научная статья по теме СТРУКТУРНЫЕ, ТЕКСТУРНЫЕ И МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЛОЧНЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ ДЛЯ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРНЫЕ, ТЕКСТУРНЫЕ И МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЛОЧНЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ ДЛЯ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ»

Статья поступила в редакцию 14.02.14. Ред. рег. № 1931

The article has entered in publishing office 14.02.14. Ed. reg. No. 1931

УДК 544.478.01, 544.478.1

СТРУКТУРНЫЕ, ТЕКСТУРНЫЕ И МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЛОЧНЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ ДЛЯ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

А.А. Гаврилова12, Н.В. Шикина 1, В.А. Ушаков1, А.В. Ищенко1,

1 12 Н.А. Рудина , З.Р. Исмагилов '

'Институт катализа им. Г.К.Борескова, пр. Лаврентьева,5, г. Новосибирск, Россия, 630090, тел.:8(383)3307670, e-mail: shikina@catalysis.ru 2Институт углехимии и химического материаловедения, пр. Советский, 18, г. Кемерово, Россия, 650000, тел.:8(384)2365551, zinfer1@mail.ru

Заключение совета рецензентов 14.02.14 Заключение совета экспертов 18.02.14 Принято к публикации 21.02.14

Приготовлены образцы катализаторов на основе индивидуальных и смешанных оксидов переходных металлов (Mn, Fe, Co, Cu) с использованием модифицирующей добавки (оксида La) на блочных алюмосиликатных носителях. Исследованы структурные, текстурные и морфологические свойства катализаторов и установлено влияние химической природы и наноструктуры активных компонентов на каталитическую активность образцов в реакции глубокого окисления бутана.

Ключевые слова: катализаторы, блоки, окисление бутана, воздухонагреватели.

STRUCTURAL, TEXTURAL AND MORPHOLOGICAL PROPERTIES OF MONOLITHIC NANOSTRUCTURED CATALYSTS FOR AIR-HEATERS

A.A. Gavrilova1'2, N. V. Shikina1, V.A. Ushakov1, A. V. Ischenko1, N.A. Rudina1,

Z.R. Ismagilov12

'Boreskov Institute of Catalysis SB RAS, pr. Lavrentieva 5, Novosibirsk 630090, Russia e-mail: shikina@catalysis.ru 2Institute of Coal Chemistry and Materials Science SB RAS, Sovetskiy pr. 18, Kemerovo 650000, Russia, 650000, zinfer1@mail.ru

Referred 14.02.14 Expertise 18.02.14 Accepted 21.02.14

Catalyst samples based on individual and mixed oxides of transition metals (Mn, Fe, Co, Cu) with a modified addition (La oxide) supported on monolithic aluminosilicate have been prepared. Structural, textural and morphological properties of catalysts have been studied as well as an effect of chemical nature and a nanostructure of active components on the catalytic activity of samples in the butane oxidation reaction have been established.

Keywords: catalysts, monoliths, butane oxidation, air-heater.

Введение.

Каталитические воздухонагреватели являются автономными источниками тепла, альтернативными централизованному теплоснабжению. Разработка автономных источников тепла является актуальной задачей для обеспечения теплом жилых и производственных помещений в полевых условиях или в условиях, при которых это экономически целесообразно: на сельскохозяйственных

предприятиях для отопления теплиц, коровников, птичников и т.д.; в строительных организациях, которые будут использовать воздухонагреватели для локального теплоснабжения строящихся жилых зданий и промышленных сооружений; на промышленных предприятиях, имеющих большие производственные здания и складские помещения. Средства, вложенные в альтернативную энергетику, позволяют снизить значительную часть

себестоимости продукции и услуг, приходящуюся на энергетические расходы [1].

Каталитические воздухонагреватели имеют следующие преимущества по сравнению с традиционными факельными топочными

устройствами: высокий коэффициент полезного использования топлива (около 100%) за счет высокой эффективности сжигания топлива и полной передачи тепловой энергии потребителю; проведение сжигания при сравнительно невысоких температурах (500-900 °С) и возможность использования материалов с низкой жаростойкостью; санитарно-гигиеническая

безопасность, обеспечиваемая экологически чистым сжиганием (содержание токсических продуктов горения СО, N0» СН ниже ПДК) [2]; повышение урожайности сельскохозяйственной продукции при использовании воздухонагревателей для отопления теплиц за счет углекислотной подкормки (известный агротехнический прием при выращивании растений в закрытом грунте).

В конструкции устройств, использующих каталитическое сжигание, предусмотрена камера сгорания в виде отсека, загруженного гранулированным катализатором [3-6] или в виде кассеты из блоков сотовой структуры (рис.1). Блочные катализаторы характеризуются рядом параметров, обусловливающих их преимущество по сравнению с

Рис. 1. Вид камеры сгорания воздухонагревателя с

кассетой из керамических блоков Fig. 1. View of the air-heater combustion chamber with a cassette containing ceramic monoliths

гранулированными аналогами, такими как низкое газодинамическое сопротивление потоку, отсутствие продольного перемешивания газов или жидкостей в каналах носителя, высокое соотношение доступной поверхности к объему материала, высокая прочность [7-9]. В настоящее время блочные катализаторы изготавливают на основе керамических блоков сотовой структуры [10] или металлических скрученных гофр и высокопористых ячеистых материалов [11,12]. Однако использование металлических носителей подразумевает

приготовление катализаторов через нанесение вторичного покрытия, что значительно усложняет процесс приготовления. Кроме того, велика вероятность снижения адгезии при высоких температурах.

