KR100625219B1 - Method for preparing of catalyst filter for purifying exhaust gas of diesel automobile - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따라서 디젤 자동차 배기가스 정화용 촉매필터의 제조 방법이 제공된다. 상기 촉매필터의 제조방법은, 지지체 용액을 촉매필터에 언더코팅하는 단계; 상기 언더 코팅된 필터촉매를 건조 및 소성시키는 단계; 귀금속 용액을 코팅하는 단계; 상기 코팅된 귀금속 용액을 건조, 소성 및 환원시키는 단계로 이루어진다. 본 발명의 촉매필터 제조방법에 따라서 질소산화물의 연속적인 사용이 유도되어 입자상 물질을 저온에서 제거할 수 있는 고활성 촉매필터가 제공되며, 이와 같이 제공된 촉매필터를 사용하여 입자 및 가스상 오염물질의 산화진행 온도를 현저하게 낮춤에 따라서 필터제조에 필요한 귀금속 사용량의 최소화는 물론 필터층 가열에 필요한 에너지를 절약할 수 있다. According to the present invention, there is provided a method for producing a catalytic filter for diesel vehicle exhaust gas purification. The catalyst filter manufacturing method includes the steps of undercoating a support solution on the catalyst filter; Drying and firing the undercoated filter catalyst; Coating a noble metal solution; Drying, calcining and reducing the coated precious metal solution. According to the catalyst filter manufacturing method of the present invention, a continuous use of nitrogen oxides is induced to provide a highly active catalyst filter capable of removing particulate matter at low temperature, and oxidation of particles and gaseous contaminants using the catalyst filter provided as described above. By significantly lowering the running temperature, it is possible to minimize the amount of precious metal used for the manufacture of the filter and to save energy for heating the filter bed.
디젤배기가스, 촉매필터, 귀금속, 지지체, 보습제Diesel exhaust gas, catalyst filter, precious metal, support, moisturizer
Description
도 1은 존슨매티사의 입자상오염물질 제거장치의 개략도이다. 1 is a schematic diagram of an apparatus for removing particulate matter from Johnson Matthey.
도 2는 본 발명에 따른 활성금속의 지지체가 코팅된 세라믹필터 모재의 표면의 전자현미경 확대도이다. 2 is an enlarged view of an electron microscope of a surface of a ceramic filter base material coated with a support of an active metal according to the present invention.
도 3은 활성금속의 지지체가 코팅하지 않은 세리믹필터 모재 표면의 전자 현미경 확대도이다. 3 is an enlarged view of an electron microscope of the surface of the ceramic filter base material not coated with the support of the active metal.
도 4는 본 발명에 따라 지지체에 백금을 코팅하여 완성된 필터의 사진이다.4 is a photograph of a filter completed by coating platinum on a support according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따라 지지체에 백금이 코팅된 필터(도 4)평면을 고배율로 확대한 사진이다FIG. 5 is a photograph at a magnification of the plane of the filter coated with platinum (FIG. 4) according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 필터표면의 성분 분석(EDS) 스펙트럼이다.6 is a component analysis (EDS) spectrum of the filter surface according to the present invention.
도 7는 실시예 1에 따라 제조된 촉매필터의 외형도이다. 7 is an external view of a catalyst filter manufactured according to Example 1. FIG.
도 8는 종래기술에 따른 코팅방법으로 제조된 필터의 내부도이다.8 is an interior view of a filter manufactured by the coating method according to the prior art.
도 9은 종래기술에 따른 코팅방법으로 제조된 필터의 단면도이다.9 is a cross-sectional view of the filter produced by the coating method according to the prior art.
도 10은 실시예 2에 따른 실험결과의 그래프이다. 10 is a graph of experimental results according to Example 2. FIG.
도 11은 코팅용액에 PVA 첨가 유무에 따른 촉매필터의 코팅단면도이다. 11 is a cross-sectional view of a coating of a catalyst filter depending on whether PVA is added to the coating solution.
본 발명은 디젤 자동차 배기가스 정화용 촉매필터의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, DPF의 미세유로를 포함하는 모든 외표면을 지지체로 코팅한 다음 후속적으로 귀금속으로 코팅하여 저온에서 입자상 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 디젤 자동차 배기가스 정화용 촉매필터의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a catalyst filter for exhaust gas purification of a diesel vehicle, and more particularly, to coat all external surfaces including the micro channel of the DPF with a support, and subsequently coated with a noble metal to particulate contaminants at low temperature. The present invention relates to a method for manufacturing a catalyst filter for purifying exhaust gas of a diesel vehicle, which can effectively remove the gas.
디젤 자동차는 우수한 연료의 연소효율로 유지비용이 저렴하고 오염물질의 총 배출량이 적기 때문에 휘발유 자동차에 비하여 경쟁력이 있다. 최근에는 디젤엔진 제조 기술의 발전으로 전세계적으로 디젤 차량이 증가되는 추세에 있다. 이와 함께 엔진의 설계, 제작 기술발전에 따라서 오염물의 배출량이 꾸준하게 감소되고 있기는 하나, 오염물에 대한 규제가 더욱 강화되고 있으므로 그 규제치의 만족에 어려움이 있다. Diesel vehicles are competitive over gasoline vehicles because of their low fuel consumption and low total emissions due to their superior fuel combustion efficiency. Recently, diesel vehicles have been increasing worldwide due to the development of diesel engine manufacturing technology. In addition, the emission of pollutants is steadily reduced with the development of engine design and manufacturing technology. However, the regulations on pollutants are being tightened, which makes it difficult to satisfy the regulations.
디젤 자동차 배출물을 저감시키기 위하여 주기적인 열소각 또는 촉매를 이용한 연속재생을 이용하는 다양한 시스템들이 시도되고 있으나, 경제성 측면에서 산화촉매를 이용한 연속재생 방법이 가장 효과적인 것으로 평가되고 있다. 특히, 필터와 결합된 방식이 입자상 오염물질에 대한 높은 제거효율을 얻을 수 있다. (A. Setiabudi 등, “An optimal NOx assisted abatement of diesel soot in an advanced catalystic filter design", Appl. Catal. B:Env., 42, 35~45(2003))In order to reduce diesel vehicle emissions, various systems using cyclic thermal incineration or continuous regeneration using a catalyst have been tried, but in terms of economics, a continuous regeneration method using an oxidation catalyst has been evaluated as the most effective. In particular, the combination with the filter can achieve high removal efficiency for particulate contaminants. (A. Setiabudi et al., “An optimal NOx assisted abatement of diesel soot in an advanced catalystic filter design,” Appl. Catal. B: Env., 42, 35-45 (2003)).
대표적인 시스템으로서 존슨매티사의 연속재생 방식의 필터시스템을 들 수 있다(도 1). 디젤엔진에서 배출되는 입자상 물질은 필터의 표면 또는 벽의 기공에 포집되며 이는 필터의 전단에 위치한 산화촉매에 의하여 반응식 1에 따라서 생성된 NO2에 의하여 반응식 2와 같이 가스 상으로 변화되어 제거된다(S. Liu 등, “An exploratory study of diesel soot oxidation with NO2 and O2 on supported metal oxide catalysts", Appl. Catal. B:Env., 37, 309-319(2002)). As a representative system, there may be mentioned a continuous regeneration filter system of Johnson Matthey (Fig. 1). Particulate matter discharged from the diesel engine is trapped in the pores of the surface or wall of the filter, which is transformed into a gas phase by the NO 2 produced according to Scheme 1 by an oxidation catalyst located at the front of the filter and removed (S). Liu et al., “An exploratory study of diesel soot oxidation with NO 2 and O 2 on supported metal oxide catalysts”, Appl. Catal. B: Env., 37, 309-319 (2002)).
