KR20190082971A - 촉매 금속 섬유 펠트 및 이로부터 제조된 물품 - Google Patents

촉매 금속 섬유 펠트 및 이로부터 제조된 물품 Download PDF

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KR20190082971A
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Abstract

본 발명은, 제 1 복수의 코어/쉘 촉매 금속 섬유 및 임의적인 제 2 복수의 보강 섬유를 포함하는 직조 또는 부직 섬유 혼합물을 포함하는 금속 섬유 펠트를 제공하며, 이때 상기 촉매 금속 섬유는 제 1 금속을 포함하는 코어 및 촉매 금속을 포함하는 쉘을 포함하고, 상기 촉매 금속은 귀금속, 베이스 금속 또는 이들의 조합물이며, 상기 보강 섬유(존재하는 경우)의 평균 직경은 촉매 금속 섬유의 평균 직경보다 크다. 상기 금속 섬유 펠트는 내연 기관으로부터의 배기 가스 스트림 및 기타 환경 및/또는 화학적 촉매 공정에서의 오염 물질의 저감에 사용하기 위한 촉매 물품에 유용하다.

Description

촉매 금속 섬유 펠트 및 이로부터 제조된 물품
본 발명은, 내연 기관으로부터의 배기 가스의 처리, 화학적 제조 공정에서의 사용 또는 다른 기체 또는 액체 폐기물 스트림의 처리에 유용한 촉매 물품에 관한 것이다.
희박(lean) 연소 엔진, 예를 들어 디젤 엔진은, 연료 희박 조건 하에서 높은 공기/연료 비율에서의 작동으로 인해 우수한 연비를 사용자에게 제공한다. 그러나, 디젤 엔진은 미립 물질(PM), 미연소 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 질소 산화물(NOx)을 포함하는 배기 가스 배출을 야기하며, 상기 NOx는 특히 일산화 질소 및 이산화 질소를 비롯한 질소 산화물의 다양한 화학 종을 나타낸다. 배기 미립 물질의 두 가지 주요 성분은 가용성 유기 분획(SOF)과 매연(soot) 분획이다. SOF는 매연 상에서 층으로 응축되며, 일반적으로 미연소 디젤 연료 및 윤활유로부터 유도된다. SOF는 배기 가스의 온도에 따라 증기로서 또는 에어로졸(즉, 액체 응축물의 미세한 물방울)로서 디젤 배기 가스 중에 존재할 수 있다. 매연은 주로 탄소 입자로 구성된다.
탄화수소 및 일산화탄소 가스상 오염물 둘다를, 이 오염 물질의 산화를 촉진시킴으로써 이산화탄소와 물로 전환시키기 위해, 디젤 엔진의 배기 가스 처리에 사용하기 위한, 알루미나와 같은 내화성 금속 산화물 지지체 상에 분산된 백금족 금속(PGM)과 같은 귀금속을 포함하는 산화 촉매가 공지되어 있다. 이러한 촉매는 일반적으로 디젤 산화 촉매(DOC)라고 불리는 단위장치(unit)에 포함되어 있으며, 이는, 디젤 파워 시스템으로부터의 배기 가스 스트림 경로에 배치되어, 배기 가스를 대기로 배출하기 전에 처리한다. 전형적으로, 이러한 디젤 산화 촉매는 세라믹 또는 금속 기재 상에 형성되며, 이 위에 하나 이상의 촉매 코팅 조성물이 침착된다. 가스 상태의 HC 및 CO 배출물과 미립 물질(SOF 부분)의 전환 외에도, PGM을 함유한 산화 촉매는 NO의 NO₂로의 산화를 촉진한다. 촉매는 일반적으로, 그의 라이트-오프 온도, 또는 T50이라고도 불리는, 50% 전환율이 수득되는 온도에 의해 한정된다.
백금(Pt)은 황 존재 하에서 DOC에서 CO 및 HC를 산화시키는데 가장 효과적인 백금족 금속이다. Pd는 고온 소결에 대해 Pt를 안정화시키기 때문에, 희박 조건에서의 고온 에이징 후에 Pt-기반 DOC에 Pd를 첨가하는 것이 이로울 수 있다. 팔라듐(Pd) 기반 촉매를 사용하는 주요 이점 중 하나는, Pt와 비교할 때 Pd의 비용이 싸다는 것이다. 그러나, Pt가 없는 Pd-기반 DOC는, 특히 HC 저장 물질과 함께 사용될 때, CO 및 HC의 산화에 대해 더 높은 라이트-오프 온도를 나타내어, 잠재적으로 HC 및/또는 CO 라이트-오프 지연을 일으킨다. 이러한 이유로, 부정적인 상호 작용을 최소화하면서 긍정적인 상호 작용을 극대화하도록 촉매를 설계하도록 주의를 기울여야 한다.
내연 기관의 배기 가스를 처리하는 데 사용되는 촉매는, 엔진 작동의 초기 냉-시동(cold-start) 기간과 같은 상대적으로 저온 작동 기간 동안 덜 효과적인데,그 이유는, 엔진 배기 가스가 배기 가스 내의 유독 성분의 효과적인 접촉 전환에 충분히 높은 온도가 아니기 때문이다. 이를 위해, 촉매 처리 시스템의 일부로서 흡착제 물질(제올라이트일 수 있음)을 포함시켜 기상 오염 물질, 일반적으로 탄화수소를 흡착시키고 이를 초기 냉 시동 기간 동안 보유시키는 것이 공지되어 있다. 배기 가스 온도가 증가함에 따라, 흡착된 탄화수소는 흡착제로부터 나오고 고온에서 접촉 처리된다.
디젤 엔진뿐만 아니라 가솔린 직접 주입 및 부분 희박-연소 엔진과 같은 희박-연소 엔진의 배기 가스로부터 NOx를 감소시키는 효과적인 방법 중 하나는, 희박-연소 엔진 작동 조건 하에서 NOx를 포집 및 저장하고, 포집된 NOx를 화학양론적 또는 풍부 엔진 작동 조건 하에 또는 풍부 조건을 유도하기 위해 배기 가스에 주입된 외부 연료를 가진 희박 엔진 작동 하에 환원시키는 것을 필요로 한다. 희박 작동 주기는 일반적으로 1 분 내지 20 분이며, 풍부 작동 주기는 가능한한 많은 연료를 보존하기 위해 일반적으로 짧다(1 내지 10 초). NOx 전환 효율을 향상시키기 위해, 길지만 빈번하지 않은 재생보다 짧고 빈번한 재생이 선호된다. 따라서, 희박 NOx 트랩 촉매는 일반적으로 NOx 트랩 기능 및 삼-방향(three-way) 전환 기능을 제공해야 한다.
일부 희박 NOx 트랩(LNT) 시스템은 알칼리 토류 원소를 함유한다. 예를 들어, NOx 흡착제 성분은 Mg, Ca, Sr 또는 Ba의 산화물과 같은 알칼리 토금속 산화물을 포함한다. 다른 희박 LNT 시스템은 Ce, La, Pr 또는 Nd의 산화물과 같은 희토류 금속 산화물을 함유할 수 있다. NOx 흡착제는, 접촉 NOx 산화 및 환원을 위해 알루미나 지지체 상에 분산된 백금과 같은 백금족 금속 촉매와 조합되어 사용될 수 있다. LNT 촉매는, 엔진이 NO를 N2로 전환하는 순환식 희박(포집 모드) 및 풍부(재생 모드) 배기 조건 하에서 작동된다.
희박 연소 엔진의 배기 가스로부터 NOx를 감소시키는 다른 효과적인 방법은, 희박-연소 엔진 작동 조건 하에서 NOx를 선택적 접촉 환원(SCR) 촉매의 존재하에 암모니아 또는 탄화수소와 같은 적절한 환원제와 반응시키는 것을 필요로 한다. 적합한 SCR 촉매는 금속-함유 제올라이트와 같은 금속-함유 분자체를 포함한다. 유용한 SCR 촉매 컴포넌트는 600℃ 이하의 온도에서 NOx 배기 성분의 환원을 효과적으로 촉매작용할 수 있어, 전형적으로 더 낮은 배기 가스 온도와 관련된 저 부하 조건 하에서조차도 감소된 NOx 수준을 달성할 수 있다.
배출 가스 규제가 더욱 엄격해짐에 따라, 이러한 관찰 결과는, 낮은 엔진 배기 가스 온도에서 CO, HC 및 NO 배출을 관리하기 위해 CO, HC 및 NO 산화 능력이 개선된 배출 가스 처리 시스템을 개발할 필요성을 도출했다. 또한, NOx (NO 및 NO2) 배출물을 질소로 환원시키기 위한 배출 가스 처리 시스템의 개발이 점차 중요해지고 있다.
본 개시는, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 스테인레스 강, 니켈, 니켈/크롬 합금, 철/크롬 합금 및 귀금속으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것과 같은 제 1 금속을 포함하는 코어, 및 귀금속으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것과 같은 촉매 금속을 포함하는 쉘을 포함하는 촉매 금속 섬유를 기술한다. 또한, 본 개시는, 예를 들면 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 스테인레스 강, 니켈, 니켈/크롬 합금, 철/크롬 합금 및 귀금속으로 이루어진 군 중에서 선택된 제 1 금속을 포함하는 코어, 및 예를 들면 귀금속으로 이루어진 군 중에서 선택된 촉매 금속을 포함하는 쉘을 포함하는 촉매 금속 섬유를 포함하는 금속 섬유 펠트를 기술한다.
본원에 개시된 바와 같은 금속 섬유 펠트를 포함하는 촉매 물품이 또한 개시된다. 또한, 본원에 개시된 바와 같은 촉매 물품을 포함하는 배기 가스 처리 시스템, 및 배기 가스 스트림을 본원에 기술된 바와 같은 물품 또는 시스템에 통과시키는 것을 포함하는 배기 가스 스트림 처리 방법이 개시된다. 또한, 본원에 개시된 바와 같은 금속 섬유 펠트를 포함하는 촉매 물품을 포함하는, 제조 및/또는 환경 보호에서의 화학적 공정을 위한 촉매 시스템이 개시된다. 또한, 본 개시는, 액체 또는 기체 스트림을 본원에 기재된 물품 또는 시스템에 통과시키는 것을 포함하는 제조 및/또는 환경 보호에서의 화학적 공정에 관한 것이다.
본 발명은 제한 없이, 다음 실시양태를 포함한다:
실시양태 1: 제 1 복수의 코어/쉘 촉매 금속 섬유를 포함하는 주름진 펠트 형태의 섬유의 직조 또는 부직 혼합물을 포함하는 금속 섬유 펠트로서, 이때 상기 촉매 금속 섬유는 제 1 금속을 포함하는 코어 및 촉매 금속을 포함하는 쉘을 포함하고, 상기 촉매 금속은 귀금속, 베이스 금속(base metal) 또는 이들의 조합물인, 금속 섬유 펠트.
실시양태 2: 섬유의 혼합물이 제 2 복수의 보강 섬유를 추가로 포함하고, 보강 섬유의 평균 직경이 촉매 금속 섬유의 평균 직경보다 큰, 임의의 선행 실시양태의 금속 섬유 펠트.
실시양태 3: 촉매 금속 섬유의 평균 직경이 약 10 ㎛ 이하이고 보강 섬유의 평균 직경이 약 15 ㎛ 이상인, 임의의 선행 실시양태의 금속 섬유 펠트.
실시양태 4: 촉매 금속 섬유의 평균 직경이 약 5 ㎛ 이하이고 보강 섬유의 평균 직경이 약 20 ㎛ 이상인, 임의의 선행 실시양태의 금속 섬유 펠트.
실시양태 5: 제 1 금속이 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 스테인레스 강, 니켈, 니켈/크롬 합금, 철/크롬 합금 및 귀금속으로 이루어진 군 중에서 선택되는, 임의의 선행 실시양태의 금속 섬유 펠트.
실시양태 6: 보강 섬유가 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 스테인레스 강, 니켈, 니켈/크롬 합금 및 철/크롬 합금으로 이루어진 군 중에서 선택된 금속을 포함하는, 임의의 선행 실시양태의 금속 섬유 펠트.
실시양태 7: 촉매 섬유의 쉘이 평균 두께가 약 100nm 이하인, 임의의 선행 실시양태의 금속 섬유 펠트.
실시양태 8: 촉매 섬유의 쉘이 베이스 금속 및 귀금속을 포함하는, 임의의 선행 실시양태의 금속 섬유 펠트.
실시양태 9: 베이스 금속이 Cu, Fe, Ni, Cr, Mo, Mn, Zn, Co, W 및 Al로 이루어진 군 중에서 선택되는, 임의의 선행 실시양태의 금속 섬유 펠트.
실시양태 10: 복수의 촉매 금속 섬유가, 제 1 귀금속을 포함하는 쉘을 갖는 제 1 섬유 그룹 및 제 2 귀금속을 포함하는 쉘을 갖는 제 2 섬유 그룹을 포함하는, 임의의 선행 실시양태의 금속 섬유 펠트.
실시양태 11: 제 1 귀금속이 Rh이고 제 2 귀금속이 Pd인, 임의의 선행 실시양태의 금속 섬유 펠트.
실시양태 12: 귀금속이 Pt, Pd, Rh 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는, 임의의 선행 실시양태의 금속 섬유 펠트.
실시양태 13: 금속 섬유 펠트가 약 20% 내지 약 95%의 기공 부피를 갖는, 임의의 선행 실시양태의 금속 섬유 펠트.
실시양태 14: 섬유의 혼합물에 의해 담지된(carried) 촉매 및/또는 흡착제 코팅을 추가로 포함하는 임의의 선행 실시양태의 금속 섬유 펠트.
실시양태 15: 금속 섬유 펠트가, 부가된 촉매 코팅 또는 흡착제 코팅을 실질적으로 함유하지 않는, 임의의 선행 실시양태의 금속 섬유 펠트.
실시양태 16: 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 섬유 펠트의 복수의 층을 포함하는 3차원 매트릭스를 포함하는 촉매 물품.
실시양태 17: 3차원 매트릭스가, 편평한 금속 층을 사이에 갖는 금속 섬유 펠트의 복수의 주름진 층을 포함하는, 임의의 선행 실시양태의 촉매 물품.
실시양태 18: 금속 섬유 펠트 층들 또는 편평한 금속 층들 중 하나 이상이 촉매 코팅 또는 흡착제 코팅을 포함하는, 임의의 선행 실시양태의 촉매 물품.
실시양태 19: 편평한 금속층은 또한 상기 금속 섬유 펠트로 형성되거나 금속 호일로 형성되는, 임의의 선행 실시양태의 촉매 물품.
실시양태 20: 3차원 매트릭스를 내부에 수용하는 재킷을 추가로 포함하는 임의의 선행 실시양태의 촉매 물품.
실시양태 21: 약 60 개의 셀/제곱 인치(cpsi) 내지 약 900 cpsi의 셀 밀도를 갖는 임의의 선행 실시양태의 촉매 물품.
실시양태 22: 관통-유동(flow-through) 물품 또는 벽-유동(wall-flow) 필터의 형태인 임의의 선행 실시양태의 촉매 물품.
실시양태 23: 촉매 물품의 적어도 하나의 컴포넌트에 전기적으로 연결되고 촉매 물품의 저항성 가열을 위한 전류를 전달하도록 구성된 전기 단자(terminal) 또는 3차원 매트릭스를 가열하도록 작동가능하게 배치된 가열 요소(heating element)를 더 포함하는 임의의 선행 실시양태의 촉매 물품.
실시양태 24: 내연 기관의 하류에서 그와 유체 연통하는 임의의 선행 실시양태의 촉매 물품을 포함하는 배기 가스 처리 시스템.
실시양태 25: 촉매 물품이 디젤 산화 촉매, 선택적 환원 촉매, 희박 NOx 트랩, 삼-방향(three-way) 촉매 및 암모니아 산화 촉매로 이루어진 군 중에서 선택되는, 임의의 선행 실시양태의 배기 가스 처리 시스템.
실시양태 26: 배기 가스 스트림을 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 섬유 펠트에 통과시키는 것을 포함하는, 배기 가스 스트림의 처리 방법.
