在兩端開口蜂窩載體上塗覆活性組分的方法
2023-08-01 02:00:01
專利名稱：在兩端開口蜂窩載體上塗覆活性組分的方法
技術領域：
本發明是關於一種在蜂窩載體上塗覆活性組分的方法，更具體說，是關於一種在兩端開口蜂窩載體上塗覆活性組分的方法。
背景技術：
汽車尾氣淨化催化劑是處理現代汽車尾氣，使其排放達到環保要求的重要手段。這種催化劑均由一種蜂窩載體和塗覆在載體上的活性組分組成，所述蜂窩載體上含有眾多平行的兩端開口的直通孔道，截面上孔密度46.5-186.0孔/釐米2，每個孔的截面積0.91-1.72毫米2。該催化劑是將含活性組分的漿液塗覆到載體上，然後乾燥塗覆上漿液的載體而得到。
US6,149,973公開了一種用塗料分散系塗覆一種圓柱形單塊蜂窩載體的方法，所述載體具有沿軸向的流孔，所述流孔在橫截面上以網格狀分布，所述載體有一個上面和一個底面，該方法包括如下步驟(1)在垂直方向上安裝所述載體，使載體的流孔的方向為豎直；(2)用超過流孔體積約10％體積的塗料分散系從底面充填所述流孔，使得充填完成後，載體的上面被所述塗料分散系淹沒；(3)從所述載體的上面除去多餘的塗料分散系；(4)通過一個抽出推動力抽空和清除流孔，所述抽出推動力來自經一個抽出管與催化劑載體的底面相連的真空泵。該方法的塗覆過程是採用虹吸原理，使含活性組分的漿液浸漬載體，從而達到將活性組分塗覆到載體上的目的。採用這種方法，漿液中的氣泡容易形成氣阻，漿液不能進入有些孔道中，造成載體孔道中的塗層不均勻，漿液流過載體孔道的速度較慢，塗覆效率較低。
US4,609,563公開了一種將預定量的催化劑塗覆到一種中空基質的內表面的的裝置，該裝置含有緊密咬合併固定一種中空基質的夾具，該中空基質具有對接開口的第一和第二個末端；用來盛裝預定量催化劑漿液和容納基質末端的帶有一個有底空腔的浸漬槽；一種與浸漬槽空腔在一條直線上，用來沿豎直的軌道上下移動所述夾具的第一驅動器；控制所述第一驅動器沿所述軌道移動的控制器，還包括當所述夾具和基質沿軌道向下移動時，用來檢測接近所述浸漬槽的基質的第一個開口末端存在的傳感器，當所述基質的第一個開口末端到達能被漿液浸沒並位於距所述浸漬槽的底部預定距離時，所述控制器能終止所述第一驅動器向下移動。
US4,609,563還公開了一種將預定量的催化劑塗覆到一種中空基質的內表面的方法，該方法包括將預定量的催化劑漿液加入到具有一個底的浸漬槽的空腔中，將具有第一、第二個開口末端和欲塗覆內表面的中空基質降低，使第一個開口的末端位於浸漬槽的空腔中，並且完全浸漬在漿液中。該基質保持一定的高度，使第一開口末端位於預定的與浸漬槽中空腔的底部的距離。用一個真空源在基質的第二開口末端上施加真空，使所有浸漬槽中的漿液全部被吸入到基質中，對內表面進行塗覆。在預定的時間內，連續在基質的第二開口末端施加真空，直到浸漬槽中的所有漿液被吸出並進入基質中，乾燥在基質上形成的塗層。該方法使用定量吸附漿液的方法，即所用漿液的體積與載體水孔體積相同，這種方法的缺點是，在塗覆過程中，漿液沿載體的孔道爬升，由於載體內表面的吸附性質的作用，漿液先進入的一端吸附和粘連的漿液較多，另一端則較少，這樣就造成了漿液在載體上的不均勻吸附，造成塗層在載體的孔道中形成一個厚度梯度，使得催化劑的催化性能不佳。因此，一般來說，採用該方法時，最好採用兩端吸附的方法，先將載體的一端浸在漿液中，在另外一端抽真空，吸附預定量漿液中的一部分後，旋轉載體，將載體的另外一端浸在剩餘的漿液中，重複抽真空和吸附的步驟。然而，即使採用兩端吸附的方法，漿液在孔道中的吸附也不均勻，這種情況下，漿液在載體兩端吸附的較多，而在孔道的中間吸附量則比較少，因此，兩端塗層較中間厚。該方法的另一個缺點是需要使用較複雜的計量系統。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術塗層不均勻的缺點，提供一種塗層更加均勻的在兩端開口蜂窩載體上塗覆活性組分的方法。
