DE4032845C2 - Catalyst solution containing hydrophilic ceria compounds and their use for improved combustion of carbonaceous and hydrocarbonaceous materials - Google Patents

Catalyst solution containing hydrophilic ceria compounds and their use for improved combustion of carbonaceous and hydrocarbonaceous materials

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Description

Die Erfindung betrifft hydrophile, insbesondere wäßrige Ver­ brennungskatalysatoren zur verbesserten Verbrennung von Kohlen­ stoff und/oder Kohlenwasserstoff enthaltenden Stoffen, wie Heiz­ öle, Heizgase und feste Brennstoffe durch Luft und/oder zur Entfernung von Ruß- oder Teerablagerungen auf Oberflächen des Brennraumes. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der­ artiger Katalysatorlösungen zur verbesserten Verbrennung von kohlenstoff- und kohlenwasserstoffhaltigen Stoffen und/oder zur Entfernung von Ruß oder Teerablagerungen auf Oberflächen von Brennräumen.The invention relates to hydrophilic, in particular aqueous Ver combustion catalysts for improved combustion of coals substance and / or hydrocarbon-containing substances, such as heating Oils, hot gases and solid fuels by air and / or to Removal of soot or tar deposits on surfaces of the Combustion chamber. Furthermore, the invention relates to the use of like catalyst solutions for improved combustion of carbon and hydrocarbon-containing substances and / or Removal of soot or tar deposits on surfaces of Combustion chambers.

Zur Vermeidung von Rußablagerungen auf feuerseitigen festen Oberflächen ist eine möglichst vollständige Verbrennung der eingesetzten kohlenstoff- und kohlenwasserstoffhaltigen Brenn­ stoffe notwendig. Dies kann durch einen hohen Luftüberschuß erreicht werden, d. h. daß wesentlich mehr Luft den Brennstoffen zugeführt wird, als zu deren stöchiometrischer Verbrennung notwendig ist. Das bringt zwar eine Verbesserung der voll­ ständigen Verbrennung, aber auch gleichzeitig den Nachteil eines unwirtschaftlichen Einsatzes der Brennstoffe mit sich, da unnötig große Luftmengen aufgeheizt werden müssen und die Menge heißer Abgase erhöht wird. Man ist daher bemüht, die Verbrennung von kohlenstoff- und kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen ohne Rußbildung bzw. Minimierung derselben bei nahstöchiometrischer Verbrennung zu gestalten, was in der Praxis naturgemäß nicht vollständig bzw. nicht immer gelingt. Auch durch eine allmähliche Veränderung der Düseneinspritzung bei flüssigen Brennstoffen wird eine anfänglich perfekte Ver­ brennungseinrichtung negativ beeinflußt und die Rußbildung verstärkt.To avoid soot deposits on fire side solid Surfaces is as complete a burn as possible used carbon and hydrocarbon fuels necessary substances. This can be due to a high excess of air be reached, d. H. that much more air the fuels is fed, as to their stoichiometric combustion necessary is. That brings an improvement to the full constant combustion, but at the same time the disadvantage an uneconomic use of the fuel with it, since unnecessarily large amounts of air must be heated and the Amount of hot exhaust gases is increased. One is therefore anxious, the Combustion of carbon and hydrocarbon Fuels without soot formation or minimize the same at to design near-stoichiometric combustion, which in the Naturally not completely or not always successful. Also by a gradual change in the nozzle injection with liquid fuels, an initially perfect Ver combustion device adversely affected and the formation of soot strengthened.

Die Rußbildung verschlechtert die Verbrennung sowohl durch die Verringerung der Wärmeerzeugung, als auch durch die verringerte Wärmeübertragung, da Ruß eine hohe thermische Isolierwirkung aufweist. The soot formation deteriorates the combustion both by the Reduction of heat production, as well as by the reduced Heat transfer, since soot has a high thermal insulation effect having.  

Seit langer Zeit wird daher der Einsatz von Verbrennungskata­ lysatoren vorgenommen, um sowohl die Bildung von Ruß zu ver­ hindern bzw. zu minimieren als auch bereits gebildete Ablage­ rungen von Ruß und Teer bei möglichst niedrigen Temperaturen wieder abzubrennen. Die verbesserte Verbrennung von bereits gebildeten Teeren und Ruß wird am wirksamsten durch Übergangs­ metallverbindungen erzielt, welche bekanntlich in verschie­ denen Wertigkeiten vorkommen. Bisher hauptsächlich verwendete Metallverbindungen sind solche von Kupfer, Mangan, Kobalt, Zink und Chrom (Chromate). Insbesondere Kupferverbindungen bzw. metallische Kupferpulver senken die Verbrennungstemperatur von Ruß und Teeren beträchtlich ab. Sie haben jedoch den Nach­ teil, als giftige Bestandteile im Abgas zu agieren, sowie eine wesentlich verstärkte Korrosiongefahr auf Eisenwerkstoffen zu bewirken. Kupfer ist in der elektrochemischen Spannungsreihe wesentlich positiver als Eisen, so daß sich bei Kupfernieder­ schlägen auf den in der Wärmetechnik üblicherweise verwendeten Eisenwerkstoffen Lokalelemente bilden, die die eisenhaltigen Konstruktionsteile korrodieren. Dies wird durch das Vorhanden­ sein von Schwefelsäure bzw. Schwefeliger Säure, die sich bei der Verbrennung von schwefelhaltigen Brennstoffen bilden, noch wesentlich verstärkt.For a long time, therefore, the use of Verbrennungskata lysatoren made to ver both the formation of soot prevent or minimize as well as already formed filing soot and tar at the lowest possible temperatures to burn down again. The improved combustion of already formed tars and soot is most effective by transition achieved metal compounds, which are known in various which valences occur. So far mainly used Metal compounds are those of copper, manganese, cobalt, Zinc and chromium (chromates). In particular copper compounds or metallic copper powders lower the combustion temperature considerably from soot and tars. However, they have the aftermath Part to act as toxic components in the exhaust, as well as a significantly increased risk of corrosion on iron materials effect. Copper is in the electrochemical series much more positive than iron, so that at copper boiler strikes on those commonly used in heating technology Ferrous materials form local elements that contain the ferrous Corroding construction parts. This is through the presence be of sulfuric acid or sulfuric acid, which are present combustion of sulphurous fuels, even more.

