JP2019517912A - 高表面積材料を有する触媒濾過媒体及びそれを作る方法 - Google Patents

高表面積材料を有する触媒濾過媒体及びそれを作る方法 Download PDF

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Abstract

耐高温無機繊維と、少なくとも１つの結合剤と、少なくとも１つの高表面積触媒支持材料とを含む強化触媒担持機能を有する触媒フィルタ。同じく、少なくとも１つの高表面積触媒支持材料を有する触媒フィルタを作る方法。【選択図】図２

Description

本発明の開示は、高表面積材料を含む触媒フィルタ及びそれを作る方法に関する。本発明の開示は、より具体的には、高表面積材料の追加によって内部開放表面積を高めることによる触媒濾過媒体の触媒担持機能の改善に関する。
汚染を防止するか又は有害材料を除去するために流体媒体から分離する必要がある材料を含有する流体媒体（気体又は液体）が生成される多くの処理が存在する。
この説明の目的に対して、触媒濾過媒体は、高温ガス筒フィルタへのその適用の観点から以下に説明するが、これは、単に一例であり、触媒濾過媒体をそのような用途に決して限定しないことは理解されるものとする。
管状（筒）形状の中空セラミック多孔質フィルタは、高温ガスから粒子材料を除去するのに使用されている。それらの高温ガス濾過システムでは、多孔質フィルタは、浄化／濾過されたガスが筒フィルタの中空中心の中にフィルタの孔隙を通過することを可能にしながら、高温ガスの流れに含有された望ましくない粒子を捕捉する。浄化／濾過されたガスは、筒フィルタの中空中心内で上向きに進行して筒フィルタの開放端から上側「清浄」チャンバの中に現れ、次に、チャンバから出口ポートを通って排出される。
一般的に、複数の筒フィルタが、容器を横切って水平に延びるチューブシートから加圧容器内で垂直に懸架される。チューブシートは、容器を２つの区画、すなわち、微粒子含有ガスが容器に入る下側区画と浄化／濾過されたガスが更に別の使用又は処理のために容器から流出する又は大気中に放出される上側区画とに分割する。
各多孔質筒フィルタは、一端で閉鎖されて反対端で開放する中空シリンダを含む。筒フィルタの開放端は、筒フィルタが容器のチューブシートに結合されることを可能にするフランジを有することができる。微粒子含有ガスが多孔質筒フィルタを通過すると、微粒子は、筒フィルタの外面上に捕捉され、浄化／濾過されたガスは、筒フィルタの孔隙を通ってその中空中心の中に流れ、容器の上側区画に位置決めされた筒フィルタの開放端に昇ってそれを出て、加圧容器の出口ポートを通って排出される。
筒フィルタは、フランジセクション及び濾過セクションを含むことができ、フランジセクション内の筒フィルタ壁の厚みは、濾過セクション内の筒フィルタ壁の厚みよりも大きい。筒フィルタは、フランジセクション及び濾過セクションを含むことができ、フランジセクション内の筒フィルタ壁の密度は、濾過セクション内の筒フィルタ壁の密度よりも大きい。
空気品質規制がより厳しくなるので、窒素酸化物（ＮＯx）の放出に対する制限は、より制限的なものになっている。ＮＯx低減のための現在の技術は、選択的触媒還元（ＳＣＲ）である。典型的に、選択的触媒還元は、ハニカム触媒支持煉瓦を用いて達成される。適正な作動に対して、粒子材料は、触媒の閉塞又は毒作用を防止するために煙道ガスから除去されなければならない。触媒筒フィルタにより、フィルタに埋め込まれた触媒は、ＮＯｘを窒素と水蒸気に変換する。この反応は、システム上のＳＣＲに対する必要性を排除し、資本投資を低減して運用コストを下げる。フィルタの構造の中への触媒の埋め込みは、粒子材料を濾過して窒素酸化物を触媒的に低減するという利益を有する。
米国特許第６，９５３，７５７号明細書 米国特許第６，０３０，９１０号明細書 米国特許第６，０２５，２８８号明細書 米国特許第５，８７４，３７５号明細書 米国特許第５，５８５，３１２号明細書 米国特許第５，３３２，６９９号明細書 米国特許第５，７１４，４２１号明細書 米国特許第７，２５９，１１８号明細書 米国特許第７，１５３，７９６号明細書 米国特許第６，８６１，３８１号明細書 米国特許第５，９５５，３８９号明細書 米国特許第５，９２８，０７５号明細書 米国特許第５，８２１，１８３号明細書 米国特許第５，８１１，３６０号明細書
筒フィルタの一例示的実施形態の斜視図である。 図１に示す筒フィルタの断面図である。 図１及び２に示す複数の筒フィルタを収容する加圧容器の部分的に断面の側面図である。 フィルタの外面に隣接する強化表面積層を有する筒フィルタの一例示的実施形態の断面図である。 少なくとも１つの高表面積材料がフィルタ壁の厚みにわたって分配された筒フィルタの一例示的実施形態の断面図である。 フィルタの内面に隣接する強化表面積層を有する筒フィルタの一例示的実施形態の断面図である。
