Катализатор окисления оксида углерода

Изобретение относится к катализаторам глубокого окисления оксида углерода и может быть использовано для очистки отходящих газов промышленных предприятий и выхлопных газов автотранспорта. Описан катализатор окисления оксида углерода, содержащий алюминий, редкоземельный и/или щелочно-земельный элемент, и представляет собой ультрадисперсный порошок при следующем соотношении компонентов, мас.%: редкоземельный элемент и/или щелочно-земельный элемент - 1,3-5,1, алюминий - остальное. Технический эффект - повышение каталитической активности.

 

Изобретение относится к катализаторам глубокого окисления оксида углерода и может быть использовано для очистки отходящих газов промышленных предприятий и выхлопных газов автотранспорта.

Известен катализатор окисления оксида углерода, содержащий оксид алюминия, а также оксид со структурой перовскита, в состав которого входят редкоземельные элементы или их смеси и переходные элементы или их смеси (Патент РФ №2065325, B 01 J 23/10, 1996 год).

Недостатками известного катализатора являются, во-первых, длительный многоступенчатый процесс получения, во-вторых, невысокая активность катализатора, которая составляет 25-75% при 140-495°С.

Известен катализатор окисления оксида углерода, содержащий порошкообразный алюминий, а также оксиды кобальта и алюминия (Патент РФ № 2059427, B 01 J 23/75, 1996 год).

Недостатком известного катализатора является его невысокая активность, которая не превышает 85% (степень превращения оксида углерода).

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать катализатор окисления оксида углерода, обладающий высокой каталитической активностью.

Поставленная задача решена путем использования катализатора окисления оксида углерода, включающего алюминий, который дополнительно содержит редкоземельный и/или щелочно-земельный элемент и представляет собой ультрадисперсный порошок при следующем соотношении компонентов, мас.%:

редкоземельный элемент и/или
щелочно-земельный элемент	- 1,3÷5,1
алюминий	остальное.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен катализатор окисления оксида углерода, содержащий предлагаемые элементы в заявленном соотношении.

Катализаторы, используемые для нейтрализации газовых выбросов от токсичных примесей, в частности от оксида углерода, снижают свою активность в процессе работы. Это происходит в результате разрушения структуры, обусловленного высокой температурой процесса и резкими ее перепадами, в связи с чем большое значение имеет механическая прочность катализатора при динамических нагрузках. Поэтому в настоящее время все большее распространение получают многокомпонентные каталитические системы, содержащие активные металлы на различных носителях, которые характеризуются высокой теплопроводностью. Однако массовое использование подобных катализаторов в экологических целях становится экономически невыгодно. Авторами предлагается сплав на основе алюминия, содержащий редкоземельный элемент или щелочноземельный элемент, который, обладая теплопроводностью и механической твердостью на уровне металлических катализаторов, является доступным и экологически безопасным. Содержание легирующей добавки объясняется следующими причинами. При содержании менее, чем 1,3 мас.%, наблюдается снижение активности катализатора, конверсия оксида углерода становится ниже 85%. Содержание добавки в количестве 1,3÷5,1 мас.% обеспечивает оптимальное содержание ее в поверхности порошка, и тем самым достигается наибольшая активность катализатора в реакции окисления оксида углерода, таким образом повышение содержания добавки является нецелесообразным, не улучшая показатели активности. Катализатор используют в виде ультрадисперсного порошка, что обеспечивает высокую удельную поверхность катализатора, что также служит для получения высокой активности катализатора.

Предлагаемый катализатор может быть получен методом газоплазменной переконденсации исходного материала (порошка сплава). При получении использован замкнутый газовый цикл. Предварительно систему вакуумируют до остаточного давления 5·10^-3 мм рт.ст. и заполняют инертным газом (аргоном). В качестве реактора используют плазменный испаритель-конденсатор ИК-150. Режимы обработки следующие: электрическая мощность реактора - 15-25 кВт (I - 90 A, U - 180÷250 В); расход технологического газа: в дозатор сырья - 3 нм³/ч, в закалочный узел - 7 нм³/ч, в вихревую камеру - 15 нм³/ч; расход сырья - 0,2 кг/ч. Исходное сырье (порошок сплава алюминия с редкоземельным элементом или щелочно-земельным элементом или с их смесью) загружают в дозатор, затем из дозатора подают в реактор пневмотранспортным способом, используя поток технологического газа. При этом образовавшийся в дозаторе аэрозоль через узел ввода подают в зону электрического разряда реактора. В реакторе при температуре 5000-6000°С происходит испарение порошка. На выходе из высокотемпературной зоны полученную парогазовую смесь резко охлаждают газовыми струями для создания условий конденсации. Затем аэрозоль с температурой 100-200°С подают в холодильник, где охлаждают до температуры 60-80°С. После конденсации получают порошок. Крупные частицы отделяют от ультрадисперсных частиц в классификаторе инерционного типа, улавливание ультрадисперсных частиц осуществляют рукавным тканевым фильтром. Получают ультрадисперсный порошок с размером частиц менее 300 нм. Из фильтра ультрадисперсные частицы выгружают в инертной атмосфере (в боксе) в герметично закрываемую тару или перемещают в систему микрокапсулирования, где на поверхность частиц наносят защитный слой, предохраняющий их от внешних воздействий при контакте с воздухом. Удельную поверхность полученного катализатора определяют, например, методом тепловой десорбции аргона.

