JP5775512B2 - ハニカムフィルタ及びハニカムフィルタの製造方法 - Google Patents
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Description
少なくとも一部に触媒が担持されており一方の端部が開口され且つ他方の端部が目封止され流体の流路となる複数のセルを形成する複数の多孔質の隔壁部と、
前記隔壁部上に形成され前記流体に含まれる固体成分を捕集・除去する層である捕集層と、を備え、
前記セルの上流側の隔壁部である上流側隔壁部の触媒量をa、前記セルの下流側の隔壁部である下流側隔壁部の触媒量をbとすると、1.05≦a/b≦3.00を満たすものである。
流体に含まれる固体成分を捕集・除去するハニカムフィルタの製造方法であって、
一方の端部が開口され且つ他方の端部が目封止され流体の流路となる複数のセルを形成する複数の多孔質の隔壁部を備えたハニカム構造体に、流体に含まれる固体成分を捕集・除去する層である捕集層を形成する捕集層形成工程と、
前記ハニカム構造体全体を触媒成分に接触させて触媒を形成する全体触媒形成工程と、
前記ハニカム構造体の上流側だけ触媒成分に接触させて触媒を形成する部分触媒形成工程と、
を含むものである。
流体に含まれる固体成分を捕集・除去するハニカムフィルタの製造方法であって、
一方の端部が開口され且つ他方の端部が目封止された流体の流路となる複数のセルを形成する複数の多孔質の隔壁部を備えたハニカム構造体に、流体に含まれる固体成分を捕集・除去する層である捕集層を形成する捕集層形成工程と、
前記ハニカム構造体の上流側だけ触媒成分に接触させて触媒を形成する上流側触媒形成工程と、
前記ハニカム構造体の下流側だけ前記触媒成分よりも低濃度の触媒成分に接触させて触媒を形成する下流側触媒形成工程と、
を含むものとしてもよい。
まず、以下のようにハニカムセグメントを作製した。SiC粉末及び金属Si粉末を80:20の質量割合で混合し、これにメチルセルロース及びヒドロキシプロポキシルメチルセルロース、界面活性剤及び水を添加して混練し、可塑性の坏土を得て、所定の金型を用いて坏土を押出成形し、所望形状のハニカムセグメント成形体を成形した。ここでは、隔壁部の厚さが305μm、断面が35mm×35mm、長さが152.4mmの形状に成形した。次に、得られたハニカムセグメント成形体をマイクロ波により乾燥させ、更に熱風にて乾燥させたあと、目封止をして、酸化雰囲気において550℃、3時間で仮焼きした後に、不活性雰囲気下にて1400℃、2時間の条件で本焼成を行った。目封止部の形成は、セグメント成形体の一方の端面のセル開口部に交互にマスクを施し、マスクした端面をSiC原料を含有する目封止スラリーに浸漬し、開口部と目封止部とが交互に配設されるように行った。また、他方の端面にも同様にマスクを施し、一方が開口し他方が目封止されたセルと一方が目封止され他方が開口したセルとが交互に配設されるように目封止部を形成した。このようにしてハニカムセグメントを作製した。隔壁部の気孔率は42%であった。
次に、触媒の担持を以下のように行った。まず、重量比でアルミナ:白金:セリア系材料=7:0.5:2.5とし、セリア系材料を重量比でCe:Zr:Pr:Y:Mn=60:20:10:5:5とした原料を混合し、溶媒を水とした触媒のスラリーを調製した。以下では、触媒のスラリーとはこの組成のものを示し、触媒の粒径や濃度を適宜調整して用いるものとした。また、触媒の粒径が捕集層の細孔径よりも小さく捕集層を通過可能なものを小粒径、触媒の細孔径が捕集層の細孔径よりも大きく捕集層の表面に捕集されるものを大粒径と称するものとした。