DE102008045911A1

DE102008045911A1 - Verfahren für katalytische Rußverbrennung

Info

Publication number: DE102008045911A1
Application number: DE102008045911A
Authority: DE
Inventors: Peter Blaum; Wolfgang Dr. Mannstadt
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2010-03-04

Abstract

Ein Verfahren für die katalytische Rußverbrennung weist den Schritt des Inberührungbringens des Rußes (26) mit einem porösen Material bei einer erhöhten Temperatur auf, wobei das poröse Material eine kristallanaloge oder invers kristallanaloge Überstruktur mit einer dreidimensionalen periodischen oder quasiperiodischen Anordnung aufweist, wobei die kristallanaloge oder invers kristallanaloge Überstruktur einen regelmäßigen Abstand d aufweist, der im Bereich von 0,15 bis 10 µm liegt (Fig. 1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die katalytische Rußverbrennung, sowie eine Brennkammer, in der dieses Verfahren durchgeführt werden kann.
Bei der Verbrennung von kohlenstoff- bzw. kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen insbesondere solchen mit hohem Kohlenstoffanteil, wie beispielsweise Dieselöl, Kohle, Holzkohle und Holz, entstehen durch unvollständige Verbrennung partikel-förmige Ansammlungen von Kohlenstoff, die im Allgemeinen als Rußpartikel bezeichnet werden.
Diese Rußpartikel können sich im Bereich der Brennkammer niederschlagen und dort zu häufig als unangenehm empfundenen Verunreinigungen in Form von schwarzen Schichten führen. Ferner werden diese Rußpartikel über den Abgasauslass der Brennkammer, z. B. den Kamin, in die Umwelt abgegeben, wo diese in Form von Feinstäuben zu einer Belastung von Menschen und Tieren werden.
Zur Vermeidung von Ablagerungen aus Rußpartikeln ist aus dem Stand der Technik z. B. bekannt, solche Ablagerungen z. B. auf einer Sichtscheibe, die an einer Brennkammer angeordnet ist, durch Führung des Luftstroms innerhalb der Brennkammer zu vermeiden, wie dies z. B. im Patent US 4,683,868 beschrieben ist.
Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass zum einen selbst bei idealer Luftführung die Ablagerung von Ruß auf der Sichtscheibe nur begrenzt verhindert werden kann und zum anderen die Rußpartikel, die sich nicht auf der Sichtscheibe ablagern in die Umwelt abgegeben werden, wobei diese wiederum zu einer Belastung für Menschen und Tiere werden.
Ferner ist z. B. aus der Automobiltechnologie bekannt, Rußpartikel über Filter aus Abgasen zu entfernen.
Diese Filter haben dabei allerdings den Nachteil, dass diese mit der Zeit verstopfen und entweder ausgetauscht oder auf eine hohe Temperatur erhitzt werden müssen, um die Rußablagerungen in dem Filter abzubrennen, was energieintensiv ist und die Lebensdauer der Filter verkürzt.
Es ist ferner z. B. aus der US 5,622,680 ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen aus Verbrennungsvorgängen bekannt, in denen Katalysatoren mit einer Perovskitstruktur eingesetzt werden, um u. a. die Verbrennung von Ruß zu katalysieren.
Es besteht dennoch noch immer ein Bedarf an neuen Verfahren zur katalytischen Verbrennung von Ruß, bei denen bei niedrigeren Temperaturen eine möglichst vollständige Rußverbrennung erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird das Problem durch ein Verfahren gelöst, das den Schritt des Inberührungbringens des Rußes mit einem porösen Material bei einer erhöhten Temperatur aufweist, wobei das poröse Material eine kristallanaloge oder invers kristallanaloge Überstruktur mit einer dreidimensionalen periodischen oder quasi periodischen Anordnung aufweist, wobei die kristallanaloge oder invers kristallanaloge Überstruktur einen regelmäßigen Abstand d aufweist, der im Bereich von 0,15 bis 10 μm liegt.
