WO2006061330A2 - Catalytic converter for oxidizing carbon-containing particles, and device for purifying gas mixtures, which comprises the same - Google Patents

Catalytic converter for oxidizing carbon-containing particles, and device for purifying gas mixtures, which comprises the same Download PDF

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Abstract

Disclosed is a catalytic converter for oxidizing carbon-containing particles, especially soot particles. Said catalytic converter contains an alloy or mixed compound of cobalt and at least one other metal or semimetal, the cobalt concentration in the alloy or mixed compound being greater than 70 mole percent relative to the total metal and semimetal concentration in the alloy or mixed compound.

Description

Katalysator zur Oxidation kohlenstoffhaltiger Partikel und Vorrichtung zur Reinigung vonCatalyst for the oxidation of carbonaceous particles and apparatus for the purification of
Gasgemischen diesen enthaltendGas mixtures containing this
Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Oxidation von kohlenstoffhaltigen Partikeln, insbesondere von Ruß, sowie eine Vorrichtung diesen enthaltend und deren Verwendung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a catalyst for the oxidation of carbonaceous particles, in particular of carbon black, and a device containing these and their use according to the preamble of the independent claims.
Stand der TechnikState of the art
Die Reinigung von Abgasen, die kohlenstoffhaltige Partikel enthalten, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Zur Reinigung derartiger Gasgemische werden üblicherweise keramischeThe purification of exhaust gases containing carbonaceous particles is becoming increasingly important. For cleaning such gas mixtures are usually ceramic
Filtersysteme eingesetzt. Die Herausforderung zur Optimierung derartiger Systeme liegt primär nicht in der Filtration selber - viele Partikelfilter ermöglichen eine Abscheidung von mehr als 99 Prozent - sondern in dem dauerhaften und effizienten Einsatz des Filters ohne Verstopfung und ohne eine damit verbundene übermäßige Erhöhung des Durchflusswiderstandes über das gesamte Filtersystem.Filter systems used. The challenge of optimizing such systems is primarily not in the filtration itself - many particulate filters allow a separation of more than 99 percent - but in the permanent and efficient use of the filter without clogging and without an associated excessive increase in flow resistance throughout the filter system.
Neuere Filtersysteme weisen an Stelle eines porösen keramischen Grundkörpers ein Filterelement auf Sintermetallbasis auf. Diese haben den Vorzug, dass sie ein wesentlich homogeneres Filtrationsverhalten zeigen als herkömmliche Filtersysteme und weitgehend wartungsfrei eingesetzt werden können. Dennoch kann es vor allem im Langzeitbetrieb zurNewer filter systems have instead of a porous ceramic body on a sintered metal-based filter element. These have the advantage that they show a much more homogeneous filtration behavior than conventional filter systems and can be used largely maintenance-free. Nevertheless, it can be used especially in long-term operation
Verstopfung der Poren kommen.Clogging of the pores come.
Der als Ruß abgelagerte Kohlenstoff muss daher in regelmäßigen Intervallen vorzugsweise oxidativ entfernt werden. Die direkte Oxidation von Ruß durch Sauerstoff findet in relevantem Umfang erst bei Temperaturen oberhalb von 600 0C statt. Die Temperatur von Abgasen eines Dieselmotors beträgt jedoch in der Regel nur 150 bis 350 0C. Die Abgastemperatur muss demzufolge durch motorische oder andersartige Maßnahmen zur Regenerierung erhöht werden. Dies hat insbesondere bei motorischen Maßnahmen einen erhöhten Kraftstoffverbrauch zur Folge und kann die Lebensdauer des Verbrennungsmotors beeinträchtigen. Darüber hinaus werden auch die entsprechenden Filtersysteme durch die hohen Temperaturen geschädigt. Es besteht daher die Notwendigkeit, Filtersysteme so auszulegen, dass die Zahl der Regenerationsvorgänge möglichst gering gehalten werden kann.The carbon deposited as carbon black must therefore preferably be removed oxidatively at regular intervals. The direct oxidation of soot by oxygen takes place to a relevant extent only at temperatures above 600 0 C. The temperature of exhaust gases of a Diesel engines, however, are usually only 150 to 350 0 C. The exhaust gas temperature must therefore be increased by motor or other types of regeneration measures. This results in increased fuel consumption, particularly in the case of engine measures, and can impair the service life of the internal combustion engine. In addition, the corresponding filter systems are also damaged by the high temperatures. There is therefore the need to design filter systems so that the number of regeneration processes can be kept as low as possible.