Полученный катализатор загружают в установку с реактором проточного типа. Затем через установку пропускают газ, представляющий смесь оксида углерода, кислорода и азота, при температуре 430-500°С. Состав газовой смеси на выходе из реактора определяют газохроматографическим методом и использованием в качестве газа-носителя гелия.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Предварительно систему вакуумируют до остаточного давления 5·10^-3 мм рт.ст. и заполняют аргоном. В качестве реактора используют плазменный испаритель-конденсатор ИК-150. Режимы обработки следующие: электрическая мощность реактора - 15 кВт (I - 90 A, U - 180 В); расход технологического газа: в дозатор сырья - 3 нм³/ч, в закалочный узел - 7 нм³/ч, в вихревую камеру - 15 нм³/ч; расход сырья - 0,2 кг/ч. Порошковое сырье (порошок сплава, содержащего 97,2 г (97,2 вес.%) алюминия и 2,8 г (2,8 вес.%) лантана) подают в реактор газовым потоком из дозатора пневмотранспортным способом, для чего через ротаметр ремпы в дозатор подают технологический газ. При этом образовавшийся в дозаторе аэрозоль через узел ввода подают в зону электрического разряда реактора. В реакторе при температуре 5000°С происходит испарение порошка. На выходе из высокотемпературной зоны полученную парогазовую смесь резко охлаждают газовыми струями для создания условий конденсации. Затем аэрозоль с температурой 100°С подают в холодильник, где охлаждают до температуры 60°С. После конденсации получают порошок. Крупные частицы отделяют от ультрадисперсных частиц в классификаторе инерционного типа, улавливание ультрадисперсных частиц осуществляют рукавным тканевым фильтром. Из фильтра ультрадисперсные частицы выгружают в инертной атмосфере (в боксе) в герметично закрываемую тару. Удельная поверхность полученного катализатора равна 7,60 м²/г.

Полученный катализатор загружают в установку с реактором проточного типа. Затем через установку пропускают газ состава: 9,9% СО; 14,9% O₂; 75,2% N₂; с объемной скоростью 240 ч^-1 при температуре 430°С. Конверсия СО равна 97%.

Пример 2.

Предварительно систему вакуумируют до остаточного давления 5·10^-3 мм рт.ст. и заполняют аргоном. В качестве реактора используют плазменный испаритель-конденсатор ИК-150. Режимы обработки следующие: электрическая мощность реактора - 25 кВт (I - 90 A, U - 250 В); расход технологического газа: в дозатор сырья - 3 нм³/ч, в закалочный узел - 7 нм³/ч, в вихревую камеру - 15 нм³/ч; расход сырья - 0,2 кг/ч. Порошковое сырье (порошок сплава, содержащего 98,5 г (98,5 вес.%) алюминия и 1,5 г (1,5 вес.%) кальция) подают в реактор газовым потоком из дозатора пневмотранспортным способом, для чего через ротаметр ремпы в дозатор подают технологический газ. При этом образовавшийся в дозаторе аэрозоль через узел ввода подают в зону электрического разряда реактора. В реакторе при температуре 6000°С происходит испарение порошка. На выходе из высокотемпературной зоны полученную парогазовую смесь резко охлаждают газовыми струями для создания условий конденсации. Затем аэрозоль с температурой 200°С подают в холодильник, где охлаждают до температуры 80°С. После конденсации получают порошок. Крупные частицы отделяют от ультрадисперсных частиц в классификаторе инерционного типа, улавливание ультрадисперсных частиц осуществляют рукавным тканевым фильтром. Из фильтра ультрадисперсные частицы выгружают в инертной атмосфере (в боксе) в герметично закрываемую тару. Удельная поверхность полученного катализатора равна 8,71 м²/г.

