СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО БЛОКА ДЛЯ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ВРЕДНЫХ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ Российский патент 1997 года по МПК B01J37/34 B01J23/63 B01J23/63 B01J101/32 

Изобретение относится к области каталитической химии, а именно к способам изготовления каталитических блоков для нейтрализации вредных газовых выбросов промышленных предприятий и отходящих газов при работе двигателей.

Известен способ получения каталитического блока для очистки отходящих газов. Согласно этому способу для нанесения покрытий используют жидкий состав, приготовленный из порошка активированного оксида алюминия, церия, порошкообразного оксида церия и циркония. Указанный состав наносят на поверхность монолитной основы носителя, после чего наносят катализатор на основе благородного металла.

Известен также способ получения каталитического блока для очистки отходящих газов. Согласно этому способу готовят суспензию из порошкообразной смеси оксида ванадия и оксида алюминия. Затем из порошкообразной смеси оксида ванадия и оксида алюминия. В затем в суспензию погружают носитель, сушат и прокаливают с целью формирования на носителе оксидного поверхностного слоя, после чего на покрытый носитель осаждают каталитически активный металл
платину, родий и/или палладий.

Наиболее близким из известных способов изготовления каталитических блоков для нейтрализации вредных газовых выбросов является способ, принятый за прототип.

Согласно указанному способу на внутренние каналы монолитного носителя методом осаждения наносят каталитический состав, содержащий оксид алюминия и оксид церия. Состав получают путем пропитывания не растворимого в воде соединения церия по крайней мере одним представителем из группы, состоящей из растворимых в воде соединений алюминия и гидратов оксидов алюминия, прокаливания продукта пропитки, с последующим нанесением по крайней мере одного драгоценного металла из группы, состоящей из платины, палладия, родия.

К достоинствам известного способа можно отнести то, что он как и способы-аналоги позволяет получить носитель с большой свободной поверхностью (более 100 м²/г), что обеспечивает высокую каталитическую активность таких блоков.

К недостаткам известного способа как и способов-аналогов относится то, что каталитически активный слой осаждается на поверхности носителя неравномерно по толщине и химическому составу. Кроме того, пропитка носителя погружением в суспензию или раствор, сушка, снова погружение и так до 20 30 повторных операций делает способ нетехнологичным, приводит к увеличению трудозатрат, а следовательно, к удорожанию способа.

Существенным недостатком способа-прототипа является слабое сцепление каталитического слоя с металлической (или керамической) основой (носителем)
слабая адгезионная прочность, что приводит к отслаиванию каталитически активного слоя при эксплуатации блока в условиях механических и термических воздействий.

В основу изобретения положена задача создания способа изготовления каталитического блока, обеспечивающего высокую адгезионную прочность и каталитическую активность наносимого слоя при сравнительно недорогом производстве такого блока.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления каталитического блока для нейтрализации вредных газовых выбросов формируют внутреннюю поверхность блока, выполняемого в виде носителя, на внутреннюю поверхность которого нанесен каталитически активный слой, состоящий в основе из модифицированного оксида алюминия, согласно изобретению каталитически активный слой наносят методом плазменного напыления на металлический плоский ленточный носитель, в качестве исходного материала для плазменного напыления используют смесь порошков при следующем соотношении компонентов: алюминий - 3-10% карбонаты металлов V VIII группы, иттрия и лантаноидов в сумме 5 - 7% гидроокись алюминия остальное, а в качестве плазмообразующего газа используют воздух, затем формируют внутреннюю поверхность блока в виде продольных каналов путем гофрирования металлического плоского ленточного носителя с напыленным слоем и последующего его сворачивания.

Плазменное напыление каталитически активного слоя позволяет обеспечить взаимную диффузию материала носителя с оксидом алюминия (получаемого при разложении гидроокиси алюминия и окислении алюминия в плазменной струе) в неравновесных условиях, вследствие чего повышается адгезионная прочность полученного слоя на плоский ленточный носитель обеспечивается получение равномерного по химическому составу и толщине покрытия. Получение каталитически активной композиции на основе термодинамически неравновесного оксида алюминия γ -модификации из каталитически неактивных веществ непосредственно в плазменной струе позволяет увеличить активность каталитического слоя за счет того, что активная композиция образуется в неравновесных условиях в непосредственной близости от носителя. В отличие от традиционных технологий нанесения каталитических покрытий (осаждением из суспензий), предъявляющих особые требования к металлическим подложкам (использование высоколегированных нетехнологичных и дорогих сталей), предлагаемый способ может быть реализован напылением практически на любую металлическую подложку.

Кроме того, предлагаемый способ не требует проведения сложных технологических операций, связанных с введением в состав наносимого слоя нерастворимых каталитических компонентов. В настоящем способе эти компоненты могут быть легко введены в виде термически разлагаемых соединений, например карбонатов в каталитически неактивную композицию. Под воздействием плазменной струи в окислительной атмосфере (кислород плазмообразующего газа воздуха) Карбонаты металлов V VIII группы разлагаются до оксидов, проявляющих каталитические способности, которые значительно усиливаются при комплексном введении указанных карбонатов.

