CC BY
10
УДК 66.092.097.3
Солонин М.Д., Семенова Е.И., Субботин И.С., Григорян Н.С., Ваграмян Т.А.
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ ДЛЯ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОПОРИСТЫХ ЯЧЕИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Солонин Михаил Дмитриевич, студент 1 курса магистратуры факультета инженерной химии, e-mail: soloninmixa@gmail.com;
Субботин Игорь Сергеевич, студент 4 курса факультета инженерной химии; Семенова Евгения Игоревна, студент 4 курса факультета инженерной химии;
Григорян Неля Сетраковна, к.х.н., доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; Ваграмян Тигран Ашотович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой инновационных материалов и защиты от коррозии;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 125047, Москва, ул. Миусская площадь, д. 9
В последние годы металлические катализаторы на основе высокопористых ячеистых материалов представляют особый интерес для аэрокосмической промышленности, в виду того, что могут вполне заменить используемые ныне гранулированные (таблетированные) катализаторы, а также катализаторы на основе керамических высокопористых ячеистых материалов.
Ключевые слова: Металлические катализаторы, металлизация высокопористых ячеистых материалов, катализаторы разложения озона, никелирование, кобальтирование, металлические высокопористые ячеистые материалы.
HIGH-EFFICIENT CATALYSTS FOR THE AEROSPACE INDUSTRY BASED ON HIGH-POROUS CELLULAR METAL MATERIALS
Solonin M.D., Semenova E.I., Subbotin I.S., Grigoryan N.S., Vagramyan T.A. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In recent years, metal catalysts based on highly porous cellular materials are of particular interest to the aerospace industry, inasmuch as they can completely replace the currently used granular (tabletted) catalysts, as well as catalysts based on ceramic highly porous cellular materials.
Keywords: Metal catalysts, metallization of highly porous cellular materials, ozone decomposition catalysts, nickel plating, cobaltation, metal high porous cellular materials.
Перед подачей воздушной смеси в современные авиационные системы воздухоподготовки
производится очистка воздуха от озона с целью предотвращения его попадания в дыхательные пути человека. Известными катализаторами процесса разложения озона являются оксиды переходных металлов никеля, кобальта, марганца и др [1].
Катализаторы для авиационных систем воздухоподготовки должны удовлетворять следующим требованиям: высокая степень конверсии озона, высокая прочность, развитая поверхность, низкое аэродинамическое сопротивление (с учетом расхода воздушной смеси до 20 000 м3/час). В настоящее время для разложения озона используют гранулированные (таблетированные) оксиды металлов, либо керамические высокопористые ячеистые материалы (ВПЯМ) с нанесенными слоями оксидов металлов. Оба типа катализаторов не вполне удовлетворяют предъявляемым требованиям в силу присущих им недостатков [2]. Гранулированные катализаторы характеризуются недостаточно развитой поверхностью, высоким аэродинамическим сопротивлением, а также истираемостью, из-за которой они могут уноситься из зоны реакции. Керамические ВПЯМ характеризуются недостаточной прочностью и невысокой степенью конверсии на них озона.
В связи с изложенным, создание прочных и высокоэффективных катализаторов реакции разложения озона в воздушной смеси, подаваемой в авиационные системы воздухоподготовки, является
одной из актуальных задач современной авиационной отрасли.
Перспективным способом решения проблемы является создание металлических ВПЯМ с последующим формированием на них слоя каталитически активных оксидов металлов (Ni, Co и др.). Металлические ВПЯМ могут быть получены металлизацией вспененного полимера, например, пенополиуретана (ППУ), с последующим обжигом с целью удаления пенополиуретана и формирования на поверхности металлического каркаса каталитически активного оксидного слоя [3].
Для испытаний использовались цилиндрические пенополиуретановые образцы с PPI (Pore per inch) равным 10 и площадью поверхности 1 дм2. Подготовка этих образцов включала следующие стадии [4]: обезжиривание в растворе 10% NaOH в течение 3 минут, промывка в дистиллированной воде, формирование токопроводящего слоя на поверхности ППУ погружением образца в токопроводящий клей Контактол (двукратно), сушка в сушильном шкафу при 65 °С в течение получаса, активация образца в 10% растворе серной кислоты. На рис 1. Приведена фотография образца после стадий подготовки.
