塗覆的顆粒過濾器和方法
2023-05-14 01:20:46 1
專利名稱：塗覆的顆粒過濾器和方法
技術領域：
本發明一般涉及顆粒過濾器及其製造方法，更具體來說涉及多孔陶瓷顆粒過濾器，例如用於發動機廢氣後處理的多孔陶瓷顆粒過濾器。
背景技術：
柴油發動機和汽油直接注入(GDI)發動機向廢氣流中排放顆粒，人們希望從廢氣流除去這些顆粒。
發明概述在一個方面，本發明揭示了一種顆粒過濾器，其包括過濾器主體，所述過濾器主體包括至少一個多孔壁，還包括位於所述壁上的多孔塗層(或薄膜或層)，所述塗層的中值孔徑小於20微米，塗層孔徑偏差小於所述塗層中值孔徑的三倍，所述塗層的平均厚度小於50微米。在另一個方面，本發明揭示了一種製造顆粒過濾器的方法，該方法包括提供過濾器主體，所述主體包括至少一個多孔壁，然後在所述壁上沉積顆粒，所述顆粒的平均粒徑約小於30微米。在以下的詳細描述中提出了本發明的附加特徵和優點，其中的部分特徵和優點對本領域的技術人員而言根據所作描述就容易理解，或者通過實施包括以下詳細描述、權利要求書以及附圖
在內的本文所述的本發明而被認識。應理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述都提出了本發明的實施方式，用來提供理解要求保護的本發明的性質和特性的總體評述或框架。包括的附圖提供了對本發明的進一步的理解，附圖被結合在本說明書中並構成說明書的一部分。附圖以圖示形式說明了本發明的各種實施方式，並與說明書一起用來說明本發明的原理和操作。附圖簡要說明圖IA顯示計算的煙炱顆粒(通常具有⑶I汽車發動機產生的尺寸)的過濾效率隨孔徑和塗層厚度的變化關係。圖IB顯示計算的過濾器背壓隨孔徑和塗層厚度的變化關係。圖2顯示單獨厚度的玻璃片上粒度分布極窄的陶瓷粉末。圖中顯示了直徑約為5微米的球形陶瓷粉末的單層。圖3顯示了多孔基材蜂窩體壁上的窄粒度分布陶瓷粉末的塗層的示意圖，在壁內具有短效顆粒。圖4a顯示了多孔基材蜂窩體壁上的具有類似粒度的短效顆粒的窄粒度分布陶瓷粉末的塗層的示意圖，在壁內具有較大的短效顆粒。圖4b顯示了多孔基材蜂窩體壁上的具有類似粒徑的多孔顆粒的窄粒度分布陶瓷粉末的塗層的示意圖，已經除去了短效顆粒。圖5a是通過氣溶膠技術製備的窄粒度分布陶瓷粉末的照片。圖5b是對圖5a的粉末測得的窄粒度分布圖。圖5c是對圖5a的窄粒度分布粉末測得的質量分布圖。圖6顯示以下對象的表面形貌的SEM圖(a)低微裂的堇青石裸露載體；(b)低微裂的堇青石載體上的AA3氧化鋁塗層；以及(c)低微裂的堇青石載體上的C701氧化鋁塗層。圖7顯示薄膜氧化鋁塗層以及裸露載體的表面形貌的SEM圖(a)低微裂的堇青 石裸露載體；(b)低微裂的堇青石載體上的AA3氧化鋁塗層；以及(c)低微裂的堇青石載體上的C701氧化鋁塗層。圖8顯示在1380°C燒制2小時之後的自立式AA-3和C701氧化鋁薄膜的孔徑分布，通過水銀孔隙率法測得，其中AA-3薄膜具有較窄的孔徑分布。圖9顯示在進行了不同的預處理乾燥歷程的低微裂堇青石載體上塗覆的氧化鋁薄膜層的SEM圖:#1樣品室溫下23小時;#2樣品在60°C下23小時;#3樣品室溫下5小時，然後60°C下18小時。發明詳述下面詳細參考本發明的各種實施方式，這些實施方式的例子在附圖中示出。只要有可能，在所有附圖中使用相同的附圖標記來表示相同或類似的部件。根據本發明，提供了顆粒過濾器和製造所述顆粒過濾器的方法。在一個方面，所述顆粒過濾器包括過濾器主體，所述過濾器主體包括至少一個多孔壁，還包括位於所述壁上的多孔塗層，所述塗層的中值孔徑小於20微米，塗層孔徑偏差小於所述塗層中值孔徑的三倍，所述塗層的平均厚度小於50微米。在一些所述實施方式中，所述塗層的中值孔徑小於或等於15微米。在一些所述實施方式中，所述塗層的中值孔徑小於或等於10微米。