DE69133164T2 - Vergiftungsbeständige katalytische Zusammensetzung - Google Patents

Vergiftungsbeständige katalytische Zusammensetzung

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Description

    GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen eine Vergiftungs verhindernde Schicht aufweisenden Träger zum Bewahren eines Katalysators vor Vergiftung durch Silizium oder Phosphor und betrifft auch einen Katalysator mit Beständigkeit gegen Vergiftung durch Silizium oder Phosphor und welcher zum Reinigen von Kraftfahrzeugabgasen oder Faul- bzw. Klärgasen, die sich aus Klärschlammfaulung ergeben (wobei die beiden Arten von Gasen inbegriffen nachstehend als Abgase bezeichnet werden), verwendet werden.
  • HINTERGRUND DES STANDES DER TECHNIK
  • Katalytische Konverter für Kraftfahrzeugabgase werden im Allgemeinen in Kraftfahrzeugen zur Verhinderung von Umweltverschmutzung verwendet, da die katalytischen Konverter zum großen Teil Luftverschmutzungen, wie Kohlenmonoxid oder Stickoxide usw., ohne Verminderung der Ausgangsleistung und des Kraftstoffwirkungsgrads des Motors vermindern.
  • Durch jüngste Verbesserungen in Verbrennungssystemen bei Motoren sind die Konzentrationen an unverbrannten Bestandteilen in den Abgasen gering. Daher werden derzeit hauptsächlich katalytische Konverter verwendet. Katalysatoren zur Verwendung in diesen katalytischen Konvertern schließen einen Oxidationskatalysator, einen Reduktionskatalysator und einen Dreiwegekatalysator ein, wobei jeder aus einem keramischen Träger vom Pellet- oder Monolith-Typ und einer besonderen, auf dem Träger abgeschiedenen katalytischen Komponente besteht. Derartige katalytische Komponenten schließen beispielsweise Edelmetalle, wie Pt, Rh usw., ein.
  • Katalytische Konverter werden auch in Industriemotoren verwendet (z. B. Motoren zur Verwendung mit Faulgasen, die durch den Faulvorgang von organischen Schlämmen, beispielsweise Klärschlämmen, erzeugt werden).
  • Die bekannten katalytischen Konverter weisen jedoch nachstehendes Problem auf. Silizium (einschließlich verschiedene Si-enthaltende Verbindungen), beispielsweise Siloxangas (Si(CH&sub3;)n0 oder (CH&sub3;)25i0) und Phosphor, beispielsweise Phosphorsäure und Phosphat (wie H&sub3;PO&sub4;, HPO&sub3; und H4P&sub2;O&sub7;) (nachstehend werden Silizium und Phosphor einschließend als Si usw. bezeichnet) liegen häufig in Abgasen vor, Silizium hauptsächlich aufgrund von Siliconen oder dergleichen, die in größeren Mengen als Abdichtungsmaterialien verwendet werden, das heißt am Ort gebildete Dichtungen [formed in-place gasket (FIPG)] für derzeitige Kraftfahrzeugteile und Phosphor ist in Ölen enthalten. Außerdem können Sand und Staub, die in der Luft dispergiert sind, mit der Ansaugluft mitgerissen und in den Motor eingeführt werden. Im Fall von Motoren, die mit Faulgasen betrieben werden, gibt es Bedingungen, unter denen Si usw. in den Kraftstoff gelangt. Edelmetalle, wie Pt und Rh, die als katalytische Komponenten eingesetzt werden, werden aufgrund von Si usw. vergiftet oder belegt. Dieses Vergiften oder Belegen verschlechtert in großem Maße die Katalysatorfunktion.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfinder haben intensive Untersuchungen von Katalysatorvergiftungsverhinderung durchgeführt. Im Ergebnis wurde gefunden, dass Vergiften durch Si, usw., welches im Abgas enthalten ist, durch das Einarbeiten von Vergiftungsverhindernden Schichten, wie in Ansprüchen 1 und 2 beschrieben, stark verringert werden kann.
  • Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Vergiftungs-verhindernden katalytischen Konverter bereitzustellen, in dem eine katalytische Edelmetallkomponente daran gehindert wird, von Si, usw. vergiftet zu werden und die deshalb ihre katalytische Leistung über einen längeren Zeitraum beibehalten kann.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Träger mit einer Vergiftungs-verhindernden Schicht bereitzustellen.
  • Diese Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch Konverter und Träger gemäß Ansprüchen 1 und 2 gelöst.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist ein Querschnitt des in einem Beispiel hergestellten Katalysators vom Pellet-Typ.
  • Fig. 2 ist ein Querschnitt des in einem Beispiel hergestellten Katalysators vom Monolith-Typ.
  • Fig. 3 ist eine vergrößerte rechte Seitenansicht eines Teils des in Fig. 2 gezeigten Katalysators.
  • Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die einen installierten katalytischen Konverter veranschaulicht, welcher durch Anordnen eines in einem Beispiel hergestellten Katalysators in einer Schale bzw. Hülse erhalten wurde.
  • Fig. 5 ist eine schematische Ansicht, die eine installierte Konvertervorrichtung (Nr. 14) als eine Form der Konvertervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt dieser Erfindung veranschaulicht.
  • Fig. 6 ist eine Vorderansicht eines metallischen Wabenträgers.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG IM EINZELNEN
  • In einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein eine Vergiftungs verhindernde Schicht aufweisender Träger bereitgestellt, der einen Träger und eine darauf gebildete Vergiftungsverhindernde Schicht mit einer Verbindung, enthaltend mindestens ein Element, ausgewählt aus Elementen der Gruppe IIa des Periodensystems, wie in Anspruch 2 definiert, umfasst.
