CZ307624B6 - Kompozitní materiál pro filtraci spalin a způsob vytvoření tohoto materiálu - Google Patents
Kompozitní materiál pro filtraci spalin a způsob vytvoření tohoto materiálu Download PDFInfo
- Publication number
- CZ307624B6 CZ307624B6 CZ2013-342A CZ2013342A CZ307624B6 CZ 307624 B6 CZ307624 B6 CZ 307624B6 CZ 2013342 A CZ2013342 A CZ 2013342A CZ 307624 B6 CZ307624 B6 CZ 307624B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- nanofibres
- nanoparticles
- catalytically active
- functional
- layer
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 238000001914 filtration Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 title abstract description 27
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title description 3
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 38
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 claims abstract description 25
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 13
- 238000009987 spinning Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 claims abstract description 9
- 238000010041 electrostatic spinning Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000007774 longterm Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims abstract 4
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims abstract 4
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 8
- -1 titanium alkoxide Chemical class 0.000 claims description 8
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 7
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 7
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 7
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 claims description 6
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 claims description 6
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 6
- 150000001732 carboxylic acid derivatives Chemical class 0.000 claims description 5
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 5
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 claims description 4
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 2
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 claims 1
- 239000005543 nano-size silicon particle Substances 0.000 claims 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 33
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 30
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 15
- OGBQILNBLMPPDP-UHFFFAOYSA-N 2,3,4,7,8-Pentachlorodibenzofuran Chemical compound O1C2=C(Cl)C(Cl)=C(Cl)C=C2C2=C1C=C(Cl)C(Cl)=C2 OGBQILNBLMPPDP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 8
- VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N titanium(IV) isopropoxide Chemical compound CC(C)O[Ti](OC(C)C)(OC(C)C)OC(C)C VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 7
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 7
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 5
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 description 4
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 4
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 4
- 239000012784 inorganic fiber Substances 0.000 description 4
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N dimethylformamide Substances CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 3
- HHFAWKCIHAUFRX-UHFFFAOYSA-N ethoxide Chemical compound CC[O-] HHFAWKCIHAUFRX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 3
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 3
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 3
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 3
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000012982 microporous membrane Substances 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- YKTSYUJCYHOUJP-UHFFFAOYSA-N [O--].[Al+3].[Al+3].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] Chemical compound [O--].[Al+3].[Al+3].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] YKTSYUJCYHOUJP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000004760 aramid Substances 0.000 description 1
- 229920003235 aromatic polyamide Polymers 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000011852 carbon nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 238000003421 catalytic decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010531 catalytic reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 125000001309 chloro group Chemical group Cl* 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 230000000185 dioxinlike effect Effects 0.000 description 1
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 239000003622 immobilized catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000012625 in-situ measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 description 1
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 1
- OGHBATFHNDZKSO-UHFFFAOYSA-N propan-2-olate Chemical compound CC(C)[O-] OGHBATFHNDZKSO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000028016 temperature homeostasis Effects 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical group 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Catalysts (AREA)
- Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
Abstract
Vynález se týká kompozitního materiálu pro filtraci spalin, který obsahuje funkční nanovlákennou složku z polymerů. Polymery jsou organické a jsou tepelně odolné v rozmezí teplot 180 až 300 °C, přičemž nanovlákenná složka obsahuje katalyticky aktivní nanočástice vázané v hmotě nanovláken zvlákněním organického polymeru s přimíchanými částicemi nebo vázané na povrchu nanovláken tepelnou solidifikací ze solu naneseného po vytvoření nanovláken. Vynález se také týká způsobu výroby kompozitního materiálu pro filtraci spalin. Elektrostatickým zvlákňováním organického polymeru s teplotní stabilitou v rozmezí teplot 180 až 300 °C při dlouhodobé zátěži se vytvoří funkční nanovlákenná vrstva, přičemž katalyticky aktivní nanočástice se buď přímo přidají do zvlákňovaného organického polymeru nebo se dodatečně naváží na povrch nanovláken tepelnou solidifikací ze solu naneseného po vytvoření nanovláken, načež se funkční nanovlákenná vrstva mechanicky spojí s membránou (2) pro odlučování pevných částic na straně přívodu spalin (1).
