Научная статья на тему 'Исследование свойств катализаторов, применяемых для очистки отработавших газов карьерного автотранспорта'

Исследование свойств катализаторов, применяемых для очистки отработавших газов карьерного автотранспорта Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
148
22
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — А. К. Акимбеков, М. К. Ибатов, Т. Н. Налибаев

Приводятся результаты исследования физико-химических свойств и структуры поверхности катализатора на носителе Аl2O3 содержащей мелкодисперсную платину в качестве промотора. Проведен анализ испытаний катализаторов по эффективности снижения окиси углерода СО при температуре 250-600"С в реакторах нейтрализаторов отработавших газов дизельных двигателей карьерного автотранспорта.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — А. К. Акимбеков, М. К. Ибатов, Т. Н. Налибаев

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

One of the most important problems concerning the carrier automeans is the increase of its exploitation safety. The solution of this problem is possible on the basis of the proposed theoretical preconditions on managing quality indicators of the carrier automeans exploitation safety. Structural scheme of factors influencing the safety of automeans, is brought up.

Текст научной работы на тему «Исследование свойств катализаторов, применяемых для очистки отработавших газов карьерного автотранспорта»

УДК 622.684.001.25

^ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КАТАЛИЗАТОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ КАРЬЕРНОГО АВТОТРАНСПОРТА

А.К. Акимбеков, М.К. Ибатов, Т.Н. Налибаев

Карагандинский государственный технический университет

Промотор pemindeei усик, дисперсиялы платинасы бар. А/,0, арк,ауындагы катализатор 6eminin к,урылымы мен физика-химиялык, крсиеттерш зерттеу нвтижещп келпиршен Карьер автоколтшц дизельдi цозгалпщыштарыныц пайдаланылган газдарын бейтараптандырцыштар реакторларында 250-600"С температурада СО кем ip те к тотыгын твмендету пчимдтг1 бойынша катализаторларды сынау жумы сына талдау жург131лген.

Приводятся результаты исследования физико-химических свойств и структуры поверхности катализатора на носителе А1,Ох, содержащей мелкодисперсную платину в качестве промотора. Проведен анализ испытаний катализаторов по эффективности снижения окиси углерода СО при температуре 250-600"С в реакторах нейтрализаторов отработавших газов дизельных двигателей карьерного автотранспорта.

One of the most important problems concerning the carrier automeans is the increase of its exploitation safety. The solution of this problem is possible on the basis of the proposed theoretical preconditions on managing quality indicators of the carrier automeans exploitation safety. Structural scheme of factors influencing the safety of automeans, is brought up.

Каталитическая нейтрализация отработавших газов является одним из основных направлений исследований, направленных на решение проблемы повышения эффективности очистки токсичных компонентов отработавших

газов карьерных автотранспортных средств в условиях их эксплуатации на предприятиях горнорудной промышленности. При этом, кроме совершенствования конструкций самих нейтрализаторов, важным является поиск

Для решения проблемы подбора наиболее эффективных, обладающих высокими сорбционными свойствами платиновых металлов, нанесенных на носитель у - А1,0,, требуется проведение исследований катализаторов на основе комплексного подхода и испытание их на эффективность очистки окиси углерода СО в отработавших газах дизельных двигателей автотранспортных средств.

В связи с этим были проведены лабораторно-стендовые исследования опытных партий катализаторов, разработанных Институтом органического катализа и электрохимии АН РК, на их эффективность и степень активности в окислительных процессах в сравнении с серийно выпускаемым платиновым катализатором ШПК-2 на носителе ШН-2.

Для проведения лабораторно-стендовых исследований была использована экспериментальная установка на базе дизельного двигателя ЯМЗ-238, где на выпускном тракте отработавших газов двигателя был установлен каталитический нейтрализатор модели ГКА.

На первоначальном этапе стендовых исследований испытанию подвергались опытные партии катализаторов ПТ-5, К-7-1 и П-7.5.25. На следующем этапе стендовых исследований испытанию на активность по окислению токсичных компонентов были

катализаторов П-7.10/ШН-2. П-7.10-5.25/ШН-2 и серийно выпускаемый катализатор ШПК-2.

