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Verfahren zur Herstellung eines Katalysators zum Unschädlichmachen
der Abgase von Verbrennungsmotoren Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
eines Katalysators zum Unschädlichmachen der Abgase von Verbrennungsmotoren, unter
Verwendung von Trägerstoffen, auf die Metalloxyde aufgebracht sind, und unter Anwendung
von Ultraschall.
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Es sind Katalysatoren bekannt, deren Träger aus Bauxit, Aluminiumsilikaten,
Kieselsäuregel und ähnlichen Stoffen bestehen und auf welche Metalloxyde aufgetragen
werden, die aus Lösungen entsprechender Salze niedergeschlagen sind. Diese bekannten
Katalysatoren weisen den wesentlichen Nachteil auf, daß die Trägerstoffe unrein
sowie grob sind und die Neigung besitzen, mit den Metalloxyden schon bei verhältnismäßig
niedrigen Temperaturen Verbindungen einzugehen.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Herstellungsverfahren für derartige
Katalysatoren ist darin zu sehen, daß es außerordentlich schwierig, wenn nicht gar
unmöglich ist, die aktiven Stoffe in Form von Lösungen in genügender Menge auf die
Träger aufzubringen. Zumindest ist der Anteil der aufgebrachten Oxyde zu gering,
um den an den Katalysator bei der Nachverbrennung der Auspuffgase von Verbrennungsmotoren
gestellten Anforderungen zu genügen.
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Da es sich um Gemische verschiedener Metallsalze handelt, besteht
eine weitere Schwierigkeit darin, daß es zwischen den Metallsalzen und dem Träger
zu unerwünschten Verbindungen kommen kann.
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Weiterhin erweist es sich als nachteilig, daß die Trägerstoffe nicht
so dispers vorliegen, um feste Trägergerüste für die Aufnahme der Metalloxyde in
höchst disperser Form bilden zu können. Verschiedenen Trägermaterialien haften außerdem
Stoffe an, die die mikrodisperse Einbringung beeinträchtigen, wenn nicht gar unmöglich
machen.
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Eine weitere Schwierigkeit ist darin zu sehen, daß die verschiedenen
Metalloxyde nicht so mikrodispers vorliegen, wie es an sich wünschenswert ist, was
darauf zurückzuführen ist, daß die Teilchenverschiebung, welche durch die Aufbereitungsmethoden
hervorgerufen wird, zu hoch ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine Anzahl von
Metalloxyden ein- oder aufgebracht werden soll. Die Verschiedenheit der Oxyde, insbesondere
der Teilchengröße, beeinflußt sowohl die Anfangs- als auch die Dauerkatalyse, insbesondere
den Sauerstoffaustausch. Die hohe Neigung der verschiedenen Metalloxyde, sich untereinander
zu verbinden, führt nach kurzem Gebrauch infolge von Aluminat- und Silikatbildungen
bei hohen Temperaturen zu Alterungserscheinungen.
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Hierbei werden bekanntlich die Oberflächen- und
Tiefenwirkungen beeinflußt
und der Niederschlag von Ruß und Bleistaub gefördert, besonders bei der Abgasvernichtung
von Verbrennungsmotoren.
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Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß die vorstehend erwähnten
Nachteile und Schwierigkeiten der bekannten Katalysatoren sich dadurch vermeiden
lassen, wenn 40 bis 50 Gewichtsprozent der als Trägerstoffe dienenden Magnesium-
und Calcium verbindungen und des Aluminiumhydrosilikats und der verwendeten Metalloxyde,
nämlich 18 bis 22 Gewichtsprozent Kobaltoxyd, 13 bis 17 Gewichtsprozent Manganoxyd,
8 bis 12 Gewichtsprozent Kupferoxyd und 0,3 bis 0,7 Gewichtsprozent Platin- und
Palladiumoxyd je für sich in ein auf 80 bis 90° C erhitztes, inertes flüssiges Medium
eingebracht und mittels Ultraschall behandelt werden, und zwar die Trägerstoffe
mit einer Leistung von 20 bis 100 W/cm2 etwa 20 Minuten lang und die Metalloxyde
mit einer Leistung von 60 bis 100W/cm2 etwa 30Minuten lang, worauf nach Trocknung
die Trägerstoffe und Metalloxyde homogen vermischt werden und das Gemisch nach der
Verformung einer Wärmebehandlung von 800 bis 10000 C ausgesetzt wird.