본 개시의 이들 및 다른 특징, 양태 및 이점은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 명백해질 것이며, 이하에서 간략히 설명될 것이다. 본 개시는 상술한 실시양태들 중 2 개, 3 개, 4 개 또는 그 이상의 임의의 조합 뿐아니라 본 개시에 설명된 임의의 2 개, 3 개, 4 개 또는 그 이상의 특징부 또는 요소들의 조합을, 그러한 특징부 또는 요소들이 본원의 특정 실시양태 설명에서 명시적으로 조합되는지에 상관 없이 포함한다. 본 개시는, 그 다양한 양상 및 실시양태들 중 임의의 것에 있어서, 개시된 발명의 임의의 분리가능한 특징부 또는 요소들이, 문맥이 명백하게 달리 기재하지 않는 한, 조합될 수 있는 것으로 간주되도록 전체적으로 읽혀지도록 의도된다.
본 발명의 실시양태에 대한 이해를 제공하기 위해, 반드시 축척대로 그려진 것은 아니며, 참조 번호는 본 발명의 예시적인 실시양태의 컴포넌트를 나타내는 첨부된 도면을 참조한다. 도면은 단지 예시적인 것이며 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 1은 본 발명에 따른 촉매 금속 섬유의 단면도이고,
도 2a는 본 발명의 일 실시양태에 따른 촉매 물품의 사시도이고,
도 2b 및 도 2c는 도 2a의 촉매 물품의 일부의 확대도이고,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 주름형 금속 섬유 펠트의 예시적인 단면 형상을 도시하고,
도 4는 본 발명의 일 실시양태에 따른 전기적으로 가열되는 촉매 물품을 도시하고,
도 5는 본 발명의 금속 섬유 펠트를 포함하는 예시적인 배출물 처리 시스템을 도시한다.
"배기 스트림" 또는 "배기 가스 스트림"이란 용어는 고체 또는 액체 미립 물질을 함유할 수 있는 유동 가스의 임의의 조합물을 의미한다. 상기 스트림은, 액체 소적(droplet), 고체 미립자 등과 같은 특정 비-가스 성분을 함유할 수 있는 가스 성분을 포함한다. 내연 기관의 배기 가스 스트림은 전형적으로 연소 생성물, 불완전 연소 생성물, 질소 산화물, 가연성 및/또는 탄소질 입자상 물질(매연) 및 미반응 산소 및/또는 질소를 추가로 포함한다.
"산업 폐수"는, 사용되었고 용해 또는 부유된 폐기물을 포함하는 물을 지칭한다.
"화학적 공정"이란 용어는, 일반적으로 화학 공장 또는 화학 산업에서 사용되는 것과 유사하거나 관련된 기술을 사용하여, 화학물질(들) 또는 재료(들)의 조성을 변경하기 위해 제조에 또는 산업적 규모로 사용하고자 하는 방법을 지칭한다.
용어 "촉매 물품"은 원하는 반응을 촉진시키는데 사용되는 요소를 지칭한다.
용어 "기능성 물품"은 원하는 반응을 촉진시키고 및/또는 흡착 기능을 제공하는데 사용되는 요소, 즉 하나 이상의 촉매 및/또는 흡착제 조성물을 함유하는 요소를 지칭한다.
"본질적으로 동일한"이라는 용어는 예를 들어 ±6%, ±5%, ±4%, ±3%, ±2%, ±1%, ±0.5%, ±0.4%, ±0.3% ±0.2%, ±0.1% 또는 ±0.05%의 허용오차 내임을 의미한다.
본원에서 단수형 표현은 그 문법적 대상의 하나 또는 하나 초과(예를 들어, 적어도 하나)를 지칭한다. 여기에 인용된 범위는 모두 포함된다. 전반적으로 사용되는 "약"이라는 용어는 작은 변동을 기술하고 설명하는데 사용된다. 예를 들어, "약"은 숫자 값이 ±5%, ±4%, ±3%, ±2%, ±1%, ±0.5%, ±0.4%, ±0.3%, ±0.2%, ±0.1% 또는 ±0.05%이다. 모든 숫자 값은 명시적으로 표시되는지 여부에 관계 없이 "약"이라는 용어로 수정된다. "약"이라는 용어로 수정된 숫자 값은 특정 확인된 값을 포함한다. 예를 들어 "약 5.0"은 5.0을 포함한다.
"귀금속 성분"은 귀금속 또는 이의 화합물, 예컨대 산화물을 지칭한다. 귀금속은 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 오스뮴, 이리듐, 백금 및 금이다.
"백금족 금속 성분"은 백금족 금속 또는 이의 화합물, 예를 들어 산화물을 지칭한다. 백금족 금속은 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐 및 백금이다.
귀금속 성분 및 백금족 금속 성분은 또한 임의의 화합물, 착물 등을 지칭하며, 이들은 이의 소성 또는 사용시, 분해되거나 또는 달리 촉매적 활성 형태, 일반적으로 금속 또는 금속 산화물로 전환된다.
촉매 금속 섬유
코어/쉘 또는 클래딩된(cladded) 구조를 갖는 본 발명의 촉매 금속 섬유는, 예를 들면, 베브크(Bevk)의 미국 특허 출원 공개 제 2015/0118599 호에 기술되어 있으며, 이를 본원에 참고로 인용한다. 예를 들어, 코어 및 쉘(클래딩)을 포함하는 초기 복합체 섬유는 더 작은 조각으로 절단되거나, 먼저 기계적으로 크기 감소된 다음 더 작은 조각으로 절단된다. 이러한 더 작은 조각은 금속 매트릭스에 삽입될 수 있으며, 전체 구조는 일련의 감소 단계에서 기계적으로 더욱 감소될 수도 있다. 상기 공정은 원하는 필라멘트 크기가 얻어질 때까지 반복될 수 있다. 이어서 매트릭스가 화학적으로 제거되어 개개의 클래딩된 필라멘트를 노출시킬 수 있다.
초기 복합체 섬유는 코어 물질의 로드(rod)를 쉘 물질의 튜브 내로 삽입함으로써 형성될 수 있거나, 대안적으로, 코어 물질의 로드를 쉘 물질의 호일(foil) 층으로 감쌀 수 있다. 기계적 감소는 스웨이징(swaging), 연신(drawing), 압출, 롤링 등을 포함한다.
본 발명의 촉매 활성의 클래딩된 금속 섬유는 평균적으로 약 1㎛, 약 2㎛ 또는 약 3㎛ 내지 약 4㎛, 약 5㎛, 약 6㎛, 약 7㎛, 약 8㎛, 약 9 ㎛ 또는 약 10 ㎛의 코어 직경을 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 코어는 약 10 ㎛, 약 20 ㎛, 약 30 ㎛, 약 40 ㎛, 약 50 ㎛ 또는 약 60 ㎛ 내지 약 70 ㎛, 약 80 ㎛, 약 90 ㎛, 약 100㎛, 약 110㎛, 약 120㎛, 약 130㎛, 약 140㎛ 또는 약 150㎛의 평균 직경을 가질 수 있다. 쉘 두께가 나노-크기이므로, 이러한 코어 직경 범위는 또한 최종 클래딩된 섬유 또는 필라멘트의 평균 직경을 나타낸다. 그러한 더 작은 직경 때문에, 본 발명의 촉매 활성의 클래딩된 금속 섬유는 외부 기하학적 표면적이 크며 따라서 배기 가스와 접촉되는 촉매 표면적이 크다.
섬유의 코어에 사용되는 금속은 예를 들어 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 스테인레스 강, 니켈, 니켈/크롬 합금, 철/크롬 합금 및 귀금속으로 이루어진 군 중에서 선택될 수 있다. 쉘(클래딩)은 유리하게는, Pt, Pd, Rh, Au, Ag, Ru, Ir 및 이들의 합금으로 이루어진 군 중에서 선택된 촉매 활성 금속 성분을 포함한다. 예를 들어, 쉘은 Pt, Pd, Rh 또는 이들의 합금을 포함한다. 쉘은 단일 적용된 클래딩 층을 포함할 수 있다. 대안적으로, 쉘은, 상이한 금속들을 포함할 수 있는 다수의 적용 층, 예를 들어 Pt 층 위에 Pd 층 또는 Pd 층 위에 Pt 층을 포함할 수 있다. 다른 가능한 조합은 비제한적으로, Pd 층 위에 Rh 층, Rh 층 위에 Pd 층, Pd 층 위에 Au 층, Au 층 위에 Pd 층, Rh 층 위에 Pt 층, Pt 층 위에 Rh 층 등을 포함할 수 있다. 다중 층은 하나 초과의 층, 예컨대 2 개, 3 개 또는 4 개의 층을 포함한다.
본 발명의 촉매 활성의 클래딩된 금속 섬유는 예를 들어 약 1nm, 약 2nm 또는 약 3nm 내지 약 4nm, 약 5nm, 약 6nm, 약 7nm, 약 8 nm, 약 9 nm 또는 약 10 nm의 쉘 (클래딩) 두께를 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 쉘은 약 10 nm, 약 20 nm, 약 30 nm 또는 약 40 nm 내지 약 50 nm, 약 60 nm, 약 70 nm, 약 80 nm, 약 90 nm 또는 약 100 nm의 평균 두께를 가질 수 있다. 쉘은 연속형으로서 전체 코어를 덮을 수 있다. 본 발명의 일부 실시양태에서, 쉘 또는 클래딩은 연속적이지 않으며 모든 위치에서 코어를 덮지는 않는다. 평균 두께는 섬유 전체에 걸친 두께이다. 예를 들어 클래딩이 Ag 또는 Ru를 함유하는 경우에, 보다 큰 클래딩 두께, 예를 들어 20nm 이상이 적합하다.
귀금속 (및/또는 하기 기술되는 바와 같은 베이스 금속)을 포함하는 쉘 (클래딩)의 중량 퍼센트는, 클래딩된 금속 섬유의 총 중량을 기준으로 약 0.01% 내지 약 2.0%일 수 있다. 예를 들어, 쉘은 클래딩된 금속 섬유의 총 중량을 기준으로 약 0.02 중량%, 약 0.04 중량%, 약 0.06 중량%, 약 0.08 중량% 또는 약 0.1 중량% 내지 약 0.14 중량%, 약 0.18 중량%, 약 0.22 중량%, 약 0.25 중량%, 약 0.35 중량%, 약 0.42 중량%, 약 0.46 중량%, 약 0.50 중량%, 약 0.55 중량%, 약 0.65 중량%, 약 0.75 중량%, 약 1.0 중량%, 약 1.25 중량%, 약 1.5 중량%, 약 1.75 중량% 또는 약 2.0 중량%일 수 있다.
본 발명의 다른 실시양태에서, 클래딩은 또한 베이스 금속 성분을 포함할 수 있으며, 이는 단독 촉매 활성 금속으로서 사용될 수 있거나 귀금속과 조합하여 사용될 수 있다. 베이스 금속은 Cu, Fe, Ni, Cr, Mo, Mn, Zn Co, W 및 알루미늄을 포함할 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다. 일부 실시양태에서, 베이스 금속 성분은 클래딩된 필라멘트의 제조 중에 귀금속과 함께 포함될 수 있거나 또는 클래딩된 필라멘트가 노출되는 정상적인 작동 조건 하에서 귀금속과 자연스럽게 조합(합금)될 수 있다. 특히, 필라멘트의 코어로부터의 베이스 금속은, 클래딩된 필라멘트가 고온에 노출되는 동안 귀금속 클래딩 내로 이동될 (그와 합금될) 수 있다. 예를 들어, Ni 코어 및 Pt 쉘을 포함하는 필라멘트는 고온에 노출된 후에 Ni 코어 및 PtNi 쉘을 포함하는 필라멘트로 변환될 수 있다. 코어의 조성, 쉘의 조성 및 고온 노출 조건 (예를 들어, 온도, 시간 및 주위 환경)에 따라, 무한한 갯수의 합금 구조 및 조성이 가능하다.
또한, 귀금속 및 베이스 금속 둘다를 포함하는 다중 클래딩 층, 예를 들어 Pt 층 위에 Cu 층, Cu 층 위에 Pt 층, Pd 층 위에 Cu 층, Cu 층 위에 Pd 층, Pt 층 위에 Ni 층, Ni 층 위에 Pt 층, Pt 층 위에 Fe 층, Fe 층 위에 Pt 층 등도 본 발명의 범위 내에 포함된다. 2 개 초과의 클래딩 층, 예컨대 3 개, 4 개 또는 5 개의 층이 또한 가능하다.
본 발명에서 이용되는 촉매 금속 섬유(10)의 예시적인 단면도가 도 1에 도시되어 있으며, 이는, 제 1 클래딩 층(14) 및 임의적인 제 2 클래딩 층(16)으로 둘러싸인 금속 코어(12)를 도시한다.
금속 섬유 펠트
본 발명의 일 실시양태에서, 클래딩된 필라멘트는 비-촉매성 보강 구조적 섬유와 함께 금속 섬유 펠트에 혼입될 수 있다. 구조적 보강 섬유 또는 필라멘트는 평균 직경이 예를 들어 약 1 ㎛, 약 2 ㎛, 약 3 ㎛, 약 4 ㎛, 약 5 ㎛, 약 6 ㎛, 약 7 ㎛, 약 8 ㎛, 약 9 ㎛ 또는 약 10 ㎛ 내지 약 11 ㎛, 약 12㎛, 약 13㎛, 약 14㎛, 약 15㎛, 약 16㎛, 약 17㎛, 약 18㎛, 약 19㎛, 약 20㎛, 약 21㎛, 약 22㎛, 약 23㎛, 약 24㎛, 약 25㎛, 약 30㎛, 약 35㎛, 약 40㎛, 약 45㎛, 약 50㎛, 약 60㎛, 약 70㎛, 약 80㎛, 약 90㎛, 약 100㎛, 약 120 ㎛, 약 130㎛ 또는 약 150㎛이다. 일 실시양태에서, 상기 보강 섬유는 상기 촉매 섬유보다 직경이 평균적으로 더 크다. 상기 금속 섬유 펠트의 상기 보강 구조적 섬유는 본질적으로 동일한 직경을 갖는 균일한 것이거나, 또는 달리 다양한 크기, 길이 및 형상의 범위를 가질 수 있다.
금속 섬유 펠트의 구조적 보강 필라멘트의 금속은 원소 금속 또는 금속 합금, 예컨대 Al, Al 합금, Cu, Cu 합금, Ni, NiCr 합금, 스테인레스 강 또는 FeCr 합금이다. 핵심 요건은 상기 금속 또는 합금이 물리적 일체성을 유지하면서 금속 펠트의 제조를 허용하기에 충분한 안정성을 갖는 것이다. 보강 필라멘트의 조성은 또한 필라멘트가 사용될 환경에 의존한다. 예를 들어, 알루미늄과 구리는 500-600℃ 미만의 저온에서 사용하기에 특히 적합한 반면, FeCr 및 NiCr 합금과 같은 고온 및 산화 내성을 지닌 다른 금속 및 합금은 더 고온에서 사용하기에 더 적합하다.
적합하고 상업용으로 입수가능한 스테인레스 강 금속 합금은 헤인즈(Haynes) 214 합금으로 확인된다. 이 합금 및 다른 유용한 니켈계 합금은, 예를 들어, 헤르헨뢰더(Herchenroeder) 등의 미국 특허 제 4,671,931 호에 기재되어 있으며, 이를 본원에 참고로 인용한다. 이 합금은 산화 및 고온에 대한 높은 내성을 특징으로 한다. 특정 예는 약 75 중량%의 니켈, 약 16 중량%의 크롬, 약 4.5 중량%의 알루미늄, 약 3 중량%의 철, 임의적으로 미량의 하나 이상의 희토류 금속(이트륨을 제외함), 약 0.05 중량%의 탄소 및 강 제조 불순물을 함유한다. 본 발명에 또한 유용한 헤인즈 230 합금은 약 22 중량%의 크롬, 약 14 중량%의 텅스텐, 약 2 중량%의 몰리브덴, 약 0.10 중량%의 탄소, 미량의 란타늄 및 나머지량의 니켈을 함유하는 조성을 갖는다.
적합한 합금은 또한, 철이 실질적인 또는 주요 성분인 것, 예를 들어 FeCr 합금 및 페라이트계 스테인레스 강을 포함한다. FeCr 합금은 니켈, 크롬 및 알루미늄 중 하나 이상을 함유할 수 있으며, 이들 금속의 총량은 유리하게는 상기 합금의 약 15 중량% 이상을 차지할 수 있으며, 예를 들어 약 10 내지 약 25 중량%의 크롬, 약 1 내지 약 8 중량%의 알루미늄, 및 0 내지 약 20 중량%의 니켈, 나머지량의 철을 포함할 수 있다. FeCr 합금은 FeCrAl 합금을 포함하며, 이는 예를 들어 약 10 내지 약 25 중량% 크롬, 약 3 내지 약 8 중량% 알루미늄, 임의적인 미량의 희토류 금속 및/또는 다른 전이 금속, 및 나머지량의 철을 포함한다. 적합한 FeCrAl 합금은 페크랄로이®이며, 이는 Fe 72.8/Cr 22/Al 5/Y 0.1/Zr 0.1의 중량비를 갖는 합금이다.
