多孔室结构的吸水性测量方法， 吸水性信息的显示方法以及催化剂加载方法 【技术领域】
本发明涉及一种在允许将多孔室结构作为催化剂载体来承载催化剂组分并通过洗涤涂覆过程形成催化剂层时，测量所述多孔室结构的吸水性作为预先设定/调节加载催化剂组分条件的标准的方法。本发明还涉及一种将所测得的吸水性信息显示在所述多孔室结构上的方法，以及一种将所显示的信息用于将催化剂组分加载到多孔室结构上的方法。
背景技术
通常，这样的催化装置已被用于净化机动车废气的催化装置中，即在该催化装置中，作为多孔室结构的其中一种类型的陶瓷蜂窝状结构可以用来承载作为催化剂组分的贵金属如铂(Pt)，钯(Pd)和铑(Rh)，并形成一催化剂层。
在制造催化装置的过程中，设定/调节加载条件，使催化剂组分的加载量适当是十分重要的。如果催化剂组分的加载量过小，就不能达到足够或持久的废气净化效果。另一方面，如果加载了过多地催化剂组分，催化剂组分中如Pt，Pd，Rh这样昂贵而稀有的贵金属就浪费了，且生产成本就增加了。
为了解决这个问题，要预先测量用作催化剂载体的多孔室结构的“吸水性”，以便获得设定/调节催化剂组分加载条件的标准，且基于所述的“吸水性”，设定/调节实际的加载条件。
催化剂组分通常通过洗涤涂覆过程加载到多孔室结构。具体地说，当将由催化剂组分和水组成的催化剂浆液用于填充到多孔室结构中时，浆液中的水分就被分隔壁中的孔隙吸收了，此时借助水分吸收的作用力，作为该浆液中的固体成分的催化剂组分就附着在分隔壁的表面上，并进入位于分隔壁表面的孔隙内。
值得注意的是，具有孔隙度大约为20％到35％的多孔室结构已经用在净化机动车废气的催化装置的传统的催化剂载体中。然而，对于多孔室结构来说，分隔壁中孔隙之间的连接部分较小，作为固体成分的催化剂组分并不能在洗涤涂覆过程中进入所述孔隙中，也不能够加载到分隔壁中的所述孔隙中。
因此，在此之前，由聚积在构成孔室的分隔壁表面上的以及位于分隔壁表面内的孔隙内的水含量定义的值已经被用作“吸水性”，其用作设定/调节催化剂组分的加载条件的标准(目前仍没有发现存在有关于该相关领域的现有技术文献)。
另外，近些年来，人们正研究通过极大地提高催化剂载体中所使用的多孔室结构的孔隙度，以增强构成孔室的分隔壁内孔隙间的联系的方法。人们也在研究将此前没有携带催化剂组分的位于分隔壁内的孔隙的表面作为承载催化剂的基本材料部分。
而且，对于多孔室结构的孔室通道一端被交替堵塞的过滤器，例如柴油机微粒过滤器(DPF)，使用该过滤器，对柴油机废气中的有害组分，例如颗粒物质(PM)、烃类(HC)、一氧化碳(CO)、氮的氧化物(NOx)等用催化剂进行处理。因此，人们尝试将催化剂组分不仅加载到分隔壁表面或是分隔壁表面上的孔隙中，而且还加载至位于分隔壁内的孔隙的表面上，这样就提高了对以上所描述的有害组分的处理能力。
在这种情况下，当位于分隔壁表面上的孔隙以及分隔壁内孔隙的内部被催化剂组分完全填充时，废气就不能够进入分隔壁，也不能够接触到里面的催化剂组分。因此，催化剂组分需要适当地附着在孔隙的表面，而不是填满这些孔隙。通过构成催化剂浆液的固体成分的催化剂组分可获得这样的加载状态，该催化剂组分附着在所述分隔壁表面或所述孔隙表面，而催化剂浆液填充在所述孔室通道和所述孔隙中。
因此，为了制备将分隔壁内的孔隙表面也作为催化剂载体的基本材料部分的催化装置，并取代用分隔壁表面和位于分隔壁表面内的孔隙内所积聚的水含量所定义的“吸水性”，其在此之前作为设定/调节催化剂组分加载条件的标准，需要定义一个新的“吸水性”概念作为标准，其同时还考虑了附着在位于分隔壁内的孔隙表面的水分或类似物。
【发明内容】
本发明是在考虑了常规情形的情况下发展得到的，其主要目的是定义并测量多孔室结构的“吸水性”，作为设定/调节加载条件的标准以便得到适当的催化剂组分的加载量，在制备催化装置过程中，将位于多孔室结构的分隔壁内的孔隙表面也作为承载催化剂的基本材料部分。
