baño (26) está comprendido entre aproximadamente 0,2 y 0,9 cm^{3}/gramo, y el tamaño medio de poro varía desde aproximadamente 3 a 25 nm.

9. El convertidor catalítico de la reivindicación 1, en el cual la capa anodizada (24) tiene una morfología diferente que la capa de recubrimiento de baño (26).

10. El convertidor catalítico de la reivindicación 1, en el cual el núcleo (22) es un núcleo monolítico que incluye una pluralidad de aletas desalineadas (23) que proporcionan un camino tortuoso de flujo de aire, llevando las aletas (23) las capas anodizadas y de recubrimiento de baño (24 y 26).