CN113339106A - 蓝钻材料在柴油颗粒捕集器再生中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了蓝钻材料在柴油颗粒捕集器再生中的应用，利用蓝钻材料作为阳极材料，水作为电解质，在一定的通电条件下，电解水的同时对柴油颗粒捕集器(DPF)内部进行冲洗，由于通电后在水中生成了大量的强氧化性物质，能够有效地使DPF的颗粒物溶解脱落，经过冲洗后带走，从而实现DPF再生，氧化效率、再生效率更高，且无需高耗能加热的同时，也不会引起DPF内过滤体破损，还不会产生环境污染物，在进行DPF再生处理后还会重新还原成水，可以循环使用，不会造成浪费，然后吹干即可，后处理简单，不破坏原来的金属涂层，利用水就可以实现DPF再生，无需其他化学试剂，成本低，安全方便，也不会对DPF内部催化剂造成损害。
Description
技术领域
本发明涉及柴油机DPF再生技术领域，更具体地，涉及蓝钻材料在柴油颗粒捕集器再生中的应用。
背景技术
在柴油机排放的污染物中包括一种碳颗粒(PM)，DPF(Diesel ParticulateFilter-柴油颗粒捕集器)用于捕捉废气中的碳颗粒，其中，在DPF内积聚碳颗粒过多时，会导致发动机排气背压不断增加，当排气背压增加超过一定限值时发动机的油耗增加、动力性下降，此时就必须去除沉积的颗粒物才能维持颗粒捕集器及发动机的正常工作，而这个过程就称之为捕集器DPF再生。
根据颗粒捕集器的再生原理差异，可将再生技术分为主动再生与被动再生两大类。其中被动再生是通过涂覆于颗粒捕集器过滤体(载体)上的催化剂，借助排气内热能，以及废气中的氧化性气体组分(例如：氧气、二氧化氮)，对堆积于过滤体内的颗粒物进行氧化，从而达到再生的效果。被动再生无需借助发动机及汽车的其他装置即可实现再生，但是由于受催化剂的起燃温度范围，以及排气组分等再生条件的限制，并且受到发动机运行工况波动的影响较为明显，往往不能达到最佳再生效果，因此被动再生技术通常需要与主动再生技术相互配合。当前，主动再生可利用外部加热源(喷油助燃、电加热、微波加热)使过滤体温度提升，实现对颗粒物的氧化再生；也可通过非加热的机械手段(逆向高压喷气、机械振动)，使颗粒物从过滤体上脱落实现再生。但是，利用外部热源加热颗粒捕集器实现再生，不但需要大量耗能，还会出现在再生过程中加温不够充分，或是加温温度过高导致捕集器烧蚀的问题。而采用逆向高压反吹则需要将颗粒捕集器从发动机排气系统中拆除，再生工序复杂，拆装难度大。振动再生则会对捕集器的过滤体造成开裂、破损等机械损伤。中国专利CN101413416A公开了一种柴油机排气净化装置，增设NOx催化还原反应器，利用臭氧来实现再生，但是臭氧在高温条件下已经分解，再生效率低，而产生臭氧气体一般都采用高压放电式臭氧发生器，不仅安全性差，还会产生大量的有害氮氧化物，因此，迫切需要一种无需对颗粒捕集器进行高耗能加热，又不会引起捕集器过滤体破损且对环境无污染的高效清洁的再生方法来DPF再生。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有DPF再生过程中需要高耗能加热，容易引起捕集器过滤体破损，再生效率低，会产生环境污染物的缺陷和不足，提供一种蓝钻材料在柴油颗粒捕集器再生中的应用，利用蓝钻材料作为阳极，水作为电解质，电解水的同时对DPF内部进行冲洗，可以有效去除DPF上附着的颗粒，效率高，最后可以重新还原为水，不会产生环境污染物，更加环保，无需高耗能加热，更不会导致捕集器过滤体破损。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
蓝钻材料在柴油颗粒捕集器再生中的应用，所述蓝钻材料作为阳极材料，水作为电解质，然后通电，同时利用通电处理的水对柴油颗粒捕集器内部进行冲洗；所述通电处理的工作电流为1～1.79A，工作电压为6.8～10.1V。
本发明利用蓝钻材料作为阳极材料，水作为电解质，在一定的通电条件下，电解的同时对DPF内部进行冲洗，此时会产生大量的羟基自由基、臭氧、氧原子等，因此具有强氧化性，能够有效地与颗粒物反应，使其溶解脱落，并随水流出DPF，最后吹干DPF，实现DPF再生。要把水通过电解，使其生成大量羟基自由基(·OH)、氧原子(O)和活氧分子(O3)等强氧化基团，要求电极材料具有优异的抗氧化特性，而本发明的蓝钻材料(导电金刚石)的电化学窗口宽，抗氧化性能最优异，可长时间工作，在低电压情况下可以瞬间将水分子电解得到·OH、O、O3多种强氧化基团，如等强氧化基团，相当于对水进行“重构”。另外，相对于现有的利用臭氧实现DPF再生的方法，利用本发明的方法处理的水氧化能力比臭氧气体强，所以氧化效率更高；而且臭氧气体不具备水的冲刷作用，因此本发明对DPF冲洗的再生效率更高；而一般都采用高压放电式臭氧发生器产生臭氧气体，不仅安全性差，还会产生大量的有害氮氧化物，本发明的方法无需采用高耗能加热的同时，不会产生环境污染物，在进行DPF再生处理后，还会重新还原成水，可以循环使用，不会造成浪费，然后吹干即可，后处理简单。值得一提的是，·OH、O、O3等成分不会对以贵金属为主要成分的催化剂造成损害，从而影响其催化效果，避免了目前一些使用酸碱去溶解颗粒物的再生方式以及使用高温燃烧的再生方式会对DPF催化剂造成损害的情况。
