KR100588858B1 - 디젤매연촉매필터의 제조방법 - Google Patents

디젤매연촉매필터의 제조방법 Download PDF

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본 발명은 고기공 및 고내구성의 디젤매연촉매필터 제조방법에 관한 것으로서, 촉매물질인 적정량의 백금과 알루미나, 세륨산화물, 세륨-카보네이트, 세륨-지르코늄 복합산화물, 혼합용액을 첨가하여 촉매 슬러리를 제조하고, 이 촉매 슬러리를 디젤매연필터에 코팅함으로써, 디젤산화촉매의 성능을 보이면서도 동시에 디젤매연필터의 매연 여과성능을 나타내는 디젤매연촉매필터를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 제조방법에 의하면, 고기공성 구조에 의한 우수한 매연 제거성능과 내열내구성을 가지는 새로운 디젤매연촉매필터를 제조할 수 있게 된다.
디젤매연촉매필터, 산화세륨, 세륨카보네이트, 세륨-지르코늄 복합산화물, 고기공, 고내구성, 내열내구성, 촉매, 백금

Description

디젤매연촉매필터의 제조방법{Method for manufacturing catalyzed diesel particulate filter system}
본 발명은 고기공 및 고내구성의 디젤매연촉매필터 제조방법에 관한 것으로서, 촉매물질인 적정량의 백금과 알루미나, 세륨산화물, 세륨-카보네이트, 세륨-지르코늄 복합산화물, 혼합용액을 첨가하여 촉매 슬러리를 제조하고, 이 촉매 슬러리를 디젤매연필터에 코팅처리함으로써, 우수한 매연 제거성능과 내열내구성을 가지는 고기공 구조의 디젤매연촉매필터를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 배기가스는 엔진으로부터 연소된 혼합기가 배기관을 통하여 대기중으로 방출되는 가스를 말하며, 이러한 배기가스에는 주로 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 미연소탄화수소(HC) 등의 유해물질이 포함되어 있다.
한편, 디젤엔진 차량은 연비, 출력면에서 우수함에도 불구하고 가솔린 엔진과는 달리 배기가스 내에 질소산화물과 입자상물질(PM:Particulate Matter)이 상당히 많이 함유되어 있다.
디젤차량에 있어서는 공기가 대부분의 운전조건에서 충분한 상태로 연소되기 때문에 일산화탄소와 탄화수소는 가솔린 차량에 비하여 아주 적게 배출되나, 질소산화물과 입자상물질(매연)이 많이 배출된다.
상기 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)은 서로 반비례 관계를 갖는 경향이 있는데, 즉 질소산화물을 줄이면 입자상물질이 증가하고, 반대로 입자상물질을 줄이려면 질소산화물이 증가하는 경향이 있다.
최근 상기 입자상물질은 대기를 오염시키는 가장 주된 원인으로 규명되고 있고, 인체에도 많은 해를 입히는 것으로 판명되고 있다.
이에, 디젤차량의 배기가스 저감기술은 질소산화물과 매연을 포함한 입자상물질의 저감에 중점을 두어 연구되고 있다.
최근 디젤차량의 배출기준 강화에 대응하기 위하여 후처리기술로 디젤매연필터의 연구가 매우 활발히 진행되고 있으며, 이 디젤매연필터를 실제 차량에 적용하기 위해서는 아직 연구되어야 할 부분이 많다.
일반적으로는 디젤산화촉매에 백금(Pt)을 사용하고 이와 별도로 디젤매연필터를 사용하는 구조가 최근 유럽의 자동차 메이커에서 개발되어 양산됨으로써, 많은 신뢰도 향상과 매출을 올리고 있는 상황에 있다.
