DE2744868C3 - Catalyst carrier for car exhaust gas detoxification systems and processes for their production - Google Patents
Catalyst carrier for car exhaust gas detoxification systems and processes for their productionInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Katalysatorträger und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. dem des Anspruchs 4.The present invention relates to a catalyst carrier and to a method for the same Production according to the preamble of claim 1 or that of claim 4.
Bei einem derartigen Katalysatorträger, wie er aus der DE-OS 26 10 244 bekanntgeworden ist, wird als Hauptkomponente des porösen, hitzebeständigen Trägermaterials ebenfalls «-Aluminiumoxid verwendet, das zerkleinert, mit einem Sintermittel gemischt, zu Körnern verarbeitet wird, die zusammengesintert den Träger ergeben. Dieses Material besitzt jedoch ebenso wie Zirkon, Cordierit oder Mullit zwar eine ausreichende mechanische Festigkeit und Wärmewiderstandsfähigkeit und einen entsprechend großen durchschnittlichen Porendurchmesser, um eine schnelle Diffusion der Abgase zu ermöglichen, jedoch ha' es sich dennoch als wenig brauchbar erwiesen, weil ein Katalysator mit einem derartigen Trägermaterial wegen dessen geringer spezifischer Oberfläche keine ausreichenden Abgasentgiftungseigenschaften aufweist, insbesondere was die Anfangsrate der Entgiftung anbetrifft.In such a catalyst support, as it has become known from DE-OS 26 10 244, is as Main component of the porous, heat-resistant carrier material also uses «-aluminium oxide, that is crushed, mixed with a sintering agent, processed into grains that are sintered together Bearer surrender. However, like zirconium, cordierite or mullite, this material is adequate mechanical strength and thermal resistance and a correspondingly large average Pore diameter in order to enable rapid diffusion of the exhaust gases, however, it still has to be Proven to be of little use, because a catalyst with such a support material is lower because of it specific surface does not have sufficient exhaust gas detoxification properties, in particular what the As for initial rates of detoxification.
Es sind auch Katalysatorträger aus einem Übergangs-Aluminiumoxid, wie y-Aluminiumoxid, bekannt, die einen recht hohen Wert hinsichtlich des spezifischen Oberflächeninhalts, jedoch einen extrem geringen Wert hinsichtlich des Porenvolumens und insbesondere des durchschnittlichen Porendurchmessers besitzen. Nachteilig hieran ist, daß das Autoabgas mit einer extrem hohen Geschwindigkeit durchgeführt und die Reaktion hauptsächlich nahe der Oberfläche des Katalysaiors stattfindet. Außerdem besitzen diese KatalysatorträgerThere are also catalyst supports made of a transition aluminum oxide, known as y-aluminum oxide, which has quite a high value in terms of specificity Surface area, but an extremely low value in terms of pore volume and especially the have average pore diameter. The disadvantage here is that the car exhaust with an extremely carried out at high speed and the reaction mainly near the surface of the catalyst takes place. In addition, these have catalyst supports
Ίο den Nachteil, daß, da das Übergangs-Aluminiumoxid bei rund 9000C kristallisiert und als Folge davon mechanisch sehr schwach wird, der Katalysatorträger bricht, mit dem Ergebnis, daß sich die Katalysatorcharakteristik durch Fahrzeugvibration oder thermischer Stoßbe-Ίο the disadvantage that, since the transition aluminum oxide crystallizes at around 900 0 C and is mechanically very weak as a result, the catalyst carrier breaks, with the result that the catalyst characteristics are changed by vehicle vibration or thermal shock
r> anspruchung erheblich verschlechtert, weil die mechanische Festigkeit des Übergangs-Aluminiumoxids entsprechend der Hysterese dann abfällt, wenn es Autoabgasen von rund 10000C ausgesetzt ist. Dabei kann es dann vorkommen, daß zerbröckeltes Pulver denr> stress significantly worsened, because the mechanical strength of the transition aluminum oxide falls in accordance with the hysteresis when it is exposed to car exhaust fumes of around 1000 ° C. It can then happen that the crumbled powder
■'in Durchgang blockiert, wodurch der Ausstoß vermindert wird, oder eine starke Verringerung des Katalysatorvolumens durch thermisches Zusammenziehen einen Abgasdurchgang bildet, der an die Reinigungsreaktion nicht angepaßt ist, wodurch die Katalysatorhaltbarkeit■ 'blocked in the passage, reducing the output or a large reduction in the volume of the catalyst due to thermal contraction Forms exhaust gas passage which is not adapted to the purification reaction, thereby reducing the catalyst durability
■i5 wesentlich vermindert wird.■ i5 is significantly reduced.
Somit wurde der Katalysatorträger aus Übergangs-Aluminiumoxid zum Reinigen bzw. Entgiften von Autoabgasen nicht immer als ausreichend empfunden. Diese Tatsache widerlegt die Gültigkeit der traditionel-Thus, the catalyst carrier made of transition alumina was used for cleaning or detoxifying Car exhaust is not always felt to be sufficient. This fact refutes the validity of the traditional
w) len Konzeption, daß ein Katalysatorträger, der feinporig ist und demgemäß einen großen spezifischen Oberflächeninhalt besitzt, bei der Entgiftung der Autoabgase die beste Leistung bzw. Wirkungsgrad bringt.w) len conception that a catalyst support that has fine pores and accordingly has a large specific surface area in the detoxification of the Car exhaust brings the best performance or efficiency.
ti Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, !ion Katalysatorträger für Autoabgas-Entgiftungsanlagen der eingangs genannten Art zu schaffen, der zu einem Katalysator mit verbesserten Entgiftungscigen-The object of the present invention is therefore to ! ion catalyst carrier for car exhaust gas detoxification systems to create of the type mentioned, which leads to a catalyst with improved detoxification
schäften fuhrtstocks leads
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Katalysatorträgers selbst durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens zu dessen Hersteilung durch im Kennzeichen des Anspruchs 4 angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved with regard to the catalyst support itself by the characteristics of the Claim 1 and with regard to the method for its production by in the characterizing part of claim 4 specified features solved.