本發明提供的方法包括將兩端開口蜂窩載體的一端浸漬在含有活性組分的漿液中，在另一端施加真空，使漿液連續通過載體的孔道，乾燥塗覆上漿液的載體，其中，所述通過載體孔道的漿液的體積為載體體積的1.1-50倍，施加的真空使漿液流過載體孔道的流量為90-1800毫升/克載體/分鐘，漿液連續通過載體的孔道後，用壓力為1-3兆帕，流速為8-13千米/分鐘的氣體從載體的一端吹掃，以除去載體孔道內多餘的漿液。
本發明提供的方法突出的優點是得到的催化劑的塗層更加均勻。例如，將本發明提供的方法得到的催化劑沿縱向切開，用目測的方法觀察催化劑孔道中塗層的分布情況，發現孔道中的塗層均勻，沒有不被塗層佔據的內表面。而採用US6,149,973公開的方法得到的催化劑有明顯不被塗層佔據的內表面存在，採用US4,609,563公開的方法製備的催化劑雖然沒有明顯不被塗層佔據的內表面，但是，採用一端吸附的方法製備的催化劑，由漿液進口一端至出口一端，塗層顏色越來越淺，說明塗層越來越薄。採用兩端吸附的方法製備的催化劑，從兩端到中間，塗層越來越薄。
本發明提供的方法採用連續抽真空的方法將漿液吸附在載體孔道壁的表面上，因此不象US6,149,973那樣容易形成氣阻，不僅得到的塗層均勻，而且由於漿液流過載體孔道的速度較快，塗覆速度也更加快捷。
本發明提供的方法也不象US4,609,563那樣必須準確計量進入載體孔道的漿液量，本發明提供的方法只需要根據最後催化劑塗層中活性組分的含量和載體水孔體積，計算出漿液中各組分的濃度即可，在塗覆過程中不需要準確計量，使用複雜的計量系統，過量的漿液可以重複使用，因此本發明提供的方法也更加簡便，工業上容易實施。
圖1是本發明提供的方法的流程示意圖。
具體實施例方式
按照本發明提供的方法，所述載體體積為載體的空間總體積，例如，假設載體為圓柱體，載體體積為圓柱的底面積乘以圓柱體的高度。載體的水孔體積指載體飽和吸附水的體積。
所述活性組分包括使用含有兩端開口蜂窩載體的各種廢氣淨化催化劑所含有的活性組分，這些組分的種類和在催化劑中的含量為本領域技術人員所公知。如汽車尾氣淨化催化劑、煉廠尾氣淨化催化劑、電廠廢氣淨化催化劑、化工廠毒氣淨化催化劑等各種處理有害氣體的催化劑含有的活性組分。
以汽車尾氣淨化催化劑為例，汽車淨化催化劑含有的活性組分包括一種作為基質的耐熱無機氧化物，第IVB族元素的氧化物和/或氫氧化物，第VIII族的貴金屬的氧化物、氫氧化物和/或單質及稀土元素的氧化物和/或氫氧化物。以催化劑塗層的總量為基準，耐熱無機氧化物的含量為50-96重％，優選為70-90重％，第IVB族元素的氧化物的含量為1-10重％，優選為4-10重％，稀土元素氧化物的含量為1-30重％，優選為4-20重％，第VIII族貴金屬氧化物的含量為0.1-30重％，優選為0.1-20重％。
其中，所述作為基質的耐熱無機氧化物可以選擇的範圍為本領域技術人員所公知，如所述耐熱無機氧化物可以選自氧化鋁、氧化矽、氧化矽-氧化鋁、氧化矽-氧化鈷、氧化鋁-氧化鎂、氧化矽-氧化鎂中的一種。其中，優選氧化鋁、氧化矽或氧化矽-氧化鋁。更優選為氧化鋁。
所述第IVB族元素選自鈦和/或鋯。
所述第VIII族貴金屬選自釕、銠、鈀、鋨、銥、鉑中的一種或幾種，優選為銠、鈀、鉑中的一種或幾種。