[반응식 1]Scheme 1
NO + 1/2 O2 → NO2 NO + 1/2 O 2 → NO 2
[반응식 2]Scheme 2
NO2 + 검댕(C) → N2, NO, CO, CO2 NO 2 + soot (C) → N 2 , NO, CO, CO 2
[반응식 3]Scheme 3
O2 + 검댕(C) → CO, CO2 O 2 + Soot (C) → CO, CO 2
기존에는 산화촉매의 표면에서 반응식 3과 같이 입자상 물질의 연소 반응에 의하여 입자상물질이 제거되는 것으로 알려져 있었다. 그러나, 최근의 연구결과에 따르면 200-300℃의 저온영역에서 질소산화물을 이용할 때 입자상물질의 제거가 가능한 것으로 제시되었다(반응식 2). 즉, NO 산화력이 있는 귀금속 촉매를 사용할 때 저온에서 대부분의 입자상 물질은 반응식 2에 의하여 생성된 NO2에 의한 산화반응이 진행되며 350℃이상의 고온영역에서 촉매 연소를 통하여 제거된다(A. Setiabudi 등, “An optimal NOx assisted abatement of diesel soot in an advanced catalytic filter design", Appl. Catal. B:Env., 42, 35-45(2003)). Conventionally, particulate matter has been known to be removed by the combustion reaction of particulate matter on the surface of an oxidation catalyst as in Scheme 3. However, recent research suggests that particulate matter can be removed when nitrogen oxides are used in the low temperature range of 200–300 ° C (Scheme 2). In other words, when using a noble metal catalyst with NO oxidizing power, most of the particulate matter is oxidized by NO 2 generated by the reaction formula 2 and is removed by catalytic combustion in a high temperature region of 350 ° C. or higher (A. Setiabudi et al. , “An optimal NOx assisted abatement of diesel soot in an advanced catalytic filter design”, Appl. Catal. B: Env., 42, 35-45 (2003)).
따라서 입자상물질에 대한 저온 산화반응을 진행하여 필터의 가열억제를 통한 연료효율의 극대화를 목적으로 시스템을 구성할 경우 질소산화물을 적극 활용할 때 효과가 있을 것으로 기대된다. 이러한 이유로 디젤엔진용 배기가스의 처리에 있어서 촉매층 내에서의 NO2 생성속도가 매우 주요한 인자로 작용한다. Therefore, it is expected to be effective when the nitrogen oxide is actively used when the system is configured for the purpose of maximizing fuel efficiency through the heating inhibition of the filter by performing the low temperature oxidation reaction on particulate matter. For this reason, the rate of generation of NO 2 in the catalyst layer is a very important factor in the treatment of exhaust gas for diesel engines.
한편 종래기술의 디젤엔진 형식 및 운전조건에 따르면 입자상 오염물질의 처리 후에도 NOx가 과잉으로 존재하기 때문에 이를 처리하기 위한 별도의 장치가 요구된다. 도 1에서와 같이 필터층(DPF) 전단에 위치된 산화촉매(DOC)에 의하여 NO2가 형성되고 DPF에 포집된 검댕의 산화반응에 사용된 후에 필터층을 통과한다. 따라서 DOC에서 형성된 NO2가 포집된 입자상물질 자체에 의하여 필터층으로의 가스 이동이 억제될 때 입자상물질의 포집정도가 상대적으로 작아서 압력손실이 발생되지 않는 부분으로 배출가스의 흐름이 집중될 것으로 예상된다. 따라서 작은량의 가스 흐름 이 존재하는 입자상물질 침적 부분에 산화제인 NO2의 전달량이 매우 작게 나타나게 되어 입자상 물질의 축적이 더욱 가속화됨은 필연적인 현상으로 별도의 가열을 통하여 촉매연소를 유도하여 제거되어야만 한다. On the other hand, according to the diesel engine type and operating conditions of the prior art, since there is an excessive amount of NOx even after the treatment of particulate contaminants, a separate apparatus for treating the same is required. As shown in FIG. 1, NO 2 is formed by an oxidation catalyst (DOC) positioned in front of the filter layer (DPF) and passed through the filter layer after being used for the oxidation reaction of soot collected in the DPF. Therefore, it is expected to be the NO 2 is collected about the relative flow of the small exhaust gas as part of the pressure loss does not generate particulate matter when a gas movement is suppressed in the filter layer by the trapped particulate matter is itself formed in the DOC concentration . Therefore, the amount of NO 2 , which is an oxidizing agent, appears to be very small in the particulate matter deposition part where a small amount of gas flow exists, and the accumulation of particulate matter is further accelerated. .
일본 공개특허 2004-105792호에서는 평균기공이 다소 큰 20-40마이크로미터의 DPF 기공내 활성금속의 지지체 코팅을 목적으로 1마이크로미터 이하의 미세입자 슬러리를 사용하여 코팅하고, 재차 거대 기공을 막음과 동시에 벽의 표면에 지지체의 코팅을 목적으로 다소 큰 입자의 슬러리를 코팅하는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 이 경우 역시 슬러리에 포함된 입자의 평균입경 및 이의 점도에 따라서 코팅 상태가 영향을 받기 때문에 제조가 어려우며 필터 내에 존재하는 1마이크로 이하의 미세기공 표면에 코팅이 불가능하다는 단점이 있다. In Japanese Patent Laid-Open No. 2004-105792, coating is carried out using a slurry of microparticles of 1 micrometer or less for the purpose of coating the support of the active metal in the DPF pores of 20-40 micrometers, which have a relatively large average porosity, and again prevents macropores. At the same time a method is described for coating a slurry of rather large particles for the purpose of coating a support on the surface of a wall. In this case, however, the coating state is also affected by the average particle size of the particles included in the slurry and its viscosity, and thus, manufacturing is difficult and coating is not possible on the microporous surface of less than 1 micron present in the filter.
한편, 미국특허 4,732,879호에서는 졸겔방법으로 3차원 구조체에 Al, Si, Ti, 및 Zr의 코팅 방법을 개시하고 있다. 이 과정에서는 용매로 무수알콜을 필요로 하기 때문에 용매로 인한 비용적인 문제가 발생하며 건조과정에서 발생되는 VOC를 처리하기 위하여 별도의 처리과정이 요구된다. Meanwhile, US Patent 4,732,879 discloses a coating method of Al, Si, Ti, and Zr on a three-dimensional structure by the sol-gel method. In this process, since anhydrous alcohol is required as a solvent, a cost problem occurs due to the solvent, and a separate treatment process is required to treat the VOC generated during the drying process.