Der erfindungsgemäße Katalysatorträger ist also nicht nur mechanisch und thermisch sehr widerstandsfähig, sondern ermöglicht auch eine verbesserte Entgiftung, insbesondere im Anfangsstadium, da er mit einem optimalen Bereich der Werte von Gesamtporenvolumen, durchschnittlichem Porendurchmesser und spezifischer Oberfläche versehen ist und da er zusätzlich mit einem aktiven Aluminiumoxid beladen ist. das an den Poreninnenflächen des Trägermaterials niedergeschlagen ist.The catalyst support according to the invention is not only mechanically and thermally very resistant, but also allows for improved detoxification, especially in the early stages, as he is with a optimal range of values of total pore volume, average pore diameter and more specific Surface is provided and because it is also loaded with an active aluminum oxide. that to the Pore inner surfaces of the carrier material is deposited.
Aus der US-PS 34 37 605 ist zwar ein Katalysatorträger für Gasreinigungsprozesse bekanntgeworden, der mit Aluminiumoxid beladen ist. Substrat des Trägers ist jedoch weder ein poröses noch ein hitzebeständiges Material in Form von «-Aluminiumoxid, sondern ein nahezu beliebiges anderes Material. Außerdem erfolgt das Beladen mit Aluminiumoxid in der Weise, daß in einem organischen Lösungsmittel suspendiertes oder dispergiertes Aluminiumpulver aufgebracht, das dann durch Kalzinieren in beispielsweise «-Aluminiumoxid umgewandelt wird, das mit oder ohne Substrat den eigentlichen Katalysatorträger bildet und dann mit einem Katalysatormetall imprägniert wird. Demgegenüber wird der Erfindung Trägermaterial aus «-Aluminiumoxid zerkleinert und dann durch Eintauchen in eine wäßrige Lösung aus beispielsweise Aluminiumnitrat und anschließendem Trocknen, welcher Vorgang wiederholt werden kann, und durch eine anschließende Wärmebehandlung mit beispielsweise ^-Aluminiumoxid beladen. r,From US-PS 34 37 605 a catalyst support for gas cleaning processes has become known, the loaded with alumina. However, the substrate of the carrier is neither a porous nor a heat-resistant one Material in the form of -aluminium oxide, but almost any other material. Also takes place loading with alumina in such a way that suspended in an organic solvent or Applied dispersed aluminum powder, which is then calcined in, for example, aluminum oxide is converted, which forms the actual catalyst carrier with or without a substrate and then with is impregnated with a catalyst metal. In contrast, the invention is a carrier material made of -aluminum oxide crushed and then by immersion in an aqueous solution of, for example, aluminum nitrate and subsequent drying, which process can be repeated, and a subsequent heat treatment loaded with, for example, ^ -alumina. r,
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Kennlinien näher beschrieben und erläutert wird. Es zeigt 4(1Further details and configurations of the invention can be found in the following description, in which the invention is described and explained in more detail with reference to the characteristic curves shown in the figures will. It shows 4 (1
Fig. 1 die Beziehung zwischen der Reinigungsrate von HC und CO im Abgas und der Laufstrecke bzw. der Kilometerleistung als Vergleich zwischen einem herkömmlichen und dem erfindungsgemäßen Katalysator,Fig. 1 shows the relationship between the purification rate of HC and CO in the exhaust gas and the running distance or the Mileage as a comparison between a conventional catalyst and the catalyst according to the invention,
Fig. 2 die Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Porendurchmesser und der HC-Reinigungs-Anfangstemperatur bei einem Katalysator mit einem Katalysatorträger gemäß einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,Fig. 2 shows the relationship between the average pore diameter and the HC cleaning start temperature in the case of a catalytic converter with a catalytic converter carrier according to an exemplary embodiment the present invention,
F i g. 3 die Beziehung zwischen dem Gesamtporenvo- >o lumen und der Druckfestigkeit des erfindungsgemäßen Katalysatorträgers,F i g. 3 the relationship between the total pore volume-> o lumen and the compressive strength of the catalyst support according to the invention,
F i g. 4 die Beziehung zwischen dem Gesamtporenvolumen und der HC-Reinigungs-Anfangstemperatur in einem Katalysator mit dem erfindungsgemäßen Kataiysatorträger, F i g. 4 the relationship between the total pore volume and the HC cleaning start temperature in a catalyst with the catalyst support according to the invention,
Fig.5 die Beziehung zwischen dem spezifischen Oberflächeninhalt utid der HC-Reinigungs-Anfangstemperatur in einem Katalysator mit einem erfindungsgemäßen Katalysatorträger und t>oFig. 5 shows the relationship between the specific surface area and the HC cleaning start temperature in a catalyst with a catalyst support according to the invention and t> o
Fig.6 die Beziehung zwischen dem spezifischen Oberflächeninhalt und der Volumenabnahmerate.Fig. 6 shows the relationship between the specific surface area and the rate of volume decrease.