Das Problem wird ferner durch eine Brennkammer gelöst, die an zumindest einer Stelle ein poröses Material des o. g. Typs aufweist.
Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, dass Materialien der o. g. Struktur im Vergleich zu ungeordneten bzw. amorphen Materialien die Temperatur, bei der eine Rußverbrennung erfolgt, deutlich senken können.
Es hat sich ferner gezeigt, dass die o. g. Materialien in einer Brennkammer eingesetzt werden können, um die Verbrennung des darin entstehenden Rußes auch über lange Zeiträume sicher zu katalysieren.
Poröse Materialien des zuvor beschriebenen Typs sind bekannt und sind z. B. in der WO 2004/024627 A1 sowie der US 2007/0202343 A1 beschrieben.
Bei den porösen Materialien des o. g. Typs handelt es sich um hoch organisierte Strukturen, die häufig auch als photonische Kristalle bezeichnet werden. Bei diesen Strukturen handelt es sich um kristallartige Anordnungen von sphärischen Partikeln (in welchem Fall von einer kristallanalogen Struktur gesprochen wird) oder sphärischen Hohlräumen, die von festen Materialien begrenzt sind (in welchem Fall von einer inversen kristallanalogen Struktur gesprochen wird).
Unter dem Abstand d wird im Rahmen der Erfindung der Abstand vom Mittelpunkt eines Partikels zum Mittelpunkt des nächsten Partikels (in einer kristallanalogen Struktur) oder vom Mittelpunkt eines Hohlraums zum Mittelpunkt des nächsten Hohlraums (in einer invers kristallanalogen Struktur) verstanden.
Wenn in solchen Kristallen ein Abstand d vom Mittelpunkt eines Partikels zum Mittelpunkt des nächsten Partikels (in einer kristallanalogen Struktur) oder vom Mittelpunkt eines Hohlraums zum Mittelpunkt des nächsten Hohlraum (in einer invers kristallanalogen Struktur) im Bereich der Wellenlänge von elektromagnetischer Strahlung wie beispielsweise UV-Strahlung, sichtbarem Licht oder IR-Strahlung liegt, können photonische Kristalle dazu verwendet werden, diese elektromagnetische Strahlung gezielt zu beeinflussen. Diese Beeinflussung kann dabei sehr genau auf spezielle Wellenlängen zugeschnitten werden, so dass es z. B. möglich ist, photonische Kristalle herzustellen, die gegenüber Strahlung gewisser Wellenlängen durchlässig sind, während sie Strahlung anderer Wellenlängen streuen oder reflektieren.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer Brennkammer eine jede Kammer verstanden, in der eine Verbrennung von kohlenstoff- bzw. kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen unter der Bildung von Ruß erfolgt. Dies schließt Brennkammern von Verbrennungsmotoren, industriell genutzte Brennkammern, aber auch z. B. offene oder geschlossene Kamine oder Kaminöfen im privaten Haushalt ein. Ebenfalls eingeschlossen in diese Definition sind die Abgasauslässe von Brennkammern, wie z. B. Kamine oder Auspuffe von Verbrennungsmotoren.
Unter einer erhöhten Temperatur wird jede Temperatur verstanden, die über der Raumtemperatur liegt. Vorzugsweise ist diese Temperatur eine Temperatur wie sie im Umfeld der Verbrennung von kohlenstoff- bzw. kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen herrscht.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Abstand d im Bereich von 0,2 bis 4,5 μm und insbesondere im Bereich von 0,5 bis 2,5 μm.
Es hat sich gezeigt, dass, wenn der Abstand d in dem o. g. Bereich liegt, eine besonders effektive katalytische Rußverbrennung erreicht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist das poröse Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den hochtemperaturstabilen Oxiden und den hochtemperaturstabilen Elementen und Mischungen davon.