Aus der US 6,803,015 ist eine keramische Filteranordnung zur Reinigung von Verbrennungsabgasen bekannt, bei der die Reinigungswirkung herkömmlicher keramischerFrom US 6,803,015 a ceramic filter assembly for purifying combustion exhaust gases is known in which the cleaning effect of conventional ceramic
Filter dadurch verbessert wird, dass in oder auf deren Oberfläche ein Katalysator aufgebracht ist, der den Abbrand bzw. die Oxidation des abgelagerten Rußes katalysiert. Der beschriebene Katalysator kann eine Vielzahl von metallischen Komponenten enthalten. Die auf diese Weise erreichte Absenkung der Abbrandtemperatur des abgelagerten Rußes ist jedoch nicht ausreichend.Filter is improved in that in or on the surface of a catalyst is applied, which catalyzes the burning or the oxidation of the deposited soot. The catalyst described may contain a variety of metallic components. The achieved in this way lowering the burning temperature of the deposited soot is not sufficient.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Katalysator zur Oxidation von Ruß bereitzustellen, der die Oxidation von kohlenstoffhaltigen Partikeln bei möglichst geringen Temperaturen gewährleistet.Object of the present invention is to provide a catalyst for the oxidation of carbon black, which ensures the oxidation of carbonaceous particles at the lowest possible temperatures.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch den erfindungsgemäßen Katalysator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The problem underlying the invention is achieved in an advantageous manner by the catalyst according to the invention with the characterizing features of claim 1.
Dieser Cobalt enthaltende Katalysator senkt dabei die Temperatur, bei der kohlenstoffhaltige Teilchen in nennenswertem Umfang oxidiert werden bzw. abbrennen so stark ab, dass bei Verwendung desselben in einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, wie beispielsweise einem Rußfilter, dessen Regenerierung auf schonende Weise und unter Vermeidung der Verwendung von Kraftstoffadditiven erfolgen kann. Dazu wird beispielsweise die Abgasnachbehandlungsvorrichtung auf ihrer dem zu behandelnden Abgas zugewandten Seite zumindest teilweise mit dem erfϊndungsgemäßen Katalysator belegt. Der Katalysator ist dabei als Legierung oder Mischverbindung von Cobalt mit mindestens einem weiteren Metall oder Halbmetall ausgeführt. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in Anspruch 1 angegebenen Katalysators möglich.This cobalt-containing catalyst lowers the temperature at which carbonaceous particles are oxidized to a significant extent or burn off so much that when using the same in an exhaust aftertreatment device, such as a soot filter, its regeneration in a gentle manner and avoiding the use of fuel additives can be done. For this purpose, for example, the exhaust aftertreatment device is at least partially covered with the erfϊndungsgemäßen catalyst on its side facing the exhaust gas to be treated. The catalyst is designed as an alloy or mixed compound of cobalt with at least one other metal or semimetal. The measures listed in the dependent claims advantageous developments of the catalyst specified in claim 1 are possible.
So ist von Vorteil, wenn der Gehalt an Cobalt in der Legierung oder Mischverbindung bezogen auf den Gesamtgehalt an Metallen und Halbmetallen in der Legierung oder Mischverbindung größer 85 Mol% ist. Ein hoher Gehalt an Cobalt im Katalysator führt zu einer besonders ausgeprägten Absenkung der Oxidationstemperatur kohlenstoffhaltiger Partikel. Dabei ist als Mischverbindung ein Oxid, Carbid oder Nitrid des Cobalts und mindestens eines weiteren Metalls oder Halbmetalls vorgesehen.It is thus advantageous if the content of cobalt in the alloy or mixed compound, based on the total content of metals and semimetals in the alloy or mixed compound, is greater than 85 mol%. A high content of cobalt in the catalyst leads to a particularly pronounced reduction in the oxidation temperature of carbonaceous particles. In this case, an oxide, carbide or nitride of the cobalt and at least one further metal or semimetal is provided as mixed compound.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird als weiteres Metall in der Legierung bzw. Mischverbindung ein Alkalimetall verwendet. Auf diese Weise werden besonders langzeitstabile Katalysatoren erhalten. Dabei ist ein Gehalt des Alkalimetalls in der Legierung oder Mischverbindung bezogen auf den Gesamtgehalt an Metallen und Halbmetallen in derIn a particularly advantageous embodiment, an alkali metal is used as a further metal in the alloy or mixed compound. In this way, particularly long-term stable catalysts are obtained. In this case, a content of the alkali metal in the alloy or mixed compound based on the total content of metals and semimetals in the
Legierung oder Mischverbindung zwischen 1 und 5 Mol% besonders vorteilhaft.Alloy or mixed compound between 1 and 5 mol% particularly advantageous.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform wird als weiteres Metall in der Legierung bzw. Mischverbindung Mangan, Titan, Molybdän oder Vanadium gewählt. Auf diese Weise werden hochaktive Katalysatoren erhalten. Dabei ist ein Gehalt an Mangan, Titan,In a further particularly advantageous embodiment, manganese, titanium, molybdenum or vanadium is chosen as the further metal in the alloy or mixed compound. In this way, highly active catalysts are obtained. This is a content of manganese, titanium,
Molybdän bzw. Vanadium in der Legierung oder Mischverbindung bezogen auf den Gesamtgehalt an Metallen und Halbmetallen in der Legierung oder Mischverbindung zwischen 2 und 9 Mol% besonders vorteilhaft.Molybdenum or vanadium in the alloy or mixed compound based on the total content of metals and semi-metals in the alloy or mixed compound between 2 and 9 mol% is particularly advantageous.