Der Katalysatorträger gemäß vorliegender Erfindung ist, wie oben beschrieben, frei von den obengenannten Nachteilen und zur Reinigung bzw. to Entgiftung von Autoabgasen geeignet. Nach erheblichen Anstrengungen bei der Forschung und Entwicklunn wurden die optimalen Werte hinsichtlich des Gesamtporenvolumens, des durchschnittlichen Porendurchmessers und des spezifischen Oberflächeninhaltes für den Katalysatorträger herausgefunden. Diese führen namentlich zu einem Katalysatorträger, der aus einem porösen, hitzebeständigen bzw. bei hohen Temperaturen resistenten Material, wie beispielsweise «-Aluminiumoxid, Zirkon, Mullit oder Cordierit, vorzugsweise in Partikel- bzw. Teilchenform mit einer höheren Porendichte im Kern als nahe der Oberfläche besteht, an dessen Poreninnenoberfläche aktives Aluminiumoxid abgelagert bzw. niedergeschlagen ist und dessen Gesamtporenvolumen 0,05 bis 0,50 cmVg, dessen durchschnittlicher Porendurchmesser 0,05 bis 5,0 μπι und dessen spezifischer Oberflächeninhalt 3 bis 60 cm2/g beträgt.The catalyst support according to the present invention is, as described above, free from the disadvantages mentioned above and suitable for cleaning or detoxifying car exhaust gases. After considerable efforts in research and development, the optimal values for the total pore volume, the average pore diameter and the specific surface area for the catalyst support were found. These lead, in particular, to a catalyst carrier made of a porous, heat-resistant or high-temperature resistant material, such as aluminum oxide, zirconium, mullite or cordierite, preferably in particle form with a higher pore density in the core than near the surface exists, on whose inner pore surface active aluminum oxide is deposited or deposited and whose total pore volume is 0.05 to 0.50 cmVg, whose average pore diameter is 0.05 to 5.0 μm and whose specific surface area is 3 to 60 cm 2 / g.
Der Katalysatorträger gemäß vorliegender Erfindung zeichnet sich in bemerkensweiter Weise dadurch aus, daß sein Grundmaterial mechanisch fest und hoch widerstandsfähig bei hohen Temperaturen ist, daß er mit einem großen durchschnittlichen Porendurchmesser versehen ist, der eine Doppelstruktur mit einem abgelagerten aktiven Aluminiumoxid und großem spezifischem Oberflächeninhah auf den Poreninnenoberflächen besitzt, und daß man durch die Mehrfachwirkung des optimierten Gesamtporenvolumens, durchschnittlichen Porendurchmessers und spezifischen Oberflächeniiihalts eine beispiellos hohe Leistung bei der Abgasentgiftung erreicht.The catalyst carrier according to the present invention is characterized in a remarkable way from that its base material is mechanically strong and highly resistant at high temperatures, that it is provided with a large average pore diameter having a double structure with a deposited active aluminum oxide and large specific surface area on the pore inner surfaces possesses, and that by the multiple effect of the optimized total pore volume, average Pore diameter and specific surface area an unprecedented high performance exhaust gas detoxification achieved.
Den erfindungsgemäßen Katalysatorträger erhält man folgendermaßen: Das Material, wie beispielsweise «-Aluminiumoxid, Zirkon, Mullit oder Cordierit oder eine Verbindung, die solch eine Substanz beim Erhitzen bzw. Brennen erzeugt, wird zerkleinert; als Sintermittel von insgesamt weniger als 20% zu vorzugsweise mehr als 80% eines solchen Materials wird mindestens eines aus SiO2, TiO2, ZrO2, CaO, MgO. B2O3, MnO2, Cr2Oj und CuO hinzugefügt. Dies wird mit einem herkömmlichen organischen Materia! gemischt, wie beispielsweise Stärke, Polyvinylalkohol oder wasserlösliche Zellulose; der sich daraus ergebende dünne Brei wird in einem Sprühtrockner getrocknet und in hochfluide Körnchen verwandelt; dann werden diese Körnchen auf eine gewünschte Form und Größe in einer Presse oder in einem Extruder geformt. Das geformte Produkt wird nach dem Trocknen bei 1000 bis 1650° C gebrannt, wodurch sich ein poröser, bei hohen Temperaturen widerstandsfähiger Stoff ergibt, der den Träger bildet. Der durchschnittliche Porendurchmesser und das Gesamtporenvolumen des Trägermaterials werden durch Steuerung der Partikelgröße des Materials, der Art und des hinzugefügten Volumens des Sintermittels und der Brennbedingungen auf die vorgeschriebenen Werte oder auf etwas größere Werte gebracht.The catalyst support according to the invention is obtained as follows: the material, such as, for example, aluminum oxide, zirconium, mullite or cordierite or a compound which produces such a substance when heated or fired, is comminuted; at least one of SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , CaO, MgO is used as a sintering agent from a total of less than 20% to preferably more than 80% of such a material. B 2 O 3 , MnO 2 , Cr 2 Oj and CuO added. This is done with a conventional organic materia! mixed, such as starch, polyvinyl alcohol, or water-soluble cellulose; the resulting thin slurry is dried in a spray dryer and turned into highly fluid granules; then these granules are molded into a desired shape and size in a press or an extruder. After drying, the molded product is fired at 1000 to 1650 ° C, resulting in a porous fabric that is resistant to high temperatures and forms the carrier. The average pore diameter and the total pore volume of the carrier material are brought to the prescribed values or to slightly larger values by controlling the particle size of the material, the type and added volume of the sintering agent and the firing conditions.
