Một dạng nữa của monolithe kim loại là monolithe dạng sợi. Những bánh sợi kim loại được nén rồi hàn lại với nhau bằng điện và đặt trong vỏ bảo vệ, tỉ lệ xốp của nó chừng 95-98%. Trong những bánh sợi, sự tiếp xúc khí-rắn được tăng cường nhưng
loại này rất ít được sử dụng. Những thông số đặc trưng của monolithe kim loại: hợp
kim Fe/Cr/Al (15-20% Cr; 4-5% Al; 0-2% Si; 0,1-0,3% Y)
_ Số rãnh trên 1cm2 : 62 hoặc 93
_ Độ dày của thành (mm) : 0,05
_ Khối lượng riêng của vật liệu (g/cm3) : 7,2 _ Nhiệt dung riêng khối lượng (cal/goC) : 0,11 _ Nhiệt dung riêng thể tích (cal/cm3 oC) : 0,05-0,08
_ Độ dẫn nhiệt (cal/cm.soC) : 0,03
_ Hệ số dãn nở nhiệt (10-6/oC) : 12
_ Nhiệt độ sử dụng giới hạn (oC) : khoảng 1100
Về mặt cơ khí, những monolithe kim loại bền hơn những monolithe céramique và có tính uyển chuyển hơn trong việc lựa chọn mật độ của rãnh. Một điểm thuận lợi nữa là nó có thể giảm 55% thể tích so với những monolithe céramique cổ điển và 25% thể tích so với những monolithe céramique mới. Monolithe kim loại cho phép giảm thất thoát khí xả khoảng 15-20% khi lớp wash-coat bị kết cặn, độ dẫn nhiệt tốt nên hạn chế nguy cơ quá nhiệt cục bộ có thể dẫn đến nóng chảy. Ngoài ra, các monolithe kim loại còn có nhiệt dung riêng thấp nên giảm thời gian khởi động bộ xúc tác, đây là lý do chủ yếu mà chất mang kim loại được sử dụng phổ biến.
H.2-23. Công nghệ cải tiến mật độ rãnh của monolithe
Giống như monolithe céramique, những monolithe kim loại cũng được phủ một lớp γ-Al2O3 trước khi thấm những kim loại quý. Khi sử dụng loại thép chịu lửa chứa γ-Al2O3 để chế tạo monolithe thì sẽ tạo một bề mặt có khả năng gắn kết tốt những oxyde γ-Al2O3, giảm được nguy cơ lớp wash-coat bị bong ra.
Cơ sở lựa chọn chất mang
Việc lựa chọn chất mang phải dựa trên những điều kiện lắp đặt và sử dụng. Chẳng hạn khi cần chất mang có độ dẫn nhiệt lớn nhằm tăng khả năng khởi động của xúc tác, người ta thường ưu tiên chọn những monolithe kim loại. Cũng chính vì những lý do này, trong động cơ 2 kỳ người ta sử dụng các monolithe kim loại để tăng khả năng chịu được nhiệt độ cao. Ngày nay, đối với các phương tiện giao thông có trang bị
hệ thống xúc tác, người ta thường sử dụng những monolithe kim loại thay cho những monolithe céramique do những thuận lợi về cấu tạo cũng như những tính chất kỹ thuật đảm bảo cho động cơ hoạt động hiệu quả hơn và giảm đáng kể lượng khí xả thất thoát.
Ngoài ra, việc lựa chọn chất mang còn dựa trên những tính chất đặc trưng của
chúng. Đây là một yếu tố quan trọng cần được xem xét để sử dụng thích hợp loại chất xúc tác cho từng động cơ, đảm bảo tối ưu về tính hiệu quả, độ bền và giá cả. Những monolithe céramique rẻ hơn những monolithe kim loại từ 15-20%, và rất đa dạng về chủng loại nên cũng thường được sử dụng cho động cơ xe. Tính hiệu quả của bộ xúc tác được thể hiện qua khả năng khởi động, và khả năng này phụ thuộc vào các yếu tố như bề mặt hình học của chất mang, lượng chất xúc tác sử dụng…Chất mang được lựa chọn phải có thể tích phù hợp với lưu lượng khí xả để thất thoát là nhỏ nhất, và giảm được tốc độ VVH. Hay nói cách khác, tỷ trọng của các lỗ và độ dày của thành sẽ đóng một vai trò đến sự mất mát lượng khí xả chưa xử lý (∆P).