在一些所述實施方式中，所述塗層的中值孔徑小於或等於5微米。在一些所述實施方式中，所述塗層的中值孔徑小於或等於2微米。在一些所述實施方式中，所述塗層的中值孔徑小於或等於I微米。在一些實施方式中，所述塗層的中值孔徑約為0. 3-10. 0微米。在一些實施方式中，所述塗層的中值孔徑約為0.3-3. 0微米。在一些實施方式中，所述塗層的中值孔徑約為0.5-3. 0微米。在一些實施方式中，所述塗層的中值孔徑約為0. 5-2. 5微米。在一些實施方式中，所述塗層的中值孔徑約為1.0-2. 0微米。在一些實施方式中，所述塗層的孔徑偏差小於塗層的中值孔徑的2倍。在一些實施方式中，所述塗層的中值孔徑約為0. 3-10. 0微米，所述塗層的孔徑偏差小於塗層的中值孔徑的2倍。 在一些實施方式中，所述塗層的中值孔徑比壁的中值孔徑小大約一個數量級。在一些實施方式中，所述壁的中值孔徑比塗層的中值孔徑大大約一個數量級。在一些實施方式中,所述壁的中值孔徑約大於5微米。在一些實施方式中,所述壁的中值孔徑約大於10微米。在一些實施方式中，所述壁的中值孔徑約大於20微米。在一些實施方式中，所述壁的中值孔徑約大於50微米。在一些實施方式中，所述壁的中值孔徑約大於100微米。
在一些實施方式中，所述塗層的平均厚度小於25微米。在一些實施方式中，所述塗層的平均厚度小於15微米。在一些實施方式中，所述塗層的平均厚度約大於3微米且約小於30微米。在一些實施方式中，所述塗層的平均厚度約大於5微米且約小於25微米。在一些實施方式中，所述塗層的平均厚度約大於3微米且約小於15微米，所述塗層的中值孔徑約為0. 3-5. 0微米。在一些實施方式中，所述塗層的平均厚度約大於3微米且約小於15微米，所述塗層的中值孔徑約為0. 5-3. 0微米。在一些實施方式中，所述塗層的平均厚度約大於3微米且約小於15微米，所述塗層的中值孔徑約為0. 5-2. 5微米。在一些實施方式中，所述塗層的總孔隙率大於40 %。在一些實施方式中，所述塗層的總孔隙率約大於45%。在一些實施方式中，所述塗層的總孔隙率約大於50%。在一些實 施方式中，所述塗層的總孔隙率約大於55%。在一些實施方式中，所述塗層的總孔隙率約小於65%。在一些實施方式中，所述塗層的總孔隙率約為50-60*%。在一些實施方式中，所述塗層由陶瓷組成。在一些實施方式中，所述塗層包含至少一種以下的化合物氧化鋁、堇青石、鋁矽酸鹽、鈦酸鋁、氧化鋯、氧化鋁-氧化鋯、La-氧化鋁、碳化矽、氧化鈰、沸石以及它們的組合。在一些實施方式中，所述塗層包含催化劑。所述催化劑可以包含貴金屬。在一些實施方式中，所述催化劑包含W，V，Pt，Rh或Pd，或它們的組合。在一些實施方式中，所述催化劑促進(a) —氧化碳的氧化，(b)烴類的氧化，(C)氮氧化物的還原，或者⑷炭煙炱的氧化，或者(a)，(b)，(c)或(d)的組合。在一些實施方式中，所述塗層包含NOx吸收劑。在一些實施方式中，所述多孔壁由陶瓷組成。所述多孔壁可以由以下化合物組成氧化招、堇青石、招娃酸鹽、鈦酸招、氧化錯、氧化招-氧化錯、La-氧化招、碳化娃、氧化鋪、沸石、氮化矽、或者它們的組合。在一些實施方式中，所述塗層包含在壁中沒有發現的化合物。在一些實施方式中，所述過濾器主體包括多個多孔壁，或者多孔壁的矩陣。所述矩陣可以包括交叉的多孔壁。所述矩陣可以限定多個平行的通道，例如蜂窩體結構的形式。所述蜂窩體結構可以限定多個四邊形通道，或者多個六邊形通道，或者具有其它的橫截面形狀的通道。在一些實施方式中，至少一部分的塗層存在於多孔壁的孔之內。在一些實施方式中，至少一部分的塗層存在於多孔壁的周邊表面上，而不是位於多孔壁的孔之內。在本發明的另一個方面，提供了一種製造顆粒過濾器的方法，該方法包括提供包括至少一個多孔壁的過濾器主體，將顆粒沉積在所述壁上，所述顆粒的平均粒徑約小於30微米。較佳的是，對沉積的顆粒進行加熱。較佳的是，將顆粒沉積在壁上從而足以在壁的至少一部分之上形成塗層，然後對所述塗層進行加熱。在一些實施方式中，所述顆粒的平均粒徑約小於20微米。在一些實施方式中，所述顆粒的平均粒徑約小於15微米。在一些實施方式中，所述顆粒的平均粒徑約小於10微米。在一些實施方式中，所述顆粒的平均粒徑約小於5微米。