Description
Kompozitní materiál pro filtraci spalin a způsob vytvoření tohoto materiálu
Oblast techniky
Vynález se týká kompozitního materiálu pro filtraci spalin, který obsahuje funkční nanovlákennou složku z polymerů.
Vynález se také týká způsobu výroby kompozitního materiálu pro filtraci spalin.
Dosavadní stav techniky
Kompozitní textilní filtr pro katalytickou filtraci průmyslových spalin je popsán v EP 0 854 751 Bl. Předmětem tohoto patentuje umístění katalytických částic ve hmotě polytetraflurethylenové (PTFE) fólie, která je následně využitím systému napínání a ojednocování ojehlenými válci přetvořena do formy plochých vlákenných útvarů, jež jsou následně pojeny mechanicky do formy vpichované netkané vrstvy. Umístěním katalytických částic ve hmotě relativně tlustých vlákenných útvarů je však velmi významně snížena jejich katalytická účinnost, protože ta závisí na ploše styku spalin s povrchem katalytických částic a aktivní jsou pouze částice vyčnívající z povrchu PTFE vlákenných útvarů.
Podle CN 101357279 je práškový katalyzátor nanesen na mikroporézní membránu polytetrafluorethylenu (teflonu) a vpichováním je mechanicky zachycen v povrchu této membrány. Prosté mechanické zatlačení částic katalyzátoru do polytetrafluorethylenové membrány však není postačující. Dalším výrazným nedostatkem je relativně malý měrný povrch a významné tlakové ztráty u jednoduché mikroporézní membrány, čímž se v provozních podmínkách při filtraci a katalytickém dočišťování spalin dosahuje nižší jednotkové účinnosti při větších tlakových ztrátách.
Metoda přípravy polytetrafluorethylenových vláken obsahujících ve své hmotě práškový katalyzátor použitelný pro rozklad plynných škodlivin je popsána také v CN 1978717.
Z CZ 294274, respektive z WO 2005/024101, je znám postupu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním. V CZ 294274, respektive ve WO 2005024101, však nejsou podrobněji specifikovány polymemí roztoky pro přípravu nanovláken.
CN 101284226 popisuje přípravu membrány z nanovláken až mikrovláken oxidu titaničitého použitelné jako fotokatalyzátor, nosič enzymů, adsorpční materiál a tepelně a chemicky vysoce odolný materiál. Výsledný produkt může mít i určité katalytické vlastnosti na plynné škodliviny, pro tyto účely však není deklarovaný a samotná nanovlákenná vrstva nemá dostatečné mechanické vlastnosti pro použití při filtraci spalin.
CN 101502796 popisuje kombinovaný selektivní denitrifikační katalyzátor na bázi nanočástic oxidu titaničitého (60 až 85 %) s denitrifikačními komponentami WO3 a V2O5 (4 až 25 % v poměru WO3 a V2O5 10 až 20 : 1) a pojivém skleněnými vlákny (5 až 20 %). Katalyzátor je určen pro denitrifikaci odpadových plynů z velkých tepelných zdrojů a jeho reakční teplota je 250 až 400 °C.
V JP 3221146 je popsáno zvýšení chemické odolnosti anorganických vláken určených jako nosič katalyzátorů a filtrační materiál v kyselých plynech odcházejících ze spalovacích procesů. Princip tohoto řešení spočívá v potažení skleněných vláken vrstvou oxidu titaničitého metodou sol-gel. Výsledný materiál vykazuje vyšší odolnost proti působení kyselých složek odpadových plynů, není však deklarován jako katalyzátor (pouze jako potenciální nosič katalyzátorů) a vlastním substrátem jsou anorganická vlákna.
- 1 CZ 307624 B6
Metoda přípravy katalytického filtru založeného na vláknech systému SiO2-TiO2 vyrobených metodou sol-gel a povrchově upravených oxidy V2O5 a WO3 je popsána vJP 6134306. Katalytický filtr je určen pro čistění odpadových plynů ze spalovacích procesů, vykazuje však nižší mechanickou odolnost tohoto filtru při otřesech v proudu čištěného odpadového plynu vzhledem k horším mechanickým vlastnostem anorganických vláken v praktických podmínkách. Podobný je i US 2007/289270 AI s katalytickými částicemi různého složení včetně TiO2 na povrchu anorganických keramických vláken (oxidu křemičitého, oxidu hlinitého nebo křemičitanu hlinitého) nebo WO 2009/110505 AI popisující anorganická vlákna s blíže nespecifikovanou katalytickou vrstvou o tloušťce do 20 % průměru vláken.
