Способ получения керамических высокопористых блочно-ячеистых материалов


 


Владельцы патента RU 2580959:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И.Менделеева (РХТУ им. Д.И.Менделеева) (RU)
Открытое акционерное общество"Корпорация "Росхимзащита" (ОАО "Корпорация "Росхимзащита") (RU)

Изобретение относится к области химической технологии керамических высокопористых ячеистых материалов-носителей катализаторов, сорбентов и других массообменных устройств и предназначено для использования в технологических процессах химической, нефтехимической, атомной отраслей, металлургии, энергетики и транспорта, а также при решении экологических проблем по очистке газовых и жидких сред от вредных веществ. Способ получения керамических высокопористых блочно-ячеистых материалов включает пропитку полиуретановой матрицы ячеистой структуры шликером, состоящим из инертного наполнителя - электроплавленного корунда, дисперсного порошка высокоглиноземистой фарфоровой массы и упрочняющей добавки, сушку, обжиг и нанесение методом пропитки с последующим прокаливанием активной композиции. Активную композицию наносят в виде суспензии с массовым соотношением твердой фазы к жидкой 40÷50/60÷50%, при этом твердую фазу получают смешением каолина с цеолитом НЦВМ или NH4ЦВМ типа пентасил в соотношении 10÷19/90÷81 мас.%, а жидкой фазой является дистиллированная вода. После нанесения каждого слоя активной композиции проводят сушку материала при температуре 80÷90°С в течение 2÷8 ч, а после нанесения последнего слоя осуществляют термообработку в среде водяного пара с расходом 100-400 г/ч при температуре 760÷800°С не менее 1 ч. Технический результат изобретения - повышение удельной поверхности гидрофобного цеолитового активного слоя до 420-460 м2/г и повышение сорбционной емкости по органическим соединениям (0,10-0,12 г/см3 для паров толуола) при снижении до минимума сорбционной емкости по воде (0,01 г/см3) в динамических условиях при р/рs=0,1 в пересчете на активный слой, что позволяет применять полученные высокопористые материалы во влажной среде. 3 пр.

 

Изобретение относится к области химической технологии керамических высокопористых ячеистых материалов - носителей катализаторов, сорбентов и других массообменных устройств, и предназначено для использования в технологических процессах химической, нефтехимической, атомной отраслей, металлургии, энергетики и транспорта, а также при решении экологических проблем по очистке газовых и жидких сред от вредных веществ.

Известен состав шихты для высокопористого керамического материала с сетчато-ячеистой структурой для носителей катализаторов, состоящий из инертного наполнителя (электрокорунда, карбида кремния, кварцевого песка) и дисперсного порошка оксида алюминия или других оксидных композиций с добавками оксидов металлов II и IV группы таблицы Менделеева (патент РФ 2233700, приоритет от 11 июня 2002 г. Состав шихты для высокопористого керамического материала с сетчато-ячеистой структурой для носителей катализаторов / Козлов А.И., Лукин Е.С.).

Высокопористые ячеистые материалы получают воспроизведением структуры вспененного ретикулированного полиуретана путем нанесения керамического порошка указанного состава в виде шликера на различных связках с последующим выжиганием основы и нагревом оставшегося керамического каркаса до температуры, при которой керамическое изделие приобретает заданные свойства. Развитие поверхности обожженных заготовок проводят путем пропитки золем оксида алюминия. Общая пористость керамических изделий составляет 85-92%. Образцы из высокопористой керамики выдерживают статическую нагрузку от 0,5 до 1,8 МПа в зависимости от состава и температуры термообработки.

