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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysatorträger, die zum Gebiet des Katalysators gehört.
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Stand der Technik
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Die spezifische Oberfläche ist einer der wichtigen Indikatoren für die Fuktionsleistung des Katalysators. Bei der spezifischen Oberfläche handelt es sich um die gesamte Fläche der Innenflächen (oder der Außenflächen) eines Katalysators oder Katalysatorträgers von 1 g. Eine größere spezifische Oberfläche eines Katalysators oder Katalysatorträgers kann die katalytische Effizienz der Wirkstoffe pro Einheitsgewicht erhöhen. Der Träger, auf dessen Oberfläche die katalytischen Wirkstoffe des Katalysators gelagert werden, ist ein Bestandteil von dem unterstützten Katalysator. Der Träger wird verwendet, um die Wirkstoffe zu unterstützen, damit der Katalysator einige spezifische physikalische Eigenschaften aufweist. Zum Beispiel, ein Katalysatorträger lässt die fertigen Katalysatoren eine geeignete Form, Größe und mechanische Festigkeit haben, damit die Katalysatoren den Betriebsanforderungen des industriellen Reaktors entsprechen. Die Wirkstoffe des Katalysators können auch beispielsweise auf der Oberfläche des Trägers verteilt werden, damit eine größere spezifische Oberfläche erhalten wird. Im Bereich der angewandten Katalyse wird es oft gefordert, dass ein Katalysator sowohl eine große spezifische Oberfläche, als auch ein kleines Volumen hat, um der für den Katalysator angesetzten Raumschranke zu entsprechen und soweit wie möglich den Katalysator funktionieren zu lassen. Aber eine große spezifische Oberfläche und eine geringe Größe sind meist widersprechend. Dies wirkt als ein entscheidender Faktor für die katalytische Anwendungen.
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CN 2598642 Y offenbart einen Katalysatorträger, der aus einem Behälter und federförmigen Gegenständen besteht, wobei die federförmigen Gegenstände ungeordnet sind.
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US 4464482 A offenbart eine 3D-Katalysatorauflage, die aus mehreren gestrickten Drahtschichten besteht, wobei der Zwischenraum 60 bis 98% des gesamten Volumens der Katalysatorauflage besitzt, um ein dichtgepacktes Katalysatorsystem und damit verbundenen Probleme zu vermeiden.
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Die in
DE 69419911T2 offenbarte katalytische Einheit schließt ein aus hitzebeständigem Metall-draht bestehendes offenmaschiges Metallgestrick oder -gewebe, welches darauf angepasst ist, ein Pack vorbestimmter Form mit einigen aneinander anliegenden Schichten und ein Packungsgehäuse zu bilden. Diese katalytische Einheit ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Hälfte der Schichten in dem Metallmaschenwarenpaket im Wesentlichen aus Metallware besteht, welche in wenigstens zwei Richtungen im Wesentlichen ununterbrochen gewellt worden ist, so dass die Wellenbildungen dazwischen Winkel beschreiben. Die gewellte Metallmaschenware ist so in dem Paket angeordnet, dass die Spitzen der Winkel in einer Richtung quer zu der Richtung der Durchflussdurchgänge weisen. Zwischen den Schichten aus gewellter Metallmaschenware sind Schichten aus nichtgewellter Metallmaschenware angeordnet. Zumindest die gewellte Metallmaschenware ist üblich mit wenigstens zwei parallelen Drähten oder Garnen gestrickt oder gewebt. Die aneinander-liegenden Schichten können günstigerweise durch das Rollen der Metall-maschenware zur Bildung eines im Wesentlichen zylindrischen Pakets hergestellt werden. Alternativ dazu kann die Metallmaschenware zu einem nichtzylindrischen Paket, zum Beispiel einem parallel epipedischen Paket, gewellt oder gepresst werden. Durch das Wellen der Metallmaschenware wird eine überraschend effektiv und gründliche Turbulenz des Gases erzeugt, das durch die katalytische Einheit hindurchgeht. Dies trägt günstig dazu bei, die relative Dauer der Gasaussetzung zu verlängern und stellt dadurch höhere Wirkungsgarde bereit als sie sonst mit Metall-maschenwarenträgern in katalytischen Einheiten erreicht werden würden.
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JPS63-302953 A offenbart einen metallischen Träger für einen Abgasreinigungs-Katalysator, der aus einem dreidimensional verwobenen Metalldraht besteht, der mit verschiedenen Oxiden als Trägermaterial für den Katalysator beschichtet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter ein bestimmtes Volumen eine maximale Erhöhung der spezifischen Oberfläche des Katalysators zu schaffen, und somit den Verwertungsgrad des Katalysators zu erhöhen.
