СОСТАВ ШИХТЫ ДЛЯ ВЫСОКОПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА С СЕТЧАТО-ЯЧЕИСТОЙ СТРУКТУРОЙ ДЛЯ НОСИТЕЛЕЙ КАТАЛИЗАТОРОВ Российский патент 2004 года по МПК B01J21/12 B01J21/04 B01J32/00 B01J35/04 B01J37/04 B01J37/08 C04B35/10 C04B35/18 C04B35/591 

Изобретение относится к области химической технологии высокопористых керамических материалов с сетчато-ячеистой структурой, которые могут широко использоваться в качестве стационарных носителей катализаторов для проведения конверсии природного газа, восстановления непредельных углеводородов, ароматических нитросоединений, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот и др., а также фильтров для фильтрации металлов, высокотемпературных теплоизоляционных материалов и других целей.

Изобретенные высокопористые материалы с сетчато-ячеистой структурой получаются воспроизведением структуры вспененного ретикулированного полиуретана путем нанесения керамического порошка, содержащего наполнитель и активный к спеканию порошок оксида алюминия с добавками, в виде шликера на различных связках с последующим выжиганием основы и нагревом оставшегося керамического каркаса до температуры, при которой керамическое изделие приобретает заданные свойства. Общая пористость керамического изделия составляет 85-92% при открытой пористости перемычек между ячейками 20-30%, которые имеют размер пор 1-2 мкм. Образцы из высокопористой керамики выдерживают статическую нагрузку от 0,5 до 2 МПа в зависимости от состава и температуры термообработки.

Для изготовления изделий из высокопористых керамических материалов с сетчато-ячеистой структурой в настоящее время используют в основном алюмосиликатные материалы, шликер которых наносят на ретикулированный пенополиуретан, а изделия отжимают от лишнего шликера, высушивают и обжигают при температурах до 1350°С.

Высокопористый ячеистый корунд получают на основе измельченного корунда со средним размером частиц менее 1 мкм. Спекание осуществляют при температуре 1700°С [В.Н.Анциферов, С.Е.Порозова. Высокопористые проницаемые материалы на основе алюмосиликатов Пермь, 1996 г. 207 с.].

Особенностью этих материалов является практическое отсутствие открытой пористости перемычек ячеек, низкая удельная поверхность, высокая усадка в пределах 10-20%, что приводит к образованию конусности, деформации и отсутствию сохранения точности формы и размера изделия. Свойства образцов на основе алюмосиликатов мало отличаются между собой и имеют, например, для высокопористого глиноземистого фарфора (прототип) [В.Н.Анциферов, В.Н.Овчинникова, С.Е.Порозова, И.В.Федорова. Высокопористые ячеистые керамические материалы стекло и керамика, 1996, №9, с.19-20] следующие значения:

- кажущаяся плотность - 0,2-0,3 г/см³;

- открытая объемная пористость - 80-98%;

- прочность на сжатие - 0,1-0,5 МПа.

Подобные материалы мало пригодны для применения в качестве носителей катализаторов.

Техническая задача состоит в изготовлении высокопористого керамического носителя катализаторов с сетчато-ячеистой структурой, который при обжиге не имеет усадки и деформаций, а перемычки между ячейками имеют открытую микропористость (размер пор примерно 1-2 мкм) в пределах 20-30%. В этом случае при нанесении золя Аl₂О₃ на высокопористый носитель методом пропитки с последующим прокаливанием в порах перемычек образуются пористые частицы γ-Al₂O₃, которые увеличивают удельную поверхность в 3-4 раза по сравнению с исходной удельной поверхностью керамического носителя, которая находится на уровне 2 м²/г.