Dvouvrstvá tkanina podle JPH 11207115 je určena k odstranění prachu a ke katalytickému rozkladu organických látek obsahujících chlor. První vrstva je složena z vláken s obsahem oxidů Ti, Si, AI, Zr a/nebo Mo a slouží k oddělení prachu před katalytickou vrstvou. Druhá vrstva obsahuje obdobné oxidy jako první vrstva a navíc řadu oxidů nebo kovů ze skupiny přechodných kovů (včetně V a W). Obě vrstvy jsou slepeny sólem oxidu křemičitého nebo hlinitého. Podobnou náplň má i JPH 11309316, který má navíc ještě absorpční mezivrstvu s aktivními uhlíkovými vlákny.
WO 2008027265 A2 popisuje přípravu nanovláken se zvětšeným povrchem a s přídavkem nanočástic uhlíku nebo jiných nanočástic před zvlákňováním. Zvětšený povrch je výhodný pro řadu aplikací, mimo jiné i obecně jako nosič katalyzátorů. Další možností je získání nanovláken z kovů nebo jiných materiálů tepelným rozkladem nanovláken s nanočásticemi a spojením těchto nanočástic do anorganických nanovláken. Velmi podobné jsou i WO 2009/074630 A2 a WO 2009/140381 AI.
JPH 11309317 popisuje zlepšení podmínek pro dlouhodobou expozici filtrů pro odstranění prachu a současnou katalytickou redukci plynných škodlivin v odpadových plynech z pecí. Princip spočívá vtom, že ze strany přívodu plynu s prachem je nejdříve tepelně odolná membrána z polytetrafluorethylenu s velmi malými póry, která zabrání průniku prachových částic do druhé vrstvy s katalyzátory, adsorbenty a neutralizátory. Tato druhá vrstva je tvořena vlákny polyimidu, polyfenylensulfidu nebo podobnými tepelně odolnými organickými materiály. Principem tohoto řešení je porézní film přilepený termickým tlakovým pojením těsně na přívodní stranu výfukového plynu u hadicového filtru vytvořeného z polyfenylensulfidové, polyamidové nebo jiné podobné netkané textilie, která nese částice činidla pro katalytické čištění plynu, adsorbent, neutralizér, nebo obdobné materiály ve vlákně. Porézní film z polytetrafluorethylenu je tepelně odolný a má jemné póry, které jsou menší, než průměr částic činidla naneseného na vlákna filtrační tkaniny a menší, než průměr částic prachu tak, aby částice prachu nemohly penetrovat do filtrační tkaniny a narušovat průchod výfukového plynu.
Cílem tohoto vynálezu je odstranit nebo alespoň minimalizovat nevýhody dosavadního stavu techniky, zejména zlepšit měrnou účinnost katalytické reakce.
Podstata vynálezu
Cíle vynálezu je dosaženo kompozitním materiálem pro filtraci spalin, jehož podstata spočívá v tom, že katalytické nanočástice jsou umístěny do nanovlákenné vrstvy s vyšší tepelnou a chemickou stabilitou imobilizací do hmoty nebo jsou umístěny na povrch nanovláken (průměr nanovláken v rozmezí 50 až 500 nm). Tímto postupem je oproti obvykle používanému umístění katalytických částic do hrubých vpichovaných polytetrafluorethylenových vlákenných materiálů nebo jiných nosičů katalyzátorů (viz dosavadní stav techniky) dosaženo znatelně vyšší měrné reakční plochy pro katalytické reakce. Vzhledem ktéto skutečnosti je možné pro dosažení obdobné efektivity katalytické reakce jaká se dosahuje řešeními dle stavu techniky použít značně
-2CZ 307624 B6 nižšího množství katalytické složky ve funkční vrstvě, respektive je možné při menší tloušťce funkční vrstvy významně snížit tlakové ztráty filtrovaného proudu spalin.
