RU2715184C1 - Method of producing sorbents - Google Patents

Method of producing sorbents Download PDF

Info

Publication number
RU2715184C1
RU2715184C1 RU2018142459A RU2018142459A RU2715184C1 RU 2715184 C1 RU2715184 C1 RU 2715184C1 RU 2018142459 A RU2018142459 A RU 2018142459A RU 2018142459 A RU2018142459 A RU 2018142459A RU 2715184 C1 RU2715184 C1 RU 2715184C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
printing
printed
layer
sorbent
plane
Prior art date
Application number
RU2018142459A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Антон Игоревич Лысиков
Николай Игоревич Машков
Алексей Григорьевич Окунев
Екатерина Васильевна Пархомчук
Дмитрий Викторович Кулешов
Александр Валерьевич Полухин
Валентин Николаевич Пармон
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (Институт катализа СО РАН, ИК СО РАН)
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (Институт катализа СО РАН, ИК СО РАН), Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (Институт катализа СО РАН, ИК СО РАН)
Priority to RU2018142459A priority Critical patent/RU2715184C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2715184C1 publication Critical patent/RU2715184C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J32/00
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to preparation of composite materials and can be used in production of catalysts, carriers and sorbents. Disclosed is a method of producing a sorbent for removing water, involving obtaining 3D printed material model in an accurate coordinate grid according to the following algorithm: 1 - application in horizontal plane of layer of powdered precursor - calcined dehydrated calcium sulphate, 2 - levelling and removal of excess, 3-jet application in said positions of projection of print plane of 10 % copper sulphate solution, 4 - change of height of precursor layer with printed layer relative to printing unit by thickness of next layer equal to 0.1–0.4 mm, 5 - repetition of specified procedures up to printing of extreme printing plane by height. Printed sample is held for 4 hours, unused powder is removed and the obtained sorbent is dried at 180 °C for 24 hours.
EFFECT: invention enables to obtain a sorbent of a given geometric shape and a given size in an automatic mode.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области приготовления широкого круга композитных материалов и может найти применение в производстве катализаторов, носителей, сорбентов и др.The invention relates to the field of preparation of a wide range of composite materials and may find application in the production of catalysts, carriers, sorbents, etc.

Современные способы приготовления гетерогенных катализаторов и сорбентов для промышленных процессов являются неизменными на протяжении уже более чем 40 лет [Дзисько В.А., Карнаухов А.П., Тарасова Д.В. Физико-химические основы синтеза окисных катализаторов. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение. 1978]. Все их можно свести к стандартному набору операций или их последовательностей: приготовление растворов предшественников, осаждение, старение, суспензирование, экструзия, гранулирование, сушка, прокалка [Дзисько В.А. Основы методов приготовления катализаторов. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение. 1983; Пахомов Н.А. Научные основы приготовления катализаторов. Методическое пособие. Новосибирск. 2010]. Однако традиционные методы обладают рядом ограничений, не позволяющих получить более сложные и соответствующие текущему уровню развития материалы. Так, например, данные способы в некоторых случаях с трудом могут гарантировать получение готового катализатора идеальной геометрической формы, неотличимой для каждой отдельной гранулы, и уж тем более с узким распределением полученных частиц. Не говоря уже о том, чтобы создать исключительную геометрическую связь между отдельными гранулами по принципу ключ-замок и пр. Исключение составляет только использование экструдеров, но даже они не обладают чересчур сложной геометрией, дают сбои в производстве, и производство брака неизбежно возникает. Однако трудно представить для продуктов данного производства катализаторы, состоящие из комбинации нескольких соосных, идеально сочетающихся, прилегающих гранул или сочетание металлической скорлупы с внешней или внутренней стенкой отдельной гранулы. Эти ограничения навязаны неизменной технологией получения композитных материалов. Они не позволяют разрешить ряд прочих проблем, связанных с проведением химических процессов, таких, как теплопередача зерну и отвод тепла, эффективное сочетание слоев сорбента и катализатора в одном аппарате, создание градиентных каталитических слоев, массоперенос и устранение диффузии (т.к. скорлупа может содержать материал активного компонента, т.е. обладать каталитической активностью).Modern methods for the preparation of heterogeneous catalysts and sorbents for industrial processes have been unchanged for more than 40 years [Dzisko VA, Karnaukhov AP, Tarasova DV Physicochemical basis for the synthesis of oxide catalysts. Novosibirsk: Science, Siberian Branch. 1978]. All of them can be reduced to a standard set of operations or their sequences: preparation of precursor solutions, precipitation, aging, suspension, extrusion, granulation, drying, calcination [V. Dzysko Basics of catalyst preparation methods. Novosibirsk: Science, Siberian Branch. 1983; Pakhomov N.A. Scientific basis for the preparation of catalysts. Toolkit. Novosibirsk 2010]. However, traditional methods have a number of limitations, which do not allow obtaining more complex materials that correspond to the current level of development. So, for example, these methods in some cases can hardly guarantee the preparation of a finished catalyst with an ideal geometric shape, indistinguishable for each individual granule, and even more so with a narrow distribution of the obtained particles. Not to mention creating an exceptional geometric connection between individual granules using the key-lock principle, etc. The only exception is the use of extruders, but even they do not have excessively complex geometry, they cause production failures, and marriage production inevitably occurs. However, it is difficult to imagine catalysts consisting of a combination of several coaxial, perfectly matching, adjacent granules or a combination of a metal shell with an external or internal wall of an individual granule for products of this production. These restrictions are imposed by the invariable technology for producing composite materials. They do not allow solving a number of other problems associated with chemical processes, such as heat transfer to the grain and heat removal, an effective combination of sorbent and catalyst layers in one apparatus, the creation of gradient catalytic layers, mass transfer and elimination of diffusion (because the shell may contain material of the active component, i.e. possess catalytic activity).