次に、所定濃度の小粒径の触媒のスラリーに、ハニカムフィルタの下流側端面を所定の高さまで浸漬させ、上流側より、所定の吸引圧力と吸引流量に調整しながら所定時間にわたって吸引して触媒を形成し、120℃2時間で乾燥させ、550℃1時間で焼付けを行った。なお、ハニカムフィルタの単位体積あたりの触媒量は全体で20g/Lとなるようにした(以下同様とする)。このようにして、上流側隔壁部の触媒量aと下流側隔壁部の触媒量bとの比がa/b=1,上流側捕集層の触媒量Aと下流側捕集層の触媒量Bとの比がA/B=1,上流側捕集層表面の触媒量AS、下流側捕集層表面の触媒量BSとの比がAS/BS=1となるように触媒を担持した比較例1のハニカムフィルタを作製した。
所定濃度の小粒径の触媒のスラリーに、ハニカムフィルタの下流側端面を所定の高さまで浸漬させ、上流側より、所定の吸引圧力と吸引流量に調整しながら所定時間にわたって吸引して触媒を形成し、120℃2時間で乾燥させた。これにより、上流側・下流側で均一な濃度の触媒が隔壁部,捕集層,捕集層表面に固定された。次に、所定濃度の小粒径の触媒スラリーにハニカムフィルタの上流側端面を所定の高さまで所定時間浸漬させて触媒を形成し、捕集層表面から隔壁部に向けて押出し圧力0.3MPaでエアーを吹き付けて捕集層及び捕集層表面に形成された触媒を隔壁部に押し出した。そして、120℃2時間で乾燥させた後、550℃1時間で焼付けを行った。このようにして、a/b=1.03,A/B=1,AS/BS=1となるように比較例2のハニカムフィルタを作製した。
a/b=1.05となるようにした以外は比較例2と同様の工程により実施例1のハニカムフィルタを作製した。また、a/b=1.08となるようにした以外は比較例2と同様の工程により実施例2のハニカムフィルタを作製した。また、a/b=1.1となるようにした以外は比較例2と同様の工程により実施例3のハニカムフィルタを作製した。また、a/b=1.5となるようにした以外は比較例2と同様の工程により実施例4のハニカムフィルタを作製した。また、a/b=2となるようにした以外は比較例2と同様の工程により実施例5のハニカムフィルタを作製した。また、a/b=3となるようにした以外は比較例2と同様の工程により実施例6のハニカムフィルタを作製した。
a/b=5となるようにした以外は比較例2と同様の工程により比較例3のハニカムフィルタを作製した。
捕集層を形成する工程を省略し、a/b=1.05となるようにした以外は比較例2と同様の工程により比較例4のハニカムフィルタを作製した。また、a/b=1.5となるようにした以外は比較例4と同様の工程により比較例5のハニカムフィルタを作製した。また、a/b=3.0となるようにした以外は比較例4と同様の工程により比較例6のハニカムフィルタを作製した。
所定濃度の小粒径の触媒のスラリーに、ハニカムフィルタの下流側端面を所定の高さまで浸漬させ、上流側より、所定の吸引圧力と吸引流量に調整しながら所定時間にわたって吸引して触媒を形成し、120℃2時間で乾燥させた。次に、所定濃度の小粒径の触媒スラリーに、ハニカムフィルタの上流側端面を所定の高さまで所定時間浸漬させて触媒を形成し、その後捕集層表面から隔壁部に向けてエアーを吹き付けて捕集層及び捕集層表面の触媒を隔壁部に押し出し、120℃2時間で乾燥させた。これにより、隔壁部は上流側が高濃度、捕集層及び捕集層表面は上流側・下流側で均一な濃度の触媒が固定された。さらに、所定濃度の小粒径の触媒スラリーに、ハニカムフィルタの上流側端面を所定の高さまで所定時間浸漬させて触媒を形成し、その後捕集層表面から隔壁部に向けてエアーを吹き付けて捕集層表面の触媒を捕集層内部に押し出し、120℃2時間で乾燥させた後、550℃1時間で焼付けを行った。このようにして、a/b=1.5,A/B=1.03,AS/BS=1となるように実施例7のハニカムフィルタを作製した。また、A/B=1.05となるようにした以外は実施例7と同様の工程により実施例8のハニカムフィルタを作製した。