Die katalytische Wirkung kann noch gesteigert werden, wenn der Katalysator zusätzlich Platin als weiteres Metall enthält. Dabei ist ein Platinanteil von 0,1 bis 3 Vol% bezogen auf den Gesamtgehalt an Metallen und Halbmetallen in der Legierung oder Mischverbindung von besonderem Vorteil.The catalytic effect can be further increased if the catalyst additionally contains platinum as another metal. In this case, a platinum content of 0.1 to 3% by volume, based on the total content of metals and semimetals in the alloy or mixed compound, is of particular advantage.
Der Katalysator lässt sich vorteilhaft in ein System zur Reinigung von Gasgemischen, die insbesondere Rußpartikel enthalten, integrieren, bspw. in Dieselpartikelfilter. - A -The catalyst can be advantageously integrated into a system for purifying gas mixtures, which in particular contain soot particles, for example in diesel particle filters. - A -
Zeichnungdrawing
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung in Form eines mit einer Oberflächenbeschichtung versehenen Filters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.An embodiment of the device according to the invention is shown in the drawing and explained in more detail in the following description. FIG. 1 shows schematically a device in the form of a filter provided with a surface coating according to an exemplary embodiment of the present invention.
Ausführungsbeispielembodiment
Der erfindungsgemäße Katalysator ist als Legierung oder Mischverbindung von Cobalt mit mindestens einem weiteren Metall oder Halbmetall ausgeführt, wobei der Katalysator einen verhältnismäßig hohen Gehalt an Cobalt aufweist. Der Gehalt an Cobalt in der Legierung oder Mischverbindung beträgt, bezogen auf den Gesamtgehalt an Metallen und Halbmetallen in der Legierung oder Mischverbindung, mehr als 70 Mol%, insbesondere mehr als 85 Mol%. DerThe catalyst according to the invention is designed as an alloy or mixed compound of cobalt with at least one further metal or semimetal, wherein the catalyst has a relatively high content of cobalt. The content of cobalt in the alloy or mixed compound is more than 70 mol%, particularly more than 85 mol%, based on the total content of metals and semi-metals in the alloy or compound. Of the
Katalysator kann eine binäre, ternäre, quarternäre oder höhere cobalthaltige Substanz sein. Ist der Katalysator als Mischverbindung ausgeführt, so kann dieser bspw. ein Oxid, Carbid oder Nitrid von Cobalt und mindestens einem weiteren Metall oder Halbmetall enthalten.Catalyst can be a binary, ternary, quaternary or higher cobalt-containing substance. If the catalyst is designed as a mixed compound, it may, for example, contain an oxide, carbide or nitride of cobalt and at least one further metal or semimetal.
Als weiteres Metall kann im Katalysator ein Alkalimetall wie insbesondere Cäsium, Rubidium oder Kalium enthalten sein. Dessen Gehalt in der Legierung oder Mischverbindung bezogen auf den Gesamtgehalt an Metallen und Halbmetallen in der Legierung oder Mischverbindung beträgt dabei vorzugsweise zwischen 1 und 5 Mol%, insbesondere zwischen 2,5 und 4,0 Mol%.Another metal which may be present in the catalyst is an alkali metal, in particular cesium, rubidium or potassium. Its content in the alloy or mixed compound, based on the total content of metals and semimetals in the alloy or mixed compound, is preferably between 1 and 5 mol%, in particular between 2.5 and 4.0 mol%.
Ein derartiger, Cobalt und ein Alkalimetall enthaltende Katalysator kann auch als ternäreSuch a catalyst containing cobalt and an alkali metal may also be known as ternary
Verbindung ausgeführt sein und enthält dann vorzugsweise eines der Platinmetalle Rhodium, Iridium, Palladium, Platin, Silber oder Gold, wobei die Verwendung von Platin bevorzugt ist. Dabei ist ein Platingehalt im Katalysatormaterial von 0,1 bis 3 Mol%, insbesondere von 0,5 bis 1,5 Mol% bezogen auf den Gesamtgehalt an Metallen und Halbmetallen in der Legierung oder Mischverbindung bevorzugt. Dabei resultieren Verbindungen des Typs Pt(o)1-3)M(1)5-5)(92-98)4), insbesondere Pt(o,5-1,5)M(2,5-4)(94)5-97), wobei M ein Alkalimetall ist und wobei die in Mischverbindungen gegebenenfalls hinzukommenden Anionen wie Oxid-, Nitrid- bzw. Carbidionen nicht berücksichtigt sind. Alternativ kann als weiteres Metall im Katalysator an Stelle eines Alkalimetalls eines der Elemente Mangan, Molybdän, Titan oder Vanadium vorgesehen sein, wobei die Verwendung von Mangan bevorzugt ist. Dessen Gehalt in der Legierung oder Mischverbindung bezogen auf den Gesamtgehalt an Metallen und Halbmetallen in der