Спосіб виготовлення каталізатора для очистки повітря від оксиду вуглецю

Реферат: Спосіб виготовлення каталізатора для очистки повітря від оксиду вуглецю полягає в імпрегнуванні пористого носія - трепелу водним розчином, що містить хлорид паладію(ІІ), нітрат купруму (ІІ), бромід калію, та його сушці при 110 °С. Перед імпрегнуванням трепел прожарюють при 300 °С протягом 1 години в повітряному середовищі. UA 76148 U (12) UA 76148 U UA 76148 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до каталізаторів, що окиснюють оксид вуглецю, і може знайти застосування в виробництві засобів індивідуального (респіратори, протигази-саморятівники та ін.) і колективного (приставки до кондиціонерів, установки для забезпечення санітарних норм мікроклімату виробничих приміщень) захисту від отруєння чадним газом (оксидом вуглецю). 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, з урахуванням погіршення загальної екологічної ситуації, в даний час є дуже актуальною проблема розробки недорогих способів отримання каталізаторів для очистки повітря, що значно поліпшують якість каталізаторів і легко можуть бути застосовані при їх виробництві. Досягнутий рівень техніки в області виготовлення каталізаторів для очистки повітря від оксиду вуглецю характеризується наступними прикладами. Відомі каталізатори марок АК-62 і АК-64У, які випускаються промислово і представляють собою паладієву чернь, нанесену на оксид алюмінію, зі вмістом паладію відповідно 2,4 і 4 мас. % (Активные угли. Эластичные сорбенты. Катализаторы. Осушители. Химические поглотители. Каталог. - Черкассы: НИТЭХИМ, 1996.-124 с.). Як показали дослідження (Металлические, оксидные и металлокомплексные 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 -1 інтервалі температур 288-298 К при часі контакту 0,75 с (об'ємна швидкість -4800 год. ) протягом більше 60 годин очищати газоповітряну суміш (ГПС) з початковою концентрацією СО 3 3 300 мг/м до 6 мг/м , тобто досягати ступеня очистки повітря від оксиду вуглецю - 98 %. Недоліком відомих каталізаторів є високий вміст благородного металу паладію, що робить їх надзвичайно дорогими (ціна таких каталізаторів складає більш 1500 дол. США за 1 кг. Крім цього, виготовлення каталізатора являє собою досить складну і тривалу процедуру, що вимагає у випадку промислового його виробництва застосування нестандартного устаткування. Відомий каталізатор для очистки повітря від оксиду вуглецю, який застосовують у захисних масках, за патентною заявкою 58-119338 Японія, МКІ В01J 2/02; А62D 9/00 із пріоритетом 08.01.82 (автор Т.Тамура). Каталізатор отримують нанесенням на активоване вугілля платини або іншого металу платинової групи (рутеній, паладій) з високим вмістом благородного металу (до 10 мас. %). Даний каталізатор дозволяє очищати повітря з початковою концентрацією СО 3 3 375 мг/м до 6-19 мг/м , тобто досягати ступеня очистки повітря від оксиду вуглецю 95,0-98,3 %, -1 при часі контакту 0,69 с (об'ємна швидкість - 5200 год. ) і температурі 298 К протягом більш ніж 500 годин. Недоліком відомого каталізатора є високий вміст металу платинової групи, що робить цей каталізатор надзвичайно дорогим і веде до значного погіршення співвідношення ціна-якість у порівнянні з попереднім відомим каталізатором АК-62. Крім цього, виготовлення каталізатора є досить складною і тривалою процедурою, що вимагає у випадку промислового його виробництва застосування нестандартного устаткування. Відомий каталізатор для очистки повітря від оксиду вуглецю за патентом RU 2267354 МПК В01J 23/89 // 31/30, В01D 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. Шепелев), який отримують нанесенням на оксид алюмінію солі паладію (наприклад хлориду або броміду), солі купруму (наприклад хлориду, броміду або сульфату) і промотору - фталоціанінового комплексу заліза або кобальту, а також поліатомного спирту, 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, етиленгліколь, диетиленгліколь) - 0,50-3,00; оксид алюмінію - решта. Даний каталізатор дозволяє очищати повітря з початковою концентрацією 3 3 СО 300 мг/м до 6 мг/м , тобто досягати ступеня очистки повітря від оксиду вуглецю 98,0-99,3 % -1 при часі контакту 0,3 с (об'ємна швидкість 12000 год. ) і температурі 296 К протягом більш ніж 55 годин. Недоліками каталізатора є складний компонентний склад, високий вміст солі паладію, застосування як носія досить дорогого оксиду алюмінію, виробництво якого в Україні відсутнє. Крім цього, виготовлення каталізатора являє собою досить складну і тривалу процедуру, що вимагає у випадку промислового його виробництва застосування нестандартного устаткування. 