JP4844029B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は排気浄化装置に関する。

従来より、パティキュレートフィルターのような多孔質基材上に触媒材料粒子が担持されることにより構成される排気浄化装置が知られている。この場合、多孔質基材の表面上だけでなく細孔内壁面上にも触媒材料を担持させることができれば、比表面積を増大させることができる。ところが、触媒材料粒子の粒径が大きいと、触媒材料粒子により多孔質基材の細孔が閉塞されてしまう。

そこで、触媒材料粒子をミリングし、平均粒径が小さい触媒材料粒子を多孔質基材上に担持するようにした排気浄化装置が公知である（特許文献１参照）。

なお、多孔質基材上に担持される触媒材料粒子は図８に示されるように、三次粒子Ｐ３として構成されたものであり、即ち複数の二次粒子Ｐ２が集まって形成されたものである。また、各二次粒子Ｐ２は複数の一次粒子Ｐ１が集まって形成されたものである。この場合、二次粒子Ｐ２同士の間に細孔ないし間隙ＭＰが形成されており、この細孔ＭＰ内壁面にも触媒金属が担持される。従って、排気ガスが細孔ＭＰ内に捕捉されることにより浄化される。

特開２００４−５８０１３号公報 特開２００３−１７００５５号公報

特許文献１のようにミリングを行うと、触媒材料粒子の平均粒径を小さくすることができる。しかしながら、ミリングが行われた後の触媒材料粒子には、粒径がかなり小さい触媒材料粒子即ち微小径粒子も含まれることになる。ところが、この微小径粒子が上述した細孔ＭＰ内に入り込むと比表面積が減少し、かくして排気ガスを十分に浄化できなくなるおそれがある。

また、微小径粒子と大径粒子とを含む触媒材料粒子が多孔質基材に適用されたときに、図９に示されるように微小径粒子ＰＳが大径粒子ＰＬと多孔質基材Ｓとの間に介在していると、大径粒子ＰＬがコロ又はボールベアリングの要領で移動しやすくなり、シンタリングが生じやすくなるおそれもある。シンタリングが生じた場合も比表面積が減少する。

即ち、このような微小径粒子が比表面積に対して悪影響を及ぼすことが判明したのである。

そこで本発明は、粒径の小さい触媒材料粒子を使用しつつ比表面積の減少を抑制し、それにより良好な排気浄化を確保することができる排気浄化装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明によれば、多孔質基材の表面及び細孔内壁面上に触媒材料粒子が担持されることにより構成される排気浄化装置において、触媒材料粒子が、粒径が境界値よりも小さい微粒部と、粒径が該境界値よりも大きい粗粒部とから構成されており、多孔質基材の表面及び細孔内壁面上に、触媒材料粒子の微粒部を選択的に保持するための微粒部保持層を形成し、製造時に触媒材料粒子がスラリーの形で多孔質基材に適用されると、触媒材料粒子の微粒部が該微粒部保持層内に保持され、触媒材料粒子の粗粒部が該微粒部保持層上に担持されるようにしている。

また、２番目の発明によれば１番目の発明において、前記境界値が、触媒材料粒子の平均粒径から標準偏差の３倍を差し引いて得られる値から、触媒材料粒子の平均粒径までの間にある。

また、３番目の発明によれば１番目の発明において、触媒材料原料をミリングすることにより前記触媒材料粒子が形成されている。
また、４番目の発明によれば１番目の発明において、微粒部保持層の材料を多孔質基材にガスでもって供給し次いで焼成することにより多孔質基材上に微粒部保持層が形成されている。

粒径の小さい触媒材料粒子を使用しつつ比表面積の減少を抑制し、それにより良好な排気浄化を確保することができる。

以下では、多孔質基材として排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルターを用い、このパティキュレートフィルターに触媒を担持する場合について説明する。

図１にはパティキュレートフィルター１の構造が示されている。図１に示されるパティキュレートフィルター１はセラミック製ハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路１０，１１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓１２により閉塞された排気ガス流入通路１０と、上流端が栓１３により閉塞された排気ガス流出通路１１とにより構成される。従って、排気ガス流入通路１０及び排気ガス流出通路１１は薄肉の隔壁１４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路１０及び排気ガス流出通路１１は各排気ガス流入通路１０が４つの排気ガス流出通路１１によって包囲され、各排気ガス流出通路１１が４つの排気ガス流入通路１０によって包囲されるように配置される。隔壁１４は多孔性を有し、従って排気ガス流入通路１０内に流入した排気ガスは図１に矢印で示されるように、周囲の隔壁１４内を通って隣接する排気ガス流出通路１１内に流出する。

