DE60205927T2

DE60205927T2 - Photokatalytischer reaktor, abgasreinigungssystem für ein fahrzeug und verfahren zur photokatalytischen verminderung von nox

Info

Publication number: DE60205927T2
Application number: DE60205927T
Authority: DE
Inventors: Martyn Vincent Twigg
Original assignee: Johnson Matthey PLC
Current assignee: Johnson Matthey PLC
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: GB0125725D0; DE60205927D1; EP1438121A1; US20050044847A1; JP2005506185A; WO2003035227A1; DK1438121T3; EP1438121B1; ATE303198T1

Description

Diese Erfindung betrifft einen photokatalytischen Reaktor und insbesondere einen photokatalytischen Reaktor zur Behandlung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren.
Die Verwendung der Halbleiterphotokatalyse wurde als Mittel zur Zerstörung von Schmutzstoffen in Wasser und Luft vorgeschlagen (siehe z.B. "Environmental Application of Semiconductor Photocatalysis", M.R. Hoffmann et al., Chem. Rev., 95 (1995) 69 bis 96). Es gibt eine begrenzte Anzahl von Veröffentlichungen, welche die Anwendung von einer Halbleiterphotokatalyse beschreiben, um Abgase aus Verbrennungsmotoren zu behandeln: speziell, um die Oxidation von Kohlenwasserstoffen (KW) und/oder Kohlenmonoxid (CO) zu Wasser und/oder Kohlendioxid (CO₂) durch Umsetzung oder Reaktion mit Stickoxiden (NO_x) und/oder Sauerstoff (O₂) zu katalysieren, wobei NO_x infolgedessen durch die Umsetzung zu N₂ reduziert wird.
In einer solchen Veröffentlichung beschreiben wir die durch UV induzierte Photooxidation von Propen, Propan, Ethen, Ethan, n-Butan und n-Hexan über einen TiO₂ Photokatalysator, der in einem Reaktor im Labormaßstab angeordnet ist bei 150°C mit Kohlenwasserstoffkonzentrationen von bis zu 4000 ppm und O₂-Konzentrationen bis zu 20 %. ("Photo-oxidation of short-chain hydrocarbons over titania", C.T. Brigden et al., App. Cat. B, 32 (2001) 63 bis 71 ). Auch in WO 97 48 476 beschreibt Volkswagen ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor, das einen herkömmlichen Wabenmonolith, der mit TiO₂beschichtet ist, eine UV Lichtquelle an beiden Enden des Monoliths und Reflektoren, um das emittierte Licht direkt oder indirekt in die Kanäle des Monoliths zu leiten, einschließt.
Ein Problem bei der Anordnung in WO 97 48 476 ist, dass es schwierig ist, das Licht mehr als eine kurze Strecke oder einen kurzen Abstand in den Monolith zu leiten, sofern das einfallende Licht nicht sorgfältig angeordnet ist, um präzise parallel zu den Kanälen zu sein. Ein weiteres Problem ist, dass wir gefunden haben, dass es zur wirksamen NO_x Entfernung von Vorteil ist, eine große Anzahl von kurzen, parallelen Reaktions- oder Umsetzungswegen zu haben, anstatt des fangen Seitenverhältnisses oder Längenverhältnisses, das durch eine herkömmliche Monolithstruktur vorgesehen wird.
In WO 01 08 787 und WO 01 37 977 versuchte Volkswagen das Problem der Leitung des UV Lichts entlang der Monolithkanäle zu entfernen zu lösen durch Einführen von Lichtleitern in die Kanäle. Diese Anordnung ist jedoch kompliziert, und wir glauben, dass die Lichtleiter nicht ausreichend robust sind für die Verwendung in einem Abgassystem, und dass sie unerwünscht den Gegendruck in dem System erhöhen. Außerdem löst die beschriebene Anordnung nicht das Problem der suboptimalen NO_x Umwandlung.
Ein photokatalytischer Reaktor ohne ein herkömmliches Manolithsubstrat wird in der US 5 778 664 beschrieben. In einer Ausführungsform umfasst der Reaktor eine Kammer zur Aufnahme eines strömenden Abgases, wobei die Kammer einen Gaseinlass, einen Gasauslass, ein oder mehr Lichtquellen und ein Packmaterial aufweist. Die Kammer ist ausgekleidet mit einer Beschichtung von TiO₂. Das Packmaterial umfasst ein Substrat, wie Quarzkapillarröhren, wobei das Substrat ebenfalls mit TiO₂ beschichtet ist.
Es ist nicht klar, wie "gepackt" die Erfinder beabsichtigen, dass das "Packmaterial" ist. Zuviel Packmaterial würde Gegendruckprobleme in dem System verursachen und eine optimale Beleuchtung des auf einem Träger vorgesehenen Photokatalysators durch die Lichtquelle verhindern. Außerdem hat es aus den Figuren den Anschein, dass das Packmaterial ein relativ langes Seitenverhältnis oder Längenverhältnis aufweist und so das Problem der suboptimalen NO_x Umwandlung nicht lösen würde.
