Железооксидные катализаторы окисления оксида углерода Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 541.128

О. И. Ахмеров

ЖЕЛЕЗООКСИДНЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ ОКИСЛЕНИЯ ОКСИДА УГЛЕРОДА (II)

Исследована каталитическая активность железооксидных систем различного фазового состава в реакции окисления оксида углерода (II) в зависимости от условий процесса.

В связи с возрастающим загрязнением атмосферы больших городов и промышленных районов возрастает актуальность совершенствования способов очистки промышленных газов и выхлопных газов автотранспорта.

Оксид углерода как продукт неполного сгорания топлива содержится в выхлопных газах автотранспорта (до 5-6%), во многих выбросах промышленных предприятий, образуется при отжиге огнеупоров, в содовом производстве и т.д.

К достоинствам каталитических методов очистки газов необходимо отнести более низкие температуры процессов по сравнению с термическим дожиганием (300-550оС вместо 700оС и выше).

На сегодняшний день актуальной является задача замены катализаторов на основе благородных металлов на более дешёвые оксидные катализаторы очистки отходящих газов промышленности и выхлопных газов автотранспорта.

Наибольший интерес представляют каталитические системы на основе переходных металлов переменной валентности.

Цель данной работы - исследование активности железооксидных каталитических систем различного состава в реакции окисления оксида углерода (II), изучение влияния условий ведения процесса (температура, состав газовоздушной смеси, объёмная скорость газа, объём загрузки катализатора и его фракционный состав).

Каталитические системы, исследованные на каталитическую активность, представляли собой оксиды или гидроксооксиды железа (III) различной модификации, ферриты ряда металлов, а также их смеси с промотирующими добавками (соединения алюминия, кремния, хрома, калия, натрия и т.д.).

Исследование каталитической активности гидроксооксида железа (III) в реакции окисления оксида углерода (II) показало, что при возрастании температуры от 200оС до 350оС степень окисления повышается от 80% до 100% и далее до 650оС не изменяется (рис.1).

На термоаналитических кривых гидроксооксида железа (III) фиксируется наличие двух интенсивных эндотермических и одного слабо выраженного экзотермического эффектов. Первое эндотермическое превращение (20 - 125оС) с потерей массы 3,5% соответствует удалению слабосвязанной (адсорбированной) воды. Второй интенсивный эндотермический эффект (125 - 350оС) отражает дегидратацию гидроксооксида железа с потерей массы, равной 9,9%, что теоретически соответствует удалению одной молекулы воды.

Видимо эффективность данного катализатора в реакции окисления оксида углерода (II) определяется образованием при температурах 125 - 350оС за счёт дегидратации гидроксооксида железа (III) у - оксида железа (III), что подтверждается данными термического и рентгенографического анализов, который обладает структурой дефектной шпине-

Рис. 1 - Зависимость степени окисления оксида углерода (II) от температуры для гидроксооксида железа (III)

ли и вследствие этого высокой химической активностью.

Исследование каталитической активности образца на основе оксидов железа (II) и железа (III) показало, что степень превращения в температурном интервале 250 - 450оС возрастает, в зависимости от скорости газового потока, от 65 до 97 % (рис.2).

Рис. 2 - Зависимость степени окисления оксида углерода (II) от температуры для образца на основе оксидов железа (II) и железа (III)

При этих температурах фазовый состав катализатора изменяется. Так, в низкотемпературной области термоаналитических кривых зарегистрировано два основных разнонаправленных эндо- и экзотермического процесса: удаление слабосвязанной воды с температурой максимума 40оС (потеря массы) и окисление железа (II) (максимум эффекта 126оС; увеличение массы).

Таким образом, основной фазой этого катализатора до 450оС видимо является у -

Ре20э-

Некоторое снижение активности данного образца по сравнению с системой на основе гидроксооксида железа (III) видимо связано с тем, что удельная поверхность образца на основе оксидов железа (II) и железа (III) составляет 15 - 17 м2/г, что значительно меньше удельной поверхности образца на основе гидроксооксида железа (III) (60 - 70 м2/г).

Исследование каталитической активности железокалийоксидного образца (85% Ре20э) показало, что степень окисления оксида углерода (II) при возрастании температуры от 250оС до 400оС возрастает от 63 до 100% и далее до температуры 750оС не изменяется. Это связано с образованием в данном температурном интервале ряда ферритных соединений (КРе02, К2ре04), образование которых установлено по данным рентгенофазового анализа.

Исследование каталитической активности железохромоксидного образца (78% Ре20э) в реакции окисления оксида углерода (II) показало, что при возрастании температуры от 200оС до 500оС степень окисления повышается от 75 до 100% (рис.3) .

Рис. 3 - Зависимость степени окисления оксида углерода (II) от температуры для железохромоксидного образца

Экспериментальная часть

Фазовый состав порошков исследовался методом порошковой рентгеновской дифракто-метрии. Удельная поверхность определялась адсорбционным методом. Термический анализ проводили на дериватографе Q - 1500D фирмы «МОМ» (Венгрия). Чувствительность прибора 500 цУ.

Каталитическое окисление оксида углерода (II) исследовалось на проточном реакторе при следующих условиях:

температура в слое катализатора 250 - 750оС

объёмная скорость газа 0,5 - 2 л/мин

содержание СО в газовоздушной смеси 1 - 4 %

объём загрузки катализатора 4,42 - 17,66 смэ

размер гранул катализатора 2 - 6 мм

Каталитическая активность катализатора оценивалась по степени превращения оксида углерода (II). Для анализа газовоздушной смеси применялся газоанализатор ГИАМ - 29.

© О. И. Ахмеров - канд. хим. наук, доц. каф. технологии неорганических веществ КГТУ.