DE2217493C3 - Verfahren zur Herstellung von Trägerkatalysatoren - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von TrägerkatalysatorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Trägerkatalysatoren aus einem chemisch
inerten Träger aus Fasern oder Faserbündeln, die vorzugsweise aus feuerfestem Material bestehen und einem
katalytischen Überzug aus wenigstens einem Metall oder einem Oxid eines Elementes der Familie der
Platinoiden.
In der Industrie gelangen häufig Katalysatoren mit »Trägern« zur Anwendung; man versteht darunter
Katalysatoren, die einen chemisch inerten Träger aufweisen, der mit einer katalytisch aktiven Verbindung
bedeckt ist. Diese Herstellungstechnik erlaubt die Gewinnung von Erzeugnissen, die einerseits eine
große aktive Oberfläche haben, andererseits aber eine
relativ kleine Menge katalytisch wirksamer chemischer Verbindungen, weil derartige Produkte häufig
viel zu teuer sind, um in massiver Form verwendet zu werden. Im Interesse der Gewinnung von Katalysatoren
mit optimalen Eigenschaften ist es selbstverständlich, daß die Katalysatoren eine möglichst große
Oberfläche darbieten; das bedeutet aber nichts anderes, als daß man gezwungen ist, einen inerten Träger
auszuwählen, der seinerseits eine große Oberfläche bei kleinem Volumen hat, und daß die aktive katalytische
Substanz bestmöglich diese Gesamtfläche des inerten Trägers bedeckt. Es muß daher eine vollkom-
ί men einwandfreie Verteilung der katalytischen Substanz
über die Gesamtheit der Oberfläche des inerten Trägers vorhanden sein, ohne daß an bestimmten
Punkten des Trägers für den Katalysator unbeabsichtigte Überdicken entstehen. Die Erfüllung dieser Bedingungen
ist sehr schwer zu erreichen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art zu
schaffen, das sich dadurch auszeichnet, daß dasselbe zu Trägerkatalysatoren führt, die in einheitlicher
ι > Weise die katalytisch wirksame Masse auf dem Trägermaterial
verteilt aufweisen.
Diese Aufgabe wird in kennzeichnender Weise dadurch gelöst, daß der Träger mit einer wenigstens ein
Sulforesinat eines Metalls der Platinoide enthaltenden
jn Lösung versetzt, sodann langsam unter einheitlichem
Imprägnieren aller Fasern getrocknet und abschließend in Luft auf eine Temperatur von über 200° C
erhitzt wird.
Da es erfindungsgemäß gelingt, eine vollkommen einheitliche Verteilung des Katalysators auf dem Träger
zu erzielen, bedingt dies eine erhöhte katalytische Wirksamkeit vergleichsweise zu Trägerkatalysatoren,
die eine nicht einheitliche Verteilung aufweisen, bzw. eine Kostenersparnis dahingehend, daß eine geringere
Menge an relativ kostspieligem Katalysator vergleichsweise zu denjenigen Trägerkatalysatoren angewandt
werden kann, die eben nicht die genannte vollkommen einheitliche Verteilung zeigen.
Es ist häufig im Interesse der Stabilisierung des Ka-
r> talysators zweckmäßig, den betreffenden Katalysator
auf eine Temperatur zu bringen, die praktisch gleich der Temperatur ist, bei welcher der Katalysator letzten
Endes zur Anwendung gelangt. Am häufigsten wird also das Produkt auf eine Temperatur von iriin-
destens 400° C gebracht. Überdies muß sich diese letzte Erhitzung, der eine Reaktion vorangegangen
sein kann, welche die Reduktion in den metallischen Zustand des Katalysators bewirkt, wenn dieser sich
anfangs im Zustand des Oxides befindet, in einer At- > mosphäre abspielen, die dem Endzustand der Oxidation
entspricht, den man für den gesuchten Katalysator erreichen will.
