Каталізатор для очистки повітря від оксиду вуглецю

Корисна модель стосується сполук для здійснення різних хімічних процесів, зокрема каталізу, а саме, каталізаторів, що містять паладій, купрум, галогенідіон, і може знайти застосування в засобах індивідуального (респіратори, протигази та ін.) і колективного (приставки до кондиціонерів, установки для забезпечення санітарних норм мікроклімату виробничих приміщень) захисту відповідно до ГОСТ 12.1.005-88 «Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования для санитарной очистки воздуха в производственных помещениях и др». Оксид вуглецю потрапляє в повітря головним чином при горінні палива, що містить вуглець: теплові станції і печі, що працюють на вугіллі та газі; побутові газові плити; при проведенні зварювальних робіт; роботі двигунів внутрішнього згоряння і реактивних двигунів; від підприємств, що виробляють кокс для металургії і т.п. Оксид вуглецю застосовується при синтезі спиртів, альдегідів, карбонових кислот та ін., де також можливе потрапляння оксиду вуглецю в повітря виробничих приміщень і тому виникає потреба в очистці повітря. Таким чином, область можливого застосування каталізатора дуже велика, а з урахуванням погіршення загальної екологічної ситуації розробка нового покоління каталізаторів для очистки повітря дуже актуальна. Запропонований каталізатор призначено для очистки повітря від токсичного газу – оксиду вуглецю (СО) і зниження його концентрації до значень нижче гранично припустимої концентрації (ГПК) для робочої зони, що дорівнює 20мг/м3, при початковій концентрації СО у повітрі до 300мг/м3 (15 ГПК). Досягнутий рівень техніки в області каталізаторів для очищення повітря від оксиду вуглецю характеризують наступні публікації. Відомі каталізатори марок АК-62 і АК-64У, які випускаються промислово, і являють собою паладієву чернь, нанесену на оксид алюмінію, зі вмістом паладію, відповідно, 2,4 і 4мас.% [Активные угли. Эластичные сорбенты. Катализаторы. Осушители. Химические поглотители. Каталог. - Черкассы: НИТЭХИМ, 1996. - 124с]. Як показали наші дослідження, [Металлические, оксидные и металло-комплексные катализаторы низкотемпературного окисления монооксида углерода кислородом// Вісн. Одеськ. нац. ун-ту. Хімія. - 2004. - Т.9, вип. 6-7. - С.33-45. Авторы: Ракитская Т.Л., Киосе Т.А., Волкова В.Я.], каталізатор АК-62 дозволяє в інтервалі температур 288-298 К при часі контакту 0,75с (об'ємна швидкість - 4800год-1) протягом більше 60 годин очищати газоповітряну суміш (ГПС) з початковою концентрацією СО 300мг/м3 до 6мг/м3, тобто досягати ступеня очистки повітря від оксиду вуглецю - 98%. Однак високий вміст благородного металу паладію робить цей каталізатор надзвичайно дорогим (ціна його складає більш 1500дол. США за 1кг [Низкотемпературная каталитическая очистка воздуха от монооксида углерода. - Одесса: Экология, 2005. - 191с. (Авторы: Ракитская Т.Л., Эннан А.А., Волкова В.Я.)]. Відомий каталізатор для очищення повітря від оксиду вуглецю, який застосовують у захисних масках, за патентною заявкою 58-119338 Японія, МКІ В01 J 2/02; А62 D 9/00 із пріоритетом 08.01.82 [автор Т. Тамура]. Каталізатор являє собою нанесену на активоване вугілля платину або інший метал платинової групи (рутеній, паладій) з високим вмістом благородного металу (до 10мас.%). Даний каталізатор дозволяв очищати повітря з початковою концентрацією СО 375мг/м3 до 6-19мг/м3, тобто досягати ступеня очистки повітря від оксиду вуглецю 95,0-98,3%, при часі контакту 0,69с (об'ємна швидкість - 5200год-1) і температурі 298К протягом більш ніж 500 годин. Високий вміст металу платинової групи робить цей каталізатор надзвичайно дорогим і веде до значного погіршення співвідношення ціна-якість у порівнянні з попереднім відомим каталізатором АК-62. Відомий каталізатор для очищення повітря від оксиду вуглецю за патентом RU 2267354 МПК В01 J 23/89// 31/30;.В01 D 53/62 із пріоритетом 10.01.04 [автори Л.Г. Брук, А.К. Будика, Г.Н. Ворожцов, Ю.М. Голуб, О.Л. Калия, Н.К Куликов, Ю.М. Лужков, І.В. Ошанина, В.В. Сиричко, О.Н. Темкин, І.П. Шеляпин, А.