Bảng 2-14: So sánh những tính chất đặc trưng của một số loại chất mang
Loại Tỷ trọng/độ dày (cpsi/mils) Bề mặt mở (OFA) Bề mặt hình học (GSA) ∆P Tiêu chuẩn Thành mỏng Thành cực mỏng 400/6,5 600/4 400/4 600/3 900/3 76% 80% 83% 84% 80% Std +26% +4% +28% +54% Std +30% -20% +17% +88% 2.3.1.2 Lớp vật liệu nền (wash-coat)
Do bề mặt của những monolithe céramique hay monolithe kim loại quá nhỏ (3m2/l) để có thể đảm bảo cho các kim loại quý phân tán tốt nhất (0,2m2/g). Vì vậy, để tăng hoạt tính của xúc tác cần tăng cường bề mặt tiếp xúc của chất xúc tác với dòng khí xả thông qua lớp vật liệu nền. Trên các rãnh của monolithe sẽ được phủ một lớp Al2O3 (đôi khi là SiO2) có bề mặt riêng lớn (100-200m2/g BET) và độ bền cao, lớp Al2O3 này được phân bố rất đều đặn trên chất mang với độ dày biến đổi từ 20-50µm. Bằng cách này, bề mặt của chất mang đã được nâng lên đến khoảng 100 lần.
Lớp vật liệu nền chiếm khoảng 5-20% khối lượng của chất mang. Độ bám dính của nó lên bề mặt các rãnh của monolithe là yếu tố rất quan trọng để duy trì hiệu quả của chất xúc tác. Nguyên nhân là do chúng có nguy cơ bị rạn nứt hay tách rời cùng với
lớp chất hoạt động, nhất là khi hệ số giãn nở của chất mang và lớp vật liệu nền chênh lệch nhau lớn. Khi lớp wash-coat có một độ giãn nở nhỏ thì nó sẽ có khả năng tránh sự xuất hiện của những vết nứt. Quá trình tạo thành lớp wash-coat gồm 3 giai đoạn:
_ Chuẩn bị dung dịch lỏng có chứa những thành phần tạo lớp vật liệu nền. _ Nhúng chất mang trong dung dịch đã chuẩn bị rồi sấy khô
_ Tiến hành frittage cùng với khối monolithe.
Những thành phần trong dung dịch lỏng để tạo lớp vật liệu nền có thể là dung dịch chlorhydrate aluminium Al2(OH)5Cl; hydrosol alumine đôi khi của silice hay zircone, hoặc dạng huyền phù của γ-Al2O3. Các dung dịch này thu được bằng cách nghiền alumine thành những hạt có kích thước tương đương với kích thước của những lổ xốp trong monolithe (<5µm) để thuận lợi cho việc việc gắn kết. Nhằm tăng cường sự gắn kết cũng như để ổn định lớp alumine và thành phần pha hoạt động, người ta thêm vào trong dung dịch huyền phù những chất bổ trợ như silicate natri, protéine, nhựa tổng hợp, các kim loại (Ce, Zr, Si, Ba, Fe)…hoặc đưa vào trên chất mang trước
khi phủ lớp wash-coat. Một lượng nhỏ CeO2 (khoảng 4,5-50% khối lượng lớp wash-
coat được đưa vào dưới dạng hợp chất nitrate) và BaO (nhỏ hơn 1% khối lượng monolithe) sẽ làm chậm quá trình thiêu kết của alumine, tăng khả năng phân bố của kim loại quý, giảm mạnh phản ứng của Rh với Al2O3 và xúc tác cho phản ứng của khí chứa nước. Kỹ thuật này cho phép giảm phân nửa hàm lượng Pt đưa vào nhưng vẫn hoàn toàn duy trì độ ổn định của chất xúc tác ở nhiệt độ cao.