JP2023512219A - 混合金属酸化物組成物を製造するための噴霧熱分解システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
「Spray Pyrolysis System and Method for Manufacture of Mixed Metal Oxide Compositions」について、Devendra Pakhare、Jeffrey Baker Harrison、Joshua Aaron Gubitz、Timothy Griffith Fogarty、及びTimothy David Appleberryの名前で2020年1月30日に出願された米国仮特許出願第62/967,618号の米国特許法第119条に基づく利益をここに請求し、その開示は、すべての目的のために、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
ガス処理触媒として使用するための多成分混合金属酸化物組成物の従来の生成では、バッチ処理操作で実施される液相析出プロセスが製造に広く使用されている。このような従来のバッチ法は、複雑で時間がかかり、また、コストがかかるという特徴がある。複雑さ、長い時間枠、及びコストのこれらの特徴、並びにバッチ処理に関する生成物量の限界は、従来の液相析出プロセスの実質的な欠点を表している。
内部ボリュームを含む噴霧熱分解反応器であって、内部ボリュームは、液体組成物の液滴の霧化噴霧及び酸素含有ガスを受容し、内部ボリューム内で液体組成物液滴を酸素含有ガスに接触させ、かつ接触の後に内部ボリュームから混合金属酸化物及び流出ガスを排出するように配置されている、噴霧熱分解反応器と、
液体組成物を含有する液体組成物ソースから液体組成物を受容し、かつ上記接触のために液体組成物の液滴の霧化された噴霧を内部ボリュームの中に排出するように配置されているアトマイザと、
液体組成物を含有する液体組成物ソースであって、液体組成物は、少なくとも1つの混合金属酸化物前駆体及び少なくとも1つの溶媒又は燃料を含む、液体組成物ソースと、
酸素含有ガスを含有する酸素含有ガスソースであって、噴霧熱分解反応器とガス供給関係で結合されて、噴霧熱分解反応器の内部ボリュームに酸素含有ガスを送達する、酸素含有ガスソースと、
噴霧熱分解反応器の内部ボリューム内の温度を、反応器内での一連の液滴蒸発、反応/分解、結晶化、及び混合金属酸化物形成をサポートする温度又は温度範囲に維持するように配置されている熱管理システムと、を備える。
少なくとも1つの混合金属酸化物前駆体及び少なくとも1つの溶媒又は燃料を含む液滴の霧化された噴霧を生成することと、
液滴の霧化された噴霧を、一連の液滴蒸発、反応/分解、及び混合金属酸化物形成をサポートする高温で酸素含有ガスと接触させることと、
接触させることによって生成された流出ガスから混合金属酸化物を回収することと、を含む。
パラジウム触媒の担体としてのジルコン酸セリウム(Ce2Zr2O7)の合成
57.2グラムのCe(NO3)3・6H2O及び41.6グラムのZrO(NO3)2を、174mlの脱イオン水に溶解して前駆体溶液を形成した。金属塩の分解を促進し、より高い最終か焼温度を達成するために、43.5グラムのグリシンを前駆体溶液に添加した。この実施例では、硝酸セリウムアンモニウムが、酸化剤であり、グリシンが、促進剤及び燃料であり、水が、溶媒であった。前駆体及び促進剤は、一緒に200℃~600℃の温度で発熱分解する。
自動車排気触媒の単一ステップ合成
11.6グラムのCe(NO3)3・6H2O、8.7グラムのZrO(NO3)2、及び0.34グラムのPd(NO3)2・xH2Oを、70mlの脱イオン水に溶解して前駆体溶液を形成した。金属塩の分解を促進し、より高い最終か焼温度を達成するために、11.8グラムのグリシンを前駆体溶液に添加した。この実施例では、セリウム、ジルコニウム、及び硝酸パラジウム(それぞれセリウム、ジルコニウム、及びパラジウムのソース試薬として)が、酸化剤であり、グリシンが燃料であり、水が、溶媒であった。
Claims (54)
- 内部ボリュームを含む噴霧熱分解反応器であって、前記内部ボリュームは、液体組成物の液滴の霧化された噴霧及び酸素含有ガスを受容し、前記内部ボリューム内で前記液体組成物の液滴を前記酸素含有ガスに接触させ、かつ前記接触の後に前記内部ボリュームから混合金属酸化物及び流出ガスを排出するように配置されている、噴霧熱分解反応器と、
前記液体組成物を含有する液体組成物ソースから前記液体組成物を受容し、かつ前記接触のために前記液体組成物の液滴の前記霧化された噴霧を前記内部ボリュームの中に排出するように配置されているアトマイザと、
前記液体組成物を含有する前記液体組成物ソースであって、前記液体組成物は、少なくとも1つの混合金属酸化物前駆体及び少なくとも1つの溶媒又は燃料を含む、前記液体組成物ソースと、
前記酸素含有ガスを含有する酸素含有ガスソースであって、前記噴霧熱分解反応器とガス供給関係で結合されて、前記噴霧熱分解反応器の前記内部ボリュームに前記酸素含有ガスを送達する、酸素含有ガスソースと、
前記噴霧熱分解反応器の前記内部ボリューム内の温度を、前記噴霧熱分解反応器内での一連の液滴蒸発、反応/分解、結晶化、及び混合金属酸化物形成をサポートする温度又は温度範囲に維持するように配置されている熱管理システムと、を備える、
混合金属酸化物を生成するための噴霧熱分解システム。 - 混合金属酸化物の連続生成のために操作される、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記液体組成物ソース内の前記液体組成物中の前記少なくとも1つの混合金属酸化物前駆体は、金属塩を含む、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記アトマイザは、回転アトマイザ、遠心アトマイザ、ネブライザ、超音波分散器、ノズル、又は前述のもののうちの2つ以上の組み合わせを含む、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記アトマイザはノズルを含む、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記ノズルは、超音波、空圧、油圧、又はベンチュリノズルである、