특출원번호 제 1993-0004735호에서는 귀금속을 알콜 또는 하이드라진으로 환원하여 콜로이드 상태로 제조하고 이를 이용하여 담지할 때 귀금속의 고른 분산도 를 얻을 수 있음을 개시하고 있다. 이 때, 금속이온의 환원과정에서 환원제로 알콜 또는 하이드라진을 필요로 하기 때문에 졸겔공정과 같은 건조공정에서의 VOC 생성을 피할 수 없다. Korean Patent Application No. 1993-0004735 discloses that even when a precious metal is reduced to alcohol or hydrazine to be prepared in a colloidal state and supported using the same, even distribution of the precious metal can be obtained. At this time, since the alcohol or hydrazine is required as a reducing agent in the reduction process of metal ions, VOC generation in a drying process such as a sol-gel process cannot be avoided.
Chun-Wei Chen의 연구에 따르면 백금의 나노입자를 형성하기 위한 한가지 방법으로, 에탄올 40부피%와 물 60부피%의 용액에 염화백금산을 첨가하여 백금을 환원하여 백금의 콜로이드(1-2나노미터) 제조공정이 보고되었다. 콜로이드 입자의 성장을 억제하기 위하여 비 이온성 고분자(PVP, PVA, PNVF, PNVA)중 한가지를 필요로 한다. 또한, 환원에 필요한 활성화에너지를 공급하기 위하여 70-90℃에서 리플럭스 가열을 필요로 한다(Chun-Wei Chen 등, "Colloidal Platinum Nanoparticles Stabilized by Vinyl Polymer with Amide Side Chains : Dispersion Stability and Catalytic Activity in Aqueous Electirlyte Solutions", J. Colloid and Interface Science, 225, 349-358(2000)). According to Chun-Wei Chen's research, one method for forming platinum nanoparticles is to reduce platinum by adding chloroplatinic acid to a solution of 40% by volume ethanol and 60% by volume of water to reduce platinum to colloid (1-2 nanometers). ) The manufacturing process has been reported. In order to inhibit the growth of colloidal particles, one of the non-ionic polymers (PVP, PVA, PNVF, PNVA) is required. In addition, reflux heating is required at 70-90 ° C. to supply the activation energy required for reduction (Chun-Wei Chen et al., “Colloidal Platinum Nanoparticles Stabilized by Vinyl Polymer with Amide Side Chains: Dispersion Stability and Catalytic Activity in Aqueous Electirlyte Solutions ", J. Colloid and Interface Science, 225, 349-358 (2000)).
한편, 종래기술에서는 고표면적의 Al, Si, Ti, 및 Zr 산화물로부터 선택되는 지지체를 슬러리화하여 이를 코팅하고 재차 활성금속을 담지하는 순서로 진행되거나 또는 귀금속을 지지체 파우더에 먼저 담지(코팅)하고 이를 슬러리화하여 필터의 표면에 코팅하는 방법이 사용되고 있으나, 이와 같이 촉매의 지지체 코팅과정에서 지지체를 슬러리화 하거나 또는 산화물의 파우더를 이용하여 코팅하는 경우에는 필터의 벽 표면에만 코팅이 존재하게 되며 촉매필터 내부의 미세 유로는 코팅 자체가 불가능하다. 따라서 촉매의 이용율이 크게 감소되며, NOx의 이용률이 저조하고, 특히, 미세기공을 통과하는 나노크기의 입자상물질의 제거가 불가능하다는 문제가 있다. On the other hand, in the prior art, the support is selected from a high surface area Al, Si, Ti, and Zr oxide by slurrying and coating it, and then proceeds in the order of supporting the active metal again or the precious metal is first supported (coated) in the support powder The method of slurrying and coating the surface of the filter is used. However, when the support is slurried or coated with an oxide powder in the coating process of the catalyst, the coating is present only on the surface of the filter. The micro flow path inside the filter is impossible to coat itself. Therefore, there is a problem that the utilization of the catalyst is greatly reduced, the utilization of NOx is low, and in particular, it is impossible to remove nano-sized particulate matter passing through the micropores.
이와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명자들은 DPF의 미세유로를 포함하는 모든 외표면을 지지체로 코팅한 다음 후속적으로 귀금속으로 코팅하여 저온에서 입자상 오염물질을 제거함은 물론 촉매층내에서 발생하는 질소산화물을 산화제로 재사용할 수 있는 디젤자동차 배기 가스의 정화를 위한 촉매필터의 제조방법을 제공하고자 한다.
In order to solve this problem of the prior art, the inventors of the present invention coated all the outer surface including the micro-channel of the DPF with a support and subsequently coated with a noble metal to remove particulate contaminants at low temperature as well as occurring in the catalyst layer An object of the present invention is to provide a method for preparing a catalytic filter for purifying exhaust gas of a diesel vehicle which can reuse nitrogen oxide as an oxidant.
본 발명에 따라서, According to the invention,
지지체 용액을 구조체의 촉매필터에 언더코팅하는 단계; Undercoating the support solution on the catalyst filter of the structure;
상기 언더코팅된 지지체 용액을 건조 및 소성시키는 단계; Drying and calcining the undercoated support solution;
상기 건조 소성된 지지체상에 귀금속 용액을 코팅하는 단계; 및 Coating a noble metal solution on the dry calcined support; And
상기 코팅된 귀금속 용액을 건조, 소성 및 환원시키는 단계; Drying, calcining and reducing the coated precious metal solution;
를 포함하는 이루어지는 디젤자동차 배기가스 정화용 촉매필터의 제조 방법을 제공한다. It provides a method for producing a catalyst filter for diesel vehicle exhaust gas purification comprising a.
이하 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명에 따라서 DPF의 미세유로를 포함하는 모든 외표면에 지지체 용액을 언더코팅, 건조 및 소성에 의하여 지지체인 금속 산화물을 형성하고 지지체가 언더코팅된 표면에 활성 귀금속을 재차 코팅함으로써 필터의 미세기공까지 코팅이 가능하다는 장점이 있으며, 이에 따라 제조된 촉매필터는 배기가스내의 입자상 및 가스상 오염물질을 저온에서 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 탄화수소 및 일산화탄소에 대한 높은 산화력을 제공할 수 있다. According to the present invention, the microporosity of the filter is formed by undercoating, drying, and firing the support solution on all outer surfaces including the microchannel of the DPF, thereby forming a metal oxide as a support, and recoating active precious metal on the surface on which the support is undercoated. There is an advantage in that the coating is possible, and thus prepared catalyst filter can remove particulate and gaseous contaminants in exhaust gas at low temperature, and can provide high oxidation power to hydrocarbons and carbon monoxide.