Legierung oder Mischverbindung beträgt dabei vorzugsweise zwischen 2 und 9 Mol%, insbesondere 4 bis 8 Mol%. Ein derartiger,Compound and then preferably contains one of the platinum metals rhodium, iridium, palladium, platinum, silver or gold, wherein the use of platinum is preferred. In this case, a platinum content in the catalyst material of 0.1 to 3 mol%, in particular from 0.5 to 1.5 mol% based on the total content of metals and semi-metals in the alloy or mixed compound is preferred. This results in compounds of the type Pt ( o ) 1-3) M (1) 5-5) CO (92-98) 4) , in particular Pt ( o, 5-1 , 5) M (2 , 5 - 4) CO (94) 5-97) , where M is an alkali metal and the anions which are optionally added in mixed compounds, such as oxide, nitride or carbide ions, are not taken into consideration. Alternatively, as another metal in the catalyst, one of manganese, molybdenum, titanium or vanadium may be provided instead of an alkali metal, with the use of manganese being preferred. Its content in the alloy or compound compound based on the total content of metals and semimetals in the alloy or mixed compound is preferably between 2 and 9 mol%, in particular 4 to 8 mol%. Such a,
Cobalt und eines der Elemente Mangan, Molybdän, Titan oder Vanadium enthaltender Katalysator ist jedoch vorzugsweise als ternäre Verbindung ausgeführt und enthält dann zusätzlich eines der Platinmetalle Rhodium, Iridium, Palladium, Platin, Silber oder Gold, wobei die Verwendung von Platin bevorzugt ist. Dabei ist ein Platingehalt im Katalysatormaterial von 0,1 bis 3 Mol%, insbesondere von 0,5 bis 1,5 Mol% bezogen auf den Gesamtgehalt an Metallen und Halbmetallen in der Legierung oder Mischverbindung bevorzugt. Dabei resultieren Verbindungen des Typs Pt(o)1-3)M2 (2-7)(90-97)9), Pt(o,5-1)5)M2 (4-8)(91)5-95)5), wobei M2 eines der Elemente Mangan, Molybdän, Titan oder Vanadium ist und wobei die in Mischverbindungen gegebenenfalls hinzukommende Anionen die Oxid-, Nitrid- bzw. Carbidionen weiterhin nicht berücksichtigt sind.Cobalt and one of the elements containing manganese, molybdenum, titanium or vanadium, however, is preferably carried out as a ternary compound and then additionally contains one of the platinum metals rhodium, iridium, palladium, platinum, silver or gold, wherein the use of platinum is preferred. In this case, a platinum content in the catalyst material of 0.1 to 3 mol%, in particular from 0.5 to 1.5 mol% based on the total content of metals and semi-metals in the alloy or mixed compound is preferred. This results in compounds of the type Pt ( o ) 1-3) M 2 (2-7) CO (90-97) 9) , Pt ( o, 5-1) 5) M 2 (4-8) CO (91) 5-95) 5) , wherein M 2 is one of the elements manganese, molybdenum, titanium or vanadium and wherein the optionally added in mixed compounds anions, the oxide, nitride or carbide ions are still not considered.
Ein Katalysator, der neben Cobalt eines der Elemente Mangan, Molybdäns, Titan oder Vanadium sowie eines der Pt Metalle enthält, kann auch als quarternäre Verbindung ausgeführt sein und als vierte Komponente eines der Elemente Aluminium, Silicium oder Germanium enthalten, wobei die Verwendung von Aluminium bevorzugt ist. Dabei ist ein Gehalt der viertenA catalyst containing, in addition to cobalt, one of the elements manganese, molybdenum, titanium or vanadium and one of the Pt metals may also be in the form of a quaternary compound and contain as the fourth component one of the elements aluminum, silicon or germanium, the use of aluminum being preferred is. Here is a salary of the fourth
Komponente im Katalysatormaterial von 0,1 bis 3 Mol%, insbesondere von 0,5 bis 1,5 Mol% bezogen auf den Gesamtgehalt an Metallen und Halbmetallen in der Legierung oder Mischverbindung bevorzugt. Dabei resultieren Verbindungen des Typs Pt(o,1-3)M3 (o)1-3)M2 (2- 7)Cθ(85-95)8), insbesondere Pt(o,5-1,5)M3(o)5-1)5)M2(4-8)Cθ(91)5-95)5), wobei M3 eines der Elemente Aluminium, Germanium oder Silicium ist und wobei die in Mischverbindungen gegebenenfalls hinzukommende Anionen die Oxid-, Nitrid- bzw. Carbidionen ebenfalls nicht berücksichtigt sind.Component in the catalyst material of 0.1 to 3 mol%, in particular from 0.5 to 1.5 mol% based on the total content of metals and semi-metals in the alloy or mixed compound is preferred. Thereby resulting compounds of the type Pt (o, 1-3) M 3 (o) 1-3) M 2 (2 - 7)(85- 9 5) 8), especially Pt (o, 5-1, 5) M 3 (o ) 5-1) 5) M 2 ( 4-8 ) CO (9 1 ) 5-9 5) 5 ), wherein M 3 is one of aluminum, germanium or silicon and wherein the compounds optionally added in mixed compounds Anions the oxide, nitride or carbide ions are also not taken into account.