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Es ist bereits bekannt, Ultraschall zur Behandlung von Flüssigkeiten,
Gasen und Katalysatoren zu verwenden, jedoch nicht bei Katalysatoren mit den gemäß
der Erfindung bemessenen Bestandteilen sowie mit der angegebenen Leistung.
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Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Trägerstoffe
durch die äußere und innere Kavitation, hervorgerufen durch den Ultraschall, gereinigt,
da sich die unreinen Stoffe vom Träger lösen. Gleichzeitig werden die Trägermaterialien
durch die beim Beschallungsvorgang entstehenden Zug- und Druckkräfte zur höchstmöglichen
Dispersion gebracht. Sowohl die Zug- als
auch die Druckkräfte betragen
etwa je 10 atü. Die Teilchenverschiebung erweist sich als vergleichsweise gering
und liegt in der Größenordnung von 10-6 cm.
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Auch die Metalloxyde werden durch die erfindungsgemäße Behandlung
in eine hoch disperse Feinheit gebracht, und zwar ebenfalls durch die innere und
äußere Kavitation. Die Teilchengrößenverschiebung unter den Oxyden ist außerordentlich
gering und kann bis zu 10 A kleinen Teilchen herabgesetzt werden. Die hoch- und
mikrodispers vorliegenden Metalloxyde können ohne weitere Behandlung mit den gleichbehandelten
Trägerstoffen homogen vermischt werden, um so mehr, weil der Aufbau der Trägerstoffe
durch Zusatz von Erdalkalien, wie z. B. Magnesiumverbindungen oder Calciumverbindungen,
so gehalten ist, daß die Trägerstoffe indifferent gegen die ihnen- zugesetzten aktiven
Metalloxyde sind, und zwar mindestens bis zum Schmelzpunkt der Metalloxyde selbst.
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Vorteilhaft erfolgt die Vermischung der Trägerstoffe und Metalloxyde
unter Einwirkung von Ultraschall mit einer Leistung von 20 bis 100 W/cm2, wobei
die mikrodisperse Verteilung der Oxyde in das Trägermaterial stark gefördert wird,
so daß sich eine bessere Haftung ergibt.
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Vor der Wärmebehandlung von 800 bis 10000 C kann das homogene, aktive
Gemisch zu Stäben, Röhrchen, Granulat usw. verformt werden, wobei sich dieses in
einem genügend festen, aber noch hochporösen Zustand befindet.
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Die wesentlichen Vorteile des erflndungsgemäß hergestellten Katalysators
sind wie folgt: 1. Es liegen vollsl;uldig reine Trägerstoffe vor.
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2. Es sind genügend hohe Anteile verschiedener Metalloxyde bei gleicher
Teilchengröße in die Trägerstoffe-ein-und auf diese-aufgebracht.
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-3. Der Aufbau der Trägerstoffe ist-durch den Zusatz von Erdalkalien,
wie z. B.- Magnesiumverbindungen oder Calciumverbindungen, so gehalten, daß die
Trägerstoffe indifferent gegen die ihnen zugesetzten aktiven Metalloxyde sind, und
zwar bis zum Schmelzpunkt der Oxyde selbst.
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4. Die Trägergerqste, in welche die Metalloxyde eingelagert sind,
besitzen eine hohe Festigkeit und damit die gewünschte Abreib- und Standfestigkeit.
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5. Die Oberflächen- und Tiefenwirkung und damit sowohl die Anfangs-
als auch die Dauerkatalyse kann jetzt durch Niederschlag von Ruß und Bleistaub nicht
mehr behindert werden. Das Eindringen dieser Niederschläge wird durch die Mikrodispersion
von Träger und Metalloxyden und die dadurch hervorgerufene feinste Oberflächen-
und Kapillarbildung verhindert. Ebenso werden hierdurch Sinterung und Schrumpfung
sowie Alterüngserscheinungen vermieden.