また、A/B=1.08となるようにした以外は実施例7と同様の工程により実施例9のハニカムフィルタを作製した。また、A/B=1.1となるようにした以外は実施例7と同様の工程により実施例10のハニカムフィルタを作製した。また、A/B=1.5となるようにした以外は実施例7と同様の工程により実施例11のハニカムフィルタを作製した。また、A/B=2となるようにした以外は実施例7と同様の工程により実施例12のハニカムフィルタを作製した。また、A/B=3となるようにした以外は実施例7と同様の工程により実施例13のハニカムフィルタを作製した。また、A/B=5となるようにした以外は実施例7と同様の工程により実施例14のハニカムフィルタを作製した。また、A/B=8となるようにした以外は実施例7と同様の工程により実施例15のハニカムフィルタを作製した。
所定濃度の小粒径の触媒のスラリーに、ハニカムフィルタの下流側端面を所定の高さまで浸漬させ、上流側より、所定の吸引圧力と吸引流量に調整しながら所定時間にわたって吸引して触媒を形成し、120℃2時間で乾燥させた。次に、所定濃度の小粒径の触媒スラリーに、ハニカムフィルタの上流側端面を所定の高さまで所定時間浸漬させて触媒を形成し、120℃2時間で乾燥させた。これにより、上流側が高濃度となるように隔壁部,捕集層,捕集層表面に触媒が固定された。ついで、所定濃度の大粒径の触媒スラリーにハニカムフィルタの上流側端面を所定の高さまで所定時間浸漬させて触媒を形成し、120℃2時間で乾燥させた後、550℃1時間で焼付けを行った。このようにして、a/b=1.5,A/B=1.5,AS/BS=1.03となるように実施例16のハニカムフィルタを作製した。また、AS/BS=1.05となるようにした以外は実施例16と同様の工程により実施例17のハニカムフィルタを作製した。また、AS/BS=1.08となるようにした以外は実施例16と同様の工程により実施例18のハニカムフィルタを作製した。また、AS/BS=1.1となるようにした以外は実施例16と同様の工程により実施例19のハニカムフィルタを作製した。また、AS/BS=1.5となるようにした以外は実施例16と同様の工程により実施例20のハニカムフィルタを作製した。また、AS/BS=2となるようにした以外は実施例16と同様の工程により実施例21のハニカムフィルタを作製した。また、AS/BS=3となるようにした以外は実施例16と同様の工程により実施例22のハニカムフィルタを作製した。また、AS/BS=5となるよにした以外は実施例16と同様の工程により実施例23のハニカムフィルタを作製した。また、AS/BS=8となるようにした以外は実施例16と同様の工程により実施例24のハニカムフィルタを作製した。また、AS/BS=10となるようにした以外は実施例16と同様の工程により実施例25のハニカムフィルタを作製した。
捕集層の形成を乾式で行った以外は、実施例22と同様の工程により実施例26のハニカムフィルタを作製した。乾式での捕集層の形成は、以下のように行った。まず、上述のように作製したハニカムセグメントの排ガス流入側の開口端部より、隔壁の平均細孔径よりも小さい平均粒径を有するSiC粒子を含む空気を流入させ、且つハニカムセグメントの流出側より吸引しながら、排ガス流入側の隔壁の表層に堆積させた。次に、大気雰囲気下にて1300℃、2時間の条件の熱処理により、隔壁の表層に堆積させたSiC粒子同士、及び堆積させたSiC粒子と隔壁を構成するSiC及びSi粒子と結合させた。このように、捕集層を形成したハニカムセグメントを得た。
