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Katalytischer Gasmeßfuhler
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Die Erfindung betrifft katalytische Vorrichtungen zur Verwendung
als Gasmeßfühler in Vorrichtungen zum Nachweis und zur Bestimmung von Gasen.
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Das Entweichen von Gasen, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffen,
Kohlenmonoxid und Wasserstoff, stellt eine beträchtliche Gefahr in petrochemischen
Anlagen, Kohlengruben und Anlagen für die Öl- und Gasherstellung dar. Die einzige
geeignete, gegenwärtig verfügbare Nachweismethode hängt von der katalytischen Oxydation
eines brennbaren Gases ab, das in der als Probe genommenen Atmosphäre vorhanden
ist.
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Das Nachweiselement besteht gewöhnlich aus einer kleinen Metallspirale,
die sowohl als Erhitzer als auch als Meßfühler dient und die in einer Umhüllung
aus einem feuerfesten Oxid, wie beispielsweise von Aluminium- oder Thoriumoxid,
eingebettet ist. Dieses Oxid wird mit einem Salz eines katalytisch aktiven Metalls
imprägniert. Die Verbrennung des Dampfes eines vorhandenen Kohlenwasserstoffs verursacht
einen Temperaturanstieg in dem Nachweiselement.
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Um ein Signal zu erhalten, das in annehmbarer Weise temperaturunabhängig
ist, werden derartige Gasnachweisgeräte normalerweise unter Bedingungen betrieben,
unter denen die Oxydationsgeschwindigkeit am Katalysator von der Diffusionsgeschwindigkeit
des reagierenden Gases an die Katalysatorx oberfläche abhängt. Die Steuerung der
Diffusion wird dadurch erreicht, daß man eine reichliche Menge an Katalysator bei
einer Temperatur hält, die hoch genug ist, um sicherzustellen, daß die Adsorptions-,
Oberflächenreaktions- und Desorptionsgeschwindigkeiten verhältnismäßig hoch sind.
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In der Praxis verlieren katalytische Meßfühler jedoch nach längerem
Gebrauch bei hoher Temperatur~oder nach einem Einsatz in gasreichen Atmosphären
an Aktivität. Dies kann einer Agglpmerierung von Crystalliten der aktiven Komponente
oder einer Zerstörung des Trägers aus feuerfestem Oxid zufolge von Wärmeschocks
zuzuschreiben sein. Die zuletztgenannte Art der Entaktivierung wird noch durch die
Tatsache begunstigt, daß bei Anwendung herkömmlicher Verfahren der Abscheidung des
feuerfesten Metalloxids, bei denen von der thermischen Zersetzung eines wasserlöslichen
Vorläufers des Oxids Gebrauch gemacht wird, eine nur schwache Bindung zwischen dem
als Grundlage dienenden Metall und dem Oxid ausgebildet wird.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines neuen und
verbesserten Spürelements, das katalytischen Gasspürgeräten eine zdinschenswerte
Wirksamkeit, mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturschocks
verleiht.
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Gegenstand der Erfindung ist ein katalytisches Gasspürelement mit
einer Grundlage aus einem Inertmetall, die eine Beschichtung aus einem Oxid als
Katalysatorträger sowie ein auf der Oxidbeschichtung gehaltenes katalytisches Metall
aufweist. Das Spürelement ist dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerbeschichtung
aus Titan(IV)-oxid besteht.
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Die Grundlage aus Inertmetall besteht gewöhnlich aus einer Drahtspirale.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist es besonders bevorzugt, daß das Titandioxid
auf die Metallgrundlage aus der Dampfphase durch Zersetzung von Titan(TV)-chlorid
abgeschieden wurde Die Metalispirale wird vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich
von 500 bis 1000 0C erhitzte
In einer ersten Durchführungsform des
Verfahrens der Abscheidung aus der Dampfphase werden Titan(IV)-chlorid-Dampf und
Sauerstoff über die erhitzte Metallgrundlage geleitet. Für diesen Zweck kann reiner
Sauerstoff verwendet werden, es ist jedoch bevorzugt, daß der Gasstrom mit einem
Inertgas, beispielsweise Helium oder Argon, verdünnt wird, weil die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit
dann möglicherweise eine größere Turbulenz um das zu beschichtende Metall hervorruft.