Отдельные результаты лаборатор-но-стендовых исследований, приведенные в таблице 1 и на рисунке 1,свидетельствуют о существовании зависимости ыэндапрации окихм углерода СО (0,015-^0,075 % по объему) после нейтрализатора и степени очистки СО (14^86 %) от нагрузки на двигатель (25-И 00 кГ) и соответственно температуры отработавших газов (240-^650 °С) в реакторе нейтрализатора.

Анализ результатов испытаний подтверждает, что высокая степень очистки СО (86 %) соответствует высокой температуре (640 °С) и режиму максимальной нагрузки на двигатель (100 кГ). По отдельным катализаторам уровень нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов достигает 91 %. По степени очистки отработавших газов от СО исследуемые катализаторы располагаются следующим образом: ШПК-2 >П-7.10-5.25/ ШН-2 > П-7.10/ШН-2.

Концентрация платины в опытных образцах смешанных платиновых катализаторов(0,038 мае. "/(^уменьшена по сравнению с ШПК-2 (0,2 мас.%) более, чем в 5 раз. При этом, как видно из результатов испытаний, это приводит к благоприятным условиям для повышения активности катализаторов.

Рост эффективности платиносо-

держащих катализаторов был связан с количественным уменьшением содержания свободно восстановленной формы платины Рг до определенного размера кристалликов (25-40А)-видимому, о птимальные размеры

Таблица 1

Результаты лабораторно-стен;

К-7-1, П-7

кристалликов Р/ и природа ее состояния, а также соотношение (Р1 т/ Р1 ") играют важную роль при контакте с активным атомарным кислородом в окислительном процессе между (Гхш + СО -> С02 ■

довых исследований катализаторов .5.25, ГТТ-5

Нагрузка на двигатель Р.кГ Температура отработавших газов, /г, "С Концентрация окиси углерода СО в отработавших газах, % по объему Степень очистки отработавши х газов от СО, Ка,%

ДО нейтрализатора после нейтрализатора

К-7-1

25 310-250 0,150 0,075 50

50 430-390 0,080 0,075 14

75 580-430 0,075 0,060 20

100 650 - 590 0,150 0,050 66

П-7.5.25

25 320 - 240 0,075 0,050 33

50 420-380 0,100 0,075 25

75 580-420 0,110 0,060 45

100 640 - 580 0,250 0,075 70

ПТ-5

25 240 - 240 0,075 0,035 53

50 400 - 340 0,075 0,015 80

75 520 - 420 0,100 0,020 80

100 640 - 520 0,150 0,020 86

При оптимальных условиях активные атомы кислорода легко выделяются из элементарной ячейки решетки платины ( О хш —> О ).

Результаты исследований [1,2, 3. 4] структуры поверхности дисперсных металлов (Р1, 1г, Ли, N0 на поверхности дефектных решеток у - и их хемосорбции (О )

кислорода хорошо согласуются с нашими данными по вычислению энергии связи М-0 (кДж/моль,): Р1 -0= 330 --100; /г-0 = 76-80; Яи-0 = 16-5-20; М(111)-0 = 4 + 1 Скорость окисления СО также имеет прямую связь с энергией связи платины и атомарного кислорода. Проведенный анализ хемосорбции

окиси углерода на поверхностном слое металлической Р( при температуре от 300 °С до 600 °С позволил выявить два типа образования СО,, при-

а - СО,, Еи = 38 кДж/моль. К" =

р - СО,, Еа = 83 кДж/моль. К"а =

С повышением температуры основная часть хемосорбированных атомов кислорода переходит на окисление СО и преврашается в СО, . Возможно из-за высокой температуры (600 °С) на поверхности рыхлого металла платины с высокой дисперсностью происходит гистерезисное явление.

По данным РФЭС [2], на поверхностях твердых тел адсорбированная окись углерода СО характеризуется энергиями связи О Ь (531,4 -ь 535 эв) и С (230 -г- 286 эв). Анализ положения линий С 1б и 0 [2, 3, 4] позволил сделать вывод о том, что на поликристаллической поверхности имеются две формы адсорбции СО: а - форма со связью, близкой к карбонильной, и Р - форма, которая представляет диссоциативный характер.

чем в областях температуры 300 -г- 450 °С (а - СО,), а 400 -г 500 °С (Ь - СО,).

Имеется характерное различие по энергиям связи:

10'9 см2/(мол. с);

10 ~6см2/(мол. с) .