  • Dieser eine Vergiftungs verhindernde Schicht aufweisende Träger, auf dem keine katalytische Komponente getragen wird, wirkt bei Anordnung des Katalysators an der Stromaufwärtsseite, indem verhindert wird, dass sich die katalytische Aktivität des Katalysators aufgrund des Vergiftens durch Si, usw. vermindert. Wenn ein gewöhnlicher Katalysator verwendet wird und der eine Vergiftungs verhindernde Schicht aufweisende Träger nicht damit verwendet wird; haften Si, usw. an den Oberflächen des auf dem Katalysator vorliegenden Edelmetalls und vermindern die Aktivität des Edelmetalls. In einigen Fällen bedeckt das Si, usw. die Edelmetalloberflächen, was die katalytische Komponente weniger anfällig macht, in Kontakt mit Abgasen zu kommen oder teilweises Verstopfen zu verursachen. Da folglich der Umwandlungswirkungsgrad besonders in der Anfangsstufe der Verwendung negativ beeinflusst wird, ist die Verwendung eines gewöhnlichen Katalysators allein bezüglich der Herstellungskontrolle verschlechtert.
  • Ein solcher negativer Effekt auf die Anfangsumsatzwirksamkeit eines Katalysators kann durch Anordnen des die Vergiftungs verhindernde Schicht aufweisenden Trägers dieser Erfindung an der Stromaufwärtsseite des Katalysators vermindert werden. Dieser Träger zeigt eine ausgezeichnete Wirkung, wenn sein Volumen 1/5 oder mehr des Volumens des Katalysators (oder Konverters) beträgt. Wenn dieser Träger in Form von Pellets vorliegt, sind ihre Größen vorzugsweise etwa 2 bis 5 mm . Wenn die Pelletgrößen weniger als 2 mm sind, ist das Volumen der Räume zwischen den Pellets zu klein, sodass es für Abgase schwierig wird, durch die Pellets zu gelangen. Wenn die Pelletgröße 5 mm übersteigt, wird das Raumvolumen zu groß, sodass die Wirkung des Trägers vermindert wird.
  • Der Vergiftungs verhindernde Schicht aufweisende Träger kann eine wie nachstehend beschriebene Form und ein wie nachstehend beschriebenes Trägermaterial aufweisen und verwendet eine wie nachstehend beschriebene Verbindung eines Elements der Gruppe IIa. Der Träger kann beispielsweise aus Dolomit (CaCO&sub3;·MgCO&sub3;) allein bestehen oder kann Wabenstruktur aufweisen, die im Wesentlichen aus Cordierit, bedeckt mit einer Verbindung eines Elements der Gruppe IIa, beispielsweise Dolomit, besteht. Die Verbindung eines Elements der Gruppe IIa kann auf dem Träger beispielsweise durch Imprägnieren des Trägers mit einer wässerigen Lösung der Verbindung oder durch Auftragen einer Paste der Verbindung auf den Träger und durch Tauchen des Trägers in die Paste abgeschieden werden.
  • Die Menge an Vergiftungs-verhindernder Schicht, die auf dem Träger gebildet ist, beträgt vorzugsweise 5 bis 200 g, bevorzugter 30 bis 150 g pro Liter Träger. Wenn die Menge der Schicht weniger als 5 g beträgt, ist die Wirkung der Verbindung eines Elements der Gruppe IIa unzureichend. Wenn die Menge einer Verbindung eines Elements der Gruppe IIa 200 g übersteigt, wird die Vergiftungs verhindernde Schicht zu dick. Dies führt zum Abschälen der Schicht. Die Menge an Verbindung eines Elements der Gruppe IIa in der Vergiftungsverhindernden Schicht beträgt im Allgemeinen 5% oder mehr, vorzugsweise 10% oder mehr; in bezug auf die Menge des Elements der Gruppe IIa, bezogen auf die Menge der anderen Metalloxide. Wenn die Menge einer Verbindung eines Elements der Gruppe IIa weniger als 5% beträgt, kann keine ausreichende Wirkung erhalten werden. In jedem Fall sollte der Träger thermischen Schock usw. vertragen können, und es ist bevorzugt, die Oberfläche des Trägers für einen ausreichenden Kontakt mit den Abgasen so hoch wie möglich zu gestalten.
  • In dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein vergiftungsbeständiger katalytischer Konverter zur Abgasumwandlung bereitgestellt, der einen Träger, eine auf dem Träger abgeschiedene katalytische Edelmetallkomponente und eine Vergiftungs verhindernde Schicht, gebildet auf der Seite der katalytischen Komponente, die dem Abgas ausgesetzt ist, wie in Anspruch 1 definiert, umfasst.
  • Der Träger kann in Form von Pellets oder in Monolithform vorliegen und er ist aus einer Keramik oder einem Metall gefertigt (einschließlich metallischen Materialien mit katalytischer Aktivität).
  • Die Verwendung der Elemente der Gruppe IIa wie in Anspruch 1 definiert (forthin "Verbindung eines Elements der Gruppe IIa" genannt), ist in der vorliegenden Erfindung wesentlich, da Si usw., die in Abgasen enthalten sind, mit den Elementen der Gruppe IIa bei Temperaturen, bei denen das Edelmetall in dem Katalysator verwendet wird, unter Bildung von niedrigschmelzenden Kristallen reagieren. Dies verhindert das Eindringen von Si usw. in das Edelmetall, das entweder mehr stromabwärts des Ortes der Verbindung des Elements der Gruppe IIa, wenn gesehen von der Abgaseinlassseite oder angeordnet innerhalb oder etwas näher als die Schicht der Verbindung des Elements der Gruppe IIa zu dem Träger, an der Seite, die nicht direkt den Abgasen ausgesetzt ist, angeordnet ist. Somit kann die Vergiftung des Edelmetalls verhindert werden. Die Verbindung eines Elements der Gruppe IIa ist ein Nichtoxid, da eine Nichtoxid-Verbindung eines Elements der Gruppe IIa ausgezeichnete Vergiftungs verhindernde Eigenschaften aufweist, selbst wenn sie nicht erhitzt wird.