Для разрешения и снятия классических ограничений в области получения новых композитных каталитических и сорбционных материалов с геометрическими и композиционными особенностями в данном изобретении предлагается применение технологии 3D печати, метода, находящегося на стадии своего развития еще в самой начальной стадии, но уже сегодня обладающего перспективностью.To resolve and remove the classical restrictions in the field of obtaining new composite catalytic and sorption materials with geometric and compositional features, this invention proposes the use of 3D printing technology, a method that is at its development stage even at the very initial stage, but which already has promise.

Аналогами изобретения можно считать совокупность методов, в той или иной мере обладающих рядом недостатков. В частности, в изобретениях UK 1014950.8, US 9272264 и US 9278338 рассматривается способ 3D печати каркасов методом лазерного спекания слоев путем точечного плавления из оксидов металлов таких, как оксид алюминия, смесь оксида алюминия и кремния. Однако метод не учитывает, что катализаторы и сорбенты при таком методе приготовления теряют важное свойство - активность - из-за резкого спекания пор или их блокировки (потеря удельной поверхности). Естественно, что простое нанесение на такие материалы активного компонента не позволит получить конкурентоспособный промышленный продукт.The analogues of the invention can be considered a set of methods, to one degree or another, having a number of disadvantages. In particular, the inventions UK 1014950.8, US 9272264 and US 9278338 discusses a method of 3D printing of frames by laser sintering of layers by spot melting from metal oxides such as alumina, a mixture of aluminum oxide and silicon. However, the method does not take into account that the catalysts and sorbents with this method of preparation lose an important property - activity - due to the sharp sintering of pores or their blocking (loss of specific surface). Naturally, simply applying the active component to such materials will not make it possible to obtain a competitive industrial product.

Другой метод, приведенный, например, в [Microporous and Mesoporous Materials 255 (2018) 185-191], основан на координационной послойной экструзии пасты предшественника носителя через иглу диаметром 0,33 мкм. Данный метод может являться практичным, но скорость печати материалов является функцией, обратно пропорциональной качеству получаемого изделия, т.е. методика усовершенствованной экструзии есть компромисс между качеством и количеством. Однако в данном случае применительно к качеству речь идет именно о координационной точности в плоскости печати. Проблема качества остается при перемещении печати по высоте, т.к. гладкие скругленные объекты будут неустойчивы, а отверстия не точны по высоте из-за пластичности материала печати. Таким образом, данный подход пригоден для материалов правильной формы с плоским дном и вертикальной ориентацией отверстий.Another method, described, for example, in [Microporous and Mesoporous Materials 255 (2018) 185-191], is based on coordination layer-by-layer extrusion of a carrier precursor paste through a needle with a diameter of 0.33 μm. This method may be practical, but the printing speed of materials is a function inversely proportional to the quality of the resulting product, i.e. advanced extrusion technique is a compromise between quality and quantity. However, in this case, with regard to quality, we are talking about coordination accuracy in the print plane. The quality problem remains when the print is moved in height because smooth rounded objects will be unstable, and the holes will not be exact in height due to the ductility of the print material. Thus, this approach is suitable for materials of regular shape with a flat bottom and a vertical orientation of the holes.

Еще одним аналогом можно считать изобретение US 9353284, основанное на точечном суспензировании печатного слоя мелкодисперсного порошка оксида металла раствором полимера (или мономера с добавлением металла переходной группы для инициирования полимеризации в месте контакта). Связывая частицы порошка полимером в методе, после печати слоев удаляют несклеенные частицы, а напечатанное изделие обрабатывают, нанося лак или полимерную смолу, для сохранения формы изделия. Однако данный способ не рассматривается для получения каталитически активных гранул из-за заполнения пор связующим веществом, которое, выгорая, не сохраняет связь между частицами, что сказывается на прочности материалов.Another analogue can be considered the invention US 9353284, based on the point suspension of the printing layer of finely dispersed metal oxide powder with a polymer solution (or a monomer with the addition of a transition metal group to initiate polymerization at the contact point). By bonding the powder particles with the polymer in the method, after the layers are printed, the non-glued particles are removed, and the printed product is treated by applying varnish or polymer resin to maintain the shape of the product. However, this method is not considered to obtain catalytically active granules due to the filling of pores with a binder, which, when burned, does not retain the bond between the particles, which affects the strength of the materials.

