Электрохимически синтезированные металлические и биметаллические катализаторы для природоохранных технологий/Electrochemically Synthesized Metallic and Bimetallic Catalysts for Technologies Related to Nature Protection

Отходы > WasteECo > 2009 > Газоочистка

Электрохимически синтезированные металлические и биметаллические катализаторы для природоохранных технологий

Байрачная Т. Н., Савченко В. О., Ведь М. В., Сахненко Н. Д., Штефан В. В., Зюбанова С. И.,

Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Харьков, Украина

Одна из наиболее актуальных проблем современной химической науки и инженерии — разработка способов защиты окружающей среды, в частности воздушного бассейна. Возрастает количество работ, посвященных созданию высокоэффективных и доступных по стоимости каталитических материалов с повышенным ресурсом в условиях эксплуатации — основы нейтрализаторов вредных эмиссий. В этом отношении значительный интерес представляют биметаллические системы, содержащие металлы подгруппы железа и тугоплавкие элементы. Недостаточный уровень технических решений в области получения таких материалов послужил толчком к разработке электрохимического способа их синтеза и изучению свойств полученных осадков.

Еще один путь улучшения состояния воздушного бассейна — использование экологически чистого топлива, например водорода, запасы которого, как связанного в органических веществах, так и в воде, практически неисчерпаемы. Электролиз воды — один из наиболее известных и хорошо исследованных методов получения водорода. Он обеспечивает производство чистого продукта (99,6—99,9 % Н₂) в одну технологическую ступень. Основная часть любой электрохимической системы — электроды. От их материала и конструкции зависят продуктивность электролиза, удельный расход электрической энергии, продолжительность беспрерывной эксплуатации и затраты на ремонт оборудования — характеристики, определяющие экономические показатели технологии.

В связи с этим важное направление работ по усовершенствованию электролиза водных растворов — поиск эффективных электрокатализаторов анодного и катодного процессов.

Каталитическую активность электролитических покрытий сплавами Ni—W, Со—W, Со—Мо, а также Pd—Ni и системы шамот—Pd, полученных химическим методом, тестировали в реакции беспламенного окисления бензола (табл. 1).

Таблица 1

Тестирование каталитической активности покрытий в реакции беспламенного окисления бензола

Материал	Температура зажигания, ^оС	Скорость потока, ч^-1
		20 000				40 000
		Содержание компонента в газах, выходящих из реактора			Степень превращения бензола, %	Содержание компонента в газах, выходящих из реактора
		СО, об. %	СО₂, об. %	NO_x, мг/м³	Степень превращения бензола, %	СО, об. %	СО₂, об. %
Co–W (10)*	210	0,03	4,5	1,2	68–70	0,19	2,08
Co–W (30)	160	0,39	6,6	–	78–80	0,25	4,27
Co–W (50)	220	0,22	9,9	–	80–85	0,17	8,3
Ni–W (30)	130	0,33	5,5	–	78–80	0,40	3,99
Co–Mo (20)	150	0,12	10,15	–	75–80	–	–
Pd–Ni (20)	170	0,14	4,33	–	65–70	0,06	0,79
Шамот–Pd (0,05)	205	0,028	2,3	6,7	75–80	–	–

* В скобках указано содержание в сплаве второго компонента в мас. %.

Как показывают результаты испытаний, на ряде покрытий сплавами заданного состава удается снизить температуру зажигания по сравнению с традиционными каталитическими материалами металлов платиновой группы на керамическом носителе. В газах, выходящих из реактора, при тестировании сплавов не обнаружены оксиды азота (за исключением сплава, содержащего 10 мас. %

Синтезированные покрытия сплавами испытали на установке, имитирующей работу двигателя внутреннего сгорания (табл. 2).