Das so erhaltene Trägermaterial wird in eine wäßrige Lösung aus Aluminiumsalz eingetaucht, wobei der Vorgang des Eintauchens und Trocknens so lange wiederholt wird, bis der spezifische Oberflächeninhah in einen bestimmten bzw. vorgeschriebenen Wertbereich fällt. Dann folgt eine Nachwärmebehandlung und nach der Ablagerung des aktiven Aluminiumoxids auf det Innenfläche der Poren erhält man den erfindungsgemäßen Katalysatorträger. Den Katalysator daraus erhält man dadurch, daß man beispielsweise durch das Einta^chverfahren bewirkt, daß der Katalysator am Katalysatorträger gehalten wird. Als Material, das Aluminiumoxid liefert, kann jede Verbindung, wie Aluminiumsalze, z. B. Aluminiuninitrat oder Aluminiumhydroxid, tür diesen Zweck verwendet werden, das eineThe carrier material obtained in this way is immersed in an aqueous solution of aluminum salt, the The process of dipping and drying is repeated until the specific surface area is in falls within a certain or prescribed range of values. This is followed by post-heat treatment and gradually the deposition of the active alumina on the inner surface of the pores results in that of the invention Catalyst carrier. The catalyst is obtained therefrom by, for example, the The effect of the immersion process is that the catalyst is held on the catalyst support. As a material that Provides alumina, any compound such as aluminum salts, e.g. B. aluminum nitrate or aluminum hydroxide, be used for this purpose, the one
wasserlösliche oder wasserdispergierbare Verbindung ist und gleichzeitig durch Wärmebehandlung Aluminiumoxid ergibt.is water-soluble or water-dispersible compound and at the same time by heat treatment aluminum oxide results.
Bei der Katalysatorreaktion zur Abgasentgiftung kann die CO-Reinigung mit relativer Leichtigkeit mit einer höheren -!ate als die HC-Reinigung stattfinden. Somit ist der wichtigste Faktor bei der Entgiftung die Anfangstemperatur der HC-Reinigung, deren Durchführung als schwierig angesehen wird. Für die HC-Reinigung bzw. -entgiftung ist es desto besser, je niedriger die Anfangstemperatur ist: was jedoch die Abgasentgiftung unmittelbar nach dem Anlassen des Motors betrifft, so ist eine Temperatur von weniger als 2600C wünschenswert; diese Temperatur von unter 2600C ist praktisch durchführbar. Aus Fig. 2. die den durchschnittlichen Poren durchmesser des Katalysatorträgers gemäß vorliegender Erfindung in Abhängigkeit von der HC-Reinigungs-Anfangstemperatur eines von diesem Träger gehaltenen Katalysators zeigt, ergibt sieh, daß die obere Grenze des durchschnittlichen Porendurchmessers 5,0 μίτι sein sollte. Wenn der Durchmesser unter 5,0 μΐη liegt, ist die HC-Reinigungs-Anfangstemperatur ausreichend; dabei ist insbesondere der Bereich von 0,08 bis 0,35 μπι am bevorzugtesten.In the catalyst reaction for exhaust gas detoxification, the CO purification can take place with relative ease and at a higher rate than the HC purification. Thus, the most important factor in detoxification is the initial temperature of HC cleaning, which is considered difficult to perform. For HC cleaning or detoxification, the lower the initial temperature, the better: however, as far as exhaust gas detoxification is concerned immediately after the engine has been started, a temperature of less than 260 ° C. is desirable; this temperature of below 260 ° C. is practicable. From Fig. 2. the average pore diameter of the catalyst support according to the present invention as a function of the HC cleaning initial temperature of a catalyst held by this support shows that the upper limit of the average pore diameter should be 5.0 μίτι. If the diameter is less than 5.0 μm, the HC cleaning start temperature is sufficient; in particular, the range from 0.08 to 0.35 μm is most preferred.
Ein Träger, der aus einem herkömmlichen aktiven Aluminiumoxyd hergestellt ist, besitzt einen durchschnittlichen Porendurchmesser von weniger als 0,05 μηι. Wenn solch ein Träger derart ausgebildet wird, daß er ein Edelmetall als Katalysator durch beispielsweise das Eintauchverfahren trägt, dann ergibt sich eine Beziehung zwischen der Porenstruktur und der Reinigungsleistung dieses Katalysators, wie sie in den Fällen a, b in der Tabelle 1 dargestellt ist. Diese Beziehung desselben Edelmetall-Katalysators, der jedoch am Träger gemäß vorliegender Erfindung mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 0,05 bis 5,0 μιτι gehalten ist, besitzt Werte, wie sie in den Fällen c, d, e und f in Tabelle 1 dargestellt sind.A carrier made of a conventional active alumina has an average Pore diameter of less than 0.05 μm. If such a carrier is designed in such a way, that he carries a noble metal as a catalyst by, for example, the immersion process, then one results Relationship between the pore structure and the cleaning performance of this catalyst, as shown in the Cases a, b is shown in Table 1. This relationship of the same noble metal catalyst, however on the carrier of the present invention having an average diameter in the range of 0.05 to 5.0 μιτι is held, has values as in the Cases c, d, e and f are shown in Table 1.
Oberflüchen-
inhallMore specific
Surface
inhall
schnittlicher
l'oren-
durchmesserBy
more cut
l'oren-
diameter
porcnvolumenoverall
porcnum volume
HC COCleaning rate (%)
HC CO
Die Reinigungsrate in Tabelle 1 ist ein Wert, der aus 10 Werten einer stationär simulierten, 30 000 km entsprechenden Laufstrecke abgeleitet wurde, die entsprechend einem vorgeschriebenen Lebensdauerversuchsmuster durchgeführt wurde.The cleaning rate in Table 1 is a value obtained from 10 values of stationary simulated 30,000 km corresponding running distance was derived, which corresponds to a prescribed service life test pattern was carried out.