Поэтому предлагаемый подход учитывает все недостатки вышеприведенных изобретений и предлагает усовершенствованную методику получения носителей, катализаторов и сорбентов 3D печатью с получением уникальных свойств. Наиболее значимое и на сегодняшний день прочими способами не достижимое свойство - это геометрическое соответствие и взаимосвязь между частицами катализатора, которые демонстрируются в примерах.Therefore, the proposed approach takes into account all the shortcomings of the above inventions and offers an improved method for producing carriers, catalysts, and sorbents by 3D printing to obtain unique properties. The most significant and currently unattainable property by other methods is the geometric correspondence and relationship between the catalyst particles, which are demonstrated in the examples.

Изобретение относится к методу получения гранул композитных материалов сложной и, в то же время, правильной геометрии в сочетании составляющих различной химической природы. Метод отличается от традиционных аналогов тем, что позволяет синтезировать катализаторы и сорбенты в автоматическом режиме и практически любой геометрической формы и размера.The invention relates to a method for producing granules of composite materials of complex and, at the same time, correct geometry in a combination of components of different chemical nature. The method differs from traditional analogues in that it allows the synthesis of catalysts and sorbents in an automatic mode and in almost any geometric shape and size.

Технический результат заключается в получении новых материалов известного химического состава и позволяет решить многие известные промышленные проблемы, связанные с диффузионными ограничениями, тепло- и массопереносом, а также снизить эффекты порозности и влияния мертвого объема на протекающие процессы.The technical result consists in obtaining new materials of known chemical composition and can solve many well-known industrial problems associated with diffusion restrictions, heat and mass transfer, as well as reduce the effects of porosity and the effect of dead volume on the processes.

Изобретение относится к способам получения твердых композитов любого химического состава, включая оксидные и солевые носители, сорбенты и катализаторы, полученные нанесением активного компонента любым известным способом на поверхность носителей, также возможных их комбинаций. Способ синтеза композитов заключается в применении 3D печатных устройств для целенаправленного получения катализаторов и сорбентов различной формы. При этом возможны вариации размеров гранул катализатора в каждом из трех основных направлений векторного пространства от 10 мкм до 500 см в зависимости от задачи. Таким образом, методика синтеза позволяет получать как отдельные гранулы с определенной каталитической активностью, каталитические слои параллельно и/или последовательно соединенные (различные каталитические/сорбционные слои, которые могут отличаться природой активного компонента, природой носителя, природой 3D печатного каркаса гранулы или различными их комбинациями) так и гранулы-реактора, имеющие нулевую порозность.The invention relates to methods for producing solid composites of any chemical composition, including oxide and salt carriers, sorbents and catalysts obtained by applying the active component in any known manner on the surface of the carriers, also possible combinations thereof. The synthesis method of composites consists in the use of 3D printing devices for the targeted production of catalysts and sorbents of various shapes. In this case, variations in the size of the granules of the catalyst in each of the three main directions of the vector space from 10 μm to 500 cm, depending on the task, are possible. Thus, the synthesis technique allows to obtain, as separate granules with a certain catalytic activity, the catalytic layers in parallel and / or sequentially connected (different catalytic / sorption layers, which may differ in the nature of the active component, the nature of the carrier, the nature of the 3D printed frame of the granule, or various combinations thereof) and reactor granules having zero porosity.

Предложен способ получения сорбентов, катализаторов и носителей, характеризующийся получением 3D печатной модели получаемого материала при коагуляции предшественника в точной координатной сетке по алгоритму: а) нанесение слоя порошкообразного предшественника в горизонтальной плоскости; б) его разравнивание и удаление излишков специальной ровной гребенкой; в) координационное нанесение в плоскости печати раствора, содержащего коагулятор или предшественник активного компонента или индикатор, печатной головкой струйного принтера по макету проекции текущей плоскости печати; г) изменение высоты слоя предшественника с напечатанным слоем относительно печатного блока на толщину следующего слоя (0,1-0,4 мм в зависимости от материала получаемого сорбента или носителя); д) повторение процедур а)-г) вплоть до печати крайней плоскости печати (по высоте) или завершение процедуры 3D печати, позволяющему достигать разрешения получаемого изделия катализатора, сорбента или носителя до 10 мкм и ограниченного областью печати по одной из основных осей с последующими стадиями - старением материала для придания химических связей и фиксации геометрических форм, очисткой полученного печатного материала от сухого остатка порошка предшественника и для получения оксидной формы или сушки материала его термической обработкой, зависящей от типа полученного материала, после которой методом пропитки активные свойства готового изделия могут быть дополнены путем пропитки активного компонента из растворимой формы предшественника с дополнительной термической или химической обработкой.A method for producing sorbents, catalysts and carriers, characterized by obtaining a 3D printed model of the material obtained by coagulation of the precursor in the exact coordinate grid according to the algorithm, is proposed: a) applying a layer of powdery precursor in a horizontal plane; b) its leveling and removal of surplus with a special smooth comb; c) coordination application in the printing plane of a solution containing a coagulator or a precursor of the active component or indicator, by the printhead of an inkjet printer according to the projection model of the current printing plane; d) a change in the height of the layer of the precursor with the printed layer relative to the printing unit by the thickness of the next layer (0.1-0.4 mm, depending on the material of the resulting sorbent or carrier); e) repeating the procedures a) to d) until the extreme printing plane is printed (in height) or the completion of the 3D printing procedure, which allows achieving the resolution of the resulting catalyst product, sorbent or carrier to 10 μm and limited by the printing area along one of the main axes with subsequent stages - aging of the material to impart chemical bonds and fix geometric shapes, cleaning the resulting printed material from the dry residue of the precursor powder, and to obtain an oxide form or drying the material of its heat treatment Coy, depending on the type of the material obtained after impregnation method wherein active properties of the finished product may be supplemented by impregnating an active component from the soluble precursor form with additional heat or chemical treatment.

