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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung und/oder auf das Gebiet einer katalytischen Beschichtung (1) für/von Trägermaterial welche vorzugsweise aus Keramik und/oder anderen Materialien bestehen und als Katalysator zur Minderung und/oder Reduktion von schädlichen staub- und gasförmigen Emissionen (Schadstoffen) in den Anwendungsbereichen: Einzelraumfeuerungsanlagen, sonstige Heizungsanlagen, Abgas- und Anlagen-Systeme, Verbindungsrohre, insbesondere für Industrie, Gewerbe, Wohnbau, Landwirtschaft - eingesetzt wird.
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Unter gasförmigen Schadstoffen werden vor allem Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) verstanden, die bei der unvollständigen Verbrennung von Holz oder auch anderen Brennstoffen, die in häuslichen Einzelraumfeuerungsanlagen eingesetzt werden, entstehen. Unter den Kohlenwasserstoffen befinden sich eine Reihe von Verbindungen, die bei Raumtemperatur fest oder flüssig vorliegen, aber bei erhöhter Temperatur, wie sie im Rauchgas vorherrschen, gasförmig werden. Werden diese Kohlenwasserstoffe und CO unbehandelt in die Umgebung entlassen, so rufen sie schädliche und unerwünschte Wirkungen vor, z.B. gesundheitliche, toxische Schädigungen von Menschen und Tieren oder auch geruchsbelästigende Wirkungen.
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Die staub- und gasförmigen Emissionen (Schadstoffen) von Einzelraumfeuerungsanlagen können durch die chemische Funktion und Reaktionen der Beschichtung (1) des Katalysators zu unschädlichen Verbindungen umgewandelt werden.
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Eine Minderung/Reduktion ist eine chemische Reaktion, bei der ein oder mehrere Elektronen von einem Teilchen (Atom, Ion oder Molekül) aufgenommen werden. Dadurch wird die Oxidationszahl des Teilchenbestandteils, das reduziert wird, um die Anzahl der aufgenommenen Elektronen erniedrigt.
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Einzelraumfeuerungsanlagen sind Feuerstätten, die zur Beheizung von Räumen und/oder der Warmwasserversorgung dienen, mit Festbrennstoffen betrieben werden und mit der Abgasanlage zusammen die Feuerungsanlage bilden. Diese Definition ist Bestandteil der Feuerungsverordnungen der Länder du der Bundes-Immissionsschutzverordnung (BlmSchV). Gemäß der Entscheidung der Europäischen Kommission (Amtsblatt EG L 184 vom 17.07.1999) sind Einzelraumfeuerungsanlagen „Raumerwärmungsanlagen, die feste (...) Brennstoffe verbrennen zur Verwendung in Gebäuden“.
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Bei der vorliegende Erfindung wird das Abgas in das katalytisch beschichtete Trägermaterial geleitet. Die im Abgas enthaltenen, brennbaren staub- und gasförmigen Emissionen (Schadstoffen) wie z.B. Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (CnHm, VOCs, PAKs), kommen mit der katalytisch-aktiven Beschichtung (Oberfläche) des Trägermaterial (Katalysator) in Kontakt, in Anwesenheit des Schadstoffs können die Oxidationsreaktionen bei einer Temperatur größer als 300 °C stattfinden. Diese Schadstoffe werden durch Oxidationen in unschädliche Stoffe (Wasser und Kohlendioxid) überführt und dadurch gemindert. Das Trägermaterial nimmt an den Reaktionen nicht teil. Es gewährleistet lediglich, dass die Reaktion der Beschichtung (1) bei niedrigerem Temperaturniveau (schon bei 300 °C statt bei 500 °C wie bei der thermischen Oxidation) stattfinden kann.
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Katalysatoren sind gut dafür bekannt eine Minderung und/oder Reduktion von schädlichen staub- und gasförmigen Emissionen (Schadstoffen) zu behandeln. Katalysatoren weisen eine Vielzahl von Konstruktionen zu diesem Zweck auf. In einer Form umfasst der Katalysator das starre Trägermaterial (3), welche ein Bindemittel (2), sowie eine katalytische wirkende Beschichtung (1) aufweist.
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Solche Katalysatoren sind so gasdurchlässig, dass der Rauch relativ ungebremst durch die schaum- und/oder wabenkörperartige Struktur hindurch entweichen kann. Der Ruß, der zusammen mit den schädlichen staub- und gasförmigen Emissionen durch die offenporöse schaum- und/oder wabenkörperartige Struktur geleitet wird, wird dabei zurückgehalten. Zusätzlich werden mit der erfinderischen katalytischen Beschichtung (1) schädliche staub- und gasförmige Emissionen (Schadstoffen) gemindert.
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Ebenfalls kann der Katalysator in unterschiedlichsten Formen und Varianten hergestellt werden, vorzugsweise an keiner oder z.B. an allen oder zumindest an zwei Seitenflächen konisch Flächen z.B. auf 16° parallel zueinander hergestellt werden. Des Weiteren ist es möglich eine integrierte Öffnung im Katalysator anzuordnen.
