Катализ
Керимова У.Н., аспирант Алиев Н.А., кандидат технических наук, старший научный сотрудник Зейналова С.А., научный сотрудник Касимов А.А., доктор технических наук, профессор
Джамалова С.А., кандидат технических наук, доцент
(Институт нефтехимических процессов им. академика Ю.Г. Мамеда-лиева Национальной академии наук Азербайджана)
РАЗЛОЖЕНИЕ ВОДЫ НА Ni, Fe/g -AI2O3 КАТАЛИЗАТОРЕ
Изучен способ приготовления, состав и свойства катализаторов, которые могут быть применены в реакции разложения воды. Приготовлен ряд образцов катализаторов; исследованы методами РФА и ЭСДО; установлен оптимальный состав катализатора. Изучено влияние условий приготовления и процентного содержания активных компонентов на активность катализатора. Проведены исследования по определению степени поглощения водорода на поверхности катализатора. Установлена зависимость адсорбционных способностей образцов катализаторов от процентного содержания активных компонентов в его составе.
Истощение естественных запасов топлива (природный газ, нефть) и их полное несоответствие структуре и тенденциям потребления, а также экологические затруднения, связанные с их использованием, стимулировали поиски новых видов энергоисточников [1]. В этих условиях многообещающим топливом для выполнения роли «вторичного» энергетического ресурса считается водород. К достоинствам водорода относится его экологическая безопасность и универсальность применения, а также и то, что его запасы практически неистощимы (если в качестве сырья рассматривать воду), поскольку он может быть использован несколько раз повторно. К тому же неоспоримым достоинством этого топлива являются относительная приемлемость для тепловых двигателей без существенного изменения их конструкции, высокая калорийность, возможность долговременного хранения, транспортировки по существующей транспортной сети, нетоксичность и т. д. Однако существенной непреодолимой проблемой до сегодняшнего дня остается неэкономичность его массового промышленного производства. Поэтому работы по водородной энергетике во многих промышленно развитых странах относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и находят все большую финансовую поддержку со стороны государственных структур и частного капитала [2].
Возможность получения водорода в неограниченном количестве и экологическая безопасность его использования позволяют рассматривать его в качестве наиболее приемлемого энергоносителя, так как при сжигании в чистом кислороде единственным продуктом является вода. Иными словами при использовании водорода не образуются парниковые газы, и не нарушается круговорот воды в природе.
Любой водородсодержащий материал может быть потенциальным источником для топливных элементов. Углеводородное топливо - метанол, этанол, природный газ, продукты нефтеперегонки и сжиженный пропан - могут отдавать водород при облагораживании нефтепродуктов путем дополнительной обработки (реформинга). Водород может быть извлечен из биогаза или других соединений, не содержащих углерода. Можно получать водород из
воды с помощью электрического тока. Этот процесс называют электролизом. Но лучше использовать для этого катализатор.
В процессе паровой конверсии метана предложены катализаторы на основе никеля, нанесенного на магний-алюминиевую шпинель [3]. На первой ступени ПКМ при температуре 750-8500С в присутствии катализатора происходит расщепление метана и водяного пара на водород и монооксид углерода. На второй ступени при температурах 200-2500С происходит «реакция сдвига» - превращает монооксид углерода и воду в диоксид углерода и водород. В настоящее время это самый дешевый (и наиболее освоенный) промышленный способ производства водорода. Но для расщепления метана необходима высокая температура. Кроме того, реакция сопровождается выбросами СО и СО2. Данное семейство катализаторов изучалось в течение нескольких лет [4] и в настоящее время широко используется в промышленности, поскольку они обеспечивают достаточную активность при хорошей стабильности и низкой цене.
Влияние носителя на каталитическую активность было исследовано для серии никелевых катализаторов, нанесенных на А1203, БЮ2 - А1203, БЮ2 - 2г02, цеолит Н-У. Показано, что более кислые носители (БЮ2 - А1203, цеолит Н-У) снижают активность катализатора. Так, использование кислых носителей приводит к неполному восстановлению никеля до металла [5].
В работе [6] приведены данные по кинетическому моделированию процесса производства водорода превращением этанола на 15%-ном №-А1203 катализаторе, приготовленным по технологии соосаждения. Кинетические эксперименты были выполнены при атмосферном давлении в стационарном трубчатом реакторе, в интервале температур 320-5200С. Средняя погрешность между скоростями реакций полученных экспериментально и рассчитанных моделью составила 6%.
Работа [7] посвящена сравнительно новому процессу производства водорода - биокатализу. В будущем данная технология может оказаться рентабельной для производства водорода из большого многообразия сточных вод.
