RU2626001C1

RU2626001C1 - Aluminoxide carbonate carrier

Info

Publication number: RU2626001C1
Application number: RU2016127206A
Authority: RU
Inventors: Александр Дмитриевич Веденин; Мария Викторовна Константиновская; Дмитрий Юрьевич Мазалов; Алексей Игоревич Николаев; Рудольф Юрьевич Соловьев; Сергей Александрович Соловьев; Лариса Владимировна Судник
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2017-07-21

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: charge of the catalyst carrier, including talc and kaolin, additionally containing white carbon black and alumina monohydrate (boehmite), at the following component ratio, wt %: talcum powder from 39 to 41; kaolin - from 19 to 21; monohydrate alumina (boehmite) - from 26 to 30 and white soot - the rest.

EFFECT: increase in the yield of cordierite with a simultaneous decrease in the synthesis temperature of the alumina catalyst support, an increase in its strength and porosity.

1 tbl, 3 ex

Description

Изобретение относится к производству термостойких носителей катализаторов на основе оксидов металлов (алюминия, кремния и др.), применяемых в машиностроении и различных химических процессах.The invention relates to the production of heat-resistant catalyst supports based on metal oxides (aluminum, silicon, etc.) used in mechanical engineering and various chemical processes.

В термостойких каталитических системах носитель активного вещества имеет большое значение. Он должен обеспечить сохранение функциональных свойств катализатора в условиях высоких температур и их резких перепадах, сохраняя требуемую форму, гранулометрический состав, необходимую прочность и пористость.In heat-resistant catalyst systems, the carrier of the active substance is of great importance. It should ensure the preservation of the functional properties of the catalyst at high temperatures and their sharp changes, while maintaining the desired shape, particle size distribution, the required strength and porosity.

Наиболее часто в качестве носителя используют оксиды алюминия, что обусловлено доступной сырьевой базой, их высокой термической стабильностью, химической инертностью, гибкостью производства и управляемостью процессами получения. Для придания алюмооксидным носителям катализаторов специфических свойств, необходимых для конкретного применения, их модифицируют соединениями кремния, церия, кальция, магния, железа, титана и др.Most often, aluminum oxides are used as a carrier, due to the available raw material base, their high thermal stability, chemical inertness, production flexibility, and controllability of the production processes. In order to impart specific properties necessary for a particular application to alumina supports, the catalysts are modified with compounds of silicon, cerium, calcium, magnesium, iron, titanium, etc.

Одним из наиболее важных эксплуатационных свойств носителей катализаторов, широко используемых в машиностроении, является стойкость к резкому изменению температуры. Термостойкость материалов связана с коэффициентом линейного теплового расширения (КЛТР), т.е. наибольшей стойкостью к термоудару обладают материалы с наименьшим КЛТР. Носители катализаторов, используемые в условиях резкой смены температур, например в нейтрализаторах отходящих газов двигателей внутреннего сгорания, изготавливают из алюмооксидной (кордиеритовой) керамики, имеющей теоретический оксидный состав, мас. %: Аl₂O₃ - 34,9; MgO - 13,7; SiO₂ - 51,4.One of the most important operational properties of catalyst supports widely used in mechanical engineering is resistance to sharp temperature changes. The heat resistance of materials is related to the coefficient of linear thermal expansion (KLTR), i.e. materials with the lowest CTE are the most resistant to thermal shock. Catalyst carriers used in conditions of sharp temperature changes, for example, in exhaust gas neutralizers of internal combustion engines, are made of alumina (cordierite) ceramics having a theoretical oxide composition, wt. %: Al ₂ O ₃ - 34.9; MgO - 13.7; SiO ₂ 51.4.