所述稀土元素選自鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥中的一種或幾種，優選為鑭、鈰、富鑭混合稀土或富鈰混合稀土。
所述含有活性組分的漿液中活性組分的含量根據載體水孔體積和最終催化劑中活性組分的含量確定。即催化劑中所含有的活性組分的總量等於與載體水孔體積相同體積的漿液中所含有的活性組分的量。所述含有活性組分的漿液的固含量為10-60重％，優選為25-45重％。
為了保證載體的孔道中全部為漿液所充滿，所述通過載體孔道的漿液的體積為載體體積的1.1-50倍，優選為10-40倍。
施加的真空使漿液流過載體孔道的流量為90-1800毫升/克載體/分鐘，優選為180-1600毫升/克載體/分鐘。為了達到上述漿液流過載體孔道的流量，所述系統壓力為大於0至85千帕，優選為20-80千帕，真空泵的排氣量為120-1500升/分鐘，優選為240-1300升/分鐘。
由於漿液連續通過載體孔道後，載體的孔道被漿液所充滿，為除去孔道內多餘的漿液，也為了保持孔道通暢。需要用壓力為1-3兆帕，優選為1.2-2兆帕，流速為8-13千米/分鐘，優選為8.5-12千米/分鐘的氣體從載體的一端吹掃載體孔道內多餘的漿液。吹掃的時間應該使吸附了漿液的載體中沒有液體流出。為了達到上述目的，吹掃的時間一般為5-40分鐘，優選為10-30分鐘。
所述氣體可以選自不與所述載體和漿液發生化學作用的任意一種氣體或氣體混合物，優選對環境沒有汙染的氣體中的一種或幾種，如空氣、氮氣、氧氣、二氧化碳、元素周期表中零族氣體中的一種或幾種，優選為空氣，氮氣或氧氣。
乾燥塗覆上漿液的載體的條件為本領域技術人員所公知，如乾燥溫度可以是90-300℃，優選為100-200℃。
下面結合附圖詳細說明本發明所提供的方法。
如圖1所示，將被具有密封性能的夾具2夾緊的兩端開口蜂窩載體1下降，使載體1的下端浸泡於放置在浸漬槽3中的漿液4中，載體1上端的空間密閉，開啟真空泵8，空氣沿管線5進入緩衝器6，並經管線7從真空泵8排出，由於壓力差的作用，漿液4進入載體1的孔道，並從載體1的上端流出，沿管線5進入緩衝器6，施加的真空使漿液4流過載體1孔道的流量為90-1800毫升/克載體/分鐘，優選為180-1600毫升/克載體/分鐘。當通過所述載體1孔道的漿液4的體積為載體1體積的1.1-50倍，優選為10-40倍時，停止抽真空，並打開經管線16連接在緩衝器6上的閥門17，將載體1從漿液4中提升，使載體1下端不再浸泡於漿液4中，再開真空泵8(或不停止抽真空，也不打開閥門17，直接將載體1從漿液4中提升，使載體1下端不再浸泡於漿液4中)，並用從壓縮氣體源10而來的壓縮氣體，經管線9從載體1的下端對載體1的孔道進行吹掃，壓縮氣體的壓力為1-3兆帕，優選為1.2-2兆帕，流速為8-13千米/分鐘，優選為8.5-12千米/分鐘，吹掃的時間應該使吸附了漿液的載體中沒有液體流出，吹掃的時間一般為5-40分鐘，優選為10-30分鐘。從夾具2上卸下載體1，乾燥，得到催化劑。其中，浸漬槽3中的漿液4，可以由儲存罐12經管線11連續或間斷供給，由於真空的作用，從載體1上端流出的經管線5進入緩衝罐6的漿液4可以經管線13，泵14和管線15回流至儲存罐12中。
下面的實施例將對本發明做進一步的說明，但並不因此限制本發明。
實例1本實例說明本發明提供的方法。