本発明の開示は、高温ガス濾過において遭遇する高温に耐えることができ、かつ従来技術の触媒フィルタと比べて強化された触媒担持機能を有する触媒フィルタを達成するための実施形態を説明する。高表面積材料は、触媒材料に対してより多くの結合区域／サイトを提供し、触媒結合効率の増加及び最終的により大きい触媒活性をもたらす。表面積の増加は、薄い触媒層の形態で使用される触媒の量の減少を可能にし、一方で依然として十分な触媒活性を達成する。非常に大きい表面積上の触媒の単層は、優れた触媒活性を提供する。高表面積材料は、より多くの触媒が材料に結合されることを可能にし、及び／又はより高い表面積に起因してより高い触媒効率を可能にする。
触媒フィルタは、耐高温無機繊維と、少なくとも１つの結合剤と、少なくとも１つの触媒材料と、少なくとも１つの高表面積材料とを含む内面及び外面を備えた壁を有する中空円筒チューブを含むことができる。
少なくとも１つの高表面積材料は、フィルタ壁の厚みにわたって分配することができ、一部の実施形態では、少なくとも１つの高表面積材料は、フィルタ壁の厚みにわたって実質的に均一に分配される。ある一定の実施形態では、高表面積材料は、触媒フィルタの内面及び／又は外面に又はその近くに存在する。ある一定の実施形態では、高表面積材料は、フィルタの内面及び／又は外面に隣接する個別の層に存在して強化表面積層を形成する。強化表面積層は、フィルタとは別のかつ異なる層を含むことができ、又はフィルタ壁の厚みにわたって勾配組成を有する一体化層の形態を取る場合がある。
筒フィルタは、耐高温無機繊維を含有するスラリ、高表面積材料、結合剤、及び担体液体をモールド内で吸引鋳造して円筒形グリーン母材を形成する工程、グリーン母材を加熱して剛性フィルタ要素を形成する工程、及び少なくとも１つの触媒材料を用いて剛性フィルタ要素を処理する工程によって得ることができる。
ある一定の実施形態では、筒フィルタは、耐高温無機繊維を含有するスラリ、触媒を有する高表面積材料、結合剤、及び担体液体をモールド内で吸引鋳造して円筒形グリーン母材を形成する工程、及びグリーン母材を加熱して剛性フィルタ要素を形成する工程によって得ることができる。
ある一定の実施形態では、筒フィルタは、耐高温無機繊維を含有するスラリ、結合剤、及び担体液体をモールド内で吸引鋳造して円筒形グリーン母材を形成する工程、グリーン母材を高表面積材料と接触させる工程、グリーン母材を加熱して剛性フィルタ要素を形成する工程、及び触媒材料を用いて剛性フィルタ要素を処理する工程によって得ることができる。
ある一定の実施形態では、筒フィルタは、耐高温無機繊維を含有するスラリ、結合剤、及び担体液体をモールド内で吸引鋳造して円筒形グリーン母材を形成する工程、グリーン母材を高表面積材料及び触媒材料と接触させる工程、及びグリーン母材を加熱して剛性フィルタ要素を形成する工程によって得ることができる。
ある一定の実施形態では、筒フィルタは、耐高温無機繊維を含有するスラリ、高表面積材料、結合剤、及び担体液体をモールド内で吸引鋳造して円筒形グリーン母材を形成する工程、グリーン母材を高表面積材料と接触させる工程、グリーン母材を加熱して剛性フィルタ要素を形成する工程、及び触媒材料を用いて剛性フィルタ要素を処理する工程によって得ることができる。
ある一定の実施形態では、筒フィルタは、耐高温無機繊維を含有するスラリ、高表面積材料、結合剤、及び担体液体をモールド内で吸引鋳造して円筒形グリーン母材を形成する工程、グリーン母材を高表面積材料及び触媒材料と接触させる工程、及びグリーン母材を加熱して剛性フィルタ要素を形成する工程によって得ることができる。
上述の実施形態のうちのいずれか１つに関して、高表面積材料及び／又は触媒材料は、耐高温無機繊維を含有するスラリに存在することができ、グリーン母材又は剛性フィルタ要素又はその組合せに付加することができる。触媒材料がグリーン母材の加熱又は焼成前にフィルタに付加される場合に、加熱又は焼成温度は、触媒の活性を実質的に不活性化しないように選択される。グリーン母材は、高表面積材料及び／又は触媒材料で処理する前及び／又は後、かつ加熱又は焼成の前に乾燥させることができる。
フィルタへの触媒の追加は、初期製造工程の後で個別の段階で行うことができる。これは、異なる処理サイトへの又は追加の触媒装填段階を行う顧客へのフィルタの包装及び出荷を含むことができる。フィルタの製造中の触媒材料の追加は、そのような現地外触媒処理に必要な追加段階を排除し、より効率的な製造工程をもたらす。
少なくとも１つの高表面積材料を含む溶液又は懸濁液は、グリーン母材及び／又は剛性フィルタ要素に再付加されて少なくとも１つの追加時間で乾燥させることができる。ある一定の実施形態では、グリーン母材は、少なくとも１つの高表面積材料を含む溶液又は懸濁液中に実質的に完全に浸される。
筒フィルタは、例示的な図１〜４に関連して読むと容易に理解される。フィルタは、図に示す例示的実施形態のいずれにも限定されず、むしろ本明細書に提供する開示に従う幅及び範囲で解釈しなければならなことに注意しなければならない。
