DE102006038406A1

DE102006038406A1 - Verfahren zum Beschichten oder Imprägnieren eines Katalysatorträgers

Info

Publication number: DE102006038406A1
Application number: DE102006038406A
Authority: DE
Inventors: Olaf Helmer
Original assignee: Sued Chemie AG
Current assignee: Sued Chemie IP GmbH and Co KG
Priority date: 2006-08-17
Filing date: 2006-08-17
Publication date: 2008-02-21
Also published as: WO2008019857A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten oder Imprägnieren eines Katalysatorträgers, der eine Eintrittsstirnseite und eine Austrittsstirnseite aufweist. Um ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem sich Katalysatorträger mit größerer Länge gleichmäßig mittels eines Luft/Beschichtungsdispersion- bzw. eines Luft/Imprägnierlösung-Gemisches beschichten bzw. imprägnieren lassen, wird ein Verfahren vorgeschlagen, umfassend die nachfolgenden Schritte: a) das Bereitstellen eines Katalysatorträgers, der eine Eintrittsstirnseite und eine Austrittsstirnseite aufweist, insbesondere eines Metallschaums; b) das Anlegen eines ansaugenden Luftstromes an der Austrittsstirnseite des Katalysatorträgers; c) das Einführen eines Luft/Beschichtungsdispersion- bzw. eines Luft/Imprägnierlösung-Gemisches in den Katalysatorträger über die Eintrittsstirnseite bei angelegtem ansaugendem Luftstrom, bis der Katalysatorträger beschichtet bzw. imprägniert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten oder Imprägnieren eines Katalysatorträgers, der eine Eintrittsstirnseite und eine Austrittsstirnseite aufweist.
Derartige Verfahren sind im Stand der Technik bekannt.
Insbesondere bei der Reinigung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren kommen Katalysatoren zum Einsatz, die in der Regel einen wabenförmigen Katalysatorträger aufweisen, auf dem eine katalytisch aktive Beschichtung abgeschieden ist. Die katalytisch aktive Beschichtung wird üblicherweise auf den Katalysatorträger aufgebracht, indem der Katalysatorträger zunächst mit einem katalytisch inaktiven porösen Trägeroxid, wie beispielsweise Al₂O₃, beschichtet und dann die getrocknete und/oder kalzinierte Beschichtung mit einer katalytisch aktiven Komponente oder einem Vorläufer davon imprägniert wird. Es sind im Stand der Technik aber auch Verfahren bekannt, bei denen die katalytisch aktive Beschichtung mittels eines Trägeroxids sowie einen Katalysator oder einen Vorläufer davon enthaltenden Beschichtungsdispersion in einem Schritt aufgetragen wird.
Die wabenförmigen Katalysatorträger haben zumeist eine zylindrische Form und sind ausgehend von ihrer Gaseintrittsstirnseite bis hin zu ihrer Gasaustrittsstirnseite von parallel zueinander ausgerichteten Strömungskanälen für den Durchtritt von Abgasen durchzogen. Die Dichte der Strömungskanäle über den Querschnitt des Katalysatorträgers gesehen wird auch als Zelldichte bezeichnet und liegt üblicherweise zwischen 30 und 1000 cpsi.
Die Katalysatorträger selbst sind üblicherweise aus einem keramischen oder einem metallischen Material gebildet und weisen unterschiedliche Geometrien auf, von rund bis oval, zylinderförmig etc.
Zum Aufbringen der katalytisch aktiven Beschichtung auf die Wandungen der Strömungskanäle der Katalysatorträger sind verschiedene Verfahren im Stand der Technik bekannt. So können die Katalysatorträger in Dispersionen des Beschichtungsmaterials, des Beschichtungsmaterials und des Katalysators oder Katalysatorvorläufers, oder in Imprägnierlösungen eingetaucht oder damit übergossen oder besprüht werden.
Die DE 40 401 50 C2 beschreibt ein Verfahren zur gleichmäßigen Beladung eines Wabenkörpers als Katalysatorträger aus Keramik oder Metall mit einer Dispersionsbeschichtung, bei dem der Wabenkörper in eine formgleiche Tauchkammer eingebracht und die Beschichtungsdispersion von unten in den Wabenkörper gepumpt wird. Nach Auspumpen des Wabenkörpers und Entnahme aus der Tauchkammer wird der Wabenkörper durch Ausblasen oder Absaugen von überschüssiger Dispersion befreit.