Известен состав шихты для изготовления кордиеритовой керамики (SU 1548177 А1, 07.03.1990), включающий следующие компоненты, % мас.: оксид алюминия - от 1,5 до 7,43; дисперсный оксид кремния 46,51-47,38; оксид магния - от 0,59 до 2,92; сульфат магния - от 29,15 до 35,44; алюминий - от 13,12 до 15,95; диоксид кремния - остальное. Выход кордиерита - 100%.The known composition of the mixture for the manufacture of cordierite ceramics (SU 1548177 A1, 03/07/1990), including the following components,% wt .: aluminum oxide - from 1.5 to 7.43; dispersed silica 46.51-47.38; magnesium oxide - from 0.59 to 2.92; magnesium sulfate - from 29.15 to 35.44; aluminum - from 13.12 to 15.95; silicon dioxide - the rest. The yield of cordierite is 100%.

Основным недостатком такого состава, как и других составов на основе чистых компонентов, является высокая стоимость применяемых в качестве сырья материалов.The main disadvantage of such a composition, as well as other compositions based on pure components, is the high cost of materials used as raw materials.

При синтезе алюмооксидного носителя катализатора из относительно недорогого природного сырья в материале носителя всегда содержится некоторое количество примесей в виде оксидов и соединений других металлов, которые оказывают существенное влияние на свойства каталитических изделий. Например, оксиды щелочных и щелочноземельных металлов в процессе спекания шихты алюмооксидного носителя катализатора со структурой кордиерита образуют стеклофазу, незначительное количество которой повышает прочность носителя, а увеличение доли стеклофазы приводит к деформации каталитических изделий, снижению их прочности, ухудшению термостойкости, коррозионной стойкости и активности катализаторов.In the synthesis of an alumina catalyst support from relatively inexpensive natural raw materials, the carrier material always contains a certain amount of impurities in the form of oxides and compounds of other metals, which have a significant effect on the properties of catalytic products. For example, oxides of alkali and alkaline earth metals during sintering of a mixture of an aluminum oxide catalyst carrier with a cordierite structure form a glass phase, an insignificant amount of which increases the strength of the carrier, and an increase in the proportion of glass phase leads to deformation of the catalytic products, a decrease in their strength, deterioration of heat resistance, corrosion resistance and activity of the catalysts.

Поэтому важно найти оптимальный баланс сырьевых компонентов, позволяющий получать качественные носители катализаторов из природных и промышленных материалов, желательно техногенных отходов.Therefore, it is important to find the optimal balance of raw materials, which allows to obtain high-quality catalyst supports from natural and industrial materials, preferably industrial waste.

Известен состав шихты (SU 1474147 А1, 23.04.1989) для получения кордиерита, включающий следующие компоненты, мас. %: перлит - от 53,0 до 57,0; гидроксид алюминия - от 24,0 до 26,0; гидрокарбонат магния - от 19,0 до 21,0.The known composition of the charge (SU 1474147 A1, 04/23/1989) to obtain cordierite, including the following components, wt. %: perlite - from 53.0 to 57.0; aluminum hydroxide - from 24.0 to 26.0; magnesium bicarbonate - from 19.0 to 21.0.

Недостатком этого состава является его относительно низкая реакционная способность шихты алюмооксидного носителя катализатора и необходимость проведения процесса его получения при высокой температуре - до 1350°С.The disadvantage of this composition is its relatively low reactivity of the charge of the alumina catalyst carrier and the need for the process of its preparation at high temperatures up to 1350 ° C.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату является алюмооксидный носитель катализатора, который синтезируется из шихты (RU 2036883 С1, 09.06.1995) для получения кордиерита, включающей следующие компоненты, мас. %: каолин - от 29,8 до 30,72; тальк - от 40,78 до 40,79; глинозем - от 19,91 до 20,27; кварцевый песок - от 8,60 до 8,8; пегматит - от 0 до 0,25.The closest in technical solution and the achieved result is an alumina catalyst support, which is synthesized from a mixture (RU 2036883 C1, 06/09/1995) to obtain cordierite, including the following components, wt. %: kaolin - from 29.8 to 30.72; talc - from 40.78 to 40.79; alumina - from 19.91 to 20.27; quartz sand - from 8.60 to 8.8; pegmatitis - from 0 to 0.25.