図１は、筒フィルタ１０の一例示的実施形態の斜視図である。筒フィルタ１０は、一端がフランジ開放端１２であり、反対端が閉鎖端１４である２つの対向する端部を有する中空本体１１を含む。筒フィルタ１０は、内面（図示せず）及び外面１６を有する。筒フィルタは、フランジセクション１８及び濾過セクション１９を有することができ、フランジセクション１８の筒フィルタ壁の厚みは、濾過セクション１９の筒フィルタ壁の厚みよりも大きい。
図２は、図１に示す筒フィルタ１０の断面図である。筒フィルタ２０は、一端が任意的なフランジ開放端２４であり、反対端が閉鎖端２６である２つの対向する端部を有する空洞２２を取り囲む中空本体２１を有する。筒フィルタ２０は、内面２８及び外面３０を有する。
図３は、図１及び２に示すように、複数の筒フィルタ１１０を収容する加圧容器１００の特に断面の側面図である。加圧容器１００は、微粒子含有ガスが加圧容器１００に入る下側区画１４０と浄化／濾過されたガスが加圧容器１００を出る上側区画１５０とに加圧容器１００を分割するチューブシート１２０を有する気密ハウジング又はエンクロージャを含む。チューブシート１２０は、筒フィルタ１１０がそこから装着されるガスケットアセンブリ内で固定具１６０と連通する複数の開口１３０を含む。入口ポート１７０は、加圧容器１００の下側区画１４０の中に微粒子含有高温ガスを加圧下で導入することを可能にする。高温ガスのこのストリームは、本明細書で議論するように筒フィルタ１１０の多孔質壁を強制的に通され、従って、筒フィルタ１１０の外面上の微粒子を濾過して取り除く。浄化／濾過されたガスは、筒フィルタ１１０の開放端から固定具１６０を通って上側区画１５０の中に現れ、次に、出口ポート１８０を通って加圧容器１００を出る。
図４Ａは、筒フィルタ５０の一例示的実施形態の断面図である。筒フィルタ５０は、一端が開放端５２であり、反対端が閉鎖端５３である２つの対向する端部を有する中空本体５１を含む。筒フィルタ５０は、フィルタ５０の外面に隣接する高表面積層５４を含む。
図４Ｂは、筒フィルタ５０の一例示的実施形態の断面図である。筒フィルタ５０は、一端が開放端５２であり、反対端が閉鎖端５３である２つの対向する端部を有する中空本体５１を含む。少なくとも１つの高表面積材料５６は、フィルタ壁５０の厚みにわたって分配される。
図４Ｃは、筒フィルタ５０の一例示的実施形態の断面図である。筒フィルタ５０は、一端が開放端５２であり、反対端が閉鎖端５３である２つの対向する端部を有する中空本体５１を含む。筒フィルタ５０は、フィルタ５０の内面に隣接する高表面積層５８を含む。
耐高温無機繊維は、フィルタを含む高温ガス濾過システムの作動温度に耐えることができるフィルタに利用することができる。以下に限定されないが、フィルタを調製するのに使用することができる適切な無機繊維は、高アルミナ多結晶繊維、アルミナ−ケイ酸塩（アルミノ−ケイ酸塩）繊維、アルミナ−マグネシア−シリカ繊維、カオリン繊維、カルシウムアルミン酸塩繊維、カルシア−マグネシア−シリカ繊維又はマグネシア−シリカ繊維のようなアルカリ土類ケイ酸塩繊維、Ｓ−ガラス繊維、Ｓ２−ガラス繊維、Ｅ−ガラス繊維、石英繊維、シリカ繊維、又はその組合せを含む。
ある一定の実施形態では、最終フィルタは、少なくとも約５０重量パーセントの無機繊維を含む。ある一定の実施形態では、最終筒フィルタ要素は、少なくとも約６０重量パーセントの無機繊維を含む。ある一定の実施形態では、最終筒フィルタ要素は、少なくとも約７０重量パーセントの無機繊維を含む。ある一定の実施形態では、最終筒フィルタ要素は、少なくとも約８０重量パーセントの無機繊維を含む。ある一定の実施形態では、最終筒フィルタ要素は、少なくとも約８５重量パーセントの無機繊維を含む。ある一定の実施形態では、最終筒フィルタ要素は、少なくとも約９０重量パーセントの無機繊維を含む。
ある一定の実施形態により、筒フィルタを調製するのに使用される無機繊維は、セラミック繊維を含む。以下に限定されないが、適切なセラミック繊維は、アルミナ繊維、アルミノ−ケイ酸塩繊維、アルミナ−ボリアケイ酸塩繊維、アルミナ−ジルコニアケイ酸塩繊維、ジルコニアケイ酸塩繊維、ジルコニア繊維、及び類似の繊維を含む。有用なアルミナ−ケイ酸塩セラミック繊維は、登録商標ＦＩＢＥＲＦＲＡＸの下でＵｎｉｆｒａｘ Ｉ ＬＬＣ（米国ニューヨーク州のトナウォンダ）から市販されている。ＦＩＢＥＲＦＲＡＸ繊維は、約１５４０℃までの作動温度及び約１８７０℃までの融点を示している。ＦＩＢＥＲＦＲＡＸ繊維は、耐高温筒フィルタに容易に形成することができる。