В известном способе изготовления высокопористых ячеистых керамических изделий (патент РФ 2377224, приоритет от 14 апреля 2008 г. Способ изготовления высокопористых ячеистых керамических изделий / Козлов А.И., Грунский В.Н., Беспалов А.В., Козлов И.А., Колесников В.А., Градов В.П., Лукин Е.С.) полиуретановую матрицу ячеистой структуры пропитывают шликером, содержащим электроплавленный корунд или его смесь с карбидом кремния, дисперсный порошок оксида алюминия и раствор поливинилового спирта. Заготовку высушивают, обжигают и получают блочное керамическое изделие с открытой пористостью не ниже 70-95%. Полученное изделие пропитывают алюмозолем, дополнительно сушат, обжигают при температуре более 1500°С. Далее изделие пропитывают высокомолекулярным спиртом и проводят его пиролиз в среде инертного газа при температуре 350-550°С, высаживая на поверхности изделий пиролитический углерод. Содержание углерода в изделии составляет до 10 мас.%. Технический результат изобретения - образование высокоразвитой поверхности покрытия ячеистого керамического изделия с микропористостью до 30% и выше, увеличение прочности на сжатие до 2,5 МПа.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения высокопористого керамического материала для носителей катализаторов, описанный в патенте РФ № 2525396, приоритет от 28 января 2013 г. (Состав шихты для высокопористого керамического материала с сетчато-ячеистой структурой / Лукин Е.С., Попова Н.А., Гаспарян М.Д., Павлюкова Л.Т., Санникова С.Н., Чепуренко А.Д., Грунский В.Н., Беспалов А.В.), выбранный в качестве прототипа.

Технический результат в данном способе достигается воспроизведением структуры вспененного ретикулированного пенополиуретана любой геометрической формы путем пропитки шликером, приготовленным из шихты следующего состава: инертный наполнитель в виде дисперсного электрокорунда (размер частиц 10-14 мкм) - 5-20 мас.%, высокоглиноземистая фарфоровая масса в виде порошка (с содержанием Al2O3 38-45 мас. %) - 76,5-90 мас.% и упрочняющая добавка с суммарным содержанием MgО + 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.

Полученные материалы характеризуется повышенной кажущейся плотностью (0,33-0,43 г/см3) и высокой механической прочностью на сжатие (от 4,0 до 7,5 МПа).

Изготовление носителя с развитой поверхностью для катализаторов состоит в нанесении на них алюмозоля методом пропитки с последующим прокаливанием при температуре 900°С. Однако в данном случае высокая плотность и прочность материала, достигаемая за счет образования определенного количества стекловидной фазы, препятствует прочному сцеплению частиц γ-Al2O3 с его поверхностью и ограничивает массовое содержание активного слоя.

Общим недостатком при реализации указанных в перечисленных патентах технических результатов являются недостаточно высокие значения удельной поверхности (8-9 м2/г для всего изделия, что составляет, соответственно, 180-200 м2/г в пересчете на активный слой), ограниченные удельной поверхностью аморфного пористого γ-Al2O3, нанесенного по золь-гель технологии. Полученное покрытие является гидрофильным, что ограничивает применение полученных керамических высокопористых ячеистых материалов в качестве носителей катализаторов в газофазных каталитических процессах с высокой относительной влажностью очищаемой среды и сорбентов для очистки газовых сред от нежелательных органических соединений без предварительной глубокой осушки.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является получение керамических блочно-ячеистых материалов с нанесенным активным гидрофобным слоем, обладающих повышенной удельной поверхностью и повышенной сорбционной емкостью по органическим соединениям при снижении до минимума сорбционной емкости по воде в динамических условиях.

Сущность и отличие заявляемого технического решения заключаются в том, что на керамические высокопористые блочно-ячеистые матрицы, полученные пропиткой пенополиуретановой заготовки c различным размером ячейки шликером, содержащим электроплавленный корунд, высокоглиноземистую фарфоровую массу и упрочняющую добавку, наносят путем многократной пропитки, сушки и гидротермальной обработки активную композицию, в качестве которой используют водную суспензию смеси каолина с цеолитом типа пентасил (НЦВМ или NH4ЦВМ). Термообработка в присутствии водяного пара придает поверхности полученного материала гидрофобные свойства.

Для достижения указанного технического результата предлагается использовать в качестве активной композиции смесь каолина и гидрофобного цеолита. При нагревании каолин претерпевает несколько стадий превращения. При температуре около 550÷600°С наблюдается образование разноупорядоченной фазы метакаолина вследствие дегидратации. Метакаолин является дефектной фазой, в которой тетраэдрические слои SiO2 исходной глинистой структуры в основном сохраняются, а к ним присоединяются тетраэдры AlO4, образовавшиеся из исходного октаэдрического слоя. Данное фазовое превращение сопровождается увеличением удельной поверхности активного слоя. С помощью последовательного многократного нанесения активной композиции и промежуточной термообработки достигается прочная адгезия активного слоя с поверхностью матрицы и увеличение его толщины.