Die inerten Träger, die beim Erfindungsgegenstand zur Anwendung gelangen, bestehen insbesondere aus
ϊο Fasern oder irgendwelchen Faserbündeln, die vorzugsweise
aus feuerfestem Material bestehen, d. h. aus einem Stoff, der ohne Einbuße seiner physikalischen
Gefügeeigenschaften Temperaturen von mindestens 400 bis 500° C aushalten kann. Diese Fasern oder
Faserbündel können an sich entweder in Form getrennter Fasern oder in Form von Tüchern, Geweben
oder Leinwand, vorzugsweise aber in Form eines mehr oder minder dichten Filzes vorliegen. Fasern dieser
Art gewinnt man beispielsweise aus feuerfesten Stoffen wie Silizium, Aluminium oder Aluminiumsilikaten.
Bei der Prüfung der Fasern, die mit der katalytischen Substanz bedeckt und nach dem Verfahren nach
der Erfindung hergestellt sind, stellt man fest, daß sie völlig gleichförmig mit einer ununterbrochenen Materialschicht
überzogen sind; man kann beispielsweise keine isolierten Kristalle mehr unterscheiden, wie dies
der Fall ist, wenn die katalytische Substanz nach den
klassischen Methoden niedergeschlagen ist, Diese ununterbrochene Bedeckung der Faser hat einen quasi
totalen Überzug der Oberfläche der Fasern zur Folge und bietet ein gleichförmiges Aussehen der Farbe des
gewonnenen Produkts dar. Hieraus ergeben sich folgende Konsequenzen:
1. Das Aussehen dieser so hergestellten neuen Produkte
unterscheidet sich von demjenigen der Erzeugnisse des gleichen Typs, die man im Wege
der Ausführung nach dem bisher bekanntgewordenen Verfahren hergestellt hat; das bedeutet
beispielsweise, daß ein Material, welches man nach einem vorbekannten Verfahren durch Imprägnierung
eines Filzes und nachfolgende Erhitzung gewonnen hat, Unregelmäßigkeiten der Färbung infolge von Verschiedenheiten der
Dicke der Niederschläge aufweist; im Gegensatz dazu zeigen die Filzstücke, die nach dem Verfahren
nach der Erfindung hergestellt sind, eine absolute Gleichförmigkeit der Farbtönung über die
gesamte Fläche hinweg, die sich sogar über das gesamte Volumen der Filzstücke hinweg erstreckt,
wenn man dieses genau untersucht hat.
2. Bezeichnet man mit S die geometrische Oberfläche der imprägnierten Fasern, dann kann die
geometrische Oberfläche des Katalysators nach erfolgter Niederschlagung weitgehend gleich
dem Wert 5 sein und dies bis auf wenige Prozente genau.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung gelangt also als Zusatzmaterial das katalytische Metall eines Sulforesinats
dieses Metalls zur Anwendung.
Das Sulforesinat kan.i auf an sich bekannte Weise dargestellt werden; ein Verfahren besaht beispielsweise
darin, einen Schwefelbalsam einen Alkohol und ein metallisches Salz in Lösung miteinand -; zu vermischen.
Nach erfolgter Destillation des Alkohols wird das Sulforesinat (welches in diesem Zustand im allgemeinen
sauer ist) neutralisiert, hierauf filtriert und dann durch Hinzufügen eines Alkohols niedergeschlagen.
Der gewonnene Niederschlag wird filtriert und mit Alkohol ausgewaschen.
Selbstverständlich kann dieses spezielle Verfahren der Darstellung von metallischem Sulforesinat nach
Maßgabe des betreffenden Metalls und nach Maßgabe der brauchbaren Formen für dieses Metall in seinen
Modalitäten abgewandelt werden.