또한, 미국 특허 제 4,414,023 호에 기재된 것과 같은 "페라이트계" 스테인레스 강이 적합하다. 적합한 페라이트계 스테인레스 강 합금의 예는 약 20%의 크롬, 약 5%의 알루미늄 및 약 0.002% 내지 약 0.05%의, 세륨, 란타늄, 네오디뮴, 이트륨 및 프라세오디뮴으로부터 선택된 적어도 하나의 희토류 금속 또는 이러한 희토류 금속 2 종 이상의 혼합물, 나머지량의 철 및 미량의 강 제조 불순물을 함유한다.
페라이트계 스테인레스 강 및 헤인즈 합금 214 및 230 (이들 모두 스테인레스 강으로 간주됨)이, 본 발명에 유용한 내고온성 내산화성(또는 내부식성) 금속 합금의 예이다.
알루미늄 합금은 예를 들어 구리, 아연, 마그네슘, 망간, 규소 또는 주석 중 하나 이상을 함유할 수 있다. 구리 합금은 예를 들어 아연, 주석, 알루미늄, 규소, 니켈, 철 또는 망간 중 하나 이상을 함유할 수 있다.
본 발명에 사용하기에 적합한 금속 합금은 예를 들어, "고온", 예를 들어, 약 500℃ 내지 약 1200℃(약 932℉ 내지 약 2012℉)에서 장기간 동안 견딜 수 있어야 한다. 다른 내고온성 내산화성 금속 합금도 알려져 있고 적합할 수 있다.
코어/쉘 촉매 섬유의 코어의 금속 및 보강 필라멘트의 금속은 동일하거나 상이할 수 있다. 필라멘트를 보강하기에 적합한 본원에 기술된 임의의 금속이 또한 코어에 적합할 수 있으며 그 반대일 수도 있다. 귀금속 (예를 들면, 은 또는 루테늄)도 포함된다. 핵심 요건은, 코어와 클래딩의 금속 또는 합금이, 코어와 클래딩 둘다의 물리적 일체성을 유지하면서도 클래딩된 필라멘트의 제조를 허용할 정도의 충분한 상용성을 갖는 것이다. 클래딩된 필라멘트가 기계적 감소 기술에 의해 제조된다면, 코어 금속은 유리하게는 백금족 금속 클래딩과 상용성인 기계적 특성을 갖는다. 예로는 Ni, NiCr 합금, Cu, 및 Ag 및 Ru를 포함하는 귀금속이 있다. 코어의 조성은 또한 필라멘트가 사용될 환경에 달려 있다. 예를 들어, 알루미늄, 구리 및 은은 500-600℃ 미만과 같은 저온에서 사용하기에 특히 적합하고, 반면에 FeCr 합금과 같은 고온 및 산화 내성을 갖는 다른 금속 및 합금은 더 고온에서 사용하기에 더 적합하다.
본 발명의 금속 펠트 기재에 조합된 클래딩된 섬유 대 보강 섬유의 중량비는, 충분한 배기 가스 처리를 달성하는데 필요한 클래딩된 (촉매) 섬유의 조성 및 밀도, 구조적 섬유의 조성 및 밀도, 클래딩된 (촉매) 섬유의 두께, 보강 구조적 섬유의 두께, 클래딩 (촉매 금속)의 두께, 및 클래딩 금속의 양 (중량)을 비롯한 (이들에 국한되지 않음) 많은 인자들에 의존한다. 예를 들어, 촉매 섬유는 보강 섬유를 포함하는 금속 펠트의 총 중량의 약 5 내지 100 중량%로 포함될 수 있다. 예를 들어, 금속 펠트 내의 촉매 섬유 대 보강 섬유의 중량비는 약 1:20, 약 1:15, 약 1:10, 약 1:5 또는 약 1:2 내지 약 2:1, 약 5:1, 약 10:1, 약 15:1 또는 약 20:1 (예를 들어, 약 1:1)이다.
본 발명의 핵심적 이점은, 클래딩된 섬유 또는 필라멘트가 섬유 또는 필라멘트 표면 상의 촉매 활성 금속의 이용성으로 인해 촉매 작용을 한다는 것이다. 금속 섬유 펠트에 혼입되고 이어서 3차원 모노리쓰 구조물 (금속 섬유 펠트 기재)로 조립될 때, 상기 구조물 자체가, 당업계에 일반적으로 공지된 촉매 코팅의 적용을 필요로 하지 않으면서 촉매로서 작용한다. 추가로 첨가되는 촉매 조성물의 부재는 낮은 배압(back pressure), 배기 가스의 촉매 금속 쉘로의 빠른 확산, 및 우수한 장기 황-내성을 비롯한 이점을 제공한다. 또한, 상기 금속 섬유 펠트는 냉-시동 조건과 같은 저온 배기 조건에서 요구되는 신속한 전기 저항성 가열을 가능하게 할 것이다.
본 발명의 다른 실시양태에서, 클래딩된 섬유는 추가의 보강 섬유를 필요로하지 않으면서도 금속 섬유 펠트에 혼입되기에 충분한 구조 안정성을 제공할만큼 두껍다. 예를 들어, 클래딩된 섬유에 대한 그러한 적합한 평균 직경은 약 5 ㎛, 약 7 ㎛, 약 10 ㎛, 약 15 ㎛, 약 20 ㎛ 또는 약 25 ㎛ 내지 약 30 ㎛, 약 35 ㎛, 약 40 ㎛ 또는 약 50 ㎛이다. 예를 들어, 일 실시양태에서, 비교적 두꺼운 클래딩된 섬유 (예를 들어, 5㎛ 초과 또는 10㎛ 초과 또는 15㎛ 초과 또는 20㎛ 초과의 평균 직경을 갖는 클래딩된 섬유)는 보강 섬유 부재하에 또는 보강 섬유를 실질적으로 함유하지 않는 상태에서 사용된다. 이 실시양태에서, 상대적으로 두꺼운 클래딩된 섬유는 클래딩 내에 전술한 바와 같은 베이스 금속을 하나 이상 포함할 수 있고, 클래딩은 귀금속을 실질적으로 함유하지 않거나 또는 임의적으로 귀금속을 함유할 수 있다.
본 발명에 유용한 금속 섬유 펠트는 부직 클래딩된 섬유 또는 필라멘트 및 임의적으로 구조적 보강 섬유 또는 필라멘트의 서로 얽힌(interwined) 랜덤 어레이를 포함할 수 있다. 달리, 금속 섬유 펠트는 직조된 섬유 또는 필라멘트를 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서는, 클래딩된 섬유는 부직형인 반면 구조적 섬유는 직조형이다. 다른 실시양태에서는, 구조적 보강 섬유가 부직형이고, 클래딩된 섬유가 직조형이다.
적합한 금속 섬유 펠트는 약 50㎛, 약 75㎛, 약 100㎛, 약 125㎛, 약 150㎛, 약 175㎛, 약 200㎛ 또는 약 225㎛ 내지 약 250㎛, 약 275㎛, 약 300㎛, 약 325㎛, 약 350㎛, 약 375㎛, 약 400㎛, 약 425㎛, 약 450㎛, 약 475㎛ 또는 약 500㎛의 평균 두께를 가질 수 있다. 금속 섬유 펠트는 대안적으로 약 200 ㎛ 내지 약 1 인치(25,400 ㎛), 예를 들어 약 300 ㎛ 내지 약 20,000 ㎛, 약 400㎛ 내지 약 18000㎛, 약 500㎛ 내지 약 15000㎛ 또는 약 600㎛ 내지 약 12000㎛의 평균 두께로, 더 두꺼울 수도 있다.
금속 섬유 펠트는 매우 다공성이어서 이의 두께 전체에 걸쳐 고도의 기공 부피(기공) 또는 "빈 공간"을 나타낸다. 예를 들어, 금속 섬유 펠트의 기공 부피는, 평균적으로, 금속 펠트의 총 부피의 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 50% 또는 약 55% 내지 약 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90% 또는 약 95%이다. 이 기공 부피는, 이후 자세히 기술하는 바와 같이, 임의의 촉매 및/또는 흡착제 조성물 (기능성 조성물) 적용 전의 것이다. 일부 실시양태에서, 기공 부피는, 촉매 및/또는 흡착제 조성물로 처리/담지되기 전에, 평균적으로, 금속 펠트의 총 부피의 약 20% 내지 약 95% 또는 약 50% 내지 약 95%일 수 있다.
클래딩된 필라멘트의 일체성이 유지되고 필라멘트가 손상되거나 파괴되지 않는 한 금속 섬유 펠트가 어떤 공정으로 제조되는지는 중요하지 않다. 금속 섬유 펠트는 예를 들어 압축 하에서 금속 섬유를 소결하는 것을 포함하는 공정에 의해 제조된다. 이러한 방법은 예를 들어, 코토프(Kotthoff) 등의 미국 특허 출원 공개 제 2011/0209451 호에 기재되어 있으며, 이를 본원에 참고로 인용한다.
촉매 물품
본 발명의 추가적인 실시양태에서, 클래딩된 필라멘트를 포함하는 금속 섬유 펠트는 적층, 코일화, 권선 또는 절접되어 복수의 금속 섬유 펠트 층을 갖는 3차원 구조물을 제공할 수 있다. 또한, 주름을 갖는 적층형, 코일형, 권선형 또는 절접형 금속 섬유 펠트는, 복수의 금속 섬유 펠트 층 및 구조물의 입구 면으로부터 출구 면을 통해 연장되는 복수의 채널(가스 유동 통로)(통로는 그를 통한 유체 유동에 대해 개방됨)을 가진 3차원 구조물을 제공할 것이다. 섬유 펠트를 포함하는 채널 벽은, 내부 혼입된 촉매 섬유와 유동 가스가 접촉하는 고 기하학적 표면적을 제공한다. 주름이 없는 경우에도, 금속 섬유 펠트의 다공성은, 3차원 구조물의 입구 면으로부터 출구 면으로의 다수의 랜덤하고 꼬불꼬불한 가스 유동 통로를 생성할 것이다. 주름진 층들은 또한 격리(secluding) 층이라 불리는 편평한 층에 의해 그들 사이가 분리될 수 있다. 금속 섬유 펠트를 포함하는 삼차원 구조물은 또한 금속 섬유 펠트 기재로 지칭될 수 있다.
금속 재킷 또는 맨틀(42) 내에 수용된 복수의 금속 섬유 펠트의 층(44)을 포함하는 촉매 물품(40)의 일 실시양태가 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다. 도 2c는 본 발명의 코일화된 주름진 금속 펠트(52)의 다중 층이 금속 호일(50)의 개재된 격리 층과 함께 보여질 수 있도록 한 도 2a의 추가 확대도를 도시한다. 도 2a에 도시된 유형의 예시적인 촉매 물품은 직경이 5.66"이고, 길이가 3"이고 공칭(nominal) 채널 밀도가 400cpsi이다.
본 발명의 클래딩된 필라멘트를 포함하는 금속 섬유 펠트는, 임의의 적용된 표면 구조물 없이 편평할 수 있다. 대안적으로, 본 발명의 다른 실시양태에서, 금속 섬유 펠트는 유리하게는 주름형일 수 있다. 주름은 전통적인 수단/장비로 달성될 수 있다. 다양한 비제한적인 주름 형태가 도 3a 내지 3d에 도시되어 있다.
클래딩된 필라멘트를 포함하는 금속 섬유 펠트 기재를 포함하는 촉매 물품은 입구 단부, 출구 단부, 축 방향 길이 및 축 방향 폭을 갖는다. 물품의 입구 단부는 "상류" 단부 또는 "전방" 단부와 동의어이다. 출구 단부는 "하류" 단부 또는 "후방" 단부와 동의어이다. 상류 단부는 예를 들어 내연 기관과 같은 배기 가스의 공급원 쪽이다.
본 발명의 물품에서는, 주름진 층 및 격리 층 둘다가 금속 섬유 펠트를 포함할 수 있다. 대안적으로, 주름진 층은 금속 섬유 펠트를 포함할 수 있고 격리 층은 금속 호일을 포함할 수도 있고, 또는 주름진 층은 금속 호일을 포함할 수 있고 격리 층은 금속 섬유 펠트를 포함할 수도 있다.
격리 호일은 예를 들어 편평한 호일, 에칭 홀(hole)이 있는 편평한 호일 또는 당업계에 일반적으로 알려진 마이크로-리플(micro-ripple) 호일이다. 격리 호일은 주름형 금속층 (예를 들면, 주름형 금속 섬유 펠트 층) 사이의 부가적인 지지 호일이다. 편평한 격리 호일은 예를 들어 약 10 ㎛ 내지 약 150 ㎛, 또는 약 25 ㎛ 내지 약 125 ㎛, 또는 약 40 ㎛ 내지 약 95 ㎛의 두께를 갖는다.
복수의 금속 펠트 층을 포함하는 적층형, 코일형, 권선형 또는 절접형 조성물은 삼차원 구조를 갖는 적층형, 코일형, 권선형 또는 절접형 매트릭스를 제공한다. 상기 매트릭스는 도 2a에 도시된 바와 같은 금속 재킷 또는 맨틀 내에 삽입될 수 있으며, 매트릭스의 주변부가 맨틀 내부에 결합될 수 있다. 금속층들은 납땜에 의해 함께 융합될 수 있다. 채널 개구들은 도 2b 및 도 2c에서 명백히 볼 수 있다.
주름의 가공 조건에 따라, 적층형, 코일형, 권선형 또는 절접형 조성물에 의해 형성된 채널은 사다리꼴, 직사각형, 정사각형, 정현파형, 육각형 등과 같은 다양한 크기 또는 모양을 가질 수 있다. 전형적으로, 본 발명의 물품은 가스 유동에 수직인 단면적의 제곱 인치당 약 60 개의 셀(cpsi) 내지 약 500 cpsi 또는 약 900 cpsi 이하, 예를 들어 약 200 내지 약 400 cpsi의 셀(채널) 밀도를 갖는다.
상부에 코팅된 기능성 촉매 또는 흡착제 조성물이 불침투성 기재 벽의 존재로 인해 단지 한면에서만 배기 가스와 접촉되는 종래의 세라믹 또는 금속 호일 기재와는 달리, 본 발명의 금속 섬유 펠트 기재의 다공성 벽은 상기 펠트 내에 혼입된 클래딩된 섬유 및 필라멘트를 상기 펠트의 양 측면에서 배기 가스와 접촉할 수 있게 한다. 이는, 클래딩된 필라멘트 표면에 대한 가스 오염물의 확산 한계를 최소화하고, 기능성 물품의 압력 강하를 감소시킨다. 충분히 높은 기공 부피 분율을 갖는 금속 섬유 펠트의 경우, 배기 가스는 상기 개방 채널 및 상기 채널의 다공성 벽 내로 이동할 수 있으며, 이로써 확산 제한을 더욱 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상이한 클래딩들을 포함하는 필라멘트들이 동일한 섬유 펠트에 조합될 수 있다. 이것은 펠트가 CO 및 탄화수소 산화 및 NOx 환원과 같은 다중 촉매 작용을 달성할 수 있게 한다. 예를 들어, Pd 클래딩을 포함하는 필라멘트는 Rh 클래딩을 포함하는 필라멘트와 조합되되 Pd 및 Rh 클래딩된 필라멘트가 펠트 전체에 균일하게 분포되고 서로 근접하게 위치하도록 할 수 있다. 대안적으로, Pd 및 Rh 클래딩된 필라멘트들은 제조 중에 펠트의 상이한 영역들에 분리될 수 있다. 펠트가 금속 섬유 펠트 모노리쓰와 같은 3차원 구조물로 적층, 코일화, 권취 또는 절접될 때, 상이한 클래딩들을 갖는 섬유들은 상기 구조물의 폭 및 길이 전체에 걸쳐 균일하게 분포될 수 있거나 또는 특정 영역들에 분리될 수 있다. 예를 들어, 하나의 클래딩을 갖는 필라멘트는 구조물의 입구 단부에 편재될 수 있고, 다른 클래딩을 갖는 필라멘트는 출구 단부에 편재될 수 있다.
