[发明专利]用于将区别层施加到多孔陶瓷过滤器上的方法

说明书

本申请要求2010年9月1日提交的美国临时专利申请号61/379,215的优先权。

本发明涉及制备多孔陶瓷过滤器和载体材料的方法。

多孔陶瓷材料用于许多过滤应用，且用作多种应用中的催化剂载体。多孔陶瓷材料的一个重要用途是处理来自燃烧过程的废气，包括例如来自内燃发动机的废气。多孔陶瓷材料被用于过滤来自废气的烟灰颗粒，且在某些情况下，用于携带可以催化废气的某些组分(比如NO_x化合物)化学转化成环境友好化合物(比如N₂和H₂O)的催化材料。

在这些应用中使用多种类型的陶瓷过滤器，包括例如针形莫来石、堇青石和碳化硅等。

这些过滤器具有一些显著的实际问题。

一个问题是这些过滤器的孔通常远大于用它们除去的烟灰或其它颗粒。烟灰颗粒特别地可以比孔小2个数量级以上。颗粒的尺寸小，能够穿过过滤器而不是被截留。在操作早期，当过滤器很干净时，该问题特别严重。在连续操作期间，由于截留的颗粒积聚而实际上了减小了孔径，因此这些小颗粒的一些最终截留在过滤器中。因此，在过滤器已经使用一段时间之后过滤效率多少有些改善。在某些应用比如汽车废气过滤器中，积聚的烟灰定期烧尽，其后过滤器效率再次变低直到再次积聚烟灰层。因此，在过滤器的寿命期间，效率降低和烟灰颗粒或其它颗粒污染物的脱逸的问题可能经常发生。期望提供一种可以截留非常小的烟灰颗粒且也在操作初期显示出高过滤效率的过滤器。

实现这点的一种方式是减小过滤器壁的孔的尺寸，但是减小孔径会非常显著地增加过滤器的压降。压降越高会导致操作压力较高(其增加过滤器强加在上游装置比如内燃机上的负担)或穿过过滤器的气体流速越慢(或者两者)。为此，仅仅减小过滤器壁的孔的尺寸不是一种妥善解决方式。

另一种方式是向过滤器壁的表面施加薄的区别层(discriminating layer)。施加的区别层具有比过滤器壁更小的孔，从而允许过滤器甚至在操作初期截留小颗粒。一般地，这种作用的获得不会过大地增加过滤器的压降(与无涂层的过滤器所观察到的相比)。这是因为区别层很薄，因此气体只需短距离地横跨区别层的高度收缩的小孔。一旦气体穿过该区别层，它们则进入并穿过过滤器壁的更大孔，由此它们可以更容易流过且过滤器上的压降更小。

向陶瓷过滤器施加这种区别层的常见方法是通过淤浆法。小颗粒分散到液体中，形成浆液，然后其穿过过滤器。颗粒在其穿过时沉积在过滤器壁表面上，形成薄涂层。然后，将该涂层干燥并锻烧以制备区别层。然而，因为过滤器是多孔的，浆液将通过毛细管作用渗入过滤器孔，占据过滤器的一些孔。这会堵塞所述孔，导致压降增加，同时也浪费涂层材料。当干燥和锻烧涂层时，出现其它问题。这些步骤必须小心地进行，以避免裂缝并获得需要的机械强度(physical strength)。因为必须除去载体液体，这些干燥和锻烧步骤倾向于是缓慢、耗能且昂贵的。采用该方法的另一个问题是当过滤器壁的表面是高度多孔和/或具有大的孔时，其不能良好地进行。在那些情形中，由于大量颗粒穿过孔的渗入，过滤器壁中的孔易于被堵塞。为了使该方法在那些情形中起作用，人们通常不得不首先用牺牲材料(sacrificial material)填充所述壁的孔，接着沉积区别层。然后，将牺牲层烧尽。另一种方法是逐个地连续沉积几个单独的层，从大颗粒开始，之后用越来越小的颗粒进行。该方法通常需要在每个沉积步骤之间进行加热处理/锻烧。这两种方法都相当昂贵。

因此，期望一种在陶瓷过滤器上形成区别层的更好且更有效的方法。

EP 1 775 022描述了一种将多孔催化剂涂层沉积在多孔载体上的方法。在该方法中，气溶胶由催化剂或催化剂前体的溶液形成。该气溶胶直接穿过加热区，驱走溶剂后，产生催化剂或催化剂前体的非常细的颗粒。然后，使包含这些颗粒的气流直接穿过多孔过滤器，其中它们沉积在过滤器孔的表面上。将包含截留颗粒的过滤器再次加热，以形成催化剂层。在如EP 1 775 022中描述的方法中，催化剂或催化剂前体材料沿着过滤器孔的壁沉积。这使得施加的催化剂的表面积最大化，其在催化应用以获得快速反应速率方面很重要。EP 1 775 022没有描述形成区别层。

采用许多陶瓷过滤器的另一个问题是很难制备没有小缺陷的过滤器。所述缺陷可以有多种形式，包括例如小的裂缝和孔，以及在某些情况下，过滤材料晶体结构的缺陷。这些缺陷可以导致大量的不合格部件，除非提供用于修复缺陷的一些经济的方法。