Д. Шепеляв] (найближчий аналог), що містить нанесені на оксид алюмінію сіль паладію (наприклад, хлорид або бромід), сіль купруму (наприклад, хлорид, бромід або сульфат) і промотор - фталоціаніновий комплекс заліза або кобальту, а також поліатомний спирт при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: сіль паладію - 0,80-2,54; сіль купруму 3,09-11,79, фталоціаніновий комплекс заліза або кобальту (РсМ) - 0,10-1,00; поліатомний спирт (наприклад, гліцерин, етиленгликоль, диетиленгликоль) - 0,50-3,00; оксид алюмінію - решта. Даний каталізатор дозволяв очищати повітря з початковою концентрацією СО 300мг/м3 до 6мг/м3, тобто досягати ступеняочистки повітря від оксиду вуглецю 98,0-99,3% при часі контакту 0,3с (об'ємна швидкість 12000год-1) і температурі 296К протягом більш ніж 55 годин. Недоліками каталізатора є складний компонентний склад, високий вміст солі паладію (приведені в прикладі результати були отримані при його вмісті 2,43мас. %), застосування в якості носія досить дорогого оксиду алюмінію, виробництво якого в Україні відсутнє. Крім того, виготовлення каталізатору являє собою досить складну і тривалу процедуру, що вимагає у випадку промислового його виробництва застосування нестандартного устаткування. Задачею, на рішення якої спрямована запропонована корисна модель, є створення каталізатора для очистки повітря від оксиду вуглецю з досягненням наступного технічного ефекту: зниження вмісту солі благородного металу паладію і застосування в якості носія дешевого природного діатоміту трепелу, що добувається в Україні (Кіровоградська обл.). За рахунок цього досягається істотне здешевлення нового каталізатора при забезпеченні більш високих, ніж у прототипу, каталітичної активності (концентрація СО на виході з каталізатора нижче ГПК для робочої зони) і ресурсу стабільної роботи каталізатора (не менш 100 годин), при значному спрощенні технології виготовлення каталізатора і його компонентного складу. Описуваний каталізатор для очистки повітря від оксиду вуглецю, якій містить хлорид паладію (ІІ) (PdCl2), сіль купруму (ІІ), сполуку брому, пористий носій, відрізняється тим, що каталізатор містить у якості пористого носія природний діатоміт - трепел, у якості солі купруму - нітрат купруму, а у якості сполуки брому - бромід калію, при кількісному співвідношенні вищевказаних інгредієнтів, мас. %: хлорид паладію (ІІ) 0,40-0,47 нітрат купруму (ІІ) 0,75-2,00 бромід калію 0,52-1,05 носій (трепел) решта Запропонований каталізатор одержують методом імпрегнування (холодного просочення) носія (трепелу) водним розчином, що містить хлорид паладію, нітрат купруму і бромід калію, з подальшою сушкою при температурі 100-110°С до постійної маси зразка. Випробування запропонованого каталізатора здійснювалися в лабораторії кафедри неорганічної хімії і хімічної екології Одеського національного університету ім. І.І. Мечникова з досить високою відтворюваністю результатів у такий спосіб. Під час проходження ГПС, що містить задану концентрацію оксиду вуглецю, через скляний трубчастий реактор з полицею для каталізатора, відбувається контактування оксиду вуглецю з поверхнею каталізатора в присутності кисню повітря. У результаті впливу каталізатора, що приводить до ослаблення хімічних зв'язків у молекулах субстратів і зниження енергії активації при їхньому розриві, відбуваються багатоелектронні окиснювально-відновні реакції в координаційній сфері комплексу каталізатора, при цьому оксид вуглецю окиснюється до діоксиду вуглецю. При роботі каталізатора відбувається «холодне згоряння» оксиду вуглецю на каталізаторі, у результаті чого ГПС очищається від токсичного чадного газу - оксиду вуглецю, до значень менше ГПК. Концентрацію оксиду вуглецю в ГПС аналізували на вході і виході реактора з періодичністю 10 хвилин за допомогою приладу марки 621ЭХО4 (Аналітприлад, Україна). Методика експериментальних досліджень властивостей каталізатора полягала в наступному: 2,3г трепелу (фракція 1-2мм) імпрегнували 0,6мл водного розчину, що містить необхідні кількості інгредієнтів для одержання наступного вмісту їх у каталізаторі (мас. %): хлорид паладію 0,32¸0,55, нітрат купруму -0,60-3,00, бромід калію 0,40-1,50 (дивися таблицю). Отриману пухку масу сушили в термошафі при нормальному тиску і температурі 105±5°С протягом 1 години. Отриманий каталізатор розміщували в проточному по газу реакторі вертикального типу і випробували при кімнатній температурі і об'ємній швидкості ГПС (СО п =300мг/м3) 19050год-1 (час контакту CO - 0,19с). Проведено понад 100 експериментів з різними концентраціями кожного з інгредієнтів каталізатора. При повторних випробуваннях різниця в активності