ПОГЛОТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2023 года по МПК B01D53/22 

Поглотительное устройство на основе углеродных материалов для поддержания оптимального состава газовой среды в закрытых объемах специализированных устройств, содержащих микроэлектронику, относится к области технологий изготовления защитных средств и устройств очистки газовых сред в атомной и космической отрасли народного хозяйства. Поглотитель. изготовленный на основе углеродных материалов, поглощающий водород, пары воды и органические соединения из газовой среды (ГС) закрытых малоразмерных объемов, оснащенных микроэлектронными компонентами разного назначения, способен поддерживать оптимальный состав ГС в течение всего эксплуатационного периода специализированных устройств.

Актуальность решаемой проблемы основана на деструктивном влиянии водорода, паров воды и органических соединений на микроэлектронные компоненты и элементы конструкции в закрытых объемах специализированных устройств. В процессе эксплуатации некоторых видов специализированных устройств, в состав которых входят закрытые объемы с микроэлектронной компонентной базой, происходит деструкция полимерных и композиционных материалов, и, как следствие, выделение в ГС водорода, паров воды и разнообразных органических соединении. Водород может не только способствовать охрупчиванию металлических контактов микроэлектронных устройств, но и в присутствии кислорода образовывать взрывоопасные газовые смеси, способные к самопроизвольной детонации.

Накопление органических соединений также может приводить к образованию взрывоопасных ГС. Кроме того, накопление органических соединений первого и второго классов опасности может оказывать токсическое и канцерогенное влияние на обслуживающий персонал при вскрытии закрытых объемов специализированных устройств, оснащенных микроэлектронными компонентами.

Заявляемое изобретение может быть применено в аэрокосмической и атомной отрасли народного хозяйства, где в закрытых объемах специализированных устройств, оснащенных микроэлектронными компонентами, требуется поддержание оптимального содержания водорода, паров воды и органических соединений в течение всего эксплуатационного периода.

Известно из уровня техники поглотительное устройство, представленное в описании к патенту «Способ очистки газовой смеси от водорода и/или его изотопов» (патент RU2550201, МПК B01D 53/00, опубликовано 10.05.2015 Бюл. №18). Поглотительное устройство включает полые секции, последовательно заполненные адсорбентом на основе цеолита NaA, силикагеля марки КСМГ или их смеси, палладиевым катализатором К-ПГ с массовой долей палладия не менее 1,8% и химическим источником кислорода на основе пероксидов и/или надпероксидов (супероксидов) щелочных металлов. Поглотительное устройство способно поглощать водород в кислородсодержащей газовой среде за счет низкотемпературного окисления на палладиевом катализаторе, а также поглощать пары воды на адсорбенте из цеолита NaA, силикагеля КСМГ или их смеси. Кроме того, поглотительное устройство способно восполнять кислород в газовой среды закрытого объема из пероксидов и/или надпероксидов (супероксидов) щелочных металлов при их взаимодействии с парами воды. Адсорбенты поглотительного устройства обеспечивают защиту палладиевого катализатора от негативного воздействия органических компонентов газовой среды.

К недостаткам известного поглотительного устройства можно отнести сложный многокомпонентный состав, наличие коррозионно-опасных веществ на основе пероксидов и/или надпероксидов (супероксидов) щелочных металлов, способных оказывать коррозионное воздействие на конструкционные материалы в закрытых объемах, снижая их прочностные и эксплуатационные характеристики, а также высокую стоимость поглотительного устройства из-за использования катализатора с массовой долей палладия не менее 1,8%.

Известно поглотительное устройство водорода из газовых смесей, описанное в патенте (RU 2112737 «Способ поглощения водорода из газовых смесей», МПК С01В 3/00, C01B 3/02, опубликовано 10.06.1.998). Поглотительное устройство включает полые секции, заполненные адсорбентами из силикагеля марки КСМГ и активного угля АГ-3, а также секцию, заполненную водород-поглощающим материалом на основе непредельного органического соединения ацетиленового ряда - 1,4-бис(1-гидроксициклогексил)-1,3-бутадиином и карбонатом кальция, на поверхность которого нанесен восстановленный металлический палладий с массовой долей палладия не менее 5,0%. Поглотительное устройство способно поглощать водород в кислородсодержащей газовой среде за счет низкотемпературного окисления на палладиевом катализаторе, а также способно поглощать водород из газовой среды с дефицитом кислорода или при его отсутствии за счет каталитического гидрирования тройных связей 1,4-бие(1-гидроксициклогексил)-1,3-бутадиина. Поглотительное устройство также способно поглощать пары воды и органические соединения из газовой среды на адсорбентах силикагеле КСМГ и активном угле АГ-3.