In einer zweiten Durchführungsform werden die Dämpfe von Titan(IV)-chlorid und einem
aliphatischen Alkohol, wie Methanol, über das erhitzte Metall geleitet. Der Gasstrom
enthält vorzugsweise wiederum ein Inertgas, wofür in diesem Fall Stickstoff geeignet
ist, und gewünschtenfalls auch Ammoniak. Das Titanchlorid und der Alkohol werden
zweckmäßig in getrennten Inertgas- oder Ammoniakströmen eingeleitet und in einem
Reaktor, der'Das erhitzte Metall enthält, vermischt.
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Ein anderes Verfahren zur Abscheidung des Katalysatorträgers aus
Titandioxid besteht in der Aufbringung einer "Farbe" oder Suspension aus Titandioxid
vom Pigmentgrad (Anatas oder Rutil) in einem flüssigen Medium oder einer Trägersubstanz,
die ein organisches Bindemittel enthält, auf die Metallgrundlage, vorzugsweise durch
Elektroabscheidung. Die Trägersubstanz wird dann durch Verdampfen entfernt, desgleichen
auch das Bindemittel, wenn die Spirale erhitzt wird. Das Titandioxid kann aus praktisch
kugelförmigen Teilchen bestehen, die Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 0,4/u (100
bis 400 nm) aufweisen.
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Die verwendete Metallgrundlage oder der verwendete Draht müssen derart
beschaffen sein, daß der Katalysatorträger daran fest haftet, nötigenfalls nach
einer Vorbehandlung des Drahtes. Der Metallträger muß auch korrosionsfest sein und
geeignete und voraussagbare Temperatur/Widerstands-Charakteristiken aufweisen. Für
eine verbesserte Dauerfestigkeit
ist es bevorzugt, daß der Draht
und der Katalysatorträger ähnliche Wärmeausdehnungseigenschaften aufweisen. Besonders
geeignet sind Platinmetalle und -legierungen, wie Platin selbst, eine Platin/Rhodium-Legierung
oder eine Platin/Palladium-Legierung, jedoch kann auch an die Verwendung von komplexen
Grundmetalllegierungen gedacht werden, wie Eisen/Chrom/Aluminium/Yttrium, sofern
diese geeignete Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes aufweisen.
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Eine bevorzugte Form der Metallgrundlage besteht aus einer freistehenden
Spirale aus platinhaltigem Draht mit einem Gesamtdurchmesser von 0,5 bis 1,0 mm
und einer Gesamtlänge von 0,5 bis 1,0 mm, die aus sechs bis zehn Windungen von 0,025
bis 0,05 mm starkem Draht besteht, auf dem der Katalysatorträger abgeschieden ist.
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Das auf dem Katalysatorträger verteilte aktive Metall ist vorzugsweise
ein Edelmetall der Gruppe VIII des Periodensystems oder ein Gemisch oder eine Legierung
aus derartigen Metallen und kann beispielsweise 0,5 bis 25 Gew.-% des Katalysators
ausmachen. Besonders bevorzugt ist Platin oder Palladium oder eine Platin/Palladium-Legierung,
beispielsweise im Mischungsverhältnis von 3:1 bis 1:3, oder ein Gemisch aus Palladium
und bis zu 10ovo eines der Metalle Kupfer, Rhodium, Erbium, Osmium und Cer. Darüber
hinaus ist es bevorzugt, daß die(Edel)Metallteilchen Durchmesser im Bereich von
1,0 bis 50 nm aufweisen, wobei der häufigste Durchmesser zwischen 1,0 und 2,5 nm
liegt.