따라서, 금속 섬유 펠트를 포함하는 촉매 물품은, 하나의 단부 쪽으로는 특정 촉매 기능을 갖고 다른 단부 쪽으로는 또 다른 촉매 기능을 갖는 "구역화된" 것일 수 있다. "구역"은 물품의 임의의 축 방향 길이, 예를 들어 축 방향 길이의 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45% 또는 약 50% 내지 약 55%, 약 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90% 또는 약 95%일 수 있다.
금속 섬유 펠트는 적어도 2 종의 상이한 촉매 섬유들을 포함할 수 있다. 적어도 2 종의 상이한 촉매 섬유들은 금속 섬유 펠트에 임의의 중량비, 예를 들어 약 1:20, 약 1:15, 약 1:10, 약 1:5 또는 약 1:2 내지 약 2:1, 약 5:1, 약 10:1, 약 15:1 또는 약 20:1 (예를 들어, 약 1:1)로 존재할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 촉매 쉘 금속은 전기 도금 및 무전해 침착을 비롯한 방법에 의해 코어 섬유에 적용될 수 있다. 이것은 개별 섬유 또는 필라멘트에 대해 또는 금속 섬유 펠트 내로 혼입된 섬유 및 필라멘트의 집합체에 대해 수행될 수 있다. 대안적으로, 쉘 물질은, 펠트를 3차원 구조물 (금속 펠트 기재)로 주름 형성(임의적임) 및 후속 적층, 코일화, 권취 또는 절접한 후, 금속 펠트의 섬유에 적용될 수 있다. 이때, 클래딩된 섬유는 균일하여 본질적으로 동일한 평균 직경을 가지거나, 또는 대안적으로, 다양한 크기, 길이 및 형상의 범위를 가질 수 있다.
본 촉매 물품은 전기적 가열에 적합하다. 전기적으로 가열된 촉매는 예를 들어 촉매 변환기 어셈블리 내부의 가열 코일 또는 가열 요소를 포함한다. 가열 코일 또는 요소는 전기 에너지에 의해 활성화된다. 예를 들어, 가열 코일 또는 요소는, 엔진이 시동된 직후에 통전되어, 엔진 배기 가스에 의해 정상적으로 달성되는 것보다 훨씬 빠르게 촉매를 작동 온도까지 상승시킨다. 본 발명의 클래딩된 필라멘트는 그 자체가 금속으로 구성되기 때문에, 전기 에너지에 의해 활성화될 때 가열 요소로서 직접 기능하여, 필라멘트 표면 상의 촉매 활성 클래딩을 매우 빠르게 가열할 수 있다. 금속 펠트에서 다른 구조 금속 섬유와 조합되고 이어서 3차원 금속 펠트 기재로 형성될 때, 클래딩된 필라멘트 및 구조적 필라멘트 둘다를 포함하는 전체 기재는 촉매 필라멘트 및 임의적으로 적용된 코팅된 조성물의 신속한 가열 및 꺼짐(light-off)을 제공하는 가열 요소로서 기능할 것이다.
"전기적으로 가열되는 촉매 물품"은, 하나 이상의 가열 코일 또는 요소가 그와 결합됨을 의미한다. 본 발명의 촉매 물품은 그와 결합된 하나 이상의 가열 코일 또는 요소를 가질 수 있다. 대안적으로, 본 발명의 촉매 물품은 자체적으로, 임의의 부가적인 가열 코일 또는 요소 없이, 전기적으로 가열되는 촉매 물품으로서 적합할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 촉매 물품은, 물품을 전기적으로 가열 (전기 저항성 가열)하기 위해 전압이 인가될 수 있는 전기 단자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 이는, 본 발명에 따른 금속 펠트(62)의 복수의 층을 포함하고 또한 촉매 물품의 가열을 위해 촉매 물품의 외부에 인접하여 가열 요소(64)를 갖는 촉매 물품(60)을 도시한다. 가열 요소(64)는, 가열 요소에 전력을 전달하기 위해 배터리와 같은 전원(도시되지 않음)에 작동가능하게 연결될 것이다. 대안적으로, 촉매 물품(60)은, 물품 자체가 저항성 가열을 제공하도록, 배터리와 같은 전원(도시하지 않음)으로부터 촉매 물품(60)에 직접 전류를 전달하기 위한 전기 단자(66, 66')를 포함할 수 있다. 간결성을 위해 도 4의 동일한 실시양태에 가열 공급원 둘다가 도시되어 있지만, 전형적으로 이들은 함께 사용되지는 않는다.
촉매 또는 흡착성 코팅
본 발명의 특정 실시양태에서는, 그러나, 섬유 상에 및 금속 섬유 펠트 기재의 기공 내에 배치된 촉매 또는 흡착제 조성물을 포함하는 기능성 코팅 조성물을 추가로 포함하는 것이 유리할 수 있다. 일 실시양태에서, 상기 기능성 코팅은 촉매 조성물을 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 상기 기능성 코팅은 흡착제 조성물을 포함할 수 있다. 촉매 및 흡착제 조성물 모두를 포함하는 기능성 코팅이 또한 포함된다.
특정 실시양태의 촉매 및/또는 흡착제 조성물은 금속 섬유 상에 배치되고 그에 부착된 상태로 존재한다. 상기 촉매 및/또는 흡착제 조성물은 또한 다공성 금속 섬유 펠트의 기공 내에 존재한다 (기공을 점유한다). 기공 내의 촉매 및/또는 흡착제 조성물은 금속 섬유 또는 필라멘트에 부착된 상태로 존재한다. 상기 촉매 및/또는 흡착제 조성물은 펠트의 내부를 향한 금속 섬유 상에 및/또는 펠트 표면의 금속 섬유 상에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 촉매 및/또는 흡착제 조성물은 섬유 펠트의 내부 전체에 걸쳐 분포될 수 있고 또한 섬유 펠트의 표면 상에도 배치될 수도 있다.
촉매 및/또는 흡착제 조성물은 또한, 3차원 구조물로 적층, 코일화, 권취 또는 절접되기 전에 본 물품의 금속 펠트 및/또는 격리 금속 호일에 개별적으로 적용될 수 있다. 금속 호일 상에 침착된 촉매 및/또는 흡착제 조성물은 금속 섬유 펠트 내에 배치된 것과 동일하거나 상이할 수 있다. 또한, 금속 섬유 펠트는 부가된 촉매 조성물을 함유하지 않을 수 있으며 (촉매 코팅 없음), 임의의 금속 호일 격리 층이 촉매 코팅을 함유할 수 있다. 격리 층은 금속 호일 또는 금속 펠트를 포함할 수 있다.
금속 펠트 기공 내에, 금속 펠트 표면 상에, 또는 금속 호일 표면 상에 존재하는 촉매 및/또는 흡착제 조성물은 본원에서는 "기능성 코팅", 보다 구체적으로는 "촉매 코팅" 또는 "흡착제 코팅"으로 언급될 수 있다.
본 발명의 특정 양태의 촉매 조성물은 촉매 활성 금속 및 지지체를 포함한다. 촉매 활성 금속은 Fe, Cu, Ni, Zn, Mn, Mo, V 또는 Co와 같은 베이스 금속이거나 또는 귀금속, 예를 들어 백금족 금속이다. 예를 들어, 가스 오염물을 처리하는데 유용한 본 촉매 조성물은 지지체 입자 상의 백금족 금속(PGM), 예를 들어 백금, 팔라듐 또는 로듐을 포함한다. 백금족 금속 성분은 예를 들어 약 1:10 내지 약 10:1, 예를 들어 약 1:5 내지 약 5:1의 중량비의 백금과 팔라듐의 혼합물을 포함할 수 있다. 활성 금속은 원소형 금속 또는 금속 화합물, 전형적으로 산화물 화합물로서 존재할 수 있다.
촉매 및/또는 흡착제 조성물은, 기능성 활성 종을 추가로 포함하는 하나 이상의 지지체 (내화성 무기 고체 산화물 다공성 분말)를 포함할 수 있다. 촉매 조성물은 전형적으로, 촉매 활성 종을 상부에 갖는 지지체를 함유하는 워시코트의 형태로 적용될 수 있다. 흡착제 조성물은 전형적으로, 흡착 활성 종을 함유하는 워시코트의 형태로 적용될 수 있다. 촉매 및 흡착제 조성물은 또한 단일 워시코트에 조합될 수도 있다. 워시코트는, 액체 비히클 중에 특정 고형분 함량(예를 들어, 약 10 내지 약 60 중량%)의 지지체를 함유하는 슬러리를 제조한 후, 이를 금속 섬유 펠트 또는 3차원적 금속 섬유 펠트 기재에 적용하고 건조 및 소성시켜 코팅층을 제공함으로써 형성된다. 다중 코팅층이 적용된다면, 각 층이 적용된 후 및/또는 원하는 수의 다중 층이 적용된 후에 기재가 건조되고 소성된다.
촉매 및/또는 흡착제 조성물은, 결합제, 예를 들어 적합한 전구체 (예컨대, 지르코닐 아세테이트 또는, 임의의 다른 적합한 지르코늄 전구체, 예컨대 지르코늄니트레이트)로부터 유도된 ZrO₂결합제를 사용하여 제조될 수 있다. 지르코닐 아세테이트 결합제는 열 노화 후에, 예를 들어 촉매가 약 600℃ 이상의 고온, 예를 들어 약 800℃ 이상의 고온 및 약 5% 이상의 고 수증기 환경에 노출되는 경우에, 균질하고 손상되지 않는 상태로 유지되는 코팅을 제공한다. 다른 잠재적으로 적합한 결합제는 알루미나 및 실리카를 포함하지만 이에 국한되지 않는다. 알루미나 결합제는 알루미늄 산화물, 알루미늄 수산화물 및 알루미늄 옥시수산화물을 포함한다. 알루미늄 염 및 콜로이드 형태의 알루미나가 또한 사용될 수 있다. 실리카 결합제는 실리케이트 및 콜로이드성 실리카를 비롯한 다양한 형태의 SiO₂를 포함한다. 결합제 조성물은 지르코니아, 알루미나 및 실리카의 임의의 조합물을 포함할 수 있다.
본 촉매 및/또는 흡착제 기능성 조성물은 금속 섬유 펠트 기재 부피를 기준으로 예를 들어 약 0.1 g/in³내지 약 8.0 g/in³범위; 약 0.3 g/in³내지 약 7.0 g/in³범위; 또는 약 0.4 g/in³, 약 0.5 g/in³, 약 0.6 g/in³, 약 0.7 g/in³, 약 0.8 g/in³, 약 0.9 g/in³또는 약 1.0 g/in³내지 약 1.5 g/in³, 2.0g/in³, 2.5g/in³, 3.0g/in³, 3.5g/in³, 4.0g/in³, 4.5g/in³, 5.0g/in³, 5.5g/in³, 6.0g/in³, 약 6.5 g/in³, 약 7.0 g/in³, 약 7.5 g/in³또는 약 8 g/in³범위의 담지량(농도)으로 금속 섬유 펠트 상에/내에 존재한다. 이는 기재의 부피당 촉매 코팅의 건조 고형분 중량을 나타낸다. 이 담지량 수준은 또한 격리 호일에 적용된 촉매 및/또는 흡착제 기능성 코팅에 대한 것이다.
금속 섬유 펠트의 고 기공 부피는 기능성 조성물의 고 담지량을 허용한다. 이는, 기능적 성능을 극대화하기 위해 촉매 또는 흡착제 종을 많이 필요로 하는 응용 분야에 특히 유리하다. 예를 들어, 상기 기능성 조성물은 총 중량 (기능성 조성물과 금속 펠트)의 약 50%까지를 구성할 수 있다. 예를 들어, 기능성 조성물은, 건조 고형분 기준으로, 금속 펠트와 기능성 조성물의 총 중량의 약 2%, 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20% 또는 약 25% 내지 약 30%, 약 40%, 약 45% 또는 약 50%를 구성할 수 있다.
본 발명의 기능성 물품은 예를 들어, 배기 가스 유동이 삼차원 금속 섬유 펠트 구조물의 입구 단부로 들어가고 입구 단부에서 출구 단부로 연장되는 다수의 가스 유동 채널을 통과한 후에 반대쪽 출구 단부를 빠져 나가는 관통-유동 물품일 수 있다. 특정의 고 기능성 조성물 담지량에서, 금속 섬유 펠트를 포함하는 채널 벽은 기능성 조성물로 완전히 충전/플러깅되어, 벽을 통한 가스 유동이 확산을 통하지 않고는 가능하지 않게 된다. 본 발명의 기능성 촉매 및/또는 흡착제 조성물은 기능성 조성물로 코팅하기 전에 존재하는 금속 섬유 펠트 기재의 원래 기공 부피의 약 5%, 약 10%, 약 20%, 약 30%, 약 40% 또는 약 50% 내지 약 60%, 약 70%, 약 80%, 약 95%, 또는 약 100%를 차지할 수 있다.
불침투성 기재 벽의 존재로 인해 기능성 조성물이 단지 한쪽 측면에서만 배기 가스와 접촉되는 통상의 세라믹 또는 금속 호일 기재와는 달리, 본 발명의 코팅된 금속 섬유 펠트 기재의 다공성 벽은, 기능성 조성물이 펠트의 양쪽 측면에서 배기 가스와 접촉될 수 있다. 이는, 특히 금속 펠트 기공 부피의 100% 미만이 상기 기능성 촉매 및/또는 흡착제 조성물로 점유되는 경우에, 더 두꺼운 코팅의 이용을 가능하게 하고 기능적 성능의 확산 제한을 최소화한다.
일부 실시양태에서, 본 발명의 기능성 물품은 예를 들어, 3차원 금속 섬유 펠트 구조물의 입구 단부로 들어가는 배기 가스 유동이 펠트의 벽을 통과한 후에 물품의 출구 단부를 빠져나가는 벽-유동 물품일 수 있다. 이러한 구성은, 채널 벽 (금속 펠트)이 배기 가스의 통과를 허용하기에 충분한 다공성을 갖는 경우에만 가능하다. 펠트가 클래딩된 필라멘트로 구성되고 부가적으로 적용되는 촉매 또는 흡착제 코팅이 없는 실시양태의 경우, 물품의 여과 효율과 압력 강하의 균형을 맞추기 위해 펠트의 다공성이 최적화되어야 한다. 펠트가 클래딩된 필라멘트로 구성되고 부가적으로 촉매 또는 흡착제 코팅을 포함하는 실시양태의 경우, 물품의 여과 효율 및 압력 강하의 균형을 맞추기 위해서는 펠트의 다공성 및 촉매 또는 흡착제 담지량 둘다가 최적화되어야 한다. 어느 경우이든, 임의의 임의적인 촉매 또는 흡착제 코팅을 포함하는 금속 섬유 펠트의 기공 부피는, 평균적으로, 금속 펠트의 총 부피의 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 50% 또는 약 55% 내지 약 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85% 또는 약 90%일 수 있다.
물품 셀의 일부분은 물품의 입구 및/또는 출구 면에서 완전히 또는 부분적으로 차단될 수 있으며, 예를 들어 대략 모든 다른 셀이 입구 및/또는 출구 면에서 완전히 또는 부분적으로 차단된다. 이러한 물품은 벽-유동 물품을 제공할 수 있다.
특히, 클래딩된 필라멘트를 포함하는 3차원 구조물(예컨대 금속 펠트 모노리쓰)에 적용된 기능성 촉매 조성물은 디젤 산화 촉매(DOC), 희박 NOx 트랩(LNT), 삼-방향 촉매(TWC), 암모니아 산화 촉매(AMOx), 또는 선택적 접촉 환원(SCR) 촉매를 포함할 수 있다.
특히, 기능성 흡착제 조성물은 탄화수소 또는 암모니아와 같은 기체 성분을 흡착하기 위한 제올라이트와 같은 분자체를 포함하거나 또는 NO2 및 SO2 및 SO3와 같은 산성 기체를 흡착하기 위한 알칼리 토금속 산화물 또는 탄산염과 같은 염기성 물질을 포함할 수 있다.
촉매 활성 금속이 침착되는 지지체 물질은 예를 들어, 가솔린 또는 디젤 엔진 배기 가스와 관련된 온도와 같은 고온에서 화학적 및 물리적 안정성을 나타내는 내화성 금속 산화물을 포함한다. 예시적인 금속 산화물은 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 프라세오디미아, 산화 주석 등뿐만 아니라 이들의 물리적 혼합물 또는 화학적 결합물, 예컨대 원자적으로 도핑된 조합물 및 고 표면적 또는 활성화된 화합물, 예컨대 활성 알루미나를 포함한다.
