[发明专利]无定形熔凝二氧化硅玻璃的多孔蜂窝状结构及其制备方法

说明书

公开了一种多孔蜂窝状体，其主要包含多孔烧结玻璃材料。该多孔烧结玻璃材料主要包含第一相和第二相，该第一相主要包含无定形熔凝二氧化硅且该第二相包含无定形熔凝二氧化硅和烧结助剂。还公开了一种制备所述多孔蜂窝状体的方法，通过该方法挤出无定形二氧化硅的前体批料和烧结助剂，形成生坯蜂窝状体，对该生坯蜂窝状体进行热处理，以形成孔。

本申请根据35U.S.C.§119要求2012年11月29日提交的美国临时申请系列第61/731,168号的优先权，本文以该申请的内容为基础并将其通过引用全文纳入本文。

背景

本发明通常涉及多孔蜂窝状结构，更具体地涉及基于熔凝二氧化硅的多孔蜂窝状结构。

全球范围内对于化石燃料的需求和消耗(无论是用于运输、生产活动还是发电)稳定增加。增加的需求超过供应并驱动能源成本升高，且化石燃料燃烧的排放物破坏环境并对人类健康产生不利影响。短期中，一氧化氮、一氧化二氮、碳氢化合物、一氧化碳和烟炱促使形成雾霭和酸雨。较长期来看，与碳基燃料燃烧相关的原本惰性的二氧化碳加速全球变暖。相应地，全球各国政府正对可接受的污染物水平施加更严格的规定。正在实施的措施控制从工业至商业和消费者活动的移动和静止的排放源。

在运输工业中，法规和燃料成本促进了更高燃料效率和更清洁引擎以及更有用的后处理系统的研发。对于轻型和重型车辆类别，在北美和欧洲，在过去的二十年间，已数次降低了来源于柴油和汽油动力发动机的NOx和烟炱(PM)的可接受水平。中国、印度、俄罗斯和巴西正考虑阶段性实施与之没有多达区别的法规。用于柴油发动机的有利的后处理系统包括柴油氧化催化剂(DOC)、烟炱滤器和用于选择性催化还原(SCR)NO_x的系统。这些系统目前刚开始大规模实施。各组件都利用蜂窝状陶瓷作为催化剂载体或过滤结构的基础。

最初在20世纪70年代开发了负载SCR和DOC催化剂的蜂窝状陶瓷基材以用作催化转化器，用于处理来自汽油动力客车的废气。来自该时代的汽油动力车辆的废气系统中的环境特别严重。堇青石成为在该环境中运行的优选材料，因为其耐受能够熔化大多数金属的极端高温、与车辆的初始启动相关的严重热冲击条件以及会导致多数材料出现裂缝的重负荷条件至低负荷条件之间的转换。其还可耐受含有高浓度硫的燃料。

差不多30多年后的情形看似有很大不同。快速响应传感器和控制系统允许车辆在故障发生时自动地自我调节和响应以防止危害。会导致熔化的温度剧增在汽油动力汽车的后处理系统中是罕见的。柴油废气系统中的温度也远低于汽油。最高温度不会更高且可能远低于1100℃。已将燃料硫浓度从超过500ppm降低至低于50ppm以增强催化剂寿命和减少酸雨。基材和过滤器材料的要求是抵御不那么严重的酸性浓缩物(如硫的氧化物)的侵蚀。

制造堇青石基材和过滤器的过程能耗高，并且是温室气体排放源。超过1400℃的温度用于驱动反应性烧结以形成堇青石。烧制过程也是耗时的。这是因为加热循环较缓慢，以限制由于温度梯度而发生的应变，且需要收缩不匹配(shrinkage mismatch)以防止开裂。出于所有这些原因，存在可以较低能耗方式制造新材料的机会，该材料被用作柴油和汽油后处理系统中的催化剂载体。此外，发现这类蜂窝状基材还可作为膜载体用于进行化学分离，过滤水蒸汽以纯化水，或以工业规模工艺分离所需化学或生物产品。

发明内容

本发明的一个实施方式涉及一种多孔蜂窝状体。该多孔蜂窝状体主要包含多孔烧结玻璃材料。该多孔烧结玻璃材料主要包含第一相和第二相，该第一相主要包含无定形熔凝二氧化硅，且该第二相包含无定形熔凝二氧化硅和烧结辅助材料。

本发明的另一个实施方式涉及一种制备多孔蜂窝状体的方法。该方法包括混合多个批料组分以形成前体批料组合物。该批料组分包含无定形熔凝二氧化硅和烧结助剂。该方法还包括挤出该前体批料组合物以形成蜂窝状生坯体。此外，该方法包括对该蜂窝状生坯体进行热处理以制备多孔蜂窝状体，该多孔蜂窝状体主要包含多孔烧结玻璃材料。该多孔烧结玻璃材料包含至少一个主要包含无定形熔凝二氧化硅的相。