Potřebná nanovlákna lze připravit z organických polymerů s dostatečnou teplotní stabilitou (180 až 300 °C při dlouhodobé zátěži). S výhodou je využíván polyimid (PI) vzhledem k vynikající zvláknitelnosti tohoto polymeru do formy nanovlákenných materiálů. Mohou však být použity i další typy polymerů, např. polyfenylensulfid (PPS), polybenzaxolové typy polymerů, nebo deriváty aramidových polymerů, pokud jsou zvláknitelné do formy nanovláken a jejich fyzikální a chemické vlastnosti vyhovují cílené aplikaci. Jako katalyticky aktivní komponenta mohou sloužit směsi nanočástic anorganických oxidů kovů např. TiO2, V2O5, WO3, nebo nanočástice vzácných kovů, např. Pt, nebo jiné dostupné nanočástice katalyticky aktivních látek v korespondujících rozměrech (1 až 500 nm).
Funkční nanovlákenná složka s imobilizovánými katalyzátory je mechanicky pojena do výsledného kompozitního textilního materiálu. Ten se skládá z následujících komponent:
- PTFE vpichovaná textilie armovaná tkaninou
- polyimidová (PI) nanovlákenná vrstva s imobilizovanými nanočásticemi katalyzátorů
- PTFE membrána na vstupní straně filtru.
Nanočástice katalytických oxidů mohou být do nanovlákenné vrstvy z tepelně odolného polymeru imobilizovány dvěma metodami, které mohou být i kombinovány. První metodou je přímá dispergace směsi katalytických nanočástic ve zvlákňovaném polymemím roztoku a následné přípravě nanovláken elektrostatickým zvlákňováním. Druhá metoda spočívá v imobilizaci katalytických oxidů na povrchu předem připravených nanovláken metodou sol-gel. V tomto případě jsou nanočástice katalytických oxidů rozptýleny v sólu vhodného složení, naneseny na povrch nanovláken namočením nebo nastříkáním a jsou zafixovány tepelným zpracováním. Hlavním přínosem těchto postupů je výrazné zvýšení reakční plochy, tedy plochy styku mezi proudícím plynným médiem a katalytickou složkou oproti řešením ze stavu techniky, v němž jsou katalytické složky umístěny v hrubých vláknech vpichované PTFE textilie. Umístění katalyzátorů na nanovlákna umožňuje použití procentuálně menšího množství katalytických složek, než je u technologií dle stavu techniky, což znatelně ovlivňuje ekonomičnost přípravy filtračního materiálu. Parametry imobilizace a složení směsi katalytických nanočástic zásadní měrou ovlivňují katalytickou aktivitu nanočástic a tedy i celkovou účinnost katalytické filtrace.
Stanovení katalytické účinnosti připravených vzorků bylo provedeno v reálných podmínkách horkých spalin tak, aby byly splněny požadavky normy ČSN EN 1948-1 Stacionární zdroje emisí
- stanovení hmotnostní koncentrace PCDD/PCDF a dioxinům podobných PCB - část 1: vzorkování PCDD/PCDF. Měření in sítu probíhala v řádu hodin až desítek hodin. Po tuto dobu byly nečištěné spaliny z průmyslové spalovny odebírány ze spalinovodu a vedeny vyhřívaným potrubím s termoregulací do teplotní komory, kde se proud dělil na dvě větve. Větev A procházela přes vzorek filtračního materiálu, větev B byla jako bypass mimo filtr pro určení aktuální koncentrace kontaminantů ve spalinách (okamžité koncentrace PCDD/PCDF při provozu kolísají až několikanásobně a pro určení katalytické účinnosti je tedy nelze brát za známé a konstantní). Spaliny v obou větvích byly potom vedeny přes soustavu chladičů a kondenzačních baněk na sorpční trubičky z vysoce čištěného polyuretanu (PUF) spikovaného PCDD/PCDF obsahujícího izotop 13C. Na PUF docházelo k záchytu PCDD/PCDF ze spalin. Obě PUF trubičky (testovací a srovnávací) byly po měření odeslány na analýzu do akreditované laboratoře a účinnost byla hodnocena poměrem stanovených obsahů PCDD/PCDF v nich.
Objasnění výkresů
Na obrázku 1 je v řezu schematicky znázorněno příkladné provedení kompozitního materiálu pro filtrování spalin dle tohoto vynálezu.