Auch bei keramischen Werkstoffen, wie Katalysatorträgern und Ruß­ filtern kann der Kupfergehalt zur Erniedrigung der Schmelz­ punkte solcher keramischer Massen führen, was bei höheren Ab­ gastemperaturen zu Verformungen bzw. Veränderung des Poren­ volumens führen kann.Also for ceramic materials, such as catalyst supports and carbon black the copper content can be used to lower the enamel points of such ceramic masses, which at higher Ab Gastemperaturen to deformations or change in the pores volume.

Zinkverbindungen sind weniger giftig als Kupfer und stellen auch keine wesentliche Korrosionsgefahr für Eisenwerkstoffe dar, sind jedoch als Verbrennungskatalysator für Ruß und Teere praktisch kaum wirksam. Zinc compounds are less toxic than copper and pose also no significant risk of corrosion for iron materials are, however, as a combustion catalyst for carbon black and tars practically hardly effective.  

Chrom wurde bisher für vorliegende Zwecke hauptsächlich in Form von Chromaten eingesetzt, um sowohl von der verbrennungs­ katalytischen Wirkung des Metallions zu profitieren als auch das Oxidationspotential der Chromate auf Kohlenstoff auszu­ nützen. Infolge der krebserregenden Wirkung einiger Chromver­ bindungen scheiden diese jedoch nach den heutigen Umweltschutz­ anforderungen aus. Dasselbe gilt für Nickel- und Kobaltver­ bindungen, obwohl insbesondere Kobalt in der Lage ist, eine gute verbrennungskatalytische Wirkung auszuüben.Chromium has been used for present purposes mainly in Form of chromates used to burn both from benefit as well as catalytic effect of the metal ion to exploit the oxidation potential of chromates on carbon good. Due to the carcinogenic effect of some Chromver However, these compounds divorce according to today's environmental protection requirements. The same applies to nickel and cobalt ver although cobalt in particular is capable of to exert good combustion-catalytic effect.

Auch Mangan, insbesondere als Permanganat, hat gute verbren­ nungskatalytische Eigenschaften und mit -1,70 Volt als MnO₂ + 2 H₂O = MnO₄- + 4 H⁺ + 3e- ein hohes Oxidationspotential, je­ doch sind Manganverbindungen ebenfalls giftig und sogar als kanzerogenverdächtig eingestuft worden.Manganese, in particular as permanganate, has good combustion catalytic properties and with -1.70 volts as MnO₂ + 2 H₂O = MnO₄ - + 4 H⁺ + 3e - a high oxidation potential, but nevertheless manganese compounds are also toxic and even classified as carcinogenic suspected ,

Ein ungiftiges Übergangsmetall stellt Eisen dar, welches in öllöslicher Form (Eisenseifen, Ferrocen z. B.) als Verbrennungs­ katalysator bei flüssigen Brennstoffen häufig eingesetzt wird. Auch die Einspritzung von wäßrigen Eisensalzlösungen, wie Eisen­ sulfate, in die Flamme wurde vorgeschlagen bzw. gehandhabt. Trotz dieser positiven Eigenschaften für die Verbrennungska­ talyse erwiesen sich die Eisenverbindungen in ihrer Wirkung als ungenügend, um bereits gebildeten Ruß und Teere zu verbrennen. Ein Grund dürfte auch in dem relativ niedrigen Oxidations­ potential von 3-wertigen Eisenverbindungen, nämlich -0,77 Volt Fe++ = Fe+++ + e- liegen.A non-toxic transition metal is iron, which is frequently used in oil-soluble form (iron soaps, ferrocene, for example) as a combustion catalyst in liquid fuels. The injection of aqueous iron salt solutions, such as iron sulfate, in the flame has been proposed or handled. Despite these positive characteristics for the combustion catalysis, the iron compounds proved insufficient in their action to burn already formed soot and tars. One reason may also lie in the relatively low oxidation potential of 3-valent iron compounds, namely -0.77 volts Fe ++ = Fe +++ + e - lie.

Auch Kalziumverbindungen - wobei Kalzium als Erdalkali bekannt­ lich kein Übergangsmetall darstellt - wurden zur Beseitigung von Rußablagerungen empfohlen. Kalzium hat eine nur gering­ fügige verbrennungskatalytische Wirkung und dürfte eine solche überhaupt nur bei hohen Verbrennungstemperaturen durch Bildung von Hydroxylionen in der Flamme ausüben. Als Erdalkali weist es jedoch eine Neutralisationswirkung auf Schwefelsäure und schwefelige Säure auf, soweit es nicht an thermisch stabile und unverbrennbare Anionen gebunden ist.Also calcium compounds - whereby calcium is known as alkaline earth was not a transition metal - were eliminated recommended by soot deposits. Calcium has a low level Füige combustion-catalytic effect and should be such at all only at high combustion temperatures through education exert hydroxyl ions in the flame. As alkaline earth points However, it has a neutralizing effect on sulfuric acid and Sulfurous acid on, as far as not thermally stable  and incombustible anions is bound.