Полученный катализатор загружают в установку с реактором проточного типа. Затем через установку пропускают газ состава: 9,9% СО; 14,9% O₂; 75,2% N₂; с объемной скоростью 240 ч^-1 при температуре 450°С. Конверсия СО равна 100%.

Пример 3. Предварительно систему вакуумируют до остаточного давления 5·10^-3 мм рт.ст. и заполняют аргоном. В качестве реактора используют плазменный испаритель-конденсатор ИК-150. Режимы обработки следующие: электрическая мощность реактора -15 кВт (I - 90 A, U - 180 В); расход технологического газа: в дозатор сырья - 3 нм³/ч, в закалочный узел - 7 нм³/ч, в вихревую камеру - 15 нм³/ч; расход сырья - 0,2 кг/ч. Порошковое сырье (порошок сплава, содержащего 94,9 г (94,9 вес.%) алюминия и 3,4 г (3,4 вес.%) лантана и 1,7 г (1,7 вес.%) кальция) подают в реактор газовым потоком из дозатора пневмотранспортным способом, для чего через ротаметр ремпы в дозатор подают технологический газ. При этом образовавшийся в дозаторе аэрозоль через узел ввода подают в зону электрического разряда реактора. В реакторе при температуре 5000°С происходит испарение порошка. На выходе из высокотемпературной зоны полученную парогазовую смесь резко охлаждают газовыми струями для создания условий конденсации. Затем аэрозоль с температурой 100°С подают в холодильник, где охлаждают до температуры 60°С. После конденсации получают порошок. Крупные частицы отделяют от ультрадисперсных частиц в классификаторе инерционного типа, улавливание ультрадисперсных частиц осуществляют рукавным тканевым фильтром. Из фильтра ультрадисперсные частицы выгружают в инертной атмосфере (в боксе) в герметично закрываемую тару. Удельная поверхность полученного катализатора равна 8,71 м²/г.

Полученный катализатор загружают в установку с реактором проточного типа. Затем через установку пропускают газ состава: 9,9% СО; 14,9% O₂; 75,2% N₂; с объемной скоростью 240 ч^-1 при температуре 440°С. Конверсия СО равна 95%.

Пример 4.

Предварительно систему вакуумируют до остаточного давления 5·10^-3 мм рт.ст. и заполняют аргоном. В качестве реактора используют плазменный испаритель-конденсатор ИК-150. Режимы обработки следующие: электрическая мощность реактора - 15 кВт (I - 90 А, U - 180 В); расход технологического газа: в дозатор сырья - 3 нм³/ч, в закалочный узел - 7 нм³/ч, в вихревую камеру - 15 нм³/ч; расход сырья - 0,2 кг/ч. Порошковое сырье (порошок сплава, содержащего 98,7 г (98,7 вес.%) алюминия и 1,3 г (1,3 вес.%) скандия) подают в реактор газовым потоком из дозатора пневмотранспортным способом, для чего через ротаметр ремпы в дозатор подают технологический газ. При этом образовавшийся в дозаторе аэрозоль через узел ввода подают в зону электрического разряда реактора. В реакторе при температуре 5000°С происходит испарение порошка. На выходе из высокотемпературной зоны полученную парогазовую смесь резко охлаждают газовыми струями для создания условий конденсации. Затем аэрозоль с температурой 100°С подают в холодильник, где охлаждают до температуры 60°С. После конденсации получают порошок. Крупные частицы отделяют от ультрадисперсных частиц в классификаторе инерционного типа, улавливание ультрадисперсных частиц осуществляют рукавным тканевым фильтром. Из фильтра ультрадисперсные частицы выгружают в инертной атмосфере (в боксе) в герметично закрываемую тару. Удельная поверхность полученного катализатора равна 7,90 м²/г.

Полученный катализатор загружают в установку с реактором проточного типа. Затем через установку пропускают газ состава: 9,9% СО; 14,9% O₂, 75,2% N₂; с объемной скоростью 240 ч^-1 при температуре 500°С. Конверсия СО равна 90%.

Таким образом, предлагаемый катализатор обеспечивает высокую степень очистки отходящих газов от оксида углерода.

Катализатор окисления оксида углерода, включающий алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит редкоземельный и/или щелочноземельный элемент и представляет собой ультрадисперсный порошок при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Редкоземельный элемент или
щелочно-земельный элемент	1,3÷5,1
Алюминий	Остальное