본 발명의 촉매필터 제조에 사용되는 귀금속의 지지체 물질로는 Al, Si, Ti 및 Zr 중에서 선택되는 최소 하나의 산화물이 사용되며, 바람직한 지지체 산화물로는 티탄산화물(TiOx), 알루미늄 산화물(Al2O3), 실리카산화물(SiO2 ) 및 지르코늄산화물(ZrO2)로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 이 때 상기 지지체의 코팅용 용액의 용매로는 증류수를 사용하며, 지지체 전구체의 용해도를 확보하기 위하여 초산, 옥살산, 구연산, 염산 또는 질산과 같은 유무기산을 첨가한다. 바람직하게는 옥살산 또는 구연산이 추천된다. 또한 용액의 건조속도를 지연시키면서 건조시 용액에 포함된 금속 전구체의 외부확산을 방지하기 위하여 보습제를 첨가한다. 지지체 용액에 첨가되는 보습제로는 탄소의 결합수가 많으며 친수성, 소수성 작용기를 갖는 한 가지 이상의 비이온성 수용성 고분자가 바람직하게 사용되며, 이에 제한하는 것은 아니나, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐폼아마이드(PNVF), 폴리비닐아세트아마이드(PNVA) 및 폴리비닐아크릴릭액시드(PVAA)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 최소 하나의 화합물을 첨가하는 것이 바람직하다. At least one oxide selected from Al, Si, Ti, and Zr may be used as a support material for the noble metal used in the preparation of the catalyst filter of the present invention. Preferred support oxides include titanium oxide (TiO x ) and aluminum oxide (Al 2). O 3 ), silica oxide (SiO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ). At this time, distilled water is used as a solvent of the coating solution for the support, and an organic or inorganic acid such as acetic acid, oxalic acid, citric acid, hydrochloric acid, or nitric acid is added to ensure solubility of the support precursor. Preferably oxalic acid or citric acid is recommended. In addition, a moisturizer is added to prevent the external diffusion of the metal precursor contained in the solution while delaying the drying rate of the solution. As the moisturizer added to the support solution, at least one nonionic water-soluble polymer having a large number of carbon bonds and having hydrophilic and hydrophobic functional groups is preferably used, but is not limited to polyethylene glycol (PEG) and polyvinylpyrrolidone ( Preference is given to adding at least one compound selected from the group consisting of PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl formamide (PNVF), polyvinyl acetamide (PNVA) and polyvinyl acrylic acid (PVAA). Do.
종래기술에서는 이온금속의 외부 이동을 억제하기 위하여 항온항습시스템을 이용하여 건조속도를 매우 느리게 조절하거나 또는 나노입자를 제조하고 이를 지지체에 흡착을 유도함으로서 금속의 외부이동을 억제하는 방법을 사용하고 있으나, 본 발명에서는 수용액에 보습제를 첨가함으로써 미세 기공내 전구체의 접근성 확보와 함께 건조속도가 자연스럽게 조절되기 때문에 제조가 간편하다는 잇점이 있다. In the prior art, in order to suppress the external movement of the ionic metal, a method of controlling the drying rate by using a constant temperature and humidity system is very slow, or by preparing nanoparticles and inducing adsorption to the support, thereby preventing the external movement of the metal. In the present invention, the addition of a moisturizer to the aqueous solution has the advantage that the manufacturing is easy because the drying rate is naturally controlled together with securing accessibility of the precursor in the micropores.
본 발명의 촉매필터의 제조에 사용되는 지지체 용액의 제조방법은 다음과 같다. 먼저, 티탄, 알루미늄, 실리카 및 지르코늄을 함유하는 전구체로부터 선택되는 최소 하나의 지지체 전구체를 전체 용액의 중량을 기준으로 1~10중량%로 증류수에 첨가하고 이 때, 전구체는 이온 내지는 착화물로 투명한 용액상태를 유지할 수 있는 형태가 바람직하다. 전구체의 용해도 향상을 위한 유무기산을 지지체와 동일한 몰비로 첨가한 다음 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐폼아마이드(PNVF), 폴리비닐아세트아마이드(PNVA) 및 폴리비닐아크릴릭액시드(PVAA)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 최소 하나의 보습제를 지지체 첨가량의 약 3배로 첨가하여 지지체 코팅용액을 제조한다. 이러한 보습제의 첨가과 정에서 용액의 표면장력을 낮추어 미세기공내의 이동성을 향상하기 위한 방법으로 소량의 저급 알콜을 혼합하는 것이 바람직하다. 그러나, 졸겔 코팅방법을 이용하는 종래기술과는 다르게 무수 알콜을 사용할 필요가 없으며 저급 알콜(일례로 공업용 에탄올)을 첨가하여도 액상의 표면장력을 낮추기에는 충분하며 전체 중량을 기준으로 0.1~5중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. The preparation method of the support solution used for manufacture of the catalyst filter of this invention is as follows. First, at least one support precursor selected from precursors containing titanium, aluminum, silica and zirconium is added to distilled water at 1 to 10% by weight, based on the weight of the total solution, wherein the precursor is transparent to ions or complexes. The form which can maintain a solution state is preferable. Inorganic acid to improve the solubility of the precursor is added in the same molar ratio as the support, followed by polyethylene glycol (PEG), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinylformamide (PNVF), polyvinylacet A support coating solution is prepared by adding at least one moisturizer selected from the group consisting of amide (PNVA) and polyvinyl acrylic acid (PVAA) at about three times the amount of support added. It is preferable to mix a small amount of lower alcohol in a method for improving the mobility in the micropores by lowering the surface tension of the solution in the process of adding the moisturizing agent. However, unlike the prior art using the sol-gel coating method, it is not necessary to use anhydrous alcohol, and even if a lower alcohol (for example, industrial ethanol) is added, it is sufficient to lower the surface tension of the liquid and 0.1 to 5% by weight based on the total weight. It is preferable to add by.
상기와 같이 제조된 지지체 코팅 용액을 세라믹하니컴필터, 세라믹폼필터, 세라믹섬유필터, 신터드 금속메탈 필터, 금속폼필터, 금속섬유필터 중에서 선택되는 3차원 구조체에 흡수 코팅시키고 나머지 과량의 용액은 고압의 공기를 이용하여 제거한다. 이러한 공정을 2회 이상 반복하여 DPF 촉매필터의 모든 외표면에 용액이 코팅되도록(적셔지도록) 한다. 코팅용액이 흡수된 필터는 40-110℃의 건조기에서 3-24시간 건조시킨 다음에 500-900℃에서 5-10시간 소성시켜 유기물의 제거와 함께 금속을 산화물로 전환 고착시킨다. 용액의 농도 및 점도를 조절하여 1회 이상 코팅이 가능하며, 예를 들어, 코팅용액의 농도가 낮은 경우에는 여러 번 코팅하여 최종적으로, 지지체의 코팅량이 필터의 외형부피를 기준으로 리터당 1~10g이 되도록 하는 것이 바람직하다. 지지체의 코팅에 있어서, 산화물의 활성을 극대화하기 위해서는 바람직한 온도범위에서 소성단계를 거치는 것이 중요하며, 예를 들어, 이산화티탄을 지지체로 코팅하는 경우에는, 이의 결정상은 루타일 형태가 바람직하며 이를 얻기 위하여 700-900℃의 범위에서 3-20시간 소성하는 것이 바람직하다. 또한 알루미나를 지지체로 코팅하는 경우에 쎄타 형태의 결정구조를 갖도록 750-900℃의 범 위에서 3-20시간 소성하는 것이 바람직하다. 또한, 지지체로서 알루미늄을 사용하는 경우에는 고온 안정성을 얻기 위하여 Ce, La, 및 Co중에 한 가지 이상을 알루미늄의 중량을 기준으로 1~10중량%로 첨가하고 최종 소성과정을 통하여 헥사알루미네이트를 형성시켜 내열성을 부여한 형태로서 귀금속의 지지체를 형성할 수 있다. The support coating solution prepared as described above is absorbed and coated on a three-dimensional structure selected from a ceramic honeycomb filter, a ceramic foam filter, a ceramic fiber filter, a sintered metal metal filter, a metal foam filter, and a metal fiber filter. Remove with air. This process is repeated two more times to ensure that the solution is coated (wet) on all outer surfaces of the DPF catalytic filter. The filter in which the coating solution is absorbed is dried in a dryer at 40-110 ° C. for 3 to 24 hours and then calcined at 500-900 ° C. for 5-10 hours to convert and fix the metal to an oxide with removal of organic matter. It is possible to coat one or more times by adjusting the concentration and viscosity of the solution. For example, when the concentration of the coating solution is low, coating is performed several times. Finally, the coating amount of the support is 1 to 10 g per liter based on the outer volume of the filter. It is preferable to make it. In the coating of the support, in order to maximize the activity of the oxide, it is important to undergo a calcination step at a preferable temperature range. For example, in the case of coating titanium dioxide with a support, its crystal phase is preferably in the form of rutile, which is obtained. It is preferable to bake for 3-20 hours in the range of 700-900 ° C. In addition, when the alumina is coated with a support, it is preferable to fire for 3-20 hours in the range of 750-900 ° C. to have a theta-type crystal structure. In addition, in the case of using aluminum as a support, at least one of Ce, La, and Co is added in an amount of 1 to 10% by weight based on the weight of aluminum in order to obtain high temperature stability, and hexaaluminate is formed through the final firing process. The support of a noble metal can be formed as a form which provided heat resistance.
