CC BY
19
УДК 541.64
Григоренко Р.И., Обухов Е.О., Давидханова М.Г., Грунский В.Н.
ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ КОНТАКТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ВЫСОКОПОРИСТЫХ ЯЧЕИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
Григоренко Роман Игоревич,аспирант 1-го года обучения кафедры общей химической технологии, e-mail: roman. [email protected];
Обухов Евгений Олегович,аспирант 3-го года обучения кафедры общей химической технологии; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20.
Давидханова Мария Григорьевна, к.т.н., доцент кафедры общей химической технологии, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия;
Грунский Владимир Николаевич,д.т.н., профессор кафедры общей химической технологии, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия;
Исследование основных способов получения, пространственной структуры, свойств и применения высокопористых ячеистых катализаторов в газоочистке и каталитическом дожиге газовых выбросов нового класса материалов. Проведены испытания по нейтрализации отходящих и сбросных газов на керамических высокопористых блочно-ячеистых сорбентах с нанесенными активнымикомпонентами. Определение основных кинетических параметров.
Ключевые слова: высокопористые ячеистые материалы, катализаторы, каталитические системы, катализ.
POLYFUNCTIONAL CONTACT ELEMENTS BASED ON CERAMIC HIGHLY POROUS CELLULAR MATERIALS
Grigorenko R.I., Obukhov E.O., Davidkhanova M.G., Grunsky V.N. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Study of the basic methods of obtaining, spatial structure, properties and application of highly porous cellular catalysts in gas cleaning and catalytic afterburning of gas emissions of a new class of materials. Tests have been carried out to neutralize off-gas and waste gases on ceramic highly porous block-cellular sorbents with active components applied. Determination of the basic kinetic parameters.
Keywords: highly porous cellular materials, catalysts, catalytic systems, catalysis.
Высокопористые ячеистые материалы (ВПЯМ) представляют собой особый класс пористых проницаемых материалов, поскольку обладают специфичной для них структурой [1].Блочные катализаторы сотовой структуры и ячеистой структуры на основе ВПЯМ являются катализаторами нового поколения, несомненным преимуществом которых является формирование регулярного каталитического слоя, обладающего низким гидравлическим сопротивлением и равномерным распределением потока. В последние годы большое внимание уделяется разработкам блочных носителей и катализаторов сотовой структуры, получаемых методом экструзионного формования, а также блочных носителей и катализаторов на основе высокопроницаемых пористых ячеистых материалов (ВПЯМ), характерные размеры которых значительно превышают размеры зёрен традиционно применяемых катализаторов, благодаря чему их можно создать регулярную структуру и избежать недостатки, присущих зернистому
неупорядоченному слою [2].
Блочные каталитические и сорбционные системы широко используются в процессах: осушке газов и регенерации воздуха в замкнутых объемах, хемосорбции газовых радиоактивных отходов,
каталитические процессы гидрирования,
алкилирования, нитрования, гидрирования, гидроочистки нефтепродуктов, нейтрализации отходящих и сбросных газов и многих других.
Метод синтеза основной матрицы -дублирование структуры полимерного прекурсора из ретикулированного пенополиуретана (ППУ) заданных геометрических размеров с плотностью пор 10-80 ppi после пропитки керамическим шликером и высокотемпературного обжига. Эффективность катализатора любого процесса во многом зависит от структуры носителя и формы гранул катализатора. Традиционный катализатор гидрогенизационных процессов требует применения высоких температуры и давления. Наиболее широкое применение в промышленном катализе получили катализаторы цилиндрической и сферической форм, выполненные в виде гранул или шариков диаметром 1-3 мм и длиной 3-5 мм, что во многом определяется простотой их изготовления.
Пористая структура - важное свойство носителей (катализаторов). Она не только определяет развитие внутренней (и внешней) поверхности, но и диффузионные процессы, характеризующие степень использования
внутренней (и внешней) поверхности для протекания каталитического процесса. Развитие
удельной поверхности и регулирование распределения пор по размерам, созданием мультислойных покрытий из низкотемпературных модификаций оксида алюминия в виде у-А12О3. Известно, что характерной особенностью оксида алюминия является не только многообразие его модификаций, но и наличие фазовых переходов между ними в очень широком интервале температур
(рис. 1) [3].Длительные испытания катализаторов на этой основе в достаточно жестких условиях (высокие линейные скорости реагентов, многократная регенерация, высокие температура и давление) подтверждают прочность сцепления образованной первичной подложки с поверхностью ВПЯМ.
а-А12О3
алюмо:
а-А12О3
Рис. 1. Схема термических превращений форм оксида алюминия и механизм нанесения первичной подложки из
алюмозоля
В настоящее промышленности
время в связи с ростом и широким использованием автомобилей одной из самых актуальных проблем человечества является загрязнение окружающей среды, а именно в атмосферу выбрасывается большое количество СО. Для решения данной проблемы применяют способ каталитической нейтрализации токсичных веществ до С02. Процесс каталитического окисления СО является перспективным методом предотвращения отравления монооксида углерода катализатора низкотемпературного топливного элемента.