Das EP 0 980 710 B1 beschreibt ein Verfahren zum Beschichten der inneren Strömungskanäle eines monolithischen, zylindrisch geformten Katalysatorträgers mit einer Beschichtungsdispersion, wobei der Träger zwei Stirnflächen aufweist, die durch parallel zur Zylinderachse angeordnete Strömungskanäle miteinander verbunden sind. In dem Verfahren wird der Katalysatorträger vertikal ausgerichtet, eine vorgegebene Menge der Beschichtungsdispersion auf die obere Stirnfläche des Tragkörpers aufgegeben, d.h. die Kanäle werden vollständig mit der Beschichtungsdispersion befüllt bzw. bedeckt und danach wird durch die Strömungskanäle hindurchgesaugt, wobei überschüssige Beschichtungsdispersion aus den Strömungskanälen durch Freisaugen der Strömungskanäle entfernt wird. Die Beschichtungsdispersion wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 bis 1 m/s durch die Strömungskanäle gesaugt und nach Abschluss des Hindurchsaugens überschüssige Beschichtungsdispersion aus den Strömungskanälen durch Anlegen eines Saugimpulses von unten entfernt, wobei die Absaugluft mit einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen 40 und 1 m/s durch die Strömungskanäle gesaugt und die mit dem Luftstrom ausgetragene überschüssige Beschichtungsdispersion innerhalb einer Zeit von weniger als 100 ms nach dem Austreten aus dem Katalysatortragkörper vom Luftstrom abgetrennt wird.
Das EP 0 941 763 B1 betrifft ein Verfahren zum Beschichten der Strömungskanäle eines zylindrisch geformten, wabenförmigen Katalysatorkörpers mit einer Dispersionsbeschichtung durch Füllen der senkrecht ausgerichteten Strömungskanäle mit einer Füllmenge der Beschichtungsdispersion durch die untere Stirnfläche des Katalysatorkörpers und nachfolgendes Entleeren und Freisaugen der Strömungskanäle nach unten sowie Trocknen und Kalzinieren des Katalysatorkörpers. In diesem Verfahren werden die Strömungskanäle mit einer Füllmenge befüllt, die um bis zu 10 % größer ist als das Leervolumen der Strömungskanäle, so dass die Beschichtungsdispersion nach Abschluss des Füllvorgangs die obere Stirnfläche des Katalysatorkörpers übersteigt. Danach wird die überstehende Beschichtungsdispersion vor dem Entleeren der Strömungskanäle entfernt und anschließend werden die Strömungskanäle durch einen Saugimpuls, der durch Verbinden eines Unterdruckbehälters mit der unteren Stirnfläche des Katalysatorkörpers erzeugt wird, entleert und freigesaugt, wobei die Zeit zwischen dem Beginn des Füllvorganges und dem Ende der Entleerung nicht mehr als 5 Sekunden beträgt.
Die DE 195 47 598 C1 beschreibt ein Verfahren zum Aufbringen einer Dispersionsbeschichtung auf die Kanalwandungen von Strömungskanälen monolithischer scheibenförmiger Katalysator-Tragkörper von allgemein zylindrischem Querschnitt, welche von der Eintrittsstirnfläche zur Austrittsstirnfläche von den Strömungskanälen durchzogen werden, unter Verwendung einer Beschichtungsdispersion aus feinteiligen anorganischen Stoffen und/oder deren Vorläufern. Das Aufbringen der Dispersionsbeschichtung auf die Kanalwandungen der Strömungskanäle erfolgt dabei derart, dass die Beschichtungsdispersion auf die Stirnflächen des Tragkörpers aufgespritzt oder aufgesprüht wird. Mit dem in der DE 195 47 598 C1 beschriebenen Verfahren lassen sich allerdings nur Katalysatorträger mit einer Länge von bis zu 50 mm beschichten bzw. imprägnieren, da bei größeren Längen die Zellen auf der Stirnseite, auf welcher die Dispersion aufgetragen wird, im Laufe des Aufgebens der Beschichtungsdispersion verstopfen oder die Kanäle über ihre Länge hinweg nicht gleichmäßig beschichtet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem sich Katalysatorträger mit größerer Länge gleichmäßig mittels eines Luft/Beschichtungsdispersion- bzw. eines Luft/Imprägnierlösung-Gemisches beschichten bzw. imprägnieren lassen.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der gattungsgemäßen Art dadurch gelöst, dass das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst:

a) das Bereitstellen eines Katalysatorträgers, der eine Eintrittsstirnseite und eine Austrittsstirnseite aufweist, insbesondere eines Metallschaums;
b) das Anlegen eines ansaugenden Luftstromes an der Austrittsstirnseite des Katalysatorträgers;
c) das Einführen eines Luft/Beschichtungsdispersion- bzw. eines Luft/Imprägnierlösung-Gemisches in den Katalysatorträger über die Eintrittsstirnseite bei angelegtem ansaugendem Luftstrom, bis der Katalysatorträger beschichtet bzw. imprägniert ist.