Im Falle der Verwendung von Platin enthält der Sulforesinatniederschlag größenordnungsmäßig 35
Gewichtsprozent dieses Metalls; er ist in mehreren Lösungsmitteln löslich und erfindungsgemäß ist diese
mehr oder minder verdünnte Lösung für die Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet. Die
Verdünnung der Sulforesinatlösung gestattet es im übrigen, die Herstellung der Katalysatoren nach der
Erfindung in gewissem Umfang zu regeln. Benutzt man beispielsweise einen vorgegebenen Filz (vorbestimmt
durch Dichte, Dicke usw.), dann kann man die Eindringtiefe der Lösung in das Innere des Filzes
dadurch regulieren, daß man diese Lösung von Sulforesinat mehr ι ider minder verdünnt. Ebenso gestattet
sine stark verdünnte Lösung die beliebige Imprägnierung
des betreffenden Filzes, während eine konzentrierte Lösung die Imprägnierung einer Bedeckung in
mehr oder minder große Tiefe des Filzes gestattet, die an sich überflüssig ist. Es versteht sich von selbst,
daß man bei Benutzung verdünnter Lösungen eine äußerst dünne Schicht von Katalysatormenge niederschlagen
kann, die auf vollkommene Weise in die gesamte Masse des Filzes hinein verteilt ist; man kann
auch nach erfolgter Trocknung die gleiche Imprägnierung von neuem beginnen, dadurch, daß man nach
ί Belieben die Schicht der gewünschten katalytischen Substanz dicker macht.
Bekanntlich sind die Sulforesinate in einer großen Anzahl von Lösungsmitteln, insbesondere in Panamaöl
(Fenchelholzöl) löslich. Man kann diese öle zur
ίο Herstellung der Lösungen verwenden, die bei de,n
Verfahren nach der Erfindung verwendet werden. Dieser Teil der Ausführung des Verfahrens nach der
Erfindungsoll im folgenden an Hand einiger Beispiele näher beschrieben werden.
i> Obwohl das Panamaöl ein vorzügliches Lösungsmittel
für Sulforesinate ist, stellt das Sulforesinat von Platin ein Produkt dar, welches bei seiner Verwendung
im industriellen Betrieb gewisse Schwierigkeiten bieten kann. So ist beispielsweise, seine Siedetempera-
2«) tür mit 230° C relativ hoch und seine Zusammensetzung
kann sich von Charge zu Charge (weil es ja ein Naturprodukt ist) leicht ändern und schließlich sind
seine Gestehungskosten hoch. Infolgedessen sind zahlreiche Recherchen angestellt worden, um Lösungsmittel
zu finden, welche die Gesamtheit der erwünschten Eigenschaften für die industrielle Auswertung
des Erfindungsgegenstandes aufweisen.
Es ist gefunden worden, daß folgende Lösungsmittel besonders gut geeignet sind, um Sulforesinate auf-
jit zulösen; es sind dies: Isophoron, Chloroform, Nitrobenzol,
Orthodichlorbenzol und Cyclohexan.
Von diesen verschiedenen Lösungsmitteln ist im allgemeinen das Cyclohexan zu bevorzugen.
Hat man die Imprägnierung mit Hilfe eines an sich
η bekannten Verfahrens durchgeführt, also beispielsweise
durch Einweichen oder Pulverisierung, dann wird der Träger einem Trocknungsvorgang unterworfen.
Dieser Verfahrensschritt kann mit Hilfe jedes an sich bekannten Verfahrens durchgeführt werden, al-
-to lerdings muß die Trocknung in dem Falle, daß der
Träger des Katalysators ein Filz ist, unter Versuchsbedingungen
durchgeführt werden, die möglichst schonend erfolgen, mit dem Ziel, jede denkbare Wanderung
von Sulforesinat zu vermeiden, welche sich im
4-, Laufe der Trocknung niederschlägt.
Ist das Material dann trocken, wird es in einer Atmosphäre, die Sauerstoff bei einer Temperatur von
über 200° C enthält, erwärmt, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 200 und 300° C. Der während
des Erhitzungsvorganges (beispielsweise in Form von Luft) vorhandene Sauerstoff führt zusammen mit dem
Sulforesinat eine exotherme Reaktion hervor, die sich in einer Erhöhung der Temperatur des Materials zeigt.