При совместном воздействии воды и высокой температуры ускоряется гидролиз каркасного алюминия, который выводится из структуры цеолита, и таким образом ликвидируются каркасные заряженные центры, на которых могут удерживаться полярные молекулы воды за счет дипольного взаимодействия. В присутствии водяного пара группы -ОН в вакансии связываются с атомами кремния в решетке, занимая «дефектные» места в кристаллической решетке. Процесс гидрофобизации проводят в температурном интервале 700÷800°С в присутствии водяного пара.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. На полученную методом воспроизведения структуры вспененного ретикулированного пенополиуретана (ППУ) исходную блочно-ячеистую керамическую матрицу со средним размером ячейки 0,5÷4,5 мм наносят активную композицию из цеолита типа пентасил (НЦВМ или NH4ЦВМ) и каолина. Композицию (суспензию) готовят следующим образом: каолин смешивают с цеолитом в соотношениях 10÷19/90÷81 мас.% и добавляют дистиллированную воду с соотношением твердой фазы к жидкой 40÷50/60÷50 мас.%. Матрицу погружают в приготовленную суспензию, удаляют избыток композиции в процессе стекания с матрицы на вибростоле (подвялка), сушат подвяленную матрицу в сушильном шкафу при температуре 80÷90°С в течение 2÷8 ч, затем последовательно повторяют операции пропитки, подвялки и сушки еще три-четыре раза. Далее матрицу с нанесенной композицией термообрабатывают в среде водяного пара при температуре 760÷800°С не менее 1 ч. Расход водяного пара составляет 100-400 г/ч.

Достигнутый результат подтверждается следующими примерами.

Пример 1

Заготовку из ППУ марки R30 (30 ppi, соответствует размеру ячейки 0,5-1,5 мм) диаметром 30 мм и высотой 50 мм пропитывают шликером, содержащим инертный наполнитель - электроплавленный корунд, дисперсный порошок высокоглиноземистого фарфора и упрочняющую добавку MgО + SiC. После отжима и сушки заготовку подвергают высокотемпературной обработке. На образовавшуюся после выгорания полимера при температурах до 660°С и спекания керамики в интервале температур 1250-1300°С блочно-ячеистую матрицу наносят композицию цеолита НЦВМ и каолина. Композицию готовят следующим образом: 4 г каолина смешивают с 36 г цеолита (соотношение каолина к цеолиту НЦВМ составляет 10/90 мас.%) и 60 г дистиллированной воды. Массовое соотношение твердой фазы к жидкой фазе составляет 40/60%. Матрицу погружают в приготовленную суспензию цеолита НЦВМ и каолина, удаляют избыток суспензии в процессе стекания с матрицы на вибростоле (подвялка), сушат подвяленную матрицу в сушильном шкафу при температуре 80°С в течение 2 ч, затем последовательно повторяют операции пропитки, подвялки и сушки еще два раза. Далее матрицу с нанесенной композицией помещают в муфельную печь и термообрабатывают в среде водяного пара с расходом 100 г/ч в течение 1,5 ч при температуре 760°С.

Количество нанесенной композиции составляет 15,5% от массы матрицы. Удельная поверхность активного слоя 460 м2/г. Сорбционная емкость в пересчете на активный слой при р/рs=0,1 составляет: по парам воды 0,01 г/см3, по парам толуола 0,12 г/см3.

Пример 2

Заготовку из ППУ марки R20 (20 ppi, соответствует размеру ячейки 1,6-2,5 мм) диаметром 50 мм и высотой 50 мм пропитывают шликером по методике, приведенной в примере 1. На полученную после термообработки керамическую блочно-ячеистую матрицу наносят композицию, состоящую из 9 г каолина, 51 г цеолита NH4ЦВМ (соотношение каолина к цеолиту NH4ЦВМ составляет 15/ 85 мас.%) и 60 г дистиллированной воды (массовое соотношение твердой фазы к жидкой фазе составляет 50/50%). Сушку проводят при температуре 90°С в течение 6 ч. Нанесение активной композиции на поверхность матрицы осуществляют 4 раза. Полученный образец термообрабатывают в среде водяного пара с расходом 200 г/ч в течение 1 ч при температуре 790°С.