パティキュレートフィルター１を形成する多孔質材料としてさまざまなものを用いることができ、例えば炭化珪素、コージェライト、フェリエライト、ゼオライト、炭化窒素などを用いることができる。

なお、排気流通路の上流端及び下流端が閉塞されていないモノリス基材を多孔質基材として用いることもできる。

図２はパティキュレートフィルター１の部分拡大断面図であり、図３は図２のＡ部の拡大図である。図２及び図３からわかるように、パティキュレートフィルター１の表面及び細孔内壁面上には微粒部保持層２が形成され、この微粒部保持層２上に触媒材料層３が形成されている。詳しくは後述するが、微粒部保持層２には触媒材料粒子の微粒部ＰＦが保持されており、触媒材料層３は触媒材料粒子の粗粒部ＰＣから構成されている。

図４を参照して本発明による実施例の触媒担持方法を説明する。まず、上述したパティキュレートフィルターが用意される。次いで、このパティキュレートフィルターの表面及び細孔内壁面上に微粒部保持層２が形成される。この微粒部保持層２は多孔性を有するのが好ましく、例えばアルミナなどのウィスカーや微細粉末から構成される。このような微粒部保持層２の材料をパティキュレートフィルターに例えばガスでもって供給し、次いで焼成することによりパティキュレートフィルター１上に微粒部保持層２を形成することができる。

一方、触媒材料粒子を溶媒に分散させることによりスラリーが作成される。具体的には、触媒材料原料が水及びバインダーと共に混合され、かくしてスラリーが作成される。触媒材料として、アルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、シリカ・アルミナなどの多孔質酸化物、又は出発原料の１次粒子の粒径の小さいものを用いることができる。なお、白金のような触媒種を多孔質酸化物に予め担持させておいてスラリーを作成することもできるし、後述の焼成後に多孔質酸化物に担持させることもできる。

次いで、上述のパティキュレートフィルターがこのスラリーに浸漬され、次いで例えばパティキュレートフィルターにエアーを吹き付け又は吸引することにより、余分なスラリーが除去される。次いで、パティキュレートフィルターが乾燥され、焼成され、かくして微粒部保持層２上に触媒材料層３が形成される。

スラリーの作成の際に触媒材料粒子をミリングすると冒頭で述べたように、微小径粒子も生成され、この微小径粒子により比表面積が低減されるおそれがある。

ここで、ミリング後の触媒材料粒子は図５に示されるように、粒径が境界値ｄＢよりも小さい微粒部ＰＦと、粒径が境界値ｄＢよりも大きい粗粒部ＰＣとから構成されていると考えることができる。その上で、この微粒部ＰＦを除去すれば、比表面積が低減するおそれがなくなる。これが本発明の基本的な考え方である。

そこで、本発明による実施例では図３に示されるように微粒部保持層２を形成し、この微粒部保持層２内に微粒部ＰＦを粗粒部ＰＣから分離保持するようにしている。即ち、微粒部保持層２が形成されたパティキュレートフィルター１にスラリーが適用されると、このスラリーに含まれる微粒部ＰＦが微粒部保持層２内に選択的に保持され、粗粒部３が微粒部保持層２上に担持されて触媒材料層３が形成される。この場合、微粒部ＰＦが触媒材料層３を形成するのに寄与しないという見方もできる。

このようにすると、微粒部ＰＦが粗粒部ＰＣ内の間隙（図８参照）内に入り込むのを抑制することができ、粗粒部ＰＣのシンタリングを抑制することもできる。従って、比表面積の減少を抑制することができる。

特に、パティキュレートフィルターは排気ガス中の微粒子を捕集するという目的から通常のモノリス基材に比べて細孔径が小さく、従って細孔内壁面に触媒材料層を薄く一様に形成するのが比較的困難である。しかしながら、本発明による実施例では、平均粒径の小さい触媒材料粒子を用いることができるので、パティキュレートフィルターの細孔内壁面にも触媒材料層を薄く一様に形成することが可能となる。