在一些實施方式中，所述顆粒基本上是單分散的。在一些實施方式中，所述過濾器主體由一種或多種氧化物組成。在一些實施方式中，所述過濾器主體由一種或多種非氧化物組成。在一些實施方式中,所述過濾器主體由陶瓷材料組成。在一些實施方式中，所述顆粒包括非短效顆粒和短效顆粒。在一些實施方式中，所述顆粒包括非短效材料和短效材料。如果使用短效材料或短效顆粒，則所述方法還包括對塗層進行充分的加熱，以從壁(即從多孔壁上和/或壁內)除去至少一些短效材料。在一些實施方式中，顆粒被載體流體流攜帶著流向多孔壁,所述載體流體流通過壁，所述壁將顆粒與載體流體流分離。在一些實施方式中，所述顆粒的平均粒徑約小於10微米。在一些實施方式中，所述顆粒以氣溶膠的形式沉積；顆粒以溶膠/凝膠球體的形式沉積；在一些實施方式中，所述顆粒在沉積到過濾器主體上之前通過加熱的氣體環境。以氣溶膠形式產生的顆粒的中值粒徑小於100微米，甚至小於50微米。在一些實施方式中， 當顆粒以氣溶膠的形式沉積的時候，氣溶膠顆粒在壁附近或壁上原位轉化為陶瓷顆粒。在一些實施方式中，所述顆粒包括由非短效材料組成的非短效顆粒以及由短效材料組成的短效顆粒，其中短效顆粒被第一載體流體流攜帶，所述第一載體流體流通過壁，所述壁將短效顆粒與第一載體流體流分離，所述非短效顆粒被第二載體流體流攜帶，所述第二載體流體流通過壁，所述壁將非短效顆粒與第二載體流體流分離，從而形成由短效材料和非短效材料組成的塗層。因此，優選對塗層進行充分加熱，以從塗層除去至少一些短效材料。在一些實施方式中，在非短效顆粒沉積在壁上之前，將短效顆粒沉積在壁上。在一些實施方式中，所述短效顆粒的中值粒徑大於非短效顆粒的平均粒徑；在一些實施方式中，所述短效顆粒的中值粒徑比非短效顆粒的平均粒徑大至少25% ;在一些實施方式中，所述短效顆粒的中值粒徑比非短效顆粒的平均粒徑大至少100% ;在一些實施方式中，所述短效顆粒的中值粒徑比非短效顆粒的平均粒徑大至少300% ;在一些實施方式中，至少一些短效顆粒比非短效顆粒的中值粒徑大至少400%。較佳的是，所述非短效顆粒由無機材料組成。所述方法還可以包括，在沉積顆粒之前，用孔填料堵塞壁的至少一部分的至少一些孔，以形成堵塞的區域。在一些實施方式中，所述孔填料由無機材料組成；在一些實施方式中，所述孔填料由聚合物組成；在一些實施方式中，所述孔填料由蛋白質聚集體組成，或者由蛋白質聚合物，例如源自牛奶的那些組成；在其它的實施方式中，所述聚合物是澱粉或合成聚合物。在一些實施方式中，所述堵塞步驟包括用包含孔填料的孔堵塞混合物(可以包括溶液或懸浮液或膠體)潤溼壁，所述方法還包括隨後對壁進行充分乾燥，以形成堵塞的區域。在一些實施方式中，在潤溼的過程中，將過濾器主體浸沒在孔堵塞混合物中。在一些實施方式中，在潤溼之後，在乾燥環境中、近似在室溫下，對包括所述壁的過濾器主體進行乾燥至少5小時，在一些實施方式中乾燥至少10小時，在其它的實施方式中乾燥至少20小時。在一些實施方式中，在潤溼之後，在乾燥環境中、在15_30°C的溫度下，對所述過濾器主體進行乾燥至少5小時,在一些實施方式中乾燥至少10小時,在其它的實施方式中乾燥至少20小時。