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Diese Erfindung betrifft die Herstellung von beschichteten Keramiken und insbesondere Katalysatoren, die aus einem feuerfesten Trägermaterial (3) bestehen, der mit einem dünnen Film einer Beschichtung (1) aus einem katalytisch aktiven feuerfesten Metalloxid (Anspruch 4.) versehen ist, das ein katalytisch aktives Metall enthält. In einer spezifischeren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung einer katalytischen Beschichtung (1) für Katalysatoren welche sie besonders zur Verwendung als Oxidationskatalysatoren bei der Minderung und/oder Reduktion von schädlichen staub- und gasförmigen Emissionen (Schadstoffen) geeignet macht.
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Als Trägermaterialien (Substrate) können fast alle bekannten (festen) Materialien genutzt werden, das heißt Metalle, Isolatoren, Halbleiter, kristalline oder amorphe Materialien, textile Flächengebilde (Strukturen, Platten, Gewebe, Vliese, Maschenwaren), Folien u. v. m. Allerdings können nicht alle Materialien auf beliebigen Untergrundmaterialien aufgebracht werden.
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Das Trägermaterial weist vorzugsweise eine offenporöse schaum- und/oder wabenkörperartige Struktur auf, welche eine Vielzahl von übereinanderliegenden und/oder länglichen Kanälen, typischerweise aus einer dreidimensional vernetzen Keramikstruktur aus vielen miteinander verbundenen Keramikstegen und zwischen den Stegen liegenden offenen Zellen und/oder parallelen Kanälen, aufweist, um einen katalytisch beschichteten Körper mit einer großen Oberfläche bereitzustellen.
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Die Trägerstruktur hat den Vorteil gegenüber anderen Strukturen (Wabenstrukturen bzw. Schüttungen), dass die Filtration von organischen Stäuben (wie Ruß und adhäsiven Aerosolen) in günstigen Betriebsphasen ermöglicht werden kann, ohne großen Strömungswiderstand aufgrund höherer Porosität (>70%) zu verursachen.
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Die Porosität (PPI - Pores per Inch) entspricht dem Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen und beträgt beispielsweise bei Ziegeln - je nach Rohstoffen und Brennweise etwa 10% bis 80%. Im Unterschied dazu haben offenporige Katalysatoren vorzugsweise eine Porosität von in der Regel mehr als 90% und kontrolliert erzeugte Poren. Diese können ebenfalls vorzugsweise in den Größen PPI 8, PPI 10, PPI 20 sowie PPI 30 hergestellt werden.
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Vorgeschlagen wird als Trägermaterial eine Keramik welche vorzugsweise aus einem oder mehreren nachfolgenden Materialien besteht: Siliziumcarbid (SiC), Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AIN), Aluminiumtitanat (A12TiO5), Silikatkeramik, Zirkonoxid (ZrO2), Titan(IV)-oxid, Bornitrid (BN), Borcarbid (B4C), Molybdändisilicid (MoSi2), Wolframcarbid (WC).
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Die Metalle und Metalloxide der Gruppe VIII des Periodensystems sind seit langem als Oxidationskatalysatoren anerkannt. Sie wurden beispielsweise per se in Pellet- oder Granulat-Form eingesetzt, wurden jedoch häufiger als katalytisch aktiver Teil auf einem inerten Träger oder Träger abgeschieden. Während viele dieser Oxidationskatalysatoren unter relativ milden Bedingungen erfolgreich arbeiten, besteht derzeit Bedarf an einem Oxidationskatalysator, der chemisch aktiv genug und physikalisch robust genug ist, um über einen langen Zeitraum extrem schwierigen Betriebsbedingungen standzuhalten. Beispielsweise wurde in der Vergangenheit die Verwendung von Oxidationskatalysatoren zur Reinigung von Abgasen aus Kraftfahrzeugen vorgeschlagen, jedoch aufgrund der Tatsache, dass die verfügbaren Katalysatoren eine unzureichende Aktivität aufwiesen, eine kurze Lebensdauer aufwiesen und/oder waren, nicht weit verbreitet unfähig, die damit verbundenen körperlichen Belastungen aufrechtzuerhalten. Diese Erfindung betrifft die Herstellung einer Beschichtung für Katalysatoren mit hoher Aktivität, hoher Qualität, langer Lebensdauer und extremer Stabilität und Haltbarkeit.
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Gemäß der Herstellung der vorliegenden Erfindung wird zuerst eine wässrige Dispersion gebildet, die ein chemisch, d. H. Katalytisch aktives feuerfestes Metalloxid und eine wasserlösliche Metallverbindung der Platingruppe enthält. Das feuerfeste Metalloxid kann mit der Metallverbindung der Platingruppe kombiniert werden, während das erstere entweder in seiner wasserhaltigen oder dehydratisierten (aktivierten oder kalzinierten) Form vorliegt. Die wässrige Dispersion wird dann auf die Außenflächen eines bestimmten chemisch und katalytisch inerten feuerfesten Trägers aufgebracht und der so beschichtete Träger wird kalziniert, um den Träger mit einem Film aus dem aktiven feuerfesten Metalloxid zu versehen, der katalytisch wirksame Mengen des Metalls der Platingruppe enthält. Der Film kann kontinuierlich oder diskontinuierlich sein, ist jedoch gewöhnlich über die Oberfläche des Trägers relativ gleichmäßig. Die Aufschlämmung aus feuerfestem Metalloxid und Metall der Platingruppe kann entweder vor oder nach der Abscheidung auf dem Träger mit Schwefelwasserstoff behandelt werden, um das aktive Metall der Platingruppe als Sulfid zu fixieren.
