Катализатор для разложения озона и способ его изготовления Российский патент 2024 года по МПК B01J21/16 C01B33/14 B01J23/755 B01J37/02 B01J37/08 B01D53/66 

Изобретение относится к производству катализаторов для очистки газов от вредных примесей и может быть использовано, в частности, для очистки газовых смесей от озона в системах водоподготовки, очистки сточных вод, обработки полупроводников в микроэлектронной промышленности, дезинфекции в медицине и сельском хозяйстве, а также для очистки газовых смесей от озона в системах коллективной и индивидуальной защиты органов дыхания, выбросах промышленных предприятий и для других индустриальных и природоохранных целей.

Известны следующие катализаторы для разложения озона:

- на основе смеси алюмината кальция (талюм), 30-40 мас.% оксида марганца и 20-30 масс % оксида меди как без оксида никеля [Авторское свидетельство СССР № 1768274, 15.10.1992], так и с оксидом никеля [Патент RU 2077946, 12.04.1997];

- на основе смеси талюма, 29-31 мас.% оксида марганца, 19-21% оксида меди, 9-11 масс % оксида никеля, 0.015-0.1 мас.% соединений платины [Патент RU 2411992, 20.02.2011];

- на основе смеси диоксида марганца, талюма и оксида алюминия [Патент RU 2130803, 27.05.1999];

- на основе смеси оксида алюминия с соединениями одного из следующих металлов: медь, марганец, кобальт, никель или их смеси без благородных металлов [Патент RU 2134157, 10.08.1999] или с платиной и/или палладием [Патент US 4206083, 03.06.1980; патент US 6121189, 19.09.2000; патент US 5286700, 15.02.1994];

- на основе смеси бентонитовой глины, диоксида марганца и оксида меди как без талюма [Патент RU 2102144, 20.01.1998; патент RU 2193923, 10.12.2002; патент RU 2167713, 27.05.2001; патент RU 2213616, 10.10.2003; патент RU 2218211, 10.12.2003], так и с талюмом [Патент RU 2169041, 20.06.2001];

- на основе смеси бентонитовой глины, высокоглиноземистого цемента, марганец- и медьсодержащих соединений [Патент RU 2411984, 26.02.2009];

- на основе полиуретана, содержащего диоксид марганца и манганат лантана, допированного серебром [Патент RU 2491991, 20.08.2012];

- на основе алюминиевой фольги с алюмосиликатным покрытием, импрегнированное оксидами переходных металлов с добавками благородных металлов или их оксидов [Патент RU 2537300, 26.06.2016; патент US 5620672, 25.02.1994].

Недостатками вышеуказанных катализаторов являются:

- применение дорогостоящих благородных металлов (платина, палладий, серебро);

- использование высокого содержания оксидов переходных металлов (марганца, меди);

- низкая удельная поверхность катализаторов;

- низкая активность во влажном потоке.

Наиболее близким к заявляемому материалу является катализатор на основе активированного угля, модифицированного соединением d-элемента - диоксида марганца в количестве 5 масс % [Wenjing Dai, Boge Zhang, Jian Ji, Biyuan Liu, Ruijie Xie, Yanling Gan, Xiaowen Xie, Jiarui Zhang, Pingli Huang, and Haibao Huang "Exceptional Ozone Decomposition over δ-MnO2/AC under an Entire Humidity Environment" // Environ. Sci. Technol. 2023. V. 57. P. 17727−17736. https://doi.org/10.1021/acs.est.3c00717].

Недостатком данного материала является его низкая пожаробезопасность.

Технической проблемой на решение которой направлено предлагаемое изобретение является повышение пожаробезопасности при сохранении значений эффективности очистки газовых потоков от озона, за счет применения неорганических матриц, модифицированных частицами соединений d-элементов нанометрового размера.

Решение указанной технической проблемы достигается тем, что для фильтров очистки воздушных потоков от озона предложен катализатор на основе негорючего крупнопористого силикагеля марки КСКГ (крупный силикагель крупнопористый гранулированный), модифицированного частицами соединений d-элемента - никеля нанометрового размера. Содержание никеля в данном катализаторе составляет 6-8 мас.%.

Предлагаемый катализатор получают синтезированием в 2 стадии. На первой стадии осуществляют синтез прекурсоров катализатора, а на второй - синтез катализатора. Синтез прекурсоров катализатора на основе силикагеля КСКГ проводят путем его пропитки водным раствором азотнокислой соли двухвалентного никеля с последующим высушиванием на воздухе при 110°С. Затем прекурсоры обрабатывают водными растворами аммиака с концентраций 2 моль/л в течение 24 ч и прокаливают на воздухе в течение 4 ч при температуре 300°С. Таким образом, синтез катализаторов методом пропитки пористой матрицы водными растворами солей металлов – импрегнантов, включает как сорбцию и ионный обмен, так и внедрение ионов импрегнантов в микро- и мезопоры матрицы. В результате возникает возможность синтеза катализаторов с высоким содержанием частиц соединений металлов нанометрового размера.