优选地，所述工作电流1.5～1.79A，工作电压8～10.1V。
优选地，所述对柴油颗粒捕集器内部进行冲洗的时间为10～40min。
优选地，所述蓝钻材料的制备方法为：采用热丝化学气相沉积法在IIb型金刚石颗粒上沉积导电的金刚石涂层，制得蓝钻材料，其中所述IIb型金刚石颗粒，线径为4nm～1mm，金刚石涂层的厚度为4nm～10μm。
优选地，所述沉积在热丝化学气相沉积设备中进行，条件如下：基台温度500～800℃，热丝温度180～2400℃，气压1～5kPa，通入氢气100～1000SCCM，甲烷1～20SCCM，硼烷1～20SCCM，10分钟～60min。
优选地，先将IIb型金刚石颗粒分别用双氧水、硝酸、纯水、酒精清洗并烘干，之后置入热丝化学气相沉积设备中生长。
优选地，所述对DPF进行冲洗时的水流量为116～200mL/min。
优选地，使用喷枪对DPF进行冲洗。
优选地，所述对DPF进行冲洗的温度为5～40℃。
优选地，所述冲洗的过程中还包括采用超声波和/或加压的手段。超声波的机械振动可有助于颗粒物从过滤体上脱落；加压有助于羟基自由基、臭氧等更充分地溶于水中，提高氧化能力。
优选地，所述超声波的频率为20～40kHz。
优选地，所述加压的压强为200～300kpa。
优选地，冲洗之后，利用高压气流将DPF内的水分带走。
优选地，所述高压气流的气流量16～20L/min。
一种柴油颗粒捕集器再生用清洗水的制备方法，包括如下步骤：采用蓝钻材料作为阳极材料，水作为电解质，然后通电；所述通电处理的工作电流为1～1.79A，工作电压为6.8～10.1V。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用蓝钻材料作为阳极材料，水作为电解质，在一定的通电条件下，电解水的同时对DPF内部进行冲洗，由于通电后在水中生成了大量的强氧化性物质，能够有效地使DPF的颗粒物溶解脱落，经过冲洗后带走，从而实现DPF再生，相对于现有的利用臭氧实现DPF再生的氧化效率更高，对DPF的再生效率高，且无需高耗能加热的同时，也不会引起DPF内过滤体破损，还不会产生环境污染物，在进行DPF再生处理后还会重新还原成水，可以循环使用，不会造成浪费，然后吹干即可，后处理简单，不破坏原来的金属涂层，利用水就可以实现DPF再生，无需其他化学试剂，成本低，安全方便，也不会对DPF内部催化剂造成损害。
附图说明
图1为未经再生处理的40000km轻卡DPF模块切片的表面图。
图2为未经再生处理的40000km轻卡DPF模块切片的内部通道图。
图3为经本发明实施例1的方法再生处理后的40000km轻卡DPF模块切片的表面图。
图4为经本发明实施例1的方法再生处理后的40000km轻卡DPF模块切片的内部通道图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
下列使用的蓝钻材料参照中国专利CN108611655A中的“导电金刚石颗粒”的制备方法，具体步骤如下：
采用热丝化学气相沉积法在常规的高温高压金刚石颗粒上沉积CVD导电的金刚石涂层，选用本身不导电的常见IIb型金刚石颗粒，线径为4nm～1mm，先分别用双氧水、硝酸、纯水、酒精等清洗并烘干，之后置入热丝化学气相沉积设备中生长，生长条件如下：基台温度500～800℃，热丝温度180～2400℃，气压1～5kPa，通入氢气100～1000SCCM，甲烷1～20SCCM，硼烷1～20SCCM，生长10分钟～60min，于上述金刚石颗粒上形成导电金刚石包裹层，该包裹层的厚度为4nm～10μm，即形成复合结构的表面导电的金刚石颗粒，作为以下各实施例和对比例中使用到的蓝钻材料。
实施例1
蓝钻材料在柴油颗粒捕集器再生中的应用，包括如下步骤：
取40000km轻卡DPF模块切片作为实验样品(直径140mm，长55mm，重量191.765g)，利用蓝钻材料作为阳极材料，不锈钢作为阴极材料，水作为电解质，将电极材料通入水中，然后通电，同时利用通电处理的水对DPF内部进行冲洗；所述通电处理的工作电流为1.79A，工作电压10.1V，喷枪水流量116ml/min，对DPF内部进行冲洗的时间为10min。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，在对DPF进行冲洗的过程中还增加了超声波，超声波频率为40kHz。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，在对DPF进行冲洗的过程中还加压处理，压强为300kPa。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，将工作电流替换为1A，工作电压替换为6.8V。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，将工作电流替换为1.5A，工作电压替换为8V。