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Verwendung von Edelmetalle der Platingruppe (z. B. Platin (Pt), Palladium (Pd), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Rhodium (Rh) oder als Gemisch davon) werden in der Herstellung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise in jeder dem Stand der Technik bekannten Form aufweisen und/oder eingesetzt werden, wie beispielsweise eine geeignete anorganische Verbindung eines Metalls der Platingruppe. Die Zugabe dieser Verbindung zu dem feuerfesten Oxid wird vorzugsweise durch Verwendung einer Lösung eines wasserlöslichen anorganischen Salzes des Platingruppenmetalls oder der Metalle erreicht.
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Bei vorzugsweise der Tauchbeschichtung wird das Trägermaterial (3) in das Bindemittel (2) und anschließend im wiederholten Vorgang in die Beschichtungslösung getaucht und wieder herausgezogen. Beim Herausziehen bleibt ein dünner Film auf der Keramik zurück. Temperatur, Umgebungsdruck, Luftfeuchte und die Geschwindigkeit sowie Austauchwinkel, mit der die Keramik aus dem Bindemittel (2) und/oder Beschichtungslösung herausgezogen wird, sind ausschlaggebende Faktoren für die Schichtdicke und die Qualität der Beschichtung (1). Nachdem die Keramik beschichtet wurde, wird diese anschließend vorzugsweise durch die Zentrifugal-Kraft getrocknet, und somit die offenporösen Öffnungen sowie Porosität freigelegt und anschließend zu einem katalytisch beschichtetem Katalysator (Keramik) gebrannt.
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Bei der Rotationsbeschichtung wird nach der Dosierung der Lösung mittig auf einer waagerechten Substratfläche das Substrat rotiert (wobei die Rotationsachse vertikal zur Fläche verläuft). Durch die Rotation wird die Lösung nach außen getrieben und es bildet sich ein dünner und gleichmäßiger Film auf dem katalytisch beschichteten Katalysator (Keramik).
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Bindemittel sind Stoffe, die an Phasengrenzen anderer Stoffe chemische Bindungen herstellen oder begünstigen oder Effekte wie Kohäsion, Adsorption und Adhäsion bzw. Reibung auslösen oder vergrößern. Bei Werkstoffen für oder aus Keramiken dient der eigentliche keramische Anteil, der sich durch thermisches Sintern („Backen“ bei hoher Temperatur), oder andere chemische Prozesse (etwa Pyrolyse von Polymeren) verfestigt, als Bindemittel (2).
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Je nach Funktionsweise und gewünschtem Effekt werden bestimmte Bindemittel (2) vorwiegend oder ausschließlich zum Binden jeweils nur von Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen eingesetzt.
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Typische Einsatzgebiete von Bindemitteln sind:
- das Bauwesen;
- das Beschichten, Giessen und Sintern;
- das Kochen und die Lebensmitteltechnik;
- die Chemie, Medizintechnik, Pharmazie und Kosmetik;
- die Papier-, Holzwerkstoff- und Keramikindustrie;
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Verbreitet sind Bindemittel (2) auf Grundlage von Polymeren (wie Harzen, Ölen und Dispersionen, sowie auch auf Cellulosebasis), Stärke, Kohle, Silikaten (Zeolithe, Silicagel), Calciumcarbonat (Kalk, Zement) und Proteinen (z. B. Gelatine).
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Besonders günstig ist es, wenn als Bindemittel (2) vorzugsweise ein oder mehrere Vertreter aus der Gruppe Zellulosefasern, Zellulosederivate, Amylose, Amylopektin oder Cellobiose eingesetzt wird/werden. Diese Gruppe weist keine oder nur sehr geringe Wechselwirkungen mit Keramik und vielen Keramikmaterialien auf, sodass bereits die (nasse) Keramik sehr stabil bleibt, wodurch sich besonders leichte Keramiken in gleichmäßiger Dichte herstellen lassen.
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Das Trocknen der katalytischen Beschichtung (1) erfolgt beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 30° und 200°C, bevorzugt zwischen 40° und 95°C, besonders bevorzugt bei etwa 50°C.
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Das Trocknen der katalytischen Beschichtung (1) kann durch einen Heißlufttrockner, ein Radio- oder ein Mikrowellentrockner erfolgen. Dabei wird je nach Formgröße, -beschaffenheit, Feuchtigkeit der Umgebungsluft und des beschichteten Katalysators, seinen Bestandteilen, dem Trocknertyp und der Luftzirkulation darin für mehrere Stunden getrocknet.