請求項5に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記アトマイザは、円錐形、平扇形、双扇形、若しくは中空コーン形、又は前述の形のうちの2つ以上の組み合わせの噴霧パターンを生成する、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記アトマイザは、0.1μm~500μmの範囲のサイズを有する前記霧化された噴霧内の液滴を排出する、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記液体組成物は、前記液体組成物ソースから前記アトマイザに、液体ポンプによって、1.1atm~20atmの範囲の送達圧力で送達される、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記酸素含有ガスソース内の前記酸素含有ガスは、酸素、オゾン、空気、酸素富化空気、窒素酸化物、又は前述のもののうちの任意の2つ以上の混合物を含む、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記噴霧熱分解反応器は、上部反応器入口セクション及び下部反応器出口セクションを有する垂直に細長い円筒形である、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記熱管理システムは、反応器温度をモニタリングするように配置されているセンサから反応器温度感知信号を受信し、かつ噴霧熱分解システム構成要素を応答的に制御して、前記噴霧熱分解反応器の前記内部ボリューム内の前記温度を、前記噴霧熱分解反応器内での一連の液滴蒸発、反応/分解、結晶化、及び混合金属酸化物形成をサポートする温度又は温度範囲に維持するように動作可能に配置されている中央プロセッサユニットを備える、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記噴霧熱分解システム構成要素は、前記噴霧熱分解反応器を加熱するように配置されている1つ以上のヒータを含む、
請求項12に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記噴霧熱分解システム構成要素は、各々が前記噴霧熱分解反応器の異なるゾーンを加熱するように配置されている複数のヒータを含む、
請求項12に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記噴霧熱分解反応器は、2つの異なる加熱されたゾーンを有する、
請求項14に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記噴霧熱分解反応器は、3つの異なる加熱されたゾーンを有する、
請求項14に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記1つ以上のヒータは、熱加熱ジャケット、熱交換チャンバ、内部に配置された加熱導管、又は加熱流体が流れる反応器容器壁通路を含む、
請求項13に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記液体組成物ソース内の前記液体組成物は、内部の操作条件下で前記噴霧熱分解反応器内で発熱的に分解する及び/又は発熱的に反応する促進剤を含む、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記液体組成物ソース内の前記液体組成物は、金属硝酸塩、金属硝酸塩水和物、硝酸アンモニウム、硝酸、又は金属塩化物のうちの1つ以上を含む酸化剤を含む、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記液体組成物ソース内の前記液体組成物は、尿素、グリシン、ヒドラジン系化合物、有機アミン、スクロース、グルコース、又はクエン酸のうちの1つ以上を含む燃料を含む、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記液体組成物ソース内の前記液体組成物は、水、メタノール、エタノール、置換アルコール、グリセロール、ケトン、又はエーテルのうちの1つ以上を含む溶媒を含む、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記液体組成物ソース内の前記液体組成物は、カルボン酸、エステル、イソプロピルアルコール、及び無機酸のうちの1つ以上、アミン基溶媒、又は前述のもののうちの2つ以上の組み合わせ、混合物、懸濁液、若しくは溶液を含む、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記噴霧熱分解反応器から排出される前記混合金属酸化物及び流出ガスから粉末形態の前記混合金属酸化物を分離するように配置されている粉末回収ユニットを更に備える、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記粉末回収ユニットは、サイクロン分離器、バグハウス、フィルタ、静電集塵器、又は前述のもののうちの2つ以上の組み合わせを含む、
請求項23に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記粉末回収ユニットは、前記混合金属酸化物から分離された前記流出ガスを、前記流出ガスから汚染物質を除去するためのガススクラバシステムに排出するように配置されている、