比較例6と同様に捕集層のないハニカムセグメントへa/b=3となるように触媒をコートしたあとで、実施例1と同様の工程を経て捕集層の形成を湿式で行い、得られたハニカムフィルタを実施例27とした。即ち、この実施例27は、隔壁部には触媒が形成されているが捕集層には触媒が形成されていないものであり、a/b=3、A/B=なし、As/Bs=なし、である。この実施例27の測定結果は、上記実施例と共に後述する表1に記載した。
作成したハニカムフィルタについて、触媒量を以下のように測定した。まず、隔壁部22の触媒量a,b及び捕集層24の触媒量A,Bの測定用試料として、ハニカムフィルタ20の隔壁基材を測定断面(X−Y平面)が測定面となるように切り出し樹脂埋めした後に研磨したものを用意した。樹脂埋めには、スペシフィックスエポキシ系樹脂(ストルアス社製)とスペシフィックス−20硬化剤(ストルアス社製)を混合して硬化させる2液タイプのものを用いた。また、捕集層表面25の触媒量AS,BSの測定用試料として、ハニカムフィルタ20の隔壁基材を捕集層24の表面(膜面)が測定面となるように切り出したものを用意した。続いて、走査型電子顕微鏡(S−3200N,日立ハイテクノロジーズ製)を用いて500倍の倍率でSEM観察を行い、観察した領域でエネルギー分散型X線分析装置(EMAX−5770W,堀場製作所製)を用いて元素分析を行った。元素分析では、アルミニウム量を測定し、これを触媒量とした。なお、隔壁部および捕集層では、それぞれ触媒が厚さ方向に均一に担持されていた。
流入ガス温度200〜650℃の昇降温を270secで行うサイクルを1サイクルとして排ガスを流入し、これを200サイクル繰り返す耐久試験を実施した。耐久試験後のハニカムフィルタを2.0Lディーゼルエンジンの排ガス後流部に設置し、エンジン回転数2000rpm、トルク60Nmの定常状態でエンジンを駆動し、ハニカムフィルタの上流側のガスの温度が安定したときの入口のHCに対する出口のHC量の割合を耐久後浄化効率(%)として算出した。
PMを含む200℃の排ガスを2.27Nm3/分の流量で流して、ハニカムフィルタ内部にPMを徐々に堆積させ、ハニカムフィルタの外形体積に対するPM体積量が6g/Lに達した時点におけるハニカムフィルタの入口と出口との圧力を測定し、入口側と出口側の圧力差を圧力損失(kPa)として算出した。
圧力損失試験と同様にしてPMを堆積させたハニカムフィルタを用意た。次に、2.0Lディーゼルエンジンの排ガス後流部に設置し、エンジン回転数2000rpm、トルク60Nmの定常状態でエンジンを駆動し、ハニカムフィルタの上流側のガス温度が安定したらポストインジェクションを入れ、ガス温度650度の燃焼ガスを流入させて再生を10分間行った。PM堆積後再生前後のハニカムフィルタの重量を測定し、(再生前重量−再生後重量)/初期PM重量で表されるPMの再生効率(%)を算出した。
表1には、実施例1〜6及び比較例1〜6の実験結果を示した。比較例1は、隔壁部,捕集層,捕集層表面のいずれも上流側・下流側で均一に触媒が担持されたものである。実施例1〜6及び比較例2,3は、隔壁部のみ上流側に触媒が多く担持され、捕集層,捕集層表面には上流側・下流側で均一に触媒が担持されたものである。比較例4〜6は、捕集層が形成されていないものである。この結果より、a/bを大きくすると、耐久後浄化効率(HC除去効率)が向上することが分かった。捕集層が形成されていない比較例4〜6では、a/b=1の実施例よりも耐久後浄化効率が低いことから、捕集層を設けることとa/bを所定値とすることとの相乗効果によって、耐久後浄化効率が高められることが分かった。特に、1.05≦a/b≦3.00であれば、圧力損失の上昇を抑制し、耐久後浄化効率を低減できることが分かった。このうち、1.5≦a/b≦3.0であれば、耐久後浄化効率をより高めることができることが分かった。