RU2772337C1 - Charge for obtaining porous permeable catalytic material - Google Patents
Charge for obtaining porous permeable catalytic material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2772337C1 RU2772337C1 RU2021133557A RU2021133557A RU2772337C1 RU 2772337 C1 RU2772337 C1 RU 2772337C1 RU 2021133557 A RU2021133557 A RU 2021133557A RU 2021133557 A RU2021133557 A RU 2021133557A RU 2772337 C1 RU2772337 C1 RU 2772337C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- charge
- porous permeable
- chromium
- catalytic
- aluminum
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 54
- 230000003197 catalytic Effects 0.000 title claims abstract description 28
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 39
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 34
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 15
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229910000423 chromium oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N trioxochromium Chemical compound O=[Cr](=O)=O WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- QDOXWKRWXJOMAK-UHFFFAOYSA-N Chromium(III) oxide Chemical compound O=[Cr]O[Cr]=O QDOXWKRWXJOMAK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910000460 iron oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 18
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 abstract description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 17
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 abstract description 13
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 abstract description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 230000003068 static Effects 0.000 abstract description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 24
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 7
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 6
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 5
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 5
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N Nitrogen oxide Substances O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N al2o3 Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- AYTAKQFHWFYBMA-UHFFFAOYSA-N Chromium(IV) oxide Chemical compound O=[Cr]=O AYTAKQFHWFYBMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 229910000519 Ferrosilicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 206010016717 Fistula Diseases 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- -1 copper-chromium Chemical compound 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000003890 fistula Effects 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052813 nitrogen oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 239000005751 Copper oxide Substances 0.000 description 1
- 230000036975 Permeability coefficient Effects 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 101700017456 asd-1 Proteins 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002090 carbon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N copper oxide Chemical compound [Cu]=O QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000431 copper oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000249 desinfective Effects 0.000 description 1
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000007210 heterogeneous catalysis Methods 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory Effects 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N nitric acid Chemical class O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic Effects 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 description 1
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002588 toxic Effects 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам шихты для получения пористого проницаемого материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), применяемого для изготовления фильтрующих элементов, пламегасителей и каталитических фильтров нейтрализаторов отработавших газов двигателей внутреннего сгорания с жесткими требованиями к среднему размеру пор.The invention relates to powder metallurgy, in particular to charge compositions for obtaining a porous permeable material by the method of self-propagating high-temperature synthesis (SHS), used for the manufacture of filter elements, flame arresters and catalytic filters for exhaust gas converters of internal combustion engines with stringent requirements for the average pore size.
Известна шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, оксид алюминия, алюминий и ферросилиций ФС-70 при следующем соотношении компонентов, мас. %: железная окалина 41-43, оксид алюминия 37-40, ферросилиций ФС-70 1-5, алюминий - остальное. Пористый проницаемый материал получают из порошковой шихты методом СВС. Материал имеет упорядоченную структуру порового пространства со средним размером пор 375 мкм, механическую прочность до 11 МПа (патент RU 2154550, МПК7 B22F 3/23, С22С 29/12).Known charge for obtaining a porous permeable material containing iron scale, aluminum oxide, aluminum and ferrosilicon FS-70 in the following ratio, wt. %: iron scale 41-43, aluminum oxide 37-40, ferrosilicon FS-70 1-5, aluminum - the rest. The porous permeable material is obtained from the powder mixture by the SHS method. The material has an ordered structure of the pore space with an average pore size of 375 μm, mechanical strength up to 11 MPa (patent RU 2154550, IPC 7 B22F 3/23, C22C 29/12).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, оксид хрома (IV), хром, никель, алюминий, при следующем соотношении компонентов, мас. %: железная окалина 45-50; алюминий 12,5-27,5; оксид хрома (IV) 17,5-18,5; хром 5-9; никель 5-20. Пористый проницаемый материал получают из порошковой шихты методом СВС. Материал имеет упорядоченную структуру порового пространства со средним размером пор 360 мкм, механическую прочность до 10,5 МПа (патент RU 1779681, МПК5 С04В 38/02, С04В 35/65).The closest in technical essence and the achieved result to the present invention (prototype) is a charge for obtaining a porous permeable material containing iron scale, chromium (IV) oxide, chromium, Nickel, aluminum, in the following ratio, wt. %: iron scale 45-50; aluminum 12.5-27.5; chromium oxide (IV) 17.5-18.5; chrome 5-9; nickel 5-20. The porous permeable material is obtained from the powder mixture by the SHS method. The material has an ordered structure of the pore space with an average pore size of 360 μm, mechanical strength up to 10.5 MPa (patent RU 1779681, IPC 5 SW 38/02, SW 35/65).