Überraschenderweise wurde festgestellt, dass sich Katalysatorträger größerer Länge mittels Anlegen eines ansaugenden Luftstromes an der Austrittsstirnseite des Katalysatorträgers und Einführen eines Luft/Beschichtungsdispersion- bzw. eines Luft/Imprägnierlösung-Gemisches in den Katalysatorträger über die Eintrittsstirnseite bei angelegtem ansaugendem Luftstrom mit gleichmäßiger Dicke beschichten bzw. mit gleichmäßiger Verteilung einer katalytisch aktiven Spezies oder eines Vorläufers davon imprägnieren lassen. Die Beschichtungsdispersion bzw. die Imprägnierlösung wird dabei vorzugsweise mittels einer Sprüh- oder Vernebelungsvorrichtung in Richtung der Eintrittsstirnseite gesprüht bzw. vernebelt.
Dabei wird die Beschichtungsdispersion bzw. die Imprägnierlösung mittels einer Mehrstoffdüse, vorzugsweise einer Zweistoffdüse, verspritzt bzw. vernebelt, wobei die eingesetzte Luft vorzugsweise mit dem entsprechenden Lösungsmittel vorgesättigt ist.
Unter dem Begriff Katalysatorträger werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise sowohl so genannte Wallflowfilter als auch offenporige Schaumstrukturen, z.B. Metallschäume, Mikrostrukturen, beispielsweise Mikrofluidikvorrichtungen, sowie jegliche Form von monolithischen Trägerstrukturen verstanden, die beispielsweise parallel zueinander ausgerichtete Kanäle aufweisen, die untereinander leitungsverbunden sein oder bestimmte Einbauten zur Gasverwirbelung enthalten können.
Die Begriffe Eintritts- und Austrittsstirnseite können beispielsweise bei einem monolithischen Katalysatorträger beiden Stirnseiten in beliebiger Weise zugeordnet werden und stehen nicht im Zusammenhang mit den Begriffen Gaseintritts- und Gasaustritts-Stirnseite, welche sich auf einen fertig ausgebildeten Katalysator im Einsatz beziehen.
Bevorzugt werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren wässrige Beschichtungsdispersionen bzw. Imprägnierlösungen eingesetzt. Zur Erzielung besonderer Schichteigenschaften oder bei Verwendung bestimmter Beschichtungsmaterialien oder Katalysatoren oder Katalysatorvorläufer sind aber auch in gleicher Weise andere Flüssigkeiten als Lösungsmittel einsetzbar oder können Zusatzstoffe wie Porenbildner oder Viskositätsregler zugegeben werden. Als Lösungsmittel bevorzugt sind auch organische Lösungsmittel wie Alkohole oder Mischungen davon mit Wasser. Als Porenbildner bevorzugt sind beispielsweise abbrennbare Polymere und geeignete Viskositätsregler sind Säuren, Laugen, Tenside sowie Zusätze von organischen Lösungsmitteln.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der angelegte ansaugende Luftstrom zumindest gleich groß ist wie der über die Eintrittsstirnseite in den Katalysatorträger eintretende Strom an Luft/Beschichtungsdispersion- bzw. Luft/Imprägnierlösung-Gemisch aus vorzugsweise einer Zweistoffdüse. Dadurch wird eine sehr gleichmäßige Beschichtung bzw. Imprägnierung des Katalysatorträgers gewährleistet und ein Verstopfen der Strömungskanäle sowie etwaiger Poren und Hohlräume mit Beschichtungsdispersion bzw. Imprägnierlösung weitgehend vermieden.