Da diese exotherme Reaktion eine autokatalytische ist, läßt sich feststellen, daß im Falle eines Trägers
aus Filz und für den Fall, daß keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen ergriffen worden sind, eine Glüherscheinung
auftritt. Dieses Phänomen erlaubt es, das Ende der Reaktion zu kontrollieren. Die Dauer der
bo Erhitzung beträgt mindestens 30 Minuten.
Nach diesem ersten Erwärmungsvorgang kann man das Material erfindungsgemäß auf eine Temperatur
von mindestens 400° C, vorzugsweise auf mindestens 500° C derart erhitzen, daß der gebildete Niederschlag
stabilisiert wird. Diese letztgenannte Art der Erhitzung kann in einer oxidierenden Atmosphäre
durchgeführt werden, sie kann aber auch eine neutrale oder reduzierende Atmosphäre sein, je nachdem wel-
chen Katalysator man erzielen will. Auf ähnliche Weise kann im Falle der Erzeugung von Überzügen
aus Platinmetall die Erhitzung in Luft erfolgen, weil man bei diesen Betriebstemperaturen keine Oxidation
dieses Metalls feststellen kann. Will man andererseits mit dem Verfahren nach der Erfindung einen katalytischen
Niederschlag von Palladiummetall erzielen, dann kann durchaus ein Interesse daran bestehen,
diese Erhitzung in einer inerten Atmosphäre durchzuführen, um jegiiche Oxidation dieses Metalls zu vermeiden.
Für den Fall, daß man noch leichter oxidierbare Metalle verwendet, führt man diese Erhitzung
in einer reduzierenden Atmosphäre durch, um die Oxide, die sich gegebenenfalls im Laufe der vorhergehenden
Phasen des Verfahrens gebildet haben können, zu reduzieren. Selbstverständlich kann diese Reduzierung
der Oxide mit Hilfe jenes an sich bekannten Verfahrens vor dieser letzten Erhitzung erfolgen. Will
man einen Katalysator auf der Basis eines metallischen Oxides gewinnen, dann kann man im übrigen
diese letzte Erhitzung in einer oxidierenden Atmosphäre und bei einer entsprechenden Temperatur
durchführen.
Wie die nun folgende Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung zeigen wird, führt das neue Verfahren
zu einem Niederschlag auf feuerfesten Fasern eines Metalls oder eines metallischen Oxids. Mit Hilfe
des Verfahrens nach der Erfindung kann man auf diesen Fasern auch eine katalytische Substanz niederschlagen,
die aus einer Mischung von Metallen der Familie der Platinoide besteht oder aus einer Mischung
von metallischen Oxiden der Metalle dieser Familie oder aus einer Mischung von Metallen und
metallischen Oxiden der Elemente dieser gleichen Familie. Hierzu genügt es, eine Ausgangslösung zu verwenden,
die eine Mischung der Sulforesinate der verschiedenen Metalle oder metallischen Oxide enthält,
von denen man den Niederschlag zu erhalten wünscht, und schließlich die Erhitzungsvorgänge so zu leiten,
daß man ein solches Element in metallischer Form erhält und gegebenenfalls ein solches anderes Element,
welches höher oxidierbar ist, in der Form eines Oxides.
Die Katalysatoren, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt sind, eignen sich zur Verwendung
bei zahlreichen industriellen Anwendungen. Zu erwähnen ist beispielsweise die Möglichkeit der
Benutzung der Katalysatoren aus Platin in verschiedenen katalytischen Or.idationsvorgängcn o.-ganiscricr
Substanzen, wie beispielsweise in den Katalytofen, bei der Reinigung von Ofen oder der Reinigung
von Auspuffgasen bei Automobilen oder von Gasen, die bei allvn möglichen Verbrennungsvorgängen entstehen.
Die nun folgenden Beispiele sollen der näheren Erläuterung der Erfindung dienen, ohne diese in irgendeiner
Weise einzuschränken.