Однако вышеописанные смеси имеют следующие общие недостатки: - отсутствие обеспечения изделиями, изготовленными на основе получаемых пористых проницаемых материалов, каталитической очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания и ограничение сферы применения получаемых пористых проницаемых материалов вследствие невысокой механической прочности пористых проницаемых материалов и значительного среднего размера пор в пористых проницаемых материалах, не позволяющего организовать качественную очистку отработавших газов за счет каталитического эффекта потому, что перенос вещества в порах осуществляется исключительно путем молекулярной диффузии по закону Фика. В действительности, присутствие диффузии обусловлено наличием неупорядоченности пор и их высокой извилистостью, и перенос вещества зависит от величины эффективного коэффициента диффузии, что имеет важное значение в процессах гетерогенного катализа. Таким образом, пористые проницаемые материалы, описанные выше, применяются преимущественно для изготовления фильтрующих элементов;However, the mixtures described above have the following general disadvantages: - the lack of provision of products made on the basis of the porous permeable materials obtained, catalytic purification of exhaust gases of internal combustion engines and the limitation of the scope of the porous permeable materials obtained due to the low mechanical strength of porous permeable materials and a significant average pore size in porous permeable materials, which does not allow organizing high-quality purification of exhaust gases due to the catalytic effect, because the transfer of matter in the pores is carried out exclusively by molecular diffusion according to Fick's law. In fact, the presence of diffusion is due to the presence of disordered pores and their high tortuosity, and the transfer of matter depends on the value of the effective diffusion coefficient, which is of great importance in heterogeneous catalysis processes. Thus, the porous permeable materials described above are used primarily for the manufacture of filter elements;
- пониженная устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам и значительная материалоемкость изделий, изготовленных на основе получаемых пористых проницаемых материалов, при жестких технологических требованиях к прочности изделий, изготовленных на основе получаемых пористых проницаемых материалов, а также дополнительное ограничение сферы применения получаемых пористых проницаемых материалов вследствие низкой механической прочности последних, так как наличие в шихтах оксидов (железной окалины, оксида алюминия, оксида хрома) приводит к уменьшению механической прочности материала при отсутствии раскислителя.- reduced resistance to dynamic and static loads and significant material consumption of products made on the basis of obtained porous permeable materials, with stringent technological requirements for the strength of products made on the basis of obtained porous the strength of the latter, since the presence of oxides (iron scale, aluminum oxide, chromium oxide) in the charge leads to a decrease in the mechanical strength of the material in the absence of a deoxidizer.
Предлагаемое изобретение решает задачу обеспечения изделиями, изготовленными на основе получаемого пористого проницаемого материала, качественной каталитической очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, расширения сферы применения этого материала, повышения устойчивости к динамическим и статическим нагрузкам, снижения себестоимости и материалоемкости изделий, изготовленных на основе получаемых пористых проницаемых материалов.The present invention solves the problem of providing products made on the basis of the obtained porous permeable material, high-quality catalytic purification of exhaust gases of internal combustion engines, expanding the scope of this material, increasing resistance to dynamic and static loads, reducing the cost and material consumption of products made on the basis of the obtained porous materials.