Insbesondere sind die hochtemperaturstabilen Oxide hierbei ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al₂O₃, SiO₂, SnO₂, Sb₂O₃, den Alkalimetalloxiden, den Erdalkalimetalloxiden, den Übergangsmetalloxiden, den Seltenerdoxiden und Mischungen davon und insbesondere aus der Gruppe bestehend aus Al₂O₃, SiO₂, SnO₂, Sb₂O₃, Li₂O, Na₂O, K₂O, MgO, CaO, TiO₂, VO₂, V₂O₅, ZnO, Y₂O₃, ZrO₂, CeO₂ und Mischungen davon.
Die hochtemperaturstabilen Elemente sind hierbei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, Ge, W, Sn, Au, Ag, Pt, C und Mischungen davon.
Die hochtemperaturstabilen Oxide und die hochtemperaturstabilen Elemente können hierbei mit einem Material dotiert sein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus den Alkalimetallen, den Erdalkalimetallen, den Übergangsmetallen, den seltenen Erden, den Elementen der Gruppe 14, den Alkalimetalloxiden, den Erdalkalimetalloxiden, den Übergangsmetalloxiden, den Seltenerdoxiden und Mischungen davon und insbesondere mit einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Si, Ge, W, Sn, Au, Ag, Pt, C, Li₂O, Na₂O, K₂O, MgO, CaO, TiO₂, VO₂, V₂O₅, ZnO, Y₂O₃, ZrO₂, CeO₂ und Mischungen davon.
Es hat sich gezeigt, dass die o. g. Materialien bzw. Kombinationen von Materialien zu einer besonders effektiven katalytischen Rußverbrennung führen.
In einer weiteren Ausführungsform ist das poröse Material auf ein Trägersubstrat aufgebracht.
Das Aufbringen des porösen Materials auf ein Trägersubstrat erhöht dessen mechanische Festigkeit und erleichtert den Einbau z. B. in eine Brennkammer.
In einer Ausgestaltung der o. g. Maßnahme besteht das Trägersubstrat aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glas, Glaskeramik, Keramik, Metall und Mischungen davon.
Ein Trägersubstrat aus einem der genannten Materialien ist aufgrund sowohl seiner hohen mechanischen Festigkeit als auch seiner hohen thermischen Festigkeit besonders gut als Trägersubstrat für das o. g. poröse Material geeignet.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Brennkammer einen Abgasauslass auf, wobei das poröse Material im Bereich des Abgasauslasses angeordnet ist.
Bei einem solchen Abgasauslass kann es sich z. B. um einen Kamin, aber auch um einen Auspuff eines Verbrennungsmotors handeln. Das o. g. poröse Material kann hierbei in der Brennkammer selbst, an der Schnittstelle zwischen Brennkammer und Abgasauslass oder im Abgasauslass angeordnet sein.
Durch Anordnen des porösen Materials im Bereich des Abgasauslasses kann die Menge an Ruß, die aus der Brennkammer in die Umwelt abgegeben wird, deutlich reduziert werden, was die Umweltfreundlichkeit einer solchen Brennkammer deutlich erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Brennkammer eine Sichtscheibe auf, wobei das poröse Material auf der der Brennkammer zugewandten Seite der Sichtscheibe aufgebracht ist.
Durch Aufbringen des porösen Materials auf die der Brennkammer zugewandten Seite der Sichtscheibe kann ein Verrußen der Sichtscheibe effektiv verhindert werden, was ein häufiges Reinigen der Sichtscheibe unnötig macht und langfristig sicheren Einblick in die Brennkammer ermöglicht. Das poröse Material kann hierbei in Form von kleinen verteilten Agglomerationen des porösen Materials oder als durchgehende Schicht auf die Sichtscheibe aufgebracht werden.
In einer Ausgestaltung der o. g. Maßnahme ist das poröse Material gegenüber sichtbarem Licht transparent.