Heispiel I
Hei diesem ersten Beispiel gelangte als Träger eine Anordnung von Kaolinfasern zur Anwendung. Diese
keramischen l'asern werden zu Vliesen vereinigt und im Wege des Glättens (Kalanderns) ohne Hinzufügung
eines Bindemittels gepreßt; sie weisen dann die form von Bändern oder Platten auf. die an sich auch
wieder wie ein HIz aussehen. Bei diesem Beispiel wurde ein Vlies verwendet, dessen Dichte fi4 kg/m1
und dessen Dicke 12 ι im betrug.
Hierauf imprägnierte man diesen Filz mit Hilfe einer Lösung von einem Sulforesinat von Platin mit 0,30
Gewichtsprozent, welches Platin in Panamaöl enthie't.
Das so gewonnene Material wurde in einem Trockenschrank getrocknet, dessen Temperatur an allen Stellen
95" C ± 5° C betrug,
Nach erfolgter Trocknung wurde das Vlies auf eine Temperatur von 250° C gebracht und für die Dauer
von 30 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Während dieser Erhitzung hat man festgestellt, daß
das Material auf einen Glühzustand gebracht worden war, der anzeigte, daß es mindestens an einigen Stellen
eine Temperatur von wenigstens 450° C bis 5(J(F C ereicht hatte. Nach Beendigung dieses Ausglühphänomens
wurde das Material für die Dauer von ungefähr 30 Minuten auf eine Temperatur von 600° C gebracht.
Nach erfolgter Abkühlung erhielt man ein Material, welches eine graue Farbe zeigte, die gleichmäßig
nicht nur über die ganze Oberfläche, sondern auch durch das gesamte Volumen des Materials hindurch
verteilt war.
Die Gesamtmenge des so festgelegen Platins betrug ungefähr KK) Milligramm für einen Parallelepipedon-Körper
von 120 mm Länge und 20 mm Breite.
Zur Anwendung gelangte ein Träger, der analog dem Träger in Beispiel 1 war. Die Abmessungen waren
folgende: Dicke 12 mm. Länge 200 mm und Breite
200 mm. Dieses Vlies wurde in einer Lösung von PIatin-Sulforesinat
in Panamaöl angefeuchtet, welche 0,02% Platin enthielt. Das erhaltene Produkt wurde
bei 105° Cgetrocknet und dann während einer Dauer von 30 Minuten auf 250° C erhitzt.
Nach dieser Erhitzung wurde die Probe für die Dauer von 20 Minuten auf 700° C erhitzt.
Die Gesamtmenge des festen Platins homogener Form betrug in der Gesamtmasse der Probe 80 MiIIigramm.
Bei diesem Beispiel wurde analog den beiden obigen Beispielen verfahren, jedoch gelangten an Stelle
der Kaolinfasern Fasern aus Silizium ebenfalls in einem Filz zur Anwendung. Auch hier war das Platin
wieder über die ganze Oberfläche des Trägers vollständig verteilt.
In diesem Fall gelangte ein Träger in Form eines l-'ilz.es iius Kaolinfasern zur Anwendung, dessen Dicke
(i mm und dessen Dichte 9f>
kg/m" betrug.
Auf ein und derselben Oberfläche mehrerer Proben dieses Filzes wurden verschiedene Mischungen von
Plalinsulforcsinat und Sassafrasöl aufgestäubt, die
0.90% Platin bzw. 1.40% Platin bzw. l,K0% Platin
enthielten. Hierauf wurden die gewonnenen Erzeugnisse auf die gleiche Weise wie in Beispiel I weiterbe handelt.
Auf diese Weise erhielt man Stoffe, bei denen das !"latin auf den Fasern auf einer Dicke des Trägers von
mehr als 1 mm einwandfrei verteilt wa .
Der gewonnene Träger zeigte eine einzige katalytisch
wirksame Oberfläche; die drei so behandelten Träger hatten Gesamtmengen an Platin von 50, 75
bzw. 100 Milligramm.