그러나, 아직까지는 촉매를 코팅한 구조의 디젤매연필터가 개발되어 있지 않은 실정이고, 따라서 향후 촉매가 코팅된 디젤매연필터, 즉 디젤매연촉매필터의 개발이 필연적이며, 이러한 상황에서 보다 향상된 매연 제거성능과 내열내구성을 가지는 디젤매연촉매필터의 제조가 절실히 요구되고 있는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 촉매물질인 적정량의 백금과 알루미나, 세륨산화물, 세륨-카보네이트, 세륨-지르코늄 복합산화물, 혼합용액을 첨가하여 촉매 슬러리를 제조하고, 이 촉매 슬러리를 디젤매연필터에 코팅처리함으로써, 우수한 매연 제거성능과 내열내구성을 가지는 고기공 구조의 디젤매연촉매필터를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 디젤매연촉매필터의 제조방법은, 백금(Pt)용액을 알루미나(Al2O3)에 함침 후 환원시키는 제1공정과; 상기 제1공정의 환원결과물에 산화세륨(CeO2), 세륨카보네이트(Ce(CO3)2) 및 세륨-지르코늄 복합산화물(CeㆍZr)O 2을 첨가한 후 혼합용액을 첨가시키는 제2공정과; 상기 제2공정에서 얻은 혼합물을 밀링공정을 거쳐 촉매 슬러리를 제조하는 제3공정과; 상기 제1 ~ 3공정을 통하여 제조한 촉매 슬러리를 세라믹 디젤매연필터에 코팅한 후 건조 및 소성하는 제4공정;을 포함한다.
특히, 상기 제2공정에서 산화세륨(CeO2):세륨카보네이트(Ce(CO3)2):세륨-지르 코늄 복합산화물(CeㆍZr)O2의 사용비를 20:20:60 ∼ 20:30:50의 중량비로 혼합하여 전체 담체 겉보기 부피에 대하여 5 ∼ 25g/ℓ로 첨가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 혼합용액은 pH 4.5 이하인 아세트산 및 물의 혼합용액인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 고기공 및 고내구성 디젤매연촉매필터의 제조방법에 관한 것으로서, 촉매물질인 적정량의 백금과 알루미나, 세륨산화물, 세륨-카보네이트, 세륨-지르코늄 복합산화물을 첨가하여 제조한 촉매 슬러리를 필터에 코팅하여 고기공 구조의 디젤매연촉매필터를 제조하는 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 촉매물질로 사용되는 백금(Pt)과 디젤매연 중 SOF(가용성 유기성분; Soluble Organic Fraction)를 제거하는데 효과가 우수한 알루미나, 세륨산화물, 세륨카보네이트, 세륨-지르코늄 복합산화물을 첨가한 촉매 슬러리를 필터에 코팅하여 제조함으로써, 필터 재생에 유리한 조건을 가지는 동시에 고기공 구조에 의한 우수한 매연 제거성능과 내열내구성을 가지는 디젤매연촉매필터의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 디젤매연촉매필터의 제조방법을 단계별로 구체화하여 설명하면 다음과 같다.
제1공정으로, 백금(Pt)용액을 알루미나(Al2O3)에 함침시킨 다음, 이를 환원시키는 공정을 실시한다.
여기서, 환원방법은 열고정화법(thermal fixation)을 이용하여 촉매의 저온 활성성능을 향상시킨다.
제2공정으로, 상기의 환원결과물에 벌크(bulk)의 산화세륨(CeO2)과 세륨카보네이트(Ce(CO3)2), 세륨-지르코늄 복합산화물 (CeㆍZr)O2를 첨가한 후, 혼합용액을 첨가하는 공정을 실시한다.
이때, 상기 산화세륨(CeO2), 세륨카보네이트(Ce(CO3)2), 세륨-지르코늄 복합산화물 (CeㆍZr)O2는 서로 혼합하여 첨가하는데, 그 이유는 구조적 안정화를 유도하여 내열성을 향상시키고 고기공성을 향상시키기 위함이다.
여기서, 상기 산화세륨(CeO2):세륨카보네이트(Ce(CO3)2):세륨-지르코늄 복합산화물(CeㆍZr)O2의 사용비를 20:20:60 ∼ 20:30:50의 중량비로 혼합하여 첨가하는 바, 상기 범위를 벗어나면 디젤매연과 SOF성분의 제거정도가 미흡한 문제가 있고, 또한 내구성 향상에 바람직하지 못하다.
그리고, 상기 산화세륨(CeO2), 세륨카보네이트(Ce(CO3)2), 세륨세륨-지르코늄 복합산화물 (CeㆍZr)O2의 혼합물은 전체 담체의 겉보기 부피에 대하여 5 ∼ 25g/ℓ로 첨가하는데, 이 첨가범위를 벗어나면 또한 성능 향상을 기대하기 여렵다.