Die Herstellung des Katalysators erfolgt vorzugsweise mittels eines Sol-Gel- Verfahrens, da über Sol-Gel-Prozesse Metalle beispielsweise als Komplexe homogen verteilt in Oxid-The preparation of the catalyst is preferably carried out by means of a sol-gel process, since, via sol-gel processes, metals are homogeneously distributed, for example as complexes, in oxide
Materialien eingebracht werden können. Weiterhin können dabei Dotierungen des Materials durch weitere katalytisch aktive Komponente in nahezu beliebiger Menge erfolgen und qualitativ hochwertige keramische ggf. metalloxidische Überzüge erzeugt werden, mit denen z.B. keramische Fasern beschichtet werden können. Eingesetzt werden beispielsweise lösliche metallorganische Verbindungen wie z.B. Alkoxide oder Alkoholate, oftmals Propionate, welche durch einen Kondensationsschritt unter Wasserabspaltung ein Gel bilden.Materials can be introduced. Furthermore, doping of the material by further catalytically active component in almost any amount can take place and high-quality ceramic optionally metal-oxide coatings can be produced, with which, for example, ceramic fibers can be coated. For example, soluble organometallic compounds such as, for example, alkoxides or alcoholates, often propionates, which form a gel by means of a condensation step with dehydration are used.
Wird eine alkoholische Lösung hydrolysierbarer Alkoholate mehrwertiger Metallionen (z. B. Ti,If an alcoholic solution of hydrolyzable alcoholates of polyvalent metal ions (eg Ti,
Co, Mn, Mo...) auf eine zu beschichtende Oberfläche aufgetragen, so bildet sich in Ggw. von Feuchtigkeit bereits während des Verdunstens des Lösungsmittels bei tiefen Temperaturen, beispielsweise bei Raumtemperatur, ein Metallhydroxid-Netzwerk aus. Dieses enthält zahlreiche Metall-Hydroxid-Gruppen und ist daher hydrophil und antistatisch. Bei Erhöhung der Temperatur reagieren die Metall-Hydroxid-Gruppen unter Wasserabspaltung zu Metalloxid-Co, Mn, Mo ...) applied to a surface to be coated, so formed in Ggw. Of moisture already during the evaporation of the solvent at low temperatures, for example at room temperature, a metal hydroxide network. This contains numerous metal hydroxide groups and is therefore hydrophilic and antistatic. When the temperature is raised, the metal hydroxide groups react with elimination of water to give metal oxide
Gruppierungen, wodurch die Oberflächen mechanisch sehr stabil werden.Groupings, whereby the surfaces become mechanically very stable.
Alternativ können durch thermolytische Zersetzung von Metallkomplexen oder durch Behandlung im Sauerstoffplasma hochdisperse Metalloxid- oder Metallpartikel erzeugt werden, die u.a. als heterogene Katalysatoren eingesetzt werden können. Sie zeichnen sich durch sehr kleine, homogen verteilte und nicht agglomerierte Partikel, enge Partikelgrößenverteilungen und durch einen sehr variablen Beladungsgrad aus.Alternatively, by thermolytic decomposition of metal complexes or by treatment in oxygen plasma, fumed metal oxide or metal particles can be produced, which i.a. can be used as heterogeneous catalysts. They are characterized by very small, homogeneously distributed and non-agglomerated particles, narrow particle size distributions and a very variable degree of loading.
Eine weitere alternative Darstellung kann ausgehend von Metallsalzlösungen aus Nitraten, Acetaten, Citraten oder Carbonaten der entsprechenden Metalle erfolgen. Die Lösungen werden getrocknet und anschließend bei Temperaturen > 6000C kalziniert, die entsprechenden Anionen werden dabei thermisch zersetzt und die entsprechenden Metalloxide gebildet. Die gebildeten Metalloxide können dann als Bestandteil entsprechender Druckpasten durch Druckprozesse auf zu beschichtende Oberflächen aufgebracht werden.A further alternative representation can be carried out starting from metal salt solutions of nitrates, acetates, citrates or carbonates of the corresponding metals. The solutions are dried and then calcined at temperatures> 600 0 C, the corresponding anions are thermally decomposed and formed the corresponding metal oxides. The metal oxides formed can then be applied by printing processes to surfaces to be coated as a constituent of corresponding printing pastes.
Die beschriebenen Ausführungsformen des Katalysators zeigen eine signifikante Absenkung der Abbrandtemperatur von kohlenstoffhaltige Partikeln wie beispielsweise Ruß. Im folgenden sind tabellarisch die Ergebnisse einer Differential-Thermoanalyse (DTA) aufgeführt, bei der Ausführungsformen des Katalysators mit Ruß vermischt und in synthetischer Luft auf 6500C aufgeheizt wurden. Dabei wurde diejenige Temperatur ermittelt, bei der ein Masseverlust vonThe described embodiments of the catalyst show a significant reduction in the burnup temperature of carbonaceous particles such as carbon black. In the following table the results of a differential thermal analysis (DTA) are listed, were mixed in the embodiments of the catalyst with carbon black and heated in synthetic air to 650 0 C. In this case, that temperature was determined at which a loss of mass of
50% auftrat. Zum Vergleich ist diese Temperatur des 50-prozentigen Masseverlust auch für Ruß aufgeführt. 50% occurred. For comparison, this temperature of 50 percent mass loss is also listed for soot.
