ES2292494T3 - Dispositivos catalizadores. - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo catalizador compuesto por un soporte de catalizador de granos de cerámica fundidos y un catalizador que está ligado superficialmente a por lo menos una porción de los granos de cerámica, incorporado a por lo menos una porción de los granos de cerámica o combinaciones de los mismos, caracterizado porque los granos de cerámica y el catalizador forman una estructura superficial que tiene una dimensión de recuento por cajas calculada a partir de una micrografía de una sección transversal de dicha superficie de por lo menos 1, 2 o la dimensión de recuento por cajas tiene por lo menos un cambio de paso cuando se mide a partir de un tamaño de caja "d" de por lo menos 1, 0 micrómetro a un tamaño de caja de como máximo 1 milímetro.
Description
Dispositivos catalizadores.
La invención se refiere a convertidores
catalíticos para aplicaciones en automoción y en diesel.
Los convertidores catalíticos primero fueron
utilizados a principios de los años 70 para reducir las emisiones
de escape nocivas, tales como monóxido de carbono, hidrocarburos y
óxidos de nitrógeno (NO_{x}) producidos por los automóviles.
Estos convertidores son empleados todavía y están hechos típicamente
formando una estructura de soporte en forma de panal de abeja
compuesta por metal o cerámica (por ejemplo, cordierita) cubierta
por un recubrimiento que contiene un catalizador de metal precioso.
La estructura recubierta con catalizador está situada en una
carcasa de metal conectada al sistema de escape, de forma tal que el
gas de escape circula a través de los canales del panal de
abeja.
El recubrimiento de catalizador es aplicado
típicamente usando una capa de recubrimiento consistente en
partículas de tamaño nanométrico de metal precioso (por ejemplo,
platino, paladio y rodio) depositadas sobre partículas de alúmina
aglomeradas de tamaño micrométrico. El espesor del recubrimiento es
típicamente de 10 a 100 micrómetros de grosor, cubriendo la
superficie entera del metal o cordierita, incluyendo cualquier
rugosidad de la superficie. El recubrimiento de catalizador está
hecho de este espesor para proporcionar suficiente carga de
catalizador dentro de las limitaciones volumétricas del dispositivo
convertidor para asegurar un comportamiento inicial adecuado y una
vida útil adecuada del convertidor catalítico.
Aún cuando estos convertidores catalíticos son
efectivos para reducir las emisiones una vez que alcanzan las
temperaturas de funcionamiento, no son muy efectivos para reducir
las emisiones en el "arranque en frío". El arranque en frío se
produce cuando la temperatura del catalizador es baja (por ejemplo,
temperatura ambiente) y la velocidad de la reacción catalítica es
demasiado lenta para el tratamiento efectivo de los gases de escape.
A medida que los gases calientes del motor calientan el
catalizador, se alcanza una temperatura a la cual el catalizador
comienza a funcionar (generalmente denominada de encendido) y se
producen las reacciones ocasionando, por ejemplo, la oxidación del
CO en CO_{2}. Como consecuencia, es bien reconocido que los
automóviles son más contaminantes durante los primeros minutos
después de que son arrancados.
Considerando la cantidad de automóviles y los
estándares de aire limpio cada vez más rigurosos, esta contaminación
inicial en el arranque se ha vuelto más que un problema. Para
resolver este problema, han sido intentados varios métodos, tales
como el precalentamiento del convertidor catalítico usando
calentadores por resistencia alimentados por la batería del
automóvil. Este método adolece de excesivo desgaste de la batería,
complejidad adicional e incapacidad para arrancar el vehículo y
marchar inmediatamente (es decir, lleva un par de minutos al
convertidor calentarse). Otro método ha sido la captura de calor del
motor, el cual puede ser utilizado en algún momento, más tarde,
para calentar el convertidor. Este método también adolece de
complejidad adicional, de incapacidad de arrancar y marchar
inmediatamente y de tiempo limitado durante el cual el calor puede
ser retenido (por ejemplo, 24 horas o menos).
Por consiguiente, sería deseable proporcionar un
dispositivo catalizador y un método para hacer dicho dispositivo,
que supere uno más de los problemas de la técnica anterior, tales
como uno de los descritos más arriba.
Un primer aspecto de la invención es un
dispositivo catalizador compuesto por un soporte de catalizador de
granos de cerámica fundidos y un catalizador que está ligado
superficialmente a por lo menos una porción de los granos de
cerámica, incorporado a por lo menos una porción de los granos de
cerámica, o combinaciones de los mismos, en el cual los granos y el
catalizador forman una estructura superficial que tiene una
dimensión de recuento por cajas de por lo menos 1,2 o la dimensión
de recuento por cajas tiene por lo menos un cambio de paso, cuando
se mide a partir de un tamaño de caja "d" de por lo menos 1
micrómetro a como máximo 1 milímetro.
Un segundo aspecto de la invención es un
convertidor catalítico compuesto por el dispositivo catalizador del
primer aspecto incluido dentro de una carcasa de metal que tiene una
entrada y una salida para que circule un gas sobre el dispositivo
catalizador.
Un tercer aspecto de la invención es un
convertidor catalítico compuesto por el dispositivo catalizador del
primer aspecto incluido dentro de una carcasa de metal que tiene una
entrada y una salida para que circule un gas a través del
dispositivo catalizador.
Un cuarto aspecto de la invención es un
convertidor catalítico - trampa de partículas compuesto por el
dispositivo catalizador del primer aspecto incluido dentro de una
carcasa de metal que tiene una entrada y una salida para que
circule un gas a través del dispositivo catalizador.
Sorprendentemente, a pesar de que el dispositivo
catalizador del primer aspecto tiene un recubrimiento de
catalizador mucho más fino que el convertidor catalítico típico de
automóvil, este puede proporcionar un encendido más rápido. Además,
el dispositivo catalizador puede ser utilizado también como un
elemento de filtro para atrapar las partículas de hollín que son
posteriormente quemadas por el calor generado por las reacciones
catalíticas exotérmicas del dispositivo catalizador (por ejemplo, CO
+ 1/2O_{2} = CO_{2}).
\global\parskip0.900000\baselineskip
Además, el dispositivo catalizador puede ser
utilizado para cualquier reacción que pueda ser autotérmica. Es
decir, una reacción que tiene un punto de ignición y un punto de
extinción. Generalmente, esto ocurre cuando una reacción tiene un
número de Zeldovich "B" que tiene un valor absoluto de por lo
menos 4. El número de Zeldovich "B" está dado por:
B =
\frac{-\Delta HC_{o}}{C_{p}
\rho}\frac{E}{RT^{2}_{o}}
donde \DeltaH es el calor de la
reacción, C_{o} es la concentración del reactante limitante,
\rho es la densidad del fluido, C_{p} es la capacidad
calorífica del fluido, E es la energía de activación general de la
reacción, T_{o} es la temperatura del reactante y R es la
constante universal de los
gases.