Die mit dem Verfahren bevorzugt zu beschichtenden oder zu imprägnierenden Katalysatorträger weisen von der Eintrittsstirnseite bis zur Austrittsstirnseite vorzugsweise eine Länge von größer als 50 mm auf, bevorzugt eine Länge von 60 bis 300 mm und besonders bevorzugt eine Länge von 70 bis 150 mm. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren maximal beschichtbare Länge des Trägers hängt in der Regel von verschiedenen Parametern ab, wie z.B. vom freien Querschnitt der Strömungskanäle, von der Zelldichte, vom Material des Katalysatorträgers, zum Beispiel dessen Saugverhalten, von der Sprüh- oder Vernebelungstechnik, von der Viskosität der Beschichtungsdispersion bzw. der Imprägnierlösung sowie von der Tröpfchengröße des jeweiligen Sprühnebels und von der Menge (m³/h) des Ansaugluftstroms. Bei wenig porösen Katalysatorträger-Materialien beispielsweise ist eine Beschichtung längerer Katalysatorträger möglich als bei hochporösem Material. Die oben angegebene maximale Länge kann gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nahe zu verdoppelt werden, wenn das Verfahren an einem Katalysatorträger zweimal nacheinander jeweils von verschiedenen Stirnseiten aus ausgeführt wird, d.h., dass bei einer zweiten Anwendung des Verfahrens auf einen dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits unterworfenen Katalysatorträger Eintrittsstirnseite für Dispersion oder Lösung und Austrittsstirnseite für den ansaugenden Luftstrom gegeneinander vertauscht werden.
Neben der Beschichtung bzw. der Imprägnierung der Katalysatorträger über ihre gesamte Länge hinweg können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens partielle, d.h. sich nicht über die gesamte Länge oder den gesamten Querschnitt der Katalysatorträger erstreckende Beschichtungen bzw. Imprägnierungen vorgenommen werden. Dies kann beispielsweise über die Verfahrendauer und/oder die Größe des angelegten ansaugenden Luftstromes (GHSV) bzw. über partielle Abdeckungen der Eintrittsstirnseite erreicht werden.
Bevorzugt ist es, wenn das erfindungsgemäße Verfahren am oder etwas unterhalb des Taupunktes des Lösungsmittels der Beschichtungsdispersion oder am bzw. etwas unterhalb des Taupunkts des Lösungsmittels der Imprägnierlösung durchgeführt wird. Der Begriff „Taupunkt" bezeichnet dabei die Temperatur T in einem Gas/Dampf Gemisch, bei der das Gas mit dem Dampf gerade gesättigt ist. Bei einer Abkühlung unter dem Taupunkt schlägt sich der Dampf in der Regel als Nebel oder Tau nieder.
Alternativ dazu kann auch oberhalb des Taupunktes gearbeitet werden, wobei in diesem Fall im Bereich nahe am Sättigungsdampfdruck gearbeitet wird. Der hohe Gehalt der Luft an Suspensionsmittel wird dadurch erhalten, indem die Luft mit Suspensionsmittel, vorzugsweise in Form von Dampf, angereichert wird. Auch beim Arbeiten oberhalb des Taupunktes ist somit ein sehr langsames Abtrocknen von niedergeschlagener überschüssiger Beschichtungsdispersion oder Imprägnierlösung erzielbar und damit die Ausbildung des Baumkucheneffektes weitgehend vermeidbar.
Das Arbeiten am bzw. etwas unterhalb des Taupunkts des jeweiligen Lösungsmittels hat zur Folge, dass innerhalb des Katalysatorträgers weitgehend Sättigungsdampfdruck des jeweiligen Lösungsmittels herrscht, so dass an den Strömungskanalwandungen niedergeschlagene überschüssige Beschichtungsdispersion oder Imprägnierlösung durch den Luftstrom, wenn überhaupt, nur sehr langsam abtrocknet. Dadurch wird gewährleistet, dass das überschüssige Medium aus dem Katalysatorträger mittels des Luftstromes aus demselben ausgetragen werden kann, was zu einer weiteren Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Beschichtung bzw. Imprägnierung führt, und dass die niedergeschlagene Beschichtungsdispersion bzw. Imprägnierlösung für die Zwecke des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens bzw. Imprägnierverfahrens beispielsweise mittels eines Abscheiders abgetrennt und dem Verfahren wieder zugeführt werden kann.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verfahren mittels einer Vorrichtung durchgeführt, von der eine oder mehrere Bauteilkomponenten auf eine dem Taupunkt des Lösungsmittels der Beschichtungsdispersion entsprechende Temperatur oder auf eine darunter liegende Temperatur oder auf eine dem Taupunkt des Lösungsmittels der Imprägnierlösung entsprechende Temperatur oder auf eine darunter liegende Temperatur temperiert sind.
Dabei ist in der Regel entscheidend, dass die Flächen der Bauteilkomponenten auf eine entsprechende Temperatur temperiert sind, die mit der Beschichtungsdispersion bzw. mit der Imprägnierlösung in Kontakt kommen können.
Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens können sich Bauteilkomponenten einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, beispielsweise durch die Umgebungstemperatur oder durch die Abwärme von Aggregaten, wie beispielsweise von Pumpen oder Ventilatoren, erwärmen. Auf den jeweiligen Bauteilkomponenten abgeschiedene Beschichtungsdispersion bzw. Imprägnierlösung kann aufgrund dieser Erwärmung an die ständig neu in diese Vorrichtung, beispielsweise die Saugeinrichtung, eintretende Luft Lösungsmittel abgeben, so dass es zu einer verstärkten Beschichtung bzw. Imprägnierung der entsprechenden Bauteilkomponenten (dem sogenannten Baumkucheneffekt) kommen kann. Eine Temperierung einer oder mehrerer Bauteilkomponenten einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine dem Taupunkt entsprechende Temperatur wirkt einem Verdampfen des an den entsprechenden Bauteilkomponenten niedergeschlagenen Lösungsmittel der Beschichtungsdispersion bzw. der Imprägnierlösung entgegen, wodurch eine Beschichtung bzw. Imprägnierung der Bauteilkomponenten vermieden wird und die Beschichtungsdispersion bzw. Imprägnierlösung nach der Abscheidung (in einem Abscheider), insbesondere Edelmetalllösung, zurückgewonnen werden kann.
Um einer Beschichtung bzw. Imprägnierung der Bauteilkomponenten einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders wirksam entgegenzuwirken, kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens das Verfahren mittels einer Vorrichtung durchgeführt werden, von der eine oder mehrere Bauteilkomponenten auf eine Temperatur von mehr als 1 °C unterhalb des Taupunktes des Lösungsmittels der Beschichtungsdispersion oder unterhalb des Taupunktes des Lösungsmittels der Imprägnierlösung temperiert sind, vorzugsweise auf eine Temperatur von mehr als 2 °C unterhalb des Taupunktes, weiter bevorzugt auf eine Temperatur von mehr als 3 °C unterhalb des Taupunktes, besonders bevorzugt auf eine Temperatur von mehr als 4 °C unterhalb des Taupunktes, mehr bevorzugt auf eine Temperatur von mehr als 5 °C unterhalb des Taupunktes, am meisten bevorzugt auf eine Temperatur von mehr als 6 °C unterhalb des Taupunktes.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die vorgenannten Bauteilkomponenten der Vorrichtung Bauteilkomponenten zur Erzeugung des Luft/Beschichtungsdispersion- bzw. des Luft/Imprägnierlösung-Gemisches oder zur Einrichtung des ansaugenden Luftstromes sind, vorzugsweise der Absaugschacht.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verfahren mittels einer Vorrichtung durchgeführt, von der eine oder mehrere Bauteilkomponenten temperierbar ausgebildet sind. Dadurch kann auf besonders einfache und damit kostengünstige Weise gewährleistet werden, dass der oder die entsprechenden Bauteilkomponenten auf Taupunkttemperatur oder auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes temperiert werden können. Dabei werden die Bauteilkomponenten beispielsweise in Form eines Doppelmantels ausgebildet, innerhalb dessen eine Kühlflüssigkeit zirkulieren kann.
Es wurde festgestellt, dass je geringer der Druck bzw. je größer das Vakuum in dem Katalysatorträger ist, desto geringer die Beschichtungsdicke bzw. das Ausmaß der Imprägnierung. Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es daher vorgesehen sein, dass durch das Anlegen des ansaugenden Luftstromes an der Austrittsstirnseite des Katalysatorträgers der in dem Träger bewirkte Druck kleiner ist als 1000 mbar und vorzugsweise 700 bis 1000 mbar beträgt.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass durch das Anlegen des ansaugenden Luftstromes an der Austrittsstirnseite des Katalysatorträgers der in dem Träger bewirkte Druck 850 bis 950 mbar beträgt. Es wurde festgestellt, dass sich in diesem Druckbereich besonders gleichmäßige Beschichtungsdicken bzw. Imprägnierungen von porösen Katalysatorträgern erzielen lassen.
Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der Strömungskanäle des Katalysatorträgers 200 Mikrometer bis 1,2 mm. Katalysatorträger mit entsprechenden Strömungskanälen werden mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens von der Beschichtungsdispersion oder der Imprägnierlösung besonders gut durchdrungen, wodurch eine weitgehend gleichmäßige Beschichtung bzw. Imprägnierung des (in diesem Fall porösen) Katalysatorträgers auch über eine verhältnismäßig große Wandstärke des Katalysatorträgers bzw. seiner Kanäle hinweg gewährleistet werden kann.