Als metallionfreies Reinigungsmittel für feuerseitige Kohlen­ stoffbeläge wurde weiterhin Wasserstoffperoxid verwendet. Dieses Oxidationsmittel wird auch in Verbindung mit freien Alkalien, wie Alkalihydroxide, -carbonate und -silikate empfohlen, wobei die Oxidation des Rußes durch H₂O₂ und die Säurenneutralisie­ rung durch die starken wäßrigen Alkalilösungen erfolgt; eine verbrennungskatalytische Wirkung tritt nicht auf.As a metal ion-free cleaning agent for fire-side coals Fabric coverings continued to use hydrogen peroxide. This Oxidant is also used in conjunction with free alkalis, as alkali metal hydroxides, carbonates and silicates recommended, wherein the oxidation of the soot by H₂O₂ and the acid neutralization tion is carried out by the strong aqueous alkali solutions; a combustion catalytic effect does not occur.

Beispiele für veröffentlichte Druckschriften sind die GB-PS 1 252 624 für Wasserstoffperoxid und starke wäßrige Alkalilösun­ gen, die DE-OS 30 23 520 für die Zugabe von Kalziumverbindungen (Kalziumphosphate in Pulverform), die DE-PS 24 13 520 für Ent­ rußungsmittel auf Basis von Metallverbindungen, die Kupferpulver enthalten, die US-PS 4 287 090 für wäßrige katalytisch aktive Metallsalzlösungen, die aus Manganacetat, Kalziumnitrat, und Kupferacetat bestehen, die DE-OS 29 11 259 für Mittel zur feuerseitigen Reinigung mit Alkalÿodat oder Alkaliperjodatlösung zusammen mit Kupfercarbonat als Oxidationshilfe und Ammoniak oder Alkalicarbonate zur Neutralisierung saurer Aschebestandteile.Examples of published publications are GB-PS 1,252,624 for hydrogen peroxide and strong aqueous alkali solutions gene, DE-OS 30 23 520 for the addition of calcium compounds (Calcium phosphate in powder form), DE-PS 24 13 520 for Ent based on metal compounds, the Copper powder, the US-PS 4,287,090 for aqueous catalytically active Metal salt solutions consisting of manganese acetate, calcium nitrate, and copper acetate, DE-OS 29 11 259 for means for fire side Purification with Alkalÿodat or Alkaliperjodatlösung together with copper carbonate as an oxidation aid and ammonia or Alkali carbonates for the neutralization of acidic ash constituents.

Als chemische Rußvernichter wurden Kaliumnitrat und Ammonium­ nitrat in der DE-OS 22 28 467 (ohne katalytische Verbrennungs­ wirkung) genannt. In der GB-PS 1 303 552 werden Ammoniumnitrat neben Kaliumnitrat und/oder Natriumnitrat zur Bildung und Kondensierung von Schwefelsäure aus den Verbrennungsabgasen empfohlen.As a chemical soot killer were potassium nitrate and ammonium nitrate in DE-OS 22 28 467 (without catalytic combustion effect). In GB-PS 1 303 552 ammonium nitrate in addition to potassium nitrate and / or sodium nitrate for the formation and Condensation of sulfuric acid from the combustion exhaust gases recommended.

Auch in einer Reihe anderer feuerseitiger Reiniger von Heiz­ flächen werden zur Beseitigung der Ruß- und Teeranteile unter­ stützende Oxidationsmittel bzw. katalytische Verbrennungshilfen wie Ammoniumnitrat, Ammoniumchromat bzw. Zink- und Kupfersalze (DE-OS 18 10 424) genannt. Also in a number of other fire-side cleaners from Heiz areas are used to remove soot and tar supporting oxidizing agents or catalytic combustion aids such as ammonium nitrate, ammonium chromate or zinc and copper salts (DE-OS 18 10 424) called.  

Die EP-A1-0 270 719 nennt wasserlösliche organische Alkalisalze zusammen mit solchen von Seltenen Erden als ruß­ reduzierende Mittel, insbesondere Kaliumacetat zusammen mit dreiwertigem Ceracetat. Der Nachteil dieser Kombination liegt in der sauren Natur solcher wäßrigen Lösungen mit entsprechendem Korrosions­ potential sowie der fehlenden Direktoxidation von Cer+++- Verbindungen.EP-A1-0 270 719 mentions water-soluble organic alkali metal salts together with those of rare earth reducing agents, in particular potassium acetate together with trivalent cerium acetate. The disadvantage of this combination lies in the acidic nature of such aqueous solutions with corresponding corrosion potential and the lack of direct oxidation of Cer +++ - compounds.

Alle genannten Mittel haben die Beseitigung von Ruß und Teeren zum Ziele, können jedoch die heutigen Anforderungen an eine umweltfreundliche und möglichst ohne größere Verluste erfol­ gende Wärmeübertragung nur ungenügend erfüllen. Die kataly­ tische Verbrennung durch geeignete Metalle hat bei guter Wirksamkeit den Nachteil von Giftstoffen im Abgas (Cu, Ni, Co, Cr, Mn), während das Oxidationspotential bei den umweltfreund­ lichen Metallen, wie Fe, Ca ungenügend ist. Beim Einsatz von Oxidationsmitteln, wie Nitraten, Jodaten oder Peroxiden, ist nur eine einmalige Wirkung vorhanden. Es kann sich Ruß und Teer nach Verbrauch des aktiven Sauerstoffes aus diesen Sub­ stanzen wieder unbehindert ablagern und die Wärmebilanz ver­ schlechtern sowie durch Rußausstoß die Umwelt belasten.All the means mentioned have the elimination of soot and tars Goals, however, can meet today's demands for one environmentally friendly and possible without major losses insufficient heat transfer. The cataly table combustion through suitable metals has good Effectiveness the disadvantage of toxins in the exhaust gas (Cu, Ni, Co, Cr, Mn), while the oxidation potential in the environmentally friendly metals, such as Fe, Ca is insufficient. When using Oxidants, such as nitrates, iodates or peroxides, is only a one-time effect exists. It can be soot and Tar after consumption of active oxygen from this sub punch again unhindered deposit and the heat balance ver polluting and soot emissions pollute the environment.