Количество нанесенной композиции составляет 17,5% от массы матрицы. Удельная поверхность активного слоя 450 м2/г. Сорбционная емкость в пересчете на активный слой при р/рs=0,1 составляет: по парам воды 0,01 г/см3, по парам толуола 0,11 г/см3.

Пример 3

Заготовку из ППУ марки R10 (10 ppi, соответствует размеру ячейки 2,6-4,5 мм) диаметром 50 мм и высотой 100 мм пропитывали шликером по методике, приведенной в примере 1. На полученную после термообработки керамическую блочно-ячеистую матрицу наносят композицию, состоящую из 9,5 г каолина, 40,5 г цеолита NH4ЦВМ (соотношение каолина к цеолиту NH4ЦВМ составляет 19/81 мас.%) и 60 г дистиллированной воды (массовое соотношение твердой фазы к жидкой фазе составляет 46/54%). Сушку проводят при температуре 85°С в течение 8 ч. Нанесение активной композиции на поверхность матрицы осуществляют 5 раз. Полученный образец термообрабатывают в среде водяного пара с расходом 400 г/ч в течение 1 ч при температуре 800°С.

Количество нанесенной композиции составляет 20,5% от массы матрицы. Удельная поверхность активного слоя 420 м2/г. Сорбционная емкость в пересчете на активный слой при р/рs=0,1 составляет: по парам воды 0,01 г/см3, по парам толуола 0,10 г/см3.

Общая открытая пористость полученных материалов составляет 82-88%, средняя плотность 0,33-0,38 г/см3, содержание активного слоя 15,5-20,5 мас.% при удельной поверхности 420-460 м2/г.

Высокая механическая прочность и удельная поверхность разработанных керамических высокопористых блочно-ячеистых материалов с цеолитовым активным слоем позволит применять их в качестве носителей катализаторов и сорбентов для различных гетерофазных массообменных процессов, в которых необходима гидрофобная поверхность контакта реагентов, например: каталитическая конверсия водорода и углеводородов, сорбция летучих вредных веществ из воздушных потоков.

Способ получения керамических высокопористых блочно-ячеистых материалов, включающий пропитку полиуретановой матрицы ячеистой структуры шликером, состоящим из инертного наполнителя - электроплавленного корунда, дисперсного порошка высокоглиноземистой фарфоровой массы и упрочняющей добавки, сушку, обжиг и нанесение активной композиции методом пропитки с последующим прокаливанием, отличающийся тем, что в качестве активной композиции используется суспензия с массовым соотношением твердой фазы к жидкой 40-50/60-50%, при этом твердую фазу получают смешением каолина с цеолитом НЦВМ или NH4ЦВМ типа пентасил в соотношении 10-19/90-81 мас.%, а жидкой фазой является дистиллированная вода, после нанесения каждого слоя активной композиции проводят сушку материала при температуре 80-90°С в течение 2-8 ч, а после нанесения последнего слоя осуществляют термообработку в среде водяного пара с расходом 100-400 г/ч при температуре 760-800°С не менее 1 ч.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к высокотемпературным композитным материалам, используемым в качестве компонента реактивного двигателя, и касается керамического матричного композитного компонента, покрытого барьерными для окружающей среды покрытиями, и способа его изготовления.

Изобретение относится к получению материала, который способен противостоять высоким температурам в окисляюющей среде, и может быть использовано при изготовлении конструкционных деталей и покрытий.
Способ получения огнеупорного материала для стекловаренных печей может найти применение в стекловаренной промышленности при изготовлении изделий, контактирующих с расплавом стекла.

Изобретение относится к производству изделий из углеродсодержащих материалов и предназначено для защиты от окисления изделий, работающих к условиях окислительной среды при высоких температурах.

Изобретение относится к области углерод-карбидокремниевых композиционных материалов (УККМ), работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано при создании ракетно-космической техники, где к изделиям предъявляется требование по герметичности под избыточным давлением.
Изобретение относится к защитным покрытиям для химической, металлургической, авиационной промышленности. Технический результат изобретения заключается в повышении надежности покрытия к воздействию окружающей среды при сохранении требуемой термостойкости.