La Figura 1 consiste en micrografías
electrónicas de barrido a 25X y 100X de un ejemplo del dispositivo
catalizador de la presente invención, en el cual el catalizador es
una capa de recubrimiento de alúmina y platino depositados en las
paredes y sobre las agujas de un sustrato en panal de abeja de
mullita acicular.
La Figura 2 consiste en micrografías
electrónicas de barrido a 25X y 100X de un dispositivo catalizador,
no una realización de esta invención, en el cual el sustrato es un
sustrato en panal de abeja de cordierita disponible comercialmente
que está recubierto por la misma capa de recubrimiento que en la
Figura 1.
La invención es un dispositivo catalizador
compuesto por un soporte de catalizador de granos de cerámica
fundidos y un catalizador que está ligado superficialmente a por lo
menos una porción de los granos de cerámica, incorporado a por lo
menos una porción de los granos de cerámica o combinaciones de los
mismos, en el cual los granos y el catalizador forman una
estructura superficial que tiene una dimensión de recuento por cajas
de por lo menos 1,2 o por lo menos un cambio de paso, cuando se
mide a partir de un tamaño de caja "d" de por lo menos 1
micrómetro a como máximo 1 milímetro.
En la invención, se cree, los granos de cerámica
y el catalizador incrementan el área sobre la superficie en la cual
los gases pueden reaccionar de forma catalítica bajo condiciones de
difusión más favorables. Por ejemplo, se cree que los granos y el
catalizador pueden disminuir la resistencia a la difusión causada
por los pequeños canales de poro situados entre las partículas de
la capa de recubrimiento. Comúnmente, esas capas de recubrimiento
tienen aberturas de canal de poro en el orden de menos de 1
micrómetro. Ilustrativa de la estructura superficial de esta
invención es una en la cual una superficie plana tiene protrusiones
cilíndricas ortogonales que se extienden hacia afuera desde la
superficie, es decir, un "lecho de uñas", con tal que la
distancia entre las protrusiones (es decir, las uñas) no sea tan
pequeña que los canales creados entre ellas tengan una abertura tan
pequeña que la difusión de los gases en los canales sea
sustancialmente impedida. Otro ejemplo de una estructura
superficial es una de granos orientados asimétricamente al azar que
forman una estructura superficial porosa.
La dimensión de recuento por cajas de la
estructura superficial es por lo menos 1,2 cuando la estructura es
un tipo fractal de estructura. Alternativamente, cuando la
estructura superficial es periódica (por ejemplo, "lecho de
uñas"), la dimensión de recuento por cajas tiene por lo menos un
cambio de paso en la pendiente de la línea descrita más abajo. El
método de recuento por cajas puede ser determinado por aquellos
conocidos en la técnica fractal, tal como aquellos descritos por
Falconer, Fractal Geometry Mathematical Foundations and
Applications, John Wiley e Hijos, NY, páginas
38-47, 1990.
El siguiente es un ejemplo de uno de los métodos
de recuento por cajas que puede ser utilizado. Primero, se utilizan
círculos o cajas de dimensión "d" para cubrir la misma porción
de la estructura superficial a partir de una micrografía de la
sección transversal de la superficie, como se muestra en las Figuras
(por ejemplo, la micrografía de un "lecho de uñas" parecería
como un peine visto ortogonalmente a la longitud de los dientes del
peine). La dimensión más pequeña de "d" es el límite inferior
(1 micrómetro) y la dimensión más grande de "d" es el límite
superior (1 milímetro), descrito en el parágrafo anterior. La
cantidad de cajas o círculos "M" necesarios para cubrir la
superficie es determinada periódicamente en y entre los límites
superior e inferior. La dimensión de la caja está dada por el
cociente logarítmico entre el log de "M" versus el log de
"d" a medida que "d" se aproxima a cero dentro de los
confines de los límites de medida. Al analizar la superficie
mediante el método de recuento por cajas, pueden utilizarse
programas de análisis de imágenes disponibles comercialmente, tal
como "Benoit," versión 1.3, Sistema de Análisis Fractal,
disponible en TruSoft International, Inc., St. Petersburg, FL
33704.
La dimensión de recuento por cajas es mayor que
1 cuando la pendiente de la línea resultante tiene una pendiente
esencialmente constante (por ejemplo, superficie de tipo fractal).
La dimensión de recuento por cajas tiene un cambio de paso cuando,
dentro de los límites superior e inferior, se produce un cambio
súbito en la pendiente de la línea y después la pendiente continúa
en una pendiente similar a la anterior al cambio súbito en la
pendiente. Un ejemplo de un cambio de paso se produce cuando el
tamaño de caja se hace exactamente igual al espacio entre las uñas
del "lecho de uñas". Estos tipos de estructuras son
denominados, de manera general, estructuras periódicas e incluyen
las estructuras cuasi periódicas (por ejemplo, "lecho de uñas"
con diferentes longitudes de uñas).
Cuando se desea una estructura de tipo fractal,
la dimensión de recuento por cajas es preferentemente por lo menos
1,5. Cuando la estructura deseada es periódica, se prefiere tener
por lo menos 2 cambios de paso, más preferentemente por lo menos 3
cambios de paso y aún más preferentemente, por lo menos 4 cambios de
paso.
\global\parskip1.000000\baselineskip
La dimensión de recuento por cajas es
determinada en un límite inferior de 1 micrómetro y en un límite
superior de 1 milímetro. Se entiende que el límite inferior
corresponde al tamaño del canal del poro entre partículas de la
capa de recubrimiento. Las partículas de la capa de recubrimiento
generalmente están compuestas por partículas aglomeradas, las
cuales definen canales de poro más pequeños que aquellos entre las
partículas de la capa de recubrimiento. También se entiende que las
grietas en una capa de recubrimiento, por ejemplo, debidas a la
preparación de la muestra para microscopia, no son aplicables a la
medición. Preferentemente, el límite inferior es 2 micrómetros, más
preferentemente 5 micrómetros, y aún más preferentemente 10
micrómetros.
Los granos de cerámica pueden ser cualesquiera
granos de cerámica adecuados, tales como los conocidos en la
técnica. Generalmente, los granos de cerámica son óxidos.
Preferentemente, la cerámica es una alúmina, sílice o un
aluminosilicato. Más preferentemente, la cerámica es el
aluminosilicato. Aún más preferentemente, los granos de cerámica
son granos de mullita. El tipo de grano puede ser determinado
mediante cualquier técnica o técnicas adecuadas, tales como
difracción, difracción con rayos X y espectroscopia de energía
dispersiva.
Preferentemente, sustancialmente todos los
granos de cerámica son granos de cerámica aciculares.
Sustancialmente todos los granos de cerámica son aciculares
significa que por lo menos el 90 por ciento de los granos del
soporte son granos aciculares. Más preferentemente, todos los granos
son granos aciculares.