Изобретение позволяет разрешить ряд ранее неразрешенных проблем каталитических слоев:The invention allows to solve a number of previously unresolved problems of the catalytic layers:

1. Устранить полностью влияние внешней диффузии на каталитический процесс;1. Eliminate completely the influence of external diffusion on the catalytic process;

2. Улучшить характеристики тепло- и массопересона;2. Improve the characteristics of heat and mass transfer;

3. Увеличить степень использования каталитического слоя;3. Increase the degree of utilization of the catalytic layer;

4. Обеспечить проведение смешанных процессов в компактном сорбционно-каталитическом последовательном слое, как, например, в процессе каталитической конверсии метана в чистый водород или в гидропереработке тяжелых углеводородных остатков, не разнося процесс по различным аппаратурным объемам и пр.;4. To ensure the implementation of mixed processes in a compact sorption-catalytic sequential layer, such as, for example, in the process of catalytic conversion of methane to pure hydrogen or in the hydroprocessing of heavy hydrocarbon residues, without spacing the process across various equipment volumes, etc .;

5. Создавать катализаторы, сорбенты и носители свободной геометрии или взаимосвязей между отдельными частями или частицами в композиции материала.5. Create catalysts, sorbents and carriers of free geometry or the relationship between the individual parts or particles in the composition of the material.

Изобретение можно описать следующей последовательностью действий:The invention can be described by the following sequence of actions:

1. Нанесение слоя порошкообразного предшественника в горизонтальной плоскости.1. Application of a layer of powdered precursor in a horizontal plane.

2. Его разравнивание и удаление излишков специальной ровной гребенкой.2. Its leveling and removal of surplus with a special smooth comb.

3. Координированное нанесение раствора, который может содержать коагулятор и предшественник активного компонента или индикатора, печатной головкой струйного принтера по макету проекции текущей плоскости печати.3. Coordinated application of the solution, which may contain the coagulator and the precursor of the active component or indicator, by the print head of the inkjet printer according to the projection model of the current printing plane.

4. Погружение слоя предшественника с напечатанным слоем на толщину следующего слоя (0,1-0,4 мм в зависимости от материала получаемого сорбента или носителя).4. Immersion of the precursor layer with the printed layer on the thickness of the next layer (0.1-0.4 mm, depending on the material of the resulting sorbent or carrier).

5. В случае необходимости повторение стадии 1-4 для печати следующих слоев.5. If necessary, repeat steps 1-4 to print the next layers.

6. Завершение работы после печати последнего слоя.6. Shutdown after printing the last layer.

7. Старение печатной формы в течение некоторого времени, зависящем от природы материала.7. Aging of the printing plate for some time, depending on the nature of the material.

8. Удаление неиспользованного порошка предшественника и продувка напечатанного образца.8. Removing unused precursor powder and purging the printed sample.

9. Термическая обработка напечатанного образца при необходимости.9. Heat treatment of the printed sample if necessary.

10. Последующие стадии пропитки активным компонентом или индикатором при приготовлении композитных сорбентов и катализаторов (в общем случае стадия необязательная).10. The subsequent stages of impregnation with the active component or indicator in the preparation of composite sorbents and catalysts (in the general case, the stage is optional).