アルミノ−ケイ酸塩繊維は、約４０重量パーセント〜約６０重量パーセントのＡｌ2Ｏ3及び約６０重量パーセント〜約４０重量パーセントのＳｉＯ2を含むことができる。アルミノ−ケイ酸塩繊維は、約５０重量パーセントのＡｌ2Ｏ3及び約５０重量パーセントのＳｉＯ2を含むことができる。アルミノ−ケイ酸塩繊維は、約３０重量パーセントのＡｌ2Ｏ3及び約７０重量パーセントのＳｉＯ2を含むことができる。アルミノ−ケイ酸塩繊維は、約４５〜約５１重量パーセントのＡｌ2Ｏ3及び約４６〜約５２重量パーセントのＳｉＯ2を含むことができる。アルミノ−ケイ酸塩繊維は、約３０〜約７０重量パーセントのＡｌ2Ｏ3及び約３０〜約７０重量パーセントのＳｉＯ2を含むことができる。アルミノ−シリカ−マグネシアガラス繊維は、約６４重量パーセント〜約６６重量パーセントのＳｉＯ2、約２４重量パーセント〜約２５重量パーセントのＡｌ2Ｏ3、及び約９重量パーセント〜約１０重量パーセントのＭｇＯを含むことができる。
Ｅ−ガラス繊維は、典型的に、約５２重量パーセント〜約５６重量パーセントのＳｉＯ2、約１６重量パーセント〜約２５重量パーセントのＣａＯ、約１２重量パーセント〜約重量パーセントのＡｌ2Ｏ3、約５重量パーセント〜約１０重量パーセントのＢ2Ｏ3、約５重量パーセントまでのＭｇＯ、約２重量パーセントまでの酸化ナトリウム及び酸化カリウム及び微量の酸化鉄及びフッ化物を含み、典型的な組成は、約５５重量パーセントのＳｉＯ2、１５重量パーセントのＡｌ2Ｏ3、７重量パーセントのＢ2Ｏ3、３重量パーセントのＭｇＯ、１９重量パーセントのＣａＯ、及び微量の上述の材料である。
以下に限定されないが、筒フィルタを調製するのに使用することができる生体溶解性アルカリ土類ケイ酸塩繊維の適切な例は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、及び特許文献１４に開示する繊維を含み、それらの特許は引用によって本明細書に組み込まれている。
使用することができる適切な耐高温生体溶解性無機繊維は、以下に限定されないが、カルシア−マグネシア−ケイ酸塩繊維又はマグネシア−ケイ酸塩繊維、カルシア−アルミン酸塩繊維、ポタシア−カルシア−アルミン酸塩繊維、ポタシア−アルミナ−ケイ酸塩繊維、又はソディア−アルミナ−ケイ酸塩繊維のようなアルカリ土類ケイ酸塩繊維を含む。
ある一定の実施形態により、生体溶解性アルカリ土類ケイ酸塩繊維は、マグネシウム及びシリカの酸化物の混合物の解繊生成物を含むことができる。それらの繊維は、一般的にマグネシウムケイ酸塩繊維と呼ばれる。マグネシウムケイ酸塩繊維は、一般的に、約６０〜約９０重量パーセントのシリカ、０よりも多く〜約３５重量パーセントのマグネシア、及び５重量パーセント又はそれ未満の不純物の解繊生成物を含む。ある一定の実施形態により、アルカリ土類ケイ酸塩繊維は、約６５〜約８６重量パーセントのシリカ、約１４〜約３５重量パーセントのマグネシア及び５重量パーセント又はそれ未満の不純物の解繊生成物を含む。ある一定の実施形態により、アルカリ土類ケイ酸塩繊維は、約７０〜約８６重量パーセントのシリカ、約１４〜約３０重量パーセントのマグネシア、及び５重量パーセント又はそれ未満の不純物の解繊生成物を含む。適切なマグネシウムケイ酸塩繊維は、登録商標ＩＳＯＦＲＡＸでＵｎｉｆｒａｘ Ｉ ＬＬＣ（米国ニューヨーク州のトナウォンダ）から市販されている。市販のＩＳＯＦＲＡＸ繊維は、一般的に、約７０〜約８０重量パーセントのシリカ、約１８〜約２７重量パーセントのマグネシア、及び４重量パーセント又はそれ未満の不純物の解繊生成物を含む。ある一定の実施形態では、繊維は、約８５重量パーセントのシリカ及び１５重量パーセントのマグネシアの解繊生成物を含む。
ある一定の実施形態により、生体溶解性アルカリ土類ケイ酸塩繊維は、カルシウム、マグネシウム、及びシリカの酸化物の混合物の解繊生成物を含むことができる。それらの繊維は、一般的に、カルシア−マグネシア−ケイ酸塩繊維と呼ばれる。ある一定の実施形態により、カルシア−マグネシア−ケイ酸塩繊維は、約４５〜約９０重量パーセントのシリカ、０〜約４５重量パーセント以上のカルシア、０〜約３５重量パーセント以上のマグネシア、及び１０重量パーセント又はそれ未満の不純物の解繊生成物を含む。ある一定の実施形態により、カルシア−マグネシア−ケイ酸塩繊維は、７１．２５よりも多く〜約８５重量パーセントのシリカ、０よりも多く〜約２０重量パーセントのマグネシア、約５〜約２８．７５重量パーセントのカルシア、及び０〜約５重量パーセントのジルコニアの解繊生成物を含むことができる。
有用なカルシア−マグネシア−ケイ酸塩繊維は、登録商標ＩＮＳＵＬＦＲＡＸでＵｎｉｆｒａｘ Ｉ ＬＬＣ（米国ニューヨーク州のトナウォンダ）から市販されている。ある一定の実施形態では、カルシア−マグネシア−ケイ酸塩繊維は、約６１〜約６７重量パーセントのシリカ、約２７〜約３３重量パーセントのカルシア、及び約２〜約７重量パーセントのマグネシアの解繊生成物を含む。他の実施形態では、カルシア−マグネシア−ケイ酸塩繊維は、約７９重量パーセントのシリカ、約１８重量パーセントのカルシア、及び約３重量パーセントのマグネシアを含む。