Es ist hierbei zu beachten, daß z. B. eine Rußdicke als Ablage­ rung von nur 1 mm die Abgastemperatur um ca. 70°C erhöhen kann und einen Heizöl-(Heizstoff)-Mehrverbrauch von 5% nach sich zieht.It should be noted here that z. B. a soot thickness as a shelf increase the exhaust gas temperature by approx. 70 ° C only by 1 mm can and a fuel oil (fuel) more consumption of 5% after pulls.

Weiterhin stellen einige Mittel in wäßrigen Flüssigkeiten sauer reagierende Lösungen mit einem pH-Wert unter 7 dar. In der üblichen Verbrennungstechnik werden jedoch Abgastemperaturen möglichst so hoch gehalten, daß der Taupunkt korrosiver Gase überschrit­ ten wird. Die Zuführung oder Einspritzung sauer reagierender Bestandteile als Rußvernichter würde dem entgegenwirken und insbesondere der Korrosion der üblich verwendeten Eisenwerk­ stoffe Vorschub leisten.Furthermore, some agents in aqueous liquids acidic Reactive solutions with a pH below 7. In the usual Combustion technology, however, exhaust gas temperatures are possible held so high that the dew point of corrosive gases exceeded will be. The feeder or injection is more acidic Components as soot killer would counteract this and in particular the corrosion of the commonly used ironworks feed materials.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen hydrophilen Ver­ brennungskatalysator zu schaffen, der ungiftig und katalytisch für die Verbrennung bei möglichst niedriger Temperatur von Ruß und Teeren durch Luftsauerstoff hochwirksam ist, in seinen höherwertigen Metallionen ein hohes Oxidationspotential auf­ weist sowie einen pH-Wert von vorteilhafterweise mindestens 7 hat bzw. im stärker alkalischen Bereiche liegt, und bestimmte Verwendungsmöglichkeiten hierfür anzugeben.The object of the invention is therefore to provide a hydrophilic Ver to create a combustion catalyst, the non-toxic and catalytic for combustion at the lowest possible temperature of Soot and tars by atmospheric oxygen is highly effective in its higher metal ions a high oxidation potential has and a pH of advantageously at least 7 or in the more alkaline areas, and certain To specify uses for this.

In überraschender Weise wurden als solche Katalysatoren die Lanthanide, insbesondere Cerverbindungen in ihrer vierwertigen Form als geeignet gefunden. Wasserlösliche Cerverbindungen sind ungiftig, und Cernitrat-Hexahydrat weist z. B. eine LD50(oral-rat) von 4200 mg/kg auf, im Vergleich zu reinem Kochsalz LD50(oral-rat) von lediglich 3000 mg/kg.Surprisingly, the lanthanides, in particular cerium compounds in their tetravalent form, have been found to be suitable as such catalysts. Water-soluble cerium compounds are non-toxic, and cerium nitrate hexahydrate has z. B. an LD50 (oral-rat) of 4200 mg / kg, compared to pure saline LD50 (oral-rat) of only 3000 mg / kg.

Gegenstand der Erfindung, womit die genannte Aufgabe gelöst wird, ist die hydrophile Katalysatorlösung gemäß Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Merkmale und Verwendungsarten sind den Patentansprüchen 2 bis 4 zu entnehmen.Object of the invention, which solved the above problem is, the hydrophilic catalyst solution is according to Claim 1. Further advantageous features and types of use can be found in the claims 2 to 4.

Vierwertige Cerverbindungen stellen starke Oxidationsmittel dar, das Oxidationspotential von Ce(IV)/Ce(III) beträgt ca. 1,6 Volt, d. h. es liegt nur geringfügig unter dem vorgenannten von Permanganat zu Mangandioxid mit ca. 1,7 Volt und über doppelt so hoch als beim Fe(III)/Fe(II)-System.Tetravalent cerium compounds provide strong oxidizing agents The oxidation potential of Ce (IV) / Ce (III) is approx. 1.6 volts, d. H. it is only slightly below the above from permanganate to manganese dioxide at about 1.7 volts and over twice as high as the Fe (III) / Fe (II) system.

Öllösliche, d. h. hydrophobe Lanthanidverbindungen, wie insbeson­ ders solche von dreiwertigem Cer, wurden bereits als Heizölzu­ sätze zur verbesserten Verbrennung eingesetzt, wie in der DE-OS 27 29 365, US-PS 4 462 810 und EP-A1- 0 112 219 beschrieben ist. Oil-soluble, d. H. hydrophobic lanthanide compounds, in particular those of trivalent cerium were already used as fuel oil used for improved combustion, as in the DE-OS 27 29 365, US Pat. No. 4,462,810 and EP-A1- 0 112 219 is described.  

Es handelt sich hierbei jedoch ausschließlich um öllösliche (hydrophobe, kohlenwasserstofflösliche) und nicht um hydro­ phile bzw. wasserlösliche Lanthanid - bzw. Cer-Verbindungen, sie liegen weiterhin in der Ce3+-Form vor.However, these are exclusively oil-soluble (hydrophobic, hydrocarbon-soluble) and not hydrophilic or water-soluble lanthanide or cerium compounds; they are still present in the Ce 3+ form.