在一些實施方式中，在潤溼之後，在乾燥環境中、在大約20°C的溫度下，對所述過濾器主體進行乾燥至少5小時，在一些實施方式中乾燥至少10小時，在其它的實施方式中乾燥至少20小時。在一些實施方式中，在潤溼之後，在乾燥環境中，在約高於20°C且低於120°C的一種或多種溫度下，對過濾器主體乾燥大於或等於5小時且小於或等於20小時。在一些實施方式中，在潤溼之後，在乾燥環境中，在15_30°C的一種或多種溫度下，對過濾器主體乾燥4-15小時,然後在大氣中，在15-120°C的一種或多種溫度下,乾燥大於或等於5小時且小於或等於20小時。在一些實施方式中，通過用孔堵塞混合物進行浸塗，或者用孔堵塞混合物進行流塗，或者同時採用此兩種手段對過濾器主體進行潤溼。在一些實施方式中，在用孔堵塞混合物進行潤溼之前，對過濾器主體進行清潔。可 以在用孔堵塞混合物潤溼過濾器主體之前，用流體對過濾器主體進行衝洗，以及/或者可以在用孔堵塞混合物潤溼之前，用施加作用力的氣體對過濾器主體進行衝洗。在一些實施方式中，在用孔堵塞混合物進行潤溼之前，用去離子水對過濾器主體進行衝洗。在一些實施方式中，在用孔堵塞混合物潤溼之前，所述過濾器主體在高於100°c的溫度下，在乾燥環境中乾燥大於5小時。在一些實施方式中，在用孔堵塞混合物潤溼之前，所述過濾器主體在高於100°C的溫度下，在乾燥環境中乾燥5-24小時。在一些實施方式中，在用孔堵塞混合物潤溼之前，所述過濾器主體在大約120°C的溫度下，在乾燥環境中乾燥5-24小時。在一些實施方式中，所述沉積顆粒的操作包括使得壁與包含顆粒的液體基塗料混合物接觸。在一些實施方式中，所述塗料混合物是水基的。在一些實施方式中，所述塗料混合物包含以下的至少一種去離子水，a-氧化鋁顆粒，堇青石顆粒，分散劑，粘合劑，消泡齊U，成孔劑以及它們的組合。在一些實施方式中，所述顆粒包括以下的至少一種a-氧化鋁顆粒，堇青石顆粒以及它們的組合。在一些實施方式中，在沉積顆粒之後，對過濾器主體進行乾燥。在一些實施方式中，在沉積顆粒之後，對過濾器主體進行乾燥，然後對過濾器主體進行燒制。在一些實施方式中，乾燥環境保持在溼度大於50 %，在一些實施方式中，溼度保持在50-75 %。燒制可以包括例如在600-700°C的爐溫下，在受控制的氧氣含量下燒掉短效材料(例如蛋白質)。在一些實施方式中，所述過濾器主體在高於100°C的溫度下，在乾燥環境中，乾燥大於2小時。在一些實施方式中，所述過濾器主體在100-150°C的溫度下，在乾燥環境中，乾燥2-8小時。在一些實施方式中，所述過濾器主體在高於1150°C的溫度下，在燒制環境中，燒制大於0. 5小時。在一些實施方式中,所述過濾器主體在1150_1380°C的溫度下,在燒制環境中燒制。在一些實施方式中，所述過濾器主體在1150-1380°C的溫度下，在燒制環境中燒制0. 5-5小時。在一些實施方式中，所述過濾器主體在1150-1380°C的溫度下，在燒制環境中，以0. 5-20C /分鐘的加熱速率燒制0. 5-5小時。在一些實施方式中，所述過濾器主體在1150-1380°C的溫度範圍內，在燒制環境中燒制0. 5-5小時，溫度的變化不超過2V /分鐘。在一些實施方式中，所述顆粒在堵塞的區域上形成塗層，所述方法還包括在足以除去至少一些孔填料的溫度下對塗層加熱足夠的時間。多孔陶瓷過濾器上的具有窄尺寸分布孔隙率的塗層可以較薄，但是仍然能夠俘獲類似量的顆粒。通過將窄粒度分布的陶瓷粉末用於塗層或者用於塗層的短效「成孔劑」部分，有助於製造所述窄尺寸分布的塗層。氣溶膠和流體沉澱法可以製備窄粒度分布/單分散粉末。由窄粒度分布粉末製得的所述薄的窄尺寸分布孔隙率塗層可以使得使用包括本文所述的過濾器的廢氣系統的發動機獲得較低的背壓和較佳的燃料效率。圖IA顯示了孔隙率為60%的示例性400/6(400個孔/平方英寸，6密耳(0.006英寸)壁厚度)基材的計算的過濾效率隨薄膜塗層厚度和塗層孔徑的變化關係圖。