Для демонстрации метода 3D печати носителей, катализаторов и сорбентов использовали лабораторный стенд, включающий возможность:To demonstrate the 3D printing method of carriers, catalysts and sorbents, a laboratory bench was used, including the ability to:

а) свободно перемешать в плоскости XY печати головку струйного принтера «Epson L800», с помощью синхронизированных манипуляторов с шаговыми моторами «Siipping Motor» (по 2 манипулятора на одну осевую направляющую и мотор);a) freely mix in the XY plane the head of the Epson L800 inkjet printer using synchronized manipulators with Siipping Motor stepper motors (2 manipulators per axial guide and motor);

б) область печати в плоскости ограничена площадью 30×30 см;b) the print area in the plane is limited to an area of 30 × 30 cm;

в) вертикальная ось печати также координируется шаговыми двигателями с манипуляторами, управляющими передвижением поддона для печати по длине 20 см. Передвижение по вертикали проводят синхронно с помощью 4 манипуляторов, расположенных в середине каждой грани плоскости печати;c) the vertical axis of the press is also coordinated by stepper motors with manipulators that control the movement of the printing tray over a length of 20 cm. Vertical movement is carried out synchronously using 4 manipulators located in the middle of each face of the printing plane;

г) печатная головка, бак подачи порошка предшественника и выравнивающий уголок закреплены на одной конструкции и управляются манипуляторами по оси Y;d) the print head, the precursor powder supply tank and the leveling angle are fixed on one structure and are controlled by manipulators along the Y axis;

д) печатная головка дополнительно имеет возможность перемещаться по оси X;d) the print head additionally has the ability to move along the X axis;

е) для удаления излишков порошка предшественника в поддоне имеются 4 заслонки, которые открывают через определенный промежуток времени после окончания печати. Достичь отделения печатного материала от порошка удается за счет сеток на 0,3 мм находящимися непосредственно над заслонками.e) to remove excess powder of the precursor in the pan there are 4 shutters that open after a certain period of time after printing. It is possible to achieve separation of the printing material from the powder due to 0.3 mm nets located directly above the dampers.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.The invention is illustrated by the following examples.

Пример 1Example 1

В примере печатали образец оксид алюминия из псевдобемита пр-ва ООО «Ишимбайский специализированный химический завод катализаторов» в соответствии со стадиями 1-6 ранее описанной процедуры и эскизом, представленным на Фиг. 1 слева (Эскиз воронки носителя (слева) и стак из 3 воронок-катализаторов в сравнении с 10ти копеечной монетой (справа)).In the example, an alumina sample was printed from pseudoboehmite produced by Ishimbay Specialized Chemical Catalyst Plant LLC in accordance with steps 1-6 of the previously described procedure and the sketch shown in FIG. 1 left (Sketch of the carrier funnel (left) and a stack of 3 catalyst funnels in comparison with 10 kopek coin (right)).

В качестве связующего использовали водный раствор азотной кислоты с концентрацией 10-4 М, которая необходима для коагуляции частиц гидроксида алюминия. Раствор наносили координационно добавлением дисперсной капельной влаги раствора из струйной головки, программируемом перемещающейся в печатной плоскости. Печать протекала послойно с высотой слоя 0,2 мм, соединяя слои за счет реакции гидроксида алюминия с водным раствором. После окончания печати резервуару для печати дали постоять в течение 12 ч и неиспользуемый порошок удалили механически, открыв заслонки поддона. Напечатанный образец от порошка отделили сеткой, продули воздухом для очистки от прилипшей пыли и при медленном нагреве (в течение 10 ч) прокалили в муфеле при 650°С в течение 5 ч.An aqueous solution of nitric acid with a concentration of 10 -4 M, which is necessary for the coagulation of aluminum hydroxide particles, was used as a binder. The solution was coordinated by the addition of dispersed droplet moisture of the solution from the ink jet, programmable moving in the printing plane. Printing proceeded in layers with a layer height of 0.2 mm, connecting the layers due to the reaction of aluminum hydroxide with an aqueous solution. After printing, the print tank was allowed to stand for 12 hours and the unused powder was removed mechanically by opening the pan flaps. The printed sample was separated from the powder by a grid, purged with air to remove adhering dust, and when slowly heated (for 10 hours), it was calcined in a muffle at 650 ° C for 5 hours.

Полученную гранулу в виде воронки использовали для дальнейшей пропитки.The obtained granule in the form of a funnel was used for further impregnation.

Гранулу пропитали 2% водным раствором гексахлорплатината водорода по влагоемкости (0,5 мл/1 г). Высушили в сушильном шкафу при 80°С и в дальнейшем прокалили при 600°С в муфельной печи. В результате получили 0,5% Pt/Al2O3, что является аналогом катализатора паровой конверсии метана, который представлен на Фиг. 1 справа в нижней части сборки.The granule was impregnated with a 2% aqueous solution of hydrogen hexachloroplatinate for moisture capacity (0.5 ml / 1 g). It was dried in an oven at 80 ° C and then calcined at 600 ° C in a muffle furnace. As a result, 0.5% Pt / Al 2 O 3 was obtained, which is analogous to the methane steam reforming catalyst, which is shown in FIG. 1 right at the bottom of the assembly.