Недостатком этого состава шихты также является относительно низкая реакционная способность шихты алюмооксидного носителя катализатора и необходимость проведения процесса его синтеза при температуре выше 1400°С.The disadvantage of this composition of the mixture is also the relatively low reactivity of the mixture of the alumina catalyst carrier and the need for its synthesis at a temperature above 1400 ° C.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение выхода кордиерита при одновременном снижении температуры синтеза алюмооксидного носителя катализатора, повышении его прочности и пористости.The objective of the invention is to increase the yield of cordierite while reducing the temperature of the synthesis of alumina carrier of the catalyst, increasing its strength and porosity.

Задача решается тем, что шихта для алюмооксидного носителя катализатора, включающая тальк и каолин, отличается тем, что дополнительно содержит белую сажу и моногидрат оксида алюминия (бемит) при следующем соотношении компонентов, мас. %: тальк - от 39 до 41; каолин - от 19 до 21; моногидрат оксида алюминия (бемит) - от 26 до 30 и белую сажу - остальное.The problem is solved in that the charge for the alumina carrier of the catalyst, including talc and kaolin, is characterized in that it additionally contains white carbon black and aluminum oxide monohydrate (boehmite) in the following ratio of components, wt. %: talc - from 39 to 41; kaolin - from 19 to 21; aluminum oxide monohydrate (boehmite) - from 26 to 30 and white soot - the rest.

Технический результат заключается в повышении выхода кордиерита при снижении температуры синтеза алюмооксидного носителя катализатора, повышении его прочности и пористости.The technical result consists in increasing the yield of cordierite while lowering the temperature of synthesis of the alumina catalyst support, increasing its strength and porosity.

Шихта для получения алюмооксидного носителя катализатора, включающая природные соединения алюминия, кремния и магния (тальк и каолин), дополнительно содержит белую сажу, полученную путем осаждения диоксида кремния из водного раствора силиката натрия отходящими газами содового производства, а также моногидрат оксида алюминия (бемит), полученный гидротермальным методом, при следующем соотношении компонентов, мас. %: тальк - от 39 до 41; каолин - от 19 до 21; моногидрат оксида алюминия (бемит) - от 26 до 30 и белую сажу - остальное.The mixture for producing an alumina carrier of the catalyst, including natural compounds of aluminum, silicon and magnesium (talc and kaolin), additionally contains white soot obtained by precipitation of silicon dioxide from an aqueous solution of sodium silicate with soda waste gases, as well as aluminum oxide monohydrate (boehmite), obtained by the hydrothermal method, in the following ratio of components, wt. %: talc - from 39 to 41; kaolin - from 19 to 21; aluminum oxide monohydrate (boehmite) - from 26 to 30 and white soot - the rest.

В качестве сырьевых компонентов, входящих в предлагаемый состав шихты, используются тальк (ГОСТ 21235-75), каолин (ГОСТ 21286-82), технический глинозем (ГОСТ 30559-98), кварцевый песок (ГОСТ Р 51641-2000), полевой шпат (ГОСТ 4422-73), белая сажа (ГОСТ 18307-78) и моногидрат оксида алюминия (патент RU 2363659 С1, 10.08.2009).Talc (GOST 21235-75), kaolin (GOST 21286-82), technical alumina (GOST 30559-98), quartz sand (GOST R 51641-2000), feldspar (raw material) are used as raw materials included in the proposed composition of the charge. GOST 4422-73), white carbon black (GOST 18307-78) and aluminum oxide monohydrate (patent RU 2363659 C1, 08/10/2009).

Исходная шихта готовится путем измельчения сырьевых компонентов до получения остатка па сите №0063 от 2 до 3%, перемешивания и увлажнения водой до влажности от 8 до 10%. Из полученной керамической массы методом полусухого прессования формуют изделия, сушат и обжигают при температурах от 1200 до 1250°С в электрической печи с экспозицией 4 ч и 2 ч соответственно.The initial mixture is prepared by grinding raw materials to obtain a residue of paste No. 0063 from 2 to 3%, mixing and moistening with water to a moisture content of 8 to 10%. Products are formed by semi-dry pressing from the obtained ceramic mass, dried and fired at temperatures from 1200 to 1250 ° C in an electric furnace with an exposure of 4 hours and 2 hours, respectively.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими примерами.The invention is illustrated by the following examples.

