Микрофотография каталитической стеклоткани.
Фото: предоставлено участниками исследования / ИК СО РАН
Высокоактивные катализаторы для экологически чистого сжигания углеводородных топлив создали ученые ФИЦ «Институт катализа СО РАН». Новые структуры состоят из стеклянных микроволокон, покрытых частицами платины, и могут «упаковываться» в специальные картриджи, которые затем можно использовать для очистки газовых выбросов промышленных предприятий от различных вредных примесей — от оксидов азота и серы до токсичных органических веществ. Благодаря оригинальному методу синтеза активность платины возросла в 1,5 раза в сравнении с существующими альтернативами.
Российские предприятия и транспорт ежегодно выбрасывают в воздух миллионы тонн загрязняющих соединений: по данным агентства «ФинЭкспертиза», в 2023 г. их объем достиг 22 млн. т. Сейчас количество выбросов снижается, но это происходит медленно, поэтому проблема загрязнения атмосферы сохраняет актуальность. Одно из решений — каталитическая очистка газовых отходов от вредных примесей.
Эту функцию и призваны выполнять катализаторы, созданные исследователями ИК СО РАН. В роли активного компонента в них выступают частицы платины размером около 10 нм, в роли носителя — стеклянные микроволокна. Отличия разработанных в ИК СО РАН катализаторов от альтернатив — необычная геометрическая форма, а также гибкость носителя, нехарактерная для бóльшей части существующих технологий. Для применения на производствах катализаторы можно «упаковать» в структурированные картриджи. Полученные структуры отличаются двумя важными преимуществами — высокой эффективностью массообмена и низким гидравлическим сопротивлением.
Структура картриджа на основе стекловолокнистого катализатора.
Источник изображения: предоставлено участниками исследования / ИК СО РАН
«Когда мы разрабатываем новую каталитическую технологию, нам важно не только создать новый катализатор, но и найти решения, которые позволят ему максимально реализовать свой потенциал. Например, нужно обеспечить эффективный массообмен, то есть интенсивный доступ реагентов из потока реакционной смеси к поверхности катализатора и такой же интенсивный отвод продуктов реакции обратно в поток. Другим важным свойством каталитических систем является их гидравлическое сопротивление — это мера энергии, которую придется затратить на преодоление трения потока в слое катализатора. Обычно эти два параметра взаимосвязаны — чем лучше массообмен, тем хуже обстоят дела с гидравлическим сопротивлением, и наоборот. Искусство ученого заключается в том, чтобы найти оптимальный компромисс между ними, — рассказал корреспонденту «Научной России» руководитель проекта, ведущий научный сотрудник отдела технологии каталитических процессов ИК СО РАН Андрей Николаевич Загоруйко. — Один из способов решения этой задачи — использование структурированных катализаторов. Многим известны сотовые каталитические блоки, используемые в автомобилях, есть еще различные пены, сетки и другие формы. Наше решение — использование катализаторов на основе стеклотканных носителей, которые могут быть собраны в структурированные картриджи с регулярными каналами. По уже упомянутому главному критерию — соотношению массообмена и гидравлического сопротивления — такие картриджи превосходят все прочие известные геометрические формы катализаторов. В какой-то момент нас самих такой результат хоть и порадовал, но одновременно и озадачил. Оказалось, что секрет эффективности кроется в главном отличии стекловолокнистых катализаторов — их гибкости. Они могут динамически менять свою форму прямо в ходе работы и за счет этого взаимодействовать с потоком — это то, что невозможно представить для традиционных твердых систем».
Микрофотография стекловолокна, на которое с помощью напыления равномерно нанесены частицы платины.
Фото: предоставлено участниками исследования / ИК СО РАН
Новые катализаторы проявляют высокую активность в целевых реакциях, несмотря на то, что в них содержится очень мало платины — буквально сотые доли процента по массе.
«Много работы делалось и делается по самим катализаторам, но именно комбинация правильного катализатора и его пространственной организации дают нужный результат — максимально быстрое и простое превращение исходных реагентов, причем не любое, а именно целевое. Например, если мы говорим о процессе утилизации токсичных органических примесей в воздухе, то целевыми продуктами такой утилизации должны быть нетоксичные углекислый газ и пары воды: нельзя допускать образования полупродуктов неполного окисления, которые иногда могут быть даже вреднее, чем исходные загрязнители», — пояснил А.Н. Загоруйко.
Новые структуры практически полностью сохраняют и в дальнейшем легко восстанавливают свойства после попадания в аварийные условия: механического повреждения, резкого скачка температур, обработки химическими веществами (диоксидом серы, соляным раствором, дизельным топливом) и водой, включая кипяток. Этим качеством могут похвастаться далеко не все катализаторы.
«Еще один важный показатель — надежность и стабильность каталитической системы, — подчеркнул А.Н. Загоруйко. — Картриджи на основе стекловолокнистых катализаторов не боятся механических и термических ударов, стабильно работают в присутствии веществ, быстро выводящих из строя традиционные катализаторы, например, соединений серы и хлора, их также можно применять в сильно запыленных потоках. Эти свойства подтверждены как на лабораторном уровне, так и на практике — в пилотных и промышленных установках очистки выхлопных газов дизель-генераторов и отходящих газов нефтехимических производств. Практика подкидывает и новые задачи: недавно по запросу партнеров проверяли новые катализаторы в совершенно экстремальных условиях — поливали их кипятком, горячим рассолом, углеводородным маслом, и наши структуры вполне успешно пережили все эти “издевательства”, которые были бы фатальными для большинства обычных катализаторов».
Уменьшенная копия промышленного каталитического блока и подложка с нанесенной платиной.
Фото: предоставлено пресс-службой ИК СО РАН
Кроме того, ученым удалось более, чем в 1,5 раза, повысить удельную активность частиц платины в катализаторе благодаря новаторскому методу синтеза: в отличие от традиционного нанесения активного компонента с помощью пропитки, платина напылялась на стекловолокно в виде мелкодисперсных капель — своеобразной «росы».
Чтобы протестировать возможности катализатора, ученые разработали экспериментальную установку, где испытывали картриджи с геометрической формой, соответствующей промышленным каталитическим блокам. Во время исследований были изучены как каталитические, так и инженерные свойства новых фильтрующих систем. Полученные данные помогут упростить переход к практическому использованию разработки.
«Мы работаем не только над совершенствованием наших катализаторов и улучшением конструкций картриджей, но еще и над расширением сферы применения наших разработок. Это очистка дымовых газов традиционной тепловой энергетики, выхлопных газов автомобилей, экологически чистые технологии сжигания топлив, эффективная переработка углеводородных отходов и многое другое. У нас уже есть достижения промышленного уровня, но впереди предстоит еще очень много работы. Сегодня в мире пока что мало кто занимается стекловолокнистыми катализаторами, сейчас мы лидируем в этой сфере, и наша задача — сохранить конкурентные научные преимущества и максимально реализовать их на практике для решения природоохранных задач, касающихся каждого из нас», — заключил Андрей Николаевич Загоруйко.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Источник изображений на превью и на странице: предоставлены участниками исследования и пресс-службой ФИЦ «ИК СО РАН»