상기된 지지체의 코팅방법과 동일하게 귀금속 전구체 용액을 DPF의 외표면에 코팅시킨다. 다만, 적용하고자 하는 자동차의 장착위치에 따른 배출가스 온도를 고려하여 단일 귀금속, 또는 두 가지 이상의 귀금속 혼합물을 사용하거나 또는 산화반응에서 필요한 산소의 제공자이면서 지지체의 열적안정성을 확보하기 위하여 세륨, 주석, 코발트 및 란타니움 중 한가지 이상을 첨가하여 NO의 산화반응을 극대화할 수 있도록 조성을 조절하는 것이 바람직하다. 본 발명의 촉매필터 코팅에 사용되는 귀금속 산화 촉매는 Pt, Pd, Rh 및 Ru으로 구성되는 그룹으로부터 선택되며, 이 때 산화촉매의 적합한 사용을 위하여 클로라이트, 나이트레이트, 아세토네이트, 아세틸아세토네이트, 및 암모늄 등과 같은 어떠한 형태의 귀금속 전구체를 사용하는 것이 바람직하다. The noble metal precursor solution is coated on the outer surface of the DPF in the same manner as the coating method of the support. However, in consideration of the exhaust gas temperature depending on the mounting position of the vehicle to be applied, it is necessary to use a single noble metal or a mixture of two or more noble metals or to provide thermal stability of the support as well as a source of oxygen necessary for the oxidation reaction. It is desirable to add one or more of cobalt and lanthanum to adjust the composition to maximize NO oxidation. The noble metal oxidation catalyst used in the catalytic filter coating of the present invention is selected from the group consisting of Pt, Pd, Rh and Ru, wherein chlorite, nitrate, acetonate, acetylacetonate, And noble metal precursors of any form, such as ammonium and the like.
상기된 바와 같이 금속산화물(귀금속의 지지체)을 언더 코팅하여 건조 소성시킨 촉매필터에 활성금속인 귀금속을 후속적으로 코팅한다. 귀금속 코팅용액의 제조방법은 다음과 같다. 먼저 Pt, Pd, Rh 및 Ru으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 최소 하나를 산화촉매의 클로라이트, 나이트레이트, 아세토네이트, 아세틸아세 토네이트, 또는 암모늄 형태를 귀금속 전구체로 하여 증류수와 같은 수용성 용매에 용액의 전체 중량을 기준으로 0.1~5.0중량%로 첨가하여 용해한 다음, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐폼아마이드(PNVF), 폴리비닐아세트아마이드(PNVA) 및 폴리비닐아크릴릭액시드(PVAA)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 최소 하나의 보습제를 전체 용액의 중량을 기준으로 0.1-5.0중량%로 첨가하고 용해도의 증가를 위해 옥살산, 구연산과 같은 유기 또는 무기산을 첨가한다. 이 때 첨가되는 무기 또는 유기산의 농도는 귀금속 전구체 대비 몰비를 1.5배 이하로 첨가한다. 지지체의 코팅과정과 같이 저급알콜을 전체 용액의 중량을 기준으로 0.1~5.0%를 첨가하여 코팅요액의 유동성을 향상한다. As described above, the noble metal which is the active metal is subsequently coated on the catalyst filter which is undercoated with the metal oxide (the support of the noble metal) and dried and calcined. The preparation method of the noble metal coating solution is as follows. First, at least one selected from the group consisting of Pt, Pd, Rh and Ru is a solution in an aqueous solvent such as distilled water using chlorite, nitrate, acetonate, acetylacetonate, or ammonium form of the oxidation catalyst as a noble metal precursor. It is dissolved by adding 0.1 to 5.0% by weight based on the total weight of the polyethylene glycol (PEG), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl formamide (PNVF), polyvinyl acetate At least one moisturizer selected from the group consisting of amide (PNVA) and polyvinyl acrylic acid (PVAA) is added at 0.1-5.0% by weight, based on the weight of the total solution and oxalic acid, citric acid, Add organic or inorganic acid. At this time, the concentration of the inorganic or organic acid added is added in a molar ratio of 1.5 times or less relative to the noble metal precursor. As in the coating process of the support, the lower alcohol is added in an amount of 0.1 to 5.0% based on the weight of the entire solution to improve the fluidity of the coating solution.
상기 제조 용액을 이용하여 귀금속의 지지체가 코팅된 필터에 귀금속 용액을 흡수시키고 과잉으로 존재하는 용액을 고압의 공기를 이용하여 제거한 후 상온-110℃ 건조기에서 5-24시간동안 건조하고 500-700℃ 공기분위기에서 3-10시간 소성시킨 다음, 200-400℃의 수소 분위기에서 1-5시간동안 환원시켜 필터의 제조를 완료한다. 이 때, 귀금속 촉매의 코팅량은 필터의 외형부피를 기준으로 리터당 0.1~5.0g이 되도록 하는 것이 바람직하다.Absorb the noble metal solution to the filter coated with the support of the noble metal using the prepared solution and remove the excess solution using high pressure air, and then dried for 5 to 24 hours in a room temperature -110 ℃ dryer and 500-700 ℃ The mixture was calcined for 3-10 hours in an air atmosphere and then reduced for 1-5 hours in a hydrogen atmosphere at 200-400 ° C. to complete the manufacture of the filter. At this time, it is preferable that the coating amount of the noble metal catalyst is 0.1 to 5.0 g per liter based on the outer volume of the filter.