Dies hat den Vorteil, dass das poröse Material als durchgehende Schicht auf die Sichtscheibe aufgebracht werden kann, ohne dass dadurch der Blick in die Brennkammer behindert wird, wobei gleichzeitig die katalytische Rußverbrennung über die gesamte Fläche der Sichtscheibe erfolgt.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wird nun anhand einiger ausgesuchter Beispiele sowie den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen offenen Kamin mit einer Brennkammer gemäß der Erfindung im Teilschnitt.
2 einen Partikelfilter für einen Dieselmotor im Schnitt.
In 1 ist ein offener Kamin für den Haushalt in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Dieser offene Kamin 10 weist eine Brennkammer 12 auf, die an ihrer Vorderseite eine transparente Sichtscheibe 14 aus hochwärmefester Glaskeramik aufweist, die auf der dem Innenraum der Brennkammer 12 zugewandten Seite mit einem katalytisch wirksamen transparenten porösen Material beschichtet ist.
Am oberen Ende der Brennkammer 12 ist ein Abgasauslass in Form eines Kamins 16 angeordnet. Im Bereich des Abgasauslasses sind Bereiche 18 der Brennkammer 12 und Bereiche 20 des Kamins 16 mit katalytisch wirksamem porösen Material versehen, wobei dieses auf einem festen Trägersubstrat in Form von Schamottsteinen 22 aufgebracht ist.
Etwas oberhalb des Bereichs 20 der mit dem katalytisch wirksamen porösen Material versehen ist sind in dem Kamin 16 Bleche 23 aus Stahl angeordnet.
Diese Bleche 23 weisen eine Lamellenform auf, wobei in regelmäßigen Abständen Löcher in den Blechen angeordnet sind um den Drucktrift der Abgase des offenen Kamins 10 zu ermöglichen.
Auf der Oberfläche der Bleche 23 ist ein katalytisch wirksames poröses Material aufgebracht. Strömen nun Russpartikel an diesen Blechen 23 vorbei bleiben diese zum Teil daran hängen, so dass die Bleche 23 als eine Art Filter für Russpartikel agieren.
Sowohl bei dem auf den Blechen 23 als auch dem auf den Schamottsteinen 22 und der Sichtscheibe 14 angebrachten katalytisch wirksamen porösen Material handelt es sich um ein auf Zirkondioxid basiertes Material mit einer invers kristallanalogen Struktur, wobei d bei ca. 1,0 μm liegt.
Wird nun der offene Kamin 10 mit Holz 24 befeuert, kommt es bei der Verbrennung des Holzes 24 zu einer Rußbildung. Dieser Ruß 26 verlässt zum Teil die Brennkammer 12 durch den Abgasauslass in Richtung des Kamins 16, wie dies durch die Pfeile 28 angedeutet ist und schlägt sich zum Teil auf der Sichtscheibe nieder, wie dies durch die Ablagerung 30 beispielhaft dargestellt ist.
Aufgrund des auf der Sichtschutzscheibe 14 sowie an den Blechen 23 und in den Bereichen 18 und 20 angeordneten katalytisch wirksamen porösen Materials kommt es unter dem Einfluss der Verbrennungswärme, die durch das in dem offenen Kamin 10 brennende Holz 24 erzeugt wird, zu einer katalytischen Verbrennung des Rußes 26 an den Blechen 23 sowie den Bereichen 18 und 20, die mit den porösen Materialien gemäß der Erfindung versehen sind, und auf der dem Innenraum der Brennkammer 12 zugewandten Seite der Sichtscheibe 14. Der Ruß 26 wird hierbei vollständig zu Wasser und CO₂ verbrannt, so dass die Menge der festen Rückstände deutlich gemindert wird. Dies führt zu einer deutlichen Minderung der Rußbelastung in den Abgasen sowie zu einer deutlich geminderten Verrußung der Sichtscheibe 14.