зразків каталізатора не перевищувала 5%. У таблиці приведені найбільш характерні результати зміни споживчих характеристик запропонованого каталізатора в залежності від зміни концентрації його інгредієнтів. Для порівняння приведені характеристики каталізатора-прототипу. Таблиця Залежність кінцевої концентрації оксиду вуглецю (СО) у повітрі після очищення від вмісту інгредієнтів у зразках каталізаторів і робочі характеристики каталізатора-прототипу і запропонованого каталізатора при початковій концентрації CO у повітрі 300мг/м3, вологості 50¸65% відн. ітемпературі повітря 20¸22°С Склад каталізатора, мас. % Сіль Pd PdCl2 - 2,43 № дослід у PdCl2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 0,32 0,32 0,32 0,32 0,32 0,40 0,40 0,40 0,40 0,40 0,47 0,47 0,47 0,47 0,47 0,55 0,55 0,55 0,55 Кінцева Ресурс Об'ємна концентрація СО у стабільної швидкість ГПС, Інші нанесені повітрі (мг/м3) після роботи год-1 (час Сіль Си Носій очистки на каталізаторів, інгредієнти контакту, с) каталізаторах год Каталізатор-прототип PcFe - 0,60, Аl О - інше СuСl2-3,09 диэтиленглико 2 3 12000 (0,3) 6 55 до 100 ль - 3,00 Запропонований каталізатор Кінцева Ресурс Об'ємна концентрація СО у стабільної швидкість ГПС, Cu(NO3)2 КВr Трепел повітрі (мг/м3) після роботи год-1 (час очистки на каталізаторів, контакту, с) каталізаторах год 3 4 5 6 7 8 0,60 0,40 98,68 19050 (0,19) 36 2 0,75 0,52 98,41 зо 11 1,00 0,80 97,88 25 22 2,00 1,05 96,63 27 24 3,00 1,50 95,18 30 18 0,60 0,40 98,60 19 43 0,75 0,52 98,33 10 100 1,00 0,80 97,80 8 107 2,00 1,05 96,55 10 102 3,00 1,50 95,10 10 96 0,60 0,40 98,53 10 50 0,75 0,52 98,26 8 102 1,00 0,80 97,73 5 108 2,00 1,05 96,48 6 104 3,00 1,50 95,03 11 99 0,60 0,40 98,45 10 27 0,75 0,52 98,18 9 100 1,00 0,80 97,65 8 103 2,00 1,05 96,40 10 103 20 0,55 3,00 1,50 94,95 12 97 Аналіз результатів випробувань, представлених у таблиці, дозволяє зробити наступні висновки. При більш низьких концентраціях інгредієнтів у каталізаторі, зокрема 0,32мас. % хлориду паладію (приклади №№1-5) у порівнянні з зазначеними у формулі корисної моделі, споживчі характеристики каталізатора не дозволяють одержати очікуваний технічний ефект. При більш високій концентрації солі паладію (0,55мас. %, приклади №1620) у порівнянні з зазначеними у формулі корисної моделі робочі характеристики каталізатора, незважаючи на підвищення концентрації солі паладію, не поліпшуються, що приводить до погіршення для запропонованого каталізатора співвідношення ціна-якість. Експериментальні результати з дослідження властивостей запропонованого каталізатора підтвердили той факт, що рішення поставленої технічної задачі успішно досягається в тих випадках (приклади №№7-9, 12-14), коли вміст інгредієнтів каталізатора знаходиться в межах, зазначених у формулі корисної моделі. Як видно з таблиці, при однакових умовах іспитів (об'ємна витрата ГПС - 1л/хв, вхідна концентрація СО у ГПС - 300мг/м3) каталітична активність запропонованого каталізатора не гірше каталітичної активності прототипу, ресурс роботи запропонованого каталізатора перевищує ресурс роботи каталізатора-прототипу. Розрахунок показав, що в сумарній вартості інгредієнтів запропонованого каталізатора, необхідних для забезпечення робочих характеристик, аналогічних робочим характеристикам каталізатора-прототипу, частка хлориду паладію складає більш ніж 99%, тому істотне зменшення його вмісту в порівнянні з каталізаторомпрототипом, дозволяє значно знизити вартість запропонованого каталізатора. Крім того в запропонованому каталізаторі в якості носія використовується практично без додаткової обробки дешевий природний трепел, якій добувається в Україні, що є незаперечною перевагою запропонованого каталізатора, оскільки в каталізаторіпрототипі використовується штучно виготовлений діоксид алюмінію, виробництво якого в Україні відсутнє. У такий спосіб доведено, що запропонований каталізатор нового складу має більш високі споживчі характеристики і задовольняє усім вимогам, які пред'являються до корисної моделі: істотна новизна, позитивний ефект від використання. Розробник уживає заходів для промислового освоєння корисної моделі, тому що новий каталізатор дозволяє більш успішно вирішувати соціальні задачі, пов'язані з поліпшенням умов праці, зменшенням рівня профзахворювань, поліпшенням здоров'я працюючих в умовах потрапляння у повітря оксиду вуглецю.