이와 같이 본 발명의 촉매필터 제조방법에 따라 최종 완성된 Pt/TiOx/코디어라이트 필터를 도 7에 나타낸다. 본 발명에 따라 제조된 촉매필터를 자동차(2리터 디젤엔진, 연료직접분사 방식의 전자제어 엔진, CRDi)에 장착하여 입자상물질의 제거율을 측정한 결과, 종래에 사용되는 촉매필터(도 1)와는 달리 DOC를 장착하지 않은 단일 DPF 시스템임에도 불구하고 그 제거율이 93% 이상으로 매우 높았으며, 또한 시스템 부피의 감축효과를 얻을 수 있다.Thus, the final Pt / TiO x / cordierite filter according to the catalyst filter manufacturing method of the present invention is shown in FIG. As a result of measuring the removal rate of particulate matter by attaching the catalyst filter manufactured according to the present invention to an automobile (2 liter diesel engine, fuel direct injection type electronic control engine, CRDi), the catalyst filter (FIG. 1) used in the related art was measured. Despite a single DPF system without a DOC, the removal rate was very high, over 93%, and the system volume reduction was achieved.
또한, 본 발명에 따라 제조된 촉매필터는 저온에서 입자상 오염물질을 제거할 수 있음은 물론 촉매층에서 발생하는 질소산화물을 산화제로 재사용할 수 있으며, 이에 따라 필터의 제조에 필요한 귀금속 사용량이 최소화 되며 필터층 가열에 필요한 에너지를 절약할 수 있다. 또한, 종래기술과 비교하여 제조도중에 발생되는 VOC의 생성이 최소화되며, 비이온성 수성 고분자와 같은 보습제를 사용함으로써 활성금속의 이동이 억제되어 건조공정이 단순화되는 등의 효과를 얻을 수 있다. In addition, the catalyst filter prepared according to the present invention can remove particulate contaminants at low temperature, as well as reuse the nitrogen oxide generated in the catalyst layer as an oxidizing agent, thereby minimizing the amount of precious metal required for the manufacture of the filter and the filter layer. The energy required for heating can be saved. In addition, the production of VOC generated during manufacturing is minimized as compared with the prior art, and by using a moisturizing agent such as a non-ionic aqueous polymer, the movement of the active metal is suppressed and the drying process can be simplified.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확하게 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.The present invention can be more clearly understood by the following examples, the following examples are only for the purpose of illustrating the invention and are not intended to limit the scope of the invention.
실시예 1Example 1
코닝사의 DPF용 필터(2.5리터, 200셀)에 이산화티탄을 먼저 코팅하여 코디어라이트의 표면 특성을 개질시킨 다음 귀금속을 코팅하였다.Corning's DPF filter (2.5 liters, 200 cells) was first coated with titanium dioxide to modify the surface properties of cordierite and then coated the precious metal.
먼저, 지지체로서 이산화티탄 코팅 용액을 다음과 같이 제조하였다. 증류수5 리터에 옥살산 67g과 PVP 450g을 용해시킨 다음 티타늄이소프로폭사이드 150g을 첨가하여 상온에서 용해한 다음 에탄올 0.1리터를 첨가하여 제조 완성하였다. 이 때 옥살산의 양은 티타늄이소프로폭사이드와 동일한 몰비로 첨가한 것이며, PVP는 Ti 대비 3배로 첨가된 것이다. First, a titanium dioxide coating solution was prepared as a support as follows. 67 g of oxalic acid and 450 g of PVP were dissolved in 5 liters of distilled water, and then 150 g of titanium isopropoxide was added thereto to dissolve at room temperature, and then 0.1 liter of ethanol was added thereto. At this time, the amount of oxalic acid is added in the same molar ratio as titanium isopropoxide, PVP is added three times compared to Ti.
800℃ 공기분위기에서 5시간 소성된 필터에 상기 제조된 지지체 용액을 흡수시킨 다음 필터의 미세유로 내부에 존재하는 과량의 용액을 고압의 공기로 제거하는 코팅과정을 2회 반복하였다. 80℃, 상대습도 50%로 유지되는 건조기에서 24시간에 걸쳐서 건조한 다음에 800℃의 공기분위기에서 10시간동안 소성시켜 이산화티탄의 코팅을 완성하였으며, 이의 코팅상태를 전자현미경으로 확인하였다. The coating solution was absorbed into a filter calcined for 5 hours in an air atmosphere at 800 ° C., and then the coating process was repeated twice to remove excess solution existing in the microchannel of the filter with high pressure air. After drying for 24 hours in a dryer maintained at 80 ℃, 50% relative humidity and then baked for 10 hours in an air atmosphere of 800 ℃ to complete the coating of titanium dioxide, the coating state was confirmed by an electron microscope.
코팅을 진행하지 않는 필터 모재(도 3)와 본 발명에 따라 이산화티탄이 코팅된 필터의 내부(도 2)를 비교하면, 이산화티탄의 코팅전에는 코디어라이트의 결정경계가 선명하데 반하여 TiO2를 코팅한 후의 사진에서는 각 결정의 날카로움이 없어진 점과 단차가 있는 계단면에 물질이 채워진 것을 볼 수 있다. 즉, 모재의 기공도 손실 없이 귀금속의 지지체인 TiO2를 효과적으로 코팅할 수 있음을 알 수 있다. 모재의 코팅전후 무게변화 자료를 기준으로 이산화티탄의 코팅량은 2.5g/리터 이다. Comparing the inside (Fig. 2) of the coated filter of titanium dioxide in accordance with the coating in the filter base (Fig. 3) and the present invention does not proceed, whereas before the coating of the titanium dioxide hade sharp grain boundaries of cordierite the TiO 2 In the photograph after coating, the sharpness of each crystal disappeared and the stepped stepped surface filled with the material. That is, it can be seen that TiO 2, which is a support for precious metals, can be effectively coated without losing porosity of the base material. Based on the weight change data of the base material before and after coating, the coating amount of titanium dioxide is 2.5g / liter.
상기와 같이 이산화티탄의 코팅을 완성한 후에 지지체에 귀금속 용액을 다음과 같이 코팅하였다. 증류수 430g에 구연산 5g과 PVP 14g을 용해시키고 백금의 전구체로서 염화백금산(H2PtCl6) 12.48g을 혼합하였다. 이 때 백금의 함량은 필터 1리터를 기준으로 1.8g이 포함되도록 혼합한 것이며 용액의 중량은 2.5리터 부피의 필 터모재에 모두 흡수되는 무게이다. After completing the coating of titanium dioxide as above, the support was coated with a noble metal solution as follows. 5 g of citric acid and 14 g of PVP were dissolved in 430 g of distilled water, and 12.48 g of chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 ) was mixed as a precursor of platinum. At this time, the platinum content is mixed to include 1.8 g based on 1 liter of the filter, and the weight of the solution is the weight absorbed by the filter base material of 2.5 liter volume.
상기 이산화티탄이 코팅된 필터를 귀금속 용액인 백금용액에 담그고 셀내에 존재하는 과잉용액은 고압의 공기를 사용하여 제거하는 과정을 2회 반복하고, 80℃에서 상대습도 50%를 유지하는 건조기에서 24시간동안 건조, 700℃공기 분위기 소성로에서 3시간동안 소성시키고 300℃ 수소 분위기에서 2시간동안 환원하여 제조 완성하였다. The titanium dioxide coated filter was immersed in a platinum solution, a precious metal solution, and the excess solution present in the cell was removed twice using high pressure air, and the dryer was maintained at 80 ° C. for 50% relative humidity. Drying was carried out for 3 hours, calcined for 3 hours in an air atmosphere firing furnace at 700 ° C., and reduced for 2 hours at 300 ° C. hydrogen atmosphere.