Figure imgf000009_0001
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Es zu erkennen, dass die aufgeführten Ausführungsformen des Katalysators zu einer deutlichen Absenkung der Abbrandtemperatur von Ruß führen. Unter der Abbrandtemperatur wird diejenige Temperatur verstanden, bei der sich Ruß an Luft oder sauerstoffhaltigen Gasgemischen oxidativ zu Verbrennungsprodukten wie Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid in nennenswertem Umfang umsetzt.It can be seen that the listed embodiments of the catalyst lead to a significant reduction of the burnup temperature of soot. The combustion temperature is understood to be the temperature at which soot in air or oxygen-containing gas mixtures oxidatively converts to combustion products such as carbon monoxide or carbon dioxide to an appreciable extent.
Der beschriebene Katalysator eignet sich zum Einsatz in Systemen, die mit kohlenstoffhaltigen Partikeln beaufschlagt werden. Dies können beispielsweise Partikelfϊlter zur Reinigung von Verbrennungsabgasen von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit Dieselmotoren, von Turbinen oder von Verbrennungsprozessen in Kraftwerken sein.The catalyst described is suitable for use in systems which are exposed to carbonaceous particles. These may be, for example, particle filters for cleaning combustion exhaust gases of motor vehicles, in particular with diesel engines, turbines or combustion processes in power plants.
Der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung zur Reinigung von partikelhaltigen Verbrennungsabgasen wird im folgenden beschrieben. Die Vorrichtung zur Reinigung von Gasgemischen ist vorzugsweise als Filter ausgeführt, wie er schematisch in Figur 1 dargestellt ist. Der Filter ist in ein System integriert, in dem ein mit vorzugsweise rußhaltigen Partikeln beaufschlagtes Gasgemisch geführt wird. Dies kann bspw. die Abgasleitung eines Dieselmotors sein. Alternativ besteht die Möglichkeit, den Filter in einem Bypass des abgasführenden Systems anzuordnen.The basic structure of an apparatus for purifying particle-containing combustion exhaust gases will be described below. The device for cleaning gas mixtures is preferably designed as a filter, as shown schematically in Figure 1. The filter is integrated into a system in which a gas mixture charged with preferably soot-containing particles is conducted. This can be, for example, the exhaust pipe of a diesel engine. Alternatively, it is possible to arrange the filter in a bypass of the exhaust gas system.
Der in Figur 1 abgebildete Filter 10 ist vorzugsweise als Edelstahl- oder Sintermetallfilter ausgeführt und weist eine dem zu reinigenden Gasgemisch zugewandte erste Seite 11 sowie eine dem gereinigten Gasgemisch zugewandte zweite Seite 12 auf. Das mit Partikeln, insbesondere mit Ruß beladene Gasgemisch 13 wird dem Filter 10 auf dessen erster Seite 11 zugeführt. Der Filter 10 umfasst ein Gehäuse 16, in das die eigentliche Filterstruktur integriert ist. Die Filterstruktur umfasst Taschen 15, die an ihrem der ersten Seite 11 zugewandten Ende für den Zutritt des mit Partikeln beladenen Gasgemischs geöffnet sind und an ihrem der zweiten Seite 12 zugewandten Ende verschlossen sind. Die Taschen 15 sind an ihren Längsseiten vorzugsweise durch Wandungen 18 begrenzt, die porös ausgeführt sind, sodass sie den Durchtritt des Gasgemischs unter Zurückhaltung der im Gasgemisch enthaltenen Partikel gestatten.The filter 10 depicted in FIG. 1 is preferably designed as a stainless steel or sintered metal filter and has a first side 11 facing the gas mixture to be cleaned and a second side 12 facing the cleaned gas mixture. The laden with particles, in particular with soot gas mixture 13 is supplied to the filter 10 on the first side 11. The filter 10 comprises a housing 16, in which the actual filter structure is integrated. The filter structure comprises pockets 15, which are open at their end facing the first side 11 for access of the particle-laden gas mixture and are closed at their end facing the second side 12. The pockets 15 are on their long sides preferably limited by walls 18, which are made porous so that they allow the passage of the gas mixture while retaining the particles contained in the gas mixture.
Das die Wandungen 18 durchdringende Gasgemisch gelangt in zweite Taschen 20, die an ihrem der ersten Seite 11 zugewandten Ende verschlossen sind und an ihrem der zweite Seite 12 zugewandten Ende geöffnet sind, sodass das von Partikeln befreite Gasgemisch entweichen kann. Das Gehäuse 16 sowie die Wandungen 18 sind aus einem metallischen Material wie beispielsweise einem Sintermetall oder Edelstahl ausgeführt. Weiterhin ist es möglich, das Gehäuse 16 und die Wandungen 18 aus verschiedenen Materialien auszuführen.The gas mixture penetrating the walls 18 passes into second pockets 20, which are closed at their end facing the first side 11 and open at their end facing the second side 12, so that the gas mixture freed from particles can escape. The housing 16 and the walls 18 are made of a metallic material such as a sintered metal or stainless steel. Furthermore, it is possible to make the housing 16 and the walls 18 of different materials.