他の適切なカルシア−マグネシア−ケイ酸塩繊維は、販売名ＳＵＰＥＲＷＯＯＬ ６０７、ＳＵＰＥＲＷＯＯＬ ６０７ ＭＡＸ、及びＳＵＰＥＲＷＯＯＬ ＨＴ、ＳＵＰＥＲＷＯＯＬ ６０７繊維でＴｈｅｒｍａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ（米国ジョージア州のオーガスタ）から市販されている。ＳＵＰＥＲＷＯＯＬ ６０７は、約６０〜約７０重量パーセントのシリカ、約２５〜約３５重量パーセントのカルシア、約４〜約７重量パーセントのマグネシア、及び微量のアルミナを含む。ＳＵＰＥＲＷＯＯＬ ６０７ ＭＡＸ繊維は、約６０〜約７０重量パーセントのシリカ、約１６〜約２２重量パーセントのカルシア、及び約１２〜約１９重量パーセントのマグネシア、及び微量のアルミナを含む。ＳＵＰＥＲＷＯＯＬ ＨＴ繊維は、約７４重量パーセントのシリカ、約２４重量パーセントのカルシア、及び微量のマグネシア、アルミナ、及び酸化鉄を含む。
ある一定の実施形態により、生体溶解性アルカリ土類ケイ酸塩繊維は、カルシウム及びアルミニウムの酸化物の混合物の解繊生成物を含むことができる。ある一定の実施形態により、カルシア−アルミン酸塩繊維の少なくとも９０重量パーセントは、約５０〜約８０重量パーセントのカルシア、約２０〜約５０重量パーセント未満のアルミナ、及び１０又はそれ未満の重量パーセントの不純物の解繊生成物を含む。他の実施形態により、カルシア−アルミン酸塩繊維の少なくとも９０重量パーセントは、約５０〜約８０重量パーセントのアルミナ、約２０〜約５０重量パーセント未満のカルシア、及び１０重量パーセント又はそれ未満の不純物の解繊生成物を含む。ある一定の実施形態により、生体溶解性アルカリ土類ケイ酸塩繊維は、カリウム、カルシウム、及びアルミニウムの酸化物の混合物の解繊生成物を含むことができる。ある一定の実施形態により、ポタシア−カルシア−アルミン酸塩繊維は、約１０〜約５０重量パーセントのカルシア、約５０〜約９０重量パーセントのアルミナ、０よりも多く〜約１０重量パーセントのポタシア、及び１０重量パーセント又はそれ未満の不純物の解繊生成物を含む。
ある一定の実施形態により、生体溶解性アルカリ土類ケイ酸塩繊維は、マグネシア、シリカ、リチウム、及びストロンチウムの酸化物の混合物の解繊生成物を含むことができる。ある一定の実施形態により、生体溶解性アルカリ土類ケイ酸塩繊維は、約６５〜約８５重量パーセントのシリカ、約１４〜約３５重量パーセントのマグネシア、酸化リチウム、及び酸化ストロンチウムを含む。ある一定の実施形態により、生体溶解性アルカリ土類ケイ酸塩繊維は、約８６重量パーセントのシリカ、約１４〜約３５重量パーセントのマグネシア、０よりも多く〜約１重量パーセントの酸化リチウム、及び０〜約５重量パーセントの酸化ストロンチウムを含む。
ある一定の実施形態により、生体溶解性アルカリ土類ケイ酸塩繊維は、マグネシウム、シリカ、リチウム、及びストロンチウムの酸化物の混合物の解繊生成物を含むことができる。ある一定の実施形態により、生体溶解性アルカリ土類ケイ酸塩繊維は、約６５〜約８６重量パーセントのシリカ、約１４〜約３５重量パーセントのマグネシア、酸化リチウム、及び酸化ストロンチウムを含む。ある一定の実施形態により、生体溶解性アルカリ土類ケイ酸塩繊維は、約６５〜約８６重量パーセントのシリカ、約１４〜約３５重量パーセントのマグネシア、０よりも多く〜約１重量パーセントの酸化リチウム、及び０よりも多く〜約５重量パーセントの酸化ストロンチウムを含む。ある一定の実施形態により、生体溶解性アルカリ土類ケイ酸塩繊維は、約１４〜約３５重量パーセントのマグネシア、及び０よりも多く〜約０．４５重量パーセントの酸化リチウムを含む。ある一定の実施形態により、生体溶解性アルカリ土類ケイ酸塩繊維は、約１４〜約３５重量パーセントのマグネシア、及び０よりも多く〜約５重量パーセントの酸化ストロンチウムを含む。ある一定の実施形態により、生体溶解性アルカリ土類ケイ酸塩繊維は、約７０又はそれよりも多い重量パーセントのシリカ、マグネシア、及び０よりも多く〜約１０重量パーセントの酸化鉄を含む。
無機繊維は、細断又は切断することによって短くすることができる。繊維は、あらゆる適切な細断又は切断方法、例えば、ダイ切断、ギロチン細断、及び／又はウォータージェット切断を利用して細断することができる。無機繊維は、繊維が方向性を有する又はランダム配置ではなくて層状である時に繊維製造工程に関連して細断又は切断することができる。ある一定の実施形態では、無機繊維は、メルトブローン繊維、メルトスパン繊維、メルトドローン繊維、及び／又は粘性スパン繊維とすることができる。筒フィルタは、スパン及びブローン無機繊維の配合物を含むことができる。
筒フィルタはまた、結合剤又は１よりも多いタイプの結合剤の混合物を含む。適切な結合剤は、有機結合剤、無機結合剤、及び／又はその組合せを含む。ある一定の実施形態により、筒フィルタは、１又は２以上の有機結合剤を含む。適切な有機結合剤の例は、以下に限定されないが、天然樹脂、合成樹脂、又は澱粉を含む。