금속 산화물의 조합물, 예컨대 실리카-알루미나, 세리아-지르코니아, 프라세오디미아-세리아, 알루미나-지르코니아, 알루미나-세리아-지르코니아, 란타나-알루미나, 란타나-지르코니아-알루미나, 바리아-알루미나, 바리아-란타나-알루미나, 바리아-란타나-네오디미아-알루미나 및 알루미나-세리아도 포함된다. 예시적인 알루미나는 거대 기공 뵈마이트, 감마-알루미나 및 델타/세타 알루미나를 포함한다. 예시적인 방법에서 출발 물질로서 사용되는 유용한 상업적 알루미나는 활성 알루미나, 예컨대 고 벌크 밀도 감마-알루미나, 저 또는 중 벌크 밀도 거대 기공 감마-알루미나 및 저 벌크 밀도의 거대 기공 뵈마이트 및 감마-알루미나를 포함한다.
"감마 알루미나" 또는 "활성 알루미나"로도 지칭되는 알루미나 지지체 물질과 같은 고 표면적 금속 산화물 지지체는 전형적으로 60 m²/g 초과, 종종 약 200 m²/g 또는 그 이상까지의 BET 표면적을 나타낸다. 예시적인 내화성 금속 산화물은 약 50 내지 약 300 m²/g의 비 표면적을 갖는 고 표면적 γ-알루미나를 포함한다. 이러한 활성 알루미나는 보통 알루미나의 감마 상과 델타 상의 혼합물이지만, 상당한 양의 에타, 카파 및 세타 알루미나 상을 함유할 수도 있다. "BET 표면적"은 N₂흡착에 의해 표면적을 측정하는 브루나우어 에메트 텔러(Brunauer, Emmett, Teller) 방법을 지칭하는 일반적인 의미를 갖는다. 바람직하게는, 활성 알루미나는 약 60 내지 약 350 m²/g, 예를 들어 약 90 내지 약 250 m²/g의 비표면적을 갖는다.
특정 실시양태에서, 본원에 개시된 촉매 조성물에 유용한 금속 산화물 지지체는 도핑된 알루미나 물질, 예컨대 Si-도핑된 알루미나 물질(1 내지 10% SiO₂-Al2O3를 포함하지만 이에 한정되지 않음), 도핑된 티타니아 물질, 예컨대 Si-도핑된 티타니아 물질(1-10% SiO₂-TiO₂를 포함하나 이에 한정되지는 않음), 또는 도핑된 지르코니아 물질, 예컨대 Si-도핑된 ZrO₂(5-30% SiO₂-ZrO₂를 포함하지만 이에 한정되지는 않음)이다.
유리하게는, 내화성 금속 산화물은 산화 란타늄, 산화 바륨, 산화 스트론튬, 산화 칼슘, 산화 마그네슘, 또는 이들의 조합물과 같은 하나 이상의 추가의 베이스 금속 산화물 물질로 도핑될 수 있다. 금속 산화물 도펀트는 전형적으로 촉매 조성물의 중량을 기준으로 약 1 내지 약 20 중량%의 양으로 존재한다. 도펀트 산화물 물질은 내화성 금속 산화물 지지체의 고온 안정성을 향상시키는 역할을 하거나 NO2, SO₂또는 SO3와 같은 산성 가스에 대한 흡착제로서 기능할 수 있다.
도펀트 금속 산화물은 초기 습윤 함침 기술 또는 콜로이드성 혼합 산화물 입자의 첨가에 의해 도입될 수 있다. 바람직한 도핑된 금속 산화물은 바리아-알루미나, 바리아-지르코니아, 바리아-티타니아, 바리아-지르코니아-알루미나, 란타나-지르코니아 등을 포함한다.
따라서, 촉매 조성물 중의 내화성 금속 산화물 또는 내화성 혼합 금속 산화물은 전형적으로 알루미나, 지르코니아, 실리카, 티타니아, 세리아, 예를 들어 벌크 세리아, 산화 망간, 지르코니아-알루미나, 세리아-지르코니아, 세리아-알루미나, 란타나-알루미나, 바리아-알루미나, 실리카, 실리카-알루미나 및 이들의 조합물을 포함한다. 추가의 염기성 금속 산화물로의 도핑은, 바리아-알루미나, 바리아-지르코니아, 바리아-티타니아, 바리아-지르코니아-알루미나, 란타나-지르코니아 등(이에 국한되지 않음)을 비롯한 부가적인 유용한 내화성 산화물 지지체를 제공한다.
상기 촉매 조성물은 임의의 상기 명시한 내화성 금속 산화물을 임의의 양으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 촉매 조성물 중의 내화성 금속 산화물은, 촉매 조성물의 총 건조 중량을 기준으로 한 중량%로서, 적어도 약 15 중량%, 적어도 약 20 중량%, 적어도 약 25 중량%, 적어도 약 30 중량% 또는 적어도 약 35 중량%의 알루미나를 포함할 수 있다. 촉매 조성물은 예를 들어, 약 10 내지 약 99 중량%의 알루미나, 약 15 내지 약 95 중량%의 알루미나 또는 약 20 내지 약 85 중량%의 알루미나를 포함할 수 있다.
촉매 조성물은 촉매 조성물의 중량을 기준으로 예를 들어 약 15 중량%, 약 20 중량%, 약 25 중량%, 약 30 중량% 또는 약 35 중량% 내지 약 50 중량%, 약 55 중량%, 약 60 중량%, 약 65 중량% 또는 약 70 중량%의 알루미나를 포함한다.
유리하게는, 촉매 조성물은 세리아, 알루미나 및 지르코니아 또는 이들의 도핑된 조성물을 포함할 수 있다.
금속 섬유 펠트 기재 상으로 코팅된 촉매 조성물은 건조 조성물의 중량을 기준으로 예를 들어 약 0.1 중량%, 약 0.5 중량%, 약 1.0 중량%, 약 1.5 중량% 또는 약 2.0 중량% 내지 약 3 중량%, 약 5 중량%, 약 7 중량%, 약 9 중량%, 약 10 중량%, 약 12 중량%, 약 15 중량%, 약 16 중량%, 약 17 중량%, 약 18 중량%, 약 19 중량% 또는 약 20 중량%로 존재하는 귀금속을 포함할 수 있다.
촉매 조성물의 귀금속은, 예를 들어, 금속 섬유 펠트를 포함하는 3차원 구조물의 부피를 기준으로 약 5 g/ft³, 약 10 g/ft³, 약 15 g/ft³, 약 20 g/ft³, 약 40 g/ft³또는 약 50 g/ft³내지 약 70 g/ft³, 약 90 g/ft³, 약 100 g/ft³,약 120 g/ft³, 약 130 g/ft³, 약 140 g/ft³, 약 150 g/ft³, 약 160 g/ft³, 약 170 g/ft³, 약 180 g/ft³, 약 190 g/ft³, 약 200 g/ft³, 약 210 g/ft³, 약 220 g/ft³, 약 230 g/ft³, 약 240 g/ft³또는 약 250 g/ft³으로 존재한다.
촉매 조성물은, 내화성 금속 산화물 및 촉매 활성 금속 이외에, 란타늄, 바륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 사마륨, 스트론튬, 칼슘, 마그네슘, 니오븀, 하프늄, 가돌리늄, 터븀, 디스프로슘, 어븀, 이터븀, 망간, 철, 크롬, 주석, 아연, 니켈, 코발트 또는 구리의 산화물 중 임의의 하나 또는 이들의 조합물을 추가로 포함할 수 있다.
산화, LNT 및 삼-방향 촉매는 유리하게는, 내화성 금속 산화물 지지체 상에 분산된 백금족 금속(PGM)을 포함한다.
기능성 촉매 및/또는 흡착제 조성물은 (또한), 촉매가 차갑고 탄화수소를 CO₂로 산화시킬 수 없는 차량의 시동 (냉 시동) 중에 엔진 배기 가스로부터 탄화수소(HC)를 흡착하는데 유용한 흡착제를 포함할 수 있다. 배기 가스의 온도가 촉매 내의 백금족 금속이 활성 상태가 되는 온도까지 증가하면, 탄화수소는 흡착제로부터 방출되고 이어서 CO₂로 산화된다. 임의의 공지된 탄화수소 저장 물질, 예를 들어, 제올라이트 또는 제올라이트 유사 물질과 같은 미세 다공성 물질이 사용될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 탄화수소 저장 물질은 제올라이트이다. 제올라이트는 파우자사이트, 카바자이트, 클리놉틸로라이트, 모데나이트, 실리카라이트, 제올라이트 X, 제올라이트 Y, 초안정성 제올라이트 Y, ZSM-5 제올라이트, 오프레타이트 또는 베타 제올라이트와 같은 천연 또는 합성 제올라이트일 수 있다. 바람직한 제올라이트 흡착제 물질은 높은 실리카 대 알루미나 비율을 갖는다. 제올라이트는 실리카/알루미나 몰비가 적어도 약 5:1, 바람직하게는 적어도 약 50:1일 수 있으며, 유용한 범위는 약 5:1 내지 1000:1, 50:1 내지 500:1, 또한 약 25:1 내지 300:1이다. 바람직한 제올라이트는 ZSM, Y 및 베타 제올라이트를 포함한다. 특히 바람직한 흡착제는 버크(Burk) 등의 미국 특허 제 6,171,556 호에 기술된 유형의 베타 제올라이트를 포함할 수 있으며, 이를 그 전체로 본원에 참고로 인용한다.
SCR 촉매는 베이스 금속(예를 들어, 구리 및/또는 철) 이온-교환된 분자체(예를 들어, Cu-Y 또는 Fe-베타) 또는 바나디아계 조성물, 예컨대 V2O5/WO3/TiO₂/SiO₂를 포함하며, 이에 국한되지 않는다. 베이스 금속 이온-교환된 제올라이트는 예를 들어 보오스(Boorse) 등의 미국 특허 제 7,998,423 호에 기술되어 있으며, 이를 본원에 참고로 인용한다. 하나의 예시적인 SCR 촉매는 CuCHA, 예를 들어 구리 -SSZ-13이다. SAPO와 같은 카바자이트와 유사한 구조를 나타내는 분자체도 효과적이다. 따라서, CuSAPO, 예를 들어 구리-SAPO-34가 또한 적합하다. 추가의 적합한 SCR 조성물은 또한 예를 들어, 탕(Tang) 등의 미국 특허 제 9,017,626 호, 모아난(Mohanan) 등의 미국 특허 제 9,242,238 호, 및 스티벨스(Stiebels) 등의 미국 특허 제 9,352,307 호에 기술되어 있으며, 이들을 본원에 참고로 인용한다. 예를 들어, 이러한 SCR 조성물은, 바나듐/티타니아 촉매 및 Cu-제올라이트를 포함하는 조성물 또는 Cu-함유 분자체와 Fe-함유 분자체의 혼합물을 포함하는 조성물을 포함한다.
분자체는, 일반적으로 사면체 형태의 부위를 함유하고 비교적 균일한 기공 크기의 기공 분포를 갖는 산소 이온의 광범위한 3차원 네트워크를 갖는 물질을 지칭한다. 제올라이트는 규소 및 알루미늄을 추가로 포함하는 분자체의 특정 예이다. 촉매 층 내의 "비-제올라이트 지지체" 또는 "비-제올라이트성 지지체"는, 제올라이트가 아니며 회합, 분산, 함침 또는 다른 적절한 방법을 통해 귀금속, 안정제, 촉진제, 결합제 등을 수용하는 물질을 지칭한다. 이러한 비-제올라이트성 지지체의 예는 고 표면적 내화성 금속 산화물을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 고 표면적 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 지르코니아, 실리카, 티타니아, 세리아, 란타나, 바리아 및 이들의 조합물로 이루어진 군 중에서 선택된 활성화된 화합물을 포함할 수 있다.
SCR 촉매에 혼입된 유용한 분자체는 예를 들어 8-환 기공 개구 및 이중-6 환 2차 빌딩 유닛을 가지며, 예를 들어 AEI, AFT, AFX, CHA, EAB, ERI, KFI, LEV, SAS, SAT 또는 SAV 등의 구조 유형을 갖는 것들이다. 동일한 구조 유형을 갖는 SAPO, AlPO 및 MeAPO 물질과 같은 임의의 및 모든 동위 원소 골격 물질이 포함된다.
알루미노실리케이트 제올라이트 구조는 골격 내에서 동형으로 치환된 인 또는 기타 금속을 포함하지 않는다. 즉, "알루미노실리케이트 제올라이트"는 SAPO, AlPO 및 MeAPO 물질과 같은 알루미노포스페이트 물질을 배제하고, 더 넓은 용어 "제올라이트"는 알루미노실리케이트 및 알루미노포스페이트를 포함한다.
8-환 소기공 분자체는 알루미노실리케이트, 보로실리케이트, 갈로실리케이트, MeAPSO 및 MeAPO를 포함한다. 이들은, 비제한적으로, SSZ-13, SSZ-62, 천연 카바자이트, 제올라이트 KG, 린데(Linde) D, 린데 R, LZ-218, LZ-235, LZ-236, ZK-14, SAPO-34, SAPO-44, SAPO-47, ZYT-6, CuSAPO-34, CuSAPO-44 및 CuSAPO-47을 포함한다. 특정 실시양태에서, 8-환 소기공 분자체는 SSZ-13 및 SSZ-62와 같이 알루미노실리케이트 조성을 가질 것이다.
하나 이상의 실시양태에서, 8-환 소기공 분자체는 CHA 결정 구조를 가지며, CHA 결정 구조를 갖는 알루미노실리케이트 제올라이트, SAPO, AlPO 및 MeAPO로 이루어진 군 중에서 선택된다. 특히, CHA 결정 구조를 갖는 8-환 소기공 분자체는 CHA 결정 구조를 갖는 알루미노실리케이트 제올라이트이다. 특정 실시양태에서, CHA 결정 구조를 갖는 8-환 소기공 분자체는 SSZ-13 및 SSZ-62와 같은 알루미노실리케이트 조성을 가질 것이다. 구리 및 철-함유 카바자이트는 CuCHA 및 FeCHA로 지칭된다.
분자체는 제올라이트성(제올라이트)일 수 있거나 비-제올라이트성일 수 있다. 제올라이트성 및 비-제올라이트성 분자체는 모두 국제 제올라이트 협회(International Zeolite Association)에 의해 CHA 구조로 지칭되는 카바자이트 결정 구조를 가질 수 있다. 제올라이트성 카바자이트는 대략적인 화학식 (Ca,Na2,K2,Mg)Al2Si4O12.6H2O(즉, 수화된 칼슘 알루미늄 실리케이트)를 갖는 제올라이트 그룹의 자연적으로 발생하는 텍토실리케이트 미네랄을 포함한다. 제올라이트성 카바자이트의 3 가지 합성 형태는 문헌 ["Zeolite Molecular Sieves," D W Breck, published in 1973 by John Wiley & Sons]에 기재되어 있으며, 이를 본원에 참고로 인용한다. 브렉(Breck)에 의해 보고된 3 가지 합성 형태는 제올라이트 K 내지 G로서, 문헌 [J Chem Soc, p 2822(1956), Barrer et al.]에 기술되어 있고; 제올라이트 D는 영국 특허 제 868,846 호(1961)에, 제올라이트 R은 미국 특허 제3,030,181 호에 기재되어 있으며, 이들을 본원에 참고로 인용한다. 제올라이트성 카바자이트의 다른 합성 형태인 SSZ-13의 합성이 미국 특허 제 4,544,538 호에 기재되어 있다. 카바자이트 결정 구조를 갖는 비-제올라이트성 분자체의 합성 형태, 실리코알루미노포스페이트 34(SAPO-34)의 합성이 로크(Lok) 등의 미국 특허 제 4,440,871 호 및 반 댄(Van Dan) 등의 미국 특허 제 7,264,789 호에 기재되어 있으며, 이들을 본원에 참고로 인용한다. 카바자이트 구조를 갖는 또 다른 합성 비-제올라이트성 분자체 SAPO-44를 제조하는 방법은 예를 들어 류(Liu) 등의 미국 특허 제 6,162,415 호에 기재되어 있으며, 이를 본원에 참고로 인용한다. CHA 구조를 갖는 분자체는, 예를 들어 존스(Zones)의 미국 특허 제 4,544,538 호 및 존스 등의 미국 특허 제 6,709,644 호에 기술되어 있으며, 이들을 본원에 참고로 인용한다. 적합한 제올라이트는 또한 베타 제올라이트 및 Y 제올라이트를 포함한다.