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Gelöst wird die gestellte Aufgabe dadurch, dass die vorliegende Erfindung einen Katalysatorträger vorschlägt, der aus mehreren formähnlichen ebenen Körpern gebildet ist, wobei die Körper sich aufeinander stapeln. Jeder ebener Körper ist aus mehreren formähnlichen Rahmeneinheiten durch Verschachtelung gebildet und die Geometrie der Rahmeneinheiten und des Querschnitts des ebenen Körpers sind ähnlich, wobei jede einzelne Rahmeneinheit eine federartige spiralförmige Struktur aufweist. Die mehreren formähnlichen ebenen Körper werden durch Klebverbindungen oder Drähte, wobei die Drähte Wirkstoffe oder Cokatalysatoren enthalten, zu einer Netzwerkstruktur gebildet, wobei die Drähte die ebenen Körper einhaken und unterstützen. Die mehreren formähnlichen Rahmeneinheiten werden durch Klebverbindungen oder Drähte, wobei die Drähte Wirkstoff oder Cokatalysatoren enthalten, zu einer Netzwerkstruktur gebildet, wobei die Drähte die Rahmeneinheiten einhaken und unterstützen.
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Der Träger weist eine Quaderform, Zylinderform, Kegelform oder Kugelform auf oder kann aus einer Kombination von mehreren dieser Formen gebildet werden.
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Darüber hinaus können die Querschnitte der ähnlichen ebenen Körper die Form eines Rechtecks, Kreises, Dreiecks oder einer Ellipse aufweisen oder aus einer Kombination von mehreren dieser Formen gebildet werden.
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Feiner wird die Oberfläche der federartigen spiralförmigen Struktur der Rahmeneinheit rau eingerichtet, oder werden mehrere Löcher auf der Oberfläche der Rahmeneinheit angeordnet.
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Die federartige spiralförmige Struktur der Rahmeneinheit wird aus den Wirkstoffen oder den auf dem Träger getragenen Katalysator-Materialien hergestellt.
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Bei diesen obigen Ausgestaltungen, der Katalysatorträger wird in mehreren ebenen Körper „zerlegt”, und dann wird der Körper in mehreren linienfömigen Rahmeneinheiten „aufgeteilt”, und schließlich wird die linienfömige Rahmeneinheit in einer federartigen spiralförmigen Struktur verwandelt, damit sichergestellt wird, dass die spezifische Oberfläche durch diesen „Vergrößerungsprozeß” der Materialien sich soweit wie möglich erhöht, ohne das Volumen des Katalysatorträgers zu vergrößern. Die spezifische Oberfläche des Katalysatorträgers erhöht sich weiterhin durch die Änderung der Rauhigkeit oder die Anordnung der Löcher auf derselben Oberfläche, damit der Verwertungsgrad des Katalysators verbessert wird.
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Ausführungsbeispiel
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Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele mit den beigefügten Figuren dienen zur Verdeutlichung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, die jedoch in keiner Weise den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einschränken. Darin zeigen:
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1a eine schematische Strukturdarstellung eines quaderfömigen Katalysatorträgers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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1b eine schematische Strukturdarstellung eines ebenen Körpers eines quaderfömigen Katalysatorträgers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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1c eine schematische Strukturdarstellung einer Rahmeneinheit eines quaderfömigen Katalysatorträgers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2a eine schematische Strukturdarstellung eines elliptischen zylinderfömigen Katalysatorträgers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2b eine schematische Strukturdarstellung eines ebenen Körpers eines elliptischen zylinderfömigen Katalysatorträgers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2c eine schematische Strukturdarstellung einer Rahmeneinheit eines elliptischen zylinderfömigen Katalysatorträgers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 eine schematische Strukturdarstellung eines kegelstumpfförmigen Katalysatorträgers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 eine schematische Strukturdarstellung eines kugelförmigen Katalysatorträgers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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5 eine schematische Strukturdarstellung eines kegelförmigen Katalysatorträgers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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6 eine schematische Strukturdarstellung eines ebenen Körpers eines kegelstumpfförmigen, kugelförmigen und kegelförmigen Katalysatorträgers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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7 eine schematische Strukturdarstellung einer Rahmeneinheit eines kegelstumpfförmigen, kugelförmigen und kegelförmigen Katalysatorträgers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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8 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Beseitigungsrate für gasartige Schadstoffe und der Windungszahl der federartigen spiralförmigen Struktur einer formähnlichen Rahmeneinheit eines Katalysatorträgers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In 1a–1c werden die schematischen Strukturdarstellungen eines quaderfömigen Katalysatorträgers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und der zugehörigen Komponenten gezeigt. Es zeigt in 1a, dass dieser quaderfömige Katalysatorträger aus mehreren ähnlichen Quader besteht, wobei die Quader sich aufeinander stapeln. Es zeigt in 1b, dass jeder formähnliche Quader wieder von mehreren formähnlichen rechteckigen Rahmeneinheiten durch Verschachtelung ausgebildet ist. Das heißt, die Rahmeneinheiten weisen voneinander unterschiedliche Kantenlänge auf, damit die Rahmeneinheiten jeweils übereinander verschachtelt und zu einem oben genannten Quader zusammengesetzt werden können. Es zeigt in 1c, dass die formähnliche Rahmeneinheit von jedem Quader eine federartige spiralförmige Struktur aufweist. Die Oberfläche der federartigen spiralförmigen Struktur der Rahmeneinheit wird rau eingerichtet, oder mehrere Löcher werden auf der Oberfläche der Rahmeneinheit angeordnet, um die spezifische Oberfläche weiterhin zu vergrößern.