Wie aus dieser Tabelle ersichtlich ist. fällt die Reinigungsrate desjenigen Katalysators, der von herkömmlichen Trägern a. b gehalten ist. beim HC auf etwa 6O°o und beim CO aut etwa 70% ab. Demgegenüber ist in den Fällen c bis f. in denen ein erfindungsgemäßer Träger verwendet wird, sowohl die HC- als auch die CO-Reinigungsleistungsfähigkeit stets aus demselben hohen Niveau gehalten, was auf die ausgezeichnete Haltbarkeit des von diesem Träger gehaltenen Katalysators hinweist. Der durchschnittliche Porendurchmesser ist so auf einen Bereich von 0,05 bis 5.0 um oder vorzugsweise 0,1 bis 2,0 μίτι vom Gesichtspunkt der Haltbarkeit und der mechanischen Festigkeit her begrenzt bzw. eingegrenztAs can be seen from this table. the rate of purification of that catalyst drops that of conventional Carriers a. b is held. in the case of HC to about 60 ° o and in the case of CO to about 70%. In contrast is in cases c to f. in which a carrier according to the invention is used, both the HC and the CO purification performance always kept at the same high level, which is due to the excellent Indicates durability of the catalyst held by this carrier. The average pore diameter is so to a range of 0.05 to 5.0 μm or preferably 0.1 to 2.0 μίτι from the point of view of Durability and mechanical strength limited or limited
Wie F i g. 3 zeigt, wird der Träger mit zunehmendem Gesamtporenvolurnen poröser und infolgedessen fällt seine Festigkeit ab: wenn aber das Gesamtporenvolurnen 030 cm Vg übersteigt, nimrr· die Festigkeits-Verschlechterung rapide zu. Wenn jedocn das Gesamtporenvolumen in der Porenstruktur des Träsers aufLike F i g. 3 shows, as the total pore volume increases, the carrier becomes more porous and consequently falls its strength decreases: but if the total pore volume exceeds 030 cm Vg, there is no deterioration in strength rapidly increasing. If, however, the total pore volume in the pore structure of the carrier
weniger als 0,50 cmVg gebracht wird, kann der Träger die für Autoabgasreinigungskatalysatoren notwendige Brüchfestigkeit aufrechterhalten und ist deshalb praktisch anwendbar.is brought less than 0.50 cmVg, the wearer can Maintain the fracture strength necessary for automobile emission control catalysts and is therefore practical applicable.
In F i g. 4 ist das Gesamtporenvolumen des Katalysatorträgers gemäß vorliegender Erfindung in Abhängigkeit von der HC-Reinigungsanfangstemperatur eines auf diesem Träger gehaltenen Katalysators dargestellt; daraus ist ersichtlich, daß mit einer Abnahme des Gesamtporenvolumens der Träger unter Verlust seiner Porosität dicht wird und dementsprechend steigt mit der verringerten Reaktionsfähigkeit bei niedriger Temperatur die HC-Reinigungs-Anfangstemperatur an. 1st nämlich das Gesamtporenvolumen nahe bei 0,05 cmVg, dann erreicht die HC-Reinigungs-Anfangstemperatur etwa 260" C: ist dieses Volumen unter 0,05 cmVg, so ist die Reaktionsfähigkeit bei niedriger Temperatur verringert, was den Katalysator für die Autoabgasreinigung ungeeignet werden läßt. Aus diesem Grunde sollte das Gesamtporenvolumen größer als 0,05 cmVg sein. Betrachtet man die Reinigungsleistungsfähigkeit und die mechanische Festigkeit des Katalysators, so liegt der praktische Bereich des Gesamtporenvolumens für den Katalysatorträger bei vorzugsweise 0,05 bis 0,50 cm3/g, oder insbesondere bei 0,10 bis 035 cm Vg.In Fig. 4 shows the total pore volume of the catalyst carrier according to the present invention as a function of the HC cleaning start temperature of a catalyst held on this carrier; from this, it can be seen that with a decrease in the total pore volume, the carrier becomes dense with loss of its porosity, and accordingly, with the decreased reactivity at low temperature, the HC purification starting temperature increases. If the total pore volume is close to 0.05 cmVg, then the HC cleaning start temperature reaches about 260 "C: if this volume is below 0.05 cmVg, the reactivity at low temperature is reduced, which makes the catalyst unsuitable for car exhaust gas cleaning For this reason, the total pore volume should be greater than 0.05 cmVg. Considering the cleaning performance and mechanical strength of the catalyst, the practical range of total pore volume for the catalyst carrier is preferably 0.05 to 0.50 cm 3 / g , or especially at 0.10 to 035 cm Vg.