根据本发明，提供了一种测量多孔室结构的作为设定加载催化剂组分条件的标准的吸水性的方法，该方法包括以下步骤：将附着在组成多孔室结构孔室的分隔壁表面的以及分隔壁内的孔隙表面的颗粒物的量视为所述多孔室结构的吸水性，来测量附着量(第一种吸水性测量方法)。
此外，根据本发明，提供了一种测量多孔室结构的作为设定加载催化剂组分条件的标准的吸水性的方法，该方法包括以下步骤：预先将一种液体填充入多孔室结构的孔室通道中以及位于构成孔室的分隔壁内的孔隙中；然后将所填充的液体排放到所述多孔室结构的外部；以及将附着/残留在分隔壁表面和位于分隔壁内的孔隙表面的液体量视为所述多孔室结构的吸水性，来测量该液体量(第二种吸水性测量方法)。
另外，根据本发明，提供了一种显示吸水性信息的方法，该方法包括以下步骤：用上述任意一种吸水性测量方法测量多孔室结构的吸水性；以及将关于所述吸水性和所述已经测量了吸水性的多孔室结构的干质量的信息，或者仅关于所述多孔室结构表面吸水性的信息显示出来。
此外，根据本发明，提供了一种将催化剂加载到多孔室结构上的方法，该方法包括以下步骤：读取通过上述吸水性信息显示方法显示在多孔室结构表面上的关于吸水性和干质量的信息或者仅关于吸水性的信息；以及根据所述信息，调节通过洗涤涂覆过程将催化剂组分加载到多孔室结构上的条件。
【附图说明】
图1是颗粒物在分隔壁的表面以及位于分隔壁内的孔隙的表面上的附着状态的放大截面图；
图2是位于分隔壁内的孔隙充满了颗粒物的放大截面图；
图3是用于实施本发明的吸水性信息显示方法的装置的一个实施例的示意图；
图4是吸水性测量方法的一个实施例的示意图；
图5是表示在一个实施例中出口侧气体浓度和DPF气体流出时间之间的相关性的图；
图6是表示在该实施例中气体附着极限量和DPF气体流出时间之间的相关性的图；以及
图7是表示在该实施例中气体附着极限量和DPF催化剂加载量之间的相关性的图。
【具体实施方式】
在本发明第一种吸水性测量方法中，当允许使用多孔室结构作为催化剂载体以承载催化剂组分并通过洗涤涂覆过程形成催化剂层时，测量所述多孔室结构的吸水性，将其作为预先设定加载催化剂组分条件的标准。该方法特点是将附着在构成多孔室结构孔室的分隔壁表面以及分隔壁内孔隙表面的颗粒物的量视为所述多孔室结构的吸水性以测量该附着量。
如上所述，为了制备催化装置，其中将构成催化剂载体的多孔室结构的分隔壁内孔隙表面也作为催化剂载体的基本材料部分，也需要考虑附着在分隔壁内的孔隙表面的水或其类似物，以定义并测量“吸水性”。具体地说，优选将适当附着(吸收)在构成孔室的分隔壁表面以及分隔壁内的孔隙表面上的颗粒物或液体的量作为构成载体的所述多孔室结构的“吸水性”进行处理。
基于这种观点，本发明的第一种吸水性测量方法中，如图1所示，在构成多孔室结构孔室的分隔壁2的表面3以及分隔壁2内孔隙4的表面的颗粒物5的附着量，被视为所述多孔室结构的吸水性，以测量该附着量。值得注意的是，“颗粒物附着在孔隙的表面”表明孔隙4内部并不是如图2所示充满了颗粒物5，颗粒物5仅附着在孔隙4的表面，如图1所示。造成这种状态的原因是，在实际通过洗涤涂覆过程加载催化剂的情况下，颗粒物类似于催化剂组分。当如上所述催化剂组分填满了孔隙内部时，废气就不能够进入该分隔壁中，也不能与内部的催化剂组分接触。
需要注意的是，在由日本汽车工程师会社出版的JASO M505-87中定义的方法(一种测试用于机动车废气净化催化剂的陶瓷单块载体的方法)是一种以蜂窝结构吸收水分来获得吸水性的方法。然而，在这种方法中，就像如图2所示那样孔隙4内部充满了水。当将这些水分用催化剂组分来代替并对其进行考虑时，这种状态相当于孔隙内部充满了催化剂组分的状态。然而，当孔隙中充满了催化剂组分时，如上所述，孔隙内部的催化剂组分并不能充分地与废气中的有害组分接触，这样净化效率就降低了。