Die EP 0 993 859 A offenbart einen photokatalytischen Reaktor, der eine Kammer mit einem Gaseinlass und -auslass, eine Quelle elektromagnetischer Strahlung und ein Substrat zum Tragen eines Katalysators, der in der Kammer angeordnet ist, umfasst.
Wir haben nun einen verbesserten photokatalytischen Reaktor ausgearbeitet, der einen Substratmonolith einschließt, der ein relativ kurzes Seitenverhältnis oder Längenverhältnis aufweist, das die Probleme, die mit den Anordnungen aus dem Stand der Technik in Verbindung stehen, löst oder reduziert.
Gemäß einem Gesichtspunkt stellt die Erfindung einen photokatalytischen Reaktor bereit zur Behandlung von Abgasen aus einem Antriebssystem, wie einem Verbrennungsmotor, wobei der Reaktor umfasst eine Kammer zur Aufnahme eines strömenden Abgases, einen ersten Einlass und einen ersten Auslass, mindestens eine Quelle elektromagnetischer Strahlung und mindestens einen Monolith und einen Photokatalysator, der in der Kammer angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Monolith mindestens einen eine Wand aufweisenden Körper umfasst, der einen Durchlass definiert, wobei der mindestens eine eine Wand aufweisende Körper mindestens einen zweiten Einlass und mindestens einen zweiten Auslass umfasst, wobei die Summe der Querschnittsflächen von dem oder jedem zweiten Auslass größer ist als die Summe der Querschnittsflächen von dem oder jedem zweiten Einlass, wobei die lineare Strömungsgeschwindigkeit von einem Gas an einem Punkt stromabwärts von dem mindestens einen zweiten Auslass geringer ist als die lineare Strömungsgeschwindigkeit von dem Gas, das in den mindestens einen zweiten Einlass eintritt.
Der Katalysatormonolith wird offenbart in WO 03 035 254, dessen gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin einverleibt ist.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass wir zusätzlich zu der photokatalytischen Reduktion von NO_x gefunden haben, dass es möglich ist, photokatalytisch niedrige Konzentrationen oder Werte von Kohlenwasserstoffen in einem Abgas zu oxidieren.
In einer anschaulichen Ausführungsform ist die Querschnittsfläche oder der oder jeder Durchlass größer in der Richtung auf das Stromabwärtsende verglichen zu einem Stromaufwärtsende.
In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform umfasst das Substrat zwei oder mehr Durchlässe, worin mindestens ein Durchlass einen Einlass aufweist, und alle Durchlässe mindestens einen Auslass aufweisen.
Zur einfachen Konstruktion umfasst in einer anschaulichen Ausführungsform die Wand des Substrats ein Rohr, obwohl es begrüßt wird, dass das Rohr nicht gerade sein braucht in der Längsrichtung, noch dass der Querschnitt des Rohrs notwendigerweise kreisförmig sein muss. Allerdings kann ein Rohr, das mindestens eine flache Seite aufweist, wie ein hexagonaler Querschnitt, die Steifigkeit des Rohrs verbessern. Ein kreisförmiger Querschnitt wird jedoch der Einfachheit halber verwendet. Das Rohr kann zum Beispiel eine kegelstumpfförmige oder kegelstumpfförmig konische Form Aufweisen.
Gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform umfasst der Durchlass mindestens eine Drossel oder Prallfläche, die eine Verengung oder Einengung oder Engstelle des Durchlasses sein kann, wie ein Venturirohr oder ein totes Ende in dem Durchlass.
Bei einer weiteren anschaulichen Ausführungsform ist das Substrat so angeordnet, dass der oder jeder zweite Auslass so angeordnet ist, dass ein Gas in den mindestens einen Durchlass in einer Richtung verlassen kann, die anders ist als die, in der es in den mindestens einen Durchlass eintritt.
Der Photokatalysator kann getragen werden auf der Innenoberfläche der Kammer und/oder der Innenoberfläche der Substratwand und/oder der Quelle der elektromagnetischen Strahlung. In einer anschaulichen Ausführungsform umfasst der Reaktor jedoch Mittel zum Tragen des Photokatalysators in dem Strömungsweg des Abgases, das die mindestens eine Öffnung in dem Substrat verlässt. Natürlich kann dieses Trägermittel die Innenoberfläche der Kammer sein, aber bei einer anderen Ausführungsform kann sie eine Innenoberfläche von einer Hülse sein, die um die Substratwand angeordnet ist.
Bei einer weiteren anschaulichen Ausführungsform umfasst er, um die wirksame Oberflächenfläche des Trägermittels zu erhöhen, mindestens einen im Wesentlichen seitlichen Vorsprung, der sich in den Raum um eine Außenoberfläche der Substratwand erstreckt. Natürlich kann der mindestens eine Vorsprung durch das Äußere der Substratwand und/oder durch die Innenwand der Kammer oder die Innenwand der Hülse getragen werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Trägermittel mindestens einen Grat oder eine Rippe oder eine Lamelle, die sich in einer Schraubenlinie in der Longitudinal- oder Längsrichtung bezogen auf den Durchlass erstreckt.