-3 CZ 307624 B6
Příklady uskutečnění vynálezu
Vynález je dále dokumentován příklady, jimiž však nejsou dokumentovány všechny možnosti, jejichž použití a využití jsou průměrnému odborníkovi při znalosti tohoto vynálezu jasné z tohoto textu.
Příklad provedení kompozitního materiálu pro filtraci spalin vytvořeného dle tohoto vynálezu je znázorněn na obrázku. V proudu spalin 1 je umístěna membrána 2 sloužící k odlučování pevných částic ze spalin a k zajištění pulzní čistitelnosti filtru. Ve směru proudění spalin 1 za membránou 2 je situována nosná PTFE netkaná textilie 5, v jejíž (ve směru proudění spalin 1) přední části je situována armovací tkanina 3, za kterou jsou v nosné PTFE netkané textilii 5 situovány rozptýlené části 4 nanovlákenné vrstvy. Části 4 nanovlákenné vrstvy jsou příkladně tvořeny PI nanovlákny s imobilizovanými nanočásticemi katalyzátorů umístěnými ve hmotě nebo na povrchu částí 4 nanovlákenné vrstvy. Části 4 nanovlákenné vrstvy jsou mechanicky, např. technologií vpichování, distribuovány a fixovány v objemu nosné PTFE netkané textilie 5. Části 4 nanovlákenné vrstvy netvoří ve filtračním kompozitním materiálu dle tohoto provedení kompaktní vrstvu, ale jsou umístěny v mezivlákenných prostorách nosné PTFE netkané textilie 5.
Příklad 1
Nanovlákenná vrstva byla připravena elektrostatickým zvlákňováním roztoku kyseliny polyamid karboxylové v organickém rozpouštědle (použito bylo zařízení Nanospider výrobce Elmarco). Do zvlákňovacího roztoku 22% kyseliny polyamid karboxylové v Ν,Ν-dimethylformamidu byly předem přidány nanočástice katalytických oxidů TiO2, V2Os a WO3 v hmotnostním poměru 95 : 2,5 : 2,5 v celkovém množství 2 % hmota, zvlákňovacího roztoku. Vytvořená nanovlákenná vrstva byla následně v horkovzdušné peci imidizována sekvencí teplotního působení až do 250 °C. Nanovlákenná vrstva byla následně vložena sendvičově mezi nosné vrstvy PTFE vpichované textilie a byla mechanicky (např. vpichováním) s nimi spojena.
Stanovení katalytické účinnosti tohoto kompozitního filtračního materiálu při odbourávání PCDD/PCDF in sítu potvrdilo 70% účinnost při plošném obsahu katalytické složky 0,4 g/m2 finálního kompozitního filtračního materiálu. Pro srovnání: Obsah katalytické složky ve standardním katalytickém materiálu dle stavu techniky s hrubými vlákny je 200 až 500 g/m2.
Příklad 2
Nanovlákenná vrstva byla připravena elektrostatickým zvlákňováním 26% roztoku kyseliny polyamid karboxylové v organickém rozpouštědle Ν,Ν-dimethylformamidu (použito bylo zařízení Nanospider výrobce Elmarco). Vytvořená nanovlákenná vrstva byla imidizována v horkovzdušné pícce při teplotě 250 °C. Nanočástice katalytických materiálů (TiO2, WO3 a V2O5 v hmotnostním poměru 89 : 10 : 1) byly naneseny na imidizovanou nanovlákennou vrstvu nastříkáním ve formě disperze v sólu připraveném metodou sol-gel z isopropoxidu titaničitého (jinak nazývaného tetraizopropyltitanát) v izopropylalkoholu přídavkem vody za kyselé katalýzy HC1. Celkový obsah sušiny (netěkavých složek vzniklých hydrolýzou isopropoxidu titaničitého) v připraveném sólu byl 2,0 % hmota., přídavek vody pro hydrolýzu isopropoxidu odpovídal hodnotě molámího poměru [H2O] / [isopropoxid titaničitý] = 2,3 a hmotnostní poměr nanočástice : sušina byl 40 : 60. Celková hmotnost nanesených složek (sušina + nanočástice) na nanovlákna odpovídala 50 % hmotnosti nanovláken. Pro zafixování nanočástic na povrchu nanovláken byl výsledný produkt zahřát v horkovzdušné pícce na teplotu 250 °C.