圖IA顯示計算的煙炱顆粒(通常具有GDI汽車發動機產生的尺寸)的過濾效率隨孔徑和塗層厚度的變化關係(A :95-100%過濾效率；B :90-95% ；C :85-90% ；D :80-85% ；E :75-80% ；F 70-75% )。圖IB顯示計算的過濾器背壓隨孔徑和塗層厚度的變化關係(X 2-3Log kPa背壓；Y:l-2Log kPa背壓；Z :0-lLog kPa背壓)，其中陰影部分FE表示過濾效率> 90%。圖IB的區域Z顯示了能夠同時獲得良好的過濾效率和低背壓的薄膜厚度和孔隙率的計算的組合，其適合用於在至少一個實施方式中作為汽油顆粒過濾器(GPF)，例如用於汽油直接注入發動機排氣系統。
轉讓給康寧有限公司(Corning Incorporated)的美國專利第4，871，489號描述了一種製備極窄粒度分布的陶瓷粉末的方法。極窄粒度分布的粉末，由特定的氣溶膠法得到的具有特定分布的粉末，或者受控粒度分布粉末的混合物(其中一些可以是短效的)可以得到所需的塗層厚度和窄尺寸分布孔隙率。圖2顯示單獨厚度的玻璃片上粒度分布極窄的陶瓷粉末。圖中顯示了直徑約為5微米的球形陶瓷粉末的單層。圖3顯示了多孔基材蜂窩體壁20上的窄粒度分布陶瓷粉末的塗層10的示意圖，在壁內具有短效顆粒30。短效顆粒30可以堵塞蜂窩體20內的孔40，防止蜂窩體的孔40被較小的塗層顆粒12填充。圖4a顯示了位於多孔基材蜂窩體壁20上的包含類似尺寸的短效顆粒30'的窄粒度分布陶瓷粉末的塗層10'的示意圖(即陶瓷粉末的粒度與容納在多孔基材陶瓷蜂窩體壁內的短效顆粒30'的粒度類似)，在壁內具有較大的短效顆粒30"。短效顆粒可以堵塞蜂窩體內的孔40，以防蜂窩體的孔被較小的塗層顆粒填充，可以作為塗層顆粒的一部分，用來形成具有較大孔隙率的塗層以及具有較大孔徑的孔。圖4b顯示了在除去短效顆粒之後，多孔基材蜂窩體壁20上的具有類似粒徑的多孔顆粒12的窄粒度分布陶瓷粉末的塗層10"的示意圖。通過除去短效顆粒，例如30，30'，30"，在蜂窩體中留下未被填充的孔，形成具有較大孔隙率的塗層和具有較大孔徑的孔40，例如與圖3相比。圖5a是通過美國專利第4，871，489號所述的氣溶膠技術製備的窄粒度分布陶瓷粉末的照片。圖5b是對圖5a的粉末測得的窄粒度分布圖。圖5c是對圖5a的窄粒度分布粉末測得的質量分布圖。窄粒度分布粉末可以通過若干方法製備，例如以上關於圖2和5所述的氣溶膠法，與連續「Stober 二氧化矽」法類似的流體沉澱和生長法，以及對平均粉末的簡單粒度分類。對於一些方法，特別是氣溶膠法，氣溶膠顆粒被原位轉化為陶瓷顆粒，所述粉末在形成的時候可以以塗層的形式沉積在蜂窩體上{即溶膠/凝膠球體(約等於或小於數十微米)以氣溶膠的形式流過加熱爐}。所述載氣流過蜂窩體過濾器，當氣溶膠顆粒被從載氣濾出的時候，形成塗層。優選所述塗料顆粒不會堵塞蜂窩體的孔。通過使用第二氣流，可以在施塗塗層之前，使得較大粒度的一組短效顆粒進入蜂窩體的孔中，以防止蜂窩體的孔被塗層顆粒堵塞，見圖3。為了增大孔隙率，同時保持小的孔徑，可以將具有類似尺寸的短效顆粒加入陶瓷粉末塗層中。可以將陶瓷粉末製成高度多孔的，它們也可以作為催化劑載體。已經證明了氧化鋁、氧化鋯、氧化鋁-氧化鋯、La-氧化鋁可以作為具有窄粒度分布的氣溶膠粉末。也可以製備氧化鈰。NOx吸收劑、沸石、其他材料也可以以窄粒度分布的陶瓷粉末的形式製得。這些組合物除了用來提供過濾功能以外，還可以用來提供催化功能、儲氧功能、NOx俘獲功能或烴類俘獲功能。