К недостаткам данного поглотительного устройства можно отнести отсутствие защиты палладиевого катализатора от органических компонентов, поступающих из газовой среды, сложный многокомпонентный состав, а также высокую стоимость поглотительного устройства из-за использования катализатора с массовой долей палладия не менее 5,0%.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является «Поглотитель водорода» (патент RU 2725252, МПК B01D 53/22, С01В 4/00, опубликовано 30.06.2020 Бюл. №19), который содержит внешнюю и внутреннюю полые секции, выполненные из арамидной ткани, с последовательно расположенными в них адсорбентом из цеолита NaX-БКО без связующего или адсорбентом ЭКОСОРБ-9, а также палладиевым катализатором К-ПГ с массовой долей палладия не менее 1,8%. Компонентный состав поглотителя обеспечивает низкотемпературное окисление водорода кислородом в присутствии палладийсодержащего катализатора, а также сорбционную защиту палладийсодержащего катализатора от воздействия компонентов газовой смеси.

К недостаткам известного поглотителя можно отнести низкую удерживающую способность неполярных органических соединений и высокую стоимость самого поглотителя из-за использования катализатора с массовой долей палладия не менее 1,8%.

Задачей авторов изобретения является повышение безопасности эксплуатации самих специализированных устройств, за счет предотвращения образования пожаровзрывоопасной газовой среды в закрытых объемах, в частности, повышение эксплуатационных характеристик микроэлектроники в закрытых объемах специализированных устройств.

Техническим результатом изобретения является улучшение адсорбционных характеристик поглотителей по отношению к неполярным органическим соединениям при одновременном обеспечении компактности и снижении ее стоимости.

Указанный технический результат достигается тем, что в поглотительном устройстве, включающем внешнюю и внутреннюю полые секции, выполненные из газопроницаемого материала, с размещенными в них индивидуальными твердыми поглотителями на основе адсорбционных и каталитических материалов, селективно поглощающие воду, органические соединения и водород, новым является то, что упомянутые газопроницаемые секции выполнены из стеклоткани и расположены последовательно по направлению движения очищаемой газовой среды, сначала внешняя секция с индивидуальным поглотителем из активного угля с удельной площадью поверхности не менее 600 м²/г, селективно поглощающего пары воды и органические соединения, а затем внутренняя секция с поглотителем на основе «Сибунита», на поверхность которого нанесен слой восстановленного металлического палладия с массовой долей от 0,5 до 1,0%, селективно поглощающего водород в процессе инициирования низкотемпературной каталитической реакции.

Поглощение водорода палладированным углеродным материалом на основе «Сибунита» с массовой долей палладия от 0,5 до 1,0% обеспечивает снижение вероятности охрупчивания контактов микроэлектронных компонентов, а также предотвращает образование пожаровзрывоопасной газовой среды, что в свою очередь, увеличивает эксплуатационный ресурс и повышает безопасность эксплуатации специализированных устройств. Поглощение органических соединений, в том числе, органических соединений первого и второго классов опасности, активными углями АГ-3, CRT или БАУ с удельной площадью поверхности не менее 600 м²/г предотвращает образование пожаровзрывоовпасной газовой среды в закрытых объемах специализированных устройств, что повышает безопасность их эксплуатации, а также обеспечивает безопасность обслуживающего персонала при их вскрытии. Кроме того, удельная площадь поверхности не менее 600 м²/г обеспечивает высокую адсорбционную способность к неполярным органическим соединениям, в том числе, органических соединений первого и второго классов опасности.