Stanovení katalytické účinnosti tohoto filtračního materiálu při odbourávání PCDD/PCDF in sítu potvrdilo 85% účinnost při plošném obsahu katalytické složky 1,25 g/m2 finálního filtračního
-4CZ 307624 B6 materiálu. Pro srovnání: Obsah katalytické složky ve standardním katalytickém materiálu dle stavu techniky s hrubými vlákny je 200 až 500 g/m2.
Příklad 3
Nanovlákenná vrstva byla připravena elektrostatickým zvlákňováním 26% roztoku kyseliny polyamid karboxylové v organickém rozpouštědle Ν,Ν-dimethylformamidu na zařízení Nanospider. Vytvořená nanovlákenná vrstva byla imidizována v horkovzdušné pícce při teplotě 250 °C. Nanočástice katalytických materiálů (TiO2 a WO3 v hmotnostním poměru 92 : 8) byly naneseny na imidizovanou nanovlákennou vrstvu nastříkáním ve formě disperze v sólu připraveném metodou sol-gel z ethoxidu křemičitého (jinak nazývaného tetraethylorthosilikát) v izopropylalkoholu přídavkem vody za kyselé katalýzy HC1. Celkový obsah sušiny (netěkavých složek vzniklých hydrolýzou ethoxidu křemičitého) v připraveném sólu byl 2,0% hmotn., přídavek vody pro hydrolýzu ethoxidu odpovídal hodnotě molámího poměru [H2O] / [ethoxid křemičitý] = 2,3 a hmotnostní poměr nanočástice : sušina byl 52 : 48. Celková hmotnost nanesených složek (sušina + nanočástice) na nanovlákna odpovídala 50 % hmotnosti nanovláken. Pro zafixování nanočástic na povrchu nanovláken byl výsledný produkt zahřát v horkovzdušné pícce na teplotu 300 °C.
Maximální uváděná hodnota teplotní odolnosti 300 °C nanovláken podle tohoto vynálezu je horním teplotním limitem pro použití nanovláken typů uvedených dle tohoto vynálezu. Nanovlákenné materiály dle tohoto vynálezu lze použít i při nižších procesních teplotách, tj. při teplotách pod 300 ° C. Při teplotách pod uvedeným dolním limitem 180 °C lze také využít i běžnějších typů polymemích nanovlákenných materiálů. Tyto tzv. běžnější typy polymemích nanovlákenných materiálů však nejsou předmětem tohoto vynálezu. Z výše uváděných důvodů je proto rozmezí aplikovatelnosti teplotně odolných nanovlákenných vrstev dle tohoto vynálezu deklarováno v rozmezí teplot 180 až 300 °C. Při znalosti tohoto vynálezu je příprava konkrétních polymemích nanovláken spadajících do rozsahu tohoto vynálezu s teplotní odolností v rozmezí 180 až 300 ° C v rámci odborné dovednosti.
Stanovení katalytické účinnosti tohoto filtračního materiálu při odbourávání PCDD/PCDF in sítu potvrdilo 35% účinnost při plošném obsahu katalytické složky 1,25 g/m2 finálního filtračního materiálu. Pro srovnání: Obsah katalytické složky ve standardním katalytickém materiálu dle stavu techniky s hrubými vlákny je 200 až 500 g/m2.
PATENTOVÉ NÁROKY
Claims (10)
1. Kompozitní materiál pro filtraci spalin, který obsahuje funkční nanovlákennou složku z polymerů, vyznačující se tím, že polymery jsou organické a jsou tepelně odolné v rozmezí teplot 180 až 300 °C, přičemž nanovlákenná složka obsahuje katalyticky aktivní nanočástice vázané v hmotě nanovláken zvlákněním organického polymeru s přimíchanými částicemi nebo vázané na povrchu nanovláken tepelnou solidifikací ze sólu naneseného po vytvoření nanovláken.
2. Kompozitní materiál podle nároku 1, vyznačující se tím, že nanovlákna s katalyticky aktivními nanočásticemi jsou z polyimidu a katalyticky aktivní nanočástice jsou na bázi katalyticky aktivních oxidů.