본 발명의 분자체는 예를 들어, 구리 또는 철을 함유한다. 구리 또는 철은 분자체의 이온-교환 사이트에 존재하며, 또한 분자체와 회합될 수 있지만, 기공 "내"에는 존재하지 않을 수 있다. 예를 들어, 소성시, 비-교환된 구리 염은, 본원에서 "자유(free) 구리" 또는 "가용성 구리"로도 지칭되는 CuO로 분해된다. 불(Bull) 등의 미국 특허 제 8,404,203 호에 기재되어 있는 자유 베이스 금속이 유리할 수 있으며, 상기 특허를 본원에 참고로 인용한다. 자유 베이스 금속의 양은 이온-교환된 베이스 금속의 양보다 적을 수도 있고 같거나 더 클 수도 있다. 분자체와 관련된 모든 베이스 금속은 임의의 베이스 금속-함유 분자체의 일부이다.
LNT 촉매는 예를 들어 완(Wan)의 미국 특허 제 8,475,752 호 및 완 등의 미국 특허 제 9,321,009 호에 기술되어 있으며, 이들을 본원에 참고로 인용한다. LNT 촉매는, 공기 대 연료비(λ)가 1보다 큰(즉, λ>1.0) 희박 작동 기간 동안 NOx의 저장을 촉진하는 것을 통해 작동하고, 공기 대 연료 비율(λ)이 1보다 작은(즉, λ<1.0) 풍부 기간 동안 저장된 NOx의 N₂로의 환원을 촉진하는 것으로 여겨진다. 일부 LNT 촉매는 특정 온도 초과에서 NOx를 방출할 것이다. 이 온도는 LNT 코팅의 조성에 의존한다.
LNT 촉매 조성물은 전형적으로, 내화성 금속 산화물 지지체 상에 분산된 NOx 흡착제 및 백금족 금속 성분을 포함한다. LNT 촉매 조성물은 임의적으로 산소 저장 성분과 같은 다른 성분을 함유할 수 있다.
적합한 NOx 흡착제는 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 이들의 혼합물로부터 선택된 알칼리 토금속 원소의 염기성 산소화된 화합물 및/또는 세륨과 같은 희토류 성분의 산소화된 화합물(세리아 성분)을 포함한다. 희토류 화합물은 란타늄, 네오디뮴 또는 프라세오디뮴 중 하나 이상을 추가로 함유할 수 있다.
귀금속 클래딩된 필라멘트를 포함하는 본 발명의 기능성 금속 섬유 펠트는 예를 들어 NOx 또는 황 화합물의 포집 및 방출에 유용한 흡착제를 추가로 함유할 수 있다. 이러한 흡착제는 알칼리 토금속 산화물, 알칼리 토금속 탄산염, 희토류 산화물 및 분자체와 같은 물질을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 기능성 섬유 펠트는 탄화수소(HC)를 포집 및 방출하는데 유용한 흡착제를 포함할 수 있다. 이러한 흡착제는 분자체 및 제올라이트와 같은 물질을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
AMOx 촉매는 예를 들어, 보오스(Boorse) 등의 미국 특허 출원 공개 제 2011/0271664 호에 기재되어 있으며, 이를 본원에 참고로 인용한다. 암모니아 산화(AMOx) 촉매는, 배기 가스 스트림으로부터 암모니아를 제거하는데 효과적인 지지된 귀금속 성분일 수 있다. 귀금속은 루테늄, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 백금, 은 또는 금을 포함할 수 있다. 귀금속 성분은 또한 귀금속의 물리적 혼합물 또는 화학적 또는 원자적으로 도핑된 조합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 귀금속 성분은 백금을 포함한다. 백금은 AMOx 촉매의 총 중량을 기준으로 약 0.008 중량% 내지 약 2 중량%의 양으로 존재할 수 있다.
AMOx 촉매의 귀금속 성분은 전형적으로 고 표면적 내화성 금속 산화물 지지체 상에 침착된다. 적합한 고 표면적 내화성 금속 산화물의 예는 알루미나, 실리카, 티타니아, 세리아 및 지르코니아 뿐만 아니라 이들의 물리적 혼합물, 화학적 조합물 및/또는 원자적으로 도핑된 조합물을 포함한다. 특정 실시양태에서, 내화성 금속 산화물은 실리카-알루미나, 비정질 또는 결정질 알루미노실리케이트, 알루미나-지르코니아, 알루미나-란타나, 알루미나-크로미아, 알루미나-바리아, 알루미나-세리아 등과 같은 혼합 산화물을 함유할 수 있다. 예시적인 내화성 금속 산화물은 약 50 내지 약 300m²/g의 비표면적을 갖는 고 표면적 γ-알루미나를 포함한다.
AMOx 촉매는 예를 들어 CHA, FAU, BEA, MFI 및 MOR 유형의 분자체로부터 선택된 제올라이트 또는 비-제올라이트 분자체를 포함할 수 있다. 분자체는 산화물-지지된 백금 성분과 물리적으로 혼합될 수 있다. 다른 실시양태에서, 백금은 분자체의 외부 표면 상에 또는 채널, 캐비티 또는 케이지 내에 분포될 수 있다.
TWC 촉매 조성물은 예를 들어, 키스(Keith) 등의 미국 특허 제 4,171,288 호; 및 아놀드(Arnold) 등의 미국 특허 제 8,815,189 호에 기재되어 있으며, 이들을 본원에 참고로 인용한다. TWC 촉매는 전형적으로, 예를 들어, 고 표면적 내화성 금속 산화물 지지체, 예를 들어 고 표면적 알루미나 코팅 상에 배치된 하나 이상의 백금족 금속을 포함한다. 내화성 금속 산화물 지지체는, 지르코니아, 티타니아, 알칼리 토금속 산화물 예컨대 바리아, 칼시아 또는 스트론티아, 또는 가장 일반적으로 희토류 금속 산화물, 예를 들어 세리아, 란타나, 및 둘 이상의 희토류 금속 산화물의 혼합물과 같은 물질에 의해, 열 분해에 대해 안정화될 수 있다. TWC 촉매는 또한 산소 저장 성분을 포함하도록 제형화될 수 있다.
본 발명의 물품은 디젤 산화 촉매(DOC), 희박 NOx 트랩(LNT), 삼-방향 촉매(TWC), 암모니아 산화 촉매(AMOx) 및 선택적 접촉 환원(SCR) 촉매로부터 선택된 하나 이상의 촉매 조성물을 포함할 수 있다.
특정 실시양태에서, 본 발명의 물품은, 부가적인 촉매 또는 흡착제 코팅의 적용 없이 본 발명의 클래딩된 필라멘트만을 포함하는 삼차원 구조물 (예를 들면, 금속 펠트 모노리쓰)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 그러한 물품은 DOC, TWC 또는 AMOx 촉매 물품일 수 있다. 예시적인 DOC 물품은, Pt 또는 Pt/Pd 합금으로 클래딩된 필라멘트를 포함할 수 있다. 예시적인 TWC 물품은, Pd로 클래딩된 필라멘트, Rh로 클래딩된 필라멘트, Pd/Rh 합금으로 클래딩된 필라멘트, 일부가 Pd로 클래딩되고 다른 부분은 Rh로 클래딩된 필라멘트의 혼합물, 및 일부는 Pd로 클래딩되고 일부는 Rh로 클래딩되고 다른 부분은 Pt로 클래딩된 필라멘트의 혼합물을 포함할 수 있다. 예시적인 AMOx 물품은 Pt로 클래딩된 필라멘트를 포함할 수 있다.
다른 실시양태에서, 본 발명의 물품은, 부가적인 촉매 또는 흡착제 코팅의 적용과 함께 본 발명의 클래딩된 필라멘트를 포함하는 삼차원 구조물 (예를 들면, 금속 펠트 모노리쓰)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 물품은 DOC, TWC, LNT, SCR 또는 AMOx 촉매 물품일 수 있다. 예시적인 DOC 물품은 Pt 또는 Pt/Pd 합금으로 클래딩된 필라멘트를 포함할 수 있고, 베타 제올라이트와 같은 흡착제 코팅을 추가로 포함할 수 있다. 예시적인 TWC 물품은 Pd로 클래딩된 필라멘트를 포함할 수 있고, 세리아 또는 알루미나 상에 분산된 Rh를 포함하는 촉매 코팅을 추가로 포함할 수 있다. 예시적인 LNT 물품은 Pt로 클래딩된 필라멘트를 포함할 수 있고 알칼리 토금속 또는 탄산염 물질 및 세리아를 포함하는 흡착제 코팅을 추가로 포함할 수 있다. 예시적인 SCR 물품은 Pt로 클래딩된 필라멘트를 포함할 수 있고 Cu-교환된 제올라이트를 포함하는 흡착제 코팅을 추가로 포함할 수 있다. 예시적인 AMOx 물품은 Pt로 클래딩된 필라멘트를 포함할 수 있고 Cu-교환된 제올라이트를 포함하는 흡착제 코팅을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 가능한 기능적 촉매 물품에 대한 이들 실시양태는 예시적이고 비-제한적인 것을 의미한다. 부가적으로 적용된 촉매 또는 흡착제 코팅이 있거나 없는 클래딩된 필라멘트의 수많은 다른 조합이 가능하다.
일부 실시양태에서, 촉매 조성물은 귀금속을 실질적으로 함유하지 않으며, 예를 들어 백금족 금속을 실질적으로 함유하지 않는다. "실질적으로 함유하지 않는"은 예를 들어 "거의 또는 전혀 함유하지 않는"을 의미하며, 예를 들어, "의도적으로 추가되지 않고" 단지 미량 및/또는 부주의한 양만을 가짐을 의미한다. 예를 들어, 이는 총 조성물의 중량을 기준으로 2 중량% 미만, 1.5 중량% 미만, 1.0 중량% 미만, 0.5 중량% 미만, 0.25 중량% 또는 0.01 중량% 미만을 의미한다.
귀금속 클래딩된 섬유 또는 필라멘트를 포함하는 본 발명의 금속 섬유 펠트 기재는 유리하게는 추가로, 구역화된 코팅, 즉 3차원 섬유 펠트 구조물의 입구 단부에서 특정한 기능을 갖는 촉매 및/또는 흡착제 코팅층을 갖고, 출구 단부에서 상이한 기능들을 갖는 상이한 촉매 코팅 층들을 함유하는 코팅을 가질 수 있다. 구역화된 코팅 층들은 중첩될 수 있다 (위에 놓일 수 있다). 임의의 하나의 코팅 층은 금속 펠트 기재의 축 방향 길이의 약 10%, 약 20%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80% 또는 약 90% 만큼 입구 단부로부터 출구 단부 쪽으로(또는 출구 단부로부터 입구 단부 쪽으로) 연장될 수 있다. 임의의 하나의 코팅 층은 기재의 전체 축 길이에 걸쳐 연장될 수 있다.
촉매 및/또는 흡착제 코팅층은 다른 촉매 및/또는 흡착제 코팅층 위에 전체적으로 또는 부분적으로 놓일 수 있다. 대안적으로, 2 개의 상이한 코팅층들이 기재의 대향 단부로부터 연장될 수 있으며 중첩되지 않을 수 있다. 두 개의 상이한 코팅층들은 인접할 수 있다.
최종 코팅 조성물은 하나 이상의 코팅층을 포함한다. 따라서, 최종 코팅 조성물은, 각각의 적용된 코팅층이 동일하거나 상이한 기능들을 가질 수 있기 때문에, 하나 초과의 기능을 가질 수 있다.
배기 가스 처리 시스템
본 발명의 기능성 물품을 포함하는 배기 가스 처리 시스템이 또한 개시된다. 본 발명의 전형적인 시스템은 하나 초과의 물품을 포함한다. 이들 물품은 환원제 주입기, 디젤 산화 촉매 (DOC), 희박 NOx 트랩 (LNT), 삼-방향 촉매 (TWC), 촉매화된 매연 필터 (CSF), 선택적 접촉 환원 촉매 (SCR) 또는 암모니아 산화 촉매 (AMOx)를 포함한다. 본 발명의 시스템의 물품은 부가적인 촉매 또는 흡착제 코팅을 적용하지 않고 본 발명의 클래딩된 필라멘트를 포함하는 삼차원 구조물 (예를 들면, 금속 펠트 모노리쓰), 부가적인 촉매 또는 흡착제 코팅 또는 당업계에 공지된 표준 세라믹 또는 금속 기재에 적용되는 촉매 또는 흡착제 코팅을 적용하면서 본 발명의 클래딩된 필라멘트를 포함하는 삼차원 구조물 (예를 들면, 금속 펠트 모노리쓰)을 포함할 수 있다. 본 발명의 시스템은 코팅된 또는 코팅되지 않은 물품의 임의의 조합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 시스템을 위한 일 실시양태는, 클래딩된 필라멘트를 추가로 포함하는 금속 펠트 기재를 포함하는 DOC 물품, 당업계에 공지된 세라믹 벽-유동 필터 상에 코팅된 CSF 물품, 환원제 주입기, 당업계에 공지된 세라믹 관통-유동 모노리쓰 상에 코팅된 SCR 물품 및 당업계에 공지된 세라믹 관통-유동 모노리쓰 상에 코팅된 AMOx 물품을 (상류에서 하류로 가면서) 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시양태는, 클래딩된 필라멘트를 추가로 포함하는 금속 펠트 기재 및 그 위에 적용된 제올라이트 흡착제 코팅을 포함하는 DOC 물품, 세라믹 벽-유동 필터 상에 코팅된 CSF 물품, 환원제 주입기, 세라믹 관통-유동 모노리쓰 상에 코팅된 SCR 물품 및 세라믹 관통-유동 모노리쓰 상에 코팅된 AMOx 물품을 포함할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시양태는, 클래딩된 필라멘트를 추가로 포함하는 금속 펠트 기재 및 그 위에 적용된 제올라이트 흡착제 코팅을 포함하는 DOC 물품, 세라믹 벽-유동 필터 상에 코팅된 CSF 물품, 환원제 주입기, 세라믹 관통-유동 모노리쓰 상에 코팅된 SCR 물품, 및 클래딩된 필라멘트를 추가로 포함하는 금속 펠트 기재 및 그 위에 적용된 제올라이트 흡착제 코팅 AMOx 물품을 포함할 수 있다. 본 발명의 또 다른 예시적인 실시양태는, 클래딩된 필라멘트를 추가로 포함하는 금속 펠트 기재 및 그 위에 적용된 알칼리토 금속 흡착제 코팅을 포함하는 LNT 물품, 세라믹 벽-유동 필터 상에 코팅된 CSF 물품, 환원제 주입기, 세라믹 관통-유동 모노리쓰 상에 코팅된 SCR 물품, 및 클래딩된 필라멘트를 추가로 포함하는 금속 펠트 기재 및 그 위에 적용된 제올라이트 흡착제 코팅 AMOx 물품을 포함할 수 있다. 더 적은 수의 (예를 들어, AMOX 촉매 물품 없는) 시스템도 가능하다.
다른 실시양태는, 클래딩된 필라멘트를 추가로 포함하는 금속 펠트 기재를 포함하는 TWC 물품을 포함할 수 있으며, 이때 상기 물품은 하부(underfloor) 위치에 배치된다. 다른 실시양태는, 클래딩된 필라멘트를 추가로 포함하는 금속 펠트 기재를 포함하는 TWC 물품을 포함할 수 있으며, 이때 상기 물품은 밀착-결합된 위치에 배치된다. 또 다른 실시양태는, 클래딩된 필라멘트를 추가로 포함하는 금속 펠트 기재를 포함하는 TWC 물품을 포함할 수 있으며, 이때 상기 물품은 밀착-결합된 위치에 배치되고, 하부 위치에 표준 세라믹 관통-유동 모노리쓰 상에 코팅된 추가의 TWC 물품이 배치된다. 또 다른 실시양태는, 클래딩된 필라멘트를 추가로 포함하는 금속 펠트 기재를 포함하는 TWC 물품을 포함할 수 있으며, 이때 상기 금속 펠트 기재는 상기 물품의 입구로 들어가는 배기 가스가 상기 펠트의 벽을 통과한 다음 상기 물품의 출구를 빠져나가도록 구성된다.
