Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения сорбента для поглощения кислых газов

Изобретение относится к области сорбционной техники, в частности, получения поглотителя, обладающего повышенной адсорбционной способностью по оксидам азота, и может быть использовано в средствах индивидуальной и коллективной защиты органов дыхания и также защиты окружающей среды.

Известен способ получения поглотителя кислых газов, включающий пропитку углеродной основы растворами гидроксидов и карбонатов щелочных металлов первой группы, вылеживание, термообработку и рассев, отличающийся тем, что в качестве углеродной основы используется активный уголь в чистом виде или содержащий оксиды меди и имеющий суммарный объем пор 0,85-1,25 см³/г, пропитывание ведут до содержания меди 5,0-9,5 вес. % при соотношении объема пропиточного раствора и суммарного объема пор 0,8-1,0 см³/г при температуре раствора 20-30°С с последующим вылеживанием в течение 1,0-3,0 часов, а термообработку осуществляют при 120-160°С. (см. Патент РФ 2138441, С01В 31/08, 31/16, B01J 20/20, опубл. 27.09.1999 г.)

Недостатком известного способа является пожароопасность получаемого углеродного сорбента, который может возгораться при больших концентрациях оксида азота.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения сорбента для поглощения оксидов азота, включающий твердый пористый носитель и активную химическую добавку в виде калия марганцовокислого (перманганата калия), отличающийся тем, что пористый носитель представляет собой механическую смесь 30-70 об. % активного оксида алюминия (окись алюминия) и 70-30 об. % углеродного сорбента, при этом первый содержит в качестве химической добавки 7-10 мас. % калия марганцовокислого, а второй 15-20 мас. % карбоната калия (см. патент РФ 2171140, кл. B01J 20/20, B01J 20/08, B01J 20/02, B01D 53/56, B01D 53/02, опубл. 27.07.2001).

Недостатком известного способа является низкая динамическая активность сорбента в присутствии органических паров.

Техническим результатом (целью изобретения) является повышение динамической активности сорбента по оксиду азота (NO₂) в присутствии органических паров.

В практике очистки отходящего воздуха или использования фильтрующих средств органов дыхания человека часто оксид азота поступает вместе с органическими парами. При разработке технологии сорбентов в отечественной сорбционной науке за тестовое вещество, как правило, применяется бензол (см. Мухин В.М., Чебыкин В.В., Галкин Е.А. Активные угли. Эластичные сорбенты, катализаторы, осушители и химические поглотители на их основе. Каталог: Под общей ред. д.т.н. В.М. Мухина. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003. - 278 с.).

Поставленная цель достигается предложенным способом, включающим приготовление пропиточного раствора, пропитку пористого носителя и термообработку, отличающийся тем, что готовят пропиточный раствор калия марганцовокислого в дистиллированной воде с плотностью, равной 1,05-1,10 г/см³, в качестве пористой основы берут активную окись алюминия с суммарным объемом пор 0,4-0,8 см³/г, пропитку носителя осуществляют из расчета массы пористого носителя в кг к объему пропиточного раствора в дм³, равной 1:(0,6-0,8), пропитанный продукт подвергают вылеживанию в течение 30-60 минут, термообработку проводят вначале при температуре 50-60°С в течение 2-3 часов, а затем при 95-105°С в течение 1-2 часов.

Отличие предложенного способа от известного заключается в том, что готовят пропиточный раствор калия марганцовокислого в дистиллированной воде с плотностью, равной 1,05-1,10 г/см³, в качестве пористой основы берут активную окись алюминия с суммарным объемом пор 0,4-0,8 см³/г, пропитку носителя осуществляют из расчета массы пористого носителя в кг к объему пропиточного раствора в дм³, равной 1:(0,6-0,8), пропитанный продукт подвергают вылеживанию в течение 30-60 минут, термообработку проводят вначале при температуре 50-60°С в течение 2-3 часов, а затем при 95-105°С в течение 1-2 часов.

Из научно-технической и патентной литературы авторам неизвестен способ получения сорбента для поглощения паров оксида азота в присутствии органических паров, отличающийся тем, что готовят пропиточный раствор калия марганцовокислого в дистиллированной воде с плотностью, равной 1,05-1,10 г/см³, в качестве пористой основы берут активную окись алюминия с суммарным объемом пор 0,4-0,8 см³/г, пропитку носителя осуществляют из расчета массы пористого носителя в кг к объему пропиточного раствора в дм³, равной 1:(0,6-0,8), пропитанный продукт подвергают вылеживанию в течение 30-60 минут, термообработку проводят вначале при температуре 50-60°С в течение 2-3 часов, а затем при 95-105°С в течение 1-2 часов.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что надо так провести нанесение перманганата калия (который при термообработке переходит в активную форму двуокиси марганца - MnO₂), чтобы оставить достаточный объем пор активной окиси алюминия для поглощения органических паров, а при выборе режима термообработки пропитанного продукта не допустить перехода активной двуокиси марганца в неактивную форму оксида марганца (Mn₂O₅).

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Берут активную окись алюминия по ТУ 2163-135-04838763-2001 марки Г с суммарным объемом пор V_∑=0,4-0,8 см³/г. Готовят пропиточный раствор следующим образом. В реактор заливают рассчитанный объем дистиллированной воды, подогревают ее до 70-90°С и дозируют калий марганцовокислый, ведут перемешивание в течение 15-20 минут, при этом плотность раствора должна быть 1,05-1,10 г/см³. В пропиточный аппарат (типа бетономешалки) загружают предварительно взвешенную массу активной окиси алюминия, заливают половину требуемого раствора и начинают перемешивание. Затем, через 2-5 минут, заливают вторую половину пропиточного раствора и ведут перемешивание 20-25 минут. Выгружают пропитанный продукт на противень и вылеживают в течение 30-60 минут. Затем продукт направляют на термообработку, которая осуществляется в печи кипящего слоя или вращающейся электропечи сначала при температуре 50-60°С в течение 2-3 часов, а, затем, термообработку продолжают при 95-105°С в течение 1-2 часов. Готовый продукт выгружают из печи и направляют на анализ. Анализ проводится на приборе по МИ 6-16-3104 при начальной концентрации оксида азота 5 мг/л и концентрации паров бензола (по ГОСТ по бензолу, уменьшить в 10 раз) имел динамическую активность по оксиду азота 15-27 г/см³.