實施例在本發明的一組實施方式中，提供了一種在蜂窩體載體上製備薄過濾層的方法，其包括蜂窩體載體，所述載體包括多邊形、或六邊形或四邊形或正方形的通道。所述方法包 括用孔填料(例如脫脂牛奶)堵塞載體的孔，在經過預處理的表面上沉積一個無機過濾層，並進行燒制以除去孔填料。我們發現，所得的過濾層的孔徑可以比載體的孔徑小大約一個數量級。該方法允許在大孔的載體上直接沉積小孔的無機薄膜，相對於常規的多層塗覆步驟，這可以降低成本，還可以改進過濾效率，同時最大程度減小所產生的背壓，這是由於小的孔徑以及塗層厚度減小帶來的。這些實施方式中的方法包括對蜂窩體載體進行預處理，然後進行粉漿澆鑄。所述預處理過程包括以下步驟。首先，用去離子水衝洗蜂窩體載體，或者用加壓的空氣吹掃，以除去任何疏鬆的顆粒或碎屑。經過洗滌的樣品在120°C的烘箱內乾燥5-24小時。第二，通過浸塗法或者流塗技術之類的其他方法，將孔填充材料吸入陶瓷載體的孔內。只有載體的內通道表面與孔填充溶液接觸。將載體在溶液中浸沒一段時間之後，將載體從溶液取出。改良的載體在室溫下乾燥23小時，或者在低於120°C的較高的溫度下乾燥5-20小時，或者先在室溫下乾燥5-6小時，然後在低於120°C的較高的溫度下乾燥5-20小時。所述載體可以用來通過粉漿澆鑄法塗覆無機薄膜層。所述粉漿澆鑄工藝包括粉漿製備，塗覆，乾燥和燒制。所述水基粉漿包含去離子水，a-氧化鋁顆粒或堇青石顆粒，分散劑，粘合劑和消泡劑。所述成孔劑可以用來增大孔隙率。使用浸塗法對經過預處理的載體進行塗覆。經過塗覆的載體首先在120°C乾燥5小時，然後以0. 5-2°C /分鐘的加熱速率，在1150-1380°C燒制0. 5-5小時，對於不同的材料，有各自的燒結溫度需求。實施例I :塗覆在堇青石蜂窩體載體上的過濾薄膜層該實施例舉例說明了在多孔堇青石蜂窩體載體上塗覆氧化鋁過濾層，在塗覆之前不對載體進行預處理。400/6低微裂的堇青石蜂窩體載體包括在橫截面上均勻分布的正方形通道，孔密度為400個孔/英寸2，壁厚度為6密耳(150微米)，得到的GSA約為2750米2/米3。通過水銀孔隙率法測得，中值孔徑d50為9. 89微米，d95為44. 43微米，總孔隙率為60. 8%。使去離子水通過通道，對載體進行衝洗。所述載體在120°C的烘箱中完全乾燥過夜。使用具有不同粒度的氧化鋁材料(AA-3和C701)製備兩種固體濃度為40重量％的氧化招粉眾。氧化招AA-3 (松山化學公司(Sumitomo Chemical Co.))具有窄粒度分布，中值粒徑為2. 7-3. 6微米，而氧化鋁C701具有寬粒度分布，中值粒徑為6. 3微米。首先將0. 20克Tiron (4，5-二氫-1，3-苯二磺酸二鈉鹽，Fluka)加入裝有123克去離子水的150毫升塑料廣口瓶中，然後向其中加入100克氧化鋁粉末。在振搖大約I分鐘之後，將所述廣口瓶放入冰浴中，超聲處理30次，每次啟動10秒，之間關停間隔30秒。接下來，將經過處理的粉漿與31. 3克20重量％的PEG(聚乙二醇，MW = 20, 000,Fluka)和2. 30克1%的DC-B消泡劑乳液溶液(道康寧公司(Dow-Corning))混和。在進行了 15-20小時的球磨之後,通過細小的篩網將粉漿倒入燒瓶中，然後通過用真空泵進行脫氣。通過浸塗法使得氧化鋁塗層進入載體的通道之內。浸泡時間為10秒。在塗覆之後，除去通道中過量的氧化鋁粉漿。在120°C乾燥2小時之後，經過塗覆的樣品以1°C /分鐘的加熱速率，在1380°C燒制2小時。圖6顯示了未塗覆的載體和兩個經過塗覆的載體的SEM圖。圖6 (a)顯示載體的一些孔最大為30微米，但是中值孔徑為10微米(水銀孔隙率法)。圖6(b)顯示當使用中值粒徑約為3微米的氧化鋁AA-3的時候，沒有在載體上形成連續的薄膜，這是因為小的氧化鋁顆粒會滲入載體的孔之內。圖6(c)顯示當使用具有寬粒度分布的約6微米的大氧化鋁顆粒C701的時候，不會形成連續的薄膜。 實施例2 :塗覆在堇青石蜂窩體載體上的過濾薄膜層該實施例具體說明在用脫脂牛奶改良的多孔堇青石蜂窩體載體上塗覆兩層氧化鋁薄膜。使用與實施例I相同的低微裂堇青石載體。塗覆方法也是相同的，區別在於，在粉漿澆鑄之前增加了預處理工藝。