동일한 조건에서 제조 완성된 DPF 내부는 도4,5에 보인바와 같다. 필터의 평면과 단면에 존재하는 기공의 막힘없이 모재 초기 모습과 동일한 형상이 유지됨을 알 수 있다. 표면에 이산화티탄과 백금 농도는 EDS 분석결과 도6과 표 1에 정리한바와 같이 Ti, Pt의 존재를 확인할 수 있었다. 특히, 산화촉매의 코팅에 따라서 기공의 막힘 없이 필터초기 상태와 유사하게 유지됨을 알 수 있다. The interior of the manufactured DPF under the same conditions is as shown in FIGS. 4 and 5. It can be seen that the same shape as the initial shape of the base material is maintained without clogging pores existing in the plane and cross section of the filter. The concentration of titanium dioxide and platinum on the surface was confirmed by the results of EDS analysis, Ti and Pt as summarized in Figure 6 and Table 1. In particular, it can be seen that the coating of the oxidation catalyst is maintained similar to the initial state of the filter without clogging pores.
[표 1] TABLE 1
필터표면 분석자료Filter surface analysis data
완성된 촉매필터를 캐닝 설치하였다. 캐닝은 도 7와 같은 촉매필터를 1개 장 착 하였으며, 2리터 배기량의 CRDi 엔진이 장착된 차종에 대하여 CVS 75모드로 입자상 물질과 일산화탄소의 감소율을 측정하였다. 측정결과 입자상물질은 촉매필터 장착전에는 0.118g/km였으나, 장착후에는 0.008g/km로 배출되어 93.2%의 제거율을 얻었으며, 또한, 일산화탄소의 경우에 촉매필터 장착전에는 0.826g/km였으나, 장착후에 0.016g/km로 배출되어 98.1%의 제거율을 얻을 수 있었다.The completed catalyst filter was canned. Canning was equipped with one catalytic filter as shown in Figure 7, and the reduction rate of particulate matter and carbon monoxide was measured in the CVS 75 mode for a vehicle equipped with a CR liter engine with a 2-liter displacement. As a result of measurement, particulate matter was 0.118g / km before the catalyst filter was installed, but it was discharged at 0.008g / km after installation to obtain 93.2% removal rate.In addition, carbon monoxide was 0.826g / km before the catalyst filter was installed. Afterwards it was discharged at 0.016g / km to obtain a removal rate of 98.1%.
실시예 2 Example 2
실시예 1과 같은 필터모재를 분쇄하여 직경 0.1mm이하의 파우더로 만들고 이에 동일한 언더코팅용 이산화티탄용액 및 귀금속 용액을 이용하여 귀금속 담지 촉매를 제조하였다. 촉매는, 언더코팅을 하지 않은 귀금속 촉매(Pt/코디어라이트), 이산화티탄을 코팅하고 외표면에 귀금속을 담지한 촉매(Pt/TiO2/코디어라이트)로 각각 제조하였다.A filter base material as in Example 1 was ground to a powder having a diameter of 0.1 mm or less, and a supported precious metal catalyst was prepared using the same undercoat titanium dioxide solution and precious metal solution. The catalyst was prepared by a catalyst (Pt / TiO 2 / cordierite) which was coated with a noble metal catalyst (Pt / cordierite) which was not undercoated, and titanium dioxide and then supported on the outer surface.
파우더에 이산화티탄을 언더코팅한 방법은 다음과 같다. 제조된 코팅 용액을 이용하여 지지체의 1중량%에 이르도록 전구체 용액을 첨가하고 진공건조기에서 건조후에 800℃에서 10시간동안 소성하여 이산화티탄 층을 형성하였다. 이에 귀금속 전구체를 담지하고 105℃ 건조기에서 건조시킨 다음, 700℃의 공기분위기 소성로에서 5시간동안 소성시키고, 300℃의 수소 분위기에서 2시간동안 환원하여 제조를 완료하였다.The method of undercoating titanium dioxide on powder is as follows. Using the prepared coating solution, the precursor solution was added to reach 1% by weight of the support, and dried in a vacuum dryer and then calcined at 800 ° C. for 10 hours to form a titanium dioxide layer. The noble metal precursor was carried and dried in a 105 ℃ dryer, then calcined for 5 hours in an air atmosphere firing furnace of 700 ℃, the reduction was completed for 2 hours in a hydrogen atmosphere of 300 ℃.
상기 촉매 각각에 대하여 90중량%의 촉매와 입자상물질의 모델반응물로서 복 사기용 카본블랙(독일 대구사 제품) 10중량%를 몰탈을 이용하여 분쇄 및 혼합하였다. 이를 금속몰드를 이용하여 400톤/cm2의 압력으로 가압한 다음 40/80mesh로 분쇄하여 준비하였다. For each of the catalysts, 90% by weight of the catalyst and 10% by weight of carbon black (made by Daegu, Germany) as a model reactant of particulate matter were ground and mixed with mortar. This was pressurized to a pressure of 400 tons / cm 2 using a metal mold and then prepared by grinding to 40/80 mesh.
상기 혼합촉매에 대하여 카본블랙에 대한 산화력의 측정은 내경 4mm의 석영반응기에서 측정하였다. 200℃부터 400℃까지 0.5℃/min의 속도로 가열하면서 생성되는 이산화탄소의 농도를 측정하였다.The oxidation power of the carbon black was measured for the mixed catalyst in a quartz reactor having an inner diameter of 4 mm. The concentration of carbon dioxide produced while heating at a rate of 0.5 ° C./min from 200 ° C. to 400 ° C. was measured.
반응기에 공급하는 가스의 조성은 디젤 자동차 배출가스의 조성과 유사하게 모사하여 공급하였다. 산소 15부피%, 일산화질소 300ppmv, 수분 5부피%, 이산화황 30ppmv, 가스의 공급량은 100ml/min, 촉매 충전량은 200mg(SV 40,000/hr)으로 동일한 조건에서 실험을 수행하였다. 생성되는 이산화탄소의 농도는 온라인으로 설치된 가스크로마토그래피(휴렛패커드사의 HP-6890)로 분석하였다. 분석에 사용된 분리 컬럼은 내경 0.530mm, 길이 30m의 모세관 컬럼을 사용하였으며, 열전도 검출기(TCD, thermal conductivity detector)를 사용하였다. 이 때 이산화탄소에 대한 감도를 향상하기 위하여 분석기 운용가스로 수소를 사용하였다.The composition of the gas supplied to the reactor was similarly supplied to that of the diesel vehicle exhaust gas. The experiment was carried out under the same conditions of 15 vol% oxygen, 300 ppm of nitrogen monoxide, 5 vol% of moisture, 30 ppmmv of sulfur dioxide, gas supply amount of 100 ml / min, and catalyst loading of 200 mg (SV 40,000 / hr). The concentration of carbon dioxide produced was analyzed by gas chromatography (HP-6890, manufactured by Hewlett-Packard) installed online. The separation column used in the analysis was a capillary column having an internal diameter of 0.530 mm and a length of 30 m, and a thermal conductivity detector (TCD). At this time, hydrogen was used as the analyzer operating gas to improve sensitivity to carbon dioxide.