Одной из основных задач экологического катализа является создание высокоэффективных методов очистки автомобильных выбросов, что связано с постоянным ужесточением норм эмиссии основных токсикантов: оксидов углерода и азота, углеводородов и сажи. Перспективным методом удаления сажи является использование сажевых фильтров, в которых обезвреживание токсиканта достигается за счет реакции окисления, протекающей в присутствии катализаторов. Применение высокоэффективных катализаторов позволяет упростить конструкцию сажевых фильтров и решить проблему их периодической очистки [4].
Блочные катализаторы обладают рядом преимуществ, в сравнении с другими,а именно: позволяют сформировать регулярный
каталитический слой, обладающий низким гидравлическим сопротивлением и равномерным распределением потока. Получение катализаторов на основе ВПЯМ включает стадии приготовление шликера, пропитка заготовок ППУ, термообработка,
активной обладать хорошей
нанесение активной подложки и композиции. Шликер должен седиментационной устойчивостью, текучестью и высокой адгезией.
После нанесения шликера последующей стадией является высокотемпературный обжиг.В процессе подъема температуры до 370 °С (примерно с 200 °С) происходит термическая деструкция полимерного каркаса ППУ. Температурные выдержки при обжиге ВПЯМ обусловлены необходимостью полного разогрева объема образцов и удаление газообразных продуктов в условиях отсутствия принудительной конвекции.
При I = 700 °С с выдержкой в течении 1,5 ч полностью удаляется химически связанная вода и временная технологическая связка.
При дальнейшем повышении температуры обжига до полного спекания, форма сетчато-ячеистого каркаса сохраняется только за счет адгезии керамических частиц. По достижении 1400 °С начинается процесс керамического спекания, который завершается к концу выдержки (3 ч), сформировав керамический каркас.
Основной эксплуатационной характеристикой является прочность. Были исследованы прочностные характеристики образцов после первичного обжига. По данным таблицы можно сделать вывод, что показатели предела прочности на сжатие достаточно низкие. Это обусловлено большим количеством микротрещин, образовавшихся в перемычках материала при обжиге. Для получения универсальных керамических ВПЯН алюмозоль наносили путем многократной пропитки с последующей термообработкой. В качестве
промотирующей добавки использовали диоксид церия, который обладает уникальными кислородно-накопительными свойствами. Кристаллическая решетка обеспечивает высокую устойчивость, когда кислородная матрица существенно изменяется. Использование диоксида церия, который проявляет некоторую активность в окислительно-восстановительном катализе, в качестве носителя позволяет повысить дисперсность и
термостабильность активного компонента (Со). Исследовали 2 типа катализаторов: методом пропитки и методом химического осаждения [5].
В технологических расчетах активность обычно выражают через скорость реакции, отнесенную к единице объема или массы катализатора. В данной работе активность катализатора определяет константа скорости (рис. 3).
Рис. 2. Структура поверхности образцов: а - И 20 с нанесенным активным компонентом СоО, б - И 30 с нанесенным
компонентом оксидом кобальта
Рис. 3. Зависимость константы скорости от температуры для металлических и металлооксидных катализаторов
Синтезированы блочные металлические и металлооксидные катализаторы ячеистой структуры на керамическом носителе, модифицированном диоксидом церия. Активность металлического катализатора, полученного методом химического осаждения, больше чем металлооксидного. Промотирующая добавка СеО2 увеличивает активность катализатора.
Список литературы
1. Игнатенкова В.В. Усовершенствование технологии блочного высокопористого ячеистого палладийсодержащего катализатора: дис. к.т.н. — М., 2011. — С. 54-63 с.
2. Анциферов В.Н., Макаров А.М., Остроушко А.А. Высокопористые проницаемые ячеистые материалы - перспективные носители катализаторов. Екатеринбург. 2006. с.227.
3. 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. 78-82 с.
4. Малютин А. В., Либерман Е. Ю., Михайличенко А. И., Зубавичус Я. В., Мурзин В. Ю., Кошкин А. Г., Дьяконов В. А., Филатов Е. Н., Конькова Т. В. Каталитическое окисление сажи в условиях «слабого» контакта в присутствии M/Ceo,72Zro,i8Pro,iO2 , где М - платина, палладий, рутений // Катализ в промышленности. - 2014. - №1. - С. 32-40.
5. Grigorenko R. I., Davidkhanova M. G. Block highly porous catalysts on the cellular structure for oxidation on carbon monooxide // 7th International IUPAC conference on green chemistry: Abstracts. 2-5 october, 2017 (Moscow, Russia).- p. 111-112.