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6. Durch die feinen Kapillaren wird ein schneller Umsatz erreicht,
wobei der Katalysator schon bei Temperaturen von 70 bis 1000 C wirksam ist, und
zwar bis hinauf zu 800 bis 10000 C.
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7. Die erfindungsgemäßen Katalysatoren können Daueroxydation von
850 bis 9000 C ausgesetzt sein, ohne daß dabei Aluminat- bzw. Silikatbildungen ahftrefen,
8.
Der Katalysator vernichtet alle brennbaren Gase gleich gut.
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9. Der Katalysator kann durch Wärmebehandlung zwischen 900 und 10000
C und anschließende kurze Ultraschallbehandlung zwischen 20 und 100 W/cm2 regeneriert
und erneut eingesetzt werden.
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Beispiel Es werden 40 Gewichtsprozent einer Magnesiumverbindung,
z. B. Talk und 100/o Aluminiumhydrosilikat als Trägerstoffe in auf 850 C erhitztes,
destilliertes Wasser gegeben. Ebenso werden 22 Gewichtsprozent Kobaltoxyd, 16 Gewichtsprozent
Manganoxyd, 11,6 Gewichtsprozent Kupferoxyd und 0,4 Gewichtsprozent Palladium- und
Platinoxyd in aui 850 C erhitztes, destilliertes Wasser gegeben. Je für sich werden
nun die vorerwähnten Trägerstoffe und Metalloxyde mit Ultraschall behandelt, und
zwar die Trägerstoffe mit einer Leistung von 80 W/cm2 etwa 20 Minuten lang und die
Metalloxyde mit einer Leistung von 80 W/cm2 etwa 30 Minuten lang.
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Nach Trocknung werden die Trägerstoffe und Metalloxyde homogen vermischt,
woraufhin das Gemisch zu Röhrchen verformt wird. Anschließend werden die Formlinge
einer Wärmebehandlung von 800 bis 10000 C ausgesetzt.
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Ein so hergestellter Katalysator hat sich bei der Unschädlichmachung
von Abgasen bestens bewährt, und zwar hat sich nach 500 Stunden Einsatz unter den
verschiedensten Fahrbedingungen keine Beeinträchtigung der Wirkungsweise des Katalysators
gezeigt, wobei insbesondere kein Ruß vorlag und Bleistaub lediglich 0,0010/0 vorhanden
war. Dieser Katalysator springt bereits bei Abgastemperaturen von 70 bis 1000 C
an und ist noch bei Temperaturen von 800 bis 10000 C voll wirksam. Wie Dauereinsätze
bewiesen haben, läßt sich mit diesem Katalysator eine Herabsetzung des Kohlenoxydgehaltes
der Abgase auf 0,20/o erreichen, welcher Wert wesentlich unter den geforderten Grenzwerten
liegt.
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Derart vorteilhafte Eigenschaften und Ergebnisse weisen die bekannten
Katalysatoren nicht auf.
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Ein handelsüblicher Katalysator, welcher als Träger Kieselsäuregel
besitzt, auf das feinverteilt Kupfer, Mangan, Silber und Kobalt aufgebracht sind,
wurde Abgasen in verschiedener Konzentration ausgesetzt, wobei sich infolge von
Temperaturschwankungen und Auftreten von Wasserdampf eine starke Herabsetzung der
wirksamen Venichtung der schädlichen Anteile der Abgase zeigte, und zwar nach einem
Einsatz von 100 Stunden bis zu 30 bis 400/0 der ursprünglichen Wirkung. Außerdem
zeigte sich dieser Katalysator als sehr empfindlich gegen Sauerstoffmangel in den
Auspuffgasen.
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Demgegenüber zeigte sich der erfindungsgemäße Katalysator nach 500
Stunden und mehr noch voll wirksam, und zwar sowohl über den gesamten Temperaturbereich
der Abgase.