Die vorgenannten bekannten Anwendungen waren somit als Brenn- und Treibstoffzusätze vorgesehen und nicht für die feuersei­ tige Reinigung von Wärmeübertragungsflächen, Katalysatoren oder Rußfiltern von darauf abgelagerten Ruß und Teeren ge­ eignet.The aforementioned known applications were thus known as and fuel additives provided and not for the Feuersei cleaning of heat transfer surfaces, catalysts or Soot filtering of soot and tars deposited thereon suitable.

Zur Vermeidung feuerseitiger Korrosion ist vorgesehen, daß die hydrophile Katalysatorlösung einen pH-Wert von min­ destens 7 aufweist, um die bereits beschriebene Korrosions­ gefahr zu vermeiden. Da solche hydrophilen Katalysatorlösungen auch nach etwaiger mechanischer Entrußung als Vorsorgemaßnahme auf die von Ruß und Teeren zu schützende Oberfläche aufgebracht werden können und vorteilhafterweise gleichzeitig einen Still­ standkorrosionsschutz bieten sollen, empfiehlt es sich, die wäßrige Katalysatorlösung stärker alkalisch, z. B. auf einen pH-Wert von 8-10 einzustellen. Auch höhere Alkalitäten sind möglich, jedoch muß dann verstärkte Vorsorge gegen Haut- und Augenkontakte getroffen werden.To avoid fire-side corrosion is provided that the hydrophilic catalyst solution has a pH of min at least 7 has the corrosion already described to avoid danger. As such hydrophilic catalyst solutions even after any mechanical release as a precautionary measure applied to the surface to be protected by soot and tars can be and advantageously at the same time a still should offer stand corrosion protection, it is recommended that aqueous catalyst solution more alkaline, z. B. on one Adjust pH of 8-10. Also higher alkalis are possible, but then increased precaution against skin and Eye contacts are taken.

Weiterhin hat sich gezeigt, daß nicht nur die Cer4+-Verbindun­ gen allein gute Entrußungseigenschaften haben, sondern insbe­ sondere auch in synergistischer Kombination mit hydrophilen Verbindungen von Metallionen der Eisengruppe.Furthermore, it has been found that not only the Cer 4+ compounds have good decapping properties alone, but in particular also in synergistic combination with hydrophilic compounds of metal ions of the iron group.

Gegenüber den sauren Lösungen von z. B. Cernitrat, Eisennitrat bzw. deren Kombinationen bietet die erfindungsgemäße hydro­ phile Lösung einen entsprechenden Korrosionsschutz der damit behandelten metallischen Werkstoffe. Der pH-Bereich ist dabei so einstellbar, daß auch keramische Oberflächen nicht angegriffen werden sowie auch sichere Handhabung ohne Ver­ ätzungsgefahr gegeben ist. Compared to the acidic solutions of z. Cerium nitrate, iron nitrate or combinations thereof provides the hydro according to the invention phile solution a corresponding corrosion protection of it treated metallic materials. The pH range is here so adjustable that even ceramic surfaces are not be attacked as well as safe handling without Ver Risk of corrosion is given.  

Die Gewichtsrelationen zwischen Cer- und Eisenverbindungen können variiert werden, wobei sich zeigte, daß die kataly­ tische Verbrennungswirkung im Bereich von 1 : 10 bis 10 : 1 zwi­ schen Cer und Eisen keine sehr großen Veränderungen zeigt, und bis 1 : 20 bzw. 20 : 1 vorteilhaft möglich ist. Ein Optimum dürfte bei dem Verhältnis gemäß nachfolgendem Beispiel 1 gegeben sein.The weight relations between cerium and iron compounds can be varied, which showed that the kataly table combustion effect in the range from 1:10 to 10: 1 zwi cerium and iron show no major changes, and to 1: 20 or 20: 1 is advantageously possible. An optimum is likely be given at the ratio according to the following Example 1.

Als Komplexbildner können Citronensäure, aber auch Gluconsäure sowie Äthylendiamintetraessigsäure, Nitrilotriessigsäure und Hydroxyäthylendiaminotriessigsäure verwendet werden.Citric acid, but also gluconic acid, can be used as complexing agents and ethylenediaminetetraacetic acid, nitrilotriacetic acid and Hydroxyäthylendiaminotriessigsäure be used.

Anstelle von Eisen können auch, allerdings wesentlich teurere, Verbindungen mit Ruthenium und/oder Osmium in ihrer höherwertigen Oxidationsform eingesetzt werden.Instead of iron, but also much more expensive, Compounds with ruthenium and / or osmium in their higher oxidation state can be used.

Statt Cer4+ können auch Praesodym4+, Samarium3+, Europium3+, Terbium4+, Thulium3+ und Ytterbium3+ aus den Lanthaniden Ver­ wendung finden. Da diese Elemente selten sind, wird deren Verwendung wohl nur in Sonderfällen vorteilhaft sein. Gemische der genannten Ionen können ebenfalls eingesetzt werden.Instead of Cer 4+ , Praesodymium 4+ , Samarium 3+ , Europium 3+ , Terbium 4+ , Thulium 3+ and Ytterbium 3+ can also be used from the Lanthanides. Since these elements are rare, their use will probably be advantageous only in special cases. Mixtures of said ions can also be used.