Fig.5 zeigt den spezifischen Oberflächeninhalt des Katalysatorträgers gemäß vorliegender Erfindung in Abhängigkeit von der HC-Reinigungs-Anfangstemperatur eines von diesem Träger gehaltenen Katalysators. Daraus ergibt sich, daß, wenn die HC-Reinigungs-Anfangstemperatur unterhalb ihres praktischen Wertes von 2600C sein soll, dann der spezifische Oberflächeninhalt größer als 3 m2/g sein sollte; übersteigt der spezifische Oberllächeninhalt 60 m2/g, dann ist seine mechanische Festigkeit verringert und die Wahrschein- i<> lichkeit wird größer, daß er durch Vibration pulverisiert wird, was wegen einer starken Zunahme der Volumenverringerungsrate, wie F i g. 6 zeigt, unerwünscht ist. Vom Gesichtspunkt der Katalysatorleistungsfähigkeit und der mechanischen Festigkeit her sollte deshalb der r> spezifische Oberfiächeninhait bei 3 bis 60 m2/g oder vorzugsweise bei 10 bis 30 m2/g liegen.5 shows the specific surface area of the catalyst carrier according to the present invention as a function of the HC cleaning start temperature of a catalyst held by this carrier. It follows from this that if the HC cleaning start temperature is to be below its practical value of 260 ° C., then the specific surface area should be greater than 3 m 2 / g; if the specific surface area exceeds 60 m 2 / g, its mechanical strength is decreased and the possibility that it will be pulverized by vibration becomes greater, which is because of a large increase in the rate of reduction in volume, as shown in FIG. 6 shows is undesirable. From the point of view of catalyst performance and mechanical strength, the specific surface area should therefore be 3 to 60 m 2 / g or preferably 10 to 30 m 2 / g.
Da das obengenannte poröse Material einem reaktionsfähigen Fluid mit einer hohen Raumgeschwindigkeit, wie dem Autoabgas, ausgesetzt ist und unter starker Stoßbeanspruchung und Vibration verwendet wird, muß es eine ausreichend hohe Bruchfestigkeit als Träger und zugleich die Fähigkeit besitzen, den Katalysator nahe der Außenoberfläche zu reinigen; demgemäß muß es für diesen Zweck vorzugsweise eine 2r> doppelte Struktur besitzen, d. h., es muß nahe der Außenfläche dünn und im Kern dicht sein, so daß die Oberfläche einen großen durchschnittlichen Porendurchmesser und ein großes Gesamtporenvolumen besitzen kann, während der Kern zur Aufrechterhaltung »\ der mechanischen Festigkeil in dieser Hinsicht niedrige Werte besitzen kann.Since the above porous material is exposed to a reactive fluid having a high space velocity such as automobile exhaust and is used under severe shock and vibration, it must have a sufficiently high breaking strength as a support and at the same time have the ability to clean the catalyst near the outer surface; accordingly, for this purpose it must preferably have a 2 r > double structure, ie it must be thin near the outer surface and dense in the core so that the surface can have a large average pore diameter and a large total pore volume, while the core to maintain » \ the mechanical wedge can have low values in this regard.
Im folgenden seien Herstellungsbeispiele des erfindungsgemäßen Katalysatorträger im einzelnen beschrieben: r>The following are preparation examples of the invention Catalyst carrier described in detail: r>
100±2% der in Tabelle 2 aufgeführten Trägermaterialien werden bis auf 35 μΐη in einer Kugelmühle naß zerkleinert. Zu 100 Gewichtsteilen jedes zerkleinerten und getrockneten Materials werden 20 Teile Stärke, Kristallzellulose, deren Anteile in Teil C der Tabelle angegeben sind, und 30 Teile Wasser hinzugefügt und in einer Knetmaschine vollständig gemischt. Die Mischung wird mittels einer Vakuumextrudiermaschine in eine Säule von etwa 2,7 mm Durchmesser gepreßt, dann mit einer Rollgranuliermaschine auf 2,8 bis 3,4 mm Größe granuliert, getrocknet und bei einer Temperatur gemäß Teil C der Tabelle zwei Stunden lang gebrannt. Dies führt dann zu den porösen Träger-Musternr. 1 bis 10 der Tabelle 2.100 ± 2% of the support materials listed in Table 2 are wet to 35 μm in a ball mill crushed. To 100 parts by weight of each crushed and dried material, 20 parts of starch, Crystal cellulose, the proportions of which are given in part C of the table, and 30 parts of water are added and in completely mixed in a kneading machine. The mixture is poured into a Column about 2.7 mm in diameter pressed, then with a roll granulator to 2.8 to 3.4 mm in size granulated, dried and calcined at a temperature according to Part C of the table for two hours. this then leads to the porous support pattern no. 1 to 10 of the Table 2.
Es ist auch möglich, daß die Materialien preßgeformt und bei 15500C gebrannt werden, was zu kompakten Sjntcrprciiukteii fuhrt. Diese Produkte "wurden suf 1,4 bis 2,0 mm Größe fein gemahlen. Das Granulat wird abwechselnd mit den obengenannten zerkleinerten und getrockneten Trägermaterialien und mit einer 5°/owäßrigen Lösung aus Aluminiumoxid-So! in einer Rollgranuliermaschine gemischt, was zu Körnern von 2,8 bis 3,4 mm Größe führt. Die Körner werden, nachdem sie getrocknet sind, bei 1250 bis 14000C gebrannt, was zu den Mustern Nr. 11 — 13 mit doppelter Struktur führt d. h, dicht im Kern und dünn nahe der Oberfläche (siehe Tab. 2).It is also possible that the materials molded and fired at 1550 0 C, which leads to compact Sjntcrprciiukteii. These products "were finely ground to a size of 1.4 to 2.0 mm. The granulate is mixed alternately with the above-mentioned comminuted and dried carrier materials and with a 5% aqueous solution of aluminum oxide so! In a roller granulating machine, resulting in grains of 2.8 to 3.4 mm in size The grains, after they have dried, are fired at 1250 to 1400 ° C., resulting in Patterns Nos. 11-13 with double structure, i.e., dense in the core and thin near the surface (see Tab. 2).