Los granos de cerámica aciculares son granos de
cerámica que, de forma general, tienen una relación entre
dimensiones de por lo menos 2. Preferentemente, los granos
aciculares tienen una relación entre dimensiones de por lo menos
10. En general, las dimensiones en sección transversal (es decir,
anchura y profundidad) son de por lo menos 0.1 micrómetro a 250
micrómetros. Preferentemente, la dimensión en sección transversal es
de por lo menos 1 micrómetro, más preferentemente de por lo menos 2
micrómetros y aún más preferentemente de por lo menos 10
micrómetros a preferentemente como máximo 150 micrómetros, más
preferentemente como máximo 100 micrómetros y aún más
preferentemente como máximo 50 micrómetros. La longitud de los
granos aciculares (es decir, la dimensión más larga) es,
generalmente, por lo menos de 1 micrómetro a como máximo 2
milímetros. Preferentemente, la longitud es de por lo menos 10
micrómetros, más preferentemente de por lo menos 20 micrómetros y
aún más preferentemente de por lo menos 100 micrómetros, a
preferentemente como máximo 1.5 milímetros, más preferentemente
como máximo 1 mm, y más preferentemente como máximo 500
micrómetros.
Los granos de cerámica también están fundidos
entre sí para formar el soporte de catalizador. "Fundido"
significa que los granos han sido sinterizados entre sí (es decir,
el límite de grano entre granos está compuesto por una cerámica que
incluye, por ejemplo, un vidrio).
El soporte de catalizador es preferentemente
poroso (es decir, un soporte de catalizador poroso). También se
prefiere que sustancialmente toda la porosidad sea porosidad
abierta. Porosidad abierta es una porosidad que es accesible a un
líquido o gas (es decir, puede ser penetrado por un líquido o gas).
En otras palabras, la porosidad abierta no está cerrada o atrapada.
Preferentemente, esta porosidad abierta está interconectada de
forma continua a través del soporte, lo cual generalmente ocurre
cuando los granos aciculares están orientados al azar.
"Sustancialmente todos," en este contexto, significa que el
soporte de catalizador contiene como máximo 5 por ciento de
porosidad cerrada fuera de la cantidad total de porosidad del
soporte de catalizador. Preferentemente, la cantidad de porosidad
cerrada es como máximo aproximadamente trazas. Preferentemente, la
mayor parte de la porosidad cerrada está compuesta por poros dentro
de granos individuales (es decir, no poros definidos por las
superficies de más de un grano). La porosidad abierta y cerrada
puede ser medida mediante una técnica adecuada, tal como las
conocidas en la técnica.
Debido a la estructura única de los granos de
cerámica acicular preferidos, el soporte de catalizador poroso
puede tener una resistencia adecuada para aplicaciones del
convertidor catalítico, mientras tiene una porosidad de por lo
menos el 40 por ciento en volumen. Preferentemente, la porosidad es
de por lo menos el 50 por ciento, más preferentemente de por lo
menos el 60 por ciento y aún más preferentemente de por lo menos el
65 por ciento, hasta, de forma general, como máximo el 85 por
ciento en volumen del soporte de catalizador.
El dispositivo catalizador, además del soporte
de catalizador, está compuesto por un catalizador que está ligado
superficialmente a por lo menos una porción de los granos de
cerámica, incorporado dentro de por lo menos una porción de los
granos de cerámica o combinaciones de los mismos. El catalizador
puede ser cualquier catalizador adecuado, tal como los conocidos en
la técnica. En particular, el catalizador puede ser cualquiera de
los de las realizaciones preferidas siguientes o combinaciones de
los mismos.
Un primer catalizador preferido es un
catalizador de metal directamente ligado, tal como metales nobles,
metales comunes y combinaciones de los mismos. Ejemplos de
catalizadores de metal noble incluyen platino, rodio, paladio,
rutenio, renio, plata y aleaciones de los mismos. Ejemplos de
catalizadores de metal común incluyen cobre, cromo, hierro,
cobalto, níquel, zinc, manganeso, vanadio, titanio, escandio y
combinaciones de los mismos. El catalizador metálico,
preferiblemente, está en forma de un metal, pero puede estar
presente como un compuesto inorgánico, tal como un óxido, nitruro y
carburo, o como una estructura de defecto dentro de los granos
cerámicos del soporte de catalizador poroso. El metal puede ser
aplicado mediante cualquier técnica adecuada, tal como las
conocidas en la técnica. Por ejemplo, el catalizador metálico puede
ser aplicado mediante deposición química de vapor.
Un segundo recubrimiento de catalizador
preferido es uno que está incorporado dentro de la estructura del
entramado de los granos de cerámica del soporte de catalizador
poroso. Por ejemplo, un elemento puede ser Ce, Zr, La, Mg, Ca, un
elemento metálico descrito en el párrafo anterior o combinaciones de
los mismos. Esos elementos pueden ser incorporados de cualquier
manera adecuada, tal como aquéllas conocidas en la técnica y
mediante los métodos descritos más adelante.
Un tercer catalizador preferido es una
combinación de partículas de cerámica que tienen metal depositado
sobre las mismas. Esos son los típicamente denominados capas de
recubrimiento. De manera general, las capas de recubrimiento
consisten en partículas de cerámica de tamaño micrométrico, tales
como partículas de zeolita, aluminosilicato, sílice, óxido de
cerio, óxido de zirconio, óxido de bario, carbonato de bario y
alúmina que tienen metal depositado sobre las mismas. El metal
puede ser cualquiera de los descritos anteriormente para metal
depositado directamente. Un recubrimiento de catalizador tipo capa
de recubrimiento particularmente preferido es uno compuesto por
partículas de alúmina que tienen un metal noble sobre las mismas. Se
entiende que la capa de recubrimiento puede estar compuesta por más
de un óxido metálico, tal como alúmina que tiene óxidos de por lo
menos uno de circonio, bario, lantano, magnesio y cerio.
Un cuarto catalizador preferido es un
catalizador tipo perovskita, que comprende una composición de óxido
metálico, tal como los descritos por Golden en el documento
US-A-5,939,354.
Un quinto catalizador preferido es uno que está
formado y depositado sobre el soporte de catalizador mediante
calcinación a una temperatura de desde 300ºC hasta 3000ºC, una
composición que comprende (a) una solución de sal acuosa que
contiene por lo menos una sal metálica y (b) un óxido de etileno
amfifílico que contiene un copolímero, en el cual el copolímero
tiene un peso molecular medio de más de 400, un contenido en óxido
de etileno de 5 a 90 por ciento y un HLB de entre -15 y 15, como es
descrito por Gruenbauer, et al., PCT/US99/18809
(WO-A-00/10913). Además, el
catalizador también puede ser uno como el descrito por el documento
US-A-5,698,483 y el documento
WO-A-99/03627.
El catalizador está ligado o incorporado dentro
de por lo menos una porción de los granos de cerámica cuando hay
suficiente catalizador para la aplicación particular. De forma
general, por lo menos el 10 por ciento de esencialmente todos los
granos de cerámica están recubiertos o contienen un catalizador.