혼합용액은 아세트산 및 물을 혼합한 것으로서, 아세트산은 전체 담체의 겉보기 부피에 대하여 5 ∼ 10g/ℓ인 것이 pH의 조절에 있어서 바람직한 바, pH는 4.5 이하인 것이 다음의 코팅을 위한 촉매 슬러리 제조에 있어서 점도의 조절을 위 하여 바람직하다.
한편, 제3공정으로, 상기 제2공정에서 얻은 혼합물을 볼 밀(ball mill)의 방법으로 슬러리 반응 및 입도를 조절해가면서 밀링하여 입자크기 7㎛ 이하인 것이 전체 입자 중 90% 이상이 되도록 미분한다.
이때, 입자크기가 상기 범위를 벗어나도록 밀링하는 경우 활성의 저감 및 내구성이 저감되는 문제가 있다.
상기 밀링공정을 실시한 결과, 고형분이 10 ∼ 30%이고 점도가 100 ∼ 200cpsi인 촉매 슬러리를 얻는다.
제4공정으로, 상기 제1 ∼ 3공정을 통하여 제조된 촉매 슬러리에 세라믹 디젤매연필터를 담가서 코팅한 후 건조하고 소성하는 공정을 실시한다.
본 발명의 코팅은 세그레게이션 효과(segregation effect)를 이용한 코팅방식으로서, 이는 서로 뭉치는 특성을 갖는 화합물 상태를 이용하여 필요부분에 성분을 위치시킴으로써 촉매의 효율을 극대화시킬 수 있고 촉매성능을 향상시킬 수 있는 효과적 방법이다.
다시 말해, 본 발명의 코팅시에 각 성분의 투입방식 및 성분의 적정한 출발물질의 선정으로 딥핑(dipping)형태로도 가능한 원하는 성분을 원하는 위치에 코팅한다.
또한, 상기 건조공정은 건조로에서 150℃의 온도로 2시간 동안 실시하고, 상기 소성공정은 전기로에서 450 ∼ 550℃ 온도로 4시간 동안 실시한다.
이때, 건조 및 소성조건이 상기 범위를 벗어나면 코팅층의 크랙이 발생하고 유해한 화합물이 형성되는 문제가 있다.
이와 같이 하여, 상기의 제조공정으로 이루어진 본 발명의 제조방법에 따르면, 필터 재생에 유리한 조건을 가지는 동시에 고기공 구조에 의한 우수한 매연 제거성능과 내열내구성을 가지는 디젤매연촉매필터를 제조할 수 있게 된다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세하게 설명하는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
백금(Pt)을 전체 담체 겉보기 부피에 대하여 2.0g/ℓ로 사용한 디젤매연촉매필터를 제조하였다.
우선 촉매 슬러리를 제조하기 위하여, 먼저 알루미나(Al2O3) 10g에 백금(Pt) 2g이 들어 있는 용액을 함침시킨 다음, 이를 500℃의 온도조건에서 3시간 동안 열고정화처리하여 환원시켰다.
그 다음, 이 환원결과물에 산화세륨(CeO2), 세륨카보네이트(Ce(CO3)2) 및 세륨-지르코늄 복합산화물 (CeㆍZr)O2를 20:20:60 ∼ 20:40:50의 중량비로 하여 20g을 첨가하였다.
또한, 이에 아세트산 5.5g 및 물 64.5㎖를 혼합한 용액을 넣고, 아세트산을 사용하여 pH를 4.2로 맞추었다.
그리고, 볼 밀(ball mill)의 방법으로 입자크기를 7㎛ 이하로 밀링하고, 최 종적으로 입자크기가 7㎛ 이하인 것이 전체 입자 중에서 94%가 되도록 밀링하여, 고형분이 20%이고 점도가 200cpsi인 최종의 촉매 슬러리를 얻었다.
여기에, 세라믹 디젤매연필터를 담가서 코팅한 후, 건조로에서 150℃의 온도로 2시간 동안 건조하고, 전기로에서 500℃의 온도로 4시간 동안 소성하여, 최종의 디젤매연촉매필터를 완성하였다.