In einem Gesichtspunkt kann sich der seitliche Vorsprung mehr in der Longitudinalrichtung bezogen auf den Durchlass erstrecken oder in einer mehr seitlichen Richtung bezogen auf den Durchlass, das heißt quer dazu. Wenn der seitliche Vorsprung eine einzelne Rippe oder ein einzelner Grat oder eine einzelne Lamelle ist, kann sie sich in einer Schraubenlinie in der Longitudinalrichtung bezogen auf den Durchlass erstrecken. Wir bevorzugen zur Zeit, dass der seitliche Vorsprung ein einzelner Grat oder eine einzelne Rippe oder eine einzelne Lamelle ist, die durch die Wand getragen wird, und dass das Aussehen oder die äußere Erscheinung oder die Seite der Schraubenlinie überwiegend seitlich ist, d.h. die Steigung der Schraubenlinie relativ gering ist.
Dem Fachmann wird ersichtlich sein, dass anders geformte seitliche Vorsprünge verwendet werden können, z.B. können die seitlichen Vorsprünge eine Vielzahl von einzelnen Scheiben sein, die durch die Wand oder die Hülse getragen werden, oder die oder jeder seitlicher Vorsprung kann oval, eckig oder quadratisch oder dreieckig oder dreiseitig in der Form sein. Ebenso kann der mindestens eine seitliche Vorsprung winklig oder abgewinkelt sein bezogen auf die Oberfläche der Wand oder Hülse, d.h. der seitliche Vorsprung kann z.B. einen spitzen Winkel bezogen auf die Oberfläche der Wand oder Hülse stromaufwärts entgegensetzen, d.h. bezogen auf die Richtung des Abgasstroms.
Das Substrat, d.h. der eine Wand aufweisende Körper, der den Durchlass bildet, und/oder wo die Trägermittel vorliegen, z.B. die Hülse und/oder der oder der mindestens eine seitliche Vorsprung ist vorzugsweise aus einem Metall, wie einem nicht rostenden Stahl (weil er sich in Gegenwart von UV Licht nicht abbaut) oder einer ferritischen Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung, gebildet. Es ist jedoch möglich, dass ein oder mehrere Teile des Substrats aus nicht metallischen Materialien sind, wie Keramik. Die Hülse kann z.B. aus Keramik, Glas, Quarz oder einem Polymer sein. Der oder jeder seitliche Vorsprung kann an der Außenwand des Durchlasses oder der Hülsenoberfläche befestigt sein durch Standardingenieurverfahren, wie Schweißen.
Das Phänomen der Photokatalyse ist dem Fachmann bekannt, und eine Erklärung in Einzelheiten kann im Stand der Technik gefunden werden, z.B. dem obigen Papier von Hoffmann et al. Kurz gesagt wird ein Photokatalysator durch elektromagnetische Strahlung von einem geeigneten Energieniveau aktiviert, und man glaubt, dass sich das was als ein getrenntes Elektron-Loch-Paar oder Ladungsträgerpaar bekannt ist, bildet. Das getrennte Elektron-Loch-Paar oder Ladungsträgerpaar kann die gewünschte Oxidation/Reduktion zwischen Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid, Stickoxiden und Sauerstoff katalysieren. Die Photonenenergie, die benötigt wird für die Bildung von solchen Elektron-Loch-Paaren oder Ladungsträgerpaaren ist abhängig von dem Material.
Die Beschaffenheit oder Natur oder Art des Photokatalysator zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung ist nicht wichtig. Er kann TiO₂, SnO2, CdS, CdSe, ZnS, In₂S₃, In₂Se₃, SrTiO₃, alpha-Fe₂O₃, SiO₂/Al₂O₃, ZnO, CdTe, CuInSe₂, CuS, FeS₂, CuFeS₂, Si, GaAs, GaSb, GaPS, GaInP, As₂S₃, AIP, AlAg, GaP, AlSb, InP, InAs, InSb, MoS₂, WTe₂, Cr₂Te₃, MoTe, Cu₂S, WS₂, Bi₂O₃, CuO, Cu₂O, MoO₃, InO₃, Ag₂O, PbO, SrTiO₃, BaTiO₃, Co₃O₄, Fe₂O₃, NiO, natürliche oder synthetische Pyrite, natürliche oder synthetische Chalkopyrite, oder Gemische von beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. Gegebenenfalls dotiertes TiO₂ wird zur Zeit bevorzugt, wobei die Anatasform von TiO₂ am meisten bevorzugt ist.
Das Photokatalysatormaterial kann dotiert sein mit ein oder mehr Übergangsmetallen, wie einem Cr(III), Fe(III), V(IV), Ti(III), Sb(V), Ga(III) oder Ag(I) oder einem Gemisch von beliebigen zwei oder mehr davon. Außerdem kann die Photokatalysatorzusammensetzung verteilte Edelmetalle, wie Pt, Pd, Rh, Ag, Au oder Gemisch von beliebigen zwei oder mehr davon einschließen. Geeigneterweise können die Edelmetalle auf dem Photokatalysatormaterial durch photokatalytische Reduktion von einer wässrigen Suspension eines Edelmetalisalzes abgeschieden werden. Wenn das gewünschte Edelmetall z.B. Platin ist, enthält die Lösung Chlorplatinsäure, Natriumchlorplatinat, Hexahydroxyplatinsäure oder Platindinitrodiammin. Bei einer weiteren Ausführungsform oder alternativ können Imprägnierungs, Sputtering oder Knetverfahren verwendet werden.