3 1 jedes auf diese Weise erhaltenen Trägermaterials wird auf 50 bis 55° C erwärmt und dann 3 bis 5 Minuten lang in eine gesättigte wäßrige Lösung aus Aluminium- b5 nitrat eingetaucht die auf 55 bis 6O0C erwärmt ist wobei die Lösung einer Ultraschallschwingung unterworfen ist Das Trägermaterial wird mit einem Heißluftstrahl von 90 bis 1000C 10 bis 15 Minuten lang getrocknet, unmittelbar nachdem es mit Wasser in einem Wasserstrahl 2 bis 3 Sekunden lang gewaschen worden ist, wobei es in Schwingungen versetzt gehalten wird. Danach wird der Eintauch-Trocknungs-Vorgang so oft wiederholt, wie dies in Teil C der Tabelle 2 angegeben ist, worauf eine Wärmebehandlung bei 9000C während einer Stunde durchgeführt wird, wobei es innerhalb einer Mullit-Schutzhülle angeordnet ist. Dies führt dann zu dem Katalysatorträger gemäß vorliegender Erfindung, bei welchem das durch die Zersetzung von Aluminiumnitrat erzeugte ^-Aluminiumoxid gebrannt und auf dessen Poreninnenflächen niedergeschlagen ist.3 1 each carrier material obtained in this way is heated to 50 to 55 ° C then 3 to 5 minutes nitrate in a saturated aqueous solution of aluminum b5 immersed heated to 55 to 6O 0 C and the solution is subjected to ultrasonic vibration The carrier material is dried with a hot air jet from 90 to 100 ° C. for 10 to 15 minutes, immediately after it has been washed with water in a water jet for 2 to 3 seconds, while it is kept vibrating. The immersion-drying process is then repeated as often as is indicated in part C of Table 2, whereupon a heat treatment is carried out at 900 ° C. for one hour, it being arranged within a mullite protective cover. This then leads to the catalyst carrier according to the present invention, in which the ^ -alumina generated by the decomposition of aluminum nitrate is burned and deposited on its pore inner surfaces.
Das Gesamtporenvolumen und der durchschnittliche Porendurchmesser jedes Trägermaterials und des Trägers, mit dem y-Aiuminiumoxid auf den Poreninnenflächen, wurden durch das Quecksilber-Druckverfahren und der spezifische Oberflächeninhalt durch das BET-Verfahren gemessen.The total pore volume and average pore diameter of each support material and the Carrier, with the y-aluminum oxide on the pore inner surfaces, were determined by the mercury printing process and the specific surface area by the BET method measured.
1 1 jedes dieser Trägermaterialien erhält dann 1 g/l Pt als Katalysator, indem es in Platinchloridlösung 2 bis 3 Minuten lang eingetaucht wird. Den Katalysatorträger, bei dem 1 g/l Pt als Katalysator auf dem Träger gehalten ist, erhält man durch 1 stündige Pyrolyse bei 900°C.1 1 of each of these support materials then receives 1 g / l Pt as a catalyst by adding 2 to 3 Is immersed for minutes. The catalyst support in which 1 g / l Pt is kept on the support as a catalyst is obtained by pyrolysis for 1 hour at 900 ° C.
Die Anfangsreinigungsrate wurde bei Normalbenzin und die Dauerreinigungsrate der so erhaltenen Katalysatoren aus 10 Werten eines 30 000 km entsprechenden simulierten konstanten Laufes gemessen; die Ergebnisse für die Muster 1 bis 10 sind in Tabelle 2 angegeben. Ferner wurde die Volumenabnahmerate gemessen. Die Werte für den herkömmlichen Übergangs-Aluminiumoxidträger, d. h. a, b in Tabelle 1, sind in Tabelle 2 als Muster 14 und 15 angegeben. Die Dauerreinigungsleistungsfähigkeit für das Muster 1, d.h. für den Katalysator gemäß vorliegender Erfindung, und für das Beispiel 14, d. h. für den herkömmlichen Katalysator, ist in Fig. 1 dargestellt.The initial cleaning rate was normal gasoline and the continuous cleaning rate of the catalysts obtained in this way measured from 10 values of a simulated constant run corresponding to 30,000 km; the results for samples 1 to 10 are given in Table 2. The rate of decrease in volume was also measured. the Values for the conventional transition alumina support, i.e. H. a, b in Table 1, are in Table 2 as Specimen 14 and 15 indicated. The continuous cleaning performance for pattern 1, i.e. for the Catalyst according to the present invention, and for example 14, i.e. H. for the conventional catalyst, is shown in Fig. 1.
Die Zusammensetzung des so erhaltenen Trägers nach dem Eintauchen in Aluminiumnitrat und dessen Wärmezersetzung zeigt Tabelle 3, wobei als Untersuchungsbeispiel das Muster 1 verwendet wurde.The composition of the carrier thus obtained after immersion in aluminum nitrate and its Thermal decomposition is shown in Table 3, sample 1 being used as the test example.
Eine Röntgenstrahluntersuchung des Katalysatorträgers zeigt das Vorhandensein von ^-Aluminiumoxid.An X-ray examination of the catalyst support shows the presence of ^ -alumina.
