CC BY
21
УДК 66.097.3
Ханмурзина Е.А., Лопатина М.М., Дьяконов В.А., Нефедова Н.В.
ПРИМЕНЕНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИИ В СИНТЕЗЕ КАТАЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ ФЕРРИТА НИКЕЛЯ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ИХ АКТИВНОСТЬ
Ханмурзина Елена Аликовна, магистрант 1 курса факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, e-mail: hanmurzina.len@yandex.ru;
Лопатина Маргарита Максимовна, магистрант 2 курса факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов;
Дьяконов Виктор Александрович, к.т.н., ведущий инженер кафедры Технологии неорганических веществ и электрохимических процессов;
Нефедова Наталья Владимировна, к.т.н., доцент факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В данной работе были исследованы образцы катализаторов на основе феррита никеля. В ходе работы были изучены влияние времени механоактивации и состава исходной шихты на активность катализатора. Было обнаружено, что образцы имеют наибольшую активность, если проводить механообработку в течении 3 часов. В качестве флюса были использованы оксалат и карбонат аммония, однако мы не обнаружили существенных отличий в активности катализаторов.
Ключевые слова: ферритовые катализаторы, феррит никеля, механоактивация, термолиз.
APPLICATION OF MECHANICAL ACTIVATION IN THE SYNTHESIS OF CATALYSTS BASED ON NICKEL FERRITE AND ITS INFLUENCE ON THEIR ACTIVITY
Khanmurzina E.A., Lopatina M.M., Dyakonov V.A., Nefedova N.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In this work, we studied samples of catalysts based on nickel ferrite. In the course of the work, the influence of the mechanical activation time and the composition of the initial charge on the activity of the catalyst was studied. It was found that the samples are most active when machined for 3 hours. Ammonium oxalate and carbonate were used as fluxes, but we did not find significant differences in the activity of the catalysts.
Key words: ferrite catalysts, nickel ferrite, mechanical activation, thermolysis.
Как известно, многочисленные промышленные процессы являются источниками загрязнения атмосферного воздуха. К одному из основных методов очистки газовых выбросов относится каталитический способ. Вредные вещества очищаются в результате протекания химических реакций в присутствии катализаторов и далее направляются в окружающую среду.
В качестве одних из самых эффективно -применяемых катализаторов используются ферриты, благодаря их важным свойствам: высокая электрическая сопротивляемость, коррозионная и термодинамическая устойчивость, высокая активность, развитая пористая структура, нетоксичность. Ферриты представляют собой шпинели со структурой MeFe2O4 (№Ре204, СиРе204, СоРе204, и MnFe204) [1].
В данной работе уделено внимание процессу деструкции озона. Из литературных источников [2] известно, что высшие оксиды металла активнее низших, а низшие активнее самого металла. Наибольшую активность в реакции разложения озона показывает платиновая чернь. Однако активность оксидов никеля имеет тот же порядок, что и платиновая чернь
Известно, механохимическая активация широко используется в приготовлении и модифицировании катализаторов. Использование этого процесса является желательным для получения высокоактивных катализаторов [3]. Метод также не требует высоких температур и давлений.
При механохимической активации твердые частицы раздробляются в шаровой мельнице и тем самым происходит нарушение кристаллической структуры: увеличивается число дефектов в структуре кристалла. Было выявлено, что дефекты являются активными центрами для различных межфазовых реакций и тем самым активность кристаллов повышается [3].
В процессе механохимической активации могут образовываться дефекты определенного типа, благодаря этим дефектам меняются грани и ребра кристалла, они становятся не характерными для катализаторов в обычном состоянии, и из них формируется новая поверхность. Эти изменения приводят к увеличению энергий связи, следовательно, меняется активность и селективность катализатора, улучшаются его свойства: увеличивается поверхность, улучшается пористая структура, термоустойчивость, дисперсия, распределение компонентов по объему и т.д. [4].