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Das katalytisch aktive Metall muß gleichmäßig auf der Trägerbeschichtung
abgeschieden oder in ihr verteilt sein und wird vorzugsweise in Form einer verdünnten
wäßrigen Lösung aus einer oder aus mehreren seiner Verbindungen oder aus Verbindungen
seiner Bestandteile abgeschieden.
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Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines Katalysators besteht
darin, daß man Titandioxid mit einer Palladium- oder Platinverbindung oder einem
Gemisch aus Platin- oder Palladiumverbindungen oder einem Gemisch aus Verbindungen
von entweder Palladium oder Platin und einem der Metalle Kupfer, Rhodium, Erbium,
Osmium und Cer imprägniert, das auf diese Weise imprägnierte Titandioxid trocknet
und dieses Produkt durch Inkontaktbringen mit Helium oder einem Methan/Luft-Gemisch
(7 Vol.-% cH4) bei hohen Temperaturen von 400 bis 600 0c calciniert.
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Die nach diesem Verfahren erhaltenen Vorrichtungen können dazu verwendet
werden, die Oxydation von Gasen, wie Kohlenmonoxid, Wasserstoff und vielen bekannten
Kohlenwasserstoffen (insbesondere Methan), die sich in Industrieumgebungen finden,
zu katalysieren. Derartige Oxydationsreaktionen werden herkömmlicherweise bei Temperaturen
im Bereich von 200 bis 600 0C durchgeführt. Die katalytischen Elemente besitzen
für den Gasnachweis überlegene Eigenschaften, weil sie mechanisch außerordentlich
fest sind, sich wiederholt für zahlreiche brennbare Gase einsetzen lassen und eine
verbesserte Stabilität in Gegenwart einer Atmosphäre aufweisen, die entweder reich
an der brennbaren Komponente oder auch sehr arm daran sein kann.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen näher erläutert,
worin F i g . 1A und B Seiten- bzw. Endansichten der Grundstruktur eines katalytischen
Gasmeßfühlers; F i g . 2A und B Seiten- bzw. Endansichten der Struktur von Fig.
1, die gemäß der Erfindung mit Titandioxid beschichtet ist; und F i g . 3 einen
Querschnitt durch eine einzige Drahtwicklung in einem erfindungsgemäßen Katalysator
darstellen.
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Die in den Fig. 1A und B dargestellte Struktur besteht aus einer
Drahtspirale 10, deren Enden 11 verlängert sind und in Punktschweißungsstellen 12
auf Trägern 13 enden.
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Nach dem Beschichten besitzt die Struktur das in Fig. 2 gezeigte
Aussehen, wobei die Drahtspirale mit einer Beschichtung aus feinkristallinem Titandioxid
14 versehen ist.
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Die mit Titandioxid beschichtete Struktur erhält danach eine Beschichtung
aus dem katalytischen Metall, und der fertige Meßfühler besitzt daraufhin im Querschnitt
das in Fig. 3 dargestellte Aussehen. Der Draht 10a bildet einen Kern, der von einer
dünnen Oxidbeschichtung 15, der Titandioxidbeschichtung 14 sowie einer Oberflächenbeschichtung
aus den Katalysatorteilchen 16 umgeben ist.
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Die folgenden Beispiele erläutern die Anwendung von Titandioxid auf
Grundmetallträger bei der Herstellung von katalytischen Gasmeßfühlern gemäß der
Erfindung sowie das Aufbringen von Edelmetallen auf Titandioxi dträger.
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Beispiel 1 Titandioxid wurde aus einer Spirale aus der Metallgrundlage
gemäß der folgenden Vorschrift abgeschieden. Eine Wendel aus sechs Windungen Platinaraht
von 0,025 mm Dicke wurde in einem kugelförmigen Reaktor von 500 cm3 Fassungsvermögen
montiert. Der Reaktor besaß eine Vorrichtung zum Montieren mehrerer derartiger Wendeln
sowie zur Einführung und zum Auslaß eines Gasstroms. Ein derartiger Gasstrom bestand
aus einem Gemisch aus sorgfältig getrocknetem Sauerstoff und Helium, die durch ein
Gefäß mit flüssigem Titan (IV)-ch1orid hindurch blubbern gelassen worden waren.