請求項23に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記ガススクラバシステムは、物理吸着剤、化学吸着剤、又は湿式スクラバを含む、
請求項25に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記ガススクラバシステムは、汚染物質が枯渇した流出ガスを排出するように配置され、前記汚染物質が枯渇した流出ガスは、前記アトマイザ及び/又は前記噴霧熱分解反応器のガス入口へと再利用される、
請求項25に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記噴霧熱分解反応器は、200℃~300℃の範囲の温度で操作される第1の加熱された反応器領域と、300℃~1200℃の範囲の温度で操作される第2の加熱された反応器領域と、を含む、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記液体組成物ソース内の前記液体組成物は、触媒金属ソース試薬及び/又は触媒金属プロモータ試薬を含有する、
請求項1に記載の噴霧熱分解システム。 - 前記液体組成物中の前記触媒金属ソース試薬は、パラジウムソース試薬、ロジウムソース試薬、白金ソース試薬、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、
請求項29に記載の噴霧熱分解システム。 - 少なくとも1つの混合金属酸化物前駆体及び少なくとも1つの溶媒又は燃料を含む液滴の霧化された噴霧を生成することと、
液滴の前記霧化された噴霧を、一連の液滴蒸発、反応/分解、及び混合金属酸化物形成をサポートする高温で酸素含有ガスと接触させることと、
前記接触させることによって生成された流出ガスから混合金属酸化物を回収することと、を含む、
混合金属酸化物を生成するためのプロセス。 - 前記接触させることは、粉末形態の前記混合金属酸化物を生成するために実施される、
請求項31に記載のプロセス。 - 前記接触させることは、結晶性粉末形態の前記混合金属酸化物を生成するために実施される、
請求項31に記載のプロセス。 - 前記混合金属酸化物を連続生成するために実施される、
請求項31に記載のプロセス。 - 液滴の前記霧化された噴霧は、0.1μm~500μmの範囲のサイズを有する液滴を含む、
請求項31に記載のプロセス。 - 液滴の前記霧化された噴霧は、円錐形、平扇形、双扇形、若しくは中空コーン形、又は前述の形のうちの2つ以上の組み合わせの噴霧パターンで生成される、
請求項31に記載のプロセス。 - 酸素含有ガスソース内の前記酸素含有ガスは、酸素、オゾン、空気、酸素富化空気、窒素酸化物、又は前述のもののうちの任意の2つ以上の混合物を含む、
請求項31に記載のプロセス。 - 前記接触させることは、下部反応器出口セクションを有した上部反応器入口セクションを有する垂直に細長い円筒形の噴霧熱分解反応器内で行われる、
請求項31に記載のプロセス。 - 前記接触させることにおける温度は、前記接触させることの感知された温度に応答して、前記接触させることが行われる領域の加熱を変調する熱管理システムによって制御可能に維持される、
請求項31に記載のプロセス。 - 前記接触させることの前記高温は、前記接触させることが行われる反応ゾーンを通る前記液滴の移動距離に沿って変調される、
請求項31に記載のプロセス。 - 前記液滴は、前記接触させることにおいて発熱的に分解する及び/又は発熱的に反応する促進剤を含む、
請求項31に記載のプロセス。 - 前記液滴は、金属硝酸塩、金属硝酸塩水和物、硝酸アンモニウム、硝酸、又は金属塩化物のうちの1つ以上を含む酸化剤を含む、
請求項31に記載のプロセス。 - 前記液滴は、尿素、グリシン、ヒドラジン系化合物、有機アミン、スクロース、グルコース、又はクエン酸のうちの1つ以上を含む燃料を含む、
請求項31に記載のプロセス。 - 前記液滴は、水、メタノール、エタノール、置換アルコール、グリセロール、ケトン、又はエーテルのうちの1つ以上を含む溶媒を含む、
請求項31に記載のプロセス。 - 前記液滴は、カルボン酸、エステル、イソプロピルアルコール、及び無機酸のうちの1つ以上、アミン基溶媒、又は前述のもののうちの2つ以上の組み合わせ、混合物、懸濁液、若しくは溶液を含む、
請求項31に記載のプロセス。 - 前記回収することは、前記接触させることによって生成された前記流出ガスから粉末形態の前記混合金属酸化物を分離することを含む、
請求項31に記載のプロセス。 - 前記分離することは、サイクロン分離器、バグハウス、フィルタ、又は前述のもののうちの2つ以上の組み合わせを使用して行われる、
請求項46に記載のプロセス。 - 前記流出ガスをスクラビングして、汚染物質を除去することを更に含む、
請求項31に記載のプロセス。 - 前記スクラビングすることは、物理吸着剤、化学吸着剤、又は湿式スクラバの使用を含む、
請求項48に記載のプロセス。 - 汚染物質が除去された前記流出ガスを前記接触させることに再循環させることを更に含む、
請求項48に記載のプロセス。 - 前記接触させることは、200℃~1200℃の範囲の温度で実施される、
請求項31に記載のプロセス。 - 前記液滴は、触媒金属ソース試薬及び/又は触媒金属プロモータ試薬を含有する、
請求項31に記載のプロセス。 - 前記触媒金属ソース試薬は、パラジウムソース試薬、ロジウムソース試薬、白金ソース試薬、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、
請求項52に記載のプロセス。 - 前記パラジウムソース試薬は、硝酸パラジウム水和物である、
請求項53に記載のプロセス。
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