3. Způsob výroby kompozitního materiálu pro filtraci spalin, vyznačující se tím, že se elektrostatickým zvlákňováním organického polymeru s teplotní stabilitou v rozmezí teplot 180 až 300 °C při dlouhodobé zátěži vytvoří funkční nanovlákenná vrstva, přičemž
-5 CZ 307624 B6 katalyticky aktivní nanočástice se buď přímo přidají do zvlákňovaného organického polymeru, nebo se dodatečně naváží na povrch nanovláken tepelnou solidifikací ze sólu naneseného po vytvoření nanovláken, načež se funkční nanovlákenná vrstva mechanicky spojí s membránou (2) pro odlučování pevných částic na straně přívodu spalin (1).
4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že funkční nanovlákenná vrstva se vytvoří elektrostatickým zvlákňováním roztoku kyseliny polyamid karboxylové nebo obdobné látky v rozpouštědle s následnou imidizací nanovláken při teplotě až 250 °C, přičemž nanovlákna nanovlákenné vrstvy mají průměr v rozmezí 50 nm až 500 nm.
5. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že do zvlákňovaného organického polymeru nebo na povrch nanovláken funkční nanovlákenné vrstvy se naváží katalytické nanočástice tvořené nanočásticemi katalyticky aktivních anorganických oxidů kovů o velikosti nanočástic 1 až 500 nm.
6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že do zvlákňovaného organického polymeru nebo na povrch nanovláken funkční nanovlákenné vrstvy se naváží katalyticky aktivní nanočástice tvořené směsí nanočástic TiO2, V2O5 a WO3.
7. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že katalyticky aktivní nanočástice se do zvlákňovaného organického polymeru přidají již před zahájením elektrostatického zvlákňování, čímž se stanou součástí hmoty vytvářených nanovláken.
8. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že katalyticky aktivní nanočástice se rozptýlí v sólu připraveném metodou sol-gel, výsledná směs se nanese namočením nebo nastříkáním na nanovlákna nanovlákenné vrstvy a následně se tepelně zafixuje na povrchu nanovláken zahřátím na teplotu až 250 °C.
9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že sol pro fixaci katalytických nanočástic na povrchu nanovlákem se připraví metodou sol-gel z alkoxidu titaničitého nebo alkoxidu křemičitého.
10. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že funkční nanovlákenná vrstva s vázanými katalytickými nanočásticemi se do výsledného kompozitního materiálu zapojí mechanickým vpichováním do nosné PTFE netkané textilie (5), která se spojí s membránou (2).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2013-342A CZ307624B6 (cs) | 2013-05-10 | 2013-05-10 | Kompozitní materiál pro filtraci spalin a způsob vytvoření tohoto materiálu |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2013-342A CZ307624B6 (cs) | 2013-05-10 | 2013-05-10 | Kompozitní materiál pro filtraci spalin a způsob vytvoření tohoto materiálu |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2013342A3 CZ2013342A3 (cs) | 2015-01-07 |
| CZ307624B6 true CZ307624B6 (cs) | 2019-01-23 |
Family
ID=52145151
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2013-342A CZ307624B6 (cs) | 2013-05-10 | 2013-05-10 | Kompozitní materiál pro filtraci spalin a způsob vytvoření tohoto materiálu |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ307624B6 (cs) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5620669A (en) * | 1995-08-15 | 1997-04-15 | W. L. Gore & Associates, Inc. | Catalytic filter material and method of making same |
| CZ294274B6 (cs) * | 2003-09-08 | 2004-11-10 | Technická univerzita v Liberci | Způsob výroby nanovláken z polymerního roztoku elektrostatickým zvlákňováním a zařízení k provádění způsobu |
| CZ297697B6 (cs) * | 2005-11-10 | 2007-03-07 | Elmarco, S. R. O. | Filtr pro odstranování fyzikálních a/nebo biologických necistot |
