Новые каталитические системы на основе углеродных волокон

Международная научно-практическая конференция с участием
государств-участников СНГ
«ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕНДЕНЦИИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ, ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ,
РАЦИОНАЛЬНОЙ И ЭФФЕКТИВНОЙ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА»
Новые каталитические системы на основе
углеродных волокон для низкотемпературного
окисления СО в воздухе; преимущества и
перспективы использования
Радкевич В.З., Хаминец С.Г., Сенько Т.Л., Егиазаров Ю.Г.
ГНУ «Институт физико-органической химии НАН Беларуси»
Минск, 220072, ул. Сурганова 13,
т. (+375 17) 284 20 45,
[email protected]
Монооксид углерода (СО): токсикологические свойства и
источники поступления в окружающую среду
Современные технологии привели не только к росту научно-технического
прогресса, но и к резкому увеличению числа опасных для здоровья людей
химических веществ, которые активно применяются в производстве и в быту.
Согласно статистике, более 80% людей, попадая в зону действия техногенной
аварии или пожара, теряют жизнь и здоровье от вдыхания токсичных
веществ.
Монооксид углерода (угарный газ, СО, предельно допустимая концентрация,
ПДК, - 20 мг/м3 или 0,0016 об. %) – широкораспостраненный токсикант, в
основе биологического действия которого лежит связывание гемоглобина
крови человека. Особая опасность СО состоит в невозможности его
органолептического обнаружения.
•
•
•
•
•
•
•
Сотни миллионов тонн CO поступают в атмосферу ежегодно в результате
деятельности человека:
автотранспорт, железнодорожный и морской транспорт;
неисправность газопроводов и газоаппаратуры;
металлургия, химическая индустрия : крекинг- процесс, производство
формалина, углеводородов, аммиака, соды, фосгена, метилового спирта,
муравьиной и щавелевой кислот, метана и др.
производство и переработка синтетических волокон),
угледобывающая промышленность; производство табака, хлеба;
светокопирование; переработка отходов; сжигание топлива в быту.
Во время пожара концентрация СО в воздухе может достигать 0,3-0,5 об. % и
представлять непосредственную угрозу жизни человека.
Единственный эффективный способ удаления монооксида углерода из
воздуха при температурах окружающей среды – каталитическое
окисление СО кислородом.
Катализаторы окисления СО, активные в температурном
диапазоне от 15 до 35 оС и используемые в целях
экологической безопасности и охраны окружающей среды
Катализатор
Содержание активного
компонента
Недостатки катализаторов,
ограничивающие их
применение в СИЗОД
Гопкалит
смесь оксидов меди и
марганца
Золотонанесённые
катализаторы на основе
0.5-1.5 масс. % Au
Дезактивация в
присутствии влаги и
необходимость сочетания
с сильным осушающим
агентом.
оксидов переходных металлов
Металнанесенные
5-7 масс. % Pt или Pd
Высокая стоимость
хлориды платиновых
металлов (0.5-1.5 масс.% в
расчете на металл) и соли
металлов переменной
валентности (Cu, Fe и др.)
Гранулированный
носитель создает высокое
сопротивление
очищаемому газовому
потоку
(платина- и
палладийсодержащие)
катализаторы на основе
неорганических
носителей
Металлокомплексные
катализаторы на основе
твердых носителей, типа угля,
оксида алюминия, силикагеля
О возможности изготовления легкого респиратора
на основе гранулированного катализатора
Попытка изготовить эффективный лёгкий
респиратор
на
основе
катализатора
в
гранулированной форме (Патент № 2 399 391.
Россия. 2010, катализатор на основе оксида
алюминия)
путем
его
измельчения
и
размещения в виде тонкого порошка между
двумя
тканевыми
фильтрами
оказалась
малоуспешной. Со временем и при наличии
вибраций (например, при транспортировке)
активный компонент мигрирует к одной из
сторон фильтроматериала, увеличивая и без
того
большую
вероятность
проскока
(вследствие неравномерности нанесения и
худшей
проницаемости
частиц
оксида
алюминия) монооксида углерода.
Преимущества углеродных материалов волокнистой структуры
- относительная простота регулирования физико-химических
свойств поверхности носителя с целью создания оптимального для
данной реакции взаимодействия активный компонент – носитель
- малый диаметр волокна (5-10 мкм) способствует интенсификации
массообменных процессов за счет снижения диффузионных
затруднений, и, как следствие, повышению активности и
селективности каталитической системы
- важным преимуществом углеродных носителей в отличие от
неорганических является наличие восстановительных свойств
поверхности, позволяющих стабилизировать металлы в низкой
степени окисления
- волокнистая структура углеродных материалов позволяет
изготовить требуемую форму каталитического фильтра с малым
сопротивлением потоку очищаемого воздуха.
Таблица 1. Физико-химические свойства активированных углеродных
волокнистых материалов: нетканого материала карбопон и ткани бусофит
производства РУП «СПО «Химволокно» (г. Светлогорск, Беларусь)
Наименование
углеродного
материала
Sуд.,
м2/г
Карбопон-В aктив
853
Бусофит Т-055
Бусофит Т-055 ЭХО
Влагопоглощение,
гН2О/
гносителя
Адсорбционная
активность по
Пред.объём сорб.