El catalizador está ligado cuando está unido
químicamente a por lo menos un elemento de los granos de cerámica
del soporte de catalizador poroso.
De forma general, el catalizador que está ligado
a la superficie de los granos forma una capa, tal que por lo menos
el 10 por ciento de los granos ligados por el catalizador tiene un
espesor de como máximo 1/2 del espesor de la dimensión más pequeña
de cada grano recubierto. Preferentemente, el espesor es como máximo
de 1/3, más preferentemente como máximo de 1/4 y aún más
preferentemente como máximo de 1/5, como se describe en la frase
anterior. Además, también puede ser deseable que el recubrimiento de
catalizador sea como máximo una capa monomolecular (es decir, un
espesor de un átomo o una molécula).
Los granos de cerámica que forman un soporte de
catalizador poroso pueden estar también acoplados a un soporte
estructural que esté compuesto por un material que tenga una
porosidad menor que la porosidad del soporte de catalizador poroso.
De forma general, el soporte estructural tiene una porosidad que es
por lo menos un 20 por ciento menos poroso que el soporte de
catalizador poroso. Por ejemplo, cuando el soporte de catalizador
poroso tiene una porosidad del 70 por ciento, el soporte estructural
tendría generalmente una porosidad de como máximo el 50 por ciento
en volumen. De forma general, el soporte estructural tiene una
porosidad de como máximo el 50 por ciento, más preferentemente como
máximo el 30 por ciento y aún más preferentemente como máximo el 10
por ciento en volumen.
El soporte estructural puede estar acoplado por
cualquier método adecuado. De forma general, el soporte estructural
está acoplado suficientemente para soportar los rigores del
funcionamiento del convertidor catalítico. Preferentemente, el
soporte estructural está fundido al soporte de catalizador poroso,
siendo utilizado "fundido" de la misma forma que se describió
anteriormente.
El soporte estructural puede ser de cualquier
material adecuado. Por ejemplo, el material puede ser de la misma
composición que el soporte de catalizador poroso o de diferente
composición, mientras la porosidad sea diferente como se describió
previamente. El soporte estructural puede ser un metal, cerámica o
combinación de los mismos. Cuando el soporte estructural es una
cerámica, se prefiere que los granos sean sustancialmente
simétricos en contraposición a acicular. Sustancialmente simétricos
es cuando los granos tienen una relación entre dimensiones media de
como máximo 2. La cordierita es un soporte estructural
preferido.
Los granos de cerámica que forman el soporte de
catalizador pueden estar hechos mediante cualquier método adecuado.
Los métodos adecuados incluyen, por ejemplo, métodos para hacer
mullita acicular, tales como los descritos por el documento
US-A-5.194.154, el documento
US-A-5.198.007, el documento
US-A-5.173.349, el documento
US-A-4.911.902, el documento
US-A-5.252.272,el documento
US-A-4.948.766 y el documento
US-A-4.910.172.
Al fabricar el soporte de catalizador poroso,
los compuestos precursores son generalmente mezclados y después
calentados suficientemente para formar los granos de cerámica
aciculares del soporte. Por ejemplo, cuando el soporte es mullita,
los compuestos precursores que contienen Al, Si y oxígeno son
mezclados generalmente para formar una mezcla capaz de formar
fluorotopacio y, posteriormente, mullita. Los compuestos precursores
que pueden ser utilizados para formar un soporte de catalizador de
mullita porosa están descritos en las patentes de Estados Unidos
mencionadas anteriormente.
La mezcla de compuestos precursores puede
también contener compuestos catalizadores precursores que tienen
elementos que pueden ser incorporados en la estructura de grano de
los granos de cerámica aciculares del catalizador poroso. Ejemplos
de compuestos útiles para la formar estos catalizadores incorporados
incluyen compuestos inorgánicos y orgánicos que tienen elementos
descritos previamente para catalizadores que pueden ser incorporados
en los granos de cerámica del catalizador poroso.
Otros compuestos orgánicos pueden ser también
utilizados para facilitar la formación de la mezcla (por ejemplo,
aglutinantes y dispersivos, tales como los descritos en
Introduction to the Principles of Ceramic Processing, J.
Reed, Wiley Interscience, 1988). Generalmente, la mezcla, cuando se
forma un soporte de catalizador de mullita porosa, está compuesta
por compuestos tales como arcilla (es decir, silicato de aluminio
hidratado), otros aluminosilicatos tales como cianita o zeolitas,
alúmina, sílice, trifluoruro de aluminio y fluorotopacio.
Preferentemente, los compuestos precursores son seleccionados del
grupo consistente en arcilla, sílice, alúmina y mezclas de los
mismos. Aún más preferentemente, la mezcla está compuesta por
arcilla y alúmina cuando se forma un soporte de catalizador de
mullita porosa.
La mezcla puede ser hecha mediante cualquier
método adecuado, tal como los conocidos en la técnica Ejemplos
incluyen molinos de bolas, mezcladores de cinta, mezclador de
tornillo vertical, mezclador en V y molino de atrición. La mezcla
puede ser preparada en seco (es decir, en ausencia de un medio
líquido) o húmeda.
Después la mezcla es transformada en una forma
porosa mediante cualquier método adecuado, tal como los conocidos
en la técnica. Ejemplos incluyen moldeo por inyección, extrusión,
prensado isostático, moldeo en barbotina, compactación por
laminador y colado en cinta. Cada uno de ellos está descrito con más
detalle en Introduction to the Principles of Ceramic
Processing, J. Reed, Capítulos 20 y 21, Wiley Interscience,
1988.
La mezcla de compuestos precursores es calentada
bajo una atmósfera suficiente para formar el soporte de catalizador
poroso. Puede utilizarse cualquier temperatura y atmósfera adecuadas
dependiendo de la composición de los granos de cerámica del
catalizador poroso deseado. Por ejemplo, cuando se forma mullita,
por lo menos durante alguna porción del calentamiento de los
compuestos precursores, está presente la fluorina en la atmósfera a
partir de fuentes tales como SiF_{4}, AlF_{3}, HF,
Na_{2}SiF_{6}, NaF, y NH_{4}F. Preferentemente, la fuente de
fluorina en la atmósfera es el SiF_{4}.
El cuerpo poroso, cuando se hace mullita, es
generalmente calentado hasta una primera temperatura durante un
tiempo suficiente para convertir los compuestos precursores del
cuerpo poroso en fluorotopacio y después elevado hasta una segunda
temperatura suficiente para formar la composición de la mullita. La
temperatura también puede ser alternada entre la primera y la
segunda temperatura para asegurar la formación completa de la
mullita. Después de la formación de la mullita, el cuerpo poroso
puede ser tratado para reducir la cantidad de iones de fluoruro en
el producto. Métodos para reducir los iones fluoruro incluyen los
descritos por el documento
US-A-5.173.349. La primera
temperatura puede ser de 500ºC a 950ºC. Preferentemente la primera
temperatura es por lo menos 550ºC, más preferentemente por lo menos
650ºC y aún más preferentemente por lo menos 725ºC, hasta
preferentemente como máximo 850ºC, más preferentemente como máximo
800ºC y aún más preferentemente como máximo 775ºC.