所以，当分隔壁内的孔隙表面也作为承载催化剂的基本材料部分时，将催化剂组分加载到孔隙表面使孔隙内部不被填满是十分重要的。这样，孔隙内部就形成了中空的部分，孔隙表面的催化剂组分能够接触到进入该中空部分的废气中的有害成分，净化效率就提高了。
在第一种吸水性测量方法中，测量中使用的颗粒物为气体、液体和固体中的一种或两种或多种的混合物。尤其是当空气中含有的颗粒物充入多孔室结构时，很容易达到上面描述的适当的附着状态，即水汽附着在构成多孔室结构的孔室的分隔壁表面以及分隔壁内的孔隙的表面。
在本发明的第二种吸水性测量方法中，当作为催化剂载体的多孔室结构可以加载催化剂组分并通过洗涤涂覆过程形成催化剂层时，测量所述多孔室结构吸水性作为预先设定催化剂组分加载条件的标准。该方法的特点是将液体预先充入多孔室结构的孔室通道以及位于构成孔室的分隔壁内的孔隙中。然后，该填充液体被排出多孔室结构外，附着/残留在分隔壁表面以及位于分隔壁内的孔隙表面的液体量被视为所述多孔室结构的吸水性，来测量所述液体量。
在第二种吸水性测量方法中，“吸水性”也用与第一种吸水量测量方法相似的观点定义并测量，所述液体也作为附着的催化剂用于测量。
作为测量的步骤，首先液体被预先填充入作为测量目标的多孔室结构的孔室通道中，以及位于构成孔室的分隔壁内的孔隙中。然后，将填充的液体排出多孔室结构外，测量附着/残留在分隔壁表面以及分隔壁内的孔隙表面的液体的量。值得注意的是，与第一种吸水量测量方法相似的观点，“附着/残留在孔隙表面的液体”表明所述液体只附着在孔隙的表面而没有充满该孔隙。
测量中使用的液体类型并没有特别的限制，但通常使用的是水。当所述液体简单地排到外面时，并不能获得以上描述的孔隙表面的附着状态，而是孔隙内充满了液体。这种情况下，例如，可以通过喷射空气浴强制性地除去多余的液体。
根据这第一种和第二种吸水性测量方法，要制备多孔室结构的分隔壁内孔隙表面也被用作承载催化剂的基本材料部分的催化装置，获得所述多孔室结构的吸水性就作为设定/调节加载条件的有效的标准，以便得到催化剂组分的适当加载量。
在本发明的吸水性信息显示方法中，用第一种或第二种吸水性测量方法测量多孔室结构的吸水性，关于已经测量其吸水性的多孔室结构的吸水性和干质量的信息或者仅关于吸水性的信息被显示在所述多孔室结构的表面。
另外，在本发明的催化剂加载方法中，读取通过上述吸水性信息显示方法显示在多孔室结构表面的关于吸水性和干质量的信息或者仅关于吸水性的信息，再根据该信息来调节通过洗涤涂覆过程将催化剂组分加载到多孔室结构上的条件。
作为允许多孔室结构加载催化剂组分的方法，一般说来，将多孔室结构浸入用于洗涤涂覆的含有所述催化剂组分的催化剂浆液中，或者将多孔室结构的一端浸入所述浆液中，以从另一端抽吸所述浆液，或者在压力下将浆液从多孔室结构的一端引入到所述结构中。然而，在该方法中，多孔室结构承载的催化剂组分的量与用上述方法测得的多孔室结构的吸水性相关。具体地说，该量与吸水性基本上成比例。
也就是说，多孔室结构的吸水性表明了构成孔室的分隔壁表面或孔隙表面附着和存留的水量。该值越大，所述催化剂组分的承载量就越大。因此，当将多孔室结构的吸水性作为设定/调节催化剂加载条件的标准(例如，催化剂浆液的粘度、浸入时间、抽吸或加压时的压力，等等)时，就可以加载适当的催化剂组分量。
在本发明的吸水性信息显示方法中，用上述吸水性测量方法测量作为以这种方式调节催化剂加载条件的标准有用的多孔室结构的吸水性，关于吸水性的信息就显示在所述多孔室结构的表面。至于本发明中催化剂的加载方法，读取所显示的信息，并根据该信息设定/调节通过洗涤涂覆过程将催化剂加载到多孔室结构上的条件。这样，每个多孔室结构都能加载适当量的催化剂组分。