Verfahren zur Aufbringung des Photokatalysators auf die Trägeroberflächen des Substrats und der Innenwand der Kammer sind dem Durchschnittsfachmann bekannt und schließen ein Sol-Gel Verfahren, chemische Dampfabscheidung, Sintern, Verdampfung oder Sputtering ein.
Die Quelle der elektromagnetischen Strahlung kann ausgewählt werden, um die benötigte Photonenergie für die Bildung des Elektron-Loch-Paars in dem Photokatalysatormaterial zu ergänzen. Die Lichtquelle selbst kann innerhalb oder außerhalb der Kammer sein. Wenn sie außen ist, kann das Licht in das Innere der Kammer gerichtet werden durch einen Wellenleiter, wie eine optische Faser, gegebenenfalls beschichtet mit einem Photokatalysator. Bei einer weiteren Ausführungsform oder alternativ kann die Kammerwand vollständig oder zum Teil, z.B. als ein Fenster, gegenüber der elektromagnetischen Strah lung transparent sein, und die Strahlung wird durch die transparente Kammerwand in die Kammer gerichtet. Bevorzugte Materialien für transparente Fenster für die Kammerwand schließen Glas, Quarz oder Polymere ein.
Bevorzugte elektromagnetische Strahlungsquellen zur Verwendung in Kombination mit einem TiO₂ Photokatalysator schließen eine UV Lampe ein, die elektromagnetische Strahlung emittiert oder aussendet bei z.B. Wellenlängen von 215 nm, 254 nm oder 650 nm. Niederdruckquecksilberdampflampen können verwendet werden, die starke Emissionslinien bei 185 nm und 254 nm bereitstellen. Quecksilber-Xenondampfhochdrucklampen stellen ein kontinuierliches UV Spektrum zwischen 190 und 300 nm bereit. Eine Wasserstoffgasentladungslampe, eine Lyman-Entladungs- und eine Xenongasentladungslampe können ebenso verwendet werden.
Vorzugsweise schließt die Strahlungsquelle, die das Gas oder den Draht enthält, Glas, z.B. Natronkalkglas oder Borsilikatglas, ein, um die Strahlung zu übermitteln oder weiterzuleiten oder zu senden. Quarz wird jedoch typischerweise verwendet, weil gefunden wurde, dass es Photonenergie des benötigten Niveaus aussendet, um eine Elektron-Loch-Paar-Bildung in einem TiO₂ Photokatalysator zu fördern.
Die elektromagnetische Strahlungsquelle braucht nicht monochromatisch sein. Z.B. kann eine Quelle, die eine elektromagnetische Breitbandstrahlung aussendet oder emittiert im sichtbaren Spektrum verwendet werden, wie eine Halogenlampe oder eine Lampe, die Edelgas einschließt. Einige Photokatalysatoren werden sogar durch Infrarotlicht aktiviert.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt stellt die Erfindung ein Abgassystem bereit für ein Fahrzeug, das durch ein Antriebssystem, wie einen Verbrennungsmotor angetrieben wird, das einen Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung einschließt. Das Antriebssystem kann z.B. eine stationäre Kraftquelle sein, wird typischerweise aber ein Verbrennungsmotor, wie ein Dieselmotor oder ein Otto- oder Benzinmotor sein. Wenn es sich um einen Otto- oder Benzinmotor handelt, kann der Motor ein Magerverbrennungsbenzinmotor sein, wie ein Benzindirekteinspritzmotor, oder ein stöchiometrisch betriebener Motor. Bei einer weiteren Ausführungsform oder alternativ kann der Motor angetrieben werden durch Alternativtreibstoffe wie Erdgas oder Naturgas, Flüssiggas, Ethanol etc., oder er kann ein Hybridmotor sein und zu verschiedenen Zeiten auf einem herkömmlichen Treibstoff, wie Diesel, und einem alternativen Treibstoff laufen.
Gemäß einer anschaulichen Ausführungsform ist das Abgassystem für einen Dieselmotor, und es schließt einen Katalysator ein zur Oxidation von NO zu NO₂ und stromabwärts einen Partikelfilter zum Einfangen von Partikeln, wobei die Partikel zu NO₂ in dem Abgas bei bis zu 400 °C verbrennen, und der Reaktor gemäß der Erfindung stromabwärts von dem Partikelfilter angeordnet ist. Die Anordnung von einem Oxidationskatalysator stromaufwärts zur Oxidation von NO zu NO₂ und einem Partikelfilter stromabwärts ist der Gegenstand von Johnson Matthey's EP 0 341 832 B und US 4 902 487 A .
Bei einer anderen Ausführungsform oder alternativ kann der photokatalytische Reaktor den Dreiweg-Katalysator 30 in dem System, das in unserer WO 00 21 647 beschrieben ist, ersetzen.