Поставленная задача решается тем, что шихта для получения пористого проницаемого каталитического материала, содержащая железную окалину, оксид хрома, хром, никель, алюминий, дополнительно содержит шунгит и медь при следующих соотношениях компонентов, мас. %:The problem is solved by the fact that the mixture for obtaining a porous permeable catalytic material containing iron scale, chromium oxide, chromium, Nickel, aluminum, additionally contains shungite and copper in the following ratios, wt. %:
Качественная каталитическая очистка отработавших газов двигателей внутреннего сгорания изделиями, изготовленными на основе получаемого пористого проницаемого материала, расширение сферы применения этого материала, повышение устойчивости к динамическим и статическим нагрузкам и снижение себестоимости и материалоемкости изделий, изготовленных на основе получаемых пористых проницаемых материалов, достигаются значительным уменьшением среднего размера пор в пористых проницаемых материалах (см. Таблицу), позволяющим организовать очистку отработавших газов от оксидов углерода, оксидов азота, углеводородов, твердых частиц за счет каталитического эффекта, обусловленного использованием в составе шихты оксида хрома, хрома, никеля и меди для получения в процессе СВС медно-хромокислых никелидов, являющимися катализаторами окисления продуктов неполного сгорания топлива, а также обусловленного введением в состав предложенной шихты шунгита.High-quality catalytic cleaning of exhaust gases of internal combustion engines with products made on the basis of the resulting porous permeable material, expanding the scope of this material, increasing resistance to dynamic and static loads and reducing the cost and material consumption of products made on the basis of the obtained porous permeable materials are achieved by a significant decrease in the average pore size in porous permeable materials (see Table), which makes it possible to organize the purification of exhaust gases from carbon oxides, nitrogen oxides, hydrocarbons, solid particles due to the catalytic effect due to the use of chromium oxide, chromium, nickel and copper oxide in the charge to obtain in the process SHS copper-chromium nickelides, which are catalysts for the oxidation of products of incomplete combustion of fuel, as well as due to the introduction of shungite into the composition of the proposed mixture.
Шунгит - достаточно распространенный природный минерал, состоящий на 70% из соединения оксида алюминия и кварца. Основным структурным элементом шунгитов являются глобулы, представляющие собой сферические или эллипсоидальные углеродные образования размером в среднем 10 нм, внутри которых установлено наличие пустот. Кроме внутренних пустот установлено также наличие межглобулярных пустот (пор). Объем закрытых пор оценивается в 95% от общего рассеивающего объема пор. При механическом воздействии в процессе помола за счет частичного разрушения глобулярной структуры и открытия ранее закрытых пор наблюдается не только увеличение удельной адсорбционной поверхности, но и структурности, о чем свидетельствует опережающий рост показателя абсорбции ДБФ. Уровень различия между этими показателями менее 10 ед. характеризует исходную шунгитовую породу, как высокопористую, но которой присущи поры меньшего размера.Shungite is a fairly common natural mineral, consisting of 70% of a combination of aluminum oxide and quartz. The main structural element of shungites are globules, which are spherical or ellipsoidal carbon formations with an average size of 10 nm, within which the presence of voids has been established. In addition to internal voids, the presence of interglobular voids (pores) was also established. The volume of closed pores is estimated at 95% of the total scattering pore volume. Under mechanical action during the grinding process, due to the partial destruction of the globular structure and the opening of previously closed pores, not only an increase in the specific adsorption surface, but also in structure is observed, as evidenced by the outstripping growth of the DBP absorption index. The level of difference between these indicators is less than 10 units. characterizes the original shungite rock as highly porous, but with smaller pores.
Известно, что шунгитовые сорбционные материалы для очистки нефтесодержащих стоков (шунгиты из Карельского месторождения, Россия), испытанные в промышленных условиях в 1,5-2 раза дешевле углей; обладают высокой эффективностью, выступая в роли фильтрующего элемента, сорбента, катализатора окислительно-восстановительных процессов и биологического обеззараживания.It is known that schungite sorption materials for the treatment of oily wastewater (shungites from the Karelian deposit, Russia), tested under industrial conditions, are 1.5-2 times cheaper than coal; have high efficiency, acting as a filter element, sorbent, catalyst for redox processes and biological disinfection.