Изобретение относится к производству изделий из углеродсодержащих материалов и предназначено для защиты их от окисления в условиях окислительной среды при высоких температурах.

Изобретение относится к производству изделий из углеродсодержащих материалов и предназначено для защиты их от окисления в условиях окислительной среды при высоких температурах.
Изобретение относится к производству изделий из углеродсодержащих материалов и предназначено для защиты их от окисления в условиях окислительной среды при высоких температурах.

Изобретение относится к способу получения защитных высокотемпературных антиокислительных покрытий состава Y2O3-Al2O3-SiO2 на карбидокремниевых волокнах. Технический результат изобретения заключается в снижении вязкости покрытия.

Изобретение относится к составам сырьевых смесей, которые могут быть использованы для изготовления керамзита. Сырьевая смесь для изготовления керамзита включает, мас.%: кирпичную глину 91,0-94,0, кварцевый песок 5,0-7,0, каолин 0,2-0,3, сухой торф 0,5-1,5, соляровое масло 0,2-0,3.
Предлагаемое изобретение относится к области обращения с радиоактивными отходами и облученным ядерным топливом и предназначено для улавливания радиоактивного йода и его соединений из газовой фазы в системах вентиляции и в системах йодной очистки атомных электростанций.
Изобретение относится к области химической технологии керамических высокопористых ячеистых материалов. Технический результат изобретения заключается в повышении удельной поверхности активного слоя.
Изобретение относится к области химической технологии керамических высокопористых ячеистых материалов и предназначено для использования в процессах улавливания паров цезия при остекловывании высокоактивных отходов, высокотемпературной переработке облученного ядерного топлива, в производстве цезиевых источников ионизирующего излучения.

Изобретение относится к производству заполнителей для бетонов. Шихта для производства заполнителя содержит, мас.%: глину монтмориллонитовую 96,5-98,7, сухой торф 1,0-3,0, каолин 0,3-0,5.

Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. Шихта для производства пористого заполнителя содержит, мас.%: глину монтмориллонитовую 98,0-99,9, выгорающую добавку - измельченные на частицы площадью 0,5-1 см2, использованные проездные билеты в виде бумажной оболочки с заключенной в нее микросхемой 0,1-2,0.

Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. Шихта для производства пористого заполнителя содержит, мас.%: глину монтмориллонитовую 75,2-75,8, дробленый до полного прохождения через сетку с размером отверстий 2,5 мм шунгит 1,0-1,5, золу-унос 9,0-13,0, карбоксиметилцеллюлозу 0,2-0,3, глинистые отходы обогащения циркон-ильменитовой руды 10,0-14,0.

Изобретение относится к производству заполнителей для бетонов. Шихта для производства заполнителя содержит размолотые до прохождения через сетку №063 компоненты, мас.%: глину монтмориллонитовую 87,0-89,5, уголь 0,5-1,0, фосфорит 5,0-6,0, кварцевый песок 5,0-6,0.

Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. Шихта для производства пористого заполнителя содержит, мас.%: глину монтмориллонитовую 95,5-97,0, размолотый до прохождения через сетку №0,63 уголь 1,0-1,5, каолин 1,0-1,5, просеянные через сетку №5, пропитанные насыщенным водным раствором буры и высушенные до влажности не более 6% древесные опилки 1,0-1,5.

Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. Шихта для производства пористого заполнителя содержит, мас.%: глину монтмориллонитовую 88,5-90,5, размолотый до удельной поверхности 2000-2500 см2/г уголь 0,5-1,0, золу-унос 8,0-10,0, этилсиликонат натрия или метилсиликонат натрия 0,5-1,0.
Изобретение относится к производству пористых заполнителей для бетонов. Шихта для производства пористого заполнителя содержит, мас.%: глину монтмориллонитовую 91,5-92,5, размолотый и просеянный через сетку № 2,5 уголь 1,0-1,5, кварцевый песок 5,0-7,0, сульфатное мыло, размешанное в теплой воде с температурой 40 - 45оС, 0,5-1,0. Технический результат - повышение прочности пористого заполнителя, полученного из шихты. 1 табл.
Наверх