Das Abgassystem kann jedoch auch, in der Regel stromaufwärts von dem Reaktor, ein oder mehr Dreiweg-Katalysatoren (für Benzinanwendungen), einen NO_x Abscheider oder eine NO_x Falle (für Diesel oder Benzinmagerverbrennungsmotoren), und für Magerverbrennungsmotoren, wie Diesel- oder Benzinmagerverbrennungsanwendungen, einen Ammoniak selektiven katalytischen Reduktionskatalysator (wobei das Abgassystem zusätzlich Mittel einschließt zur Einführung von Ammoniak oder eine Vorläuferverbindung, wie Harnstoff oder Hydrazin stromaufwärts von dem SCR Katalysator) oder einen Mager-NO_x-Katalysator einschließen. Ein Dieseloxidationskatalysator kann bei Dieselsystemen verwendet werden.
Bei anschaulichen Ausführungsformen schließt ein Abgassystem für einen Benzinmagerverbrennungsmotor einen Dreiweg-Katalysator in der sogenannten geschlossen gekoppelten Position nahe des Abgaskrümmers, einen NO_x Abscheider an der Unterbodenposition und einen photokatalytischen Reaktor stromabwärts ein.
Das Abgassystem kann eine elektronische Steuerungseinheit (electronic control unit (ECU)) einschließen, die einen Mikroprozessor einschließt, der Teil von und/oder betätigt werden kann durch eine Motormanagementeinheit. Die ECU ist für die Kontrolle oder Steuerung der elektromagnetischen Strahlungsquelle, um periodisch oder intermittierend zu arbeiten, z.B. während Motorbetriebsbedingungen (Geschwindigkeit, Last, etc.), die vorbestimmt worden sind, um mehr Kohlenwasserstoff, CO und/oder NO_x zu erzeugen. Alternativ kann die elektromagnetische Strahlungsquelle während allen Betriebsbedingungen des Motors arbeiten, wobei das System den Nutzen der Einfachheit aufweist, aber dies ist weniger kraftstoffsparend. Natürlich kann die Intensität der Lichtquelle eingestellt werden, so dass die Intensität relativ hoch ist, wenn hohe Raten an photokatalytischer Aktivität benötigt werden, z.B. hoher Reisegeschwindigkeit, und relativ niedrig ist zu anderen Zeiten, z.B. während eines Motorleerlaufs.
Das Abgassystem kann auch eine fahrzeugeigene Diagnosefunktion einschließen, in der Sensoren für ein oder mehr Abgasbestandteile oder Komponenten eingeschlossen sind, um z.B. die Endrohrabgaszusammensetzung zu testen, oder eine andere Position innerhalb des Abgassystems stromabwärts von dem photokatalytischen Reaktor, hinsichtlich der Konzentrationen oder Werte von NO_x, Partikeln, Kohlenwasserstoff und/oder Kohlenmonoxid. Die ECU kann programmiert sein, um die elektromagnetische Strahlungsquelle zu betätigen, wenn der Sensor signalisiert, dass der Wert oder die Konzentration von ein oder mehr Endrohrabgasbestandteilen, z.B. NO₂, oberhalb eines vorherbestimmten Werts oder einer Konzentration liegt. Sensoren können auch verwendet werden, um die Temperatur von bestimmten Katalysatorbestandteilen innerhalb des Abgassystems abzutasten oder zu messen.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit, zur photokatalytischen Reduktion von NO_x in einem strömenden Gas, wobei das Verfahren umfasst ein Verringern der linearen Strömungsgeschwindigkeit von dem Gas in einer beliebigen Dimension oder Abmessung durch Durchleiten des Abgases durch einen Monolith, wobei der Monolith mindestens einen eine Wand aufweisenden Körper umfasst, der einen Durchlass definiert, wobei der mindestens eine eine Wand aufweisende Körper mindestens einen zweiten Einlass und mindestens einen zweiten Auslass umfasst, wobei die Summe der Querschnittsflächen von dem oder jedem zweiten Auslass größer ist als die Summe der Querschnittsflächen von dem oder jedem Einlass, ein Kontaktieren eines Photokatalysa tors mit elektromagnetischer Strahlung und ein Kontaktieren des Gases, das den mindestens einen zweiten Auslass verlässt mit dem Photokatalysator.
Gemäß einem weiteren Gesichtpunkt stellt die Erfindung die Verwendung von einem Reaktor gemäß der Erfindung bereit zur photokatalytischen Katalyse der Oxidation von Kohlenwasserstoff und/oder Kohlenmonoxid unter Verwendung von NO_x und/oder Sauerstoff (O₂) in einem Abgas von einem Antriebssystem, wie einem Verbrennungsmotor, wobei das NO_x infolgedessen durch die Umsetzung reduziert wird.
Damit die Erfindung noch besser verstanden wird, wird eine anschauliche Ausführungsform davon in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Querschnittsansicht zeigt von einem Photokatalysatorsubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsansicht zeigt von einem photokatalytischen Reaktor, der zwei Substrate von 1 einschließt;
3 eine grafische Darstellung zeigt, die eine photokatalytische Umwandlung oder Umsetzung von Kohlenwasserstoff als Funktion der Sauerstoffkonzentration zeigt; und
4 eine grafische Darstellung zeigt, die eine photokatalytische Umsetzung von Kohlenwasserstoff und Stickoxiden zeigt.