Пример 1Example 1

Шихту, включающую, мас. %: тальк - 39; каолин - 21; моногидрат оксида алюминия (бемит) - 26 и белую сажу Б-50 - 14, измельчают в планетарной мельнице "Пульверизетте-5" (фирма Fritch, Германия), используя мелющие цирконевые шары диаметром 10 мм, с частотой вращения 300 об./мин и продолжительностью - 4 ч. Затем шихту увлажняют до влажности от 8 до 10%, методом сухого прессования формуют изделия, сушат и обжигают при температурах от 1200 до 1250°С в электрической печи с экспозицией 4 ч и 2 ч соответственно.The mixture, including, by weight. %: talc - 39; kaolin - 21; aluminum oxide monohydrate (boehmite) - 26 and white carbon black B-50 - 14, are crushed in the Pulverisette-5 planetary mill (Fritch, Germany) using grinding zircon balls with a diameter of 10 mm, with a rotation speed of 300 rpm and lasting 4 hours. Then the mixture is moistened to a moisture content of 8 to 10%, the products are formed by dry pressing, dried and fired at temperatures from 1200 to 1250 ° C in an electric furnace with an exposure of 4 hours and 2 hours, respectively.

Пример 2Example 2

Шихту, включающую, мас. %: тальк - 40; каолин - 20; моногидрат оксида алюминия (бемит) - 28 и белую сажу Б-100 - 12, измельчают и увлажняют до влажности от 8 до 10%. Затем получают керамические изделия аналогично примеру 1.The mixture, including, by weight. %: talc - 40; kaolin - 20; aluminum oxide monohydrate (boehmite) - 28 and white carbon black B-100 - 12, crushed and moistened to a moisture content of 8 to 10%. Then get ceramic products as in example 1.

Пример 3Example 3

Шихту, включающую, мас. %: тальк - 41; каолин - 19; моногидрат оксида алюминия (бемит) - 30 и белую сажу Б-120 - 10, измельчают и увлажняют до влажности от 8 до 10%. Затем получают керамические изделия аналогично примеру 1.The mixture, including, by weight. %: talc - 41; kaolin - 19; aluminum oxide monohydrate (boehmite) - 30 and white carbon black B-120 - 10, crushed and moistened to a moisture content of 8 to 10%. Then get ceramic products as in example 1.

Составы шихты предлагаемого алюмооксидного носителя катализатора и показатели основных его свойств (в сравнении с прототипом: состав 4) приведены в таблице.The composition of the charge of the proposed alumina catalyst carrier and indicators of its main properties (in comparison with the prototype: composition 4) are shown in the table.

Повышенные термомеханические характеристики в сочетании с высокой пористостью алюмооксидных носителей катализаторов из предлагаемого кордиеритового состава шихты обусловлены активизацией процесса формирования фазовой структуры при введении белой сажи и бемита в результате их наноразмерных эффектов.The increased thermomechanical characteristics in combination with the high porosity of the alumina catalyst supports from the proposed cordierite mixture composition are due to the activation of the formation of the phase structure upon the introduction of white soot and boehmite as a result of their nanoscale effects.

Предлагаемый состав шихты алюмооксидных носителей катализаторов может быть использован для изготовления сотовых субстратов каталитических сажевых фильтров и нейтрализаторов отходящих газов двигателей внутреннего сгорания и других силовых агрегатов.The proposed composition of the charge of alumina catalyst supports can be used for the manufacture of cellular substrates of catalytic particulate filters and exhaust gas converters of internal combustion engines and other power units.

Claims

The mixture of alumina catalyst carrier, including talc and kaolin, characterized in that it further comprises white carbon black and aluminum oxide monohydrate (boehmite) in the following ratio of components, wt. %: talc - from 39 to 41; kaolin - from 19 to 21; aluminum oxide monohydrate (boehmite) - from 26 to 30 and white soot - the rest.