Gegebenenfalls können die mit dem porösen katalytisch wirksamen Material versehenen Teile des offenen Kamins 10, die von dem Feuer weiter entfernt sind auch noch extra beheizt werden um die Rußverbrennung noch zu steigern.
In 2 ist ein Partikelfilter für einen Dieselmotor in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 40 bezeichnet.
Bei dem hierbei nicht dargestellten Dieselmotor kann es sich z. B. um einen Dieselmotor für Landfahrzeuge wie für PKWS oder LKWs aber auch um einen Dieselmotor für Wasserfahrzeuge oder für statische Anwendungen wie bspw. zur Stromerzeugung handeln. Gemäß der Erfindung handelt es sich bei diesem hier nicht dargestellten Dieselmotor um die Brennkammer in der Ruß erzeugt wird, welcher gemäß dem Verfahren zur Rußverbrennung verbrannt werden soll.
Dieser Partikelfilter 40 weist ein Gehäuse 42 aus gestanztem Stahlblech auf. Innerhalb dieses Gehäuses 42 ist eine Filtereinheit 44 angeordnet. Diese Filtereinheit 44 besteht aus einem porösen Keramikmaterial und weist in sich eine Vielzahl von in Längsrichtung des Partikelfilters 40 verlaufenden Kanälen 46 auf.
Im Betrieb werden nun mit den Abgasen des Dieselmotors Rußpartikel 48 in Richtung des Pfeils 50 in den Partikelfilter 40 eingetragen. Diese durchströmen dann die Kanäle 46, wobei diese sich in dem porösen Keramikmaterial der Filtereinheit 44 festsetzen, wodurch die Filterwirkung des Partikelfilters 40 entsteht.
Die von den Rußpartikeln 48 befreiten Abgase verlassen dann den Partikelfilter 40 in Richtung des Pfeils 52.
Durch das oben beschriebene Ausfiltern der Rußpartikel 48 kommt es zu einem Verstopfen des porösen Keramikmaterials und somit der Filtereinheit 44. Dies kann zum einen dazu führen, dass der Filter seine Wirkung verliert und zum anderen kann es zu einem Verstopfen des Partikelfilters 40 führen, was im Extremfalle zu einem Versagen des zugehörigen Dieselmotors führt. Üblicherweise wird dies dadurch vermieden, dass der Ruß z. B. durch gezieltes Erhöhen der Abgastemperatur in dem Filter verbrannt wird.
Dadurch dass in dem vorliegenden Partikelfilter 40 das poröse Keramikmaterial der Filtereinheit 44 mit einem porösen katalytisch wirksamen Material beschichtet ist, kommt es jedoch in dem vorliegenden Partikelfilter zu einer katalytischen Verbrennung der Rußpartikel bei einer deutlich niedrigeren Temperatur und somit zu einer konstanten Selbstreinigung des Filters auch bei normalen Abgastemperaturen. Dadurch werden Intervalle des Aufheizen des Filters, welche zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch sowie zu einer Belastung der Filtereinheit 44 führen, verlängert, was den Betrieb des Dieselmotors umweltfreundlicher sowie ökonomischer macht.
Beispiele
Eine kristallanaloge Überstruktur bestehend aus Polymethylmetacrylat (PMMA) wurde als Templat auf einem Trägersubstrat bestehend aus einer handelsüblichen hochtemperaturstabilen Li₂O-Al₂O₃-SiO₂-Glaskeramik (LAS-Glaskeramik; Größe des Substrats: 10 × 10 × 0,4 cm) abgeschieden.
Hierzu wurde eine 20%ige-Dispersionslösung bestehend aus handelsüblichen PMMA-Polymerkugeln mit einem mittleren Durchmesser von ~1,0 μm (erhältlich z. B. als monodisperse PMMA-Partikel via „microparticles GmbH – Berlin”) und Wasser mittels einer Pipette auf hochtemperaturstabilen LAS-Glaskeramik aufgebracht und die beschichtete Glaskeramik wurde anschließend bei Raumtemperatur unter Atmosphärendruck getrocknet.
