Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАТАЛИЗАТОРА

Изобретение относится к области сорбционной техники, в частности к получению сорбентов-катализаторов путем пропитки активных углей растворами каталитических добавок для использования их в коллективных и индивидуальных средствах защиты с целью удаления отравляющих веществ (ОВ) из воздуха, а также защиты окружающей среды от промышленных выбросов.

Известен способ получения сорбента-катализатора путем пропитки металлосодержащего активного угля водным раствором бихромата калия и триэтилендиамина (ТЭДА) в соотношении: бихромат калия: ТЭДА=1:(0,04÷0,08), вылеживания в течение 1,5-1,8 часа и последующей термообработки при 110-140°С со скоростью подъема температуры 3-8°С/мин (см. патент РФ №2108149, опубл. 10.04.98 г., кл. С01В 31/08).

Недостатком известного способа является то, что получаемый катализатор характеризуется и низкой стабильностью при хранении и неудовлетворительной активностью в тонких слоях, т.е. слоях малой длины.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения катализатора, включающий обработку активного угля с объемом микропор 0,40-0,55 см³/г пропиточным раствором с концентрацией металлов 10-16% и последующую термическую обработку при температуре в слое, равной 120-135°С (см. патент США №4801311, опубл. 05.01.89 г., кл. С01В 31/08, B01J 20/20, B01J 21/18).

Недостатком прототипа является короткое время защитного действия катализатора по хлористому циану в слоях малой длины.

Техническим результатом изобретения является повышение времени защитного действия слоя катализатора по хлористому циану в коротких слоях.

Высокое время защитного действия катализатора по хлористому циану позволяет создавать надежные средства защиты органов дыхания от токсичных газов, особенно индивидуальные, с лучшими эксплуатационными характеристиками, в частности, с минимальной массой и низким сопротивлением дыханию.

Указанный технический результат достигается предложенным способом, включающим пропитку активного угля из уплотненного растительного сырья, содержащего косточки плодовых деревьев и/или скорлупу орехов с объемом микропор 0,58-0,85 см³/г, раствором, содержащим соединения хрома, меди, серебра и триэтилендиамина, активный уголь перед пропиткой нагревают до 70-90°С, при этом его вылеживание осуществляют в течение 2,5-3,5 часов, а термообработку ведут при температуре 120-135°С со скоростью ее подъема 5-10°С/мин и выдержкой в течение 0,3-0,8 часа.

Отличие предложенного способа от прототипа состоит в том, что в качестве активного угля берут уголь из уплотненного растительного сырья, содержащего косточки плодовых деревьев и/или скорлупу орехов, с объемом микропор 0,58-0,85 см³/г, который перед пропиткой нагревают до 70-90°С, а вылеживание осуществляют в течение 2,5-3,5 часов и термообработку ведут при скорости подъема температуры 5-10°С/мин с последующим выдерживанием катализатора 0,3-0,8 часа.

Из научно-технической и патентной литературы авторам не известен описанный выше способ получения катализатора.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

При поглощении токсичных веществ из воздуха катализатором в малых слоях должен быть обеспечен хороший контакт катализатора с отравляющим веществом, который достигается, в первую очередь, при равномерном распределении каталитических добавок, наличии большого объема адсорбционных центров и отсутствии препятствий для удаления нетоксичных продуктов разложения отравляющих веществ. С другой стороны, в катализаторах необходимо сформировать такой каталитический комплекс, который будет обеспечивать полноту удаления токсичных отравляющих веществ во всех режимах эксплуатации средств защиты.

В результате проведения многочисленных исследований было обнаружено, что использование активных углей из уплотненного растительного сырья, характеризующихся природной ультрапористой структурой с высоким объемом микропор и особенно их предварительный нагрев обеспечивает не только наличие больших количеств адсорбционных центров, но и обусловливает однородность расположения добавок. Было выявлено, что скорость подъема температуры при термообработке пропитанных угольных частиц оказывает существенное влияние на качество получаемых катализаторов. Другим важным технологическим фактором улучшения качества катализатора оказалось время выдержки при термообработке.

Окончательные режимы получения предлагаемого катализатора были установлены опытным путем.

Способ осуществляют следующим образом. Берут активный уголь из косточек плодовых деревьев и/или скорлупы орехов с размером зерен 0,5-1,5 мм и объемом микропор 0,58-0,85 см³/г. В реакторе готовят пропиточный раствор с концентрацией каталитических добавок, мас.%:

- меди - 7,5-8,5;

- хрома - 3,0-4,0;

- серебра - 0,10-0,15;

- ТЭДА - 2,5-3,5.

Уголь нагревают до 70-90°С, загружают в пропиточный аппарат и включают вращение барабана на 25 минут. Затем влажный уголь выгружают на противни и вылеживают 2,5-3,5 часа, после чего проводят термическую обработку продукта в атмосфере воздуха в печи КС при подъеме температуры до 120-135°С со скоростью 5-10°С/мин с выдержкой при конечной температуре 0,3-0,8 часа.

Готовый катализатор выгружают из печи и направляют на испытания.

Сорбционную активность катализатора по хлористому циану определяют на приборе ДП-2 ВР 4910500 при следующих условиях:

- концентрация паров хлористого циана - 5 мг/л;

- длина слоя катализатора - 2,0 см.