如圖1所示，在浸漬槽3中加入一種漿液4。該漿液4是將擬薄水鋁石(含氧化鋁32重％，齊魯催化劑廠出品)、氧氯化鋯(ZrOCl2·8H2O，北京化工廠出品)、氯化稀土(含混合稀土氧化物44重％，其中，氧化鑭佔混合稀土氧化物的40重％，氧化鈰佔混合稀土氧化物的53重％，其它稀土氧化物佔混合稀土氧化物的7重％)、含鉑0.02082克/毫升的氯鉑酸溶液、含銠0.0041克/毫升的氯化銠溶液及去離子水混合製備而成。該漿液4中含有氧化鋁22.5重％，氧化鋯1.5重％，稀土氧化物4.5重％(其中氧化鑭1.8重％，氧化鈰2.4重％，其它稀土氧化物0.3重％)，鉑0.75重％，銠0.75重％，水70重％，固含量為30重％。
將被橡膠夾具2夾緊的兩端開口蜂窩載體1下降，使載體1的下端浸泡於放置在浸漬槽3中的漿液4中，載體1上端的空間密閉。所述載體1為圓柱形陶瓷載體，重量為831克，橫截面面積為109.98釐米2，高度為15.24釐米，橫截面上的氣孔數為62孔/釐米2，氣孔截面積1毫米2，載體體積為1676毫升，水孔體積為268毫升。
開啟真空泵8，空氣沿管線5進入緩衝器6，並經管線7從真空泵8排出，由於壓力差的作用，漿液4進入載體1的孔道，並從載體1的上端流出，沿管線5進入緩衝器6，緩衝器6中的壓力(稱為系統內的壓力)為80千帕，真空泵8的排氣量為300升/分鐘，漿液4流過載體1孔道的流量為300升/分鐘(相當於361毫升/克載體/分鐘)，當通過所述載體1孔道的漿液4的體積為載體1體積的20倍時，停止抽真空，並打開經管線16連接在緩衝器6上的閥門17，將載體1從漿液4中提升，使載體1下端不再浸泡於漿液4中。將閥門17關閉，再開真空泵8，同時，用從空氣壓縮泵10而來的壓縮空氣，經管線9從載體1的下端對載體1的孔道進行吹掃。壓縮空氣的壓力為1.5兆帕，流速為8.7千米/分鐘，吹掃15分鐘後，已經沒有液體再流出，停止吹掃。從夾具2上卸下載體1，在130℃烘乾，得到催化劑C1。沿縱向切開催化劑C1，觀察塗層的均勻程度，發現塗層非常均勻，而且所有孔道的內表面均被塗層所覆蓋。塗層組成為氧化鋁75重％，氧化鋯5重％，稀土氧化物15重％(其中氧化鑭6重％，氧化鈰8重％，其它稀土氧化物1重％)，鉑2.5重％，銠2.5重％。該組成由計算得到。
其中，浸漬槽3中的漿液4，由儲存罐12經管線11連續供給，供給的速度使浸漬槽3中漿液4的液面基本維持不變，由於真空的作用，從載體1上端流出的漿液4經管線5進入緩衝罐6的漿液4經管線13，泵14和管線15回流至儲存罐12中。
對比例1本對比例說明現有技術方法。
如圖1所示，按照US6,149,973公開的方法，在浸漬槽3中加入一種與實例1相同的漿液4。
將夾具2夾緊的兩端開口蜂窩載體1(同實例1)下降，使載體1的下端浸泡於放置在浸漬槽3中的漿液4中，載體1上端的空間不密閉。
逐漸從儲存罐12經管線11往浸漬槽3中加入漿液4，直至從載體1的上端流出相當於載體體積110％體積的漿液4，將載體1從漿液4中提起，在載體1的下端施加真空，系統壓力為80千帕，真空泵的排氣量為300升/分鐘，直至載體孔道中沒有漿液流出，從夾具2上卸下載體1，在130℃烘乾，得到參比方法製備的催化劑B1。沿縱向切開催化劑B1，觀察塗層的均勻程度，發現載體孔道的內表面有沒有被塗層覆蓋的裸露的載體內表面，說明得到的催化劑的塗層不均勻。
對比例2本對比例說明現有技術方法。
按照US4,609,563公開的方法對兩端開口蜂窩載體進行塗覆。將被橡膠夾具2夾緊的兩端開口蜂窩載體1(同實例1)下降，使載體1的下端浸泡於放置在浸漬槽3中的268毫升漿液4(同實例1)中，載體1上端的空間密閉。
開啟真空泵8，空氣沿管線5進入緩衝器6，並經管線7從真空泵8排出，緩衝器6中的壓力為80千帕，真空泵8的排氣量為300升/分鐘，由於壓力差的作用，漿液4進入載體1的孔道，當浸漬槽中所有的漿液全部被吸入載體的孔道後，停止抽真空，直接從夾具2上卸下載體1，在130℃烘乾，得到參比方法製備的催化劑B2。沿縱向切開催化劑B2，觀察塗層的均勻程度，發現由漿液進口一端至出口一端，塗層顏色越來越淺，說明塗層越來越薄。