Um zu gewährleisten, dass die kristallanaloge Überstruktur auf der Oberfläche des Trägersubstrates abgeschieden wird, d. h., dass die vorgenannte Dispersionslösung bis zur vollständigen Trocknung ortsstabil auf dem Substrat verbleibt, wurde dieses mit einem Rahmen aus Klebestreifen versehen. Die an der Grenzfläche „Klebestreifen-Dispersionslösung” auftretende Oberflächen- bzw. Grenzflächenspannung verhindert hierbei ein seitliches Aus- bzw. Übertreten der Dispersionslösung über den Rand des Substrates hinaus.
Die Gitterperiodizität (= Abstand d) der durch die langsame Sedimentation und Selbstorganisation der PMMA-Kügelchen entstandenen kristallanalogen Überstruktur beträgt ~1,0 μm, deren Dicke ~25 μm.
In den Zwischenräumen des Polymerfestkörpers, der das Templat für die invers kristallanaloge Struktur bildet, wird anschließend durch Sol-Gel Infiltration eine TiO₂-Replikastrukur ausgebildet.
Hierzu wird das PMMA-Templat mit einer Lösung aus TiCl₄, halbkonzentrierter Salzsäure (HCl) und Ethanol (Mischungsverhältnis 1:2:2) infiltriert und anschließend bei Raumtemperatur unter Atmosphärendruck getrocknet. Im Rahmen des Infiltrationsprozesses wird vorgenannte Lösung mittels eines Zerstäubers im Sprühverfahren auf das PMMA-Templat aufgebracht, so dass dieses vollständig benetzt bzw. bedeckt ist. Dieser Vorgang-Infiltration und anschließende Trocknung- wird mehrfach, bis zur Erreichung des maximalen Füllgrades (= keine weitere Aufnahme des Infiltrats im Templat beobachtbar), wiederholt. Hierbei bildet sich in den Zwischenräumen des PMMA-Templats durch Hydrolyse hochtemperaturstabiles TiO₂.
Zwecks Herstellung der invers kristallanalogen Struktur, werden nach Trocknung des infiltrierten Trägersubstrats die PMMA-Kugeln des Templats durch Herausbrennen in einem 500°C heißen Ofen herausgelöst. Es verbleibt eine invers kristallanaloge Überstruktur, deren Wandungen aus hochtemperaturstabilem TiO₂ bestehen, und deren Porenstruktur durch einen charakteristischen Abstand d (Abstand vom Mittelpunkt eines Hohlraums zum Mittelpunkt des nächsten Hohlraums) von ~1,0 μm gekennzeichnet ist.
Zu Vergleichszwecken wurde unter Verwendung eines standardmäßigen Sol-Gel Verfahrens eine glatte, nicht strukturierte TiO₂-Schicht gleicher Ausdehnung und Dicke auf ein identisches Glaskeramiksubstrat aufgebracht.
Zur Bewertung der katalytischen Wirksamkeit der Schichten wurde eine Rußschicht auf die jeweils mit dem porösen Material gemäß der Erfindung bzw. der glatten, nicht strukturierten Schicht überzogene Seite des Glaskeramiksubstrates aufgebracht. Danach wurden die Glaskeramiksubstrate erhitzt, um die Rußschicht zu verbrennen.
Es wurde dabei das Temperaturniveau zum Zeitpunkt der vollständigen Russverbrennung gemessen.
In Tabelle 1 sind die Temperaturdifferenzen zwischen dem Temperaturniveau der vollständigen Russverbrennung einer glatten TiO₂-Schicht T₁ und dem Temperaturniveau der vollständigen Russverbrennung des porösen TiO₂-Materials T₂ der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Wie aus Tabelle 1 zu entnehmen ist, zeigen die porösen TiO₂-Materialien gemäß der Erfindung gegenüber den glatten nicht strukturierten Schichten eine Erniedrigung des Temperaturniveaus um 50°C. Somit können die porösen Materialien der vorliegenden Erfindung erfolgreich bei der katalytischen Russverbrennung bei niedrigeren Temperaturen als Materialien nach dem Stand der Technik eingesetzt werden.