La segunda temperatura es generalmente por lo
menos 1000ºC hasta como máximo 1700ºC. Preferentemente la segunda
temperatura es por lo menos 1050ºC, más preferentemente por lo menos
1075ºC y aún más preferentemente por lo menos 1100ºC, hasta
preferentemente como máximo 1600ºC, más preferentemente como máximo
1400ºC y aún más preferentemente como máximo 1200ºC.
Generalmente, durante el calentamiento hasta la
primera temperatura para formar un soporte de catalizador de
mullita porosa, la atmósfera es inerte (por ejemplo, nitrógeno) o
vacío hasta los 500ºC, que es cuando es típicamente introducido el
gas que contiene la fluorina. Durante el calentamiento hasta la
primera temperatura, pueden ser eliminados los compuestos orgánicos
y el agua. Estos también pueden ser eliminados en una etapa
separada de calentamiento común en la técnica, tal como se describe
en Introduction to the Principles of Ceramic Processing, J.
Reed, Wiley Interscience, 1988.
Además del catalizador que es incorporado a los
granos del soporte de catalizador poroso, como se describió
anteriormente, el catalizador puede ser aplicado después de que el
soporte ha sido hecho mediante un método adecuado, tal como los
conocidos en la técnica. Por ejemplo, el catalizador puede ser
aplicado mediante un método de deposición de vapor y métodos de
solución. En particular, puede ser aplicado un catalizador metálico
al soporte de catalizador desde una solución a través de una sal
soluble (por ejemplo, sales de platino) en un disolvente adecuado
(por ejemplo, agua) seguido por calentamiento para descomponer la
sal. El catalizador también puede ser aplicado al soporte de
catalizador poroso utilizando capas de recubrimiento conocidas y
métodos para aplicar las mismas. Por supuesto, pueden ser utilizados
cualquiera de los métodos o combinación de los mismos para formar
los recubrimientos de catalizador.
El dispositivo catalizador es también
particularmente útil cuando se usa en un convertidor catalítico. En
una realización, el dispositivo catalizador está incluido dentro de
una carcasa de metal que tiene una entrada y una salida para que
circule un gas (por ejemplo, gas de escape) sobre el dispositivo
catalizador, tal como se hace típicamente en sistemas de escape de
automóviles. En otra realización, el dispositivo catalizador está
incluido dentro de una carcasa de metal que tiene una entrada y una
salida para que circule un gas a través del dispositivo
catalizador. La carcasa de metal puede ser cualquier carcasa
adecuada, tal como las conocidas en la técnica para fabricar
convertidores catalíticos. La forma del dispositivo catalizador
puede ser cualquier forma adecuada, tal como gránulos, discos
planos y panales de abeja.
Sorprendentemente, bajo las mismas condiciones,
el convertidor catalítico compuesto por el dispositivo catalizador
generalmente tiene un tiempo de encendido más corto que los
convertidores catalíticos conocidos. El tiempo de encendido es el
tiempo requerido para que el catalizador alcance la temperatura de
ignición de la reacción. Además, la cantidad de catalizador de
metal noble, si se funde, puede ser menor porque las partículas o
grupos de átomos de catalizador metálico pueden estar más
uniformemente extendidos, evitando el envenenamiento más
problemático de los convertidores catalíticos, "sinterización de
los catalizadores metálicos entre sí." Preferentemente, el
convertidor o dispositivo catalítico tiene un tiempo de encendido
sustancialmente más corto. Sustancialmente, tiempo de encendido más
corto significa de forma general que el tiempo es por lo menos un 5
por ciento más corto.
Aún más sorprendentemente, bajo las mismas
condiciones, el convertidor o dispositivo catalítico puede tener
una temperatura de encendido inferior que los convertidores
catalíticos conocidos hechos de sustratos de metal o cordierita
preparados con sustancialmente el mismo catalizador y probados bajo
sustancialmente las mismas condiciones. Sustancialmente el mismo
catalizador y condiciones incluye, por ejemplo, la misma carga de
platino, capa de recubrimiento, caudal de gas y composición del
gas. Preferentemente, la temperatura de encendido es
sustancialmente menor. La temperatura de encendido es, de forma
general, sustancialmente menor cuando la temperatura es por lo
menos 10ºC menor. Preferentemente, la temperatura de encendido es
por lo menos 15ºC y más preferentemente por lo menos 20ºC menor.
El dispositivo catalizador es también
particularmente útil como una trampa de partículas (hollín) y
catalizador de escape para motores diesel. En esta realización, el
dispositivo catalizador está contenido dentro de una lata de metal
que tiene una entrada y una salida para que pase el gas de escape a
través del dispositivo catalizador. En una disposición como tal,
las partículas de hollín generalmente serían atrapadas sobre una
región que tiene una porosidad de menor tamaño y el gas de escape
sería típicamente catalizado en una región que tiene una porosidad
de mayor tamaño. Dado que las partículas de hollín son retenidas en
el catalizador, sorprendentemente, las partículas de hollín pueden
ser quemadas a medida que el catalizador se calienta hasta la
temperatura de funcionamiento, y los gases de combustión
resultantes catalizados exactamente a medida que los son los gases
de escape.
En general, los ejemplos descritos más abajo
fueron probados bajo condiciones de funcionamiento que podrían ser
esperadas en un vehículo (por ejemplo, 0.5 por ciento en volumen de
CO con exceso de oxígeno y la cantidad de platino generalmente
usada en tal aplicación). Sin embargo, esos ejemplos son
ilustrativos y de ninguna manera limitan el alcance de la invención
como se reivindica.
Fueron formados panales de abeja de canal
cuadrado con una densidad de celda de 240 celdas por pulgada
cuadrada (37,2 celdas/cm^{2}) y un espesor de pared de 0.013 a
0.014 pulgadas (330 a 355 micrómetros) mediante extrusión de una
mezcla de arcilla en bolitas natural (grado Todd Dark,
Kentucky-Tennessee Clay Company),
alúmina-K (gibbsite de ALCOA calcinada a 1100ºC) y
aglutinantes poliméricos. La arcilla y la alúmina fueron mezclados
en proporciones adecuadas para dar una relación atómica Al:Si de
3.15. Fue extrudido un panal de abeja. El panal de abeja extrudido
fue entonces calentado lentamente con aire hasta 1000ºC durante una
hora con el fin de quemar el aglutinante polimérico y repeler el
agua estructural de la arcilla. El panal de abeja calcinado
resultante fue cortado al tamaño requerido para las pruebas y
después, convertido en mullita acicular en un horno de vacío
acoplado a una fuente de SiF_{4} y equipado para permitir el
control de la atmósfera gaseosa.