このような効果が得られた理由としては、排ガスと触媒との上流側での接触が多いと、HC成分などの酸化により発生した酸化熱がハニカムフィルタ全体により早くより無駄なく伝播するため昇温性能が良好となり、触媒の活性が高まって浄化効率が向上したり、1回の再生処理でのPMの燃焼量が増加したためと推察された。また、隔壁表面に捕集層が存在することで隔壁内部の触媒がPMなどと直接接触することを抑制し、PMに含まれる硫黄などによる触媒の被毒を抑制するなどして、耐久試験後であってもHCの浄化効率を良好にできるものと推察された。また、捕集層には触媒が形成されていない実施例27では、耐久後浄化効率が68.8%、この変化率が43%、圧損が7kPa、この変化率が0%、PM再生効率が69.6%、この変化率が4%であった。この結果より、捕集層に触媒が形成されていなくても、上流側と下流側との触媒量が異なると、よい特性が得られることがわかった。
Claims (6)
- 少なくとも一部に触媒が担持されており一方の端部が開口され且つ他方の端部が目封止され流体の流路となる複数のセルを形成する複数の多孔質の隔壁部と、
前記隔壁部上に形成され前記流体に含まれる固体成分を捕集・除去する層である捕集層と、を備え、
前記セルの上流側の隔壁部である上流側隔壁部の触媒量をa、前記セルの下流側の隔壁部である下流側隔壁部の触媒量をbとすると、1.05≦a/b≦3.00を満たし、
前記捕集層は少なくとも一部に触媒が担持されており、前記上流側隔壁部に形成された捕集層である上流側捕集層の触媒量をA、前記下流側隔壁部に形成された捕集層である下流側捕集層の触媒量をBとすると、1.08≦A/B≦5.00を満たす、ハニカムフィルタ。 - 前記捕集層は少なくとも前記流路側の捕集層表面に触媒が担持されており、前記上流側捕集層のセル表面である上流側捕集層表面の触媒量をAS、前記下流側捕集層のセル表面である下流側捕集層表面の触媒量をBSとすると、1.10≦AS/BS≦8.00を満たす、請求項1に記載のハニカムフィルタ。
- 前記捕集層は、前記隔壁部の平均細孔径よりも小さい平均粒径で前記隔壁部と同種の材料によって構成された粒子群により前記隔壁部上に形成されている、請求項1又は2に記載のハニカムフィルタ。
- 流体に含まれる固体成分を捕集・除去するハニカムフィルタの製造方法であって、
一方の端部が開口され且つ他方の端部が目封止され流体の流路となる複数のセルを形成する複数の多孔質の隔壁部を備えたハニカム構造体に、流体に含まれる固体成分を捕集・除去する層である捕集層を形成する捕集層形成工程と、
前記ハニカム構造体全体を触媒成分に接触させて触媒を形成する全体触媒形成工程と、
前記ハニカム構造体の上流側だけ触媒成分に接触させて触媒を形成する部分触媒形成工程と、を含み、
前記全体触媒形成工程及び前記部分触媒形成工程では、前記セルの上流側の隔壁部である上流側隔壁部の触媒量をa、前記セルの下流側の隔壁部である下流側隔壁部の触媒量をbとすると、1.05≦a/b≦3.00を満たし、前記上流側隔壁部に形成された捕集層である上流側捕集層の触媒量をA、前記下流側隔壁部に形成された捕集層である下流側捕集層の触媒量をBとすると、1.08≦A/B≦5.00を満たすものとする、
ハニカムフィルタの製造方法。 - 請求項4に記載のハニカムフィルタの製造方法であって、
前記ハニカム構造体の下流側だけ前記部分触媒形成工程での触媒成分よりも低濃度の触媒成分に接触させて触媒を形成する処理を前記全体触媒形成工程に代えて行う下流側触媒形成工程、を含むハニカムフィルタの製造方法。 - 前記捕集層形成工程では、前記隔壁部の平均細孔径よりも小さい平均粒径で前記隔壁部と同種の材料によって構成された粒子群により前記隔壁部上に前記捕集層を形成する、請求項4又は5に記載のハニカムフィルタの製造方法。
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