Преимущество применения природного шунгита в пористых проницаемых каталитических материалах состоит в том, что минуя целый ряд процессов обогащения, металлургии, очистки можно обеспечить присутствие в шихте дополнительно меди, никеля, оксида кремния, алюминия, железа, кальция, калия, магния, титана, что обеспечивает комплексные оксидные соединения, определяющие каталитические свойства материалов.The advantage of using natural shungite in porous permeable catalytic materials is that bypassing a number of beneficiation, metallurgy, and purification processes, it is possible to ensure the presence of additional copper, nickel, silicon oxide, aluminum, iron, calcium, potassium, magnesium, and titanium in the charge, which ensures complex oxide compounds that determine the catalytic properties of materials.
Исходя из условий существования устойчивого горения систем была определена концентрация каждого из компонентов предложенной шихты для получения пористого проницаемого каталитического материала.Based on the conditions for the existence of stable combustion systems, the concentration of each of the components of the proposed mixture was determined to obtain a porous permeable catalytic material.
Железо как легирующий элемент обеспечивает твердорастворное упрочнение матрицы. Железная окалина легированной стали является отходом горячей обработки металлов (ковки, штамповки) и представляет собой нестехиометрический оксид железа со следами легирующих элементов. При проведении исследований использовалась окалина сталей 18ХНВА, 18ХНМА, 40ХНМА, имеющих высокую реакционную способность. Содержание в шихте железной окалины в количестве 20,02-24,8 мас. % является оптимальным, так как при содержании в составе шихты железной окалины в количестве менее 20,02 мас. % в системе появляется жидкая фаза, а при содержании в составе шихты железной окалины в количестве более 24,8 мас. % шихта сгорает не полностью.Iron as an alloying element provides solid solution hardening of the matrix. Iron scale of alloyed steel is a waste of hot metal processing (forging, stamping) and is a non-stoichiometric iron oxide with traces of alloying elements. When conducting research, the scale of steels 18KhNVA, 18KhNMA, 40KhNMA, which have a high reactivity, was used. The content in the charge of iron scale in the amount of 20.02-24.8 wt. % is optimal, since when the content of iron scale in the mixture is less than 20.02 wt. %, a liquid phase appears in the system, and when the content of iron scale in the composition of the charge is more than 24.8 wt. % charge does not burn completely.
В гетерогенных реакциях окисления и восстановления в порах материалов, получаемых методом СВС, оксид хрома(III) как оксид переходного металла выступает в роли катализатора, в присутствии которого происходит снижение энергии активации. Содержание оксида хрома(III) в количестве 10,5-11,5 мас. % является оптимальным, так как именно такое количество данного компонента позволяет обеспечить требуемое качество очистки отработавших газов. Содержание оксида хрома(III) в шихте в количестве менее 10,5 мас. % и более 11,5 мас. % приводит к образованию в пористых проницаемых каталитических материалах, полученных методом СВС, раковин и свищей.In heterogeneous reactions of oxidation and reduction in the pores of materials obtained by the SHS method, chromium(III) oxide, as a transition metal oxide, acts as a catalyst, in the presence of which the activation energy decreases. The content of chromium(III) oxide in the amount of 10.5-11.5 wt. % is optimal, since it is this amount of this component that ensures the required quality of exhaust gas cleaning. The content of chromium(III) oxide in the mixture in an amount of less than 10.5 wt. % and more than 11.5 wt. % leads to the formation of cavities and fistulas in porous permeable catalytic materials obtained by the SHS method.
