Некоторые тенденции развития носителей для каталитических систем

При реализации любой производственной цепочки повышенный интерес вызывает совершенствование вовлеченных в нее технологических процессов с целью повышения производительности и удешевления производства. В последнее время всевозрастающие требования по защите окружающей среды обусловливают необходимость минимизации промышленных отходов и, создания безотходных технологий и перехода, в перспективе, к полностью замкнутому циклу.

В химической промышленности для решения перечисленных проблем давно с успехом применяются технологии, основанные на использовании каталитических процессов. Трудно найти область «большой» химии, будь-то производство серной кислоты, синтез аммиака, крекинг нефти, или другие, которая обходилась без привлечения катализаторов. Не случайно раздел химии, изучающий каталитические реакции и каталитические свойства материалов, давно уже стал самостоятельной наукой.

Каталитическая активность нанесенного катализатора в значительной степени зависит от природы носителя. Чем более активен носитель, тем выше температура «зажигания» процесса на нанесенном палладиевом образце.

В настоящее время большинство каталитических материалов наносятся на керамические носители. Впервые о катализаторах очистки газов в виде пакетов с множеством тонких фарфоровых трубок, стержней, расположенных в шахматном порядке, покрытых платиной (0,06 – 0,07 мм), упоминается в [1]. Однако более совершенными в конструктивном отношении и по газодинамическим характеристикам, механически прочными и термически устойчивыми оказались монолитные керамические носители с регулярными сквозными отверстиями (d=1 – 2 мм) в виде сот различной формы.

Каталитические материалы на керамических носителях удобны, просты в производстве и эксплуатации, обладают большой удельной площадью и меньшей стоимостью по сравнению с металлическими носителями. Однако, им присущи и значительные недостатки: низкая термостойкость, хрупкость, даже от несильного удара соты керамического носителя рассыпаются; недостаточная адгезия каталитически – активного материала к подложке, вследствие чего происходит вынос благородного металла.

Катализаторы на металлическом носителе [2] сочетают высокую теплопроводность и механическую прочность, а носитель позволяет формировать каталитический элемент реактора с упорядоченным пространственным расположением активного материала в оптимальной для конкретного процесса форме.

По виду, конфигурации, методам предварительной обработки и нанесения активных компонентов металлические носители можно разделить на группы:

1. проволочные материалы (спирали, сетки и др.);

2. гладкие и гофрированные листы, ленты из различных сплавов, сворачиваемые в «соты»;

3. изделия различной формы из сплавов Ренея, содержащие алюминий;

4. фильтры из вспененных металлов, полые металлические и неметаллические трубки и др.

В качестве носителя каталитического материала чаще всего используют алюминий и его сплавы [3], но он не настолько термостоек, как необходимо во многих каталитических реакциях; стальная жесть – в процессе эксплуатации покрывается оксидными слоями (окалиной), в результате чего нарушается адгезия каталитического покрытия с подложкой. Жаростойкие и жаропрочные стали, также использующиеся в качестве носителей, лишены всех выше перечисленных недостатков, однако, наличие оксидного слоя не позволяет наносить каталитический материал непосредственно на подложку.

Преимущества катализаторов на металлических носителях, становятся очевидными при сравнении их с катализаторами на керамических носителях, в процессах очистки промышленных газов. В одинаковых условиях катализаторы из платиновых металлов на металлических носителях оказываются более термостабильными (выдерживают перегревы до 800 – 1050 °С), долговечными, обеспечивают глубокое окисление, в отдельных случаях при более низких температурах. Благодаря обтекаемой форме (сетки, фильтры, спирали), они оказывают в 2-10 раз меньшее сопротивление газовому потоку, чем гранулированные контакты, более прочны к механическим воздействиям. Высокая теплопроводность предотвращает перегревы цельнометаллических катализаторов в экзотермических процессах полного окисления СО, органических соединений, аммиака.

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод, что для всех изученных реакций существует параллелизм между активностями носителей и активностью рабочих слоев [4]. Чем активнее носитель воздействует на данную электрохимическую реакцию, тем активнее будет каталитический материал на этом же носителе и вся система в целом. Также в ряде работ [5, 6] показано влияние анодной обработки поверхности катализатора на его каталитическую активность.

Однако существенным недостатком металлических носителей является их малая поверхность. Среди первых двух групп носителей только сплавы, содержащие каталитически активные компоненты (благородные металлы и их сплавы, монель, нержавеющая сталь, инконель) могут применяться без дополнительной обработки.

В основном все металлические носители подвергаются окислению для разрыхления поверхности при высокой температуре, химической обработке хлороводородной, хромовой, ванадиевой кислотами, вольфрамовокислым аммонием, марганцовокислым калием, либо на поверхность носителя наносят оксиды металлов с последующим введением активных компонентов.

На основании всего выше сказанного можно сделать вывод, что оптимальным носителем для катализатора является металлический, однако, остается нерешенной проблема увеличения его поверхности.

Литература:

1. Попова Н.М. Катализаторы очистки выхлопных газов автотранспорта / Попова Н.М. Алма - Ата: Наука, 1987. - 224 с.

2. Яшник С.А. Исмагилов З.Р., Порсин А.В., Денисов С.П., Данченко Н.М. Блочные Pt(Pd)–Mn–Al–O катализаторы нейтрализации отработанных газов дизельных двигателей: каталитические технологии защиты окружающей среды для промышленности и транспорта: тезисы докладов Всероссийской конференции с международным участием, 11 – 14 декабря 2007 г., Санкт-Петербург: Новосибирск, 2007. -384 с.

3. Ефремов В.Н., Евсеев А.П., Бруштейн Е.А., Голосман Е.З. Промышленная эксплуатация никель медных катализаторов в процессе очистки отходящих газов азотнокислых производств: каталитические технологии защиты окружающей среды для промышленности и транспорта: тезисы докладов Всероссийской конференции с международным участием, 11 – 14 декабря 2007 г., Санкт-Петербург: Новосибирск, 2007. -384 с.

4. Андронов Е.А. Влияние способа нанесения Pd на избирательность катализаторов в реакциях окисления / Андронов Е.А., Померанцева Л.А., Хроменкова З.А., Морозова И.Б., Петухова Е.А. // Журнал прикладной химии.-1993.-Т.66.-вып.2.-С.267–270.

5. Коровин Н.В. Влияние анодной обработки на электрокаталитическую активность никелевого поверхностного катализатора в реакции катодного выделения водорода / Коровин Н.В., Козлова Н.И., Куменко М.В. // Электрохимия.-1985.-т.21.-№3.-С.383-387.

6. Гервасьева И.В. Образование кубической структуры в сплавах никеля с палладием для эпитаксиальных подложек ленточных высокотемпературных сверхпроводников / И.В. Гервасьева, Д.П. Родионов, Ю.В. Хлебникова, Н.Ф. Вильданова, А.С. Штырлов и др. // Физика металлов и металловедение.– 2007.-Т.103. -№6. –С.633-641.