Осуществление заявленного изобретения подтверждается нижеследующими примерами конкретного осуществления очистки воздушного потока от озона, приведёнными в таблице.

Заявленный катализатор получали с помощью синтеза прекурсоров катализатора на основе силикагеля КСКГ, путем его пропитки водным раствором азотнокислой соли двухвалентного никеля с последующим высушиванием на воздухе при 110°С. Затем прекурсоры обрабатывали водными растворами аммиака с концентраций 2 моль/л в течение 24 ч и прокаливали на воздухе в течение 4 ч при температуре 300°С. Содержание никеля в полученных катализаторах составило 6-8 мас.%.

Полученные катализаторы содержащие нанометровые частицы соединений Ni испытывали при разложении озона (O₃) при следующих параметрах:

исходная концентрации [O₃]_исх – 3-10 г/м³;

скорость газового потока - 4.0 см/с (8.0 мл/с);

температуре газовой фазы - 25°С;

относительной влажности газа - 90%;

время контакта "газовая фаза - катализатор" - 0.2-2.0 с;

масса катализатора - 10-20 г;

высота слоя катализатора - 65-132 мм.

Результаты испытаний согласно примерам 1-7 отражены в таблице 1.

Таблица 1. Данные по разложению О₃ из воздушного потока на катализаторе из силикагеля, модифицированного никелем, (SiO₂-7Ni) при 25°С

[O₃]_исх, г/м³ [O₃]_кон, г/м³ Масса катализатора,
г Высота слоя, мм Время контакта «газ-катализатор», сек К_оч = С_исх / С_кон Пример 1 10.0 0.1 10.0 65 1.00 100 Пример 2 3.0 0.004 20.0 132 2.00 860 Пример 3 0.008 1.00 370 Пример 4 0.017 0.50 180 Пример 5 0.029 0.33 100 Пример 6 0.036 0.25 85 Пример 7 0.048 0.20 65

Как видно из таблицы разработанные катализаторы, содержащие нанометровые частицы соединений Ni, позволяют проводить разложение озона (O₃) в газовой фазе до концентрации менее 100 мг/м³ при исходной концентрации [O₃]_исх – 3-10 г/м³ , и таким образом обеспечивают достижение технического результата, выраженного в сохранении значений эффективности очистки газовых потоков от озона, а также являются пожаробезопасными.

Изобретение относится к производству катализаторов для очистки газов от вредных примесей и может быть использовано, в частности, для очистки газовых смесей от озона в системах водоподготовки, очистки сточных вод, обработки полупроводников в микроэлектронной промышленности, дезинфекции в медицине и сельском хозяйстве, а также для очистки газовых смесей от озона в системах коллективной и индивидуальной защиты органов дыхания, выбросах промышленных предприятий и для других индустриальных и природоохранных целей. Описан катализатор для разложения озона, содержащий соединения d-элементов, причем катализатор выполнен на основе силикагеля марки КСКГ, модифицированного частицами соединений никеля нанометрового размера, при этом содержание никеля в катализаторе составляет 6-8 мас.%. Способ получения указанного катализатора характеризуется тем, что осуществляют синтез прекурсоров катализатора на основе силикагеля КСКГ путем его пропитки водным раствором азотнокислой соли двухвалентного никеля с последующим высушиванием на воздухе при 110°С, обрабатывают прекурсоры водными растворами аммиака с концентраций 2 моль/л в течение 24 часов и прокаливают на воздухе в течение 4 часов при температуре 300°С. Технический результат - повышение пожаробезопасности при сохранении значений эффективности очистки газовых потоков от озона. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 7 пр.

1. Катализатор для разложения озона, содержащий соединения d-элементов, отличающийся тем, что выполнен на основе силикагеля марки КСКГ, модифицированного частицами соединений никеля нанометрового размера, при этом содержание никеля в катализаторе составляет 6-8 мас.%.

2. Способ получения катализатора по п. 1, характеризующийся тем, что осуществляют синтез прекурсоров катализатора на основе силикагеля КСКГ путем его пропитки водным раствором азотнокислой соли двухвалентного никеля с последующим высушиванием на воздухе при 110°С, обрабатывают прекурсоры водными растворами аммиака с концентраций 2 моль/л в течение 24 часов и прокаливают на воздухе в течение 4 часов при температуре 300°С.