С целью изучения влияния механоактивации на активность катализатора были приготовлены 2 серии образцов на основе ферритов никеля (в каждой серии по 3 образца). В качестве исходных солей для термолиза были взяты оксалаты железа (II) и никеля (II). Для контроля атмосферы в зоне синтеза в указанную смесь дополнительно вводили флюс: в одной партии использовался карбонат аммония, а в другой - оксалат аммония. Образцы были синтезированы при различном времени проведения механической активации (1 ч., 2 ч. и 3 ч.). Далее они
помещались в печь, где вместе с печью нагревались до 900 °С в течение 6 часов, скорость нагрева составила 150° в час, затем выдерживались при данной температуре в течение часа, а после остывали вместе с печью также в течение одного часа. После прокаливания и остывания в печи образцы выгружались в эксикатор, заполненный силикагелем, где остывали естественным образом до комнатной температуры. Остывшие образцы тщательно диспергировали до фракции 1-3 мм. Характеристики образцов представлены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристики образцов катализатора
Каталитическая Флюс Время механообработки, ч Номер образца
система
Оксалат аммония 1 I
2 II
(NH4)2C2O4
3 III
Fe-Ni-O Карбонат аммония (NH4)2CO3 1 IV
2 V
3 VI
Исследование активности катализаторов было проведено на установке деструкции озона, который образовывался в результате коронного разряда (постоянный ток с напряжением 30000 В и силой тока 1,3 мА). Озон пропускали в течении 10 минут для каждой температурной точки и для каждого образца. Исследование катализаторов на активность проводилось до трех сходящихся результатов. Содержание остаточного озона оценивалось с помощью йодометрического титрования.
Далее на графиках представлены результаты исследований. На рис.1 представлены результаты испытания катализаторов, для синтеза которых в качестве флюса был использован оксалат аммония.
1«!
№ -
ю .о эс -к) 5С б*: "о а
Рис.1. Сравнительная зависимость активностей катализаторов (в качестве флюса - оксалат аммония) от температуры проведения опыта
Далее представлены результаты испытаний катализаторов, где в качестве флюса был использован карбонат аммония (рис. 2).
ню
-
10 » 10 Ю SO « 70 60
t,°C
Рис.2. Сравнительная зависимость активностей катализаторов (в качестве флюса - карбонат аммония) от температуры проведения опыта
Анализируя полученные результаты, делаем вывод, что чем больше время проведения механоактивации, тем выше активность катализаторов. Образцы, время механической обработки которых составляет 3 часа, показывают примерно одинаковую активность вне зависимости от того, какая соль была использована в качестве флюса. Наилучший результат достигается при температуре 75 °С: для III образца значение активности составляет 92 %, а для VI - 94 %. Также стоит отметить, что активность катализаторов с временем механоактивации 1 и 2 часа несколько больше, если в качестве флюса выступает карбонат аммония.
Чтобы наглядно продемонстрировать активность катализаторов, сравним их с композитным низкотемпературным катализатором (КНК), который используется в газоразрядном очистном комплексе ГРОК для нейтрализации остаточного озона. Результаты представлены на рисунке 3.
О 10 20 30 40 50 ЙО 70 80 t,°C
Рис.3. Сравнительная зависимость активностей катализаторов от температуры проведения опыта
В результате проделанной работы были получены образцы катализаторов ферритов никеля, которые различаются временем механоактивации и составом исходного флюса. Исследования данных образцов показали, что образцы, время механической обработки которых составляет 3 часа,
более активны по сравнению с другими. Сравнив их с эталоном КНК убеждаемся в хороших результатах, отсюда делаем вывод, что ферриты никеля можно использовать в системах очистки воздуха.
Список литературы
1. Gupta, N., Jain, P., Rana, R., Shrivastava, S. Current Development in Synthesis and Characterization of Nickel Ferrite Nanoparticle // Materials Today: Proceedings. - 2017. - Volume 4, Issue 2, Part A, Pages 342-349.
2. Лунин, В. В. Физическая химия озона / В. В. Лунин, М. П. Попович, С. Н. Ткаченко. - М. : Издательство Московского университета, 1998. -480 c.
3. He, H., Di, G., Gao, X., Fei, X. Use mechanochemical activation to enhance interfacial contaminant removal: a review of recent developments and mainstream techniques // Chemosphere. - 2020. - Volume 243.
4. Buyanov, R. A., Molchanov, V. V., & Boldyrev, V. V. Mechanochemical activation as a tool of increasing catalytic activity // Catalysis Today. 2009. -Volume 144(3-4), 212-218.