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Die Platinwendel wurde durch einen Strom aus einem Stromkreis mit
konstantem Widerstand auf mittlere Temperaturen innerhalb eines Bereiches von 500
bis 1000 0C elektrisch erhitzt. Auf diese Weise wurde ein zuvor vermischter Strom
aus Helium und Sauerstoff <Strömungsgeschwindigkeiten: Sauerstoff 100 ml/min,
Helium O bis 100 ml/min) durch ein Gefäß mit Titan(IV)-chlorid, dessen Temperatur
thermostatisch geregelt wurde, hindurchblubbern gelassen.
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Dieser Gasstrom wurde von dort aus in das Reaktionsgefäß geleitet.
Nach einer Zeitdauer zwischen 1 und 8 h, gewöhnlich jedoch nach 2 h, hatte sich
eine geeignete Perle aus Titandioxid um die Wendel herum gebildet. Das auf diese
Weise hergestellte Titandioxid iag in seiner Rutilmodifikation vor und bestand aus
feinen Crystalliten von 1 bis 4/u Durchmesser.
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In einem analogen Beispiel wurde Helium durch Argon ersetzt.
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Nach der Bildung der Titandioxidperle wurde ein katalytisches Metall
gemäß der folgenden Vorschrift abgeschieden. Es wurde eine Lösung aus Palladium(II)-chlorid
in stark verdünnter Salzsäure oder von Palladium(II)-tetramminchlorid in Wasser
mit einem derartigen Palladiumgehalt hergestellt, daß das Aufhringen von 1/ul der
Lösung auf die Perle aus abgeschiedenem Material zu einer Metallbeschichtung von
2 bis 15 Gew.-°% führte. Nach einem Konditionierverfahren, bei dem die imprägnierte
Perle erhitzt und einem Gemisch aus Luft und Methan ausgesetzt wurde, wurde ihre
Eignung als Gasmeßfühler bestimstJ indem man die Vorrichtung in eine Atmosphäre
mit einem Gehalt von 50% von Gasen mit niedriger Explosionsgrenze (LEL), wie Methan,
Wasserstoff, Butan oder Kohlenmonoxid, einbrachte und den elektrischen Ausgang der
Vorrichtung (in Volt) bei ansteigendem angelegtem Strom bestimmte. Der Strom, bei
dem eine deutliche Erhöhung der Spannung erfolgt, (Initiierungsstrom) ist ein annäherndes
Maß für die katalytische Aktivität der
Perle, während die Ausgangsspannung
die Empfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber dem Gas wiedergibt.
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Beispiel 2 Auf einer Wendel aus der Metallgrundlage wurde Titandioxid
wie folgt abgeschieden. Die Wendel wurde in einem kugelförmigen Reaktionsgefäß,
wie in Beispiel 1 beschrieben, montiert. In den Reaktor wurden getrennt ein Strom
aus Stickstoff mit einem Gehalt an Titantetrachloriddampf sowie ein Strom aus entweder
Stickstoff oder Ammoniak oder aus Stickstoff mit einem Gehalt an Ammoniak, die außerdem
den Dampf eines aliphatischen Alkohols, wie beispielsweise Methanols, enthielten,
eingeleitet. Die Dämpfe des Alkohols und der Titanverbindung wurden in die Gasströme
eingebracht, indem man das Gas durch thermostatisierte Behälter hindurchblubbern
ließ, die diese Verbindungen enthielten. Beispielsweise wurde ein Titan(IV)-chloriddampf
enthaltender Stickstoffstrom (100 ml/min) zusammen mit einem Methanoldampf enthaltenden
Ammoniakstrom (100 ml/min) in das Reaktionsgefäß eingeleitet. Bei Erhöhung der Temperatur
der Wendel auf 590 t 40 0C war nach 15 min auf der Metallgrundlage eine geeignete
Perle oder Umhüllung aus Titandioxid in seiner Rutilmodifikation abgeschieden worden.