筒フィルタはまた、有機結合剤に加えて又はその代替として、少なくとも１つの無機結合剤材料を含むことができる。無機結合剤は、セラミック繊維を結合するそれらの適性に関して公知のいずれかとすることができる。以下に限定されないが、適切な無機結合剤材料は、コロイド状シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、亜鉛、マグネシア、又はその組合せのようなコロイド状分散剤を含む。ある一定の実施形態では、少なくとも１つの無機結合剤は、アンモニア安定化コロイド状シリカ分散剤を含む。
無機結合剤は、粘土を含むことができる。粘土は、か焼（calcined）又は未か焼（uncalcined）である場合があり、以下に限定されないが、アタパルジャイト、球状粘土、ベントナイト、ヘクトライト、カオリナイト、カイヤナイト、モンモリロナイト、パリゴルスカイト、サポナイト、セピオライト、シリマナイト、又はその組合せを含むことができる。
筒フィルタは、少なくとも１つの触媒材料を含むことができる。触媒の様々な組合せは、フィルタの面に及び／又はその近くに付加される及び／又はフィルタ壁の厚みプロファイルにわたって分配することができる。以下に限定されないが、適切な触媒は、二酸化チタン、五酸化バナジウム、三酸化タングステン、三酸化アルミニウム、二酸化マンガン、ゼオライト、及び遷移金属及びそれらの酸化物を含む。
触媒材料は、多機能を提供することができ、すなわち、それは、２又は３以上の反応を促進することができ、任意的には同時に促進することができる。これに代えて、触媒材料の組合せを使用して多機能を達成することができる。
触媒は、フィルタの高表面積材料に付加される。フィルタの作動中に、ガスが、触媒材料がそれに結合された高表面積材料を含有するフィルタの部分を通過すると、ガス内の汚染材料は、触媒上の活性サイトと反応し、汚染材料をより望ましい副産物に変換することになり、例えば、窒素酸化物を窒素と水／蒸気に還元する。触媒フィルタに対する作動条件は、ＮＯx触媒に対して摂氏約２００°〜約６００°の範囲にある。
筒フィルタは、筒フィルタ壁の厚み全体を通して又は筒フィルタの内面及び／又は外面又は両方に隣接する層に分配された少なくとも１つの高表面積材料を含むことができる。一例として、以下に限定されないが、少なくとも１つの高表面積材料の適切な例は、超微細ガラス繊維、超微細繊維、微孔繊維、触媒等級繊維、ゼオライト、カーボンナノチューブ、及び他のナノ材料及びナノ粒子を含む。
以下に限定されないが、適切な超微細ガラス繊維は、Ｕｎｉｆｒａｘ Ｉ ＬＬＣ（米国ニューヨーク州のトナウォンダ）から市販のＬａｕｃｈａガラス超微細繊維を含む。それらの高引張強度繊維は、０．２５〜５．０ミクロンの平均直径を有し、０．５〜５ｍ2／ｇの高比表面積（ＳＳＡ）、長い長さ対直径比（Ｌ：Ｄ）を有し、Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＥ−ガラスのような複数のガラス化学性質から構成される場合がある。
以下に限定されないが、適切な触媒等級繊維は、Ｕｎｉｆｒａｘ Ｉ ＬＬＣ（米国ニューヨーク州のトナウォンダ）から市販のＳａｆｆｉｌ ＣＧ繊維を含む。それらの微孔隙高純度のアルミナ繊維は、非常に高い表面積を示す。孔隙率の均質分布、小さいアルミナ晶子の存在、及び繊維径の均一性は、１５０〜２００ｍ2／ｇの高比表面積を有する多孔質フィルタをもたらす。
ある一定の実施形態では、筒フィルタは、アルミノ−ケイ酸塩繊維、コロイド状シリカ、任意的に触媒材料、及び更に任意的に少なくとも１つの高表面積材料を含む。
ある一定の実施形態では、成分のスラリが、透過性円筒／チューブ形状モールド上に湿潤配置される。真空が、モールドの開放端に印加されてスラリから水分の大部分を抽出し、それによって湿った円筒形「グリーン」チューブ、すなわち、結合剤が固まる前のものを形成する。次に、グリーンチューブは、乾燥させて母材構造を形成する。次に、母材は加熱され、剛性フィルタ要素をもたらす。
母材が乾燥した後に、それは、室温まで冷却され、少なくとも１つの高表面積材料及び任意的に少なくとも１つの触媒材料を含む溶液又は懸濁液に少なくとも一度接触、浸漬、又は他に浸すことができる。ある一定の実施形態では、母材は、少なくとも１つの高表面積材料及び任意的に少なくとも１つの触媒材料を含む溶液又は懸濁液の中に沈められる。ある一定の実施形態では、母材は、少なくとも１つの高表面積材料で完全に任意的には飽和点まで含浸される。他の実施形態では、母材は、少なくとも１つの高表面積材料で部分的に含浸され、フィルタの内面及び／又は外面上に強化表面積層を形成する。
ある一定の実施形態では、少なくとも１つの高表面積材料を含む溶液又は懸濁液は、広げられ、ブラッシングされ、噴霧され、被覆され、又は他にグリーン母材に付加される。
少なくとも１つの高表面積材料を含む溶液又は懸濁液は、乾燥段階を受ける前及び／又はその後に何回もグリーン母材及び／又は剛性フィルタ要素に付加することができる。