El panal de abeja calcinado fue calentado bajo
vacío hasta 735ºC y mantenido a esa temperatura durante por lo
menos una hora, después enfriado bajo vacío hasta 720ºC. En ese
momento, fue agregado el gas SiF_{4} para mantener una presión de
600 torr (80 kPa). El horno fue entonces calentado a 1.5ºC por
minuto, agregándose SiF_{4} a medida que fuera necesario, para
mantener una presión de 600 torr (80 kPa), hasta que la absorción
del SiF_{4} fue esencialmente completa (820ºC). En ese momento,
fue reducida la presión del reactor hasta 200 torr (27 kPa) y fue
fijado el reactor para eliminar el SiF_{4}, a medida que fuera
necesario, para mantener esa presión. El horno fue calentado a 3ºC
por minuto hasta 1000ºC, después 1ºC por minuto hasta que la
evolución del SiF_{4} sustancialmente cesó (1100ºC). El reactor
fue evacuado y enfriado hasta la temperatura ambiente y fue
retirado el panal de abeja resultante de mullita con una densidad de
celdas de 238 celdas por pulgada cuadrada (36.9
celdas/cm^{2}).
El panal de abeja de mullita fue sumergido
completamente en una lechada acuosa de alúmina (20 por ciento en
peso), teniendo un tamaño de partícula de 120 nm y un área de
superficie, después de la cocción, de 155 m^{2} por gramo
disponible bajo el nombre comercial DISPAL (Condea Chemie GMBH, Lake
Charles, LA). El panal de abeja de mullita fue sacado de la lechada
y el exceso de lechada fue eliminado mediante bombeo de aire
comprimido a través de las ranuras del panal de abeja. La muestra
fue secada y sumergida nuevamente en la lechada hasta que fue
agregada suficiente alúmina para dar 30.000 m^{2} de área de
superficie por litro de volumen del panal de abeja después de la
cocción. Cuando se depositó la cantidad deseada de alúmina, el panal
de abeja de mullita fue calentado en un horno hasta una temperatura
de 600ºC durante dos horas.
Después del enfriamiento hasta la temperatura
ambiente, el extremo del panal de abeja fue sumergido en una
solución diluida en amoníaco de diaminadinitritoplatino (0.425 por
ciento en peso de diaminadinitritoplatino, hasta que la solución se
absorbió a medias en el panal de abeja; el panal de abeja fue
entonces invertido y el procedimiento repetido. Después de secar
bajo condiciones ambiente, la muestra fue calentada en un horno de
aire hasta 200ºC durante dos horas para descomponer el
diaminadinitritoplatino a óxido de platino. La muestra entonces fue
calentada durante seis horas a 225ºC en una atmósfera con 5 por
ciento de hidrógeno/nitrógeno para reducir el óxido de platino a
platino metálico. El dispositivo catalizador resultante tenía una
concentración de platino de 0.84 gramos por litro, según se calculó
a partir de la masa de platino determinada mediante análisis por
activación neutrónica y mediante las dimensiones exteriores del
dispositivo catalizador o monolito.
La temperatura de encendido del monolito fue
determinada como sigue. El monolito fue sujetado en un portamuestra
de acero inoxidable utilizando INTERAM Mount Mat (3M Corporation).
Se utilizaron controladores de flujo de masa calibrados (Brooks) y
un colector de gas aire/N_{2}/CO para generar una mezcla de gases
O_{2}/N_{2}/CO con un caudal de 40 litros normales por minuto
(slpm). La mezcla de gas fue calentada mediante un intercambiador
de calor de lecho compacto (tubos de acero inoxidable rellenos con
fragmentos de cuarzo y situados en un horno de tubos) y después
pasada a través del monolito de prueba. La temperatura del gas que
entraba en el monolito (T_{3}) fue medida mediante una termocupla
tipo K ubicada en el portamuestra aproximadamente 1 ¾ pulgadas (4.5
cm) aguas arriba de la cara anterior del monolito. La temperatura
del punto de ajuste del horno de tubos fue ajustada para limitar
dT_{3}/dt a menos de 5ºC por minuto en la vecindad de la ignición
de la muestra. La composición de la mezcla de gas que salía del
monolito y del portamuestra fue controlado continuamente mediante
analizadores de CO/O_{2}/CO_{2} (Servomex serie 1440) que tienen
un tiempo de respuesta de menos de 10 segundos. La temperatura de
encendido fue definida como la temperatura (T_{3}) a la cual la
concentración de CO en el gas que salía del monolito disminuyó
hasta un 50 por ciento de su valor en el gas de entrada. De forma
similar, al enfriarse, la temperatura de extinción fue definida como
la temperatura del gas de entrada a la cual la concentración de CO
alcanza el 50 por ciento del valor a la entrada. Este ejemplo tiene
una temperatura de encendido de 246ºC y una temperatura de
extinción de 212ºC, lo cual también se muestra en la Tabla 1.
Además, este ejemplo es mostrado en la Figura 1, en la cual la capa
de recubrimiento de catalizador está depositado en las paredes y
sobre las agujas de un sustrato en panal de abeja de mullita
acicular.
El ejemplo 2 fue preparado y probado de la misma
manera que el Ejemplo 1, excepto que la concentración de platino
fue de 1.56 gramos por litro; la temperatura de encendido fue de
233ºC y la temperatura de extinción fue de 200ºC (también mostrado
en la Tabla 1).
El ejemplo 3 fue preparado y probado de la misma
manera que el ejemplo 1, excepto que la concentración de la
solución acuosa de diaminadinitritoplatino fue del 0.85 por ciento
en peso del mismo, la concentración de platino fue de 2.03 gramos
por litro; la temperatura de encendido fue de 224ºC y la temperatura
de extinción fue de 185ºC (también mostrado en la Tabla 1).
El ejemplo 4 fue preparado y probado de la misma
manera que el ejemplo 3, excepto que la concentración de platino
fue de 2.73 gramos por litro; la temperatura de encendido fue de
232ºC y la temperatura de extinción fue de 192ºC (también mostrado
en la Tabla 1).
Ejemplo comparativo
1
Un panal de abeja de cordierita (Grado
EX-80) comercial, disponible de Corning Inc.,
Corning NY, que tiene una densidad de celda de 300 celdas por
pulgada cuadrada (46.5 celdas/cm^{2}) fue recubierto con la misma
alúmina y platino y probado de la misma manera que la mullita del
Ejemplo 3. La concentración de platino fue de 1.5 gramos por litro
y el monolito tuvo una temperatura de encendido de 271ºC y una
temperatura de extinción de 229ºC (véase la Tabla 1).
Ejemplo comparativo
2
Un panal de abeja de cordierita (Grado
EX-80) comercial, disponible de Corning Inc.,
Corning NY, que tiene una densidad de celda de 200 celdas por
pulgada cuadrada (31 celdas/cm^{2}) fue hecho y probado de la
misma manera que el Ejemplo Comparativo 1, excepto que la
concentración de la solución acuosa de diaminadinitritoplatino fue
del 1.7 por ciento en peso del mismo. La concentración de platino
fue de 1.8 gramos por litro y el monolito tuvo una temperatura de
encendido de 262ºC y una temperatura de extinción de 227ºC (véase la
Tabla 1). Además, este ejemplo comparativo es mostrado en la Figura
2, en la cual es fácilmente observable que la superficie no está
dentro del alcance de la Reivindicación 1.