Zusätzlich wurden analog zu dem oben beschriebenen Verfahren Trägersubstrate hergestellt, die poröse Schichten aus SiO₂, ZrO₂ und einem Gemisch aus SiO₂ und CeO₂ aufwiesen.
Zu Vergleichszwecken wurden aus den gleichen Materialien wie oben genannt unter Verwendung von standardmäßigen Sol-Gel-Verfahren glatte, nicht strukturierte Schichten auf identische Glaskeramiksubstrate aufgebracht.
Zur Bewertung der katalytischen Wirksamkeit der Schichten wurde auch hier wieder eine Rußschicht auf die jeweils mit dem porösen Material gemäß der Erfindung bzw. der glatten, nicht strukturierten Schicht überzogene Seite des Glaskeramiksubstrates aufgebracht. Danach wurden die Glaskeramiksubstrate erhitzt, um die Rußschicht zu verbrennen. Es wurde dabei das Temperaturniveau zum Zeitpunkt der vollständigen Rußverbrennung gemessen.
In Tabelle 1 sind die Temperaturen der vollständigen Rußverbrennung einer glatten Schicht T₁ und dem Temperaturniveau der vollständigen Rußverbrennung des porösen Materials T₂ der vorliegenden Erfindung sowie die Temperaturdifferenz dargestellt. Tabelle 1

Schicht-Material T₁–T₂ T₁ T₂

SiO₂ ~15°C ~500°C ~485°C

SiO₂-CeO₂ ~25°C ~475°C ~450°C

TiO₂ ~50°C ~450°C ~400°C

ZrO₂ ~60°C ~410°C ~350°C
Wie aus Tabelle 1 zu entnehmen ist, zeigen die porösen Materialien gemäß der Erfindung gegenüber glatten nicht strukturierten Schichten eine deutliche Erniedri gung des Temperaturniveaus zur vollständigen Rußverbrennung. Somit können die porösen Materialien der vorliegenden Erfindung erfolgreich bei der katalytischen Rußverbrennung bei niedrigeren Temperaturen als Materialien nach dem Stand der Technik eingesetzt werden bzw. zeigen bei gleichen Verbrennungstemperaturen eine höhere Effizienz bzw. einen höheren Wirkungsgrad nach dem Stand der Technik.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 4683868 [0004]
- US 5622680 [0008]
- WO 2004/024627 A1 [0014]
- US 2007/0202343 A1 [0014]

Claims

Verfahren für die katalytische Russverbrennung, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Inberührungbringens des Rußes (26) mit einem porösen Material bei einer erhöhten Temperatur aufweist, wobei das poröse Material eine kristallanaloge oder invers kristallanaloge Überstruktur mit einer dreidimensionalen periodischen oder quasiperiodischen Anordnung aufweist, wobei die kristallanaloge oder invers kristallanaloge Überstruktur einen regelmäßigen Abstand d aufweist, der im Bereich von 0,15 bis 10 μm liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d im Bereich von 0,2 bis 4,5 μm liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d im Bereich von 0,5 bis 2,5 μm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus den hochtemperaturstabilen Oxiden und den hochtemperaturstabilen Elementen und Mischungen davon.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturstabilen Oxide ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Al₂O₃, SiO₂, SnO₂, Sb₂O₃, den Alkalimetalloxiden, den Erdalkalimetalloxiden, den Übergangsmetalloxiden, den Seltenerdoxiden und Mischungen davon.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturstabilen Oxide ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Al₂O₃, SiO₂, SnO₂, Sb₂O₃, Li₂O, Na₂O, K₂O, MgO, CaO, TiO₂, VO₂, V₂O₅, ZnO, Y₂O₃, ZrO₂, CeO₂ und Mischungen davon.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturstabilen Elemente ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Si, Ge, W, Sn, Au, Ag, Pt, C und Mischungen davon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturstabilen Oxide und die hochtemperaturstabilen Elemente dotiert sind mit einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus den Alkalimetallen, den Erdalkalimetallen, den Übergangsmetallen, den seltenen Erden, den Elementen der Gruppe 14, den Alkalimetalloxiden, den Erdalkalimetalloxiden, den Übergangsmetalloxiden, den Seltenerdoxiden und Mischungen davon.