  • Die Verbindung eines Elements der Gruppe IIa betrifft eine Verbindung, die ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Mg, Ca, Sr und den anderen Elementen der Gruppe IIa, enthält, die außerdem zusätzlich zu der vorstehend genannten Verbindung z. B. TiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3; enthalten kann. Es ist jedoch bevorzugt, dass das Element der Gruppe IIa in der Vergiftungsverhindernden Schicht, wie Chloride, Nitrate und Carbonate, in einer Menge von 5 Gew.-% oder mehr, bezogen auf die Menge der Keramiken oder Metalle, wie TiO&sub2;, enthalten ist. (Alle Prozentangaben sind auf das Gewicht bezogen.) Wenn der Anteil an Element der Gruppe IIa weniger als 5% beträgt, ist die Wirkung zur Verhinderung der Vergiftung durch Si usw. vermindert.
  • Verfahren zum Abscheiden der Verbindung des Elements der Gruppe IIa auf einem Träger, wie jene, vorstehend beschriebenen Träger, sind nicht besonders begrenzt, und die nachstehenden werden als Beispiele erwähnt: (1) ein Verfahren, worin ein Edelmetall-tragender Katalysator in eine gemischte, eine Verbindung eines Elements der Gruppe IIa enthaltende Lösung getaucht wird und anschließend der erhaltene Katalysator getrocknet und wärmebehandelt wird; und (2) ein Verfahren, in dem eine Verbindung eines Elements der Gruppe IIa zuerst auf Pulverteilchen von TiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3; oder dergleichen abgeschieden wird, das erhaltene Pulver wärmebehandelt wird und anschließend ein organisches Bindemittel und ein Lösungsmittel dazugegeben werden, um ein Gleitmittel zu ergeben; anschließend wird dieses Gleitmittel zu dem Edelmetalltragenden Katalysator durch Eintauchen, Sprühen oder andere Technik aufgetragen, und dann wird der erhaltene Katalysator getrocknet und wärmebehandelt.
  • Die Vergiftungs verhindernde Schicht kann auf verschiedenen Wegen gebildet werden. Beispielsweise kann (1) die Vergiftungs verhindernde Schicht direkt auf der Oberfläche eines zu verwendenden, eine katalytische Komponente tragenden Trägers gebildet werden; (2) kann eine poröse Schutzschicht zuerst auf den Oberflächen eines katalytische Komponente tragenden Trägers gebildet werden, sodass die katalytische Komponente geschützt wird, und anschließend kann die die Vergiftungsverhindernde Schicht auf der Schutzschicht gebildet werden; oder (3) im Fall eines Trägers vom Monolith Typ kann die die Vergiftungs verhindernde Schicht auf einer Ebene auf einem Teil der Abgaseinlassseite gebildet werden.
  • Die Vergiftungs verhindernde Schicht wird direkt auf dem Träger in vorstehend genanntem Verfahren (1) gebildet. Das vorstehend genannte Verfahren (2), die Schicht wird auf dem Träger indirekt durch eine andere Nicht-Vergiftungsverhindernde Schicht gebildet. Die vorstehend beschriebene Vergiftungs verhindernde Schicht wird vorzugsweise als die äußerste Schicht gebildet, jedoch ist der erfindungsgemäße Katalysator nicht darauf begrenzt. Es ist auch bevorzugt, dass diese Vergiftungs verhindernde Schicht in einer Menge von 200 g oder weniger pro Liter des Katalysators gebildet wird, um das Verstopfen des Edelmetalls zu verhindern.
  • Ein Beispiel des erfindungsgemäßen Katalysators umfasst einen keramischen Träger vom Monolith-Typ und eine Vergiftungsverhindernde Schicht, die die vorstehend beschriebene Verbindung eines Elements der Gruppe IIa enthält und über die gesamte Oberfläche des Trägers gebildet wird oder auf der Oberfläche des Trägers bei einem Teil der Abgaseinlassseite gebildet wird, auf der Seite, auf der die katalytische Komponente den Abgasen ausgesetzt ist. Wenn die Vergiftungsverhindernde Schicht "auf der Oberfläche des Trägers an einem Teil gebildet wird, ist es bevorzugt, dass der Teil eine Dicke aufweisen sollte, die von der Abgaseinlassseitenkante ausgeht und nicht kleiner als 1/10, insbesondere 1/5, der Gesamtlänge (Volumen) des Trägers ist, zum Sichern der Leistung zur Verhinderung des Vergiftens der katalytischen Komponente durch Si, usw..
  • Ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Katalysators umfasst einen metallischen Träger, eine auf dem Träger abgeschiedene katalytische Komponente und eine Vergiftungsverhindernde Schicht der vorstehend beschriebenen Verbindung eines Elements der Gruppe IIa, die auf der katalytischen Komponente gebildet wurde. Das Material von diesem metallischen Träger ist nicht besonders beschränkt, solange es den Bedingungen, unter denen der Katalysator verwendet wird, widerstehen kann, und es kann katalytische Komponenten, direkt oder indirekt, tragen. Im Allgemeinen kann eine wärmebeständige Legierung mit einem Al-Gehalt, höher als eine normale wärmebeständige Legierung, als Trägermaterial verwendet werden. Bei Oxidation ergibt eine solche Legierung Al&sub2;O&sub3; auf der Oberfläche davon, und eine katalytische Schicht kann direkt auf dieser Oberfläche gebildet werden, oder eine aktive poröse Schicht, wie eine γ-Al&sub2;O&sub3;-Schicht, kann zuerst auf der Oberfläche gebildet werden und eine katalytische Schicht wird anschließend darauf gebildet. Die Form des Trägers ist auch nicht besonders begrenzt, jedoch ist ein Träger vom Wabentyp, wie in Fig. 6 gezeigt, bevorzugt.
  • Ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Katalysators umfasst außerdem einen metallischen katalytischen Träger und eine Vergiftungs verhindernde Schicht einer darauf gebildeten Verbindung eines Elements der Gruppe IIa. Dieser katalytische Träger kann aus einem Material mit einer Gas umwandelnden katalytischen Aktivität hergestellt werden. Beispiele dafür schließen Pt, Pd, Rh, Ag, usw. enthaltende Legierungen ein.
  • Als Element der Gruppe IIa, das in der vorliegenden Erfindung zu verwenden ist, kann vorzugsweise Ca oder Mg verwendet werden. Der Grund dafür besteht darin, dass diese zwei Elemente hinsichtlich der Verhinderung von Vergiftung durch Si usw. ausgezeichnet sind. Verbindungen von Ca und Mg sind Chloride, beispielsweise Calciumchlorid, Nitrate, Carbonate. Von diesen sind Chloride und Nitrate besonders bevorzugt, da sie ausgezeichnete Reaktivität mit Si usw. bei geringen Temperaturen zeigen. Bevorzugte Beispiele der Verbindung eines Elements der Gruppe IIa schließen außerdem Hydrate der vorstehend genannten Nichtoxide, beispielsweise CaCl&sub2;·2H&sub2;O und Komplexverbindungen, z. B. CaCO&sub3;·MgCO&sub3; (Dolomit), ein. Die Verwendung dieser Nichtoxide Chloride, Nitrate oder Carbonate, die beispielsweise Ca, Mg usw. enthalten, ist wirksam, da diese Verbindungen in Form sehr feiner Teilchen vorliegen können, sie durch die Elemente der Gruppe IIa nicht nur Si und/oder P vor dem Durchtritt hindern können, sondern auch höhere Aktivität gegen Si usw. zeigen.
  • Andererseits können Oxide, wie CaO oder MgO und dergleichen, unter Verhinderung der Vergiftung der Edelmetall- Katalysatorkomponente nur ausreichend mit Si usw. reagieren, wenn die Katalysatortemperatur 500ºC oder höher ist. Die Verwendung eines derartigen Oxids ist daher nachteilig, weil Si usw. bei Katalysatortemperaturen unterhalb 500ºC an den Katalysatoroberflächen haften, und wenn die Katalysatortemperatur über 500ºC steigt, sich ein Teil von Si und/oder P zu Oxiden umwandelt, unter Hervorrufen von Verstopfen. Die katalytische Leistung kann damit sinken.
  • Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Vergiftungsverhindernden Katalysators und eines erfindungsgemäßen eine Vergiftungs verhindernde Schicht aufweisenden Trägers werden Si usw., die in dem Abgas enthalten sind, von der Verbindung eines Elements der Gruppe IIa abgefangen, bevor sie die katalytische Komponente des Edelmetalls erreichen, sodass die katalytische Komponente weniger zur Vergiftung neigt oder von Silizium oder Phosphor belegt wird. Gemäß vorliegender Erfindung wird daher, auch wenn ein üblicher Katalysator wiederholt verwendet wird, die Leistung, das heißt die katalytische Aktivität für Abgas, des Katalysators aufrecht erhalten und über einen längeren Zeitraum vor einer stärkeren Abnahme bewahrt.
  • Im Fall der Verwendung eines Metallträgers oder eines metallischen katalytischen Trägers zeigt der Träger ausgezeichnete Haltbarkeit unter wenig Rissbildung, Bruchbildung, usw., da der Träger aus Metall ist.
  • Wenn der Vergiftungs verhindernde Schicht aufweisende Träger stromaufwärts in der Konvertervorrichtung angeordnet ist und ein Katalysator stromabwärts angeordnet ist, wird der anfängliche Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators nicht nachteilig beeinflußt und der Katalysator zeigt ausgezeichnete katalytische Aktivität.
  • Der Träger, der in Pellet- oder Monolith-Form vorliegen kann, ist hinsichtlich Form, Material oder Größe und die Porosität im Fall von keramischem Träger nicht besonders eingeschränkt. Beispielsweise kann der Träger sowohl in Form von zylindrischen Pellets, als auch als kugelähnliche Pellets vorliegen oder kann in Form eines quadratisch säulenförmigen Monoliths, wie eines zylindrischen Monoliths, vorliegen. Diese Träger vom Monolith-Typ können eine sogenannte Wabenstruktur aufweisen und an einem Ende eines derartigen Trägers können sie gegebenenfalls bedeckt sein. Die an einem Ende bedeckten Träger können so konstruiert werden, dass Abgase durch ihre Wand treten können. Das Material des Trägers kann entweder keramisch oder aus Metall sein und kann aus einer Vielzahl von keramischen und Metallträgern gemäß der Verwendung und Anwendung ausgewählt werden.
  • Die Struktur des metallischen Trägers oder metallischen katalytischen Trägers kann beispielsweise normalerweise eine Wabenstruktur, wie in Fig. 6 gezeigt, sein. Diese Wabenstruktur 6 besteht aus einem äußeren Zylinder 61a, einem Zwischenzylinder 61b und einem inneren Zylinder 61c, und Sandwich-Anordnungen zwischen 61a und 61b und zwischen 61b und 61c gewellten Wänden 62a und 62b, wobei jede davon die Form eines zylindrisch gebogenen, gewellten Bogens aufweist und auf denen katalytische Komponenten, usw. abzuscheiden sind. Die Zylinder und die gewellten Wände können aus dem gleichen Material hergestellt sein oder können aus verschiedenen Materialien hergestellt sein. Die gewellten Wände 62 werden an den Zylindern 61 an den Kontaktteilen durch geeignete Mittel, wie Schweißen, fixiert. Die Anzahl solcher Zylinder (Anzahl der Schichten), die Steigung oder Höhe der Faltungen, usw. sind nicht besonders begrenzt.