微粒部ＰＦが微粒部保持層２内に確実に保持されるようにするために、スラリーが水溶媒から作成される場合には微粒部保持層２を吸水性又は親水性の高い材料から構成するのが好ましい。また、排気ガスの浄化のために、微粒部保持層２は耐熱性を備えていることが好ましい。

ここで、微粒部ＰＦと粗粒部ＰＣとの境界値ｄＢ（図５参照）は好ましくは、ミリング後の触媒材料粒子の平均粒径ｄｍから標準偏差σの３倍を差し引いて得られる値（ｄｍ−３σ）から、触媒材料粒子の平均粒径ｄｍまでの間にある。境界値ｄＢが（ｄｍ−３σ）よりも小さいと微小径粒子の影響を十分に排除することができず、平均粒径ｄｍよりも大きいと微粒部保持層２の保持容量を大きくしなければならないからである。

次に、本発明による別の実施例を説明する。

図６は本発明による別の実施例の触媒担持方法を示している。図６を参照すると、まず、図４に示される実施例と同様に、パティキュレートフィルターが用意される。

次いで、触媒材料原料がミリングされ、その後、上述した微粒部ＰＦ（図５参照）が除去されるようにミリング後の触媒材料粒子が分級される。この場合の分級方法には、遠心分離、カットオフ、超音波、脈動、電磁振動等を用いて行うことができる。

次いで、分級された触媒材料粒子、即ち粗粒部ＰＣからなる触媒材料粒子が水溶媒及びバインダーと共に混合され、かくしてスラリーが作成される。次いで、パティキュレートフィルターがこのスラリーに浸漬され、次いで例えばパティキュレートフィルターにエアーを吹き付けることにより、余分なスラリーが除去される。次いで、パティキュレートフィルターが乾燥され、焼成され、かくしてパティキュレートフィルター１上に触媒材料層３が形成される。

このようにすると、パティキュレートフィルター１に適用されるスラリー中には微粒部ＰＦが実質的に含まれていない。その結果、図７に示されるようにパティキュレートフィルター１の表面及び細孔内壁面上には、粗粒部ＰＣからなる触媒材料層３が直接的に形成されることになる。従って、この例でも、微粒部ＰＦが粗粒部ＰＣ内の間隙（図８参照）内に入り込むのを抑制することができ、粗粒部ＰＣのシンタリングを抑制することもできる。

パティキュレートフィルターの断面図である。 パティキュレートフィルターの部分拡大断面図である。 図２のＡ部の拡大図である。 本発明による実施例の触媒担持方法を説明するための図である。 微粒部及び粗粒部を説明するための図である。 本発明による別の実施例の触媒担持方法を説明するための図である。 本発明による別の実施例のパティキュレートフィルターの部分拡大断面図である。 触媒材料粒子の拡大図である。 従来技術を説明するための図である。

符号の説明

１ パティキュレートフィルター
２ 微粒子保持層
３ 触媒材料層
ＰＦ 微粒部
ＰＣ 粗粒部

Claims (4)

1. 多孔質基材の表面及び細孔内壁面上に触媒材料粒子が担持されることにより構成される排気浄化装置において、触媒材料粒子が、粒径が境界値よりも小さい微粒部と、粒径が該境界値よりも大きい粗粒部とから構成されており、多孔質基材の表面及び細孔内壁面上に、触媒材料粒子の微粒部を選択的に保持するための微粒部保持層を形成し、製造時に触媒材料粒子がスラリーの形で多孔質基材に適用されると、触媒材料粒子の微粒部が該微粒部保持層内に保持され、触媒材料粒子の粗粒部が該微粒部保持層上に担持されるようにした排気浄化装置。
2. 前記境界値が、触媒材料粒子の平均粒径から標準偏差の３倍を差し引いて得られる値から、触媒材料粒子の平均粒径までの間にある請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 触媒材料原料をミリングすることにより前記触媒材料粒子が形成されている請求項１に記載の排気浄化装置。
4. 微粒部保持層の材料を多孔質基材にガスでもって供給し次いで焼成することにより多孔質基材上に微粒部保持層が形成されている請求項１に記載の排気浄化装置。

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