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In 2a–2c werden die schematischen Strukturdarstellungen eines elliptischen zylinderfömigen Katalysatorträgers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und der zugehörigen Komponenten gezeigt. Es zeigt in 2a, dass dieser elliptische zylinderfömige Katalysatorträger aus mehreren formähnlichen elliptischen Zylinder besteht, wobei die Zylinder sich aufeinander stapeln. Es zeigt in 2b, dass jeder formähnliche elliptische Zylinder aus mehreren ähnlichen elliptischen Rahmeneinheiten durch Verschachtelung ausgebildet ist. Die langen und kurzen Achsen der elliptischen Rahmeneinheiten sind verschiedene, damit die Rahmeneinheiten übereinander verschachtelt und zu einem oben genannten elliptischen Zylinder zusammengesetzt werden können. Es zeigt in 2c, dass jede elliptische formähnliche Rahmeneinheit eine federartige spiralförmige Struktur aufweist. Die Oberfläche der federartigen spiralförmigen Struktur der Rahmeneinheit wird rau eingerichtet, oder mehrere Löcher werden auf der Oberfläche der Rahmeneinheit angeordnet, um die spezifische Oberfläche weiterhin zu vergrößern.
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In 3–7 werden die schematischen Strukturdarstellungen des kegelstumpfförmigen, kugelfömigen und kegelförmigen Katalysatorträgers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und der zugehörigen Komponenten dargestellt. Es zeigt in 3–5, dass dieser kegelstumpfförmige, kugelfömige und kegelförmige Katalysatorträger aus den mehreren formähnlichen kegelstumpfförmigen, kugelfömigen und kegelförmigen Zylinder besteht, wobei die Zylinder sich aufeinander stapeln. Es zeigt in 6, dass jeder ähnliche kegelstumpfförmige, kugelfömige und kegelförmige Zylinder aus mehreren formähnlichen kreisförmigen Rahmeneinheiten durch Verschachtelung ausgebildet ist. Die Radien der kreisförmigen Rahmeneinheiten sind verschiedene, damit die Rahmeneinheiten übereinander verschachtelt und zu den oben genannten kegelstumpfförmigen, kugelfömigen und kegelförmigen Zylinder zusammengesetzt werden können. Es zeigt in 7, dass jede kreisförmige Rahmeneinheit eine federartige spiralförmige Struktur aufweist. Die Oberfläche der federartigen spiralförmigen Struktur der Rahmeneinheit wird rau eingerichtet, oder mehrere Löcher werden auf der Oberfläche der Rahmeneinheit angeordnet, um die spezifische Oberfläche weiterhin zu vergrößern.
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Bei dem in den obigen Ausführungsbeispielen genannten Begriff „ähnlich” handelt es sich um die Bedeutung, dass alle bezüglich Geometrie oder Formen geometrisch identisch sind, aber nur die Dimension oder Größe jedes Körpers unterschiedlich sind, wie ähnliche Dreiecke, ähnliches Polygon etc.
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Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen, in 8 wird ein Diagramm der Beziehung zwischen der Beseitigungsrate für gasartige Schadstoffe und der Windungszahl der federartigen spiralförmigen Struktur einer formähnlichen Rahmeneinheit gezeigt. Die optimale Windungszahl der federartigen spiralförmigen Struktur wird nach der höchsten Beseitigungsrate für Schadstoffe eingestellt. Mit der ansteigenden Windungszahl steigt die Beseitigungsrate zuerst an und nimmt dann ab und die optimale Windungszahl der federartigen spiralförmigen Struktur wird nach der höchsten Beseitigungsrate für Schadstoffe abgestimmt. Die Parabelkurve im Diagramm tritt aus dem Grund auf, dass je höher die Windungszahl, desto größer ist die spezifische Oberfläche, aber sich der Luftwiderstand in der Struktur auch steigert. Wenn ein Katalysatorträger zur Luftreinigung in einem neuen renovierten Haus oder bei einer schweren Unweltverschmutzung dient, kann der Katalysatorträger aus den Katalysator-Materialien gegen die bestimmten Schadstoffe hergestellt werden und die Windungszahl der spiralförmigen Struktur auf die optimale Windungszahl eingestellt werden, um die höchste Beseitigungsrate für Schadstoffe zu erzielen. Daher ist es ersichtlich, dass nach den verschiedenen Umgebungen und Zwecke die mannigfaltigen Katalysatormaterialien für die Herstellung des Katalysatorträgers ausgewählt und die Windungszahl und die Größe der federartigen spiralförmigen Struktur der formähnlichen Rahmeneinheiten eingestellt und abgestimmt werden müssen.
