катализатор очистки воздуха от кислородсодержащих примесей и способ его приготовления

Формула изобретения

1. Катализатор очистки воздуха от кислородсодержащих примесей, в том числе озона, на основе диоксида марганца, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан и диоксид титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Диоксид марганца - 5-15

Диоксид титана - 0,05

Титан - Остальное

и выполнен из частиц титана размером 0,2-1,6 мм, спрессованных до пористости 15-65 об.% слоем 1-10 мм в форме стакана, труб, пластин, стержней, полусфер и др. и спеченных.

2. Способ приготовления катализатора очистки воздуха от кислородсодержащих примесей, в том числе озона, на основе диоксида марганца, включающий пропитку соединением марганца, сушку и термическую обработку, отличающийся тем, что в качестве основы используют частицы титана размером 0,2-1,6 мм, спрессованные до пористости 15-65 об.% слоем 1-10 мм, в форме стакана, труб, пластин, стержней, полусфер и др. и спеченные при 11000-1200^oС, и диоксид марганца осаждают на поверхность и в опоры основы путем погружения в раствор, содержащий 45-55 мас.% азотнокислого марганца при 50-70^oС с выдержкой в течение 0,5-1 ч, после чего образец высушивают на воздухе и затем термообрабатывают при 300^oС в течение 2-3 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области каталитической очистки воздуха от кислородсодержащих примесей, таких как озон, оксид углерода, оксиды азота и др. Может быть использовано в устройствах систем кондиционирования воздуха, в частности для удаления озона из воздуха, подаваемого в кабины самолетов, для очистки выбросных газов промышленных производств, разложения остаточного озона в технологических процессах озонирования воды и т.д.

Известен катализатор разложения озона и других кислородсодержащих примесей, представляющий собой активированный уголь с нанесенным на его поверхность диоксидом марганца [1]

Катализатор гопкалит на основе активированного диоксида марганца имеет высокую каталитическую активность в реакции разложения озона и кислородсодержащих газов [2] используется либо в насыпном виде, либо фиксируется в размельченном состоянии на опорной матрице путем приклеивания.

Известен способ приготовления катализатора с диоксидом марганца путем покрытия носителя из металла, стекла, керамики активным компонентом [3]

Недостатком упомянутых катализатором является снижение эффективности очистки газа при увеличении газодинамических нагрузок вследствие истирания катализатора, уноса активной фазы. Увеличение высоты слоя катализатора влечет за собой резкое увеличение гидравлического сопротивления. Другим недостатком перечисленных катализаторов является необходимость устройств, фиксируемых слой катализатора, пылефильтров.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является катализатор на основе диоксида марганца, полученных осаждением его на подложу из пористого термостойкого материала, такого как полиамид, фенольный полиамид и др. [4] Недостатки выявлены теже, что и у аналогов: невысокая механическая прочность катализатора, резкий прирост гидравлического сопротивления и снижение эффективности очистки при увеличении скорости очищаемого воздуха.

Сущность изобретения состоит в повышении эффективности катализатора на основе диоксида марганца путем увеличения проницаемости, прочности, термостойкости. Это достигается тем, что катализатор дополнительно содержит титан и диоксид титана при следующем соотношении компонентов: диоксид марганца 5-15 мас. диоксид титана не более 0,05 мас. титан остальное. Катализатор выполнен в виде стакана, стенки и дно которого спрессованы из частиц титана размером 0,2 1,6 мм, толщиной 10 мм и спечены до пористости 15 65% а диоксид марганца осажден в поры, образованные между спеченными частицами титана в количестве 5-15 мас.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый катализатор отличается от известного тем, что в качестве носителя диоксида марганца используется спрессованный из частиц титана размером 0,2-1,6 мм до пористости 15-65% слоем 1-10 мм пористый фильтрующий элемент (основа), выполненный в форме стакана, трубы, пластины, стержня, полусферы и спеченный при температуре 1100-1200^оС, а известный катализатор диоксид марганца осажден на поверхность и в поры основы и в целом образует марганецтитановый катализатор, чем и обусловлено его существенное отличие от ранее заявленных катализаторов, обеспечивающее ему механическую прочность и тем самым более высокую эффективность при высоких удельных скоростях очищаемого газа.

Таким образом, заявляемый катализатор соответствует критерию изобретения "новизна".

Анализ других известных способов получения катализаторов и катализаторов-композиций, используемых для очистки воздуха от кислородсодержащих примесей, в том числе и озона, показал, что диоксид марганца используется в гранулированном виде или в качестве нанесенного катализатора на инертном носителе, не являющимся составной частью активной фазы (глинозем, полимеры), однако их использование на гранулированных носителях керамических или полимерных не обеспечивает катализатору тех свойств, какими он обладает в сочетании с пористым титановым носителем, выполненным путем прессования и последующего спекания при температуре 1100-1200^оС частиц титана размером 0,2-1,6 мм до пористости 15-65 об. слоя толщиной 1-10 мм, выполненного в форме стакана, труб, пластин и др. а на поверхность спеченных частиц и в поры основы осажден диоксид марганца.

На фиг.1 представлена зависимости степени превращения озона в озоно-воздушной смеси, содержащей 100 ррм озона от температуры очищаемой смеси при различном соотношении компонентов в каталитической композиции. Как видно из кривых, представленных на фиг.1 катализатор, содержащий 15 диоксида марганца, уже при комнатной температуре и выше почти полностью разлагает озон в воздухе кривая 1. Кривые 2 и 3 отражают зависимость степени превращения озона от температуры для катализатора с содержанием диоксида марганца 5 и 9 мас. На фиг.2 представлена зависимость степени превращения озона от температуры для катализатора на основе диоксида марганца прототипа. Как видно, активность заявляемого катализатора, полученного заявляемым способом при температуре от 0 до 350^оС, т.е. в предлагаемом интервале температур значительно превосходит ранее известный.