In der 1 umfasst das Katalysatorsubstrat 10 ein Rohr 12 mit kreisförmigem Querschnitt, das einen zweiten Einlass 13 und eine Vielzahl von zweiten Auslässen 14 einschließt. Das Rohr 12 ist aus einer gestanzten oder gelochten Platte aus nicht rostendem Stahl und ist zu einer röhrenförmigen Form geschweißt. An einem Ende des Rohrs 12 ist die Drossel oder Prallfläche 16 in Form eines Verschlusses ausgebildet aus dem Material aus nicht rostendem Stahl. Ein Grat oder eine Rippe oder eine Lamelle 18, ebenfalls aus nicht rostendem Stahl, ist an der Außenoberfläche des Rohrs 12 durch Schweißen befestigt. Die Lamelle 18 kann eine von einer Vielzahl von Scheiben sein, die an die Außenfläche des Rohrs 12 geschweißt ist, aber in der Ausführungsform, die in der Figur gezeigt ist, ist die Lamelle 18 ein kontinuierlicher Streifen aus nicht rostendem Stahl, der an die Außenfläche des Rohrs 12 in einer Schraubenlinie oder Helix angeschweißt ist.
Ein Photokatalysator, der die Anatasform von TiO₂ umfasst, ist durch ein Sol-Gel Verfahren auf die Lamelle 18 des Substrats aufgebracht.
Die 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht von einem photokatalytischen Reaktor 30, der eine Kammer 36 aus nicht rostendem Stahl umfasst. Zwei Katalysatorsubstrate 10, wie gezeigt und beschrieben im Zusammenhang mit der 1, sind im Inneren der Kammer 36 angebracht und sind parallel zu einem ersten Abgaseinlass 32 verbunden. Die Kammer schließt ferner einen ersten Abgasauslass 34 ein. Die Innenfläche der Kammer 36 trägt einen Photokatalysator, der die Anatasform von TiO₂, das durch ein Sol-Gel Verfahren aufgebracht ist, umfasst. Quarzquecksilberlampen zum Emittieren oder Abstrahlen von UV Licht 38 sind innerhalb der Kammer 36 vorgesehen, jede an eine Spannungsquelle 40 verbunden, die durch eine elektronische Steuereinheit (nicht gezeigt) gesteuert wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die oder jede elektromagnetische Strahlungsquelle außerhalb der Kammer angeordnet, und die elektromagnetische Strahlung wird ins Innere der Kammer durch geeignete Mittel, wie einen Wellenleiter, z.B. optische Faser, gerichtet. Der Wellenleiter kann auch mit einem Photokatalysator beschichtet sein.
Dem Fachmann ist ersichtlich, dass die Anordnung von der elektromagnetischen Strahlungsquelle, die in 2 gezeigt ist, nur einen Weg darstellt der Anordnung des Substratmonoliths und von Strahlungsquellen. Wir verwenden zur Zeit eine ähnliche Anzahl von elektromagnetischen Strahlungsquellen, die innerhalb der Kammer 36 angeordnet sind. Daher werden bei einer anschaulichen Ausführungsform drei UV Lampen verwendet, wobei die Lampen und drei Substrate abwechselnd und hexagonal angeordnet sind, wenn in Querschnittsrichtung betrachtet.
Bei einer weiteren Ausführungsform oder alternativ kann eine zentrale Lampe verwendet werden in der Mitte von z.B. drei Substraten, die in einem Dreieck angeordnet sind, wenn im Querschnitt betrachtet.
In der Praxis ist der photokatalytische Reaktor 30 in einem Abgasdurchlass eines Abgassystems von einem Verbrennungsmotor, z.B. einem Dieselmotorabgassystem, angeordnet, so dass strömendes Abgas (dargestellt durch den großen dicken Pfeil) in die Kammer über den ersten Einlass 32 eintritt und dann aufgenommen wird in dem Durchlass 20 des Substrats durch den zweiten Einlass 13. Das strömende Abgas wird daran gehindert, das Rohr 12 am anderen Ende davon zu verlassen durch die Prallfläche 16, und so verlässt das Abgas (dargestellt durch die kleinen Pfeile in 1) das Rohr über die Vielzahl von zweiten Auslässen 14. Die lineare Geschwindigkeit des Gases an einem Punkt stromabwärts von dem mindestens einen zweiten Auslass wird relativ zu der linearen Geschwindigkeit des Abgases, das in den Durchlass 20 eintritt, reduziert. Dies hat den Vorteil, dass Reaktionen die katalysiert werden durch einen Katalysator, der an der oder jeden Lamelle 18 aufgetragen ist, und die mit einer erhöhten Rate bei niedrigeren linearen Fließgeschwindigkeiten als bei höheren linearen Fließgeschwindigkeiten stattfinden, gefördert oder vorangetrieben oder begünstigt werden.
Das Abgas kontaktiert den aufgetragenen Photokatalysator, der durch elektromagnetische Strahlung aus den Quellen 38 angeregt worden ist, um dadurch Redoxreaktionen zwischen Abgaskomponenten zu fördern oder zu begünstigen.