Beispiel 1Example 1

In 59 Gewichtsteilen (GT) Wasser werden 3 GT dreiwertiges Cernitrat (Ce(NO₃)₃ · 6 H₂O) gelöst und durch 2 GT 35%igem Wasserstoffperoxid in die vierwertige Form des Cers gebracht. Weiterhin werden 12,5 GT Citronensäure und 9 GT dreiwertiges Eisennitrat (Fe(NO₃) · 4 H₂O) gelöst und mit 14,5 GT Monoäthanol­ amin auf einen pH-Wert von ca. 9 gebracht. Es entsteht eine klare, stabile dunkle Lösung von komplexiertem Cer4+ und Fe3+.In 59 parts by weight (GT) of water 3 GT trivalent cerium nitrate (Ce (NO₃) ₃ · 6 H₂O) are dissolved and brought by 2 GT 35% hydrogen peroxide in the tetravalent form of cerium. Furthermore, 12.5 GT citric acid and 9 GT trivalent iron nitrate (Fe (NO₃) · 4 H₂O) are dissolved and brought to a pH of about 9 with 14.5 GT monoethanol amine. The result is a clear, stable dark solution of complexed Cer 4+ and Fe 3+ .

Diese Katalysatorlösung wird auf ihre Wirksamkeit überprüft, indem in einer Platinschale Gasruß mit dieser komplexierten Cer4+- und Fe3+-Lösung gleichmäßig besprüht wird. This catalyst solution is tested for effectiveness by uniformly spraying carbon black in a platinum dish with this complexed Cer 4+ and Fe 3+ solution.

Das Gemisch wurde im Trockenschrank bei 120°C 20 Minuten lang getrocknet, gewogen und danach die Platinschale mit dem Gemisch im Muffelofen bei Temperaturen von 300-600°C erhitzt. Die Schale mit dem verbliebenen Rest wurde rückgewogen. Die Differenz ist der Restruß (Mittelwert aus mehreren Bestimmungen).The mixture was placed in an oven at 120 ° C for 20 minutes dried, weighed and then the platinum dish with the Mixture heated in a muffle furnace at temperatures of 300-600 ° C. The shell of the remainder was re-weighed. The Difference is the residual soot (mean of several determinations).

Es ergaben sich nachfolgende Werte:The following values resulted:

Daraus ist eindeutig die starke katalytische Wirkung auf den Rußabbrand erkenntlich, insbesondere auch im Bereich von 400-500°C, bei welchen Temperaturen Ruß allein kaum irgend­ einen Abbrand zeigt, während der katalytisch behandelte Ruß Restwerte von unter 1/4 bis 1/2 ergab.This is clearly the strong catalytic effect on the Rußabbrand recognizable, especially in the field of 400-500 ° C, at which temperatures soot alone hardly any shows a burnup while the catalytically treated carbon black Residual values of less than 1/4 to 1/2 resulted.

Der beschriebene Test ist ein sehr kritischer, da es sich bei dem verwendeten Gasruß um ein gealtertes Produkt handelte, während Ruß in statu nascendi durch die Katalysator­ zusammensetzung bei noch niedrigeren Temperaturen bzw. zu einem noch wesentlich höherem Ausmaß verbrannt wird. The described test is a very critical one as it is when the gas black used was an aged product, while soot in statu nascendi through the catalyst Composition at even lower temperatures or too burned to a much higher extent.  

VergleichsbeispielComparative example

Zum Vergleich der Wirkung der erfindungsgemäßen komplexierten, alkalischen Ce4+, Fe3+ Katalysatorlösung wurde eine saure Cer- Nitratlösung mit Lithiumhydroxid neutralisiert. Es gibt bekannt­ lich Aussagen, daß Lithium ebenfalls eine verbrennungsfördernde Eigenschaft aus Kohlenstoff haben soll. Dementsprechend wurden 6 GT Ce(NO₃)₃ · 6 H₂O in 85.83 GT H₂O gelöst, mit 2 GT 35%igem H₂O₂ zu Ce4+ oxidiert und mit 3 GT Citronensäure stabilisiert. Diese saure Lösung wurde mit 3,17 GT Lithiumhydroxid · Monohydrat = LiOH · 1 H₂O alkalisch eingestellt.To compare the effect of the complexed alkaline Ce 4+ , Fe 3+ catalyst solution according to the invention, an acidic cerium nitrate solution was neutralized with lithium hydroxide. There are known Lich statements that lithium should also have a combustion-promoting property of carbon. Accordingly, 6 GT Ce (NO₃) ₃ · 6 H₂O were dissolved in 85.83 GT H₂O, oxidized with 2 GT 35% H₂O₂ to Ce 4+ and stabilized with 3 GT citric acid. This acid solution was made alkaline with 3.17 GT lithium hydroxide · monohydrate = LiOH · 1 H₂O.

Die hierbei analog zu Beispiel 1 festgestellten Rußwerte ergaben:The carbon black values determined analogously to Example 1 were:

Temperatur (°C)Temperature (° C) Rückstand (%)Residue (%) 300300 9595 350350 8484 400400 6969 450450 6363 500500 5454 550550 3434 600600 1717

Die verbrennungskatalytische Wirkung lag im Vergleich zu Beispiel 1 trotz doppelt so hohem Cer-Gehalt dramatisch schlech­ ter, insbesondere auch in dem kritischen Temperaturbereich von 400-500°C. The combustion catalytic effect was in comparison to Example 1 despite twice as high cerium content dramatically bad ter, especially in the critical temperature range from 400-500 ° C.  

Beispiel 2example 2

Die Lösung gemäß Beispiel 1 wurde auf verrußte Wärmeübertra­ gungsflächen von Zentralheizungsanlagen aufgebracht und der Betrieb derselben normal fortgesetzt. Es zeigt sich eine bis zu 80% geringere Rußschicht nach einigen Stunden Brenndauer. Zur Erhaltung dieser Rußminderung wird die Einspritzung der Katalysatorlösung periodisch erneuert, wobei sich je nach den vorliegenden Bedingungen eine 48stündige bis 30tägige Erneuerung als vorteilhaft zeigte.The solution according to Example 1 was based on sooty heat transfer applied by central heating systems and the Operation of the same continues normally. It shows up a 80% less soot layer after a few hours of burning time. To maintain this soot reduction, the injection of the Catalyst solution renewed periodically, depending on the present conditions a 48-hour to 30-day renewal showed as beneficial.