Es kann bevorzugt sein, wenn das über die Eintrittsstirnseite in den Katalysatorträger eingeführte Luft/Beschichtungsdispersion← oder Luft/Imprägnierlösung-Gemisch Tropfen mit einem mittleren Durchmesser von 50 Mikrometer bis 900 Mikrometer aufweist. Tropfen mit einem mittleren Durchmesser der vorgenannten Größe sind geeignet, auch besonders tief liegende innere Hohlräume der Katalysatorträger-Wandungen gleichmäßig zu beschichten bzw. zu imprägnieren.
Vorzugsweise ist die Beschichtungsdispersion eine sogenannte Washcoatdispersion. Washcoatdispersionen sind im Stand der Technik bekannt. Sie enthalten in der Regel Wasser als Lösungsmittel und anorganische Komponenten wie äußerst feinkörnige Metalloxide, z.B. Titandioxid oder Aluminiumoxide, mit denen der Katalysatorträger zu beschichten ist. Hierbei kann es sich insbesondere auch um sol-Gel Systeme handeln.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann der Washcoat auch katalytisch aktive Metallverbindungen enthalten, wie Nebengruppenmetall- bzw. Edelmetallverbindungen, z.B. Verbindungen des Mo, V, W, Pt, Pd, Rh etc., alleine oder in Mischung, oder Vorläufer von katalytisch aktiven Verbindungen.
Weitere anorganische Komponenten der Washcoatdispersion stellen beispielsweise feinteilige und hochoberflächige Oxide wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Seltenerdoxide, Titandioxid, Zeolithe, Nickeloxid, Eisenoxid, Erdalkalimetalloxid, Molybdänoxid und Wolframoxid, Silizide wie Molybdänsilizid, Metalle wie Platin, Palladium, Rhodium und/oder deren Verbindungen dar. Diese Stoffe können ganz oder teilweise als Oxide und/oder als beliebige lösliche und/oder unlösliche Verbindungen, zum Beispiel als Nitrate, Acetate, Oxalate, Tartrate, Formiate, Carbonate oder Hydroxide in der Dispersion vorliegen. In letzterem Fall erfolgt dann üblicherweise die Überführung in die katalytisch aktive Spezies bzw. in das feinteilige Beschichtungsmaterial meist durch thermische Zersetzung. Bevorzugt finden Katalysatorformulierungen Verwendung mit gegebenenfalls stabilisiertem Aluminiumoxid und Ceroxid, Zirkonoxid, Seltenerdoxiden, Erdalkalimetalloxiden, Platinmetallen und/oder deren Vorläufer.
Gegebenenfalls enthalten Washcoatdispersionen auch Dispergiermittel, um die Washcoatdispersion zu stabilisieren. Es wurde festgestellt, dass Washcoatdispersionen sich trotz ihres verhältnismäßig hohen Feststoffanteils mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders einfach und gleichmäßig auf einen Katalysatorträger aufbringen lassen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll unter dem Begriff "Imprägnierlösung" eine Metall-enthaltende Imrägnierlösung verstanden werden, in der eine lösliche Metallverbindung eines katalytisch aktiven Metalls enthalten ist, oder eine Precoatlösung oder -dispersion, in der ein Bindemittel oder ein Haftvermittler enthalten ist, oder eine Mischung der vorgenannten Lösungen und Dispersionen.
Beispielsweise kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf den Katalysatorträger zunächst eine einen Haftvermittler für die Beschichtung enthaltende Precoatlösung oder -dispersion aufgebracht werden. Nachdem das Lösungsmittel entfernt wurde, beispielsweise durch Abdampfen, kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise eine Washcoatdispersion als Beschichtungsdispersion auf den Katalysatorträger aufgebracht werden.
Nachdem das Lösungsmittel der Beschichtungsdispersion, beispielsweise durch Verdampfen im Vakuum, entfernt wurde und die Beschichtung kalziniert wurde, kann der beschichtete Katalysatorträger mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens entweder direkt mit einer Metall-enthaltenden Imprägnierlösung imprägniert werden oder auch zuvor mit einer ein Bindemittel oder ein Haftvermittler für das entsprechende Metall enthaltenden Precoatlösung oder -dispersion.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Imprägnierlösung eine Mischung einer Metall-enthaltenden Imprägnierlösung mit einer Precoatlösung oder -dispersion. Besonders bevorzugt enthält das Bindemittel oder der Haftmittler eine organische oder eine anorganische Komponente. Es wurde festgestellt, dass sich derartige Mischungen besonders gut zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen.