Die Tatsache, daß aktives Aluminiumoxid auf den Poreninnenflächen des Trägers abgelagert ist, wurde wie folgt bestätigt, wobei wiederum als Untersuchungsbeispiel das Muster 1 herangezogen wurde: Das Trägermaterial und der Katalysatorträger, auf dem ^-Aluminiumoxid abgelagert ist, werden in einen rostfreien Behälter mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Höhe von 65 mm so weit gefüllt, daß der Behälter zu 90% damit gefüllt ist. Der spezifische Oberflächeninhalt des Katalysatorträgers, der einem 1 stündigen Verschleißfestigkeitsversuch mit vertikaler Vibration 5 G (bei einer Vibrationsfrequenz von 1500 cpm und einer Amplitude von 4 mm) unterworfen wurde, ist in Tabelle 4 dargestellt.The fact that active alumina is deposited on the inner pore surfaces of the carrier has been revealed confirmed as follows, again using sample 1 as an investigation example: The Support material and the catalyst support, on the ^ -Alumina is deposited, are in one stainless container with a diameter of 50 mm and a height of 65 mm filled so far that the Container is 90% full with it. The specific surface area of the catalyst support, which one 1 hour wear resistance test with vertical vibration 5 G (at a vibration frequency of 1500 cpm and an amplitude of 4 mm) is shown in Table 4.
Aus diesen Daten der Tabelle 4 ergibt sich, daß y-Aluminiumoxid auf den Poreninnenflächen des Trägermaterials abgelagert ist.From these data in Table 4 it can be seen that γ-aluminum oxide on the inner pore surfaces of the Support material is deposited.
Der Betrag an abgelagertem aktiven Aluminiumoxid ist von 15 g (Untersuchungsbeispiel ist das Muster 4) bis 238 g (Untersuchungsbeispiel ist das Muster 5) pro 1 1 Träger. Der optimale abgelagerte Betrag an aktivem Aluminiumoxid ist im Hinblick auf die HC-Eingangsreinigungstemperatur und die mechanische Festigkeit 60 bis 140 g/l Träger.The amount of active alumina deposited is from 15 g (test example is sample 4) to 238 g (test example is sample 5) per 1 liter of carrier. The optimum amount of active alumina deposited is 60 to 140 g / l of carrier in terms of HC inlet cleaning temperature and mechanical strength.
IOIO
Tabelle 2 (Teil Λ)Table 2 (part Λ)
Nr.template
No.
porcn-
volumcnCiesamt-
porcn
volume
schnittlicher
l'orcn-
durchniesserBy
more cut
l'orcn-
penetrate
ig/cnv')density
ig / cnv ')
|:: .-'schäftenKutalysalnrträgur-
| :: .- 'shafts
porcn-
volumcnCiesaml-
porcn
volume
Oberlliichevicinity
Oberlliiche
Obcrflächcn-
inhaltMore specific
Surface
contents
Nr.template
No.
abnahme*)volume
acceptance*)
l'orendurchmesserAverage
l'ore diameter
II.
97
97
96
89
95
97
95
95
93
87
93
96
9397
97
96
89
95
97
95
95
93
87
93
96
93
95
9695
96
94 93 86 83 93 89 84 84 85 85 87 85 8694 93 86 83 93 89 84 84 85 85 87 85 86
73 7573 75
95 96 95 87 95 96 90 92 90 86 90 94 9195 96 95 87 95 96 90 92 90 86 90 94 91
90 9390 93
93 90 83 80 89 85 80 81 82 82 80 83 8193 90 83 80 89 85 80 81 82 82 80 83 81
61 6561 65
13 3013 30
') Volumenabnahmenitc') Volume decreaseitc
ochen es Volumen beim stationären Dauerversuch.There is also volume in the stationary endurance test.
Al,O,Al, O,
SiO,SiO,
Trägermaterial
Katalysator-TrägerCarrier material
Catalyst carrier
98,15% 1,04'·,,98.15% 1.04 '· ,,
98,32"/, 0,96%98.32 "/, 0.96%
Spe/.Spe /.
Verschleißwear and tear
OherllÜLheninhalt (nr'/p) (41OherllÜLhen content (nr '/ p) (41
Trägermaterial 2,0Carrier material 2.0
Katalysatorträger 10Catalyst carrier 10
Nach dem Verschleiß- 9,8 festigkeitsversuchAfter the 9.8 wear strength test
2.32.3
Wie aus Tabelle 2 und F i g. I hervorgeht, erleidet der Katalysator gemäß vorliegender Erfindung eine weit weniger große Verschlechterung in der ReinigungsrateAs shown in Table 2 and F i g. I emerge, he suffers The catalyst of the present invention has a far less large deterioration in the purification rate
nach einem Dauerversuch als der herkömmliche Katalysator. Auf diese Weise ist das ausgezeichnete Verhalten des Katalysators gemäß vorliegender Erfindung hinsichtlich seiner Haltbarkeit bzw. Lebensdauer bewiesen. Was die mechanische Festigkeit anbetrifft, so übersteigt das erfindungsgemäße Produkt hinsichtlich der Bruchfestigkeit erheblich. Es besitz! auch eine sehr niedrige Rate bezüglich der Volumenabnahme und ist einem Brechen und einem Oberflächenabrieb am wenigsten ausgesetzt.after an endurance test than the conventional catalyst. That way it is excellent Behavior of the catalyst according to the present invention with regard to its durability or service life proven. As for the mechanical strength, the product of the present invention exceeds with regard to the breaking strength considerably. Own it! also has a very low rate of volume decrease and is least exposed to cracking and surface abrasion.
Das erfindungsgemäße Produkt mit einem solch großen spezifischen Oberflächeninhalt des Katalysatortragers ergab ausgezeichnete Ergebnisse beim KaItbtartversuch. der als einer der Punkte bei der Auioabgasmessung vorgeschrieben ist.The product according to the invention with such a large specific surface area of the catalyst support gave excellent results in the cold start test. as one of the points in the Auio exhaust measurement is prescribed.
ilier/ii (i Blatt Zeichnungenilier / ii (i sheet of drawings
Claims (5)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP12019676A JPS5345687A (en) | 1976-10-06 | 1976-10-06 | Catalyst carrier and catalyst |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
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