第１の実施形態では、耐高温無機繊維、少なくとも１つの結合剤、及び少なくとも１つの高表面積触媒支持材料を含むフィルタ要素を提供する。
第１の実施形態のフィルタ要素では、少なくとも１つの触媒材料は、少なくとも１つの高表面積触媒支持材料の面に結合され、それによって吸収され、又はその上に吸収することができる。
第１及び次の実施形態のフィルタ要素では、少なくとも１つの高表面積触媒支持材料は、フィルタ要素の厚みにわたって分配することができる。
第１及び次の実施形態のフィルタ要素では、少なくとも１つの高表面積触媒支持材料は、フィルタ要素の厚みにわたって実質的に均一に分配することができる。
第１及び次の実施形態のフィルタ要素では、少なくとも１つの高表面積触媒支持材料は、フィルタ要素の面に隣接して強化表面積層を形成することができる。
前の実施形態のフィルタ要素では、強化表面積層は、フィルタ要素の厚みの少なくとも一部分にわたって勾配組成を有する一体化層とすることができる。
第２の実施形態では、前の２つの実施形態のフィルタ要素は、内面及び外面を有する壁を有する中空円筒チューブを含むことができる。
第２の実施形態のフィルタ要素では、少なくとも１つの高表面積触媒支持材料は、フィルタ要素の内面及び／又は外面に隣接する層に存在して強化表面積層を形成することができる。
第２の実施形態のフィルタ要素では、少なくとも１つの高表面積触媒支持材料は、フィルタ要素の外面に隣接する層に存在して強化表面積層を形成することができる。
第２の実施形態のフィルタ要素では、少なくとも１つの高表面積材料は、フィルタ要素の内面に隣接する層に存在して強化表面積層を形成することができる。
上記実施形態のうちのいずれか１つのフィルタ要素では、耐高温無機繊維は、高アルミナ多結晶繊維、耐火セラミック繊維、アルミナ−ケイ酸塩繊維、アルミナ−マグネシア−ケイ酸塩繊維、カオリン繊維、カルシウムアルミン酸塩繊維、アルカリ土類ケイ酸塩繊維、カルシア−マグネシア−ケイ酸塩繊維、マグネシア−ケイ酸塩繊維、Ｓ−ガラス繊維、Ｓ２−ガラス繊維、Ｅ−ガラス繊維、石英繊維、シリカ繊維、又はその組合せのうちの少なくとも１つを含むことができる。
前の実施形態のフィルタ要素では、耐火セラミック繊維は、約３０〜約７０重量パーセントのアルミナと約３０〜約７０重量パーセントのシリカの解繊生成物とを含むアルミノ−ケイ酸塩繊維、又は約６０〜約９０重量パーセントのシリカと、０よりも多く〜約３５重量パーセントのマグネシアと、５重量パーセント又はそれ未満の不純物の解繊生成物とを含むマグネシア−ケイ酸塩繊維、又は約４５〜約９０重量パーセントのシリカと、０よりも多く〜約４５重量パーセントのカルシアと、０よりも多く〜約３５重量パーセントのマグネシアの解繊生成物とを含むカルシア−マグネシア−ケイ酸塩繊維を含むことができる。
上記実施形態のうちのいずれか１つのフィルタ要素では、少なくとも１つの結合剤は、無機結合剤を含むことができる。
前の実施形態のフィルタ要素では、無機結合剤は、シリカ、アルミナ、チタニア、亜鉛、マグネシア、ジルコニア、又はその組合せから構成される群から選択されたコロイド状金属酸化物分散剤を含むことができる。
上記実施形態のうちのいずれか１つのフィルタ要素では、高表面積材料は、超微細ガラス繊維、超微細繊維、微孔繊維、触媒等級繊維、ゼオライト、カーボンナノチューブ、ナノ材料、又はその組合せのうちの少なくとも１つを含むことができる。
前の実施形態のフィルタ要素では、高表面積材料は、超微細ガラス繊維、又は微孔繊維、又は触媒等級繊維のうちのいずれか１つを含むことができる。
上記実施形態のうちのいずれか１つのフィルタ要素では、少なくとも１つの触媒材料は、二酸化チタン、五酸化バナジウム、三酸化タングステン、三酸化アルミニウム、二酸化マンガン、ゼオライト、遷移金属及びそれらの酸化物、又はその組合せのうちの少なくとも１つを含むことができる。
触媒フィルタ及び触媒フィルタを調製する方法を様々な実施形態に関連して説明したが、他の類似の実施形態を使用することができ、又は修正及び追加を同じ機能を実施するために説明した実施形態に対して行うことができることは理解されるものとする。本明細書に説明した実施形態は、単に例示であり、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく変形及び修正を追加することができることを理解するであろう。更に、望ましい結果を提供するために様々な実施形態を組み合わせることができるので、開示した全ての実施形態は、必ずしも代替である必要はない。
２０ 筒フィルタ
２１ 中空本体
２４ 開放端
２６ 閉鎖端
２８ 内面

Claims (21)

  1. 耐高温無機繊維と、
    少なくとも１つの結合剤と、
    少なくとも１つの高表面積触媒支持材料と、
    を含むことを特徴とするフィルタ要素。