Zur Vergrößerung der fϊlteraktiven Oberfläche der Wandungen 18 können diese zumindest teilweise, vorzugsweise vollflächig mit einer Oberflächenbeschichtung 22 aus keramischen Fasern versehen sein. Die keramischen Fasern bestehen beispielsweise aus einem Aluminiumoxid oder aus einem Aluminiumsilikat ggf. unter Zusatz von Zirkondioxid. DieTo increase the surface active surface of the walls 18, these may be at least partially, preferably provided over the entire surface with a surface coating 22 of ceramic fibers. The ceramic fibers consist, for example, of an aluminum oxide or of an aluminum silicate, if appropriate with the addition of zirconium dioxide. The
Fasern besitzen einen mittleren Durchmesser von 3 bis 10 μm , insbesondere von 5 μm, und eine mittlere Länge von 150 bis 400 μm, vorzugsweise 250 μm auf. Derartige Fasern sind beispielsweise bei der Fa Saffil Ltd, Cheshire, WA8 ORY, UK erhältlich.Fibers have an average diameter of 3 to 10 .mu.m, in particular of 5 .mu.m, and an average length of 150 to 400 .mu.m, preferably 250 .mu.m. Such fibers are available, for example, from Saffil Ltd, Cheshire, WA8 ORY, UK.
Die Aufbringung der Fasern auf dem Filterbasismaterial der Wandungen 18 unter Bildung derThe application of the fibers to the filter base material of the walls 18 to form the
Oberflächenbeschichtung 22 erfolgt in einer Weise, dass das Porengefüge der porösen Wandungen 18 nicht verklebt wird und der entstehende Faserverbund auf den Wandungen 18 homogenen verteilt ist. Weiterhin werden die einzelnen Fasern der Oberflächenbeschichtung 22 so miteinander verklebt, dass sich auch bei großen Strömungsgeschwindigkeiten des zu reinigenden Gasgemischs 13 keine Fasern aus dem Faserverbund lösen können. Als klebendeSurface coating 22 takes place in such a way that the pore structure of the porous walls 18 is not bonded and the resulting fiber composite is distributed homogeneously on the walls 18. Furthermore, the individual fibers of the surface coating 22 are bonded to one another in such a way that no fibers can be released from the fiber composite even at high flow velocities of the gas mixture 13 to be cleaned. As sticky
Komponente eignen sich Aluminium- oder Alumosilikate, welche zunächst als flüssige Sole oder kolloidale Lösungen vorliegen. Diese zunächst weitgehend löslichen bzw. dispergierten Verbindungen bilden durch einen Kondensationsschritt unter Wasserabspaltung entsprechende Gele. Ein Vorteil dieses Sol-Gel-Prozesses besteht darin, dass auf einfache Weise keramische Überzüge erzeugt werden können.Component are aluminum or aluminosilicates, which are initially present as liquid brine or colloidal solutions. These initially largely soluble or dispersed compounds form by a condensation step with elimination of water corresponding gels. An advantage of this sol-gel process is that ceramic coatings can be easily produced.
Dieser Effekt lässt sich noch verstärken, wenn die Oberflächenbeschichtung 22 neben den keramischen Fasern zusätzlich sphärische Partikel enthält. Diese dienen als Abstandhalter für die keramischen Fasern und ermöglichen die gezielte Einstellung der Porosität bzw. der Durchlässigkeit der Schicht 22. Gleichzeitig dient der Zusatz sphärischer Partikel der mechanischen Stabilisierung der Oberflächenbeschichtung 22. Die sphärischen Partikel werden vorzugsweise aus dem gleichen Material ausgeführt wie die keramischen Fasern 26.Alternativ ist es möglich, die sphärischen Partikel aus Aluminiumoxid, Zirkondioxid, Titandioxid oder aus Mischoxiden von Übergangsmetallen auszuführen. Die sphärischen Partikel weisen vorzugsweise einen Durchmesser von 5 bis 50 μm auf.This effect can be enhanced if the surface coating 22 in addition to the ceramic fibers additionally contains spherical particles. These serve as spacers for the ceramic fibers and allow the targeted adjustment of the porosity or the permeability of the layer 22. At the same time, the addition of spherical particles is the mechanical stabilization of the surface coating 22. The spherical particles are preferably made of the same material as the ceramic fibers 26. Alternatively, it is possible to carry out the spherical particles of alumina, zirconia, titania or mixed oxides of transition metals. The spherical particles preferably have a diameter of 5 to 50 microns.