Хром является катализатором в процессах окисления углеводородов и от его содержания в шихте во многом зависят каталитические свойства пористых проницаемых материалов, полученных методом СВС. Хром введен в шихту, с одной стороны, для стабилизации растекания расплава реактивов в процессе взаимодействия, с другой - для повышения коррозионной стойкости материала к парам серной и азотной кислот, присутствующих в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, и также как катализатор, способствующий снижению энергии активации в окислительных и восстановительных процессах очистки газов в нейтрализаторах. Содержание хрома в количестве 6,75-6,85 мас. % является оптимальным, так как такое количество данного компонента обеспечивает необходимую степень очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания от вредных веществ. При содержании в шихте хрома в количестве менее 6,75 мас. % происходит снижение механической прочности за счет ухудшения условий растекания расплавов реагентов в процессе изготовления пористых проницаемых материалов, полученных методом СВС, а содержание в шихте хрома в количестве более 6,85 мас. % приводит к образованию раковин и свищей.Chromium is a catalyst in the processes of hydrocarbon oxidation, and the catalytic properties of porous permeable materials obtained by the SHS method largely depend on its content in the charge. Chromium is introduced into the charge, on the one hand, to stabilize the spreading of the melt of reagents in the process of interaction, on the other hand, to increase the corrosion resistance of the material to the vapors of sulfuric and nitric acids present in the exhaust gases of internal combustion engines, and also as a catalyst that helps to reduce the activation energy in oxidation and reduction processes of gas purification in neutralizers. The content of chromium in the amount of 6.75-6.85 wt. % is optimal, since such an amount of this component provides the necessary degree of purification of exhaust gases from internal combustion engines from harmful substances. When the content in the charge of chromium in an amount of less than 6.75 wt. %, there is a decrease in mechanical strength due to deterioration of the conditions for the spreading of melts of reagents in the process of manufacturing porous permeable materials obtained by the SHS method, and the content of chromium in the charge in an amount of more than 6.85 wt. % leads to the formation of shells and fistulas.
Никель является катализатором в процессах доокисления продуктов неполного сгорания и восстановления оксидов азота. Введение никеля в состав шихты для получения пористого проницаемого каталитического материала значительно влияет на состав отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Содержание никеля в шихте в количестве 5,5-5,9 мас. % является оптимальным, так как содержание этого компонента в шихте в количестве менее 5,5 мас. % не обеспечивает необходимое качество очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, а содержание никеля в шихте в количестве более 5,9 мас. % существенно не сказывается на качестве очистки выхлопных газов, но приводит к значительному удорожанию катализатора.Nickel is a catalyst in the processes of additional oxidation of products of incomplete combustion and reduction of nitrogen oxides. The introduction of nickel into the composition of the charge to obtain a porous permeable catalytic material significantly affects the composition of the exhaust gases of internal combustion engines. Nickel content in the mixture in the amount of 5.5-5.9 wt. % is optimal, since the content of this component in the mixture in an amount of less than 5.5 wt. % does not provide the required quality of purification of exhaust gases of internal combustion engines, and the nickel content in the charge in the amount of more than 5.9 wt. % does not significantly affect the quality of exhaust gas purification, but leads to a significant increase in the cost of the catalyst.
Содержание в шихте алюминия в количестве 12,4-12,6 мас. % является оптимальным, так как при содержании в составе шихты алюминия в количестве менее 12,4 мас. % в системе появляется жидкая фаза, а при содержании в составе шихты алюминия в количестве более 12,6 мас. % шихта сгорает не полностью.The content in the charge of aluminum in the amount of 12.4-12.6 wt. % is optimal, since when the content of aluminum in the composition of the charge is less than 12.4 wt. %, a liquid phase appears in the system, and when the content of aluminum in the composition of the charge is more than 12.6 wt. % charge does not burn completely.
Выбранное соотношение никеля и алюминия в шихте обусловлено концентрационными пределами взаимодействия в системе никель-алюминий, за рамками которых образования интерметаллического соединения не происходит и реакция самопроизвольно прекращается.The chosen ratio of nickel and aluminum in the charge is due to the concentration limits of interaction in the nickel-aluminum system, beyond which the formation of an intermetallic compound does not occur and the reaction spontaneously stops.
