Состав шихты для высокопористого керамического материала с сетчато-ячеистой структурой
Владельцы патента RU 2525396:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева)" (RU)
Изобретение относится к составу шихты для высокопористого керамического материала с сетчато-ячеистой структурой для носителей катализаторов, состоящему из инертного наполнителя - электроплавленного корунда и дисперсной фазы с упрочняющей добавкой. При этом для повышения прочности материала в качестве дисперсной фазы используют высокоглиноземистую фарфоровую массу, в качестве упрочняющей добавки - композицию из MgO+SiC, обеспечивающую образование фазы эвтектического состава в системе MgO-SiO2 при обжиге в интервале температур 1250-1300°С со следующим соотношением компонентов: электроплавленный корунд - 5-20 мас.%, высокоглиноземистая фарфоровая масса - 76,5-90 мас.%, упрочняющая добавка MgO+SiC - 3,5-5 мас.%. Использование указанного состава позволяет изготавливать высокопористые прочные керамические материалы с сетчато-ячеистой структурой с повышенной механической прочностью на сжатие при сохранении общей объемной открытой пористости. 3 пр.
Предлагаемое изобретение относится к химической технологии высокопористых керамических материалов с сетчато-ячеистой структурой, которые могут использоваться в качестве стационарных носителей катализаторов конверсии природного газа, нейтрализации оксидов углерода, азота и углеводородов в продуктах сжигания моторных топлив, каталитических жидкофазных гетерогенных процессов восстановления непредельных углеводородов, ароматических соединений, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот и др., фильтров для фильтрации загрязненных жидкостей и газов, насадки для массо- и теплообменных процессов, высокотемпературных теплоизоляционных материалов и для других целей.
Для изготовления изделий из высокопористых керамических материалов с сетчато-ячеистой структурой известно использование алюмосиликатных материалов, шликер которых наносят на ретикулированный пенополиуретан, изделия отжимают от лишнего шликера, высушивают и обжигают при температурах до 1350°С (см., например. В.Н.Анциферов, С.Е.Порозова. // Высокопористые проницаемые материалы на основе алюмосиликатов. // Пермь, 1996, 207 с.).
Недостатками этих материалов являются отсутствие открытой пористости перемычек ячеек, низкая удельная поверхность, большая усадка в пределах 10-20%, что приводит к образованию конусности, деформации и отсутствию сохранения точности геометрической формы и размера изделий.
Свойства изделий на основе алюмосиликатов мало отличаются между собой и имеют, например, для высокопористого фарфора значения: кажущейся плотности - 0,2-0,3 г/см3; общей открытой объемной пористости - 80-88%; механической прочности на сжатие - 0,1-0,5 МПа (см. В.Н.Анциферов, В.Н. Овчинникова, С.Е.Порозова, И.В.Федорова. // Высокопористые ячеистые керамические материалы. // Стекло и керамика, 1996, №9, с.19-20).
Недостатком высокопористого фарфора являются низкие значения механической прочности на сжатие (такие материалы мало пригодны для применения в качестве носителей катализаторов).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является состав шихты для изготовления высокопористого материала с сетчато-ячеистой структурой для носителей катализаторов, выбранный в качестве прототипа (см. патент РФ №2233700, приоритет от 11 июня 2002 г., 10.08.2004. Бюл. №22. Состав шихты для высокопористого материала с сетчато-ячеистой структурой для носителей катализаторов. / А.И.Козлов, Е.С.Лукин).
Высокопористый материал с сетчато-ячеистой структурой для носителей катализаторов получают воспроизведением структуры вспененного ретикулированного пенополиуретана путем нанесения шликера на полимерную матрицу, содержащего смесь инертного наполнителя в виде электроплавленного корунда, карбида кремния, кварцевого песка и дисперсный порошок оксида алюминия с добавками оксидов металлов II и IV группы таблицы Д.И.Менделеева в любом количестве с добавкой связующего с последующей сушкой изделий, выжиганием органической основы и обжигом оставшегося керамического каркаса в интервале температур 1350-1500°С. После обжига высокопористый материал с сетчато-ячеистой структурой для носителей катализаторов имеет общую объемную открытую пористость 88-92%, механическую прочность на сжатие от 0,5 до 1,8-2,0 МПа.
Используемая для пропитки полимерной матрицы керамическая суспензия имеет низкую вязкость и высокую текучесть, что позволяет равномерно наносить ее на полимерную матрицу.
К недостаткам изготовленного высокопористого материала с сетчато-ячеистой структурой относятся сравнительно низкая механическая прочность на сжатие (не превышает 2,0 МПа).
Для ряда технологических процессов требуется значительно более высокая прочность носителя катализаторов из-за очень высокой скорости подачи реакционной смеси в реакторе и возникновения больших давлений, оказываемых воздействием на носитель с катализатором при запуске реактора.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является изготовление высокопористых прочных керамических материалов с сетчато-ячеистой структурой с повышенной механической прочностью на сжатие при сохранении такой же общей объемной открытой пористости.
Этот технический результат достигается воспроизведением структуры вспененного ретикулированного пенополиуретана любой геометрической формы путем пропитки шликером, приготовленным из шихты следующего состава: инертный наполнитель в виде электрокорунда (размер частиц 10-14 мкм) - 5-20 мас.%, высокоглиноземистая фарфоровая масса в виде порошка (с содержанием А12О3 38-45 мас.%) - 76,5-90 мас.% и упрочняющая добавка с суммарным содержанием MgO+SIC (размер частиц 0,3-1,0 мкм) - 3,5-5 мас.%, обеспечивающая повышение прочности керамических материалов с сетчато-ячеистой структурой за счет образования фазы эвтектического состава в системе MgO-SiO2, структурирующей непрерывную фазу стекла в фарфоре при обжиге в интервале температур 1250-1300°С.