실험결과 도 10의 그래프와 같이 이산화티탄을 언더코팅하고 귀금속을 담지한 촉매는 이산화티탄을 언더코팅하지 않은 Pt/코디어라이트 촉매와 비교하여 저온에서 이산화탄소가 생성됨을 알 수 있다(40℃감소). 이와 같이 동일한 종류 및 함량의 귀금속을 담지하여도 지지체의 코팅여부에 따라서 입자상 물질의 산화반응에 영향을 미침을 알 수 있다. As a result of the experiment, as shown in the graph of FIG. 10, the catalyst which undercoated titanium dioxide and supported noble metal produced carbon dioxide at low temperature compared with the Pt / cordierite catalyst which did not undercoat titanium dioxide (40 ° C. decrease). . In this way, even if the precious metals of the same type and content are supported, it can be seen that it affects the oxidation reaction of the particulate matter depending on the coating of the support.
비교예 1Comparative Example 1
보습제를 첨가하지 않은 것을 제외하고 실시예 1에 따라 제조된 코팅용액을 300셀 모노리스에 코팅하였다.The coating solution prepared according to Example 1 was coated on a 300 cell monolith except that no moisturizer was added.
제조된 필터의 내부상태를 관찰하기 위하여 필터의 중심을 이등분하였다. 보습제를 첨가한 도 11의 (가)의 경우는 내부의 색이 도 11의 (나)에 비해서 어두운 점으로 볼 때 내부에 코팅된 귀금속의 함량이 높은 것으로 판단되나, 보습제를 첨가하지 않은 도 11의 (나)의 경우 모노리스의 외표면과 유로의 양쪽 끝단에 귀금속이 집중되었음을 확인할 수 있다. 즉, 첨가된 대부분의 귀금속이 건조과정에서 수분의 이동과 함께 외부로 전달된 것으로 평가되며, 보습제의 첨가로 이와 같은 현상은 억제가능한 것으로 평가된다. The center of the filter was bisected to observe the internal state of the manufactured filter. In the case of FIG. 11A added with a moisturizer, it is determined that the content of the precious metal coated inside is higher than that of FIG. 11B, but the moisturizer is not added. In case of (b), it can be confirmed that precious metal is concentrated on both the outer surface of the monolith and the ends of the flow path. That is, most of the added precious metals are evaluated to be transferred to the outside with the movement of moisture in the drying process, and this phenomenon is evaluated to be suppressable by the addition of the moisturizing agent.
비교예 2 Comparative Example 2
Pt/TiO2 촉매를 먼저 제조한 후 습식밀링을 통하여 슬러리를 제조하고 이를 필터(EX-80)에 코팅하는 순서로 제조하였다. Pt의 함량은 지지체의 중량을 기준으로 1중량%가 되도록 전구체(H2PtCl6)의 수용액을 첨가하였다. A Pt / TiO 2 catalyst was first prepared, followed by wet milling to prepare a slurry, and then a slurry was coated in a filter (EX-80). An aqueous solution of precursor (H 2 PtCl 6 ) was added so that the content of Pt was 1% by weight based on the weight of the support.
TiO2는 Aldrich사의 루타일을 사용하였으며, 백금 수용액은 실시예 1에 따라 제조하였다. 백금의 담지 과정은 실시예 2와 동일한 공정으로 제조하였다. 슬러리를 필터에 공급하고 셀내에 과잉 코팅액을 고압공기로 제거하였다. 건조기(80℃, 상대습도 50%)에서 24시간동안 건조시키고, 공기 분위기에서 소성(700℃, 5시간)시킨 다음, 환원(300℃수소 분위기, 2시간)하여 촉매필터의 코팅을 완성하였다. TiO 2 was used as rutile of Aldrich, and an aqueous platinum solution was prepared according to Example 1. Plating process of platinum was prepared in the same process as in Example 2. The slurry was supplied to the filter and the excess coating liquid in the cell was removed by high pressure air. Drying for 24 hours in a dryer (80 ℃, relative humidity 50%), calcined in the air atmosphere (700 ℃, 5 hours), and then reduced (300 ℃ hydrogen atmosphere, 2 hours) to complete the coating of the catalyst filter.
완성된 필터의 내부코팅 상태 및 코팅 두께를 전자현미경으로 확인한 결과를 도 8 및 9에 나타낸다. 본 발명에 따른 도 4 및 5에서와 다르게, 코팅된 슬러리의 대부분은 벽 표면에 케이크 형태로 존재하며 필터 벽 내부의 미세 또는 거대 기공내에는 촉매성분이 존재하지 않음을 알 수 있다. 따라서 이러한 슬러리 코팅방식의 경우에는 촉매의 상단부에 침적되는 입자상 물질의 산화반응이 주된 처리 방법이 될 수밖에 없는 구조이다. 다만, 필터의 표면에 존재하는 대부분의 거대기공을 막는 효과를 얻을 수 있기 때문에 필터 자체의 제조에 편의성이 제공될 수 있으나, 압력손실이 증대되고 이에 따라서 연료효율이 감소되는 문제가 발생한다. 반면, 본 발명에 따라 제조된 도 4, 5의 표면 상태를 보면 초기 기공의 형태가 모두 유지되면서 필터의 표면에 박막코팅되었기 때문에 기존 슬러리 코팅방법에 비해서 상술된 여러 가지 장점이 확보될 수 있다. 8 and 9 show the results of checking the internal coating state and the coating thickness of the completed filter with an electron microscope. 4 and 5 according to the present invention, most of the coated slurry is present in the form of a cake on the wall surface and it can be seen that there is no catalyst component in the micro or macropores inside the filter wall. Therefore, in the case of the slurry coating method, the oxidation reaction of the particulate matter deposited on the upper end of the catalyst is inevitably the main treatment method. However, since the effect of blocking most of the large pores present on the surface of the filter may be obtained, convenience may be provided in the manufacture of the filter itself, but pressure loss is increased and thus fuel efficiency is reduced. On the other hand, looking at the surface state of Figures 4 and 5 manufactured according to the present invention, since the initial pore shape is maintained in the thin film coating on the surface of the filter can be secured various advantages as compared to the conventional slurry coating method.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications and variations of the present invention fall within the scope of the present invention, and the specific scope of the present invention will be apparent from the appended claims.
본 발명의 촉매필터 제조방법에 따라서 질소산화물의 연속적인 사용이 유도되어 입자상 물질을 저온에서 제거할 수 있는 고활성 촉매필터가 제공되며, 이와 같이 제공된 촉매필터를 사용하여 입자 및 가스상 오염물질의 산화진행 온도를 현저하게 낮춤에 따라서 필터제조에 필요한 귀금속 사용량의 최소화는 물론 필터층 가열에 필요한 에너지를 절약할 수 있다. According to the catalyst filter manufacturing method of the present invention, a continuous use of nitrogen oxides is induced to provide a highly active catalyst filter capable of removing particulate matter at low temperature, and oxidation of particles and gaseous contaminants using the catalyst filter provided as described above. By significantly lowering the running temperature, it is possible to minimize the amount of precious metal used for the manufacture of the filter and to save energy for heating the filter bed.
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