CC BY
49
УДК 542.97
Григоренко Р.И., Давидханова М.Г., Грунский В.Н.
ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОСТИ БЛОЧНЫХ КОБАЛЬТОВЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ НА ПРИМЕРЕ ОКИСЛЕНИЯ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА
Григоренко Роман Игоревич, студент 2 курса магистратуры факультета инженерной химии, e-mail: roman.grigorencko2016@yandex.ru;
Давидханова Мария Григорьевна, к.т.н., доцент РХТУ им. Д.И. Менделеева;
Грунский Владимир Николаевич, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой общей химической технологии, РХТУ им. Д.И, Менделеева, Москва, Россия
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Синтез и исследование свойств кобальтовых металлооксидных и металлических катализаторов окисления оксида углерода (II), промотированные CeO2. Исследованы каталитические свойства синтезированных катализаторов и определены кинетические параметры низкотемпературного окисления СО.
Ключевые слова: блочные катализаторы, окисление монооксида углерода, газофазный катализ.
INVESTIGATION OF ACTIVITY OF BLOCK COBALT CATALYSTS ON THE EXAMPLE OF OXIDATION OF CARBON MONOXIDE
Grigorenko R.I., Davidkhanova M.G., Grunsky V.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Synthesis and study of the properties of cobalt metal oxide and metal catalysts for the oxidation of carbon monoxide (II) promoted by CeO2. The catalytic properties of synthesized catalysts are studied and the kinetic parameters of low-temperature oxidation of CO.
Keywords: block catalysts, oxidation of carbon monoxide, gas phase catalysis.
В настоящее время разработано большое количество методов детоксикации от оксида углерода (II). Наиболее совершенными катализаторами окисления оксида углерода (II) являются катализаторы на основе благородных металлов [1]. Актуальной задачей является замена каталитической системы на основе благородных металлов на более дешевые оксидные катализаторы, в частности оксидные катализаторы на основе переходных металлов переменной валентности.
Катализаторы окисления оксида углерода (II) отличаются многообразием состава и используемых исходных соединений. Дискутируется вопрос о природе активного компонента катализаторов, а также механизме каталитической реакции [2].
Целью работы является исследование кинетики окисления оксида углерода (II) на катализаторах, полученных методом пропитки и химического осаждения, в зависимости от условий ведения процесса (температуры, состава газовоздушной смеси, объемной скорости газа).
Результаты многочисленных исследований показали, что каталитические систем на основе кобальта, меди, марганца, церия и др., обладающие каталитической активностью, обеспечивают конверсию оксида углерода (II) при низких температурах [1].
В качестве промотирующей добавки большой интерес представляет оксид церия. Как известно, этот материал может аккумулировать кислород. Другими словами, он способен «отдавать» кислород
при его недостатке в окружающей среде и, наоборот, присоединять, когда кислород в избытке. Это связано с тем, что оксид церия легко меняет степень окисления (Се4+/Се3+) и количество кислорода в кристаллической решетке в зависимости от содержания кислорода в окружающей среде. Оксид церия как компонент каталитических систем с высокой ёмкостью по кислороду способен поддерживать парциальное давление кислорода в газовой фазе, он быстро дезактивируется [3].
Повысить стабильность и кислородную ёмкость Се-содержащих катализаторов можно введением в их состав СоО и катионов различных металлов. Установлено, что при введении СоО в кристаллическую решетку диоксида церия увеличивается количество подвижного решоточного кислорода.
Цель исследования - синтез нанесенных блочных металлооксидных и металлических катализаторов ячеистой структуры для низкотемпературного окисделния СО и сравнение их активности.
Экспериментальная часть
Для получения металлооксидных катализаторов, высокопористый ячеистый носитель (ВПЯН) на корундовой основе с подложкой из алюмозоля, полученный по методике, изложенной в [4], погружали в 10 %-ный раствор нитрата церия при t = 21 0С, затем образец сушили при 120 0С в течение 3 часов. Далее образец погружали в раствор Со(М03)2 при t = 22 0С. Затем пропитанные заготовки сушили при t = 100 0С
в течение часа. Далее обжигали в печи, где скорость нагрева при обжиге составила 180 0С/ч, максимальная температура обжига - 450 0С. При этой температуре производили выдержку в течение 2 часов, далее - охлаждение.