In das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise einzusetzende Katalysatorträger können aus einem beliebigen Metall oder einer Metallegierung gebildet und zum Beispiel durch Extrusion oder Aufwickeln oder Stapeln oder Falten von Metallfolien hergestellt sein. Bekannt für den Bereich der Abgasreinigung sind temperaturbeständige Legierungen mit den Hauptbestandteilen Eisen, Chrom und Aluminium. Bevorzugt für die erfindungsgemäße Beschichtung bzw. Imprägnierung sind frei durchströmbare monolithische Katalysatorträger, mit oder ohne innere Anströmkanten zur Abgasverwirbelung, oder Metallschäume. Jedoch lassen sich auch Katalysatorträger mit Schlitzen, Lochungen, Perforationen und Prägungen in der Metallfolie mit sehr gutem Erfolg beschichten bzw. imprägnieren.
In gleicher Weise können Katalysatorträger aus keramischem Material Verwendung finden. Häufig wird es sich bei dem keramischen Material um ein inertes niedrigoberflächiges Material wie Cordierit, Mullit, alpha-Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid handeln. Jedoch kann der verwendete Katalysatorträger auch aus hochoberflächigem Trägermaterial wie gamma-Aluminiumoxid bestehen.
Schließlich besteht auch die Möglichkeit, einen bereits auf beliebige Weise ganz oder teilweise mit einer katalytischen Beschichtung oder mit dessen Vorläufer versehenen keramischen oder metallischen Katalysatorträger in das erfindungsgemäße Verfahren einzusetzen. Dies kann z.B bei der Erzielung besonderer katalytischer Effekte angebracht sein, zum Beispiel zur Erzielung eines Teilumsatzes einer bestimmten Schadstoffkomponente bei Abgaskatalysatoren über einen bestimmten Streckenabschnitt des Katalysators hinweg.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich auf dem Katalysatorträger durch entsprechende Abdeckung, zum Beispiel am Randbereich der Eintrittsstirnseite, auf besonders einfache Weise beschichtungsfreie Bereiche schaffen. Derartige Bereiche sind besonders dann von Vorteil, wenn Teilbereiche der Gaseintrittsstirnseite des Katalysators später beim Einbau in ein Gehäuse durch Halterungen abgedeckt werden. Durch Verzicht auf eine vollständige Beschichtung lassen sich Kosten für Beschichtungs- und Imprägniermaterial einsparen, was besonders bei vergleichsweise teuren edelmetallhaltigen Katalysatorformulierungen von Bedeutung ist.
Auch lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Wahl geeigneter Parameter auch leicht eine ungleichmäßige Beschichtung über den Katalysatorträger-Querschnitt hinweg erzielen, zum Beispiel eine Beschichtungsverdickung in Richtung der Trägermitte zur Verbesserung der Strömungsverteilung des katalytisch zu behandelnden Gases. Ebenso lassen sich auch Beschichtungs- und Impränierungsgradienten über die Länge des Katalysatorträgers hinweg einstellen, indem beispielsweise die Verfahrensdauer oder der ansaugende Luftstrom entsprechend variiert wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren an einem Katalysatorträger zweimal von wechselnden Stirnseiten aus ausgeführt wird, d.h., dass bei einer zweiten Anwendung des Verfahrens auf einen dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits unterworfenen Katalysatorträger Eintrittsstirnseite für Dispersion bzw. Lösung und Austrittsstirnseite für den ansaugenden Luftstrom gegeneinander vertauscht werden, wobei in den jeweiligen Verfahren voneinander verschiedene katalytisch aktive Spezies aufgetragen werden, um so ein Katalysatorsystem mit Doppelfunktion zu erhalten. Beispielsweise können auf diese Weise Abgaskatalysatoren erhalten werden, die eine NO_x-Reduktion in einem ersten und eine Oxidation in einem zweiten Katalysatorabschnitt durchführen.
