Результат интеллектуальной деятельности: АЛЮМООКСИДНЫЙ НОСИТЕЛЬ КАТАЛИЗАТОРА

Изобретение относится к производству термостойких носителей катализаторов на основе оксидов металлов (алюминия, кремния и др.), применяемых в машиностроении и различных химических процессах.

В термостойких каталитических системах носитель активного вещества имеет большое значение. Он должен обеспечить сохранение функциональных свойств катализатора в условиях высоких температур и их резких перепадах, сохраняя требуемую форму, гранулометрический состав, необходимую прочность и пористость.

Наиболее часто в качестве носителя используют оксиды алюминия, что обусловлено доступной сырьевой базой, их высокой термической стабильностью, химической инертностью, гибкостью производства и управляемостью процессами получения. Для придания алюмооксидным носителям катализаторов специфических свойств, необходимых для конкретного применения, их модифицируют соединениями кремния, церия, кальция, магния, железа, титана и др.

Одним из наиболее важных эксплуатационных свойств носителей катализаторов, широко используемых в машиностроении, является стойкость к резкому изменению температуры. Термостойкость материалов связана с коэффициентом линейного теплового расширения (КЛТР), т.е. наибольшей стойкостью к термоудару обладают материалы с наименьшим КЛТР. Носители катализаторов, используемые в условиях резкой смены температур, например в нейтрализаторах отходящих газов двигателей внутреннего сгорания, изготавливают из алюмооксидной (кордиеритовой) керамики, имеющей теоретический оксидный состав, мас. %: Аl₂O₃ - 34,9; MgO - 13,7; SiO₂ - 51,4.

Известен состав шихты для изготовления кордиеритовой керамики (SU 1548177 А1, 07.03.1990), включающий следующие компоненты, % мас.: оксид алюминия - от 1,5 до 7,43; дисперсный оксид кремния 46,51-47,38; оксид магния - от 0,59 до 2,92; сульфат магния - от 29,15 до 35,44; алюминий - от 13,12 до 15,95; диоксид кремния - остальное. Выход кордиерита - 100%.

Основным недостатком такого состава, как и других составов на основе чистых компонентов, является высокая стоимость применяемых в качестве сырья материалов.

При синтезе алюмооксидного носителя катализатора из относительно недорогого природного сырья в материале носителя всегда содержится некоторое количество примесей в виде оксидов и соединений других металлов, которые оказывают существенное влияние на свойства каталитических изделий. Например, оксиды щелочных и щелочноземельных металлов в процессе спекания шихты алюмооксидного носителя катализатора со структурой кордиерита образуют стеклофазу, незначительное количество которой повышает прочность носителя, а увеличение доли стеклофазы приводит к деформации каталитических изделий, снижению их прочности, ухудшению термостойкости, коррозионной стойкости и активности катализаторов.

Поэтому важно найти оптимальный баланс сырьевых компонентов, позволяющий получать качественные носители катализаторов из природных и промышленных материалов, желательно техногенных отходов.

Известен состав шихты (SU 1474147 А1, 23.04.1989) для получения кордиерита, включающий следующие компоненты, мас. %: перлит - от 53,0 до 57,0; гидроксид алюминия - от 24,0 до 26,0; гидрокарбонат магния - от 19,0 до 21,0.

Недостатком этого состава является его относительно низкая реакционная способность шихты алюмооксидного носителя катализатора и необходимость проведения процесса его получения при высокой температуре - до 1350°С.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату является алюмооксидный носитель катализатора, который синтезируется из шихты (RU 2036883 С1, 09.06.1995) для получения кордиерита, включающей следующие компоненты, мас. %: каолин - от 29,8 до 30,72; тальк - от 40,78 до 40,79; глинозем - от 19,91 до 20,27; кварцевый песок - от 8,60 до 8,8; пегматит - от 0 до 0,25.