С учетом предварительных экспериментов с плоскими образцами из полиуретана для металлизации были выбраны электролиты на основе хлоридов или сульфатов никеля или кобальта, составы которых приведены в таблице 1 [5].
Рис. 1. Подготовленный к металлизации образец Таблица 1. Составы электролитов
№ электролита Компонент содержание , г/л pH is, А/дм2
1 NiCl2 HCl(37%) 200 50- 250 100 1-2 5
2 NiSO4 NiCl2 H3BO3 240 30 30 340 60 40 1-3 0,56,0
3 CoSO4 NaCl H3BO3 250 20 30 350 40 40 1-3 2-15
С учетом площади ВПЯМ и плотности тока 5 А/дм2, рекомендуемой для электролита 1, была посчитана сила тока и осуществлен электролиз при этой силе тока с целью получения никелевого покрытия на образце. Однако получить покрытие в таких условиях не удалось. Как видно из приведенной на рис.2А. фотографии, в этом случае происходило осаждение соединений никеля на образце. По-видимому, из-за неравномерности токопроводящего слоя, истинная поверхность образца была существенно ниже расчетной, и, следовательно, истинная плотность тока была выше ожидаемой, поэтому происходило резкое защелачивание в приграничной зоне и высаливание на образце соединений никеля. Для исключения этого явления, мы перешли на осаждение при постоянном напряжении, значение которого (4 В) было подобрано опытным путем. Было установлено, что по мере осаждения первых слоев покрытия, то есть по мере увеличения электропроводности основы, плотность тока постепенно возрастает до 5 А/дм2. На рис.2Б приведена фотография образца, никелированного в этих условиях. За 9 ч удалось осадить покрытие массой 7,5 г, что примерно соответствует толщине 180 мкм.
Рис. 2. Никелированные образцы А - гальваностатический режим; Б - потенциостатический режим Было установлено, что катодный выход по току в данных условиях составляет примерно 20% для
хлоридного и 90-98 % для сульфатного электролитов соответственно. Поскольку ВТ в хлоридном электролите очень низок, для получения образцов с покрытием толщиной 200-300 мкм потребуется слишком много времени. ВТ по току в сульфатном электролите в (кривая Б) существенно выше, поэтому нами была сделана попытка формирования покрытий в этом электролите. За 5 часов электролиза при напряжении 4,0В осадилось покрытие толщиной 135 мкм, т.е. несмотря на существенно больший ВТ во втором электролите, продолжительность
формирования покрытий нужной толщины сократилась незначительно. По-видимому, это объясняется слишком медленным формированием первых токопроводящих слоев в менее агрессивном сульфатном электролите. Возможно, в дальнейшем для сокращения продолжительности электролиза следует использовать 2 электролита: в первом формировать токопроводящие слои, а затем доращивать до необходимой толщины в сульфатном растворе.
Рис.3. Кобальтированный образец
Аналогичные закономерности были установлены и для электролита кобальтирования. Покрытие толщиной 230 мкм на вспененном ППУ удавалось осадить в нем за 300 мин электролиза при напряжении на ванне 9,0 В (рис. 3).
Было установлено, что по мере роста толщины никелевого и кобальтового покрытий происходит существенное развитие их поверхности. Например, с ростом толщины никелевого Пк от 3 до 50 мкм Rа возрастает с 3,49 до 7, 25 единиц шероховатости, т.е. примерно в 2 раза. Это является положительным фактором для свойств будущего катализатора, поскольку увеличивается поверхность контакта с катализируемой средой.
Список литературы
1. Катализаторы импортозамещения//Е. З. Голосман, С. А. Волченкова, НефтеГазоХимия, 18-я международная выставка, 2017. - 41-51 с.
2. Разработка технологий очистки газовых выбросов каталитическим дожиганием на пеноматериалах//Леей С.Р. - М., Вестник МГСУ, 2009. - 136-138 с.
3. Панасюгин А. С., Ломоносов В. А., Сморыго О. Л. Использование адсорбционно-каталитического метода для очистки вентиляционных выбросов, образующихся при использовании азотсодержащих формовочных смесей//Литьё и металлургия. 2014. 25-29 с.
4. Ильин В.А. Металлизация диэлектриков. Л., 1977 -
80с.
5. Кудрявцев Н.Т. Электролитические покрытия металлами. М.: Химия, 1979. 352 с.