  • Außerdem werden die Wärmebehandlungsbedingungen (beispielsweise Heiztemperatur, Heizzeit, Atmosphäre usw.) zur Bildung einer Schicht einer Verbindung eines Elements der Gruppe IIa in verschiedener Weise gemäß der Art der Verbindung und anderer Faktoren ausgewählt. Wenn die Wärmebehandlung in Stickstoffatmosphäre erfolgt, kann ein Nitrid in einer geringen Menge in der Art der verwendeten Verbindung eines Elements der Gruppe IIa gebildet werden. Im Fall einer oxidierenden Atmosphäre kann gleichfalls ein Oxid gebildet werden. Das Vergiftungs verhindernde Material kann darüber hinaus eine Struktur aufweisen, die einen wabenförmigen Träger mit einem eingebauten Heizelement (Heizdraht usw.) und eine Vergiftungs verhindernde Schicht, gebildet auf dem Träger, umfasst. Alternativ kann das Vergiftungs verhindernde Material mit einem Plattenheizer, der über oder unter der Vergiftungs-verhindernden Schicht angeordnet ist, kombiniert werden.
  • Die Erfindung wird nachstehend genauer mit Bezug auf folgende Beispiele erläutert.
  • BEISPIEL 1
  • Dieses Beispiel beinhaltet die Herstellung von Vergiftungsverhindernde Schicht aufweisenden Katalysatoren. Dieses Beispiel schließt auch die Bewertung der katalytischen Aktivitätsleistung von diesen Katalysatoren für Abgas ein. Es wird angemerkt, dass alle von diesen Katalysatoren Drei-Wege- Katalysatoren sind.
  • (1) Herstellung von Katalysatoren 1. Katalysator Nr. 1
  • Edelmetall-tragende Pellets (Teilchendurchmesser etwa 3 mm) wurden hergestellt, bestehend aus einem aktivierten Aluminiumoxidträger in Form von kugelförmigen Pellets und Pt (0,13%) und Rh (0,014%), abgeschieden als katalytische Komponenten auf dem Träger.
  • Zu Dolomit (CaCO&sub3;·MgCO&sub3;) wurden anschließend ein in Wasser lösliches Bindemittel (Natriumcelluloseglycolat) und Wasser gegeben. Dieses Gemisch wurde Pulverisierung und Homogenisierung mit Hilfe einer Topfmühle (pot mitl) unterzogen, um eine Aufschlämmung in einer derartigen Weise herzustellen, dass Pulverteilchen von 1,5 um oder kleiner 60% oder mehr von allen Pulverteilchen umfassen. Die Teilchendurchmessermessung erfolgte mit einem automatischen Teilchendurchmesseranalysator (hergestellt von der Shimadzu Corporation, Japan).
  • Anschließend wurden die vorstehend beschriebenen Edelmetall-tragenden Pellets in die vorstehend erhaltene Aufschlämmung getaucht, herausgenommen, getrocknet und dann in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei etwa 500 bis 600ºC wärmebehandelt, unter dabei Herstellen von Katalysator Nr. 1. Dieser Katalysator Nr. 1 ist aus Katalysatorteilchen zusammengesetzt und, wie in Fig. 1 gezeigt, besteht jedes Katalysatorteilchen 1 aus dem vorstehend beschriebenen Träger 11, einer katalytischen Komponentenschicht 12, gebildet auf der Oberfläche des Trägers 11, und einer Schicht 13 von einer Verbindung eines Elements der Gruppe IIa, gebildet auf der katalytischen Komponentenschicht.
  • 3. Katalysator Nr. 3
  • Katalysator Nr. 3 wurde in der gleichen Weise wie Katalysator Nr. 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass CaCO&sub3; anstelle von Dolomit (CaCO&sub3;·MgCO&sub3;) verwendet wurde.
  • 4. Katalysator Nr. 4
  • Katalysator Nr. 4 wurde in der gleichen Weise wie Katalysator Nr. 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Aufschlämmung in eine Zerstäubungsvorrichtung gegeben wurde und über die Pellets gesprüht wurde.
  • 6. Katalysator Nr. 6
  • Katalysator Nr. 6 wurde in der gleichen Weise wie Katalysator Nr. 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die gleichen Edelmetall-tragenden Pellets wie jene, die zum Herstellen von Katalysator Nr. 1 verwendet wurden, in eine wässerige Lösung von CaCl&sub2;·2H&sub2;O unter Vakuum ( 70 mmHg) getaucht wurden und das erhaltene Gemisch zum Abscheiden der Verbindung des Elements der Gruppe IIa auf den Pellets getrocknet wurde.
  • 7. Katalysator Nr. 7
  • Unter Verwendung der gleichen Verbindung des Elements der Gruppe IIa, wie jenem, verwendet zum Herstellen von Katalysator Nr. 1, wurde Katalysator Nr. 7 in der gleichen Weise wie Katalysator Nr. 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein Träger vom Monolith-Typ (Waben) anstelle des pelletierten Trägers verwendet wurde. Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, besteht dieser Katalysator vom Monolith-Typ 1A aus einem zylindrischen Wabenträger 11A, hergestellt aus Cordierit (Durchmesser etwa 150 mm; Länge etwa 200 mm; Zellzahl etwa 400 pro Quadratinch; hergestellt von NGK Spark Plug Co., Ltd., Japan), einer katalytischen Komponentenschicht 12A, die eine Schicht aus den vorstehend beschriebenen katalytischen, auf dem Träger abgeschiedenen Komponenten darstellt, und einer Schicht 13A einer Verbindung eines Elements der Gruppe IIa, gebildet auf der katalytischen Komponentenschichtoberfläche. In dem Katalysator vom Monolith-Typ 1A erstreckt sich der Teil, auf dem die Elementverbindung der Gruppe IIa abgeschieden wurde, wie in Fig. 2 gezeigt, von der Abgaseinlassseitenkante über eine Länge, die 1/5 der Gesamtlänge des Katalysators ist (das heißt, jener Teil in der Figur, der durch schräge Linien ausgewiesen ist).