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In dem Katalysatorträger nach den vorstehenden Ausführungsbeispielen werden die mehreren formähnlichen ebenen Körper und die mehreren formähnlichen Rahmeneinheiten durch Klebverbindungen oder Drähte, wobei die Drähte Wirkstoffe (z. B. Aktivkohlenfasern) oder Cokatalysatoren enthalten, zu einer Netzwerkstruktur ausgebildet, wobei die Drähte die ebenen Körper und die Rahmeneinheiten einhaken und unterstützen.
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Die in den Ausführungsbeispielen von 1–7 dargestellten Katalysatorträger mit verschiedenen geometrischen Formen können für Luftreinigung eingesetzt werden. Zum Beispiel werden die die federartige spiralförmige Struktur aufweisenden formänhlichen Rahmeneinheiten aus den Titandioxid-Katalysator tragenden Nanofasern hergestellt, die weiter auf die oben genannte verschachtelnde und stapelnde Weise zum Katalysatorträger für Reinigung von Benzol und Formaldehyd in der Luft ausgebildet werden. Als ein weiteres Beispiel werden die die federartige spiralförmige Struktur aufweisenden formänhlichen Rahmeneinheiten aus den bearbeiteten Edelmetallen (wie Platin, Rhodium, Palladium, etc.) oder Übergangsmetallen (wie Eisen) hergestellt, die weiter auf die oben genannte verschachtelnde und stapelnde Weise zum Katalysatorträger ausgebildet werden, der in der Lage ist Stickoxide in der Luft zu beseitigen. Die oben erwähnten Katalysatoren können in einem Luftreiniger angebaut werden, um die Reinigungswirkung für Luftschadstoffe zu verbessern.
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Die Aktivkohle mit einer mikrokristallinen Struktur ist eines der bekanntesten Adsorptionsmittel. Die mikrokristallinen Anordnungen sind vollständig unregelmäßig, und in dem Kristall enthält es Mikroporen (Radius kleiner als 20 [Å], [Å] = 10–10 m), Übergangsporen (Radius von 20–1000 [Å]) und Löcher (Radius von 1000–100000 [Å]), so dass der Mikrokristall der Aktivkohle eine sehr große Innenfläche aufweist, und die spezifische Oberfläche 500–1700 m2/g beträgt.
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Die Adsorptionsfähigkeit für Luftschadstoffe ist abhängig von der Anzahl der Poren an der Oberfläche der Aktivkohle. Je größer der Oberflächenbereich, desto mehr die ausgesetzten Poren, desto besser ist die Adsorptionsfähigkeit. Daher können durch die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Katalysatorträger die Wirksamkeit, Geschwindigkeit und Effizienz der Luftreinigung verbessert werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysatorträger mit einer großen spezifischen Oberfläche und kleiner Dimension, der aus den mehreren formähnlichen ebenen Körper ausgebildet wird, wobei die Körper sich aufeinander stapeln. Jeder ebener Körper wird wieder aus den mehreren formähnlichen Rahmeneinheiten durch Verschachtelung ausgebildet. Die Geometrie der Rahmeneinheit und des Querschnitts des ebenen Körpers sind ähnlich. Jede Rahmeneinheit hat eine federartige spiralförmige Struktur. Durch den „Vergrößerungsprozeß” der spezifischen Oberfläche wird der Katalysatorträger in mehreren ebenen Körper „zerlegt”, und diese Körper werden in mehreren linienfömigen Rahmeneinheiten „aufgeteilt”, und schließlich verwandert die linienfömige Rahmeneinheit in der spiralförmigen Struktur, damit sichergestellt wird, dass die spezifische Oberfläche des Katalysatorträgers soweit wie möglich erhöht wird, ohne das Volumen des Katalysatorträgers zu vergrößern. Die spezifische Oberfläche des Katalysatorträgers erhöht sich weiterhin durch die Änderung der Rauhigkeit oder die Einrichtung der Löcher an derselben Oberfläche, damit sich der Auslastungsgrad des Katalysators verbessert und eine bessere Wirksamkeit der Luftreinigung erzielt wird.