而且结果是，获得的催化装置或DPF实现了预期的催化效果，其还避免了浪费催化剂组分，即昂贵而稀有的贵金属如Pt，Pd，Rh，这样就使降低生产成本成为可能。由于可以根据每个多孔室结构的信息调节催化剂的加载条件，每个多孔室结构能被充分的调节。
值得注意的是，也可以将仅与多孔室结构吸水性有关的信息显示在该多孔室结构的表面。然而，当有关所述多孔室结构干质量的信息也被显示时，根据该信息，有可能对催化剂加载条件进行更加精确的设定/调节。一般说来，在测量吸水性的过程中，由于是通过从吸水后的多孔室结构的质量中减去其干质量而得到多孔室结构的吸水性，因此，常常事先就已经测量了其干质量。这样，所述干质量就可以同吸水性信息一同显示出来。
图3是用于实施本发明的吸水性信息显示方法的装置的一个实施例的示意图。该装置中，多孔室结构的吸水性通过第一种吸水性测量方法测得。该装置包括：一个质量仪器6用来测量多孔室结构1的干质量；一个吸水装置7用来将含水汽的空气加压并填充到所述多孔室结构1中；一个质量仪器8用来测量多孔室结构1吸水后的质量；计算装置9根据分别由质量仪器6和8测得的多孔室结构1的干质量和吸水后质量计算所述吸水性；以及一个标记机10用来将关于计算装置9计算的多孔室结构1的吸水性的信息(以及关于干质量的信息)显示在所述多孔室结构1的表面。
通过该装置，在用质量仪器6第一次测量多孔室结构1的干质量之后，所述多孔室结构的相对两端被凸缘7a，7b保持住，含水汽的空气被吸水装置7加压并充入孔室中，并在这种状态下保持预定时间。如图1所示，就获得了一种吸水状态，在该状态中，水汽附着在构成孔室的分隔壁2的表面3上以及位于分隔壁2内的孔隙4的表面上。之后，通过质量仪器8测量吸水后的质量，然后计算装置9根据吸水后的质量和第一次测得的干质量计算出吸水性。另外，最后有关吸水性的信息(和有关干质量的信息)被标记机10显示在该多孔室结构1的表面。
在该显示方法中，例如，可利用字符或者条形码来显示该信息。该信息可以用油墨涂覆、激光、喷砂、化学腐蚀及类似手段显示出来。当用油墨显示该信息时，优选采用喷墨过程或传热过程。
用喷墨打印机或激光标记机显示所述信息的方法，其打印速度快而且是非接触式的，因此在处理大量多孔室结构时优选使用该方法。尤其是用激光标记机显示的方法不需要任何油墨，预处理或类似过程也不需要油墨，因此从维护的角度来说，该方法比喷墨过程更为优选。YAG脉冲激光装置或CO2气体激光装置可作为优选的激光标记机使用。
要读取显示在多孔室结构表面的信息，例如，当信息显示形式是字符时，该字符通过CCD照相机摄取，并优选被模式匹配过程识别。在该过程中，用于显示该信息的字符预先被登记，然后从所摄取的字符的遮蔽信息中选择与登记的字符最接近的模式。
另外，当信息显示形式是条形码时，就用条形码读取器读取该信息。在条形码读取器的读取原理中，用激光照射该条形码标签，漫射/反射光被条形码读取器的光接收部分接收。由于漫射/反射光的光强由空白和条码的反射比之差决定，光被转换成开/关数字信号，从而通过区分条码和空白而读取信息。
[实施例]
下文将根据实施例更进一步详细地描述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
如图4所示，多孔室结构的孔室通道的一端被交替地堵塞，以这种方式构成的堇青石DPF11被容纳/固定在圆罐组件12中。包含烃类化合物的空气(气体)从入口端充入而从出口端抽吸，并通过DPF。这样，经过一定时间，气体中的烃类化合物被DPF11分隔壁内的孔隙表面吸收了。因此，所述烃类化合物并不能立即从DPF11的出口端流出，然而，从引入气体开始随着时间的流逝，所述气体从DPF11的出口端流出来。这想来是因为能够附着在分隔壁内孔隙表面的烃类化合物量是有限的。