Формирование структуры каталитического блока, содержащего множество продольных каналов, позволяет увеличить свободную поверхность блока, что приводит к увеличению его каталитической активности. Предлагаемый способ позволяет гофрировать ленту с покрытием с весьма малым радиусом кривизны, что также позволяет увеличить каталитическую активность, тогда как способы нанесения каталитического слоя осаждением не позволяют нанести слой без риска закупорки продольных каналов, если они малы в поперечном сечении. Гофрирование ленты с нанесенным каталитическим покрытием и формирование затем продольных каналов блока путем ее сворачивания позволяет в случае закупорки (загрязнения) продольных каналов продуктами сгорания при эксплуатации блока (например, частицами сажи) развернуть обратно всю поверхность и механически удалить загрязнение, что резко увеличивает срок службы каталитического блока, изготовленного по предлагаемому способу. Подобная операция очистки в принципе невозможна в случаях, когда первой операцией изготовления блока является формирование его внутренней поверхности (формирование каналов), а последующей нанесение на нее каталитического покрытия методом пропитки или осаждения.

Таким образом, заявляемая совокупность признаков (новая последовательность операций, способ нанесения покрытия, состав исходной композиции, технологические приемы формирования поверхности и т.д.) позволяет изготавливать каталитические блоки с высокой адгезионной прочностью каталитического слоя при обеспечении наиболее полного протекания химических процессов нейтрализации вредных газов выбросов в процессе эксплуатации блока. Каталитическое покрытие получается равномерным по составу и толщине. Способ является технологическим и недорогим, т. к. обладает высокой производительностью и не требует использования дорогих материалов.

Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом.

Проводилось плазменное напыление каталитического покрытия для изготовления каталитических блоков, предназначенных для нейтрализации отработанных газов автомобиля.

Напыление проводилось на воздухе с использованием воздушного (плазмообразующий газ воздух) плазмотрона. В качестве металлического носителя использовалась фольга (ширина 90 мм, толщина 40 мкм) из жаростойкой хромоалюминиевой стали. Отрезок ленты длиной около 5 м навивался по спирали на стальной барабан диаметром 300 мм, затем проводили плазменное напыление при одновременном вращении барабана со скоростью 60 об/мин и перемещении каретки с закрепленным на ней плазмотроном вдоль оси барабана со скоростью 180 мм/мин.

В качестве исходного материала для напыления использовались следующие порошки: алюминий 8% гидроокись алюминия: гиббсит 33% бемит 52% карбонат ванадия 2% карбонат хрома 2% карбонат никеля 1% карбонат кобальта 0,5% карбонат церия 0,5% карбонат лантана 0,5% карбонат иттрия 0,5%
Режим напыления: напряжение 220 В, ток 160А, скорость подачи плазмообразующего газа (воздуха) 3 м/с. Подача порошков осуществлялась двумя дозаторами в различные зоны плазменной струи.

В результате было получено каталитическое покрытие толщиной 20 мкм следующего химического состава:
оксид алюминия g модификации 92%
сумма оксидов ванадия, хрома, никеля, кобальта, церия, иттрия и лантана
около 8%
После напыления металлическую ленту с каталитическим покрытием гофрировали радиусом загиба 1,2 мм, а затем сворачивали таким образом, что формировались продольные каналы с нанесением на их внутреннюю поверхность каталитическим слоем.

Изобретение может быть использовано в машиностроении при проектировании двигателей с целью защиты от вредных выбросов воздушного бассейна, а также в системах газовой очистки экологически вредных производств. Способ основан на получении каталитического слоя, состоящего из модифицированной окиси алюминия на поверхности носителя, и отличается тем, что каталитический слой наносят методом плазменного напыления, а в качестве исходного материала используют каталитически неактивную композицию, содержащую порошок металлического алюминия, гидроокись алюминия и легко разлагаемые соединения металлов V - VIII группы, иттрия и лантаноидов. Каталитически активную композицию на основе аморфной окиси алюминия, алюминия гамма модификации, оксидов металлов V - VIII группы, иттрия и лантанодидов получают непосредственно в плазменной струе при заданных температурно-скоростных параметрах напыления и заданном составе плазмообразующего газа. Полученный носитель гофрируют и формируют сотовую конструкцию каталитического блока.

Способ изготовления каталитического блока для нейтрализации вредных газовых выбросов, имеющего сотовую структуру, с нанесенным на внутреннюю поверхность каталитически активным слоем на основе модифицированного оксида алюминия, включающий формование сотовой структуры и нанесение на носитель каталитически активного слоя, отличающийся тем, что сначала на носитель, представляющий собой плоскую металлическую ленту, наносят каталитически активный слой плазменным напылением, используя в качестве исходного материала для плазменного напыления смесь порошков, содержащую алюминий, карбонаты металлов V VIII групп, иттрия и лантаноидов, и гидроксид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.

Алюминий 3 10
Карбонаты металлов V VIII групп, иттрия и лантаноидов 5 7
Гидроксид алюминия До 100
затем формируют сотовую структуру в виде продольных каналов гофрированием ленточного носителя с нанесенным каталитически активным слоем и последующим сворачиванием.