  • 9. Katalysator Nr. 9
  • Unter Verwendung der gleichen Verbindung eines Elements der Gruppe IIa, wie jener, die zum Herstellen von Katalysator Nr. 6 verwendet wurde, wurde Katalysator Nr. 9 in der gleichen Weise wie Katalysator Nr. 6 hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein (Waben)-Träger vom Monolith-Typ anstelle des pelletisierten Trägers verwendet wurde. Die Form des vorstehend verwendeten Trägers vom Monolith-Typ und der Ort des Teils, an dem eine Verbindung eines Elements der Gruppe IIa abgeschieden sind, sind die gleichen wie in Katalysator Nr. 7.
  • 10. Katalysator Nr. 10
  • Katalysator Nr. 10 wurde in der gleichen Weise wie Katalysator Nr. 6 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die gleichen Edelmetall-tragenden Teilchen wie jene, verwendet zum Herstellen von Katalysator Nr. 1, in eine wässerige Lösung von Ca(NO&sub3;)&sub2;·4H&sub2;O unter Vakuum ( 70 mmHg) getaucht wurden, und das erhaltene Gemisch getrocknet wurde, unter Abscheidung einer Verbindung eines Elements der Gruppe IIa auf den Pellets hergestellt wurde.
  • 11. Katalysator Nr. 11
  • Katalysator Nr. 11 wurde in der gleichen Weise wie Katalysator Nr. 10 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der gleiche Träger vom Monolith-Typ, wie jener, verwendet zum Herstellen von Katalysator Nr. 7, anstelle der Pellets verwendet wurde.
  • 12. Katalysator Nr. 12
  • Katalysator Nr. 12 wurde in der gleichen Weise wie Katalysator Nr. 9 hergestellt, mit der Ausnahme, dass eine Verbindung eines Elements der Gruppe IIa über die gesamte Länge des Katalysators abgeschieden wurde.
  • 13. Katalysator Nr. 13
  • Katalysator Nr. 13 wurde in der gleichen Weise wie Katalysator Nr. 11 hergestellt, mit der Ausnahme, dass eine Verbindung eines Elements der Gruppe IIa über die gesamte Länge des Katalysators abgeschieden wurde.
  • 14. Vergleichs-Katalysatoren Nrn. 1 und 2
  • Vergleichs-Katalysator Nr. 1 ist ein herkömmlicher Katalysator vom Pellet-Typ (nicht beschichtet mit einer Verbindung eines Elements der Gruppe IIa). Vergleichs- Katalysator Nr. 2 ist der gleiche, wie der vorstehend beschriebene Katalysator Nr. 7, mit der Ausnahme, dass der Teil, auf dem eine Verbindung eines Elements der Gruppe IIa abgeschieden wurde, sich von der Waben-Abgaseinlassseitenkante über eine Länge erstreckt, die 1/20 der gesamten Länge des Katalysators ist.
  • 15. Konverter-Vorrichtung Nr. 14
  • Ein Träger vom Monolith-Typ mit der gleichen Form wie jener, verwendet zum Herstellen des Trägers von Katalysator Nr. 7, wurde aus Dolomit (CaCO&sub3;·MgCO&sub3;) hergestellt, und dieser Träger wurde als eine Vergiftungs verhindernde Struktur wie nachstehend verwendet. Wie in Fig. 5 gezeigt, wurde die Struktur 1B in einer vorbestimmten metallischen Schale 2B angeordnet, die anschließend an der Abgaseinlassseite installiert wurde. Danach wurde eine Vielzahl von Pellets von Katalysator Nr. 1, die nicht mit einer Verbindung eines Elements der Gruppe IIa beschichtet waren, in eine vorbestimmte metallische Schale 2A gefüllt, die anschließend an der Abgasauslassseite angeordnet wurde, unter Herstellen einer Konvertervorrichtung. Diese Konvertervorrichtung Nr. 14 wurde an einer vorbestimmten Position angeordnet.
  • 16. Konverter-Vorrichtung Nr. 15
  • Eine Vergiftungs verhindernde Schicht aufweisender Träger wurde durch Eintauchen des gleichen Wabenträgers wie jener, verwendet zum Herstellen von Katalysator Nr. 7, in der gleichen CaCl&sub2;-Lösung wie jener, verwendet zum Herstellen von Katalysator Nr. 2, hergestellt. Der erhaltene Träger wurde in einer Schale Nr. 2B in der gleichen Weise wie Konvertervorrichtung Nr. 14 angeordnet, sodass Konvertervorrichtung Nr. 15 hergestellt wurde, die dann gleichfalls installiert wurde.
  • 17. Konverter-Vorrichtung Nr. 16
  • Auf dem gleichen Wabenträger wie jener, verwendet zum Herstellen von Katalysator Nr. 7, wurde eine aus γ-Al2O&sub3; bestehende Waschbeschichtung abgeschieden. Der erhaltene Träger wurde in die gleiche CaCl&sub2;-Lösung wie jener, verwendet zum Herstellen von Katalysator Nr. 9, getaucht, um einen Vergiftungs verhindernde Schicht aufweisenden Träger herzustellen. Der erhaltene Träger wurde in einer Schale 2B in der gleichen Weise wie Konvertervorrichtung Nr. 14 angeordnet, um dabei Konvertervorrichtung Nr. 16 herzustellen, die dann gleichfalls installiert wurde.
  • 18. Konverter-Vorrichtung Nr. 17 ·
  • Eine Vergiftungs verhindernde Schicht aufweisender Träger wurde durch Eintauchen des gleichen pelletisierten Trägers wie jener, verwendet zum Herstellen von Katalysator Nr: 1, in der gleichen CaCl&sub2;-Lösung wie jener, verwendet zum Herstellen von Katalysator Nr. 9, hergestellt. Der erhaltene Träger wurde in einer Schale 2B in der gleichen Weise wie Konvertervorrichtung Nr. 14 angeordnet, um Konvertervorrichtung Nr. 17, die dann gleichfalls installiert wurde, herzustellen.
