способ получения катализатора для разложения вредных примесей

Формула изобретения

Способ получения катализатора для разложения вредных примесей, включающий смешение диоксида марганца и оксида меди со связующим, формование гранул, сушку, дробление и термообработку, отличающийся тем, что в качестве связующего берут оксид кальция в количестве 7 - 40 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области неорганической химии и может быть использовано, в частности, для приготовления катализатора, применяемого для очистки газовых смесей от оксида углерода в системах коллективной и индивидуальной защиты органов дыхания и выбросах промышленных предприятий, для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания; для разложения озона в производствах с его участием, а именно: водоподготовке, очистке сточных вод, обработке полупроводников в электронной промышленности, стерилизации в медицине и дезинфекции в сельском хозяйстве, а также для других индустриальных и природоохранных целей.

Известен способ получения катализатора для разложения вредных примесей, включающий смешение диоксида марганца, оксида меди и связующего (талюма) в соотношении (30-40):(20-30):(30-50), формование гранул посредством прессования смеси компонентов в матрице с последующим выдавливанием гранул, их гидротермальную обработку при температуре 90-100^oC в течение 2 часов и прокаливание при температуре 300^oC в течение 3 часов. (А.с. СССР N 1768247 от 29.12.90 г., кл. В 01 J 23/84, 53/36).

Недостатком известного способа является низкая производительность технологического процесса промышленного получения катализатора вследствие невозможности формования гранул на шнековом грануляторе из-за низкой пластичности пасты смеси компонентов.

Известен также способ получения катализатора, включающий смешение диоксида марганца и оксида меди со связующим (талюмом), предварительно обработанным водой при температуре 70-100^oC в течение 0,5-5,0 часов и прокаленным при температуре 200-1000^oC в течение 1-6 часов, формование гранул на шнековом грануляторе, гидротермальную обработку, сушку и прокаливание при температуре 300-400^oC. (Пат. РФ N 2077947 от 04.04.95 г., кл. В 01 J 23/889, 37/04// (В 01 J 23/84, 101:62)).

Недостатком указанного способа является высокая себестоимость промышленного процесса получения катализатора, обусловленная значительным износом фильер при формовании гранул, вследствие сильных абразивных свойств формуемой катализаторной массы.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения катализатора, включающий смешение диоксида марганца и оксида меди со связующим бентонитовой глиной, при этом диоксид марганца смешивают с оксидом меди одновременно с приготовлением последнего при температуре 50-95^oC в течение 0,5-3,0 часов, а затем диоксид марганца и оксид меди смешивают со связующим, формование гранул, сушку сформованных гранул при температуре 60-90^oC в течение 10-15 часов, дробление и термообработку при температуре 250-370^oC. (Пат. РФ N 2083279 от 31,10.95 г., кл. В 01 J 23/889, 37/04// (В 01 J 23/84, 101:62)).

Недостатком известного способа является низкая механическая прочность и неустойчивость гранул полученного катализатора по отношению к воде, а именно: разрушение гранул при контакте с водой в виде жидкой фазы.

Заявляемое изобретение направлено на решение следующей задачи: повышение механической прочности и устойчивости гранул полученного катализатора по отношению к воде при сохранении на высоком уровне активности в окислении оксида углерода и разложении озона, что достигается предложенным способом, включающим смешение диоксида марганца и оксида меди со связующим, формование гранул, сушку дробление и термообработку.

Отличие предложенного способа от известного заключается в том, что в качестве связующего берут оксид кальция в количестве 7-40 мас.%.

Из научно-технической литературы авторам неизвестен способ получения катализатора для разложения вредных примесей, включающий смешение диоксида марганца и оксида меди со связующим, в качестве которого берут оксид кальция в количестве 7-40 мас.%.

Способ осуществляется следующим образом.