Последовательное расположение активного и палладированного углеродного материалов во внешней и внутренней секциях поглотителя обеспечивает селективное поглощение компонентов из газовой среды и предотвращает загрязнение катализатора. что в свою очередь, продлевает срок его эксплуатации в составе закрытого объема специализированного устройства. Следствием этого является повышение безопасности при эксплуатации специализированных устройств, содержащих в закрытых объемах микроэлектронные компоненты.

Удаление водорода, паров воды и органических соединений из закрытых объемов высокотехнологичных специализированных устройств поясняется следующим образом.

Предлагаемое техническое решение поясняет следующая фигура.

На фигуре представлена схема, где:

1 - палладированный углеродный материал с массовой долей палладия от 0,5 до 1,0% на основе «Сибунита» ТУ 38 41540-95;

2 - активный уголь марки: АГ-3 (ГОСТ 20464-75), СКТ-3 (ТУ 6-16-2727-84) или БАУ (ГОСТ 6217-74);

3 - оболочки внешней и внутренней секций поглотителя из стеклоткани Т-10 (ГОСТ 19170-2001).

Водород, пары воды и органические соединения, выделяющиеся в газовую среду закрытого объема специализированного устройства, оснащенного микроэлектронными компонентами разного назначения, за счет теплового движения молекул проникают через оболочку внешней секции (поз.3) во внешнюю секцию, включающую активный уголь (поз.2) с удельной поверхностью не менее 600 м²/г. На активном угле внешней секции поглотителя происходит адсорбционное поглощение паров воды и органических соединений из водородсодержащей газовой среды. Затем, очищенный от паров воды и органических соединений водородсодержащий газ диффундирует через оболочку внутренней секции поглотителя (поз.3) во внутреннюю секцию поглотителя, включающую палладированный углеродный материал на основе «Сибунита» (поз.1) с массовой долей палладия от 0,5 до 1,0%. На палладированном углеродном материале происходит низкотемпературное окисление водорода с последующим возвращением очищенного от водорода, паров воды и органических соединений газа в газовую среду закрытого объема специализированного устройства.

Процесс поглощения водорода, паров воды и органических соединений из многокомпонентной газовой смеси состоит из следующих стадий:

- адсорбции паров воды и органических соединений, в том числе, веществ 1 и 2 классов опасности, на поверхности активного угля (марки АГ-3 (ГОСТ 20464-75), СКТ-3 (ТУ 6-16-2727-84) или БАУ (ГОСТ 6217-74));

каталитического окисления водорода на поверхности палладированного углеродного материала. Массовая доля палладия в палладированном углеродном материале (модификации «Сибунита» ТУ 38 41540-95) составляет от 0,5 до 1,0%. Внешняя секция из активного угля защищает палладированный углеродный материал от загрязнения и тем самым обеспечивают поддержание стабильной каталитической активности в процессе все эксплуатационного периода. Палладированный углеродный материал на основе «Сибунита», обладает высокой химической стойкостью к агрессивным средам, низкой реакционной способностью (кроме кислородсодержащих сред), низким содержанием минеральных примесей, исключающих протекание побочных реакций и возможностью простой регенерации нанесенных активных металлов путем сжигания.

Возможность промышленной реализации предлагаемого углеродного поглотителя водорода, паров воды и органических соединений, может быть подтверждена следующими примерами конкретного исполнения.

В лабораторных условиях заявляемое изобретение - поглотитель водорода, паров воды и органических соединений, реализован на опытной модели:

Пример 1.

В лабораторных условиях проведено последовательное количественное определение адсорбционной емкости и удельной каталитической активности к водороду в кислородсодержащей среде (воздушной атмосфере) углеродного поглотителя «А», содержащего активный уголь марки АГ-3 удельной площадью поверхности не менее 850 м²/г (ГОСТ 20464-75) и палладированный углеродный материал на основе «Сибунита» (ТУ 38 41540-95), с массовой долей палладия 0,5%. Оболочка внешней и внутренней секций поглотителя выполнена из стеклоткани Т-10 (ГОСТ 19170-2001).