  2. 少なくとも１つの触媒材料が、前記少なくとも１つの高表面積触媒支持材料の前記面に結合され、それによって吸収され、又はその上に吸収されることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ要素。
  3. 前記少なくとも１つの高表面積触媒支持材料は、フィルタ要素の厚みにわたって分配されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフィルタ要素。
  4. 前記少なくとも１つの高表面積触媒支持材料は、フィルタ要素の厚みにわたって実質的に均一に分配されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフィルタ要素。
  5. 前記少なくとも１つの高表面積触媒支持材料は、フィルタ要素の面に隣接して強化表面積層を形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフィルタ要素。
  6. 前記強化表面積層は、フィルタ要素の厚みの少なくとも一部分にわたって勾配組成を有する一体化層であることを特徴とする請求項５に記載のフィルタ要素。
  7. 内面と外面とを備えた壁を有する中空円筒チューブを含むことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のフィルタ要素。
  8. 前記少なくとも１つの高表面積触媒支持材料は、フィルタ要素の前記内面及び／又は外面に隣接する層に存在して強化表面積層を形成することを特徴とする請求項７に記載のフィルタ要素。
  9. 前記少なくとも１つの高表面積触媒支持材料は、フィルタ要素の前記外面に隣接する層に存在して前記強化表面積層を形成することを特徴とする請求項８に記載のフィルタ要素。
  10. 前記少なくとも１つの高表面積材料は、フィルタ要素の前記内面に隣接する層に存在して前記強化表面積層を形成することを特徴とする請求項８に記載のフィルタ要素。
  11. 前記耐高温無機繊維は、高アルミナ多結晶繊維、耐火セラミック繊維、アルミナ−ケイ酸塩繊維、アルミナ−マグネシア−ケイ酸塩繊維、カオリン繊維、カルシウムアルミン酸塩繊維、アルカリ土類ケイ酸塩繊維、カルシア−マグネシア−ケイ酸塩繊維、マグネシア−ケイ酸塩繊維、Ｓ−ガラス繊維、Ｓ２−ガラス繊維、Ｅ−ガラス繊維、石英繊維、シリカ繊維、又はその組合せのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のフィルタ要素。
  12. 前記耐火セラミック繊維は、約３０から約７０重量パーセントのアルミナと約３０から約７０重量パーセントのシリカとの解繊生成物を含むアルミノ−ケイ酸塩繊維を含むことを特徴とする請求項１１に記載のフィルタ要素。
  13. 生体溶解性繊維が、約６０から約９０重量パーセントのシリカと、０よりも多くから約３５重量パーセントのマグネシアと、５重量パーセント又はそれ未満の不純物との解繊生成物を含むマグネシア−ケイ酸塩繊維を含むことを特徴とする請求項１１に記載のフィルタ要素。
  14. 生体溶解性繊維が、約４５から約９０重量パーセントのシリカと、０よりも多くから約４５重量パーセントのカルシアと、０よりも多くから約３５重量パーセントのマグネシアとの解繊生成物を含むカルシア−マグネシア−ケイ酸塩繊維を含むことを特徴とする請求項１１に記載のフィルタ要素。
  15. 前記少なくとも１つの結合剤は、無機結合剤を含むことを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のフィルタ要素。
  16. 前記無機結合剤は、シリカ、アルミナ、チタニア、亜鉛、マグネシア、ジルコニア、又はその組合せから構成される群から選択されたコロイド状金属酸化物分散剤を含むことを特徴とする請求項１５に記載のフィルタ要素。
  17. 前記高表面積材料は、超微細ガラス繊維、超微細繊維、微孔繊維、触媒等級繊維、ゼオライト、カーボンナノチューブ、ナノ材料、又はその組合せのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載のフィルタ要素。
  18. 前記高表面積材料は、超微細ガラス繊維を含むことを特徴とする請求項１７に記載のフィルタ要素。
  19. 前記高表面積材料は、微孔繊維を含むことを特徴とする請求項１７に記載のフィルタ要素。
  20. 前記高表面積材料は、触媒等級繊維を含むことを特徴とする請求項１７に記載のフィルタ要素。
  21. 少なくとも１つの触媒材料が、二酸化チタン、五酸化バナジウム、三酸化タングステン、三酸化アルミニウム、二酸化マンガン、ゼオライト、遷移金属及びそれらの酸化物、又はその組合せのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から請求項２０のいずれか１項に記載のフィルタ要素。
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