对比例1
本对比例与实施例的区别在于，采用清水对实验样品进行冲洗。
性能测试
再生效率的计算方式为：取与实验样品相同规格的0km轻卡DPF模块切片(直径140mm，长55mm)作为参照样品，称量得到其重量187.171g，由此得到颗粒物重量＝实验样品的重量-参照样品的重量，然后利用上述各实施例和对比例的方法进行DPF再生，记录再生处理后的实验样品的重量，计算脱落颗粒物的重量＝再生处理前实验样品的重量-再生处理后的实验样品的重量，再生效率＝脱落颗粒物的重量/颗粒物重量×100％。
表1各实施例和对比例的再生处理结果
由表1可知，本发明各实施例的再生效率高，均达到90％以上，很大程度上去除沉积在DPF上的碳颗粒，很好地完成DPF再生，使其能够继续使用。而本发明的再生效率远高于对比例1～3采用清水冲洗的再生效率，并且相对于现有的利用臭氧实现DPF再生的氧化效率更高，对DPF的再生效率高。
未经再生处理的40000km轻卡DPF模块切片如图1和图2所示，可以清楚地看出原本未经处理的DPF模块切片的表面及内部通道吸附有大量颗粒物，这些颗粒物使得DPF模块切片的内部通道变小甚至完全堵塞，经过实施例1的方法再生处理后，其处理效果如图3和图4所示，DPF模块切片的表面及内部通道吸附的颗粒物几乎被完全清除了，DPF模块切片的内部通道大小恢复如初，完全畅通。
本发明的DPF再生方法，采用蓝钻材料作为阳极材料，利用通电处理的水对DPF内部进行冲洗，由于通电后在水中生成了大量的强氧化性物质，能够有效地使DPF的颗粒物溶解脱落，经过冲洗后带走，从而实现DPF再生，整个过程无需高耗能加热，也不会引起DPF内过滤体破损，相对于现有的利用臭氧实现DPF再生的方法更为优越，同时DPF再生处理后还会重新还原成水，可以循环使用，不会产生环境污染物，也不会造成浪费。
由下表2可以看出来，·OH、O、O3强氧化基团的氧化电位很高，而蓝钻材料抗氧化性能优异，可以稳定存在，还可以在低电压情况下将水分子电解得到多种强氧化基团。
表2氧化基团及其氧化电位图
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.蓝钻材料在柴油颗粒捕集器再生中的应用，其特征在于，所述蓝钻材料作为阳极材料，水作为电解质，然后通电，同时利用通电处理的水对柴油颗粒捕集器内部进行冲洗；所述通电处理的工作电流为1～1.79A，工作电压为6.8～10.1V。
2.根据权利要求1所述应用，其特征在于，所述工作电流1.5～1.79A，工作电压8～10.1V。
3.根据权利要求1所述应用，其特征在于，所述对柴油颗粒捕集器内部进行冲洗的时间为10～40min。
4.根据权利要求1所述应用，其特征在于，所述蓝钻材料的制备方法为：采用热丝化学气相沉积法在IIb型金刚石颗粒上沉积导电的金刚石涂层，制得蓝钻材料，其中所述IIb型金刚石颗粒，线径为4nm～1mm，金刚石涂层的厚度为4nm～10μm。
5.根据权利要求4所述应用，其特征在于，所述沉积在热丝化学气相沉积设备中进行，条件如下：基台温度500～800℃，热丝温度180～2400℃，气压1～5kPa，通入氢气100～1000SCCM，甲烷1～20SCCM，硼烷1～20SCCM，10～60min。
6.根据权利要求1所述应用，其特征在于，所述对柴油颗粒捕集器进行冲洗时的水流量为116～200mL/min。
7.根据权利要求1所述应用，其特征在于，所述冲洗的过程中还包括采用超声波和/或加压的手段。
8.根据权利要求7所述应用，其特征在于，所述超声波的频率为20～40kHz。
9.根据权利要求7所述应用，其特征在于，所述加压的压强为200～300kPa。
10.一种柴油颗粒捕集器再生用清洗水的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：采用蓝钻材料作为阳极材料，水作为电解质，然后通电；所述通电处理的工作电流为1～1.79A，工作电压为6.8～10.1V。
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- 2021-06-24 CN CN202110708017.2A patent/CN113339106A/zh active Pending
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