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Ejemplo comparativo
3
Un panal de abeja de cordierita (Grado
EX-80) comercial, disponible de Corning Inc.,
Corning NY, que tiene una densidad de celda de 300 celdas por
pulgada cuadrada (46.5 celdas/cm^{2}) fue hecho y probado de la
misma manera que el Ejemplo Comparativo 1, excepto que la
concentración de la solución acuosa de diaminadinitritoplatino fue
del 1.7 por ciento en peso del mismo. La concentración de platino
fue de 3.0 gramos por litro y el monolito tuvo una temperatura de
encendido de 240ºC y una temperatura de extinción de 201ºC (véase la
Tabla 1).
Ejemplo comparativo
4
Un panal de abeja de cordierita (Grado
EX-80) comercial, disponible de Corning Inc.,
Corning NY, que tiene una densidad de celda de 400 celdas por
pulgada cuadrada (62 celdas/cm^{2}) fue hecho y probado de la
misma manera que el Ejemplo Comparativo 1, excepto que la
concentración de la solución acuosa de diaminadinitritoplatino fue
del 1.7 por ciento en peso del mismo. La concentración de platino
fue de 2.2 gramos por litro y el monolito tuvo una temperatura de
encendido de 265ºC y una temperatura de extinción de 223ºC (véase la
Tabla 1).
Los Ejemplos 1 a 4 muestran la tendencia general
de que la temperatura de encendido disminuye con el incremento de
la concentración de platino, como lo hacen los Ejemplos Comparativos
1 y 3. Parece que es alcanzado un límite inferior con el incremento
de platino, lo cual puede deberse, por ejemplo, a la sinterización
del platino entre sí, reduciendo efectivamente la cantidad de
platino disponible para la reacción. Además, las celdas por pulgada
cuadrada del panal de abeja parecen tener poco o ningún efecto sobre
la temperatura de encendido (véanse los Ejemplos Comparativos 1, 2
y 4).
Sorprendentemente, aún cuando se utiliza
esencialmente la misma capa de recubrimiento de alúmina y el mismo
catalizador de platino, y la misma cantidad de cada uno, el
dispositivo catalizador de la invención tiene una temperatura de
encendido casi 40ºC menos que un sustrato de cordierita comercial
(véase el Ejemplo 1 versus los Ejemplos Comparativos 1 y 2). Aún
más sorprendente, los dispositivos catalizadores de la invención,
aún a concentraciones de platino de la mitad o menos que las
presentes en los dispositivos catalizadores basados en cordierita,
tienen una temperatura de encendido que es inferior en 30ºC (véase
el Ejemplo 1 versus los Ejemplos Comparativos 1, 2 y 4). Sólo
cuando los dispositivos basados en cordierita tienen 4 veces la
concentración de platino, la temperatura de encendido se hace
comparable a los dispositivos catalizadores de la invención.
Esto es totalmente inesperado porque puede
permitir, por ejemplo, el uso de convertidores catalíticos con
concentraciones de metal noble sustancialmente reducidas, al mismo
tiempo que, no obstante, se alcanza el mismo comportamiento.
Además, la temperatura de encendido inferior a concentraciones
inferiores de platino puede evitar, por ejemplo, la degradación del
catalizador en el tiempo, debida a la sinterización de los metales
nobles. Finalmente, la capacidad para encender a una temperatura
inferior en concentraciones de metal noble comparables puede
permitir el cumplimiento de regulaciones sobre emisiones más
rigurosas, sin coste o esfuerzo sustancial.
Además, la temperatura de extinción es
sorprendentemente inferior, de la misma manera que la temperatura de
encendido. Una temperatura de extinción inferior es muy deseable
porque, una vez que el catalizador está encendido, la variación en
la velocidad del motor y la composición y temperatura del escape
pueden provocar la extinción de la reacción. Consecuentemente, un
catalizador con una temperatura de extinción inferior es menos
susceptible a este problema. De este modo, un catalizador con una
temperatura de extinción inferior producirá una conversión mayor
(eficiencia), siendo iguales otras características. También se cree
que la temperatura de extinción inferior mejorará la vida del
catalizador porque la reacción será generalmente más próxima a la
entrada del catalizador.
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Claims (48)
1. Un dispositivo catalizador compuesto por un
soporte de catalizador de granos de cerámica fundidos y un
catalizador que está ligado superficialmente a por lo menos una
porción de los granos de cerámica, incorporado a por lo menos una
porción de los granos de cerámica o combinaciones de los mismos,
caracterizado porque los granos de cerámica y el catalizador
forman una estructura superficial que tiene una dimensión de
recuento por cajas calculada a partir de una micrografía de una
sección transversal de dicha superficie de por lo menos 1,2 o la
dimensión de recuento por cajas tiene por lo menos un cambio de paso
cuando se mide a partir de un tamaño de caja "d" de por lo
menos 1,0 micrómetro a un tamaño de caja de como máximo 1
milímetro.
2. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 1, en el cual la cerámica es seleccionada entre
alúmina, sílice y aluminosilicatos.
3. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 1 o de la Reivindicación 2, en el cual el soporte de
catalizador es mullita.
4. Un dispositivo catalizador de cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el cual los granos de cerámica
y el catalizador forman una estructura superficial que tiene una
dimensión de recuento por cajas de por lo menos 1,2 medida a partir
de un tamaño de caja "d" de por lo menos 1,0 micrómetro a un
tamaño de caja de como máximo 1 milímetro.
5. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 4, en el cual la dimensión de recuento por cajas es
de por lo menos 1,5.
6. Un dispositivo catalizador de cualquiera de
las Reivindicaciones 1 a 3, en el cual los granos de cerámica y el
catalizador forman una estructura superficial que tiene una
dimensión de recuento por cajas que tiene por lo menos un cambio de
paso cuando se mide a partir de un tamaño de caja "d" de por lo
menos 1,0 micrómetro a un tamaño de caja de como máximo 1
milímetro.
7. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 6, en el cual la dimensión de recuento por cajas
tiene por lo menos 2 cambios de paso cuando se mide a partir de un
tamaño de caja "d" de por lo menos 1,0 micrómetro a un tamaño
de caja de como máximo 1 milímetro.
8. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 7, en el cual la dimensión de recuento por cajas
tiene por lo menos 3 cambios de paso cuando se mide a partir de un
tamaño de caja "d" de por lo menos 1,0 micrómetro a un tamaño
de caja de como máximo 1 milímetro.
9. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 6, en el cual la dimensión de recuento por cajas
tiene por lo menos 4 cambios de paso cuando se mide a partir de un
tamaño de caja "d" de por lo menos 1,0 micrómetro a un tamaño
de caja de como máximo 1 milímetro.