Пример 1. Берут 1 кг активной окиси алюминия по ТУ 2163-135-04838763-2001 с суммарным объемом пор 0,4 см³/г. Готовят пропиточный раствор калия марганцовокислого путем растворения его в дистиллированной воде при температуре 70-90°С и перемешивании в течение 15-20 минут, обеспечивая его концентрацию плотность 1,05 г/см³. В пропиточный аппарат загружают 1 кг активной окиси алюминия, заливают 0,3 дм³ готового раствора и перемешивают в течение 2-5 минут. Затем заливают вторую половину пропиточного раствора, обеспечивая итоговое соотношение массы пористого носителя в кг к объему пропиточного раствора в дм³ 1:0,6. Продолжают перемешивание еще в течение 20-25 мин, после чего выгружают пропитанный продукт на противни и вылеживают в течение 30 минут, затем продукт отправляют на термообработку в печь кипящего слоя и ведут термообработку при 50°С в течение 2 часов, а затем термообработку продолжают в течение 1 часа при 95°С. Готовый продукт выгружают из печи и направляют на исследование. Полученный сорбент имел динамическую активность по оксиду азота в присутствии паров бензола 15 г/см³.

Пример 2. Осуществление процесса ведут как в примере 1, за исключением того, что берут активную окись алюминия с объемом пор 0,8 см³/г, пропиточный раствор калия марганцовокислого готовят с плотностью 1,10 г/см³, а пропитку ведут, обеспечивая итоговое соотношение массы пористого носителя в кг к объему пропиточного раствора в дм³ 1:0,8, вылеживание проводят в течение 60 минут, а термообработку осуществляют при 60°C с выдержкой в течение 3 часов, а затем продолжают термообработку при 150°С в течение 2 часов.

Полученный сорбент имел динамическую активность по оксиду азота в присутствии паров бензола 20 г/см³.

Пример 3. Осуществление процесса ведут, как в примере 1, за исключением того, что берут активную окись алюминия с объемом пор 0,7 см³/г, пропиточный раствор калия марганцовокислого готовят с плотностью 1,08 г/см³, а пропитку ведут, обеспечивая итоговое соотношение массы пористого носителя в кг к объему пропиточного раствора в дм³ 1:0,7, вылеживание проводят в течение 45 минут, а термообработку осуществляют при 55°C с выдержкой в течение 2,5 часов, а затем продолжают термообработку при 100°С в течение 1,5 часов.

Полученный сорбент имел динамическую активность по оксиду азота в присутствии паров бензола 27 г/см³.

Сорбент, полученный по прототипу (см. патент РФ №2171140) имел динамическую активность по оксиду азота в присутствии паров бензола 8-10 г/см³.

Экспериментальные исследования показали, что, если суммарный объем пор активной окиси алюминия меньше 0,4 см³/г, недостаточно их свободного объема для поглощения паров бензола, а, если суммарный объем пор выше 0,8 см³/г, не создается нужная концентрация активных комплексов оксида марганца (MnO₂), что в обоих случаях снижает динамическую активность в присутствии паров бензола.

При пропитке активной окиси алюминия раствором калия марганцовокислого с меньшей плотностью недостаточно активных центров оксида марганца в готовом продукте, а при плотности выше 1,10 см³/г происходит блокировка микропор, необходимых для поглощения бензола, что в обоих случаях снижает динамическую активность по оксиду азота в присутствии паров бензола.

При соотношении массы пористого носителя в кг к объему пропиточного раствора в дм³ менее 0,6 опять же недостаточно активных центров оксида марганца (MnO₂), а при соотношении более 0,8 блокируется объем микропор, который, поглощая пары бензола, сохраняет каталитическую активность перманганатных центров.

Относительно времени вылеживания установлено, что, если оно менее 37 минут, то не достигается равномерное распределение оксида марганца (MnO₂), снижает динамическую активность по оксиду азота в присутствии паров бензола, а при времени вылеживания выше 60 минут снижается экономический эффект.

Исследование процесса термообработки показало, что двухступенчатое ее проведение благоприятно сказывается на повышении динамической активности оксида азота (NO₂), при этом, если температура на 1-ом этапе менее 50°С, не удаляется достаточно влаги из продукта, а при температуре более 60°С калий марганцовокислый закрепляется на внешней поверхности зерен активной окиси алюминия, то же и касательно времени выдерживания на этой стадии, если оно менее 2-х часов, то остается много влаги, а, если время более 3-х часов, так же как показали рентгенографические измерения, идет закрепление калия марганцовокислого на внешней поверхности гранул, что в обоих случаях снижает динамическую активность по оксиду азота в присутствии паров бензола.

Если термообработка на 2-ой стадии проходит при температуре менее 95°С, то каталитические комплексы оксида марганца (MnO₂) имеют рыхлую структуру, а при температуре более 105°С - идет спекание их комплексов. То же самое касается и времени термообработки на этой стадии, если оно менее 1 часа, комплексы оксида марганца (MnO₂) рыхлые, а, если более 2-х часов, идет спекание, что снижает динамическую активность по оксиду азота в присутствии паров бензола.

Таким образом следует из вышеизложенного, что каждый из отличительных признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного решения.