Пример 2Example 2

Аналогично примеру 1 получили носитель оксида алюминия в виде воронки. Гранулу носителя пропитали раствором, содержащим 35 вес. % нитрата меди и 45 вес. % нитрата цинка по влагоемкости (0,5 мл/1 г). Высушили в сушильном шкафу при 80°С и в дальнейшем прокалили при 350°С в муфельной печи. В результате получили 20% CuO+26% ZnO/Al2O3, что является аналогом катализатора паровой конверсии СО, который представлен на Фиг. 1 справа в средней части сборки.Analogously to example 1, an alumina support was obtained in the form of a funnel. The carrier granule was impregnated with a solution containing 35 weight. % copper nitrate and 45 weight. % zinc nitrate by moisture capacity (0.5 ml / 1 g). It was dried in an oven at 80 ° C and then calcined at 350 ° C in a muffle furnace. As a result, 20% CuO + 26% ZnO / Al 2 O 3 was obtained, which is an analogue of the CO vapor conversion catalyst shown in FIG. 1 right in the middle of the assembly.

Пример 3Example 3

Аналогично примеру 1 получили носитель оксида алюминия в виде воронки.Analogously to example 1, an alumina support was obtained in the form of a funnel.

Гранулу пропитали 50% водным раствором нитрата никеля по влагоемкости (0,5 мл/1 г). Высушили в сушильном шкафу при 80°С и в дальнейшем прокалили при 800°С в муфельной печи. В результате получили 17% NiO/Al2O3, что является аналогом катализатора метанирования, который представлен на Фиг. 1 справа в верхней части сборки.The granule was impregnated with a 50% aqueous solution of nickel nitrate in terms of moisture capacity (0.5 ml / 1 g). It was dried in an oven at 80 ° C and subsequently calcined at 800 ° C in a muffle furnace. As a result, 17% NiO / Al 2 O 3 was obtained, which is an analog of the methanation catalyst shown in FIG. 1 right at the top of the assembly.

Пример 4Example 4

В примере печатали двухводный сульфат кальция в соответствии со стадиями 1-6 ранее описанной процедуры из прокаленного обезвоженного сульфата кальция в виде цепи с соединенными звеньями струйным методом по эскизу, представленному на Фиг. 2. В качестве связующего использовали водный раствор сульфата меди с 10% содержанием соли, роль которой обозначена в примере в качестве индикатора влажности. Раствор наносили координационно добавлением дисперсной капельной влаги раствора из струйной головки, программируемом перемещающейся в печатной плоскости. Печать протекала послойно с высотой слоя 0,4 мм, соединяя слои за счет реакции гидратации сульфата кальция. После окончания печати резервуару для печати дали постоять в течение 4 ч и неиспользуемый порошок удалили механически открыв крышку поддона. Напечатанный образец от порошка отделили сеткой и сушили в сушильном шкафу при 180°С в течение 24 ч. Получили соединенную из звеньев цепь, состоящую из полуводного гидрата сульфата кальция. Полученный материал обладал сорбционными свойствами при удалении воды, емкость которого достигала до 18 мас %. При достижении предельной емкости материал цепи перекрашивается в светло-голубой цвет за счет гидратации безводного сульфата меди, сигнализируя о необходимости проведения его регенерации. Результат представлен на Фиг. 2 (Керамическая цепь в виде эскиза (слева) и готовое изделие (регенерированная форма), звенья которой состоят из CaSO4*0,5 H2O (справа)).In the example, two-water calcium sulfate was printed in accordance with steps 1-6 of the previously described procedure from calcined anhydrous calcium sulfate in the form of a chain with connected units by the inkjet method according to the sketch shown in FIG. 2. An aqueous solution of copper sulfate with 10% salt content, the role of which is indicated in the example as an indicator of humidity, was used as a binder. The solution was coordinated by the addition of dispersed droplet moisture of the solution from the ink jet, programmable moving in the printing plane. Printing proceeded in layers with a layer height of 0.4 mm, connecting the layers due to the hydration reaction of calcium sulfate. After printing, the print tank was allowed to stand for 4 hours and the unused powder was removed mechanically by opening the pan cover. The printed sample was separated from the powder by a grid and dried in an oven at 180 ° C for 24 hours. A chain consisting of links of semi-aqueous calcium sulfate hydrate was obtained. The resulting material had sorption properties when removing water, the capacity of which reached up to 18 wt%. When the maximum capacity is reached, the chain material is repainted in light blue due to the hydration of anhydrous copper sulfate, signaling the need for its regeneration. The result is shown in FIG. 2 (Ceramic chain in the form of a sketch (left) and the finished product (regenerated form), the links of which consist of CaSO 4 * 0.5 H 2 O (right)).

Следует выделить, что сорбент обладает уникальным свойством, не характерным для современных аналогичных сорбентов: имеется связь между звеньями сорбента, позволяющая одновременно свободно загружать реакционный объем, сгибая материал сорбента (между звеньями), и не наносить ему повреждений, т.е. у данного керамического материала имеется «гибкость».It should be noted that the sorbent has a unique property that is not characteristic of modern similar sorbents: there is a connection between the links of the sorbent, which allows simultaneously to freely load the reaction volume by bending the sorbent material (between links), and not cause damage to it, i.e. this ceramic material has “flexibility”.