10. Un dispositivo catalizador de cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el cual por lo menos el 90% de
los granos de cerámica son granos aciculares que tienen una relación
entre dimensiones de por lo menos 2.
11. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 10, en el cual todos los granos de cerámica son
dichos granos aciculares.
12. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 10 o Reivindicación 11, en el cual los granos de
cerámica aciculares tienen una relación entre dimensiones de por lo
menos 10.
13. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 12, en el cual las dimensiones en sección transversal
(es decir, anchura y profundidad) de los granos aciculares son de
por lo menos 0.1 micrómetro y como máximo 250 micrómetros.
14. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 13, en el cual dichas dimensiones en sección
transversal son de por lo menos 2 micrómetros y como máximo 100
micrómetros.
15. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 14, en el cual dichas dimensiones en sección
transversal son de por lo menos 10 micrómetros y como máximo 50
micrómetros.
16. Un dispositivo catalizador de cualquiera de
las Reivindicaciones 10 a 15 en el cual la longitud de los granos
aciculares es por lo menos 20 micrómetros y como máximo 1 mm.
17. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 16, en el cual dicha longitud es de por lo menos 100
micrómetros y como máximo 500 micrómetros.
18. Un dispositivo catalizador de cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el cual el soporte de
catalizador es poroso.
19. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 18, en el cual por lo menos el 95% de la cantidad
total de porosidad del soporte de catalizador es porosidad
abierta.
20. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 18 o de la Reivindicación 19, en el cual el soporte
de catalizador poroso tiene una porosidad de por lo menos el 50 por
ciento en volumen.
21. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 20, en el cual la porosidad es de por lo menos el 60
por ciento en volumen.
22. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 21, en el cual la porosidad es de por lo menos el 70
por ciento en volumen.
23. Un dispositivo catalizador de cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el cual el soporte de
catalizador está acoplado a una superficie de un soporte estructural
que está compuesto por un material que tiene una porosidad menor
que la porosidad del soporte de catalizador.
24. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 23, en el cual el material del soporte estructural es
un metal, una cerámica que tiene granos con una relación de forma
de como máximo 2, o combinación de los mismos.
25. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 24, en el cual el soporte estructural es una
cerámica.
26. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 25, en el cual la cerámica es cordierita.
27. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 1, en el cual el catalizador es una cerámica, un
metal o una mezcla de los mismos.
28. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 27, en el cual el catalizador está compuesto por un
elemento seleccionado del grupo consistente en Ni, Ti, Fe, Ce, Zr,
La, Mg, Ca y combinaciones de los mismos.
29. Un dispositivo catalizador de cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el cual el catalizador está
incorporado dentro de la estructura del entramado de los granos de
cerámica.
30. Un dispositivo catalizador de cualquiera de
las Reivindicaciones 1 a 28, en el cual el catalizador consiste en
partículas de cerámica de tamaño micrométrico que tienen un metal
depositado sobre las mismas.
31. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 30, en el cual el catalizador es una zeolita que
tiene un metal sobre la misma, alúmina que tiene un metal sobre la
misma o un aluminosilicato diferente que la mullita, que tiene un
metal sobre el mismo.
32. Un dispositivo catalizador de cualquiera de
las Reivindicaciones 1 a 28, en el cual el catalizador es un
catalizador de tipo perovskita.
33. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 1, en el cual el catalizador es pirocloro.
34. Un dispositivo catalizador de cualquiera de
las Reivindicaciones 1 a 28, en el cual el catalizador está
directamente ligado a los granos de cerámica del soporte de
catalizador.
35. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 34, en el cual el catalizador es un metal noble, un
metal común, un óxido de metal común o combinaciones de los
mismos.
36. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 35, en el cual el catalizador es seleccionado a
partir del platino, rodio, paladio y combinaciones de los
mismos.
37. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 35, en el cual el catalizador es seleccionado a
partir del Cu, Cr, Fe, Co, Ni y combinaciones de los mismos.
38. Un dispositivo catalizador de cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el cual el catalizador está
ligado a por lo menos una porción de la superficie de los granos de
cerámica formando una capa, tal que por lo menos el 10 por ciento
de los granos de cerámica ligados por el catalizador tiene un
espesor de capa de como máximo 1/2 del espesor de la dimensión más
pequeña de cada grano de cerámica recubierto.
39. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 38, en el cual por lo menos el 10 por ciento de los
granos de cerámica ligados por el catalizador tiene un espesor de
capa que es como máximo 1/4 del espesor de la dimensión más pequeña
de cada grano de cerámica recubierto.
40. Un dispositivo catalizador de la
Reivindicación 39, en el cual por lo menos el 10 por ciento de los
granos de cerámica ligados por el catalizador tiene un espesor de
capa que es como máximo 1/5 del espesor de la dimensión más pequeña
de cada grano de cerámica recubierto.
41. Un dispositivo catalizador de cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el cual el límite inferior del
tamaño de caja es de 2 micrómetros.
42. Un dispositivo catalizador de cualquiera de
las Reivindicaciones 1 a 41, en el cual el límite inferior del
tamaño de caja es de 5 micrómetros.
43. Un dispositivo catalizador de cualquiera de
las Reivindicaciones 1 a 41, en el cual el límite inferior del
tamaño de caja es de 10 micrómetros.
44. Un convertidor catalítico compuesto por un
dispositivo catalizador de cualquiera de las reivindicaciones
precedentes incluido dentro de una carcasa metálica que tiene una
entrada y una salida para que circule un gas sobre el dispositivo
catalizador.
45. Un convertidor catalítico compuesto por un
dispositivo catalizador poroso de cualquiera de las Reivindicaciones
1 a 43 incluido dentro de una carcasa metálica que tiene una
entrada y una salida para que circule un gas a través del
dispositivo catalizador.
46. Un convertidor catalítico - trampa de
partículas compuesto por un dispositivo catalizador poroso de
cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 43 incluido dentro de una
carcasa metálica que tiene una entrada y una salida para que
circule un gas a través del dispositivo catalizador.
47. La utilización, para reducir la temperatura
de encendido de un convertidor catalítico para aplicaciones en
automoción o en diesel, de un dispositivo catalizador que comprende
un soporte de catalizador de granos de cerámica fundidos y un
catalizador que está ligado superficialmente a por lo menos una
porción de los granos de cerámica, incorporado a por lo menos una
porción de los granos de cerámica o combinaciones de los mismos, de
dicho dispositivo catalítico con una superficie que tiene una
dimensión de recuento por cajas, calculada a partir de una
micrografía de una sección transversal de dicha superficie, de por
lo menos 1,2 o una dimensión de recuento por cajas que tiene por lo
menos un cambio de paso, cuando se mide a partir de un tamaño de
caja "d" de por lo menos 1,0 micrómetro a un tamaño de caja de
como máximo 1 milímetro.
48. Una utilización de la Reivindicación 47, en
la cual el dispositivo catalizador es como se definió en cualquiera
de las Reivindicaciones 2 a 43.
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