пространства по парам
бензола,
см3/г
0,34
метиленовому
голубому, мг/г
316
иоду,
%
124
1096
0,47
537,2
147,9
0,62
1102
0,51
538,1
147,5
0,64
ЭМ снимок карбопона
0,52
ЭМ снимок бусофита
Синтез каталитических систем на основе углеволокнистых
материалов и определение их активности в окислении СО
Катализаторы получали пропиткой углеродного волокна водным
раствором солей (хлоридов, ацетатов, бромидов и нитратов) палладия,
меди и железа с последующими стадиями сушки и активации. Активность
синтезированных катализаторов определяли в специально
сконструированном разборном лабораторном проточном реакторе,
имитирующем респираторное устройство (рис. 1).
Рисунок 1. Схема лабораторного
реактора для определения активности в
окислении СО катализаторов на основе
углеволокнистого материала
1 - Фиксирующие сетки;
2 - Слой катализатора (в виде пластин);
3 - Уплотнительное кольцо;
4 - Резиновые прокладки.
Условия проведения каталитических опытов:
Т - 15-30оС. Расход очищаемого воздуха –
46 л/ч/г кт, Vo -13000ч-1.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Установлено [1, 2], что каталитическая система на основе углеволокнистого
материала карбопон, полученная нанесением активного компонента (хлориды
палладия и железа, ацетат и бромид меди) в три этапа с промежуточными
стадиями активации, обладает высокой эффективностью в окислении СО. При
его содержании в воздухе 0,03 об. % в условиях респираторного режима
обеспечивается остаточное содержание СО в воздухе ниже ПДК. Однако данный
катализатор не пригоден для эффективного окисления СО при его высоком
содержании в газовой смеси вследствие быстрой дезактивации в ходе
каталитического опыта [3].
Каталитическая система, эффективно удаляющая СО как при его малом
(0,03 об %), так и высоком (0,5 об. %) содержании в воздухе, получена нами при
использовании в качестве носителя активированной сорбирующей ткани
бусофит, обладающей лучшими сорбционными свойствами по сравнению с
карбопоном [4, 5].
1. Радкевич В.З., Сенько Т.Л., Хаминец С.Г., Вильсон K., Егиазаров Ю.Г.
// Кинетика и катализ. 2008. Т. 49. № 4. С. 570-576.
2. Радкевич В.З., Сенько Т.Л., Хаминец С.Г., Вильсон K., Егиазаров Ю.Г.
// Катализ в промышленности. 2009. № 5. С. 43-50.
3. Хаминец С.Г., Радкевич В.З., Сенько Т.Л., Потапова Л.Л., Егиазаров Ю.Г.
// Сборник докл. VI Межд. научно-практ. конф. «Чрезвычайные ситуации:
предупреждение и ликвидация». Минск, 2011. С. 332-339.
4. Патент 16370 РБ. Катализатор для очистки воздуха от монооксида углерода
и способ его получения.
5. Заявка на выдачу патента РБ на изобретение № а20121103 от 20.07.2012.
Катализатор для очистки воздуха от монооксида углерода и способ его
получения
Рис. 2. Влияние ЭХО: силы тока (А) и скорости подачи углеродной ткани
(м/ч) - на активность и стабильность каталитической системы.
Содержание металла в катализаторе, масс. %: Pd- 1.41, Cu -9.3, Fe -0.56.
Условия активации системы - 170оС, 4 ч. Расход очищаемой смеси
(0,5 об. % СО в воздухе) - 46 л/ч/г кт, Vo -13000ч-1. Температура
и влажность очищаемого воздуха: 20оС и 85%.
Рисунок 3. Влияние условий обработки и режима испытания на
активность каталитической системы, приготовленной на основе
бусофита ЭХО (скорость -20 м/ч, сила тока – 20А).
Содержание металла в катализаторе, масс. %: Pd- 1.41, Cu -9.3, Fe -0.56.
Температура и продолжительность
обработки системы:
а: 1- 50оС, 1 ч; 2- 170оС, 4 ч;
3 -170оС, 6 ч; 4-180оС, 4 ч;
б, в - 170оС, 4 ч.
Преимущества и перспективы использования катализаторов
на основе углеродных волокнистых материалов
Полученный углеволокнистый каталитический материал отличается
однородным распределением активного компонента с преимущественной
локализацией
в
приповерхностном
слое
волокна,
обладает
малым
сопротивлением потоку очищаемого воздуха, устойчив к механическим
нагрузкам: активная фаза не мигрирует и не выносится газовым потоком.
Разработанные каталитические системы на основе углеродных волокнистых
материалов перспективны для создания на их основе респираторных устройств
для защиты органов дыхания человека от СО:
- это готовая композиция для применения в качестве каталитического материала
для удаления СО при его высоком содержании в воздухе (0,2-0,5 об.%, время
защитного действия не менее 2ч) в фильтрующее-сорбирующем элементе
самоспасателя.
- при соответствующей гидрофобизации углеволокнистая каталитическая
система может быть успешно использована в качестве фильтрокаталитического
материала для изготовления респиратора с защитой от СО в диапазоне 5-25 ПДК.
Работа в области разработки материалов и их использования для изготовления
средств индивидуальной защиты органов дыхания проводится совместно с
разработчиками и производителями СИЗОД в СНГ - Физико-химическим
Институтом защиты окружающей среды и человека, г. Одесса (Украина) и ОАО
«Кимрская фабрика им. Горького» (Россия).
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!