Предлагаемый подход может быть использован для получения катализаторов и сорбентов, коагулирующихся при реакции с водными растворами. К ним можно отнести псевдобемит, оксиды кальция, магния, соли сульфатов, фосфатов и пр. Методика не ограничивается применением подобранных условий и может варьироваться в зависимости от получаемого материала. Так, термическая обработка может быть в диапазоне температур 100-900°С. Время сушки также зависит от природы получаемого материала.The proposed approach can be used to obtain catalysts and sorbents that coagulate upon reaction with aqueous solutions. These include pseudoboehmite, oxides of calcium, magnesium, salts of sulfates, phosphates, etc. The methodology is not limited to the use of selected conditions and may vary depending on the material obtained. So, heat treatment can be in the temperature range of 100-900 ° C. Drying time also depends on the nature of the material obtained.

Примеры демонстрируют возможность получения материала любой «удобной для процесса» формы, которая ранее была не достижима, придать уникальные свойства, которые на данном этапе развития не представляется возможным получить прочими методами, например, задавая дополнительные степени свободы материалам такие как, гибкость керамического изделия.The examples demonstrate the possibility of obtaining a material of any “convenient for the process” form that was previously unattainable, to give unique properties that at this stage of development cannot be obtained by other methods, for example, setting additional degrees of freedom for materials such as the flexibility of a ceramic product.

Печать материалов можно осуществлять в любом аналогичном 3D печатном устройстве. Геометрическая и стереометрическая формы получаемого объекта могут быть любыми.Printing materials can be done in any similar 3D printing device. The geometric and stereometric shapes of the resulting object can be any.

1. Метод может быть использован для получения гранулированного материала практически любого оксидного или солевого состава.1. The method can be used to obtain granular material of almost any oxide or salt composition.

2. Метод принципиально отличается от традиционных способов получения катализаторов и сорбентов и основан на современных технологиях 3D печати.2. The method is fundamentally different from traditional methods for producing catalysts and sorbents and is based on modern 3D printing technologies.

3. Метод позволяет получать катализаторы и сорбенты, имеющие формы и геометрию любой сложности, адаптируя способ приготовления под конкретные задачи.3. The method allows to obtain catalysts and sorbents having the shape and geometry of any complexity, adapting the cooking method for specific tasks.

4. Метод позволяет придать дополнительные свойства материалам катализаторов, сорбентов и носителей такие, как полное геометрическое соответствие между гранулами или дополнительные степени свободы вращения или колебания на макроуровне, не свойственные ранее оксидным и солевым частицам-агломератам.84. The method allows to give additional properties to the materials of catalysts, sorbents and carriers, such as full geometric correspondence between granules or additional degrees of freedom of rotation or vibrations at the macro level, not previously characteristic of oxide and salt agglomerate particles.

Claims (6)

Способ получения сорбента для удаления воды, характеризующийся получением 3D печатной модели материала в точной координатной сетке по алгоритму, предусматривающему:A method of producing a sorbent for removing water, characterized by obtaining a 3D printed model of the material in the exact coordinate grid according to an algorithm that provides: а) нанесение в горизонтальной плоскости слоя порошкообразного предшественника - прокаленного обезвоженного сульфата кальция,a) applying in a horizontal plane a layer of powdered precursor - calcined anhydrous calcium sulfate, б) его разравнивание и удаление излишков,b) its leveling and removal of surplus, в) струйное нанесение в указанных позициях проекции плоскости печати 10% раствора сульфата меди,c) inkjet application in the indicated positions of the projection of the print plane of 10% copper sulfate solution, г) изменение высоты слоя предшественника с напечатанным слоем относительно печатного блока на толщину следующего слоя, равного 0,1-0,4 мм,g) changing the height of the layer of the predecessor with the printed layer relative to the printing unit by a thickness of the next layer equal to 0.1-0.4 mm, д) повторение процедур а)-г) вплоть до печати крайней плоскости печати по высоте, завершение процедуры 3D печати с получением гранулированного напечатанного образца, который выдерживают в течение 4 часов, после чего удаляют неиспользуемый порошок, а напечатанный сорбент сушат при 180°С в течение 24 часов.e) repeat the procedures a) to d) until the extreme printing plane is printed in height, complete the 3D printing procedure to obtain a granular printed sample that is held for 4 hours, after which unused powder is removed and the printed sorbent is dried at 180 ° C within 24 hours.
RU2018142459A 2018-11-30 2018-11-30 Method of producing sorbents RU2715184C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018142459A RU2715184C1 (en) 2018-11-30 2018-11-30 Method of producing sorbents

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018142459A RU2715184C1 (en) 2018-11-30 2018-11-30 Method of producing sorbents

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2715184C1 true RU2715184C1 (en) 2020-02-25

Family

ID=69630896

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018142459A RU2715184C1 (en) 2018-11-30 2018-11-30 Method of producing sorbents