用Teflon帶將經過衝洗和乾燥的整體料型載體纏繞，浸泡入Great Value 脫脂牛奶中。在浸泡了 10秒之後，排去過量的牛奶，在環境條件下乾燥5-6小時，然後在60°C乾燥15小時。在整個乾燥過程中，載體保持被纏繞。然後用40重量％的氧化鋁粉漿AA-3(與實施例I相同)塗覆經過預處理的載體。然後在120°C乾燥，並在1380°C燒制。再例如，可以用40重量％的氧化鋁粉漿C701對相同的經過預處理的載體進行塗覆，然後乾燥並在1380°C燒制。製得的氧化鋁薄膜用SEM進行表徵。如圖7(a)和7 (b)所示，形成平滑而均勻的薄膜。側薄膜厚度約為10微米，而角薄膜更厚。圖8顯示了自立式AA-3和C701薄膜的孔徑分布。這兩個薄膜具有I. I微米的相同的中值孔徑，孔隙率為47%，而由於窄的粒度分布，AA-3具有窄的孔徑分布，如圖7所示。實施例3 :塗覆在低微裂載體上的氧化鋁薄膜層該實施例舉例說明了塗覆在低微裂的堇青石載體上，但是採用不同的預處理乾燥歷程的氧化鋁過濾薄膜。在將低微裂的載體浸泡、然後從Great Value 脫脂牛奶中取出之後，#1載體在室溫( 20°C )乾燥23小時，#2載體在60°C乾燥23小時，#3載體首先在室溫乾燥5小時，然後在60°C乾燥18小時。在乾燥過程中，所有的載體保持被纏繞。然後三種乾燥的載體用相同的40重量％的氧化鋁AA-3粉漿塗覆，然後乾燥並在1380°C燒制2小時。圖9顯示製得的氧化鋁薄膜塗層的表面形貌的SEM圖像。塗覆在#3載體上並且採用了組合乾燥歷程的氧化鋁薄膜表現出更均勻的表面形貌。從該實施例可以看到，最終氧化鋁薄膜塗層的結構會受到用來對裸露載體進行預處理的乾燥歷程的影響。實施例4 :塗覆在低微裂載體上的堇青石薄膜層該實施例顯示了塗覆在低微裂載體上的堇青石過濾薄膜。
在此實施例中製備了固體濃度為40重量％的堇青石粉漿。首先將0.10克Tiron (4，5-二氫-I，3-苯二磺酸二鈉鹽，Fluka)加入裝有61. 3克去離子水的150毫升塑料廣口瓶中，然後向其中加入50克氧化鋁粉末。在振搖大約I分鐘之後，將所述廣口瓶放入冰浴中，超聲處理30次，每次啟動10秒，之間關停間隔30秒。接下來，將經過處理的粉漿與15. 6克20重量％的PEG(聚乙二醇，MW = 20, 000, Fluka)和I. 4克1%的DC-B消泡劑乳液溶液(道康寧公司(Dow-Corning))混和。在進行了 15-20小時的球磨之後,通過細小的篩網將粉漿倒入燒瓶中，然後通過用真空泵進行脫氣。使用與用於氧化鋁薄膜層相同的步驟，在低微裂的載體上塗覆堇青石薄膜層，所述步驟包括用脫脂牛奶對載體進行預處理，用堇青石粉漿對經過預處理的載體進行浸塗，然後進行乾燥和燒制。本領域的技術人員顯而易見的是，可以在不偏離本發明的範圍和精神的情況下對本發明進行各種修改和變動。因此，本發明人意圖是本發明包括本發明的修改和變化，只要這些修改和變化落在所附的權利要求和它們的等同內容的範圍內即可。·
權利要求
1.一種顆粒過濾器，其包括 過濾器主體，其包括至少一個多孔壁； 塗覆在所述壁上的多孔塗層，所述塗層的中值孔徑小於20微米，塗層孔徑偏差小於所述塗層中值孔徑的三倍，所述塗層的平均厚度小於50微米。
2.如權利要求I所述的顆粒過濾器，其特徵在於，所述塗層的中值孔徑小於或等於5微米。
3.如權利要求I所述的顆粒過濾器，其特徵在於，所述塗層的中值孔徑約為0.3-3. 0微米。
4.如權利要求I所述的顆粒過濾器，其特徵在於，所述塗層的孔徑偏差小於塗層的中值孔徑的2倍。
5.如權利要求I所述的顆粒過濾器，其特徵在於，所述塗層的中值孔徑比壁的中值孔徑小大約一個數量級。
6.如權利要求I所述的顆粒過濾器，其特徵在於，所述壁的中值孔徑約大於5微米。
7.如權利要求I所述的顆粒過濾器，其特徵在於，所述塗層的平均厚度小於25微米。