В качестве жидкой фазы шликера используют 5%-ный раствор поливиниловго спирта.
После пропитки заготовок шликером его избыток отжимают. Затем заготовки подвергают термообработке для выжигания органической основы и обжига керамического каркаса в интервале температур 1250-1300°С. Общая объемная открытая пористость полученного керамического изделия с сетчато-ячеистой структурой составляет 85-92%. Образцы из полученной высокопористой керамики имеют повышенную механическую прочность на сжатие от 4,0 до 7,5 МПа.
Пример №1. Образец из полиуретана пропитывают при комнатной температуре шликером, приготовленным из шихты следующего состава:
инертного наполнителя в виде дисперсного электрокорунда (размер частиц 10-14 мкм) - 5 мас.%, фарфоровой массы в виде порошка (с содержанием А12О3 38-45 мас.%) - 90 мас.%, упрочняющей добавки с размером частиц 0,3-1,0 мкм - 5 мас.% и 5%-ного раствора поливинилового спирта, отжимают избыток шликера, сушат при температуре 100-110°С в течение 2,0-2,5 часов, а затем обжигают при температуре 1250°С. Высушенный и обожженный керамический образец с сетчато-ячеистой структурой имеет кажущуюся плотность 0,33 г/см3, механическую прочность на сжатие 7,5 МПа.
Пример №2. Образец из полиуретана пропитывают при комнатной температуре шликером, приготовленным из шихты следующего состава:
инертного наполнителя в виде дисперсного электрокорунда (размер частиц 10-14 мкм) - 12,5 мас.%, фарфоровой массы в виде порошка (с содержанием A12O3 38-45 мас.%) - 83,4 мас.%, упрочняющей добавки с размером частиц 0,3-1,0 мкм - 4,1 мас.% и 5%-ного раствора поливинилового спирта, отжимают избыток шликера, сушат при температуре 100-110°С в течение 2,0-2,5 часов, а затем обжигают при температуре 1280°С. Высушенный и обожженный керамический образец с сетчато-ячеистой структурой имеет кажущуюся плотность 0,40 г/см3, механическую прочность на сжатие 5,3 МПа.
Пример №3. Образец из полиуретана пропитывают при комнатной температуре шликером, приготовленным из шихты следующего состава:
инертного наполнителя в виде дисперсного электрокорунда (размер частиц 10-14 мкм) - 20 мас.%, фарфоровой массы в виде порошка (с содержанием A12O3 38-45 мас.%) - 76,5 мас.%, упрочняющей добавки с размером частиц 0,3-1,0 мкм - 3,5 мас.% и 5%-ного раствора поливинилового спирта, отжимают избыток шликера, сушат при температуре 100-110°С в течение 2,0-2,5 часов, а затем обжигают при температуре 1300°С. Высушенный и обожженный керамический образец с сетчато-ячеистой структурой имеет кажущуюся плотность 0,43 г/см3, механическую прочность на сжатие 4,0 МПа.
Изготовление носителя с развитой поверхностью для катализатора из высокопористых прочных керамических материалов с сетчато-ячеистой структурой с разработанным составом шихты состоит в нанесении на них алюмозоля методом пропитки с последующим прокаливанием при температуре 900°С. В порах и на поверхности перемычек высокопористых прочных керамических материалов с сетчато-ячеистой структурой образуются пористые частицы γ-А12О3. Алюмозоль наносят в таком количестве, чтобы удельная поверхность носителя увеличилась в несколько раз по сравнению с исходной удельной поверхностью керамического материала. Частицы γ-А1О3 прочно припекаются к поверхности перемычек, содержащих стеклофазу заданного состава.
Полученный керамический носитель катализаторов с сетчато-ячеистой структурой характеризуется высокой механической прочностью на сжатие от 4,0 до 7,5 МПа.
Применение предлагаемого изобретения позволяет получить высокопористое прочное керамическое изделие с сетчато-ячеистой структурой полифункционального назначения.
Полученное высокопористое прочное керамическое изделие с сетчато-ячеистой структурой может найти широкое применение в качестве носителя для катализаторов для газофазных и жидкофазных процессов, в конструкциях фильтров для фильтрации загрязненных жидкостей и газов, насадки для массо- и теплообменных процессов, высокотемпературных теплоизоляционных материалов и для других целей.
После нанесения каталитически активного компонента на поверхность приготовленного высокопористого прочного керамического изделия с сетчато-ячеистой структурой полученный катализатор может быть использован в различных каталитических гетерогенных газофазных и жидкофазных химических процессах: конверсии природного газа, окисления СО и СН, восстановления NOx, непредельных углеводородов, ароматических соединений, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот и др.
Состав шихты для высокопористого керамического материала с сетчато-ячеистой структурой для носителей катализаторов, состоящий из инертного наполнителя - электроплавленного корунда и дисперсной фазы с упрочняющей добавкой, отличающийся тем, что для повышения прочности материала в качестве дисперсной фазы используют высокоглиноземистую фарфоровую массу, в качестве упрочняющей добавки - композицию из MgO+SiC, обеспечивающую образование фазы эвтектического состава в системе MgO-SiO2 при обжиге в интервале температур 1250-1300°С со следующим соотношением компонентов:
электроплавленный корунд - 5-20 мас.%;
высокоглиноземистая фарфоровая масса - 76,5-90 мас.%;
упрочняющая добавка MgO+SiC - 3,5-5 мас.%