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2715184C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2810579C1 (en) * 2023-04-05 2023-12-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН, Институт катализа СО РАН) Modular structured catalytically active material and method for its production

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2535704C1 (en) * 2013-04-18 2014-12-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "Группа "Магнезит" Method of 3d printing on refractory articles
WO2016097760A1 (en) * 2014-12-19 2016-06-23 Johnson Matthey Public Limited Company Catalyst manufacturing method
RU2598381C2 (en) * 2010-09-08 2016-09-27 Джонсон Мэтти Паблик Лимитед Компани Method of producing catalyst
RU2668107C1 (en) * 2017-11-14 2018-09-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Method of manufacturing products from powder ceramic materials
US20180272268A1 (en) * 2017-03-24 2018-09-27 Lawrence Livermore National Security, Llc Composite 3d-printed reactors for gas absorption, purification, and reaction
WO2018237336A1 (en) * 2017-06-23 2018-12-27 Lawrence Livermore National Security, Llc Porous ceramic structure and sorbent solution for carbon dioxide capture

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2598381C2 (en) * 2010-09-08 2016-09-27 Джонсон Мэтти Паблик Лимитед Компани Method of producing catalyst
RU2535704C1 (en) * 2013-04-18 2014-12-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "Группа "Магнезит" Method of 3d printing on refractory articles
WO2016097760A1 (en) * 2014-12-19 2016-06-23 Johnson Matthey Public Limited Company Catalyst manufacturing method
US20180272268A1 (en) * 2017-03-24 2018-09-27 Lawrence Livermore National Security, Llc Composite 3d-printed reactors for gas absorption, purification, and reaction
WO2018237336A1 (en) * 2017-06-23 2018-12-27 Lawrence Livermore National Security, Llc Porous ceramic structure and sorbent solution for carbon dioxide capture
RU2668107C1 (en) * 2017-11-14 2018-09-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Method of manufacturing products from powder ceramic materials

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
R. Tubio. 3D printing of heterogeneous copper-based catalyst, J. of Catalysis, v. 334, 2016, p. 110-115. *
R. Tubio. 3D printing of heterogeneous copper-based catalyst, J. of Catalysis, v. 334, 2016, p. 110-115. Sarah Couok. 3D printed SAPO-34 monoliths for gas separation, Microporous and MESOPOROUS MATERIALS, v. 255, 01.01.2018, p. 185-191. *
Sarah Couok. 3D printed SAPO-34 monoliths for gas separation, *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2810579C1 (en) * 2023-04-05 2023-12-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН, Институт катализа СО РАН) Modular structured catalytically active material and method for its production

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2730485C1 (en) Method of producing porous catalytically active material
JP6712272B2 (en) Catalyst manufacturing method
JP7380736B2 (en) Ammonia separation method and zeolite
US9695056B2 (en) Separation and storage of fluids using ITQ-55
JP2017514683A (en) Ammonia slip catalyst with platinum impregnated on high porosity substrate
JP2002253959A (en) Composite adsorbent for refining hydrocarbon stream
EP3565701A1 (en) Method for producing catalyst monoliths
WO1991018832A1 (en) Monolithic catalysts for conversion of sulfur dioxide to sulfur trioxide
CN109641755A (en) The preparation method and its purposes in the selective catalytic reduction of NOx of zeolitic material with FAU type skeleton structure
CN113474290A (en) Molecular sieve intergrowths of cha and aft having an "sfw-GME tail", methods of making and using
RU2715184C1 (en) Method of producing sorbents
JP2007083126A (en) Oxygen storage substance, and method for storing oxygen in three-way catalyst for cleaning exhaust gas from car
EP1222961A2 (en) Method of forming a zeolite layer on a substrate
Li et al. Effect of La-modified supporter on H2S removal performance of Mn/La/Al2O3 sorbent in a reducing atmosphere
Liu et al. Selective removal of thiosulfate from thiocyanate-containing water by a three-dimensional structured adsorbent: a calcined NiAl-layered double hydroxide film
JP2017014100A (en) Method for producing high silica chabazite-type zeolite and high silica chabazite-type zeolite
WO2020156506A1 (en) A zeolitic material having framework type cha
CN110833862A (en) Acetal hydrogenation catalyst and preparation method thereof
RU2706222C2 (en) Method of producing composite frame materials (embodiments)
JP2001205004A (en) Method for removing sulfur compound
CN111004398B (en) Microporous Cu-MOF material and preparation method and application thereof
CN106268835B (en) A kind of catalyst and preparation method thereof of maleic anhydride Hydrogenation gamma-butyrolacton
US20210260564A1 (en) Method for microextrusion of shaped bodies through a plurality of microextrusion nozzles
RU2792611C1 (en) Method for producing composite catalytic material in the form of hollow spheres using microwaves
CN112536027B (en) Spherical denitration catalyst with lattice structure prepared by 3D printing and preparation method thereof