Содержание в шихте шунгита в количестве 30,0-50,0 мас. % является оптимальным, так как именно это количество руды в составе шихты обеспечивает заданную пористость, извилистость пор, механическую прочность, ударную вязкость, а также необходимую степень очистки отработавших газов от вредных веществ. Содержание в составе шихты шунгита в количестве менее 30 мас. % не дает возможности обеспечить требуемую пористость получаемого материала, извилистость пор, что не позволяет эффективно осуществлять процесс каталитической очистки отработавших газов. Содержание шунгита в шихте в количестве более 50 мас. % приводит к снижению механической прочности, ударной вязкости и снижению коррозионной стойкости материала (см. Таблицу).The content of shungite in the charge in the amount of 30.0-50.0 wt. % is optimal, since it is this amount of ore in the composition of the charge that provides the specified porosity, tortuosity of pores, mechanical strength, impact strength, as well as the necessary degree of purification of exhaust gases from harmful substances. The content of shungite in the composition of the charge in an amount of less than 30 wt. % does not make it possible to provide the required porosity of the resulting material, the tortuosity of the pores, which does not allow to effectively carry out the process of catalytic purification of exhaust gases. The content of shungite in the mixture in an amount of more than 50 wt. % leads to a decrease in mechanical strength, impact strength and a decrease in the corrosion resistance of the material (see Table).
Содержание в шихте меди в количестве 1,18-2,0 мас. % является оптимальным, так как именно при таком количестве данного компонента в составе шихты обеспечивается каталитическая очистка отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, реализуется способность окисления и нейтрализации токсических компонентов отработавших газов и уменьшается дымность двигателей внутреннего сгорания, при этом могут быть использованы более тонкостенные фильтрующие элементы вследствие повышения механической прочности на сжатие до 10 МПа. При содержании в составе шихты меди в количестве менее 1,18 мас. % шихта сгорает не полностью, а при содержании в составе шихты меди в количестве более 2,0 мас. % в системе появляется жидкая фаза.The content in the charge of copper in the amount of 1.18-2.0 wt. % is optimal, since it is with this amount of this component in the composition of the charge that catalytic purification of exhaust gases of internal combustion engines is ensured, the ability to oxidize and neutralize toxic components of exhaust gases is realized, and the smoke of internal combustion engines decreases, while thinner filter elements can be used due to increase in mechanical compressive strength up to 10 MPa. When the content in the mixture of copper in an amount of less than 1.18 wt. % charge does not burn completely, and when the content of the mixture of copper in the amount of more than 2.0 wt. % a liquid phase appears in the system.
При проведении исследований по определению влияния содержания шунгита на состав шихты для получения пористого проницаемого каталитического материала изменялось и соотношение основных компонентов - железной окалины, алюминия, хрома и никеля. При этом изменились и физические характеристики получаемого материала. Изменение содержания хрома и никеля по сравнению с содержанием тех же компонентов в шихте, выбранной в качестве прототипа, привело к уменьшению среднего приведенного диаметра пор, увеличению удельной поверхности и пористости (см. Таблицу).When conducting research to determine the effect of the content of shungite on the composition of the mixture to obtain a porous permeable catalytic material, the ratio of the main components - iron scale, aluminum, chromium and nickel - also changed. At the same time, the physical characteristics of the resulting material also changed. The change in the content of chromium and Nickel compared with the content of the same components in the mixture, selected as a prototype, led to a decrease in the average reduced pore diameter, an increase in specific surface area and porosity (see Table).
Изобретение поясняется таблицей, в которой приведены состав, физические характеристики, физико-механические и функциональные свойства образцов пористого проницаемого каталитического материала, полученного на основе предложенной шихты с шунгитом и медью путем СВС, а также образцов пористого проницаемого материала, полученного на основе шихты, выбранной в качестве прототипа, путем СВС.The invention is illustrated by the table, which shows the composition, physical characteristics, physico-mechanical and functional properties of samples of porous permeable catalytic material obtained on the basis of the proposed mixture with shungite and copper by SHS, as well as samples of porous permeable material obtained on the basis of the mixture selected in as a prototype, by SHS.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующим примером.The present invention is illustrated by the following example.