Das folgende Beispiel wird nur zur Veranschaulichung bereitgestellt.
Fünf Reaktoren, wie in 1 gezeigt, wurden für das Experiment verwendet. Jeder Reaktor wies eine Länge von 380 mm auf mit einem mittigen Rohrdurchmesser von 38 mm und Lamellen- oder Rippendurchmesser von 45 mm. Die einzelnen Lamellen oder Rippen waren durch 5 mm getrennt. Die Reaktoren waren äquidistant, um den Umfang von einer Kammer, wie in 2 veranschaulicht, eingebaut. Eine geeignete röhrenförmige elektromagnetische Strahlungslampe war mittig in der Kammer eingebaut, parallel zu den Reaktoren. Der Kammerdurchmesser betrug 144 mm, und Kegel (nicht gezeigt) wurden an jedes Ende verschraubt, um eine Verbindung zu einer Gasquelle zu ermöglichen, und um zu verhindern, dass Licht in die Atmosphäre entweicht.
Die Kammer wurde mit einer Einspeisung oder einem Vorrat von einem synthetischen Gas verbunden, die/der es erlaubt, dass einzelne Gase oder Gemische von Kohlenwasserstoff (KW), Stickoxiden (NO_x als NO) und Sauerstoff (O₂) in einem Stickstoff (N₂)-Träger durch den Reaktor geleitet werden. Aus der Konzentration der Gase, die den Reaktor verlassen, wird die Umwandlungswirksamkeit des Photokatalysators gemessen. Alle Tests wurden bei Raumtemperatur durchgeführt, wobei die Quelle ultravioletter Strahlung an war.
Experiment 1
In einem ersten Lauf wurde Propangas (mit einer Konzentration von 1500 ppm C1) in N₂ über den Katalysator geleitet und die Umwandlungswirksamkeit als Funktion der Sauerstoffkonzentration in dem Gasstrom wurde gemessen. Bei einem zweiten Lauf wurde das Propan des ersten Laufs ausgewechselt gegen die gleiche Konzentration an Propen, und der Test wurde wiederholt. In einem dritten Lauf wurde das Propen in N₂ ausgetauscht gegen die gleiche Konzentration von Methan in N₂. Die Raumgeschwindigkeit für diese Tests betrug 580 h^–1.
Die 3 fasst die Ergebnisse zusammen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Propan- und Propenumsatz zunimmt mit der O₂-Konzentration bis zu einem Maximum von 35 % für Propen bei 18 % O₂. Methan, das ein schwieriges Gas ist, um es zu oxidieren, erreichte 7 % Umwandlung bei Raumtemperatur, war aber ziemlich unabhängig von der Sauerstoffkonzentration.
Experiment 2
Ein Gasgemisch, das 100 ppm Propan, 90 ppm NO_x und 10 % O₂ enthielt, wurde bei Raumtemperatur und bei einer Raumgeschwindigkeit von 200 h^–1 über den Reaktor geleitet. Die 4 zeigt eine NO_x Umwandlung, die nahe 60 % ist, und einen KW Umsatz von 80 %, mit CO und CO₂ als Verbrennungsprodukten.

Claims

Photokatalytischer Reaktor (30) zur Behandlung von Abgasen aus einem Antriebssystem, wie einem Verbrennungsmotor, wobei der Reaktor umfasst eine Kammer (36) zur Aufnahme eines strömenden Abgases, einen ersten Einlass (32) und einen ersten Auslass (34), mindestens eine Quelle elektromagnetischer Strahlung (38), mindestens einen Monolith (10), der in der Kammer angeordnet ist, und einen Photokatalysator, dadurch gekennzeichnet, dass der Monolith (10) mindestens einen eine Wand aufweisenden Körper umfasst, der einen Durchlass (20) definiert, wobei der mindestens eine eine Wand aufweisende Körper mindestens einen zweiten Einlass (13) und mindestens einen zweiten Auslass (14) umfasst, wobei die Summe der Querschnittsflächen von dem oder jedem zweiten Auslass (14) größer ist als die Summe der Querschnittsflächen von dem oder jedem zweiten Einlass (13), wobei die lineare Strömungsgeschwindigkeit von einem Gas an einem Punkt stromabwärts von dem mindestens einen zweiten Auslass (14) geringer ist als die lineare Strömungsgeschwindigkeit von dem Gas, das in den mindestens einen zweiten Einlass (13) eintritt.
Reaktor gemäß Anspruch 1, wobei der oder jeder Durchlass ein Rohr umfasst.
Reaktor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Durchlass mindestens eine Drossel oder Prallfläche umfasst, wobei die mindestens eine Drossel oder Prallfläche ein totes Ende in dem Durchlass bildet.
Reaktor nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Anordnung so ist, dass der oder jeder zweite Auslass angeordnet ist, so dass ein Gas den mindestens einen Durchlass verlassen kann in einer Richtung, die anders ist als die, in der es in den mindestens einen Durchlass eintritt.