  • 19. Konverter-Vorrichtung Nr. 18
  • Eine Vergiftungs verhindernde Schicht aufweisender Träger wurde durch Eintauchen des gleichen pelletisierten Trägers wie jener, verwendet zum Herstellen von Katalysator Nr. 1, in der gleichen Ca(NO&sub3;)&sub2;-Lösung wie jener, verwendet zum Herstellen von Katalysator Nr. 10, hergestellt. Der erhaltene Träger wurde in einer Schale 2B in der gleichen Weise wie Konvertervorrichtung Nr. 14 angeordnet, unter dabei Herstellen von Konvertervorrichtung Nr. 18, die dann gleichfalls installiert wurde.
  • (2) Leistungstest:
  • Wie in Fig. 4 gezeigt, wurde jeder Katalysator 1 von den vorstehend beschriebenen Katalysatoren und Vergleichs- Katalysatoren in der vorbestimmten metallischen Schale 2 angeordnet, um eine Konvertervorrichtung herzustellen, die dann in einer vorbestimmten Position installiert wurde. Gleichfalls wurde jede der vorstehend beschriebenen Konvertervorrichtungen, wie in Fig. 5 gezeigt, installiert.
  • Anschließend wurde der Motor mit 3000 U/min betrieben und ein Siliconöl wurde aus einer Silicon-Injektionsöffnung 31 in der Wand eines Abgasrohrs 3 für 1 Stunde mit einer Geschwindigkeit von 20 cm³/h injiziert. Im Abgasrohr 3 befand sich ein Sauerstoffsensor an der Sauerstoffsensor-EinsatzÖffnung 32 und die Sauerstoffkonzentration wurde mit diesem Sensor gemessen, sodass das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf etwa 14,7 : 1 (theoretisch) gehalten wurde. In Fig. 4 bedeutet Bezugsziffer 4 eine Abgasleitung und 5 einen Hauptschalldämpfer.
  • Nach dem vorstehend genannten Test wurde der Katalysator oder die Konvertervorrichtung in einem Fahrzeug für Katalysatorbewertung installiert und das Fahrzeug wurde in dem LA4-(HOT 505)-Modus zum Messen der Umsatzwirkungsgrade für CO und NOx betrieben, um somit jeden Katalysator und jede Konvertervorrichtung zu bewerten.
  • Die erhaltenen Ergebnisse werden in Tabellen 1(A) und 1(B) zusammengefasst, in denen die Umsatzwirkungsgrade der Katalysatoren und Vergleichs-Katalysatoren anwendenden Konvertervorrichtungen in Tabelle 1(A) gezeigt werden, während jene der Vergiftungs-verhindernden Schicht aufweisenden Träger verwendeten Konvertervorrichtungen in Tabelle 1(B) gezeigt werden. Der Umwandlungswirkungsgrad wurde unter Verwendung der nachstehenden Gleichung berechnet nachdem die CO- oder NOx-Konzentration A&sub1; des Abgases, bevor es durch den Katalysator geleitet wird und die CO- oder NOx-Konzentration A&sub2; des Abgases, nachdem es durch den Katalysator geleitet wurde, bestimmt wurden.
  • Umwandlungswirkungsgrad = [(A&sub1;-A&sub2;)/A&sub1;] · 100 (%) Tabelle 1(A) Tabelle 1(B)
  • (3) Leistungsbewertung:
  • Verglichen mit dem herkömmlichen Katalysator (Vergleichs-Katalysator Nr. 1), zeigten Katalysatoren Nrn. 1, 3, 4, 6, 7, 9 bis 13 und Konvertervorrichtungen Nrn. 14 bis 18 stark verbesserte CO- oder NOx-Wirkungsgrade von etwa dem 1,6 bis 1,8-fachen von jenem des herkömmlichen Katalysators. Der Grund dafür liegt darin, dass die Edelmetalle, wie Pt, Rh, usw., als die katalytischen Komponenten in den Katalysatoren, und Konvertervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung ihre normalen Funktionen, ohne unter Vergiften oder Verstopfen zu leiden, ausführten. Vergleichs-Katalysator Nr. 2 zeigt, dass es für eine Verbindung eines Elements der Gruppe IIa bevorzugt ist, dass sie auf der Wabe über eine Länge, die sich von der Waben-Abgaseinlassseite und 1/10 oder mehr der gesamten Länge der Wabe erstreckt, abgeschieden wird.
  • BEISPIEL 2
  • Dieses Beispiel befaßt sich mit der Herstellung und Bewertung von Vergiftungs-verhindernden Schicht aufweisendem Träger.
  • (1) Herstellung von Vergiftungs-verhindernden Schicht aufweisendem Träger und Konvertervorrichtungen:
  • Jeder der Träger mit Form und Größe wie in Tabellen 2(A) und 2(B) gezeigt, und hergestellt aus Werkstoffen wie in den Tabellen dargestellt, wurde in eine Paste, die aus einer vorbestimmten Konzentration einer Verbindung eines Elements der Gruppe IIa, einem Keramikpulver, beide dargestellt in der Tabelle, und BMS (Butyralharz) als organischer Binder besteht, getaucht. Der Träger wurde dann aus der Paste entnommen, und Luft wurde auf den Träger geblasen, unter Bildung eines gleichmäßigen Beschichtungsfilms. Die Viskosität jeder der vorstehend verwendeten Paste wurde bei 100 mPa·s (100 cP) oder weniger einreguliert. Anschließend wurde der beschichtete Träger bei 100ºC ausreichend getrocknet und dann an der Luft bei 500 bis 600ºC wärmebehandelt, wodurch ein Vergiftungsverhindernde Schicht aufweisender Träger hergestellt wurde.