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturstabilen Oxide und die hochtemperaturstabilen Elemente dotiert sind mit einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Si, Ge, W, Sn, Au, Ag, Pt, C, Li₂O, Na₂O, K₂O, MgO, CaO, TiO₂, VO₂, V₂O₅, ZnO, Y₂O₃, ZrO₂, CeO₂ und Mischungen davon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material auf ein Trägersubstrat aufgebracht ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat aus einem Material besteht, dass ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glas, Glaskeramik, Keramik, Metall und Mischungen davon.
Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, dass sie an zumindest einer Stelle ein poröses Material mit einer kristallanalogen oder invers kristallanalogen Überstruktur mit einer dreidimensionalen periodischen oder quasiperiodischen Anordnung aufweist, wobei die kristallanaloge oder invers kristallanaloge Überstruktur einen regelmäßigen Abstand d aufweist, der im Bereich von 0,15 bis 10 μm liegt.
Brennkammer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d im Bereich von 0,2 bis 4,5 μm liegt.
Brennkammer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d im Bereich von 0,5 bis 2,5 μm liegt.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus den hochtemperaturstabilen Oxiden und den hochtemperaturstabilen Elementen und Mischungen davon.
Brennkammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturstabilen Oxide ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Al₂O₃, SiO₂, SnO₂, Sb₂O₃, den Alkalimetalloxiden, den Erdalkalimetalloxiden, den Übergangsmetalloxiden, den Seltenerdoxiden und Mischungen davon.
Brennkammer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturstabilen Oxide ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Al₂O₃, SiO₂, SnO₂, Sb₂O₃, Li₂O, Na₂O, K₂O, MgO, CaO, TiO₂, VO₂, V₂O₅, ZnO, Y₂O₃, ZrO₂, CeO₂ und Mischungen davon.
Brennkammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturstabilen Elemente ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Si, Ge, W, Sn, Au, Ag, Pt, C und Mischungen davon.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturstabilen Oxide und die hochtemperaturstabilen Elemente dotiert sind mit einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus den Alkalimetallen, den Erdalkalimetallen, den Übergangsmetallen, den seltenen Erden, den Elementen der Gruppe 14, den Alkalimetalloxiden, den Erdalkalime talloxiden, den Übergangsmetalloxiden, den Seltenerdoxiden und Mischungen davon.
Brennkammer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturstabilen Oxide dotiert sind mit einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Si, Ge, W, Sn, Au, Ag, Pt, C, Li₂O, Na₂O, K₂O, MgO, CaO, TiO₂, VO₂, V₂O₅, ZnO, Y₂O₃, ZrO₂, CeO₂ und Mischungen davon.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material auf ein Trägersubstrat aufgebracht ist.
Brennkammer nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat aus einem Material besteht, dass ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glas, Glaskeramik, Keramik, Metall und Mischungen davon.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Abgasauslass aufweist, wobei das poröse Material im Bereich des Abgasauslasses angeordnet ist.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Sichtscheibe (14) aufweist, wobei das poröse Material auf der der Brennkammer zugewandten Seite der Sichtscheibe (14) aufgebracht ist.
Brennkammer nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material gegenüber sichtbarem Licht transparent ist.