Gleichermaßen ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, im Bereich der späteren Abgaseintrittsseite eine Schutzbeschichtung zur Verminderung des Abriebs durch den Abgasstrom aufzubringen oder eine Schutzbeschichtung auf eine bereits vorhandene Katalysatorbeschichtung oder Imprägnierung zum Beispiel gegen Einflüsse von Katalysatorgiften wie Blei, Zinn und Phosphor aufzubringen. Die letzteren Schutzbeschichtungen haben zumeist die Aufgabe, durch ihre hochoberflächige Struktur die Katalysatorgifte ganz oder teilweise abzufangen und nicht zur katalytisch aktiven Komponente vordringen zu lassen.
In gleicher Weise wie Schutzbeschichtungen lassen sich auch zur Adsorption oder Absorption zumeist gasförmiger Komponenten, wie Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Kohlenmonoxid, befähigte Materialien, wie dotierte und undotierte Zeolithe verschiedenster Zusammensetzung und Struktur, aufbringen.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichteten bzw. imprägnierten Katalysatorträgers in der Abgasreinigung.
Katalysatoren, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt worden sind, eignen sich zur Durchführung verschiedenster Stoffumwandlungen. Insbesondere lassen sich erfindungsgemäß beschichtete und/oder imprägnierte Katalysatoren zur Abgasreinigung einsetzen. Bevorzugt ist die Anwendung für die Schadstoffkonversion von Abgasen von Verbrennungsmotoren.

Claims

Verfahren zum Beschichten oder Imprägnieren eines Katalysatorträgers, der eine Eintrittsstirnseite und eine Austrittsstirnseite aufweist, umfassend die nachfolgenden Schritte: a) das Bereitstellen eines Katalysatorträgers, der eine Eintrittsstirnseite und eine Austrittsstirnseite aufweist, insbesondere eines Metallschaums; b) das Anlegen eines ansaugenden Luftstromes an der Austrittsstirnseite des Katalysatorträgers; c) das Einführen eines Luft/Beschichtungsdispersion- bzw. eines Luft/Imprägnierlösung-Gemisches in den Katalysatorträger über die Eintrittsstirnseite bei angelegtem ansaugendem Luftstrom, bis der Katalysatorträger beschichtet bzw. imprägniert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den angelegten ansaugenden Luftstrom bewirkte Ansaugluftstrom zumindest gleich groß ist wie der über die Eintrittsstirnseite in den Katalysatorträger eintretende Strom an Luft/Beschichtungsdispersion- bzw. Luft/Imprägnierlösung-Gemisch.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das der Katalysatorträger von der Eintrittsstirnseite bis zur Austrittsstirnseite eine Länge von größer als 50 mm aufweist, vorzugsweise eine Länge von 60 bis 300 mm und besonders bevorzugt eine Länge von 70 bis 150 mm.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren am oder unterhalb des Taupunktes des Lösungsmittels der Beschichtungsdispersion oder am oder unterhalb des Taupunktes des Lösungsmittels der Imprägnierlösung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mittels einer Vorrichtung durchgeführt wird, von der eine oder mehrere Bauteilkomponenten auf eine dem Taupunkt des Lösungsmittels der Beschichtungsdispersion oder auf eine dem Taupunkt des Lösungsmittels der Imprägnierlösung entsprechende Temperatur temperiert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mittels einer Vorrichtung durchgeführt wird, von der eine oder mehrere Bauteilkomponenten auf eine Temperatur von mehr als 1 °C unterhalb des Taupunktes des Lösungsmittels der Beschichtungsdispersion oder unterhalb des Taupunktes des Lösungsmittels der Imprägnierlösung temperiert sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mittels einer Vorrichtung durchgeführt wird, von der ein oder mehrere Bauteilkomponenten temperierbar ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Anlegen des ansaugenden Luftstromes an der Austrittsstirnseite des Katalysatorträgers der in dem Träger bewirkte Druck kleiner ist als 1000 mbar und vorzugsweise 700 bis 1000 mbar beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Strömungskanäle des Katalysatorträgers 200 Mikrometer bis 1,2 mm beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das über die Eintrittsstirnseite in den Katalysatorträger eingeführte Luft/Beschichtungsdispersion← oder Luft/Imprägnierlösung-Gemisch Tropfen mit einem mittleren Durchmesser von 50 Mikrometer bis 900 Mikrometer aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsdispersion eine Washcoatdispersion ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahcoatdispersion ferner eine Verbindung eines katalytisch aktiven Metalls enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägnierlösung ein Bindemittel oder einen Haftvermittler enthält.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel oder der Haftvermittler eine organische oder eine anorganische Komponente enthält.
Verwendung eines nach einem der Patentansprüchen 1 bis 14 bearbeiteten Katalysatorträgers in der Abgasreinigung.