Полученный по предложенному способу катализатор имел время защитного действия 32-56 минут.

Следующие примеры поясняют сущность изобретения.

Пример 1.

В реактор емкостью 5 л заливают 1,25 л дистиллированной воды и 1,2 л аммиачной воды. Раствор подогревают до 40°С, затем в емкость вводят 312 г углекислой основной меди (в пересчете на медь 7,9%), 268 г бихромата калия (в пересчете на хром 3,9%), затем добавляют азотнокислое серебро в количестве 4,8 г (в пересчет на серебро 0,12 мас.%) и ТЭДА в количестве 75 г (3,0 мас.%).

В пропиточный аппарат загружают 2,5 кг активного угля марки ВСК (ТУ 2568-195-04838763-2007) из скорлупы кокосового ореха с размером зерен 0,5-1,5 мм и объемом микропор 0,58 см³/г (75% от суммарного объема пор), предварительно нагретого до 70°С.

Заливают активный уголь приготовленным пропиточным раствором и включают вращение барабана. Время пропитывания составляет 30-40 минут.

После пропитывания выгруженные зерна вылеживают в течение 2,5 часов и направляют в печь кипящего слоя (КС), подавая нагретый воздух в слой продукта. Скорость подъема температуры нагрева воздуха составляет 5°С/мин.

Время термообработки составляет 0,3 часа. Затем продукт выгружают в специальную металлическую емкость и направляют на испытания. Полученный катализатор в слое 2,0 см характеризовался временем защитного действия по хлористому циану, равным 32 минутам.

Пример 2.

Осуществление процесса как в примере 1, за исключением того, что исходный уголь марки МеКС (ТУ 2568-302-04838763-2007) из косточек персика нагревался перед пропиткой до температуры 90°С, время вылеживания пропитанного продукта составляло 3,5 часа, термообработка осуществлялась путем обработки угля при температуре 135°С. Скорость подъема температуры составляла 10°С/мин, выдержка - 0,8 часов. Полученный катализатор в слое 2 см имел время защитного действия по хлористому циану 56 минут.

Пример 3.

Осуществление процесса как в примере 1, за исключением того, что в качестве основы берут уголь из косточек абрикоса, сливы и скорлупы грецкого ореха с объемом микропор 0,75 см³/г и нагревают до 80°С.

Вылеживание пропитанного угля осуществлялось в течение 3 часов, температура термообработки составляла 127,5°С, а подъем температуры осуществлялся со скоростью 7,5°С/мин, продолжительность выдержки при термообработке - 0,55 часа.

Полученный катализатор имел в слое 2 см время защитного действия по хлористому циану 42 минуты.

Эксперименты показали, что только использование активных углей из уплотненного растительного сырья с объемом микропор 0,58-0,85 см³/г обеспечивает возможность получения катализатора с повышенной активностью по хлористому циану. Уменьшение объема микропор (менее 0,58 см³/г) приводит к ухудшению катализатора вследствие снижения адсорбционных центров, в то же время повышение объема микропор в подобных углях (более 0,85 см³/г) приводит к снижению прочности катализатора.

Нагревание угля перед пропиткой способствует удалению паров воды (или других адсорбированных молекул, например углекислого газа), что приводит к дополнительному проникновению добавок во внутренний объем адсорбента. Оптимальная температура пропитки составляет 70-90°С. Уменьшение температуры (ниже 70°С) обеспечивает недостаточное удаление паров адсорбированных молекул воды и углекислого газа, а увеличение (выше 90°С) приводит к растрескиванию частиц и потере прочности.

Выдерживание (вылеживание) пропитанного активного угля также является важным технологическим параметром при формировании высокоактивного каталитического комплекса. Так, уменьшение времени выдержки менее 2,5 часов обусловливает агрегирование (слипание) угольных частиц, а увеличение более 3,5 часов приводит к восстановлению пропиточных соединений до металлического состояния.

Другим, несомненно, важным фактором, приводящим к повышению активности каталитического комплекса является скорость подъема температуры при термообработке. Скорость нагрева выше 10°С/мин, приводит к разрушению каталитического комплекса, а ниже 5°С/мин, не приводя к существенному повышению активности катализатора, является экономически нецелесообразной.

Продолжительность термической обработки, составляющая 0,3-0,8 часа, является оптимальной при формировании каталитического комплекса. Время выдержки менее 0,3 часа приводит к увлажнению получаемого продукта, а увеличение более 0,8 часа приводит к разрушению комплекса.

Катализатор, изготовленный по способу-прототипу (пат. РФ №2228902) показал время защитного действия по хлористому циану в аналогичных условиях испытаний 12-20 минут. Полученный по предлагаемому способу катализатор на основе активного угля из уплотненного растительного сырья имеет сорбционную активность по хлористому циану в 2,0-2,5 раза выше прототипа, что позволит изменить массогабаритные параметры конечных изделий при его использовании и модернизировать современные средства индивидуальной защиты органов дыхания.

Из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение технического результата, а именно на повышение времени защитного действия катализатора по хлористому циану в малых слоях, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявляемого технического решения.