Фазовые превращения контролировались методами ДМЭ, РФЭС согласно реакции СО(газ) + О(газ) -> СО; по адсорбционному механизму Лэнгмюра-Хиншельвуда (совместной адсорбции кислорода и углекислого газа). С увеличением температуры в реакторе нейтрализатора происходит перестройка поверхности и создаются условия для образования диссоциативной р - формы СО. В этих условиях водород не может хемосорбироваться на поверхности платины.

При окислении водорода и окиси углерода на металлической платине при повышенной температуре происходит взаимодействие адсорбированного кислорода с водородом на газовой фазе [5]. В этом случае может происходить реакция:

Н^-Н 1 V/ '

о

И + Я+Я -*Н-*Н20 + Р1

или

•я я 1 я 1

О О 0 1 1 0 1 0 1

2Р1 + Я- -н^н и — и и

2Н20+2И

т.е. идет образование гидрокеильной группы, а затем этот процесс доводится до восстановления платины и молекул воды. На поверхности адсорбированного атома кислорода в решетке Р/ при контакте с СО происходит окисление:

0

II

С

1

0 о

1 I

И (Рй) +СО - И (Рс1)

и

О

о-о и + со

С ,

/V

о/о * и

Аналогичное окисление также возможно на переходных металлах. По данным ИК - спектров СО после адсорбции на поверхности 0: происходит диссоциативная адсорбция в виде:

I

0 С

1 I

и - И

т.к. молекула СО, на платине не адсорбируется, тем более диссоциативно. Данный комплекс доказывает, что часть атомов Р/ взаимодействует через атом углерода, где локализованы электронные ¿/-орбиты для граней (110) и (100).

Таким образом, в данной статье проанализирована проблема эффективности адсорбции СО на поверхности определенного размера кристаллического порошка Р/ , нанесенного на носитель определенной структуры. Было рассмотрено вли-

яние физической среды реактора нейтрализатора при разной температуре (300 - 600 °С) на процент превращения (СО —> СО^ при непосредственном участии атомарного кислорода ( О хш ).

Для анализа поверхностного и послойного состава и их изменений были привлечены современные методы ДМЭ и РФЭС. По результатам анализа можно сделать заключение о механизмах поверхностных явлений процесса окисления СО + О хук1-> СО, с изменением концентрации атомов Р/ на грани ре-

шетки платины (ПО) и (100).

Учитывая малый расход платины в катализаторе П-7.10-5.25/ШН-2 по сравнению с серийно выпускаемым катализатором ШПК-2 и близкую к ШПК-2 эффективность очистки отработавших газов, представляется целесообразным рекомендовать катализатор П-7.10-5.25/ШН-2 к промышленным испытаниям на системах нейтрализации автотранспортных средств, работающих в карьерных условиях

горнорудной промышленности. Вместе с тем, проведенные исследования физико-химических и адсорбционных свойств поверхности катализаторов свидетельствуют о влиянии дисперсности металлов платины на сорбцион-ные характеристики. Для решения задачи по определению оптимальных платиносодержаших катализаторов, нанесенных на у - А1,0, , требуется разработка и дальнейшее исследование новых материалов.

Зависимость степени очистки окиси углерода СО (Ки , %) от нагрузки на двигатель (Р. кГ) по катализаторам П-7.10, П-7.10-5.25 и ШПК-2

Рисунок 1

№3, 2002г.

109

ЛИТЕРАТУРА

1. Савченко В.И. Механизм катализа. Ч. 2 Методы исследования каталитических реакций. -Новоси-бирск: Наука: -1984. -126 с.

2. Налибаев Т.Н. О природе состояния поверхности активированных с1-металлов и их хемосорбцион-ных способностей. Известия МОН-НАН РК. серия хим. -2001: №5

3. Миначев Х.М., Антошин Г.В.,

Шпиро Е.С. Фотоэлектронная спектроскопия и ее применение в катализе. -М.: Наука.-1981.-216 с.

4. Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектрон-нной спектроскопии. /Под ред. Д. Бри~-гса, М.П. Сиха. -М.: Мир. -1987.-600с.

5. Скляров A.B. Сб. Поверхностные соединения в гетерогенном катализе. -М.: Наука. -1975. -238 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.