Относительную адсорбционную емкость активного угля АГ-3 к парам воды и органическим соединениям в закрытом контейнере определяли гравиметрическим методом при следующих условиях: температура (25±5)°С, давление (760±5) мм рт. ст., относительная влажность воздуха 50%. Для этого исходный образец активного угля АГ-3, массой (5,00±0,005) г дегазировали при температуре 150°С и давлении 0,5 мм рт. ст., а затем его взвешивали на аналитических весах. После чего, АГ-3 в составе углеродного поглотителя «А» помещали в закрытый контейнер объемом (40±3) дм³. Контейнер оснащали датчиками влажности, температуры и давления. С помощью парогазового инжектора, также вмонтированного в контейнер, поддерживали влажность воздуха 50% в течение 200 ч эксперимента. После эксперимента углеродный поглотитель «А» извлекали из контейнера и снова взвешивали на аналитических весах.

Удельную каталитическую активность углеродного поглотителя «А» определяли по времени снижения содержания водорода в воздушной атмосфере от (2,5±0,25) % до (1,25±0,12) % в объеме контейнера (40±3) дм³. Объемную долю водорода в контейнере определяли на газовом хроматографе, оснащенном детектором по теплопроводности по аттестованной методике измерений.

Установлено, что относительная адсорбционная емкость активного угля АГ-3 в поглотителе «А» по воде составила (30±3,0) %, а каталитическая активность к водороду - (1,5±0,23) см³/мин⋅г.

В отличие от прототипа относительная удельная адсорбционная емкость поглотителя «А» на 25% больше, а содержание палладия в 4 раза меньше, что обуславливает более высокую адсорбционную способность и более низкую стоимость его изготовления, т.к. основная стоимость поглотителя (не менее 90%) определяется содержанием драгметалла - палладия.

Пример 2.

В лабораторных условиях проведено последовательное количественное определение адсорбционной емкости и удельной каталитической активности к водороду в кислородсодержащей среде (воздушной атмосфере) углеродного поглотителя «Б», состоящего из активного угля марки АГ-3 с удельной площадью поверхности не менее 850 м²/г (ГОСТ 20464-75) и палладированного углеродного материала на основе «Сибунита» (ТУ 38 41540-95), с массовой долей палладия 1,0%. Оболочка внешней и внутренней секций поглотителя выполнена из стеклоткани Т-10 (ГОСТ 19170-2001).

Относительную адсорбционную емкость активного угля марки АГ-3 к парам воды и органическим соединениям в закрытом контейнере определяли гравиметрическим методом при следующих условиях: температура (25±5)°С, давление (760±5) мм рт. ст., относительная влажность воздуха 50%. Для этого исходный образец активного угля марки АГ-3, массой (5,00±0,005) г дегазировали при температуре 150°С и давлении 0,5 мм рт. ст., а затем взвешивали на аналитических весах. После чего, АГ-3 в составе углеродного поглотителя «Б» помещали в закрытый контейнер объемом (40±3) дм³. Контейнер оснащали датчиками влажности, температуры и давления. С помощью парогазового инжектора, также вмонтированного в контейнер, поддерживали влажность воздуха 50% в течение 200 ч эксперимента. После эксперимента углеродный поглотитель «Б» извлекали из контейнера и снова взвешивали на аналитических весах.

Удельную каталитическую активность углеродного поглотителя «Б» определяли по времени снижения содержания водорода в воздушной атмосфере от (2,5±0,25) % до (1,25±0.12) % в объеме контейнера (40±3) дм³. Объемную долю водорода в контейнере определяли на газовом хроматографе, оснащенном детектором по теплопроводности по аттестованной методике измерений.

Установлено, что относительная адсорбционная емкость активного угля АГ-3 в поглотителе «Б» по воде составила (30±3,0) %, а каталитическая активность к водороду - (2,01±0,30) см³/мин⋅г.

В отличие от прототипа относительная удельная адсорбционная емкость поглотителя «Б» на 25% больше, а содержание палладия в 2 раза меньше, что обусловливает более высокую адсорбционную способность и меньшую стоимость его изготовления.

Пример 3.

В лабораторных условиях проведено последовательное количественное определение адсорбционной емкости и удельной каталитической активности к водороду в кислородсодержащей среде (воздушной атмосфере) углеродного поглотителя «В», состоящего из активного угля марки БАУ с удельной площадью поверхности не менее 650 м²/г (ГОСТ 6217-74) и палладированного углеродного материала на основе «Сибунита» (ТУ 38 41540-95) с массовой долей палладия 1,0%. Оболочка внешней и внутренней секций поглотителя выполнена из стеклоткани Т-10 (ГОСТ 19170-2001).