| KR20100020379A (ko) * | 2008-08-12 | 2010-02-22 | 삼성전기주식회사 | 연료 전지용 촉매층 및 그 제조 방법 |
| EP2222385A2 (en) * | 2007-11-20 | 2010-09-01 | Clarcor INC. | Filtration medias, fine fibers under 100 nanofibers, and methods |
| US20110194304A1 (en) * | 2008-05-13 | 2011-08-11 | Research Triangle Institute | Porous and non-porous nanostructures and application thereof |
| US8801998B2 (en) * | 2011-08-09 | 2014-08-12 | Mann+Hummel Gmbh | Method for producing a polyamide nanofiber product by electrospinning |
-
2013
- 2013-05-10 CZ CZ2013-342A patent/CZ307624B6/cs not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5620669A (en) * | 1995-08-15 | 1997-04-15 | W. L. Gore & Associates, Inc. | Catalytic filter material and method of making same |
| CZ294274B6 (cs) * | 2003-09-08 | 2004-11-10 | Technická univerzita v Liberci | Způsob výroby nanovláken z polymerního roztoku elektrostatickým zvlákňováním a zařízení k provádění způsobu |
| CZ297697B6 (cs) * | 2005-11-10 | 2007-03-07 | Elmarco, S. R. O. | Filtr pro odstranování fyzikálních a/nebo biologických necistot |
| EP2222385A2 (en) * | 2007-11-20 | 2010-09-01 | Clarcor INC. | Filtration medias, fine fibers under 100 nanofibers, and methods |
| US20110194304A1 (en) * | 2008-05-13 | 2011-08-11 | Research Triangle Institute | Porous and non-porous nanostructures and application thereof |
| KR20100020379A (ko) * | 2008-08-12 | 2010-02-22 | 삼성전기주식회사 | 연료 전지용 촉매층 및 그 제조 방법 |
| US8801998B2 (en) * | 2011-08-09 | 2014-08-12 | Mann+Hummel Gmbh | Method for producing a polyamide nanofiber product by electrospinning |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2013342A3 (cs) | 2015-01-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | Electrospun polymer composite membrane with superior thermal stability and excellent chemical resistance for high-efficiency PM2. 5 capture | |
| JP7382455B2 (ja) | 触媒的混合マトリックス膜層を含む多層複合体 | |
| CN107008152B (zh) | 一种具有光催化性能的凹凸棒石-类石墨相氮化碳复合陶瓷微滤膜及其制备方法和应用 | |
| EP2593206A2 (en) | Filtration media and applications thereof | |
| CN103170182B (zh) | 一种除尘和低温脱硝过滤材料及其制备方法和用途 | |
| CN107051110A (zh) | 喷漆废气处理设备及其处理工艺 | |
| Shahreen et al. | NO decomposition by CO over Pd catalyst supported on TiO2 nanofibers | |
| Xu et al. | One stone two birds: a sinter-resistant TiO 2 nanofiber-based unbroken mat enables PM capture and in situ elimination | |
| US7678345B2 (en) | Holding sealing material, exhaust gas purifying apparatus and method for manufacturing exhaust gas purifying apparatus | |
| JP2019512385A (ja) | より低い圧力損失を有する触媒化織布フィルターの製造 | |
| CN107952376A (zh) | 陶瓷纳米纤维基复合净化膜及其制备方法和应用 | |
| JP5519208B2 (ja) | 内燃機関の排気浄化装置 | |
| Ji et al. | Bottom-up synthesized all-thermal-catalyst aerogels for heat-regenerative air filtration | |
| JP6576461B2 (ja) | 触媒化セラミックキャンドルフィルタ及びプロセスオフガスまたは排ガスの清浄方法 | |
| JP2014144421A (ja) | 脱臭・ガス除去用フィルタ | |
| Gan et al. | Temperature effect on the dust filtration performance of SiC ceramic membranes | |
| Li et al. | High-Temperature-Resistant Dual-Scale Ceramic Nanofiber Films toward Improved Air Filtration | |
| CN104874241A (zh) | 一种基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置及净化方法 | |
| JP4582475B2 (ja) | フェルトの製造方法 | |
| CZ307624B6 (cs) | Kompozitní materiál pro filtraci spalin a způsob vytvoření tohoto materiálu | |
| KR102193849B1 (ko) | 유해물질 및 악취 제거용 필터 | |
| JP2002331212A (ja) | 除塵脱臭フィルター | |
| CN204699532U (zh) | 一种基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置 | |
| JP2019520187A (ja) | 高温ガスろ過に使用するための触媒活性フィルター、該フィルターを製造するための方法およびガス流から固体粒子および望ましくない化合物を同時に除去する方法 | |
| Chase et al. | Functional nanofibers for filtration applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20210510 |