Zur Verbesserung des Regenerationsvermögens des Filters 10 wird vorzugsweise auf die sphärischen Partikel bzw. die keramischen Fasern oder auf die Wandung 18 ein Katalysator der erfindungsgemäßen Art aufgebracht. Dabei können die Fasern und die sphärischen Partikel die gleichen oder unterschiedliche katalytisch aktive Substanzen enthalten. Die Aufbringung der katalytisch aktiven Substanzen auf die Fasern bzw. sphärischen Partikel erfolgt vorzugsweise bevor diese zur Erzeugung der Schicht 22 in eine Suspension eingebracht werden. Dies ermöglicht die Aufbringung unterschiedlicher katalytisch aktiver Materialien auf die Fasern 26 bzw. die sphärischer Partikel 28. Die Aufbringung kann bspw. durch Imprägnierung erfolgen. To improve the regeneration capacity of the filter 10, a catalyst of the type according to the invention is preferably applied to the spherical particles or the ceramic fibers or to the wall 18. The fibers and the spherical particles may contain the same or different catalytically active substances. The application of the catalytically active substances to the fibers or spherical particles is preferably carried out before they are introduced to produce the layer 22 in a suspension. This allows the application of different catalytically active materials to the fibers 26 and the spherical particles 28. The application can be carried out, for example, by impregnation.

Claims

Ansprüche claims
1. Katalysator zur Oxidation von kohlenstoffhaltigen Partikeln, insbesondere von Ruß, der eine Legierung oder Mischverbindung von Cobalt mit mindestens einem weiteren Metall oder Halbmetall enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Cobalt in der Legierung oder1. A catalyst for the oxidation of carbonaceous particles, in particular of carbon black, which contains an alloy or mixed compound of cobalt with at least one further metal or semimetal, characterized in that the content of cobalt in the alloy or
Mischverbindung bezogen auf den Gesamtgehalt an Metallen und Halbmetallen in der Legierung oder Mischverbindung größer 70 Mol% ist.Mixed compound based on the total content of metals and semi-metals in the alloy or mixed compound is greater than 70 mol%.
2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Cobalt in der Legierung oder Mischverbindung bezogen auf den Gesamtgehalt an Metallen und Halbmetallen in der Legierung oder Mischverbindung größer 85 Mol% ist.2. Catalyst according to claim 1, characterized in that the content of cobalt in the alloy or mixed compound based on the total content of metals and semi-metals in the alloy or mixed compound is greater than 85 mol%.
3. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischverbindung ein Oxid, Carbid oder Nitrid des Cobalts und mindestens eines weiteren Metalls oder Halbmetalls ist.3. Catalyst according to claim 1 or 2, characterized in that the mixed compound is an oxide, carbide or nitride of the cobalt and at least one further metal or semimetal.
4. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Metall ein Alkalimetall ist.4. Catalyst according to one of claims 1 to 3, characterized in that the further metal is an alkali metal.
5. Katalysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt des Alkalimetalls in der Legierung oder Mischverbindung bezogen auf den Gesamtgehalt an Metallen und Halbmetallen in der Legierung oder Mischverbindung zwischen 1 und 5 Mol% beträgt.5. Catalyst according to claim 4, characterized in that the content of the alkali metal in the alloy or mixed compound based on the total content of metals and semi-metals in the alloy or mixed compound is between 1 and 5 mol%.
6. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Metall Mangan, Titan, Molybdän oder Vanadium ist. 6. Catalyst according to one of claims 1 to 3, characterized in that the further metal is manganese, titanium, molybdenum or vanadium.
7. Katalysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt des weiteren Metalls in der Legierung oder Mischverbindung bezogen auf den Gesamtgehalt an Metallen und Halbmetallen in der Legierung oder Mischverbindung zwischen 2 und 9 Mol% beträgt.7. Catalyst according to claim 6, characterized in that the content of the further metal in the alloy or mixed compound based on the total content of metals and semi-metals in the alloy or mixed compound is between 2 and 9 mol%.
8. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Komponente der Legierung oder Mischverbindung Platin enthalten ist.8. Catalyst according to one of the preceding claims, characterized in that is contained as a further component of the alloy or mixed compound platinum.
9. Katalysator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Platin in der Legierung oder Mischverbindung bezogen auf den Gesamtgehalt an Metallen und Halbmetallen in der Legierung oder Mischverbindung zwischen 0,1 und 3 Mol% beträgt.9. A catalyst according to claim 8, characterized in that the content of platinum in the alloy or mixed compound based on the total content of metals and semi-metals in the alloy or mixed compound is between 0.1 and 3 mol%.
10. Vorrichtung zur Reinigung von Gasgemischen, die Partikel enthalten, insbesondere von rußhaltigen Abgasen von Verbrennungsmotoren, wobei die Vorrichtung als Filter (10) ausgeführt ist, der eine dem zu reinigenden Gasgemisch ausgesetzte, poröse Oberfläche (18, 22) aus einem Filterbasismaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf die dem zu reinigenden Gasgemisch ausgesetzte Oberfläche (18, 22) ein Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufgebracht ist.10. A device for cleaning gas mixtures containing particles, in particular of soot-containing exhaust gases of internal combustion engines, wherein the device is designed as a filter (10) having a the gas mixture to be cleaned exposed porous surface (18, 22) of a filter base material, characterized in that a catalyst according to any one of claims 1 to 9 is applied to the surface exposed to the gas mixture to be cleaned (18, 22).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterbasismaterial ein11. The device according to claim 10, characterized in that the filter base material a
Sintermetall ist.Sintered metal is.
12. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 als Dieselpartikelfilter. 12. Use of a device according to claim 10 or 11 as a diesel particulate filter.
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