Относительную адсорбционную емкость активного марки БАУ к парам воды и органическим соединениям в закрытом контейнере определяли гравиметрическим методом при следующих условиях: температура (25±5)°С, давление (760±5) мм рт. ст., относительная влажность воздуха 50%.

Для этого исходный образец активного угля марки БАУ, массой (5,00±0,005) г дегазировали при температуре 150°С и давлении 0,5 мм рт. ст., а затем его взвешивали на аналитических весах. После чего, в составе углеродного поглотителя «В» помещали в закрытый контейнер на (40±3) дм³. Контейнер оснащали датчиками влажности, температуры и давления. С помощью парогазового инжектора, также вмонтированного в контейнер, поддерживали влажность воздуха 50% в течение 200 ч эксперимента. После эксперимента углеродный поглотитель «В» извлекали из контейнера и снова взвешивали на аналитических весах.

Удельную каталитическую активность углеродного поглотителя «В» определяли по времени снижения содержания водорода в воздушной атмосфере от (2,5±0,25) % до (1,25±0,12) % в объеме контейнере на (40±3) дм³. Объемную долю водорода в контейнере определяли на газовом хроматографе, оснащенном детектором по теплопроводности по аттестованной методике измерений.

Установлено, что относительная адсорбционная емкость активного угля марки БАУ в поглотителе «В» по воде составила (21±3,0) %, а каталитическая активность к водороду - (1,9±0,29) см³/мин⋅г.

В отличие от прототипа содержание палладия в поглотителе «В» в 2 раза меньше, что обусловливает более низкую стоимость изготовления поглотителя при сопоставимой адсорбционной способности.

Результаты измерений в условиях данных примеров сведены в таблицу 1.

Разработанный поглотитель водорода, паров воды и органических соединений на основе функциональных углеродных материалов позволяет обеспечить стабильную и безопасную работу микроэлектроники в закрытых объемах специализированных устройств, за счет увеличения адсорбционной способности поглотителя к неполярным органическим соединениям при снижении стоимости самого поглотителя в 2-4 раза по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к области технологий изготовления защитных средств и устройств очистки газовых сред в атомной и космической отрасли народного хозяйства. Поглотительное устройство включает внешнюю и внутреннюю полые секции, выполненные из газопроницаемого материала с размещенными в них индивидуальными твердыми поглотителями на основе адсорбционных и каталитических материалов, селективно поглощающие воду, органические соединения и водород. Газопроницаемые секции выполнены из стеклоткани и расположены последовательно по направлению движения очищаемой газовой среды, сначала внешняя секция с индивидуальным, поглотителем из активного угля с удельной площадью поверхности не менее 600 м²/г, селективно поглощающего пары воды и органические соединения. Затем внутренняя секция с поглотителем на основе «Сибунита», на поверхность которого нанесен слой восстановленного металлического палладия с массовой долей от 0,5 до 1.0%, селективно поглощающего водород в процессе инициирования низкотемпературной каталитической реакции. Изобретение обеспечивает улучшение адсорбционных характеристик поглотителей по отношению к неполярным органическим соединениям при одновременном обеспечении компактности и снижении ее стоимости. 1 ил., 1 табл., 3 пр.

Поглотительное устройство, включающее внешнюю и внутреннюю полые секции, выполненные из газопроницаемого материала с размещенными в них индивидуальными твердыми поглотителями на основе адсорбционных и каталитических материалов, селективно поглощающие воду, органические соединения и водород, отличающееся тем, что упомянутые газопроницаемые секции выполнены из стеклоткани и расположены последовательно по направлению движения очищаемой газовой среды, сначала внешняя секция с индивидуальным поглотителем из активного угля с удельной площадью поверхности не менее 600 м²/г, селективно поглощающего пары воды и органические соединения, а затем внутренняя секция с поглотителем на основе «Сибунита», на поверхность которого нанесен слой восстановленного металлического палладия с массовой долей от 0,5 до 1,0%, селективно поглощающего водород в процессе инициирования низкотемпературной каталитической реакции.