Технический результат достигается тем, что для изготовления высокопористого керамического материала с сетчато-ячеистой структурой используют инертный наполнитель в виде электроплавленного корунда, карбида кремния, кварцевого песка и дисперсный порошок оксида с добавками любых оксидов металлов II и IY группы таблицы Менделеева в любом количестве, активного к упрочнению изделий при отсутствии усадки и деформации при температурах (в пределах 1350-1500°С), обеспечивающего, кроме необходимого упрочнения заготовок, образование микропористой структуры перемычек ячеек для последующего развития удельной поверхности обоженных изделий путем пропитки пористой керамики золем оксида алюминия с последующим прокаливанием при следующем соотношении компонентов:

- инертный наполнитель - 50-60 мас.%;

- дисперсный порошок оксида алюминия - 50-40 мас.%

с добавками оксидов металлов II и IY группы таблицы Менделеева в любом количестве.

Технология изготовления высокопористого керамического материала с сетчато-ячеистой структурой состоит в следующем.

Компоненты шихты - наполнитель и дисперсный порошок оксида алюминия с добавками, обеспечивающий упрочнение изделий при обжиге, перемешивают в шаровой мельнице сухим методом в присутствии мелющих тел при соотношении материал : шары 1:1 в течение не менее 2 часов. В полученную композицию вводят временную технологическую связку в виде раствора ПВС, декстрина или МЦ до получения определенного вязкого состояния, обеспечивающего качественную пропитку заготовок из пенополиуретана. После пропитки избыток шликера отжимается, а заготовки высушивают при температуре - 100-120°С, в результате чего они приобретают достаточно высокую прочность. Обжиг заготовок осуществляют в печах с воздушной атмосферой при скорости нагрева, обеспечивающей медленное выгорание основы без разрушения керамического каркаса. Конечная температура обжига зависит от вида наполнителя и состава дисперсного порошка, обеспечивающего упрочнение изделий, и составляет 1350-1500°С.

Получаемые изделия имеют пористость до 92% и удельную поверхность до 2 м²/г.

Для развития удельной поверхности обожженные изделия пропитывают золем оксида алюминия и подвергают термообработке при температурах 860-1000°С для припекания получаемого γ-Аl₂О₃ в порах и на поверхности перемычек.

При этом удельная поверхность повышается до 8-9 м²/г в расчете на всю массу носителя. После этого на поверхность керамического носителя наносится каталитически активный компонент путем пропитки соответствующими растворами. Для обеспечения активности получаемой каталитической системы для самых разнообразных химических процессов на поверхность могут быть нанесены металлы, оксиды металлов, их соли, комплексные и др. соединения, используемые в качестве катализатора.

Высокопористые керамические материалы с сетчато-ячеистой структурой могут широко использоваться в качестве стационарных носителей катализаторов конверсии природного газа, жидкофазного восстановления непредельных углеводородов, ароматических нитросоединений, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот и др. Изделия из высокопористых керамических материалов получаются воспроизведением структуры вспененного ретикулированного пенополиуретана путем нанесения керамического порошка, содержащего наполнитель и активный к спеканию порошок оксида алюминия с добавками связующего, с последующим выжиганием основы и нагревом оставшегося керамического каркаса до температуры 1450-1500°С. Общая пористость керамического изделия составляет 85-92% при открытой пористости перемычек между ячейками 20-30%, имеющих размер пор 1-2 мкм. Образцы из высокопористой керамики выдерживают статическую нагрузку от 0,5 до 2,0 МПа в зависимости от состава и режимов термообработки. 1 табл.

Состав шихты для высокопористого материала с сетчато-ячеистой структурой для носителей катализаторов, состоящий из инертного наполнителя: электрокорунда, карбида кремния, кварцевого песка, и дисперсного порошка оксида алюминия или других оксидных композиций с добавками оксидов металлов II и IV группы таблицы Менделеева, обеспечивающего упрочнение заготовок изделий при отсутствии усадки и деформации при температурах 1350-1500°С, отличающийся тем, что компоненты используют в следующих соотношениях:

Инертный наполнитель 50-60 мас.%

Дисперсный порошок оксида алюминия 50-40 мас.%

или других оксидных композиций с

добавками оксидов металлов II и IV группы

таблицы Менделеева