對比例3本對比例說明現有技術方法。
按照US4,609,563公開的方法對兩端開口蜂窩載體進行塗覆。將被橡膠夾具2夾緊的兩端開口蜂窩載體1(同實例1)下降，使載體1的下端浸泡於放置在浸漬槽3中的268毫升漿液4(同實例1)中，載體1上端的空間密閉。
開啟真空泵8，空氣沿管線5進入緩衝器6，並經管線7從真空泵8排出，緩衝器6中的壓力為80千帕，真空泵8的排氣量為300升/分鐘，由於壓力差的作用，漿液4進入載體1的孔道，當浸漬槽中漿液的50體％被吸入載體的孔道後，停止抽真空，將載體1旋轉180度，將載體的另一端浸漬到漿液4中，重複上述操作過程，直至將剩餘的漿液吸完，不進行吹掃，直接從夾具2上卸下載體1，在130℃烘乾，得到參比方法製備的催化劑B3。沿縱向切開催化劑，觀察塗層的均勻程度，發現從兩端到中間，顏色越來越淺，說明從兩端到中間，塗層的越來越薄。
實例2本實例說明本發明提供的方法。
按實例1的方法對同樣的載體進行塗覆，不同的是，緩衝器6中的壓力為60千帕，真空泵8的排氣量為1000升/分鐘，漿液4流過載體1孔道的流量為1000升/分鐘(相當於1203毫升/克載體/分鐘)，通過所述載體1孔道的漿液4的用量為載體1體積的30倍，不停止抽真空，也不打開閥門17，直接將載體1從漿液4中提升，使載體1下端不再浸泡於漿液4中，壓縮空氣的壓力為2兆帕，流速為12千米/分鐘，吹掃時間為25分鐘。得到催化劑C2。沿縱向切開催化劑C2，觀察塗層的均勻程度，發現塗層非常均勻，而且所有孔道的內表面均被塗層所覆蓋。塗層組成為氧化鋁75重％，氧化鋯5重％，稀土氧化物15重％(其中氧化鑭6重％，氧化鈰8重％，其它稀土氧化物1重％)，鉑2.5重％，銠2.5重％。
權利要求
1.一種在兩端開口蜂窩載體上塗覆活性組分的方法，該方法包括將兩端開口蜂窩載體的一端浸漬在含有活性組分的漿液中，在另一端施加真空，使漿液連續通過載體的孔道，乾燥塗覆上漿液的載體，其特徵在於，所述通過載體孔道的漿液的體積為載體體積的1.1-50倍，施加的真空使漿液流過載體孔道的流量為90-1800毫升/克載體/分鐘，漿液連續通過載體的孔道後，用壓力為1-3兆帕，流速為8-13千米/分鐘的氣體從載體的一端吹掃，以除去載體孔道內多餘的漿液。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，施加的真空使漿液流過載體孔道的流量為180-1600毫升/克載體/分鐘。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述施加的真空，使系統內的壓力為大於0至85千帕，真空泵的排氣量為120-1500升/分鐘。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述系統內的壓力為20-80千帕，真空泵的排氣量為240-1300升/分鐘。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述通過載體孔道的漿液的體積為載體體積的10-40倍。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述氣體的壓力為1.2-2兆帕，流速為8.5-12千米/分鐘。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，吹掃的時間為5-40分鐘。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，吹掃的時間為10-30分鐘。