Для экспериментальной проверки заявляемого технического решения были подготовлены образцы шихты различного состава согласно изобретению, а также образец шихты-прототипа. Для изготовления образцов использовались размол железной окалины стали 18Х2Н4МА, хром ПХ-1 по ТУ 882-76, никель ПНК-ОТ-1 по ГОСТ 9722-79, алюминий АСД-1 по ТУ 485-22-87, шунгит (порошок) по ТУ 5714-007-12862296-2016 и медь. В качестве железной окалины можно использовать также железную окалину стали 18ХНВА, или стали 18ХНМА, или стали 40ХНМА. Компоненты дозировались в заданных соотношениях на аналитических весах с точностью до 0,001 г и смешивались всухую в лабораторном смесителе типа «пьяная бочка» партиями по 200 г в течение 1 часа. Приготовленная шихта засыпалась в металлические формы и после инициирования реакции СВС компонентов получали образцы пористого проницаемого материала, которые в дальнейшем использовались для испытаний.For experimental verification of the proposed technical solution were prepared samples of the charge of various compositions according to the invention, as well as a sample of the prototype charge. For the manufacture of samples, grinding of iron scale of steel 18Kh2N4MA, chromium PKh-1 according to TU 882-76, nickel PNK-OT-1 according to GOST 9722-79, aluminum ASD-1 according to TU 485-22-87, shungite (powder) according to TU 5714-007-12862296-2016 and copper. As iron scale, you can also use the iron scale of steel 18HNVA, or steel 18HNMA, or steel 40HNMA. The components were dosed in predetermined ratios on an analytical balance with an accuracy of 0.001 g and mixed dry in a laboratory mixer of the “drunken barrel” type in batches of 200 g for 1 hour. The prepared charge was poured into metal molds, and after the initiation of the SHS reaction of the components, samples of a porous permeable material were obtained, which were subsequently used for testing.
Образцы для испытаний имели вид полых цилиндров длиной 100 мм, с внешним диаметром 40 мм и внутренним диаметром 30 мм. Средний размер пор образцов определялся металлографически по результатам 250 измерений индивидуальных пор. Общую пористость определяли методом гидростатического взвешивания образцов, коэффициент проницаемости по воздуху по ГОСТ 25283-93. Результаты испытаний приведены в таблице.The test specimens had the form of hollow cylinders 100 mm long, with an outer diameter of 40 mm and an inner diameter of 30 mm. The average pore size of the samples was determined metallographically from the results of 250 measurements of individual pores. The total porosity was determined by the method of hydrostatic weighing of samples, the air permeability coefficient according to GOST 25283-93. The test results are shown in the table.
Экспериментальная оценка физико-механических, каталитических и эксплуатационных свойств пористых проницаемых каталитических материалов проведена на образцах, полученных при идентичных технологических условиях с различными свойствами шихты. На основании таблицы выявлена зависимость среднего диаметра пор от соотношения компонентов в составе шихты: с увеличением содержания в шихте шунгита пористость материала возрастает. Формирование структуры пористого проницаемого каталитического материала происходит на основе процесса горения смеси, в которую входит d-элементы периодической системы элементов, а именно: железо, хром, никель, медь и ряд других. Как следует из данных таблицы, шихта с заявленным составом компонентов позволяет уменьшить средний размер пор в синтезируемом материале до 51% по сравнению с прототипом.An experimental assessment of the physico-mechanical, catalytic, and operational properties of porous permeable catalytic materials was carried out on samples obtained under identical technological conditions with different charge properties. Based on the table, the dependence of the average pore diameter on the ratio of components in the charge composition was revealed: with an increase in the content of shungite in the charge, the porosity of the material increases. The formation of the structure of the porous permeable catalytic material occurs on the basis of the combustion process of the mixture, which includes d-elements of the periodic system of elements, namely: iron, chromium, nickel, copper and a number of others. As follows from the data in the table, the charge with the declared composition of the components allows you to reduce the average pore size in the synthesized material up to 51% compared with the prototype.