  • Jeder der so erhaltenen Vergiftungs-verhindernden Träger 1B wurde mit einer Matte, hergestellt aus Keramik, umwickelt und in einer vorbestimmten Schale angeordnet, die dann an der Abgaseinlassseite einer Konvertervorrichtung Nr. 14 eingebaut wurde. An der Seite stromabwärts der Träger enthaltenden Schale wurde ein üblicher Katalysator in einer vorbestimmten Schale installiert, wobei der Katalysator aus dem gleichen Katalysator bestand, mit der Ausnahme dass er keine Vergiftungs verhindernde Schicht einer Verbindung eines Elements der Gruppe IIa aufwies. Jede der hergestellten Konvertervorrichtungen wurde den gleichen Si-Vergiftungstests wie in Beispiel 1 unterzogen. Anschließend wurden die erhaltenen herkömmlichen Katalysatoren aus den Konvertervorrichtungen entnommen und in einem Fahrzeug für Katalysatorbewertung installiert und der Vergiftungsgrad von jedem Katalysator wurde bezüglich Umsatzwirkungsgrad bewertet. Die erhaltenen Ergebnisse werden in Tabellen 2(A) und 2(B) zusammengefasst, in denen "Konzentration (%)" das Gewicht des Elements der Gruppe IIa pro Gewicht der anderen Metalloxide bedeutet. Tabelle 2(A) Tabelle 2(A) (Fortsetzung) Tabelle 2(B)
  • In den Tabellen weisen Vergleichswerkstoffe Nr. 4 und 5 keine Vergiftungs verhindernde Schicht auf, während Vergleichsträger Nr. 4 keinen solchen Träger verwendete. Der erfindungsgemäße Träger Nr. 32 wurde nicht mit Heizvorrichtungen ausgestattet.
  • Die Ergebnisse zeigen das Nachstehende. Die erfindungsgemäßen Träger (Nummern 21 bis 51) waren den Katalysator-Umsatzwirkungsgraden für sowohl CO als auch NOx überlegen, verglichen mit den Vergleichsträgern (Nummern 4 und 5). Obwohl die erfindungsgemäßen Träger etwas schlechte Vergiftungs verhindernde Eigenschaften bei einer Ca-Konzentration von 5 Gewichtsprozent (Nummern 21, 26, 30, 36 und 38) zeigten, zeigten sie besonders gute Leistung bei Ca-Konzentrationen von 10 bis 20%. Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Träger zeigten gute Leistungen auch ohne eine Heizvorrichtung.
  • Im Fall von pelletierten Trägern war der Vergiftungsverhindernde Effekt schwächer als bei Pellets mit einem von 2 mm bis 5 mm steigenden Durchmesser und die Raumvolumengeschwindigkeit erhöhte sich entsprechend (wie beispielsweise aus einem Vergleich unter Nrn. 21 und 22, Nrn. 26 und 27 und Nrn. 38 und 39 ersichtlich).
  • BEISPIEL 3
  • In diesem Beispiel wurden die Eigenschaften der Verhinderung von Vergiftung durch Phosphorsäure begutachtet. Anstelle des in den vorangehenden Beispielen verwendeten Siliconöls wurde eine 30%-ige Phosphorsäurelösung (Reagenz- Qualität Orthophosphorsäure) für 1 Stunde bei einer Geschwindigkeit von 20 ml/h in eine ähnliche Konvertervorrichtung unter Anwendung der in Tabelle 3 gezeigten Katalysatoren und Trägern, in denen die entsprechenden Katalysatoren und Träger die gleichen wie in Tabellen 1 und 2 beschrieben sind, injiziert. Das heißt, Träger Nummern 22, 31, 45 und 50, die die gleichen wie jene in Beispiel 2 waren, wurden zum Herstellen von Konvertervorrichtungen in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 verwendet. Nach Abschluss der Injektion von Phosphorsäure wurden gleichfalls Messungen des Umwandlungswirkungsgrads ausgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt, worin Vergleichskatalysator Nr. 6 und Vergleichsträger Nr. 7 keine Vergiftungs verhindernde Schicht aufweisen.
  • Die Ergebnisse in Tabelle 3 zeigen, dass die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Träger (Nrn. 22, 31, 45 und 50), verglichen mit Vergleichsbeispiel Nr. 6 und Vergleichssträger Nr. 7, gute Leistung zeigten. Dies weist aus, dass der in der vorliegenden Erfindung verwendete, Vergiftungs-verhindernde Träger nicht nur hinsichtlich der Eigenschaften einer Beständigkeit gegen oder Verhinderung von Vergiftung durch Si, sondern auch in der Eigenschaft einer Beständigkeit gegen oder Verhinderung von Vergiftung durch Phosphorverbindungen geeignet ist. Tabelle 3

Claims (2)

1. Katalytischer Konverter, umfassend:
einen Träger, hergestellt aus einer Keramik oder einem Metall, wobei der Träger eine Abgaseinlassseite aufweist, eine auf dem Träger abgeschiedene katalytische Edelmetall- Komponente und
eine Vergiftungs verhindernde Schicht, gebildet auf dem Oberen der katalytischen Komponente, oder gebildet auf der Seite der katalytischen Komponente, die dem Abgas ausgesetzt ist,
wobei die Vergiftungs verhindernde Schicht mindestens eine Nicht-Oxid-Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Chloriden, Nitraten und Carbonaten der Elemente der Gruppe IIa des Periodensystems, umfasst und wobei die Nicht-Oxid-Verbindung in der Vergiftungs-verhindernden Schicht in einer Menge von 5 Gewichtsprozent oder mehr, bezogen auf das Gewicht des Trägers, enthalten ist.
2. Träger, der eine Vergiftungs verhindernde Schicht aufweist, umfassend:
einen Metalloxide umfassenden Träger mit einer darauf gebildeten Vergiftungs-verhindernden Schicht,
wobei die Vergiftungs verhindernde Schicht mindestens eine Nicht-Oxid-Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Chloriden, Nitraten und Carbonaten der Elemente der Gruppe IIa des Periodensystems, umfasst und wobei die Nicht-Oxid-Verbindung in der Vergiftungs-verhindernden Schicht in einer Menge von 5 Gewichtsprozent oder mehr, bezogen auf die Menge an Metalloxiden, enthalten ist.
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