Микрофотография поверхности образца (рис. 1) методом сканирующей электронной микроскопии на аппарате JEOL марки JSM-6510LV.
На рис. 2 представлен снимок структуры образца методом химического кобальтирования.
Рис. 1. Структура поверхности образца с металлооксидной каталитической подложкой на основе диоксида церия и оксида кобальта
Для получения металлического катализатора на кобальтовой основе использовали метод химического осаждения, предложенный в [5]. Процесс получения кобальтовых покрытий состоит из трех основных стадий: подготовка поверхности (обезжиривание и травление); получение электропроводного подслоя (сенсибилизация и активация); нанесение покрытий. Данный методом позволяет избежать стадию обжига.
Рис. 2. Структура поверхности образца с металлизированным кобальтом
В реакции окисления СО металлооксидным катализатором активность исследовали на проточной установке: объемная скорость газовой смеси составила W = 3,51 1/ч, время контакта 0,28 ч. Расчитаны кинетические параметры: степень превращения (Х), константа скорости (К), скорость реакции (V), активность катализатора (А). По результатам исследований были получены следующие результаты (табл. 1).
В реакции окисления монооксида углерода металлическим катализатором, протекающей при объемной скорости газовой смеси, равной W = 3,49 1/ч, время контакта 0,29 ч были получены результаты, представленные в (табл. 2).
Таблица 1. Кинетические параметры окисления СО металлооксидным катализатором
Расход °С Снач(СО), г/см3 Скон(Со), г/см3 X К V А
10 100 7,37 7,33 0,005 0,017 0,017 0,003
150 9,48 9,31 0,018 0,063 0,062 0,009
200 10,15 7,46 0,265 1,062 0,781 0,116
250 10,47 7,32 0,301 1,235 0,863 0,128
Таблица 2. Кинетические параметры окисления СО металлическим катализатором
Расход ^ °С Снач(СО), г/см3 Скон(Со), г/см3 X К V А
10 100 10,03 9,94 0,009 0,031 0,031 0,005
150 9,61 9,19 0,042 0,148 0,142 0,023
200 7,78 1,34 0,828 6,249 1,075 0,175
250 10,95 0,79 0,928 9,077 0,654 0,107
В реакции окисления СО, протекающей в одинаковых условиях, активность катализатора, полученного методом химического осаждения больше чем металлооксидного (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость степени превращения от температуры
Выводы
Создан носитель с подложкой из алюмозоля, модифицированный диоксидом церия.
Синтезированные блочные металлические и металлооксидные катализаторы ячеистой структуры показали высокую активность при окислении оксида углерода (II) на проточной установке. Кинетические исследования показали, что металлический катализатор обладает большей активность чем металлооксидный.
Список литературы
1. Клеусов Б.С., Либерман Е.Ю., Михайличенко А.И. Наноструктурированные церийсодержащие катализаторы для процессов нейтрализации токсичных компонентов в газовых средах. — 2011. — Т. 25, № 11. — С. 711.
2. Ахмеров О.И. Кинетика окисления оксида углерода (II) на железооксидном катализаторе // Вестник Казанского технологического университета. — 2004. — №1. — С. 128-131.
3. Чуб О.В., Мокринский В.В., Решетников С.И. Кинетика окисления монооксида углерода на промышленном медьсодержащем катализаторе для кипящего слоя // Отечественные катализаторы. — 2013. — № 5. — С. 54-58.
4. Грунский В.Н. диссертация Малообъемные блочные высокопористые каталитические и сорбционные системы ячеистой структуры для очистки от вредных примесей в жидкофазных и газофазных процессах: дис. докт. техн. наук. — М., 2009. — С. 117-122 с.
5. Грилихес С.Я. Электролитические и химические покрытия: учеб. / Грилихес С.Я., Тихонов К.И. — Л.: Химия, 1990. — 378 с.