Das Beispiel zeigt, daß es möglich ist, durch Ände-
rung der Verdünnung und des zerstäubten Volumens
an Lösungsmitteln von Rcsinaten folgende Vorteile /u erzielen:
1. Man erhält eine sehr geringe Dicke eines Trägers für unterschiedliche Katalysatormengen und >
2. es lassen sich Träger gewinnen, die das Platin in einem mehr oder minder großen Teil der
Dicke enthalten.
In allen diesen Fällen war die Verteilung des Platins auf den Fasern äußerst gleichförmig, und zwar nach i<
> Maßgabe des Gradienten des Niederschlages, den man dadurch feststellen kann, daß man einen Schnitt
durch die Masse des Filzes hindurchführt.
Beispiel 5 ,-,
Auch bei diesem Beispiel gelangte ein analoger Träger wie in Beispiel 1 zur Anwendung. Die Dichte
iles Vlieses betrug (>f>
kg/m1, die Dicke 6 mm; zur Anwendung gelangten Vliese in Form von Parallelepipedons
mit einer Länge von 120 mm und einer -'" Breite von 20 mm.. In diesem Fall wurden im Wege
der Zerstäubung die Vliese mit einem Palladiumsulforesinat
imprägniert, welches in dem Sassafrasöl (Panamaöl) verdünnt gelöst war und etwa 0,17% Palladium
enthielt. _>ϊ
Das Material wurde bei 100° C getrocknet und
dann während 30 Minuten auf 22(F C bis 250° C erwärmt. Auch hier konnte man wieder eine Glüherscheinung
beobachten, wie sie in dem Beispiel 1 erwähnt ist.
Das gewonnene Produkt läßt sich unverändert verwenden; es besteht im wesentlichen aus Palladiumoxid,
welches in der gesamten Masse des Vlieses regelmäßig verteilt ist. Die Gesamtmasse des festgelegten
Palladiums betrug 25 Milligramm.
Wünscht man dieses ^Produkt in der vorliegenden Form zu verwenden, dann ist es empfehlenswert, den
Katalysator im Wege einer Erhitzung auf eine Temperatur in der Größenordnung von 400' C" zu »stabilisieren«.
Man kann das gewonnene Palladiumoxid auch auf irgendeine bekannte Weise, insbesondere durch Reduktion
bei Kälte in einer Wasserstoffatmosphäre reduzieren.
Man kann auch auf den Fasern die gleichen oben erwähnten Produkte realisieren, wenn man Lösungsmittel
und Verdünnungssubstanzen verwendet, die andere organische Sulfoverbindungen enthalten als
Sassafrasöl. also beispielsweise Mischungen natürlicher C)Ie: Zwei Teile Rosmarinöl, ein Teil Fenchelöl
oder aber handelsübliche Lösungsmittel wie Cyclohexanol, Nitrobcnzol oder Chloroform.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung von Trägerkatalysatoren
aus einem chemisch inerten Träger aus Fasern oder Faserbündeln, die vorzugsweise aus
feuerfestem Material bestehen und einem katalytischen
Überzug aus wenigstens einem Metall oder einem Oxid eines Elementes der Familie der Platinoiden,
dadurch gekennzeichnet, daß der Träger mit einer wenigstens ein Sulforesinat eines
Metalls der Piatinoide enthaltenden Lösung versetzt, sodann langsam unter einheitlichem Imprägnieren
aller Fasern getrocknet und abschließend in Luft auf eine Temperatur von über 200° C erhitzt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen auf eine Temperatur
von 200 bis 300° C durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung abschließend
ein Erhitzen auf eine Temperatur von wenigstens 400° C durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Erhitzen auf eine
Temperatur von wenigstens 400° C eine Reduktion des sich im Verlaufe des Verfahrens gebildeten
Metalloxides durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger für den Katalysator
ein Gewebe, ein Vlies oder ein Filz aus Fasern feuerfesten Materials eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger für den Katalysator
ein bus Fasern des Aluminiums, Siliziums oder
Aluminiumsilikats bestehendes Vlies oder Filz eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des imprägnierten
Trägers durch Anpassen der Verdünnung der SuI-foresinatlösung eingestellt wird.
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