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In einem weiteren Beispiel wurde ein Titantetrachlorid enthaltender
Stickstoffstrom (100 ml/min) zusammen mit einem 1 Yol.-iS Ammoniak sowie außerdem
Methanol enthaltenden Stickstoffstrom (100 ml/min) in das Reaktionsgefäß eingeleitet.
Nach Erhöhung der Temperatur der Wendel auf 795 + 15 °C war nach 20 min Reaktionsdauer
eine Perle gebildet worden.
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Diese Perle war im frischen Zustand schwarz, jedoch erhielt man durch
anschließendes Erhitzen in Luft eine typisch weiße Rutilperle.
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Die Titandioxidperlen, die-auf diese Weise erzeugt worden waren,
wurden mit dem Salz eines Edelmetalls imprägniert, wie in Beispiel 1 angegeben.
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Beispiel 3 Auf einer Grundmetallwendel (19½ Windungen aus 0,037 mm
starkem Platindraht), die ihrerseits auf gewobenem Siliciumdioxid (erhältlich als
Refrasil) gestützt war, wurde gemäß der folgenden Vorschrift Titandioxid abgeschieden.
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Eine Suspension aus einem herkömmlichen Emulsionssystem auf Wassergrundlage
mit einem dispergierten organischen Polymerisat und einem Gehalt an Titandioxid
in Form von Anatas oder Rutil vom Pigmentgrad wurde in einen Behälter aus rostfreiem
Stahl eingebracht. Dieser Behälter wurde mit der Anode einer variablen Spannungsquelle
verbunden, während die Metallwendel an die Katode angeschlossen wurde. Nach Durchtritt
von Strom wurde auf der Metallwendel eine Abscheidung aus der Suspension erzeugt.
Die erforderlichen Abscheidungsspannungen lagen innerhalb des Bereiches von 60 bis
170 V und die Abscheidungszeiten im Bereich von 60 bis 240 s. Nach Waschen der Wendel
mit destilliertem Wasser zur Entfernung von überschüssigem Titandioxid wurden die
ladungstragenden organischen Polymerisate zersetzt, indem man einen Strom durch
die mit der Suspension beschichteten Drähte leitete. Danach wurde das zurückbleibende
Titandioxid mit einem Edelmetallsalz imprägniert, wie in Beispiel 1 beschrieben.
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Wenn die Titandioxidmeßfühler, die nach den Beispielen 1 und 2 hergestellt
worden waren, Atmosphären mit einem Gehalt von 50% an einer Reihe von leicht explosiven
Gasen ausgesetzt wurden und ihr Ansprechen gemessen wurde, so zeigte sich, daß sie
gegenüber Meßfühlern aus Aluminiumoxid oder Thoriumoxid günstig abschnitten. In
der folgenden Tabelle I sind die Initiierungsströme sowie die Brückenausgänge für
eine Reihe von Gasen in einer Konzentration von 5056 leicht explosivem Gas in Luft
angegeben, wenn Strom/Spannungs-Kurven für Meßfühlerpaare aufgestellt wurden, wobei
für jedes Paar die Brücke bei 180 mA abgeglichen wurde.
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Tabelle 1 Vergleich des Ansprechens von Titandioxidgasmeßfühlern
mit dem Ansprechen herkömmlicher Geräte ähnlicher Größe (a):Mittlere Ergebnisse
für Palladium/Aluminiumoxid-Thoriumoxid-Meßfühler (b) und (c): Ergebnisse für Palladium/Titandioxid-Meßfühler
Gas Initiierungsstrom (mA) Brückenausgang (mV) |
(a) (b) (c) (a) (b) (c) |
CO 99,3 117,0 111,0 37,2 44,0 42,0 |
H2 88,4 47,0 39,0 27,1 32,0 34,0 |
n-C4H10 154,2 145,0 135,0 22,0 27,0 26,0 |
CH4 161,0 148,0 140,0 34,8 18,0 20,0 |
In der folgenden Tabelle IIa und b sind Ergebnisse zusammengefaßt, die. bei den
Gastests mit Geräten auf Titandioxidgrundlage gemäß Beispiel 3 im Vergleich zu analog
aufgebauten Meßfühlern auf der Grundlage von Aluminiumoxid und Thoriumoxid erhalten
wurden.