Reaktor gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei mindestens eine oder eines von einer Innenfläche der Kammer (36), einer Innenfläche von einer Substratwand (12) und einem Trägermittel (18) in dem Strömungsweg des Abgases, das den mindestens einen zweiten Auslass (14) verlässt, einen Photokatalysator trägt.
Reaktor nach Anspruch 5, wobei das Trägermittel mindestens einen im wesentlichen seitlichen Vorsprung umfasst, der sich in einen Raum erstreckt an der Außenseite der Substratwand (12) bezogen auf den Durchlass, wobei der mindestens eine Vorsprung durch die Substratwand (12) getragen wird.
Reaktor gemäß Anspruch 6, wobei das Trägermittel mindestens einen Grat oder eine Rippe umfasst, wobei sich der mindestens eine Grat oder die mindestens eine Rippe in einer Schraubenlinie in der Longitudinalrichtung bezogen auf den Durchlass (20) erstreckt.
Reaktor nach einem beliebigen vorstehenden Anspruch, wobei das Katalysatorsubstrat (10), mindestens zum Teil, aus einem Metall, vorzugsweise einem nicht rostenden Stahl, ist.
Reaktor nach einem beliebigen vorstehenden Anspruch, wobei der Photokatalysator umfasst TiO₂, SnO₂, CdS, CdSe, ZnS, In₂S₃, In₂Se₃, SrTiO₃, alpha-Fe₂O₃, SiO₂/Al₂O₃, ZnO, CdTe, CuInSe₂, CuS, FeS₂, CuFeS₂, Si, GaAS, GaSb, GaPS, GaInP, As₂S₃, AIP, AlAg, GaP, AlSb, InP, InAs, InSb, MoS₂, WTe₂, Cr₂Te₃, MoZe, Cu₂S, WS₂, Bi₂O₃, CuO, Cu₂O, MoO₃, InO₃, Ag₂O, PbO, SrTiO₃, BaTiO₃, Co₃O₄, Fe₂O₃, NiO, natürliche oder synthetische Pyrite, natürliche oder synthetische Chalkopyrite, oder Gemische von beliebigen zwei oder mehr davon, vorzugsweise die Anatasform von TiO₂, und gegebenenfalls ferner umfasst ein oder mehr Edelmetall(e), das oder die darauf verteilt sind, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Pt, Pd, Rh, Ag, Au oder einem Gemisch von beliebigen zwei oder mehr davon; und einen oder mehr Übergangsmetalldotierstoff(e), vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Cr(III), Fe(III), V(IV), Ti(III), Sb(V), Ga(III) und Ag(I) oder ein Gemisch von beliebigen zwei oder mehr davon.
Reaktor nach einem beliebigen vorstehenden Anspruch, wobei die oder jede Quelle (38) der elektromagnetischen Strahlung elektromagnetische UV-, sichtbare Breitband- oder Infrarotstrahlung ausstrahlt, und wobei die oder jede elektromagnetische Strahlungsquelle (38) im Inneren der Kammer (36) angeordnet ist.
Abgassystem für ein Fahrzeug, das durch ein Antriebssystem, wie einem Verbrennungsmotor, angetrieben wird, wobei das Abgassystem einen Reaktor (30) gemäß einem beliebigen vorstehenden Anspruch einschließt.
Abgassystem für einen Dieselmotor gemäß Anspruch 11, wobei das Abgassystem einschließt einen Katalysator zur Oxidation von NO zu NO₂, stromabwärts einen Partikelfilter zum Einfangen von Partikeln, wobei die Partikel in NO₂ in dem Abgas bei bis zu 400°C verbrennten, und der Reaktor (30) stromabwärts von dem Partikelfilter angeordnet ist.
Abgassystem gemäß Anspruch 11 oder 12, das ferner umfasst eine elektronische Steuerungseinheit zur Steuerung der Funktion des Abgassystems.
Verfahren zur photokatalytischen Reduktion von NOx in einem strömenden Gas, wobei das Verfahren umfasst ein Verringern der linearen Strömungsgeschwindigkeit von dem Gas in einer beliebigen Dimension oder Abmessung durch Durchleiten des Abgases durch einen Monolith (10), wobei der Monolith mindestens einen eine Wand aufweisenden Körper umfasst, der einen Durchlass (20) definiert, wobei der mindestens eine eine Wand aufweisende Körper mindestens einen zweiten Einlass (13) und mindestens einen zweiten Auslass (14) umfasst, wobei die Summe der Querschnittsflächen von dem oder jedem zweiten Auslass (14) größer ist als die Summe der Querschnittsflächen von dem oder jedem Einlass (13), ein Kontaktieren eines Photokatalysators mit elektromagnetischer Strahlung und ein Kontaktieren des Gases, das den mindestens einen zweiten Auslass verlässt mit dem Photokatalysator.
Verwendung von einem Reaktor (30) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 10 zur photokatalytischen Katalyse der Oxidation von Kohlenwasserstoff und/oder Kohlenmonoxid unter Verwendung von NOx und/oder Sauerstoff (O₂) in einem Abgas von einem Antriebssystem, wie einem Verbrennungsmotor, wobei das NOx infolgedessen durch die Umsetzung reduziert wird.