Недостатком этого состава шихты также является относительно низкая реакционная способность шихты алюмооксидного носителя катализатора и необходимость проведения процесса его синтеза при температуре выше 1400°С.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение выхода кордиерита при одновременном снижении температуры синтеза алюмооксидного носителя катализатора, повышении его прочности и пористости.

Задача решается тем, что шихта для алюмооксидного носителя катализатора, включающая тальк и каолин, отличается тем, что дополнительно содержит белую сажу и моногидрат оксида алюминия (бемит) при следующем соотношении компонентов, мас. %: тальк - от 39 до 41; каолин - от 19 до 21; моногидрат оксида алюминия (бемит) - от 26 до 30 и белую сажу - остальное.

Технический результат заключается в повышении выхода кордиерита при снижении температуры синтеза алюмооксидного носителя катализатора, повышении его прочности и пористости.

Шихта для получения алюмооксидного носителя катализатора, включающая природные соединения алюминия, кремния и магния (тальк и каолин), дополнительно содержит белую сажу, полученную путем осаждения диоксида кремния из водного раствора силиката натрия отходящими газами содового производства, а также моногидрат оксида алюминия (бемит), полученный гидротермальным методом, при следующем соотношении компонентов, мас. %: тальк - от 39 до 41; каолин - от 19 до 21; моногидрат оксида алюминия (бемит) - от 26 до 30 и белую сажу - остальное.

В качестве сырьевых компонентов, входящих в предлагаемый состав шихты, используются тальк (ГОСТ 21235-75), каолин (ГОСТ 21286-82), технический глинозем (ГОСТ 30559-98), кварцевый песок (ГОСТ Р 51641-2000), полевой шпат (ГОСТ 4422-73), белая сажа (ГОСТ 18307-78) и моногидрат оксида алюминия (патент RU 2363659 С1, 10.08.2009).

Исходная шихта готовится путем измельчения сырьевых компонентов до получения остатка па сите №0063 от 2 до 3%, перемешивания и увлажнения водой до влажности от 8 до 10%. Из полученной керамической массы методом полусухого прессования формуют изделия, сушат и обжигают при температурах от 1200 до 1250°С в электрической печи с экспозицией 4 ч и 2 ч соответственно.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими примерами.

Пример 1

Шихту, включающую, мас. %: тальк - 39; каолин - 21; моногидрат оксида алюминия (бемит) - 26 и белую сажу Б-50 - 14, измельчают в планетарной мельнице "Пульверизетте-5" (фирма Fritch, Германия), используя мелющие цирконевые шары диаметром 10 мм, с частотой вращения 300 об./мин и продолжительностью - 4 ч. Затем шихту увлажняют до влажности от 8 до 10%, методом сухого прессования формуют изделия, сушат и обжигают при температурах от 1200 до 1250°С в электрической печи с экспозицией 4 ч и 2 ч соответственно.

Пример 2

Шихту, включающую, мас. %: тальк - 40; каолин - 20; моногидрат оксида алюминия (бемит) - 28 и белую сажу Б-100 - 12, измельчают и увлажняют до влажности от 8 до 10%. Затем получают керамические изделия аналогично примеру 1.

Пример 3

Шихту, включающую, мас. %: тальк - 41; каолин - 19; моногидрат оксида алюминия (бемит) - 30 и белую сажу Б-120 - 10, измельчают и увлажняют до влажности от 8 до 10%. Затем получают керамические изделия аналогично примеру 1.

Составы шихты предлагаемого алюмооксидного носителя катализатора и показатели основных его свойств (в сравнении с прототипом: состав 4) приведены в таблице.

Повышенные термомеханические характеристики в сочетании с высокой пористостью алюмооксидных носителей катализаторов из предлагаемого кордиеритового состава шихты обусловлены активизацией процесса формирования фазовой структуры при введении белой сажи и бемита в результате их наноразмерных эффектов.

Предлагаемый состав шихты алюмооксидных носителей катализаторов может быть использован для изготовления сотовых субстратов каталитических сажевых фильтров и нейтрализаторов отходящих газов двигателей внутреннего сгорания и других силовых агрегатов.