Композиционные высокопористые ячеистые материалы в каталитических технологиях очистки газовых выбросов промышленности

Проблема комплексной очистки отходящих газов от токсичных
компонентов стоит особенно остро в городах с развитым
промышленным сектором. На сегодняшний день существует множество
методов очистки газовых выбросов: адсорбционный, мембранный,
биологический, термический и др. В последнее время
каталитический способ очистки стал пользоваться все большей
популярностью. В связи с этим все более актуальным становится
вопрос по разработке новых, композиционных материалов с
характеристиками, превосходящими известные, сочетающие заданные
структуру и свойства, начиная от нано- до макроструктуры.

На производство катализаторов, предназначенных для решения
экологических проблем, сейчас в мире затрачивается больше
средств, чем на получение катализаторов для химической
промышленности или нефтепереработки. Многочисленные
исследования, проводимые в Российской Федерации и за рубежом,
сосредоточены на поиске новых материалов для носителей
катализаторов — жаростойких, прочных, с высокоразвитой
поверхностью и низким гидравлическим сопротивлением,
выдерживающих высокие удельные нагрузки и обладающих длительным
ресурсом работы, доступных по стоимости для применения в
химической промышленности, энергетике, транспорте, экологии.

Одним из наиболее перспективных по совокупности характеристик
носителей катализаторов являются высокопористые ячеистые
материалы (ВПЯМ). Активные исследования по применению
высокопористых материалов в качестве носителей катализаторов
начались лишь в последние годы, хотя сам класс материалов
известен с середины XX века.

Поверхность металлического ВПЯМ характеризуется ступенчатым
микрорельефом, сформировавшимся в результате перекристаллизации,
протекающей в объеме частиц. При осаждении гидроксида алюминия
на металлические ВПЯМ с последующей термообработкой получены
композиционные ВПЯМ со слоем оксида алюминия (рис. 1).

Рисунок 1. Структура агломератов 1 — η— Al2O3; 2 — γ-Al2O3 на ВПЯМ

Местами образования затравочных кристаллов являются
микронеоднородности кристаллических зерен, химически
неоднородные поверхности, способные образовывать твердые
растворы с осадком, изоморфные структуры поверхности. Химическая
и структурная неоднородность ВПЯМ оказывает топологически
ориентирующий эффект при получении покрытия с высокоразвитой
поверхностью

Показана высокая прочность соединения фаз в композиционном ВПЯМ
— по истечении 1 часа продувки при скорости газового потока до
20 м/с потеря массы покрытия Al2O3 составляет менее 1 вес. %.
Слой носителя выдерживает вибрацию до 7 миллионов циклов с
частотами от 20 до 3000 Гц, амплитудами до 0,028 м и ускорениями
до 200 м/с и 20-кратное термоциклирование в режиме: воздух 8000С
— вода — воздух 8000С с потерей массы менее 1 вес. %. Такая
высокая прочность нанесенного слоя керамики на металле объяснима
фрактальной структурой полученного покрытия (рис. 2).

Разработаны методики синтеза на поверхности композиционного
Ni-ВПЯМ/Al2O3 палладиевых, медно-марганцевых и сложнооксидных
катализаторов перовскитного типа, содержащих лантан переходные
металлы (Mn, Co, Cu, V, Cr), допированные ионами Ag, Cs, Mo с
ресурсом работы до 12000 часов. Температуры режимов
термообработки, определяющие активность и стабильность работы
неравновесных композиций не превышали 4000С. Определение
эффективности работы каталитических блоков на основе ВПЯМ по
дожигу летучих органических веществ было произведено на
лабораторных стендах и промышленных установках (таблица 1).

Стоимость каталитических покрытий при замене платиновых металлов
на сложнооксидные композиции на основе редкоземельных и
переходных металлов, как показывают расчеты, снижается в
несколько раз, имеются возможности дополнительного снижения
цены в зависимости от конкретных условий эксплуатации.

Рисунок 2. Сдвиг кристаллов Al2O3 при деформациях ВПЯМ, нанесенных: а, в, д — по предложенной методике; б, г, е — по другим методикам; г, е — выделены отслаивающиеся кристаллы.

Дожиг паровоздушных смесей на блоках композиционных ВПЯМ

* — композиционный ВПЯМ с палладием

Выводы

Композиционные высокопористые проницаемые ячеистые металлы
являются новым видом структур, не превзойденных по пористости,
проницаемости, жаростойкости и связности.

Катализ при охране окружающей среды, в экологии, энергетике, где
композиционные ВПЯМ применяется как в качестве носителя
катализатора, так и непосредственно в качестве катализатора
представляет особую важную область их применения.