Beispiel 3example 3

Die Lösung gemäß Beispiel 1 wurde nach der jeweiligen, in vielen Ländern obligatorisch vorgeschriebenen, mechanischen Reinigung auf Wärmeübertragungsflächen und andere rußgefährdete Oberflächen aufgetragen. Während eines folgenden Stillstandes der Heiz- bzw. Dampfkessel-Anlage ergab die Katalysatorlösung einen guten Korrosionsschutz, da die restlichen Säuren neutralisiert wurden und die Lösung selbst korrosionsinhibierende Eigenschaf­ ten aufweist.The solution according to Example 1 was according to the respective, in many Mandatory compulsory, mechanical cleaning on heat transfer surfaces and other soot-prone surfaces applied. During a subsequent shutdown of the heating or steam boiler plant gave the catalyst solution a Good corrosion protection, as the remaining acids neutralized and the solution itself was corrosion inhibiting property th.

Nach Inbetriebnahme der Anlage zeigte die hydrophile Lösung volle verbrennungskatalytische Wirkung. Es hatte sich ein wirk­ samer Überzug auf den Wärmeübertragungs- und sonstigen Flächen gebildet. Die Wiederverrußung wurde auf längere Zeiten durch den verstärkten Abbrand hinausgeschoben.After commissioning the plant showed the hydrophilic solution full combustion catalytic effect. It had an effect samer coating on the heat transfer and other surfaces educated. The sooting was due to longer periods postponed the increased burnup.

Beispiel 4example 4

Ähnliche Probleme, wie zuvor beschrieben, ergeben sich mit der Bildung von Rußpartikeln beim Betrieb von Dieselmotoren. Aus der Sicht der globalen CO₂-Problematik (Treibhauseffekt) gilt der Dieselmotor auf Grund seines guten Wirkungsgrades als eine der besten Antriebsmaschinen. Besondere Umweltprobleme bereiten aber die Festpartikel im Abgas, welche aus kohlenstoff- bzw. kohlenstoffreichen aromatischen Verbindungen bestehen, bei denen eine cancerogene Wirkung nicht ausgeschlossen werden kann. Zur Verbesserung der Schadstoffgehalte im Dieselmotorabgas, insbesondere der sich bildenden NOx- und Partikelemissionen, sind verschiedene Technologien in Ent­ wicklung. Für vorstehende Erfindung ist insbesondere die Ab­ gasnachbehandlung mit Rußfiltern sowie mit Oxidationsanlagen bei NOx-optimierten Verbrennungsverfahren von Bedeutung. Solche Rußfilter müssen zur Erzielung einer Dauerwirkung, d. h. auch bei Kurzstrecken und relativ niedrigen Abgastemperaturen, mit externen Energiequellen aufgeheizt bzw. mit Katalysatorflüssig­ keiten zur Rußabbrennung behandelt werden. Eine Möglichkeit besteht im Zusatz öllöslicher Eisenverbindungen im Dieselkraft­ stoff, um so eine vollständige Verbrennung zu erzielen. Der Nachteil liegt darin, daß sich im Motor Eisenoxide bilden, welche sowohl abrasiv auf den Kolbenraum wirken als auch zu Störungen im empfindlichen Einspritz- und Abgasventil-System führen können.Similar problems as described above arise with the formation of soot particles in the operation of diesel engines. From the perspective of global CO₂ problem (greenhouse effect), the diesel engine is considered due to its good efficiency as one of the best engines. But special environmental problems cause the solid particles in the exhaust gas, which consist of carbon- or carbon-rich aromatic compounds in which a carcinogenic effect can not be excluded. To improve the pollutant contents in diesel engine exhaust, in particular the resulting NO x and particulate emissions, various technologies are under development. For the above invention is particularly from the gas after-treatment with soot filters and with oxidation systems in NO x -optimized combustion process of importance. Such soot filters must be heated to achieve a lasting effect, ie even at short distances and relatively low exhaust gas temperatures, with external energy sources or treated with Katalysatorflüssig opportunities for Rußabbrennung. One possibility is to add oil-soluble iron compounds in the diesel fuel to achieve complete combustion. The disadvantage is that form iron oxides in the engine, which act both abrasive on the piston chamber and can lead to disturbances in the sensitive injection and exhaust valve system.

Ein anderes System verwendet die Aufsprühung von Kupferacetyl­ acetonatlösungen auf den Rußfilter selbst, um Ruß durch Cu- Katalyse leichter abbrennen zu können. Der Nachteil liegt hier sowohl bei der Umweltbedenklichkeit von Kupferoxidstäuben als auch der Entsorgung solcher Rußfilter. Auch sind Acetyl­ acetonlösungen feuergefährlich und sehr teuer.Another system uses the spraying of copper acetyl solutions of acetonate on the soot filter itself to Catalysis easier to burn off. The disadvantage is here both in the Umweltedenklichkeit of copper oxide dusts as also the disposal of such soot filters. Also are acetyl acetone solutions flammable and very expensive.