8.如權利要求I所述的顆粒過濾器，其特徵在於，所述塗層的總孔隙率大於40%。
9.如權利要求I所述的顆粒過濾器，其特徵在於，所述塗層由陶瓷組成。
10.如權利要求I所述的顆粒過濾器，其特徵在於，所述多孔壁由陶瓷組成。
11.如權利要求I所述的顆粒過濾器，其特徵在於，所述塗層包含沒有在壁中發現的化合物。
12.一種製造顆粒過濾器的方法，該方法包括 提供過濾器主體，其包括至少一個多孔壁； 在所述壁上沉積顆粒，所述顆粒的平均粒徑約小於30微米。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述顆粒基本是單分散的。
14.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述過濾器主體由一種或多種氧化物組成。
15.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述顆粒被充分地沉積在壁上，從而在壁的至少一部分上形成塗層。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括對所述塗層進行加熱。
17.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述顆粒包含非短效材料和短效材料。
18.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述顆粒以氣溶膠的形式沉積。
19.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述顆粒包括由非短效材料組成的非短效顆粒以及由短效材料組成的短效顆粒，其中短效顆粒被第一載體流體流攜帶，所述第一載體流體流通過壁，所述壁將短效顆粒與第一載體流體流分離，所述非短效顆粒被第二載體流體流攜帶，所述第二載體流體流通過壁，所述壁將非短效顆粒與第二載體流體流分離，從而形成由短效材料和非短效材料組成的塗層。
20.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括，在沉積顆粒之前，用孔填料堵塞壁的至少一部分的至少一些孔，以形成堵塞的區域。
21.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，所述孔填料由以下的一種或多種化合物組成有機材料，聚合物，蛋白質聚集體，蛋白質聚合物，源自牛奶的蛋白質聚合物，澱粉，合成聚合物，以及它們的組合。
22.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述沉積顆粒的操作包括使得壁與包含顆粒的液體基塗料混合物接觸。
23.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，在沉積顆粒之後，對過濾器主體進行乾燥，然後對過濾器主體進行燒制。
全文摘要
本發明提供了一種顆粒過濾器，所述顆粒過濾器包括過濾器主體，所述過濾器主體包括至少一個多孔壁，還包括位於所述壁上的多孔塗層，所述塗層的中值孔徑小於20微米，塗層孔徑偏差小於所述塗層中值孔徑的三倍，所述塗層的平均厚度小於50微米。還提供了一種製造顆粒過濾器的方法，該方法包括提供過濾器主體，所述主體包括至少一個多孔壁，然後在所述壁上沉積顆粒，所述顆粒的平均粒徑約小於30微米。
文檔編號B01D53/22GK102762279SQ200980153656
公開日2012年10月31日 申請日期2009年11月10日 優先權日2008年11月26日
發明者A·奧茲圖科, C·R·費克特, I·M·彼德森, K·L·豪斯, T·D·凱特查姆, 翁建華, 顧雲峰 申請人:康寧股份有限公司