Некоторые тенденции развития катализаторов в нейтрализации оксидов азота и углерода

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.

Процесс очистки газовых выбросов может быть основан на адсорбционном, абсорбционном и каталитическом методах. Наиболее эффективным инструментом обезвреживания загрязняющих веществ до уровня предельно допустимых концентраций являются каталитические реакции. Каталитический метод предпочтителен и с экономической точки зрения.

Так, для денитрификации отходящих газов разработаны каталитические процессы высокотемпературного и селективного восстановления с использованием высокоактивных катализаторов [1]. Первый процесс протекает в бескислородной среде, второй осуществляется при взаимодействии восстановителя, чаще всего аммиака, с NO в присутствии кислорода.

Надо отметить, что каталитический процесс нейтрализации продуктов горения протекает, как правило, при температуре выше 300 ⁰С и при малых временах контакта, что связано с большими скоростями потока промышленных выбросов и отработанных газов двигателей внутреннего сгорания [2]. Соответственно к катализаторам очистки газов предъявляются весьма жесткие требования – высокая активность и избирательность каталитического действия, термостабильность, устойчивость к действию ядов, высокая механическая прочность, большая теплопроводность. Катализаторы должны быть потенциально безопасными, а их производство не должно привносить дополнительное загрязнение в окружающую среду [3, 4].

В настоящее время все большее распространение получают насыпные (и монолитные многокомпонентные каталитические системы, содержащие активные металлы на различных носителях. В качестве активного компонента используют один или несколько металлов: Mn, Fe, Cr, V, Mo, Co, Ce, Ni, W, Cu, Sn, Au, Pt, Pd, Rh и Ir [5].

В качестве катализаторов селективного восстановления оксидов азота испытаны оксиды ванадия, хрома, цинка, железа, меди, марганца, никеля, кобальта, молибдена и других металлов. Каталитическая активность их при 200-350 ⁰С снижается в ряду [5]:

Pt>MnO₂>V₂O₅>CuO>Fe₂O₃>Cr₂O₃>Co₂O₃>MoO₃>NiO>WO₃>Ag₂O>ZnO> Bi₂O₃>Al₂O₃>SiO₂>PbO.

В практике дожигания вредных веществ часто используют оксидные и металлические катализаторы, отработанные в целевых промышленных процессах – алюмоплатиновые катализаторы риформинга и изомеризации, палладиевые катализаторы гидрирования, оксидные хромсодержащие катализаторы конверсии метана и монооксида углерода. Однако следует иметь в виду, что эти катализаторы содержат соединения хрома (их часть представлена Cr⁶⁺), что делает опасным использование данных катализаторов в экологических целях.

Еще одним направлением совершенствования катализаторов является нанесение на поверхность блочных катализаторов активного компонента – вторичного покрытия с последующим его закреплением. Вторичное покрытие позволяет существенно снизить содержание благородных и тяжелых металлов (единицу объема катализатора) и повысить механическую прочность катализатора. Такая модификация эффективна для катализаторов на керамических носителях, так как они обеспечивают сильное сцепление с вторичным покрытием и повышают устойчивость последнего к истиранию. Такие катализаторы при существенно более низком общем содержании тяжелых металлов могут конкурировать с массивными образцами, так как они работают в широком интервале температур, сохраняя при этом свои более высокие прочностные характеристики. Кроме того, созданы каталитические системы с вторичным термостабильным покрытием, содержащие в качестве активных компонентов Pt и Pd и модифицирующие добавки - катионы Ce, La, Zr, Mg, Si.

Однако, надо сказать, что технология нанесения вторичного покрытия на керамический носитель пока еще неудовлетворительна. Оксидное покрытие, повышающее в целом механическую прочность катализатора, само получается недостаточно прочным, что приводит к механическим потерям при эксплуатации, дополнительным затратам металлов и энергии.

При создании вторичных покрытий на металлических поверхностях существует больше возможностей, такую модификацию можно проводить с помощью химических и физических методов синтеза.

Литература:

1. Денисов А.А. Нейтрализация отходящих газов газомоторных автомобилей, работающих на комбинированном топливе / Денисов А.А., Охапкин А.Г. // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 1993. – №5. – С. 48-50.

2. Носков А.С. Технологические методы защиты атмосферы от вредных выбросов на предприятиях энергетики / Носков А.С., Пай З.П.–Новосибирск: СО РАН, ГПНТБ, 1996.- 156 с.

3. Сигал И.Я. Термическая и каталитическая очистка газовых выбросов / Сигал И.Я. – К.: Наукова думка, 1984. – 156 с.

4. Хмыров В.И., Термическая и каталитическая очистка газовых выбросов в атмосферу / Хмыров В.И., Рощупкин Н.И. –К.: Наукова думка, 1984. – 25с.

5. Ведь М.В. Электроосаждение каталитически активных покрытий сплавами никеля / Ведь М.В. // Экотехнологии и ресурсосбережение.-2006.-№4.-С.60-65.