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Tabelle IIa Empfindlichkeiten (mV bei 200 mA) gegenüber einer Reihe
von Gasen
Gas Typische Al203/ |
Gas THO2-Vorrichtung TiO2 TiO2 TiO2 |
(Mittelwert von |
8 Bestimmungen) (1) (2) (3) |
CH4 450 450 550 500 |
n C4H14 343 325 400 330 |
CO 620 750 650 900 |
H2 442 400 300 ~ |
Tabelle IIb Strom (mA), bei dem der Meßfühler auf 50'o leichtexplosives
Gas anspricht
Typische Al2O3/ |
Gas ThO2-Vorrichtung TiO2 TiO2 TiO2 |
(Mittelwert von |
8 Bestimmungen) (1) (2) (3) |
CH4 171 178 164 170 |
n-C4H10 164 176 155 160 |
CO 124 123 123 125 |
H2 91 53 46 - |
Wenngleich aus den Tabellen einige unvermeidbare Abweichungen ersichtlich sind,
geht aus Tabelle IIa klar hervor, daß die Titandioxid-Vorrichtungen mindestens gleichwertig
den Thoriumoxidvorrichtungen und hinsichtlich Methan und -Kohlenmonoxid normalerweise
beträchtlich besser als die Thoriumoxid-Vorrichtungen sind.
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Aus Tabelle IIb geht hervor, daß der Strom, bei dem der Meßfühler
auf das Gas anspricht, um so niedriger ist, je empfindlicher die Vorrichtung ist.
In acht von elf Fällen erwiesen sich die Titandioxid-Meßfühler als empfindlicher
als die entsprechenden Vorrichtungen mit Thoriumoxid.
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Meßfühler, die gemäß Beispiel 1 hergestellt worden waren, waren auch
solchen Vorrichtungen überlegen, die Thoriumoxid/ Aluminiumoxid als Träger aufwiesen.
Dies geht aus der folgenden Tabelle III hervor, in der der Initiierungsstrom und
der Brückenausgang der Titandioxid-Vorrichtungen gemäß Beispiel 1 mit den entsprechenden
Werten der im Handel erhältlichen Pellistoren verglichen sind. Man erkennt, daß
die Titandioxid-Vorrichtungen gegenüber allen Gasen mit der Ausnahme von Kohlenmonoxid
wesentlich empfindlicher sind (niedrigerer Initiierungastrom) als die Vorrichtungen
mit Thoriumoxid und Aluminiumoxid.
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Tabelle III Vergleich des Ansprechens von Titandioxid-Gasmeßfühlern
mit dem Ansprechen von Pellistoren aus Palladium/Aluminiumoxid-Thoriumoxid
Initiierungsstrom (mA) Brückenausgang (mV) |
Gas |
Pe (a) (b) (c) (d) (e) (f) Pe* (a) (b) (c) (d) (e) (f) |
CH4 150-160 134 148 140 150 183 167 35-55 190 180 200 120 200
300 |
n-C4H10 147-154 128 145 135 135 158 159 22-31 300 220 260 180
210 290 |
CO 100-108 - 117 111 112 - 132 37-59 - 440 420 280 - 400 |
H2 70-90 - 47 39 46 79 82 21-27 - 320 340 280 400 420 |
Ergebnisse mehrerer handelsüblicher Pellistoren aus Palladium/Aluminium-Pe oxid-Thoriumoxid.
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Nach Beschränkung des Zutrittes des Gases zu der Vorrichtung erhaltene
Pe* Werte.
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Mit analogen Vorrichtungen auf der Grundlage von Titandioxid ohne
(a) - (f) eingebaute Beschränkungseinrichtung erhaltene Ergebnisse.
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