9.根據權利要求1或6所述的方法，其特徵在於，所述氣體選自空氣，氮氣或氧氣。
10.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述活性組分包括一種作為基質的耐熱無機氧化物，第IVB族元素的氧化物和/或氫氧化物，第VIII族貴金屬的氧化物、氫氧化物和/或單質及稀土元素的氧化物和/或氫氧化物，以催化劑塗層的總量為基準，耐熱無機氧化物的含量為50-96重％，第IVB族元素的氧化物的含量為1-10重％，稀土元素氧化物的含量為1-30重％，第VIII族貴金屬氧化物的含量為0.1-30重％。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述耐熱無機氧化物的含量為70-90重％，第IVB族元素的氧化物的含量為4-10重％，稀土元素氧化物的含量為4-20重％，第VIII族貴金屬氧化物的含量為0.1-20重％。
12.根據權利要求10或11所述的方法，其特徵在於，所述作為基質的耐熱無機氧化物選自氧化鋁、氧化矽、氧化矽-氧化鋁、氧化矽-氧化鈷、氧化鋁-氧化鎂、氧化矽-氧化鎂中的一種。
13.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述作為基質的耐熱無機氧化物選自氧化鋁、氧化矽或氧化矽-氧化鋁。
14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述作為基質的耐熱無機氧化物為氧化鋁。
15.根據權利要求10或11所述的方法，其特徵在於，所述第IVB族元素選自鈦和/或鋯；所述第VIII族貴金屬選自釕、銠、鈀、鋨、銥、鉑中的一種或幾種；所述稀土元素選自鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥中的一種或幾種。
16.根據權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述第VIII族貴金屬選自銠、鈀、鉑中的一種或幾種；所述稀土元素選自鑭、鈰、富鑭混合稀土或富鈰混合稀土。
17.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述含有活性組分的漿液的固含量為10-60重％。
18.根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，所述含有活性組分的漿液的固含量為25-45重％
全文摘要
一種在兩端開口蜂窩載體上塗覆活性組分的方法包括將兩端開口蜂窩載體的一端浸漬在含有活性組分的漿液中，在另一端施加真空，使漿液連續通過載體的孔道，乾燥塗覆上漿液的載體，其中，所述通過載體孔道的漿液的體積為載體體積的1.1－50倍，施加的真空使漿液流過載體孔道的流量為90－1800毫升/克載體/分鐘，漿液連續通過載體的孔道後，用壓力為1－3兆帕，流速為8－13千米/分鐘的氣體從載體的一端吹掃，以除去載體孔道內多餘的漿液。
文檔編號B01J37/02GK1461673SQ0212077
公開日2003年12月17日 申請日期2002年5月31日 優先權日2002年5月31日
發明者賀振富, 羅珍, 達志堅, 景振華, 蔣文斌, 邵潛, 陳蓓豔, 段啟偉, 李燕秋, 李曉燕, 沈寧元, 李陽 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油化工科學研究院