Заявляемый катализатор получали следующим образом: частицы титана определенного размера или смесь частиц разных размеров в диапазоне от 0,2 до 1,6 мм перемешивали, загружали в пресс-форму требуемой конфигурации, уплотняли и спрессовывали до пористости 15-65 об. толщиной 2-6 мм, а затем спекали при температуре плавления титана 1100-1200^оС. На поверхность спеченных частиц осаждали диоксид марганца в количестве от 5 до 15 мас. путем погружения в раствор, содержащий 50 мас. азотнокислого марганца при температуре 50-70^оС с выдержкой в течение 0,5-1 ч при каждом погружении с последующим высушиванием на воздухе и термообработкой при температуре 300^оС в вакуумной печи в течение 2,5-3 ч, т.е. в течение времени, достаточного для полного удаления продуктов разложения соли. Увеличение содержания диоксида марганца достигали многократностью операции осаждения. Экспериментально установлено, что при соотношении компонентов: диоксид марганца15 мас. диоксид титана 0,05 мас. титан остальное, в исследованной области температур катализатор эффективно разлагает озон в воздухе и дальнейшее увеличение содержания диоксида марганца нецелесообразно. Пористость менее 15 об. не позволяет обеспечить качественное осаждение диоксида марганца по всей толщине прессовки и хорошую проницаемость катализатора, а пористость свыше 65 об. приводит к снижению прочности катализатора, его эффективности при очистке газа. Форма полученного катализатора зависит от геометрии пресс-формы, что позволяет регулировать геометрические размеры цельнометаллического катализатора. В изобретении частицы спекали в форме стакана с проницаемыми стенками и дном, причем толщина стенки и геометрические размеры определяли производительность по очищаемому воздуху. Опробовано изготовление катализатора в виде труб, пластин, стержней, полусфер и др.

Заявленным способом были приготовлены каталитические композиции с различным содержанием диоксида марганца и испытаны в реакции разложения озона в диапазоне температур от комнатных до 350^оС при различных скоростях воздушного потока.

П р и м е р 1. Брали частицы титана размером 0,2-1,6 мм, перемешивали, засыпали в пресс-форму, уплотняли и прессовали до пористости 55-65% спекали при температуре 1150^оС. На поверхность спеченных частиц титана осаждали диоксид марганца погружением в раствор, содержащий 55 мас. соли азотнокислого марганца, при температуре 50^оС на 30 мин с последующим высушиванием на воздухе и термообработкой при температуре 300^оС в течение 1 ч. Полученная композиция содержала 5 мас. диоксида марганца, 0,05% диоксида титана, титан остальное. Испытана при скорости воздушного потока 100000 ч^-1, концентрации озона 100 ррm, влажности воздуха 25 г/кг. Степень разложения озона при различных температурах составила:

Температура, ^оС Степень превра-

щения озона, 50 28 100 50 150 65 200 75 250 81 300 90 350 98 Гидравлическое сопротивление катализатора через 50 ч работы не увеличилось, истирания катализатора не наблюдалось.

П р и м е р 2. Композицию готовили аналогичным образом, посредством повторной пропитки содержание диоксида марганца увеличили. После термообработки композиция содержала 9 мас. диоксида марганца, 0,05% диоксида титана, титан остальное и испытана при скорости воздушного потока 1000000 ч^-1, влагосодержании 25,3 г/кг, концентрации озона 100 ррm. Степень разложения озона при различных температурах составила:

Температура, ^оС Степень превращения озона, 50 44 100 68 150 84 200 92 250 95 300 98 350 99,4

Через 50 ч работы гидравлическое сопротивление газовому потоку не изменилось, т.е. спекания или разрушения катализатора не происходило.

П р и м е р 3. Катализатор с содержанием 15 мас. диоксида марганца, 0,05% диоксида титана, титан остальное испытан при скорости воздушного потока 100000 ч^-1, влагосодержании 25 г/кг, концентрации озона в воздухе 100 ррm. Степень разложения озона при различных температурах составила:

Температура, ^оС Степень превращения, 25,4 60 50 63 100 84 150 96 200 97 260 99 350 99,8

Признаков спекания или разрушения катализатора не обнаружено. Гидравлическое сопротивление не изменилось.

П р и м е р 4. Катализатор, содержащий 15 мас. диоксида марганца, 0,05% диоксида титана, титан остальное, испытан при скорости в воздушного потока 1000000 ч^-1, влагосодержании 23,7 г/кг, объем катализатора тот же, что и в предыдущем опыте. Степень превращения озона при различных температурах составила:

Температура, ^оС Степень превращения, 25,4 60 50 63 100 84 150 96 200 97 250 99 350 99,8

Увеличение на порядок скорости воздушного потока мало влияет на степень превращения озона в воздухе, разрушения катализатора не происходит.

Проведены сравнительные испытания известного катализатора на основе диоксида марганца гопкалита и заявляемого марганецтитанового катализатора при удельной скорости воздушного потока 100000 ч^-1, концентрации озона в воздухе 50 ррm. Как и в приведенных примерах заявляемый катализатор механически прочный, при снаряжении и увеличении газодинамических нагрузок не разрушается. У известного катализатора наблюдается истирание гранул, унос активной фазы в виде пыли, за счет чего снижается эффективность и увеличивается гидравлическое сопротивление слоя катализатора в 1,2 раза.

Продолжительность работы заявляемого катализатора при влагосодержании озоно-воздушной смеси 24,7 г/кг, температуре 75^оС увеличивается в 2,8 раза.

Так как титановый порошок и соединения марганца выпускаются отечественной промышленностью, то изобретение промышленно применимо.