Готовят водную суспензию диоксида марганца и добавляют в нее твердый едкий натрий. После растворения последнего в суспензию добавляют медный купорос в виде водного раствора и ведут перемешивание в течение 0,5-3,0 часов при температуре 50-95^oC, Затем суспензию фильтруют и отмывают от сульфат-ионов. Полученную пасту смешивают со связующим - оксидом кальция в количестве 5-20 мас.%, пластифицируют и формуют гранулы на шнековом грануляторе при температуре 100-110^oC и давлении 35-45 атм через фильеры с диаметром отверстий 1,0-1,5 мм. Сформованные гранулы сушат при температуре 60-90^oC в течение 10-15 часов, дробят, отсеивают фракцию 1-3 мм и проводят термообработку при температуре 250-370^oC. Полученный катализатор имеет следующий состав: диоксид марганца 50-70 мас.%, оксид меди 10-25 мас.%, оксид кальция 5-20 мас.%, примеси - остальное. Механическая прочность полученного по предлагаемому способу катализатора составила 92-96%, механическая прочность катализатора, полученного по известному способу, составила 78-83%. Для полученного по предлагаемому способу катализатора активность в окислении оксида углерода составила 1,68-2,13 ммоль/г, степень очистки от озона составила 95,4-99,6%. Для катализатора, полученного по известному способу, каталитическая активность в окислении оксида углерода составила 1,68-2,13 ммоль/г, степень очистки от озона составила 95,4-99,6%.

Пример 1.

В смеситель, снабженный подогревающим и перемешивающим устройствами заливают 4 л воды, включают перемешивающее устройство и загружают 4 кг пасты диоксида марганца с влажностью 50%. Перемешивание ведут в течение 30 минут до образования однородной водной суспензии диоксида марганца. Затем в смеситель добавляют 0,6 кг твердого едкого натрия и продолжают перемешивание в течение 20 минут. После растворения едкого натрия, установив в смесителе температуру 60^oC и не прекращая перемешивания, в смеситель постепенно в течение 10 минут добавляют 4,2 л раствора медного купороса с концентрацией 245 г/дм³. После добавления медного купороса перемешивание продолжают еще в течение 30 минут, поддерживая при этом установленную ранее температуру. По окончании перемешивания пасту смеси диоксида марганца и оксида меди фильтруют и отмывают от сульфат-ионов. Полученную пасту с влажностью 50% в количестве 5 кг загружают в лопастной смеситель, снабженный паровой рубашкой, добавляют 0,17 кг связующего - оксида кальция и ведут процесс пластификации пасты при температуре 50^oC в течение 0,6 часа до влажности 30%. Полученную пасту выгружают и формуют на шнековом грануляторе при давлении 40 атм и температуре 110^oC через фильеры с диаметром отверстий 1,1 мм. Сформованные гранулы сушат при температуре 70^oC в течение 14 часов. Высушенные гранулы дробят, отсеивают фракцию 1-3 мм и проводят термообработку при температуре 450^oC. Полученный катализатор имеет следующий состав: диоксид марганца 60 мас.%, оксид меди 15 мас. %, оксид кальция 5 мас.%, примеси - остальное. Механическая прочность полученного катализатора составила 92 %, каталитическая активность в окислении оксида углерода составила 2,13 ммоль/г, степень очистки от озона составила 98,6 %.

Пример 2.

Ведение процесса как в примере 1, за исключением количества добавленного оксида кальция, которое составило 0,35 кг. Полученный катализатор имеет следующий состав: диоксид марганца 60 мас.%, оксид меди 15 мас.%, оксид кальция 10 мас.%, примеси - остальное. Механическая прочность полученного катализатора составила 92%, каталитическая активность в окислении оксида углерода составила 2,13 ммоль/г, степень очистки от озона составила 98,6%.

Пример 3. Ведение процесса как в примере 1, за исключением количества добавленного оксида кальция, которое составило 0,5 кг. Полученный катализатор имеет следующий состав: диоксид марганца 60 мас.%, оксид меди 15 мас. %, оксид кальция 15 мас.% примеси - остальное. Механическая прочность полученного катализатора составила 92 %, каталитическая активность в окислении оксида углерода составила 2,13 ммоль/г, степень очистки от озона составила 98,6 %.