В случае керамических носителей используются различные способы приготовления блочных катализаторов: (1) экструзия готовых катализаторных масс, (2) нанесение активного компонента непосредственно на керамический носитель, (3) нанесение подложки с развитой удельной поверхностью (вторичного покрытия) на керамический блок с последующим введением активного компонента, (4) одновременное нанесение вторичного покрытия и активного компонента (рис. 2). Наиболее технологичным способом приготовления является способ (2) нанесения

методом

пропитки

реакциях окисления активны катализаторы, металлы. Однако из-за

активного компонента керамического носителя.

Известно, что в углеводородов наиболее содержащие благородные высокой стоимости соединений металлов Р^группы и склонности их к дезактивации при высоких температурах применение их ограничено [13]. Более экономичной альтернативой благородным металлам являются оксиды переходных металлов и смешанные компоненты, содержащие благородные металлы и оксиды металлов [14].

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (143) 2014

© Scientific Technical Centre «TATA», 2014

Рис. 2. Схема приготовления блочных катализаторов Fig. 2. Scheme of monolith catalysts preparation

Свойства катализаторов глубокого окисления углеводородов в наибольшей степени определяются оптимальными структурными и текстурными свойствами носителей и размерностью частиц активного компонента [10,15].

Цель данной работы - исследование структурных, текстурных и морфологических свойств моно- и бикомпонентных катализаторов на основе переходных металлов, синтезированных нанесением прекурсоров активных компонентов непосредственно на блочный керамический носитель с ограниченной пористостью.

Проведение исследований в данном направлении позволит выбрать наиболее эффективные каталитические системы для экологически чистого сжигания топлива в воздухонагревательных устройствах.

В рамках поставленной цели были приготовлены образцы блочных катализаторов на основе индивидуальных оксидов Mn и Fe и бикомпонентных катализаторов, содержащих оксид Mn в сочетании с оксидами Fe, Co, Cu, La, исследованы физико-химические и каталитические свойства образцов.

Экспериментальная часть.

В качестве носителя использовали керамический блок сотовой структуры из алюмосиликатной керамики квадратного сечения 75х75х75 мм, размер каналов 2х2мм, удельная поверхность 13,5м2/г, влагоемкость 0,2 мл/г.

Катализаторы приготовлены разными методами.

Способ 1. Однокомпонентные катализаторы были приготовлены методом пропитки по влагоемкости керамического блочного носителя раствором азотнокислых солей Mn (NO3)2-6H2O, Fe(NO3)3-9H2O с последующей сушкой в потоке горячего воздуха и прокаливанием при температуре 450 °С. Содержание оксидов 5 масс.%. Образцы обозначены: MnO2/AlSi, Fe2O3/AlSi.

Способ 2. Двухкомпонентные катализаторы были приготовлены методом пропитки по влагоемкости керамического блочного носителя раствором смеси азотнокислых солей Mn(NO3)2-6H2O+Fe(NO3)3-9H2O; Mn(NO3)2-6H2O+Co(NO3)2-6H2O; Mn(NO3)2-6H2O+Cu(NO3)2-3H2O; Mn(NO3)2-6H2O+La(NO3)3-6H2O

с последующей сушкой в потоке горячего воздуха и прокаливанием при температуре 450 °С. Суммарное содержание оксидов 5 масс.%. Образцы обозначены: (MnO2+Fe2O3)/AlSi, (MnO2+Co2O3)/AlSi,

(MnO2+CuO)/AlSi, (MnO2+La2O3)/AlSi.

Текстурные свойства носителя и катализаторов были исследованы: методом низкотемпературной адсорбции азота на установке ASAP 2400 Micrometrics при 77К с обработкой данных по

методу Брунауэра - Эммета - Теллера (БЭТ); методом ртутной порометрии на приборе Micrometrics, AutoPore IV 9500, V1.09.

Рентгенофазовый анализ (РФА) образцов проводили на дифрактометре HZG-4C (Freiberger Prazisionsmechanik, Германия) с использованием монохроматизированного кобальтового излучения СоКа 0 = 1.79021Ä) в области углов 20-80° по 29 со скоростью сканирования 1 град./мин. Образцы идентифицировали по рентгенографической базе данных JCPDS.

Морфологию поверхности исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с помощью микроскопа JSM 6460LV (JEOL, Япония) и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМВР) на электронном микроскопе JEM-2010 (ускоряющее напряжение 200 кВ, разрешающая способность 1.4 Ä по решетке). Локальный элементный состав поверхности катализаторов изучали методом

энергодисперсионного рентгеновского анализа с помощью энергодисперсионного рентгеновского спектрометра EDAX (EDAX Co).

Каталитическую активность образцов измеряли в реакции глубокого окисления бутана в проточном кварцевом реакторе при температурах от 100 до 500 С. Катализатор загружали в объёме 1см3 в виде фракции 0.5-1мм. Исходную реакционную смесь, содержащую 1об.% С4Н10 в воздухе, подавали в реактор при объёмной скорости 1000 ч-1. Каталитическую активность оценивали по температуре 50%-ной конверсии бутана. Анализ реакционной смеси до и после реактора проводил

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.

Показать целиком