[发明专利]制造多孔针状莫来石体的方法

说明书

本申请要求2011年7月6日提交的美国临时专利申请No.61/504,739的优先权。

本发明涉及制造多孔针状莫来石体的方法。

针状莫来石采取高纵横比的针的形式。大量这些针形成高表面积、高孔隙的结构，所述结构的特征在于它们的出色的耐温性和机械强度。多孔针状莫来石体用作微粒捕集器以过滤从动力设备散发的废气中的烟尘。动力设备可以是活动或静止的。活动的动力设备的例子是内燃机。静止的动力设备包括发电和/或蒸汽发生设备。多孔针状莫来石体还可用作催化剂载体，例如汽车催化转化器中贵金属的载体。

制造多孔针状莫来石体的适宜的方式以含有铝和硅原子源的“生坯”开始。通过在氟源存在下加热，可形成（理论）经验式为Al₂（SiO₄）F₂的氟黄玉（Fluorotopaz）化合物。氟黄玉化合物然后可热分解形成莫来石，所述莫来石的（理论）经验结构式为3Al₂O₃·2SiO₂。用这种方法形成的莫来石晶体采取大量相互连接的针的形态。针通常平均直径最大约25微米。相互连接的针形成多孔结构，其中孔隙占坯体体积的40至85%。

制造多孔针状莫来石体的一种方式描述在例如WO90/01471中。三氟化铝、二氧化硅和任选的氧化铝形成生坯，将其加热到650至950℃以形成氟黄玉化合物。在1150-1700℃下，氟黄玉可以在无水SiF₄气氛下与补加的SiO₂反应，以消除氟并产生针状莫来石。SiF₄是作为这些反应中每个反应的副产物产生的。在该方式中氟黄玉-形成步骤中的反应速率被限制，因为三氟化铝必须分解才能为所述反应提供氟。另外，三氟化铝是昂贵的起始材料。

另一种合成方式描述于WO99/11219、WO03/82773和WO04/96729。这种方式使用气体，最通常是SiF₄，作为氟源，以及铝硅酸盐粘土、二氧化硅和/或氧化铝作为铝和硅源。如前所述，发生两阶段反应。形成生坯，放入炉中，所述炉装有需要量的SiF₄。然后在SiF₄存在下，以恒定速率加热生坯。当温度超过约650℃时，在放热反应中形成氟黄玉，并且所述炉在700℃至约950℃的范围内时继续形成。所述氟黄玉在第二吸热反应中进一步反应，形成针状莫来石。该第二反应通常在SiF₄气氛下通过继续加热炉到至少1000℃的温度而进行。SiF₄分压通常在第二个步骤中比氟黄玉形成反应期间低。

取决于SiF₄分压和其它工艺变量，氟黄玉在低到约800℃的温度下可开始分解，形成莫来石。因此，在某个温度范围内，可能所述氟黄玉中间体同时形成和分解。为了获得一致的产品质量，设法分开这些反应是有益的。这样做的一种方法是将第一步骤的反应温度保持在大约800℃或更低，使得分解反应的速率小或为零。

这样做的问题是由于氟黄玉形成反应的放热本质，部件的温度难以控制。特别地，因为反应热有时不能迅速消除，所以部件的核心易于变得过热。其结果是在整个部件中，针状结构是不一致的。

在所述坯体的生产规模加工中产生了另一个问题。生产规模工艺在单个炉中同时制造多个部件。已经发现，各个所述坯体可以在不同的速率下反应，尤其在氟黄玉形成反应期间。因为反应周期时间由反应最慢的部件的反应周期时间决定，所以希望所述部件全部以非常接近相同的速率反应，以最小化周期时间以及最小化相关成本和生产率的损失。

又一个问题是反应期间可形成混合金属氟化物副产物。这种副产物通常含有10至20重量%钾、1至10%钠、15至30%铝和最多70%氟。这种混合金属氟化物在氟黄玉分解反应的条件下是挥发性的。如果它迁移到反应器中的冷点，它可将蒸汽相冷凝下来并污染反应器壁及其他内表面。这产生了明显的清洁问题。另外，所述混合金属氟化物与形成的针状莫来石相平衡，只要它处于蒸汽相中。如果所述混合金属氟化物冷凝或以其它方式从系统中除去，则更多的材料将从所述部件中挥发。因为这从系统中除去了铝而不是硅，所以影响了部件中铝:硅比率，这可导致产品性质的改变。钾、钠和氟化物也被除去，再次导致最终的部件的化学改变，以及部件与部件之间或批与批产品之间的不一致性。

因此，提供允许迅速而经济地生产具有一致的针状结构的多孔针状莫来石体的生产方法，将是合乎需要的。

在一个方面，本发明是生产一个或多个针状莫来石体的方法，所述方法包括：