Результаты исследования влияния количества добавленного оксида кальция на механическую прочность полученного катализатора, его каталитическую активность в окислении оксида углерода и степень очистки от озона приведены в таблице.

Как следует из данных, приведенных в таблице, повышение механической прочности и устойчивости гранул полученного катализатора по отношению к воде при сохранении на высоком уровне активности в окислении оксида углерода и разложении озона наблюдается при использовании в качестве связующего оксида кальция в количестве 7-40 мас.%. При снижении количества связующего менее 7 мас. % не представляется возможным получить продукт, обладающий достаточной механической прочностью и устойчивостью к воде. Увеличение количества связующего более 40 мас.% приводит к заметному уменьшению активности катализатора в окислении оксида углерода и разложении озона.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

Повышение механической прочности катализатора, полученного по предлагаемому способу, и устойчивости гранул по отношению к воде при сохранении на высоком уровне активности в окислении оксида углерода и разложении озона при использовании в качестве связующего оксида кальция в количестве 7-40 мас.% обусловлено, вероятно, следующими причинами.

В составе катализатора, полученного по предлагаемому способу, диоксид марганца выступает в роли активного компонента, оксид меди играет роль промотора, усиливая каталитические свойства первого, оксид кальция является связующим веществом, обеспечивая связь между частицами активного компонента и промотора. Поскольку дисперсность связующего вещества существенно выше таковой для диоксида марганца и оксида меди, то сформованная гранула представляет собой систему, которая состоит из частиц связующего вещества, образующих пространственный каркас, включающий в себя частицы активного компонента и промотора. При добавлении к пасте смеси диоксида марганца и оксида меди с влажностью 50% оксида кальция в результате реакции его гидратации образуется гидроксид кальция, который в дальнейшем превращается в карбонат кальция. Поскольку соединения подобного класса являются нерастворимыми в воде, то и гранулы полученного катализатора обладают высокой устойчивостью по отношению к воде.

При этом гораздо более высокий прочностной модуль карбоната кальция по сравнению с бентонитовой глиной, используемой в качестве связующего в известном способе, обеспечивает активное противодействие воздействию механических нагрузок на гранулы катализатора, полученного по предлагаемому способу, что и способствует, в конечном итоге, повышению механической прочности и устойчивости гранул по отношению к воде при сохранении на высоком уровне активности полученного катализатора в окислении оксида углерода и разложении озона.

Уменьшение количества оксида кальция менее 7 мас.% не обеспечивает возможности получить продукт, обладающий достаточной механической прочностью и устойчивостью к воде, вследствие низкого содержания связующего, что делает невозможным использование катализатора в реальных процессах газо- и водоочистки. Увеличение количества оксида кальция более 40 мас.% приводит к заметному уменьшению активности в окислении оксида углерода и разложении озона, что обусловлено снижением относительной доли активного компонента и промотора в составе катализатора при увеличении относительной доли связующего, которое с точки зрения каталитических свойств системы является инертным балластом.

Таким образом, предложенный способ позволяет получить катализатор с повышенной механической прочностью и устойчивостью гранул по отношению к воде при сохранении на высоком уровне активности катализатора в окислении оксида углерода и разложении озона.

Реализация предложенного способа позволит значительно расширить область применения катализатора, применяемого для разложения озона в производствах с его участием, а именно: водоподготовке, очистке сточных вод, обработке полупроводников в электронной промышленности, стерилизации в медицине и дезинфекции в сельском хозяйстве; для очистки газовых смесей от оксида углерода в системах коллективной и индивидуальной защиты органов дыхания и выбросах промышленных предприятий, для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, а также для других индустриальных и природоохранных целей, что даст возможность эффективно решить широкий круг экологических и технологических проблем.

Из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на решение поставленной задачи, а именно: повышение механической прочности и устойчивости гранул полученного катализатора по отношению к воде при сохранении на высоком уровне активности в окислении оксида углерода и разложении озона, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного технического решения.