1 UA 76148 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Відомий каталізатор для очистки повітря від оксиду вуглецю (прототип) за патентом України № 68125, опубл. 12.03. 2012 р., Бюл. №5, МПК В01J 23/44 (автори Т.Л. Ракитська, Т.О. Кіосе, А.А.-А. Еннан, В.Я. Волкова), що виготовляється методом імпрегнування (холодного просочення) природного діатоміту - трепелу, який перед імпрегнуванням кип'ятять протягом 1 години в дистильованій воді, потім промивають дистильованою водою і витримують 3 години в термошафі при 110 °C для видалення глинистих мінералів, а кількісне співвідношення вищевказаних інгредієнтів в отриманому каталізаторі дорівнює, мас. %: хлорид паладію(ІІ) 0,20-0,24 нітрат купруму(ІІ) 0,75-2,00 бромід калію 0,52-1,00 носій (трепел) решта. Недоліком відомого каталізатора є те, що підготовка носія потребує великі витрати дистильованої води - на 1 кг трепелу - 40-45 л води. Крім цього, треба вирішувати екологічні проблеми, а саме передбачити очистку води від іонів важких металів, нанодисперсних частинок твердої фази після технологічних стадій обробки трепелу. Враховуючи складність способу попередньої обробки трепелу, як носія компонентів каталізатора окиснення оксиду вуглецю, а також неоднорідність фазового складу трепелу, який в різних пропорціях містить -кварц, кристалобаліт, тридиміт, існує необхідність у подальшому удосконаленні способу зміни властивостей трепелу, які забезпечують підвищення каталітичної активності за рахунок формування купрум-паладієвого комплексу оптимального складу на поверхні модифікованого трепелу. Задачею, на вирішення якої спрямована пропонована корисна модель, є спосіб виготовлення каталізатора для очистки повітря від токсичного газу - оксиду вуглецю (СО) з поліпшеними сорбційними якостями і збільшеним терміном роботи, при досягненні наступного технічного ефекту: модифікування трепелу, а саме руйнування глинистих мінералів, що входять до складу трепелу та зміна співвідношення основних фаз - -кварцу, кристалобаліту, тридиміту, що веде до структурно-фазових змін трепелу та формування купрум-паладієвого галогенідного комплексу оптимального складу, що дозволить отримати вищий ресурс стабільності роботи каталізатора при зменшенні його маси та часу контакту () газоповітряної суміші з каталізатором. Зменшення цих показників впливатиме на габарити пристроїв, в яких буде використовуватися каталізатор для очистки повітря від оксиду вуглецю. Поставлена задача вирішується способом виготовлення каталізатора для очистки повітря від оксиду вуглецю, який полягає в імпрегнуванні пористого носія - трепелу водним розчином, що містить хлорид паладію (ІІ), нітрат купруму (ІІ), бромід калію, та його сушці при 110 °C, і відрізняється тим, що перед імпрегнуванням трепел прожарюють при 300 °C протягом 1 години в повітряному середовищі, а кількісне співвідношення вищевказаних інгредієнтів в отриманому каталізаторі дорівнює, мас. %: хлорид паладію(ІІ) 0,15-0,20 нітрат купруму (ІІ) 0,60-1,85 бромід калію 0,52-1,00 носій (трепел) решта. Здійснюють спосіб наступним чином. Для модифікування носія беруть природний діатоміт - трепел, подрібнюють та просіюють його до отримання фракції 1-2 мм, перекладають в керамічну термостійку ємність, розташовують в муфельній печі, доводять температуру до 300 °C та витримують протягом однієї години. В результаті термічної обробки руйнуються глинисті мінерали, що призводить до збільшення вмісту аморфного кремнезему, який в багатьох випадках збільшує активність каталізаторів. Під час термічної обробки трепелу змінюється співвідношення основних метастабільних фаз, до яких належать кристалобаліт і тридиміт, для яких характерні наступні перетворення: -тридіміт 117 ° C -тридиміт 200° C 45 -кристалобаліт -кристалобаліт Рентгенофазові дослідження зразків термообробленого трепелу вказують на зміну рентгеноспектральних характеристик, а саме відносної інтенсивності та положення рефлексів від зазначених фаз в області малих кутів відбиття. ІЧ-спектроскопія разом з рентгенофазовим аналізом також вказують на збільшення вмісту аморфного кремнезему. 