본 발명의 기능성 물품을 포함하는 시스템을 위한 이들 실시양태는 예시적이고 비-제한적임을 의미한다. 본 발명의 클래딩된 필라멘트를 사용하는 다양한 다른 물품 조합이 가능하다.
매연 필터는 촉매화되지 않거나 촉매화된 (CSF) 벽-유동 필터일 수 있다. 또한 매연 필터 상에 코팅된 SCR 촉매가 포함될 수 있다.
하나의 예시적인 배출물 처리 시스템이 도 5에 도시되어 있으며, 도 5는 배출물 처리 시스템(20)의 개략도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 배출물 처리 시스템은 희박 연소 엔진과 같은 엔진(22)의 하류에 직렬로 복수의 촉매 컴포넌트를 포함할 수 있다. 촉매 컴포넌트 중 적어도 하나는 본원에 기재된 본 발명의 금속 펠트를 포함할 것이다. 본 발명의 촉매 조성물은 수많은 부가적인 촉매 물질과 조합될 수 있으며 부가적인 촉매 물질에 대해 다양한 상대적 위치에 배치될 수 있다. 도 5는 일련의 5 개의 촉매 컴포넌트(24, 26, 28, 30, 32)를 도시하지만, 촉매 컴포넌트의 총 수는 다양할 수 있으며, 5 개의 컴포넌트는 단지 하나의 예일 뿐이다.
하기 표 1은 본 발명의 배출물 처리 시스템의 다양한 시스템 구성을 나타낸다. 이 표의 컴포넌트 A 내지 E에 대한 참조는 도 5의 동일한 명명과 상호 참조될 수 있다. 각각의 컴포넌트는 배기관을 통해 다음 컴포넌트에 연결되되, 엔진은 컴포넌트 A의 상류에 위치하며, 컴포넌트 A는 컴포넌트 B의 상류에 위치하며, 컴포넌트 B는 컴포넌트 C의 상류에 위치하며, 컴포넌트 C는 컴포넌트 D의 상류에 위치하며, 컴포넌트 D는 컴포넌트 E(존재하는 경우)의 상류에 위치한다. 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 표 1에 열거된 구성에서, 컴포넌트 A, B, C, D 또는 E 중의 임의의 하나 이상은 벽-유동 필터와 같은 미립자 필터 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 예를 들어, 표 1의 SCR 컴포넌트 대신에 필터 상의 SCR 촉매 (SCRoF)가 사용될 수 있다.
표 1
Figure pct00001
본 발명의 촉매 물품은 예를 들어, 가솔린 및 디젤 엔진과 같은 내연 기관의 배기 가스 스트림의 처리에 적합하다. 또한 이 물품은 고정된 산업 공정 (예를 들어, 발전소)으로부터의 배출물의 처리 및 주변 공기 (예를 들어, 비제한적으로, 실내 공기) 또는 액체 스트림 (예를 들어, 비제한적으로, 산업 및/또는 도시 폐수)으로부터의 유해성 또는 독성 물질의 제거에 적합하다. 상기 물품은 또한 촉매의 사용을 필요로 하는 화학적 제조 공정에 사용하기에 적합하다.액체 스트림으로부터의 유해성 또는 독성 물질의 제거 또는 화학적 제조 공정에서의 촉매 작용을 위한 본 발명의 물품의 용도의 예는 비제한적으로, 선택적 산화를 통한 산업 폐수 및/또는 도시 폐수로부터의 황화물의 원소 황으로의 정제, 산업 폐기물 및/또는 도시 폐수 내의 탄화수소 오염물 및/또는 기타 바람직하지 않은 유기 화합물의 산화, 용해된 질산염 및 아질산염의 선택적 접촉 환원을 통한 음용수 탈질, 식물성 오일의 선택적 접촉 수소화, 및 불포화 탄화수소(비제한적으로 아세틸렌계 포함) 또는 다른 바람직하지 않은 불포화 유기 화합물의 선택적 접촉 수소화를 포함한다.
본 발명은 또한 다음의 추가 실시양태를 비제한적으로 포함한다:
추가 실시양태 1: 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 스테인레스 강, 니켈, 니켈/크롬 합금, 철/크롬 합금 및 귀금속으로 이루어진 군 중에서 선택된 제 1 금속을 포함하는 코어 및 귀금속으로 이루어진 군 중에서 선택된 촉매 금속을 포함하는 쉘을 포함하는 촉매 금속 섬유를 포함하는 금속 섬유 펠트.
추가 실시양태 2: 금속 섬유의 직경이 평균 약 1 ㎛, 약 2 ㎛, 약 3 ㎛, 약 4 ㎛, 약 5 ㎛, 약 6 ㎛, 약 7 ㎛, 약 8 ㎛, 약 9 ㎛ 또는 약 10 ㎛ 이거나; 또는 평균 약 10㎛, 약 20㎛, 약 30㎛, 약 40㎛, 약 50㎛, 약 60㎛, 약 70㎛, 약 80㎛, 약 90㎛, 약 100㎛, 약 110㎛, 약 120㎛, 약 130 ㎛, 약 140 ㎛, 또는 약 150 ㎛인, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 3: 쉘이 평균적으로 약 1nm, 약 2nm, 약 3nm, 약 4nm, 약 5nm, 약 6nm, 약 7nm, 약 8nm, 약 9 nm 또는 약 10 nm의 두께이거나; 또는 쉘이 평균적으로 약 10 nm, 약 20 nm, 약 30 nm, 약 40 nm, 약 50 nm, 약 60 nm, 약 70 nm, 약 80 nm, 약 90 nm 또는 약 100 nm 두께인, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 4: 쉘이 Pt, Pd, Rh, Au, Ag, Ru, Ir 및 이들의 합금으로 이루어진 군 중에서 선택된 금속 성분을 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 5: 쉘이 베이스 금속, 예를 들어 Cu, Fe, Ni, Cr, Mo, Mn, Zn, Co, W 및 Al로 이루어진 군 중에서 선택된 베이스 금속을 추가로 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 6: 금속 펠트가 상이한 쉘들을 갖는 촉매 섬유들을 포함하고; 예를 들어, 금속 펠트가, 제 1 귀금속을 포함하는 쉘을 포함하는 제 1 섬유 및 제 2 귀금속을 포함하는 쉘을 포함하는 제 2 섬유를 포함하고; 예를 들어, 금속 펠트가, Pd를 포함하는 쉘을 갖는 제 1 섬유 및 Rh를 포함하는 쉘을 갖는 제 2 섬유를 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 7: 금속 펠트가 상이한 쉘들을 갖는 촉매 섬유들을 포함하며, 상이한 촉매 섬유들은 펠트 전체에 본질적으로 균일하게 분포되거나 또는 다르게는 상이한 촉매 섬유들은 펠트의 상이한 영역들에 분리되는, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 8: 쉘이 Pt, Pd 또는 Rh 성분 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 9: 쉘이 하나 초과의 층을 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 10: 쉘이 2 개 이상의 상이한 층들, 예를 들어 귀금속을 포함하는 층 및 귀금속 및 베이스 금속을 포함하는 층을 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 11: 금속 펠트가 직조된 것인, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 12: 금속 펠트가 부직물인, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 13: 금속 펠트가 편평한 형태인, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 14: 금속 펠트가 주름형인, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 15: 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 스테인레스 강, 니켈, 니켈/크롬 합금 및 철/크롬 합금으로 이루어진 군 중에서 선택된 금속을 포함하는 보강 금속 섬유를 추가로 포함하는 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 16: FeCr 합금을 포함하는 보강 금속 섬유를 추가로 포함하는 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 17: 금속 펠트가 금속 펠트의 총 부피를 기준으로 약 20%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 50% 또는 약 55% 내지 약 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90% 또는 약 95%의 기공 부피를 갖는, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 18: 금속 섬유 펠트가 약 50 ㎛, 약 75 ㎛, 100 ㎛, 약 125 ㎛, 약 150 ㎛, 약 175 ㎛, 약 200 ㎛, 약 225 ㎛, 약 250㎛, 약 275㎛, 약 300㎛, 약 325㎛, 약 350㎛, 약 375㎛, 약 400㎛, 약 425㎛, 약 450㎛, 약 475㎛ 또는 약 500㎛의 평균 두께를 갖거나; 또는 달리, 금속 섬유 펠트가 예를 들어 약 200 ㎛ 내지 약 1 인치(25,400 ㎛), 예를 들어 약 300 ㎛ 내지 약 20,000 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 18,000 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 15,000 ㎛ 또는 약 600 ㎛ 내지 약 12,000 ㎛의 평균 두께를 갖는, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 19: 촉매 및/또는 흡착제 코팅을, 예를 들어 약 0.1 g/in3 내지 약 8.0 g/in3의 담지량으로 추가로 포함하고; 예를 들어 촉매 코팅이 DOC, LNT, SCR, AMOx 또는 TWC 조성물 중 하나 이상을 포함하고; 예를 들어 흡착제 코팅이 HC 또는 NOx 흡착제 조성물 중 하나 이상을 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 20: 금속 섬유 펠트가 부가적인 촉매 코팅 또는 흡착제 코팅을 더 함유하지 않는, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 펠트.
추가 실시양태 21: 금속 섬유 펠트를 포함하는 촉매 물품으로서, 상기 금속 펠트는, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 스테인레스 강, 니켈, 니켈/크롬 합금, 철/크롬 합금 및 귀금속으로 이루어진 군 중에서 선택된 제 1 금속을 포함하는 코어 및 귀금속으로 이루어진 군 중에서 선택된 촉매 금속을 포함하는 쉘을 포함하는 촉매 금속 섬유를 포함하는, 물품.
추가 실시양태 22: 금속 섬유의 직경이 평균 약 1 ㎛, 약 2 ㎛, 약 3 ㎛, 약 4 ㎛, 약 5 ㎛, 약 6 ㎛, 약 7 ㎛, 약 8 ㎛, 약 9 ㎛ 또는 약 10 ㎛ 이거나; 또는 평균 약 10㎛, 약 20㎛, 약 30㎛, 약 40㎛, 약 50㎛, 약 60㎛, 약 70㎛, 약 80㎛, 약 90㎛, 약 100㎛, 약 110㎛, 약 120㎛, 약 130 ㎛, 약 140 ㎛, 또는 약 150 ㎛인, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 23: 쉘이 평균적으로 약 1nm, 약 2nm, 약 3nm, 약 4nm, 약 5nm, 약 6nm, 약 7nm, 약 8nm, 약 9 nm 또는 약 10 nm의 두께이거나; 또는 쉘이 평균적으로 약 10 nm, 약 20 nm, 약 30 nm, 약 40 nm, 약 50 nm, 약 60 nm, 약 70 nm, 약 80 nm, 약 90 nm 또는 약 100 nm 두께인, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 24: 쉘이 Pt, Pd, Rh, Au, Ag, Ru, Ir 및 이들의 합금으로 이루어진 군 중에서 선택된 금속 성분을 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 25: 쉘이 베이스 금속, 예를 들어 Cu, Fe, Ni, Cr, Mo, Mn, Zn, Co, W 및 Al로 이루어진 군 중에서 선택된 베이스 금속을 추가로 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 26: 금속 펠트가 상이한 쉘들을 갖는 촉매 섬유들을 포함하고; 예를 들어, 금속 펠트는, 제 1 귀금속을 포함하는 쉘을 포함하는 제 1 섬유 및 제 2 귀금속을 포함하는 쉘을 포함하는 제 2 섬유를 포함하고; 예를 들어, 금속 펠트는, Pd를 포함하는 쉘을 갖는 제 1 섬유 및 Rh를 포함하는 쉘을 갖는 제 2 섬유를 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 27: 금속 펠트가 상이한 쉘들을 갖는 촉매 섬유들을 포함하며, 상이한 촉매 섬유들은 펠트 전체에 본질적으로 균일하게 분포되거나 또는 다르게는 상이한 촉매 섬유들은 펠트의 상이한 영역들에 분리되는, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 28: 쉘이 Pt, Pd 또는 Rh 성분 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 29: 쉘이 하나 초과의 층을 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 30: 쉘이 2 개 이상의 상이한 층들, 예를 들어 귀금속을 포함하는 층 및 귀금속 및 베이스 금속을 포함하는 층을 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 31: 금속 펠트가 직조된 것이거나 부직물인, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 32: 금속 펠트가 편평하거나 주름진 형태인, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 33: 금속 펠트가 추가로, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 스테인레스 강, 니켈, 니켈/크롬 합금 및 철/크롬 합금으로 이루어진 군 중에서 선택된 금속을 포함하는 보강 금속 섬유를 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 34: 금속 펠트가 추가로, FeCr 합금을 포함하는 보강 금속 섬유를 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 35: 복수의 금속 섬유 펠트 층을 포함하는 3차원 매트릭스를 포함하는 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 36: 금속 펠트의 주름진 층과 금속 펠트의 편평한 층 둘다를 포함하는 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 37: 금속 펠트의 주름진 층과 금속 호일의 편평한 층 또는 금속 호일의 주름진 층과 금속 펠트의 편평한 층을 포함하는 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 38: 금속 호일이 촉매 및/또는 흡착제 코팅을 함유하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 39: 3차원 매트릭스를 내부에 갖는 재킷을 포함하는 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 40: 금속 펠트가 금속 펠트의 총 부피를 기준으로 약 20%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 50%, 약 55% 내지 약 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90% 또는 약 95%의 기공 부피를 갖는, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 41: 금속 섬유 펠트가 약 50 ㎛, 약 75 ㎛, 100 ㎛, 약 125 ㎛, 약 150 ㎛, 약 175 ㎛, 약 200 ㎛, 약 225 ㎛, 약 250㎛, 약 275㎛, 약 300㎛, 약 325㎛, 약 350㎛, 약 375㎛, 약 400㎛, 약 425㎛, 약 450㎛, 약 475㎛ 또는 약 500㎛의 평균 두께를 갖거나; 또는 달리, 금속 섬유 펠트가 예를 들어 약 200 ㎛ 내지 약 1 인치(25,400 ㎛), 예를 들어 약 300 ㎛ 내지 약 20,000 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 18,000 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 15,000 ㎛ 또는 약 600 ㎛ 내지 약 12,000 ㎛의 평균 두께를 갖는, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 42: 약 60 개의 셀/제곱 인치 (cpsi) 내지 약 500 cpsi 또는 약 900 cpsi 이하, 예를 들어 약 200 내지 약 400 cpsi의 셀 밀도를 가지며, 예를 들어, 셀의 일부분이 물품의 입구 및/또는 출구 면에서 완전히 또는 부분적으로 차단되고, 예를 들어 대략 모든 다른 셀이 입구 및/또는 출구 면에서 완전히 또는 부분적으로 차단되는, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 43: 금속 섬유 펠트가 촉매 및/또는 흡착제 코팅을, 예를 들어 약 0.1 g/in3 내지 약 8.0 g/in3의 담지량으로 포함하고; 예를 들어 촉매 코팅이 DOC, LNT, SCR, AMOx 또는 TWC 조성물 중 하나 이상을 포함하고; 예를 들어 흡착제 코팅이 HC 또는 NOx 흡착제 조성물 중 하나 이상을 포함하고; 이들은 예를 들어 내연 기관의 하류에서 그와 유체 연통되는, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 44: 금속 섬유 펠트가, 예를 들어 내연 기관의 하류에서 그와 유체 연통되는, 부가적인 촉매 코팅 또는 흡착제 코팅을 추가로 함유하지 않는, 임의의 선행 실시양태에 따른 물품.
추가 실시양태 45: 금속 섬유 펠트에서 섬유들이 정렬되지 않는, 임의의 선행 실시양태에 따른 촉매 섬유를 포함하는 촉매 물품.
추가 실시양태 46: 섬유가 부직 어레이(array)로 서로 얽혀있는, 임의의 선행 실시양태에 따른 촉매 물품.
추가 실시양태 47: 물품이 관통-유동 물품 또는 벽-유동 물품이고, 예를 들어 벽-유동 물품이 기능성 조성물을 함유하거나 기능성 조성물을 함유하지 않는, 임의의 선행 실시양태에 따른 촉매 물품.
추가 실시양태 48: 결합된 가열 코일 또는 가열 요소를 포함하는 임의의 선행 실시양태에 따른 촉매 물품.
추가 실시양태 49: 물품을 전기적으로 가열하기 위해 전압이 인가될 수 있는 단자(terminal)를 포함하는 임의의 선행 실시양태에 따른 촉매 물품.
