Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Применение пористых материалов в качестве мембранно-каталитических реакторов





 

Сочетание различных размеров и морфологии пор в одну монолитную матрицу расширяет свойства продукта, а, следовательно, и значительно расширяет области применения. Макропористая керамическая основа обеспечивает химическую и механическую стабильности, а также высокую теплопередачу, низкий перепад давлений и высокую скорость внешней массопередачи за счет взаимосвязи между макропорами, в то время как микро/мезопористые покрытия обеспечивают функциональные возможности для конкретного применения, например в мембранных процессах.

Например, отходящие газы различных производств и топливосжигающих установок требуют глубокой очистки от угарного газа [1]. К числу наиболее эффективных методов отчистки отходящих газов относится каталитическое окисление СО [45]. Реакция окисления монооксида углерода протекает с участием как гомогенных, так и гетерогенных катализаторов. Наибольшее распространение получили гетерогенные катализаторы [46]. В связи с этим, разработка и внедрение новых эффективных способов очистки отходящих газов автотранспорта и промышленных производств от СО является актуальной задачей [1].

Использование гранулированных или мелкодисперсных катализаторов проблематично ввиду большого гидродинамического сопротивления при их использовании в реакторах проточного типа. Решением данной проблемы может служить нанесение каталитического состава в виде активного слоя на массивную подложку из пористой керамики или мембраны [47]. Каталитически активный компонент может быть нанесен как непосредственно на поверхность керамической мембраны, так и распределен в ее рабочем слое. Так, например, в работе [48] активные вещества наносили на поверхность синтетической пенокерамики, а в работе [49] пенокерамику предварительно покрывали слоем Al2O3 и/или CeO2, после чего уже наносили активный компонент. Несколько иной подход использован в работах Цодикова М.В. и соавторов [50, 51], в которых в качестве подложки были использованы пористые неорганические мембраны, полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, а активный компонент равномерно распределяли в высокодисперсном виде во внутреннем объеме пор мембраны. В результате было показано, что исследуемая реакция (углекислотный риформинг спиртов) протекает с более высокой скоростью по сравнению со скоростью протекания процесса в традиционном проточном реакторе со стационарным слоем загруженного катализатора аналогичного состава, т.е. пористая мембрана выступает в роли микроканального реактора.

На сегодняшний день для синтеза неорганических мембранных материалов используют различные подходы: спекание порошков [52], золь-гель технологию [53], нанесение селективных слоев путем осаждения из газовой фазы [54], а также различные комбинации этих методов. Преимущества керамических мембран: высокая рабочая температура – до 1000 ºС и выше; высокая механическая прочность и долговечность; стойкость к химически агрессивным средам; удобство регенерации мембран [55]. По типам структур мембраны могут быть симметричными и асимметричными. С тем, чтобы достичь большей производительности при достаточной чистоте фильтрата, разделительный слой мембраны должен быть как можно тоньше и в то же время обеспечивать высокую селективность. Будучи тонкой, мембрана должна обеспечивать высокую механическую прочность относительно деформаций в широком диапазоне температур. В асимметричных мембранах макропористый слой (99,5 % толщины мембраны) является лишь подложкой для непористого рабочего слоя, не создающего сопротивления переносу [56]. Керамическая мембрана ассиметричного типа состоит из 2-х или более слоев, которые формируют последовательно (Рисунок 2) [57].

 

Рисунок 2 – Схема керамической мембраны

 

Самый толстый опорный слой, который называют по-разному – подложка, каркас – определяет механическую прочность мембраны и ее конфигурацию. Он должен также иметь большую пористость (~ 40 %) и минимальное гидравлическое сопротивление. Поверхностный тонкопористый слой толщиной 1–10 мкм называется активным, рабочим или разделительным. Срок службы этих мембран определяется главным образом химической устойчивостью материала в перерабатываемых средах.

Сущность золь-гель технологии применительно к получению рабочих слоев керамических мембран заключается в нанесении композиции, состоящей из золя определенного вещества, связующего, пластификатора, модифицирующих добавок, на пористую подложку фильтрующего элемента. Размер пор рабочего слоя можно регулировать изменением размера частиц исходного золя, состава композиции, условий термической обработки. Кроме диаметра пор большое значение имеет толщина получаемых разделительных слоев, которая должна быть минимальной, чтобы уменьшить гидравлическое сопротивление потоку фильтруемой среды, т.е. увеличить проницаемость мембран. Нанесение (закрепление) каталитического активного слоя (Рисунок 3) на пористые керамические фильтрационные мембраны, предназначенные для удаления механических примесей, позволяет совместить процесс механической фильтрации с каталитической нейтрализацией.

 

Рисунок 3 – Схема керамической фильтрационной мембраны

 

Из обзора литературы по вопросу исследования следует, что ключевой проблемой при реализации мембранных процессов является улучшение характеристик существующих мембранных материалов, в частности, получение мембран с высокой селективностью, высокой термической и химической стабильностью, а также удешевление конченого продукта. Золь-гель − метод получения нанодисперсных частиц позволяет создавать мембраны с мезо/микропористым рабочим слоем и применять их в процессах очистки отходящих газов производств. Усовершенствование традиционных и разработка новых подходов получения мембранно-каталитических реакторов с параметрами, сопоставимыми или превосходящими мировые аналоги, является актуальной задачей.

Экспериментальная часть

Используемые реактивы

 

В ходе выполнения работ были использованы следующие реактивы:

− аммиак водный, NH4OH, осч;

− аргон, Ar, осч;

− гексагидрат хлорида алюминия, AlCl3·6H2O, хч;

− гексагидрат хлорида магния, MgCl2·6H2O, хч;

− диоксид кремния месторождений Республики Коми;

− дистиллированная вода;

− изопропилат алюминия, Al(C3H7O)3, осч;

− магний металлический, Mg, осч;

− маложелезистые бокситы Верхне-Щугорского месторождения Республики Коми;

− метанол, CH3OH, чда;

− нонагидрат метасиликата натрия, Na2SiO3 ·9H2O, хч;

− нитрат серебра, AgNO3, осч.;

− поливиниловый спирт (ПВС), M = 43000, хч;

− поливинилпирролидон (ПВП), M = 12000, хч;

− соляная кислота, HCl (ω = 36 %), чда;

− сульфоцеллюлоза, (ω = 70 %), хч;

− тальк Миасского талькитового месторождения;

− тетраэтоксисилан (ТЭОС), С8Н20О4Si, хч;

− толуол, C7H8 (ω = 99,5 %), чда;

− уксусная кислота, С2Н4O2, хч;

− этанол, C2H5OH, чда.

 







Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.