2 UA 76148 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Модифікований термічним способом носій імпрегнують розчином, що містить, г/л: хлорид паладію 4,0-4,8 нітрат купруму 15,5-41,3 бромід калію 16,5-31,8 вода решта. Отриману пухку масу сушать в термошафі при нормальному тиску і температурі 110 °C протягом 3 годин до сталої маси. Завдяки тому, що руйнуються залишки глинистих мінералів змінюється співвідношення метастабільних фаз, трепел набуває таких фізико-хімічних властивостей, за яких іони паладію, купруму та брому формують поверхневі комплекси з підвищеною каталітичною активністю в реакції окиснення оксиду вуглецю киснем повітря. Випробування запропонованого каталізатора здійснювалися в лабораторії кафедри неорганічної хімії і хімічної екології Одеського національного університету імені І.І. Мечникова з досить високою відтворюваністю результатів у такий спосіб. Під час проходження газоповітряної суміші (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 металокомплексів каталізатора, при цьому оксид вуглецю окиснюється до діоксиду вуглецю. При роботі каталізатора відбувається "холодне згоряння" оксиду вуглецю на каталізаторі, у результаті чого ГПС очищується 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 621ЭХ04 (Аналітприлад, Україна). Методика експериментальних досліджень властивостей каталізатора полягала в наступному: 2,0 г термообробленого трепелу (фракція 1-2 мм) імпрегнували 0,5 мл водного розчину, що містить необхідні кількості інгредієнтів для отримання наступного вмісту їх у каталізаторі (мас. %): хлорид паладію 0,15-0,20, нітрат купруму - 0,60-1,85, бромід калію - 0,521,0. Отриману пухку масу сушили в термошафі при нормальному тиску і температурі 110 °C протягом 3 годин до сталої маси. Отриманий каталізатор розміщували в проточному за газом реакторі вертикального типу і випробували при кімнатній температурі і об'ємній швидкості ГПС П 3 -1 (СО СО = 300 мг/м ) 19050 год. (час контакту - 0,19 с). Проведено понад 100 експериментів з різними концентраціями кожного з інгредієнтів каталізатора. При повторних випробуваннях різниця в активності зразків каталізатора не перевищувала 5 %. Експериментальні результати дослідження властивостей каталізатора виготовленого за пропонованим способом підтвердили той факт, що вирішення поставленої технічної задачі успішно досягається в тих випадках, коли вміст інгредієнтів каталізатора знаходиться в межах, зазначених у формулі корисної моделі. При більш низьких концентраціях інгредієнтів у каталізаторі у порівнянні з зазначеними у формулі корисної моделі, споживчі характеристики каталізатора не дозволяють одержати очікуваний технічний ефект. При більш високій концентрації інгредієнтів у порівнянні з зазначеними у формулі корисної моделі робочі характеристики каталізатора, незважаючи на підвищення концентрації солі паладію, не поліпшуються, що призводить до погіршення для запропонованого каталізатора співвідношення ціна-якість. У таблиці наведені характеристики роботи каталізатора, виготовленого запропонованим способом, і каталізатора-прототипу. З результатів, наведених в таблиці, видно, що кінцева концентрація оксиду вуглецю на виході з шару каталізатора, виготовленого за запропонованим способом, така ж сама, як для прототипу, але ресурс його стабільної роботи збільшено до 200 годин. Розрахунок показав, що спрощення технології модифікування трепелу дозволяє зменшити кількість інгредієнтів та витрати на виготовлення каталізатора, збільшити ресурс його стабільної роботи, що впливає на сумарну вартість і підтверджує економічність запропонованого способу отримання каталізатора. 50 3 UA 76148 U Таблиця Каталізатори Отриманий запропонованим способом Прототип Об'ємна Кінцева Початкова Ресурс стабільної швидкість ГПС, концентрація СО концентрація СО у роботи -1 3 год. (час у повітрі (мг/м ) 3 повітрі (мг/м ) каталізаторів, год. контакту, с) після очистки 300 19050 (0,19) 4 200 300 19050 (0,19) 4 180 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб виготовлення каталізатора для очистки повітря від оксиду вуглецю, який полягає в імпрегнуванні пористого носія - трепелу водним розчином, що містить хлорид паладію (ІІ), нітрат купруму (ІІ), бромід калію, та його сушці при 110 °С, який відрізняється тим, що перед імпрегнуванням трепел прожарюють при 300 °С протягом 1 години в повітряному середовищі, а кількісне співвідношення вищевказаних інгредієнтів в отриманому каталізаторі дорівнює, мас. %: хлорид паладію (ІІ) 0,15-0,20 нітрат купруму (ІІ) 0,60-1,85 бромід калію 0,52-1,00 носій (трепел) решта. Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4