비교예
백금(Pt)을 전체 담체 겉보기 부피에 대하여 2.0g/ℓ로 사용한 디젤매연촉매필터를 제조하였다.
우선 촉매 슬러리를 제조하기 위하여, 먼저 알루미나(Al2O3) 10g에 백금(Pt) 2g이 들어 있는 용액을 함침시킨 다음, 이를 500℃의 온도조건에서 3시간 동안 열고정화처리하여 환원시켰다.
그 다음, 이 환원결과물에 산화세륨(CeO2)과 세륨카보네이트(Ce(CO3)2)를 20:80 ∼ 50:50의 중량비로 20g을 첨가하였다.
또한, 이에 아세트산 5.5g 및 물 64.5㎖를 혼합한 용액을 넣고, 아세트산을 사용하여 pH를 4.2로 맞추었다.
그리고, 볼 밀(ball mill)의 방법으로 입자크기를 7㎛ 이하로 밀링하고, 최종적으로 입자크기가 7㎛ 이하인 것이 전체 입자 중에서 94%가 되도록 밀링하여, 고형분이 30%이고 점도가 200cpsi인 최종의 촉매 슬러리를 얻었다.
여기에, 세라믹 디젤매연필터를 담가서 코팅한 후, 건조로에서 150℃의 온도로 2시간 동안 건조하고, 전기로에서 500℃의 온도로 4시간 동안 소성하여, 최종의 디젤매연촉매필터를 완성하였다.
한편, 성능을 알아보고자 상기 실시예와 비교예에 따라 제조된 디젤매연촉매필터를 비교 시험하여 그 결과를 다음의 표 1에 나타내었다.
Figure 112003037932124-pat00001
비교 시험의 결과로서, 상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 디젤매연촉매필터의 경우 디젤산화촉매의 성능을 나타내면서 동시에 디젤매연필터의 매연 여과효율을 가짐을 알 수 있었으며, 또한 우수한 내열내구성을 가짐을 알 수 있었다.
특히, 본 발명의 실시예 경우 비교예에 비해 보다 우수한 성능을 나타내었다.
이와 같이 하여, 상기의 제조공정으로 이루어진 본 발명의 제조방법에 따르면, 필터 재생에 유리한 조건을 가지는 동시에 고기공 구조에 의한 우수한 매연 제 거성능과 내열내구성을 가지는 디젤매연촉매필터를 제조할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 의하면, 촉매물질인 적정량의 백금과 알루미나, 세륨산화물, 세륨-카보네이트, 세륨-지르코늄 복합산화물, 혼합용액을 첨가하여 촉매 슬러리를 제조하고, 이 촉매 슬러리를 디젤매연필터에 코팅처리함으로써, 우수한 매연 제거성능과 내열내구성을 가지는 고기공 구조의 디젤매연촉매필터를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 백금(Pt)용액을 알루미나(Al2O3)에 함침 후 환원시키는 제1공정과, 상기 제1공정의 환원결과물에 산화세륨(CeO2), 세륨카보네이트(Ce(CO3)2) 및 세륨-지르코늄 복합산화물(CeㆍZr)O2을 첨가한 후 아래의 혼합용액을 첨가시키는 제2공정과, 상기 제2공정에서 얻은 혼합물을 밀링공정을 거쳐 촉매 슬러리를 제조하는 제3공정과, 상기 제1~3공정을 통하여 제조한 촉매 슬러리를 세라믹 디젤매연필터에 코팅한 후 건조 및 소성하는 제4공정을 포함하는 디젤매연촉매필터의 제조방법에 있어서,
    상기 제2공정에서 산화세륨(CeO2):세륨카보네이트(Ce(CO3)2):세륨-지르코늄 복합산화물(CeㆍZr)O2의 사용비를 20:20:60∼20:30:50의 중량비로 혼합하여 전체 담체 겉보기 부피에 대하여 5∼25g/ℓ로 첨가하는 것을 특징으로 하는 디젤매연촉매필터의 제조방법.
    혼합용액 : pH4.5 이하인 아세트산(전체 담체의 겉보기 부피에 대하여 5∼10g/ℓ인 것) 및 물의 혼합용액
  3. 삭제
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