Таблица 2

Результаты стендовых испытаний каталитической активности покрытий

Материал	Время испытаний, ч	Толщина покрытия, мкм	Степень очистки, %
Материал	Время испытаний, ч	Толщина покрытия, мкм	Углеводороды и СО	NO_x
Pd	10	1–2	95–97	52–57
Pd–Ni (30)	9	1–2	94–96	51–53
Pd–Ni (70)	6	1–2	90–92	48–50
Ni–W (20)	9	2–3	90–92	18–21
Ni–W (30)	5	2–3	92–95	20–25
Ni–W (30)	8	2–3	92–95	20–25
Ni–W (40)	4	2–3	93–95	20–25
Co–W (25)	9	2–3	90–94	30–33
Co–W (10)	9	2–3	90–94	32–36

Полученные результаты позволяют рекомендовать покрытия сплавами как основу каталитических нейтрализаторов для очистки газовых выбросов автотранспорта и промышленных предприятий малой мощности.

Микротвердость сплавов Со—W и Ni—W достаточна для замены ими твердых покрытий хромом, что позволит вывести из технологических процессов канцерогенные соединения Сг (VI). Технология сплавов Со—W и Ni—W экологически безопасна, поскольку не предусматривает применения токсичных веществ.

Оценка электрокаталитической активности сплава Fe—Со в реакции электрохимического выделения водорода приведена в табл. 3.

Таблица 3

Параметры электролиза

№	Материал		Суммарное напряжение на электролизере, В	Потенциал, В
№	катода	анода	Суммарное напряжение на электролизере, В	катода	анода
1	Нержавеющая сталь	Нержавеющая сталь	2,16	–1,254	0,50
2	Никель	Никель	2,14	–1,124	0,55
3	Сплав Fe–Co (20)	Никель	1,99	–1,00	0,54
4	Сплав Fe–Co (20)	Нержавеющая сталь	1,96	–1,02	0,50
5	Сплав Fe–Co (20)	Сплав Fe–Co (20)	1,83	–1,04	0,48
6	Fe_xO_y·Co_mO_n	Fe_xO_y·Co_mO_n	1,77	–1,00	0,45

При плотности тока 200 А/м² напряжение на электролизере имеет максимальное значение при использовании традиционных материалов (см. табл. 3, № 1, 2). Замена катода или обоих электродов на электрод с покрытием сплавом Fe—Co снижает напряжение на 10—15 % (см. табл. 3, № 3, 4, 5). Наименьшее напряжение наблюдается при использовании электродных материалов с покрытиями смешанными оксидами типа Fe_xO_y· Co_mO_n (табл. 3, № 6). Полученные данные свидетельствуют о целесообразности использования сплава Fe—Co в качестве электродного материала при водно-щелочном электролизе.

В процессе получения водорода путем разложения воды в качестве побочного продукта образуется значительное количество кислорода. Он может найти применение в различных технологических процессах, в том числе очистки сточных и природных вод.

Electrochemically Synthesized Metallic and Bimetallic Catalysts for Technologies Related to Nature Protection

Bayrachnaya T. N., Savchenko V. O., Ved M. V., Sakhnenko N. D., Shtefan V. V., Zyubanova S. I.,

National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute, Kharkiv», Ukraine

The authors have demonstrated the prospects of using electrochemically obtained Fe group metal based alloys (Co—W, Ni—W, Co—Mo) as electrocatalysts in flameless benzene oxidation reactions and as vehicle emission and low-capacity production plant exhaust clarification neutralizers. The process of hydrogen and oxygen obtaining by means of water decomposition using Co—Fe alloy as electrode material is considered.

Сведения об авторах

Байрачная Татьяна Николаевна, аспирантка, кафедра технической электрохимии, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», ул. Фрунзе, 21, Харьков, 61002, Украина. Тел. (057) 707-66-61
Савченко Валерия Олеговна, аспирантка, кафедра технической электрохимии, Национальный технический университет «Харковский политехнический институт», ул. Фрунзе, 21, Харьков, 61002, Украина. Тел. (057) 707-66-61. E-mail
Ведь Марина Витальевна, канд. техн. наук, доц., кафедра технической электрохимии, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», ул. Фрунзе, 21, Харьков, 61002, Украина. Тел. (057) 707-66-61
Сахненко Николай Дмитриевич, д-р техн. наук, проф., кафедра технической электрохимии, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», ул. Фрунзе, 21, Харьков, 61002, Украина. Тел. (057) 707-66-61
Штефан Виктория Владимировна, канд. техн. наук, доц., кафедра технической электрохимии, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», ул. Фрунзе, 21, Харьков, 61002, Украина. Тел. (057) 707-66-61