Таким образом, применение предлагаемой шихты с добавлением природного шунгита по сравнению с использованием шихты-прототипа позволяет получить изделия, изготовленные на основе получаемого пористого проницаемого материала, обеспечивающие качественную каталитическую очистку отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, повысить устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам, снизить себестоимость и материалоемкость этих изделий, расширить сферу применения полученного пористого проницаемого каталитического материала, что обусловлено повышением механической прочности и уменьшением среднего размера пор синтезируемого материала.Thus, the use of the proposed mixture with the addition of natural shungite, compared with the use of the prototype mixture, makes it possible to obtain products made on the basis of the obtained porous permeable material, which provide high-quality catalytic purification of exhaust gases from internal combustion engines, increase resistance to dynamic and static loads, reduce cost and the material consumption of these products, to expand the scope of the obtained porous permeable catalytic material, which is due to an increase in mechanical strength and a decrease in the average pore size of the synthesized material.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2772337C1 true RU2772337C1 (en) | 2022-05-18 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1779681A1 (en) * | 1990-12-25 | 1992-12-07 | Altajskij Polt I Polzun | Charge for producing porous permeable material |
| JP2002220291A (en) * | 2001-01-17 | 2002-08-09 | Ookubeeru Trade Kk | Ceramic filter |
| RU2530184C1 (en) * | 2013-08-27 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Charge for making porous permeable catalytic material |
| RU2532745C1 (en) * | 2013-08-27 | 2014-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Charge with loparite for making porous permeable catalytic material |
| RU2615673C1 (en) * | 2015-11-25 | 2017-04-06 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Charge with cordierite ore for making the porous permeable catalytic material |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1779681A1 (en) * | 1990-12-25 | 1992-12-07 | Altajskij Polt I Polzun | Charge for producing porous permeable material |
| JP2002220291A (en) * | 2001-01-17 | 2002-08-09 | Ookubeeru Trade Kk | Ceramic filter |
| RU2530184C1 (en) * | 2013-08-27 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Charge for making porous permeable catalytic material |
| RU2532745C1 (en) * | 2013-08-27 | 2014-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Charge with loparite for making porous permeable catalytic material |
| RU2615673C1 (en) * | 2015-11-25 | 2017-04-06 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Charge with cordierite ore for making the porous permeable catalytic material |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3565574A (en) | Catalytic conversion of exhaust gas impurities | |
| CN101363349B (en) | Catalyst-supported particulate filter | |
| US4119571A (en) | Pellet type oxidation catalyst | |
| Pestryakov et al. | Foam-metal catalysts for purification of waste gases and neutralization of automotive emissions | |
| EP0100267A1 (en) | Process for the production of catalysts for the treatment of exhaust gases of internal-combustion engines | |
| RU2341353C2 (en) | Charge for receiving of cellular permeable material | |
| Mačala et al. | Zeolite as a prospective material for the purification of automobile exhaust gases | |
| CN111068710A (en) | Catalyst for burning carbon smoke and preparation method and application thereof | |
| RU2772337C1 (en) | Charge for obtaining porous permeable catalytic material | |
| RU2299785C1 (en) | Burden for producing porous permeable material | |
| RU2530184C1 (en) | Charge for making porous permeable catalytic material | |
| RU2530186C1 (en) | Charge with bastnaesite for making porous permeable catalytic material | |
| JPH08506992A (en) | Catalyst used in oxidation | |
| Tuler et al. | Development of sepiolite/SiC porous catalytic filters for diesel soot abatement | |
| RU2532744C1 (en) | Charge with zeolite for making porous permeable catalytic material | |
| RU2532745C1 (en) | Charge with loparite for making porous permeable catalytic material | |
| RU2781134C1 (en) | Charge for the production of porous permeable catalytic material | |
| RU2615673C1 (en) | Charge with cordierite ore for making the porous permeable catalytic material | |
| US4128503A (en) | Catalyst for purifying exhaust and waste gases and method for preparation thereof | |
| RU2530187C1 (en) | Charge with rhodium and iridium for making porous permeable catalytic material | |
| RU2743450C1 (en) | Mixture with molding clay for production of porous permeable catalytic material | |
| RU2615674C1 (en) | Charge with palladium for making the porous permeable catalytic material | |
| Yapaulo et al. | Impact of filtration velocities and particulate matter characteristics on diesel particulate filter wall loading | |
| JPH1047035A (en) | Particulate trap for diesel engine | |
| RU2615672C1 (en) | Charge with ilmenite ore for making the porous permeable catalytic material |