Известен также процесс производства водорода из биомассы [8]. Новый подход в данном проекте базируется на комбинированном биопроцессе с участием термофильных и фото-трофных бактерий. Это обеспечивает эффективный процесс производства водорода в маленьких масштабах. Также была изучена паровая конверсия этанола на промышленном Си -содержащем катализаторе дегидрирования в интервале температур 150-300°С, с использованием 12%-го раствора этанола.
В патенте [9] производство водорода предлагается осуществлять автотермическим каталитическим реформингом углеводородного сырья.
Еще один способ - это разложение воды на водород и кислород (прямой термолиз) при нагревании свыше 25000С. Проблема здесь состоит в том, чтобы предотвратить рекомбинацию водорода и кислорода. Очевидны трудности с подбором материалов, выдерживающих такие температуры, и с источником энергии для нагрева.
Электрическое разложение воды (электролиз) является одним из наиболее известных и хорошо исследованных методов получения водорода. Этот метод является наиболее универсальным в отношении использования первичных источников энергии. У этого метода масса и других достоинств: высокая чистота получаемого водорода - до 99,99% и выше; простота технологического процесса, его непрерывность, возможность наиболее полной автоматизации; возможность получения ценнейших побочных продуктов - тяжелой воды и кислорода; общедоступное и неисчерпаемое сырье - вода; физическое разделение водорода и кислорода в самом процессе электролиза. Отрицательной стороной электролиза является высокий расход электроэнергии.
Патент [10] относится к способу получения водорода, электроэнергии и по меньшей мере одного гидроочищенного продукта из углеводородного сырья. Изобретение позволяет одно-
временно получить водород, электроэнергию, а также по меньшей мере один гидроочищен-ный углеводородный продукт.
В патенте [11] представлена физико-химическая технология получения водорода и кислорода из воды. Технический эффект - уменьшение затрат энергии на получение водорода и кислорода из воды.
Процесс получения водорода термическим разложением воды основан на реакции угольного порошка с водой в присутствии окислительных остатков [12].
В работе [13] представлены результаты исследования фотохимического получения водорода из воды в присутствии гомогенных платиновых комплексов. В работе также показана водород - извлекательная активность платиновых комплексов.
В ИНХП НАН Азербайджана в течении ряда лет проводятся исследования по разработке катализаторов, которые могут быть применены для разложения воды [14].
Методика эксперимента
Катализатор готовили путем смешения №(КО3)2-6Н2О, Бе2О3 со связующим, в качестве которого использовали у-Л1203. у-Л1203 в виде фракции с размером частиц 0,05-0,063 мм. Исходные компоненты смешивали в сухом состоянии, добавляли дистиллированную воду при постоянном перемешивании и доводили до пастообразного состояния. Активную массу делили на две части, формовали в гранулы диаметром 3-4 мм. Первую партию подвергали сушке при 1200С и прокалке при 6200С в муфельной печи, при атмосферном давлении. Сушку и прокалку второй партии катализатора проводили соответственно при температуре 120 и 6200С в условиях пониженного давления (Рост=10-15мм рт.ст.). При приготовлении катализатора в условиях пониженного давления (вакуума) наблюдается увеличение объемов пор катализатора ~ на 20% и их более узкое распределение по радиусам по сравнению с катализато-ром, приготовленным в условиях атмосферы.
В целях восстановления железа и никеля до их нульвалентного состояния после проведения прокалки катализатора, катализатор активировали путем обработки водородом при температуре 6000С. После проведения активации, катализатор перед началом эксперимента продували аргоном (гелием) в течение 30 минут с целью освободить реакционный объем от водорода. Затем температуру снижали до 270-2800С. После снижения температуры до 2800С в реактор подается вода (дистиллированная).
Результаты и их обсуждение
Состав полученных образцов приготовленных катализаторов анализировали методом РФА и ЭСДО. Установлено, что при проведении сушки и прокалки образцов катализаторов образуется №Л1204, который является хорошим связующим для катализатора и придает термическую и механическую прочность приготовленному катализатору. Причем при приготовлении катализатора в условиях пониженного давления №Л1204 образуется в сравнительно больших количествах, чем при приготовлении катализатора при атмосферном давлении.
Методом РФА и ЭСДО установлен состав приготовленных для испытания в режиме разложения воды образцов катализаторов.
1. Образец катализатора N10 - Бе203 - у-Л1203 = 15-65-20% подвергали сушке и прокалке в вакуумной печи. При этом в составе катализатора обнаруживается а-Бе203 и №0. При обработке катализатора водородом после прокалки в вакуумной печи в составе катализатора обнаруживается Бе304, а - Бе0 и №°.
2. В катализаторе, содержащем №0 - 0%, Бе203 - 65%о, у-Л1203 - 35%, после обработки водородом обнаруживается
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.