Es hat sich gezeigt, daß die Einspritzung einer erfindungsge­ mäßen Lösung gemäß Beispiel 1, wobei das Wasser oder Teile desselben auch durch hydrophile Lösungsmittel ersetzt werden können, eine starke Reduktion der Rußabbrenntemperatur im Filter - bis zu 300°C im Abgas - bewirkt und eine umweltfreund­ liche und ökonomische Lösung für Rußfilter darstellt. It has been shown that the injection of a erfindungsge According to the solution according to Example 1, wherein the water or parts the same can also be replaced by hydrophilic solvents can, a strong reduction in the Rußabbrenntemperatur in the Filter - up to 300 ° C in the exhaust - causes and an environmentally friendly represents a practical and economical solution for soot filters.  

Beispiel 5example 5

Die katalytisch wirkende Lösung gemäß Beispiel 1 wurde auf feste Brennstoffe wie Kohle, Koks, Brikett, Holz, Stroh und andere Biomassen aufgesprüht. Die Verbrennung war wesentlich verbessert und die Rußbildung bereits bei ihrer Entstehung verringert. Die Verbrennungsgase transportieren Cer4+- und Fe3+-Teilchen zu den Wärmeübertragungsflächen, so daß es auch hierdurch zu einer wesentlichen Minderung des Rußbelages kommt. Je nach den vorliegenden Bedingungen konnten Rußreduktionen um 45-90% gemessen werden. Die hierbei verwendeten wäßrigen Lösungen weisen keine Explosionsgrenzen auf, so daß sie bei allen üblichen Bedingungen auch während der Verbrennung ge­ fahrlos eingesetzt werden können.The catalytic solution according to Example 1 was sprayed onto solid fuels such as coal, coke, briquette, wood, straw and other biomasses. The combustion was significantly improved and the formation of soot already reduced at its formation. The combustion gases transport Cer 4+ and Fe 3+ particles to the heat transfer surfaces, so that this also leads to a significant reduction of the soot. Depending on the prevailing conditions, soot reductions could be measured by 45-90%. The aqueous solutions used in this case have no explosion limits, so that they can be used ge in all the usual conditions even during combustion GE.

Beispiel 6example 6

Die Lösung gemäß Beispiel 1 wird in fein versprühter/verne­ belter Form dem Luftstrom mit gasförmigen, flüssigen und/ oder festen Brennstoffen während deren Verbrennung zugeführt. Es findet eine analoge Wirkung zur verbesserten Verbrennung (Wärmebilanz) sowie zur Verringerung von Ruß und Feststoffen im Abgas und von den Wärmeübertragungsflächen statt. Ein Vorteil dieser Methode beim Einsatz flüssiger Brennstoffe besteht auch darin, daß die Übergangsmetalle in dieser Form die Lager­ stabilität - im Gegensatz zum Einsatz öllöslicher Verbindungen - nicht beeinflussen können.The solution according to Example 1 is finely sprayed of the air stream with gaseous, liquid and / or or solid fuels supplied during their combustion. It has an analogous effect on improved combustion (Heat balance) and to reduce soot and solids in the exhaust and from the heat transfer surfaces instead. An advantage This method consists in the use of liquid fuels also in that the transition metals in this form the bearings stability - in contrast to the use of oil-soluble compounds - can not influence.

Claims (4)

1. Hydrophile Cerverbindungen enthaltende Katalysatorlösung zur verbesserten Verbrennung von kohlenstoff- und kohlen­ wasserstoffhaltigen Stoffen und/oder zur Entfernung von Ruß oder Teerablagerungen auf Oberflächen von Brenn­ räumen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung neben Cerverbindungen, in denen das Cer als 4-wertiges Cer vorliegt, Verbindungen des dreiwerti­ gen Eisens in einem Gewichtsverhältnis der Cer4+- und Eisen3+-Ionen von 1 : 20 bis 20 : 1 sowie gegebenenfalls Komplexierungsmittel für diese Metallionen enthält und daß der pH-Wert der Lösung wenigstens 7, vorzugsweise 8-10, beträgt.1. Hydrophilic cerium compounds containing catalyst solution for improved combustion of carbon and carbon-containing materials and / or to remove soot or tar deposits on surfaces of combustion, characterized in that the solution in addition to cerium compounds in which the cerium is present as a 4-valent cerium , Compounds of dreiwerti conditions iron in a weight ratio of Cer 4+ - and iron 3+ ions of 1:20 to 20: 1 and optionally complexing agent for these metal ions and that the pH of the solution at least 7, preferably 8-10 , is. 2. Katalysatorlösung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ce4+-Ionen durch Pr4+-, Sm3+-, Eu3+-, Tb4+-, Tm3+- oder Yb3+-Ionen ersetzt sind.2. A catalyst solution according to claim 1, characterized in that the Ce 4+ ions are replaced by Pr 4+ , Sm 3+ , Eu 3+ -, Tb 4+ -, Tm 3+ - or Yb 3+ -ions , 3. Katalysatorlösung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Citronensäure, Hydroxyäthylendiamintriessigsäure, Äthylendiamintetraessigsäure, Nitrilotriessigsäure oder Gluconsäure als Komplexierungsmittel enthält.3. Catalyst solution according to claim 1 or 2, characterized, that they are citric acid, hydroxyethylenediaminetriacetic acid, Ethylenediaminetetraacetic acid, nitrilotriacetic acid or Contains gluconic acid as a complexing agent. 4. Verwendung der Katalysatorlösung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zur verbesserten Verbrennung von kohlenstoff- und kohlenwasserstoffhaltigen Stoffen und/oder zur Ent­ fernung von Ruß oder Teerablagerungen auf Oberflächen von Brennräumen.4. Use of the catalyst solution according to any one of claims 1 to 3, for the improved combustion of carbon and hydrocarbonaceous substances and / or Ent removal of soot or tar deposits on surfaces of Combustion chambers.
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