추가 실시양태 50: 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 스테인레스 강, 니켈, 니켈/크롬 합금, 철/크롬 합금 및 귀금속으로 이루어진 군 중에서 선택된 제 1 금속을 포함하는 코어 및 귀금속으로 이루어진 군 중에서 선택된 촉매 금속을 포함하는 쉘을 포함하는 촉매 금속 섬유.
추가 실시양태 51: 금속 섬유의 직경이 평균적으로 약 1 ㎛, 약 2 ㎛, 약 3 ㎛, 약 4 ㎛, 약 5 ㎛, 약 6 ㎛, 약 7 ㎛, 약 8 ㎛, 약 9 ㎛ 또는 약 10 ㎛이거나; 또는 평균적으로 약 10㎛, 약 20㎛, 약 30㎛, 약 40㎛, 약 50㎛, 약 60㎛, 약 70㎛, 약 80㎛, 약 90㎛, 약 100㎛, 약 110㎛, 약 120㎛, 약 130 ㎛, 약 140 ㎛, 또는 약 150 ㎛인, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 섬유.
추가 실시양태 52: 쉘이 평균적으로 약 1nm, 약 2nm, 약 3nm, 약 4nm, 약 5nm, 약 6nm, 약 7nm, 약 8nm, 약 9 nm 또는 약 10 nm의 두께이거나; 또는 쉘이 평균적으로 약 10 nm, 약 20 nm, 약 30 nm, 약 40 nm, 약 50 nm, 약 60 nm, 약 70 nm, 약 80 nm, 약 90 nm 또는 약 100 nm 두께인, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 섬유.
추가 실시양태 53: 쉘이 Pt, Pd, Rh, Au, Ag, Ru, Ir 및 이들의 합금으로 이루어진 군 중에서 선택된 금속 성분을 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 섬유.
추가 실시양태 54: 쉘이 베이스 금속, 예를 들어 Cu, Fe, Ni, Cr, Mo, Mn, Zn, Co, W 및 Al로 이루어진 군 중에서 선택된 베이스 금속을 추가로 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 섬유.
추가 실시양태 55: 쉘이 Pt, Pd 또는 Rh 성분 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 섬유.
추가 실시양태 56: FeCr 합금 코어 및 Pt 및/또는 Pd를 포함하는 쉘을 포함하는 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 섬유.
추가 실시양태 57: 쉘이 하나 초과의 층을 포함하고, 예를 들어 쉘이 2 개 이상의 상이한 층들, 예를 들어 귀금속을 포함하는 층 및 귀금속 및 베이스 금속을 포함하는 층을 포함하는, 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 섬유.
추가 실시양태 58: 임의의 선행 실시양태에 따른 물품 또는 금속 펠트를 포함하는 배기 가스 처리 시스템.
추가 실시양태 59: 매연 필터를 추가로 포함하는 임의의 선행 실시양태에 따른 배기 가스 처리 시스템.
추가 실시양태 60: 물품이 디젤 산화 촉매, 선택적 환원 촉매, 희박 NOx 트랩, 삼-방향 촉매 또는 암모니아 산화 촉매인, 임의의 선행 실시양태에 따른 배기 가스 처리 시스템.
추가 실시양태 61: 내연 기관의 하류에서 그와 유체 연통하는 임의의 선행 실시양태에 따른 배기 가스 처리 시스템.
추가 실시양태 62: 임의의 선행 실시양태에 따른 촉매 섬유, 금속 펠트, 촉매 물품 또는 시스템을 포함하는, 실내 공기 또는 액체 스트림 (유기 또는 수성)으로부터의 유해성 또는 독성 물질의 제거, 고정된 산업 공정 배출물의 처리, 또는 화학 반응 공정에서의 촉매 작용을 위한 시스템.
추가 실시양태 63: 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 섬유 펠트, 촉매 물품 또는 배기 가스 처리 시스템에 배기 가스 스트림을 통과시키는 것을 포함하는, 배기 가스 스트림의 처리 방법.
추가 실시양태 64: 임의의 선행 실시양태에 따른 금속 섬유 펠트, 촉매 물품 또는 촉매 섬유의 존재 하에 반응을 수행하는 것을 포함하는, 촉매 화학 반응, 예를 들어 접촉 수소화를 수행하는 방법.
추가 실시양태 65: 실내 공기, 액체 스트림 (유기 또는 수성), 또는 고정된 산업 공정으로부터의 배출물을 처리하는 방법으로서, 상기 공기 또는 액체 스트림 또는 배출물을 임의의 선행 실시양태에 따른 물품 또는 시스템에 통과시키거나 금속 섬유 펠트 또는 촉매 섬유의 존재 하에 통과시키는 것을 포함하는 방법.
추가 실시양태 66: 임의의 선행 금속 섬유 펠트, 촉매 물품 또는 촉매 섬유실시양태/청구 범위에 따른 금속 섬유 펠트, 촉매 물품 또는 촉매 섬유의 제조 방법으로서, 하나 이상의 귀금속 또는 귀금속과 베이스 금속을 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 스테인레스 강, 니켈, 니켈/크롬 합금, 철/크롬 합금 및 귀금속으로 이루어진 군 중에서 선택된 제 1 금속을 포함하는 금속 섬유 상에 전기 도금 또는 무전해 침착시키는 것을 포함하는 방법.
달리 명시하지 않는 한, 모든 부 및 백분율은 중량 기준이다. 중량 퍼센트(wt%)는 달리 명시되지 않으면 휘발성 물질이 없는 전체 조성물, 즉 건조 고체 함량을 기준으로 한다. 본원에 언급된 모든 미국 특허 출원, 공개된 특허 출원 및 특허는 본원에 참고로 포함된다.
실험
실시예 1
초기 복합체 섬유는, 백금 튜브(tube)에 FeCr 합금 로드(rod)를 삽입하여 형성한다. 초기 코어/쉘 복합체는 기계적으로 크기 감소되어 중간 복합체 섬유를 생성한다. 중간 섬유는 절단되고 추가로 기계적으로 크기 감소되어, FeCr 합금 코어 및 평균 직경 약 3 ㎛의 Pt 쉘 및 평균 두께 약 4 내지 약 5 ㎚의 Pt 쉘을 갖는 섬유를 생성한다.
촉매 활성의 코어/쉘 섬유는 약 20 ㎛의 평균 직경을 갖는 FeCr 합금 보강 섬유 50 중량% (전체 섬유의 중량 기준)와 조합된다. 상기 코어/쉘 및 보강 섬유는 무작위 부직 배열로 조합되고 약 250 ㎛의 평균 두께를 갖는 금속 섬유 펠트로 압축된다. 금속 섬유 펠트는 주름잡히고 절단되고 격리 FeCr 합금 호일과 층을 이루고, 코일화되어 직경 1" 및 길이 3"의 치수를 갖는 금속 재킷에 삽입된다.
실시예 2
초기 복합체 섬유는, 백금 튜브에 Ag 로드를 삽입하여 형성한다. 초기 코어/쉘 복합체는 기계적으로 크기 감소되어 중간 복합체 섬유를 생성한다. 중간 섬유는 절단되고 추가로 기계적으로 크기 감소되어, Ag 코어 및 평균 직경 약 3 ㎛의 Pt 쉘 및 평균 두께 약 4 내지 약 5 ㎚의 Pt 쉘을 갖는 섬유를 생성한다.
상기 촉매 활성의 코어/쉘 섬유는 약 20 ㎛의 평균 직경을 갖는 FeCr 합금 보강 섬유 50 중량% (전체 섬유의 중량 기준)와 조합된다. 상기 코어/쉘 및 보강 섬유는 무작위 부직 배열로 조합되고 약 250 ㎛의 평균 두께를 갖는 금속 섬유 펠트로 압축된다. 금속 섬유 펠트는 주름잡히고 절단되고 격리 FeCr 합금 호일과 층을 이루고, 코일화되어 직경 1" 및 길이 3"의 치수를 갖는 금속 재킷에 삽입된다.
실시예 3
초기 복합체 섬유는, 백금 튜브에 Ni 로드를 삽입하여 형성한다. 초기 코어/쉘 복합체는 기계적으로 크기 감소되어 중간 복합체 섬유를 생성한다. 중간 섬유는 절단되고 추가로 기계적으로 크기 감소되어, Ni 코어 및 평균 직경 약 3 ㎛의 Pt 쉘 및 평균 두께 약 4 내지 약 5 ㎚의 Pt 쉘을 갖는 섬유를 생성한다.
상기 촉매 활성의 코어/쉘 섬유는 약 20 ㎛의 평균 직경을 갖는 FeCr 합금 보강 섬유 50 중량% (전체 섬유의 중량 기준)와 조합된다. 상기 코어/쉘 및 보강 섬유는 무작위 부직 배열로 조합되고 약 250 ㎛의 평균 두께를 갖는 금속 섬유 펠트로 압축된다. 금속 섬유 펠트는 주름잡히고 절단되고 격리 FeCr 합금 호일과 층을 이루고, 코일화되어 직경 1" 및 길이 3"의 치수를 갖는 금속 재킷에 삽입된다.
실시예 4
초기 복합체 섬유는, 백금 튜브에 Cu 로드를 삽입하여 형성한다. 초기 코어/쉘 복합체는 기계적으로 크기 감소되어 중간 복합체 섬유를 생성한다. 중간 섬유는 절단되고 추가로 기계적으로 크기 감소되어, Cu 코어 및 평균 직경 약 3 ㎛의 Pt 쉘 및 평균 두께 약 4 내지 약 5 ㎚의 Pt 쉘을 갖는 섬유를 생성한다.
상기 촉매 활성의 코어/쉘 섬유는 약 20 ㎛의 평균 직경을 갖는 FeCr 합금 보강 섬유 50 중량% (전체 섬유의 중량 기준)와 조합된다. 상기 코어/쉘 및 보강 섬유는 무작위 부직 배열로 조합되고 약 250 ㎛의 평균 두께를 갖는 금속 섬유 펠트로 압축된다. 금속 섬유 펠트는 주름잡히고 절단되고 격리 FeCr 합금 호일과 층을 이루고, 코일화되어 직경 1" 및 길이 3"의 치수를 갖는 금속 재킷에 삽입된다.
실시예 5
Pt 클래딩된 FeCr 합금 섬유를 포함하는 실시예 1의 금속 펠트 모노리쓰를, 당업계에 공지된 표준 워시코팅 기술을 사용하여 베타 제올라이트를 함유하는 수성 슬러리로 코팅한다. 코팅된 물품을 이어서 120℃에서 건조시키고 450℃에서 공기 중에서 소성시킨다. 섬유 상에 및 펠트의 기공 내에 침착된 제올라이트의 담지량은 모노리쓰 부피의 약 0.75 g/in3이다.
본원에 개시된 많은 수정들 및 다른 실시양태들은 상기 설명들 및 관련 도면들에 제시된 교시의 이점을 갖는 본 개시 내용과 관련된 당업자에게 도출될 것이다. 따라서, 본 개시는 개시된 특정 실시양태들에 한정되지 않으며, 수정들 및 다른 실시양태들은 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 또한, 전술한 설명 및 관련 도면은 요소 및/또는 기능의 소정의 예시적인 조합과 관련하여 예시적인 실시양태를 기술하지만, 요소 및/또는 기능의 상이한 조합들이 첨부된 청구항들의 범위를 벗어나지 않고 다른 실시양태에 의해 제공될 수 있다. 이와 관련하여, 예를 들어, 앞서 명시적으로 설명한 것 이외의 요소 및/또는 기능의 상이한 조합들도 첨부된 청구항의 일부에서 설명된 바와 같이 고려될 수 있다. 본원에서 특정 용어가 사용되었지만, 이들은 제한적인 목적이 아닌 일반적이고 기술적인 의미로 사용된다.

Claims (26)

  1. 제 1 복수의 코어/쉘(core/shell) 촉매(catalytic) 금속 섬유를 포함하는 주름진 펠트 형태의 직조 또는 부직 섬유 혼합물을 포함하는 금속 섬유 펠트로서,
    상기 촉매 금속 섬유는, 제 1 금속을 포함하는 코어 및 촉매 금속을 포함하는 쉘을 포함하고,
    상기 촉매 금속은 귀금속, 베이스(base) 금속 또는 이들의 조합물인, 금속 섬유 펠트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유 혼합물은 제 2 복수의 보강(reinforcing) 섬유를 추가로 포함하며, 상기 보강 섬유의 평균 직경은 상기 촉매 금속 섬유의 평균 직경보다 더 큰, 금속 섬유 펠트.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 촉매 금속 섬유의 평균 직경이 약 10 ㎛ 이하이고, 상기 보강 섬유의 평균 직경이 약 15 ㎛ 이상인, 금속 섬유 펠트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 촉매 금속 섬유의 평균 직경이 약 5 ㎛ 이하이고, 상기 보강 섬유의 평균 직경이 약 20 ㎛ 이상인, 금속 섬유 펠트.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 보강 섬유가 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 스테인레스 강, 니켈, 니켈/크롬 합금 및 철/크롬 합금으로 이루어진 군 중에서 선택된 금속을 포함하는, 금속 섬유 펠트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 금속은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 스테인레스 강, 니켈, 니켈/크롬 합금, 철/크롬 합금 및 귀금속으로 이루어진 군 중에서 선택되는, 금속 섬유 펠트.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매 섬유의 쉘은 평균 두께가 약 100nm 이하인, 금속 섬유 펠트.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매 섬유의 쉘은 베이스 금속 및 귀금속을 포함하는, 금속 섬유 펠트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 금속은 Cu, Fe, Ni, Cr, Mo, Mn, Zn, Co, W 및 Al로 이루어진 군 중에서 선택되는, 금속 섬유 펠트.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 촉매 금속 섬유는, 제 1 귀금속 또는 베이스 금속을 포함하는 쉘을 갖는 제 1 섬유 그룹 및 제 2 귀금속 또는 베이스 금속을 포함하는 쉘을 갖는 제 2 섬유 그룹을 포함하는, 금속 섬유 펠트.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 귀금속은 Rh이고 상기 제 2 귀금속은 Pd인, 금속 섬유 펠트.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 귀금속은 Pt, Pd, Rh 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는, 금속 섬유 펠트.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 섬유 펠트는 약 20% 내지 약 95%의 기공 부피를 갖는, 금속 섬유 펠트.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유 혼합물에 의해 담지된 촉매 및/또는 흡착제 코팅을 추가로 포함하는 금속 섬유 펠트.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 섬유 펠트는 부가된 촉매 코팅 또는 흡착제 코팅을 실질적으로 함유하지 않는, 금속 섬유 펠트.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 금속 섬유 펠트의 복수의 층을 포함하는 3차원 매트릭스를 포함하는 촉매 물품.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 3차원 매트릭스는 편평한 금속 층을 사이에 갖는 금속 섬유 펠트의 복수의 주름진 층을 포함하는, 촉매 물품.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 섬유 펠트 층 또는 상기 편평한 금속 층 중 적어도 하나는 촉매 코팅 또는 흡착 코팅을 포함하는, 촉매 물품.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 편평한 금속층은 또한 상기 금속 섬유 펠트로 형성되거나 또는 금속 호일로 형성된 것인, 촉매 물품.
  20. 제 16 항에 있어서,
    3차원 매트릭스를 내부에 수용하는 재킷을 추가로 포함하는 촉매 물품.
  21. 제 16 항에 있어서,
    약 60 개의 셀/제곱 인치(cpsi) 내지 약 900 cpsi의 셀 밀도를 갖는 촉매 물품.
  22. 제 16 항에 있어서,
    관통-유동(flow-through) 물품 또는 벽-유동(wall-flow) 필터의 형태인 촉매 물품.
  23. 제 16 항에 있어서,
    상기 3차원 매트릭스를 가열하도록 작동 가능하게 배치된 가열 요소, 또는 상기 촉매 물품의 적어도 하나의 컴포넌트에 전기적으로 연결되고 상기 촉매 물품의 저항성 가열(resistive heating)을 위한 전류를 전달하도록 구성된 단자를 추가로 포함하는 촉매 물품.
  24. 내연 기관의 하류에 그와 유체 연통되게 제 16 항의 촉매 물품을 포함하는 배기 가스 처리 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 촉매 물품이 디젤 산화 촉매, 선택적 환원 촉매, 희박 NOx 트랩, 삼-방향 촉매 및 암모니아 산화 촉매로 이루어진 군 중에서 선택되는, 배기 가스 처리 시스템.
  26. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 금속 섬유 펠트에 배기 가스 스트림을 통과시키는 것을 포함하는, 배기 가스 스트림의 처리 방법.
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