当我们用具有同样孔隙度但孔隙分布不同的一些堇青石DPF作同样的实验时，可以看到所述包含了烃类化合物的气体从DPF出口端流出所需的时间(气体流出时间)是不同的。当这些DPF用来承载催化剂组分时，阐明了每个DPF的气体流出时间都与催化剂组分的承载量(催化剂加载量)相关。这想来是因为孔隙表面的表面积越大，烃类化合物的吸收量也增加了。类似地，由于孔隙表面具有较大的表面积，孔隙表面加载的催化剂组分量也增加了。
还应该注意的是，在含有烃类化合物的气体从DPF的出口侧流出的时间内，例如，如图4所示，DPF11的一个出口附近放置了一个激光产生装置13，从所述激光产生装置13中能发射出扇形的激光与DPF11的出口侧端部表面平行，以测量时间。也就是说，当含有烃类化合物的气体从DPF的出口侧流出时，激光打在烃类化合物上发出明亮的光点，这样就可测量产生预定数目光点的时间。当DPF的出口侧充满了烃类化合物时，透光率随浓度而变化，因而通过透光率可测量DPF的出口侧烃类化合物的浓度，这样就可以测得达到预定浓度的时间。
另外，将用这种方式测量得到的气体流出时间以及每单位时间内充入DPF的气体中所含有的烃类化合物的量(气体产生量)结合起来(气体流出时间×气体产生量)，就得到了附着在DPF上的烃类化合物的极限量(气体附着极限量)，相当于本发明中的“吸水性”。
基于上述发现，从所述DPF的吸水性可如下推测出适当的催化剂加载量。首先，制备DPF-A和DPF-B，它们的适当的催化剂加载量是预先知道的。每个DPF都由堇青石材料制成。其尺寸为，直径φ230mm，长300mm。其孔室结构的分隔壁厚度为12mil，以及孔室密度为300孔室/平方英寸(cpsi)。另外，DPF-A在催化剂加载量上与DPF-B不同，DPF-B具有较多的催化剂加载量。
从DPF-A’中取得一样品，DPF-A’与DPF-A具有相同的生产批号，其催化剂承载量基本上与DPF-A相等，用水银孔隙率计测量其孔隙度。类似地，从DPF-B’中取得一样品，DPF-B’与DPF-B具有相同的生产批号，其催化剂承载量基本上与DPF-B相等，用水银孔隙率计测量其孔隙度。结果，DPF-A’和DPF-B’的孔隙度相等，大约为65％。因此，如以上的DPF那样，具有相同生产批号的DPF-A和DPF-B可被看成具有不同的催化剂加载量，但是具有相等的孔隙度。值得注意的是，所述DPF-A与所述DPF-B的产品质量基本上是相等的。
含有烃类化合物的气体用同上述试验一样的方式充入所述DPF-A和DPF-B中，在同样的条件下测量DPF-A的气体流出时间Ta和DPF-B的气体流出时间Tb，就得到图5的图中所示的结果。如上所述，由于所述DPF的气体附着极限量表示为“气体附着极限量＝气体流出时间×气体产生量”，所以绘制的气体流出时间与气体附着极限量之间的相关性图如图6所示。进一步，绘制的催化剂加载量与气体附着极限量之间的相关性图如图7所示。
该气体附着极限量，即“颗粒物的附着量”表示一个与本发明中的“吸水性”相对应的值，根据该量可以估算出适当的催化剂加载量。例如，假设一个催化剂加载量为未知的DPF-X，用上述方法测量气体流出时间Tx。那么，从图6和7的相关性图可获得气体附着极限量Vx，并可以估算出催化剂加载量Lx。下表表示的是用这种方法得到的每个吸水性与催化剂加载量之比。作为比较，还列出了如图2所示的在孔隙4内充满了颗粒物(烃类化合物)5的状态下所获得的吸水性。
[表1]孔隙度比率用比较方法得到的吸水 性比率用本发明的方法得到的吸水性比率催化剂加载 量比率 DPF-A 1.00 1.00 1.00 1.00 DPF-X 1.00 0.97 1.18 1.13 DPF-B 1.00 1.02 1.41 1.35
如上所述，根据本发明，要制备利用多孔室结构分隔壁内的孔隙表面也作为承载催化剂的基本材料部分的催化装置，所得到的所述多孔室结构的吸水性成为设定/调节加载条件的有效标准，从而使得催化剂组分的加载量适当。当有关吸水性的信息显示在多孔室结构的表面时，基于此信息，所述多孔式结构就能够加载适当量的催化剂组分。